生物炭對凍融期鹽漬化土壤水熱肥效應的影響

張如鑫， 屈忠義， 王麗萍， 楊 威， 劉祖汀

(內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院， 呼和浩特 010018)

內蒙古河套灌區作為我國重要的糧油生產基地，土壤鹽漬化較為嚴重，氣候干旱寒冷，每年土壤凍融時間長達180天左右。近年來，隨著全球氣候變暖，中高緯度的積雪和土壤凍融環境將發生變化，其中水分、熱量的傳輸、水分相變和鹽分的積累等，對土壤水分、密度、溫度、養分等均有不同程度的影響。首先，受季節性凍融作用影響，翌年春播農作物的底墑嚴重不足，融解期地表水分蒸發強度強烈，表層土壤經過反復凍融作用對整個農田土壤養分流失具有重要的影響，導致越冬作物和春播農作物因嚴重缺水而減產；其次，凍融所形成的鹽漬化會對作物生長過程產生巨大的威脅，降低土壤保水、保肥等能力；再次，河套灌區利用傳統秋澆使土壤凍結滯水，為來年早春作物播種提供適宜墑情，但是由于融解期上蒸下漏，致使土壤水分利用率較低。因此，在凍融期采取合理的改良措施抑制地表蒸發、提高土壤底墑，對于促進翌年作物出苗生長和提高農業水肥利用效率具有重要意義。

生物炭是一種新興而又有效的土壤改良劑，因其較大的孔隙度和比表面積，能夠改變土壤理化性質，直接或間接影響土壤水熱肥狀況，備受國內外學者廣泛的關注。閻海濤等以植煙褐土為研究對象發現，施加小麥秸稈生物炭3年后土壤TOC和含水率隨生物炭施加量增加而提高，但對土壤速效磷影響不顯著。李昌見等選用玉米秸稈生物炭施加土壤中發現，土壤溫度隨著生物炭施加量增加而增加，生物炭施加量為60 t/hm時土壤溫度增幅最大。但也有研究認為，施加生物炭在改善土壤理化性質方面具有一定的副作用，原因可能是土壤類型、生物炭施加量、生物炭種類等其他環境因素不同而存在差異。孫運朋等研究濱海灘涂鹽堿地土壤發現，施加7.5 t/hm生物炭并未使土壤容重降低，且隨著生物炭施用量的增加，土壤持水能力呈減小的趨勢。Carvalho等研究發現，施加32 t/hm木質生物炭降低了土壤有效水分，對水稻生長無影響?？梢?，生物炭的施加對土壤理化性質具有一定的影響作用。但是，在河套灌區反復的凍融作用下，施入生物炭后對鹽漬化土壤水熱肥有何影響，凍融作用下生物炭是否能很好地起到對土壤改良的作用，目前尚缺少相關研究。

針對河套灌區典型冬季較長、次生鹽漬化等問題，在內蒙古河套灌區進行田間小區原位控制試驗，探究施加生物炭對凍融期鹽漬化土壤水熱肥的影響，為改善干旱地區土壤提供科學依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2019年11月至2021年4月在內蒙古巴彥淖爾市五原縣田間小區進行(40°46′30″—41°16′45″N，107°35′70″—108°37′50″E)。五原縣位于內蒙古河套平原腹地，屬于典型的溫帶大陸性氣候，氣候干燥，土壤封凍期長，且冬春季土壤鹽分表聚現象嚴重。年均氣溫6.1 ℃，極端最低氣溫-36.7 ℃，年均降水量177 mm，無霜期117～136天。太陽年平均輻射總量為153.44 kcal/cm，全年日照時間3 230.9 h，凍融期日照時間占全年的44%。平均最低地溫-12.3 ℃，凍土深度為100～130 cm，土壤11月初進入初凍期，凍層全部融化在翌年4月中旬左右。試驗期積雪厚度、氣溫見圖1。

圖1 試驗期間日最高氣溫、日最低氣溫、積雪厚度

試驗開始前選取5個1 m×1 m樣方，去除表層植物碎屑等雜物，使用土鉆采集0—40 cm的土壤樣品，樣品經自然風干過篩后，測其基礎理化性質。供試生物炭為遼寧金和福農業開發有限公司的玉米秸稈生物炭產品，該生物炭在360 ℃厭氧條件下熱解處理制備而成。土壤和生物炭基本性質見表1。

表1 供試土壤和生物炭基礎性質

1.2 試驗設計

根據關于生物炭對農田土壤性狀和作物生長的影響研究結果，本試驗設置2種不同用量生物炭處理，分別是15 t/hm(D15)和30 t/hm(D30)的生物炭，以不施加生物炭的小區為對照(CK)。每個處理包括對照設置3個重復，共9個小區，完全隨機區組排列。小區面積為160 m( 40 m×4 m)，其四周均設置2 m寬的保護行。2019年10月15日將生物炭一次性均勻揮灑在試驗小區上，使用旋耕機將其與30 cm土層土壤均勻混合，之后不再施加生物炭。試驗田2020年4月25日進行春季灌水壓鹽，灌溉定額為150 m/667 m，灌水方式為地面灌溉，以黃河水為灌溉水源，pH為8.76，礦化度為1.88 g/L，Ca、Mg、Na+K、Cl、SO、HCO含量分別為70.1，79.0，37.5，106.4，264.2，183.1 mg/kg。播前進行人工耕翻，深度約30 cm，并施入磷酸二胺(N質量分數18%，P質量分數46%) 450 kg/hm和復合肥(N質量分數15%，P質量分數15%，K質量分數15%)337.5 kg/hm作為底肥。病蟲草害化學防治以及其他田間管理措施同當地作物高產管理一致。

因不同凍融條件對土壤理化性質的影響程度存在差異，為更準確分析凍融期各個階段土壤水熱肥狀況，參考往年氣象數據，特將凍融期具體劃分3個階段：初凍期、凍結期和融解期。日最低氣溫開始達到0 ℃以下至土壤表層開始凍結階段為初凍期；當日最低、最高氣溫均達到0 ℃以下，凍結鋒面快速向下移動至土壤達到最大凍結深度，且積雪不再消融階段為凍結期；日最高氣溫達到0 ℃以上積雪開始融化，土層從上到下開始解凍至全部解凍階段為融解期。

試驗經過2個凍融期，每個凍融期相對應階段及其具體日期為：初凍期2019年11月5日至2019年12月16日(42天)、凍結期2019年12月17日至2020年2月21日(67天)、融解期2020年2月22日至2020年4月15日(54天)，凍融歷時163天。初凍期2020年11月2日至2020年12月2日(31天)、凍結期2020年12月3日至2021年2月28日(88天)、融解期2021年03月1日至2021年4月5日(36天)，凍融歷時155天。

1.3 測定指標與方法

土樣采集頻率設定為：土壤凍結期大約每20天進行1次取樣。初凍期和融解期由于當地氣候晝夜溫差較大，此階段的土壤處于凍融狀態，土壤水熱肥狀況波動較大，因此加密取樣，采集頻率設定為大約每10天1次。當凍融期有積雪覆蓋時，選取積雪厚度一致區域進行取樣，取樣前用鏟子將表層積雪清理干凈，取樣結束后將積雪再次覆蓋。根據已有研究發現，該研究區土壤容重的年際變化并不明顯，加之冬季取樣困難，特將土壤容重的取樣次數設定為：初凍期、凍結期、融解期各2次。

1.3.1 土壤含水率和容重 土壤樣品采用土芯法采集，使用手持式動力取樣器采集深度0—100 cm土層土壤，每20 cm為1層，重復3次。取出原狀土后立即將土壤樣本放入鋁盒內，使用烘干法測定各層土壤質量含水率、通過計算單位體積(100 cm)環刀中的烘干土質量測定土壤容重。計算0—20，20—40 cm土層土壤儲水量，計算公式為：

=10···

(1)

式中：為第層土壤儲水量(mm)；為第層土壤厚度(cm)；為第層土壤干容重(g/cm)；為第層土壤質量含水率(%)。

1.3.2 土壤溫度 采用多通道土壤溫度傳感器(TM-03，邯鄲市若騰電子科技有限公司)對0—40 cm土壤溫度進行監測，監測時間間隔設定為4 h/次，試驗期末讀取數據。采用離散法進行計算土壤凍融指數，凍融指數分為地表凍融指數和空氣凍融指數，由逐日觀測的溫度數據計算得出。計算公式為：

(2)

(3)

式中：為凍結指數(℃·d)；為融化指數(℃·d)；為年內溫度低于凍結點的日數(d)；為日平均地表溫度(℃)。

1.3.3 土壤養分 在凍融期采用土鉆進行多點采集深度為0—40 cm土層土壤。土樣經自然風干后人工研磨，采用紫外可見分光光度計以及火焰光度計測定土壤速效磷和速效鉀含量；采用1.0 mol/L NaOH堿解擴散法測定土壤堿解氮含量；采用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機碳含量，并計算某土層的有機碳密度(soc)，計算公式為

(4)

式中：為第層土壤有機碳含量(kg/m)；為第層土壤容重(g/cm)；為第層土層厚度(cm)。

1.4 統計分析

數據采用Microsoft Excel 2010和SPSS 25.0軟件運用LSD法進行差異顯著性檢驗(<0.05)，整理分析，使用Origin 9.1和Surfer 12軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 施加生物炭對土壤水分的影響

2.1.1 土壤儲水量動態變化特征 試驗期間各處理土壤儲水量見表2。對于2年凍融期，各個階段20—40 cm土層的土壤儲水能力均優于0—20 cm土層。初凍期和融解期是土壤儲水量最高的時期，凍結期土壤儲水量處于較低水平?？赡苁且驗閮鼋Y期因土壤完全凍結且無外界水源，各處理土壤儲水量較低；融解期由于積雪融化水和土壤解凍水的補給，土壤儲水量最大。

2.1 采用專家咨詢的方法 選擇15名包括社區衛生服務中心院長、團隊長和護理專家進行2輪的函詢，以此建立家庭病床患者上門靜脈輸液安全模式的初步框架同時改進上門輸液攜帶包。

表2 表層土壤儲水量動態變化

施加生物炭對凍融各階段土壤儲水量均有不同程度的影響。試驗初期各處理的土壤儲水量無顯著性差異，甚至在初凍期CK小區具有較高的持水性，但隨生物炭施加時間的增長，生物炭的持水作用逐漸顯現。第1年凍結期(0—20 cm)和融解期(20—40 cm)，D30處理的土壤儲水量較CK分別顯著提高了15.72%和13.71%。翌年初凍期(0—20 cm土層)，CK小區的土壤儲水量比D15和D30分別減少1.41，5.87 mm。除第1年凍結期0—20 cm土層D30處理外，其他時期各土層凍結期土壤水分散失不明顯，各處理間土壤儲水量差異不顯著，但生物炭處理較對照均提高了土壤儲水量。融解期D30處理儲水能力最佳，在0—20，20—40 cm土層，較CK相比，分別提高土壤儲水量6.77，7.97 mm?？傮w來看，生物炭對2年凍融期土壤儲水量具有一定的提高效果。

2.1.2 土壤含水率剖面分布特征 由圖2可知，各處理土壤含水率剖面分布特征整體表現為上干下濕的特點。0—40 cm土層各處理土壤含水率空間分布規律較為明顯，而40—100 cm土層各處理土壤含水率空間分布無明顯規律。初凍期各處理的土壤水分主要集中在40—80 cm土層，表層和深層土壤水分較低，且對照小區低于生物炭處理。凍結期0—40 cm土層土壤水分整體呈現較低水平，土壤含水率從大到小依次為D30>D15>CK。當凍融作用持續到120天左右時，氣溫上升致使積雪融化，此時處于土壤融解期，土壤含水率隨土層深度增加而增加，且生物炭處理的土壤含水率與對照相比均有所提高；此外，在融解期40—80 cm土層土壤含水率的等值線在空間上變化劇烈且密集，說明在該土層土壤含水率梯度變化較大。

圖2 凍融期不同處理0-100 cm土層土壤含水率空間分布

2.2 施加生物炭對土壤溫度的影響

2.2.1 土壤溫度動態變化特征 由圖3可知，施加生物炭可以有效減緩凍融期各土層溫度的波動幅度。2年凍融期，CK小區0—40 cm的土壤平均溫度比D15和D30分別降低了0.83，1.64 ℃。較CK相比，在初凍期生物炭處理的平均土壤溫度提高0.80～1.33 ℃，凍結期提高1.30～2.05 ℃，融解期提高0.18～0.35 ℃。此外，在融解期各處理平均土壤溫度對應的箱線圖較長，說明此階段土壤溫度變化幅度較大，其中在第1年融解期CK、D15和D30的變異系數分別為9.81%，3.38%，3.37%，翌年融解期分別為5.85%，1.90%，2.30%，生物炭處理的溫度變異幅度均小于對照處理，說明生物炭可以有效地降低土壤溫度變化的離散程度。

注:圖(a)～(c)分別為2019-2020年初凍期、凍結期和融解期；圖(d)～(f)分別為2020-2021年初凍期、凍結期和融解期。 箱線圖中箱體上—表示均值，箱體表示25%～75%，誤差線表示最大值和最小值。圖柱上方不同小寫字母不同表示同一時期不同處理間差異達到p<0.05顯著水平。下同。圖3 0-40 cm土層土壤溫度變化

2.2.2 土壤凍融指數的變化特征 土壤凍融指數的變化，能夠從不同方面反映土壤水分和熱量的分布、遷移和傳輸規律。由圖4可知，2年凍融期凍結指數均為CK>D15>D30，施加生物炭后土壤水熱狀況均有所提升致使土壤熱容量增加，D15和D30的0—40 cm凍結指數比CK分別減少98.17，170.89 ℃·d。第1年凍融期土壤融化指數大小為D15(283.50 ℃·d)>D30(275.96 ℃·d)>CK(236.14 ℃·d)，翌年凍融期為D30(139.63 ℃·d)>D15(105.66 ℃·d)>CK(79.49 ℃·d)。整體來看，生物炭的施入使凍融期土壤融化指數有所提高，表明施加生物炭使土壤凍融期間的最大融化深度增加、土壤水分調蓄空間變大以及調蓄能力有所增強。

注：圖柱上方不同小寫字母表示同一指標不同處理間差異顯著(p<0.05)。圖4 凍融期不同處理土壤凍融指數的變化

2.3 施加生物炭對土壤養分的影響

2.3.1 土壤速效磷鉀和堿解氮含量變化特征 由表3可知，0—20 cm土層土壤速效鉀含量高于20—40 cm土層，且施加生物炭在不同程度上提高了各土層土壤速效鉀含量。較對照比，生物炭處理顯著提高了第1年初凍期(0—20，20—40 cm)和凍結期(20—40 cm)土壤速效鉀含量；在融解期D30處理顯著提高0—20，20—40 cm土層速效鉀含量，增幅分別達到13.71%和15.11%。翌年凍融期，與對照相比，生物炭處理均提高了土壤速效鉀含量，其中D30處理與CK間達到顯著，初凍期0—20 cm土層增幅為38.07%，凍結期20—40 cm土層增幅為17.34%，融解期0—20，20—40 cm土層增幅分別為13.05%和14.00%。施加生物炭提高了0—40 cm土層土壤堿解氮含量，其中2年凍融期均以D30增幅最大，在0—20，20—40 cm土層，初凍期最大增加值分別為21.28，13.50 mg/kg，凍結期分別為24.32，16.17 mg/kg，融解期分別為36.27，21.03 mg/kg。分析各處理各土層土壤速效磷含量得出，在試驗第1年凍融期，除D15處理(20—40 cm土層)與CK間未達到顯著水平，其余各時期各處理均與對照達到顯著水平；在翌年初凍期、凍結期和融解期，各土層生物炭處理與對照均達到顯著水平，增幅大小表現為D30>D15>CK?？梢?，生物炭的施入對2年凍融期土壤速效鉀、堿解氮和速效磷含量均具有提高作用，以D30處理較優。

表3 表層土壤養分含量變化

2.3.2 土壤有機碳密度變化特征 由表4可知，0—40 cm土層生物炭處理較對照均有所提高，且各處理0—20 cm土層土壤有機碳密度均高于20—40 cm土層。生物炭施加后第1年，對于0—20 cm土層，D15和D30較CK在初凍期、凍結期和融解期分別提高8.14%，2.01%，18.07%，11.76%，11.41%，11.45%。20—40 cm土層與0—20 cm土層規律相似，其中D30較CK在融解期提高土壤有機碳密度增幅最大，達到22.38%。試驗第2年較第1年各處理土壤有機碳密度變化無顯著差別，各處理各土層生物炭處理較對照均達到差異顯著。

表4 試驗期不同處理土壤有機碳密度

3 討 論

3.1 施加生物炭對土壤水分的影響

已有研究表明，生物炭可以改變土壤的理化結構，從而起到大幅節水保墑的功效。本研究發現，施加生物炭可以提升2年凍融期0—40 cm土層土壤儲水量。一般來說，生物炭主要通過2種方式影響土壤水分狀況，直接影響是生物炭作為一種多孔介質所特有的多孔隙和強大的吸附性能可以直接吸附土壤水分，增加土壤儲水量；間接影響是添加到土壤中的生物炭會與其他土壤成分結合，進而改善土壤結構，從而增加土壤的持水量。對于整個試驗周期來講，生物炭提高土壤儲水量的效果并不顯著，甚至在初期施加生物炭會導致土壤儲水量下降，在試驗中期和后期生物炭處理下的土壤儲水量才變化明顯。這可能是因為河套灌區屬于干旱-半干旱地區，降水稀少、蒸發強烈、地表水資源嚴重匱乏，試驗所在地全年降水較低，土壤長期處于寒旱狀態，在干燥的土壤中生物炭的持水性能對土壤中水分含量具有較強的敏感性。試驗前期土壤中水分較少，生物炭的保水性無法發揮作用，但隨著土壤水分運動和積雪融化等因素的影響，生物炭的保水能力逐漸發揮，其中在融解期土壤中水分不斷蒸發，生物炭的微空隙使更多的水處于毛細狀態得到了較好的保持，蒸發散失難度加大，進而達到抑制土壤水分蒸發的效果，使土壤中水分得到有效的儲存。此外，生物炭對耕層土壤保水蓄水的效果較深層好，這是由于本試驗的生物炭僅施加至30 cm土層處，生物炭可以將吸附的水分傳遞給該土層土壤，使儲水量減小的速率較緩，而深層土壤與表層距離較遠，受生物炭的影響不大。

3.2 施加生物炭對土壤溫度的影響

3.3 施加生物炭對土壤養分的影響

土壤中有效的養分含量對土壤肥力具有重要作用，施加合理的改良措施若能減少土壤養分的流失，對作物的生長具有重要意義。生物炭由于自身含碳量高及呈堿性的特性，對土壤養分具有一定的影響。分析發現，施加生物炭豐富了土壤堿解氮、速效磷鉀養分含量，且效果逐年顯著。胡敏等和高利華等分析河套灌區鹽漬土壤也發現，施加玉米秸稈生物炭有效地提高了土壤堿解氮、速效磷鉀等養分的含量。一方面原因是本研究所用到的生物炭含有較高的養分(速效磷307.52 mg/kg，速效鉀786.50 mg/kg，堿解氮 401.94 mg/kg)能夠向土壤提供氮、磷、鉀等礦質元素；另一方面原因是生物炭具有改善土壤結構的功能，如增加土壤孔隙度降低土壤容重等，能夠有效地吸附土壤中有機分子，促使小分子聚合成養分大分子，從而提高了土壤對養分的吸收能力?？傮w而言，施加生物炭可有效地改善土壤環境，提高凍融土壤肥力。

土壤有機碳是通過微生物作用所形成的腐殖質、動植物殘體和微生物體的合稱。與對照比，生物炭處理均提高了土壤有機碳密度。一方面，由于生物炭本身是一種富碳材料，能夠向土壤中輸入大量外源有機碳；另一方面，生物炭能夠改變土壤結構，促進土壤腐殖質的形成，有助于碳水化合物、芳香烴等有機大分子的形成，使土壤有機碳含量提高。本研究還發現，0—20 cm土層土壤有機碳密度均高于20—40 cm土層土壤。張浩等研究典型紅壤侵蝕區不同植被恢復年限的表層和深層土壤有機碳礦化特征也發現，表層土壤有機碳密度顯著高于深層土壤，分析的原因是表層土壤有機碳恢復較快，而深層土壤有機碳積累較慢。但是，也有研究表明，表層土壤微生物生物量顯著高于深層土壤，微生物會產生更多的土壤酶對SOC進行分解，因此表層土壤有機碳密度較深層低。產生差異的原因可能是凍融期土壤微生物活性較低以及土壤類型等其他環境因素不同導致的，具體原因還需進行深度研究。

4 結 論

(1)凍融條件下，0—40 cm土壤較40—100 cm土壤水分垂直分布規律明顯、儲水能力強；生物炭施入初期對凍融期0—40 cm土壤儲水量影響不顯著，但隨生物炭施加時間的增長，生物炭的持水作用逐漸顯現，其中D30處理更有利于土壤水分保持。

(2)施加生物炭可以平抑凍融期土壤溫度的變幅、降低融解期土壤溫度變化的離散程度，較對照比，2年凍融期，生物炭處理使0—40 cm土壤平均溫度提高0.8～1.6 ℃；各處理的土壤凍結指數為CK>D15>D30，融解指數為D30>D15>CK。

(3)整個凍融期，添加生物炭增加了土壤養分和有機碳含量，使凍融期土壤速效鉀、堿解氮、速效磷含量和有機碳密度分別增加3.1%～38.1%，1.3%～44.6%，5.4%～80.4%，2.0%～22.4%，其中施加30 t/hm生物炭量效果較優。