文献分享|IF=15.1 六年定位试验: 生物炭能修复重度苏打盐碱稻田

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2026-09-20

一、盐碱土的基本特征与改良意义

盐碱土是陆生生态系统中一类重要的障碍性土壤类型，广泛分布于干旱、半干旱及半湿润地区^[1]。全球约有10.3亿公顷土地因盐分过量而退化，约20%的灌溉农田受到盐渍化和碱化问题的困扰^[2]。土壤盐渍化是全球范围内最严重的土地退化形式之一，尤其在干旱和半干旱地区，严重制约着农业生产力的提升^[2]。

我国盐碱土面积约占世界盐碱土面积的十分之一，盐渍土复垦和盐渍化防治已成为我国农业可持续发展的当务之急^[3]。我国盐碱地分布在全球排名第三位，拥有约3666万公顷可利用盐碱地资源，是耕地“提质、扩容、增效”的重要来源^[3]。盐碱土对土壤物理、化学和生物性质均产生不利影响，导致土壤结构退化、养分失衡、微生物活性降低，最终造成作物产量显著下降。因此，盐碱土改良对改善土壤环境、提高作物生产力具有重要的理论与实践意义^[4]。

二、盐碱土改良的主要措施及改良效果评价的理化指标

①盐碱土改良的主要措施

针对盐碱土的改良，目前主要采取物理改良、化学改良、生物改良和农艺措施等几类途径^[5]。

物理改良措施主要包括水利工程措施和物理调控措施。其中，水利工程措施如灌水洗盐、排水脱盐、暗管排水等，通过水分管理促进表层盐分淋洗，是盐碱地改良的基础手段^[5]。

物理调控措施则包括客土改良、覆盖抑盐、深松耕作等，旨在改善土壤物理结构、抑制盐分表聚^[5]。

化学改良措施主要包括施用钙质改良剂和酸性改良剂两类。钙质改良剂通过提供Ca²⁺置换土壤胶体上的Na⁺，促进Na⁺淋洗，同时改善土壤团聚体结构^[6]。

酸性改良剂则通过引入H⁺中和土壤溶液中的OH^-、CO₃^2-和HCO₃^-，有效降低土壤pH值、缓解碱化程度。但需注意，酸性改良剂过量施用可能导致土壤酸化，破坏酸碱平衡，对微生物种群产生不利影响^[6]。

生物改良措施通过植物和微生物活动促进盐分的吸收、转化与运输，从而提升土壤健康水平。耐盐植物如碱蓬、芦苇、柽柳等，可通过盐腺排盐、盐分隔留或液泡储盐等机制在盐碱环境中生存，并通过根系分泌物和植物残体分解为土壤补充有机质，改善土壤结构，增强水分保持和养分循环能力。

微生物改良方面，某些细菌可分泌胞外多糖结合土壤颗粒形成团聚体，从而改善土壤结构、促进养分循环。

有机物料与生物炭改良是近年来发展迅速的改良途径。腐殖酸、堆肥和生物炭等有机改良剂，可通过增加土壤团聚体、孔隙度和渗透性，促进盐分淋洗，改善水肥保持能力^[1]。

②盐碱土改良的理化指标

盐碱土改良效果的评估需基于系统的土壤理化指标监测，涵盖土壤物理结构、化学性质和生物学功能三个层面，以下按物理、化学和生物学三类分别归纳。

物理指标包括两类。一是通气与持水性状，如容重、总孔隙度、田间持水量、饱和含水量、饱和导水率及孔隙结构参数；二是结构稳定性指标，如团聚体粒径分布（大团聚体>2mm和0.25~2mm，微团聚体0.25~0.053mm和<0.053mm）、平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、水稳性团聚体（WSA>0.25mm）百分比、颗粒组成及分形维数等。这些指标用于评价土壤通气透水、保水和结构稳定性。研究表明，长期施用有机肥可使苏打土的孔隙率、持水量和饱和导水率显著增加，容重降低。

化学指标可归为三组。一是酸碱与盐碱化程度指标，包括pH、电导率（ECe）、交换性钠百分比（ESP）、钠吸附比（SARe/SAR）和阳离子交换量（CEC）；二是盐分组成指标，包括水溶性盐离子（Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^⁻、SO₄^2-等）及全盐量、总碱度、CO₃^2-、HCO₃^⁻等；三是离子平衡指标，包括Na⁺/K⁺、Na⁺/Ca²⁺、Mg²⁺/Ca²⁺比等。

上述指标用于反映盐碱障碍消减和离子平衡改善，其中CEC和交换性钠是计算ESP的基础参数，也是评价化学改良效果的核心指标^[7]。

养分及生物学指标包括：常规养分，有机质（SOM）或总有机碳（TOC）、全氮（TN）、碱解氮（AN）、硝态氮（NO₃^⁻-N）、铵态氮（NH₄⁺-N）、全磷（TP）、有效磷（AP）、速效钾（AK）；有机碳组分（DOC/WSOC、EOC、MBC、POC、MOC及碳库管理指数（CPMI））；酶活性（过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶、纤维素酶和β-葡萄糖苷酶）；微生物量碳氮磷（MBC、MBN、MBP）；腐殖质组分（胡敏酸、富里酸、胡敏素）及胡富比；以及微生物群落多样性等。

这些指标用于评价土壤肥力和生态功能提升^[4]。相关性分析表明，土壤TOC含量取决于其活性组分，而影响盐碱土有机碳活性组分含量及其有效率、碳库管理指数的主要因素为pH、CEC和EC。

三、盐碱土改良措施及对土壤理化性质的影响相关文献

生物炭一次性施用对盐碱水稻土理化特性、盐浓度、养分有效性、酶活性以及水稻产量的长期影响

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期刊名称：Biochar

影响因子:15.1

DOI:10.1007/s42773-024-00332-3

检测指标：土壤物理性质、盐分离子浓度、化学性质、养分有效性、酶活性及水稻产量

1.研究内容

本研究以松嫩平原重度盐碱稻田为研究对象，设置两个氮水平和四个生物炭施用量，开展为期6年（2017-2022年）的田间定位试验，系统探究一次性施用生物炭对盐碱稻田土壤物理性质、盐分离子浓度、化学性质、养分有效性、酶活性及水稻产量的长期影响。

2.样本处理

试验于2017—2022年在吉林省大安市吉林农业大学盐碱地研究基地（45°35′N，123°50′E）进行。供试土壤为黏壤质盐碱土，0~20cm耕层容重1.61g·cm^-1，ECe24.08 dS·m^-1，pH10.10，ESP71.11%，CEC10.99cmol·kg^-1，有机质0.64%，全氮0.27g·kg^-1，碱解氮16.30mg·kg^-1，有效磷9.13mg·kg^-1，速效钾107.25mg·kg^-1。

采用裂区设计，主区为氮水平(N0:不施氮; N225:常规施氮225kg·hm^-2)，裂区为生物炭施用量（T0：0%；T1.5：1.5%；T3.0：3.0%；T4.5：4.5%，w/w），每处理3次重复，共24个小区，小区面积6m×5m。生物炭由花生壳在450℃限氧热解4h制备，2017年春季一次性施入并混入0~20cm土层。供试水稻品种为长白9号，常规育秧移栽，N225处理氮肥按基肥50%、移栽后10d追肥20%、初花期追肥30%施用，磷钾肥按当地常规施用；N0不施氮，磷钾肥用量同N225。其他田间管理同当地常规生产。

3.研究结果

经过6年田间试验，一次性施用生物炭可长期持续改善重度盐碱稻田土壤性质并提高水稻产量。与T0相比，T1.5、T3.0和T4.5处理使土壤容重显著降低11.21%~25.57%，总孔隙度和饱和导水率明显提高，大团聚体、平均重量直径和水稳性团聚体百分比持续增加，微团聚体减少，且改善效果随施用年限延长而增强，配施氮肥优于单施生物炭（图1、图2）。在盐分与化学性质方面，生物炭持续降低土壤Na⁺浓度、Na⁺/K⁺比、Na⁺/Ca²⁺比、ECe、ESP和SARe，同时提高K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺浓度和CEC，但pH仅在2021和2022年显著降低，表明其能持续缓解盐碱胁迫并改善离子平衡（图3、图4）。

在养分与酶活性方面，TN、AP、AK和SOM随生物炭施用量增加而显著提高，AN在施用首年下降、2021和2022年显著增加；过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性持续增强（表2、图5）。水稻生物量、籽粒产量和收获指数显著提高，T1.5、T3.0和T4.5籽粒产量较T0分别提高116.38%、141.24%和145.20%，其中3.0%（w/w）处理在6年中产量最高，配施氮肥较单施生物炭籽粒产量提高451.38%（表3）。相关性分析表明，产量与Ks、Tp、MWD、CEC、SOM、TN、AN、AP、AK及酶活性正相关，与BD、pH、ESP、ECe、SARe、Na⁺及Na⁺/K⁺比、Na⁺/Ca²⁺比负相关（图6）。总体表明，一次性施用生物炭可长期持续改良重度盐碱稻田土壤、缓解盐碱胁迫并提升生产力，以3.0%（w/w）配施氮肥效果最佳。

表1.土壤理化性质

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ECe土壤饱和浸提液电导率，SARe土壤饱和浸提液钠吸附比，ESP交换性钠百分比，CEC阳离子交换量，N氮，P磷，K钾数值为平均值±标准差。

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图1.一次性施用生物炭及不同氮水平对2017、2021和2022年土壤（A）容重（BD）、（B）总孔隙度（Tp）和（C）饱和导水率（Ks）的影响。T0、T1.5、T3.0和T4.5分别表示生物炭用量为0%、1.5%、3.0%和4.5%（w/w）。N0和N225分别表示不施氮和常规施氮水平。在每一年和每个氮处理下，不同字母表示生物炭施用量间差异显著（p<0.05）。误差线表示均值的标准误。

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图2.一次性施用生物炭及不同氮水平对2017、2021和2022年土壤（A）团聚体粒径分布、（B）平均重量直径（MWD）、（C）水稳性团聚体百分比（PWSA）和（D）主成分分析（PCA）的影响。T0、T1.5、T3.0和T4.5分别表示生物炭用量为0%、1.5%、3.0%和4.5%（w/w）。N0和N225分别表示不施氮和常规施氮水平。在每一年和每个氮处理下，不同字母表示生物炭施用量间差异显著（p<0.05）。误差线表示均值的标准误。

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图3.一次性施用生物炭及不同氮水平对2017、2021和2022年土壤Na⁺（A）、K⁺（B）、Ca²⁺（C）、Mg²⁺（D）、Na⁺/K⁺比（E）和Na⁺/Ca²⁺比（F）的影响。T0、T1.5、T3.0和T4.5分别表示生物炭用量为0%、1.5%、3.0%和4.5%（w/w）。N0和N225分别表示不施氮和常规施氮水平。在每一年和每个氮处理下，不同字母表示生物炭施用量间差异显著（p<0.05）。误差线表示均值的标准误。

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图4.一次性施用生物炭及不同氮水平对2017、2021和2022年土壤（A）pH、（B）饱和浸提液电导率（ECe）、（C）交换性钠百分比（ESP）、（D）饱和浸提液钠吸附比（SARe）和（E）阳离子交换量（CEC）的影响。T0、T1.5、T3.0和T4.5分别表示生物炭用量为0%、1.5%、3.0%和4.5%（w/w）。N0和N225分别表示不施氮和常规施氮水平。在每一年和每个氮处理下，不同字母表示生物炭施用量间差异显著（p<0.05）。误差线表示均值的标准误。

表2.一次性施用生物炭及不同氮水平对2017、2021和2022年土壤养分性质的影响

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在每一年和每个氮处理下，不同字母表示生物炭施用量间差异显著（p<0.05）。TN全氮，AP有效磷，AK速效钾，SOM土壤有机质。ns表示不显著；*和**分别表示在p<0.05和p<0.01水平上显著。数值为平均值±标准差。

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图5.一次性施用生物炭及不同氮水平对2017、2021和2022年土壤过氧化氢酶活性（A）、磷酸酶活性（B）、脲酶活性（C）和蔗糖酶活性（D）的影响。T0、T1.5、T3.0和T4.5分别表示生物炭用量为0%、1.5%、3.0%和4.5%（w/w）。N0和N225分别表示不施氮和常规施氮水平。在每一年和每个氮处理下，不同字母表示生物炭施用量间差异显著（p<0.05）。误差线表示均值的标准误。

4.研究结论

1、一次性施用生物炭有效地改善了土壤的物理性质，土壤BD逐年降低，Tp、Ks、土壤大团聚体、MWD和PWAS逐年提高。

2、土壤中的Na⁺浓度、Na⁺/K⁺、Na⁺/Ca²⁺、ECe、ESP和SARe持续降低，而土壤CEC逐年显著提高。

3、一次性施用生物炭对改善高盐碱水稻土的土壤功能和生产力具有积极和可持续的作用。

4、生物炭与氮肥耦合施用时对水稻产量的提升具有显著的交互效应。

参考文献：

[1]Daba A W. Rehabilitation of soil salinity and sodicity using diverse amendments and plants: a critical review[J]. Discover Environment, 2025, 3: 53.

[2]Nagar R, Singh S, Kaur G. Saline soils: distribution, impact on crop production, and management strategies – a review[J]. Career Point International Journal of Research, 2025, 4(4): 120-135.

[3]黄晶,孔亚丽,徐青山,等.盐渍土壤特征及改良措施研究进展[J].土壤,2022,54(1):18-23.

[4]冀拯宇,周吉祥,张贺,等.不同土壤改良剂对盐碱土壤化学性质和有机碳库的影响[J].农业环境科学学报,2019,38(8):1759-1767.

[5]Huang J Y, Wu Z P, Xue K, et al. An evaluation framework for identifying saline croplands for improvement: a case study of Songnen Plain[J]. Geoderma Regional, 2025, 41: e00963. DOI:10.1016/j.geodrs.2025.e00963.

[6]Yin G S, Li W, Peng Y M, et al. Effect of organic fertilizer and desulphurized gypsum on soil aggregates and organic carbon and its fractions contents in the saline-alkali soil of the Yellow River Delta[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2023, 32(5): 878-888.

[7]Qadir M, Oster J D. Vegetative bioremediation of calcareous sodic soils: history, mechanisms, and evaluation[J]. Irrigation Science,2002,21(3):91-101.

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