滨海盐碱地是在海洋和陆地的相互作用下，由大量泥沙沉积形成的连接陆地和海洋的缓冲地带。在我国漫长的海岸线上，分布着大量的滨海盐碱土，面积约67万hm^2[1]。由于盐碱土有pH值高、通透性差、表层易板结、养分含量低等特点，使得盐碱地区土壤条件恶劣、土地生产能力低，土地资源难以得到充分的开发，造成大量土地资源的浪费，从而加剧了沿海地区土地资源短缺的现状。灌溉洗盐是降低盐渍化土壤盐分含量最简单有效的方法之一，提高灌溉洗盐效率首要任务是改善土壤的通透性^[2]。生物炭是生物质热裂解反应的固体产物，可用作土壤调理剂，降低土壤密度^[3]、改善土壤结构与孔性^[4]、提高土壤通透性^[5]、加快水分入渗和再分配^[6]。堆腐后的园林废弃物具有碳含量丰富且质地疏松的特点，可作为肥料和土壤调节剂，可促进土壤团粒结构的形成，降低土壤的pH，提高土壤的肥力及微生物活性^[7]，改善土壤的通透性达到改良土壤效果^[8-10]。

本研究通过室内淋溶脱盐试验，向河北省滨海地区典型盐碱土的表层土壤(0~20 cm)中添加不同量生物炭和园林废弃物堆肥，模拟测定淋溶液和土壤主要盐分的含量。目的在于：1)了解添加不同量生物炭和园林废弃物堆肥时，滨海盐渍化土壤盐分淋溶与脱盐过程的特征及差异；2)了解生物炭和园林废弃物堆肥在淋溶脱盐过程中的作用，揭示生物炭和园林废弃物堆肥的配施改良滨海盐碱土的机理，有利于改善该区域滨海盐碱土的现状，为滨海城市的绿化及耕地盐碱化改良提供理论依据。

供试土壤取自河北省中捷农场(E117°28′56″，N38°23′20″)耕地中的表层土(0~20 cm)，土壤盐分呈现明显的表聚性^[11-12]。基本理化性质：Na⁺ 5.43 g/kg、Ca²⁺0.20 g/kg、Mg²⁺ 0.12 g/kg、Cl^-5.16 g/kg、SO₄^2- 0.85 g/kg、CO₃^2-+HCO₃^-0.31 g/kg，pH值8.41、EC值3.56 mS/cm、有机质质量分数7.71 g/kg。

试验所需的园林废弃物堆肥为白蜡(Fraxinus chinensis Roxb)、杨树(Populus)、柳树(Salix babylonica)及杂草等植物的修剪残余物或凋落物，采用二次堆肥法所制^[13]。园林废弃物堆肥含Na⁺1.73 g/kg、K⁺10.45 g/kg、Ca²⁺1.10 g/kg、Mg²⁺2.26 g/kg、Cl^- 1.96 g/kg和SO₄^2- 13.90 g/kg，EC值较高为6.76 mS/cm，pH值为7.91，此外堆肥中含有丰富的有机质和氮磷钾成分。

生物炭在500 ℃高温厌氧条件下热解5 h的果木炭，由陕西亿鑫生物能源有限责任公司提供，主要成分为有机碳和矿质养分，其中Na⁺ 2.75 cmol/kg、K⁺ 11.26 cmol/kg、Ca²⁺ 14.21 cmol/kg、Mg²⁺ 1.26 cmol/kg，pH值为9.12，EC值为12.73 mS/cm。

本试验采用的淋溶试验装置如图 1所示，以口径12 cm高度10 cm底部带孔的容器模拟土柱。容器底部垫2层纱布，防止漏土，盆下放置500 mL烧杯承接淋溶液。试验共设置4个处理：CK处理，不添加任何材料；B处理，添加2%土壤质量分数的生物炭；G处理：添加5%土壤质量分数的园林废弃物堆肥；BG处理：添加2%土壤质量分数的生物炭和5%土壤质量分数的园林废弃物堆肥，各处理均重复3次。将过2 mm筛的风干土和改良材料充分混合均匀后，把500 g混合土样分层填入容器之中，自然压实。初次浇水150 mL，使土壤达到田间最大持水量，称其初始质量。放入培养箱，在(25±1)℃恒温培养，使土壤和改良材料充分融合，1周之后加水到饱和(以裸土饱和含水量为准)，之后开始淋溶。采用间歇式灌水的方式，以去离子水为水源，一次性给水100 mL(模拟约10 mm的降水量)，收集淋溶液，间隔1昼夜后，进行下一次淋溶，共进行6次。分析淋溶液以及淋溶后土壤的盐碱指标。

图 1(Fig. 1)

图 1 淋溶试验装置图 Fig. 1 Sketch map of leaching experiment

1) 测定指标。土壤淋溶液经滤纸过滤后测定相关指标，测定项目：电导率EC(electrical conductivity)值、pH值及水溶性离子(Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-和HCO₃^-)。淋溶后土壤的测定项目：EC值、pH值及水溶性离子(Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-和HCO₃^-)。

2) 测定方法。土壤pH值和盐分指标：以水土质量比5:1制备土壤水溶液进行相关指标的测定。土壤pH值使用通用型pH计(OHAUS Starter 3C，美国)测定；EC值采用MP521型电导率仪测定；Ca²⁺、Mg²⁺采用EDTA络合滴定法测定；Na⁺采用火焰光度法(FP6410，上海)测定；Cl^-采用硝酸银滴定法(莫尔法)测定；采用EDTA络合滴定法进行SO₄^2-测定^[14]，采用双指示剂中和滴定法进行HCO₃^-测定^[14]。

钠吸附比(SAR, sodium adsorption ratio)是评价土壤盐碱化程度的重要指标^[15]，计算式为

采用IBM SPSS 18.0进行相关数据的分析和处理。各处理之间采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和邓肯法(Duncan)进行差异显著性检验，显著水平为0.05；采用Excel 2010进行作图和制表分析。

图 2所示为不同处理下淋溶液pH值的变化趋势。在淋溶试验过程中，淋溶液的pH值变化较为明显，这是因为滨海盐碱土在脱盐的过程中离子组成的变化会引起土壤性质的一系列改变，如钠吸附比、碱化度、残余碳酸钠(residual sodium carbonate，RSC)等，由于室内淋溶脱盐试验的脱盐程度更高，因此pH值的变化也相对更明显。对CK而言，淋溶液的pH值随着淋溶的进行先上升后下降，但变化趋势不明显，这反映了滨海盐碱土在脱盐过程中碱化的变化规律。B处理显著提高了土壤的起始pH值，淋溶过程中明显下降，pH值从8.82降低到8.37。G处理没有明显的改变土壤起始的pH值，但在淋溶过程中与CK相比明显的抑制了土壤淋溶过程中pH值升高的现象，淋溶液的pH值从7.67升高至8.36后降低到8.24；G处理与CK的变化趋势类似，但是变化幅度较小，pH峰值明显小于CK。B处理和BG处理前期的pH值较大，这可能是由于生物炭中存在一定量的碳酸根离子，因此淋溶液的pH较高。在淋溶4次后，各处理的pH值的变化幅度较小，这是因为土壤中各成分达到一种相对平衡的状态，并且含量很低。在整个淋溶过程中，淋溶4次之后，淋溶液的pH值均低于CK，试验表明生物炭和园林废弃物堆肥的添加能够在一定程度上抑制土壤淋溶过程中的碱化，同时表明添加园林废弃物堆肥的处理可以改善pH值。

图 2(Fig. 2)

CK:Without adding any material. B: Adding 2% soil mass fraction of biochar. G: Adding 5% soil mass fraction of garden waste compost. BG: Adding 2% soil mass fraction of charcoal +5% soil mass fraction of garden waste compost. The same as below. 图 2 不同处理下淋溶液pH的变化趋势 Fig. 2 Changing trend of leaching solution pH in different treatments

电导率(EC)表征物质传递电流的能力，土壤EC值可用来表示土壤中可溶性盐分的溶出状况^[16]。一般情况下，滨海盐碱土中的水溶性离子的组成较为稳定，因此EC值可以在一定程度上反映盐离子的含量^[17]。盐随水动是土壤中水盐运移的规律。如图 3所示，随着淋溶的进行离子随着淋溶液流出，土壤中的盐分含量不断减少。各处理淋溶液的电导率呈前期下降迅速，后期逐渐放缓。整体淋溶过程中与CK相比，添加改良材料的各处理淋溶液的电导率下降趋势较快，表明添加生物炭和园林废弃物堆肥的各处理的盐分洗脱速率更快。淋溶效果最好的是BG处理，其次是B处理，最后是G处理。

图 3(Fig. 3)

Changing trend of leaching solution electrical conductivity (EC) in different treatments 图 3 不同处理下淋溶液电导率的变化趋势

随着淋溶次数的增加，淋溶液中可溶性盐分含量不断减少。如图 4(a)、(b)和(c)所示，土壤中主要的盐分离子Cl^-、Na⁺和SO₄^2-质量浓度逐渐减少。滨海盐碱土中Cl^-和Na⁺质量浓度最高，2种离子质量浓度接近，但Cl^-质量浓度要高于Na⁺。阴离子主要是Cl^-和SO₄^2-质量浓度最高，Cl^-质量浓度要高于SO₄^2-数倍，所以降低Cl^-和Na⁺是进行盐土分类和改良时重要的指标。由于土壤中主要的盐分离子随土壤水分的运移速度较快，因此在进行滨海盐碱土改良过程中，可以通过改善土壤通透性，提高土壤盐分淋溶速率来达到降低Cl^-和Na⁺质量浓度的目的。如图 4(a)和(b)所示，与CK相比其他处理前2次的淋溶液中，Cl^-和Na⁺质量浓度相对较高，证明生物炭和园林废弃物堆肥的添加可以有效改善滨海盐碱化土壤的通透性能从而提高土壤盐分淋溶速率。不同的处理中B处理和G处理Cl^-的质量浓度变化速率相近，而BG处理的Cl^-的质量浓度变化速率较其他处理更快；但是对于Na⁺的质量浓度而言，BG＞B＞G＞CK，原因可能是因为生物炭和园林废弃物堆肥中含有的Ca^{2 +}和Mg^{2 +}等离子交换盐渍化土壤胶体吸附的Na⁺，以促进Na⁺淋溶。

图 4(Fig. 4)

图 4 不同处理下淋溶液中离子含量的变化趋势 Fig. 4 Dynamic of ion contents in leaching solution in different treatments

图 4(c)表明，G和BG处理的SO₄^2-质量浓度明显要高于其他处理，这是因为园林废弃物堆肥中含有较多的SO₄^2-并随淋溶液排出。B处理中SO₄^2-的质量浓度相比少很多，但在淋溶的过程中SO₄^2-的淋溶速率也比加入园林废弃物堆肥的处理的慢。第2次淋溶到第3次淋溶折线斜率最大，各组处理中SO₄^2-质量浓度变化最快的是第3次淋溶，且BG处理斜率最大。图 4(d)表明，随着淋溶的不断进行，各处理的淋溶液中HCO₃^-质量浓度逐渐增加，一方面可能与CaCO₃沉淀与溶解平衡有关，另一方面由于土壤离子吸附与交换平衡。当Cl^-和SO₄^2-随淋溶液排除之后，为了保持土壤中的电荷平衡，土壤中的碳酸盐分解产生CO₃^2-和HCO₃^-，阴离子随着淋溶的进行逐渐减少，土壤中产生更多的HCO₃^-以达到电荷的平衡，因此更多的HCO₃^-随淋溶液排出。淋溶后期，HCO₃^-质量浓度变化相对平缓，可能是由于土壤中各成分已达到相对平衡的状态。

由于盐碱土中各种离子的质量分数、溶出的速率以及迁移能力不同，因此不同离子的变化趋势也存在差异。如图 5所示，将淋溶液中的3种离子与电导率进行相关性分析，可知在本试验研究范围内，Cl^-、Na⁺、SO₄^2-与淋溶液电导率的变化均存在极显著正相关。

图 5(Fig. 5)

图 5 淋溶液中离子质量浓度与电导率的相关性分析 Fig. 5 Correlation analysis between EC and three ions contents in leaching solution

表 1表明，不同处理下淋溶后土壤的pH值存在显著差异，pH值大小顺序为B>CK>BG>G。G处理显著低于CK，表明单独添加园林废弃物堆肥可以有效地降低滨海盐碱土的pH值。B处理(添加2%土壤质量分数的生物炭)的pH值高于其他处理，可能是因为经过淋溶脱盐之后土壤中的各成分含量较低，但是生物炭含有一定量的有机官能团(—COO—、—COOH、—O—、—OH等)，吸收土壤中的或水解离产生的H⁺，提高土壤的pH值^[18]。

表 1(Tab. 1)

表 1 不同处理下淋溶后土壤的盐分指标 Tab. 1 Salinity indexes of soil after leaching in different treatments 处理Treatment pH EC/(mS·cm-1) SAR Cl-/(g·kg-1) SO42-/(g·kg-1) CK 8.66±0.09ab 0.41±0.05a 3.28±0.71a 0.30±0.03a 0.14±0.02b B 8.71±0.14a 0.23±0.07b 1.58±0.38bc 0.16±0.02bc 0.06±0.01c G 8.45±0.11c 0.27±0.05b 2.03±0.31b 0.19±0.02b 0.22±0.02a BG 8.58±0.07bc 0.20±0.06b 1.19±0.47c 0.13±0.03c 0.13±0.01b 注：表中的数值为平均值±标准差，不同字母表示在0.05水平上差异显著。Notes: The data in the table are mean ± standard deviation, and the different letters indicate significant differences at the 0.05 level. SAR stands for sodium adsorption ratio.

表 1 不同处理下淋溶后土壤的盐分指标 Tab. 1 Salinity indexes of soil after leaching in different treatments

处理B、G和BG均能显著降低土壤的EC值，与CK相比土壤EC值分别降低43.90%、34.15%、51.22%，但处理B、G和BG之间没有呈现显著性差异。淋溶结束后各组处理的土壤中易被淋溶的离子已淋溶得较为彻底，所以淋溶液的EC值在同一水平。但生物质纯物理性的“掺杂”、物理化学的离子吸附与交换作用促进了土壤颗粒的胶结与团聚作用，改变土壤孔隙状况，促进了淋溶效应，使添加生物炭组淋溶后土壤的EC值较低。园林废弃物堆肥中的腐殖酸铵溶于水后形成亲水胶体, 它的羟基、羧基功能团与土壤中Ca²⁺发生凝聚反应，能够促进土壤团聚体的形成，能够有效改善土壤孔隙状况，改善土壤结构促进盐分的淋溶，降低了试验组土壤的EC值。

SAR是评价土壤盐碱化程度的重要指标，该指标的表现在SAR越大对土壤的有害性也相对越大。研究结果表明：与CK相比添加改良材料的处理B、G和BG均能够显著降低SAR，较CK分别降低51.93%、39.13%、63.82%。在降低土壤SAR方面，施用2%的生物炭效果要优于施用5%的园林废弃物堆肥，二者的配施要好于单个施用。由表 1看出，处理B、G、BG较CK均能够显著降低Cl^-的质量分数，分别降低45.33%、38.26%、56.20%，二者配施的效果更好。G处理的SO₄^2-质量分数要显著高于其他处理，与CK处理相比，淋溶处理后土壤中的SO₄^2-质量浓度更高，但质量浓度明显低于淋溶前，这可能是因为园林废弃物堆肥中存在大量的SO₄^2-。

加入生物炭处理后，随着淋溶次数的增加，淋溶液的pH值逐渐下降；加入园林废弃物堆肥处理后，淋溶液的pH值先升高后下降；同时加入生物炭和园林废弃物堆肥的处理的pH值呈先下降后升高的趋势，下降幅度小于单独添加生物炭或园林废弃物堆肥的处理。淋溶3次之前，加入园林废弃物堆肥和生物炭的处理，EC值的下降速率明显高于对照组。从平均斜率分析可以得出，同时加入生物炭和园林废弃物堆肥的处理效果最好，其次是单独添加生物炭，最后是园林废弃物堆肥。

生物炭产生这种作用的原因和机理十分复杂，包括纯物理性的“掺杂”效应，改变土壤孔隙状况，物理化学的离子吸附与交换作用，如生物炭含有的Ca²⁺、Mg²⁺等离子交换盐渍化土壤胶体吸附的Na⁺，以及促进土壤颗粒的胶结与团聚作用，改善土壤团粒结构等，此外由于生物炭为多孔“刚性的”颗粒状结构物质，可降低土壤密度，改善土壤孔隙状况，提高土壤孔隙度，从而提高土壤透水性，促进盐分随水分运移，加快盐分淋溶出土体，降低土壤含盐量^[19]。同时园林废弃物堆肥堆腐过程中产生的腐殖酸类物质，例如腐殖酸铵溶于水后形成亲水胶体，它的羟基、羧基功能团与土壤中Ca²⁺发生凝聚反应, 能够促进土壤团聚体的形成，能够有效改善土壤孔隙状况，改善土壤结构促进盐分的淋溶，从而起到降低土壤EC值的作用。此外腐植酸的酸性可与盐碱土的碱性中和, 所以腐植酸可调节土壤的pH值，例如硝基腐殖酸铵、硝基腐殖酸。

加入生物炭和园林废弃物堆肥的处理显著降低土壤中Na⁺的质量分数，相对2种材料的单施，混合施用效果更好。由于园林废弃物堆肥中存在大量的SO₄^2-，使得加入园林废弃物堆肥组SO₄^2-质量分数要显著高于其他处理，其带来的影响要大于淋溶的效果，没有达到通过淋溶减小SO₄^2-质量分数的目的。

生物炭和园林废弃物堆肥都具有改良土壤的作用。向盐碱土中加入生物炭和园林废弃物堆肥，显著加快了盐分淋溶的速率，与岳燕等^[20]的研究结果相吻合加入生物炭加速Na⁺、Cl^-等离子的淋溶并且降低SAR值，HCO₃^-在淋溶过程中逐渐增加，生物炭中含有大量的交换性Ca²⁺能够将盐碱化土壤胶体吸附的Na⁺代换下来，淋溶后会带走更多的Na⁺。此外通过本试验向滨海盐碱土中添加园林废弃物堆肥的处理，证明其有抑制土壤淋溶过程中的碱化、改善pH值的作用。同时，添加园林废弃物堆肥能够缓解滨海盐碱土在淋溶脱盐过程中的碱化的现象。生物炭和园林废弃物堆肥作为改良材料，具有环保和资源可再生的优势，对于土壤质量的提升有积极的影响；但是由于生物炭和园林废弃物堆肥本身含有大量的盐分，过多的施入会增加土壤中盐分的含量，因此，结合当地的灌溉条件，生物炭和园林废弃物堆肥的施用量需要进一步的研究。