上海市分布着约630 km²的滨海盐渍土，占全市土壤资源的15%以上，而且随着沿海滩涂的淤涨和围垦，这部分土壤资源还在不断扩大^[1]。盐渍化土壤对植物的危害主要有两个方面：使植物根系吸水困难和影响植物养分吸收。崇明岛地处长江口，是我国第三大岛，被誉为“长江门户、东海瀛洲”，是世界上最大的河口冲积岛，其功能定位之一就是形成以有机农产品、特色种养业和绿色食品加工业为主体的生态农业。然而，由于崇明岛地处河口、海拔较低、地下水位高，土壤发育不完全、土层浅、土壤中有机质含量低，盐分含量高，严重影响当地的农业生产。崇明岛现有问题土壤总面积在500 km²以上^[2]，亟待寻求一种适用于崇明滩涂盐渍化土壤的高效改良剂。

目前，国内外对盐碱地的改良方法大致有物理^[3]、化学^[4]、生物^[5]、农业^[6]及水利工程改良^[7]五种措施。水利工程措施投入大；种植盐生植物改良盐碱地，投资小，可持续^[8]，但见效慢。生物炭是指诸如木材、粪便、树叶等生物质在缺氧或者无氧条件下经高温裂解所得到的固体产物^[9]，它的兴起与土壤管理和碳的封存密切相关^[10]。生物炭因具有机质丰富、疏松多孔、比表面积大、表面活性强、吸附性以及吸水性强等特性^[11]，有利于农田土壤固持养分^[12]，提高养分利用率^[13]，改善微生物环境^[14]，从而达到提高土壤质量进而促进作物增产的效果。已有研究表明，生物炭对酸性土壤^{[15, 16]}、白浆土^[17]、黄土高原典型土壤^[18]和盐渍化土^{[19, 20]}均有较好的改良效果，而把生物炭作为土壤改良剂应用到滨海盐渍化土壤的研究鲜有报道。

本研究以上海崇明岛滩涂的盐渍化土壤为研究对象，选择上海主要的叶菜种类——小白菜，依据土壤基本养分、酸碱性、电导率（水溶性盐分状况）的变化和小白菜的生物量及其品质等指标对改良效果进行综合评价，以期为生物竹炭在改良滩涂盐渍化土壤上的应用提供科学依据。

试验地位于上海市崇明县中兴镇北七滧低碳农业园区（31°29′N,121°46′E），属于围垦滩涂的盐渍化土壤，没有种植历史。试验地面积80 m×80 m，于2012年9月将表层0~40 cm的土壤堆起来并添加作物秸秆和禽畜粪便等进行农业措施改良，培肥土壤，于2013年7月表土回填。2013年7—9月种植绿肥（玉米），将绿肥地上部分粉碎回田，翻耕均匀。于2013年11月25日，取试验田耕作层（0~20 cm）的土壤（避免暴晒），全部过2 mm筛，混合均匀用于温室盆栽试验。供试土壤的理化性状见表 1。

表 1 供试土壤的理化性质 Table 1 Physicochemical properties of soil used in pot trial

表选项

供试作物：小白菜品种为“华王”。

供试肥料：上海胜维有限公司生产的精制有机肥，生物竹炭由时科生物科技（上海）有限公司提供，350~550 ℃下限氧热裂解炭化制得。生物竹炭粉碎过2 mm筛备用。其特性如表 2。

表 2 供试生物竹炭和有机肥的理化参数 Table 2 Physicochemical properties of bamboo biochar and organic fertilizer

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试验在上海交通大学农业工程训练中心温室进行。设置4个处理：对照（CK）；有机肥（F0）；生物竹炭（B0）；有机肥+生物竹炭（FB）。采用上口径14 cm，底部直径12 cm，高14 cm的试验盆，每盆装土1.5 kg，每个处理均重复5次，每个处理3盆，共60盆（4个处理×5次重复×3盆）。于2013年12月1日将有机肥和生物炭分别按照15 t·hm^-2和1.5 t·hm^-2的用量一次性施入土壤，搅拌均匀后装盆，加水至田间最大持水量的60%，经15 d土壤稳定后播种，每盆播30粒“华王”种子。待小白菜长到一叶一心期，每盆留苗15株。小白菜生长期间不追施任何肥料，但进行定量浇水和除虫工作。每次浇水后按一定顺序改变盆的位置，确保每盆作物都能得到均匀的光照。40 d后采集小白菜地上部分和土壤样品，用于测定小白菜和土壤的理化性状。

将每个试验处理的3盆土壤混合均匀后取样，用于土壤理化分析。土壤pH测定，采用pH计，风干土壤按土液比1∶2加0.01 mol·L^-1 CaCl₂所得的浸提液^[21]；电导率（EC）采用EcoScan便携式电导率仪（Eutech，新加坡）测定风干土，按土液比1∶5加超纯水振荡3 min后的土壤悬浮液；采用碳氮硫元素分析仪（德国 Elementar Vario EL Ⅲ）测定土壤全碳（TC）和全氮（TN）含量；总可溶性氮（TSN）含量采用碱性过硫酸钾氧化法测定，硝态氮、铵态氮含量采用全自动间断化学分析仪（法国Smartchem 200）进行测定；土壤含水率的测定采用双极平衡法^[22]，土壤有机质（OM）、有效磷（AP）和速效钾（AK）的测定参考鲍士旦^[23]的方法。

每盆取3株长势较为一致的小白菜，3盆共取9株，用电子天平（0.000 1 g）测其鲜重，并于108 ℃ 杀青30 min，60 ℃烘箱烘至恒重，用电子天平（0.000 1 g）测其干重。其他小白菜用于植物组织叶绿素、硝酸盐、可溶性蛋白、游离氨基酸和可溶性糖含量的测定，测定方法均参考李合生^[24]的方法。所有测定项目均平行测定3次。

采用SPSS 18.0进行差异显著性分析（LSD法），数据处理和图表制作采用Microsoft Excel 2007。

生物竹炭对土壤理化性质的影响如表 3所示。与CK相比，F0、B0和FB三个处理的含水率分别增加了9.66%、11.82% 和17.51%，处理间差异不显著。不同处理对土壤pH没有显著影响。

表 3 生物竹炭对土壤理化性质的影响 Table 3 Effects of bamboo biochar on soil physicochemical properties

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土壤浸出液电导率的数值能反映土壤含盐量的高低。与CK相比，B0处理土壤的EC值显著降低了9.16%，达到912 μS·cm^-1；而F0处理土壤的EC值显著升高了21.81%，达到1223 μS·cm^-1；FB处理土壤的EC值升高不显著。结果表明，短期内生物竹炭显著降低土壤可溶性盐含量，有机肥吸附了土壤中的可溶性盐，生物竹炭和有机肥配施对盐渍化土壤可溶性盐含量无显著作用。与F0相比，FB处理土壤的EC值降低了16.11%，达显著水平，表明生物竹炭较大的比表面积和纳米性能，减少了土壤溶液中可溶性盐含量的积累。

一般来说，土壤有机质含量的多少，是土壤肥力高低的一个重要指标。由表 3可以看出，FB处理土壤有机质含量最高，F0和B0次之，CK最低，FB与其他处理之间差异显著，F0和B0两个处理与CK之间差异显著。表明生物竹炭和有机肥均显著增加了土壤有机质含量，且两者配施对土壤有机质具有协同效应。

由表 3可知，不同处理间土壤速效养分含量差异显著。FB与其他处理的土壤有效磷含量差异显著，表现为最高，F0显著高于B0和CK，B0和CK之间差异不显著。与CK相比，F0和B0处理土壤有效磷含量分别增加了29.87%和4.10%；分别与F0和B0相比，FB处理土壤有效磷含量增加了6.31%和32.63%。这表明有机肥显著提高了土壤中有效磷含量，生物竹炭与有机肥配施促进了土壤中有效磷的释放。与CK相比，F0、B0和FB处理土壤速效钾含量分别增加了48.55%、7.70%和41.69%，处理间差异显著，表明生物竹炭和有机肥均显著提高了土壤速效钾的含量。与F0相比，FB处理土壤中的速效钾含量显著降低了2.77 g·kg^-1,可能是由于生物炭自身的吸附效应所致。

由表 4可知，FB处理的土壤总碳含量最高，达到了21.90 g·kg^-1，F0和B0次之，CK最低。与CK相比，F0、B0和FB处理的土壤总碳含量分别增加了1.43、1.51、2.65 g·kg^-1。F0和FB处理的土壤总氮含量显著高于CK，分别增加了0.13、0.16 g·kg^-1，B0和CK之间差异不显著。B0处理土壤的碳氮比最高。以上结果表明生物竹炭对土壤总碳量和碳氮比的贡献大于有机肥，而有机肥对土壤总氮量的贡献大于生物竹炭，这与它们自身的成分关系密切。

表 4 生物竹炭对土壤氮素形态的影响 Table 4 Effects of bamboo biochar on nitrogen forms in soil

表选项

土壤中的氮素以有机和无机化合物两种形态存在。其中能够直接被植物吸收利用的氮是可溶性部分，即总可溶性氮，可以反映土壤近期内的氮素供应情况。表 4显示，CK处理土壤中总可溶性氮的含量最高，FB最低，且均与F0和B0存在显著性差异；F0和B0之间差异不显著。与CK相比，B0处理的土壤中铵态氮和硝态氮含量分别降低了26.56%和24.19%，差异显著；与F0相比，FB处理的土壤中铵态氮和硝态氮含量分别降低了48.61%和9.49%。这表明生物竹炭显著降低了土壤中铵态氮和硝态氮含量，而有机肥却在降低土壤硝态氮含量的同时明显提高了土壤中铵态氮的含量，这可能和有机肥的降解有关。

由图 1可知，与CK相比，F0、B0和FB处理后小白菜的株高分别增长了13.85%、16.91%和18.03%，其中FB处理地上部植株最高，达到7.33 cm（图 1a）。FB处理的小白菜地上部鲜重高达317.5 mg·株^-1，比CK高出13.92%（图 1b）；B0处理的小白菜地上部干重最高达到了5.8 mg·株^-1，比CK高出36.10%（图 1c）。与CK相比，F0、B0和FB处理后小白菜的叶绿素浓度分别提高了120.52%、74.66%和66.05%，其中F0处理的小白菜叶绿素浓度高达2.38 mg·g^-1（图 1d）。小白菜的株高、地上部分的干鲜重和叶绿素浓素均表现为CK与其他处理之间差异显著，而F0、B0和FB彼此之间差异不显著。表明生物竹炭和有机肥均显著增加了小白菜的生物学性状，但两者的贡献相似。

不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同 Different small letters mean significant difference between treatments at 0.05 level. The same below 图 1 生物竹炭对小白菜生物学性状的影响 Figure 1 Effects of bamboo biochar on pakchoi biological characteristics

图选项

小白菜营养丰富，但极易富集硝酸盐。研究表明，人体内摄入的硝酸盐80%~85%来自蔬菜^[25]，叶菜类蔬菜尤为严重。 由图 2a可知，与CK相比，F0、B0和FB处理后小白菜可食用部分硝态氮含量分别降低了37.04%、53.28%和33.73%，其中B0处理硝态氮含量最低（2.47 mg·g^-1），且与其他处理之间差异显著。与F0相比，FB处理后小白菜可食用部分硝态氮含量降低了8.08%，但差异不显著。

图 2 生物竹炭对小白菜可食用部分品质的影响 Figure 2 Effects of bamboo biochar on quality of fresh edible parts of pakchoi

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可溶性糖含量是影响小白菜口感的主要指标。与CK相比，F0、B0和FB处理小白菜可食用部分可溶性糖含量分别提高了54.56%、75.61%和98.39%，但F0和B0之间差异不显著（图 2b）。

小白菜叶片组织的可溶性蛋白和游离氨基酸含量不仅是影响小白菜营养品质的主要指标，还是植物组织氮素累积的重要物质。CK处理小白菜可食用部分的游离氨基酸含量最高，为0.34 mg·g^-1；F0处理小白菜可食用部分中可溶性蛋白含量最高，为64.81 mg·g^-1。但各处理间小白菜可食用部分的游离氨基酸和可溶性蛋白含量差异不显著（图 2c、图 2d）。

从总体上看，生物竹炭显著降低了小白菜可食用部分的硝态氮含量，增加了可溶性糖含量，但对可溶性蛋白和游离氨基酸含量无显著影响。

崇明滩涂盐渍化土壤表层盐分随地下水位变化波动很大，土壤结构性差，肥力低，改良治理之前不能进行农业生产。生物炭密度低，能够有效降低土壤容重。与对照相比，生物竹炭对盐基离子具有吸附能力，并能够改善土壤的物理结构，从而降低了土壤溶液中的盐基离子浓度，使土壤的电导率显著降低，有效改善了作物生长环境。这在Lashari等^[19]和Thomas等^[20]的研究中也有提及。试验中有机肥的施入导致土壤的电导率增加，可能是土壤可溶性盐累积的原因，与刘媛媛等^[26]的研究结果一致，在施用有机肥的同时添加生物炭有可能消除这一现象。张祥等^[27]研究表明，生物炭能够提高酸性土壤的pH值，这在吴志丹等^[16]和袁金华等^[15]的研究中也有提到。但本试验中土壤的pH没有明显变化，这不符合生物炭显著改变土壤pH的特点^[28]，其可能的三个原因是：其一，供试土壤呈中性，具有一定的酸碱缓冲能力；其二，生物竹炭的施用量偏低，每公顷土地用量仅1.5 t；其三，本试验中小白菜的生长期比较短，施加到土壤中的生物竹炭与土壤微环境的相互作用尚未形成充足的有机酸来中和盐土的碱性。本试验的周期相对较短，且盆栽试验在盐分淋溶上与田间试验存在差异，也没有受到地下水位变化的影响，因此生物竹炭降低滩涂盐渍化土壤中可溶性盐含量的效应有待于通过田间定位试验进一步验证。

生物竹炭的碳含量很高且不易被微生物降解，是增加土壤总碳和有机质含量的主要原因，曾爱等^[29]和陈红霞等^[30]的研究中都有论证。由于生物竹炭中磷的含量很低，会吸附土壤中的磷酸根，减少有效磷的淋溶，促进有机态磷的矿化，因此施入土壤后综合表现为显著增加了有效磷的含量。生物竹炭直接的供钾效应和间接减少钾的淋溶作用共同导致速效钾含量的增加，与曾爱等^[29]的结论一致。郭伟等^[31]研究华北高产农田连续3年施用生物炭，发现耕作层土壤的总可溶性氮（也称土壤有效氮）没有表现显著差异，而Ding等^[32]和Lehmann等^[33]的室内培养试验表明：生物炭通过阳离子交换而增强土壤中硝态氮、铵态氮的吸附，从而使土壤有效氮质量分数大幅增加。这与本试验中生物竹炭施入土壤后引起土壤总氮增加而总可溶性氮显著降低不一致，可能有以下两方面原因：其一，生物竹炭为土壤微生物提供附着位点和栖息环境，促进有机氮的转化，进而被植物吸收利用，提高了氮素利用效率，减少了土壤中的有效氮；其二，生物竹炭提高了土壤中微生物态氮、氨基酸态氮和大分子蛋白质等不可溶的有机态氮的累积。无机态氮不仅是植物吸收利用的主要氮素形态，也是氮素淋失的主要形式。硝态氮是土壤次生盐渍化的诱因，对盐渍化的贡献率可达60%以上^[34]，同时影响植物体内硝态氮的累积^{[35, 36]}。生物竹炭施入土壤后无机态氮的含量显著降低，和杨帆等^[37]和Cheng等^[38]得到的结果一致，可能是生物竹炭的吸附、固持效应和土壤硝化细菌共同作用的结果。此外，生物竹炭的施入对土壤呼吸和土壤微生物群落及其多样性的影响，有待通过下一步的定位试验来研究。

植物生长情况能够反映土壤改良的综合效应。迄今为止，生物炭促进水稻^[39]、玉米^[40]、小麦^[41]、小白菜^{[42, 43]}、菠菜^[44]、西红柿^{[45, 46]}、芹菜^[46]等作物的生长已有报道。本研究结果表明，生物竹炭明显提高了小白菜地上部分生物量和株高。鉴于从蔬菜中摄取的硝酸盐对人体的危害之大，硝酸盐含量一直是蔬菜安全生产的一项重要指标。本试验中生物竹炭处理后小白菜可食用部分硝酸盐含量大幅下降，与对照相比差异显著，可能与生物竹炭能够控制氮肥释放、降低土壤硝态氮含量有关。可溶性糖含量的增加，改善了小白菜的口感。生物竹炭对小白菜可食用部分的可溶性蛋白和游离氨基酸含量等无显著影响，可能与生物竹炭的用量有关。总之，有待下一步试验探究不同生物竹炭用量对小白菜品质的影响。

生物竹炭显著降低土壤的电导率，有机肥却显著提高土壤的电导率。两者配施，生物竹炭可消除有机肥增加土壤可溶性盐含量的效应。生物竹炭显著提高了土壤有效磷和速效钾的含量，在增加土壤碳固存、提高土壤养分有效性以及减少养分淋失方面的贡献大于有机肥。生物竹炭对崇明滩涂盐渍化土壤的pH没有影响，但增加了土壤的保水性能。

生物竹炭对小白菜生长的促进作用表现为小白菜株高、干鲜重和可食用部分可溶性糖均显著增加。其中，小白菜可食用部分硝酸盐含量的显著下降，是生物竹炭对叶菜类蔬菜品质的一个巨大改善。