改良剂对盐碱土物理性质及有机碳固存效应的影响研究

盐碱化土壤在我国面积高达1亿hm²。盐碱化土壤主要分布在高原地区、东部黄淮海平原、西北干旱地区和东北平原地区。从上世纪50年代开始，我国东北和西北地区进行大规模开垦。由于对盐分运移规律认识不足，灌溉系统不健全、不配套，造成土壤次生盐渍化的面积迅速扩大。盐碱土的高盐度和高碱性使土壤容重升高，土壤孔隙度降低，持水能力的下降，进而影响植物根系的生长和土壤微生物结构性。同时，盐碱土中的有机碳含量普遍降低，这限制了土壤肥力的提升和生态环境的改善。为寻求有效的盐碱土改良剂及施用量尤为重要，通过观测施入改良剂后盐碱土土壤三维孔隙结构、土壤有机碳的变化情况，评价不同改良剂及不同施用量对盐碱土的修复效果，为盐碱土筛选出合理的改良剂及施用量。该研究有助于丰富不同改良剂在土壤修复及改良的作用，并为我国在盐碱土修复提供新的科学依据与新途径，从而有效的促进我国盐碱土综合治理及粮食生产安全，为土壤生态系统的管理及修复提供重要的建议。

以盐碱土为研究对象，利用生物炭、矿源黄腐酸、柠檬酸作为土壤改良剂，探究不同改良剂及不同用量对盐碱土物理结构、土壤有机碳及其组分含量的影响，明确不同改良剂及不同施用量下土壤结构的形成和土壤有机碳固存效应的作用，为不同改良剂在盐碱土改良与修复提供理论依据。

1、研究在不同改良剂及不同施用量下盐碱土中土壤团聚体含量、土壤孔隙结构可视化特征及土壤孔隙结构参数，明确不同改良剂对土壤物理结构的影响。

2、研究在不同改良剂及不同施用量下盐碱土中有机碳含量、可溶性有机碳含量、以氧化有机碳含量、颗粒态有机碳含量和微生物碳含量，计算碳库指数、碳库活度、碳库活度指数和碳库管理指数，明确不同改良剂对土壤有机碳固存效应的影响。

3、综合以上研究内容和目标，利用相关分析和主成分分析对土壤质量进行综合性评价，筛选出最适宜的改良剂及用量，为盐碱土的改良与修复提供理论依据。

1、改良剂对土壤物理性质的影响研究

土壤结构是土壤水、气、养分贮存和运输的场所，是土壤的物理性状，是维持土壤功能的重要基础。土壤结构也是可以控制和表征土壤有机碳稳定的综合变量。因此，土壤结构是评价土壤质量的重要指标之一，其表现在土壤团粒结构和孔隙结构的三维空间构型、数量、大小和形状等。良好的土壤结构对改善土壤肥力，提升作物产量，保护粮食安全以及土壤抗侵蚀性具有重要意义。Liu研究表明，施用生物炭可以促进>0.25 mm大中团聚体的形成，减少<0.25微团聚体含量，显著提高MWD、GMD和团聚体的稳定性。施用生物炭，可以提高土壤结构的稳定性、促进团聚体的形成。施用生物炭不仅改善了土壤团粒结构，也改善了土壤中孔隙结构。而外源有机酸通过改变土壤酸碱度降低土壤pH和碱化度，增加土壤胶体凝聚和微团聚体形成，改善土壤结构。杨宇等发现黄腐酸的施用可以削弱土壤碱度，降低土壤含盐量，显著提高土壤结构的稳定性，并随着时间的推移，分散的土壤颗粒在黄腐酸的胶结作用下形成团粒结构，以达到改善土壤物理结构的作用。 Xiao研究表明，柠檬酸与松针复合材料显著降低了土壤盐分，增加了土壤养分含量，但关于柠檬酸对土壤物理结构的研究还鲜有报道。

目前，常见的土壤结构观测方法有染色示踪法、氮吸附法、切片法、水分穿透曲线法、张力入渗法和压汞法。这些方法在操作过程中较为繁琐，对样品有破坏性，且分析精密较低，不能分辨微结构的细节特征。同步辐射微CT扫描技术可以快速、无损和定量获取原状土体的三维结构，以此量化土壤孔隙分布及其结构特征，对于揭示不同的管理措施对土壤结构的影响具有重要作用，已成为直接、定量和可视化研究土壤结构的重要手段。土壤孔隙形态特征包括连通性、分形维数、孔隙形状系数和成圆率等，这些指标均能有效评价土壤结构。房焕等人利用微CT扫描技术定量研究了秸秆还田对稻麦轮作下土壤结构的变化，发现稻麦轮作区全量秸秆还田能够增大土壤总孔隙度和大孔隙度，改善水稻土的物理结构。安宁使用CT技术定量分析长期秸秆不同还田量下水稻土孔隙结构特征，结果表明，施用适量生物炭会增加土壤孔隙大孔隙度和土壤孔隙的连通性，但是施用过量生物炭可能降低土壤大孔隙度和土壤孔隙的通气导水能力。Quin等人利用CT扫描技术分析当施用0、1%和5%的生物炭时土壤结构变化情况，结果表明5%的生物炭增加了土壤孔隙度、平均孔隙直径和孔隙分形维数。

2、土壤有机碳固存效应的影响研究

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，也是最为活跃的有机碳库，对全球气候变化和人类生存环境有着重要的影响，陆地生态系统的固碳能力是实现“碳中和”的重要生态措施。据统计，我国陆地土壤碳库总量为1300-2000 Pg，是陆地植被碳库的2-3倍，是全球大气碳库的2倍多，其微小变化将对大气中CO₂浓度产生巨大影响。土壤有机碳在维持土壤功能、质量和支持农业生态系统生产力发挥着关键作用。近年来，由于长期集约化连作，化肥，农药过量施用导致土壤盐碱化现象严重，土壤碳库容量减少，已经严重威胁粮食的可持续生产能力，以及引发环境问题。已有研究表明，生物炭因具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积、高度的芳香性、高度的稳定性、强吸附性等特性，受到较多研究者广泛关注。施用生物炭可以提升土壤碳库容量，影响有机碳组成，将碳封存在土壤中，提高土壤质量。Meng认为生物炭在碳封存、农业废弃物管理以及提高土壤质量，是一个长期有效的且有益的的土壤管理战略。Prommer等人研究生物炭可以增加土壤有机碳含量，并随着生物炭施用量的增加而增加。外源有机酸的施用降低土壤pH,增加了阳离子交换量，降低土壤含盐量，增加土壤中微生物及酶活性，但外源有机酸的施用对于有机碳固存方面还鲜有报道。

本项目采用同步辐射微 CT 技术对土壤结构进行可视化研究，利用 VOLUME GRAPHICS STUDIO MAX 和ImageJ 图像处理软件对土壤孔隙进行定量化分析。借助主成分分析综合评价改良剂对盐碱土土壤的改良效果，对比盐碱土对三种改良剂的响应程度，为以后研究不同改良剂不同施用量下三种典型土壤的改良与修复提供理论依据。

1、技术路线

2、拟解决问题：柠檬酸、矿源黄腐酸以及生物炭这三种不同改良剂在不同施用量下对盐碱地改良的效果。

3、预期成果：（1）通过和田间试验和CT技术，我们将明确不同改良剂对盐碱土物理性质改良效果，探究改良剂对盐碱土有机碳含量、组分及固存效应的影响。提出最佳改良剂的最优施用量，为盐碱土改良提供具体的实践指导。形成项目报告。（2）项目将撰写1篇高水平论文，分享研究成果和经验。

2024年7月-2024年8月：准备试验材料，试验场地的选择，改良剂及试验器材的购买。

2024年9月-2025年5月：按照试验方案，开展盐碱土改良剂添加试验，对实验数据进行分析，探究改良剂对盐碱土物理性质及有机碳固存效应的影响，针对试验结果，撰写学术论文，投稿高水平论文一篇。

2025年5月-2025年6月，对全年试验进行总结，汇总研究成果，形成项目报告。