珊瑚砂广泛分布于热带珊瑚岛，是一种由有孔虫、珊瑚虫等海洋生物残骸碎裂堆积而成的砂状土壤^[1–3]，其中含有大量的钙(Ca)和镁(Mg)元素，使其呈现高碱性特征^[4–5]。同时，珊瑚砂中缺乏黏性颗粒以及有机和无机胶体，吸附和维持养分的能力匮乏，导致珊瑚砂保水保肥能力差，极度缺乏氮素^[6], 加上热带珊瑚岛高盐高温，存在明显干湿季分界, 直接影响了植株存活率，严重阻碍了热带珊瑚岛的植被建立^[7]。因此，对珊瑚砂进行土壤改良，降低碱度对植物胁迫，同时提升珊瑚砂对植物生长所需养分的固持和供给，对促进珊瑚岛植被建立，改善珊瑚岛环境条件，推动当地经济以及岛屿生态系统可持续健康发展具有至关重要的意义^[8–9]。

目前，针对珊瑚砂与石灰土等钙质碱性土以及盐碱地土壤，施用土壤改良剂进行改土是提高土壤肥力、改善土壤结构、增强持水能力和保持养分的有效途径，具有经济、环保、起效快且作用持久等特点^[10–12]。蛭石、珍珠岩和钙基膨润土是近年来应用较为广泛的土壤改良剂，能够改善土壤结构，提高土壤吸水保水能力以及矿质营养^[13–14]。李素艳等^[15]研究表明，蛭石具有较好的降盐效果，能够有效抑制滨海盐碱土碱化，并提高土壤孔隙度，降低土壤容重。李志安等^[16]研究表明，在珊瑚砂中施加蛭石、珍珠岩以及钙基膨润土等能够改善珊瑚砂土壤结构，显著提高珊瑚砂保水保肥能力。生物炭是由动植物残体在缺氧或低氧环境下，经由长时间高温热解所产生的一类具有稳定结构、高度芳香化且富含碳素的固态物质。因其极具稳定性以及特殊的分子结构，在近年来成为农林生态系统、土壤环境改良等研究领域关注的焦点^[17–18]。冉成等^[19]研究表明，向盐碱地稻田土中施加生物炭在显著提高土壤总氮的同时，降低碱解氮、铵态氮含量。孙嘉曼等^[20]通过向喀斯特山地石灰土中施加生物炭，认为生物炭处理有利于改善石灰土水分，提高土壤有机质和氮磷养分含量。然而，通过施加土壤改良剂对土壤进行改良的研究多集中在盐碱地和石漠化治理等领域^[21–22]，针对珊瑚砂进行土壤改良的研究极其缺乏。

因此，本研究在基于前期试验结果的基础上, 以珊瑚砂作为研究对象，采用3%的比例添加生物炭、蛭石、珍珠岩和钙基膨润土作为土壤改良剂, 在添加氮肥并模拟间歇性降雨的条件下，开展土柱淋溶试验。通过分析不同土壤改良材料添加对珊瑚砂理化性质、养分淋溶和固持能力的影响，筛选适合珊瑚砂改良的理想材料。本研究的结果可为热带珊瑚岛土壤管理和可持续发展提供科学依据和指导，同时也为其它类似环境下的生态系统土壤改良提供了理论与实践支持。

试验选取4种常见的土壤改良剂，包括蛭石(购自北京赛欧华创科技有限公司)、珍珠岩(购自柏吉生物科技有限公司)、钙基膨润土(购自上海颖心实验室设备有限公司)和生物炭。生物炭的制备过程是将玉米秸秆在500 ℃、真空条件下缓慢热解3 h后，再将所得产物与去离子水按质量比1:50放入密封容器中反复洗涤，直至上清液电导率稳定后，置于105 ℃烘箱中烘干后得到^[23]。试验中使用的氮肥为尿素(氮含量46.7%)，购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。供试土壤于2022年8月从海南省采集, 该土壤区域年均降雨量为2 000 mm，属于热带海洋性季风气候。试验土壤样品经自然风干，去除肉眼可见的石块、根系和杂物后保存备用。供试土壤的pH值为9.65，阳离子交换量为0.04 cmol/kg，电导率为126 μs/cm，容重为1.45 g/cm³，有机碳、全氮和全磷含量分别为2.342、0.529、0.129 g/kg。

试验开展于2023年2月—3月，地点位于华南国家植物园科研区温室，室内温度约为25 ℃。试验装置为内径4 cm、高25 cm的透明玻璃圆管，底部设置出水口，在装置底部管口处放有1层120目的尼龙纱网，并于管底铺上2 cm厚，粒径为1~2 mm经过酸洗处理的石英砂，防止土壤基质流失。淋溶过程中采用蠕动泵控制淋溶过程中水的流速。在正式装填之前，用凡士林均匀涂抹圆柱管内壁，避免土壤基质与管壁之间产生间隙，防止捷径式下渗导致贴壁优先流的发生^[24]。装填土柱时，将240 g土壤和土重3%的改良材料与0.06 g氮肥充分混匀, 再将混合后的土壤分2层依次装入压实，以减少边缘效应^[25], 其中0~5 cm为一层，5~15 cm为一层，最终形成柱高15 cm，重247.2 g的土柱。试验共设置5个处理，每处理重复4次。试验采用的改良材料的基本理化性质如表 1所示。

表 1(Table 1)

表 1 供试土壤改良剂基本性质 Table 1 Basic properties of soil amendments used in this study 处理 Treatment 改良材料 Amendment pH 阳离子交换量(cmol/kg) Cation exchange capacity 总氮(g/kg) Total nitrogen 总磷(g/kg) Total phosphorus 对照CK - 9.65 0.04 0.529 0.129 生物炭Biochar 生物炭Biochar 9.52 0.43 11.273 3.546 蛭石Vermiculite 蛭石Vermiculite 8.79 0.39 0.054 0.238 珍珠岩Perlite 珍珠岩Perlite 7.12 0.09 0.004 0.013 钙基膨润土Calcium-based bentonite 钙基膨润土Calcium-based bentonite 8.96 0.87 0.073 0.043

表 1 供试土壤改良剂基本性质 Table 1 Basic properties of soil amendments used in this study

试验根据采样点的降雨情况确定淋溶进水量。具体而言，淋溶进水量等于模拟土柱内横截面积与年均降雨量的乘积(2 513.27 mL)，考虑到采样点存在地表径流和蒸发损失过程(损失量按照60%计算)。最终的进水量为1 005.31 mL^[26–28]。淋溶过程中采用间歇淋溶^[29]的方式并收集淋溶液。试验开始前加入1 000 mL去离子水，使土壤水分接近田间饱和持水量，并在室温下放置1 d。随后每隔3 d加入83.78 mL去离子水，共进行7次淋溶。在淋溶完成后，将塑料瓶盖上并迅速转移至–20 ℃冰箱保存待测。

土壤基本理化性质参照《土壤农业化学分析方法》^[30]进行分析。土壤和改良材料的总氮(TN)使用浓硫酸消煮法处理。淋溶液中的铵态氮(NH₄⁺-N)和硝态氮(NO₃^–-N)在经过过滤后置于-20 ℃冷冻保存待测，TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法进行测定。土壤和淋溶液中的TN、NO₃^–-N和NH₄⁺-N均通过间断化学分析仪(SKALAR BluVison^TM Netherlands)进行测定。pH值使用METTLER TOLEDO公司生产的台式pH计测定。阳离子交换量(CEC)使用三氯化六氨合钴浸提-分光光度法进行测定。

土壤TN损失量=试验开始时土壤TN含量-试验结束时土壤TN含量；土壤TN淋失量=各次淋溶液中TN含量之和；土壤其他途径损失=土壤TN损失量-土壤TN淋失量。

采用Microsoft Excel 2021进行数据处理，采用SPSS 25.0软件对试验测定指标进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)和邓肯(Duncan)多重比较检验(α=0.05)。采用Python (Spyder v.5.3.3)和Origin 2021进行数据可视化分析。

由表 2可知，不同处理下珊瑚砂pH和CEC存在显著差异。与CK相比，生物炭添加显著降低了珊瑚砂的pH值(P < 0.05)，降低了1.4%，其余处理对珊瑚砂pH无显著影响。钙基膨润土、生物炭和蛭石均显著提高了珊瑚砂CEC，分别为CK的24.21、10.43和9.43倍，珍珠岩对珊瑚砂CEC无显著影响。

表 2(Table 2)

表 2 不同处理对土壤pH和阳离子交换量(CEC)的影响 Table 2 Effect of different treatments on soil pH and cation exchange capacity 处理Treatment pH CEC (cmol/kg) 对照CK 9.34±0.07 a 0.04±0.02 c 蛭石Vermiculite 9.28±0.02 ab 0.33±0.02 b 生物炭Biochar 9.21±0.08 b 0.37±0.02 b 珍珠岩Perlite 9.29±0.03 ab 0.07±0.04 c 钙基膨润土Calcium-based bentonite 9.35±0.07 a 0.85±0.06 a 数据后不同字母表示差异显著(P < 0.05)。 Data followed different letters indicate significant differences at 0.05 level.

表 2 不同处理对土壤pH和阳离子交换量(CEC)的影响 Table 2 Effect of different treatments on soil pH and cation exchange capacity

由图 1可见，各处理淋溶液NH₄⁺-N浓度均随时间呈下降趋势。首次淋溶过程中，各处理淋溶液中NH₄⁺-N浓度存在显著差异(P < 0.05)，与CK相比，生物炭处理下淋溶液NH₄⁺-N浓度显著增长了17.71%，珍珠岩、钙基膨润土和蛭石处理则分别降低了13.03%、62.65%和79.63%。

图 1(Fig. 1)

图 1 不同处理下淋溶液中NH4+-N浓度的变化。灰色: 快速淋失阶段; 白色: 浓度稳定阶段。下同 Fig. 1 Changes in ammonium nitrogen concentration of leachate under different treatments. Grey: Rapid leaching phase; White: Concentration stabilisation phase. The same below

由图 2可见，各处理淋溶液NO₃^–-N浓度均随时间迅速下降。在首次淋溶过程中，各改良剂添加均显著提高淋溶液中NO₃^–-N浓度(P < 0.05)，由大到小依次为：生物炭、蛭石、钙基膨润土和珍珠岩，与CK相比分别增加93.54%、66.28%、16.06%和10.24%。

图 2(Fig. 2)

图 2 不同处理下淋溶液中NO3–-N浓度的变化 Fig. 2 Changes in nitrate nitrogen concentration of leachate under different treatments

由图 3可见，各处理淋溶液TN浓度均随时间迅速下降。在首次淋溶过程中，各改良剂添加均显著提高了淋溶液中TN浓度(P < 0.05)，由大到小依次为生物炭、蛭石、钙基膨润土和珍珠岩，与CK相比，分别增加了86.30%、56.85%、10.91%和7.28%。

图 3(Fig. 3)

图 3 不同处理下淋溶液TN浓度的变化趋势 Fig. 3 Changes in total nitrogen concentration of leachate under different treatments

由图 4可见，改良剂添加在不同的氮素损失途径上存在促进和抑制2种相反的结果。一方面，生物炭、蛭石和珍珠岩加剧了珊瑚砂TN的淋溶损失，另一方面，生物炭、蛭石和钙基膨润土抑制了珊瑚砂其他途径的TN损失，但其他途径抑制的氮素损失量高于淋溶损失量，最终在总体上显著降低珊瑚砂的TN损失(P < 0.05)。与CK相比，生物炭、蛭石和钙基膨润土分别减少了40.92%、27.32%和25.09%的TN损失，而珍珠岩添加影响不显著。

图 4(Fig. 4)

图 4 改良剂对珊瑚砂氮素损失的影响 Fig. 4 Effect of amendments on nitrogen loss of coral sand

生物炭添加显著降低了珊瑚砂的pH值，而蛭石、珍珠岩以及钙基膨润土添加对珊瑚砂pH无显著影响。这可能是因为相比于颗粒较大的蛭石、珍珠岩以及钙离子含量较高的钙基膨润土，生物炭的多孔结构及较大的比表面积使其能更好地与珊瑚砂相结合，减小土壤容重的同时增加土壤孔隙度，增强珊瑚砂盐分淋洗，进而在一定程度上降低珊瑚砂pH^[31]。与此同时，蛭石、生物炭和钙基膨润土对珊瑚砂CEC均表现出显著的促进作用，这与改良材料自身的特性有关。蛭石、生物炭以及钙基膨润土在比表面积、孔隙体积以及表面活性位点等方面优于其他改良材料，使他们具有良好的吸附性和离子交换能力，能够增加土壤胶体的交换点位，提高土壤CEC^[32–33]。

淋溶初期，各改良材料添加下淋溶液中NO₃^–-N浓度与淋失速度均高于NH₄⁺-N，且淋失趋势与淋溶液TN淋失趋势一致，说明氮素在珊瑚砂中主要以NO₃^–-N的形式快速淋失，这与前人的研究结果一致^[25]。这是因为土壤对NO₃^–-N和NH₄⁺-N的吸附特性不同，NO₃^–-N难以被土壤胶体所吸附，在土体中随水运移能力强, 而NH₄⁺-N则易被土壤中的胶体和矿物吸附固定，在土壤中的持留能力更强^[34–35]。随着淋溶过程的进行, 各处理下的淋溶液NO₃^–-N和NH₄⁺-N浓度迅速下降, 说明氮素在珊瑚砂中的淋失速度极快，这可能与珊瑚砂极度缺乏有机及无机胶体，导致珊瑚砂对养分的吸附固持能力较弱有关。

同时，各改良材料添加在试验初期均对NO₃^–-N的淋失表现出不同程度的促进作用，这可能与土壤环境的改变有关，改良剂添加提高了土壤孔隙度^[10]，改善了土柱中的土壤通气环境，从而提高了土壤中硝化、亚硝化细菌的活性，硝化作用增强，最终导致淋溶液中的NO₃^–-N浓度升高。试验后期，随着淋溶过程中氮素的大量淋失，加上土壤湿度的持续上升，通气条件下降，土壤中硝化作用受到抑制^[36]，使得淋溶液中NO₃^–-N浓度逐渐降低。此外，生物炭处理下土壤淋溶液中的NH₄⁺-N浓度反而增加，这可能与生物炭添加对土壤微生物群落的影响有关，生物炭在短期内增加可溶性活性碳源，能够促进土壤微生物生长代谢^[37], 从而增加土壤微生物的生物量和活性，促进氨化过程产生更多的NH₄⁺-N。

为探明氮素在珊瑚砂中的淋溶损失情况，本研究测定了TN的淋溶损失量、其他途径损失量以及珊瑚砂的TN变化量, 结果表明，在珊瑚砂中，经由其他途径损失的氮素要高于淋溶损失，这可能与珊瑚砂高碱性的土壤环境有关，相较于淋失，氮素更容易被转化为NH₃和N₂O等气体, 经由气态挥发的方式损失^[38]。改良剂添加在氮素淋失和其他途径损失方面表现出截然相反的结果，蛭石、钙基膨润土和生物炭会在不同程度上增加珊瑚砂中氮素的淋失，但同时能够显著抑制其他途径的氮损失, 进而表现为对珊瑚砂TN损失的显著抑制。这可能是因为生物炭等土壤改良剂的多孔性和较大的比表面积使之能够直接影响珊瑚砂的物理结构，其丰富的孔隙结构能够有效提升珊瑚砂对养分的吸附能力^[39]，缓解珊瑚砂土壤环境对土壤微生物的胁迫，促进土壤微生物的生长和活动，从而在促进珊瑚砂氮素固持的同时抑制硝化作用，使得更多的氮能够保留在珊瑚砂中。

本研究表明，生物炭能够缓解珊瑚砂高碱性环境，而生物炭、蛭石和钙基膨润土能够显著提高珊瑚砂CEC。改良材料添加虽然会促进以NO₃^–-N形式为主的氮素淋失，但是能够通过降低其他途径的氮素损失, 达到在总体上促进珊瑚砂氮素固持的效果。故生物炭、蛭石和钙基膨润土均具备珊瑚砂改良的应用潜力，对降低氮肥流失，减少热带珊瑚岛植被建设过程中的氮肥滥用具有积极意义。其中，施用生物炭的效果最为显著，是改善珊瑚砂土壤理化性质，提升珊瑚砂氮素固持能力的理想材料。