苹果树生物质炭对土壤团聚体含量及稳定性的影响

尚杰

摘要    生物质炭在农业土壤中的应用是近年来新兴的土壤改良技术，具有多重农业和环境效益。本研究通过田间试验，将限氧环境下（450 ℃）由苹果树树干、枝条热裂解所得的生物质炭以不同用量水平（0、20、40、60、80 t/hm2，分别计作C0、C20、C40、C60、C80）施入农业土壤耕作层，研究其对土壤团聚体含量及稳定性的影响。结果表明，与对照C0相比，施用生物质炭后，处理C20、C40、C60、C80 >0.25 mm机械稳定性团聚体含量均有所增加，处理C60达到显著水平，增幅2.73%;>0.25 mm水稳定性团聚体含量均显著增加，增幅分别为31.15%、31.11%、34.85%、35.17%;干筛条件下的平均重量直径均有所增加，其中处理C60达到显著水平，增幅为24.39%;湿筛条件下的平均重量直径除处理C40外，其余施炭处理均达到显著水平;土壤团聚体破壞率和土壤不稳定团粒指数在施炭处理后均显著降低，但施炭处理之间差异不显著;从水稳性团聚体的分布可以看出，大团聚体含量明显增加，小团聚体含量显著减少。说明施用苹果树生物质炭后，土壤团聚体含量及稳定性均显著增加，进而改善了土壤的物理特性。

关键词    生物质炭;土壤团聚体;平均重量直径;团聚体破坏率;稳定性

中图分类号    S156.2        文献标识码    A        文章编号   1007-5739（2018）23-0184-03

生物质炭（Biochar）一般指农作物秸秆、木材及植物的其他组织等生物质在完全或部分缺氧和相对低温（<700 ℃）条件下热裂解而形成的固态产物，其形态疏松多孔且富含有机碳[1]。由于其能与土壤形成顽固的土壤碳结合体、材料来源广泛、物理性状良好等因素，成为了当今农业与环境等领域的研究热点[2]。此外，生物质炭的抗降解能力非常强（包括生物降解和非生物降解），能够在土壤中相对长期稳定地封存，具有巨大的碳封存潜力[3]。来自巴西亚马逊河流域中部黑土的研究发现，富含木炭（生物质炭）的土壤具有更高的肥力和良好的物理特性，并且其在土壤中保存已有成百上千年的历史[4]。

有研究表明，生物质炭本身的疏松多孔性可以增强土壤的通气性能和持水性能[5]，进而促进了良好土壤团聚体的形成[6]，增加土壤的比表面积和孔隙度，降低了土壤容重[7]，改善了土壤结构[8]。因此，一般认为，土壤团聚体作为土壤团粒结构的基本单元，其稳定性是反映土壤结构状况的重要指标[9]，其含量的多少是土壤肥沃程度的标志之一。本研究以关中塿土为载体，在正常种植作物的情况下，研究苹果树生物质炭的施用对土壤团聚体的影响，以期为生物质炭在农业土壤中的应用提供理论依据。

1    材料与方法

1.1    试验区概况

试验区设在陕西省杨凌示范区西北农林科技大学试验田，位于北纬34°16′，东经108°04′，海拔458.6 m。该地区年均气温11～13 ℃，年均日照时数2 196 h，年均降雨量500～700 mm，属温带大陆性易旱气候区。

1.2    试验材料

本研究所用生物质炭由苹果树枝条、树干热裂解所得，制备条件为450 ℃的限氧环境。生物质炭的理化性质：比表面积86.7 m2/g，pH值（水土比为10∶1）10.4，C、O、H、N元素的含量分别为72.4%、23.8%、2.6%、1.2%，硝态氮0.5 mg/kg，铵态氮1.9 mg/kg。

供试土壤为褐土类，塿土亚类。土壤的理化性质：容重1.3 g/cm3，pH值（水土比为5∶1）7.3，硝态氮18.2 mg/kg，铵态氮15.9 mg/kg，有效磷12.4 mg/kg，速效钾193.0 mg/kg，全氮0.7 g/kg，全磷0.4 g/kg，全钾19.6 g/kg，有机质15.0 g/kg。

1.3    试验设计

将制备好的苹果树生物质炭磨细，过1 mm筛，根据设计用量均匀撒施于土壤表层，通过浅翻，与耕层（0～20 cm）土壤混匀。生物质炭用量设5个水平，即0、20、40、60、80 t/hm2，分别记作C0、C20、C40、C60、C80。其中，C0作对照（CK），即不施生物质炭。采用随机区组设计，3次重复。除生物质炭用量不同外，氮、磷、钾肥均作基肥于种植前施入，折合用量分别为纯N 225 kg/hm2、P2O5 180 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2。试验期间根据天气及作物生长状况适量灌水，以满足作物正常生长发育所需。

1.4    测定项目与方法

机械稳定性团聚体采用干筛法测定：用DM180型土壤团粒分析仪，振荡2 min，频率300 r/min，筛分、称量，干筛法共分8级（<0.25 mm、0.25～0.50 mm、0.50～1.00 mm、1.00～2.00 mm、2.00～5.00 mm、5.00～7.00 mm、7.00～10.00 mm和>10.00 mm）。

水稳性团聚体采用湿筛法测定：用TTF-100型土壤团聚体分析仪，共分6级（<0.25 mm、0.25～0.50 mm、0.50～1.00 mm、1.00～2.00 mm、2.00～5.00 mm和>5.00 mm），根据干筛各级团聚体质量百分比含量配比土壤样品50 g进行湿筛，振荡20 min，频率40 r/min，于105 ℃在烘箱中烘干至恒量，然后置于室内空气中自然吸湿2 h，称量。

式中，wi為第i粒级团聚体质量所占的百分含量;Ri为某级团聚体的平均直径;WT为供试土样的总质量。

1.5    数据处理

数据采用DPS 7.05软件进行统计分析，采用Excel 2007软件进行图表绘制。采用LSD法进行多重比较，利用One-way ANOVA分析土壤团聚体指标对不同生物质炭用量的响应，P≤0.05。

2    结果与分析

2.1    对>0.25 mm土壤团聚体含量的影响

DR0.25和WR0.25的百分含量可以很好地说明土壤团聚体数量和分布的变化，较好地反映生物质炭不同用量处理下土壤的团聚状况。由图1（a）可以看出，施用生物质炭处理的C20、C40、C60、C80的DR0.25较C0（CK）分别增加了0.02%、0.56%、2.73%、1.34%，其中C60与C0（CK）有显著差异;整体而言，DR0.25随生物质炭用量的增加先增加后减少，C60达到最高。由图1（b）可以看出，施用生物质炭处理后WR0.25均较C0（CK）显著增加，C20、C40、C60、C80的WR0.25较C0（CK）分别增加了31.15%、31.11%、34.85%、35.17%，C80增加幅度最大，但施用生物质炭的各处理之间无显著差异。说明苹果树生物质炭的施用明显提高了>0.25 mm土壤团聚体的含量，当生物质炭施用量达到60～80 t/hm2时>0.25 mm土壤团聚体含量最高。

2.2    对>0.25 mm土壤团聚体平均质量直径的影响

MWD是反映土壤团聚体大小分布状况的常用指标，MWD值越大，表示团聚体的平均粒径团聚度越高、稳定性越强。由图2（a）可以看出，施用生物质炭处理C20、C40、C60、C80的MWDd（干筛条件）较C0（CK）分别增加了15.12%、13.94%、24.39%、14.73%，其中C60与C0（CK）相比达到了显著水平，其余处理与C0（CK）相比未达到显著水平;整体而言，MWDd随生物质炭用量的增加先增加后减少，C60达到最高。由图2（b）可以看出，除了C40处理外，其余处理的MWDw（湿筛条件）均较C0（CK）显著增加，处理C20、C60、C80的MWDw较C0（CK）分别显著增加了36.82%、36.43%、46.12%，C80增加幅度最大，但施用生物质炭的各处理之间无显著差异。由此说明，干筛和湿筛条件下，施用生物质炭都增加了>0.25 mm土壤团聚体的MWD，但与生物质炭施用量也有一定的关系，当生物质炭施用量达到60～80 t/hm2时土壤团聚体MWD达到最大。

2.3    对土壤团聚体稳定性的影响

PAD和ELT随土壤退化程度的增加而增加，可以较好地反映土壤结构的稳定性[10]。由图3（a）可以看出，随生物质炭施用量的增加，PAD明显降低。处理C20、C40、C60、C80的PAD较C0（CK）分别显著降低了17.74%、17.34%、17.95%、18.97%，其中C80的PAD降幅最大。由图3（b）可以看出，随着生物质炭施用量的增加，ELT显著降低。处理C20、C40、C60、C80的ELT较C0（CK）分别显著降低了15.64%、15.62%、17.49%、17.65%，其中C80的ELT降幅最大。可以看出，在土壤耕作层施用生物质炭后，PAD和ELT都显著降低，说明土壤团聚体稳定性显著增强，而且随着生物质炭用量的增加，土壤团聚体稳定性有明显增强的趋势。

2.4    对土壤水稳性团聚体分布的影响

土壤水稳性团聚体分布可以很好地反映施用生物质炭后土壤团聚体的团聚情况。由图4可以看出，与C0（CK）相比，施用生物质炭后，>5 mm的团聚体含量显著增加，处理C80含量最高;2.00～5.00 mm的团聚体含量也显著增加，处理C60含量达到最大;1.00～2.00 mm团聚体含量也有一定增加趋势，处理C80增加相对较大;0.50～1.00 mm的团聚体含量也显著增加，处理C40含量相对最高;0.25～0.50 mm团聚体含量，处理C20、C40、C60都较处理C0明显增加，而处理C80明显减少;<0.25 mm的土壤团聚体含量在施用生物质炭后显著较少，并且随生物质炭含量的增加，<0.25 mm的土壤团聚体含量逐渐减小。由此说明，不同粒级土壤团聚体分布在施用苹果树生物质炭后发生了较大变化，施用生物质炭可以改变土壤团聚体的团聚状况，进而增加了土壤大团聚体的含量。

3    结论与讨论

研究结果表明，施用生物质炭后，土壤中>0.25 mm的机械稳定性团聚体含量、>0.25 mm的水稳性团聚体含量、土壤团聚体平均质量直径显著增加，团聚体破坏率、土壤不稳定团粒指数显著降低，土壤团聚体的含量和稳定性明显提高。综合来讲，当苹果树生物质炭施用量为60 t/hm2时效果最佳。

前人研究了生物质炭形成土壤团聚体的机理，表明影响土壤团聚体含量和稳定性的内在因素是形成土壤团聚体的胶结物质[11]，而生物质炭中的细小颗粒具有多孔性和吸附性[8]，这本身就属于一种胶结物质。此外，生物质炭具有与土壤颗粒形成土壤团聚体和有机-无机复合体的活性功能[12]，施用生物质炭直接提高了土壤有机质含量[13]，间接增加了土壤的微生物量[14]，刺激土壤生物活性增强，因而产生更多的分泌物，会对土壤起团聚作用。

有学者研究了生物质炭在森林、草原和农田土壤团聚体中的分布状况，发现生物质炭在土壤中不仅仅以自由颗粒存在，还可存在于微团聚体内部并在团聚体内富集（<53 μm）[15]。黄  超等[16]通过试验研究发现，50、200 g/kg的生物质炭处理显著提高水稳性团聚体含量，与本研究结论一致。可见，土壤中施入生物质炭以两方面因素造成了土壤团聚体的形成与稳定：一方面是生物质炭的稳定性和特殊的理化特性，另一方面是因团聚体自身特性的保护作用从而长期固持。

4    参考文献

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