秸秆生物炭对烟区土壤剖面团聚体组成及有机碳分布的影响

王恩武 徐玮 王津军 林跃平 肖志新 李永亮

摘要 为了探究秸秆生物炭还田对改良植烟土壤品质的影响，在保山烟区研究了不同施用量秸秆生物炭对土壤剖面团聚体组成及有机碳分布的影响。结果表明，与常规施肥对照相比，在常规施肥基础上增施生物炭4 500、9 000 kg/hm2提高了0～20 cm和20～40 cm土层中碱解氮、有机质、有效磷和速效钾的含量，其中增施生物炭4 500 kg/hm2处理显著增加了0～20 cm土层中有效磷、速效钾含量及20～40 cm土层中碱解氮、有机质、有效磷含量，增施生物炭9 000 kg/hm2处理显著增加了0～20 cm土层中有机质、有效磷、速效钾含量及20～40 cm土层中有效磷、速效钾的含量；与常规施肥对照相比，在常规施肥基础上增施生物炭4 500、9 000 kg/hm2处理增加了2～5、1～2、0.5～1.0、0.25～0.50 mm粒级团聚体含量，其中增施生物炭9 000 kg/hm2处理显著增加了2～5 mm粒级团聚体含量，增幅为78.31%；与常规施肥对照相比，在常规施肥基础上增施生物炭4 500、9 000 kg/hm2处理各粒级有机碳的含量均显著增加，其中增施生物炭9 000 kg/hm2處理对各粒级有机碳含量的增加量均大于增施生物炭4 500 kg/hm2处理，增幅分别为17.78%、17.86%、18.08%、27.64%、54.28%和61.19%。由此说明，秸秆生物炭还田不同程度提高了耕层土壤中土壤养分含量、各粒级土壤团聚体以及有机碳的含量。

关键词 烟区；生物炭；土壤养分；土壤团聚体；土壤有机碳；影响

中图分类号 S152.4 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）21-0184-03

Effects of Straw Biochar on Soil Aggregate Composition and Soil Organic Carbon Distribution in Tobacco Planting Area

WANG En-wu 1 XU Wei 2 WANG Jin-jun 3 LIN Yue-ping 4 XIAO Zhi-xin 4 LI Yong-liang 4 *

（1 Shidian County Tobacco Corporation in Baoshan City，Shidian Yunnan 678200； 2 Tobacco Industrial Limited Corporation of Guizhou；

3 China Tobacco Corporation Yunnan Company； 4 Baoshan Branch of Yunnan Province Tobacco Company）

Abstract In order to explore the effect of returning straw biochar to field on improving soil quality of tobacco planting area，the effect of returning straw biochar to field on soil aggregate composition and soil organic carbon distribution in tobacco planting area of Baoshan City was studied.The results showed that，compared with the control（conventional fertilization treatment），the treatments of increasing biochar 4 500 kg/hm2 and 9 000 kg/hm2 improved the contents of alkaline hydrolysis nitrogen，organic matter，available phosphorus and readily available potassium in the soil（depth of 0-20 cm and 20-40 cm）.The treatment of increasing biochar 4 500 kg/hm2 improved the contents of available phosphorus and readily available potassium in the 0-20 cm depth soil，and improved the contents of alkaline hydrolysis nitrogen，organic matter，and available phosphorus in the 20-40 cm depth soil.The treatment of increasing biochar 9 000 kg/hm2 improved the contents of organic matter，available phosphorus and readily available potassium in the 0-20 cm depth soil，and improved the contents of available phosphorus and readily available potassium in the 20-40 cm depth soil.Compared with the control，the treatments of increasing biochar 4 500 kg/hm2 and 9 000 kg/hm2 increased the aggregate quantity of soil in depth of 2-5 mm，1-2 mm，0.5-1.0 mm and 0.25-0.50 mm.The treatment of increasing biochar 9 000 kg/hm2 increased the aggregate quantity of soil in depth of 2-5 mm by 78.31%.Compared with the control，the treatments of increasing biochar 4500 kg/hm2 and 9000 kg/hm2 improved the contents of soil organic carbon，and the effect of treatment of increasing biochar 9 000 kg/hm2 was more remarkable than the treatment of increasing biochar 4 500 kg/hm2.The increasing amplitude was 17.78%，17.86%，18.08%，27.64%，54.28% and 61.19%，respectively.This indicated that soil nutrients，soil aggregate composition and soil organic carbon distribution were improved by returning straw biochar to field with different degrees.

Key words tobacco planting area；biochar；soil nutrient；soil aggregate；soil organic carbon；effect

当前我国耕地资源紧张，随着集约化农业的普及，伴随而来的是有机肥施用量的减少、土壤结构的破坏和面源污染的加剧，土壤改良已经成为了当务之急[1]。

目前，针对改良土壤采用的主要办法有种植绿肥、秸秆生物炭还田和施用土壤改良剂等[2-3]，其中秸秆生物炭作为一种有效的新兴土壤改良材料而备受关注。

秸秆生物炭是一种含碳量较高的黑炭类固态物质，它由生物质在完全或部分缺氧条件下煅烧产生[4]。潘根兴等发现，生物炭的施入可使其与土壤颗粒形成有机无机复合体和团聚体，在改善土壤团聚体结构的同时也增加土壤有机碳含量。而且秸秆生物炭还田不仅可以增加土壤有机碳含量、改善土壤理化性质、提高土壤肥力[5-8]，还可以增加土壤剖面水稳性团聚体含量[9-10]、提高土壤对元素的固持能力、降低土壤营养元素的淋失[11]。

土壤团聚体与有机碳是评价土壤肥力高低的2个重要标准。其中，土壤团聚体是土壤的基本组成单元，它对土壤的诸多性质和肥力都有着重要影响[12]；另外，土壤有机碳是土壤质量评价的核心要素，它影响着土壤理化和生物学各个过程[13]。土壤剖面团聚体和有机碳之间有着密切的联系，一方面，有机碳在团聚体的包裹下可以减少微生物分解的影响；另一方面，土粒在有机碳的胶结作用下增加了团聚性，从而促进了团聚体形成[14-16]。目前，秸秆生物炭还田对烟田土壤改良的应用研究逐渐增多，但基于各个地区不同的气候及土壤条件下适宜的生物炭施用量还需要进一步明确。本研究利用云南保山地区丰富的秸秆资源，研究秸秆生物炭还田后对烟田土壤理化性质的影响，以期为保山市烟田土壤改良提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年在云南省腾冲市界头镇的试验田进行，试验区地处丘陵区，试验地土壤类型为壤土。试验田肥力均匀，常年种植烤烟，已连续种植4年以上；试验区土壤主要理化性质：有机质含量8.58 g/kg，碱解氮含量91 g/kg，有效磷含量20.6 g/kg，有效钾含量213.59 g/kg。

1.2 试验材料

供试烤烟品种为云烟87；供试生物炭为中国农业科学院烟草研究所提供的油菜秸秆原料生物炭。

1.3 试验设计

试验共设3个处理，分别为常规施肥+生物炭4 500 kg/hm2（T1）、常规施肥+生物炭9 000 kg/hm2（T2），以常规施肥作对照（CK）。3次重复，共计9个小区，采取随机区组排列。区组内土壤、地形等条件应相对一致，区组间允许有差异。每个小区6行，每行不少于15株。试验地块四周设置不低于2行的保护行。

整地前把生物碳均匀撒施田间，旋耕翻入土壤。其他栽培措施同当地。

1.4 调查内容与方法

试验前采集土壤样品，用土钻取0～20、20～40、40～60 cm土层样品约1 kg，分别制备新鲜或风干土样。其中，风干的土样测定土壤pH值、有机质、有机碳、碱解氮、有效磷、速效钾等。

烤烟成熟采收后收集土壤样品，用土钻取0～20、20～40、40～60 cm土层样品约1 kg，分别制备新鲜或风干土样。其中，风干的土样测定土壤pH值、有机质、有机碳、全氮、有效磷、速效钾等。

2 结果与分析

2.1 秸秆生物炭还田对土壤养分的影响

由表1可知，在土层0～20 cm中，与CK相比，处理T1、T2的土壤中碱解氮、有机质、pH值、有效磷、速效钾的含量均有所增加，其中处理T1、T2的有效磷、速效钾和处理T2的有机质均显著增加。处理T1的有效磷、速效钾增幅分别为86.53%、29.98%，处理T2的有机质、有效磷、速效钾增幅分别为27.92%、77.89%、25.75%。在土层20～40 cm中，与CK相比，处理T1、T2增加了除pH值外的其他养分含量，其中处理T1显著增加了土壤碱解氮、有机质、有效磷含量，增幅分别为17.65%、23.11%、58.31%，处理T2显著增加了土壤有效磷、速效钾含量，增幅分别为46.51%、44.48%。在土层40～60 cm中，与CK相比，处理T1、T2降低了土壤中碱解氮、有机质、pH值、有效磷、速效钾的含量。

2.2 秸秆生物炭对耕层土壤团聚体含量的影响

由表2可知，与CK相比，处理T1、T2增加了2～5、1～2、0.5～1.0、0.25～0.50 mm粒级水稳性团聚体含量，其中2～5 mm粒级水稳性团聚体含量在处理T2下显著增加，增幅为78.31%。与CK相比，处理T1、T2降低了>5 mm粒级及<0.25 mm粒级水稳性团聚体的含量，其中处理T2对>5 mm粒级水稳性团聚体的降低量显著，降幅为26.89%。

2.3 秸秆生物炭对耕层土壤有机碳的影响

由表3可知，不同处理均以<0.25mm粒级团聚体中有机碳的含量最高。与CK相比，处理T1、T2各粒级有机碳的含量均显著增加，其中处理T2对各粒级有机碳含量的增加量均大于处理T1，处理T2增幅分别为17.78%、17.86%、18.08%、27.64%、54.28%和61.19%。

3 結论与讨论

秸秆生物炭具有非常大的表面积[17]，拥有发达的孔隙度和大量表面负电荷，同时还具有电荷密度高的特性。以上特性使秸秆生物炭对无机离子和极性、非极性化合物有较强的吸附性[18-20]。

通过秸秆生物炭的吸附作用可以防止土壤中氮、磷、钾元素的淋失。此外，秸秆生物炭还有类似有机质的作用，可以吸附土壤有机分子、催化促进小有机分子聚合形成有机质和生物炭自身的分解促进腐殖质产生[21]。本试验研究结果表明，秸秆生物炭的施用提高了土壤中碱解氮、有机质、有效磷和速效钾的含量，其中在常规施肥的基础上增施生物炭4 500 kg/hm2处理显著增加了0～20 cm土层中有效磷、速效钾含量及20～40 cm土层中碱解氮、有机质、有效磷含量，在常规施肥的基础上增施生物炭9 000 kg/hm2处理显著增加了0～20 cm土层中有机质、有效磷、速效钾含量及20～40 cm土层中有效磷、速效钾的含量，与前人研究结果基本一致[22-24]。但在土层40～60 cm中，与常规施肥对照相比，在常规施肥的基础上增施生物炭4 500 kg/hm2与9 000 kg/hm2处理降低了土壤中碱解氮、有机质、pH值、有效磷、速效钾的含量，这可能是因为生物炭主要施用于40 cm以内耕层中，由于生物炭吸附作用的存在降低了土壤中元素的淋失，这与李江舟等[25]的研究结果相符合。

秸秆生物炭的合理施用可以增加土壤微生物的活性，从而促进土壤团聚体的形成并增加其稳定性[26]，同时团聚体又对有机碳具有物理保护作用，可以降低微生物对它的分解速率，这也保证了有机碳可以在土壤中稳定地存在。土壤团聚体根据粒级的大小可以分为微团聚体（粒径<0.25 mm）和大团聚体（粒径>0.25 mm），其中富含大团聚体的土壤具有良好的结构特征，同时它也与土壤肥力成一定的正比例相关[27]，微团聚体一般是由大团聚体分解或者由黏粒与有机物胶结形成的产物，微团聚体也是土壤中有机碳的主要储存场所[28]。

本试验结果表明，与常规施肥对照相比，在常规施肥的基础上增施生物炭4 500 kg/hm2与9 000 kg/hm2处理增加了2～5、1～2、0.5～1.0、0.25～0.50 mm粒级水稳性团聚体含量，其中2～5 mm粒级水稳性团聚体含量在常规施肥的基础上增施生物炭9 000 kg/hm2处理下显著增加，增幅为78.31%。在常规施肥的基础上增施生物炭4 500、9 000 kg/hm2处理显著降低了>5 mm粒级水稳性团聚体的含量，降幅为26.89%。这一结果与吴鹏豹等[9]及Biswas等[10]的研究结果基本一致。在本试验中，不同处理均以<0.25 mm粒级团聚体中有机碳的含量最高，在常规施肥的基础上增施生物炭4 500、9 000 kg/hm2处理显著增加了各粒级有机碳的含量，其中增施生物炭9 000 kg/hm2处理对各粒级有机碳含量的增加量均大于增施生物炭4 500 kg/hm2处理，增幅分别为17.78%、17.86%、18.08%、27.64%、54.28%和61.19%，这一结果与米会珍等[29]的研究结果相符。

在保山烟区植烟土壤施用秸秆生物炭后，不同程度地提高了耕层土壤中碱解氮、有机质、有效磷和速效钾的含量，有效增加了作物对土壤养分的利用率[30]。秸秆生物炭的施入还增加了各粒级土壤团聚体以及有机碳的含量，降低了土壤养分的淋失，增加了土壤肥力。

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