长期定位连续施用生物炭对植烟土壤物理性状的影响

刘 卉，周清明，黎 娟，向德明，张黎明

(1.湖南农业大学 农学院，湖南 长沙 410128 ；2.湖南省烟草公司湘西自治州公司，湖南 吉首 416000)

生物炭近年来作为新型改良剂用于土壤改良得到了广泛关注，它的多孔结构和比表面积大等特性有利于改善土壤的物理性状，对于土壤的保水性和孔隙度的提高及降低土壤容重等有显著的作用[1-3]。朱克亚等[4]研究发现施用生物炭改良剂后，显著降低了土壤容重，同时明显提高土壤含水率，改善了耕层土壤的物理性状。李培培等[5]研究了施用生物炭对砂质潮土的影响，结果表明，施用生物炭不仅能降低土壤容重，还能提高玉米不同生育时期时的耕层土壤水分含量。张文锋等[6]对旱地红壤研究生物炭的改良效果发现，施用生物炭后0～60 cm土层土壤容重降低，能有效改善旱地红壤的物理性状。金梁等[7]研究生物炭对黑土的改良效果发现，施用生物炭后土壤的容重降低幅度主要与生物炭的用量相关。有研究指出，生物炭虽然能降低土壤容重，但生物炭施用后对作物苗期时的土壤含水率的影响较小，主要有利于作物生育中后期时土壤保水性的增强[8]。另外也有研究发现，生物炭能缓冲降雨对土壤含水率的影响[9]。王浩等[10]研究发现，施用生物炭能改善土壤的孔隙结构，缓解水分蒸发。李玉梅等[11]利用盆栽试验研究生物炭对土壤物理性状的影响，结果表明，在2～32 mg/kg的生物炭用量下，土壤固相比降低而土壤气相和液相比增加。目前，虽然已有大量研究表明施用生物炭后能够影响土壤的物理性状，促进作物生长以及提高作物产质量[12-16]，但在长期定位条件下研究连续施用生物炭对植烟土壤物理性状的影响还比较欠缺，因此，本试验通过3年定位研究连续施用生物炭后耕层土壤物理性状的变化趋势，旨在探索连续施用生物炭对植烟土壤物理性状的长期效应，改良植烟土壤的物理性状，并为生物炭在植烟土壤改良上的应用提供一定的理论支撑。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本试验为3年定位试验，于2015年3月-2017年9月在湖南省湘西州凤凰县千工坪基地进行，供试品种为云烟87，供试土种为黄灰土，试验田基本性质：速效氮105.00 mg/kg；速效磷38.57 mg/kg；速效钾258.67 mg/kg；pH值6.50。生物炭由湖南正恒农业科技发展有限公司提供，生物炭基本性质：速效氮0.026 g/kg；速效磷0.459 g/kg；速效钾3.710 g/kg；pH值9.44。肥料为烟草专用肥料，施氮量为112.5 kg/hm2，养分比例为N∶P2O5∶K2O=1.00∶1.18∶2.85，肥料具体配方如下：专用基肥(710.0 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=7.5∶14.0∶8.0)、专用追肥(375.0 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=10∶5∶29)、发酵饼肥(225.0 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=3∶1∶1)、提苗肥(75.0 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=20∶9∶0)、硫酸钾(306.5 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=0∶0∶50)、过磷酸钙(46.7 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=0∶12∶0)。

1.2 处理设计

设置生物炭施用量：CK(0 kg/hm2)、T(3 750 kg/hm2)，3次重复，且T处理每年移栽前均施用3 750 kg/hm2生物炭。生物炭施用方法：在整地前、试验小区划分好后，按照各处理生物炭用量将生物炭均匀撒施在供试小区地表，旋耕深翻20 cm，使其与土壤充分混合。移栽时间为4月28日，小区面积30 m2，每小区植烟50株，株行距为55 cm×110 cm，其他农艺措施按当地技术规范进行。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 测定项目 土壤物理性质：分别于移栽后30，60，90 d测定耕层土壤(0～20 cm)土壤含水率、容重、孔隙度及土壤固相比、液相比、气相比，每小区重复3次。

1.3.2 测定方法 按环刀法，测定土壤含水率(W)、铝盒重量(G0)，记载环刀容积(V)。在田间用环刀采取原状土，测鲜土与铝盒总重(G1)。用烘箱烘干环刀内的土，并测定干土与铝盒总重(G2)。土壤密度(DS)为2.65 g/cm3。土壤容重(RS)=100×(G1-G0)÷V(100+W)；孔隙度=100×(DS-RS)÷DS；土壤固相比=RS÷DS；土壤液相比=W×RS；土壤气相比=孔隙度-土壤液相比。

1.4 统计分析

采用Excel对数据进行整理，独立样本t检验用SPSS 22.0处理，主成分分析采用R软件处理。

2 结果与分析

2.1 施用生物炭对土壤含水率的影响

长期定位施用生物炭后不同年份土壤含水率如表1所示。从移栽后30 d来看，2015，2016年时施用生物炭后比对照土壤含水率升高0.233～3.983个百分点，其中2015年T处理与对照差异极显著，而2017年时施用生物炭后比对照土壤含水率降低1.760个百分点，但差异不显著；从移栽后60 d来看，2015年时施用生物炭后比对照土壤含水率升高3.243个百分点，且差异极显著，2016年时施用生物炭后比对照土壤含水率降低0.107个百分点，但差异不显著，至2017年时T处理比对照土壤含水率升高0.867个百分点，差异也未达到显著水平；从移栽后90 d来看，只有2015年时施用生物炭后比对照土壤含水率升高3.537个百分点，且差异极显著，而2016，2017年时施用生物炭后比对照土壤含水率降低0.336～0.730个百分点，但差异均未达到显著水平。综合来看，连续施用生物炭主要能提高2015年时烤烟各生育期的土壤含水率，但对2016-2017年时烤烟各生育期的土壤含水率影响较小。

表1 长期定位连续施用生物炭后不同年份土壤含水率比较Tab.1 The comparison of the soil moisture content in different years after long-term located continuous application of biochar

注：不同大写和小写字母分别表示差异达极显著(P<0.01)和显著(P<0.05)水平。表2-6同。

Note：Different of uppercase and lowercase letters mean extremely significant difference and significant difference at 0.01 and 0.05 levels，respectively. The same as Tab.2-6.

2.2 施用生物炭对土壤容重的影响

由表2可以看出，移栽后30 d，2015年时施用生物炭后比对照土壤容重增加0.083 g/cm3，2016，2017年时施用生物炭后比对照土壤容重降低0.137～0.144 g/cm3，其中2017年时，T处理土壤容重显著低于对照组；移栽后60 d，3年施用生物炭后均比对照土壤容重降低0.030～0.110 g/cm3，但差异均未达到显著水平；移栽后90 d，也表现为3年施用生物炭后均比对照土壤容重降低0.010～0.097 g/cm3，但差异均不显著。综合来看，除了2015年移栽后30 d施用生物炭处理土壤容重略有上升，其他年份各时期均表现为施用生物炭能在各时期降低土壤容重，以2017年移栽后30 d时生物炭降低土壤容重的效果最明显。

表2 长期定位连续施用生物炭后不同年份土壤容重比较Tab.2 The comparison of the soil bulk density in different years after long-term located continuous application of biochar g/cm3

2.3 施用生物炭对土壤孔隙度的影响

由表3可以看出，移栽后30 d，2015年时施用生物炭后比对照土壤孔隙度降低3.113个百分点，差异未达到显著水平。2016，2017年时施用生物炭后比对照土壤孔隙度升高5.140～5.537个百分点，其中以2017年T处理土壤孔隙度与对照差异显著；移栽后60 d，3年施用生物炭后均比对照土壤孔隙度升高1.147～4.146个百分点，但差异均不显著；移栽后90 d，也表现为3年施用生物炭后均比对照土壤孔隙度升高0.500～3.647个百分点，差异均未达到显著水平。综合来看，连续施用生物炭主要能提高2017年移栽后30 d时土壤孔隙度。

表3 长期定位连续施用生物炭后不同年份土壤孔隙度比较Tab.3 The comparison of the soil porosity in different years after long-term located continuous application of biochar

2.4 施用生物炭对土壤固相比、液相比及气相比的影响

2.4.1 施用生物炭对土壤固相比的影响 由表4可以看出，移栽后30 d，只有2015年T处理移栽后30 d土壤固相比与对照比较略有升高，升高1.910个百分点，而2016-2017年时T处理移栽后30 d土壤固相比均低于对照，降低5.140～5.537个百分点，其中2017年T处理移栽后30 d土壤固相比与对照差异显著；移栽后60～90 d，各年份均表现为施用生物炭能降低耕层土壤与对照比较固相比下降，降低0.500～4.147个百分点，但差异均未达到显著水平。综合来看，连续施用生物炭主要能降低2017年移栽后30 d时土壤固相比。

表4 长期定位连续施用生物炭后不同年份土壤固相比比较Tab.4 The comparison of the ratio of solid phase of soil in different years after long-term located continuous application of biochar

2.4.2 施用生物炭对土壤液相比的影响 由表5可以看出，移栽后30 d，2015年时T处理土壤液相比极显著高于对照组，升高7.047个百分点，而2016-2017年时T处理土壤液相比均略低于对照，降低4.090～4.603个百分点，但差异不显著；移栽后60 d，2015年时T处理土壤液相比与对照比较升高了3.843个百分点，且差异极显著，而2016-2017年时T处理土壤液相比均略低于对照，降低1.187～1.343个百分点，但差异不显著；移栽后90 d，2015年时T处理土壤液相比极显著高于对照组，升高3.863个百分点，而2016-2017年时T处理土壤液相比均低于对照，降低1.077～1.170个百分点，差异也不显著；综合来看，连续施用生物炭主要能提高2015年时烤烟各生育期的土壤液相比，但对2016-2017年时烤烟各生育期的土壤液相比影响较小。

表5 长期定位连续施用生物炭后不同年份土壤液相比比较Tab.5 The comparison of the ratio of liquid phase of soil in different years after long-term located continuous application of biochar

2.4.3 施用生物炭对土壤气相比的影响 由表6可以看出，移栽后30 d，2015年T处理与对照比较土壤气相比极显著降低，降低8.863个百分点，而2016-2017年时T处理土壤气相比均高于对照，升高9.627～9.743个百分点，但差异不显著；移栽后60 d，与对照比较T处理土壤气相比在2015年降低2.700个百分点，而在2016-2017年升高3.460～5.330个百分点，3年中T处理与对照差异均未达到显著水平。移栽后90 d，与对照比较T处理土壤气相比在2015年降低2.210个百分点，而在2016-2017年升高1.673～4.713个百分点，但3年中T处理与对照差异也不显著。综合来看，连续施用生物炭主要降低了2015年时烤烟移栽后30 d时土壤气相比，但对2016-2017年时烤烟各生育期的土壤气相比影响较小。

表6 长期定位连续施用生物炭后不同年份土壤气相比比较Tab.6 The comparison of the ratio of gas phase of soil in different years after long-term located continuous application of biochar

表7 不同年份土壤物理性状主成分分析各轴特征值及解释量Tab.7 The eigenvalue and proportion explained of each shaft of the principal component analysis of soil physical properties in different years

2.4.4 不同年份土壤物理性状的主成分分析 为了明确长期定位施用生物炭后的土壤与对照组土壤物理性状的差异水平，笔者对不同年份各时期土壤物理性状各参数进行了主成分分析，不同年份主成分分析结果如表7及图1所示。2015年第1轴对各时期土壤物理性状各参数的解释量为67.20%，第2轴对各时期土壤物理性状各参数的解释量为22.46%，二者累计达89.66%。2016年第1轴对各时期土壤物理性状各参数的解释量为51.23%，第2轴对各时期土壤物理性状各参数的解释量为31.43%，二者累计达82.66%。2017年第1轴对各时期土壤物理性状各参数的解释量为72.12%，第2轴对各时期土壤物理性状各参数的解释量为21.48%，二者累计达93.60%。另外，从不同年份的主成分分析结果图来看，施用生物炭后，耕层土壤物理性状与对照组差异较大。

图1 2015年(A)、2016年(B)及2017年(C)土壤物理性状各参数主成分分析结果Fig.1 The result of the principal component analysis of the index of soil physical properties in 2015(A)，2016(B)，and 2017(C)

3 讨论与结论

土壤物理性状对于作物的生长发育及产质量的形成关系密切[17-18]。陈懿等[19]研究发现，植烟土壤中施用生物炭后能提高烤烟各生育期土壤含水率，并能增加土壤孔隙度。本研究发现，在3年连续施用生物炭的情况下，2015年时烤烟生育各时期土壤含水率均不同程度提高，而在2016及2017年时与对照比较其土壤含水率或高或低。这种不同年份土壤含水率的差异可能与不同年份的气候因素相关，总体上来看，施用生物炭能促进烤烟生育前期土壤含水率的提高，能够满足烤烟团棵-旺长期间对水分需求较多的这一特性。陈延华等[20]研究发现，施用生物炭后能使耕层土壤的含水率提高3.36～9.52个百分点。本研究发现，在2015年施用生物炭可使土壤含水率提高3.243～3.983个百分点。

陈超等[21]通过盆栽试验发现施用5%的生物炭后显著降低了土壤容重。战秀梅等[22]通过4年的田间微区定位试验研究发现，连续施用生物炭4年后的土壤容重、孔隙度与施用猪厩肥的处理差异不显著。本研究发现，连续施用3年生物炭后，从土壤容重来看，除了2015年移栽后30 d施用生物炭处理土壤容重略有上升，其他年份均表现为施用生物炭能在各时期降低土壤容重，且以2017年移栽后30 d时生物炭降低土壤容重的效果最明显；从土壤孔隙度来看，2015年移栽后30 d施用生物炭处理土壤孔隙度略有降低，随后又逐渐升高，其他年份均表现为施用生物炭能在各时期提高耕层土壤孔隙度，且连续施用生物炭主要能显著提高2017年移栽后30 d时土壤孔隙度。本研究与战秀梅等[22]研究结果的差异可能是由于与前者对照处理并不相同，前者为施用猪厩肥+常规肥料而本研究对照仅施用常规肥料。同样的结果也在潘金华等[23]、王梅勋等[24]、袁金华等[25]报道中指出，生物炭能降低土壤的容重，提高土壤的孔隙度等，改善土壤的物理性状。另外，安艳等[26]研究表明，土壤孔隙度的增加可能是由于施用生物炭后提高了耕层土壤0.25～0.50 mm团聚体的数量导致的。靳泽文等[27]研究发现，旱地红壤的土壤容重随着生物炭的用量增加而降低。笔者前期的研究也发现了相同的规律，且得到了在湘西黄灰土改良中生物炭的适宜用量为3 750 kg/hm2[28]。不同地区土壤类型、土壤理化性状以及生物炭类型和制备工艺差异可能是造成各地适宜生物炭用量不同的主要原因之一。

李玉梅等[11]研究发现，土壤中添施生物炭后土壤固相比降低21.2%，而气相和液相比分别增加了29.8，15.3个百分点。陈懿等[29]研究也表明，施用生物炭能提高土壤气相比，且与生物炭用量正相关。江福英等[30]也发现，在茶园土壤中添加生物炭后土壤的液相比提高。本研究发现施用生物炭后，2015年移栽后30 d土壤固相比升高，其他年份均表现为土壤固相比降低，2015年土壤液相比升高、气相比降低，其他年份均土壤液相比降低、气相比升高。这种差异可能是由于连续3年施用生物炭与前者仅单施一年生物炭以及栽培作物的不同所造成的。另外本研究利用R软件对长期定位连续施用生物炭后，不同年份各时期土壤物理性状各参数进行了主成分分析。结果也表明施用生物炭后的土壤物理性状与对照组差异较大，同样也说明连续施用生物炭后对耕层土壤的物理性状影响较大。

综合来看，连续施用生物炭能明显影响土壤的物理性状，有利于土壤物理性状的改善。连续施用生物炭当年内对土壤含水率提高作用明显，但随着连作年限增加其影响也减弱；连续施用生物炭能影响土壤容重、固相比和孔隙度，以2017年移栽后30 d时生物炭降低土壤容重、土壤固相比和提高土壤孔隙度的效果最明显；连续施用生物炭主要增加了2015年各时期土壤液相比，并降低了2015年时烤烟移栽后30 d时土壤气相比，但对2016-2017年时烤烟各生育期的土壤气相比影响较小。

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