生物炭输入对灌耕风沙土团聚体及养分含量的影响

张云舒，唐光木，葛春辉，蒲胜海，徐万里

(新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，新疆 乌鲁木齐 830091)

土壤团聚体是土壤结构的基本构成单元[1]，土壤颗粒之间通过团聚化作用形成团聚体，团聚体的结合状态就是土壤结构。团聚体是形成良好土壤结构的物质基础，能够综合反映土壤整体的肥力状况[2]。生物炭是指生物质在完全或部分缺氧的条件下经高温热解炭化产生的一类难熔的、高度芳香化的固态物质[3，4]。侯晓娜等[5]研究表明，不同有机物料处理对>2.0 mm团聚体含量影响较大，单施生物炭有利于0.053～0.25 mm粒级团聚体含量的增加；施用秸秆有利于0.50～2.0 mm团聚体含量的增加。史振鑫等[6]研究表明，与施用化肥相比，牛粪可促进土壤团聚体的组成和稳定，腐解后的牛粪不仅促进土壤中大团聚体的形成，还有利于改善土壤团聚体结构及其稳定性。于锐等[7]研究表明，有机肥、化肥混施有利于大团聚体的形成，促进形成良好的土壤结构。而杨天悦等[8]研究也表明牛粪添加农林废弃物，可以明显增加土壤中大团聚体的比例，从而改良土壤中团聚体的结构。

目前，大部分研究主要集中在施用有机肥对土壤团聚体的影响，而施用生物炭对土壤团聚体影响的研究较少，尤其是针对灌耕风沙土的尚鲜见报道，而且许多研究都是短期研究结果，缺乏生物炭长期定位的田间试验。因此，本研究基于课题组于2010年开始的定位试验，以灌耕风沙土为供试土壤，研究生物炭施用6年后对灌耕风沙土团聚体及土壤养分的影响，以期为生物炭农用提供理论参考和技术资料。

1 材料与方法

1.1 试验区概况及材料

田间微区定位试验在新疆和田地区农技推广中心下属农科所进行。该区属于暖温带极端干旱荒漠气候，年均气温12.5℃，年均降水量为36.4 mm，年均蒸发量为2 618 mm。试验于2010年整地，2011年春季开始，微区面积2 m2。土壤质地为风沙土，砂粒、粉粒和粘粒含量分别为39.06%、54.00%和6.94%。试验前0～20 cm土层土壤基本理化性状：pH值8.28，有机质含量13.49 g/kg，全氮0.76 g/kg，速效氮58.2 mg/kg，速效磷8.3 mg/kg，速效钾134 mg/kg，阳离子交换量(CEC)2.08 cmol/kg。生物炭为从河南三利新能源有限公司购买的小麦秸秆炭，特性如下：pH值8.28，有机碳670 g/kg，速效磷82.2 mg/kg，速效钾1 590 mg/kg。

1.2 试验设计

按照耕层(0～20 cm)土壤质量2 250 t/hm2计算,试验以不施生物炭为对照，设3个生物炭用量处理:67.5 t/hm2(3%BC)、112.5 t/hm2(5%BC)、225.0 t/hm2(10%BC)。每处理化肥投入量相同，生物炭为定位试验开始前一次施入，试验开始后不再施入。

1.3 样品采集与方法

于2016年作物采收后，将每个微区分成三块区域，每块区域采用5点法采集耕层0～20 cm土壤样品，混合均匀并仔细剔除植物残体及其他杂物，土壤放置实验室通风处阴干过筛，测定其理化指标。

1.3.1 土壤团聚体的分级 将采集的原状土自然风干，当土壤含水量达到土壤塑限时，用手轻轻地把大土块沿着自然结构掰成不同大小的土壤团聚体，然后在室温条件下继续风干。

土壤团聚体颗粒的分离采用湿筛法。具体方法：称取处理好的土壤样品约10 g放置于铝盒中，从边缘慢慢地加水，使土壤吸水回湿，然后置于冰箱冷藏室中平衡过夜，将回湿后的土壤置于0.25 mm和0.053 mm孔径的套筛上，同时加蒸馏水淹没0.25 mm孔径的筛，浸泡5 min，然后竖直上下振荡5 min，留在0.25 mm筛上的是>0.25 mm的水稳性团聚体，0.053 mm筛上是0.053～0.25 mm的微团聚体，通过0.053 mm筛的是<0.053 mm的团聚体，将收集到的各级团聚体分别转移至铝盒里面，置于水浴锅上蒸干，放入60℃烘箱中烘干12 h，称重，计算各级团聚体的含量。

1.3.2 土壤基本理化性状测定方法 全氮采用凯氏定氮法；有机质采用重铬酸钾氧化—外加热法；碱解氮采用碱解扩散法；速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法；速效钾采用1 mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法；CEC采用乙酸钠—火焰光度法。

1.4 数据处理及统计分析

采用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05软件对数据进行整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭输入对灌耕风沙土团聚体分布的影响

从表1各级团聚体总体分布来看，各处理<0.053 mm粒级团聚体含量最高，>0.25 mm的含量最低。与对照相比，各处理>0.25 mm的粒级水稳性团聚体略有增加但无显著差异，表明施用生物炭对>0.25 mm水稳性团聚体含量影响不显著。

对于0.053～0.25 mm粒级团聚体含量，以对照最高(25.38%)，其次为10%BC处理(24.54%)，最低为5%BC处理(21.08%)。与对照相比，10%BC和5%BC处理的含量分别降低了3.31%和16.94%， 3%BC处理则降低了11.58%。因此，施用生物炭不利于该粒级团聚体的形成。

对于<0.053 mm粒级团聚体含量，5%BC处理的含量最高(72.88%)，与对照相比差异达到显著水平，其次为3%BC 处理(69.59%)，最低为10%BC(68.88%)，分别增加7.32%、2.47%和1.43%。因此，生物炭可促进灌耕风沙土中<0.053 mm粒级团聚体含量的增加。

表1 不同处理土壤团聚体分布

注：同列数据后不同小写字母表示5%水平差异显著。下同。

2.2 生物炭输入对灌耕风沙土土壤全量养分的影响

从表2可以看出，经过6年的定位试验，不同处理间灌耕风沙土土壤有机质、全氮及CEC含量发生显著变化。与对照相比，施用生物炭可以显著增加土壤有机质、全氮及CEC的含量，增加幅度分别为33.6%～93.0%、3.5%～22.4%、12.7%～25.3%，各指标均以高量生物炭处理(10%BC)最高。

表2 不同处理土壤全量养分含量变化

2.3 生物炭输入对灌耕风沙土土壤速效养分的影响

从表3可以看出，经过6年的定位试验，施用生物炭对灌耕风沙土土壤速效氮、速效磷含量影响不明显，但可以显著增加土壤速效钾含量，比对照增加6.9%～14.1%，其中以高量生物炭处理(10%BC)的含量最高。

表3 不同处理土壤速效养分含量变化 (mg/kg)

3 讨论与结论

灌耕风沙土是人为耕种形成的一类土壤，养分贫瘠，有机质含量低，保水保肥性能差，是新疆主要的低产土壤之一。寻求有效的土壤改良方式，改善其理化性质，培肥土壤，对该区域作物产量和农业可持续发展具有重要作用。而生物炭具有快速增加土壤有机质含量，改善土壤理化性状，降低肥料损失等特点[9，10]。葛春辉等[11]研究结果显示，生物炭施入沙质土壤后，对土壤水稳性团聚体无明显影响。本研究结果与此结论基本一致，经过6年的定位试验，生物炭施入灌耕风沙土后，对>0.25 mm水稳性团聚体含量影响不明显，可促进土壤中<0.053 mm粒级团聚体含量增加。这可能与土壤类型有关，试验土壤为灌耕风沙壤土，土壤粘粒含量比较低，不利于>0.25 mm水稳性团聚体的形成。

本研究表明，施用生物炭可以显著增加灌耕风沙土土壤有机质、全氮及CEC的含量，且随着生物炭施用量的增加，三者含量也随之提高。主要因为生物炭具有较多的官能团和较强的吸附能力，可以吸附硝酸盐、铵盐及其他水溶性盐离子，增加土壤CEC含量，降低土壤养分的淋溶损失。张晗芝等[12]通过盆栽试验显示，土壤中的有机碳含量随着生物炭施用量的增加逐渐增加，与本研究结果相一致。生物炭施入土壤后有机质含量增加，可能是因为生物炭能吸附土壤中的有机分子，通过表面催化活性促进小的有机分子聚合成土壤有机质。

灌耕风沙土施入生物炭增加土壤速效钾含量。可能是因为生物炭本身含有较高浓度的可供植物吸收利用的钾元素。Xu等[15]研究表明，随着小麦秸秆生物炭施入量增加，碱性土壤对磷的吸附能力变小，磷的有效性增加。本研究结果与之相反，可能是由于在石灰性土壤中施入生物炭后，土壤对磷的吸附能力也随之增加，降低了磷的有效性[16]。生物炭影响土壤磷有效性的主要机制仍然不明确。

综上所述，经过6年的定位试验，灌耕风沙土施入生物炭对>0.25 mm水稳性团聚体影响不明显，不利于0.053～0.25mm粒级团聚体的形成，可促进<0.053 mm粒级团聚体含量的增加。与对照相比，灌耕风沙土施入生物炭可以显著增加土壤有机质、全氮、CEC及速效钾含量，其中以高量生物炭处理(10%BC)增加最多，分别增加93.0%、25.3%、22.3%、14.1%；灌耕风沙土施入生物炭对土壤速效氮、速效磷含量影响不明显。