植烟土壤物理特性及碳库对不同粒径生物质炭的动态响应

李佳轶 ，刘 文 ，任天宝 ，李亚森 ，王省伟 ，刘英杰 ，殷全玉 ，樊鹏飞 ，刘国顺 *

（1．河南农业大学烟草学院/国家烟草栽培生理生化研究基地，河南 郑州 450002；2．河南省烟草公司郑州市公司，河南 郑州 450002；3．河南省生物炭工程技术中心/生物炭技术河南省工程实验室，河南 郑州 450002）

土壤碳库是全球碳循环的重要组成部分，据统计，全球陆地土壤碳库碳储量约为1 500 Pg（以C计），占陆地生态系统总碳储量的67%［1-2］。土壤碳库储量是衡量土壤肥力的重要指标，土壤有机碳是影响土壤肥力和作物产量高低的决定性因子，也是土壤中较为活跃的土壤组分，维持着土壤与大气之间的碳素平衡，并可保持农业生态系统的长期可持续发展［3］。增加土壤有机碳对于提高土壤碳汇能力、保障粮食安全及延缓全球气候变暖具有重要意义［4-5］。土壤碳库变化主要发生在活性碳库中，土壤有机碳中的活性组分是指土壤中稳定性差、周转速率快、易矿化分解，在土壤中移动快、易受植物和土壤微生物影响、活性较高的那部分有机碳［3，6］。土壤活性有机碳占土壤总有机碳的比例虽小，但其可以灵敏地反应土壤碳库的微小变化，可作为土壤有机碳有效性和土壤质量的早期指标［3］。因此，研究土壤活性有机碳对了解土壤碳库变化和土壤固碳减排有重要意义。

生物炭是生物质（如农业废弃物、林业废弃物和工业废弃物等）在250～700℃无氧或限氧条件下，热解炭化而成的一类孔隙结构发达、含碳量高、比表面积大、吸附性能较强和抗分解能力极强的高度芳香化的含碳物质［7-10］。目前，生物炭作为一种土壤改良剂受到了学术界的广泛关注。在农业纵深领域，围绕生物炭在土壤、作物和环境系统中的作用与机理问题，各国研究者进行了诸多探索，初步证实了生物炭在改善土壤结构与理化性质，提高作物产量，治理环境污染以及增加“农业碳汇”，减少温室气体排放等方面具有的重要作用［11-15］。同时，也有一些研究报道显示，生物炭在土壤改良方面作用效果不显著，甚至存在负面效应［16-18］。生物炭对土体的改良效果易受多种因素的影响，与其应用土壤固有的特征和生物炭本身特性有关，生物炭粒径也是其中一个重要的影响因素。前人研究多着眼于生物炭类型［19］、裂解温度［20］或生物炭施用量［21］等的土壤改良效果，关于生物炭粒径对土壤的影响的研究还鲜见报道。本研究以植烟土壤为对象，通过向土壤中添加不同粒径的生物炭，来探究生物炭粒径对土壤物理特性和土壤碳库的影响，以期为生物炭的土壤改良效应提供数据支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为砂壤土，取自河南农业大学许昌校区现代烟草农业科技园区试验田（34°13′N，113°80′E）0～30 cm土层，土样经风干后过1 cm孔径筛。供试土壤基础肥力见表1。

供试生物炭为花生壳炭，由河南省生物炭工程技术中心提供；在400℃密封低氧条件下连续炭化制成，经Mastersizer 2000激光粒度仪检测，供试生物炭：500～2 000 μ m的颗粒组成占47.79%，250～ 500 μ m的 颗 粒 组 成 占20.96%，20～250 μ m的颗粒组成占25.47%，＜20 μ m的颗粒组成占5.78%；一部分使用LZQS-400超微粉碎机进行超微粉碎处理制得粒径（100%）＜20 μ m生物炭；一部分生物炭经干燥处理后依次用0.250 mm和0.500 mm孔径标准检验筛进行筛分，制得粒径在20 ～ 250、250 ～ 500、500～ 2 000 μ m 的生物炭。各粒径生物炭具体性质见表2。

表1 供试土壤基础肥力

表2 供试生物炭理化性质

1.2 试验设计

采用盆栽试验，供试烤烟品种为K326；试验设5个处理，各处理10盆，3次重复，分别为CK（常规施肥），T1（CK+500～ 2 000 μ m生物炭 100 g/盆），T2（CK+250 ～ 500 μ m 生物炭 100 g/盆），T3（CK+20 ～ 250 μ m 生物炭 100 g/盆），T4（CK+＜20 μ m 生物炭 100 g/盆）。盆大小（外口径×高×底径）为38.5 cm×39.5 cm×27 cm，每盆装土20 kg，每盆施氮（N）5 g，氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）比例为1∶1.5∶3，移栽前将生物炭、肥料与土壤均匀混入盆中。室外自然条件下将盆栽按120 cm×50 cm的行株距置于垄上，并于2017年5月9日完成移栽，移栽后7 d进入团棵期；30 d后进入旺长期，65 d后开始采烤下部叶，于9月7日上部叶采烤结束。移栽后人工补水方式采用插管滴灌，以防止土壤板结。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 样品采集

土壤、肥料、生物炭混匀后即取样测定容重、田间持水量；此后从烤烟移栽后30 d开始取样，每15 d取一次样，直至移栽后90 d结束。每次采集同处理3个盆栽0～20 cm土壤并装入同一自封袋，土壤样品带回实验室后除去动物、植物凋落物及根系后充分混匀。一部分土样立即过筛后，测定土壤含水量、土壤微生物量碳（MBC）等；另一部分土样风干过筛后测定团聚体、土壤有机碳（SOC）、可溶性有机碳（DOC）、易氧化有机碳（ROC）等指标。

1.3.2 测定方法

土壤容重采用环刀法测定［22］。

田间持水量测定参考威尔科克斯法进行［23］：选取2个100 cm3环刀，每次测量两个环刀放入相同土样，分别记作上环刀与下环刀。上环刀放入水面略低于环刀上缘的水盆中饱和24 h后，取下上环刀底盖放置滤纸后与下环刀对接，并用橡皮圈固定。排水8 h后称上环刀质量。计算前后2次质量差，得出土样田间持水量。

土壤团粒结构采用湿筛法：称取移栽后90 d风干土50 g，蒸馏水浸润20 min，然后将土样依次通过2、1、0.5、0.25 mm的土筛，然后启动团聚体分析仪，转速设置为20 r/min，工作20 min后关机并冲洗收集留在每个筛子上面的土壤，分析仪中水土悬浊液过0.106 mm筛，将筛上土样淋洗入铝盒，在50℃下烘干，称重。

土壤SOC含量用全自动C、N元素分析仪（Vario MAX CN，德国）测定；土壤MBC采用氯仿熏蒸浸提法［24］，土壤MBC含量（Bc）=Ec/Kc，Ec为未熏蒸与熏蒸土壤的浸取有机碳的差值，Kc为转换系数，取值0.38；土壤ROC采用333 mmol/L KMnO4氧化法；土壤DOC采用水提取过滤的方法［25］。

以对照土壤作为参考土壤，活性有机碳含量取全时期平均值；碳库管理指数的计算公式［26］：

碳库指数（CPI）=样品总有机碳含量/参考处理土壤总有机碳含量；

碳库活度（A）=活性有机碳含量/非活性有机碳含量；

碳库活度指数（AI）=样品碳库活度/参考土壤碳库活度；

碳库管理指数（CPMI）=碳库指数（CPI）×碳库活度指数（AI）×100；

活性有机碳有效率（ER）=活性有机碳含量/土壤总有机碳含量；

活性有机碳氧化稳定系数（Kos）=非活性有机碳含量/活性有机碳含量。

1.4 数据处理与分析

数据处理和统计分析采用 SPSS 23.0 和 Excel 2016软件进行。

2 结果与分析

2.1 土壤物理特性对生物炭粒径的动态响应

2.1.1 土壤容重对生物炭粒径的动态响应

如图1所示，各处理土壤容重整体表现为先增加后趋于平稳的趋势；土壤容重随时间增加是因为灌溉及自身重力作用，土壤结构逐渐沉实紧密；而土壤质地决定了土壤容重的上限，所以后期趋于稳定。添加不同粒径生物炭后，整个生育期除45 d的T1外，各个时期各生物炭粒径处理均较CK有不同幅度降低（1.23%～4.13%），T1较CK仅在60 d达到显著性差异（P＜0.05），T4降幅最大，在各个时期为最低值且较CK存在显著性差异（P＜0.05），与其余处理间差异性不一致；各处理容重平均值及容重降低幅度均表现为 T4＜T3＜T2＜T1＜CK。说明增施生物炭能降低土壤容重，而生物炭的粒径越小越有利于降低土壤容重；而土壤容重降低幅度与生物炭的施用量有密切关系，各处理间差异性不一致很大可能是由于本试验选择了低剂量（0.5%）的生物炭施用量。

图1 不同处理土壤容重的动态变化

2.1.2 田间持水量对生物炭粒径的动态响应

土壤田间持水量反映了土壤的持水能力，是表现土壤结构稳定性的重要参数之一。如图2所示，各处理田间持水量在整个生育期呈现缓慢降低的趋势，均在75 d达到最低值；其中施入生物炭的处理较CK均提高了土壤田间持水量（4.7%～7.2%），且均达到显著性水平（P＜0.05）；不同粒径处理的田间持水量的提高幅度有差异，表现为T4＞T3＞T2＞T1；T2、T3、T4处 理 较T1在30 d达 显 著 性 差 异（P＜0.05），其余时期处理间差异性不一致，但3个小粒径处理间无显著性差异，且T4处理始终处于最大值。说明增施生物炭能显著提高土壤田间持水量，而生物炭粒径越小越有利于提高土壤田间持水量。

图2 不同处理田间持水量的动态变化

2.1.3 生物炭粒径对土壤水稳性团聚体的影响

土壤水稳性团聚体能够反映土壤结构保持和养分供应能力。由表3可以看出，CK处理土壤的团粒结构均以微团聚体为主，CK、T1至T4处理＜0.25 mm团聚体含量分别为60.52%、59.14%、58.18%、58.48%、55.91%。施生物炭处理均显著提高了团聚体平均重量直径（MWD）；T4处理显著提高了＞2 mm团聚体含量（P＜0.05）；MWD也以T4最大，显著高于CK和T1处理，T2、T3、T4处理间无显著差异，T4相对于其他处理WMD分别提高了12.05%、6.9%、2.2%、2.2%，这说明T4处理的团聚体最为稳定。

表3 不同处理水稳性团聚体含量

2.2 有机碳组分对不同粒径生物炭施用的动态响应

2.2.1 不同粒径生物炭施用对土壤总有机碳的影响

土壤总有机碳（TOC）含量是衡量土壤肥力水平的重要指标之一，生物炭施用对土壤TOC含量存在很大影响。如图3所示，各处理土壤TOC含量均随烤烟生育期的推进呈现缓慢降低的趋势，在烤烟生长季，土壤TOC含量变化范围为7.37～12.07 g/kg。生物炭的施用较常规施肥显著增加了（P＜0.05）土壤TOC含量，从整个烤烟生育期来看，各处理土壤TOC平均含量表现为T2（11.616 g/kg）＞T4（11.408 g/kg）＞T3（11.402 g/kg）＞T1（11.334 g/kg）＞CK（7.91 g/kg），生物炭处理相较于常规施肥土壤TOC含量增加了43.29%～46.85%。同时，方差分析结果显示，不同粒径生物炭处理之间土壤TOC含量并未呈现出显著性差异。可见，生物炭施用可显著增加土壤TOC含量，而生物炭粒径大小对土壤TOC含量并无显著影响。

图3 不同处理土壤总有机碳的动态变化

2.2.2 不同粒径生物炭施用对土壤微生物量碳的影响

土壤微生物量碳（MBC）是土壤有机碳的重要组成部分，也是土壤活性有机碳的重要指标，在土壤肥力和植物营养中具有重要的作用［27］。如图4所示，在整个烤烟生育期内，各处理土壤MBC含量具有相同的动态变化趋势，均随着时间的推进而增加，在烤烟旺长后期达到最大值。从整体来看，各处理土壤MBC含量表现为T1（161.57 mg/kg）＞CK（157.47 mg/kg）＞T2（156.76 mg/kg）＞T3（151.41 mg/kg）＞T4（146.11 mg/kg）。方差分析结果显示，不同烤烟生育期不同处理间土壤MBC含量具有显著差异。在移栽后60 d内，T1和T2处理土壤MBC含量相较于常规施肥有显著提高（P＜0.05），即常规粒径的生物炭施用在烤烟生长初期较常规施肥可显著增加土壤MBC含量（P＜0.05），而在移栽60 d后，生物炭处理土壤MBC含量均显著低于常规施肥处理（P＜0.05）。同时，不同粒径生物炭处理间土壤MBC含量也存在显著性差异。在烤烟移栽45 d后，不同粒径生物炭处理间土壤MBC含量均表现为T1＞T2＞T3＞T4，小粒径生物炭处理较常规粒径显著降低了土壤MBC含量。

图4 不同处理土壤微生物量碳的动态变化

2.2.3 不同粒径生物炭施用对土壤易氧化有机碳的影响

烤烟生长季土壤易氧化有机碳（ROC）含量动态变化如图5所示，随着烤烟的生长，各处理土壤ROC含量也呈现逐渐增加的趋势。在整个烤烟生育期内，土壤ROC含量变化范围为0.91～2.22 g/kg，各处理平均土壤ROC含量表现为T4（1.96 g/kg）＞T3（1.91 g/kg）＞T2（1.90 g/kg）＞T1（1.87 g/kg）＞CK（1.04 g/kg）。方差分析结果显示，生物炭处理土壤ROC含量较常规施肥显著增加了80.31%～89.58%（P＜0.05）。不同生育期不同粒径生物炭处理之间土壤ROC含量也存在显著性差异，在整个生育期内，T4处理土壤ROC含量较其他粒径生物炭处理显著增加2.67%～5.3%（P＜0.05）。在烤烟移栽30 d后，常规粒径生物炭处理土壤ROC含量均显著低于小粒径生物炭处理，而T2与T3处理间土壤ROC含量差异不显著（P＜0.05）。因此，生物炭施用可显著增加土壤ROC含量，且小粒径生物炭施用较常规粒径生物炭可显著增加土壤ROC含量，且随生物炭粒径的减小而增加。

图5 不同处理土壤易氧化有机碳的动态变化

2.2.4 不同粒径生物炭施用对土壤可溶性有机碳的影响

如图6所示，在烤烟生长季中，土壤可溶性有机碳（DOC）含量存在明显的季节格局，各处理动态变化均呈现先增加后降低的趋势。在烤烟生育期内，土壤DOC含量变化范围为99.87～371.27 mg/kg，各处理平均土壤DOC含量表现为T4（356.64 mg/kg）＞T3（304.88 mg/kg）＞T2（298.03 mg/kg）＞T1（279.89 mg/kg）＞CK（199.40 mg/kg）。不同处理间土壤DOC含量有显著差异，方差分析结果显示，生物炭施用处理土壤DOC含量较常规施肥处理显著增加，增加范围为40.37%～78.85%。同时，移栽30 d后，小粒径生物炭处理土壤DOC含量较常规粒径显著增加了6.48%～27.42%，且T4处理土壤DOC含量在各时期均显著高于其他生物炭处理。从中可知，生物炭施用显著增加了土壤DOC含量，且粒径越小，含量越高。

图6 不同处理土壤可溶性有机碳的动态变化

2.3 不同生物炭粒径对碳库管理指数的影响

土壤碳库管理指数（CPMI）能有效的监测土壤碳的动态变化，是评价施肥耕作对土壤质量影响的最好指标［28］。从表4可以看出，施入生物炭后，土壤CMPI显著增加（P＜0.05），表现为T4＞T3＞T2＞T1＞CK，以 T4 增幅最大，各处理分别较CK高71.57%、74.89%、77%、86.17%；施生物炭处理间，T4显著高于其余3个处理（P＜0.05）。活性有机碳（LOC）、碳库活度指数（AI）与CPMI变化趋势一致。这表明施加生物炭能显著提高土壤的CPMI，且生物炭粒径越小，对土壤CPMI的提升作用越大。

表4 不同处理对土壤碳库管理指数的影响

3 讨论

3.1 不同粒径生物炭对土壤理化特性的影响

土壤容重可以在一定程度上表现土壤的通透性，影响土壤养分的转化与利用，影响土壤中水、肥、气、热等因子的变化以及作物根系在土壤中的生长，是反映土壤结构情况和紧密程度的基本物理指标。一般而言，容重较小的土壤结构相对松散，透水透气性好；反之，土壤相对紧密，透水透气性差。所以，容重降低则表明土壤结构得到了改善。生物炭自身疏松多孔，容重小于土壤，施入土壤后能改善土壤结构。本试验研究表明施用生物炭均能降低土壤容重，且对土壤容重影响程度表现为T4＞T3＞T2＞T1，表明粒径越小的生物炭，越有利于土壤容重的降低，这可能是因为生物炭粒径越小，其比表面积、孔体积越大，越能提高土壤可利用空间，从而改善土壤结构。也有研究表明单施生物炭不一定能显著降低土壤容重，这与生物炭的施用量有密切关系。张明月［29］研究表明，当生物炭掺量体积比＞1/15时，土壤容重显著降低，而＜1/15时，随着生物炭施入量减小差异不显著。生物炭自身容重小，加入土壤后可降低土壤容重，但当生物炭添加量很小时，这种作用效果不明显［30］，这能解释为什么本试验各生物炭处理间差异不一致。若想进一步了解粒径对生物炭降低土壤容重的作用，还需提高不同粒径生物炭的施用量，进一步进行验证。

田间持水量是指土壤能够稳定保持的最高土壤含水量，它的数值反映了土壤保水能力的大小，常作为灌水定额的最高指标，对指导生产有重要意义，可作为土壤中对植物有效水的上限和计算灌溉水定额的依据［31］。由于生物炭的多孔特性和较大的表面能，使其可以吸附超过自身十倍重量的水分［32］。李金文等［30］研究发现，生物炭的粒径对土壤的物理化学特性具体一定影响，特别是对土壤的导水性和持水性。本试验中，添加生物炭均显著提高了田间持水量，而不同粒径处理对田间持水量的提升幅度表现为T4＞T3＞T2＞T1，表明粒径越小的生物炭越有利于提升土壤的持水能力。这是因为粒径越小的生物炭其比表面积越大、孔隙度越高，对水分的吸附能力自然就越强。在颜永豪等［33］的研究中发现，颗粒组成中＜20 μ m占比更高的苹果树枝生物炭（13.71%）比锯末生物炭（7.05%）具有更强的吸水能力，同体积苹果树枝生物炭吸水能力是锯末生物炭的2.98倍。Lehmann等［34］也发现，当生物炭的粒径大于土壤的主要粒径，则生物炭的多孔性会增加土壤孔隙的连通性和孔隙率，从而降低土壤的持水能力。提高土体导水率及入渗能力；反之，若生物炭的粒径小于土壤的主要粒径，则添加的生物炭会填充到土壤颗粒的粒间孔隙中，通过自身的高比表面积和大量微孔，提高对土壤颗粒间水分的束缚作用，从而提高土壤的持水能力，降低土壤导水率和入渗能力；这与本试验研究结果相一致。此外，Suliman等［35］通过XPS和Boehm滴定法测定氧化和未氧化生物炭表面成分，对比加入生物炭前后土壤的田间持水量，试验结果表明，生物炭表面的酸性官能团（如羧基、羟基）总量和土体的持水能力呈正相关关系。

土壤团聚体作为土壤结构的基本单位，其稳定性直接影响土壤表层的水、土界面行为，影响土壤的水肥气热状况［36］。通常用＞0.25 mm水稳定性团聚体的数量来判断土壤结构的好坏，其含量越高，表明土壤结构越好［37］。本试验中，各处理＞0.25 mm团聚体含量介于39.48%～44.09%，施生物炭处理均显著提高了团聚体平均重量直径（WMD），以微米级生物炭（T4）最高，说明其结构稳定性最好。这可能是因为生物炭本身作为胶结物质能将较小粒级的团聚体胶结成大团聚体，且其表面具有的特殊理化性质（CEC、巨大比表面积等）如同土壤黏粒一样吸附微生物，促进团聚体形成［38］；而粒径越小的生物炭，因为其比表面积、孔体积越大，这种吸附能力越强，所以促成团聚体形成的能力就越强。也有研究发现生物炭对大团聚体的结合能力并不显著。叶丽丽等［39］发现生物炭由于自身分解能力小，在施入土壤初期并不能产生足够多的团聚体胶结黏液，因此对大团聚体的结合能力并不显著；而本试验的小粒径生物炭处理特别是微米级生物炭（T4）正是通过物理方式加速了生物炭的自身分解；并且生物炭本身就可以作为土壤的胶结物质，同等质量的生物炭粒径越小，这种胶结颗粒就越多，自然对土壤大团聚体的形成能力就越强。因此，生物炭粒径越小，越能提高土壤大团聚体含量，改善土壤结构。

3.2 不同粒径生物炭对土壤活性有机碳组分的影响

生物炭作为一种含碳丰富的有机物料，施用于土壤可以直接提高土壤有机碳含量，有效改善土壤理化特性和养分状况，改良土壤微生态环境，促进作物生长进而提高作物初级生产力［9，13］。本研究结果表明，生物炭施用可显著提高土壤TOC含量，生物炭处理土壤TOC增幅达到了43.29%～46.85%，这与尚杰等［6］、韩玮等［25］和黎嘉成等［27］研究结果相似。这一方面是因为该供试土壤本身含碳量较低（7.98 g/kg），而生物炭含碳量丰富（39.98%～41.47%），生物炭作为外源碳直接增加了土壤TOC［40-42］。另一方面，生物炭通过改善土壤环境促进了烤烟的生长及光合作用同化产物的运输，进而增加光合碳在烤烟植株根部的分配［37］。本研究也表明，生物炭粒径不同对土壤TOC含量并不存在显著影响，这可能是由于生物炭虽然粒径不同，但其含碳物质组成比例并无差异［27］，再加上生物炭本身的高稳定性，在土壤中分解较慢，所以造成短期内土壤TOC含量并未发生显著变化。

在本试验中，土壤MBC含量随烤烟的生长呈逐渐增加的趋势，与王梦雅等［41］研究结果相似，这主要是由于烤烟根系的生长造成根系分泌物和微生物数量的不断增加，进而促进了土壤有机碳的矿化。其次，不同时期各处理土壤MBC含量差异显著，在烤烟生长初期，生物炭的施用明显增加了土壤MBC含量，但随着时间的推移，生物炭处理土壤MBC含量显著低于常规施肥处理。这是因为生物炭本身含有的易分解有机碳在投入土壤初期可以为土壤微生物生长直接提供碳源和营养物质，促进其繁殖。但随着时间的推移，生物炭中的有效碳持续减少，再加上生物炭本身具有的强吸附作用及其含有的多环芳烃等有毒物质，会对微生物生长产生抑制作用，进而造成土壤MBC含量的降低，这与罗梅等［3］、叶协锋等［42］和 Dempster等［43］研究结果相似。同时，生物炭粒径越小，土壤MBC含量越低。生物炭疏松多孔的性质为微生物提供了附着条件，能显著促进土壤中有益微生物繁殖及活性，最佳附着孔径约是微生物自身大小的2～5倍，但对于较大或较小的孔径，附着力都可能减小［44-47］。小粒径生物炭与常规粒径的生物炭由于比表面积和孔径的差异，这种差异可能形成了不益于微生物生长的环境，对微生物繁殖形成一定抑制作用，进而导致土壤MBC含量的降低。所以，关于生物炭粒径对土壤MBC的影响还需进一步研究。

土壤ROC主要来源于作物根系、地上部分残体归还、土壤中死亡微生物体内物质释放及土壤原有机碳活化等，其含量不仅是反映农业管理措施对土壤质量影响的敏感指标，同时也是评价土壤潜在生产力的重要指标［27］。本试验中，土壤ROC含量随季节变化呈上升趋势，生物炭的施用显著增加了土壤ROC含量，这主要是因为生物炭的添加可有效促进烤烟生长，提高作物生物量，尤其是根系生物量，导致土壤新鲜有机碳的输入量增加，从而增加了土壤ROC含量［3］，这与王梦雅等［41］研究结果相似。同时，本研究结果表明，小粒径生物炭处理较常规粒径处理土壤ROC含量显著增加，且粒径越小，含量越高。也有研究发现连施3年生物炭较初施生物炭土壤易氧化态碳含量提高了8.0%～12.6%［48］，本试验微米级生物炭T4较常规粒径生物炭易氧化碳含量提高了5.3%，这表明在微米级生物炭可以加快生物炭向土壤易氧化态的转化进程。这可能是因为小粒径的生物炭比表面积和孔径更大，更能够与土壤颗粒形成一定的微小团粒结构，形成大量细小的封闭空隙，提高了土体的导水性和持水能力，更能改善土壤微生态，在一定程度上活跃了土壤碳库。

土壤DOC是土壤碳库中活性较高的组分，是土壤微生物分解转化有机物料的重要能源与碳源，其中10%～40%的组分能够直接被微生物分解利用［3，27］。本试验结果表明，在烤烟生长期，土壤DOC含量呈先增加后降低的趋势，在烤烟旺长期达到最大值，且生物炭施用可显著提高土壤DOC含量。土壤可溶性有机物受作物根系发育和微生物活性的强烈影响，一方面生物炭的施用显著促进了作物根系生长，增加了烤烟根系分泌物；另一方面根系分泌物可以为土壤直接提供大量可溶性有机碳，同时为根际微生物提供了大量碳源，促进了微生物的繁殖，进而促进了微生物对土壤有机碳的分解［3］。其次，小粒径生物炭较常规粒径生物炭显著增加了土壤DOC含量，且粒径越小，效果越明显。这可能是因为小粒径生物炭处理下微生物量碳含量较低，微生物活性较弱，只有一小部分有机碳被转化为微生物量碳，剩余大部分被留存为可溶性碳［3］；同时小粒径生物炭与土壤形成的微小团粒结构更好地改变了土壤理化性质，促进了植物根系生长和根系分泌物的增加，进而提高了土壤DOC含量。

3.3 不同粒径生物炭对土壤碳库管理指数的影响

土壤碳库管理指数能较全面和动态的反映外界条件对土壤有机质的影响，一方面反映了外界条件对土壤有机质的影响，另一方面也反映了土壤有机质数量的变化。土壤碳库管理指数上升，表明施肥耕作对土壤有培肥作用，土壤向良性发展；反之，则表明施肥耕作使土壤肥力下降，土壤性质向不良方向发展［28］。本研究中，不同粒径生物炭均能显著提高土壤碳库管理指数，粒径越小，对碳库指数的提升幅度越大，这表明小粒径生物炭特别是微米级生物炭（T4）对植烟土壤的改良效果要优于常规粒径生物炭，这与小粒径生物炭更能提高土壤的易氧化态碳和水溶性碳有直接关系，但这种改良效益与加工粉碎生物炭的附加成本须进一步研究讨论。

4 结论

各粒径生物炭对土壤容重、田间持水量及土壤团粒结构具有一定的改良作用，生物炭粒径越小，这种改良效果越明显。不同粒径生物炭均能提高土壤TOC含量，但各生物炭处理间无显著差异；生物炭粒径越小，对土壤MBC表现出越强的抑制作用，但对土壤ROC、DOC的提升幅度越大；并且＜20 μ m微米级生物炭能显著提高土壤碳库管理指数，在土壤物理特性及土壤碳库上表现最优，这为提高生物炭改良土壤效率提供了一定参考。