不同的生物炭施用量和施用年限对土壤结构性指标的影响

吴 昱，赵雨森，刘 慧

(1.东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2. 黑龙江农垦勘测设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150090；3.东北农业大学 理学院，黑龙江 哈尔滨 150030)

东北黑土地是世界上仅有的“四大黑土区”之一，黑土区土壤肥沃,富含有机质,腐殖质层深厚,养分含量高，团粒结构好，是中国重要的土壤资源。作为我国最重要的粮食主产区和商品粮供应基地[1]，维持东北地区农业稳定、保障中国粮食安全具有举足轻重的作用。然而自20世纪50年代，自然林草植被覆盖的东北黑土区被大规模开垦，多年的重用轻养，使黑土区土壤退化，自然肥力逐年呈现下降趋势[2-3]，严重影响了东北地区农业的可持续发展。

生物炭近几年在农业的应用引起广泛关注，是生物质原材料在缺氧条件下，高温(< 700 ℃)裂解而成的一种高度芳香化、富含碳素的固态产物[4]。研究显示，生物炭具有孔隙结构好、含碳量高、吸附性强等特性，使土壤具有高效的保水保肥性能。生物炭的施入能够改善土壤的形态结构，提高土壤持水能力和透水性，减少地表径流，减少水土流失[5]。提高土壤C/N、土壤pH值，增加土壤有机碳、有效磷和阳离子交换量等[6]，改善土壤养分的生物有效性。生物炭还能改变土壤微生物群落组成，增加土壤中微生物丰度[7]。除此之外，生物炭能够长期固碳，增加土壤对碳的吸收速率，降低碳排放量。因此，生物炭的合理利用能够有效地解决维护自然资源、节能减排等农业可持续发展问题。黑龙江省具有丰富的秸秆资源，但秸秆资源综合利用率低，尤其传统的秸秆焚烧严重污染大气，危害人类健康。将秸秆制成生物炭再还至土壤本身，提高黑土区秸秆综合利用率，实现循环农业目标，推进环境保护工作，有效解决黑龙江省资源和环境两大可持续发展的阻碍问题。

综上所述，开展生物炭对黑土区土地生产力影响的研究，可为黑土区农业水土资源高效利用与保护提供理论与技术支撑；同时，可为黑土区大量秸秆资源的绿色、高效、循环利用探索出一条新的途径。对黑土修复和生态环境改善，促进黑土区农业水土资源的永续利用和农业的可持续发展，保障国家粮食安全等方面具有十分重要的现实意义和深远的历史意义。

1 试验材料与方法

1.1 试区概况

试验在黑龙江省农垦北安分局红星农场试验基地(126°47′～127°15′E、48°02′～48°17′N，海拔高度298 m)进行，位于东北典型黑土带上，地势东高西低，研究区气候条件为寒温带大陆性季风气候，四季分明，全年平均降水量555.30 mm，其中70%～80%集中在7—9月[8]。耕地多为丘陵漫岗，耕层土壤以黑土为主，土质肥沃，宜于耕作，并有利于农作物生长[8]。但土壤结构不均匀，表层松散，底土黏重，透水性和通透性较差。耕地植被以玉米、大豆为主，由于气候条件等的影响，春季干旱时有发生，再加上降水集中且历时短、强度大，使得该地区坡耕地水土流失严重，土地生产力下降[8]。

1.2 试验设计

试验在径流小区内进行，小区规格为20 m×5 m，坡度为3°。共设置5个生物炭施用量水平，分别为：0(B0)、25 t/hm2(B25)、50 t/hm2(B50)、75 t/hm2(B75)和100 t/hm2(B100)，2次重复，共计10个小区。各小区均在2015—2017年连续三年施用等量生物炭，用以探索不同生物炭施用量及施用年限对坡耕地土地生产力的影响。为观测土壤含水率动态及降雨径流过程，各小区于试验前预先埋设TDR管，埋深1.8 m，在小区末端设有径流自记系统和泥沙收集系统，自动记录后的径流由排水沟排出。每两个小区间隔1 m，为了防止侧渗的影响，各小区边界用埋深1 m的PVC板隔开[8]。供试土壤为草甸黑土，其基本理化性质见表1。供试生物炭原料为玉米秸秆，购于辽宁金和福农业开发有限公司[8]，是将玉米秸秆在无氧条件下经过450 ℃高温裂解制备而成，其具体制备方法参见中国发明专利(ZL 200710086505.4)[9]，基本理化性质见表2。每年试验开始前将生物炭均匀铺撒在径流小区土壤表面，经人工翻地使其与耕层(0～20 cm)土壤混合均匀，起垄静置7 d左右播种[8]。供试作物为大豆，品种为黑河3号。

表1 供试土壤理化性质

表2 供试生物炭理化性质

试验于2015—2017年进行。播种时间分别为2015年5月4日、2016年5月6日和2017年5月2日，分别于2015年10月8日、2016年10月7日和2017年10月4日收获。水肥管理同当地大田标准。化肥采用复合肥，其中N质量分数为13%、P2O5质量分数为28%、K2O质量分数为10%，用量为450 kg/hm2，全部在大豆播种时作为基肥施入，且三年试验保持一致[8]。

1.3 观测指标与方法

于每年大豆全生育期末进行取样，取样层位为0～20 cm耕层土壤。

(1)土壤容重：采用环刀法测定。

(2)土壤孔隙度和三相比：采用DIK-1130型土壤三相仪测定。

(3)土壤结构指数(GSSI)：根据土壤固相率、液相率、气相率计算[10]如式(1)所示：

GSSI=[(xg-25)·xy·xq]0.4769

(1)

式中：xg为固相率，>25%；xy为液相率，>0%；xq为气相率，>0%。

2 结果与分析

2.1 对土壤容重的影响

土壤容重是衡量土壤物理和结构特性的重要指标，其值的大小是判别土壤结构优良性的主要依据之一。图1为土壤容重随生物炭施用量及施用年限的变化。连续施炭三年来土壤容重均随生物炭施用量的增加而降低，在生物炭施用当年(2015年)B25、B50、B75、B100处理土壤容重较B0分别减小0.87%、3.03%、3.46%和5.63%；连续施用两年后，各处理土壤容重较同年B0处理降低的幅度为2.17%、6.09%、8.26%和8.70%；连续施用三年后，该比例为3.91%、8.26%、10.87%和11.74%。另一方面，随着生物炭施用年限的增加，各处理土壤容重亦逐渐降低，但降低的速率逐渐减小。并且随着施用年限的增加，各处理间的差异逐渐增大，2015年各处理土壤容重的变异系数为2.05%，连续施用两年后变异系数为3.60%，连续施用三年后变异系数达4.75%。

图1 土壤容重随生物炭施用量及施用年限的变化

建立土壤容重y关于生物炭施用量x及施用年限t的多项式回归，得到其关于生物炭施用量(x，t/hm2)及施用年限(t，a)的响应关系如式(2)所示：

y=1.1897-0.0305t-0.0008x+

0.000 005x2+0.0055t2-0.0004tx

(2)

经方差分析，回归方程R2为0.9765，P值小于0.0001，达到极显著水平，表明该回归方程能够较好地反映土壤容重与生物炭施用量及施用年限的响应关系。由回归结果及回归系数的检验可知，生物炭施用量的一次项对土壤容重有显著负效应(P=0.0181)，生物炭施用量的二次项对土壤容重有显著正效应(P=0.0398)；生物炭施用年限的一次项、二次项对土壤容重影响均不显著(P1=0.1675、P2=0.2932)，但生物炭施用量与施用年限的交互作用对土壤容重有极显著影响(P=0.0011)。根据多元函数极值理论，该函数在可行域范围内(x>0，t>0)无极值，即随着生物炭施用量增大及施用年限的延长，土壤容重逐渐减小。

2.2 对土壤孔隙度的影响

各处理2015—2017年土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度如表3所示。施用生物炭会影响土壤的孔隙结构，在生物炭施用当年，随着生物炭施用量的增加，总孔隙度逐渐增加，并且这种趋势一直延续到连续施用生物炭三年后，三年施用生物炭的处理较同年B0处理总孔隙度分别增加2.91%～11.08%、8.25%～20.80%和11.79%～23.01%。非毛管孔隙度也呈现出相似的规律，但毛管孔隙度仅在生物炭施用当年呈现类似规律，而在连续施用生物炭两年、三年条件下，随着生物炭施用量的增加，毛管孔隙度均呈现先增加后降低的趋势，2016年B50处理毛管孔隙度最大，较同年B0处理增加4.26%，2017年则是B25处理最大，较同年B0处理增加4.62%。生物炭施用年限对土壤孔隙结构也有一定影响，施用第一年土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度变异系数分别为3.62%、1.49%和9.63%，连续施用两年后，各处理的差异愈发明显，使得变异系数增加了一倍以上，分别为6.72%、2.77%和24.10%；连续施用三年后土壤总孔隙度、毛管孔隙度变异系数进一步增至7.07%和5.62%，而非毛管孔隙度变异系数基本稳定，为24.06%。所有施炭处理其总孔隙度、非毛管孔隙度均随生物炭施用年限的延长而增加，各处理连续施用三年生物炭后土壤总孔隙度较第一年增加7.02%～10.38%，非毛管孔隙度增加16.14%～63.34%，二者均以B75处理增长幅度最大；B25处理毛管孔隙度随施用年限的延长而增加，B50处理则随施用年限的延长先增加后减小，而高施炭量处理毛管孔隙度则随施用年限的延长而减小；B0处理总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度随施用年限的变化无明显规律性。

表3 各处理土壤孔隙度 %

分别建立土壤总孔隙度(y1，%)、毛管孔隙度(y2，%)和非毛管孔隙度(y3，%)三个指标关于生物炭施用量及施用年限的多项式回归，得到三个指标关于生物炭施用量(x，t/hm2)及施用年限(t，a)的响应关系分别如式(3)～式(5)所示：

y1=47.1601+2.3520t+0.0833x-

0.0005x2-0.4730t2+0.0272tx

(3)

y2=36.2760+0.4490t+0.1028x-

0.0006x2+0.1200t2-0.0321tx

(4)

y3=10.9616+1.6090t-0.0263x+

0.0003x2-0.2940t2+0.0473tx

(5)

经方差分析，3个回归方程R2均在0.8以上，P值均小于0.01，达到极显著水平，表明3个方程能够较好地反映土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度三个指标关于生物炭施用量及施用年限的响应关系。由回归结果及回归系数的检验可知，生物炭施用量的一次项对土壤总孔隙度有显著影响(P=0.0169)，二次项对土壤总孔隙度有较显著影响(P=0.0539)，生物炭施用年限的一次项、二次项对土壤总孔隙度影响不显著(P1=0.2815、P2=0.3670)，但生物炭施用量与施用年限的交互作用对土壤总孔隙度的影响达极显著水平(P=0.0086)；生物炭施用量的一次项对毛管孔隙度有极显著影响(P=0.0024)，二次项对毛管孔隙度有显著影响(P=0.0190)，生物炭施用量与施用年限的交互作用对毛管孔隙度有极显著影响(P=0.0013)，而生物炭施用年限的一次项、二次项对毛管孔隙度影响不显著(P1=0.8055、P2=0.7862)；生物炭的施用量的一次项、二次项以及生物炭施用年限的一次项、二次项对非毛管孔隙度的影响均不显著(Px1=0.4427、Px2=0.3009、Pt1=0.5129、Pt2=0.6202)，而生物炭施用量与施用年限的交互作用对土壤非毛管孔隙度的影响达极显著水平(P=0.0007)。根据多元函数极值理论，连续6 a施用生物炭，施用量为246.5 t/hm2时，可以使土壤总孔隙度达到最大，最大值为64.9052%；连续施用3 a生物炭，施用量为13.9 t/hm2时可以使土壤毛管孔隙度达到最大，最大值为39.1088%；而非毛管孔隙度在可行域中无极值。

2.3 对土壤三相比的影响

土壤三相比也是衡量土壤松紧程度和结构的重要指标。各处理土壤三相如图2所示。随着生物炭施用量的增加，各年土壤固相率均呈降低趋势， 2015年B100处理较B0固相率降低18.24%，至2016年和2017年，降低的幅度分别增至19.21%和19.97%。土壤气相率则与固相率呈现相反的变化趋势，随着生物炭施用量的增加，土壤气相率逐渐递增，三年B100处理较同年B0处理气相率增长53.98%、51.74%和62.79%。土壤液相率随生物炭施用量的增加先增后减，2015年以B75处理最高，2016年、2017年则均为B50处理最高。从施用年限看，所有施用生物炭的处理，随着施用年限的延长，土壤固相率逐渐递减，气相率逐渐递增，液相率没有明显的规律性。

图2 各处理土壤三相

各处理广义土壤结构指数(GSSI)计算结果见表4。GSSI是反映土壤结构优良性的指标，其值越接近100，表明该土壤结构越接近理想状态。供试土壤结构较为优良，在未施用生物炭的条件下(B0处理)其广义土壤结构指数亦达到较高水平，三年均大于95。即便如此，生物炭仍然能够在一定程度上改良土壤结构，2015年施用生物炭后，各处理GSSI均高于B0处理，且随着生物炭施用量的增加，该值逐渐递增；连续施用两年生物炭后，各处理GSSI仍高于当年B0处理，表明生物炭仍然具有调整三相比例、改良土壤结构的功能，但并非生物炭施用量越高，GSSI越大，GSSI随生物炭施用量的增加先增后减，在施炭量50 t/hm2时达到最大；这一状况延续至连续施用三年，2017年仍以B50处理GSSI最高，而B100处理GSSI甚至低于同年B0处理。

表4 各处理GSSI

表4显示，以50 t/hm2的施用量连续施用两年、三年，GSSI可分别达到99.8182和99.8285，已十分接近理想状态。但是这种调节作用并非与生物炭施用量成正比，在连续施用两年和三年的条件下，B50处理其GSSI均优于B75、B100处理。究其原因，当生物炭施用量过高时，土壤质地过于松散，土壤结构变差，三相比偏离理想状态，GSSI降低。以100 t/hm2连续施用三年后GSSI甚至低于当年未施用生物炭的B0处理。另外，从各处理GSSI看，连续两年施用25 t/hm2的效果优于一次性施入50 t/hm2(98.8699>98.2823)，连续三年施用25 t/hm2的效果优于一次性施入75 t/hm2(99.0311>98.8424)，连续两年施用50 t/hm2的效果优于一次性施入100 t/hm2(99.8182>99.3787)，表明在累积施炭量相同的条件下，分次施入对土壤结构的改良效果优于一次性施入。

建立GSSI关于生物炭施用量及施用年限的多项式回归，得到其关于生物炭施用量(x，t/hm2)及施用年限(t，年)的响应关系如式(6)所示：

GSSI=92.9106+2.8359t+

0.1304x-0.4321t2-0.0198tx

(6)

经方差分析，回归方程R2为0.8946，P=0.0004，达到极显著水平，表明该回归方程能够较好地反映GSSI对生物炭施用量及施用年限的响应关系。由回归结果及回归系数的检验可知，生物炭施用量的一次项、二次项对GSSI有极显著影响(P1<0.0001、P2=0.0002)；生物炭施用年限的一次项对GSSI有显著影响(P=0.0337)，二次项对GSSI影响不显著(P=0.1502)；生物炭施用量与施用年限的交互作用对GSSI有极显著影响(P=0.0017)。根据多元函数极值理论，连续两年施用生物炭，施用量为56.75 t/hm2时，可使GSSI达到最大，最大值为99.4305。

3 结 论

施用生物炭能有效改善土壤结构，但其效果受生物炭施用量及施用年限共同制约，随着生物炭施用量的增加和施用年限的延长，土壤容重逐渐降低，土壤总孔隙度不断增大。施用生物炭后，土壤三相比率得到调节，GSSI有所提升，在生物炭施用当年以B100处理GSSI最大，而在连续施用两年、三年生物炭条件下，均以B50处理最优；根据GSSI与生物炭施用量及施用年限的拟合关系，连续2年施用生物炭，施用量为56.75 t/hm2时，可使GSSI达到最大；另外，在累积施炭量相同的条件下，分次施入对土壤结构的改良效果优于一次性施入。生物炭显著提高了土壤中大团聚体，特别是>2 mm粒级的团聚体的含量，显著降低了<0.053 mm粒级的微团聚体含量，有利于形成良好的土壤团聚结构。