生物炭和保水剂施用对凉山州紫色土理化性质及水分特征的影响

徐 露，张 丹，向宇国，陈 凡，陈玉蓝，黄田钫

(1. 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041；2. 中国科学院大学，北京 100049; 3. 四川省烟草公司凉山州公司，四川 西昌 615000；4. 中国科学院成都生物研究所，四川 成都 610041)

【研究意义】紫色土属风化发育较浅的矿质土壤，由中生代紫色砂(页)岩风化而成，广泛分布于四川盆地[1]。紫色土坡耕地主要由土层、泥岩层以及不透水的沙岩层构成，土层浅薄(<45 cm)，介孔、大孔等孔隙结构发育，雨水入渗较快，因此土壤保水性弱。紫色土坡耕地为典型的土-岩二元结构，易形成相对不透水层，产生壤中流，养分主要通过壤中流流失，因此土壤保肥性弱。紫色土是凉山彝族自治州农业生产的主要土壤资源，土壤水分亏缺和养分不足是限制旱作农业生产的主要因子[2- 3]。因此如何提高降水资源利用效率，避免土壤养分流失，是保障凉山州旱作农业生产的关键。【前人研究进展】生物炭(Biochar)和聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PAM)是目前农业生产中富有潜力的土壤改良剂。生物炭是由木质材料、作物秸杆、城市固体垃圾、畜禽粪便以及水生植物等有机材料在厌氧条件下经过热裂解产生的一类高度芳香化难溶性固态产物[4]。聚丙烯酰胺是一种具有超高吸水保水能力的高分子聚合物，能迅速吸收比自身重数百倍甚至上千倍的水分，而且具有反复吸水功能，吸水后体积倍增呈水凝胶状态，缓慢释放水分供作物利用[5]。大量研究结果表明生物炭和PAM作为土壤改良剂，在改善土壤理化性质、增加土壤持水能力、持留土壤养分等方面均显示出较大潜力[6-10]。【本研究切入点】有关土壤改良剂对土壤肥力的影响已有较多研究，而针对生物炭和PAM对植烟土壤水、肥问题综合改良的研究却很少。【拟解决的关键问题】鉴于此，本研究以云烟87为供试作物，在凉山州坡耕地紫色土区，分别施加不同用量的秸秆生物炭和PAM保水剂，研究不同改良剂类型和施用量条件下紫色土土壤结构、肥力及水分特征的变化。在综合评价生物炭和保水剂施用效果的同时确定合适的改良剂及最适施用量，为提高旱地作物生产力及土壤改良剂的推广应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于凉山彝族自治州会东县小坝乡(26°34′30″N，102°22′17″E)，属于季节性干旱区，≥10°积温为5247 ℃，无霜期268 d。全年平均降水量为1111.6 mm，年内降雨分布不均，雨季(6-10月)降雨量占年降雨量的90 %左右。试验区为紫色土坡耕地，坡度为7～10°，土层浅薄，厚度在40 cm左右。

1.2 供试土壤和改良剂

供试紫色土田间持水量为24.7 %，土壤pH 7.4，有机质(OM)、全氮(TN)、全磷(TP)和全钾(TK)含量分别为6.2、1.4、0.6和12.9 g/kg，碱解氮(AN)、有效磷(AP)和速效钾(AK)含量分别为97.0、10.3和108.3 mg/kg。

本研究所用的生物炭以玉米秸秆为原料制得，购自于江苏华丰农业生物工程有限公司。生物炭粒径1.5～2.0 mm，pH 10.85，OM、TN、TP和TK含量分别为560.2、0.29、2.78和46.1 g/kg，AN、AP和AK含量分别为14.5、755.0和10.7 mg/kg。供试保水剂为钾盐型PAM保水剂，购于任丘市辉达化工有限公司，粒径0.18～2.25 mm，吸水倍数300～500，全碳、全氮和全钾的质量分数分别为54.8 %、2.1 %和9.1 %。

1.3 试验设计

本试验生物炭为5个处理：0、10、20、40和60 t/hm2；PAM保水剂为5个处理：0、5、90、135和180 kg/hm2。每个处理3次重复，随机区组排列，每个小区面积为4 m×5 m=20 m2，每个小区种28株烟草，小区之间用1行烟草作为隔离带。试验从2018年3月18日整地开始至2018年9月20日收烟结束。试验小区划分好后，生物炭和PAM保水剂按设计施用梯度一次性施入，生物炭均匀撒在土壤表面，反复翻耕使生物炭与表层土壤(0～20 cm)充分混匀。PAM保水剂与小区内的细土按质量比为1∶10充分混合均匀后，按施用量施入每穴烟草的底部。

1.4 土壤样品采集与测定

土壤样品采集：2018年10月烟草收获后，每个小区用环刀采集3个原状土壤样品，密封后带回室内，用于测定土壤物理性质和水分特征参数。同时每个小区按“S”型采集10个点0～20 cm表层土，混合后取约1 kg散装土样带回实验室，风干后过2 mm筛，用于测定土壤化学性质。

土壤物理性质和水分特征测定：土壤容重、饱和含水量、田间持水量、毛管持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和总孔隙度采用环刀法测定[11]。其中非毛管含水量是指当进入土壤的水超过田间持水量时，多余的水分不被土壤保持而受重力的作用，沿大孔隙向下渗透的水；毛管含水量是饱和含水量减去非毛管含水量所余下的水分，它是毛管上升水达到最大数量时的含水量[12]。

土壤有效粒径测定：土壤样品不经过六偏磷酸钠分散剂处理，直接采用英国的马尔文激光粒度仪MS2000测定，可以更真实地反映土壤颗粒和团聚体的分布情况。并根据美国土壤质地分类制将土壤颗粒划分为黏粒(<2 μm)、细粉粒(2～20 μm)、粗粉粒(20～50 μm)和砂粒(50～2000 μm)[12]。

土壤化学性质测定：采用常规方法测定土壤化学性质[13]，其中土壤pH采用电位计法(土∶水=1∶2.5)测定；阳离子交换量(CEC)采用乙酸铵交换法测定；有机质采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定；全氮采用半微量凯氏定氮法测定；全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定；全钾采用氢氧化钠熔融-火焰分光光度计法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用碳酸氢钠浸提分光光度计比色法测定；速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定。

1.5 数据处理与分析

处理间差异显著性检验采用单因素方差分析，多重比较采用Duncan法，显著水平为P<0.05。统计分析和图表绘制分别在SPSS 20.0和Origin 2017软件中进行。

2 结果与分析

2.1 土壤物理性质的变化

2.1.1 土壤有效粒径的变化 图1为生物炭施用量对土壤有效粒径的影响，可看出不同有效粒径土壤颗粒百分比之间有显著差异，表现为2～20 μm的细粉粒分布最多(58.5 %～68.5 %)，其次为20～50 μm的粗粉粒(16.6 %～19.8 %)和>50 μm的沙粒(9.6 %～19.8 %)，<2 μm的黏粒分布最少(3.5 %～4.4 %)。施用生物炭后，对土壤有效粒径分布的影响主要在沙粒(>50 μm)和细粉粒(2～20 μm)范围，对其余粒径没有显著影响。与对照相比，60 t/hm2生物炭处理细粉粒(2～20 μm)百分比显著降低了10.0 %，而沙粒(>50 μm)百分比显著增加了8.9 %。

图2为保水剂施用量对土壤有效粒径的影响，施用保水剂后，细粉粒(2～20 μm)百分比随着保水剂用量的增加而减小，其中180 kg/hm2保水剂处理细粉粒(2～20 μm)较对照显著降低了9.8 %。沙粒(>50 μm)百分比随着保水剂用量的增加而增大，其中180 kg/hm2保水剂处理沙粒(>50 μm)较对照显著增加了7.4 %。

2.1.2 土壤容重和孔隙度的变化 表1为不同生物炭施用量下的土壤容重和孔隙度。从表中可看出，随着生物炭施用量的增加，土壤容重呈下降趋势，以60 t/hm2生物炭处理土壤容重降低最显著，与对照相比降低17.0 %，降为1.08 g/cm3。施用生物炭后，土壤总孔隙度和毛管孔隙度显著提高，比对照提高了7.9 %～16.6 %和5.2 %～19.9 %，其中以40 t/hm2生物炭处理土壤总孔隙度和毛管孔隙度最大，分别提高到56.3 %和46.7 %。对于非毛管孔隙度，仅60 t/hm2生物炭处理与对照有显著性差异，较对照增加了7.3 %。

表2为不同保水剂施用量下的土壤容重和孔隙度。从表中可知，随着保水剂施用量的增加，土壤容重呈先下降后上升的趋势，以135 kg/hm2保水剂处理土壤容重降低最明显，与对照相比降低13.1 %，降为1.13 g/cm3。施用保水剂后，土壤总孔隙度和毛管孔隙度均显著高于对照，随着保水剂施用量的增加呈先上升后下降的趋势，以135 kg/hm2保水剂处理土壤总孔隙度和毛管孔隙度最高，分别提高到60.8 %和51.5 %。对于非毛管孔隙度，仅180 kg/hm2保水剂处理与对照有显著性差异，较对照减小了5.2 %。

2.2 土壤水分特征参数的变化

表3是不同生物炭施用量下的土壤水分特征参数，与对照相比，不同施用量的生物炭处理均显著提高了土壤饱和含水量和田间含水量，其中60 t/hm2生物炭处理饱和含水量最高，为51.2 %，40 t/hm2生物炭处理田间含水量最高，为27.1 %。对于土壤毛管含水量，20，40和60 t/hm2生物炭处理显著高于对照，分别提高了15.0 %，17.5 %和12.0 %。对于非土壤毛管含水量，仅60 t/hm2生物炭处理较对照显著提高了8.8 %，其余处理与对照无显著差异。

表1 不同生物炭施用量下的土壤容重和孔隙度

表2 不同保水剂施用量下的土壤容重和孔隙度

从表4可知，饱和含水量、田间含水量和土壤毛管含水量均随着保水剂施用量的增加呈先增大后减小的趋势，以135 kg/hm2保水剂处理饱和含水量、田间含水量和土壤毛管含水量最高，较对照分别提高了23.5 %，21.3 %和25.0 %。与对照相比，施用保水剂后非土壤毛管含水量均下降，仅180 kg/hm2保水剂处理与对照有显著性差异，较对照减小了5.7 %。

2.3 土壤化学性质的变化

表5是不同生物炭施用量下的土壤化学性质的变化。与对照相比，施用生物炭后土壤pH，CEC含量均有不同程度增加，分别增加了0.01～0.24个单位和0.07～3.04 cmol/kg，但未达显著水平(表5)。随着生物炭施用量的增加，OM含量增加，仅60 t/hm2生物炭处理显著高于对照，提高了86.4 %。施用生物炭后，TN、TP和TK含量较对照均无显著性差异。10、20、40和60 t/hm2生物炭处理下AN均显著低于对照，降低了28.4 %～30.3 %。AP在60 t/hm2生物炭处理显著高于对照，提高了115.1 %，达到22.16 mg/kg。AK在40 t/hm2生物炭处理显著高于对照，提高了78.5 %，达到193.30 mg/kg。

表3 不同生物炭施用量下的土壤水分特征参数

表4 不同保水剂施用量下的土壤水分特征参数

表5 不同生物炭施用量下的土壤化学性质

表6 不同保水剂施用量下的土壤化学性质

表6是不同保水剂施用量下的土壤化学性质的变化。施用保水剂后土壤pH，CEC含量与施用生物炭的变化趋势一致，均有不同程度增加，但未达显著水平。135和180 kg/hm2保水剂处理OM含量均显著高于对照，分别提高了146.4 %和186.4 %，达到15.23和17.70 g/kg。施用保水剂后，TN、TK和AK含量较对照均无显著性差异。TP仅在180 kg/hm2保水剂处理下显著提高，比对照提高了168.9 %。AN在180 kg/hm2保水剂处理显著低于对照，降低了24.8 %。135和180 kg/hm2保水剂处理AP含量均显著高于对照，分别提高了128.6 %和453.1 %。

3 讨 论

3.1 凉山州紫色土土壤物理性质的变化

土壤物理性质是调节土壤中水、肥、气、热的关键因素，而且在水分运移中发挥重要的作用，是作物生长的重要影响因素[14]。本文土壤有效粒径结果表明，土壤有效粒径的优势粒级为2～50 μm，>250 μm的颗粒较少，说明凉山州以紫色土为主的坡耕地土壤，其结构松散，团聚性较差，可能是因为人类的耕作措施经常扰动土壤，破坏了土壤原有的团聚结构，同时雨季的高温促使有机碳快速分解，减少了有机质等胶结物质含量，从而抑制了大粒级团聚体的形成[3]。施入生物炭和保水剂后，有效粒径2～20 μm体积百分比减小，20～50 μm和>50 μm体积百分比增大。这可能与生物炭和保水剂的施入增加了土壤的胶结物质，加大了土壤的团聚化作用，促进了细粉粒等微小颗粒与胶结物质的胶结，从而更有利于大粒径的团聚体形成[12]。

本研究认为，生物炭处理可有效降低耕层土壤容重，改善土壤孔隙状况。潘金华等[15]指出，生物炭能降低土壤的容重，与生物炭质轻多孔，具有强大的吸附能力有关[7]，在本研究中，随着生物炭施用量的增加土壤容重逐渐降低，以60 t/hm2生物炭处理土壤容重降低最显著，为1.08 g/cm3，与李昌见[16]和王红兰[17]等的研究结果一致，其原因除了和生物炭密度低具有一定的稀释作用外，还与生物炭促使微生物活性提高[18]以及团聚性增强[19]有关。在本研究中，随着保水剂施用量的增加，土壤容重呈先下降后上升的趋势，以135 kg/hm2保水剂处理土壤容重降低最显著，为1.13 g/cm3。崔娜[20]和井大炜[21]等研究表明，适量的PAM在吸水-释放过程中，PAM体积会呈现出膨大-缩小的变化，增大土壤孔隙度从而降低土壤容重，然而过量的PAM在吸水后呈水凝胶状态，可能会促进土壤胶结，土壤容重变大。从表2可知，经生物炭和保水剂处理后，土壤总孔隙度与毛管孔隙度均有不同程度提高，但土壤非毛管孔隙度呈现出较复杂的变化趋势，可能是改良剂的添加与土壤相互填充，导致部分较大孔径的非毛管孔隙被占据而减少，这与王浩等[22]和潘金华等[15]的结果一致。

3.2 凉山州紫色土土壤水分特征参数的变化

多数学者认为生物炭能够提高土壤的持水能力，但在不同生物炭施用量对土壤持水性能的影响程度上尚未达成一致。本文研究结果表明，在最大添加量为60 t/hm2范围内，饱和含水量和田间含水量均随着生物炭用量的增加而增大，这与王丹丹等[23]和吴昱[7]等研究结果一致，认为土壤持水能力与生物炭添加量呈正相关。员学锋等[10]研究还发现PAM处理的饱和含水量和田间含水量分别比对照增加了5.18 %和1.22 %，同时降低土壤水分蒸发量，可以为作物生长提供更多的可利用水分，与本文研究结果一致。随着保水剂施用量的增加饱和含水量和田间含水量先增大后减小，其中以135 kg/hm2保水剂处理最高，这与董立国等在半干旱林业地区中的研究一致[24]，农用土壤保水剂能有效抑制土壤水分损失，但超过一定量反而降低土壤蓄水保墒能力。

3.3 凉山州紫色土土壤化学性质的变化

本试验施用生物炭的土壤pH和CEC均高于对照，且随施用量的增加而增加。这与供试生物炭pH值为10.85有关，生物炭灰分中有不同浓度碱性物质，如K、Ca、Na、Mg等氧化物、氢氧化物和碳酸盐，可以交换出土壤中的H+和Al3+，提高土壤盐基饱和度，从而提高土壤pH和阳离子交换量[25]。随着生物炭和保水剂施用量的增加，OM含量均增加。GLASER等[6]和Singh B等[26]等研究表明，生物炭可通过促进土壤有机-矿质复合体的形成来提高土壤团聚体稳定性，进而减少土壤有机质淋失。吴传发等[27]研究表明，保水剂使土壤水分提高，微生物活性增强，加快了土壤中植物残体的分解和腐殖质的形成，从而提高了OM含量，与本文研究结果一致。

本研究结果表明，施用135和180 kg/hm2保水剂处理的AP含量均显著高于对照，而供试保水剂中不含磷元素，说明土壤中AP不是由保水剂直接提供，其主要原因是保水剂吸水形成絮凝态的自身特性，提高了离子的吸附作用，以及促进了土壤有机态的矿化作用，从而提高养分的有效性[28]。AP的提高同时也与施加改良剂后增加了土壤pH值，降低了可交换铝水平，释放闭蓄态磷，从而增加AP有关[29]；本试验结果表明，AK随生物炭施用量的增加而增加，这与生物炭具有较大的比表面积和丰富的官能团，增强了土壤中K+的吸附有关[30]，除此之外生物炭的孔隙结构能减小水分的渗滤速度，减缓土壤中K+的淋失[31]。同时龙明杰等研究表明，施加PAM能增加土壤对K+离子的吸附量，提高土壤速效养分含量[5]，这与本研究结论一致，经保水剂处理后，AK含量较对照也有不同程度提高，同时这与供试保水剂为钾盐型聚丙烯酰胺有关，施入保水剂会直接增加土壤中钾离子总量。目前生物炭和保水剂对AN含量影响尚无统一结论，究其原因这可能与土壤酸碱度有关。本研究结果表明，添加不同改良剂后，土壤TN和AN含量明显低于对照，这可能因为添加改良剂后，土壤pH显著增大，加剧土壤表面氨化挥发，从而降低了土壤TN和AN含量[32-33]。

3.4 存在的问题

以往研究表明，改良剂的种类、施用量、不同改良剂的组合和配比都可影响保水保肥能力[1,15,25,27,30]，本文主要针对不同用量的生物炭和保水剂单独施用对土壤保水保肥性影响的对比分析，缺乏生物炭和保水剂共同施用对土壤保水保肥性影响，今后应加强不同改良剂组合和配比对土壤保水保肥性影响等方面的研究。

4 结 论

(1)施用生物炭和保水剂降低了土壤容重，提高了土壤总孔隙和毛管孔隙度，促进了团聚体的形成，以60 t/hm2生物炭和135 kg/hm2保水剂处理土壤结构改善效果最明显。

(2)施用生物炭和保水剂提升了土壤的蓄水保水能力，提高了土壤对降雨的有效截存。土壤饱和持水量、田间持水量、毛管含水量均高于对照，以60 t/hm2生物炭和135 kg/hm2保水剂处理保水效果最明显。

(3)施用生物炭和保水剂提高了土壤pH、阳离子交换量、土壤有机质、全磷、全钾、速效磷和速效钾含量，且速效磷和速效钾含量均随生物炭和保水剂施用量的增加而增加，以60 t/hm2生物炭和180 kg/hm2保水剂处理保肥效果最明显。