生物炭配施沼液对土壤团聚体及其有机碳分布的影响

2022-02-25袁晶晶齐学斌杜臻杰李开阳王攀峰

灌溉排水学报 2022年1期

袁晶晶，齐学斌，赵京，李平，杜臻杰*，李开阳，王攀峰

（1.河南省计量科学研究院，郑州 450000；2.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南新乡 453002；3.河南工学院有机固废处理与资源化实验室，河南新乡 453003）

0 引言

【研究意义】随着我国经济的迅速增长及养殖业规模的不断扩大，养殖场沼气建设工程得到了迅猛发展，沼气工程的发展必然产生大量的沼液[1]。沼液是畜禽粪便、秸秆等废弃物经厌氧发酵产气后所得产物，因其营养成分全面、可利用率高、绿色环保且易于被作物吸收等优点，被广泛应作肥料、养殖、栽培和浸种等方面[2-3]。有别于传统肥料，沼液是一种高水低肥的液态肥，不合理的施用不仅会造成资源浪费，还可能带来土壤重金属污染和土壤盐渍化以及水体环境的污染[4-6]。近年来，我国提倡绿色发展，如何提高沼液中的养分利用率，减少环境污染的同时，实现沼液资源化利用一直是学者们研究的热点[7-9]。【研究进展】研究发现，施入沼液可有效调节土壤各养分量的比例，增强作物对养分的均衡吸收能力，增加作物抗性[10]，提高土壤有机质量，优化土壤结构[11]；增强土壤缓冲酸碱变化的能力，防止土壤酸化，改良盐碱地[12]等诸多作用。同时，沼液用量或用法不当，施用过程中容易产生养分的淋洗现象，对农田健康构成潜在威胁，甚至造成环境的二次污染[13-14]。沼液肥料化利用为畜禽养殖废物高效利用提供了有效途径和可靠技术，因此，有必要因地制宜开展科学施肥模式研究，使沼液养分高效利用并确定安全合理的施用量，减少沼液带来的环境风险。

生物炭是农林废弃物在无氧或缺氧条件下通过高温裂解得到的一种富碳、难溶性固态物质，其孔隙结构发达、比表面积大，有较强的吸附能力，在土壤污染修复、土壤改良、作物增产以及缓解全球温室效应等方面具有巨大潜在应用价值，在农业生产和生态环境等领域扮演着重要角色[15]。研究表明，生物炭施入土壤中，可增加土壤有机质量、改善土壤通气状况、提高土壤团聚体稳定性、持水能力等，生物质改良剂的施用，有效改善了土壤理化性质，土壤肥力的提升，微生物活性和微生物量的提高，进而达到培肥土壤、增产增收的效果[16-17]。同时，生物炭还具有降低土壤养分淋失，吸附有机污染物、减轻水体富营养化等消减环境风险的功能[15-16]，在制备生物炭获得经济收益的同时，可以减缓一系列的环境问题（如废弃物的降解、存放等），为资源的可持续利用及发展做出了一定贡献。虽然生物炭作为基肥施用有诸多优点，但其主要来源于农林废弃物，且本身肥力有限，单施生物炭并不能满足作物生长的需要。【切入点】目前，中国部分学者对生物炭和沼液在农田上的应用均有一定程度的研究，但二者的配合施用效果总体尚处于试验研究阶段，仍然缺乏科学合理的技术指导。且多数为室内试验，缺乏定位性、连续性试验的后效研究。同时生物炭和沼液种类、添加量和土壤类型的不同，导致研究结果有较大差异，因此根据当地土壤特点和作物需肥规律选择适宜适量的肥料种类和施肥量是提高土壤肥力和肥料利用率的关键，土壤团聚体在土壤结构稳定性中的作用对维持高质量的土壤肥力至关重要。【拟解决的关键问题】本研究将生物炭和沼液农田应用有机结合起来，发挥生物炭能改善土壤质量的优势和沼液营养丰富易被作物吸收利用的特点，通过连续3 a田间定位试验，设置不同施肥用量梯度，研究生物炭和猪场沼液对土壤水稳性团聚体稳定性及有机碳分布的影响，对不同培肥方式下的生物炭和沼液配施的使用效果做出客观评价，为生物炭和沼液在果园地区的科学利用提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年4月―2019年10月在河南省安阳市内黄县后河镇进行。后河镇（114°45′ E，35°47′ N），年平均气温13.7 ℃，年平均日照时间为2 188.8 h，年平均降水量596.7 mm，无霜期为209 d。土壤类型为砂壤土，砂粒、粉粒和黏粒占比分别为50.7%、38.7%和10.6%。土壤体积质量1.37 g/cm3，pH值8.2，有机质量为11.21 g/kg，全氮量为0.72 g/kg，速效磷量为18.58 mg/kg，速效钾量为100.35 mg/kg。

1.2 供试材料

试验选取10 a生扁核酸品种为试验树（至2017年），种植株行距为2 m×3 m，长势均匀无病虫害，种植密度约1 650棵/hm2，设置保护行。

研究所用沼液取自内黄县以猪粪为发酵原料的某沼气工程，沼液pH值为7.35，含氮量为690.3 mg/L，总磷量为23.9 mg/L，COD值为709 mg/L，有机碳量为1 021 mg/L。生物炭原料为小麦秸秆，购自河南商丘三利新能源有限公司（炭化温度为500 ℃），其pH值为10.35、有机碳为485.20 g/kg、全氮量为5.90 g/kg、全钾量为11.5 g/kg、阳离子交换量（CEC）为21.7 mmol/kg、体积质量为0.45 g/cm3。

1.3 试验设计

试验于2017年4月―2019年10月进行。3 a的试验设计和施肥方案保持一致，本试验中数据为2019年测得。试验采用随机区组排列，每个处理设3次重复，每个小区16棵果树，面积为96 m2，小区间垒土埂，铺设防渗布。试验共设8个处理，分别为：①对照（CK）：不施生物炭、沼液和化肥；②单施生物炭（B）12 t/hm2；③BS1：猪场沼液和水配比1∶6（体积比）；④BS2：沼液和水配比1∶4；⑤BS3：沼液和水配比1∶2；⑥生物炭+BS1；⑦生物炭+BS2；⑧生物炭+BS3。具体施肥如下：试验采用条状施肥，生物炭一次性施入，与土混匀后覆土填平。沼液用量600 m3/hm2，根据红枣萌芽期、开花坐果期和果实生长期分3次施入，比例为1∶2∶2。用泵在地表均匀喷灌。所用化肥分别为尿素（N 46%）300 kg/hm2、过磷酸钙（P2O516%）300 kg/hm2、硫酸钾225 kg/hm2（K2O 50%），其中80%的尿素作为基肥施入，剩下在7月中旬作为追肥施入；其他田间管理均与当地大田种植保持一致。

1.4 试验项目与方法

红枣采收后（2019年10月），按5点混合法采集0～20 cm土层（每个土样约1 kg左右），采集和运输中尽量减少对土壤样品的扰动。

土壤基本理化性质的测定参见文献[18]。土壤pH值测定：pH-电位法（水土比2.5∶1）；土壤体积质量：环刀法；有机碳测定：重铬酸钾容量法。

采用湿筛法（TTF-100，麦科仪北京科技有限公司）测定土壤水稳性团聚体组成。即将150 g土样放置于最上层土筛中，以每40 r/min的频率振荡10 min，分别得到5个不同粒径团聚体，用蒸馏水将5个粒级的团聚体分别冲洗至铝盒，在60 ℃下烘干称质量。

团聚体平均质量直径（mm）计算式为：

式中：Xi为任一粒级团聚体的平均直径（mm）；Wi为对应于Xi的团聚体百分量。

几何平均直径（mm）计算式为：

式中：Wi为各粒级土壤质量；Xi为各粒级平均直径。

1.5 试验数据处理

试验数据采用Excel 2016、SPSS22.0统计软件进行双因素方差分析和作图，采用最小显著性差异法（LSD）比较各处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 生物炭和沼液对土壤体积质量的影响

生物炭和沼液不同处理下土壤体积质量的变化如表1所示。施用生物炭、不同配比的沼液对土壤体积质量有显著影响（P<0.05）。BS1处理和BS2处理较CK无显著变化，高配比沼液情况下（BS3处理），土壤体积质量较CK有显著降低，较CK降低了4.5%（P<0.05）。生物炭和沼液配施处理下的土壤体积质量显著低于CK，但3个处理差异不显著。所有施肥处理中以B+BS3处理的土壤体积质量降幅最大，B+BS1处理次之，分别较CK降低了6.7%和5.1%。总的来讲，施用生物炭和不同配比的沼液均不同程度降低了土壤体积质量，生物炭和沼液配施处理的效果优于单施生物炭和沼液处理。

2.2 生物炭和沼液对土壤水稳性团聚体分布的影响

良好的土壤水稳性团聚体结构，有利于增强土壤的抗侵蚀能力，提高土壤肥力[19]。由表1可知，相比CK，施肥处理各粒径水稳性团聚体质量分数均有不同程度的变化。生物炭、猪场沼液处理的>5 mm粒级的团聚体质量分数较CK无显著差异。当生物炭用量为12 t/hm2时，土壤>5 mm粒级的团聚体质量分数呈现出随沼液浓度增加而逐渐增大的趋势（P<0.05），分别较CK提高13.2%、28.4%和41.3%，其中以B+BS3处理的该粒径质量分数最高。

表1 生物炭和沼液处理土壤体积质量和水稳性团聚体分布Table 1 Soil bulk density and water stable aggregate distribution under biochar and biogas slurry amendments

不同配比沼液处理对2～5 mm粒级的土壤团聚体质量分数无显著性影响，所有处理中，以B+BS2处理和B+BS1处理对该粒径的团聚体质量分数影响最大，分别较CK提高了46.3%和29.2%。无论是单施生物炭还是沼液，1～2 mm粒级的土壤团聚体质量分数较CK无显著差异。随着二者的配合施用，土壤团聚体质量分数呈现出随沼液量的增加而逐渐降低的趋势，但各处理仍显著高于CK（P<0.05）。其中B+BS1处理最高，B+BS3处理次之，此粒级土壤团聚体质量分数总体较CK提高8.3%～50.4%。生物炭配施沼液不同程度地提高了0.25～1 mm粒级的水稳性团聚体质量分数。所有处理中，以B+BS3处理的0.25～1 mm粒级的团聚体质量分数提高幅度最大，B+BS2处理次之，分别较CK显著提高43.6%和31.8%。单施生物炭以及生物炭配施沼液显著提高>0.25 mm粒级的团聚体质量分数，增幅为13.0%～36.3%，所有施肥处理中，B+BS2处理对于提高>0.25 mm质量分数效果最明显，B+BS3处理和B+BS1处理次之。

2.3 土壤团聚体的平均重量直径和几何平均直径

生物炭和猪场沼液对土壤水稳性团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）的影响如表2所示。单施生物炭对土壤团聚体的MWD值和GMD值均有极显著影响（P<0.01）；而单施沼液对二者均无显著影响。生物炭配施沼液对于提高B+BS2处理的MWD值效果最明显，B+BS3处理和B+BS1处理次之，分别较CK提高了39.3%、26.8%和22.3%。

由表2可知，生物炭与不同配比沼液的施入对水稳性团聚体GMD值影响不同。BS1处理和BS2处理显著高于CK，均提高17.5%，虽然BS3处理对GMD值的影响较CK依然呈增大趋势，但较中、低配比沼液（BS2处理和BS1处理）的增大趋势有所减小，表明沼液量超过某一定值后，可能会对GMD值有一定的抑制作用。3个沼液处理间无显著差异。生物炭与沼液配施处理显著提高了团聚体的GMD值，直径范围为0.49～0.55 mm，3个处理表现为B+BS2处理>B+BS3处理>B+BS1处理，分别较CK显著提高了37.5%、27.5%和22.5%，且处理间差异显著。总的来说，各施肥处理下土壤团聚体的平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）增幅分别为9.8%～39.3%和10.0%～37.5%。所有处理中B+BS2处理的水稳性团聚体MWD值和GMD值最高。

2.4 生物炭和沼液对土壤团聚体中有机碳质量分数的影响

长期不同沼液措施在一定程度上影响了各粒径水稳性团聚体中有机碳质量分数（表2）。由表2可知，生物炭和沼液的交互作用对>5 mm、0.25～1 mm和>0.25 mm 3个粒级的水稳性团聚体有机碳质量分数有显著影响，但对2～5 mm和1～2 mm粒级的有机碳质量分数无显著影响。>5 mm粒级的有机碳质量分数总体上高于CK，且有机碳质量分数随沼液浓度的增加呈增加趋势，增加幅度为21.5%～59.6%（P<0.05），其中B+BS3处理和B+BS2处理的该粒级的有机碳质量分数最高，分别较CK提高59.6%和59.3%。2～5 mm和1～2 mm粒级的有机碳质量分数总体表现出随着生物炭和沼液量的增加呈先增后降的趋势，但7个处理的质量分数仍显著高于CK（P<0.05，表2）。添加生物炭、沼液以及二者的交互作用对0.25～1 mm粒级的有机碳质量分数有极显著影响（P<0.01），有机碳质量分数的整体变化规律与1～2 mm粒级相似，当配施配比超过一定范围值后，对土壤内部的团聚过程作用减弱，甚至会降低团聚体中有机碳的质量分数。无论施生物炭与否，3个沼液处理间0.25～1 mm粒级的有机碳质量分数差异不显著，但生物炭和沼液配施3个处理差异显著。7个施肥处理以B+BS2处理的团聚体有机碳质量分数最高，B+BS3处理次之，增幅分别为53.2%和42.9%。

表2 不同处理土壤水稳性团聚体中MWD和GMD及有机碳质量分数Table 2 Mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) and organic carbon of wet sieving under biochar and biogas slurry amendments

除生物炭处理外，>0.25 mm粒级的有机碳质量分数均较CK有不同程度的提高。当生物炭用量一定时，大团聚体的有机碳质量分数随沼液浓度的增加而增加，但3个处理无明显差异。B+BS3处理对于提高大团聚体的有机碳质量分数效果最优，B+BS2处理次之，分别较CK增长79.5%和70.0%。

2.5 土壤有机碳质量分数与团聚体稳定性的相关性分析

土壤有机碳质量分数与团聚体稳定性的相关分析结果如表3所示。土壤有机碳与>0.25 mm粒级的团聚体质量分数、MWD值和GMD值均呈极显著正相关关系。>0.25 mm粒级的团聚体质量分数与团聚体MWD值和GMD值呈极显著正相关，说明代表土壤团聚体稳定性的3个指标相互影响，施用生物炭和沼液能促进土壤改良利用。土壤体积质量与>0.25 mm粒级的团聚体质量分数、团聚体MWD值和GMD值均呈显著负相关。

表3 土壤有机碳质量分数与团聚体稳定性的相关性分析Table 3 Correlation analysis between soil organic carbon and aggregate stability

3 讨论

3.1 施用生物炭和沼液后土壤团聚体稳定性和体积质量的变化

土壤团聚体稳定性是土壤结构的重要指标，是作物高产稳产的必要条件[20]。研究不同配肥条件下土壤团聚体组分及有机碳质量分数的变化对维持土壤结构稳定性至关重要。土壤大团聚体质量分数（>0.25 mm）、团聚体平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）的大小全面反映了土壤的团聚状况。MWD值和GWD值越大，表明土壤团聚体稳定性越高[21]。本研究表明，>0.25 mm粒级的水稳性团聚体质量分数总体上与生物炭和沼液量呈正向变化关系，各施肥处理较CK增加13.0%～36.3%（表1），这与郑健等[22]的研究结果相似。本试验条件下，生物炭和沼液的施入，不同程度地提高了土壤团聚体MWD值和GMD值，分别较CK显著增加9.8%～39.3%和10.0%～37.5%（表2）。初步分析是由于沼液中含有丰富的氮、磷、钾等元素，容易被作物吸收利用[23]，且沼液含有腐殖酸和纤维素等物质，适量沼液的施入，对增加土壤有机质、维护土壤结构有直接的正面功效[24-25]。已有研究发现[26]，施用沼液可在一定程度上提高土壤脲酶、蔗糖酶活性以及土壤细菌、真菌的数量，土壤微环境的改善，增强了土壤团聚体的稳定性。之前的研究发现[17]，不同用量的生物炭施入土壤后，可显著提高枣区土壤有机碳质量分数。有机碳作为良好的土壤胶结剂，对土壤团聚体结构的改善有积极作用。有机碳质量分数的增加会产生更多的胶结物质，胶结物质与土壤颗粒形成团聚体，从而使得团聚体中有机碳有所增加[27]，这一结论在本研究中再次得到了验证。生物炭具有多孔结构和较大的比表面积，添加到土壤中能够增加土壤团聚体数量，利于>0.25 mm粒级的团聚体（土壤大团聚体）的形成[28]。由表3可知，>0.25 mm粒级的团聚体质量分数、团聚体MWD值和GMD值与土壤团聚体有机碳均呈极显著正相关关系，说明这三者之间关系密切、相互影响，共同提高了该区土壤团聚体稳定性。

土壤体积质量能表征土壤结构、透气性和透水性[29]。李昌见等[30]研究发现，施用生物炭或与沼液配施，可降低土壤体积质量，提高土壤水稳性团聚体质量分数。同时，郑健等[22]的试验表明当沼液配比一定时，随着生物炭用量的增加，土壤体积质量逐渐降低。本研究也再次证明了上述结论，试验中发现当生物炭用量为12 t/hm2时，配施不同配比的沼液，土壤体积质量的整体变化规律基本一致，即整个试验期间土壤体积质量较CK有显著降低，但3个配施处理差异不显著（表1）。这可能与生物炭体积质量较小、孔隙结构等特性有关。另外，沼液是一种含有大量微生物的有机肥，施入沼液能够分解土壤中的有机物，从而产生多糖胶、蜡等胶结物质，改善土壤团粒结构，降低土壤体积质量[22]。可见，生物炭配施沼液对于提高土壤团聚体的稳定性有积极作用，且二者的配施效果要优于单施生物炭或沼液。

3.2 施用生物炭和沼液后土壤团聚体有机碳分布的变化

土壤有机碳作为土壤团聚体的重要胶结剂，有机胶结物质的变化影响着团聚体组成的变化，进而影响有机碳在各粒级团聚体的分配，土壤有机碳质量分数的提高会促进土壤较大粒级团聚体的形成[27]。施用生物炭能显著提高土壤有机碳质量分数，提升土壤肥力[31]。与米会珍等[32]的研究结果相似，本试验亦表明随着外源有机碳的投入，0～20 cm土层中各粒级的有机碳质量分数有明显的提升，总体上对于提高大团聚体（>0.25 mm）的有机碳质量分数效果最明显，这可能是添加的外源碳作为胶结物质促进微团聚体向大团聚体转化，进而增加了>0.25 mm中有机碳的质量分数。本研究通过测定水稳性团聚体有机碳质量分数发现，当生物炭用量一定（12 t/hm2）时，随着沼液配比的变化，土壤水稳性团聚体有机碳呈现出随沼液量的增大而逐渐增加的趋势。这一结果与郑健等[33]的研究结论相似，即生物炭与沼液配施土壤有机质增加幅度为4.8%～37.1%，且增加幅度随施用量的增加而增大。可能是沼液本身含有有机质，且生物炭含碳丰富，吸持能力的提高有利于土壤有机碳质量分数的增加[33]。本试验相关性分析表明，水稳性团聚体有机碳和>0.25 mm粒级的大团聚体质量分数、MWD值和GMD值均呈极显著正相关关系，说明团聚体有机碳和团聚体结构之间相互联系，相互影响，能够很好地反映土壤团聚体稳定性。

本试验中，B+BS2处理的>0.25 mm水稳性大团聚体质量分数、团聚体MWD值和GMD值和各粒级的土壤有机碳质量分数均位于8个处理中的前2位，很好地反映出生物炭配施沼液有利于提高土壤团聚体稳定性。当生物炭用量一定时，随着沼液浓度量的增大，对土壤团聚体结构的改善作用反而受到了一定的限制。因此生物炭和沼液的施用量还应根据当地土壤特点和作物需肥规律来进一步研究。综合试验结果可知，12 t/hm2的生物炭配施1∶4的沼液对于提高该区土壤团聚体稳定性、改善土壤结构的作用效果最佳。