施用生物炭对国槐人工林土壤理化性质的影响

方健梅，蒋丽伟，杨 帆，闫芳彬，盛昌昌

(1.国家林业和草原局林草调查规划院，北京 100714； 2.北京林业大学林学院，北京 100083)

土壤碳库是陆地生态系统中储量最大的有机碳库，在全球气候变化中起重要作用[1]。目前对园林废弃物不合理的管理措施如焚烧、填埋等，是导致土壤生态系统物质循环和能量流动中断、环境污染的主要原因[2]。园林废弃物堆肥施用后，在改善土壤质量的同时也会增加CO2等温室气体的排放[3]，而以园林废弃物制备生物炭作为新兴土壤改良剂，则在提高土壤质量，管理农林业废弃物和缓解气候变化等方面都具有很大意义[4]。

生物炭通常是由农林废弃物、动物粪便等原材料在缺氧的条件下，高温裂解而得到的一种高度芳香化、富含碳素的固态产物[5]。对生物炭研究的重视源于对巴西亚马逊河流域中部黑土的认识。研究发现，与周围土壤相比，这种黑土具有更高的肥力和良好的物理特性[6]。生物炭具有含碳量丰富、多孔、吸附能力强、容重小、稳定性强等特点[7]，施用生物炭一方面可以降低土壤pH值[8]，增加土壤有机碳[9]、铵态氮、硝态氮、速效钾等养分含量[10]；另一方面可减小土壤容重[11]，提高孔隙度[12]，增加土壤储水量，促进土壤团聚体的形成，并提高土壤结构的稳定性[13-14]。

目前，关于生物炭施用的研究多数为室内培养试验，缺乏现地试验，限制了对生物炭施入人工林土壤后对土壤改良功能的验证。因此，我们在北京市房山区国槐人工林施用园林废弃物生物炭，研究施用生物炭半年后对土壤速效养分含量、容重、孔隙度以及团聚体组成和稳定性等的影响，以期为培肥土壤、改善土壤物理性质和制定生物炭还林管理措施提供参考。

1 试验区概况

试验地位于北京市房山区张庄村公园(39°74′N，116°08′E)。试验区为暖温带半湿润大陆性季风气候区，属于2018年北京市平原造林示范区，年平均气温为11.6 ℃，年平均降水量为602.5 mm。试验林为国槐人工林，其土壤为冲积性砂质壤土，蓄水保肥能力较差，含全氮0.31 g·kg-1、全磷0.2 g·kg-1、有机碳6.86 g·kg-1、硝态氮0.9 mg·kg-1、铵态氮0.67 mg·kg-1、速效磷0.1 mg·kg-1，土壤pH值为8.65。

2 研究方法

2.1 试验设计

试验材料为园林废弃物经热解炭化的生物炭，由北京市京圃园生物工程有限公司提供，含全氮1.13 g·kg-1、全磷1.29 g·kg-1、有机碳53.54 g·kg-1、硝态氮3.78 mg·kg-1、铵态氮0.21 mg·kg-1、速效磷4.79 mg·kg-1,pH值为9.21。

2021年6月在试验区选择地势平坦、植被分布均匀、土壤异质性小的3年生国槐人工林设置样地，并在样地周围设立标牌进行隔离保护。采用随机区组设计，参考以往研究[4]，各处理生物炭的施用量分别为1(T1)、2(T2)、4(T3)kg·m-2碳当量，并设置不施生物炭的作为对照(CK)，共设4种处理，每种处理重复3次；每块样地面积均为10 m2，各样地之间设2 m的隔离带。生物炭施用方法为撒施后再用旋耕机将生物炭与0～20 cm土层的土混合。

2.2 土壤样品采集与测定

2.2.1 土壤样品采集 2021年12月，在每块样地内随机选取5个点，去除土壤表层凋落物，在0～20 cm土层以体积为100 cm3的环刀采集原状土土样，用胶带密封后带回实验室备用。将原状土样放入取样盒，自然风干后清除石砾、植物残体等杂物，将大土块按照自然纹理剥离成1 cm3左右的小土块作为团聚体的待测样品；同时将混合土壤样品于室温下风干，用于土壤化学性质测定。

2.2.2 土壤样品测定 土壤pH值采用电位法测定，土水比为1∶2.5；有机碳含量采用重铬酸钾氧化外加热法测定；铵态氮含量采用靛酚蓝比色法测定；硝态氮含量采用重氮耦合分光光度法测定；速效磷含量采用钼锑抗比色法测定[16]。土壤容重、含水率、饱和持水量采用环刀法测定[17]。

土壤水稳性团聚体含量采用湿筛法测定[18]。将孔径为2.00、0.250、0.053 mm的3个筛子按孔径从大到小依次叠放在一起，称取50 g自然风干的土样放置于最上层筛子，在水中静置浸泡5 min，然后用团聚体分析仪以30次·min-1的速度震荡5 min；将筛子从水中缓慢取出，静置后分别将筛子中的团聚体转移至烧杯中，55 ℃烘干至恒质量，称量各粒级团聚体质量。

2.3 数据计算

利用环刀法采集和测定土样所得到的数据计算土壤容重(ρs，g·cm-3)、含水率(Cw，%)、饱和持水量(Cc，%)、毛管孔隙度(Pc，%)、非毛管孔隙度(Pn，%)和总孔隙度(Ps，%)。其计算公式如下：

ρs=(m3-m)/v

(1)

Cw=(m0-m3)/(m3-m)

(2)

Cc=(m2-m3)/(m3-m)×100%

(3)

Ps=(m1-m3)/(m3-m)×ρs×100%

(4)

Pc=(m2-m3)/(m3-m)×ρs×100%

(5)

Pn=Ps-Pc

(6)

式中：m为采样当天称取的环刀质量；m0为装有原状土样的环刀质量；m1为装有原状土样的环刀于蒸馏水中浸泡12 h后的质量；m2为环刀在蒸馏水中浸泡12 h后再置于干砂2 h的质量；m3为将环刀置于105 ℃烘干箱中烘至的恒质量；v为环刀容积。

利用湿筛法测定土壤团聚体含量所得到的数据，计算各粒级团聚体含量、团聚体平均重量直径(MWD，mm)、团聚体几何平均直径(GMD，mm)和粒径>0.25 mm团聚体含量(R>0.25，%)。其计算公式如下：

(7)

(8)

(9)

2.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010软件对数据进行预处理；采用SPSS 25.0软件进行单因素方差分析，多重比较采用LSD法；采用Origin 2022软件绘图。

3 结果与分析

3.1 施用生物炭对土壤pH值和速效养分含量的影响

表1结果显示：在国槐人工林土壤中施用生物炭明显增加了其土壤有机碳含量，并随着生物炭施用量的增加而增加；T1、T2和T3处理的土壤有机碳含量分别增加42.3%、97.9%和159.8%；施用生物炭后各处理的土壤pH值以及铵态氮、硝态氮、速效磷含量均没有显著差异。说明生物炭施用对土壤有机碳含量有明显提高作用，但对其他速效养分含量无明显影响。

表1 施用生物炭对土壤pH值和养分含量的影响Tab.1 The effects of biochar application on soil pH and nutrient content处理pH值有机碳/(g·kg-1)铵态氮/(mg·kg-1)硝态氮/(mg·kg-1)速效磷/(mg·kg-1)CK7.99±0.04 a17.94±5.53 c0.78±0.05 a2.57±1.68 a0.20±0.11 aT18.03±0.20 a25.52±8.28 bc0.78±0.06 a4.72±0.85 a0.22±0.09 aT28.25±0.18 a35.51±6.23 ab0.78±0.04 a2.52±0.16 a0.16±0.08 aT37.97±0.32 a46.61±11.14 a0.81±0.10 a2.16±1.50 a0.12±0.08 a 注:同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

3.2 施用生物炭对土壤容重、含水率、饱和持水量和孔隙度的影响

由表2可知：在国槐人工林土壤中施用生物炭明显增加了其土壤饱和持水量，且土壤饱和持水量、非毛管孔隙度和总孔隙度均随着生物炭施用量的增加先增大后减小，总的趋势是增大的。其中T2处理的饱和持水量、非毛管孔隙度和总孔隙度均最大，饱和持水量从0.31提高至0.37，提高了19.4%；非毛管孔隙度从0.05提高至0.1，提高了100.0%；总孔隙度从0.41提高至0.47，提高了14.6%。施用一定量的生物炭可降低其土壤容重，且随着生物炭施用量的增加，土壤容重先降低后又有所增加，总的趋势是下降的，其中T2处理的土壤容重显著低于CK的和T1处理的，低了9.6%。施用生物炭对土壤含水率和毛管孔隙度均没有显著影响。总体而言，生物炭的施用对土壤紧实度和孔隙度有改善作用，提高了土壤饱和持水量。

表2 施用生物炭对土壤容重、含水率、饱和持水量和孔隙度的影响Tab.2 The effects of biochar application on soil bulk density, water content,saturated water content and porosity处理 容重/(g·cm-3) 含水率/% 饱和持水量/% 毛管孔隙度/% 非毛管孔隙度/% 总孔隙度/%CK1.56±0.03 a0.19±0.01 a0.31±0.02 c0.43±0.02 a0.05±0.01 b0.41±0.01 bT11.56±0.05 a0.19±0.02 a0.33±0.03 bc0.45±0.02 a0.05±0.01 b0.41±0.02 bT21.41±0.08 b0.19±0.02 a0.37±0.01 a0.43±0.05 a0.10±0.01 a0.47±0.03 aT31.46±0.07 ab0.19±0.02 a0.35±0.02 ab0.46±0.03 a0.07±0.01 b0.45±0.02 ab

3.3 施用生物炭对水稳性土壤团聚体组成和稳定性的影响

表3结果表明：施用生物炭显著增加了>2.000 mm粒级团聚体的含量，且随着生物炭施用量的增加，>2.000 mm粒级团聚体含量先增加后减少，其中T2处理的最高。施用生物炭显著减少了0.053～0.250 mm粒级团聚体的含量，且随着生物炭施用量的增加，0.053～0.250 mm粒级团聚体含量先减少后增加，其中T2处理的最低，但与T1、T3的差异不显著；施用生物炭对0.250～2.000 mm和<0.053 mm粒级团聚体含量无显著影响。总体来说，施用生物炭可以改变土壤团聚体的组成，提高大团聚体的含量，其中T2处理的效果最好。

施用生物炭明显增加了团聚体的MWD、GMD和R>0.25。T1、T2、T3处理的MWD和R>0.25与对照的差异均显著，但3种处理间的差异不显著；T2和T3处理的GMD显著高于对照的。团聚体MWD、GMD和R>0.25的大小依次均为T2的>T3的>T1的>CK的，说明生物炭的施用提高了土壤团聚体的稳定性，生物炭过量反而会减弱土壤团聚效果。

表3 施用生物炭对土壤各粒级团聚体含量和土壤团聚体MWD、GMD、R>0.25的影响Tab.3 The effects of biochar application on composition of soil particle size fractions and soil aggregates MWD、GMD、R>0.25处理团聚体粒级>2.000 mm0.250～2.000 mm0.053～0.250 mm<0.053 mmMWD/mmGMD/mmR>0.25/%CK22.39±1.84 b13.44±1.06 a10.40±0.75 a3.22±1.44 a5.32±0.38 b1.64±0.25 b0.72±0.01 bT126.98±2.07 a11.66±1.95 a 8.52±0.66 b2.59±0.81 a6.26±0.42 a2.28±0.33 ab0.78±0.03 aT231.09±1.75 a 9.06±1.96 a 7.57±0.86 b1.89±0.53 a7.12±0.34 a3.01±0.31 a0.81±0.03 aT329.43±3.35 a 9.32±2.65 a 8.52±0.39 b2.12±0.47 a6.80±0.7 a2.68±0.55 a0.78±0.02 a

4 结论与讨论

(1)本研究结果显示，在国槐人工林土壤中施用生物炭明显增加了其土壤有机碳含量，增加幅度为42.3%～159.8%；对土壤pH值及铵态氮、硝态氮和速效磷等速效养分含量的影响不显著。生物炭富含碳素，含有结构稳定性强的芳香族多碳，因此，施用生物炭还会增加土壤对有机碳的物理保护(如吸附保护和团聚体保护)，有助于有机碳累积，对碳封存和增加土壤碳汇具有重要意义[19]。生物炭含有大量羧基，通常呈碱性，施用生物炭可以提高土壤pH值，有利于酸性土壤改良[20]，但也有研究表明施用生物炭后土壤pH值会下降[18]。生物炭具有瞬时效应，施用3个月后土壤pH值明显增加，但施用 11个月后其土壤pH值与对照处理的差异不显著[21]。这与本研究土壤pH值变化不显著的结论一致。施用生物炭可明显增加土壤铵态氮、硝态氮和速效磷等养分含量[10，22]。这与本研究结果不同，可能是与供试土壤的性质、施用生物炭的性质和试验时间的长短等因素有关，因此，有必要加强生物炭对土壤生态系统长期影响的研究。

(2)容重降低是土壤物理性质得到改善的一个重要指标。本研究结果表明，在国槐人工林土壤中施用一定量的生物炭可降低其土壤容重，其中以生物炭施用量为2 kg·m-2碳当量处理的效果最好，其土壤容重降低了9.0%；明显增加了其土壤饱和持水量，其中生物炭施用量为2 kg·m-2碳当量处理的效果最好，该处理的土壤饱和持水量、非毛管孔隙度、总孔隙度分别增加了19.4%、100.0%、14.6%。因为生物炭具有疏松多孔的结构，其自身容重较小，对土壤有一定的稀释作用；而且生物炭吸附能力强，可以增加土壤中有机碳的含量，有利于增加微生物的数量和活性，增加土壤矿物颗粒与菌体间的耦合作用，促进团聚体的形成，从而改善土壤结构状况，降低土壤容重[11，23]。生物炭对土壤结构的改良也会影响其含水量和孔隙度等其他物理特性。这是由于生物炭自身具有多孔性且表面较多亲水性官能团，提高了其持水性能，增加了土壤饱和持水量和孔隙度[24]。施用适量的生物炭对人工林土壤改良的效果最佳，但过量施用生物炭会导致土壤改良效果降低。

(3)本研究发现，在国槐人工林土壤中施用生物炭显著增加了土壤大团聚体(粒级>0.25 mm)含量，降低了微团聚体(粒级<0.25 mm)含量。钙、镁和土壤有机碳是土壤团聚体形成的重要胶结剂[25]，本试验施用的生物炭中有机碳含量为53.54g·kg-1，是含碳丰富的外源有机物质，有利于提高土壤微生物量，增加土壤微生物活性，从而产生更多微生物分泌物，使土壤中的微团聚体和粘粉粒(粒级<0.053 mm)向大团聚体转化[26]。另一方面，生物炭本身具有较大的比表面积和吸附力，能够固定多种无机离子及化合物，可以在土壤中形成有机-无机复合物和大粒径团聚体[13-14，27]。也有研究[28]表明，施用生物炭后土壤中团聚体含量没有显著变化，这可能与试验地土壤理化性质有关。

(4)MWD、GMD和R>0.25作为土壤团聚体分布情况的评价指标与土壤团聚体的稳定性具有一致性，其值越大，表明大团聚体含量越高，稳定性越强[29]。本研究发现，生物炭施用量为0(CK)、1(T1)、2(T2)、4(T3)kg·m-2碳当量等不同处理的团聚体稳定性顺序为T2的>T3的>T1的>CK的，当生物炭施用量为2 kg·m-2碳当量时，团聚体MWD、GMD和R>0.25值均最大，土壤团聚体含量和稳定性均最高。