生物炭及炭基肥對(duì)棕壤持水能力的影響

潘全良，陳 坤，宋 濤，徐曉楠，戰(zhàn)秀梅，彭 靖，蘇慧清，王 月，韓曉日

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地與環(huán)境學(xué)院 土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心，沈陽(yáng)110866）

生物炭及炭基肥對(duì)棕壤持水能力的影響

潘全良，陳 坤，宋 濤，徐曉楠，戰(zhàn)秀梅，彭 靖，蘇慧清，王 月，韓曉日

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地與環(huán)境學(xué)院 土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心，沈陽(yáng)110866）

通過(guò)連續(xù)6年微區(qū)定位試驗(yàn)，以傳統(tǒng)的土壤培肥方式作為對(duì)照，探究較長(zhǎng)時(shí)間施用生物炭和炭基肥對(duì)土壤保水作用的影響，為生物炭農(nóng)用提供理論參考。定位試驗(yàn)于2009年開始，連續(xù)6年進(jìn)行了花生微區(qū)田間試驗(yàn)（2 m2）。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，分別為秸稈還田+NPK（CS）、施用豬廄肥+NPK（PMC）、生物炭+NPK（BIO）和炭基肥（BF）處理，在2014年花生的生育期間測(cè)定了表層土壤含水量、水分累積蒸發(fā)量和土壤理化性質(zhì)。研究表明：土壤水分含量充足時(shí)，BIO和BF處理含水量與PMC處理接近，都高于CS處理；土壤含水量較低時(shí)，BIO和BF處理含水量低于CS和PMC處理。與秸稈還田和施用豬廄肥相比，生物炭處理可提高土壤供水?dāng)?shù)量但降低土壤保水能力。炭基肥處理降低了土壤供水?dāng)?shù)量和保水能力。

生物炭；炭基肥；保水能力；土壤結(jié)構(gòu)

影響土壤肥力主要因素有水、肥、氣、熱這幾個(gè)因子，水分不僅是土壤的重要組成部分，它的數(shù)量和運(yùn)動(dòng)變化影響著土壤氣、熱狀況，同時(shí)作為養(yǎng)分循環(huán)和流動(dòng)載體對(duì)養(yǎng)分的有效性也起著關(guān)鍵的作用，還深刻影響著土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)[1]，對(duì)植物的生長(zhǎng)有不可替代的作用。土壤持水能力的高低主要取決于土壤結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)含量，土壤結(jié)構(gòu)中的機(jī)械組成、密度、團(tuán)聚體、孔隙度、大孔隙半徑及密度等不僅影響土壤表層固、液、氣三相的分配比例，而且對(duì)土壤水分運(yùn)移、物質(zhì)運(yùn)輸以及能量交換等產(chǎn)生重要作用[2]。土壤有機(jī)質(zhì)含量可以直接影響土壤吸水能力，也可以通過(guò)改善土壤結(jié)構(gòu)間接地提高土壤持水性能。向土壤中添加不同的有機(jī)物料，對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)以及生物代謝影響是不同的[3-4]，秸稈還田和施用有機(jī)肥可以改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤持水性能，早已有大量研究報(bào)道[5-9]，并對(duì)其改良作用給予充分肯定。生物炭具有疏松多孔、比表面積大的特征[10]，施入土壤后可以改善土壤結(jié)構(gòu)、通氣性以及保水能力[11]。炭基肥是生物炭農(nóng)用的另一種方式，有研究報(bào)道炭基肥可以提高水稻經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量，增加籽粒氮素累積效率[12]。如果將生物炭作為一種改良土壤的材料，還應(yīng)該明確其與傳統(tǒng)的土壤培肥方式之間改良效果的差異及優(yōu)劣，但目前這方面的研究鮮有報(bào)道。沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)植物營(yíng)養(yǎng)研究團(tuán)隊(duì)自2009年開始進(jìn)行生物炭及炭基肥（專利產(chǎn)品，基于生物炭的復(fù)合肥）改土微區(qū)定位試驗(yàn)，同時(shí)以玉米秸稈還田、豬廄肥作為對(duì)照試驗(yàn)，本文在此定位試驗(yàn)基礎(chǔ)上，探究在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間定位施用生物炭和炭基肥對(duì)土壤持水能力的影響，為生物炭農(nóng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間微區(qū)試驗(yàn)位于國(guó)家花生產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系土壤肥料長(zhǎng)期定位試驗(yàn)基地—沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)花生基地（40°48′N，123°33′E），屬于溫帶濕潤(rùn)—半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候（春季干旱，6—8月濕潤(rùn)），年平均氣溫7.0～8.1℃，年平均降雨量574～684 mm。試驗(yàn)于2008年整地2009年春季開始，小區(qū)面積2 m2。試驗(yàn)前0—20 cm土層土壤有機(jī)碳含量7.75g/kg，土壤全氮含量0.86 g/kg，土壤全磷含量0.51 g/kg，堿解氮含量51.3 mg/kg，速效磷含量4.60 mg/kg，速效鉀含量114.51 mg/kg，p H值6.10（水土比2.5：1），CEC值為8.32 cmol/kg。試驗(yàn)前原始土壤砂粒含量67.7%，粉粒含量6.3%，黏粒含量19.0%，根據(jù)國(guó)際制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)確定為砂質(zhì)黏壤土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，分別為生物炭（BIO）、玉米秸稈（CS）、豬廄肥（PMC）3種物料與氮磷鉀化肥配施以及單施炭基肥（BF）。處理1：秸稈（CS）4 500 kg/hm+NPK（N：55.5 kg/hm2；P2O5：72.0 kg/hm2；K2O：69.0 kg/hm2）；處理2：豬廄肥（PMC）13 500 kg/hm2+NPK（N：45.0 kg/hm2；P2O5：52.5 kg/hm2；K2O：46.5 kg/hm2）；處理3：生物炭（BIO）1 500 kg/hm2+NPK（N：55.5 kg/hm2；P2O5：72.0 kg/hm2；K2O：69.0 kg/hm2）；處理4：炭基肥（BF）（11—11—13）750 kg/hm2?；史N類為尿素（46%N），過(guò)磷酸鈣（12%P2O5）和硫酸鉀（50%K2O）。生物炭（遼寧生物炭工程技術(shù)研究中心提供）為玉米芯450℃裂解并過(guò)0.149～0.167 mm篩后造粒；秸稈粉碎至2～3 cm長(zhǎng)，秸稈和豬廄肥為干基重量，炭基肥為玉米秸稈450～550℃裂解制備的生物炭與無(wú)機(jī)肥料復(fù)合而成，C含量20%、N含量11%、P2O5含量11%、K2O含量13%。每年于播前將各有機(jī)物料、肥料與土壤耕層混合，人工除去雜草，收獲后將地上植株殘?bào)w移除，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)重復(fù)，完全隨機(jī)排列。

1.3 土壤樣本采集與測(cè)試方法

1.3.1 樣本的采集 在花生成熟期（2014年9月）采集0—20 cm原狀土樣，用塑料盒帶回實(shí)驗(yàn)室，避免受到機(jī)械壓力而破碎，稍陰干時(shí)即將土壤沿自然結(jié)構(gòu)面輕輕地掰成直徑約為1 cm左右的小土塊，除去粗根和小石塊，風(fēng)干，用于團(tuán)聚體的測(cè)定。另在微區(qū)中采集0—20 cm土樣，放置室內(nèi)通風(fēng)處陰干，粉碎并過(guò)0.149 mm篩，用于測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量。

1.3.2 土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定方法 土壤容重、田間持水量和土壤孔隙度的測(cè)定：使用100 cm3環(huán)刀（直徑50.46 mm×高50 mm）采集表層下7—12 cm原位土壤，并使用鋁盒法測(cè)定環(huán)刀周圍土壤含水量，計(jì)算土壤容重、田間持水量和土壤孔隙度[13]。

團(tuán)聚體的測(cè)定：采用沙維諾夫和約得法[14-15]分別分離出＞0.25 mm和＜0.25 mm粒級(jí)的干穩(wěn)性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體。

土壤比重采用比重瓶法測(cè)定；土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤速效磷采用0.5 mol/L Na HCO3浸提，鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤速效鉀采用NH4OAc浸提，火焰光度計(jì)測(cè)定；p H值采用p H值計(jì)按土水比1：2.5測(cè)定；土壤全氮和有機(jī)碳采用元素分析儀（Vavio EL德國(guó)）測(cè)定。

土壤水分蒸發(fā)累積量的測(cè)定：使用100 cm3環(huán)刀（直徑50.46 mm×高50 mm）原位采集表層土壤100 g，放置于實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)處，每隔2 d稱量環(huán)刀內(nèi)水分蒸發(fā)的重量，持續(xù)30 d，將水分蒸發(fā)累積量繪制曲線，即為水分蒸發(fā)累積曲線。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013與SPSS 19.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)土壤水分蒸發(fā)累積量和土壤含水量的影響

2.1.1 生物炭對(duì)土壤水分蒸發(fā)速率的影響 表層土壤變干的過(guò)程一般經(jīng)過(guò)3個(gè)階段：一是初期固定蒸發(fā)速率階段，土壤水分接近飽和，影響水分蒸發(fā)速率的因素只有氣象條件；二是蒸發(fā)速率遞減階段，此階段對(duì)土壤水分蒸發(fā)速率最大的因素變?yōu)橥寥罈l件；三是蒸發(fā)消滯階段，此階段土壤表層接近干燥，土壤蒸發(fā)主要通過(guò)水分汽化的方式擴(kuò)散到大氣中，其速率主要取決于下層土壤的含水量及土壤中水汽壓梯度[16]。

由圖1可以看出，在模擬試驗(yàn)前期（前9天內(nèi)），土壤內(nèi)水分含量較為充足，生物炭和炭基肥處理水分累積蒸發(fā)量都高于秸稈還田和豬廄肥處理，這段時(shí)間內(nèi)生物炭和炭基肥處理土壤水分蒸發(fā)速率高于秸稈還田和豬廄肥處理，說(shuō)明生物炭和炭基肥處理土壤保水能力低于秸稈還田和豬廄肥處理；在模擬試驗(yàn)的中后期（第12～30天），生物炭處理的土壤水分蒸發(fā)速率與豬廄肥處理持平，都高于秸稈和炭基肥處理。在模擬試驗(yàn)結(jié)束后，土壤已處于風(fēng)干狀態(tài)，水分主要以吸濕水形態(tài)存在，水分蒸發(fā)累積量越高即為環(huán)刀內(nèi)100 g原狀土中含水量越高，生物炭處理水分累積蒸發(fā)量最高，炭基肥處理累積蒸發(fā)量最低，說(shuō)明生物炭處理土壤含水量最高，為17.7%；炭基肥處理土壤含水量是最低的，為15.9%。由于本試驗(yàn)土壤質(zhì)地為砂質(zhì)黏壤土，凋萎系數(shù)在3%～5%，在凋萎系數(shù)之前的土壤水分對(duì)作物來(lái)說(shuō)均為有效水，有效水含量由高到低排序?yàn)锽IO＞PMC＞CS＞BF，所以與秸稈還田和施用豬廄肥相比，生物炭處理為作物生長(zhǎng)提供的有效水含量增加，而炭基肥處理則降低了土壤有效水的供給。

圖1 土壤水分蒸發(fā)累積量曲線

通過(guò)對(duì)不同處理下水分蒸發(fā)累積量以及水分蒸發(fā)量占總蒸發(fā)量百分比隨蒸發(fā)時(shí)間延長(zhǎng)的變化動(dòng)態(tài)，也就是對(duì)各處理中水分蒸發(fā)累積量以及水分蒸發(fā)量占總蒸發(fā)量百分比隨蒸發(fā)時(shí)間進(jìn)行回歸分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：施用生物炭及附屬產(chǎn)物和傳統(tǒng)培肥方式水分蒸發(fā)積累動(dòng)態(tài)變化規(guī)律非常相似。通過(guò)選用不同曲線模型對(duì)其動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)用對(duì)數(shù)方程y=a+blgt來(lái)擬合，效果最好（表1）。

表1 各處理間水分蒸發(fā)累積曲線與蒸發(fā)時(shí)間的回歸方程

各處理中水分蒸發(fā)積累并非保持著同一個(gè)速率，而是有的快，有的慢。這種快慢的差別就體現(xiàn)了添加的各種有機(jī)物料對(duì)土壤保水能力以及供水?dāng)?shù)量的影響。對(duì)表1中的對(duì)數(shù)方程y=a+blgt求時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，即能得到各處理水分蒸發(fā)速率隨時(shí)間變化的方程。

各處理中時(shí)間（t）取同一數(shù)值時(shí)，蒸發(fā)累積量的變化速率與常數(shù)b呈正相關(guān)關(guān)系，即b值越大，在時(shí)間t天時(shí)土壤水分累積量增加越多。在本試驗(yàn)中生物炭處理的b值與豬廄肥處理持平，都高于秸稈和炭基肥處理，炭基肥處理回歸方程中b值最小。當(dāng)t值等于1時(shí)，水分蒸發(fā)累積量（y）等于常數(shù)a，a值與各處理初始蒸發(fā)速率呈正相關(guān)關(guān)系，即a值越大土壤水分蒸發(fā)速率越快。

水分蒸發(fā)累積百分比是土壤水分蒸發(fā)量與水分總蒸發(fā)量的百分比，是土壤水分的相對(duì)蒸發(fā)速率，與土壤含水量沒(méi)有關(guān)系，其變化速率可以解釋試驗(yàn)土壤在含水量不一致的前提下土壤水分蒸發(fā)的快慢。對(duì)表1中的對(duì)數(shù)方程Y=A+BlgT求時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，導(dǎo)函數(shù)與上文一致，但是各處理中B值的大小排序發(fā)生了變化，生物炭和炭基肥處理中B值均小于秸稈還田和施用豬廄肥處理，這說(shuō)明生物炭和炭基肥處理在時(shí)間T天時(shí)土壤水分累積蒸發(fā)量的百分比低。

2.1.2 生物炭對(duì)土壤含水量的影響 土壤相對(duì)含水量是土壤含水量與田間持水量的比值，這個(gè)指標(biāo)能更好地反映各種土壤持水性能和土壤水分的有效性及土壤水氣狀況，是評(píng)估不同土壤供給作物水分的統(tǒng)一尺度[17]。由圖2可知，生物炭和炭基肥對(duì)土壤持水性能的影響與土壤含水量有密切關(guān)系。當(dāng)土壤含水量較為充足，即相對(duì)含水量高于40%時(shí)，生物炭和炭基肥處理土壤保水性能較好，與豬廄肥持水性能接近，都優(yōu)于秸稈還田處理；當(dāng)土壤較為干旱，即相對(duì)含水量低于30%時(shí)，各處理含水量都持續(xù)下降，其中炭基肥處理含水量最低，豬廄肥和秸稈還田處理含水量分別比它高24%和20%；生物炭處理與秸稈還田處理土壤含水量相近，但與豬廄肥處理相比低了6%。

圖2 2014年不同處理對(duì)土壤含水量的影響

2.2 生物炭對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 生物炭對(duì)各處理間孔隙隙狀況的影響 土壤容重是土壤最基本的物理性狀之一，可反映土壤的孔隙狀況和松緊程度，能夠影響植物賴以生存的土壤環(huán)境中水、肥、氣、熱的狀況，進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)[7]。土壤毛管孔隙可以持水，因此毛管孔隙度可以與田間持水量一起用來(lái)評(píng)價(jià)土壤持水能力。

由表2可見，BIO和BF處理中土壤比重高于CS和PMC處理；CS處理的土壤容重最低，為1.21 g/cm3，其次為BF和BIO處理，PMC處理容重最大；總孔隙度以CS處理最高，其次為BF和BIO處理，PMC處理容重最小，雖然比重、容重和總孔隙度大小有一定差異，但差異未達(dá)到顯著水平；BIO處理的毛管孔隙度和田間持水量顯著高于其他處理，BF處理與PMC和CS處理無(wú)顯著性差異。由此可見，生物炭在改善土壤通氣和持水潛力方面的效果優(yōu)于秸稈還田、豬廄肥，施用炭基肥對(duì)在改良土壤結(jié)構(gòu)方面的功效與秸稈還田和施豬廄肥沒(méi)有顯著性差異。

表2 不同處理對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

2.2.2 生物炭對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響 一般把＞0.25 mm的團(tuán)聚體稱為土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，其數(shù)量與土壤的肥力狀況呈正相關(guān)[18]。濕篩法獲得的團(tuán)聚體是土壤中的水穩(wěn)性團(tuán)聚體，水穩(wěn)性團(tuán)聚體對(duì)保持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要的貢獻(xiàn)[19]。

通過(guò)干篩法可以獲得原狀土壤中團(tuán)聚體的總體數(shù)量，這些團(tuán)聚體包括非水穩(wěn)性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體。通過(guò)圖3可以看出在干穩(wěn)性團(tuán)聚體中，PMC處理中＞0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量最高，BIO處理次之，CS處理中含量最低；在水穩(wěn)性團(tuán)聚體中，同樣以PMC處理中＞0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量最高，各處理中大團(tuán)聚體含量從高到低排序?yàn)镻MC＞CS＞BIO＞BF，且各處理間差異達(dá)到顯著水平。但是＞0.25 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量最高為24.6%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于＞0.25 mm粒級(jí)干穩(wěn)性團(tuán)聚體的最低含量（77.8%），說(shuō)明該土壤中團(tuán)聚體主要以非水穩(wěn)性團(tuán)聚體形式存在，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性主要取決于非水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。

圖3 不同耕作處理干濕篩下的＞0.25 mm團(tuán)聚體含量

3 討論

3.1 生物炭和炭基肥對(duì)土壤含水量的影響

（1）生物炭和炭基肥通過(guò)改變土壤結(jié)構(gòu)影響土壤含水量。由于生物炭多微孔，使得生物炭密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于土壤的密度[20]。因此生物炭施入后可使土壤容重降低[21]，具有更大的孔隙度，保持更多的水分、空氣和養(yǎng)分[22]，進(jìn)而改善土壤的持水保肥能力。秸稈還田和施用有機(jī)肥都可以降低土壤容重，提高田間持水量。大量研究[8-9，23-26]表明，秸稈還田可以降低土壤容重。秸稈還田后分解形成大量穩(wěn)定腐殖質(zhì)，提高土壤有機(jī)質(zhì)，進(jìn)而促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的發(fā)育[27-28]，使土壤的孔隙增加，土質(zhì)變松，保水保肥的能力增強(qiáng)[9]。中國(guó)農(nóng)科院在山東連續(xù)9 a進(jìn)行的有機(jī)肥與化肥配施的試驗(yàn)表明，容重降低0.03～0.1 g/cm3，總孔隙度提高1.1%～3.8%，毛管孔隙度提高3.45%～5.0%，田間持水量提高2.49%～4.24%[29]。

本研究結(jié)果表明，生物炭具有降低容重、改善土壤持水性能的作用，這與相關(guān)研究[30]結(jié)果一致，并且效果優(yōu)于施用豬廄肥的處理。生物炭處理容重高于秸稈還田處理，與葛順?lè)宓萚31]研究結(jié)果不一致，原因可能在于秸稈還田后，土壤難以壓實(shí)，大大增加了土壤大孔隙數(shù)量。我國(guó)東北地區(qū)年積溫較少，秸稈進(jìn)入土壤后當(dāng)年可能不能完全腐解，殘余的秸稈會(huì)大大降低土壤容重。

與秸稈還田處理相比，生物炭和炭基肥處理總孔隙度少，但其毛管孔隙度顯著高于秸稈還田處理。原因在于秸稈還田后降低了土壤容重、增加了土壤孔隙度，但主要是增加了非毛管孔隙的數(shù)量，非毛管孔隙不能提高土壤持水性能，甚至還會(huì)降低土壤持水性能。

Eynard等[32]研究結(jié)果表明，團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和土壤持水能力受到土壤有機(jī)碳含量和團(tuán)聚體的粒徑分布的影響，在低吸力段內(nèi)，土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性越好土壤持水能力越高。土壤團(tuán)聚體越穩(wěn)定是與土壤有機(jī)碳含量和大團(tuán)聚（＞0.25 mm粒級(jí)）含量呈正相關(guān)[33]。大團(tuán)聚體含量越高，土壤越穩(wěn)定。本試驗(yàn)土壤中水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量占總團(tuán)聚體中的比例太少，團(tuán)聚體總量對(duì)于土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起著主導(dǎo)作用，土壤含水量與干穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.83。本試驗(yàn)中施用豬廄肥處理中干穩(wěn)性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均為顯著性最高（p＜0.05），施用炭基肥處理穩(wěn)定性最差，與豬廄肥相比，炭基肥處理土壤含水量在花生生長(zhǎng)期間一直處于較低水平。

（2）生物炭和炭基肥自身對(duì)土壤含水量的影響。在降水量較為充足的條件下，生物炭和炭基肥處理土壤含水量都高于秸稈還田處理。一方面，生物炭具有復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)和極強(qiáng)的吸附性能[10]，據(jù)報(bào)道[34]，將生物炭作為土壤改良劑施入土壤，可吸附更多的水分和養(yǎng)分離子[35]，提高土壤養(yǎng)分吸持量和持水容量[36]，尤其是氧化后的生物炭可提高砂質(zhì)土壤的持水量[37]，改善土壤持水能力。生物炭可以增加土壤水分滯留減少淋溶作用，這可能與它自身性質(zhì)有關(guān)，生物炭含有羧基和羥基等親水基團(tuán)，隨著生物炭在土壤中的氧化，羧基基團(tuán)會(huì)越多，生物炭的親水性增強(qiáng)[38]。另一方面，秸稈翻壓還田后，會(huì)出現(xiàn)土壤變得過(guò)松，孔隙大小比例不均、大孔隙過(guò)多，導(dǎo)致跑墑跑風(fēng)，土壤水分蒸發(fā)量大[39]。生物炭和炭基肥處理中毛管孔隙度都高于秸稈還田處理，說(shuō)明這兩個(gè)處理的保水能力優(yōu)于秸稈還田處理。

2014年遼寧省遭受60年一遇的干旱災(zāi)害，據(jù)統(tǒng)計(jì)，7月至8月31日全省平均降水量為144.8 mm，較常年同期（316.6 mm）偏少5成，為1951年以來(lái)同期最少值，土壤含水量持續(xù)降低，各處理含水量均下降至田間持水量的30%以下。生物炭和炭基肥對(duì)土壤的持水性能弱于秸稈還田和豬廄肥處理，這可能與生物炭性質(zhì)有關(guān)。生物炭大多含有疏水基團(tuán)[40]，其自身吸水量為100%～200%，所以其持水能力是有限的[41]。周桂玉等[42]通過(guò)差熱和紅外法研究表明，生物炭不僅由芳香化結(jié)構(gòu)組成，而且還含有許多脂肪族和氧化態(tài)碳結(jié)構(gòu)物質(zhì)。生物炭的基團(tuán)會(huì)受材料來(lái)源、制作工藝的影響，且各種基團(tuán)比例與溫度有很大關(guān)系[43]。生物炭中的脂肪族以及烷烴等疏水基團(tuán)會(huì)影響生物炭與水親和的能力，且疏水基團(tuán)愈多，生物炭的保水性也就越差。Dugan等[39]在加納土壤試驗(yàn)中得出，在一定含量?jī)?nèi)生物炭可以提高土壤保水性能，添加量持續(xù)增加反而會(huì)產(chǎn)生疏水作用，使土壤持水能力降低。腐殖質(zhì)的吸水量為400%～600%[44]，是黏土礦物吸水性的10倍，可以起到很好的保水作用。秸稈還田和施用豬廄肥后，土壤中腐殖質(zhì)等有機(jī)膠體含量高于生物炭和炭基肥處理，所以在干旱時(shí)其保水性能高于生物炭和炭基肥處理。

3.2 生物炭和炭基肥對(duì)土壤保水能力的影響

（1）生物炭通過(guò)改變土壤結(jié)構(gòu)影響土壤持水能力。土壤水分蒸發(fā)是土壤水分整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的一種特殊形式的階段。土壤蒸發(fā)受土壤含水量、土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)、土壤色澤和地表特征、土壤中毛管的輸送能力等土壤內(nèi)在因素的影響[16]。生物炭和炭基肥處理在模擬干旱試驗(yàn)的前期（前9 d）土壤水分蒸發(fā)累積量高于秸稈和豬廄肥處理。這說(shuō)明生物炭和炭基肥處理土壤水分蒸發(fā)速率快，與秸稈還田和施用豬廄肥相比，對(duì)土壤水分吸附能力較弱。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是生物炭和腐殖質(zhì)吸水性能差異較大，生物炭吸水量為自身的100%～200%，而腐殖質(zhì)吸水量為自身的400%～600%。另外，生物炭和炭基肥施入土壤后會(huì)加深土壤顏色，使土壤吸熱能力變強(qiáng)，水分蒸發(fā)速度加快。與秸稈還田和施用豬廄肥相比，生物炭和炭基肥處理中毛管孔隙度顯著較高，土壤輸送水分的能力較強(qiáng)，秸稈改變了土壤的部分物理結(jié)構(gòu)，土壤毛細(xì)管部分發(fā)生斷裂，抑制土壤下層水分上升，達(dá)到減緩水分蒸發(fā)的效果[1]，這也是試驗(yàn)前期生物炭和炭基肥水分蒸發(fā)速率快的一個(gè)因素。

在模擬試驗(yàn)的中后期（第12天之后），生物炭和豬廄肥處理土壤水分蒸發(fā)速率高于秸稈和炭基肥處理。這是因?yàn)楫?dāng)土壤水分蒸發(fā)到一定程度，土壤表面相當(dāng)干燥，土壤中液態(tài)水很難到達(dá)表面，土壤水分蒸發(fā)主要是通過(guò)水分汽化，由分子作用擴(kuò)散到大氣中。這時(shí)土壤水分蒸發(fā)速率主要是受土壤含水量的影響，含水量越高土壤水分蒸發(fā)速率越快。

在模擬試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各處理土壤水分累積蒸發(fā)量排序?yàn)锽IO＞PMC＞CS＞BF。生物炭處理土壤水分累積蒸發(fā)量最高，且前期蒸發(fā)速率高于秸稈還田和豬廄肥處理，說(shuō)明施用生物炭與秸稈還田和施用豬廄肥相比可提高土壤供水?dāng)?shù)量但降低了土壤保水能力。炭基肥處理與秸稈還田和豬廄肥處理相比降低了土壤供水?dāng)?shù)量和保水能力。

由本試驗(yàn)通過(guò)水分蒸發(fā)累積量以及水分蒸發(fā)量占總蒸發(fā)量百分比隨蒸發(fā)時(shí)間擬合的回歸方程y=a+blgt（1≤t≤30）可知，在一段時(shí)間內(nèi)，隨著干旱天數(shù)的增加，PMC和BIO處理中能夠?yàn)樽魑锾峁┑乃指哂贑S和BF處理。

（2）生物炭通過(guò)改變土壤有機(jī)質(zhì)含量影響土壤持水能力。土壤持水性能的強(qiáng)弱與土壤有機(jī)質(zhì)含量密不可分，有機(jī)質(zhì)不僅可以增加土壤孔隙度，還可以提高土壤膠體的數(shù)量，增加土壤的吸附能力[45]。在發(fā)育良好的土壤中，其孔隙度和飽和含水量顯著受控于土壤有機(jī)質(zhì)含量[46]，原因在于土壤有機(jī)質(zhì)可以促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的發(fā)育，提高毛管孔隙度，改善土壤通氣和持水性能[33]。由表2可知，本試驗(yàn)中生物炭和炭基肥處理中有機(jī)質(zhì)含量顯著低于秸稈還田和施用豬廄肥處理，這可能是影響生物炭和炭基肥保水性能的主要因素之一。

4 結(jié)論

與秸稈還田和施豬廄肥相比，生物炭和炭基肥處理能夠更加有效地降低土壤容重、提高田間持水量、增大毛管孔隙度；與秸稈還田處理相比，在水分比較充足的情況下，施用生物炭和炭基肥可以提高土壤含水量；在土壤水分貧瘠時(shí)，它們對(duì)土壤水分吸附能力弱于秸稈還田和施用豬廄肥處理；施用生物炭與秸稈還田和施用豬廄肥相比，可提高土壤供水?dāng)?shù)量但降低土壤保水能力。炭基肥處理降低了土壤供水?dāng)?shù)量和保水能力。

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Influences of Biochar and Biochar-Based Compound Fertilizer on Soil Water Retention in Brown Soil

PAN Quanliang，CHEN Kun，SONG Tao，XU Xiaonan，ZHAN Xiumei，PENG Jing，SU Huiqing，WANG Yue，HAN Xiaori
（National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources，College of Land and Environment/Biochar Engineering Technology Research Center of Liaoning Province，Shenyang Agricultural University，Shenyang110866，China）

The objective of this study was to investigate the influence of application of biochar and biocharbased compound fertilizer on soil water retention under test of improving brown soil for the sixth year in a row，so as to provide a theoretical reference for the use of biochar-based fertilizers in agriculture.A microplot（2 m2）field experiment was conducted from 2009 to 2014 with peanut as tested crop.Four treatments were designed：corn straw returning in combination with NPK （CS），pig manure in combination with NPK（PMC），biochar from corncob in combination with NPK （BIO），and biochar-based compound fertilizer（BF）.Surface soil moisture content，cumulative evaporation of water，soil physical and chemical properties of peanut field were determined using their relevant methods before sawing and at different developmental stages of peanut in 2014.The results show that when the water is adequate for the treatments of soil，soil moisture content of BIO and BF were close to PMC and higher than CS；when the water moisture is low，BIO and BF were lower than PMC and CS.Compared with CSand PMC，BIO can improve the soil water quantity but lower soil water retention capacity，BF decreases the soil water quantity and water retention capacity.

biochar；biochar-based compound fertilizer；water retention capacity；soil structure

S157.3;S153

A

1005-3409（2017）01-0115-07

2016-03-09

2016-03-21

國(guó)家自然科學(xué)基金（41201283）；國(guó)家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201303095-15）資助；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAD23B05）

潘全良（1991—），男，山東汶上人，在讀碩士，研究方向?yàn)橹参餇I(yíng)養(yǎng)與土壤肥力。E-mail：qlpan0228＠sina.com

戰(zhàn)秀梅（1974—），女，遼寧朝陽(yáng)人，副教授，博士，主要從事植物營(yíng)養(yǎng)與土壤肥力研究。E-mail：xiumeizhan＠163.com