秸稈生物炭對(duì)煙區(qū)土壤剖面團(tuán)聚體組成及有機(jī)碳分布的影響

王恩武 徐瑋 王津軍 林躍平 肖志新 李永亮

摘要 為了探究秸稈生物炭還田對(duì)改良植煙土壤品質(zhì)的影響，在保山煙區(qū)研究了不同施用量秸稈生物炭對(duì)土壤剖面團(tuán)聚體組成及有機(jī)碳分布的影響。結(jié)果表明，與常規(guī)施肥對(duì)照相比，在常規(guī)施肥基礎(chǔ)上增施生物炭4 500、9 000 kg/hm2提高了0～20 cm和20～40 cm土層中堿解氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀的含量，其中增施生物炭4 500 kg/hm2處理顯著增加了0～20 cm土層中有效磷、速效鉀含量及20～40 cm土層中堿解氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷含量，增施生物炭9 000 kg/hm2處理顯著增加了0～20 cm土層中有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀含量及20～40 cm土層中有效磷、速效鉀的含量；與常規(guī)施肥對(duì)照相比，在常規(guī)施肥基礎(chǔ)上增施生物炭4 500、9 000 kg/hm2處理增加了2～5、1～2、0.5～1.0、0.25～0.50 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量，其中增施生物炭9 000 kg/hm2處理顯著增加了2～5 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量，增幅為78.31%；與常規(guī)施肥對(duì)照相比，在常規(guī)施肥基礎(chǔ)上增施生物炭4 500、9 000 kg/hm2處理各粒級(jí)有機(jī)碳的含量均顯著增加，其中增施生物炭9 000 kg/hm2處理對(duì)各粒級(jí)有機(jī)碳含量的增加量均大于增施生物炭4 500 kg/hm2處理，增幅分別為17.78%、17.86%、18.08%、27.64%、54.28%和61.19%。由此說明，秸稈生物炭還田不同程度提高了耕層土壤中土壤養(yǎng)分含量、各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體以及有機(jī)碳的含量。

關(guān)鍵詞 煙區(qū)；生物炭；土壤養(yǎng)分；土壤團(tuán)聚體；土壤有機(jī)碳；影響

中圖分類號(hào) S152.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）21-0184-03

Effects of Straw Biochar on Soil Aggregate Composition and Soil Organic Carbon Distribution in Tobacco Planting Area

WANG En-wu 1 XU Wei 2 WANG Jin-jun 3 LIN Yue-ping 4 XIAO Zhi-xin 4 LI Yong-liang 4 *

（1 Shidian County Tobacco Corporation in Baoshan City，Shidian Yunnan 678200； 2 Tobacco Industrial Limited Corporation of Guizhou；

3 China Tobacco Corporation Yunnan Company； 4 Baoshan Branch of Yunnan Province Tobacco Company）

Abstract In order to explore the effect of returning straw biochar to field on improving soil quality of tobacco planting area，the effect of returning straw biochar to field on soil aggregate composition and soil organic carbon distribution in tobacco planting area of Baoshan City was studied.The results showed that，compared with the control（conventional fertilization treatment），the treatments of increasing biochar 4 500 kg/hm2 and 9 000 kg/hm2 improved the contents of alkaline hydrolysis nitrogen，organic matter，available phosphorus and readily available potassium in the soil（depth of 0-20 cm and 20-40 cm）.The treatment of increasing biochar 4 500 kg/hm2 improved the contents of available phosphorus and readily available potassium in the 0-20 cm depth soil，and improved the contents of alkaline hydrolysis nitrogen，organic matter，and available phosphorus in the 20-40 cm depth soil.The treatment of increasing biochar 9 000 kg/hm2 improved the contents of organic matter，available phosphorus and readily available potassium in the 0-20 cm depth soil，and improved the contents of available phosphorus and readily available potassium in the 20-40 cm depth soil.Compared with the control，the treatments of increasing biochar 4 500 kg/hm2 and 9 000 kg/hm2 increased the aggregate quantity of soil in depth of 2-5 mm，1-2 mm，0.5-1.0 mm and 0.25-0.50 mm.The treatment of increasing biochar 9 000 kg/hm2 increased the aggregate quantity of soil in depth of 2-5 mm by 78.31%.Compared with the control，the treatments of increasing biochar 4500 kg/hm2 and 9000 kg/hm2 improved the contents of soil organic carbon，and the effect of treatment of increasing biochar 9 000 kg/hm2 was more remarkable than the treatment of increasing biochar 4 500 kg/hm2.The increasing amplitude was 17.78%，17.86%，18.08%，27.64%，54.28% and 61.19%，respectively.This indicated that soil nutrients，soil aggregate composition and soil organic carbon distribution were improved by returning straw biochar to field with different degrees.

Key words tobacco planting area；biochar；soil nutrient；soil aggregate；soil organic carbon；effect

當(dāng)前我國耕地資源緊張，隨著集約化農(nóng)業(yè)的普及，伴隨而來的是有機(jī)肥施用量的減少、土壤結(jié)構(gòu)的破壞和面源污染的加劇，土壤改良已經(jīng)成為了當(dāng)務(wù)之急[1]。

目前，針對(duì)改良土壤采用的主要辦法有種植綠肥、秸稈生物炭還田和施用土壤改良劑等[2-3]，其中秸稈生物炭作為一種有效的新興土壤改良材料而備受關(guān)注。

秸稈生物炭是一種含碳量較高的黑炭類固態(tài)物質(zhì)，它由生物質(zhì)在完全或部分缺氧條件下煅燒產(chǎn)生[4]。潘根興等發(fā)現(xiàn)，生物炭的施入可使其與土壤顆粒形成有機(jī)無機(jī)復(fù)合體和團(tuán)聚體，在改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的同時(shí)也增加土壤有機(jī)碳含量。而且秸稈生物炭還田不僅可以增加土壤有機(jī)碳含量、改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤肥力[5-8]，還可以增加土壤剖面水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量[9-10]、提高土壤對(duì)元素的固持能力、降低土壤營養(yǎng)元素的淋失[11]。

土壤團(tuán)聚體與有機(jī)碳是評(píng)價(jià)土壤肥力高低的2個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。其中，土壤團(tuán)聚體是土壤的基本組成單元，它對(duì)土壤的諸多性質(zhì)和肥力都有著重要影響[12]；另外，土壤有機(jī)碳是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的核心要素，它影響著土壤理化和生物學(xué)各個(gè)過程[13]。土壤剖面團(tuán)聚體和有機(jī)碳之間有著密切的聯(lián)系，一方面，有機(jī)碳在團(tuán)聚體的包裹下可以減少微生物分解的影響；另一方面，土粒在有機(jī)碳的膠結(jié)作用下增加了團(tuán)聚性，從而促進(jìn)了團(tuán)聚體形成[14-16]。目前，秸稈生物炭還田對(duì)煙田土壤改良的應(yīng)用研究逐漸增多，但基于各個(gè)地區(qū)不同的氣候及土壤條件下適宜的生物炭施用量還需要進(jìn)一步明確。本研究利用云南保山地區(qū)豐富的秸稈資源，研究秸稈生物炭還田后對(duì)煙田土壤理化性質(zhì)的影響，以期為保山市煙田土壤改良提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年在云南省騰沖市界頭鎮(zhèn)的試驗(yàn)田進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)地處丘陵區(qū)，試驗(yàn)地土壤類型為壤土。試驗(yàn)田肥力均勻，常年種植烤煙，已連續(xù)種植4年以上；試驗(yàn)區(qū)土壤主要理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)含量8.58 g/kg，堿解氮含量91 g/kg，有效磷含量20.6 g/kg，有效鉀含量213.59 g/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

供試烤煙品種為云煙87；供試生物炭為中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所提供的油菜秸稈原料生物炭。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理，分別為常規(guī)施肥+生物炭4 500 kg/hm2（T1）、常規(guī)施肥+生物炭9 000 kg/hm2（T2），以常規(guī)施肥作對(duì)照（CK）。3次重復(fù)，共計(jì)9個(gè)小區(qū)，采取隨機(jī)區(qū)組排列。區(qū)組內(nèi)土壤、地形等條件應(yīng)相對(duì)一致，區(qū)組間允許有差異。每個(gè)小區(qū)6行，每行不少于15株。試驗(yàn)地塊四周設(shè)置不低于2行的保護(hù)行。

整地前把生物碳均勻撒施田間，旋耕翻入土壤。其他栽培措施同當(dāng)?shù)亍?/p>

1.4 調(diào)查內(nèi)容與方法

試驗(yàn)前采集土壤樣品，用土鉆取0～20、20～40、40～60 cm土層樣品約1 kg，分別制備新鮮或風(fēng)干土樣。其中，風(fēng)干的土樣測(cè)定土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳、堿解氮、有效磷、速效鉀等。

烤煙成熟采收后收集土壤樣品，用土鉆取0～20、20～40、40～60 cm土層樣品約1 kg，分別制備新鮮或風(fēng)干土樣。其中，風(fēng)干的土樣測(cè)定土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳、全氮、有效磷、速效鉀等。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈生物炭還田對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

由表1可知，在土層0～20 cm中，與CK相比，處理T1、T2的土壤中堿解氮、有機(jī)質(zhì)、pH值、有效磷、速效鉀的含量均有所增加，其中處理T1、T2的有效磷、速效鉀和處理T2的有機(jī)質(zhì)均顯著增加。處理T1的有效磷、速效鉀增幅分別為86.53%、29.98%，處理T2的有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀增幅分別為27.92%、77.89%、25.75%。在土層20～40 cm中，與CK相比，處理T1、T2增加了除pH值外的其他養(yǎng)分含量，其中處理T1顯著增加了土壤堿解氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷含量，增幅分別為17.65%、23.11%、58.31%，處理T2顯著增加了土壤有效磷、速效鉀含量，增幅分別為46.51%、44.48%。在土層40～60 cm中，與CK相比，處理T1、T2降低了土壤中堿解氮、有機(jī)質(zhì)、pH值、有效磷、速效鉀的含量。

2.2 秸稈生物炭對(duì)耕層土壤團(tuán)聚體含量的影響

由表2可知，與CK相比，處理T1、T2增加了2～5、1～2、0.5～1.0、0.25～0.50 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，其中2～5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量在處理T2下顯著增加，增幅為78.31%。與CK相比，處理T1、T2降低了>5 mm粒級(jí)及<0.25 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量，其中處理T2對(duì)>5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的降低量顯著，降幅為26.89%。

2.3 秸稈生物炭對(duì)耕層土壤有機(jī)碳的影響

由表3可知，不同處理均以<0.25mm粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量最高。與CK相比，處理T1、T2各粒級(jí)有機(jī)碳的含量均顯著增加，其中處理T2對(duì)各粒級(jí)有機(jī)碳含量的增加量均大于處理T1，處理T2增幅分別為17.78%、17.86%、18.08%、27.64%、54.28%和61.19%。

3 結(jié)論與討論

秸稈生物炭具有非常大的表面積[17]，擁有發(fā)達(dá)的孔隙度和大量表面負(fù)電荷，同時(shí)還具有電荷密度高的特性。以上特性使秸稈生物炭對(duì)無機(jī)離子和極性、非極性化合物有較強(qiáng)的吸附性[18-20]。

通過秸稈生物炭的吸附作用可以防止土壤中氮、磷、鉀元素的淋失。此外，秸稈生物炭還有類似有機(jī)質(zhì)的作用，可以吸附土壤有機(jī)分子、催化促進(jìn)小有機(jī)分子聚合形成有機(jī)質(zhì)和生物炭自身的分解促進(jìn)腐殖質(zhì)產(chǎn)生[21]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，秸稈生物炭的施用提高了土壤中堿解氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀的含量，其中在常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上增施生物炭4 500 kg/hm2處理顯著增加了0～20 cm土層中有效磷、速效鉀含量及20～40 cm土層中堿解氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷含量，在常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上增施生物炭9 000 kg/hm2處理顯著增加了0～20 cm土層中有機(jī)質(zhì)、有效磷、速效鉀含量及20～40 cm土層中有效磷、速效鉀的含量，與前人研究結(jié)果基本一致[22-24]。但在土層40～60 cm中，與常規(guī)施肥對(duì)照相比，在常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上增施生物炭4 500 kg/hm2與9 000 kg/hm2處理降低了土壤中堿解氮、有機(jī)質(zhì)、pH值、有效磷、速效鉀的含量，這可能是因?yàn)樯锾恐饕┯糜?0 cm以內(nèi)耕層中，由于生物炭吸附作用的存在降低了土壤中元素的淋失，這與李江舟等[25]的研究結(jié)果相符合。

秸稈生物炭的合理施用可以增加土壤微生物的活性，從而促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成并增加其穩(wěn)定性[26]，同時(shí)團(tuán)聚體又對(duì)有機(jī)碳具有物理保護(hù)作用，可以降低微生物對(duì)它的分解速率，這也保證了有機(jī)碳可以在土壤中穩(wěn)定地存在。土壤團(tuán)聚體根據(jù)粒級(jí)的大小可以分為微團(tuán)聚體（粒徑<0.25 mm）和大團(tuán)聚體（粒徑>0.25 mm），其中富含大團(tuán)聚體的土壤具有良好的結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)它也與土壤肥力成一定的正比例相關(guān)[27]，微團(tuán)聚體一般是由大團(tuán)聚體分解或者由黏粒與有機(jī)物膠結(jié)形成的產(chǎn)物，微團(tuán)聚體也是土壤中有機(jī)碳的主要儲(chǔ)存場所[28]。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，與常規(guī)施肥對(duì)照相比，在常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上增施生物炭4 500 kg/hm2與9 000 kg/hm2處理增加了2～5、1～2、0.5～1.0、0.25～0.50 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，其中2～5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量在常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上增施生物炭9 000 kg/hm2處理下顯著增加，增幅為78.31%。在常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上增施生物炭4 500、9 000 kg/hm2處理顯著降低了>5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量，降幅為26.89%。這一結(jié)果與吳鵬豹等[9]及Biswas等[10]的研究結(jié)果基本一致。在本試驗(yàn)中，不同處理均以<0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量最高，在常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上增施生物炭4 500、9 000 kg/hm2處理顯著增加了各粒級(jí)有機(jī)碳的含量，其中增施生物炭9 000 kg/hm2處理對(duì)各粒級(jí)有機(jī)碳含量的增加量均大于增施生物炭4 500 kg/hm2處理，增幅分別為17.78%、17.86%、18.08%、27.64%、54.28%和61.19%，這一結(jié)果與米會(huì)珍等[29]的研究結(jié)果相符。

在保山煙區(qū)植煙土壤施用秸稈生物炭后，不同程度地提高了耕層土壤中堿解氮、有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀的含量，有效增加了作物對(duì)土壤養(yǎng)分的利用率[30]。秸稈生物炭的施入還增加了各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體以及有機(jī)碳的含量，降低了土壤養(yǎng)分的淋失，增加了土壤肥力。

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