不同的生物炭施用量和施用年限對土壤結構性指標的影響

吳 昱，趙雨森，劉 慧

(1.東北林業(yè)大學 林學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2. 黑龍江農(nóng)墾勘測設計研究院，黑龍江 哈爾濱 150090；3.東北農(nóng)業(yè)大學 理學院，黑龍江 哈爾濱 150030)

東北黑土地是世界上僅有的“四大黑土區(qū)”之一，黑土區(qū)土壤肥沃,富含有機質,腐殖質層深厚,養(yǎng)分含量高，團粒結構好，是中國重要的土壤資源。作為我國最重要的糧食主產(chǎn)區(qū)和商品糧供應基地[1]，維持東北地區(qū)農(nóng)業(yè)穩(wěn)定、保障中國糧食安全具有舉足輕重的作用。然而自20世紀50年代，自然林草植被覆蓋的東北黑土區(qū)被大規(guī)模開墾，多年的重用輕養(yǎng)，使黑土區(qū)土壤退化，自然肥力逐年呈現(xiàn)下降趨勢[2-3]，嚴重影響了東北地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

生物炭近幾年在農(nóng)業(yè)的應用引起廣泛關注，是生物質原材料在缺氧條件下，高溫(< 700 ℃)裂解而成的一種高度芳香化、富含碳素的固態(tài)產(chǎn)物[4]。研究顯示，生物炭具有孔隙結構好、含碳量高、吸附性強等特性，使土壤具有高效的保水保肥性能。生物炭的施入能夠改善土壤的形態(tài)結構，提高土壤持水能力和透水性，減少地表徑流，減少水土流失[5]。提高土壤C/N、土壤pH值，增加土壤有機碳、有效磷和陽離子交換量等[6]，改善土壤養(yǎng)分的生物有效性。生物炭還能改變土壤微生物群落組成，增加土壤中微生物豐度[7]。除此之外，生物炭能夠長期固碳，增加土壤對碳的吸收速率，降低碳排放量。因此，生物炭的合理利用能夠有效地解決維護自然資源、節(jié)能減排等農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題。黑龍江省具有豐富的秸稈資源，但秸稈資源綜合利用率低，尤其傳統(tǒng)的秸稈焚燒嚴重污染大氣，危害人類健康。將秸稈制成生物炭再還至土壤本身，提高黑土區(qū)秸稈綜合利用率，實現(xiàn)循環(huán)農(nóng)業(yè)目標，推進環(huán)境保護工作，有效解決黑龍江省資源和環(huán)境兩大可持續(xù)發(fā)展的阻礙問題。

綜上所述，開展生物炭對黑土區(qū)土地生產(chǎn)力影響的研究，可為黑土區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源高效利用與保護提供理論與技術支撐；同時，可為黑土區(qū)大量秸稈資源的綠色、高效、循環(huán)利用探索出一條新的途徑。對黑土修復和生態(tài)環(huán)境改善，促進黑土區(qū)農(nóng)業(yè)水土資源的永續(xù)利用和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，保障國家糧食安全等方面具有十分重要的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試區(qū)概況

試驗在黑龍江省農(nóng)墾北安分局紅星農(nóng)場試驗基地(126°47′～127°15′E、48°02′～48°17′N，海拔高度298 m)進行，位于東北典型黑土帶上，地勢東高西低，研究區(qū)氣候條件為寒溫帶大陸性季風氣候，四季分明，全年平均降水量555.30 mm，其中70%～80%集中在7—9月[8]。耕地多為丘陵漫崗，耕層土壤以黑土為主，土質肥沃，宜于耕作，并有利于農(nóng)作物生長[8]。但土壤結構不均勻，表層松散，底土黏重，透水性和通透性較差。耕地植被以玉米、大豆為主，由于氣候條件等的影響，春季干旱時有發(fā)生，再加上降水集中且歷時短、強度大，使得該地區(qū)坡耕地水土流失嚴重，土地生產(chǎn)力下降[8]。

1.2 試驗設計

試驗在徑流小區(qū)內進行，小區(qū)規(guī)格為20 m×5 m，坡度為3°。共設置5個生物炭施用量水平，分別為：0(B0)、25 t/hm2(B25)、50 t/hm2(B50)、75 t/hm2(B75)和100 t/hm2(B100)，2次重復，共計10個小區(qū)。各小區(qū)均在2015—2017年連續(xù)三年施用等量生物炭，用以探索不同生物炭施用量及施用年限對坡耕地土地生產(chǎn)力的影響。為觀測土壤含水率動態(tài)及降雨徑流過程，各小區(qū)于試驗前預先埋設TDR管，埋深1.8 m，在小區(qū)末端設有徑流自記系統(tǒng)和泥沙收集系統(tǒng)，自動記錄后的徑流由排水溝排出。每兩個小區(qū)間隔1 m，為了防止側滲的影響，各小區(qū)邊界用埋深1 m的PVC板隔開[8]。供試土壤為草甸黑土，其基本理化性質見表1。供試生物炭原料為玉米秸稈，購于遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司[8]，是將玉米秸稈在無氧條件下經(jīng)過450 ℃高溫裂解制備而成，其具體制備方法參見中國發(fā)明專利(ZL 200710086505.4)[9]，基本理化性質見表2。每年試驗開始前將生物炭均勻鋪撒在徑流小區(qū)土壤表面，經(jīng)人工翻地使其與耕層(0～20 cm)土壤混合均勻，起壟靜置7 d左右播種[8]。供試作物為大豆，品種為黑河3號。

表1 供試土壤理化性質

表2 供試生物炭理化性質

試驗于2015—2017年進行。播種時間分別為2015年5月4日、2016年5月6日和2017年5月2日，分別于2015年10月8日、2016年10月7日和2017年10月4日收獲。水肥管理同當?shù)卮筇飿藴省；什捎脧秃戏剩渲蠳質量分數(shù)為13%、P2O5質量分數(shù)為28%、K2O質量分數(shù)為10%，用量為450 kg/hm2，全部在大豆播種時作為基肥施入，且三年試驗保持一致[8]。

1.3 觀測指標與方法

于每年大豆全生育期末進行取樣，取樣層位為0～20 cm耕層土壤。

(1)土壤容重：采用環(huán)刀法測定。

(2)土壤孔隙度和三相比：采用DIK-1130型土壤三相儀測定。

(3)土壤結構指數(shù)(GSSI)：根據(jù)土壤固相率、液相率、氣相率計算[10]如式(1)所示：

GSSI=[(xg-25)·xy·xq]0.4769

(1)

式中：xg為固相率，>25%；xy為液相率，>0%；xq為氣相率，>0%。

2 結果與分析

2.1 對土壤容重的影響

土壤容重是衡量土壤物理和結構特性的重要指標，其值的大小是判別土壤結構優(yōu)良性的主要依據(jù)之一。圖1為土壤容重隨生物炭施用量及施用年限的變化。連續(xù)施炭三年來土壤容重均隨生物炭施用量的增加而降低，在生物炭施用當年(2015年)B25、B50、B75、B100處理土壤容重較B0分別減小0.87%、3.03%、3.46%和5.63%；連續(xù)施用兩年后，各處理土壤容重較同年B0處理降低的幅度為2.17%、6.09%、8.26%和8.70%；連續(xù)施用三年后，該比例為3.91%、8.26%、10.87%和11.74%。另一方面，隨著生物炭施用年限的增加，各處理土壤容重亦逐漸降低，但降低的速率逐漸減小。并且隨著施用年限的增加，各處理間的差異逐漸增大，2015年各處理土壤容重的變異系數(shù)為2.05%，連續(xù)施用兩年后變異系數(shù)為3.60%，連續(xù)施用三年后變異系數(shù)達4.75%。

圖1 土壤容重隨生物炭施用量及施用年限的變化

建立土壤容重y關于生物炭施用量x及施用年限t的多項式回歸，得到其關于生物炭施用量(x，t/hm2)及施用年限(t，a)的響應關系如式(2)所示：

y=1.1897-0.0305t-0.0008x+

0.000 005x2+0.0055t2-0.0004tx

(2)

經(jīng)方差分析，回歸方程R2為0.9765，P值小于0.0001，達到極顯著水平，表明該回歸方程能夠較好地反映土壤容重與生物炭施用量及施用年限的響應關系。由回歸結果及回歸系數(shù)的檢驗可知，生物炭施用量的一次項對土壤容重有顯著負效應(P=0.0181)，生物炭施用量的二次項對土壤容重有顯著正效應(P=0.0398)；生物炭施用年限的一次項、二次項對土壤容重影響均不顯著(P1=0.1675、P2=0.2932)，但生物炭施用量與施用年限的交互作用對土壤容重有極顯著影響(P=0.0011)。根據(jù)多元函數(shù)極值理論，該函數(shù)在可行域范圍內(x>0，t>0)無極值，即隨著生物炭施用量增大及施用年限的延長，土壤容重逐漸減小。

2.2 對土壤孔隙度的影響

各處理2015—2017年土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度如表3所示。施用生物炭會影響土壤的孔隙結構，在生物炭施用當年，隨著生物炭施用量的增加，總孔隙度逐漸增加，并且這種趨勢一直延續(xù)到連續(xù)施用生物炭三年后，三年施用生物炭的處理較同年B0處理總孔隙度分別增加2.91%～11.08%、8.25%～20.80%和11.79%～23.01%。非毛管孔隙度也呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，但毛管孔隙度僅在生物炭施用當年呈現(xiàn)類似規(guī)律，而在連續(xù)施用生物炭兩年、三年條件下，隨著生物炭施用量的增加，毛管孔隙度均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，2016年B50處理毛管孔隙度最大，較同年B0處理增加4.26%，2017年則是B25處理最大，較同年B0處理增加4.62%。生物炭施用年限對土壤孔隙結構也有一定影響，施用第一年土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度變異系數(shù)分別為3.62%、1.49%和9.63%，連續(xù)施用兩年后，各處理的差異愈發(fā)明顯，使得變異系數(shù)增加了一倍以上，分別為6.72%、2.77%和24.10%；連續(xù)施用三年后土壤總孔隙度、毛管孔隙度變異系數(shù)進一步增至7.07%和5.62%，而非毛管孔隙度變異系數(shù)基本穩(wěn)定，為24.06%。所有施炭處理其總孔隙度、非毛管孔隙度均隨生物炭施用年限的延長而增加，各處理連續(xù)施用三年生物炭后土壤總孔隙度較第一年增加7.02%～10.38%，非毛管孔隙度增加16.14%～63.34%，二者均以B75處理增長幅度最大；B25處理毛管孔隙度隨施用年限的延長而增加，B50處理則隨施用年限的延長先增加后減小，而高施炭量處理毛管孔隙度則隨施用年限的延長而減??；B0處理總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度隨施用年限的變化無明顯規(guī)律性。

表3 各處理土壤孔隙度 %

分別建立土壤總孔隙度(y1，%)、毛管孔隙度(y2，%)和非毛管孔隙度(y3，%)三個指標關于生物炭施用量及施用年限的多項式回歸，得到三個指標關于生物炭施用量(x，t/hm2)及施用年限(t，a)的響應關系分別如式(3)～式(5)所示：

y1=47.1601+2.3520t+0.0833x-

0.0005x2-0.4730t2+0.0272tx

(3)

y2=36.2760+0.4490t+0.1028x-

0.0006x2+0.1200t2-0.0321tx

(4)

y3=10.9616+1.6090t-0.0263x+

0.0003x2-0.2940t2+0.0473tx

(5)

經(jīng)方差分析，3個回歸方程R2均在0.8以上，P值均小于0.01，達到極顯著水平，表明3個方程能夠較好地反映土壤總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度三個指標關于生物炭施用量及施用年限的響應關系。由回歸結果及回歸系數(shù)的檢驗可知，生物炭施用量的一次項對土壤總孔隙度有顯著影響(P=0.0169)，二次項對土壤總孔隙度有較顯著影響(P=0.0539)，生物炭施用年限的一次項、二次項對土壤總孔隙度影響不顯著(P1=0.2815、P2=0.3670)，但生物炭施用量與施用年限的交互作用對土壤總孔隙度的影響達極顯著水平(P=0.0086)；生物炭施用量的一次項對毛管孔隙度有極顯著影響(P=0.0024)，二次項對毛管孔隙度有顯著影響(P=0.0190)，生物炭施用量與施用年限的交互作用對毛管孔隙度有極顯著影響(P=0.0013)，而生物炭施用年限的一次項、二次項對毛管孔隙度影響不顯著(P1=0.8055、P2=0.7862)；生物炭的施用量的一次項、二次項以及生物炭施用年限的一次項、二次項對非毛管孔隙度的影響均不顯著(Px1=0.4427、Px2=0.3009、Pt1=0.5129、Pt2=0.6202)，而生物炭施用量與施用年限的交互作用對土壤非毛管孔隙度的影響達極顯著水平(P=0.0007)。根據(jù)多元函數(shù)極值理論，連續(xù)6 a施用生物炭，施用量為246.5 t/hm2時，可以使土壤總孔隙度達到最大，最大值為64.9052%；連續(xù)施用3 a生物炭，施用量為13.9 t/hm2時可以使土壤毛管孔隙度達到最大，最大值為39.1088%；而非毛管孔隙度在可行域中無極值。

2.3 對土壤三相比的影響

土壤三相比也是衡量土壤松緊程度和結構的重要指標。各處理土壤三相如圖2所示。隨著生物炭施用量的增加，各年土壤固相率均呈降低趨勢， 2015年B100處理較B0固相率降低18.24%，至2016年和2017年，降低的幅度分別增至19.21%和19.97%。土壤氣相率則與固相率呈現(xiàn)相反的變化趨勢，隨著生物炭施用量的增加，土壤氣相率逐漸遞增，三年B100處理較同年B0處理氣相率增長53.98%、51.74%和62.79%。土壤液相率隨生物炭施用量的增加先增后減，2015年以B75處理最高，2016年、2017年則均為B50處理最高。從施用年限看，所有施用生物炭的處理，隨著施用年限的延長，土壤固相率逐漸遞減，氣相率逐漸遞增，液相率沒有明顯的規(guī)律性。

圖2 各處理土壤三相

各處理廣義土壤結構指數(shù)(GSSI)計算結果見表4。GSSI是反映土壤結構優(yōu)良性的指標，其值越接近100，表明該土壤結構越接近理想狀態(tài)。供試土壤結構較為優(yōu)良，在未施用生物炭的條件下(B0處理)其廣義土壤結構指數(shù)亦達到較高水平，三年均大于95。即便如此，生物炭仍然能夠在一定程度上改良土壤結構，2015年施用生物炭后，各處理GSSI均高于B0處理，且隨著生物炭施用量的增加，該值逐漸遞增；連續(xù)施用兩年生物炭后，各處理GSSI仍高于當年B0處理，表明生物炭仍然具有調整三相比例、改良土壤結構的功能，但并非生物炭施用量越高，GSSI越大，GSSI隨生物炭施用量的增加先增后減，在施炭量50 t/hm2時達到最大；這一狀況延續(xù)至連續(xù)施用三年，2017年仍以B50處理GSSI最高，而B100處理GSSI甚至低于同年B0處理。

表4 各處理GSSI

表4顯示，以50 t/hm2的施用量連續(xù)施用兩年、三年，GSSI可分別達到99.8182和99.8285，已十分接近理想狀態(tài)。但是這種調節(jié)作用并非與生物炭施用量成正比，在連續(xù)施用兩年和三年的條件下，B50處理其GSSI均優(yōu)于B75、B100處理。究其原因，當生物炭施用量過高時，土壤質地過于松散，土壤結構變差，三相比偏離理想狀態(tài)，GSSI降低。以100 t/hm2連續(xù)施用三年后GSSI甚至低于當年未施用生物炭的B0處理。另外，從各處理GSSI看，連續(xù)兩年施用25 t/hm2的效果優(yōu)于一次性施入50 t/hm2(98.8699>98.2823)，連續(xù)三年施用25 t/hm2的效果優(yōu)于一次性施入75 t/hm2(99.0311>98.8424)，連續(xù)兩年施用50 t/hm2的效果優(yōu)于一次性施入100 t/hm2(99.8182>99.3787)，表明在累積施炭量相同的條件下，分次施入對土壤結構的改良效果優(yōu)于一次性施入。

建立GSSI關于生物炭施用量及施用年限的多項式回歸，得到其關于生物炭施用量(x，t/hm2)及施用年限(t，年)的響應關系如式(6)所示：

GSSI=92.9106+2.8359t+

0.1304x-0.4321t2-0.0198tx

(6)

經(jīng)方差分析，回歸方程R2為0.8946，P=0.0004，達到極顯著水平，表明該回歸方程能夠較好地反映GSSI對生物炭施用量及施用年限的響應關系。由回歸結果及回歸系數(shù)的檢驗可知，生物炭施用量的一次項、二次項對GSSI有極顯著影響(P1<0.0001、P2=0.0002)；生物炭施用年限的一次項對GSSI有顯著影響(P=0.0337)，二次項對GSSI影響不顯著(P=0.1502)；生物炭施用量與施用年限的交互作用對GSSI有極顯著影響(P=0.0017)。根據(jù)多元函數(shù)極值理論，連續(xù)兩年施用生物炭，施用量為56.75 t/hm2時，可使GSSI達到最大，最大值為99.4305。

3 結 論

施用生物炭能有效改善土壤結構，但其效果受生物炭施用量及施用年限共同制約，隨著生物炭施用量的增加和施用年限的延長，土壤容重逐漸降低，土壤總孔隙度不斷增大。施用生物炭后，土壤三相比率得到調節(jié)，GSSI有所提升，在生物炭施用當年以B100處理GSSI最大，而在連續(xù)施用兩年、三年生物炭條件下，均以B50處理最優(yōu)；根據(jù)GSSI與生物炭施用量及施用年限的擬合關系，連續(xù)2年施用生物炭，施用量為56.75 t/hm2時，可使GSSI達到最大；另外，在累積施炭量相同的條件下，分次施入對土壤結構的改良效果優(yōu)于一次性施入。生物炭顯著提高了土壤中大團聚體，特別是>2 mm粒級的團聚體的含量，顯著降低了<0.053 mm粒級的微團聚體含量，有利于形成良好的土壤團聚結構。