施用生物炭和秸稈對(duì)植煙土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及有機(jī)碳分布的影響

賈 輝，趙亞鵬，符云鵬*，何甜甜，符新妍，云 菲，劉建舉，聶慶凱

1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院 煙草行業(yè)煙草栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州市金水區(qū)農(nóng)業(yè)路63 號(hào) 450002

2.河南省煙草公司許昌市公司，河南省許昌市湖濱路43 號(hào) 461000

3.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，鄭州市管城回族區(qū)榆林南路16 號(hào) 450000

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，對(duì)土壤功能的維持發(fā)揮著重要作用［1］。土壤有機(jī)碳（SOC）是表征土壤肥力的核心指標(biāo)［2］，也是團(tuán)聚體形成的重要膠結(jié)劑，對(duì)大團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成有促進(jìn)作用［3-4］。研究表明［5］，土壤有機(jī)碳含量的增加有利于團(tuán)聚體的形成，從而提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使土壤不但抗侵蝕，而且也為植物根系提供理想的水分和空氣條件。與其他農(nóng)田土壤相似，我國(guó)植煙土壤由于長(zhǎng)期過量施用化肥，而有機(jī)肥施用較少，導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)遭到了嚴(yán)重破壞，進(jìn)而出現(xiàn)土壤板結(jié)、綜合土壤肥力下降等現(xiàn)象，影響了煙草的正常生長(zhǎng)發(fā)育，煙草根、莖病害頻發(fā)［6-7］。因此，植煙土壤改良勢(shì)在必行。目前對(duì)土壤的改良多集中在添加生物炭、作物秸稈、有機(jī)肥和綠肥等。秸稈還田不僅可以提高土壤有機(jī)碳含量，還可以顯著提高土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量、改善土壤結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)［8-9］。孫漢印等［10］在不同秸稈還田模式的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可以有效提高大團(tuán)聚體含量，并且促進(jìn)大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量的增加。生物炭可減少養(yǎng)分流失、增加土壤有機(jī)碳含量［11］和陽(yáng)離子交換量、減少溫室氣體排放、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)［12-14］，但對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響研究結(jié)果存在爭(zhēng)議。吳鵬豹等［15］通過小區(qū)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)海南花崗巖磚紅壤施用0.5%和1.0%生物炭18個(gè)月后，＞5 mm 水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量顯著增加。而Busscher 等［16］、葉麗麗等［17］和侯曉娜等［18］的室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)研究表明，添加生物炭不能提高大團(tuán)聚體含量，甚至降低了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。目前對(duì)植煙土壤團(tuán)聚體的影響方面報(bào)道較少，且針對(duì)不同的土壤類型生物炭和秸稈施用的影響結(jié)果也不一致。為此，以豫中煙區(qū)褐土為研究對(duì)象，分析了生物炭、秸稈及二者配施條件下不同土層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及有機(jī)碳分布的特征，旨在為褐土類植煙土壤的改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地基本情況

試驗(yàn)于2017—2018 年在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)許昌校區(qū)現(xiàn)代煙草科技園區(qū)進(jìn)行。供試土壤為褐土，土壤質(zhì)地為中壤土。供試生物炭是將花生殼在400～450 ℃下限氧炭化30 min，粉碎后過2 mm 篩制成，pH 8.76，由河南省生物炭技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室提供。全碳50.12%，全氮0.35%，全磷1.02%，全鉀1.76%。腐熟小麥秸稈全碳37.10%，全氮0.41%，全磷0.76%，全鉀0.93%。試驗(yàn)所用化肥為煙草專用復(fù)合肥（10%N、10%P2O5、20%K2O），硝酸鉀（13%N、46%K2O），硫酸鉀（50%K2O），過磷酸鈣（12%P2O5）。供試品種為中煙100。試驗(yàn)前土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)19.09 g/kg，堿解氮74.7 mg/kg，速效磷8.7 mg/kg，速效鉀114.5 mg/kg，水溶性氯24.8 mg/kg，pH 7.61。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017 年4 月1 日開始（勻地兩年）至2018 年10 月1 日結(jié)束。兩年的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和施肥方案保持一致，本試驗(yàn)中數(shù)據(jù)為2018 年測(cè)得。共設(shè)置4 個(gè)處理，隨機(jī)區(qū)組排列，3 次重復(fù)，小區(qū)面積0.02 hm2。4 個(gè)處理分別為：?jiǎn)问┗剩–K）；化肥+生物炭（T1）；化肥+腐熟秸稈（T2）；化肥+生物炭+腐熟秸稈（T3）。各處理氮用量為37.5 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶2∶5，以等碳量原則施入生物炭和秸稈，T1、T2和T3全碳投入量均為2.25 t/hm2，施肥方案中均扣除秸稈和生物炭中N、P、K 含量，CK 與T1、T2 和T3 的N、P、K 施入量保持一致。4 月24日將生物炭與腐熟秸稈按所需用量均勻撒在試驗(yàn)田上，經(jīng)機(jī)器翻耕與土壤均勻混合。煙苗5 月1 日移栽，按照優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行大田栽培管理，煙草采收后拔除煙桿，機(jī)器耙地后進(jìn)入冬閑。

1.3 樣品采集與測(cè)定方法

1.3.1 土壤樣品采集

于移栽后100 d 在每個(gè)小區(qū)的壟上剖面采集0～10、10～20、20～30 cm 的原狀土樣，每小區(qū)每個(gè)耕層隨機(jī)采集5 個(gè)樣點(diǎn)，將5 個(gè)點(diǎn)采集的土壤混合為1 個(gè)1 kg 左右的土壤樣品，然后裝于保鮮盒內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室。在室內(nèi)剔除石礫和肉眼可見的植物殘?bào)w及根系等雜物，用手將大土塊沿土體自然縫隙輕輕掰碎成小于10 mm 的土塊，風(fēng)干，備用。

1.3.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

采用干篩法和濕篩法測(cè)定土壤團(tuán)聚體的分布狀況和穩(wěn)定性［19-20］。干篩是為了將團(tuán)聚體按粒徑進(jìn)行分離，是濕篩前的必要準(zhǔn)備。取100 g 風(fēng)干土樣置于套篩（孔徑依次為5.00、2.00、1.00、0.50 和0.25 mm）頂部，以30 次/min 手工上下振蕩5 min，測(cè)定各孔徑篩子上土樣質(zhì)量。濕篩法：計(jì)算干篩的各級(jí)團(tuán)聚體占土樣總量的百分比，然后按其百分比，配成1 份質(zhì)量為50 g 的土樣置于團(tuán)聚體分析儀（TPF-100）的套篩上，套篩由上至下孔徑依次為2.000、1.000、0.500、0.250 和0.053 mm，在土樣充分浸潤(rùn)后，以每分鐘上下振動(dòng)30 次、振幅3 cm振動(dòng)30 min。振動(dòng)結(jié)束后，取出套篩，收集各層篩中的殘留團(tuán)聚體，在60 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量并稱量。

通過稱量各級(jí)粒徑土壤團(tuán)聚體的質(zhì)量，計(jì)算水穩(wěn)定性團(tuán)聚體各粒級(jí)百分比、平均質(zhì)量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、分形維數(shù)（D）、大于0.250 mm 團(tuán)聚體含量（WR0.250）、破壞率（PAD）、水穩(wěn)系數(shù)（K）、土壤不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)（ELT），計(jì)算方法采用楊培嶺等［21］推導(dǎo)的公式。

有機(jī)碳的測(cè)定：土壤原土風(fēng)干樣及烘干后的各粒級(jí)團(tuán)聚體，過0.15 mm 篩，采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測(cè)定［22］。

團(tuán)聚體中有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率=［該級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量×該級(jí)團(tuán)聚體含量）/土壤總有機(jī)碳含量］×100%

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用Origin 9.1 和Microsoft Excel 2010 軟件作圖，利用SPASS 20 軟件進(jìn)行方差分析和Duncan's 新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用生物炭與秸稈對(duì)土壤團(tuán)聚體分布的影響

由表1 可知，施用生物炭和秸稈對(duì)植煙土壤團(tuán)聚體分布具有明顯的影響。隨土層的加深，各處理＜0.053 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量呈增加趨勢(shì)。施用生物炭和秸稈可以明顯提高0～30 cm 土層土壤大團(tuán)聚體含量，降低土壤微團(tuán)聚體含量，其中T1、T2和T3 處理大團(tuán)聚體含量分別較CK 增加10.68%～38.24%、10.43%～23.71%和15.74%～101.70%；土壤微團(tuán)聚體含量分別較CK 降低4.14%～17.60%、4.05%～11.18%和6.11%～47.97%。施用生物炭和秸稈對(duì)0～20 cm 土層土壤團(tuán)聚體含量影響更為明顯，其中0.500～1.000 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量較CK 顯著增加，而＜0.250 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量較CK 顯著降低，尤其以生物炭與秸稈配施的T3 處理對(duì)0.500～1.000 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量提高幅度最大、＜0.250 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量降低幅度最大。3 個(gè)處理相比，以生物炭與秸稈配施的T3 處理效果最好。

表1 不同處理對(duì)土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體含量的影響①Tab.1 Effects of different treatments on contents of soil aggregates of various particle sizes in different soil layers

2.2 施用生物炭與秸稈對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

隨土層的加深，各處理MWD、GMD 和K 值下降，且在20～30 cm 土層中降低顯著；PAD 和ELT值則隨土層加深而顯著增高（表2）。表2 表明，各處理均可提高0～30 cm 土層團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，其中對(duì)0～20 cm 土層的影響更加明顯，與CK 相比，3 個(gè)處理0～20 cm 土層中土壤團(tuán)聚體的MWD、GMD、WR0.250和K 值顯著增加，PAD、ELT和D 值顯著降低；且T3處理0～10 cm 土層中土壤團(tuán)聚體的MWD、GMD、WR0.25和K 值顯著高于T1 和T2 處理，而PAD、ELT和D 值則顯著低于T1 和T2 處理。說明秸稈與生物炭配施對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性改善效果最明顯。

表2 不同處理對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響Tab.2 Effects of different treatments on stability of soil water-stable aggregates in different soil layers

2.3 施用生物炭與秸稈對(duì)土壤總有機(jī)碳的影響

由圖1 可知，隨土層的加深，T1 和T3 處理土壤有機(jī)碳含量明顯增加，其中T1 和T3 處理10～20 cm 土層較0～10 cm 土層分別增加9.12%和3.86%，且差異顯著。與CK 相比，T1 和T3 處理顯著提高了0～30 cm 土層中有機(jī)碳含量，T1 處理提高幅度最大；T2 處理僅在0～20 cm 土層有機(jī)碳含量顯著高于CK。T1 處理各土層有機(jī)碳含量均顯著高于T2、在10～30 cm 土層有機(jī)碳含量顯著高于T3；T3處理在20～30 cm 土層有機(jī)碳含量顯著高于T2 處理。3 個(gè)處理相比，單施生物炭對(duì)土壤總有機(jī)碳的提高效果最好。

2.4 施用生物炭與秸稈對(duì)各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量及分配的影響

由表3 可以看出，隨著土層的加深，不同處理各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量無明顯差異?？傮w上看，在＜2.000 mm 的團(tuán)聚體中，各處理有機(jī)碳含量隨土壤團(tuán)聚體粒級(jí)的增大呈增加趨勢(shì)。與CK 相比，施用生物炭和秸稈可以明顯提高0～30 cm 土層各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，除T2 處理0～30 cm 土層 和T3 處 理0～10 cm 土 層0.250～0.500 mm 粒 級(jí)外，其他均與CK 間差異顯著。添加生物炭的T1處理在0～30 cm 土層各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均為最高，較CK 顯著增加10.92%～39.21%。綜合來看，各處理普遍提高了各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，以T1 處理對(duì)各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的提高效果最好。

圖1 不同處理土壤有機(jī)碳含量Fig.1 Soil organic carbon contents under different treatments

表3 不同處理土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量Tab.3 Organic carbon contents in soil aggregates in different soil layers under different treatments

表4 不同處理土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率Tab.4 Contribution rates of organic carbon in aggregates of various particle sizes to soil organic carbon under different treatments

通過計(jì)算土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳相對(duì)貢獻(xiàn)率（表4）發(fā)現(xiàn)，添加生物炭和秸稈可明顯改變有機(jī)碳在各粒級(jí)團(tuán)聚體中的分配。隨著土層的加深，各處理大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率呈降低趨勢(shì)，微團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率呈增加趨勢(shì)。在0～30 cm 土層中，各處理明顯提高了大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，T1、T2 和T3 分 別 較CK 提 高11.05%～24.55%、10.31%～23.21%和16.97%～98.92%；對(duì)0～20 cm 土層的影響更明顯，與CK 相比，3 個(gè)處理0～20 cm 土層1.000～0.500 mm 團(tuán)聚體中有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率顯著提高，0.250～0.053 mm 團(tuán)聚體中有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率則顯著降低，且T1 和T3 處理＜0.053 mm 團(tuán)聚體中有機(jī)碳貢獻(xiàn)率也顯著降低；T3 處理0～20 cm 土層1.000～0.500 mm 團(tuán)聚體中有機(jī)碳貢獻(xiàn)率顯著高于T1 和T2 處理。說明T3 處理對(duì)大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的提高效果更好。

3 討論

3.1 施用生物炭與秸稈后土壤團(tuán)聚體分布和穩(wěn)定性的變化

土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本組成單元，其含量和穩(wěn)定性對(duì)土壤保水保肥能力有重要影響［23］。本研究結(jié)果表明，施用生物炭、秸稈及二者配施顯著提高0～20 cm 土層中0.500～1.000 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體（大團(tuán)聚體）含量，顯著降低＜0.250 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體（微團(tuán)聚體）含量，這與前人的研究結(jié)果基本一致［24-26］。一方面是由于生物炭自身的多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，有利于促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成［27］；另一方面，生物炭的添加提高了土壤有機(jī)碳含量，有機(jī)碳作為良好的土壤膠結(jié)劑，促進(jìn)了土壤大團(tuán)聚體的形成［28-29］。秸稈施入土壤后，秸稈自身可作為大團(tuán)聚體形成的核心［30］，而且秸稈腐解后增加了土壤中碳水化合物、芳香族碳、脂肪族碳、酯類化合物和氨基類化合物含量。碳水化合物是土壤團(tuán)聚體非常重要的黏合劑，對(duì)團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性提高起重要作用［8,31-32］。本試驗(yàn)中生物炭與秸稈混施處理對(duì)降低微團(tuán)聚體含量的效果最好，可能是由于生物炭與秸稈優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用的結(jié)果。

MWD、GMD、WR0.250、K 值、PAD、ELT和分形維數(shù)D 是反應(yīng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性高低的重要指標(biāo)，MWD、GMD、WR0.250和K 值越大，PAD、ELT和D 越小，表明團(tuán)聚體穩(wěn)定性越高［33-34］。本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，施用生物炭和秸稈均能提高0～30 cm 土層中土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，且表現(xiàn)為生物炭+秸稈＞單施生物炭＞單施秸稈，其中單施秸稈處理的影響較小，這與徐國(guó)鑫等［35］的研究結(jié)果不一致，可能是因?yàn)橥临|(zhì)不同，從而對(duì)秸稈的響應(yīng)有所差異。有研究表明，pH 增大有利于團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提高，而腐熟秸稈的添加導(dǎo)致土壤pH 降低，對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性提高效果較差［36］。本研究中還發(fā)現(xiàn)20～30 cm 土層中各處理對(duì)團(tuán)聚體分布和穩(wěn)定性的影響小于0～20 cm 土層，這可能與耕作擾動(dòng)和大部分煙草根系主要集中在0～20 cm 土層中有關(guān)。

3.2 施用生物炭與秸稈后土壤有機(jī)碳以及團(tuán)聚體中有機(jī)碳分布的變化

單施生物炭、秸稈以及生物炭與秸稈配施處理各土層有機(jī)碳含量與常規(guī)施肥相比明顯增加，且單施生物炭對(duì)土壤有機(jī)碳提高幅度最大，單施秸稈處理土壤有機(jī)碳提高幅度最小，這與侯曉娜等［18］和徐國(guó)鑫等［35］的研究結(jié)果基本一致。生物炭自身含有大量碳且性質(zhì)穩(wěn)定，不易被礦化［37］；而且生物炭與土壤有機(jī)碳結(jié)合后可以提高有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性，有利于土壤有機(jī)碳的積累［38］。腐熟秸稈對(duì)土壤有機(jī)碳的提高程度低于生物炭，主要是秸稈含有大量新鮮易分解的碳，施入土壤的秸稈碳通過呼吸作用損失較多，進(jìn)而減少了土壤有機(jī)碳的積累［39-40］。有研究表明，隨著土層的加深，土壤有機(jī)碳呈下降趨勢(shì)［24,41］，但本試驗(yàn)中20～30 cm土層土壤有機(jī)碳含量并不是最低，甚至隨著土層的加深，單施生物炭處理和生物炭與秸稈配施處理土壤有機(jī)碳含量明顯增加，這可能與試驗(yàn)材料的特殊性及其施用方法有關(guān)。本試驗(yàn)中所用生物炭及腐熟小麥秸稈采取先撒施、耕耙均勻后再起壟，由于生物炭顆粒較小，在耕作過程中可能會(huì)下沉到較深土層，進(jìn)而導(dǎo)致20～30 cm 土層土壤有機(jī)碳含量增加。單施秸稈處理20～30 cm 土層有機(jī)碳含量與對(duì)照差異不明顯，可能與秸稈顆粒較大，進(jìn)入深層土壤較少有關(guān)。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，施用生物炭和秸稈處理可明顯提高0～30 cm 土層各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，且隨土壤團(tuán)聚體粒級(jí)的增大有機(jī)碳含量呈增加趨勢(shì)，大團(tuán)聚體能保存更多碳素。這可能是添加的外源碳作為膠結(jié)物質(zhì)促進(jìn)微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而增加了大團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量［29］。土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率主要受兩個(gè)因素影響，一是各粒級(jí)團(tuán)聚體的數(shù)量，二是各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量［26］。本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，雖然＜0.250 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量低，但其數(shù)量在整個(gè)土壤結(jié)構(gòu)中所占比例較大，所以對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率較高。在10～20 cm 土層中添加生物炭和秸稈處理增加0.250～1.000 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，但降低＜0.250 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率。一方面是由于生物炭的含氧官能團(tuán)促進(jìn)微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體形成，從而增加了大團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量，提高了大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。另一方面，秸稈的施入促使大團(tuán)聚體成為微生物的活動(dòng)中心，微生物的活動(dòng)有利于更多碳被大團(tuán)聚體固定［42］。

4 結(jié)論

施用生物炭和秸稈可提高0～30 cm 土層大團(tuán)聚體含量（＞0.250 mm）及其穩(wěn)定性，尤其對(duì)0～20 cm 土層大團(tuán)聚體含量及其穩(wěn)定性提高效果最顯著，且以生物炭與秸稈配施處理對(duì)促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成、提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性、改善土壤結(jié)構(gòu)的作用效果最佳。

施用生物炭和秸稈可以明顯提高0～30 cm 土層土壤總有機(jī)碳含量以及各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，其中單施生物炭處理對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的提高效果優(yōu)于單施秸稈處理和生物炭與秸稈配施處理，而生物炭與秸稈配施處理更有利于提高土壤大團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率。