生物炭對(duì)亞熱帶紅壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體及其碳、氮分布的影響

張紅雪，趙 壯，王曉朋，朱巧蓮，鄒雙全，毛艷玲，*

（1.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350002；2.土壤生態(tài)系統(tǒng)健康與調(diào)控福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002； 3.自然生物資源保育利用福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002）

團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是土壤質(zhì)量的物質(zhì)基礎(chǔ)，其粒級(jí)分布和穩(wěn)定性及其各粒級(jí)養(yǎng)分含量對(duì)土壤質(zhì)量、結(jié)構(gòu)以及土壤肥力等方面具有重要影響，是綜合反映土壤肥力的重要參考依 據(jù)［1-4］。生物炭是由碳含量豐富的生物質(zhì)在相對(duì)較低溫度（250～700℃）的無氧或限氧條件下，通過熱裂解的方式得到的一種富有孔隙結(jié)構(gòu)、含碳量高的碳質(zhì)材料［2］，因其自身含有豐富的有機(jī)大分子和大孔隙等結(jié)構(gòu)，在土壤結(jié)構(gòu)改良等方面具有重要作用［3-4］。吳鵬豹等［5］研究了生物炭對(duì)海南花崗巖磚紅壤土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)生物炭增加了土壤中大粒級(jí)團(tuán)聚體的含量，>1 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體的含量增加最為顯著。Lu等［6］以0、4、8和16 g/kg施用量開展盆栽試驗(yàn)，11個(gè)月后發(fā)現(xiàn)施加生物炭可以顯著提高土壤大團(tuán)聚體含量，但對(duì)不同類型土壤作用效果有所不同。李江舟等［7］通過田間定位試驗(yàn)研究生物炭對(duì)云南煙區(qū)紅壤團(tuán)聚體組成及有機(jī)碳分布的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物炭可以長(zhǎng)期影響土壤團(tuán)聚體和有機(jī)碳，能夠顯著提升土壤大團(tuán)聚體含量、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、土壤和各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。米會(huì)珍等［8］研究發(fā)現(xiàn)生物炭顯著增加了不同粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳和全氮的含量，且增加幅度隨施用量的增加而增大。

我國亞熱帶紅壤區(qū)由于長(zhǎng)期不合理的利用，曾一度成為除黃土高原外的另一水土流失嚴(yán)重 區(qū)［9］，土壤結(jié)構(gòu)遭受到嚴(yán)重破壞，團(tuán)聚體含量銳減，土壤質(zhì)量下降，嚴(yán)重限制了該地區(qū)農(nóng)林業(yè)的發(fā)展，因此，加強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)改良，提高團(tuán)聚體含量勢(shì)在必行。謝錦升等［10］研究了植被恢復(fù)對(duì)侵蝕退化紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)植被能夠顯著增加土壤大團(tuán)聚體含量，>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量是裸地的1.5～2.8倍，且能夠增加大團(tuán)聚體中有機(jī)碳比例。然而，關(guān)于不同施肥措施對(duì)亞熱帶紅壤團(tuán)聚體含量、團(tuán)聚結(jié)構(gòu)及其碳、氮分布的影響還少見報(bào)道。為此，本研究選用福建省古田縣產(chǎn)生的海鮮菇廢菌棒為原料制備生物炭，配施化肥、豬糞研究其對(duì)土壤團(tuán)聚體含量、團(tuán)聚結(jié)構(gòu)及其碳、氮分布的影響，以期闡明生物炭施用下土壤團(tuán)聚體含量、團(tuán)聚結(jié)構(gòu)及其碳、氮分布特征，為生物炭應(yīng)用于改善土壤質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤于2018年10月采自福建省三明市清流縣靈地鎮(zhèn)楊源村（北緯25°50′42″，東經(jīng)116°47′50″），該地區(qū)為低山丘陵地貌，平均海拔350 m，年平均氣溫18.2℃，最高氣溫38.8℃，最低氣溫-8.9℃，年平均降水量1 853.5 mm，降雨集中在5～6月，年平均日照時(shí)數(shù)1 583.4 h。土壤為花崗巖類風(fēng)化的殘坡積物發(fā)育的亞熱帶紅壤，可蝕性高。地帶性植被為馬尾松林，2008年皆伐后營(yíng)造為羅漢松（Podocarpus macrophyllus）、竹柏（Podocarpus nagi）等人工林。供試土壤采自羅漢松林下表層（0～20 cm）土壤，土壤經(jīng)自然風(fēng)干后，除去石塊、石礫、動(dòng)植物殘?bào)w等雜物，粉碎過2 mm篩備用，其基本理化性質(zhì)見表1。試驗(yàn)所用生物炭為海鮮菇廢菌棒在500℃條件下采用炭化機(jī)無氧炭化2 h后，冷卻研磨過0.15 mm篩而成，其基本理化性質(zhì)：pH 10.82，全碳491.08 g/kg，全氮20.50 g/kg，全磷7.80 g/kg、全鉀12.11 g/kg、灰分27.52%?；蕿镹∶P2O5∶K2O=15∶15∶15。豬糞經(jīng)堆肥發(fā)酵，全碳含量為377.31 g/kg，全氮含量為23.01 g/kg。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為盆栽試驗(yàn)，于2019年1月19日至7月19日在福建農(nóng)林大學(xué)校內(nèi)進(jìn)行。盆缽直徑25 cm、高35 cm，每盆裝土7 kg，種植2棵兩年生竹柏。試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理，分別是：①CK（對(duì)照）；②F（化肥）；③FM（化肥+豬糞）；④B（生物炭）；⑤BF（生物炭+化肥）；⑥BFM（生物炭+化肥+ 豬糞），每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。生物炭施用量為20 g/kg（折合大田施用量20 t/hm2）；化肥施用量為0.25 g/kg（參照常規(guī)施肥，折合大田施用量500 kg/hm2）；豬糞施用量為15 g/kg（折合大田施用量15 t/hm2）。

1.3 土壤樣品采集及分析

竹柏收獲后，每盆四分法取約1 kg原狀土樣，分成兩份，其中一份風(fēng)干后用于土壤理化性質(zhì)測(cè)定，另一份自然風(fēng)干，當(dāng)土壤含水量到土壤塑限（含水量22%～25%）時(shí)沿土壤自然裂隙掰成直徑1 cm左右的小塊繼續(xù)烘干供團(tuán)聚體分析測(cè)試使用；采用干篩法［11］測(cè)定土壤非水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成。首先將風(fēng)干后的樣品過2、1、0.5、0.25 mm篩，分成>2、2～1、1～0.5、0.5～0.25、<0.25 mm 5個(gè)級(jí)別的團(tuán)聚體樣品，稱重即計(jì)算出各粒級(jí)團(tuán)聚體樣品所占風(fēng)干總土樣質(zhì)量的比例；采用濕篩法［12］測(cè)定土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成。根據(jù)干篩各粒級(jí)團(tuán)聚體比例配成50 g土壤混合樣，然后將樣品置于土壤團(tuán)粒分析儀（日本，DIK-2012）的套篩上（孔徑分別為2、1、0.5、0.25 mm），置于水桶中，水面高于樣品2 cm，上下振蕩30 min，振蕩頻率30次/min，振幅3 cm，然后將各級(jí)篩子上的土樣沖洗到鋁盒中，50℃烘干計(jì)算土樣質(zhì)量；將烘干的團(tuán)聚體土樣磨細(xì)，過0.149 mm篩，采用碳氮元素分析儀（德國）測(cè)定土壤有機(jī)碳、全氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)結(jié)果采用Excel 2013和SPSS 20.0軟件進(jìn)行整理分析。利用各粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量數(shù)據(jù)，計(jì)算團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑和團(tuán)聚體破壞率，公式如下：

平均重量直徑（MWD）：

式中：Wi為某粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量百分比，%；為某粒徑團(tuán)聚體平均直徑。

各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳（全氮）對(duì)土壤有機(jī)碳（全氮）的貢獻(xiàn)率由公式（3）計(jì)算：

土壤粒級(jí)>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體比例：

分形維數(shù)（D）參考楊培嶺等［13］推導(dǎo)的公式 計(jì)算：

兩邊取對(duì)數(shù)則進(jìn)一步推導(dǎo)

式中：MT為各個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體的總質(zhì)量，g；Rmax是團(tuán)聚體的最大粒徑，mm；M（r<）是粒徑小于的團(tuán)聚體的質(zhì)量，g。以為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)，利用最小二乘法直線擬合，計(jì)算其斜率得到質(zhì)量分形維數(shù)D。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)亞熱帶紅壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布的影響

生物炭對(duì)亞熱帶紅壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布的影響如表2所示。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體均以<0.25 mm粒徑為主，其中BF處理土壤中粒徑<0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量達(dá)到65.88%。粒徑>2 mm團(tuán)聚體中，F(xiàn)、BF及BFM處理其水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均顯著高于對(duì)照組，可見，生物炭配施化肥（及豬糞）能顯著提高粒徑>2 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量；粒徑2～1 mm團(tuán)聚體中，F(xiàn)M和B處理的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著高于對(duì)照組，B處理含量最高，達(dá)到28.32%，其他處理與對(duì)照組無差異；粒徑1～0.5 mm團(tuán)聚體中，除BF處理顯著高于對(duì)照組外，其他處理均顯著低于對(duì)照組；粒徑0.5～0.25 mm團(tuán)聚體中，BF、BFM處理顯著降低其水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量；與CK相比，單施生物炭能夠顯著降低土壤中粒徑<0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，增加了WA0.25值，增幅達(dá)到40.52%；而生物炭配施化肥卻顯著提高土壤粒徑<0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，降低了WA0.25的值，降幅為25.33%；BFM對(duì)其影響則不顯著。

表2 生物炭對(duì)亞熱帶紅壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布的影響 （%）

2.2 生物炭對(duì)亞熱帶紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

由表3可知，與對(duì)照組相比，除F、B處理外其他處理的水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑均有不同程度的增加，其中FM、BF及BFM處理達(dá)到顯著水平，增幅分別為41.52%、23.02%、42.49%；與對(duì)照組相比，F(xiàn)M、B及BFM處理的水穩(wěn)性團(tuán)聚體幾何平均直徑均顯著增加，增幅分別為20.99%、42.62%、23.37%；各處理土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)比較相近，范圍為2.75～2.88，其中B處理的分形維數(shù)較小，與對(duì)照組相比減少了3.73%。

表3 生物炭對(duì)亞熱帶紅壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

2.3 生物炭對(duì)亞熱帶紅壤各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量分布的影響

2.3.1 生物炭對(duì)亞熱帶紅壤各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響

生物炭對(duì)亞熱帶紅壤總有機(jī)碳及土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體各粒級(jí)有機(jī)碳含量表現(xiàn)出不同的差異，與對(duì)照相比，各處理均顯著提高全土的有機(jī)碳含量，平均含量提高74.01%（表4），其中BFM處理有機(jī)碳含量最高，為9.93 g/kg；施用生物炭能增加土壤有機(jī)碳含量，但是外源碳與各粒級(jí)團(tuán)聚體結(jié)合能力有所差異，結(jié)果表明，施用生物炭后各粒級(jí)土壤有機(jī)碳含量與CK相比均有不同程度的提高，其中CK、FM和BF處理中，>2 mm粒級(jí)比同處理下其他粒級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體土壤有機(jī)碳含量高，F(xiàn)和B處理中，1～0.5 mm粒級(jí)比同處理下其他粒級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體土壤有機(jī)碳含量高，BFM則是0.5～0.25 mm粒級(jí)最高。整體水平來看，1～0.5 mm粒級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體土壤有機(jī)碳含量與對(duì)照組相比增幅最大，增幅為61.22%～287.79%，其次為>2 mm粒級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體，增幅為25.00%～110.76%。

從各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體土壤有機(jī)碳的相對(duì)貢獻(xiàn)率（表5）中可以發(fā)現(xiàn)，CK、FM及BF處理有機(jī)碳分布以<0.25 mm粒級(jí)為主，相對(duì)貢獻(xiàn)率分別為50.09%、43.06%、57.66%；F處理有機(jī)碳分布以>2 mm和<0.25 mm粒級(jí)為主，相對(duì)貢獻(xiàn)率為60.29%；B處理有機(jī)碳除>2 mm粒級(jí)分布較少外，其余粒級(jí)均勻分布（19.52%～25.15%）；而BFM處理有機(jī)碳分布以<0.5 mm粒級(jí)為主，相對(duì)貢獻(xiàn)率為56.81%。

表4 生物炭對(duì)亞熱帶紅壤有機(jī)碳含量與各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳分布的影響 （g/kg）

表5 土壤各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳的相對(duì)貢獻(xiàn)率 （%）

2.3.2 生物炭對(duì)亞熱帶紅壤各粒徑團(tuán)聚體全氮含量的影響

生物炭對(duì)亞熱帶紅壤全氮及土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體各粒級(jí)全氮含量表現(xiàn)出不同的差異，與對(duì)照相比，各處理均提高全土的全氮含量，平均含量提高32.33%（表6）；其中BFM處理全氮含量最高，為0.68 g/kg；施用生物炭能增加土壤全氮含量，但是各粒級(jí)增幅有所差異。研究結(jié)果（表6）表明，施用生物炭后各粒級(jí)全氮含量與CK相比均有提高。其中CK和FM處理中>2 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體全氮含量最高；而F和B處理中1～0.5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體全氮含量最高；而BF及BFM處理中0.5～0.25 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體全氮含量最高。整體水平來看，1～0.5 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體全氮含量與對(duì)照組相比增幅最大，增幅為9.62%～130.77%。

表6 生物炭對(duì)亞熱帶紅壤全氮含量與各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體全氮分布的影響 （g/kg）

從各粒級(jí)團(tuán)聚體全氮的相對(duì)貢獻(xiàn)率（表7）可以發(fā)現(xiàn)，各處理中<0.25 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體土壤全氮貢獻(xiàn)率最高，其中BF處理相對(duì)貢獻(xiàn)率最大，為60.07%；CK處理的土壤中全氮分布以<0.25 mm粒級(jí)為主，其相對(duì)貢獻(xiàn)率為51.39%；F及FM處理的土壤中全氮分布以>2和<0.25 mm粒級(jí)為主；而生物炭配施化肥后，氮素得到聚集，分布以<0.25 mm粒級(jí)為主，相對(duì)貢獻(xiàn)率為60.07%；BFM處理的土壤全氮分布則主要在<0.5 mm粒級(jí)中，相對(duì)貢獻(xiàn)率為56.98%。

表7 土壤各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體全氮的相對(duì)貢獻(xiàn)率 （%）

2.3.3 生物炭對(duì)亞熱帶紅壤各粒徑團(tuán)聚體碳氮比的影響

生物炭對(duì)亞熱帶紅壤碳氮比及土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體各粒級(jí)碳氮比表現(xiàn)出不同的差異，各處理均顯著提高全土的碳氮比，平均提高30.16%（表8）；從各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體土壤碳氮比分布中可以看出，含有生物炭的處理與其他處理相比，除F、FM處理的2～1、0.5～0.25 mm粒徑，各個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體的土壤其碳氮比均有不同程度的增高。B、BF、BFM處理之間在>2、2～1 mm粒徑下無顯著差異；1～0.5 mm粒徑下，B及BFM處理土壤碳氮比顯著高于BF處理；0.5～0.25 mm粒徑下，BFM處理后的土壤具有較高的碳氮比；<0.25 mm粒徑下，BFM處理的土壤具有較高的碳氮比，達(dá)13.18%。

表8 不同處理下亞熱帶紅壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的碳氮比

3 討論

土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)在植物生長(zhǎng)、土壤水分運(yùn)移、土壤理化性質(zhì)等方面發(fā)揮著重要作用［14-15］。有機(jī)質(zhì)是團(tuán)聚體形成所需的重要膠結(jié)物質(zhì)［16］，有機(jī)碳的含量顯著影響土壤團(tuán)聚體數(shù)量［17］。本試驗(yàn)中，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體均以<0.25 mm粒徑為主，與對(duì)照相比，生物炭配施化肥可以提高粒徑<0.25 mm團(tuán)聚體含量，但是配施化肥和豬糞則對(duì)土壤粒徑<0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量影響不顯著，甚至有所降低，這與龍攀等［18］和代紅翠［19］的研究結(jié)果相似，其原因可能是，配施豬糞進(jìn)一步增加了有機(jī)碳投入，團(tuán)聚體形成所需的膠結(jié)物質(zhì)更加充足，從而使土壤中水穩(wěn)性小團(tuán)聚體形成大團(tuán)聚體［20］。

土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性與作物生長(zhǎng)、土壤養(yǎng)分、水分保持等方面息息相關(guān)，團(tuán)聚體平均重量直徑、幾何平均直徑、分形維數(shù)等是評(píng)價(jià)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)［20-21］。本研究中，單施生物炭對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑無顯著影響，而生物炭配施化肥、豬糞可以顯著提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑，生物炭及其配施化肥和豬糞可以顯著提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體幾何平均直徑，其值越大，表示團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高，穩(wěn)定性越強(qiáng)。這與李江舟等［7］研究結(jié)果一致，這可能是因?yàn)橐环矫嫔锾渴┤胪寥篮蟠碳の⑸锘钚裕瑥亩a(chǎn)生促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成的分泌物，形成更多的團(tuán)聚體膠結(jié)物質(zhì)，增強(qiáng)團(tuán)聚體的穩(wěn)定 性［21］，另一方面生物炭特有的高度發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，也能夠吸附、固定土壤中的無機(jī)離子及有機(jī)化合物，從而進(jìn)一步形成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合物和大粒徑團(tuán)聚體［22-23］。分形維數(shù)反映了土壤質(zhì)地的均一程度，可以對(duì)土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量化描述［22］，分形維數(shù)越小則土壤結(jié)構(gòu)越松散，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)越好［23］，本研究中土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)比較相近，范圍為2.75～2.88，其中單施生物炭處理的分形維數(shù)與對(duì)照相比減少了3.73%，說明生物炭可以改善土壤的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，這與徐國鑫 等［24］研究結(jié)果一致。

本研究結(jié)果顯示，生物炭能夠顯著提高土壤及各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮及碳氮比含量，且有機(jī)碳分布以大團(tuán)聚體（>0.25 mm）為主，說明大團(tuán)聚體對(duì)土壤碳、氮具有強(qiáng)富集和物理保護(hù)作用，朱捍華等［25］、付琳琳［26］研究稻草易地還土對(duì)丘陵紅壤團(tuán)聚體碳氮分布的影響，發(fā)現(xiàn)稻草易地還土可以提高土壤大團(tuán)聚體含量，且有機(jī)碳和全氮的含量較高。施用生物炭可以顯著提高土壤總有機(jī)碳、總氮含量及碳氮比，平均增幅分別為154.76%、74.05%、30.16%，吳鵬豹等［27］研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭能夠增加大團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量，且隨著施炭量的增加，土壤總碳也相應(yīng)增加，其原因一方面可能是生物炭的施用促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)，增加了土壤微生物數(shù)量和種類，土壤中更多的碳得以被固定并存在于大團(tuán)聚體中，另一方面根系的分解以及根系分泌物也能夠增加大團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量［28］，這與許多學(xué)者研究結(jié)果相似；陳曉旋等［29］研究發(fā)現(xiàn)生物炭增加了土壤的碳氮比，土壤碳含量的升高也加強(qiáng)了土壤對(duì)氮素的固持。

4 結(jié)論

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體均以<0.25 mm粒徑為主，生物炭能夠顯著增加WA0.25團(tuán)聚體含量，配施化肥、豬糞則會(huì)降低其含量。

生物炭配施化肥、豬糞可以顯著提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑、幾何平均直徑。

生物炭能夠顯著提高全土及各粒徑團(tuán)聚體土壤有機(jī)碳、全氮含量及碳氮比。