生物炭對(duì)棕壤團(tuán)聚體空間分布及有機(jī)碳的影響

孫強(qiáng) ，楊旭 ，孟軍 ，蘭宇 ，韓曉日 *

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部生物炭與土壤改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110866；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家生物炭研究院，沈陽(yáng) 110866；3.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境博士后流動(dòng)站，沈陽(yáng) 110866）

全球土壤含有約2 344 Gt 有機(jī)碳，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機(jī)碳庫(kù)[1]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的碳庫(kù)[2]。農(nóng)田土壤有機(jī)碳水平對(duì)于維持土壤肥力，保障農(nóng)田生產(chǎn)力有著至關(guān)重要的作用[3]。農(nóng)田土壤碳庫(kù)產(chǎn)生微小的波動(dòng)就會(huì)對(duì)大氣溫室氣體濃度產(chǎn)生重要影響[1-2]。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的最基本單元，團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定受到生物與非生物因素調(diào)控。適宜的團(tuán)聚體分布會(huì)改善土壤結(jié)構(gòu)，大團(tuán)聚體含量高的土壤是土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)良的體現(xiàn)。土壤有機(jī)碳與土壤團(tuán)聚體密切相關(guān)，土壤有機(jī)碳是土壤團(tuán)聚體形成過(guò)程中的重要膠結(jié)物質(zhì)，而土壤團(tuán)聚體是土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存的重要場(chǎng)所。土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的物理保護(hù)也被認(rèn)為是有機(jī)碳在土壤中長(zhǎng)久保存的主要機(jī)制[4]。

生物炭具有含碳量高、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、理化性質(zhì)穩(wěn)定且富含營(yíng)養(yǎng)元素等特點(diǎn)，同時(shí)也具備來(lái)源廣泛、固碳潛力巨大的性質(zhì)，所以生物炭作為土壤改良劑在近年來(lái)受到廣泛關(guān)注[5-7]。據(jù)研究表明，生物炭顯著提高了大團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量進(jìn)而促進(jìn)了大團(tuán)聚體的形成[7]。高鳴慧等[8]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對(duì)棕壤耕層大團(tuán)聚體及團(tuán)聚體有機(jī)碳都具有顯著的提升效果。林洪羽等[9]研究發(fā)現(xiàn)生物炭結(jié)合化肥配施顯著提高了土壤有機(jī)碳含量，并促進(jìn)了<0.053 mm 粒徑團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體組分轉(zhuǎn)化。根據(jù)meta-analysis 的研究結(jié)果表明，生物炭作為土壤改良劑對(duì)土壤團(tuán)聚體具有顯著的促進(jìn)效果[10]。但同時(shí)也有研究結(jié)果表明，生物炭作為土壤改良劑對(duì)團(tuán)聚體沒(méi)有顯著影響或負(fù)面影響[11-12]。其原因可能和生物炭的種類、試驗(yàn)土壤類型和試驗(yàn)?zāi)晗抻嘘P(guān)。前人已經(jīng)針對(duì)生物炭對(duì)土壤有機(jī)碳和團(tuán)聚體開(kāi)展了相關(guān)的研究，但均在單一的生物炭施用量下研究土壤耕層有機(jī)碳和團(tuán)聚體變化的結(jié)果，而生物炭對(duì)土壤團(tuán)聚體及有機(jī)碳空間分布的影響尚不清楚。本研究基于大田試驗(yàn)，探討一次性施用生物炭5 a 后棕壤團(tuán)聚體及有機(jī)碳空間分布的變化，以期提升生物炭對(duì)土壤團(tuán)聚體及有機(jī)碳空間分布的認(rèn)識(shí)。

棕壤是中國(guó)東北地區(qū)典型耕作土壤之一，面積約占遼寧省總耕地面積的36.1%，是遼寧省重要的耕地土壤類型。棕壤土層深厚，結(jié)構(gòu)合理，水熱條件好，對(duì)保障國(guó)家糧食安全具有重要的戰(zhàn)略意義[13]。但是由于近幾十年來(lái)棕壤的過(guò)度開(kāi)發(fā)和掠奪式的經(jīng)營(yíng)，導(dǎo)致棕壤有機(jī)碳含量持續(xù)下降，結(jié)構(gòu)變差，土壤功能退化明顯。所以應(yīng)用生物炭對(duì)棕壤進(jìn)行改良具有廣闊的前景和重要的意義。以往的研究主要集中在室內(nèi)模擬培養(yǎng)試驗(yàn)或是盆栽試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)晗掭^短，缺乏較長(zhǎng)時(shí)間尺度的大田試驗(yàn)研究結(jié)果，或者只針對(duì)生物炭對(duì)大田土壤耕層的影響，對(duì)土壤團(tuán)聚體空間變化及有機(jī)碳空間分布研究較少。謝祖彬等[14]對(duì)已發(fā)表的文獻(xiàn)研究分析，在時(shí)間尺度上，生物炭大量的相關(guān)研究沒(méi)有超過(guò)1 a，2 a 以上的研究?jī)H占5%。本研究以棕壤區(qū)5 a 玉米連作定位試驗(yàn)為基礎(chǔ)，以一次性施入不同生物炭量的試驗(yàn)處理為研究對(duì)象，對(duì)棕壤團(tuán)聚體空間分布、團(tuán)聚體有機(jī)碳含量及貢獻(xiàn)率開(kāi)展研究，旨在為生物炭對(duì)棕壤改良提供依據(jù)，并保障遼寧棕壤區(qū)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，獲得生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益協(xié)調(diào)發(fā)展的可持續(xù)農(nóng)業(yè)技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)區(qū)概況

供試土壤為棕壤，屬發(fā)育在第四紀(jì)黃土母質(zhì)上的潛育濕潤(rùn)淋溶土。試驗(yàn)所用生物炭為玉米秸稈生物炭，產(chǎn)自遼寧金和福農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司。生物炭的制備過(guò)程為將玉米秸稈粉碎后置于炭化爐中，在限氧環(huán)境下450 ℃熱解炭化，熱解持續(xù)時(shí)間為1 h。生物炭產(chǎn)品在裝袋之前粉碎過(guò)2 mm 篩，生物炭的顆粒分布情況為>0.25 mm 占比50.8%±1.2%，0.053~0.25 mm 顆粒占比 42.2%±1.5%，<0.053 mm 顆粒占比 7.0%±0.9%。供試土壤及生物炭性質(zhì)見(jiàn)表1。試驗(yàn)區(qū)位于沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物炭長(zhǎng)期定位試驗(yàn)站，該地區(qū)氣候類型為溫帶濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。冬春季干旱少雨，夏秋季濕潤(rùn)多雨，年平均氣溫約為7.0~8.1 ℃，年平均降雨量約為574~684 mm，無(wú)霜期約為150 d。作物生育期內(nèi)平均降雨量為547 mm，平均氣溫為20.7 ℃，適宜作物生長(zhǎng)。

表1 供試土壤及生物炭基礎(chǔ)性質(zhì)Table 1 Basic properties of the tested soil and biochar

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開(kāi)始于2013年5月初，于2017年9月下旬取得土壤樣品。種植作物為春玉米，種植模式為玉米連作，種植密度為60 000 株·hm-2。共設(shè)4 個(gè)處理，分別為 C0：不施生物炭；C1：于 2013 年 5 月播種前一次性施用生物炭 15.75 t·hm-2；C2：于 2013 年 5 月播種前一次性施用生物炭 31.50 t·hm-2；C3：于 2013 年 5 月播種前一次性施用生物炭47.25 t·hm-2。試驗(yàn)小區(qū)面積為36 m2（3.6 m×10 m），三次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。于2013 年5 月初將生物炭人工均勻撒播在試驗(yàn)區(qū)的表面，隨后用旋耕機(jī)將生物炭與耕層土壤充分混合。各處理施肥量一致，均為逐年施入N 120 kg·hm-2、P2O560 kg·hm-2、K2O 60 kg·hm-2。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 樣品采集

采用剖面取土法在小區(qū)進(jìn)行五點(diǎn)法取樣，分別取得原狀土樣品和散土樣品。取樣深度為0~20、20~40 cm 和40~60 cm。將所取樣品帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，原狀土樣品在風(fēng)干的過(guò)程中手工沿土壤自然結(jié)構(gòu)掰開(kāi)，過(guò)8 mm 篩，待完全風(fēng)干后用于團(tuán)聚體篩分。另取同樣深度的散土樣品，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，揀除小石子和植物殘留物，分別過(guò)100目和10目篩用于土壤有機(jī)碳和pH的測(cè)定。

1.3.2 測(cè)定方法

土壤團(tuán)聚體的測(cè)定采用經(jīng)典濕篩法[15]。使用XY-100 型團(tuán)聚體篩分儀將團(tuán)聚體分為>2 mm（粗大團(tuán)聚體），0.25~2 mm（細(xì)大團(tuán)聚體），0.053~0.25 mm（微團(tuán)聚體）和<0.053 mm（粉黏粒）四個(gè)組分。各粒徑團(tuán)聚體烘干稱質(zhì)量后過(guò)100 目篩用于土壤有機(jī)碳分析。取過(guò)100 目篩的散土樣品用于土壤有機(jī)碳的分析。土壤有機(jī)碳采用元素分析儀（Elementar Macro Cube，Langenselbold，德國(guó)）測(cè)定。另取過(guò)10目篩的散土10 g 加25 mL 去離子水，用攪拌器充分?jǐn)嚢? min后靜置30 min，用pH 計(jì)（HANNA HI2221，意大利）測(cè)定pH。

1.3.3 團(tuán)聚體穩(wěn)定性

采用常規(guī)表征團(tuán)聚體穩(wěn)定性的方法，對(duì)平均質(zhì)量直徑（MWD），幾何平均直徑（GMD），大團(tuán)聚體含量（R>0.25mm）和分形維數(shù)（D）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

1.3.4 團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率

每一粒徑團(tuán)聚體的相對(duì)有機(jī)碳貢獻(xiàn)率采用如下公式計(jì)算：

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016 對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所有數(shù)據(jù)均采用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)偏差的形式。利用SPSS 22.0 對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，處理間差異采用LSD最小顯著差異法多重比較（P<0.05）。采用Origin2022繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)團(tuán)聚體空間分布的影響

如圖1a 所示，0~20 cm 耕層一次性施用生物炭5 a 后，與C0 相比較，各施炭處理土壤耕層大團(tuán)聚體的含量顯著增加，粉黏粒組分含量均顯著降低，C1、C2和C3 處理分別降低了15%、30.0%和14.7%。微團(tuán)聚體組分含量未受生物炭施入的影響。只有C1 和C2處理顯著提高了粗大團(tuán)聚體的含量，分別提高了1.2%和19.5%，而只有C3 顯著提高了細(xì)大團(tuán)聚體的含量，提高了14.6%。

如圖1b 所示，生物炭對(duì)20~40 cm 土層土壤團(tuán)聚體的分布也產(chǎn)生了顯著的影響。與0~20 cm 耕層不同，微團(tuán)聚體在該土層內(nèi)含量最高。與C0 相比較，C1、C2處理僅微團(tuán)聚體含量顯著降低，細(xì)大團(tuán)聚體組分含量顯著提高（P<0.05），其余各組分則無(wú)顯著變化；而C3處理微團(tuán)聚體和粉黏粒組分均顯著下降，細(xì)大團(tuán)聚體組分含量顯著增加（P<0.05）。各處理粗大團(tuán)聚體含量無(wú)顯著差異。

如圖1c 所示，40~60 cm 土層主要以微團(tuán)聚體和粉黏粒組分占主導(dǎo)地位。與C0 相比較，僅有C3 處理顯著降低了粉黏粒組分，并且提高了細(xì)大團(tuán)聚體組分（P<0.05）；與C1、C2 相比較，C3 處理的粉黏粒組分也顯著降低，細(xì)大團(tuán)聚體組分含量顯著提高。各處理粗大團(tuán)聚體含量無(wú)顯著差異（P>0.05）。

圖1 生物炭施用量對(duì)不同土層土壤團(tuán)聚體分布的影響Figure 1 Effects of biochar dosages on soil aggregate distribution

隨著土層深度的增加，土壤團(tuán)聚體的組成逐漸發(fā)生變化，耕層土壤中大團(tuán)聚體占主導(dǎo)地位，其含量為55.13%~61.91%；20~40 cm 土層中大團(tuán)聚體含量占比為38.84%~50.23%；40~60 cm 土層中大團(tuán)聚體含量則為18.88%~26.14%；微團(tuán)聚體和粉黏粒組分在40~60 cm 土層占據(jù)主導(dǎo)地位，含量分別為35.83%~39.09%和18.88%~26.14%。

2.2 生物炭對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性通常由MWD、GMD、大團(tuán)聚體含量及分形維數(shù)來(lái)表示。MWD、GMD的數(shù)值及大團(tuán)聚體含量越高，表明團(tuán)聚體的穩(wěn)定性越高，土壤結(jié)構(gòu)越好。由圖2 可知，在0~20 cm 土層，各處理水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD的大小順序?yàn)?C2>C1>C3=C0，GMD的大小順序?yàn)镃2>C1=C3>C0，R>0.25mm的大小順序?yàn)镃2>C3>C1>C0，同時(shí)生物炭的施用顯著降低了分形維數(shù)（P<0.05）。而在20~40 cm 土層，生物炭仍然提高了水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD、GMD以及R>0.25mm，但僅有C3處理顯著提高了MWD和GMD（P<0.05），C1、C2 和 C3處理均顯著提高了R>0.25mm（P<0.05），分別提高12.78%、17.57%和29.32%。生物炭也降低了該土層的分形維數(shù)值，并且在C2 和C3 處理達(dá)到了顯著水平（P<0.05）。在 40~60 cm 土層內(nèi)，與 C0 相比，僅有 C3處理顯著提高了水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD和R>0.25mm，并且顯著降低了分形維數(shù)值（P<0.05），而C1、C2未對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響（P>0.05）?？傊锾渴┯煤箢w粒分解緩慢，參與了土壤團(tuán)聚體的形成過(guò)程，提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性，降低土壤分形維數(shù)。

2.3 生物炭對(duì)不同土層土壤有機(jī)碳含量的影響

由圖3 可知，0~20 cm 土層有機(jī)碳含量的大小順序?yàn)?C3>C2>C1>C0（P<0.05）。與 C0 相比，C1、C2 和C3 處理均顯著提高了0~20 cm 土層的土壤有機(jī)碳含量，分別提高了6.81%、11.06%和41.62%。20~40 cm土層有機(jī)碳含量大小順序與0~20 cm 土層變化規(guī)律一致，與 C0 相比，C1、C2 和 C3 處理分別提高了92.36%、111.63%和123.25%（P<0.05）。在40~60 cm土層中，與C0相比，僅有C3處理顯著提高了有機(jī)碳含量（P<0.05），有機(jī)碳含量增加了4.67%，C1、C2處理與C0 相比有機(jī)碳含量無(wú)顯著差異。土壤有機(jī)碳含量與施炭量關(guān)系密切，生物炭施用量越高，土壤有機(jī)碳提升幅度越大。但有機(jī)碳的提升并不是隨著生物炭施用量線性增加的，這可能是由于生物炭進(jìn)入土壤以后部分會(huì)礦化分解為小分子有機(jī)碳（包括溶解性組分），它們可以通過(guò)與土壤本底有機(jī)碳作用（如競(jìng)爭(zhēng)吸附位點(diǎn)）釋放出溶解性有機(jī)碳，并促進(jìn)其向下遷移，從而提高亞表層土壤有機(jī)碳含量。生物炭的施用也會(huì)提高土壤孔隙度，從而促進(jìn)生物炭顆粒向下運(yùn)移。

圖3 生物炭施用量對(duì)不同土層土壤有機(jī)碳含量的影響Figure 3 Effects of biochar dosages on SOC content of different soil layers

2.4 生物炭對(duì)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量及有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的影響

不同生物炭施用量對(duì)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響如表2 所示。在0~20 cm 土層，隨著生物炭施用量的增加，耕層團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的提高效果越顯著。與C0 相比，C3 處理顯著提高了各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，>2 mm、0.25~2 mm、0.053~0.25 mm和<0.053 mm 分別提高了 24.03%、59.21%、46.72%和20.89%。C2 顯著提高了除粉黏粒組分外所有粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，但>2 mm 組分與C0 相比差異不顯著，C1 只顯著提高了>2 mm 組分團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。

表2 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量Table 2 Soil aggregate associated organic carbon contents

在20~40 cm 土層，各生物炭處理均顯著提高了團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量（P<0.05）。與C0 相比，C1、C2、C3 處理分別提高>2 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量54.20%、98.95%、128.36%；0.25~2 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量93.02%、127.43%、206.48%；0.053~0.25 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量76.60%、65.71%、376.60%；<0.053 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量11.42%、6.62%、114.61%。

在40~60 cm 土層，生物炭對(duì)微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量無(wú)顯著影響（P>0.05）。與C0 相比，C1、C2、C3 均顯著提高了>2 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，分別提高了6.79%、42.30%、101.57%；C1、C2、C3 提高了 0.25~2 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量17.12%、24.18%、114.95%；僅C3處理顯著提高了<0.053 mm 組分的有機(jī)碳含量，提高了19.52%。

通過(guò)對(duì)各土層各粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳相對(duì)貢獻(xiàn)率的計(jì)算可以得知（表3），0~20 cm 土層中，土壤有機(jī)碳主要分布在>0.25 mm 的團(tuán)聚體中?？傮w而言，生物炭的施用降低了0~20 cm 土層<0.053 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，而提高了大團(tuán)聚體（>0.25 mm）的有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。20~40 cm 土層土壤有機(jī)碳主要集中分布在>0.053 mm 各粒徑土壤團(tuán)聚體中。各生物炭處理均降低了<0.053 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。40~60 cm 土層團(tuán)聚體有機(jī)碳主要集中分布在<0.25 mm 各粒徑團(tuán)聚體中，C1、C2、C3 處理相比 C0 分別降低了<0.053 mm 的團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率9.28%、5.06%、24.57%。

表3 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的相對(duì)貢獻(xiàn)率Table 3 Relative contributions of aggregate associated organic carbon

2.5 生物炭對(duì)土壤pH的影響

如表4 所示，隨著生物炭施用量的提高，棕壤pH值隨之顯著提高（P<0.05）。在施用生物炭當(dāng)年，與C0 相比，C1、C2 和 C3 的 pH 值分別提高了 2.5%、6.1%和 8.8%；在施用生物炭 5 a 后，與 C0 相比，C1、C2 和C3 的pH 值分別提高了3.9%、6.0%和9.7%。經(jīng)過(guò)5 a的田間試驗(yàn)，生物炭施用量相同處理的土壤pH 年際間無(wú)顯著變化，說(shuō)明生物炭對(duì)棕壤pH 的影響具有持久性。

表4 生物炭對(duì)土壤pH的影響Table 4 Effects of biochar dosages on soil pH

3 討論

3.1 生物炭施用量對(duì)土壤團(tuán)聚體分布的影響

土壤團(tuán)聚體是由礦物和有機(jī)物通過(guò)物理、化學(xué)和生物過(guò)程形成的實(shí)體[16]。土壤團(tuán)聚體是土壤有機(jī)碳的賦存場(chǎng)所，土壤有機(jī)碳也為土壤團(tuán)聚體的形成提供了膠結(jié)物質(zhì)[17-18]。近十年來(lái)，生物炭因其潛在的農(nóng)藝效應(yīng)而備受關(guān)注。生物炭對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響具有不一致的研究結(jié)果。大量的研究表明生物炭的施用能夠改善土壤的團(tuán)聚性[19-22]，但也有研究表明生物炭作為土壤改良劑對(duì)土壤團(tuán)聚性沒(méi)有影響甚至具有負(fù)面影響[11，23-24]。本研究發(fā)現(xiàn)，在 0~20 cm 土層中，各處理間0.053~0.25 mm 粒徑團(tuán)聚體含量無(wú)顯著差異，但生物炭促進(jìn)了<0.053 mm 粒徑團(tuán)聚體向>2 mm 和0.25~2 mm 粒徑團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化。20~40 cm 土層中主要以0.053~0.25 mm 為主，占比35.36%~39.79%，各生物炭處理的0.053~0.25 mm 和<0.053 mm 粒徑團(tuán)聚體含量下降，>2 mm 和0.25~2 mm 團(tuán)聚體組分含量顯著提高。這說(shuō)明經(jīng)過(guò)5 a 的試驗(yàn)，生物炭的施用對(duì)20~40 cm 團(tuán)聚體的形成也有促進(jìn)作用。40~60 cm 土層則只有C3處理對(duì)團(tuán)聚體的分布產(chǎn)生了顯著影響。上述結(jié)果與李倩倩等[25]的研究結(jié)果相類似，即施用生物炭5 a后，表層（0~10 cm）塿土大團(tuán)聚體含量及穩(wěn)定性響應(yīng)最佳的生物炭施用量為 40 t·hm-2，而 60 t·hm-2或 80 t·hm-2對(duì)表層以下土壤大團(tuán)聚體含量及團(tuán)聚體穩(wěn)定性有更好的提升效果。上述結(jié)果表明生物炭經(jīng)過(guò)5 a的時(shí)間，生物炭小顆粒及可溶性有機(jī)碳等會(huì)在土層內(nèi)發(fā)生垂直運(yùn)移，運(yùn)移到相應(yīng)土層的生物炭顆粒和可溶性有機(jī)碳等能作為膠結(jié)劑將較小粒徑的團(tuán)聚體團(tuán)聚成為大團(tuán)聚體，從而促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成。生物炭的施用也會(huì)促進(jìn)玉米根系的生長(zhǎng)，提高玉米根系的生物量[26-27]，根系分泌物利于土壤微生物的生長(zhǎng)[28]，微生物群落及生物多樣性也趨于改善，釋放更多的膠結(jié)劑促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成[29-30]。此外，生物炭在土壤中的老化過(guò)程也會(huì)導(dǎo)致其表面趨于與黏土礦物復(fù)合，這些作用促成了土壤團(tuán)聚體的形成。

3.2 生物炭施用量對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

MWD、GMD和R>0.25mm是表征團(tuán)聚體穩(wěn)定性的常規(guī)指標(biāo)。上述指標(biāo)越大，表明土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性越強(qiáng)。生物炭提高了棕壤0~20 cm 土層的MWD、GMD和R>0.25mm，并且呈現(xiàn)出 C2 最大，C1 和 C3 次之，C0 最小的規(guī)律。這說(shuō)明生物炭作為土壤改良劑有其適宜的施用量，過(guò)量施用生物炭會(huì)降低團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。隨著土層的深入，20~40 cm 與40~60 cm 土層的MWD、GMD和R>0.25mm隨著生物炭施用量的增加而提高，并且C3 處理顯著高于C0 處理。分形維數(shù)也能反映土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，其值越小說(shuō)明團(tuán)聚體越穩(wěn)定[31]。在本研究中，生物炭顯著降低了0~20 cm 土層的分形維數(shù)，其中C3 處理最低。在20~40 cm 和40~60 cm 土層中，C3 處理顯著降低了土壤的分形維數(shù)。綜上所述，生物炭作為土壤改良劑顯著提高了0~20 cm 土層的團(tuán)聚體穩(wěn)定性，并且C2 處理對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提升效果最好。隨著土層深度的增加，C3處理對(duì)20~40 cm 和40~60 cm 土層團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提升效果最佳。本研究結(jié)果與侯曉娜等[32]研究結(jié)果不一致，侯曉娜等[32]的研究發(fā)現(xiàn)生物炭對(duì)砂漿黑土MWD、GMD和R>0.25mm無(wú)顯著影響，而吳鵬豹等[33]研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭18個(gè)月后，花崗巖磚紅壤的GMD顯著增加，李江舟等[34]研究發(fā)現(xiàn)生物炭顯著提高了云南煙區(qū)紅壤MWD、GMD和R>0.25mm。不同研究結(jié)果的差異可能與土壤類型、試驗(yàn)?zāi)晗抟约碍h(huán)境差異等因素有關(guān)。

3.3 生物炭施用量對(duì)土壤有機(jī)碳及土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響

生物炭含有大量穩(wěn)定的有機(jī)碳，所以生物炭被視為提高土壤有機(jī)碳含量的理想材料[5]。本研究中，各生物炭處理不僅顯著提高了0~20 cm 土層土壤有機(jī)碳含量（P<0.05），同時(shí)也對(duì)20~40 cm 和40~60 cm 土層有機(jī)碳含量產(chǎn)生了影響。其中，20~40 cm 土層與0~20 cm 土層有機(jī)碳變化規(guī)律一致，但40~60 cm 土層僅C3處理有機(jī)碳含量顯著高于其他處理。上述現(xiàn)象說(shuō)明生物炭在田間可能發(fā)生了垂直運(yùn)移的現(xiàn)象，并且這種現(xiàn)象隨著施用量的增加而逐漸增強(qiáng)。這說(shuō)明生物炭的施用不僅提高了0~20 cm 土層的有機(jī)碳含量，對(duì)土壤更深層次固碳也起到了積極的作用。生物炭提高土壤有機(jī)碳的機(jī)制主要體現(xiàn)在兩個(gè)途徑，首先，生物炭自身含有大量的穩(wěn)定有機(jī)碳，作為土壤改良劑混入土壤后提高了土壤有機(jī)碳含量[5]；其次，生物炭作為土壤改良劑能夠通過(guò)負(fù)激發(fā)效應(yīng)提高土壤有機(jī)碳含量[35]。至于C3處理40~60 cm 土壤有機(jī)碳含量仍然顯著高于其他處理，其原因可能是由于C3 處理生物炭施用量高，土壤孔隙增大，向下垂直運(yùn)移的生物炭顆粒也隨之變多。

通常情況下，隨著土壤團(tuán)聚體粒徑的增加，團(tuán)聚體有機(jī)碳含量也隨之增大[36]。在本研究中，0~20 cm土層中有機(jī)碳含量最高的是0.25~2 mm 粒徑團(tuán)聚體，>2 mm 粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量次之，0.053~0.25 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳濃度最低。與此同時(shí)，除<0.053 mm 粒徑團(tuán)聚體外，各生物炭處理下各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均顯著高于C0 處理，說(shuō)明生物炭作為外源有機(jī)碳優(yōu)先分布在粒徑較大的團(tuán)聚體中，此結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[37]。在20~40 cm 土層和40~60 cm 土層中，各生物炭處理顯著提高了大團(tuán)聚體（0.25~2 mm和>2 mm）有機(jī)碳的含量（P<0.05）。這說(shuō)明生物炭細(xì)小顆粒等通過(guò)土壤孔隙、作物根系生長(zhǎng)、土壤動(dòng)物運(yùn)動(dòng)等過(guò)程運(yùn)移到20~40 cm 和40~60 cm 層次，運(yùn)移到相應(yīng)土層的生物炭促進(jìn)了大團(tuán)聚體的形成。

通過(guò)分析各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的變化，能夠從表觀了解生物炭對(duì)土壤有機(jī)碳在團(tuán)聚體中分布的影響。土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率受團(tuán)聚體的分布和各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量?jī)蓚€(gè)因素影響。李江舟等[34]的研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)施用生物炭3 a 后，大團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率顯著升高。徐國(guó)鑫等[38]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)1 a的試驗(yàn)，土壤有機(jī)碳主要分布在<0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中。不同的研究結(jié)果可能與不同的試驗(yàn)環(huán)境、年限及生物炭種類和土壤類型有關(guān)。本研究中，生物炭處理均顯著降低了<0.053 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，說(shuō)明生物炭在棕壤中起到了促進(jìn)大團(tuán)聚體形成、提高棕壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的作用。而與此同時(shí)，更多大團(tuán)聚體的形成也對(duì)棕壤有機(jī)碳形成了物理保護(hù)，從而降低了土壤微生物對(duì)有機(jī)碳的分解[39]。

4 結(jié)論

（1）一次性施入生物炭5 a 后，棕壤耕層（0~20 cm）大團(tuán)聚體的含量顯著提高，粉黏粒含量顯著降低，棕壤團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑均顯著增加，分形維數(shù)顯著降低。生物炭提高了團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量，并且提高大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率。對(duì)耕層土壤團(tuán)聚性提升效果最好的生物炭量是31.50 t·hm-2。

（2）在20~40 cm 土層，生物炭改變了土壤團(tuán)聚體的分布，促進(jìn)微團(tuán)聚體及粉黏粒組分向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化，進(jìn)而提高了大團(tuán)聚體的含量和團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

（3）在 40~60 cm 土層中，僅有 C3 處理顯著增加了土壤有機(jī)碳含量、大團(tuán)聚體含量和團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。C1、C2 處理未提高40~60 cm 土壤有機(jī)碳含量，但C1、C2 提高了40~60 cm 土層大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，并促進(jìn)了土壤有機(jī)碳向大團(tuán)聚體的分配。因此，棕壤施用生物炭是提高棕壤有機(jī)碳含量、改良土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤碳匯的有效手段。