施用生物炭對國槐人工林土壤理化性質(zhì)的影響

方健梅，蔣麗偉，楊 帆，閆芳彬，盛昌昌

(1.國家林業(yè)和草原局林草調(diào)查規(guī)劃院，北京 100714； 2.北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，北京 100083)

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中儲量最大的有機碳庫，在全球氣候變化中起重要作用[1]。目前對園林廢棄物不合理的管理措施如焚燒、填埋等，是導(dǎo)致土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動中斷、環(huán)境污染的主要原因[2]。園林廢棄物堆肥施用后，在改善土壤質(zhì)量的同時也會增加CO2等溫室氣體的排放[3]，而以園林廢棄物制備生物炭作為新興土壤改良劑，則在提高土壤質(zhì)量，管理農(nóng)林業(yè)廢棄物和緩解氣候變化等方面都具有很大意義[4]。

生物炭通常是由農(nóng)林廢棄物、動物糞便等原材料在缺氧的條件下，高溫裂解而得到的一種高度芳香化、富含碳素的固態(tài)產(chǎn)物[5]。對生物炭研究的重視源于對巴西亞馬遜河流域中部黑土的認(rèn)識。研究發(fā)現(xiàn)，與周圍土壤相比，這種黑土具有更高的肥力和良好的物理特性[6]。生物炭具有含碳量豐富、多孔、吸附能力強、容重小、穩(wěn)定性強等特點[7]，施用生物炭一方面可以降低土壤pH值[8]，增加土壤有機碳[9]、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效鉀等養(yǎng)分含量[10]；另一方面可減小土壤容重[11]，提高孔隙度[12]，增加土壤儲水量，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，并提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[13-14]。

目前，關(guān)于生物炭施用的研究多數(shù)為室內(nèi)培養(yǎng)試驗，缺乏現(xiàn)地試驗，限制了對生物炭施入人工林土壤后對土壤改良功能的驗證。因此，我們在北京市房山區(qū)國槐人工林施用園林廢棄物生物炭，研究施用生物炭半年后對土壤速效養(yǎng)分含量、容重、孔隙度以及團(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性等的影響，以期為培肥土壤、改善土壤物理性質(zhì)和制定生物炭還林管理措施提供參考。

1 試驗區(qū)概況

試驗地位于北京市房山區(qū)張莊村公園(39°74′N，116°08′E)。試驗區(qū)為暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，屬于2018年北京市平原造林示范區(qū)，年平均氣溫為11.6 ℃，年平均降水量為602.5 mm。試驗林為國槐人工林，其土壤為沖積性砂質(zhì)壤土，蓄水保肥能力較差，含全氮0.31 g·kg-1、全磷0.2 g·kg-1、有機碳6.86 g·kg-1、硝態(tài)氮0.9 mg·kg-1、銨態(tài)氮0.67 mg·kg-1、速效磷0.1 mg·kg-1，土壤pH值為8.65。

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

試驗材料為園林廢棄物經(jīng)熱解炭化的生物炭，由北京市京圃園生物工程有限公司提供，含全氮1.13 g·kg-1、全磷1.29 g·kg-1、有機碳53.54 g·kg-1、硝態(tài)氮3.78 mg·kg-1、銨態(tài)氮0.21 mg·kg-1、速效磷4.79 mg·kg-1,pH值為9.21。

2021年6月在試驗區(qū)選擇地勢平坦、植被分布均勻、土壤異質(zhì)性小的3年生國槐人工林設(shè)置樣地，并在樣地周圍設(shè)立標(biāo)牌進(jìn)行隔離保護(hù)。采用隨機區(qū)組設(shè)計，參考以往研究[4]，各處理生物炭的施用量分別為1(T1)、2(T2)、4(T3)kg·m-2碳當(dāng)量，并設(shè)置不施生物炭的作為對照(CK)，共設(shè)4種處理，每種處理重復(fù)3次；每塊樣地面積均為10 m2，各樣地之間設(shè)2 m的隔離帶。生物炭施用方法為撒施后再用旋耕機將生物炭與0～20 cm土層的土混合。

2.2 土壤樣品采集與測定

2.2.1 土壤樣品采集 2021年12月，在每塊樣地內(nèi)隨機選取5個點，去除土壤表層凋落物，在0～20 cm土層以體積為100 cm3的環(huán)刀采集原狀土土樣，用膠帶密封后帶回實驗室備用。將原狀土樣放入取樣盒，自然風(fēng)干后清除石礫、植物殘體等雜物，將大土塊按照自然紋理剝離成1 cm3左右的小土塊作為團(tuán)聚體的待測樣品；同時將混合土壤樣品于室溫下風(fēng)干，用于土壤化學(xué)性質(zhì)測定。

2.2.2 土壤樣品測定 土壤pH值采用電位法測定，土水比為1∶2.5；有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定；銨態(tài)氮含量采用靛酚藍(lán)比色法測定；硝態(tài)氮含量采用重氮耦合分光光度法測定；速效磷含量采用鉬銻抗比色法測定[16]。土壤容重、含水率、飽和持水量采用環(huán)刀法測定[17]。

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量采用濕篩法測定[18]。將孔徑為2.00、0.250、0.053 mm的3個篩子按孔徑從大到小依次疊放在一起，稱取50 g自然風(fēng)干的土樣放置于最上層篩子，在水中靜置浸泡5 min，然后用團(tuán)聚體分析儀以30次·min-1的速度震蕩5 min；將篩子從水中緩慢取出，靜置后分別將篩子中的團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移至燒杯中，55 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱量各粒級團(tuán)聚體質(zhì)量。

2.3 數(shù)據(jù)計算

利用環(huán)刀法采集和測定土樣所得到的數(shù)據(jù)計算土壤容重(ρs，g·cm-3)、含水率(Cw，%)、飽和持水量(Cc，%)、毛管孔隙度(Pc，%)、非毛管孔隙度(Pn，%)和總孔隙度(Ps，%)。其計算公式如下：

ρs=(m3-m)/v

(1)

Cw=(m0-m3)/(m3-m)

(2)

Cc=(m2-m3)/(m3-m)×100%

(3)

Ps=(m1-m3)/(m3-m)×ρs×100%

(4)

Pc=(m2-m3)/(m3-m)×ρs×100%

(5)

Pn=Ps-Pc

(6)

式中：m為采樣當(dāng)天稱取的環(huán)刀質(zhì)量；m0為裝有原狀土樣的環(huán)刀質(zhì)量；m1為裝有原狀土樣的環(huán)刀于蒸餾水中浸泡12 h后的質(zhì)量；m2為環(huán)刀在蒸餾水中浸泡12 h后再置于干砂2 h的質(zhì)量；m3為將環(huán)刀置于105 ℃烘干箱中烘至的恒質(zhì)量；v為環(huán)刀容積。

利用濕篩法測定土壤團(tuán)聚體含量所得到的數(shù)據(jù)，計算各粒級團(tuán)聚體含量、團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD，mm)、團(tuán)聚體幾何平均直徑(GMD，mm)和粒徑>0.25 mm團(tuán)聚體含量(R>0.25，%)。其計算公式如下：

(7)

(8)

(9)

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，多重比較采用LSD法；采用Origin 2022軟件繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 施用生物炭對土壤pH值和速效養(yǎng)分含量的影響

表1結(jié)果顯示：在國槐人工林土壤中施用生物炭明顯增加了其土壤有機碳含量，并隨著生物炭施用量的增加而增加；T1、T2和T3處理的土壤有機碳含量分別增加42.3%、97.9%和159.8%；施用生物炭后各處理的土壤pH值以及銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷含量均沒有顯著差異。說明生物炭施用對土壤有機碳含量有明顯提高作用，但對其他速效養(yǎng)分含量無明顯影響。

表1 施用生物炭對土壤pH值和養(yǎng)分含量的影響Tab.1 The effects of biochar application on soil pH and nutrient content處理pH值有機碳/(g·kg-1)銨態(tài)氮/(mg·kg-1)硝態(tài)氮/(mg·kg-1)速效磷/(mg·kg-1)CK7.99±0.04 a17.94±5.53 c0.78±0.05 a2.57±1.68 a0.20±0.11 aT18.03±0.20 a25.52±8.28 bc0.78±0.06 a4.72±0.85 a0.22±0.09 aT28.25±0.18 a35.51±6.23 ab0.78±0.04 a2.52±0.16 a0.16±0.08 aT37.97±0.32 a46.61±11.14 a0.81±0.10 a2.16±1.50 a0.12±0.08 a 注:同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

3.2 施用生物炭對土壤容重、含水率、飽和持水量和孔隙度的影響

由表2可知：在國槐人工林土壤中施用生物炭明顯增加了其土壤飽和持水量，且土壤飽和持水量、非毛管孔隙度和總孔隙度均隨著生物炭施用量的增加先增大后減小，總的趨勢是增大的。其中T2處理的飽和持水量、非毛管孔隙度和總孔隙度均最大，飽和持水量從0.31提高至0.37，提高了19.4%；非毛管孔隙度從0.05提高至0.1，提高了100.0%；總孔隙度從0.41提高至0.47，提高了14.6%。施用一定量的生物炭可降低其土壤容重，且隨著生物炭施用量的增加，土壤容重先降低后又有所增加，總的趨勢是下降的，其中T2處理的土壤容重顯著低于CK的和T1處理的，低了9.6%。施用生物炭對土壤含水率和毛管孔隙度均沒有顯著影響?？傮w而言，生物炭的施用對土壤緊實度和孔隙度有改善作用，提高了土壤飽和持水量。

表2 施用生物炭對土壤容重、含水率、飽和持水量和孔隙度的影響Tab.2 The effects of biochar application on soil bulk density, water content,saturated water content and porosity處理 容重/(g·cm-3) 含水率/% 飽和持水量/% 毛管孔隙度/% 非毛管孔隙度/% 總孔隙度/%CK1.56±0.03 a0.19±0.01 a0.31±0.02 c0.43±0.02 a0.05±0.01 b0.41±0.01 bT11.56±0.05 a0.19±0.02 a0.33±0.03 bc0.45±0.02 a0.05±0.01 b0.41±0.02 bT21.41±0.08 b0.19±0.02 a0.37±0.01 a0.43±0.05 a0.10±0.01 a0.47±0.03 aT31.46±0.07 ab0.19±0.02 a0.35±0.02 ab0.46±0.03 a0.07±0.01 b0.45±0.02 ab

3.3 施用生物炭對水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性的影響

表3結(jié)果表明：施用生物炭顯著增加了>2.000 mm粒級團(tuán)聚體的含量，且隨著生物炭施用量的增加，>2.000 mm粒級團(tuán)聚體含量先增加后減少，其中T2處理的最高。施用生物炭顯著減少了0.053～0.250 mm粒級團(tuán)聚體的含量，且隨著生物炭施用量的增加，0.053～0.250 mm粒級團(tuán)聚體含量先減少后增加，其中T2處理的最低，但與T1、T3的差異不顯著；施用生物炭對0.250～2.000 mm和<0.053 mm粒級團(tuán)聚體含量無顯著影響?？傮w來說，施用生物炭可以改變土壤團(tuán)聚體的組成，提高大團(tuán)聚體的含量，其中T2處理的效果最好。

施用生物炭明顯增加了團(tuán)聚體的MWD、GMD和R>0.25。T1、T2、T3處理的MWD和R>0.25與對照的差異均顯著，但3種處理間的差異不顯著；T2和T3處理的GMD顯著高于對照的。團(tuán)聚體MWD、GMD和R>0.25的大小依次均為T2的>T3的>T1的>CK的，說明生物炭的施用提高了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，生物炭過量反而會減弱土壤團(tuán)聚效果。

表3 施用生物炭對土壤各粒級團(tuán)聚體含量和土壤團(tuán)聚體MWD、GMD、R>0.25的影響Tab.3 The effects of biochar application on composition of soil particle size fractions and soil aggregates MWD、GMD、R>0.25處理團(tuán)聚體粒級>2.000 mm0.250～2.000 mm0.053～0.250 mm<0.053 mmMWD/mmGMD/mmR>0.25/%CK22.39±1.84 b13.44±1.06 a10.40±0.75 a3.22±1.44 a5.32±0.38 b1.64±0.25 b0.72±0.01 bT126.98±2.07 a11.66±1.95 a 8.52±0.66 b2.59±0.81 a6.26±0.42 a2.28±0.33 ab0.78±0.03 aT231.09±1.75 a 9.06±1.96 a 7.57±0.86 b1.89±0.53 a7.12±0.34 a3.01±0.31 a0.81±0.03 aT329.43±3.35 a 9.32±2.65 a 8.52±0.39 b2.12±0.47 a6.80±0.7 a2.68±0.55 a0.78±0.02 a

4 結(jié)論與討論

(1)本研究結(jié)果顯示，在國槐人工林土壤中施用生物炭明顯增加了其土壤有機碳含量，增加幅度為42.3%～159.8%；對土壤pH值及銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和速效磷等速效養(yǎng)分含量的影響不顯著。生物炭富含碳素，含有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強的芳香族多碳，因此，施用生物炭還會增加土壤對有機碳的物理保護(hù)(如吸附保護(hù)和團(tuán)聚體保護(hù))，有助于有機碳累積，對碳封存和增加土壤碳匯具有重要意義[19]。生物炭含有大量羧基，通常呈堿性，施用生物炭可以提高土壤pH值，有利于酸性土壤改良[20]，但也有研究表明施用生物炭后土壤pH值會下降[18]。生物炭具有瞬時效應(yīng)，施用3個月后土壤pH值明顯增加，但施用 11個月后其土壤pH值與對照處理的差異不顯著[21]。這與本研究土壤pH值變化不顯著的結(jié)論一致。施用生物炭可明顯增加土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和速效磷等養(yǎng)分含量[10，22]。這與本研究結(jié)果不同，可能是與供試土壤的性質(zhì)、施用生物炭的性質(zhì)和試驗時間的長短等因素有關(guān)，因此，有必要加強生物炭對土壤生態(tài)系統(tǒng)長期影響的研究。

(2)容重降低是土壤物理性質(zhì)得到改善的一個重要指標(biāo)。本研究結(jié)果表明，在國槐人工林土壤中施用一定量的生物炭可降低其土壤容重，其中以生物炭施用量為2 kg·m-2碳當(dāng)量處理的效果最好，其土壤容重降低了9.0%；明顯增加了其土壤飽和持水量，其中生物炭施用量為2 kg·m-2碳當(dāng)量處理的效果最好，該處理的土壤飽和持水量、非毛管孔隙度、總孔隙度分別增加了19.4%、100.0%、14.6%。因為生物炭具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，其自身容重較小，對土壤有一定的稀釋作用；而且生物炭吸附能力強，可以增加土壤中有機碳的含量，有利于增加微生物的數(shù)量和活性，增加土壤礦物顆粒與菌體間的耦合作用，促進(jìn)團(tuán)聚體的形成，從而改善土壤結(jié)構(gòu)狀況，降低土壤容重[11，23]。生物炭對土壤結(jié)構(gòu)的改良也會影響其含水量和孔隙度等其他物理特性。這是由于生物炭自身具有多孔性且表面較多親水性官能團(tuán)，提高了其持水性能，增加了土壤飽和持水量和孔隙度[24]。施用適量的生物炭對人工林土壤改良的效果最佳，但過量施用生物炭會導(dǎo)致土壤改良效果降低。

(3)本研究發(fā)現(xiàn)，在國槐人工林土壤中施用生物炭顯著增加了土壤大團(tuán)聚體(粒級>0.25 mm)含量，降低了微團(tuán)聚體(粒級<0.25 mm)含量。鈣、鎂和土壤有機碳是土壤團(tuán)聚體形成的重要膠結(jié)劑[25]，本試驗施用的生物炭中有機碳含量為53.54g·kg-1，是含碳豐富的外源有機物質(zhì)，有利于提高土壤微生物量，增加土壤微生物活性，從而產(chǎn)生更多微生物分泌物，使土壤中的微團(tuán)聚體和粘粉粒(粒級<0.053 mm)向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化[26]。另一方面，生物炭本身具有較大的比表面積和吸附力，能夠固定多種無機離子及化合物，可以在土壤中形成有機-無機復(fù)合物和大粒徑團(tuán)聚體[13-14，27]。也有研究[28]表明，施用生物炭后土壤中團(tuán)聚體含量沒有顯著變化，這可能與試驗地土壤理化性質(zhì)有關(guān)。

(4)MWD、GMD和R>0.25作為土壤團(tuán)聚體分布情況的評價指標(biāo)與土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性具有一致性，其值越大，表明大團(tuán)聚體含量越高，穩(wěn)定性越強[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，生物炭施用量為0(CK)、1(T1)、2(T2)、4(T3)kg·m-2碳當(dāng)量等不同處理的團(tuán)聚體穩(wěn)定性順序為T2的>T3的>T1的>CK的，當(dāng)生物炭施用量為2 kg·m-2碳當(dāng)量時，團(tuán)聚體MWD、GMD和R>0.25值均最大，土壤團(tuán)聚體含量和穩(wěn)定性均最高。