施用生物炭和秸秆对植烟土壤团聚体稳定性及有机碳分布的影响

贾 辉，赵亚鹏，符云鹏*，何甜甜，符新妍，云 菲，刘建举，聂庆凯

1.河南农业大学烟草学院 烟草行业烟草栽培重点实验室，郑州市金水区农业路63 号 450002

2.河南省烟草公司许昌市公司，河南省许昌市湖滨路43 号 461000

3.河南中烟工业有限责任公司，郑州市管城回族区榆林南路16 号 450000

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，对土壤功能的维持发挥着重要作用［1］。土壤有机碳（SOC）是表征土壤肥力的核心指标［2］，也是团聚体形成的重要胶结剂，对大团粒结构的形成有促进作用［3-4］。研究表明［5］，土壤有机碳含量的增加有利于团聚体的形成，从而提高土壤结构的稳定性，使土壤不但抗侵蚀，而且也为植物根系提供理想的水分和空气条件。与其他农田土壤相似，我国植烟土壤由于长期过量施用化肥，而有机肥施用较少，导致土壤团聚体结构遭到了严重破坏，进而出现土壤板结、综合土壤肥力下降等现象，影响了烟草的正常生长发育，烟草根、茎病害频发［6-7］。因此，植烟土壤改良势在必行。目前对土壤的改良多集中在添加生物炭、作物秸秆、有机肥和绿肥等。秸秆还田不仅可以提高土壤有机碳含量，还可以显著提高土壤水稳性大团聚体含量、改善土壤结构及理化性质［8-9］。孙汉印等［10］在不同秸秆还田模式的试验中发现，秸秆还田可以有效提高大团聚体含量，并且促进大团聚体中有机碳含量的增加。生物炭可减少养分流失、增加土壤有机碳含量［11］和阳离子交换量、减少温室气体排放、提高作物产量和品质［12-14］，但对土壤团聚体的影响研究结果存在争议。吴鹏豹等［15］通过小区试验发现海南花岗岩砖红壤施用0.5%和1.0%生物炭18个月后，＞5 mm 水稳性大团聚体含量显著增加。而Busscher 等［16］、叶丽丽等［17］和侯晓娜等［18］的室内培养试验研究表明，添加生物炭不能提高大团聚体含量，甚至降低了土壤团聚体的稳定性。目前对植烟土壤团聚体的影响方面报道较少，且针对不同的土壤类型生物炭和秸秆施用的影响结果也不一致。为此，以豫中烟区褐土为研究对象，分析了生物炭、秸秆及二者配施条件下不同土层土壤团聚体稳定性及有机碳分布的特征，旨在为褐土类植烟土壤的改良提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

试验于2017—2018 年在河南农业大学许昌校区现代烟草科技园区进行。供试土壤为褐土，土壤质地为中壤土。供试生物炭是将花生壳在400～450 ℃下限氧炭化30 min，粉碎后过2 mm 筛制成，pH 8.76，由河南省生物炭技术工程实验室提供。全碳50.12%，全氮0.35%，全磷1.02%，全钾1.76%。腐熟小麦秸秆全碳37.10%，全氮0.41%，全磷0.76%，全钾0.93%。试验所用化肥为烟草专用复合肥（10%N、10%P2O5、20%K2O），硝酸钾（13%N、46%K2O），硫酸钾（50%K2O），过磷酸钙（12%P2O5）。供试品种为中烟100。试验前土壤基础理化性质：有机质19.09 g/kg，碱解氮74.7 mg/kg，速效磷8.7 mg/kg，速效钾114.5 mg/kg，水溶性氯24.8 mg/kg，pH 7.61。

1.2 试验设计

试验于2017 年4 月1 日开始（匀地两年）至2018 年10 月1 日结束。两年的试验设计和施肥方案保持一致，本试验中数据为2018 年测得。共设置4 个处理，随机区组排列，3 次重复，小区面积0.02 hm2。4 个处理分别为：单施化肥（CK）；化肥+生物炭（T1）；化肥+腐熟秸秆（T2）；化肥+生物炭+腐熟秸秆（T3）。各处理氮用量为37.5 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶2∶5，以等碳量原则施入生物炭和秸秆，T1、T2和T3全碳投入量均为2.25 t/hm2，施肥方案中均扣除秸秆和生物炭中N、P、K 含量，CK 与T1、T2 和T3 的N、P、K 施入量保持一致。4 月24日将生物炭与腐熟秸秆按所需用量均匀撒在试验田上，经机器翻耕与土壤均匀混合。烟苗5 月1 日移栽，按照优质烟叶生产技术规范进行大田栽培管理，烟草采收后拔除烟杆，机器耙地后进入冬闲。

1.3 样品采集与测定方法

1.3.1 土壤样品采集

于移栽后100 d 在每个小区的垄上剖面采集0～10、10～20、20～30 cm 的原状土样，每小区每个耕层随机采集5 个样点，将5 个点采集的土壤混合为1 个1 kg 左右的土壤样品，然后装于保鲜盒内带回实验室。在室内剔除石砾和肉眼可见的植物残体及根系等杂物，用手将大土块沿土体自然缝隙轻轻掰碎成小于10 mm 的土块，风干，备用。

1.3.2 测定指标与方法

采用干筛法和湿筛法测定土壤团聚体的分布状况和稳定性［19-20］。干筛是为了将团聚体按粒径进行分离，是湿筛前的必要准备。取100 g 风干土样置于套筛（孔径依次为5.00、2.00、1.00、0.50 和0.25 mm）顶部，以30 次/min 手工上下振荡5 min，测定各孔径筛子上土样质量。湿筛法：计算干筛的各级团聚体占土样总量的百分比，然后按其百分比，配成1 份质量为50 g 的土样置于团聚体分析仪（TPF-100）的套筛上，套筛由上至下孔径依次为2.000、1.000、0.500、0.250 和0.053 mm，在土样充分浸润后，以每分钟上下振动30 次、振幅3 cm振动30 min。振动结束后，取出套筛，收集各层筛中的残留团聚体，在60 ℃烘箱中烘干至恒质量并称量。

通过称量各级粒径土壤团聚体的质量，计算水稳定性团聚体各粒级百分比、平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、分形维数（D）、大于0.250 mm 团聚体含量（WR0.250）、破坏率（PAD）、水稳系数（K）、土壤不稳定团粒指数（ELT），计算方法采用杨培岭等［21］推导的公式。

有机碳的测定：土壤原土风干样及烘干后的各粒级团聚体，过0.15 mm 筛，采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定［22］。

团聚体中有机碳的贡献率=［该级团聚体中有机碳含量×该级团聚体含量）/土壤总有机碳含量］×100%

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2010 软件进行数据处理，用Origin 9.1 和Microsoft Excel 2010 软件作图，利用SPASS 20 软件进行方差分析和Duncan's 新复极差法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 施用生物炭与秸秆对土壤团聚体分布的影响

由表1 可知，施用生物炭和秸秆对植烟土壤团聚体分布具有明显的影响。随土层的加深，各处理＜0.053 mm 粒级团聚体含量呈增加趋势。施用生物炭和秸秆可以明显提高0～30 cm 土层土壤大团聚体含量，降低土壤微团聚体含量，其中T1、T2和T3 处理大团聚体含量分别较CK 增加10.68%～38.24%、10.43%～23.71%和15.74%～101.70%；土壤微团聚体含量分别较CK 降低4.14%～17.60%、4.05%～11.18%和6.11%～47.97%。施用生物炭和秸秆对0～20 cm 土层土壤团聚体含量影响更为明显，其中0.500～1.000 mm 粒级团聚体含量较CK 显著增加，而＜0.250 mm 粒级团聚体含量较CK 显著降低，尤其以生物炭与秸秆配施的T3 处理对0.500～1.000 mm 粒级团聚体含量提高幅度最大、＜0.250 mm 粒级团聚体含量降低幅度最大。3 个处理相比，以生物炭与秸秆配施的T3 处理效果最好。

表1 不同处理对土壤各粒级团聚体含量的影响①Tab.1 Effects of different treatments on contents of soil aggregates of various particle sizes in different soil layers

2.2 施用生物炭与秸秆对土壤团聚体稳定性的影响

随土层的加深，各处理MWD、GMD 和K 值下降，且在20～30 cm 土层中降低显著；PAD 和ELT值则随土层加深而显著增高（表2）。表2 表明，各处理均可提高0～30 cm 土层团聚体的稳定性，其中对0～20 cm 土层的影响更加明显，与CK 相比，3 个处理0～20 cm 土层中土壤团聚体的MWD、GMD、WR0.250和K 值显著增加，PAD、ELT和D 值显著降低；且T3处理0～10 cm 土层中土壤团聚体的MWD、GMD、WR0.25和K 值显著高于T1 和T2 处理，而PAD、ELT和D 值则显著低于T1 和T2 处理。说明秸秆与生物炭配施对土壤团聚体稳定性改善效果最明显。

表2 不同处理对土壤水稳性团聚体稳定性的影响Tab.2 Effects of different treatments on stability of soil water-stable aggregates in different soil layers

2.3 施用生物炭与秸秆对土壤总有机碳的影响

由图1 可知，随土层的加深，T1 和T3 处理土壤有机碳含量明显增加，其中T1 和T3 处理10～20 cm 土层较0～10 cm 土层分别增加9.12%和3.86%，且差异显著。与CK 相比，T1 和T3 处理显著提高了0～30 cm 土层中有机碳含量，T1 处理提高幅度最大；T2 处理仅在0～20 cm 土层有机碳含量显著高于CK。T1 处理各土层有机碳含量均显著高于T2、在10～30 cm 土层有机碳含量显著高于T3；T3处理在20～30 cm 土层有机碳含量显著高于T2 处理。3 个处理相比，单施生物炭对土壤总有机碳的提高效果最好。

2.4 施用生物炭与秸秆对各粒级团聚体有机碳含量及分配的影响

由表3 可以看出，随着土层的加深，不同处理各粒级团聚体有机碳含量无明显差异。总体上看，在＜2.000 mm 的团聚体中，各处理有机碳含量随土壤团聚体粒级的增大呈增加趋势。与CK 相比，施用生物炭和秸秆可以明显提高0～30 cm 土层各粒级团聚体有机碳含量，除T2 处理0～30 cm 土层 和T3 处 理0～10 cm 土 层0.250～0.500 mm 粒 级外，其他均与CK 间差异显著。添加生物炭的T1处理在0～30 cm 土层各粒级团聚体有机碳含量均为最高，较CK 显著增加10.92%～39.21%。综合来看，各处理普遍提高了各粒级团聚体有机碳含量，以T1 处理对各粒级团聚体有机碳含量的提高效果最好。

图1 不同处理土壤有机碳含量Fig.1 Soil organic carbon contents under different treatments

表3 不同处理土壤各粒级团聚体中有机碳含量Tab.3 Organic carbon contents in soil aggregates in different soil layers under different treatments

表4 不同处理土壤各粒级团聚体中有机碳对土壤有机碳的贡献率Tab.4 Contribution rates of organic carbon in aggregates of various particle sizes to soil organic carbon under different treatments

通过计算土壤各粒级团聚体有机碳相对贡献率（表4）发现，添加生物炭和秸秆可明显改变有机碳在各粒级团聚体中的分配。随着土层的加深，各处理大团聚体有机碳贡献率呈降低趋势，微团聚体有机碳贡献率呈增加趋势。在0～30 cm 土层中，各处理明显提高了大团聚体有机碳贡献率，T1、T2 和T3 分 别 较CK 提 高11.05%～24.55%、10.31%～23.21%和16.97%～98.92%；对0～20 cm 土层的影响更明显，与CK 相比，3 个处理0～20 cm 土层1.000～0.500 mm 团聚体中有机碳的贡献率显著提高，0.250～0.053 mm 团聚体中有机碳的贡献率则显著降低，且T1 和T3 处理＜0.053 mm 团聚体中有机碳贡献率也显著降低；T3 处理0～20 cm 土层1.000～0.500 mm 团聚体中有机碳贡献率显著高于T1 和T2 处理。说明T3 处理对大团聚体有机碳贡献率的提高效果更好。

3 讨论

3.1 施用生物炭与秸秆后土壤团聚体分布和稳定性的变化

土壤团聚体作为土壤结构的基本组成单元，其含量和稳定性对土壤保水保肥能力有重要影响［23］。本研究结果表明，施用生物炭、秸秆及二者配施显著提高0～20 cm 土层中0.500～1.000 mm 粒级团聚体（大团聚体）含量，显著降低＜0.250 mm 粒级团聚体（微团聚体）含量，这与前人的研究结果基本一致［24-26］。一方面是由于生物炭自身的多孔结构和较大的比表面积，有利于促进大团聚体的形成［27］；另一方面，生物炭的添加提高了土壤有机碳含量，有机碳作为良好的土壤胶结剂，促进了土壤大团聚体的形成［28-29］。秸秆施入土壤后，秸秆自身可作为大团聚体形成的核心［30］，而且秸秆腐解后增加了土壤中碳水化合物、芳香族碳、脂肪族碳、酯类化合物和氨基类化合物含量。碳水化合物是土壤团聚体非常重要的黏合剂，对团聚体的形成和稳定性提高起重要作用［8,31-32］。本试验中生物炭与秸秆混施处理对降低微团聚体含量的效果最好，可能是由于生物炭与秸秆优势互补作用的结果。

MWD、GMD、WR0.250、K 值、PAD、ELT和分形维数D 是反应土壤团聚体稳定性高低的重要指标，MWD、GMD、WR0.250和K 值越大，PAD、ELT和D 越小，表明团聚体稳定性越高［33-34］。本试验中发现，施用生物炭和秸秆均能提高0～30 cm 土层中土壤团聚体的稳定性，且表现为生物炭+秸秆＞单施生物炭＞单施秸秆，其中单施秸秆处理的影响较小，这与徐国鑫等［35］的研究结果不一致，可能是因为土质不同，从而对秸秆的响应有所差异。有研究表明，pH 增大有利于团聚体稳定性的提高，而腐熟秸秆的添加导致土壤pH 降低，对团聚体稳定性提高效果较差［36］。本研究中还发现20～30 cm 土层中各处理对团聚体分布和稳定性的影响小于0～20 cm 土层，这可能与耕作扰动和大部分烟草根系主要集中在0～20 cm 土层中有关。

3.2 施用生物炭与秸秆后土壤有机碳以及团聚体中有机碳分布的变化

单施生物炭、秸秆以及生物炭与秸秆配施处理各土层有机碳含量与常规施肥相比明显增加，且单施生物炭对土壤有机碳提高幅度最大，单施秸秆处理土壤有机碳提高幅度最小，这与侯晓娜等［18］和徐国鑫等［35］的研究结果基本一致。生物炭自身含有大量碳且性质稳定，不易被矿化［37］；而且生物炭与土壤有机碳结合后可以提高有机碳的氧化稳定性，有利于土壤有机碳的积累［38］。腐熟秸秆对土壤有机碳的提高程度低于生物炭，主要是秸秆含有大量新鲜易分解的碳，施入土壤的秸秆碳通过呼吸作用损失较多，进而减少了土壤有机碳的积累［39-40］。有研究表明，随着土层的加深，土壤有机碳呈下降趋势［24,41］，但本试验中20～30 cm土层土壤有机碳含量并不是最低，甚至随着土层的加深，单施生物炭处理和生物炭与秸秆配施处理土壤有机碳含量明显增加，这可能与试验材料的特殊性及其施用方法有关。本试验中所用生物炭及腐熟小麦秸秆采取先撒施、耕耙均匀后再起垄，由于生物炭颗粒较小，在耕作过程中可能会下沉到较深土层，进而导致20～30 cm 土层土壤有机碳含量增加。单施秸秆处理20～30 cm 土层有机碳含量与对照差异不明显，可能与秸秆颗粒较大，进入深层土壤较少有关。

本试验结果表明，施用生物炭和秸秆处理可明显提高0～30 cm 土层各粒级团聚体有机碳含量，且随土壤团聚体粒级的增大有机碳含量呈增加趋势，大团聚体能保存更多碳素。这可能是添加的外源碳作为胶结物质促进微团聚体向大团聚体的转化，进而增加了大团聚体中有机碳的含量［29］。土壤团聚体有机碳的贡献率主要受两个因素影响，一是各粒级团聚体的数量，二是各粒级团聚体有机碳的含量［26］。本试验中发现，虽然＜0.250 mm 粒级团聚体的有机碳含量低，但其数量在整个土壤结构中所占比例较大，所以对土壤有机碳的贡献率较高。在10～20 cm 土层中添加生物炭和秸秆处理增加0.250～1.000 mm 粒级团聚体有机碳贡献率，但降低＜0.250 mm 粒级团聚体有机碳的贡献率。一方面是由于生物炭的含氧官能团促进微团聚体向大团聚体形成，从而增加了大团聚体中的有机碳含量，提高了大团聚体有机碳贡献率。另一方面，秸秆的施入促使大团聚体成为微生物的活动中心，微生物的活动有利于更多碳被大团聚体固定［42］。

4 结论

施用生物炭和秸秆可提高0～30 cm 土层大团聚体含量（＞0.250 mm）及其稳定性，尤其对0～20 cm 土层大团聚体含量及其稳定性提高效果最显著，且以生物炭与秸秆配施处理对促进土壤大团聚体的形成、提高土壤团聚体的稳定性、改善土壤结构的作用效果最佳。

施用生物炭和秸秆可以明显提高0～30 cm 土层土壤总有机碳含量以及各粒级团聚体有机碳含量，其中单施生物炭处理对土壤团聚体有机碳的提高效果优于单施秸秆处理和生物炭与秸秆配施处理，而生物炭与秸秆配施处理更有利于提高土壤大团聚体有机碳的贡献率。