生物质炭对土地整治区土壤物理特性的改良效应

邓建强，方武军，王 勇，吴 东，樊 俊，夏鹏亮 (.湖北省烟草公司恩施州公司，湖北 恩施 5000;2.湖北中烟工业有限责任公司襄阳卷烟厂，湖北 襄阳 000；.湖北中烟工业有限责任公司红安卷烟厂，湖北 红安 800；.湖北中烟工业有限责任公司，湖北 武汉 0000)

土地整治是增加有效耕地面积、提高土地质量、改善生态环境的重要途径。早在20世纪50年代，德国和荷兰就已大力开展了土地整治，后逐步拓展到欧洲各国[1]。我国土地整治始于20世纪80年代，在增加耕地数量、提高耕地质量等方面做出了重大贡献[2-3]。已初步证实土地整治有助于社会经济与生态保护的和谐发展[4-7]。然而，由于土壤整治受到工程改造的影响，大量生土被带入耕作层，机械碾压作用使原有土壤层物理状况发生改变，水热协调能力变差[8-9]，在整治后的数年里难以满足作物生长需求，重度整治区域表现尤为突出[10]。为此，寻求一种快速重构土壤结构的方法具有现实紧迫性。

当前，生物质炭技术已成为研究热点[11]，并应用到土壤酸化区改良[12]、盐渍土区域改良[13]、重金属和有机物质污染区域修复[14-15]等领域，结果证实生物质炭在土壤物理结构重塑方面效果较佳。这主要归结于生物质炭本身较大的孔隙结构和巨大的表面积[16-17]，增加了土壤孔隙度，减小了土壤容重，增加了田间持水量[18-22]，生物质炭促进了土壤团聚体的形成，增加了团聚体的稳定性[23-24]。为此，该研究通过田间试验探讨生物质炭对土地整治区土壤物理特性的改良效应，为土地整治区生产力快速恢复与农业可持续发展提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于湖北恩施现代烟草农业科学示范区(26° 45′ N，111° 23′ E)，海拔为1 015 m。试验区域为典型的岩溶性地貌区，具有明显的山地立体型气候特点，年平均气温为16.3 ℃，年均降雨量为1 434.9 mm，降雨主要集中在7—9月[25]。土地整治前土壤类型为山地黄棕壤，受工程改造影响较大，带入耕作层的生土较多，与非整治区相比，有机质含量低，土壤容重大，基础土样理化性质如下：容重为1.30 g·cm-3，有机质、全氮、全磷、全钾含量分别为9.02、0.87、0.87、20.46 g·kg-1，pH值为7.50，阳离子交换量(CEC)为7.51 cmol·kg-1。

1.2 供试材料

供试生物质炭由某再生能源专业加工厂提供，原料为水稻谷壳。生物质炭生产设备为连续竖式生物质炭化炉，炭化温度为400～500 ℃，其中30%的生物质材料转化为生物质炭[23]。生物质炭比表面积为2.09 m2·g-1，孔隙呈蜂窝状，存在较多的微孔和小孔，尺寸在5 μm以下，以芳香族官能团为主。其基本化学性质如下：全氮、全磷、全钾、有机碳含量为2.16、6.85、7.42、543.53 g·kg-1，pH值为7.73，CEC为 22.50 cmol·kg-1，灰分质量分数为27.69%。

1.3 试验方法

1.3.1试验设计

试验为大田试验，共5个处理，即生物质炭用量分别为0(CK)、7.5、15、30和45 t·hm-2，3次重复，小区面积为8.25 m×4.80 m=39.60 m2，随机排列。试验区四周设1.2 m宽保护行，小区间设0.8 m农业操作走道，将生物质炭均匀施于土壤表面，翻耕混匀至土壤耕作层(0～30 cm)，后期不再补施生物质炭。供试作物为云烟87，行距为1.20 m，株距为0.55 m，施肥按照当地标准进行。

1.3.2土壤指标

烟叶生长季每隔15 d测定1次土壤含水量，测定方法见文献[26]。大田试验布置的第2年，在0～20 cm垄体中利用容重环刀、饱和导水率环刀和水分特征曲线环刀采集原状土，每个小区3次重复。同时，用铁铲对每个小区垄体的土壤进行取样，放入硬质盒中带回实验室测定团聚体。土壤容重采用环刀法测定；土壤水分特征曲线采用压力膜法测定[27]；饱和导水率采用渗透率仪在恒水头下测定[28]；土壤团聚体采用湿筛法测定[29]，团聚体平均质量直径(MWD，DMW)计算方法为

(1)

由于生物质炭施用后，土壤容重大幅降低，耕层厚度增加，单独采用土壤含水量不能准确描述土层中水分的变化状况，为此引入土层储水量指标，对土地整治区土层水分变化情况进行描述，计算公式为

W=θm×ρ×h×100%。

(2)

式(2)中，W为土层储水量，t·hm-2；θm为质量含水量，%；ρ为未改良时土壤容重，g·cm-3；h为改良深度，cm。

1.4 数据处理

常规统计和建模分析在Excel 2003、SPSS 16.0和MATLAB 7.5平台进行。多重比较采用新复极差法，显著性水平设为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 对土壤容重与饱和导水率的影响

生物质炭对土壤容重具有显著的降低作用，容重随着用量的上升而下降(表1)。

与CK相比，7.5、15、30和45 t·hm-2处理的土壤容重分别下降1.67%、3.99%、6.15%和8.19%，其中30 t·hm-2以上处理与CK差异达显著水平(P<0.05)。此外，生物质炭具有提高土壤饱和导水率的趋势。与CK相比，7.5 t·hm-2处理的土壤饱和导水率下降2.4%，15、30和45 t·hm-2处理分别上升49.2%、65.5%和41.8%，但各处理间差异未达显著水平。

表1 生物质炭对土壤容重和土壤饱和导水率的影响

2.2 对水稳性团聚体的影响

通过表2可知，>5 mm粒径的团聚体比例随着生物质炭用量的增加呈下降趋势，45 t·hm-2处理与CK相比显著下降(P<0.05)，降幅达36.57 %，其他处理间差异不显著。对于>0.5～5 mm粒径的团聚体而言，增加生物质炭用量对其比例有一定的影响，但处理间无显著差异。随着生物质炭用量的上升，>0.25～0.5 mm粒径的团聚体比例具有显著上升趋势，30和45 t·hm-2处理与CK相比差异达显著水平(P<0.05)，而≤0.25 mm粒径团聚体比例随着生物质炭用量的增加呈下降趋势，30和45 t·hm-2处理显著低于CK(P<0.05)，降幅约为11%。45 t·hm-2处理的MWD显著低于CK和7.5 t·hm-2处理(P<0.05)，但与15和30 t·hm-2处理的差异不显著，说明15 t·hm-2用量是生物质炭对MWD影响的分界点，用量低于此值时对MWD的影响程度较小，但当用量逐渐增大至高于15 t·hm-2时，生物质炭对土壤MWD的降低趋势逐步显现。这与生物质炭对>5 mm粒径大团聚体比例有显著降低效果有关，虽>0.25～0.5 mm粒径水稳性团聚体比例显著上升，但大粒级团聚体的权重高，由此导致各处理的MWD整体降低。

表2 生物质炭对水稳性团聚体的影响

2.3 对土壤持水性的影响

生物质炭对土壤持水性有一定影响(表3)，在土壤水分饱和状态(0 Pa)和低吸力条件下(0.1×105Pa)处理间差异不显著。当吸力在0.3×105～15×105Pa之间时，随着生物质炭用量的增加，土壤体积含水量逐步上升，且30和45 t·hm-2处理均显著高于CK(P<0.05)，说明在此吸力条件下施用生物质炭有助于提高土壤的保水能力。当吸力达到15.0×105Pa，即土壤萎蔫点含水量，随着生物质炭用量的增加，土壤含水量先降低后增加，但各处理间差异不显著，用量达到30 t·hm-2后萎蔫点含水量略高于CK。

表3 生物质炭对不同吸力下土壤体积含水量的影响

为了定量、连续地分析生物质炭对土壤持水性的影响，采用VG模型对不同生物质炭用量下的土壤水分特征曲线进行拟合，VG模型描述及拟合方法详见文献[30]。表4为VG模型的主要参数和拟合精度，其中均方根误差和平均绝对误差均较小，相关系数r值较高，说明VG模型的拟合精度较高，数理可靠性强，可应用于下一步的分析。

表4 VG模型主要参数和拟合精度统计表

容水度可直观显示不同吸力条件下的土壤释水能力，其值通过对VG模型进行求导得到。由图1可见，当土壤吸力<0.2×105Pa时，生物质炭可提高土壤的释水能力；随着吸力的不断增加，CK的释水能力大幅上升，迅速超过生物质炭处理，当吸力达到0.3×105～0.4×105Pa时，各处理均达到释水峰值，且释水峰值随着生物质炭用量的上升逐步下降；当吸力超过0.7×105Pa时，CK的释水能力逐步降低至低于生物质炭处理，且差距随着生物质炭用量的上升而逐步增加。这说明生物质炭对土壤的释水性能在不同土壤吸力条件下表现不一，在极低吸力条件下可提高土壤的释水能力，这可能与生物质炭提高了土壤的通气孔隙，增加了水分入渗能力有关。但当土壤吸力逐步上升时，由于生物质炭可促进土壤毛管孔隙度的发育，且自身也具有一定的吸收性能，使得释水性能随着生物质炭用量的上升而不断下降。

图1 生物质炭对容水度的影响

3 讨论

3.1 生物质炭对土壤容重与导水性能的影响

土壤容重是土壤物理性质的综合反应，土壤容重过大，土壤紧实度增加，不利于通气、排水和植物扎根；土壤容重过小，通气孔隙加大，不易保水保肥，作物易倒伏。在土地整治区，生物质炭可显著降低土壤容重，且随着施用量的上升，降幅逐步升高，该结论与相关报道结果一致，即施用生物质炭有利于降低土壤的紧实度，土层更为疏松，随着用量的提高容重显著下降[18,31-32]。对于笔者研究的土地整治区而言，土壤紧实、物理结构差是农作物生长受抑制的主要因素，施用生物质炭可显著降低土壤容重，增强土壤可耕性，可作为解决土壤紧实问题的有效措施。但另一方面，生物质炭可增加土壤通气孔隙度，利于土壤排水，随着用量的上升，土壤饱和导水率逐步提高，这与JIENS等[33]的研究结论(生物质炭可将土壤饱和导水率从16.7提高到33.1 cm·h-1的趋势)相符，也暗示出生物质炭可能会加剧土壤某些营养元素的流失。LAIRD等[34]指出施用生物质炭可增加土壤钾淋洗量，且钾淋洗量随生物质炭用量的增加而增加，这与生物质炭提高土壤通气孔隙，增加土壤优势流，形成细微生物质炭颗粒，促进养分运输有关[35]。因此，适度控制生物质炭用量将更有利于农业生产。

3.2 生物质炭对土壤团聚性能的影响

该研究表明，生物质炭可降低≤0.25 mm微团聚体，提高>0.25～0.5 mm水稳性团聚体比例，但对>5 mm粒径的大团聚体具有降低作用，从而使得MWD有下降趋势，这与LU等[23]、LIU等[24]和吴鹏豹等[36]的结论有一定不同，但与LIU等[37]、安艳等[38]和HARTLEY等[39]的结果一致，这可能与不同土壤类型的团聚体稳定性有关。该试验的土壤有机质含量本身较低，而土壤耕作层的大团聚体(>5 mm)多为较不稳定有机质和黏粒直接胶结团聚而成。生物质炭通过分子间的范德华力、表面库仑力和氢键等作用吸附在有机质或黏粒表面，降低了大团聚体的团聚作用力，使其分散成更小一级团聚体[38]，致使粒径>5 mm的大团聚体随着生物质炭用量的增多而不断降低。但另一方面，生物质炭施用后可促进植物根系生长，增强根系活力[40-41]，促进有机物质的分泌，使微团聚体逐步团聚成小团聚体[42-43]，导致≤0.25 mm团聚体显著下降，而>0.25～0.5 mm团聚体显著上升。值得关注的是，因机械外力压实作用，土地整治往往出现了大量土块，耕性明显下降，而生物质炭可通过阻碍黏粒之间相互胶结，降低土块间的黏结，将大土块进一步分散，且有利于降低≤0.25 mm的团聚体比例，促使地力逐步恢复。

3.3 生物质炭对土壤持水性的影响

生物质炭对土壤持水性在不同吸力条件下的影响方式和程度不一，在低吸力条件下影响程度差异未达显著水平，但提高生物质用量可增加土壤的释水性，这主要与生物质炭大幅提高土壤通气孔隙，提高土壤导水性有关；当吸力达到0.3×105Pa以上时，生物质炭可通过调节土壤的释水性能来提高土壤田间持水量，这与普遍的研究结论相一致[44-45]。田间持水量的提高主要与生物质炭改变土壤团粒结构组成、提高毛管孔隙度有关[33]，且生物质炭发达的孔隙结构增强了其对水分的吸持力，这也是田间持水量提高的另一主要因素[46]。同时，OMONDI等[47]整理已发表的数据进行Meta分析发现，生物质炭可有效提高土壤保水能力，有效水库容平均增幅达到15.0%，且随着生物质炭用量的提高而增大，当用量高于80 t·hm-2时增加幅度可达24.9%，笔者研究中生物质碳最高用量45 t·hm-2的提高幅度仅为6.92%，这可能与生物质炭物料差异及区域土壤属性有关。同时，生物质炭对土壤持水性能的提高作用明显反馈到田间土层储水量上。根据为期2 a的实测数据统计，生物质炭对土层储水量有明显提高作用，用量达30 t·hm-2以上可显著提高6%左右的土层储水量(图2)，说明施用生物质炭有利于土地整治区土壤持水性和供水性的提高。

图2 生物质炭对土层储水量的影响

然而，在土地整治区，生物质炭虽对土壤萎蔫点含水量的影响较小，但随着施用量的上升其具有先下降后上升的趋势，这与ABEL等[48]和CORNELISSEN等[49]提出的生物质炭或多或少可提高土壤萎蔫点含水量的论点相一致。这主要是因为生物质炭促进了土壤微团聚体团聚成小团聚体，降低了土壤非活性孔隙度，在一定范围内施用可降低土壤萎蔫点含水量，但当用量增大到一定程度时，生物质炭本身具有强大的比表面积和发达的孔隙结构，使得水分的吸持能力增强[50]，掩盖了通过调节不同土壤团聚体等级分布而降低土壤萎蔫点含水量的正效应。土壤萎蔫点含水量是作物吸收水分的下限，土壤萎蔫点含水量的提高不利于农业生产，所以在土地整治过程中控制生物质炭用量有一定实际意义，可将施用量控制在15 t·hm-2左右。

4 结论

在土地整治区施用生物质炭可使土壤容重降低1.67%～8.19%，提高>0.25～0.5 mm水稳性团聚体比例，但对>5 mm粒径大团聚体比例具有降低作用，MWD随生物质炭用量上升具有下降趋势。生物质炭可通过调节土壤释水规律来提高土地整治区土壤的保水性能，进而显著提高土层储水量，而高剂量施用对土壤萎蔫点含水量具有小幅提高作用。因此，合理施用生物质炭将有利于改善土地整治区的土壤物理特性，建议将其用量控制在15 t·hm-2左右。