不同改性生物炭及施用量对风沙土土壤团聚体及牧草产量的影响

焦敏娜，周 鹏，孙 权，姬 强

（宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021）

土壤团聚体及有机质是衡量土壤肥力的两大指标［1］。各粒级土壤团聚体的数量分布和空间排列方式决定了土壤孔隙的分布和连续性，进而决定了土壤的水力性质和通透性能，并影响土壤生物的活动和养分的保持与供应［2］。良好的土壤团聚体能有效地改善土壤的耕性和透气、透水性，增强土壤的抗侵蚀能力［3］。土壤有机碳作为植物生长发育的基本营养元素，其含量变化是土地利用方式下土壤质量和土壤肥力演变的重要标志，直接影响着土壤肥力和作物产量的高低［4］。风沙土由于其特殊的成土过程与自然条件，土壤沙化严重，近年来人为活 动又加速了土壤退化，严重影响了土壤碳含量的积累［5］。如何通过添加物料及农艺措施改善风沙土土壤中团聚体的分布及提高风沙土作物产量成为生态学研究的热点之一。

生物炭是指有机生物质在低氧或缺氧的环境中，高温（一般<700℃）缓慢热解得到的一种含碳量高、富有孔隙结构的碳化物质［6］。秸秆、木材、果壳等农林业废弃物，工业生产和生活活动中产生的有机废弃物如垃圾、污泥、家畜粪料等皆为制作生物炭的原始物料。由于原材料成本较低、方便易得且在改善土壤结构、提高土壤中有机碳含量、提升土壤保水保肥能力［7］等方面作用显著。因此，生物炭在现代绿色农业中有较大的应用前景。研究发现，生物炭复合材料在改良土壤及促进植物生长等方面效果优于单一生物炭，因此本试验选用20%的FeCl3与6%的壳聚糖两种方法改性的生物炭及3种不同的施用量，探讨两种改性方法、3种施用量对风沙土团聚体含量、稳定性及牧草产量变化的影响，以期为改性生物炭在培肥地力；改善风沙土土壤质量、结构方面及提高风沙土作物产量等方面提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于自治区首府银川市灵武境内宁东能源化工区，地理坐标为北纬38°9′，东经107°12′，平均海拔为1 348.3 m。主导风向冬季为西北风，夏季为东南风；气候为中温带干旱气候，冬春季风沙多，干旱少雨，蒸发强烈，日照时间长，年平均气温为6.7～8.8 ℃，年平均风速2.5～2.6 m·s-1；土壤质地为砂壤，成土母质类型为风积母质，细沙含量在90%左右，养分含量较低。

1.2 供试材料

1.2.1 生物炭

试验所使用的生物炭是由陕西某生物科技公司生产，在450℃下经过高温、限氧裂解条件下制得的苹果树枝条生物炭，后经磨细过1 mm筛备用。生物炭pH值（土∶水=1∶10）10.35，比表面积86.70 m2·g-1，C 70.12%，N 1.02%，硝态氮1.86 mg·kg-1，铵态氮0.39 mg·kg-1。

1.2.2 土壤

本试验供试土壤的基本理化性质如表1所示。

表1 供试土壤基本理化性质

1.3 试验设计

本试验使用的生物炭先于实验室进行改性，分别使用浓度为6%的壳聚糖溶液及浓度为20%的FeCl3溶液对生物炭进行充分喷湿并不停翻拌，在室温下放置24 h后用蒸馏水冲洗至中性，晾干后即得到试验所使用的两种改性生物炭。田间试验根据改性生物炭的施用量及改性方法设置7个处理，分别为对照（CK0）、FeCl3改性生物炭施用量为0.75 t·hm-2（Fe0.75）、FeCl3改性生物炭施用量为1.5 t·hm-2（Fe1.5）、FeCl3改性生物炭施用量为2.25 t·hm-2（Fe2.25）、壳聚糖改性生物炭施用量为0.75 t·hm-2（K0.75）、壳聚糖改性生物炭施用量为1.5 t·hm-2（K1.5）、壳聚糖改性生物炭施用量为2.25 t·hm-2（K2.25），每个处理重复3次，共21个小区，小区面积为3 m×5 m，每个小区之间设置宽为0.5 m的隔离带。试验前期，将生物炭按照施用量梯度一次性施于试验地表层并进行浅翻，之后于小区中种植高羊茅（Festuca elata），播种量为200 kg·hm-2，采用微喷带补水，9月中旬 收获。

1.4 试验方法

在施加改性生物炭前、高羊茅收获后分别采集0～30 cm耕层土壤。土壤养分含量采用南京农业大学鲍士旦［8］的方法测定，土壤全氮采用半微量开氏法测定；土壤有机质测定采用重铬酸钾-硫酸外加热法测定，全盐采用电导率法测定。生物炭比表面积采用比表面积分析仪测定，生物炭中碳、氮采用元素分析仪（德国）测定。

每个小区采集0～30 cm的土层原状土，重复3次，分别装于密封袋中进行密封。将采集的团聚体原状土样挑去动植物残体、石砾、根系等后，按自然结构将土样轻轻掰成1 cm3大小的土块，于室内自然风干。机械稳定性团聚体与水稳性团聚体分别采用干筛法与湿筛法进行测定。大于0.25 mm的机械稳定性团聚体含量（DR0.25）、大于0.25 mm的水稳定性团聚体含量（WR0.25）、平均质量直径（MWD）、团聚体破坏率（PAD）、土壤不稳定团粒指数（ELT）分别参照文献［9］中公式计算。

1.5 数据处理

采用Excel 2010软件对试验数据进行初步处理，采用 SPSS 23.0统计分析软件进行试验数据的方差分析与差异显著性检验（LSD法），使用 Origin 8.0软件进行相关图形的绘制。

2 结果与分析

2.1 不同改性生物炭对土壤团聚体的影响

2.1.1 不同改性生物炭对粒径>0.25 mm土壤团聚体含量的影响

团聚体按粒径大小可以分为粒径>0.25 mm的大团聚体及<0.25 mm的微团聚体。其中，粒径>0.25 mm的团聚体在提高土壤保水保肥性、水稳程度、机械稳定程度、通气性等方面都优于<0.25 mm的微团聚体［10］。

粒径>0.25 mm机械稳定性团聚体含量DR0.25与粒径>0.25 mm水稳性团聚体含量WR0.25的分析结果如表2所示。通过比较所有处理可知，当FeCl3改性生物炭施用量达2.25 t·hm-2时，DR0.25的含量最高，较不添加生物炭的对照CK0显著提高了21.27%。通过比较施用壳聚糖改性生物炭与FeCl3改性生物炭的风沙土壤DR0.25值可知，壳聚糖改性生物炭对风沙土中机械稳定性大团聚体的增加效果优于FeCl3改性生物炭。通过比较改性壳聚糖生物炭的3个处理可知，随施用量增多，DR0.25的含量呈现增加的趋势；其中处理K2.25对机械性大团聚体的增加效果最佳，较CK0提高了33.18%。比较FeCl3改性生物炭的处理可知，3个浓度对DR0.25的增加效果随用量增多呈现上升的趋势，较CK0分别提高了4.79%、13.74%、35.83%。

表2 不同改性生物炭处理下的DR0.25与WR0.25含量（%）

粒径>0.25 mm的水稳性团聚体含量见表2所示，对比表中WR0.25含量可知，Fe2.25的水稳性大团聚体的含量高于其他几种处理，较对照CK0显著增加了33.37%。对比两种改性方法的实验结果可知，使用壳聚糖改性的生物炭对提高WR0.25含量效果略优于使用FeCl3改性的生物炭，这与DR0.25的规律一致。比较FeCl3处理与壳聚糖处理可以发现，随着生物炭施用量的升高，WR0.25的含量也增高，且当两种生物炭的施用量均达到2.25 t·hm-2时，WR0.25达到最高；通过对比可以看出，使用FeCl3改性的生物炭的增长速率较使用壳聚糖的生物炭高。综合DR0.25与WR0.25的含量可知，随着改性生物炭的施用量的增加，土壤中的>0.25 mm的机械性稳定团聚体含量及水稳性团聚体含量呈现增高的趋势。

2.1.2 不同改性生物炭对粒径>0.25 mm团聚体平均质量直径的影响

团聚体的平均质量直径（MWD）能够反映土壤团聚体大小的分布情况，可以通过对比MWD值的大小来衡量团聚体的稳定性［11］。各处理粒径>0.25 mm的团聚体干筛MWD值如表3所示。由表可知，在施用改性生物炭后的土壤表层团聚体MWD值较对照CK0均有增加。其中处理K2.25的MWD值为所有处理的最大值，较对照CK0显著增加了95.92%。对比两种改性方式的生物炭可知，壳聚糖处理对干筛MWD值的增加效果优于FeCl3处理，较对照CK0的增幅分别为26.53%、40.82%、95.92%。对比这3个施用量可以发现，MWD值随着改性生物炭施用量的增多呈现增大的趋势。FeCl3处理的MWD值与壳聚糖处理呈现相同的规律，即随着生物炭施用量的增多而增大的趋势，其较对照CK0的增幅分别为2.04%、12.24%、70.41%。

各处理粒径>0.25 mm的团聚体湿筛MWD值如表3所示。从表中可以看出，当FeCl3改性的生物炭施用量达到2.25 t·hm-2时，湿筛MWD值为所有处理的最高值，较对照CK0增幅为94.37%。对比两种改性生物炭不同施用量的处理可以发现，湿筛的MWD值随着生物炭施用量的增多呈现增大趋势。对比两种改性生物炭施用土壤的MWD值可以发现，壳聚糖改性生物炭对土壤团聚体MWD值的增幅优于FeCl3改性生物炭；较对照CK0增幅依次为46.48%、56.34%、80.28%。

综合干筛与湿筛的MWD值可知，施用改性生物炭可以增加土壤团聚体的稳定性，两种改性方法与不施加生物炭的对照CK0相比，稳定性均有显著 提高。

表3 不同改性生物炭处理下的MWD值 （mm）

2.1.3 不同改性生物炭对土壤团聚体稳定性的影响

土壤团聚体的稳定性可以通过团聚体破坏率（PAD）及土壤不稳定团粒指数（ELT）来反映［12］。施用两种改性方法的生物炭对PAD及土壤ELT如表4所示，两种处理对土壤团聚体稳定性影响有所不同。比较两种改性生物炭处理后的风沙土壤PAD数据可知，FeCl3处理的PAD值较壳聚糖处理的数值小。结果表明，FeCl3改性生物炭对土壤团聚体的稳定性提高效果优于壳聚糖改性生物炭，PAD值较对照CK0降低了34.60%、48.50%、19.68%，呈现较显著的降低趋势。从FeCl3处理的PAD值可以看出，随着改性生物炭施用量的增加，团聚体破坏率呈现先降低后增高的趋势。壳聚糖处理的团聚体破坏率也呈现先降低后升高的趋势，与FeCl3处理规律一致。

各处理土壤团聚体不稳定指数如表4所示，由表可知，FeCl3处理的ELT值随着生物炭施用量的增大呈现先减小后增大的趋势，壳聚糖处理的规律与FeCl3处理的相同。通过对比FeCl3处理与壳聚糖处理结果可知，FeCl3改性生物炭对降低土壤不稳定团粒指数的效果优于壳聚糖改性生物炭，较对照CK0降低了11.09%、14.01%、5.25%。综合PAD及ELT两组数据可以发现，随着改性生物炭施用量的增大，土壤团聚体稳定性呈现出先增大后减小的趋势。

表4 不同改性生物炭处理下的PAD和ELT值 （%）

2.2 不同改性生物炭对土壤有机碳的影响

施用不同浓度梯度的两种改性生物炭后土壤有机碳的含量变化如图1所示。对照CK0的有机碳含量为10.72 g·kg-2。从图1中可以发现，经过改性生物炭处理的土壤中有机碳的含量较对照CK0均有显著提高。其中壳聚糖改性生物炭对土壤有机碳的增加效果优于FeCl3改性生物炭，其增幅分别为12.78%、15.68%、20.52%；呈现随着改性生物炭施用量的增加，土壤有机碳含量增多的趋势。FeCl3处理较CK0的增幅依次为6.06%、6.34%、12.78%，与壳聚糖处理结果趋势一致。以上结果表明，施加改性生物炭可以增加土壤中有机碳的含量，且随着生物炭施用量的增多，土壤有机碳的增加幅度也显著增大。

图1 不同改性生物炭及施用量对土壤有机碳的影响

2.3 不同改性生物炭对高羊茅产量的影响

施用两种改性生物炭后高羊茅的生物量如图2所示。对照CK0的生物量为1 580.70 kg·hm-2。添加不同施用量的生物炭，高羊茅的生物量也呈现显著差异。比较壳聚糖处理与FeCl3处理的生物量可以发现，壳聚糖改性生物炭对高羊茅增产效果较FeCl3改性生物炭显著。与CK0相比，生物量显著提高了52.02%、68.32%、79.19%。结果表明，随着改性生物炭施用量的增加，生物量呈现增多的趋势。FeCl3处理与壳聚糖处理的规律一 致，生物量较CK0增加了6.46%、36.07%、42.83%。 比较所有处理的生物量可知，K2.25的增产效果 最佳。

图2 不同改性生物炭及施用量对高羊茅生物量的影响

两种改性生物炭处理的高羊茅干物质呈现了相同的规律：随着生物炭施用量的增加，干物质呈现上升的趋势（图3）。从图中可以看出，经过改性生物炭处理的土壤，高羊茅的干物质量明显高于未施用生物炭的土壤。对照CK0的干物质量为625.70 kg·hm-2。壳聚糖处理的干物质较CK0分别增加了16.77%、29.72%、94.97%；FeCl3处理的干物质较对照CK0分别增加了17.16%、28.67%、65.05%。结果表明，壳聚糖改性生物炭对高羊茅干物质增产效果优于FeCl3改性生物炭。综合考虑高羊茅的生物量及干物质量可知，K2.25为所有处理的最佳施用量，其增产效果最优。

图3 不同改性生物炭及施用量对高羊茅干物质量的影响

3 讨论

有研究表明，粒径>0.25 mm的团聚体含量越高，土壤的结构及性质则越好［13］。平均质量直径可以用来衡量土壤团聚体的稳定程度。陈超等［14］的研究表明，MWD值越大团聚体的平均粒径团聚度也越高，团聚体的稳定性也越高。本研究发现，随着两种改性生物炭施用量的增大，DR0.25、WR0.25、MWD值呈现增大的趋势。改性生物炭有促进土壤中微生物活性的作用，随着施用量的增大，微生物活性也随之增大，进而产生更多的分泌物，这些胶结物质可以促使土壤大团聚体的形成，增强团聚体的稳定性［15］。吴鹏豹等［16］的研究也表明，向土壤中施加生物炭可以显著提升土壤团聚体的稳定性，且随着施用量的提高，团聚体呈现更加稳定的趋势。李倩倩等［17］的研究表明，PAD及ELT值越大，表明土壤团聚体的稳定性越差，土壤的退化程度则越高；反之则土壤结构越稳定。从本研究中的PAD及ELT值的变化规律可以发现，随着两种改性生物炭的施用量的增加，团聚体破坏率及土壤不稳定团粒指数呈现先减小后增大的趋势，土壤团聚体的稳定性呈现先升高后下降的趋势。造成这种现象的原因可能为：添加生物炭可以增加土壤中总孔隙度，从而提高土壤水分涵养能力，且随着生物炭施用量的增加，土壤总孔隙度也随之增加［18］。采样前正处于当地雨季，降雨对0～30 cm土层土壤的影响较大，表层土壤的含水量增高，土壤的黏结性降低，不利于团聚体的稳定形成；且生物炭较稳定，在短时间内分解性较低，分解过程也不易产生黏液团聚颗粒［19］。因此随着改性生物炭施用量的增加，土壤团聚体的PAD及ELT值呈现先增大后变小的趋势，团聚体稳定性呈现先上升后下降的趋势，李倩倩等［17］的研究与本研究结果一致。

生物炭富含有机碳且具有较强的生物化学稳定性，其本身不易被微生物利用［20］，还田后可作为一种相对稳定的碳源固定在土壤中。同时，生物炭与土壤团聚体结合，减少了其与外界的接触面积，降低了土壤有机质的矿化率，从而促进土壤固 碳［21-22］。本研究表明，随着改性生物炭施加量的增加，土壤中有机碳的含量呈现增多的趋势，这与余炜敏等［23］的研究相一致。生物炭能增加土壤中有机碳的这一特性，可用来改善风沙土的土壤结构，提高风沙土供碳能力，为解决土壤荒漠化提供了一种较为良好的修复方式。

由于生物炭可以改善土壤结构及营养环境，因此施加生物炭可以促使作物产量的提高［24-26］。本研究表明，施加改性生物炭不仅可以增加鲜草产量，还能增加牧草的干物质量。随着生物炭施加量的增加，牧草产量呈增长的趋势。增产的原因可能为生物炭中有机碳含量高、比表面积大、官能团多、孔隙率大，添加到土壤中能够增加土壤有机质，改善土壤结构，有利于作物生长发育，进而提高作物产量［27-28］。

4 结论

4.1 施加改性生物炭可以增加风沙土中大团聚体的含量及平均质量直径

随着改性生物炭施用量的增大，风沙土中大团聚体的含量及平均质量直径呈增大的趋势，不同的改性生物炭对大团聚体的增加效果有所不同。经比较，壳聚糖改性生物炭施加效果优于FeCl3改性生物碳。

4.2 施加改性生物炭可以提高风沙土中团聚体的稳定性

随着改性生物炭施用量的增加，风沙土中团聚体的稳定性呈现先增大后下降的趋势，但与对照CK0相比，团聚体稳定仍有上升。当施用量为1.5 t·hm-2时，稳定性最大；施用量增加到2.25 t·hm-2时，土壤中团聚体的稳定性呈现下降的趋势。结果表明，施用改性生物炭可以提高风沙土中团聚体的稳定性，但施用量不宜过大，施用量为 1.5 t·hm-2时最佳。

4.3 施加改性生物炭可以提高土壤中有机碳的含量

随着改性生物炭施用量的增加，风沙土中有机碳的含量也随之增加。经比较可知，壳聚糖改性生物炭对土壤有机碳的增加效果优于FeCl3改性生 物碳。

4.4 施加改性生物炭可以增加牧草产量

随着改性生物炭施用量的增加，高羊茅的生物量、干物质量呈现升高的趋势，当施用量达到2.25 t·hm-2时，高羊茅的生物量、干物质量达到最大值。经比较可知，壳聚糖改性生物炭对牧草的增产效果优于FeCl3改性生物炭。

综合考虑牧草产量及风沙土中团聚体含量、结构等指标，在宁东地区风沙土中施加1.5 t·hm-2的壳聚糖改性生物炭能够显著改善风沙土壤结构学性质，提高风沙土供碳能力，有利于牧草的生长发育，进而提高牧草产量。