生物炭和腐植酸对丹江口库区土壤团聚体的影响

于静静，蔡德宝，陈秀文，张 君，陈吉宝

（南阳师范学院/河南省南水北调中线水源区生态安全重点实验室，河南 南阳 473061）

长期检测数据表明，丹江口水库水体中除氮磷含量在雨季或者局部水体区域暂时性超过Ⅱ类水质标准以外，其他水质指标均维持在Ⅱ类水质以内[1]。丹江口水库水体中的氮磷主要来源于内源性析出[2]、大气氮沉降[3]及核心水源区农业生产过剩汇入的氮磷[4]。因此，减少含氮磷水体的汇入是确保南水北调中线工程水质安全的首要任务。南水北调中线工程核心水源区属于低山丘陵地貌，可耕农田大部分属于坡耕地，不仅土地肥力偏低而且易形成水土流失[5]。在高产利益驱动下，大量化肥被施用到农田，过量氮磷随水土流失进入水体，这是造成水库水体氮磷超标的主要原因之一[6]。土壤团聚体组成是土壤肥力的基础，高产田一般都具有合理的土壤团聚体组成，特别是>1 mm 团聚体的数量明显高于低产田[7]。土壤团聚体稳定性（水稳定性和机械稳定性）能反映土壤的抗侵蚀能力，其中土壤水稳定性团聚体是制约土壤抗冲蚀性的重要因子，常被用作土壤抗蚀性指标[8]。土壤水稳定性团聚体的含量与土壤可蚀性呈显著负相关关系，特别是>0.25 mm 水稳定性团聚体含量是反映土壤抗蚀性最佳指标之一[9]。土壤团聚体稳定性的下降往往暗示土壤潜在可蚀性增长及土壤肥力水平下降[10]。因此，培育农田土壤团聚体的形成，特别是提高>0.25 mm 水稳定性团聚体的数量将有助于培肥地力、提高土壤抗蚀能力，进而有助于减少化肥用量，减少氮磷流入水体的数量。

土壤团聚体结构的形成和稳定性主要与土壤有机质含量、土壤微生物的种类和数量，以及土地利用方式等相关[11]。其中，土壤有机质，特别是有机碳含量对土壤团聚体形成及其稳定性较重要[12]。对旱地红壤土长期定位的研究表明，>0.25 mm 水稳定性团聚体含量与土壤有机质含量呈极显著正相关，土壤团聚体破坏率则与土壤有机质含量呈极显著负相关[13]。生物炭是秸秆、粪便等有机物料在低氧环境下，经过高温热解炭化产生的一种稳定难溶、高度芳香化的固态产物[14]。生物炭的碳含量在60%～85%，其孔隙结构发达、比表面积大、芳香化程度高，且表面含有大量的含氧、含硫、含氮等官能团，施入土壤不仅可以固持水分和氮磷[15]，而且可以显著提高土壤有机碳含量，促进土壤团聚体的形成，改良土壤结构[16‐17]。动、植物残体通过生物、非生物的降解、聚合等各种作用形成的腐植酸，约占土壤中腐植酸总量的85%～90%，是土壤有机质的主要组成部分，对促进土壤团粒结构的形成至关重要[18]。

前人就单独使用生物炭或腐植酸改善土壤结构进行了卓有成效的研究[19‐20]，但是有关两者混合后对土壤改良作用的研究鲜有报道。鉴于此，采用土柱培养试验，分析南水北调中线工程核心水源地（河南省淅川县）农田土添加生物炭和腐植酸对土壤团聚体结构形成的影响，为改良库区土壤结构，减少水土流失提供技术支撑。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试土壤为南水北调中线工程核心水源地（淅川县）坡耕地农田土，采集20 cm 土层土壤样品，自然风干后备用。生物炭为700 ℃高温无氧条件下生产的椰壳生物炭，磨细过1 mm 筛子后作为试验材料。供试腐植酸选用的是成都华夏化学试剂有限公司生产的腐植酸，主要成分为C9H9NO6，相对分子质量为227。

1.2 试验设计

采用土柱培养的方法，将风干的农田土除去石块和植物残体，碾碎并过5 mm 筛后与生物炭和腐植酸混合装入圆塑料桶（高35 cm、内径25 cm，每个桶底部开直径2 mm渗水孔3个）内，土柱高30 cm。

生物炭（B）设置3 个水平，分别为0、750、1 500 kg/hm2，依次标记为B0、B1、B2；腐植酸（H）设置3 个水平，分别为0、150、300 kg/hm2，依次标记为H0、H1、H2。共组成9个处理，3次重复。

土柱培养于2018年10月5日开始，将装好土的塑料桶放置于空旷的室外，并于当日向每个桶浇蒸馏水4 L，保证每个桶内土壤达到饱和吸水状态，在随后的培养过程中不再人为浇水，培养期间除拨出杂草外，不翻动土壤。

1.3 试验土壤样品采集

土柱培养12 个月后，先将表层3 cm 土铲除掉，露出新鲜土壤层，再用环刀法采集土壤样品，每桶采集4点。将采集的新鲜土样顺着自然断裂面轻轻掰成10 mm 大小的土块，混匀后采用四分法取20 g鲜样进行可培养微生物的测定，剩余土壤样品自然风干后测定土壤中>5.0、2.0～5.0、1.0～2.0、0.5～1.0、0.25～0.5、<0.25 mm 粒级机械团聚体含量和水稳定性团聚体含量。

1.4 测定指标与方法

>0.25 mm 机械团聚体含量（MR0.25）、>0.25 mm水稳定性团聚体含量（WR0.25）、团聚体平均质量直径（Mean weight diameter，MWD）和团聚体破坏率（Proportion of aggregate destruction，PAD）分别通过下面公式计算[16]：

式中，Di是对应于Xi的机械稳性团聚体（干基）质量分数（%）；Wi是对应于Xi的水稳定性团聚体（干基）质量分数（%）；Xi为团聚体粒级，本研究共分6 级（i=1、2、3、4、5、6），粒级直径从大到小依次为>5.0、2.0～5.0、1.0～2.0、0.5～1.0、0.25～0.5、<0.25 mm；i为第i级团聚体平均直径，在数值上等于两级筛孔的平均值，本研究各粒级团聚体平均直径依次为5、3.5、1.5、0.75、0.375、0.125 mm。

采用稀释平板计数法进行土壤可培养微生物的分离和计数，并计算干土中的微生物数量（cfu/g）。细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基培养，真菌采用马丁氏培养基培养，放线菌采用高氏1 号培养基培养。

1.5 数据分析

采用SPSS 24.0 软件对数据进行方差分析和相关性分析，采用最小显著极差法（LSD法）进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 生物炭和腐植酸配施对土壤机械团聚体组成的影响

与未添加生物炭和腐植酸的对照处理（B0H0）相比，添加生物炭和腐植酸显著改变土壤机械团聚体组成（表1）。随生物炭和腐植酸添加量的增加，>5.0 mm 和<0.25 mm 的机械团聚体含量表现为下降趋势，0.25～0.5 mm 机械团聚体含量表现为上升趋势。

单独施用生物炭处理（B1H0、B2H0），>5.0、<0.25 mm 的机械团聚体平均含量分别比对照（B0H0）下降34.9%、29.1%，2.0～5.0、1.0～2.0、0.5～1.0、0.25～0.5 mm 的机械团聚体平均含量分别比对照（B0H0）增加28.9%、93.7%、62.7%、60.3%。与对照（B0H0）相比，单独施用生物炭可显著降低>5.0 mm 和<0.25 mm 的机械团聚体含量，对0.25～2.0 mm 机械团聚体有显著促进作用（表1）。单独施用腐植酸处理（B0H1、B0H2），>5.0、<0.25 mm 的机械团聚体平均含量分别比对照（B0H0）下降5.0%、6.0%，2.0～5.0、1.0～2.0、0.5～1.0、0.25～0.5 mm 的机械团聚体平均含量分别比对照（B0H0）增加11.5%、12.7%、0.7%、5.1%。与对照（B0H0）相比，单独施用腐植酸处理对于>5.0 mm 和<0.25 mm 的机械团聚体整体上有显著降低作用，对0.25～1.0 mm机械团聚体的形成整体上有促进作用，但促进作用不显著，对5.0～1.0 mm的机械团聚体整体上有显著增效作用。

表1 不同生物炭（B）和腐植酸（H）施加量下土壤机械团聚体组成Tab.1 Composition of soil mechanical-stable aggregates under different addition amounts of biochar（B）and humic acid（H）

耦合处理下，>5.0、<0.25 mm 的机械团聚体平均含量分别比对照（B0H0）下降42.0%、32.3%，2.0～5.0、1.0～2.0、0.5～1.0、0.25～0.5 mm 的机械团聚体平均含量分别比对照（B0H0）增加35.2%、106.0%、79.7%、66.9%。与对照（B0H0）相比，生物炭和腐植酸耦合施用对>5.0 mm 和<0.25 mm 机械团聚体形成具有显著降低作用，对0.25～5.0 mm 机械团聚体形成具有显著促进作用。

2.2 生物炭和腐植酸配施对土壤水稳定性团聚体的影响

与未添加生物炭和腐植酸的对照（B0H0）相比，添加生物炭和腐植酸显著改变水稳定性团聚体组成（表2）。随生物炭和腐植酸添加量的增加，>0.5 mm 水稳定性团聚体含量表现为上升趋势，<0.5 mm的水稳定性团聚体含量表现为下降趋势。

表2 不同生物炭（B）和腐植酸（H）施加量下土壤水稳定性团聚体组成Tab.2 Composition of soil water-stable aggregates under different addition amounts of biochar（B）and humic acid（H）

单独施用生物炭处理（B1H0、B2H0），>5.0、2.0～5.0、1.0～2.0、0.5～1.0 mm 的水稳定性团聚体平均含量分别比对照（B0H0）增加126.0%、177.8%、125.3%、74.2%，0.25～0.5、<0.25 mm的水稳定性团聚体平均含量分别比对照（B0H0）下降34.3%、41.2%。其中，>0.5 mm 水稳定性团聚体平均含量比对照（B0H0）增加115.5%。 单独施用腐植酸处理（B0H1、B0H2），>5.0、2.0～5.0、1.0～2.0、0.5～1.0 mm的水稳定性团聚体平均含量分别比对照（B0H0）增加30.0%、37.8%、19.5%、23.7%，0.25～0.5、<0.25 mm的水稳定性团聚体平均含量分别比对照（B0H0）下降2.1%、11.5%。其中，>0.5 mm 水稳定性团聚体平均含量比对照（B0H0）增加25.4%。耦合处理下，>5.0、2.0～5.0、1.0～2.0、0.5～1.0 mm 的水稳定性团聚体平均含量分别比对照（B0H0）增加156.0%、207.8%、146.6%、86.8%，0.25～0.5、<0.25 mm 的水稳定性团聚体平均含量分别比对照（B0H0）下降41.6%、47.8%。其中，>0.5 mm水稳定性团聚体平均含量比对照（B0H0）增加135.9%。B2H2 耦合处理对>0.5 mm 水稳定性团聚体的形成具有最大促进作用，比对照（B0H0）提高183.3%。单独施用生物炭、腐植酸或者生物炭与腐植酸耦合施用整体上均显著促进>0.5 mm 粒级水稳定性团聚体形成，降低<0.5 mm水稳定性团聚体形成。

2.3 生物炭和腐植酸配施对土壤团聚体稳定性的影响

团聚体平均质量直径（MWD）、>0.25 mm 水稳定性团聚体含量（WR0.25）、团聚体破坏率（PAD）常用来评价土壤团聚度和稳定性，MWD 和WR0.25值越大说明土壤团聚体的团聚度越高，PAD 值越小说明土壤团聚体稳定性越高。本研究中，无论是单独使用腐植酸、生物炭，或者是将二者耦合施用，MWD和WR0.25均随着施用量的增加而增加，PAD 则随着施用量的增加而降低（表3）。

表3 不同生物炭（B）和腐植酸（H）施加量下土壤团聚体稳定性评价Tab.3 Evaluation of soil aggregates stabilization under different addition amounts of biochar（B）and humic acid（H）

单独添加B1、B2 生物碳下，土壤MWD 比对照（B0H0）分别提高56.3%、129.7%，平均提高93.0%。单独添加H1、H2 用量腐植酸下，土壤MWD 比对照（B0H0）分别提高12.5%、26.6%，平均提高19.5%。生物炭和腐植酸的耦合处理，土壤MWD 的均值为1.35 mm，显著高于单独施用腐植酸处理（均值为0.77 mm）和生物炭处理（均值为1.24 mm）。生物炭和腐植酸耦合处理下，土壤MWD 比对照（B0H0）平均提高110.2%，最大提高154.7%（B2H2），最小提高67.2%（B1H1）。

单独添加B1、B2 用量生物碳下，土壤PAD 比B0H0 分别降低了34.1%、60.5%，平均降低47.3%。单独添加H1、H2 用量腐植酸下，土壤PAD 比B0H0分别降低了8.0%、20.2%，平均降低14.1%。生物炭和腐植酸的耦合处理下土壤PAD 比对照（B0H0）平均降低55.2%，最高降低73.3%（B2H2），最低降低38.8%（B1H1）。

单独添加B1、B2 用量生物碳下，土壤WR0.25分别比对照（B0H0）提高了29.1%、57.5%，平均提高43.3%。单独添加H1、H2 用量腐植酸下，土壤WR0.25分别比对照（B0H0）提高了6.4%、17.6%，平均提高12.0%。生物炭和腐植酸的耦合处理下土壤WR0.25比对照（B0H0）平均提高50.5%，最大提高68.1%（B2H2），最小提高33.1%（B1H1）。

2.4 生物炭和腐植酸配施对土壤可培养微生物菌群的影响

由表4可以看出，3种微生物数量几乎都随生物炭和腐植酸使用量的增加逐渐增加（表4）。对照（B0H0）处理土壤中细菌、放线菌、真菌的数量分别为121.5×103、80.6×103、15.7×103cfu/g，而单独施用腐植酸、单独施用生物炭或两者耦合施用下土壤中可培养微生物数量几乎全部显著高于对照（B0H0）。单独添加腐植酸，土壤中可培养细菌、放线菌、真菌的数量整体上均随着腐殖酸用量的增加逐渐增加，平均数量分别达到126.6×103、90.8×103、19.0×103cfu/g，比各自对照（B0H0）处理增加4.2%、12.7%、20.7%。单独添加生物炭，土壤中可培养细菌、放线菌、真菌的数量均随着生物炭用量的增加逐渐增加，平均数量分别达到279.2×103、143.3×103、27.9×103cfu/g，比各自对照（B0H0）处理增加129.8%、77.8%、77.7%，比各自腐植酸处理增加120.6%、57.8%、47.2%。生物炭和腐植酸耦合处理，土壤中可培养细菌、放线菌、真菌的平均数量分别达到291.4×103、160.7×103、28.3×103cfu/g，比各自对照（B0H0）处理增加139.8%、99.3%、80.4%，比各自腐植酸处理增加130.3%、76.9%、49.5%，比各自生物炭处理增加4.4%、12.1%、1.5%，其中B2H2 耦合处理对细菌、放线菌和真菌的生长具有最大促进作用，分别比对照（B0H0）提高199.8%、121.2%、88.5%。以上结果说明，土壤添加生物炭和腐植酸均能促进土壤微生物的生长，耦合处理效果比单独施用促进作用更显著。

表4 不同生物炭（B）和腐植酸（H）施加量下土壤可培养微生物数量Tab.4 Soil cultured microbial quantity under different addition amounts of biochar（B）and humic acid（H） ×103 cfu/g

2.5 团聚体稳定性与土壤微生物菌群的相关分析

对单独施用腐植酸、单独施用生物炭或者两者耦合施用处理下土壤可培养微生物和土壤团聚体稳定性指标（MWD、WR0.25和PAD）进行皮尔逊相关分析，结果见表5。两者存在显著相关性，且不同指标间相关显著性存在一定差异。在不同类型处理下，3 种微生物数量与PAD 均呈负相关，与MWD 和WR0.25均呈正相关。在腐植酸+生物炭处理下3 种微生物数量均与PAD、MWD 和WR0.25显著相关，腐植酸和生物炭单独施用处理下3 种微生物数量与PAD、MWD 和WR0.25大部分相关性不显著。除单独施用生物炭处理，细菌与PAD、MWD 和WR0.25相关系数绝对值较小之外，其他处理下3 种微生物数量与PAD、MWD 和WR0.25相关系数的绝对值均在0.9以上。说明微生物的数量与土壤团聚体的稳定性关系密切，土壤团聚体稳定性越高，越有利于微生物生长。在腐植酸、生物炭或腐植酸与生物炭耦合施用下，可培养细菌、放线菌、真菌数量与MWD 相关系数的大小顺序分别表现为腐植酸>生物炭+腐植酸>生物炭、腐植酸>生物炭>生物炭+腐植酸、腐植酸>生物炭>生物炭+腐植酸；与WR0.25相关系数的大小顺序分别为腐植酸>生物炭+腐植酸>生物炭、腐植酸>生物炭>生物炭+腐植酸、腐植酸>生物炭+腐植酸>生物炭。说明在微生物生长和土壤团聚体形成的关系中，腐植酸比生物炭起更积极的作用。单独生物炭处理下，3种微生物与>0.5 mm粒径团聚体的相关系数均值趋势表现为放线菌>真菌>细菌。不同处理虽然水稳定性团聚体组成的分布与微生物生长之间的相关系数大小不同，但>0.5 mm粒径以上团聚体组成均与3种微生物的生长呈正相关，<0.5 mm 粒径的含量与3 种微生物的生长呈负相关。说明微生物数量的增长有利于促进>0.5 mm粒径团聚体的形成，减少<0.5 mm 粒径团聚体的形成。

表5 不同生物炭（B）和腐植酸（H）施加量下土壤可培养微生物与土壤团聚体组成及稳定性的相关性Tab.5 Correlation between soil microbial quantity and soil aggregate composition and stability under different addition amounts of biochar（B）and humic acid（H）

3 结论与讨论

土壤团聚体是指在土壤中形状大小不一，具有不同孔隙度、机械稳定性和水稳定性的结构单位[21‐26]，而粒径>0.25 mm 的结构单位称为土壤大团聚体，<0.25 mm 的结构单位称为土壤微团聚体。因为高肥力、抗侵蚀能力强的土壤都含有较高比例的大团聚体，所以大多数研究均将大团聚体（>0.25 mm）数量作为判断土壤团聚程度的指标，认为大团聚体数量越高，土壤团聚程度也越高，土壤结构越合理，越有利于植物的生长[27‐29]。本研究结果也显示，单独施用腐植酸、生物炭或腐植酸与生物炭耦合施用处理下，土壤WR0.25较对照分别平均增加12.0%、43.3%、50.5%，其中>0.5 mm水稳定性团聚体平均含量分别比对照增加25.4%、115.5%、135.9%，这与ZHANG 等[30]和李倩倩等[17]的研究结果类似。这说明，通过添加生物炭和腐植酸这类高含碳量的有机碳，可以显著提高丹江口库区土壤水稳定性团聚体的数量，特别是两者耦合施用对提高土壤团聚体效果更佳。生物炭和腐植酸是2 种重要的有机碳，其与有机肥[30]、餐厨垃圾[31]、作物秸秆[32]、畜禽粪便[33]一样，施入土壤可以促进土壤团聚体的形成。土壤中添加有机碳能提高土壤团聚体形成的原因，一是有机碳本身就是一种胶结物，可以将细小的矿物土粒黏结在一起形成较大的团聚体；二是有机碳是微生物和植物赖以生长的物质，添加有机碳可以借助于微生物和植物根系加速土壤团聚体的形成[16，28，34‐35]。

本研究结果表明，单独添加生物炭、单独添加腐植酸或者生物炭和腐植酸耦合处理，土壤中可培养细菌、放线菌、真菌的数量几乎全部显著高于对照。其中，生物炭和腐植酸耦合处理促进作用最明显，土壤中可培养细菌、放线菌、真菌的平均数量分别达到291.4×103、160.7×103、28.3×103cfu/g，比各自空白对照处理增加139.8%、99.3%、80.4%，比各自腐植酸处理增加130.3%、76.9%、49.5%，比各自生物炭处理增加4.4%、12.1%、1.5%。在本研究的施用量下，生物炭对3 种微生物的促进作用显著高于腐植酸，生物炭处理下细菌、放线菌和真菌的平均数量分别比各自腐植酸处理增加120.6%、57.8%、47.2%。土壤中添加腐植酸和生物炭对微生物生长的促进作用在其他研究中也被证实。例如，陈伟等[36]的研究发现，稻壳炭处理的褐土真菌、细菌、放线菌分别为对照的4.94、4.62、1.97倍；何玉亭等[37]的研究发现，烟秆碳和桑树碳处理下真菌、放线菌、细菌数量分别为对照的4.1、4.0、1.5 倍和3.2、3.7、1.4倍。生物炭和腐植酸促进微生物生长的原因，可能源于两者都具有较大的比表面积，特别是生物炭具有更大的微孔结构，给微生物的生长提供了有利的生存环境[38‐39]，同时生物炭和腐植酸表面吸附的营养物质给微生物提供了更加丰富的营养[40‐41]，促使微生物数量的增长。至于在添加生物碳和腐植酸的情况下，哪一类微生物数量增长的多，可能与研究所使用的生物炭类型、土壤母质类型等因素有关[41‐42]。本研究结果显示，生物炭和腐植酸的施用，对细菌、放线菌、真菌的生长均起促进作用。

关于土壤微生物数量和团聚体分布之间的关系，许多学者证实了微生物的存在有利于团聚体的形成[43‐44]，特别是真菌在团聚体的形成中发挥着重要的作用[18]，因为真菌的菌丝可以将土壤缠绕在一起而形成团聚体[30，45]。本研究结果显示，3种处理下可培养细菌、放线菌、真菌数量与MWD 相关系数的大小顺序分别为腐植酸>生物炭+腐植酸>生物炭、腐植酸>生物炭>生物炭+腐植酸、腐植酸>生物炭>生物炭+腐植酸。这些结果说明，在微生物生长和土壤团聚体形成的关系中，腐植酸比生物炭起更加积极的作用。这可能是由于腐植酸比生物炭具有更多的营养物质，能够促进土壤有机质的增加，为微生物的生长提供更多的养分。在单独生物炭处理下，3种微生物与>0.5 mm粒径团聚体的相关系数均值大小依次为放线菌>真菌>细菌，说明单独施用生物炭时，放线菌对>0.5 mm 粒径团聚体的形成起主导作用，真菌次之，细菌最小。RAHMAN 等[18]比较了真菌和细菌抑制剂对砂姜黑土团聚体形成的影响，结果表明，真菌与团聚体的相关系数远远大于细菌。以上结果说明，土壤类型不同，微生物在团聚体形成中扮演的角色也不同。

本研究结果表明，在丹江口库区农田土添加生物炭和腐植酸可以提高水稳定性团聚体的含量，其中>0.5 mm 粒级水稳定性团聚体含量随施用量的增加逐渐增加，<0.5 mm 粒级水稳定性团聚体含量随施用量的增加逐渐降低，生物炭和腐植酸耦合施用比单独施用对提高>0.5 mm 粒级水稳定性团聚体含量的效果更显著；添加生物炭和腐植酸可以提高土壤中可培养细菌、放线菌和真菌的数量，耦合施用下细菌、放线菌和真菌的数量与MWD 呈显著正相关，与PAD呈显著负相关。