施用生物质炭10年后对灌耕风沙土物理性质的影响

邓朋飞，唐光木，贾宏涛,3，孙 霞,3，鲍城帆，胡 洋

(1.新疆农业大学资源与环境学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，新疆 乌鲁木齐 830091；3.新疆土壤与植物生态工程重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052）

我国作为粮食大国，耕地面积占全世界的9%，养活了世界近19%的人口，但我国近三分之二的耕地是中低产耕地。我国同时也深受土壤沙化侵蚀之害，风沙土面积约占国土面积的18%，且风沙土的面积不断增长。灌耕风沙土作为新疆分布范围最广的土类，也是新疆主要的低产土壤之一，其本身来源于风沙地区风成沙性母质，养分含量较少，有机质含量最为突出，持水性差，属于瘠薄土壤。增施有机肥或秸秆还田等措施能够改善土壤有机质、快捷有效改良风沙土，但干旱地区有机肥源少，腐殖化系数低，土壤有机碳矿化率高，改良效果慢，目前灌耕风沙土生产力普遍较低。

近些年，农业方面的生物质炭利用在我国受到广泛关注。高温炭化秸秆等农业废弃物所生成的生物质炭是目前改良灌耕风沙土研究的新领域。生物质炭（biochar，又称生物炭，生物焦，生物黑炭）是在完全或部分缺氧下条件下热解动植物生物质所产生的一类高度芳香化固态物质。随着制备温度的增高，生物质炭本身的pH值、孔隙度和比表面积随之增高，具有短时间内不易分解等特性；同时，生物质炭富含碳和大量元素，又因其具有多孔结构和较强的吸附力，从而具有增加土壤有机质含量、改善土壤理化性状、吸附重金属、减少肥料淋失等作用。

当前研究多集中于生物质炭对植物生长发育、重金属污染、土壤理化性质、土壤微生物等方面的影响，且大多数是单方面短期的研究，而对于干旱区瘠薄土壤（如灌耕风沙土）的研究较少。本研究基于2011年开展的定点试验，研究单次施用生物质炭10年后灌耕风沙土物理性质的变化特征，为提高干旱区低产土壤肥力及生物质炭培肥灌耕风沙土质量提高提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2011年4月—2021年4月在和田农科所试验田进行（37°16'36''N，79°90'08''E）。该地区为暖温带极端干旱荒漠气候，年均气温为12.5℃，年均降水量为36.4 mm，年均蒸发量为2 618 mm。土壤类型为灌耕风沙土，砂粒、粉粒和粘粒含量分别为39.09%，54.00%，6.94%。表1为2011年0～20 cm土层的土壤基础理化性质。

表1 本底土壤理化性质

1.2 试验设计

试验共设置7个处理，于2011年4月一次性均匀混入0～20 cm土层：22.5 t·hm农家肥（牛粪，1%MA），22.5 t·hm腐殖酸（1%FA），22.5 t·hm生物质炭（1%BC），67.5 t·hm生物质炭（3%BC），112.5 t·hm生物质炭（5%BC），222.5 t·hm生物质炭（10%BC），同时设空白对照（CK）。每个处理做3次重复。生物质炭为小麦秸秆炭，其基础理化性质如表2。田间种植模式为春玉米连作，各小区田间管理措施相同，为常规灌溉，施肥量为尿素0.075 t·hm、磷酸二铵0.225 t·hm、硫酸钾0.075 t·hm，其中尿素追肥量分2次进行，尿素共计施用量为0.15 t·hm。试验地小区之间及四周用水泥板分隔开。

表2 小麦秸秆生物质炭理化性质

1.3 样品采集与方法

于2021年3月采集0～10 cm、10～20 cm的土壤样品，比重采用比重瓶法进行测定；容重、土壤含水量、饱和含水量、田间持水量、相对含水量等采用环刀法进行测定；土壤团聚体的测定采用湿筛法。具体测定方法见《土壤物理研究法》。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2021、SPSS 23.0软件进行数据整理和统计分析，Origin 2018软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 施用生物质炭10年后对灌耕风沙土比重的影响

从图1可以看出，经过10年的定位试验，0～20 cm灌耕风沙土的比重在施用农家肥、腐殖酸及不同用量的生物质炭等材料后，其比重范围为2.58～2.63，与CK的2.65相比，降低幅度较小，差异不显著（P＞0.05）。

图1 各处理间比重变化

2.2 施用生物质炭10年后对灌耕风沙土容重的影响

经过10年的定位试验，不同材料不同添加量处理的灌耕风沙土容重出现了不同程度的变化（图2）。与CK相比，在0～10 cm土层中不同处理间差异不显著（P＞0.05），其值在1.18～1.22 g·cm范围内，但10%BC处理的土壤容重显著低于3%BC处理（P＜0.05）。在10～20 cm土层中，与CK相比，施用大量生物质炭会显著降低灌耕风沙土的容重，10%BC处理的土壤容重降低了6.68%（P＜0.05），其值为1.15 g·cm，其他处理间差异不显著（P＞0.05）。各处理间，随着生物质炭施用量的增加，灌耕风沙土容重随之出现先升高后下降的趋势。

图2 各处理间容重变化

2.3 施用生物质炭10年后对灌耕风沙土土壤含水量的影响

不同添加量生物质炭处理的灌耕风沙土土壤含水量出现了一定程度的变化。经过10年的定位试验，与CK相比，在0～10 cm土层中只有1%MA处理下的灌耕风沙土土壤含水量显著降低，为18.80%（P＜0.05）。而在10～20 cm土层中，大量添加生物质炭显著增加了土壤含水量，其中10%BC处理增加了27.31%（P＜0.05），5%BC次之，增加了21.03%（P＜0.05）。由此可以看出，随着生物质炭用量的增加，10～20 cm土层的土壤含水量也随之增加（图3）。

图3 各处理间土壤含水量变化

2.4 施用生物质炭10年后对灌耕风沙土土壤饱和含水量的影响

施用生物质炭后，经过10年的定位试验，灌耕风沙土土壤饱和含水量在0～10 cm土层无影响，在10～20 cm土层出现了显著变化（图4）。在0～10 cm土层中，与CK相比，各处理间土壤饱和含水量差异不显著（P＞0.05）。而在10～20 cm土层中，与CK相比，施用腐殖质酸和大量生物质炭可以显著增加灌耕风沙土土壤饱和含水量，10%BC处理下的土壤含水量增加了18.60%（P＜0.05），1%FA处理显著性增加了9.13%（P＜0.05），各处理间，10%BC比3%BC显著增加了18.90%（P＜0.05）。总体来说，随着生物质炭用量的增加，灌耕风沙土土壤饱和含水量表现为先增高后降低再增高的趋势。

图4 各处理间土壤饱和含水量变化

2.5 施用生物质炭10年后对灌耕风沙土土壤田间持水量的影响

经过10年的定位试验，施用生物质炭后灌耕风沙土土壤田间持水量在0～10 cm土层没有什么变化，但10～20 cm土层出现了一定程度的变化。从图5可以看出，在0～10 cm土层中，与CK相比，各处理间土壤饱和含水量差异不显著（P＞0.05）。而在10～20 cm土层中，与CK相比，施用生物质炭可以显著增加灌耕风沙土土壤田间持水量，其中10%BC处理下的田间持水量增加最多，为15.50%（P＜0.05），其次是5%BC处理，田间持水量增加了9.13%（P＜0.05），各处理间，相比1%BC和3%BC，10%BC和5%BC的田间持水量显著增加（P＜0.05）。由此可以看出，随着生物质炭用量的增加，10～20 cm土层的灌耕风沙土土壤田间持水量也随之增加。

图5 各处理间田间持水量变化

2.6 施用生物质炭10年后对灌耕风沙土土壤相对含水量的影响

不同施用量生物质炭对灌耕风沙土土壤相对含水量有一定的影响。从图6可以看出，经过10年的定位试验，与CK相比，在0～10 cm土层中施用生物质炭对灌耕风沙土土壤相对含水量影响不显著（P＞0.05），但施用牛粪对其存在显著性影响，1%MA处理显著性降低了18.60%（P＜0.05）。在10～20 cm土层中，与CK对比，大量施用生物质炭可以显著增加灌耕风沙土的土壤相对含水量，其中以5%BC处理增加量最高，为10.77%（P＜0.05），其次为10%BC，土壤相对含水量显著增加了10.14%（P＜0.05），而1%MA处理显著低于所有施用生物质炭处理的土壤相对含水量（P＜0.05）。总体而言，灌耕风沙土土壤相对含水量随生物质炭用量增加而增加。

图6 各处理间土壤相对含水量变化

2.7 施用生物质炭10年后对灌耕风沙土土壤团聚体含量的影响

从图7可以看出，经过10年的定位试验，不同处理下，0～20 cm土层的灌耕风沙土水稳性团聚体含量没有太大变化。在大于0.25 mm粒径范围内，与CK相比，各处理间水稳性团聚体含量差异不显著（P＞0.05）。在0.25～0.053 mm粒径范围内，与CK相比，各处理间差异不显著，其值从高到低顺序为：3%BC＞5%BC＞1%BC＞1%FA≈CK＞1%MA＞10%BC，其中3%BC处理下的土壤团聚体含量显著高于10%BC处理（P＜0.05），整体变化趋势是随着生物质炭用量的增加土壤团聚体含量先增高后降低。与CK相比，不同处理下的小于0.053 mm粒径的土壤团聚体含量无显著差异（P＞0.05）。

图7 各处理间土壤团聚体含量变化

与CK相比，1%MA、1%FA处理经过10 a的定位试验后，变化无差异，而施用一定量生物质炭后，灌耕风沙土大于0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量减少了，0.25～0.053 mm粒径的土壤团聚体含量也相应增加了，而当生物质炭施用量达到10%（即10%BC处理）时，大于0.25 mm粒径的水稳性团聚体含量增加了35.57%。在小于0.053 mm粒径范围内，各处理间土壤团聚体含量无差异（图8）。

图8 各处理间土壤团聚体分布变化

3 结论与讨论

灌耕风沙土是新疆的主要低产土壤，生物质炭是目前土壤改良研究的新方向，关于施用生物质炭对土壤改良的长期效果研究相对较少。本研究表明，经过10年的长期定位试验，一次性施用不同量生物质炭对灌耕风沙土0～10 cm土层没有太大的影响，而对10～20 cm土层存在不同程度的影响。

3.1 生物质炭对土壤密度的长期影响

土壤比重由土壤无机矿物质与有机质的密度决定，可以间接地反映土壤化学物质的组成特性。本研究结果表明，经过10年的长期定位试验，施用生物质炭对灌耕风沙土0～20 cm土层比重没有显著影响。其原因可能是生物质炭经过10年的时间后，在土壤中自然老化，其物理结构被破坏，转化成与土壤矿物质硬度、抗压强度一致的生物质炭微粒。此外，有研究证明，长期施用单一生物质炭会导致土壤中有机质含量较少，进而使得各处理间差异性减小，这与邱学礼等研究结果相似。

本研究结果表明，施用大量生物质炭可以长效降低灌耕风沙土土壤容重。张云舒等研究表明，经过5年的长期定位试验后，5%BC处理下的土壤容重最高，3%BC次之，而10%BC处理的土壤容重最低，这与本研究结果（3%BC最高，10%BC最低）变化趋势相似。不同的是，张云舒等研究表明，各处理与CK相比存在显著性差异，而本研究中0～10 cm土层中与CK对比，差异不显著，在10～20 cm土层中，仅10%BC与CK相比存在显著性差异，其原因可能是经过10年的时间后，生物质炭逐渐老化并粉碎，其多孔结构被破坏，失去其降低容重的作用，而10～20 cm土层相比0～10 cm土层，其受到的人为扰动更少，生物质炭老化粉碎的程度更低，故而10%BC可以显著性降低灌耕风沙土土壤容重，这与李倩倩等研究结果相同。

3.2 生物质炭对土壤水分的长期影响

土壤水分是影响作物吸收水分、调节灌溉的重要土壤物理性质。本研究结果表明，经过10年的长期定位试验，施用大量生物质炭可以显著提升灌耕风沙土土壤含水量、饱和含水量、田间持水量、相对含水量。这可能是生物质炭本身的疏松多孔结构，增加了土壤总孔隙度，从而有效增加土壤含水量，而研究结果中0～10 cm土层无显著性差异，10～20 cm土层中10%BC与CK相比存在显著性差异，原因可能是生物质炭老化粉碎。在0～10 cm土层中，1%MA处理与CK相比，土壤含水量显著降低，原因可能是牛粪经过长期老化后，孔隙度过于增大，更容易风干，不利于水分的保存。本研究结果中，10～20 cm土层中10%BC处理比3%BC处理的土壤饱和含水量显著性提高18.90%，其原因可能是大量添加生物质炭比少量添加的生物质炭老化粉碎程度更低，还能继续发挥其原有的作用。张皓钰等研究表明，施用生物质炭短期时间内对砂土土壤田间持水量有显著提升作用，与本研究结果相呼应，与杜国栋等研究结果一致。

本研究结果表明，经过10年的长期定位试验，生物质炭对灌耕风沙土土壤含水量、饱和含水量、田间持水量、相对含水量等土壤物理性质的影响变化趋势相似，大致为随着生物质炭施用量的增加而增加，这与Dong等研究结果相似，而生物质炭施用量上，出现1%比3%的影响效果更强的现象，其原因机制不明，有待于进一步细化该梯度范围研究。同时研究结果表明，1%MA处理在经过10年的长期定位试验后，反而不利于灌耕风沙土土壤含水量及相对含水量等土壤物理性质提升，其原因可能是生物质炭老化后，孔隙度过于增大，更容易风干，但具体缘故及机制尚不明确，有待于进一步研究。

3.3 生物质炭对水稳性团聚体含量的长期影响

土壤团聚体是土壤肥力的特征之一。本研究结果表明，经过10年的长期定位试验，施用生物质炭对水稳性团聚体含量的影响不大。张云舒等研究结果表明，经过6年的长期定位试验，施用5%生物质炭（5%BC处理）对0.25～0.053 mm粒径的土壤团聚体含量有显著提升，反而不利于大于0.25 mm粒径的水稳性团聚体形成本研究结果中，3%BC处理的0.25～0.053 mm粒径土壤团聚体含量相比10%BC处理有显著提升，两者研究结果相似，这也与王亚琼等研究结果相似。

与张云舒等研究结果做对比时，笔者发现土壤团聚体含量分布有较大变化，CK处理10年大于0.25 mm与0.25～0.053 mm粒径的土壤团聚体含量相比6年的土壤团聚体含量有一定程度的增加。自然条件下，土壤形成了更多的水稳性团聚体，其原因可能是试验检测方法与张云舒等不同导致。单从水稳性团聚体含量来看，施用大量生物质炭可以使得灌耕风沙土水稳性团聚体增加（P＞0.05），这与于静静等研究结果一致，其原因可能是土壤为灌耕风沙土，土壤中粘粒含量较少，导致水稳性团聚体形成较少。

3.4 结论

（1）与对照相比，施用生物质炭10年后，灌耕风沙土0～20 cm土层土壤比重、0～10 cm土层土壤容重无显著差异，10%BC生物质炭可以显著降低10～20 cm土层土壤容重6.68%。

（2）施用生物质炭10年后，与对照相比，土壤含水量、饱和含水量、田间持水量、相对含水量等在灌耕风沙土0～10 cm土层无显著差异，10%BC生物质炭显著增加10～20 cm土层的含水量，分别为27.31%，18.60%，15.50%，10.14%。

（3）与对照相比，施用生物质炭10年后，对灌耕风沙土0～20 cm土层水稳性团聚体形成无影响。

综上所述，高施用量的生物质炭在十年后仍能显著改良灌耕风沙土10～20 cm土层的土壤理化性质。