生物炭對亞熱帶紅壤水穩性團聚體及其碳、氮分布的影響

張紅雪，趙 壯，王曉朋，朱巧蓮，鄒雙全，毛艷玲，*

（1.福建農林大學資源與環境學院，福建 福州 350002；2.土壤生態系統健康與調控福建省高校重點實驗室，福建 福州 350002； 3.自然生物資源保育利用福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002）

團聚體是土壤結構的基本單元，是土壤質量的物質基礎，其粒級分布和穩定性及其各粒級養分含量對土壤質量、結構以及土壤肥力等方面具有重要影響，是綜合反映土壤肥力的重要參考依 據［1-4］。生物炭是由碳含量豐富的生物質在相對較低溫度（250～700℃）的無氧或限氧條件下，通過熱裂解的方式得到的一種富有孔隙結構、含碳量高的碳質材料［2］，因其自身含有豐富的有機大分子和大孔隙等結構，在土壤結構改良等方面具有重要作用［3-4］。吳鵬豹等［5］研究了生物炭對海南花崗巖磚紅壤土壤團聚體結構的影響，發現生物炭增加了土壤中大粒級團聚體的含量，>1 mm粒級的團聚體的含量增加最為顯著。Lu等［6］以0、4、8和16 g/kg施用量開展盆栽試驗，11個月后發現施加生物炭可以顯著提高土壤大團聚體含量，但對不同類型土壤作用效果有所不同。李江舟等［7］通過田間定位試驗研究生物炭對云南煙區紅壤團聚體組成及有機碳分布的影響，結果發現生物炭可以長期影響土壤團聚體和有機碳，能夠顯著提升土壤大團聚體含量、團聚體穩定性、土壤和各粒級團聚體有機碳含量。米會珍等［8］研究發現生物炭顯著增加了不同粒級團聚體中有機碳和全氮的含量，且增加幅度隨施用量的增加而增大。

我國亞熱帶紅壤區由于長期不合理的利用，曾一度成為除黃土高原外的另一水土流失嚴重 區［9］，土壤結構遭受到嚴重破壞，團聚體含量銳減，土壤質量下降，嚴重限制了該地區農林業的發展，因此，加強土壤結構改良，提高團聚體含量勢在必行。謝錦升等［10］研究了植被恢復對侵蝕退化紅壤團聚體穩定性的影響，結果發現植被能夠顯著增加土壤大團聚體含量，>0.25 mm水穩性團聚體含量是裸地的1.5～2.8倍，且能夠增加大團聚體中有機碳比例。然而，關于不同施肥措施對亞熱帶紅壤團聚體含量、團聚結構及其碳、氮分布的影響還少見報道。為此，本研究選用福建省古田縣產生的海鮮菇廢菌棒為原料制備生物炭，配施化肥、豬糞研究其對土壤團聚體含量、團聚結構及其碳、氮分布的影響，以期闡明生物炭施用下土壤團聚體含量、團聚結構及其碳、氮分布特征，為生物炭應用于改善土壤質量提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤于2018年10月采自福建省三明市清流縣靈地鎮楊源村（北緯25°50′42″，東經116°47′50″），該地區為低山丘陵地貌，平均海拔350 m，年平均氣溫18.2℃，最高氣溫38.8℃，最低氣溫-8.9℃，年平均降水量1 853.5 mm，降雨集中在5～6月，年平均日照時數1 583.4 h。土壤為花崗巖類風化的殘坡積物發育的亞熱帶紅壤，可蝕性高。地帶性植被為馬尾松林，2008年皆伐后營造為羅漢松（Podocarpus macrophyllus）、竹柏（Podocarpus nagi）等人工林。供試土壤采自羅漢松林下表層（0～20 cm）土壤，土壤經自然風干后，除去石塊、石礫、動植物殘體等雜物，粉碎過2 mm篩備用，其基本理化性質見表1。試驗所用生物炭為海鮮菇廢菌棒在500℃條件下采用炭化機無氧炭化2 h后，冷卻研磨過0.15 mm篩而成，其基本理化性質：pH 10.82，全碳491.08 g/kg，全氮20.50 g/kg，全磷7.80 g/kg、全鉀12.11 g/kg、灰分27.52%。化肥為N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15。豬糞經堆肥發酵，全碳含量為377.31 g/kg，全氮含量為23.01 g/kg。

表1 供試土壤基本理化性質

1.2 試驗設計

試驗為盆栽試驗，于2019年1月19日至7月19日在福建農林大學校內進行。盆缽直徑25 cm、高35 cm，每盆裝土7 kg，種植2棵兩年生竹柏。試驗設6個處理，分別是：①CK（對照）；②F（化肥）；③FM（化肥+豬糞）；④B（生物炭）；⑤BF（生物炭+化肥）；⑥BFM（生物炭+化肥+ 豬糞），每個處理3個重復。生物炭施用量為20 g/kg（折合大田施用量20 t/hm2）；化肥施用量為0.25 g/kg（參照常規施肥，折合大田施用量500 kg/hm2）；豬糞施用量為15 g/kg（折合大田施用量15 t/hm2）。

1.3 土壤樣品采集及分析

竹柏收獲后，每盆四分法取約1 kg原狀土樣，分成兩份，其中一份風干后用于土壤理化性質測定，另一份自然風干，當土壤含水量到土壤塑限（含水量22%～25%）時沿土壤自然裂隙掰成直徑1 cm左右的小塊繼續烘干供團聚體分析測試使用；采用干篩法［11］測定土壤非水穩性團聚體組成。首先將風干后的樣品過2、1、0.5、0.25 mm篩，分成>2、2～1、1～0.5、0.5～0.25、<0.25 mm 5個級別的團聚體樣品，稱重即計算出各粒級團聚體樣品所占風干總土樣質量的比例；采用濕篩法［12］測定土壤水穩性團聚體組成。根據干篩各粒級團聚體比例配成50 g土壤混合樣，然后將樣品置于土壤團粒分析儀（日本，DIK-2012）的套篩上（孔徑分別為2、1、0.5、0.25 mm），置于水桶中，水面高于樣品2 cm，上下振蕩30 min，振蕩頻率30次/min，振幅3 cm，然后將各級篩子上的土樣沖洗到鋁盒中，50℃烘干計算土樣質量；將烘干的團聚體土樣磨細，過0.149 mm篩，采用碳氮元素分析儀（德國）測定土壤有機碳、全氮含量。

1.4 數據處理與分析

試驗結果采用Excel 2013和SPSS 20.0軟件進行整理分析。利用各粒級團聚體質量數據，計算團聚體平均質量直徑、幾何平均直徑和團聚體破壞率，公式如下：

平均重量直徑（MWD）：

式中：Wi為某粒徑水穩性團聚體的質量百分比，%；為某粒徑團聚體平均直徑。

各粒級團聚體有機碳（全氮）對土壤有機碳（全氮）的貢獻率由公式（3）計算：

土壤粒級>0.25 mm水穩定性團聚體比例：

分形維數（D）參考楊培嶺等［13］推導的公式 計算：

兩邊取對數則進一步推導

式中：MT為各個粒級團聚體的總質量，g；Rmax是團聚體的最大粒徑，mm；M（r<）是粒徑小于的團聚體的質量，g。以為橫坐標，為縱坐標，利用最小二乘法直線擬合，計算其斜率得到質量分形維數D。

2 結果與分析

2.1 生物炭對亞熱帶紅壤水穩性團聚體分布的影響

生物炭對亞熱帶紅壤水穩性團聚體分布的影響如表2所示。土壤水穩性團聚體均以<0.25 mm粒徑為主，其中BF處理土壤中粒徑<0.25 mm水穩性團聚體含量達到65.88%。粒徑>2 mm團聚體中，F、BF及BFM處理其水穩性團聚體含量均顯著高于對照組，可見，生物炭配施化肥（及豬糞）能顯著提高粒徑>2 mm的水穩性團聚體含量；粒徑2～1 mm團聚體中，FM和B處理的水穩性團聚體含量顯著高于對照組，B處理含量最高，達到28.32%，其他處理與對照組無差異；粒徑1～0.5 mm團聚體中，除BF處理顯著高于對照組外，其他處理均顯著低于對照組；粒徑0.5～0.25 mm團聚體中，BF、BFM處理顯著降低其水穩性團聚體含量；與CK相比，單施生物炭能夠顯著降低土壤中粒徑<0.25 mm水穩性團聚體含量，增加了WA0.25值，增幅達到40.52%；而生物炭配施化肥卻顯著提高土壤粒徑<0.25 mm水穩性團聚體含量，降低了WA0.25的值，降幅為25.33%；BFM對其影響則不顯著。

表2 生物炭對亞熱帶紅壤水穩性團聚體分布的影響 （%）

2.2 生物炭對亞熱帶紅壤團聚體穩定性的影響

由表3可知，與對照組相比，除F、B處理外其他處理的水穩性團聚體平均重量直徑均有不同程度的增加，其中FM、BF及BFM處理達到顯著水平，增幅分別為41.52%、23.02%、42.49%；與對照組相比，FM、B及BFM處理的水穩性團聚體幾何平均直徑均顯著增加，增幅分別為20.99%、42.62%、23.37%；各處理土壤團聚體分形維數比較相近，范圍為2.75～2.88，其中B處理的分形維數較小，與對照組相比減少了3.73%。

表3 生物炭對亞熱帶紅壤水穩性團聚體穩定性的影響

2.3 生物炭對亞熱帶紅壤各粒徑團聚體有機碳、全氮含量分布的影響

2.3.1 生物炭對亞熱帶紅壤各粒徑團聚體有機碳含量的影響

生物炭對亞熱帶紅壤總有機碳及土壤水穩性團聚體各粒級有機碳含量表現出不同的差異，與對照相比，各處理均顯著提高全土的有機碳含量，平均含量提高74.01%（表4），其中BFM處理有機碳含量最高，為9.93 g/kg；施用生物炭能增加土壤有機碳含量，但是外源碳與各粒級團聚體結合能力有所差異，結果表明，施用生物炭后各粒級土壤有機碳含量與CK相比均有不同程度的提高，其中CK、FM和BF處理中，>2 mm粒級比同處理下其他粒級的水穩性團聚體土壤有機碳含量高，F和B處理中，1～0.5 mm粒級比同處理下其他粒級的水穩性團聚體土壤有機碳含量高，BFM則是0.5～0.25 mm粒級最高。整體水平來看，1～0.5 mm粒級的水穩性團聚體土壤有機碳含量與對照組相比增幅最大，增幅為61.22%～287.79%，其次為>2 mm粒級的水穩性團聚體，增幅為25.00%～110.76%。

從各粒級水穩性團聚體土壤有機碳的相對貢獻率（表5）中可以發現，CK、FM及BF處理有機碳分布以<0.25 mm粒級為主，相對貢獻率分別為50.09%、43.06%、57.66%；F處理有機碳分布以>2 mm和<0.25 mm粒級為主，相對貢獻率為60.29%；B處理有機碳除>2 mm粒級分布較少外，其余粒級均勻分布（19.52%～25.15%）；而BFM處理有機碳分布以<0.5 mm粒級為主，相對貢獻率為56.81%。

表4 生物炭對亞熱帶紅壤有機碳含量與各粒級水穩性團聚體有機碳分布的影響 （g/kg）

表5 土壤各粒級水穩性團聚體有機碳的相對貢獻率 （%）

2.3.2 生物炭對亞熱帶紅壤各粒徑團聚體全氮含量的影響

生物炭對亞熱帶紅壤全氮及土壤水穩性團聚體各粒級全氮含量表現出不同的差異，與對照相比，各處理均提高全土的全氮含量，平均含量提高32.33%（表6）；其中BFM處理全氮含量最高，為0.68 g/kg；施用生物炭能增加土壤全氮含量，但是各粒級增幅有所差異。研究結果（表6）表明，施用生物炭后各粒級全氮含量與CK相比均有提高。其中CK和FM處理中>2 mm粒級水穩性團聚體全氮含量最高；而F和B處理中1～0.5 mm粒級水穩性團聚體全氮含量最高；而BF及BFM處理中0.5～0.25 mm粒級水穩性團聚體全氮含量最高。整體水平來看，1～0.5 mm粒級水穩性團聚體全氮含量與對照組相比增幅最大，增幅為9.62%～130.77%。

表6 生物炭對亞熱帶紅壤全氮含量與各粒徑水穩性團聚體全氮分布的影響 （g/kg）

從各粒級團聚體全氮的相對貢獻率（表7）可以發現，各處理中<0.25 mm粒級水穩性團聚體土壤全氮貢獻率最高，其中BF處理相對貢獻率最大，為60.07%；CK處理的土壤中全氮分布以<0.25 mm粒級為主，其相對貢獻率為51.39%；F及FM處理的土壤中全氮分布以>2和<0.25 mm粒級為主；而生物炭配施化肥后，氮素得到聚集，分布以<0.25 mm粒級為主，相對貢獻率為60.07%；BFM處理的土壤全氮分布則主要在<0.5 mm粒級中，相對貢獻率為56.98%。

表7 土壤各粒級水穩性團聚體全氮的相對貢獻率 （%）

2.3.3 生物炭對亞熱帶紅壤各粒徑團聚體碳氮比的影響

生物炭對亞熱帶紅壤碳氮比及土壤水穩性團聚體各粒級碳氮比表現出不同的差異，各處理均顯著提高全土的碳氮比，平均提高30.16%（表8）；從各粒徑水穩性團聚體土壤碳氮比分布中可以看出，含有生物炭的處理與其他處理相比，除F、FM處理的2～1、0.5～0.25 mm粒徑，各個粒級團聚體的土壤其碳氮比均有不同程度的增高。B、BF、BFM處理之間在>2、2～1 mm粒徑下無顯著差異；1～0.5 mm粒徑下，B及BFM處理土壤碳氮比顯著高于BF處理；0.5～0.25 mm粒徑下，BFM處理后的土壤具有較高的碳氮比；<0.25 mm粒徑下，BFM處理的土壤具有較高的碳氮比，達13.18%。

表8 不同處理下亞熱帶紅壤水穩性團聚體的碳氮比

3 討論

土壤團聚體結構在植物生長、土壤水分運移、土壤理化性質等方面發揮著重要作用［14-15］。有機質是團聚體形成所需的重要膠結物質［16］，有機碳的含量顯著影響土壤團聚體數量［17］。本試驗中，土壤水穩性團聚體均以<0.25 mm粒徑為主，與對照相比，生物炭配施化肥可以提高粒徑<0.25 mm團聚體含量，但是配施化肥和豬糞則對土壤粒徑<0.25 mm的水穩性團聚體含量影響不顯著，甚至有所降低，這與龍攀等［18］和代紅翠［19］的研究結果相似，其原因可能是，配施豬糞進一步增加了有機碳投入，團聚體形成所需的膠結物質更加充足，從而使土壤中水穩性小團聚體形成大團聚體［20］。

土壤團聚體的穩定性與作物生長、土壤養分、水分保持等方面息息相關，團聚體平均重量直徑、幾何平均直徑、分形維數等是評價團聚體穩定性的重要指標［20-21］。本研究中，單施生物炭對土壤水穩性團聚體平均重量直徑無顯著影響，而生物炭配施化肥、豬糞可以顯著提高土壤水穩性團聚體平均重量直徑，生物炭及其配施化肥和豬糞可以顯著提高土壤水穩性團聚體幾何平均直徑，其值越大，表示團聚體的平均粒徑團聚度越高，穩定性越強。這與李江舟等［7］研究結果一致，這可能是因為一方面生物炭施入土壤后刺激微生物活性，從而產生促進土壤團聚體形成的分泌物，形成更多的團聚體膠結物質，增強團聚體的穩定 性［21］，另一方面生物炭特有的高度發達的孔隙結構和巨大的比表面積，也能夠吸附、固定土壤中的無機離子及有機化合物，從而進一步形成有機-無機復合物和大粒徑團聚體［22-23］。分形維數反映了土壤質地的均一程度，可以對土壤結構進行定量化描述［22］，分形維數越小則土壤結構越松散，團粒結構越好［23］，本研究中土壤團聚體分形維數比較相近，范圍為2.75～2.88，其中單施生物炭處理的分形維數與對照相比減少了3.73%，說明生物炭可以改善土壤的團聚結構，這與徐國鑫 等［24］研究結果一致。

本研究結果顯示，生物炭能夠顯著提高土壤及各粒徑團聚體有機碳、全氮及碳氮比含量，且有機碳分布以大團聚體（>0.25 mm）為主，說明大團聚體對土壤碳、氮具有強富集和物理保護作用，朱捍華等［25］、付琳琳［26］研究稻草易地還土對丘陵紅壤團聚體碳氮分布的影響，發現稻草易地還土可以提高土壤大團聚體含量，且有機碳和全氮的含量較高。施用生物炭可以顯著提高土壤總有機碳、總氮含量及碳氮比，平均增幅分別為154.76%、74.05%、30.16%，吳鵬豹等［27］研究發現施用生物炭能夠增加大團聚體中的有機碳含量，且隨著施炭量的增加，土壤總碳也相應增加，其原因一方面可能是生物炭的施用促進植物根系生長，增加了土壤微生物數量和種類，土壤中更多的碳得以被固定并存在于大團聚體中，另一方面根系的分解以及根系分泌物也能夠增加大團聚體有機碳的含量［28］，這與許多學者研究結果相似；陳曉旋等［29］研究發現生物炭增加了土壤的碳氮比，土壤碳含量的升高也加強了土壤對氮素的固持。

4 結論

土壤水穩性團聚體均以<0.25 mm粒徑為主，生物炭能夠顯著增加WA0.25團聚體含量，配施化肥、豬糞則會降低其含量。

生物炭配施化肥、豬糞可以顯著提高土壤水穩性團聚體平均重量直徑、幾何平均直徑。

生物炭能夠顯著提高全土及各粒徑團聚體土壤有機碳、全氮含量及碳氮比。