生物炭對侵蝕黑土團(tuán)聚體的影響

龍杰琦, 姚 婷, 苗淑杰, 鐘 鑫, 高雅曉玲, 喬云發(fā)

(南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用氣象學(xué)院, 南京 210044)

生物炭(biochar)是在低氧或缺氧條件下，將農(nóng)作物秸稈、木質(zhì)物質(zhì)、禽獸糞便等有機(jī)物料經(jīng)過高溫?zé)峤舛纬傻漠a(chǎn)物，生物炭具有熱穩(wěn)定性強(qiáng)、可溶性低和巨大的比表面積等理化特性[1-3]，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用，改善了土壤理化性質(zhì)。一方面，生物炭作為膠結(jié)劑能將微團(tuán)聚體膠結(jié)成大團(tuán)聚體，促進(jìn)團(tuán)聚體形成，增加土壤大團(tuán)聚體數(shù)量和穩(wěn)定性[4-6]；另一方面，生物炭具有延遲侵蝕土壤產(chǎn)流時間、改變土壤飽和導(dǎo)水率和延緩?fù)寥婪柿橡B(yǎng)分釋放的作用，起到了減流減沙、增強(qiáng)土壤抗蝕性的效應(yīng)[7]。近些年，生物炭作為土壤修復(fù)的改良劑被廣泛應(yīng)用。李江舟等[8]在紅壤上連續(xù)3 a施用生物炭，顯著提升土壤大團(tuán)聚體含量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性；Walters等[9]，王沖等[10]研究表明，生物炭改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，提高土壤耕層的有效肥力，且能緩解土壤有機(jī)質(zhì)的下降趨勢，同時促進(jìn)作物生長。相比其他改良添加劑，生物炭不僅能改善土壤侵蝕狀況，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，還能培肥地力，達(dá)到增產(chǎn)的目的[11]。

東北黑土區(qū)作為商品糧生產(chǎn)基地之一，近年來，掠奪式種植導(dǎo)致水土流失加重，據(jù)黑龍江省水土保持科學(xué)研究所第二、第三次土壤侵蝕遙感調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，東北黑土區(qū)侵蝕面積為4.47×104km2，占總面積的37.9%，其中水力侵蝕面積為36 344.31 km2[12]。目前，東北黑土區(qū)黑土層平均厚度僅有30 cm多，同時坡耕地黑土層變薄速率達(dá)2～3 mm/a[13]，這嚴(yán)重破壞土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)。團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)[14]，其數(shù)量與質(zhì)量決定了土壤性質(zhì)和供肥能力，團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的退化將導(dǎo)致土壤肥力降低，威脅糧食生產(chǎn)[15]。修復(fù)侵蝕土壤的關(guān)鍵是修復(fù)材料的選擇，生物炭因其特有的理化性質(zhì)，已成為新興的土壤修復(fù)添加劑。目前大多數(shù)研究主要集中在生物炭對土壤理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量方面[16-17]，而施用生物炭對侵蝕黑土團(tuán)聚化過程的影響研究卻很少。因此，本研究依托侵蝕黑土長期修復(fù)模擬定位試驗平臺，以修復(fù)材料生物炭與土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系為切入點(diǎn)，結(jié)合膠結(jié)劑有機(jī)碳和分散劑交換性鈉，探討生物炭對侵蝕黑土團(tuán)聚體修復(fù)效果，揭示生物炭對侵蝕黑土團(tuán)聚體的影響機(jī)制，為進(jìn)一步利用生物炭修復(fù)侵蝕土壤提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗布設(shè)在中國科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站(47°27′20″N，126°55′49″E)，位于黑龍江省松嫩平原腹地黑土地帶，該區(qū)屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，雨熱同期，年均降水量530 mm，平均蒸發(fā)量2 300 mm，年均氣溫1.5 ℃，全年有效積溫(≥10 ℃)2 450 ℃，無霜期125 d，坡度為3°～8°，海拔約210 m，地勢平坦[18]。供試土壤為黑土，母質(zhì)為第四紀(jì)黃土。試驗初始時土壤有機(jī)碳30.14 g/kg，全氮2.32 g/kg，全磷1.67 g/kg。

1.2 試驗設(shè)計

選取2011年中國科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站建立的侵蝕土壤修復(fù)長期定位試驗的4個處理：未剝離農(nóng)田作為對照(CK)，未剝離農(nóng)田施用生物炭(CK+BC)，表土0—15 cm土層剝離模擬侵蝕土壤(RS)，表土0—15 cm土層剝離模擬侵蝕土壤施加生物炭(RS+BC)，每個處理3次重復(fù)，小區(qū)面積為4 m×3 m。2011年試驗開始時施用生物炭12 000 kg/hm2，田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)一致。

1.3 土壤采集與處理

2019年10月1日采集土樣，取深度為0—20 cm的耕層土樣，每個小區(qū)采用“S”型3點(diǎn)采集，充分混勻為一個土樣，共采集12份土壤樣品。帶回實(shí)驗室后，沿土壤結(jié)構(gòu)的自然紋理掰分成小團(tuán)塊，將土樣平攤在陰涼干燥處，陰干后去除雜質(zhì)備用。

1.4 測定方法

采用Six的團(tuán)聚體濕篩法[19]，套篩孔徑依次為2，0.25，0.053 mm。將土樣浸潤糊化10 min后倒入套篩，團(tuán)聚體分析儀上下篩分頻率為20 r/min，篩分10 min。篩分結(jié)束后，用蒸餾水沖洗套篩上的各級團(tuán)聚體至已稱重?zé)铮?5 ℃下烘干至恒重，并計算各粒級團(tuán)聚體含量。團(tuán)聚體幾何平均直徑(GMD)和粒徑大于0.25 mm團(tuán)聚體百分含量(R0.25)的計算公式[20]為：

(1)

(2)

原土和各粒級團(tuán)聚體研磨過100目篩，用元素分析儀(Vario EL Ⅲ)測定碳含量，交換性鈉采用乙酸銨交換—火焰光度計法測定[21]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)并作圖，SPSS 21.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，LSD法進(jìn)行多重比較，設(shè)置顯著度p為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對團(tuán)聚體含量和分布的影響

4種處理水穩(wěn)性團(tuán)聚體各粒級分布相似(圖1)，以0.25～2 mm粒級團(tuán)聚體含量最多，其次是0.053～0.25 mm和<0.053 mm粒級，最少的是>2 mm粒級團(tuán)聚體，各粒級所占比例分別是59.27%～69.57%，15.04%～20.11%，11.86%～15.83%和3.30%～5.94%。生物炭對黑土大團(tuán)聚體含量有顯著影響，不同粒級團(tuán)聚體差異較大。與CK處理相比，CK+BC處理中0.25～2 mm粒級團(tuán)聚體含量增加14.01%，RS+BC處理0.25～2 mm粒級團(tuán)聚體含量顯著高于侵蝕前土壤；RS+BC處理中0.25～2 mm粒級團(tuán)聚體含量比RS處理增加了12.11%。由此可見，生物炭促進(jìn)土壤0.25～2 mm粒級團(tuán)聚體的形成，特別是對侵蝕黑土團(tuán)聚體修復(fù)有顯著效果。在>2 mm，0.053～0.25 mm和<0.053 mm粒級團(tuán)聚體中，4個處理間差異均不顯著。

注：①CK為未剝離農(nóng)田作為對照；CK+BC為未剝離農(nóng)田施用生物炭；RS為表土0—15 cm土層剝離模擬侵蝕土壤；RS+BC為表土0—15 cm土層剝離模擬侵蝕土壤施加生物炭； ②僅對同一粒級進(jìn)行了不同處理間統(tǒng)計分析，圖中不同字母表示同一粒級之間的比較結(jié)果差異顯著。下同。

2.2 生物炭對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

GMD和R0.25是團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，生物炭的施用提高了黑土團(tuán)聚體的穩(wěn)定性見圖2。與對照CK處理相比，CK+BC處理中團(tuán)聚體的GMD增加了18.00%，R0.25值提高了14.06%。與RS處理相比，RS+BC處理中團(tuán)聚體的GMD和R0.25值分別增加了8.16%和7.69%。然而，這兩個參數(shù)在CK和RS處理間以及CK+BC和RS+BC處理間差異均不顯著。這些結(jié)果表明生物炭不僅能提高傳統(tǒng)農(nóng)田土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，對侵蝕土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的修復(fù)效果也非常有效。

圖2 不同處理土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性

2.3 生物炭對團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響

生物炭對增加土壤和大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量的影響較大。圖3表明，相同處理中不同粒徑團(tuán)聚體SOC含量隨粒徑減小呈現(xiàn)先升高后降低的變化規(guī)律，其中各處理0.25～2 mm粒級團(tuán)聚體中SOC含量最高。施用相同生物炭，未侵蝕土壤上曾施生物炭CK+BC處理比其對照未施用生物炭CK處理土壤有機(jī)碳含量增加了19.72%；侵蝕土壤施用生物炭RS+BC處理比RS處理增加了22.05%。在>2 mm和0.25～2 mm粒級中，CK+BC的SOC含量分別比CK增加了12.54%和21.35%，RS+BC的SOC含量比RS處理分別增加了10.47%和16.02%。在<0.053 mm中，RS+BC比RS處理增加了33.81%。CK和CK+BC處理間以及RS和RS+BC處理間的SOC含量在0.053～0.25 mm中差異均不顯著。因此，施加生物炭對增加侵蝕黑土有機(jī)碳含量有顯著效果。

圖3 不同處理土壤和各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量

2.4 生物炭對土壤交換性鈉含量的影響

生物炭增加了黑土中作為高強(qiáng)度分散劑的交換性鈉含量，且對未剝離農(nóng)田的影響更大(圖4)。施用生物炭的CK+BC和RS+BC處理的土壤交換性鈉含量均高于其未施用生物炭的CK和RS處理，與CK處理相比，CK+BC處理中的交換性鈉含量增加了46.88%，RS+BC比RS處理高37.93%。結(jié)果表明施用生物炭增加了土壤交換性鈉含量，并且對侵蝕土壤中交換性鈉含量的增幅影響要小于未侵蝕土壤。

圖4 施用生物炭對土壤交換性鈉的影響

2.5 團(tuán)聚體穩(wěn)定性與交換性鈉和SOC的相關(guān)性分析

土壤團(tuán)聚化過程是黏結(jié)劑和分散劑共同作用結(jié)果。由圖5可知，團(tuán)聚體GMD與黏結(jié)劑SOC呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系Y=0.008X+0.228(r=0.892)，其斜率0.008即為黏結(jié)率；而GMD與分散劑交換性鈉呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，Y=-0.493X+0.709(r=0.872)，其斜率-0.493即為分散率。施用生物炭CK+BC和RS+BC處理黏結(jié)劑有機(jī)質(zhì)增加，導(dǎo)致團(tuán)聚體GMD分別增加了0.11，0.05。同時，Na+的增加使GMD分別相對減少了0.09，0.03。結(jié)果表明SOC對團(tuán)聚體的膠結(jié)作用大于Na+的分散作用，SOC對Na+負(fù)效應(yīng)的補(bǔ)償使土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性處于平衡狀態(tài)。

圖5 團(tuán)聚體GMD與SOC，交換性鈉的相關(guān)性

3 討 論

3.1 生物炭對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響

土壤團(tuán)聚體的數(shù)量與質(zhì)量是評價土壤團(tuán)聚化的重要指標(biāo)，決定土壤的性質(zhì)和肥力，并通過對土壤水與通氣性等產(chǎn)生作用來間接影響土壤生產(chǎn)力[22-23]。本研究在2011年施完生物炭的9 a后，生物炭增加了未侵蝕和侵蝕土壤大團(tuán)聚體含量，并提高了土壤團(tuán)聚體的GMD和R0.25，這與李倩倩等[24]在進(jìn)行生物炭對塿土容重和團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響研究中得出生物炭能增加大團(tuán)聚體含量和提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性的結(jié)論一致。有機(jī)碳作為帶電膠體，在團(tuán)聚體形成過程中起到重要作用[25]，隨著生物炭的施用，土壤有機(jī)碳含量均增加，生物炭對侵蝕土壤中原土有機(jī)碳含量的增幅大于生物炭施在未剝離的傳統(tǒng)農(nóng)田，提升效果較好。本研究施用生物炭提升土壤有機(jī)碳含量主要來自于0.25～2 mm和>2 mm粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳增加的結(jié)果，這與李江舟等[8]在研究云南煙區(qū)紅壤團(tuán)聚體時得出施加生物炭顯著增加>0.25 mm粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的結(jié)論相一致。大團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量高，原因可能是通過有機(jī)碳的膠結(jié)作用形成大團(tuán)聚體并增加其有機(jī)碳含量[26]。綜上可知，與未剝離農(nóng)田和侵蝕土壤相比，施加生物炭均促進(jìn)土壤微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體團(tuán)聚化，提高土壤有機(jī)碳含量，有助于改善侵蝕后的農(nóng)田黑土結(jié)構(gòu)狀況。

3.2 生物炭對黑土團(tuán)聚體穩(wěn)定性機(jī)制的調(diào)節(jié)

團(tuán)聚體是土壤有機(jī)碳的重要儲存場所，史奕等[27]指出有機(jī)質(zhì)含量高和熟化度高的黑土中有機(jī)膠結(jié)劑的膠結(jié)作用是形成水穩(wěn)性團(tuán)聚體的主要機(jī)制。本研究中，通過將生物炭施用前后4個處理的土壤團(tuán)聚體GMD與土壤交換性鈉和SOC含量作線性相關(guān)，9 a后分別呈線性正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，生物炭使膠結(jié)劑有機(jī)碳和分散劑交換性鈉含量增加，土壤團(tuán)聚體GMD隨前者增大，隨后者減小。生物炭能與土壤顆粒形成團(tuán)聚體和有機(jī)無機(jī)復(fù)合物，使團(tuán)聚體具有較強(qiáng)富集外源有機(jī)碳的能力，從而增加有機(jī)碳含量，促使土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性增大，這與其他學(xué)者研究結(jié)果相似[28-29]。自然條件下，土壤膠體表面陽離子的吸附強(qiáng)度主要取決于離子的水合半徑，在土壤的一價陽離子中，由于Na+的水合半徑較大，其外表較厚的水膜使Na+與膠體表面的距離相對較遠(yuǎn)，吸附力弱，所以生物炭增加Na+含量會促使團(tuán)聚體破壞，導(dǎo)致土粒分散，使得土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低。土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定是交換性鈉對團(tuán)聚化的負(fù)效應(yīng)與有機(jī)碳對團(tuán)聚化的正效應(yīng)相平衡的結(jié)果。有機(jī)碳促進(jìn)土壤團(tuán)聚體膠結(jié)作用大于交換性鈉引起團(tuán)聚體分散的作用，生物炭的施用增加了土壤膠結(jié)粒，對土壤中Na+的分散作用起到一定的補(bǔ)償，進(jìn)而降低Na+對團(tuán)聚體的破壞效應(yīng)，二者的綜合作用使土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性保持在一個平衡狀態(tài)，促進(jìn)侵蝕土壤團(tuán)聚化穩(wěn)定性的提高。

4 結(jié) 論

生物炭修復(fù)侵蝕黑土團(tuán)聚體的效果顯著，生物炭顯著增加了侵蝕土壤大團(tuán)聚體含量、GMD和R0.25值，侵蝕黑土的有機(jī)碳含量得到顯著提升。施用生物炭對膠結(jié)劑(有機(jī)碳)比對分散劑(Na+)影響大，膠結(jié)劑SOC與分散劑Na+的綜合作用促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提高。生物炭作為侵蝕黑土修復(fù)劑，改善黑土侵蝕后的結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了土壤團(tuán)聚化，對侵蝕土壤具有良好的修復(fù)作用。