施用生物質(zhì)炭10年后對灌耕風(fēng)沙土物理性質(zhì)的影響

鄧朋飛，唐光木，賈宏濤,3，孫 霞,3，鮑城帆，胡 洋

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所，新疆 烏魯木齊 830091；3.新疆土壤與植物生態(tài)工程重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052）

我國作為糧食大國，耕地面積占全世界的9%，養(yǎng)活了世界近19%的人口，但我國近三分之二的耕地是中低產(chǎn)耕地。我國同時也深受土壤沙化侵蝕之害，風(fēng)沙土面積約占國土面積的18%，且風(fēng)沙土的面積不斷增長。灌耕風(fēng)沙土作為新疆分布范圍最廣的土類，也是新疆主要的低產(chǎn)土壤之一，其本身來源于風(fēng)沙地區(qū)風(fēng)成沙性母質(zhì)，養(yǎng)分含量較少，有機質(zhì)含量最為突出，持水性差，屬于瘠薄土壤。增施有機肥或秸稈還田等措施能夠改善土壤有機質(zhì)、快捷有效改良風(fēng)沙土，但干旱地區(qū)有機肥源少，腐殖化系數(shù)低，土壤有機碳礦化率高，改良效果慢，目前灌耕風(fēng)沙土生產(chǎn)力普遍較低。

近些年，農(nóng)業(yè)方面的生物質(zhì)炭利用在我國受到廣泛關(guān)注。高溫炭化秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物所生成的生物質(zhì)炭是目前改良灌耕風(fēng)沙土研究的新領(lǐng)域。生物質(zhì)炭（biochar，又稱生物炭，生物焦，生物黑炭）是在完全或部分缺氧下條件下熱解動植物生物質(zhì)所產(chǎn)生的一類高度芳香化固態(tài)物質(zhì)。隨著制備溫度的增高，生物質(zhì)炭本身的pH值、孔隙度和比表面積隨之增高，具有短時間內(nèi)不易分解等特性；同時，生物質(zhì)炭富含碳和大量元素，又因其具有多孔結(jié)構(gòu)和較強的吸附力，從而具有增加土壤有機質(zhì)含量、改善土壤理化性狀、吸附重金屬、減少肥料淋失等作用。

當(dāng)前研究多集中于生物質(zhì)炭對植物生長發(fā)育、重金屬污染、土壤理化性質(zhì)、土壤微生物等方面的影響，且大多數(shù)是單方面短期的研究，而對于干旱區(qū)瘠薄土壤（如灌耕風(fēng)沙土）的研究較少。本研究基于2011年開展的定點試驗，研究單次施用生物質(zhì)炭10年后灌耕風(fēng)沙土物理性質(zhì)的變化特征，為提高干旱區(qū)低產(chǎn)土壤肥力及生物質(zhì)炭培肥灌耕風(fēng)沙土質(zhì)量提高提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2011年4月—2021年4月在和田農(nóng)科所試驗田進行（37°16'36''N，79°90'08''E）。該地區(qū)為暖溫帶極端干旱荒漠氣候，年均氣溫為12.5℃，年均降水量為36.4 mm，年均蒸發(fā)量為2 618 mm。土壤類型為灌耕風(fēng)沙土，砂粒、粉粒和粘粒含量分別為39.09%，54.00%，6.94%。表1為2011年0～20 cm土層的土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)。

表1 本底土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置7個處理，于2011年4月一次性均勻混入0～20 cm土層：22.5 t·hm農(nóng)家肥（牛糞，1%MA），22.5 t·hm腐殖酸（1%FA），22.5 t·hm生物質(zhì)炭（1%BC），67.5 t·hm生物質(zhì)炭（3%BC），112.5 t·hm生物質(zhì)炭（5%BC），222.5 t·hm生物質(zhì)炭（10%BC），同時設(shè)空白對照（CK）。每個處理做3次重復(fù)。生物質(zhì)炭為小麥秸稈炭，其基礎(chǔ)理化性質(zhì)如表2。田間種植模式為春玉米連作，各小區(qū)田間管理措施相同，為常規(guī)灌溉，施肥量為尿素0.075 t·hm、磷酸二銨0.225 t·hm、硫酸鉀0.075 t·hm，其中尿素追肥量分2次進行，尿素共計施用量為0.15 t·hm。試驗地小區(qū)之間及四周用水泥板分隔開。

表2 小麥秸稈生物質(zhì)炭理化性質(zhì)

1.3 樣品采集與方法

于2021年3月采集0～10 cm、10～20 cm的土壤樣品，比重采用比重瓶法進行測定；容重、土壤含水量、飽和含水量、田間持水量、相對含水量等采用環(huán)刀法進行測定；土壤團聚體的測定采用濕篩法。具體測定方法見《土壤物理研究法》。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2021、SPSS 23.0軟件進行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計分析，Origin 2018軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用生物質(zhì)炭10年后對灌耕風(fēng)沙土比重的影響

從圖1可以看出，經(jīng)過10年的定位試驗，0～20 cm灌耕風(fēng)沙土的比重在施用農(nóng)家肥、腐殖酸及不同用量的生物質(zhì)炭等材料后，其比重范圍為2.58～2.63，與CK的2.65相比，降低幅度較小，差異不顯著（P＞0.05）。

圖1 各處理間比重變化

2.2 施用生物質(zhì)炭10年后對灌耕風(fēng)沙土容重的影響

經(jīng)過10年的定位試驗，不同材料不同添加量處理的灌耕風(fēng)沙土容重出現(xiàn)了不同程度的變化（圖2）。與CK相比，在0～10 cm土層中不同處理間差異不顯著（P＞0.05），其值在1.18～1.22 g·cm范圍內(nèi)，但10%BC處理的土壤容重顯著低于3%BC處理（P＜0.05）。在10～20 cm土層中，與CK相比，施用大量生物質(zhì)炭會顯著降低灌耕風(fēng)沙土的容重，10%BC處理的土壤容重降低了6.68%（P＜0.05），其值為1.15 g·cm，其他處理間差異不顯著（P＞0.05）。各處理間，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，灌耕風(fēng)沙土容重隨之出現(xiàn)先升高后下降的趨勢。

圖2 各處理間容重變化

2.3 施用生物質(zhì)炭10年后對灌耕風(fēng)沙土土壤含水量的影響

不同添加量生物質(zhì)炭處理的灌耕風(fēng)沙土土壤含水量出現(xiàn)了一定程度的變化。經(jīng)過10年的定位試驗，與CK相比，在0～10 cm土層中只有1%MA處理下的灌耕風(fēng)沙土土壤含水量顯著降低，為18.80%（P＜0.05）。而在10～20 cm土層中，大量添加生物質(zhì)炭顯著增加了土壤含水量，其中10%BC處理增加了27.31%（P＜0.05），5%BC次之，增加了21.03%（P＜0.05）。由此可以看出，隨著生物質(zhì)炭用量的增加，10～20 cm土層的土壤含水量也隨之增加（圖3）。

圖3 各處理間土壤含水量變化

2.4 施用生物質(zhì)炭10年后對灌耕風(fēng)沙土土壤飽和含水量的影響

施用生物質(zhì)炭后，經(jīng)過10年的定位試驗，灌耕風(fēng)沙土土壤飽和含水量在0～10 cm土層無影響，在10～20 cm土層出現(xiàn)了顯著變化（圖4）。在0～10 cm土層中，與CK相比，各處理間土壤飽和含水量差異不顯著（P＞0.05）。而在10～20 cm土層中，與CK相比，施用腐殖質(zhì)酸和大量生物質(zhì)炭可以顯著增加灌耕風(fēng)沙土土壤飽和含水量，10%BC處理下的土壤含水量增加了18.60%（P＜0.05），1%FA處理顯著性增加了9.13%（P＜0.05），各處理間，10%BC比3%BC顯著增加了18.90%（P＜0.05）。總體來說，隨著生物質(zhì)炭用量的增加，灌耕風(fēng)沙土土壤飽和含水量表現(xiàn)為先增高后降低再增高的趨勢。

圖4 各處理間土壤飽和含水量變化

2.5 施用生物質(zhì)炭10年后對灌耕風(fēng)沙土土壤田間持水量的影響

經(jīng)過10年的定位試驗，施用生物質(zhì)炭后灌耕風(fēng)沙土土壤田間持水量在0～10 cm土層沒有什么變化，但10～20 cm土層出現(xiàn)了一定程度的變化。從圖5可以看出，在0～10 cm土層中，與CK相比，各處理間土壤飽和含水量差異不顯著（P＞0.05）。而在10～20 cm土層中，與CK相比，施用生物質(zhì)炭可以顯著增加灌耕風(fēng)沙土土壤田間持水量，其中10%BC處理下的田間持水量增加最多，為15.50%（P＜0.05），其次是5%BC處理，田間持水量增加了9.13%（P＜0.05），各處理間，相比1%BC和3%BC，10%BC和5%BC的田間持水量顯著增加（P＜0.05）。由此可以看出，隨著生物質(zhì)炭用量的增加，10～20 cm土層的灌耕風(fēng)沙土土壤田間持水量也隨之增加。

圖5 各處理間田間持水量變化

2.6 施用生物質(zhì)炭10年后對灌耕風(fēng)沙土土壤相對含水量的影響

不同施用量生物質(zhì)炭對灌耕風(fēng)沙土土壤相對含水量有一定的影響。從圖6可以看出，經(jīng)過10年的定位試驗，與CK相比，在0～10 cm土層中施用生物質(zhì)炭對灌耕風(fēng)沙土土壤相對含水量影響不顯著（P＞0.05），但施用牛糞對其存在顯著性影響，1%MA處理顯著性降低了18.60%（P＜0.05）。在10～20 cm土層中，與CK對比，大量施用生物質(zhì)炭可以顯著增加灌耕風(fēng)沙土的土壤相對含水量，其中以5%BC處理增加量最高，為10.77%（P＜0.05），其次為10%BC，土壤相對含水量顯著增加了10.14%（P＜0.05），而1%MA處理顯著低于所有施用生物質(zhì)炭處理的土壤相對含水量（P＜0.05）。總體而言，灌耕風(fēng)沙土土壤相對含水量隨生物質(zhì)炭用量增加而增加。

圖6 各處理間土壤相對含水量變化

2.7 施用生物質(zhì)炭10年后對灌耕風(fēng)沙土土壤團聚體含量的影響

從圖7可以看出，經(jīng)過10年的定位試驗，不同處理下，0～20 cm土層的灌耕風(fēng)沙土水穩(wěn)性團聚體含量沒有太大變化。在大于0.25 mm粒徑范圍內(nèi)，與CK相比，各處理間水穩(wěn)性團聚體含量差異不顯著（P＞0.05）。在0.25～0.053 mm粒徑范圍內(nèi)，與CK相比，各處理間差異不顯著，其值從高到低順序為：3%BC＞5%BC＞1%BC＞1%FA≈CK＞1%MA＞10%BC，其中3%BC處理下的土壤團聚體含量顯著高于10%BC處理（P＜0.05），整體變化趨勢是隨著生物質(zhì)炭用量的增加土壤團聚體含量先增高后降低。與CK相比，不同處理下的小于0.053 mm粒徑的土壤團聚體含量無顯著差異（P＞0.05）。

圖7 各處理間土壤團聚體含量變化

與CK相比，1%MA、1%FA處理經(jīng)過10 a的定位試驗后，變化無差異，而施用一定量生物質(zhì)炭后，灌耕風(fēng)沙土大于0.25 mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體含量減少了，0.25～0.053 mm粒徑的土壤團聚體含量也相應(yīng)增加了，而當(dāng)生物質(zhì)炭施用量達到10%（即10%BC處理）時，大于0.25 mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體含量增加了35.57%。在小于0.053 mm粒徑范圍內(nèi)，各處理間土壤團聚體含量無差異（圖8）。

圖8 各處理間土壤團聚體分布變化

3 結(jié)論與討論

灌耕風(fēng)沙土是新疆的主要低產(chǎn)土壤，生物質(zhì)炭是目前土壤改良研究的新方向，關(guān)于施用生物質(zhì)炭對土壤改良的長期效果研究相對較少。本研究表明，經(jīng)過10年的長期定位試驗，一次性施用不同量生物質(zhì)炭對灌耕風(fēng)沙土0～10 cm土層沒有太大的影響，而對10～20 cm土層存在不同程度的影響。

3.1 生物質(zhì)炭對土壤密度的長期影響

土壤比重由土壤無機礦物質(zhì)與有機質(zhì)的密度決定，可以間接地反映土壤化學(xué)物質(zhì)的組成特性。本研究結(jié)果表明，經(jīng)過10年的長期定位試驗，施用生物質(zhì)炭對灌耕風(fēng)沙土0～20 cm土層比重沒有顯著影響。其原因可能是生物質(zhì)炭經(jīng)過10年的時間后，在土壤中自然老化，其物理結(jié)構(gòu)被破壞，轉(zhuǎn)化成與土壤礦物質(zhì)硬度、抗壓強度一致的生物質(zhì)炭微粒。此外，有研究證明，長期施用單一生物質(zhì)炭會導(dǎo)致土壤中有機質(zhì)含量較少，進而使得各處理間差異性減小，這與邱學(xué)禮等研究結(jié)果相似。

本研究結(jié)果表明，施用大量生物質(zhì)炭可以長效降低灌耕風(fēng)沙土土壤容重。張云舒等研究表明，經(jīng)過5年的長期定位試驗后，5%BC處理下的土壤容重最高，3%BC次之，而10%BC處理的土壤容重最低，這與本研究結(jié)果（3%BC最高，10%BC最低）變化趨勢相似。不同的是，張云舒等研究表明，各處理與CK相比存在顯著性差異，而本研究中0～10 cm土層中與CK對比，差異不顯著，在10～20 cm土層中，僅10%BC與CK相比存在顯著性差異，其原因可能是經(jīng)過10年的時間后，生物質(zhì)炭逐漸老化并粉碎，其多孔結(jié)構(gòu)被破壞，失去其降低容重的作用，而10～20 cm土層相比0～10 cm土層，其受到的人為擾動更少，生物質(zhì)炭老化粉碎的程度更低，故而10%BC可以顯著性降低灌耕風(fēng)沙土土壤容重，這與李倩倩等研究結(jié)果相同。

3.2 生物質(zhì)炭對土壤水分的長期影響

土壤水分是影響作物吸收水分、調(diào)節(jié)灌溉的重要土壤物理性質(zhì)。本研究結(jié)果表明，經(jīng)過10年的長期定位試驗，施用大量生物質(zhì)炭可以顯著提升灌耕風(fēng)沙土土壤含水量、飽和含水量、田間持水量、相對含水量。這可能是生物質(zhì)炭本身的疏松多孔結(jié)構(gòu)，增加了土壤總孔隙度，從而有效增加土壤含水量，而研究結(jié)果中0～10 cm土層無顯著性差異，10～20 cm土層中10%BC與CK相比存在顯著性差異，原因可能是生物質(zhì)炭老化粉碎。在0～10 cm土層中，1%MA處理與CK相比，土壤含水量顯著降低，原因可能是牛糞經(jīng)過長期老化后，孔隙度過于增大，更容易風(fēng)干，不利于水分的保存。本研究結(jié)果中，10～20 cm土層中10%BC處理比3%BC處理的土壤飽和含水量顯著性提高18.90%，其原因可能是大量添加生物質(zhì)炭比少量添加的生物質(zhì)炭老化粉碎程度更低，還能繼續(xù)發(fā)揮其原有的作用。張皓鈺等研究表明，施用生物質(zhì)炭短期時間內(nèi)對砂土土壤田間持水量有顯著提升作用，與本研究結(jié)果相呼應(yīng)，與杜國棟等研究結(jié)果一致。

本研究結(jié)果表明，經(jīng)過10年的長期定位試驗，生物質(zhì)炭對灌耕風(fēng)沙土土壤含水量、飽和含水量、田間持水量、相對含水量等土壤物理性質(zhì)的影響變化趨勢相似，大致為隨著生物質(zhì)炭施用量的增加而增加，這與Dong等研究結(jié)果相似，而生物質(zhì)炭施用量上，出現(xiàn)1%比3%的影響效果更強的現(xiàn)象，其原因機制不明，有待于進一步細化該梯度范圍研究。同時研究結(jié)果表明，1%MA處理在經(jīng)過10年的長期定位試驗后，反而不利于灌耕風(fēng)沙土土壤含水量及相對含水量等土壤物理性質(zhì)提升，其原因可能是生物質(zhì)炭老化后，孔隙度過于增大，更容易風(fēng)干，但具體緣故及機制尚不明確，有待于進一步研究。

3.3 生物質(zhì)炭對水穩(wěn)性團聚體含量的長期影響

土壤團聚體是土壤肥力的特征之一。本研究結(jié)果表明，經(jīng)過10年的長期定位試驗，施用生物質(zhì)炭對水穩(wěn)性團聚體含量的影響不大。張云舒等研究結(jié)果表明，經(jīng)過6年的長期定位試驗，施用5%生物質(zhì)炭（5%BC處理）對0.25～0.053 mm粒徑的土壤團聚體含量有顯著提升，反而不利于大于0.25 mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體形成本研究結(jié)果中，3%BC處理的0.25～0.053 mm粒徑土壤團聚體含量相比10%BC處理有顯著提升，兩者研究結(jié)果相似，這也與王亞瓊等研究結(jié)果相似。

與張云舒等研究結(jié)果做對比時，筆者發(fā)現(xiàn)土壤團聚體含量分布有較大變化，CK處理10年大于0.25 mm與0.25～0.053 mm粒徑的土壤團聚體含量相比6年的土壤團聚體含量有一定程度的增加。自然條件下，土壤形成了更多的水穩(wěn)性團聚體，其原因可能是試驗檢測方法與張云舒等不同導(dǎo)致。單從水穩(wěn)性團聚體含量來看，施用大量生物質(zhì)炭可以使得灌耕風(fēng)沙土水穩(wěn)性團聚體增加（P＞0.05），這與于靜靜等研究結(jié)果一致，其原因可能是土壤為灌耕風(fēng)沙土，土壤中粘粒含量較少，導(dǎo)致水穩(wěn)性團聚體形成較少。

3.4 結(jié)論

（1）與對照相比，施用生物質(zhì)炭10年后，灌耕風(fēng)沙土0～20 cm土層土壤比重、0～10 cm土層土壤容重?zé)o顯著差異，10%BC生物質(zhì)炭可以顯著降低10～20 cm土層土壤容重6.68%。

（2）施用生物質(zhì)炭10年后，與對照相比，土壤含水量、飽和含水量、田間持水量、相對含水量等在灌耕風(fēng)沙土0～10 cm土層無顯著差異，10%BC生物質(zhì)炭顯著增加10～20 cm土層的含水量，分別為27.31%，18.60%，15.50%，10.14%。

（3）與對照相比，施用生物質(zhì)炭10年后，對灌耕風(fēng)沙土0～20 cm土層水穩(wěn)性團聚體形成無影響。

綜上所述，高施用量的生物質(zhì)炭在十年后仍能顯著改良灌耕風(fēng)沙土10～20 cm土層的土壤理化性質(zhì)。