蘋果樹生物質(zhì)炭對土壤團(tuán)聚體含量及穩(wěn)定性的影響

尚杰

摘要? ? 生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)土壤中的應(yīng)用是近年來新興的土壤改良技術(shù)，具有多重農(nóng)業(yè)和環(huán)境效益。本研究通過田間試驗，將限氧環(huán)境下（450 ℃）由蘋果樹樹干、枝條熱裂解所得的生物質(zhì)炭以不同用量水平（0、20、40、60、80 t/hm2，分別計作C0、C20、C40、C60、C80）施入農(nóng)業(yè)土壤耕作層，研究其對土壤團(tuán)聚體含量及穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，與對照C0相比，施用生物質(zhì)炭后，處理C20、C40、C60、C80 >0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量均有所增加，處理C60達(dá)到顯著水平，增幅2.73%;>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量均顯著增加，增幅分別為31.15%、31.11%、34.85%、35.17%;干篩條件下的平均重量直徑均有所增加，其中處理C60達(dá)到顯著水平，增幅為24.39%;濕篩條件下的平均重量直徑除處理C40外，其余施炭處理均達(dá)到顯著水平;土壤團(tuán)聚體破壞率和土壤不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)在施炭處理后均顯著降低，但施炭處理之間差異不顯著;從水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布可以看出，大團(tuán)聚體含量明顯增加，小團(tuán)聚體含量顯著減少。說明施用蘋果樹生物質(zhì)炭后，土壤團(tuán)聚體含量及穩(wěn)定性均顯著增加，進(jìn)而改善了土壤的物理特性。

關(guān)鍵詞? ? 生物質(zhì)炭;土壤團(tuán)聚體;平均重量直徑;團(tuán)聚體破壞率;穩(wěn)定性

中圖分類號? ? S156.2? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? ? A? ? ? ? 文章編號? ?1007-5739（2018）23-0184-03

生物質(zhì)炭（Biochar）一般指農(nóng)作物秸稈、木材及植物的其他組織等生物質(zhì)在完全或部分缺氧和相對低溫（<700 ℃）條件下熱裂解而形成的固態(tài)產(chǎn)物，其形態(tài)疏松多孔且富含有機(jī)碳[1]。由于其能與土壤形成頑固的土壤碳結(jié)合體、材料來源廣泛、物理性狀良好等因素，成為了當(dāng)今農(nóng)業(yè)與環(huán)境等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2]。此外，生物質(zhì)炭的抗降解能力非常強(qiáng)（包括生物降解和非生物降解），能夠在土壤中相對長期穩(wěn)定地封存，具有巨大的碳封存潛力[3]。來自巴西亞馬遜河流域中部黑土的研究發(fā)現(xiàn)，富含木炭（生物質(zhì)炭）的土壤具有更高的肥力和良好的物理特性，并且其在土壤中保存已有成百上千年的歷史[4]。

有研究表明，生物質(zhì)炭本身的疏松多孔性可以增強(qiáng)土壤的通氣性能和持水性能[5]，進(jìn)而促進(jìn)了良好土壤團(tuán)聚體的形成[6]，增加土壤的比表面積和孔隙度，降低了土壤容重[7]，改善了土壤結(jié)構(gòu)[8]。因此，一般認(rèn)為，土壤團(tuán)聚體作為土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的基本單元，其穩(wěn)定性是反映土壤結(jié)構(gòu)狀況的重要指標(biāo)[9]，其含量的多少是土壤肥沃程度的標(biāo)志之一。本研究以關(guān)中塿土為載體，在正常種植作物的情況下，研究蘋果樹生物質(zhì)炭的施用對土壤團(tuán)聚體的影響，以期為生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)土壤中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1? ? 材料與方法

1.1? ? 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)設(shè)在陜西省楊凌示范區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗田，位于北緯34°16′，東經(jīng)108°04′，海拔458.6 m。該地區(qū)年均氣溫11～13 ℃，年均日照時數(shù)2 196 h，年均降雨量500～700 mm，屬溫帶大陸性易旱氣候區(qū)。

1.2? ? 試驗材料

本研究所用生物質(zhì)炭由蘋果樹枝條、樹干熱裂解所得，制備條件為450 ℃的限氧環(huán)境。生物質(zhì)炭的理化性質(zhì)：比表面積86.7 m2/g，pH值（水土比為10∶1）10.4，C、O、H、N元素的含量分別為72.4%、23.8%、2.6%、1.2%，硝態(tài)氮0.5 mg/kg，銨態(tài)氮1.9 mg/kg。

供試土壤為褐土類，塿土亞類。土壤的理化性質(zhì)：容重1.3 g/cm3，pH值（水土比為5∶1）7.3，硝態(tài)氮18.2 mg/kg，銨態(tài)氮15.9 mg/kg，有效磷12.4 mg/kg，速效鉀193.0 mg/kg，全氮0.7 g/kg，全磷0.4 g/kg，全鉀19.6 g/kg，有機(jī)質(zhì)15.0 g/kg。

1.3? ? 試驗設(shè)計

將制備好的蘋果樹生物質(zhì)炭磨細(xì)，過1 mm篩，根據(jù)設(shè)計用量均勻撒施于土壤表層，通過淺翻，與耕層（0～20 cm）土壤混勻。生物質(zhì)炭用量設(shè)5個水平，即0、20、40、60、80 t/hm2，分別記作C0、C20、C40、C60、C80。其中，C0作對照（CK），即不施生物質(zhì)炭。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)。除生物質(zhì)炭用量不同外，氮、磷、鉀肥均作基肥于種植前施入，折合用量分別為純N 225 kg/hm2、P2O5 180 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2。試驗期間根據(jù)天氣及作物生長狀況適量灌水，以滿足作物正常生長發(fā)育所需。

1.4? ? 測定項目與方法

機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體采用干篩法測定：用DM180型土壤團(tuán)粒分析儀，振蕩2 min，頻率300 r/min，篩分、稱量，干篩法共分8級（<0.25 mm、0.25～0.50 mm、0.50～1.00 mm、1.00～2.00 mm、2.00～5.00 mm、5.00～7.00 mm、7.00～10.00 mm和>10.00 mm）。

水穩(wěn)性團(tuán)聚體采用濕篩法測定：用TTF-100型土壤團(tuán)聚體分析儀，共分6級（<0.25 mm、0.25～0.50 mm、0.50～1.00 mm、1.00～2.00 mm、2.00～5.00 mm和>5.00 mm），根據(jù)干篩各級團(tuán)聚體質(zhì)量百分比含量配比土壤樣品50 g進(jìn)行濕篩，振蕩20 min，頻率40 r/min，于105 ℃在烘箱中烘干至恒量，然后置于室內(nèi)空氣中自然吸濕2 h，稱量。

式中，wi為第i粒級團(tuán)聚體質(zhì)量所占的百分含量;Ri為某級團(tuán)聚體的平均直徑;WT為供試土樣的總質(zhì)量。

1.5? ? 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用DPS 7.05軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用Excel 2007軟件進(jìn)行圖表繪制。采用LSD法進(jìn)行多重比較，利用One-way ANOVA分析土壤團(tuán)聚體指標(biāo)對不同生物質(zhì)炭用量的響應(yīng)，P≤0.05。

2? ? 結(jié)果與分析

2.1? ? 對>0.25 mm土壤團(tuán)聚體含量的影響

DR0.25和WR0.25的百分含量可以很好地說明土壤團(tuán)聚體數(shù)量和分布的變化，較好地反映生物質(zhì)炭不同用量處理下土壤的團(tuán)聚狀況。由圖1（a）可以看出，施用生物質(zhì)炭處理的C20、C40、C60、C80的DR0.25較C0（CK）分別增加了0.02%、0.56%、2.73%、1.34%，其中C60與C0（CK）有顯著差異;整體而言，DR0.25隨生物質(zhì)炭用量的增加先增加后減少，C60達(dá)到最高。由圖1（b）可以看出，施用生物質(zhì)炭處理后WR0.25均較C0（CK）顯著增加，C20、C40、C60、C80的WR0.25較C0（CK）分別增加了31.15%、31.11%、34.85%、35.17%，C80增加幅度最大，但施用生物質(zhì)炭的各處理之間無顯著差異。說明蘋果樹生物質(zhì)炭的施用明顯提高了>0.25 mm土壤團(tuán)聚體的含量，當(dāng)生物質(zhì)炭施用量達(dá)到60～80 t/hm2時>0.25 mm土壤團(tuán)聚體含量最高。

2.2? ? 對>0.25 mm土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑的影響

MWD是反映土壤團(tuán)聚體大小分布狀況的常用指標(biāo)，MWD值越大，表示團(tuán)聚體的平均粒徑團(tuán)聚度越高、穩(wěn)定性越強(qiáng)。由圖2（a）可以看出，施用生物質(zhì)炭處理C20、C40、C60、C80的MWDd（干篩條件）較C0（CK）分別增加了15.12%、13.94%、24.39%、14.73%，其中C60與C0（CK）相比達(dá)到了顯著水平，其余處理與C0（CK）相比未達(dá)到顯著水平;整體而言，MWDd隨生物質(zhì)炭用量的增加先增加后減少，C60達(dá)到最高。由圖2（b）可以看出，除了C40處理外，其余處理的MWDw（濕篩條件）均較C0（CK）顯著增加，處理C20、C60、C80的MWDw較C0（CK）分別顯著增加了36.82%、36.43%、46.12%，C80增加幅度最大，但施用生物質(zhì)炭的各處理之間無顯著差異。由此說明，干篩和濕篩條件下，施用生物質(zhì)炭都增加了>0.25 mm土壤團(tuán)聚體的MWD，但與生物質(zhì)炭施用量也有一定的關(guān)系，當(dāng)生物質(zhì)炭施用量達(dá)到60～80 t/hm2時土壤團(tuán)聚體MWD達(dá)到最大。

2.3? ? 對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

PAD和ELT隨土壤退化程度的增加而增加，可以較好地反映土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[10]。由圖3（a）可以看出，隨生物質(zhì)炭施用量的增加，PAD明顯降低。處理C20、C40、C60、C80的PAD較C0（CK）分別顯著降低了17.74%、17.34%、17.95%、18.97%，其中C80的PAD降幅最大。由圖3（b）可以看出，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，ELT顯著降低。處理C20、C40、C60、C80的ELT較C0（CK）分別顯著降低了15.64%、15.62%、17.49%、17.65%，其中C80的ELT降幅最大。可以看出，在土壤耕作層施用生物質(zhì)炭后，PAD和ELT都顯著降低，說明土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，而且隨著生物質(zhì)炭用量的增加，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性有明顯增強(qiáng)的趨勢。

2.4? ? 對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布的影響

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布可以很好地反映施用生物質(zhì)炭后土壤團(tuán)聚體的團(tuán)聚情況。由圖4可以看出，與C0（CK）相比，施用生物質(zhì)炭后，>5 mm的團(tuán)聚體含量顯著增加，處理C80含量最高;2.00～5.00 mm的團(tuán)聚體含量也顯著增加，處理C60含量達(dá)到最大;1.00～2.00 mm團(tuán)聚體含量也有一定增加趨勢，處理C80增加相對較大;0.50～1.00 mm的團(tuán)聚體含量也顯著增加，處理C40含量相對最高;0.25～0.50 mm團(tuán)聚體含量，處理C20、C40、C60都較處理C0明顯增加，而處理C80明顯減少;<0.25 mm的土壤團(tuán)聚體含量在施用生物質(zhì)炭后顯著較少，并且隨生物質(zhì)炭含量的增加，<0.25 mm的土壤團(tuán)聚體含量逐漸減小。由此說明，不同粒級土壤團(tuán)聚體分布在施用蘋果樹生物質(zhì)炭后發(fā)生了較大變化，施用生物質(zhì)炭可以改變土壤團(tuán)聚體的團(tuán)聚狀況，進(jìn)而增加了土壤大團(tuán)聚體的含量。

3? ? 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，施用生物質(zhì)炭后，土壤中>0.25 mm的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量、>0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑顯著增加，團(tuán)聚體破壞率、土壤不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)顯著降低，土壤團(tuán)聚體的含量和穩(wěn)定性明顯提高。綜合來講，當(dāng)蘋果樹生物質(zhì)炭施用量為60 t/hm2時效果最佳。

前人研究了生物質(zhì)炭形成土壤團(tuán)聚體的機(jī)理，表明影響土壤團(tuán)聚體含量和穩(wěn)定性的內(nèi)在因素是形成土壤團(tuán)聚體的膠結(jié)物質(zhì)[11]，而生物質(zhì)炭中的細(xì)小顆粒具有多孔性和吸附性[8]，這本身就屬于一種膠結(jié)物質(zhì)。此外，生物質(zhì)炭具有與土壤顆粒形成土壤團(tuán)聚體和有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體的活性功能[12]，施用生物質(zhì)炭直接提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量[13]，間接增加了土壤的微生物量[14]，刺激土壤生物活性增強(qiáng)，因而產(chǎn)生更多的分泌物，會對土壤起團(tuán)聚作用。

有學(xué)者研究了生物質(zhì)炭在森林、草原和農(nóng)田土壤團(tuán)聚體中的分布狀況，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭在土壤中不僅僅以自由顆粒存在，還可存在于微團(tuán)聚體內(nèi)部并在團(tuán)聚體內(nèi)富集（<53 μm）[15]。黃? 超等[16]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，50、200 g/kg的生物質(zhì)炭處理顯著提高水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，與本研究結(jié)論一致?？梢?，土壤中施入生物質(zhì)炭以兩方面因素造成了土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定：一方面是生物質(zhì)炭的穩(wěn)定性和特殊的理化特性，另一方面是因團(tuán)聚體自身特性的保護(hù)作用從而長期固持。

4? ? 參考文獻(xiàn)

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