生物炭和氮肥配施提高土團(tuán)聚體穩(wěn)定性及作物產(chǎn)量

李 偉，代 鎮(zhèn)，張光鑫，劉 楊，韓 娟

（西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 712100）

土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，其大小、形狀直接影響土壤持水性及通氣性，與土壤理化性質(zhì)、生物學(xué)特性及碳循環(huán)有著密切聯(lián)系[1]，會直接或間接影響土壤肥力和作物產(chǎn)量。而土壤團(tuán)聚體的數(shù)量和穩(wěn)定性與土壤有機(jī)碳密切相關(guān)，研究表明表土中近90%的有機(jī)碳可作為土壤膠結(jié)劑將微團(tuán)聚體結(jié)合為大團(tuán)聚體穩(wěn)定存在于團(tuán)聚體內(nèi)，同時通過團(tuán)聚體與外界形成的空間隔離可使有機(jī)碳免遭微生物的分解[2]。因此，團(tuán)聚體與有機(jī)碳兩者相互作用，共同保持土壤結(jié)構(gòu)和肥力。

施肥是影響土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的重要因素[3-4]。無機(jī)氮肥的施用對改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力是必不可少的。多項研究結(jié)果表明無機(jī)肥和有機(jī)物質(zhì)的配合施用更有利于土壤團(tuán)聚作用和作物產(chǎn)量的提高[5-6]。生物炭作為一種富含碳的外源有機(jī)質(zhì)，相比于其他有機(jī)肥料，具有容重小、比表面積大、吸附性強等特性[7]，施入土壤中可改變土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分含量，影響作物的產(chǎn)量[8-9]，因此廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。但是由于生物炭的種類、制備溫度、施用量以及土壤類型的不同，對土壤團(tuán)聚體的影響也有所差異。Sun等[10]通過180天的室內(nèi)培養(yǎng)試驗表明，每公斤土添加500℃制備的木屑生物炭20、40、60 g對黏土大團(tuán)聚體的形成無顯著影響，但是相同溫度、相同施用量下，秸稈生物炭對2～5 mm和0.25～0.5 mm粒級大團(tuán)聚體的形成有顯著影響。Liu等[11]在進(jìn)行11個月的培養(yǎng)試驗中也發(fā)現(xiàn)施用660℃制備的鋸末生物炭4、8、16 g/kg增加了兩種粉質(zhì)壤土團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，但對兩種砂質(zhì)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性無顯著影響。Zhang等[12]通過兩年大田試驗研究表明施用250～500℃制備的小麥秸稈生物炭增加粉質(zhì)粘壤土有機(jī)碳的含量，但施用量的不同對土壤團(tuán)聚體的影響不同，施用8 t/hm2對土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性無顯著影響，而施用16 t/hm2則顯著增加平均重量直徑 (MWD) 和 ＞ 2 mm粒級土壤團(tuán)聚體的含量。Dong等[13]在3年田間試驗中發(fā)現(xiàn)施用400℃制備的稻殼 (70%) 和棉花種殼 (30%) 生物炭30、60、90 t/hm2后，對石灰性沖積土土壤團(tuán)聚體粒級分布無顯著影響，但增加了 ＞ 0.25 mm粒級土壤大團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量。綜上可知，生物炭對土壤團(tuán)聚體的研究結(jié)果不一致，且多集中在室內(nèi)培養(yǎng)實驗和短期田間試驗，基于長期田間試驗下生物炭和氮肥對土壤團(tuán)聚體組成與有機(jī)碳分布的影響研究較少，限制了生物炭長期施入后對土壤結(jié)構(gòu)改良的理解。

基于此，本研究利用6年定位試驗，分析不同生物炭和氮肥施用量對于冬小麥-夏玉米輪作體系下土團(tuán)聚體特征、有機(jī)碳分布以及作物產(chǎn)量的影響效應(yīng)，從農(nóng)田土壤質(zhì)量的角度為生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在西北農(nóng)林科技大學(xué)標(biāo)本園進(jìn)行，試驗區(qū)位于 108°24′E、34°20′N，平均海拔 521 m，屬暖溫帶季風(fēng)性氣候，年均日照時數(shù)2196 h，年均氣溫11～13℃，無霜期210 d，年均降雨量500～600 mm。

1.2 試驗材料

生物炭是河南三利新能源公司用小麥秸稈為原料在500℃厭氧熱解條件下制備所得，其基本理化性質(zhì)為有機(jī)碳含量467.05 g/kg、全氮5.90 g/kg、全磷0.61 g/kg、全鉀26.03 g/kg、鈣10.02 g/kg、C/N比79.10、灰分含量20.8%，于2011年10月冬小麥種植前撒勻在土壤表面，用旋耕機(jī)翻10 cm混入耕層土壤。

供試土壤為土，2011年前土壤基本性質(zhì)：粘粒36.5%、粉粒61.1%、砂粒2.4%，耕層 (0—20 cm)土壤含有機(jī)質(zhì)14.09 g/kg、堿解氮51.22 mg/kg、速效磷7.61 mg/kg、速效鉀150.06 mg/kg、pH值7.58(水土比 2.5∶1)。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用雙因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，雙因素分別為生物炭和氮肥。生物炭設(shè)四個水平，分別為0 kg/hm2(B0)、1000 kg/hm2(B1)、5000 kg/hm2(B2)、10000 kg/hm2(B3)，于2011年小麥季前一次性施入土壤中，之后不再補施。氮肥分為常規(guī)施氮肥 (NT) 和氮肥減量 (NH) 兩個水平，所用肥料為尿素(含N 46%)和磷酸二銨(含N 18%)，2011—2016年小麥季常規(guī)施肥純氮量為240 kg/hm2，尿素和磷酸二銨按1∶1比例于播前一次性施入；玉米季常規(guī)施肥純氮量為240 kg/hm2，尿素60%和磷酸二銨100%于播前施入，撥節(jié)期追施尿素40%，兩季總氮量共480 kg/hm2。氮肥減量從2014年開始，是在常規(guī)肥料施用下減半 (兩季總氮量240 kg/hm2) 施入土壤中，共8個處理，每一處理設(shè)置3次重復(fù)，小區(qū)面積20 m2(5 m × 4 m)，其他管理同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理方式，處理間一致。

1.4 測定項目與方法

2016年夏玉米收獲后，在每小區(qū)采用五點取樣法采集0—10 cm、10—20 cm土層的原狀土，并將土壤混合帶入實驗室 (避免擠壓)，在室內(nèi)風(fēng)干過程中沿自然結(jié)構(gòu)掰成小土塊，過10 mm篩。

利用浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司生產(chǎn)的TTF-100型土壤團(tuán)聚體分析儀進(jìn)行土壤分離，用4個標(biāo)準(zhǔn)篩的孔徑分別為2.0、1.0、0.5、0.25 mm，通過分離篩在水中上下震蕩，最后從土壤中分離出5種粒徑的團(tuán)粒。具體做法：將原狀土樣干篩分為3級( ＞ 2 mm、1～2 mm、 ＜ 1 mm )；然后按其干篩百分?jǐn)?shù)比稱取樣品，配成100 g樣品置于團(tuán)粒分析儀的篩組上；將篩組置于團(tuán)粒分析儀的震蕩架上，以3 cm振幅、30次/min的頻率在水中震30 min (震蕩過程中篩組上緣部分不得超出水面)；將各級篩子上的團(tuán)聚體洗入已知質(zhì)量的鋁盒中，烘干稱重[14]，＞ 0.25 mm粒級的團(tuán)聚體稱為水穩(wěn)性大團(tuán)聚體，＜ 0.25 mm粒級的團(tuán)聚體稱為水穩(wěn)性微團(tuán)聚體[15]。

土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法測定，全氮用K2SO4-CuSO4-Se催化劑和濃硫酸消煮后，用凱氏定氮法測定[16]。

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)[17]：

平均重量直徑 (MWD)、幾何重量直徑 (GMD)、＞0.25 mm團(tuán)聚體含量 (R0.25) 分別按以下公式計算：

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因素方差統(tǒng)計分析并用最小顯著極差法 (LSD法) 進(jìn)行多重比較，顯著性水平設(shè)定為P＜ 0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭和氮肥對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

2.1.1 生物炭和氮肥對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分含量的影響 表1表明，生物炭施用對土水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分含量具有顯著影響，與不施生物炭相比，施用生物炭顯著提高兩個土層 ＞ 2 mm、1～2 mm粒級團(tuán)聚體的百分含量，增幅范圍分別為3.5%～180.3%、9.4%～98.9%。

0—10 cm土層，氮肥減量下土壤1～2 mm粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體的百分含量顯著高于常規(guī)施肥。常規(guī)施肥下，B3NT處理1～2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的百分含量最高，較B0NT處理提高了60.0%，＞ 2 mm粒級團(tuán)聚體百分含量在B2NT處理下最高，但與B3NT處理無顯著差異；氮肥減量下，B3NH處理 ＞ 2 mm、1～2 mm粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分重量最高，較B0NH分別提高了100%、98.9%。

10—20 cm土層粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體百分重量與0—10 cm土層不同，氮肥減量顯著降低 ＞ 2 mm和0.5～1 mm粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體的百分含量。常規(guī)施肥下，B3NT處理 ＞ 2 mm、1～2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的百分含量分別較B0NT提高了162.3%、73.3%；氮肥減量下，B3NH處理 ＞ 2 mm、1～2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的百分含量較B0NH處理分別提高了122.0%、57.2%。

2.1.2 生物炭和氮肥對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

生物炭施用會顯著提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。與不施生物炭相比，施用生物炭的處理顯著增加R0.25、MWD、GMD，提高土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，且隨生物炭施用量的增加而增加(表2)。

0—10 cm土層，氮肥減量下R0.25、MWD、GMD顯著高于常規(guī)施肥。常規(guī)施肥下，B3NT處理的R0.25、MWD、GMD較B0NT處理分別提高13.1%、25.0%、20.8%。氮肥減量下，B3NH處理三個指標(biāo)較B0NH分別提高12.5%、31.7%、20.0% (表2)。

表 1 各處理0—10 cm和10—20 cm土層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成 (%)Table 1 Soil water-stable aggregate contents in 0-10 cm and 10-20 cm soil layers in each treatment

表 2 各處理0—10 cm和10—20 cm土層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性Table 2 Stability of soil water-stable aggregates in 0-10 cm and 10-20 cm soil layers in each treatment

與0—10 cm不同，10—20 cm土層下，氮肥和生物炭對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性存在顯著的互作效應(yīng)，且氮肥減量處理下R0.25、MWD、GMD顯著低于常規(guī)施肥處理。常規(guī)施肥下，B3NT處理的R0.25、MWD、GMD較B0NT分別提高18.2%、36.4%、30.8%，且與B2NT無顯著差異。氮肥減量下，B3NH處理三個指標(biāo)R0.25、MWD、GMD較B0NH分別提高112.3%、65.7%、65.0%，且與B2NH無顯著差異。與 B0NT 處理相比，B0NH 處理土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的 R0.25、MWD、GMD 顯著下降，三者分別降低了 79.2%、25.7%、30.0%，而 B3NH 與 B3NT 處理之間無顯著差異。

2.2 生物炭和氮肥對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳及其分配比例的影響

2.2.1 生物炭和氮肥對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響 表3表明，0—10 cm土層各粒級土壤有機(jī)碳含量高于10—20 cm。生物炭施用會顯著提高土壤各粒級水穩(wěn)定團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量，且增加的碳主要富集在大團(tuán)聚體中。除0.5～1 mm粒級外，氮肥減量下土壤 ＞ 0.25 mm粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳顯著高于常規(guī)施肥。

0—10 cm土層，常規(guī)施肥下，B2NT處理以 ＞2 mm、1～2 mm粒級有機(jī)碳含量最高，但與B3NT處理無顯著差異。而氮肥減量下，B2NH處理 ＞ 0.25 mm粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量高于其他三個處理，各粒級分別較B0NH處理提高了28.8%、8.6%、11.2%、11.2%，但與B3NH處理無顯著差異。

10—20 cm土層，常規(guī)施肥下，B1NT處理的 ＞0.5 mm粒級土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量均為最高，較B0NT處理分別提高20.1%、15.8%、17.8%。氮肥減量下，生物炭處理下各粒級土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量均高于B0NH處理，B3NH處理下0.25～2 mm各粒級土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量均最高，1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm粒級較B0NH處理分別提高27.7%、24.6%、39.1%，但與B2NH處理各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量無顯著差異 (表 3)。

2.2.2 各粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體中有機(jī)碳的分配比例由圖1可知，兩土層各處理土壤有機(jī)碳主要分配在 ＜0.25 mm的團(tuán)聚體中。與不施生物炭相比，施用生物炭增加了有機(jī)碳在 ＞ 2 mm和1～2 mm粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體的比例。

表 3 各處理0—10 cm和10—20 cm土層土壤各粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量 (g/kg)Table 3 Organic C contents of water-stable aggregate fractions in 0-10 cm and 10-20 cm soil layers in each treatment

圖 1 各處理0—10 cm和10—20 cm土層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體中土壤有機(jī)碳的分配比例Fig. 1 Contributing rates of water-stable aggregates to soil organic C in 0-10 cm and 10-20 cm soil layers in each treatment

0—10 cm土層，常規(guī)施肥下，B3NT處理的 ＞2 mm和1～2 mm粒級水穩(wěn)性大團(tuán)聚體中土壤有機(jī)碳的比例顯著高于B0NT和B1NT處理，而B3NT和B2NT之間無顯著性差異。氮肥減量下，B3NH處理的土壤有機(jī)碳在 ＞ 2 mm和1～2 mm粒級水穩(wěn)性大團(tuán)聚體中的比例顯著增加，分別比B0NH增加了194.8%、94.3%，也顯著高于B1NH、B2NH處理。在生物炭施用量B3水平下，減氮處理B3NH顯著提高了土壤有機(jī)碳在 ＞ 2 mm和1～2 mm粒級水穩(wěn)性大團(tuán)聚體中的比例，兩粒級分別較常規(guī)施肥處理B3NT提高了19.4%、33.3%，同時顯著降低了在 ＜ 0.25 mm粒級微團(tuán)聚體中的比例。

10—20 cm土層，常規(guī)施肥下，B3NT處理顯著降低 ＜ 0.25 mm粒級微團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的分配比例，較B0NT降低了13.4%。氮肥減量下，B2NH和B3NH處理 ＜ 0.25 mm粒級微團(tuán)聚體對有機(jī)碳的分配比例顯著降低，分別比B0NH降低了69.5%、70.8%。無生物炭施用下，減氮處理B0NH顯著增加 ＜ 0.25 mm粒級微團(tuán)聚體對有機(jī)碳的分配比例，較常規(guī)施肥處理B0NT增加了17.4%，但是在生物炭施用量B3下，B3NH和B3NT處理間土壤 ＜ 0.25 mm粒級微團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳分配比例無顯著性差異。

2.3 生物炭和氮肥對作物產(chǎn)量的影響

由表4可知，與不施生物炭相比，生物炭施用顯著提高了2015～2016年冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量。其中冬小麥產(chǎn)量隨生物炭施用量的增加而增加，B3NT處理產(chǎn)量最高，且與B2NH、B3NH處理無顯著差異，較B0NT處理增加17.2%，各處理產(chǎn)量B3NT ＞ B3NH ＞ B2NH ＞ B2NT ＞ B1NT ＞ B0NT ＞B1NH ＞ B0NH。夏玉米產(chǎn)量在B2NT處理下最高，較B0NT增加41.2%，且與B1NH、B2NH、B3NH處理差異不顯著，各處理存在B2NT ＞ B3NH ＞B2NH ＞ B3NT ＞ B1NH ＞ B1NT ＞ B0NT ＞ B0NH 的規(guī)律。對于兩季總產(chǎn)量，B2NT、B3NT和B3NH處理下兩季作物總產(chǎn)量較高，分別較B0NT提高了27.0%、23.6%、27.9%，且三個處理之間無顯著差異。

表 4 2015—2016年生物炭與氮肥配合處理的作物產(chǎn)量 (kg/hm2)Table 4 Crop yields in each biochar and N fertilizer treatment in 2015-2016

表 5 各指標(biāo)間的相關(guān)性Table 5 Correlation between soil organic carbon and different indexes

2.4 各指標(biāo)間的相關(guān)分析

通過對土壤全土有機(jī)碳、水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的GMD以及總產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)分析(表5)可知，各指標(biāo)間存在正相關(guān)關(guān)系，其中水穩(wěn)性團(tuán)聚體的GMD與土壤有機(jī)碳有著顯著相關(guān)性，而與作物總產(chǎn)量之間有著極顯著相關(guān)性。表明水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性對土壤有機(jī)碳及作物總產(chǎn)量有明顯的促進(jìn)作用。

3 討論

土壤團(tuán)聚體是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量與穩(wěn)定性影響土壤質(zhì)量的高低[18]。本研究試驗結(jié)果表明，生物炭對土土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性有顯著影響，與不施生物炭相比，施用生物炭的處理顯著增加 ＞ 1 mm粒級土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的百分含量，且顯著增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的R0.25、MWD、GMD，提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。這與Du等[19]和Li等[20]的結(jié)果一致。Du等進(jìn)行田間試驗發(fā)現(xiàn)添加360℃制備的玉米芯秸稈生物炭4.5、9 t/hm2五年后，施用生物炭的處理顯著增加0.25～2 mm粉砂黏壤土大團(tuán)聚體的百分含量。Li等[20]通過兩年田間試驗表明施用450℃制備的小麥秸稈生物炭40 t/hm2顯著增加亞熱帶紅壤團(tuán)聚體的MWD、GMD，提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。這主要是由于生物炭因其多孔結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，可以作為有機(jī)膠結(jié)劑促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成[21-22]，且隨著生物炭制備溫度的升高，比表面積及孔徑增大，表面的芳香化程度加深，吸附作用增強[23]。但Hardie等[24]發(fā)現(xiàn)，在施用550℃生產(chǎn)的合歡樹廢棄物生物炭47 Mg/hm2兩年半后，砂壤土中團(tuán)聚體的穩(wěn)定性無顯著變化。這可能主要與土壤類型有關(guān)，砂質(zhì)土壤相比粘粉質(zhì)土壤對土壤有機(jī)碳的吸附能力較差，不易與大分子有機(jī)質(zhì)形成穩(wěn)固的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體[25]，因而對生物炭的響應(yīng)也不同。此外，10—20 cm土層，生物炭和氮肥對土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性有顯著互作效應(yīng)，與常規(guī)施肥相比，氮肥減量下不施生物炭和配施生物炭1000 kg/hm2處理顯著降低土壤水穩(wěn)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，而配施生物炭5000 kg/hm2與10000 kg/hm2處理并無顯著差異。說明當(dāng)土壤肥力較低或氮肥減量下配合施用高量生物炭更有利于水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

土壤有機(jī)碳作為膠結(jié)物質(zhì)在團(tuán)聚體的形成過程中起著重要的作用。本研究表明小麥秸稈生物炭施用顯著提高土有機(jī)碳的含量以及各粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量，且主要富集在 ＞ 0.25 mm粒級大團(tuán)聚體中，這與李江舟等[26]的研究結(jié)果較為一致。李江舟等表明450℃制備的煙桿生物炭15 t/hm2、30 t/hm2顯著增加云南煙區(qū)紅壤土壤有機(jī)碳的含量以及0.25～2 mm粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，且與其他粒級相比增幅最高。這主要是由于生物炭本身含有豐富的碳，隨著施用年限的增加，生物炭中的碳會進(jìn)入土壤中，增加土壤有機(jī)碳的含量[27]。盡管不同溫度、不同材料制備的生物炭自身含有的碳含量各不相同，但是它們輸入土壤后都會引起土壤碳含量不同程度的增加，與不添加生物質(zhì)炭的土壤相比，施用生物炭的土壤碳含量始終可以維持在較高的水平[28]。且本試驗 ＞ 0.25 mm粒級水穩(wěn)定大團(tuán)聚體的幾何重量直徑 (GMD) 與土壤全土有機(jī)碳含量存在顯著正相關(guān)。說明水穩(wěn)定大團(tuán)聚體越穩(wěn)定，促進(jìn)土壤全土有機(jī)碳含量。一方面由于高溫制備的生物炭表面含氧官能團(tuán)豐富，吸附更多的有機(jī)物質(zhì)[29]，促進(jìn)更多的微團(tuán)聚體膠結(jié)為土壤大團(tuán)聚體，顯著增加土壤大團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量。另一方面可能是根系和菌絲可以直接促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成[30]，而生物炭可通過提高作物根部真菌的繁殖能力[31]，促進(jìn)大團(tuán)聚體中有機(jī)碳的固定，兩方面共同促進(jìn)土壤有機(jī)碳的含量的提高。此外，本研究土中微團(tuán)聚體含有較大比例，導(dǎo)致微團(tuán)聚體對全土有機(jī)碳的分配比例最高，但生物炭的施入增加 ＞ 1 mm粒級土壤大團(tuán)聚體有機(jī)碳的分配比例，有利于土壤大團(tuán)聚體有機(jī)碳的固定，進(jìn)而增加了土壤肥力。且在10—20 cm土層下，氮肥減量施用高生物炭量 (10000 kg/hm2) 對增加大團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳的分配比例更為顯著。這與黃超等[32]研究結(jié)果較為一致，表明生物炭對土壤養(yǎng)分的影響在肥力水平較低的土壤上明顯高于肥力水平較高的土壤，因此，高量生物炭與氮肥配施顯著提高土壤大團(tuán)聚體中有機(jī)碳的固定，增加土壤全土有機(jī)碳的含量。

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體作為土壤質(zhì)量評價指標(biāo)，在作物生長發(fā)育過程中起著重要作用。本研究表明生物炭和氮肥配施不同程度地增強團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，提高兩季作物總產(chǎn)量，以B3NH處理下綜合表現(xiàn)最佳，且作物產(chǎn)量與土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體GMD存在顯著的正相關(guān)性。這說明穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體能為作物生長提供良好的土壤環(huán)境，提高作物對養(yǎng)分的利用，進(jìn)而增加作物產(chǎn)量。袁晶晶等[33-34]同樣也表明350～500℃過程制備的花生殼生物炭和氮肥配合施用提高棗園土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，且土壤的理化性質(zhì)和微生態(tài)環(huán)境方面較不施生物炭有明顯改善，為棗樹生長提供了良好的生長條件，進(jìn)而提高了紅棗產(chǎn)量。綜合本試驗結(jié)果，生物炭10000 kg/hm2配施氮肥240 kg/hm2更有利于增強耕層土土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，增加有機(jī)碳的固定以及提高輪作體系下冬小麥和夏玉米的總產(chǎn)量。

本研究主要集中在生物炭和氮肥對土壤團(tuán)聚體物理化學(xué)性質(zhì)的研究，應(yīng)在此基礎(chǔ)上增加土壤生物性狀的研究，這樣才能更好地揭示生物炭與氮肥對土團(tuán)聚體組成和有機(jī)碳分布變化的機(jī)理，為生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的合理應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

通過六年田間定位試驗表明，生物炭對土耕層土壤團(tuán)聚體分布及作物產(chǎn)量的提升有顯著作用。施用生物炭顯著增加了 ＞ 2 mm、1～2 mm粒級水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的百分含量以及團(tuán)聚體R0.25、MWD、GMD穩(wěn)定性指標(biāo)，且施用生物炭10000 kg/hm2土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體最穩(wěn)定。氮肥減量下施用生物炭有利于土壤大團(tuán)聚體的形成，有機(jī)碳向大團(tuán)聚體中分配，增加作物總產(chǎn)量，其中氮肥減量配施生物炭10000 kg/hm2效果最顯著。與0—10 cm土層相比，10—20 cm土層氮肥減量降低了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，而施用生物炭10000 kg/hm2可改善土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，改變有機(jī)碳分布。綜上，供試條件下，生物炭10000 kg/hm2配施氮肥240 kg/hm2對提高土耕層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及作物總產(chǎn)量效果最佳。