生物质炭是指有机物料(秸秆、 树干或其枝条、 粪肥、 生活垃圾等)在完全或部分缺氧的条件下经热解炭化产生的一类高度芳香化难溶性固态物质^{[1, 2]}，添加土壤后因其稳定性高可以存留上千年^[3]. 因此，土壤中施用生物质炭被看作是很好的固碳措施之一^[4]. 而且，生物质炭由于其较大的比表面积和较多的官能团(酸性官能团和碱性官能团)可以改善土壤的物理性质(孔隙状况)和化学性质(离子代换量、 保肥性、 缓冲性等)^{[5, 6, 7]}，进而也影响着土壤的生物学性质(微生物的数量和活性). 目前关于生物质炭进入土壤后对土壤物理性质影响方面诸如孔隙度等已有一些研究^{[5, 8]}，但对土壤团聚体分布的影响研究较少. 有机物是土壤团聚体形成的重要胶结物质^[9]，可以促进土壤团聚体的形成. 良好的土壤团聚体一方面能有效地改善土壤的耕性和透气、 透水性，增强土壤的抗侵蚀能力^[10]，对农业生产以及土壤水土保持等具有重要的作用. 另一方面，土壤矿物质和有机质结合形成团聚体，可以提高有机碳的稳定性，是增加土壤碳固定的重要机制，对土壤有机碳库具有很好的物理保护作用^[11]. 通过团聚体的固碳机制可以缓解温室效应的加剧^[12]. 目前关于土壤有机质对土壤团聚体的形成和影响已经基本明确，但关于生物质炭对土壤团聚体影响方面的研究较少且结论不一. 吴鹏豹等^[13]及Biswas等^[14]的研究发现，施用生物质炭可增加水稳性大团聚体的含量，特别是>1mm级别的水稳性团聚体； 但也有研究认为，生物质炭属于惰性固体材料，胶结作用小，对团聚体大小和数量没有显著影响^[15]. 有研究者分析认为，出现不同观点的原因与土壤类型和生物质炭施用水平等条件有关^[16].

黄土高原地区土壤有机质含量低、 土壤结构体稳定性差，存在严重的水蚀和风蚀现象^[17]. 改善土壤结构在黄土高原这样既干旱又存在严重侵蚀的地区显得至关重要. 施用秸秆和有机肥等虽然在土壤结构改善方面有效果，但有机物料在该地区土壤中存在矿化快的特点，短时间施用或少量施用很难实现土壤有机碳含量的显著提高和土壤结构的明显改善. 如何在这一地区快速提高土壤有机碳和加强土壤结构体的稳定性，是大家非常关注的问题. 黄土高原地区是苹果的适生区^[19]，因苹果大面积种植导致每年产生大量的苹果枝条，将这部分枝条制备为生物质炭进行农田和果园利用是苹果树枝条循环利用的途径之一. 但以苹果枝条制备的生物质炭施用后对土壤结构的影响还不清楚. 为此，本试验以苹果枝条制备的生物质炭为材料，研究了生物质炭不同施用水平对黄土高原黑垆土的土壤团聚体分布及其有机碳分布和保水特征的影响，通过揭示生物质炭在黄土区对土壤结构和性质的影响，旨在为生物质炭在该地区的科学应用和效果评价提供理论依据，也为苹果枝条的农业循环利用提供理论支撑.

试验设于铜川市耀州区苹果园，地处陕西省中部关中平原与陕北黄土高原过渡地带，东经108°51′，北纬34°51′，海拔1097 m，属暖温带大陆性半湿润易干旱气候区. 多年平均气温10.6℃，1月平均气温-3.0℃，7月平均气温23.0℃，平均气温年较差26.0℃，年平均降水量582.5 mm，降雨量集中在每年7~9月. 供试土壤为黑垆土,理化性质见表 1.

表 1 (Table 1)

表 1 供试黑垆土表层(0~15 cm)土壤基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of surface dark loessial soil(0-15 cm) pH 有机碳/g ·kg-1 全氮/g ·kg-1 全磷/g ·kg-1 全钾/g ·kg-1 土壤质地 8.0 14.2 0.83 0.63 1.92 中壤土

表 1 供试黑垆土表层(0~15 cm)土壤基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of surface dark loessial soil(0-15 cm)

生物质炭是以苹果枝条为原料制备，由陕西亿鑫生物能源科技开发有限公司提供,制备工艺为干燥除水→挤压成形→装釜充氮气→加热至550℃(6～8 h)→停火冷却，将制备的生物质炭研磨通过2 mm筛. 考虑到生物质炭的pH较高(pH=10.3)，在石灰性土壤上可能带来一些不利因素，试验所用的生物质炭为两种类型，一种为苹果枝条直接制备的生物质炭，一种为用稀硫酸(酸 ∶水=1 ∶6)对生物质炭pH进行调整，由原来的pH 10.3调整为pH 7.2，分别表示为碱性生物炭(ABC)和中性生物质炭(NBC). 它们的元素构成等见表 2.

表 2 (Table 2)

表 2 供试生物质炭的元素构成 Table 2 Element content and surface functional groups of the test biochars 生物质炭 元素/% 官能团含量/mmol ·g-1 C H N O 羧基 內酯基 酚羟基 ABC 79.5 2.71 1.27 15.94 0.28 0.16 0.14 NBC 78.8 2.82 1.28 16.26 0.31 0.15 0.12

表 2 供试生物质炭的元素构成 Table 2 Element content and surface functional groups of the test biochars

试验于2013年4月中旬布置于一个面积为0.66 hm²的苹果园中，果园土壤质地、 肥力均一，果树树龄为20a，常年以施用化肥为主，树体长势较一致. 试验共设7个处理，两种性质的生物质炭添加比例分别为10、 20、 30 t ·hm^-2(分别标记为ABC₁₀、 ABC₂₀、 ABC₃₀以及NBC₁₀、 NBC₂₀、 NBC₃₀)，以及不添加生物质炭的对照处理(CK). 每个处理选择30颗树(每10颗树为一个重复). 以树干为中心将生物质炭均匀施于树冠投影下(半径为1.5 m)，并用锄头将生物质炭与耕层10 cm土壤混匀.

采样时间为2014年4月中旬，按照东南西北4个方向于距试验果树树干100 cm处用铲刀采集0~10 cm和10~20 cm两个土层原状土，装于硬质塑料盒带回，在室内自然风干，沿土块自然裂隙掰开，全部通过8 mm筛，保存备用.

土壤团聚体分离方法依据彭新华等^[20]、 Mendes等^[21]的方法略作修改：取通过8 mm筛的各处理土样500 g，利用8411型电动振筛机将500 g土样分成5~8、 2~5、 1~2、 0.5~1、 0.25~0.5以及＜0.25 mm这6个级别，分别对各级别土壤称重. 采用H₂SO₄+K₂Cr₂O₇外加热法测定各级别土壤有机碳含量. 土壤田间持水量采用环刀法测定^[22].

生物质炭样品的元素含量(C、 H、 N、 O)采用元素分析仪(德国，Vario EL Ⅲ)测定，表面官能团采用Boehm滴定法测定^[23].

土壤团聚体的最大吸湿系数采用10%硫酸法，将已分级的团聚体放入盛有10%硫酸的密闭干燥器中(此浓度下的空气相对湿度为98%)平衡吸附水汽24 h，然后称重，利用前后质量差得到最大吸湿系数.

采用Microsoft Excel 2007软件对数据进行初步处理和绘图统计分析，采用SAS 9.1统计分析软件对数据进行方差分析及差异显著性检验(LSD法).

团聚体稳定性采用平均质量直径(MWD)表示：

各级团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率采用式(2)进行计算：

土壤总孔隙度采用式(3)计算：

在同一土层中，施用生物质炭的处理土壤团聚体的分布趋势表现出相同的规律(见表 3)，即各级别团聚体含量从高到低的顺序为2~5、 5~8、 1~2、 0.5~1、 0~0.25、 0.25~0.5 mm，差异均达到显著水平(P＜0.05). 对照处理(CK)团聚体的分布趋势与生物质炭的处理有所不同，5~8 mm的团聚体含量最多，其次为2~5 mm团聚体，其余级别团聚体的顺序与生物质炭处理的相同. 说明添加生物质炭减少了5~8 mm的团聚体数量. 将不同处理团聚体的分布比较后发现，添加生物质炭使0~10 cm土层1~2 mm和2~5 mm土壤团聚体的含量显著增加，而对照(CK)处理在该土层中，土壤结构出现分异大的现象，即大团聚体(5~8 mm)和微团聚体(＜0.25 mm)较多. 在10~20 cm土层，施用生物质炭主要增加了0.25~0.5 mm团聚体含量，而对其他级别团聚体含量无显著影响(见表 3).

表 3 (Table 3)

表 3 不同生物质炭水平下土壤各级别团聚体的含量 Table 3 Distribution of soil aggregates in different soil horizons of the orchard soils under different levels of biochar application 土层/cm 处理 团聚体百分含量/% 5~8 mm 2~5 mm 1~2 mm 0.5~1 mm 0.25~0.5 mm ＜0.25 mm ABC10 24.38±1.23bB1) 33.41±1.84abA 17.78±1.19bcC 11.45±0.42dD 3.93±0.13dE 9.05±0.28bcD ABC20 20.78±1.00d2)B 32.63±1.80abA 18.34±1.15bC 12.23±0.52cD 6.30±1.98bF 9.63±0.54bE ABC30 18.42±0.92eC 30.14±1.71bA 19.63±1.10aB 15.18±0.55aD 6.84±0.25aE 9.79±0.27bE 0~10 NBC10 23.84±1.17bcB 34.94±1.23aA 15.79±0.74cdC 11.96±0.65cdD 4.88±0.18cF 8.09±0.45eE NBC20 21.38±1.07cdB 32.71±1.16abA 15.58±0.86cdC 13.28±0.89bcD 5.29±0.20bcF 8.76±0.44dE NBC30 20.78±1.05dB 31.88±1.16abA 16.85±0.93bcB 15.05±0.89aC 6.70±0.31aD 9.38±0.16bcE CK 30.01±1.51aA 23.13±0.82cB 14.72±0.40eD 14.06±0.64bcCD 5.21±0.28bcE 12.87±0.69aC ABC10 27.29±1.54aB 31.05±1.44aA 13.30±0.89cC 12.12±0.45cCD 6.47±0.19deE 9.77±0.30dD ABC20 27.02±1.56abB 30.04±1.41aA 13.63±0.91bcC 12.52±0.47cC 6.83±0.21cdD 9.86±0.49cdD ABC30 23.40±1.33bA 25.32±1.19bA 15.28±0.71abB 15.71±0.58aB 7.82±0.30abD 12.47±0.69aC 10~20 NBC10 27.08±1.53aA 26.91±1.29bA 13.62±0.64bcB 13.60±0.69cB 7.34±0.28bcC 11.45±0.64abB NBC20 26.69±1.51abA 26.82±1.29bA 13.97±0.65abcB 13.41±0.68cB 7.20±0.27bcdC 11.91±0.60abB NBC30 24.54±1.39abA 25.62±1.23bA 14.23±0.68abcB 15.44±0.86aB 8.12±0.45aD 12.05±0.47aC CK 26.78±1.51abA 25.51±1.23bA 15.48±0.48aB 15.21±0.69bB 5.54±0.33eD 11.98±0.5abC 1)同一行中不同大写字母表示同一处理不同级别团聚体间的差异水平达0.05； 2)同一列中不同小写字母表示同一级别团聚体不同处理间的差异水平达0.05

表 3 不同生物质炭水平下土壤各级别团聚体的含量 Table 3 Distribution of soil aggregates in different soil horizons of the orchard soils under different levels of biochar application

生物质炭的施用水平对土壤团聚体的分布有一定的影响(见表 3). 随着生物质炭施用量的增加，两个土层5~8 mm和2~5 mm团聚体含量均减少，而其它级别团聚体含量则增加，且差异都达到显著水平(P＜0.05). 说明生物质炭添加比例越大，越有利于耕层土壤中＜2 mm团聚体的积累. 中性生物质炭和碱性生物质炭对团聚体分布的影响差异不显著.

平均质量直径(MWD)是反映土壤团聚体稳定性的常用指标，MWD值越大，表示团聚度越高，稳定性越强^[24]. 由图 1可知，对照处理(CK)0~10 cm土层土壤的平均质量直径大于10~20 cm土层； 在0~10 cm土层，大量施用生物质炭(20 t ·hm^-2、 30 t ·hm^-2)后，MWD较对照(CK)有所下降； 而在10~20 cm土壤中，生物质炭施用水平为10 t ·hm^-2、 20 t ·hm^-2时，MWD大于对照，施用水平为30 t ·hm^-2时，MWD小于对照； 总体看来，随着生物质炭施用量的增加，土壤MWD呈减小趋势.

图 1

Fig. 1

图 1 不同生物质炭水平对土壤团聚体平均质量直径(MWD)的影响 Fig. 1 Effect of different levels of biochar on MWD of aggregates in orchard soil

不同级别土壤团聚体中有机碳含量是土壤有机质矿化与平衡的微观表征^[25]. 试验结果表明，随着团聚体级别的减小(除＜0.25 mm的团聚体外)，有机碳含量呈增加趋势，在0.25~0.5 mm的团聚体中有机碳含量最高且达到62.82g ·kg^-1. 与CK相比，添加生物质炭可以显著(P＜0.05)提高团聚体中有机碳含量，且随着施用量的增加而增加. 在施用量为30 t ·hm^-2情况下，两个土层均以1~2 mm团聚体有机碳含量提高幅度最大，其中0~10 cm土层提高了74.84%(碱性生物质炭)和71.65%(中性生物质炭)，10~20 cm土层增加幅度高达92.43%(碱性生物质炭)和95.25%(中性生物质炭). 两种生物质炭比较发现，在0~10 cm土层，碱性生物质炭更利于提高土壤各级别团聚体有机碳含量(与中性生物质炭相比)，相反在10~20 cm土层，中性生物质炭更利于提高土壤各级别团聚体有机碳的含量(P＜0.05),见图 2.

图 2

Fig. 2

图 2 不同处理土壤团聚体有机碳含量 Fig. 2 Effect of different levels of biochar on SOC content of aggregates in different horizons of orchard soil

表 4显示，在0~10 cm土层，添加生物质炭的处理2~5 mm团聚体有机碳对土壤有机碳含量的贡献率最高，达40%以上，其次是5~8 mm和1~2 mm团聚体的，分别达到22.91%~29.25%、 22.15%~33.36%. CK处理5~8 mm团聚体碳对土壤有机碳含量的贡献率最高，达39.40%，其次是2~5 mm和＜0.25 mm团聚体的，分别达到29.97%、 23.07%. 说明添加生物质炭主要提高了0~10 cm土层2~5 mm和1~2 mm团聚体碳对全土有机碳的贡献率. 在10~20 cm土层，添加生物质炭对团聚体碳有机碳的贡献率提高不明显. 上述结果表明，果园土壤表层施用生物质炭在1 a的时间内对土壤团聚体有机碳贡献率的影响主要表现在0~10 cm土层.

表 4 (Table 4)

表 4 不同级别团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率 Table 4 Contribution of carbon in different size aggregates to soil organic carbon 土层/cm 处理 有机碳贡献率/% 5~8 mm 2~5 mm 1~2 mm 0.5~1 mm 0.25~0.5 mm ＜0.25 mm ABC10 29.25 43.91 26.44 17.65 6.35 12.99 ABC20 24.05 41.95 24.48 20.84 10.04 14.08 ABC30 22.91 40.52 33.36 21.79 10.81 7.50 0~10 NBC10 28.38 46.08 22.15 19.54 7.79 13.21 NBC20 26.54 42.98 27.69 19.59 8.45 13.96 NBC30 26.74 43.90 29.70 25.55 9.13 5.40 CK 39.40 29.97 17.27 19.13 9.74 23.07 ABC10 19.11 28.26 10.67 10.09 5.36 8.15 ABC20 22.21 28.53 11.46 10.45 5.79 8.16 ABC30 18.02 23.68 14.34 12.60 6.44 10.74 10~20 NBC10 19.30 21.07 11.31 11.62 7.04 10.11 NBC20 24.31 21.29 13.32 12.26 7.06 11.34 NBC30 22.44 21.88 16.25 16.00 8.12 10.21 CK 20.49 21.52 12.10 12.49 5.55 9.27

表 4 不同级别团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率 Table 4 Contribution of carbon in different size aggregates to soil organic carbon

最大吸湿系数是指土壤在大气湿度饱和的情况下土壤所吸附气态水的最大量，反映土壤颗粒的基膜特性. 图 3显示，随着团聚体级别的减小，土壤最大吸湿水增加. 与CK相比较，添加生物质炭可以增加＜1 mm团聚体的最大吸湿水含量，而对＞1 mm的团聚体的无显著影响. 生物质炭调节pH与否对团聚体的最大吸湿系数无明显影响. 与CK相比较，添加生物质炭可以增加土壤田间持水量和总孔隙度. 随着生物质炭用量增大，土壤田间持水量和土壤总孔隙度均增大，且在两个土层表现一致，生物质炭改性与否对土壤田间持水量和总孔隙度无显著影响. 可见，生物质炭不仅可以改变团聚体的分布，而且还对团聚体的保水性能产生影响.

图 3

Fig. 3

图 3 不同生物质炭水平对土壤团聚体水分常数及孔隙度的影响 Fig. 3 Effect of different levels of biochar on soil moisture content of aggregates and soil porosity in orchard soil

黑垆土有机质含量较低，土壤矿物以2 ∶1型伊利石为主^[26]，土壤团聚体分布常出现较大的分异现象，尤其是在土壤表层，即一方面黏粒之间相互团聚形成大团聚体,另一方面团聚体的稳定性差，易崩解破坏形成微团聚体. 土壤结构体过大会影响到土壤耕性，而过小则影响到水分入渗等. 因此，黑垆土常对土壤耕性和水分入渗产生不良影响. 外源物质输入[如秸秆还田、 PAM(Polyacrylamide聚丙烯酰胺)等土壤改良剂]、 耕作方式的改变等都会对土壤结构状况和物理性质产生影响^[27]. 本研究表明，施用生物质炭后0~10 cm土层的大团聚体(5~8 mm)减少，且随着生物质炭施用量的增加，减少幅度越大； 同时增加了中级团聚体(2~5 mm、 1~2 mm)的含量，减少了微团聚体(＜0.25 mm)含量，这与其他学者研究结果相似^{[13, 28]}. 其原因在于生物质炭本身具有较大的比表面积，且含有有机大分子等结构^[29]，具有胶结和团聚作用^[30]，能促进微团聚体(＜0.25 mm)向0.25~0.5 mm、 0.5~1 mm团聚体转化，从而使0.25~1 mm团聚体随生物质炭施用量提高有一定程度的增加. 另一方面，土壤表层的大团聚体(5~8 mm)多为黏粒直接胶结团聚而形成，在施用生物质炭的情况下，生物炭可以通过氢键、 表面库仑力、 分子间的范德华力等吸附在黏粒表面，阻碍了黏粒之间的直接胶结，从而使大团聚体(5~8 mm)减少，中级团聚体增加. 另外，有研究表明，生物质炭施入土壤中提高了土壤微生物量和微生物活性，从而产生了更多的有机分泌物，促进土壤颗粒的相互团聚^[31].

目前关于生物质炭对土壤团聚体稳定性影响方面研究较少且结论不一. 叶丽丽等^[32]通过室内培养试验，认为生物质炭添加到红壤中不能提高、 甚至降低了土壤团聚体的稳定性^[33]； 但也有一些研究认为生物质炭能显著提高团聚体的稳定性^{[13, 34]}. 本研究采用干筛法进行土壤团聚体分级，发现0~10 cm土层施用生物质炭后团聚体的平均直径减小，稳定性下降. 这与生物质炭的进入阻碍了黏粒之间的直接相互胶结，从而不利于大团聚体(5~8 mm)的形成有关. 意味着施用生物质炭使耕层土壤结构体的力稳定性降低，这对于质地偏黏的黑垆土而言有利于提高其耕性. 而10~20 cm土层的团聚体平均直径在施用10~20 t ·hm^-2量时有所增大(与CK相比)，在施用30 t ·hm^-2量时又有所减小. 因此，施用生物质炭对亚表层土壤团聚体稳定性的影响较复杂，有待进一步研究. 当然，本试验仅以1 a的结果为基础，施用生物质炭对土壤表层和亚表层团聚体大小和稳定性的长期影响还需要进一步深入研究.

施用生物质炭可以显著提高耕层土壤中各级别团聚体中的有机碳含量^[35]，有机碳含量随着施用量的增加而增加. 本研究结果显示，两个土层的团聚体有机碳含量均在1~2 mm提高幅度最大，可能原因是生物质炭是该级别团聚体形成的主要胶结物质，通过生物质炭将土壤颗粒、 较小级别团聚体胶结而形成1~2 mm团聚体. 与CK相比，施用生物质炭增加了2~5 mm、 1~2 mm团聚体有机碳贡献率，且1~2 mm团聚体有机碳贡献率随着生物质炭施用量的增加而增加； 这是生物质炭作用下1~2 mm团聚体的形成(数量增加)和有机碳含量提高双重作用的结果. 当然，生物质炭的有机碳和土壤本身存在的有机碳在性质、 功能上的差异以及施用生物质炭对土壤固有有机碳矿化和固定的影响，还需要进一步深入研究.

不同大小结构体由于胶结方式不同，导致其内部孔隙状况不同，从而影响其保水性质^[36]. 本研究发现，施用生物质炭增大了1~2 mm团聚体的最大吸湿系数，且增加了土壤的孔隙度和土壤田间持水量. 其原因在于生物质炭自身具有多孔隙的空间结构，有较强的保水性能. 这与他人研究生物质炭施用后土壤保水性增强的结论一致^[37]. 相关分析表明，在0~10 cm土层，土壤总孔隙度、 田间持水量与5~8 mm、 ＜0.25 mm团聚体均达显著或极显著负相关，与1~2 mm团聚体达显著正相关(表 5). 添加生物质炭正是由于显著增加了1~2 mm团聚体含量，减少了5~8 mm、 ＜0.25 mm团聚体含量，从而使土壤总孔隙度、 田间持水量增加(表 3). 在10~20 cm土层，土壤总孔隙度、 田间持水量与0.25~0.5 mm团聚体含量有较高的相关性(表 5)，添加生物质炭通过增加0.25~0.5 mm团聚体数量(表 3)而提高了田间持水量. 在两个土层，田间持水量与多数级别团聚体的有机碳均达极显著或显著相关(表 5)，施用生物质炭后，生物质炭与土壤颗粒胶结进入土壤团聚体，提高了土壤团聚体的有机碳含量，进而提高了土壤田间持水量. 这与生物质炭本身有巨大的比表面积、 多孔结构及吸附能力有关^[38].

表 5 (Table 5)

表 5 耕层土壤团聚体分布及其有机碳含量与土壤总孔隙度和田间持水量的关系 Table 5 Relation between the content and SOC of soil aggregates and the soil properties and the field moisture capacity in the top layer of soil 因子 团聚体大小/mm 孔隙度 田间持水量 0~10 cm 10~20 cm 0~10 cm 10~20 cm 5~8 -0.803* -0.683 -0.882** -0.636 2~5 0.336 -0.054 0.399 -0.252 1~2 0.907** 0.043 0.859* 0.108 团聚体分布 0.5~1 0.718 0.305 0.737 0.438 0.25~0.5 0.633 0.811* 0.726 0.852* ＜0.25 -0.876** 0.009 -0.851* 0.067 5~8 0.809* 0.921** 0.854* 0.993* 2~5 0.711 0.893** 0.759* 0.635 团聚体有机碳 1~2 0.704 0.949** 0.739 0.948** 0.5~1 0.588 0.946** 0.643 0.928** 0.25~0.5 0.699 0.852* 0.756* 0.909** ＜0.25 0.800* 0.962** 0.839* 0.951** 1)*为P＜0.05，**为P＜0.01

表 5 耕层土壤团聚体分布及其有机碳含量与土壤总孔隙度和田间持水量的关系 Table 5 Relation between the content and SOC of soil aggregates and the soil properties and the field moisture capacity in the top layer of soil

有研究表明,添加生物质炭后土壤容重降低^[39]，这也是生物质炭改变土壤孔隙度的重要原因. 原因在于生物质炭密度较低，施入土壤后对土壤有一定的稀释作用，改变了原土壤的孔隙状况，使其容重减小，孔隙度增大，进而增大土壤持水性能. 关于生物质炭自身的酸碱性对土壤水分的影响方面的研究较少. 本研究发现，中性生物质炭更有利于黑垆土中土壤团聚体保水性能的提高，可能原因是pH影响了生物质炭的表面官能团的解离和质子化，进而影响到生物质炭表面的亲水性所致. 具体原因还有待进一步深入研究.

(1)一年的果园试验表明，施用由苹果枝条制备的生物质炭主要减少了黑垆土5~8 mm、 ＜0.25 mm团聚体含量，增加了1~2 mm、 2~5 mm团聚体含量，其中1~2 mm团聚体含量增加幅度最大，且随着生物质炭的用量显著增加. 生物质炭调节pH与否对土壤团聚体含量影响不显著.

(2)与不施生物质炭相比，添加生物质炭显著增加黑垆土土壤团聚体中有机碳含量，其中对1~2 mm团聚体有机碳提高幅度最大. 碱性生物质炭有利于0~10 cm土层团聚体有机碳积累，中性生物质炭有利于10~20 cm土层团聚体有机碳积累.

(3)在0~10 cm土层，添加生物质炭通过增加1~2 mm团聚体含量、 减少5~8 mm和＜0.25 mm团聚体含量来提高黑垆土土壤孔隙度和田间持水量； 在10~20 cm土层，通过增加0.25~0.5 mm团聚体数量来提高土壤孔隙度和田间持水量.