环境科学  2019, Vol. 40 Issue (7): 3388-3396   PDF    
引用本文
李倩倩, 许晨阳, 耿增超, 张久成, 陈树兰, 王慧玲, 张妍, 贠方悦, 杨林, 董胜虎. 生物炭对塿土土壤容重和团聚体的影响[J]. 环境科学, 2019, 40(7): 3388-3396.
LI Qian-qian, XU Chen-yang, GENG Zeng-chao, ZHANG Jiu-cheng, CHEN Shu-lan, WANG Hui-ling, ZHANG Yan, YUN Fang-yue, YANG Lin, DONG Sheng-hu. Impact of Biochar on Soil Bulk Density and Aggregates of Lou Soil[J]. Environmental Science, 2019, 40(7): 3388-3396.
生物炭对塿土土壤容重和团聚体的影响
李倩倩1, 许晨阳1, 耿增超1, 张久成2, 陈树兰1, 王慧玲1, 张妍1, 贠方悦1, 杨林1, 董胜虎1     
1. 西北农林科技大学资源环境学院, 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室, 杨凌 712100;
2. 汉中市农产品质量安全监测检验中心, 汉中 723000
收稿日期: 2018-08-12; 修订日期: 2019-01-25
基金项目: 农业部农业环境重点实验室开放基金项目（K4030217149）；陕西省重点研发项目（2018NY-094）；西北农林科技大学大学生创新训练计划项目（201710712037）
作者简介: 李倩倩(1995~), 女, 硕士研究生, 主要研究方向为废弃生物质资源化利用, E-mail:18404968315@163.com
通信作者: 耿增超, E-mail:gengzengchao@126.com
摘要: 通过比较生物炭施入土壤2 a和5 a的试验结果，研究随年限的增长生物炭的添加对塿土容重和土壤团聚体含量及稳定性的影响.采用田间定位试验和室内分析，试验设生物炭用量为0 t·hm-2（B0)、20 t·hm-2（B20)、40 t·hm-2（B40)、60 t·hm-2（B60)和80 t·hm-2（B80)这5个处理，将果树树干、枝条生物炭（450℃、限氧条件下)施入土壤，与耕层土壤混匀.经过5 a，分3层测定0~30 cm土层（即0~10、10~20和20~30 cm)的土壤容重、团聚体及有机碳含量.结果表明:①生物炭施入土壤5 a与施入2 a的结果相比，其对0~10 cm和10~20 cm土层团聚体影响相对减弱，对20~30 cm土层土壤容重和团聚体的影响显著增强.②随着年限的增长，在0~10 cm土层，生物炭施用量为40 t·hm-2时，>0.25 mm团聚体的含量及团聚体稳定性显著增强，容重显著减小；在10~20 cm和20~30 cm土层，生物炭施用量为60~80 t·hm-2时，>0.25 mm团聚体的含量及团聚体稳定性显著增强，容重显著减小.③当生物炭施用量为60 t·hm-2时，对土壤有机碳的增加效果表现最优.说明生物炭对土壤团聚体的影响是一个渐进的过程.生物炭施入土壤5 a，其对深层土壤的影响更为显著，20~30 cm土层的土壤容重显著降低，>0.25 mm团聚体的含量及团聚体稳定性显著增强.从经济效益和改善效果综合考虑，在耕层土壤施入40~60 t·hm-2的生物炭最适.
关键词: 塿土      生物炭      土壤容重      土壤团聚体      土壤有机碳     
Impact of Biochar on Soil Bulk Density and Aggregates of Lou Soil
LI Qian-qian1 , XU Chen-yang1 , GENG Zeng-chao1 , ZHANG Jiu-cheng2 , CHEN Shu-lan1 , WANG Hui-ling1 , ZHANG Yan1 , YUN Fang-yue1 , YANG Lin1 , DONG Sheng-hu1     
1. Key Laboratory of Plant Nutrition and Agri-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100, China;
2. Hanzhong Agricultural Product Quality and Safety Monitoring and Inspection Center, Hanzhong 723000, China
Abstract: The effect of biochar on the bulk density and aggregate stability of Lou soil was evaluated and compared after biochar was applied for 2 years and 5 years through a field-positioning experiment. Five biochar amounts were applied in this study, as follows:0 t·hm-2 (B0), 20 t·hm-2 (B20), 40 t·hm-2 (B40), 60 t·hm-2 (B60), and 80 t·hm-2 (B80). The biochar was produced by pyrolysis of stems and branches from fruit trees at the temperature of 450℃ with limited oxygen apply. At the beginning of the study, biochar was mixed thoroughly with the surface soil (0-20 cm). After 5 years, the soil bulk density and aggregate stability of 0-30 cm soil layers (0-10, 10-20, and 20-30 cm) were measured and compared with the results obtained after 2 years with the purpose of observing the long-term and persist effects of biochar application. The results showed that:① compared with the results after 2 years of application, the effect of biochar on the aggregates at depths of 0-10 cm and 10-20 cm after 5 years were less distinct, and the effect on soil aggregates at depths of 20-30 cm was significantly enhanced; ② compared with the 2 year application, the aggregate stability and the content of the>0.25 mm aggregate size fraction were significantly increased at 0-10 cm depths after 5 years of biochar application at a rate of 40 t·hm-2, while bulk density was significantly decreased; at 10-20 cm and 20-30 cm soil depths, the stability of aggregates and the content of the>0.25 mm aggregate size fraction was significantly increased, while the bulk density was significantly decreased after 5 years of biochar application at a rate of 60-80 t·hm-2; ③ when the biochar application rate was 60 t·hm-2, the increase in soil organic carbon was the highest after 5 years. After biochar was applied for 5 years, its effect was more significant lower in the soil profile; the soil bulk density was significantly reduced, and aggregate stability and the content of>0.25 mm aggregates were significantly increased at depths of 20-30 cm. Based on a comprehensive evaluation of the improvement effects and economic benefits, the most suitable biochar application rate was found to be 40-60 t·hm-2. It was further concluded that the effect of biochar on soil aggregates was gradual and sustainable.
Key words: Lou soil      biochar      soil bulk density      soil aggregates      soil organic carbon     

良好的土壤结构是土壤肥力保持的保证[1], 土壤团聚体作为土壤结构的基本单元, 它的含量与分布影响着土壤质量[2], 其数量多少可以反映土壤的持水性、通气性以及储存和供给养分等能力的高低[3], 是反映土壤肥力与健康的指标之一.它的大小分布对土壤养分的保持、供应等起着决定性的作用[4].良好的土壤团聚体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[5].

生物炭是秸秆、粪便等有机物料在低氧环境下, 经过高温热解炭化产生的一种具有多孔隙、比表面积大, 富含碳元素以及有很高的生物化学稳定性的高度芳香化物质[6~9].近年来, 生物炭在很多领域都得到了广泛地关注和应用, 将生物炭作为土壤改良剂应用于农业土壤是一项多赢策略[10].有研究表明, 生物炭施入土壤可以显著提高土壤有机碳含量[11], 促进土壤团聚体的形成[12], 降低容重[13, 14], 改良土壤结构[15].但是也有研究发现, 生物炭的施入对团聚体的影响并不显著, 甚至会导致团聚体的稳定性降低[16].造成这种差异的原因与生物炭和土壤种类的不同以及其他环境因素有关[17].

目前, 关于生物炭对土壤团聚体影响的报道多为短期试验和室内盆栽试验, 长期定点的大田试验较少[11, 18], 试验也多针对南方酸性红壤土.并且, 生物炭对于团聚体的影响效果也存在很大的争议[18, 19].陕西关中平原是我国主要的粮食产区, 其土壤类型以塿土为主, 年均降雨量偏少, 土壤有机质含量较低, 且长期大量使用化肥导致农田土壤质量降低, 生产效益下降, 而施用生物炭能否改良该地区土壤结构的相关研究较少.本试验为田间定位试验, 且延续时间较长, 可以更好地研究随着年限的增长生物炭对塿土土壤结构产生的影响.本试验将在尚杰等[11]研究的基础上, 将生物炭施入土壤5 a的试验结果与生物炭施入土壤2 a的试验结果进行比较, 探讨随着年限的延长生物炭的施入对塿土土壤容重和团聚体的含量及其稳定性的影响, 以期为生物炭培肥地力和改善农田土壤结构方面提供理论依据.

1 材料与方法 1.1 试验地概况

本试验地位于陕西省杨凌示范区西北农林科技大学试验田, 地理坐标为北纬34°16′, 东经108°04′, 海拔458.6 m.土壤类型为褐土类, 塿土亚类, 红油土属, 黄土母质, 系统分类为土垫旱耕人为土, 属石灰性土壤.该地区属温带大陆性易旱气候区, 年均日照时数2 196 h, 年均气温11~13℃, 年降水量500~700 mm, 无霜期为210 d.

1.2 试验材料 1.2.1 生物炭

本研究所用生物炭为陕西亿鑫生物能源科技开发有限公司在裂解炉、限氧环境下(450℃)由废弃果树树干、枝条热裂解所得, 磨细过1 mm筛备用, 生物炭的理化性质如表 1所示.

表 1 生物炭理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of biochar

1.2.2 供试土壤理化性质

本试验供试土壤的基础理化性质如表 2所示.

表 2 供试土壤理化性质 Table 2 Physical and chemical properties of soil

1.3 试验设计

本文是尚杰等[11]的延续试验, 通过对比生物炭施入土壤5 a的试验结果与生物炭施入土壤2 a[11]的试验结果, 研究随着年限的延长生物炭的施入对塿土土壤容重和团聚体的含量及其稳定性的影响.本试验采用随机区组设计, 根据生物炭施用量设置5个处理, 分别为：对照B0(0 t ·hm-2)、B20(20 t ·hm-2)、B40(40 t ·hm-2)、B60(60 t ·hm-2)和B80(80 t ·hm-2), 每个处理3次重复, 共15个小区, 小区面积为1.35 m×3.50 m, 每个小区之间设0.30 m隔离带.在前期试验中, 生物炭于2012年4月一次性均匀撒施于土壤表层并浅翻, 与耕层土壤混匀(此后每年不再施入生物炭).氮、磷、钾肥(分别为尿素、磷酸二铵、硫酸钾)均作基肥于每次种植作物前一次性施入, 用量分别为N 225 kg ·hm-2、P2O5180 kg ·hm-2、K2O 150 kg ·hm-2.之后于2012年4月至2014年10月进行夏玉米(“正大12”)和冬小麦(“小偃22号”)的轮作, 玉米播种量为52 500株·hm-2, 冬小麦播种量为150 kg ·hm-2, 2015年4月至2015年10月种植辣椒(黑风品种), 种植密度为52 000株·hm-2. 2015年10月至2016年6月种植冬小麦. 2016年6月至2017年5月休闲.本试验在前期试验土壤的基础上, 于2017年6月种植夏玉米(“正大12”), 播种量为52 500株·hm-2, 9月收获.

1.4 试验方法 1.4.1 土壤容重

采用烘干法测定, 先称取干净环刀的重量, 用不锈钢环刀分层采集0~30 cm土层土样, 每10 cm为一层, 重复3次.称量后置于烘箱中于105℃下烘干至恒量, 称量, 通过计算单位体积环刀中的烘干土质量得到土壤容重.

1.4.2 土壤有机碳

采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定.

1.4.3 土壤团聚体

玉米收获后(2017年9月下旬)采集土壤团聚体样品, 每个小区分3层采集0~30 cm土层的原状土, 每10 cm为一层, 重复3次, 分别装入盒中密封.将采集的团聚体原状土样挑去动植物残体、根系和石块后, 沿自然结构轻轻掰成约1 cm3大小的土块, 于室内干燥处自然风干, 备用.机械稳定性团聚体和水稳性团聚体分别采用干筛法和湿筛法测定.

大于0.25 mm的机械稳定性团聚体含量(>0.25 mm mechanically stable aggregates, DR0.25)、大于0.25 mm的水稳定性团聚体含量(>0.25 mm water stable aggregates, WR0.25)、平均质量直径(mean weight diameter, MWD)、团聚体破坏率(proportion of aggregate destruction, PAD)、土壤不稳定团粒指数(unstable soil aggregate index, ELT)分别通过下面公式计算[11]：

式中, wi为第i粒级团聚体质量所占的质量分数(%); R某级团聚体的平均直径; WT为供试土壤的总质量.

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2007软件进行数据整理和作图, SPSS 20.0软件对试验数据进行统计分析.采用单因素方差分析法(one-way ANOVA)分析不同生物炭用量对土壤物理指标的影响, 采用最小显著极差法(LSD法)进行多重比较(α=0.05).结果以平均值±标准误表示.

2 结果与分析 2.1 生物炭对土壤团聚体的影响 2.1.1 生物炭对>0.25 mm土壤团聚体含量的影响

以0.25 mm的界限将团聚体分为大团聚体和微团聚体[20], 粒径>0.25 mm的团聚体是较好的团聚体, 它们的保肥性、机械稳定性、水稳性、通气性均很好.一般来说, 其含量越高, 说明土壤结构、性质越好[21].本试验将采用DR0.25和WR0.25的质量分数(表 3)来说明团聚体在土壤中的数量和分布情况, 进而说明生物炭的不同处理对土壤团聚的影响状况.

表 3 生物炭处理下不同土层的DR0.25和WR0.25 1)/% Table 3 DR0.25 and WR0.25 of different soil layers under different biochar treatments/%

由表 3可知, 生物炭施入土壤5 a, 在表层0~10 cm, B20、B40、B60和B80的DR0.25与B0相比无显著性差异; 在10~20 cm土层, B80的DR0.25较B0显著增加了6.7%;在20~30 cm土层, B60和B80的DR0.25较B0都显著增加了5.8%.在表层0~10 cm, B40的WR0.25较B0显著增加了25.4%, B60和B80较B0分别显著减小了20%和30.8%;在10~20 cm土层, B20、B40、B60和B80的WR0.25与B0相比无显著性差异; 在20~30 cm土层, B80的WR0.25较B0显著增加了34.3%.说明土层的深度和生物炭的施用量都会影响生物炭对土壤团聚体产生的作用.在0~10 cm土层, B20、B40、B60和B80的DR0.25与B0相比无显著性差异, 而WR0.25在生物炭用量为40 t ·hm-2时达到最高; 在10~20 cm土层, DR0.25在80 t ·hm-2达到最高, 而B20、B40、B60和B80的WR0.25与B0相比无显著性差异; 在20~30 cm土层, DR0.25和WR0.25均在80 t ·hm-2达到最高.

2.1.2 生物炭对>0.25 mm团聚体MWD的影响

MWD能够反映土壤团聚体大小分布状况(表 4), 是反映团聚体稳定性的一个关键指标[22], 其值越大表示团聚体的平均粒径团聚度越高, 稳定性越强[23].

表 4 生物炭处理下不同土层的MWD Table 4 MWD of different soil layers under different biochar treatments

由表 4可知, 干筛下, 在0~10 cm的土层, B60和B80的MWD分别较B0显著减少了14.5%和20.2%;在10~20 cm土层, B20、B40、B60和B80的MWD与B0相比均未达到显著性差异; 在20~30 cm土层, B40和B60分别较B0显著增加了26.7%和25.0%.湿筛下, 生物炭处理的MWD随生物炭用量的增加先增大后减小, 在表层0~10 cm处表现为B20>B40>B60>B0>B80, B20和B40的MWD较B0分别显著增加了26.9%和16.6%;在10~20 cm土层, B80的MWD最高, 较B0显著增加了40.1%;在20~30 cm处, B20的MWD最高, 较B0显著增加了40.9%.说明施用生物炭5 a, 在0~10 cm土层, 生物炭施用量为20 t ·hm-2和40 t ·hm-2时, 大于0.25 mm水稳性团聚体的MWD显著增加; 在10~20 cm土层, 生物炭施用量为80 t ·hm-2时, 大于0.25 mm水稳性团聚体的MWD显著增加; 在20~30 cm土层, 生物炭施用量为20 t ·hm-2时, 大于0.25 mm水稳性团聚体的MWD显著增加.而生物炭对大于0.25 mm机械稳定性团聚体的MWD的作用仅在20~30 cm土层中达到显著, 与施用生物炭两年后只增加0~20 cm土层团聚体的MWD不同.因为日常的土壤管理和雨水淋洗的影响, 生物炭会向下层迁移, 逐渐对耕层以下的土壤产生影响, 对表层土壤的作用则会相对减弱.

2.1.3 生物炭对土壤团聚体稳定性的影响

PAD和ELT能够很好地反映土壤团聚体稳定性(表 5).其值越大, 表示团聚体稳定性越差, 土壤退化程度越高; 其值越小, 表示土壤结构越稳定[24].

表 5 生物炭处理下不同土层PAD和ELT /% Table 5 PAD and ELT of different soil layers under different biochar treatments/%

由表 5可知, 在0~30 cm土层, PAD和ELT表现出一致的规律.具体表现为：在表层0~10 cm, PAD和ELT都先明显增加后又降低然后再升高, B40的PAD和ELT较B0都显著降低, 分别降低了27.3%和5.3%, 而B20、B60和B80的PAD较B0分别显著增加了10.6%、18.7%和30.3%, B60和B80的ELT较B0分别显著增加了5.1%、4.8%;在10~20 cm土层, ELT并未达到显著性差异, B80的PAD较B0显著增加了22.6%;在20~30 cm土层, B80的PAD和ELT较B0均显著降低, 分别降低16.9%和7.4%.可以看出, 在0~10 cm土层, 生物炭用量在40 t ·hm-2时土壤团聚体的稳定性最强, 除此用量外, 其余处理的团聚体稳定性明显下降; 在10~20 cm土层, 当生物炭用量为80 t ·hm-2时, 显著降低了土壤团聚体的稳定性; 在20~30 cm土层, 生物炭的施用明显增强了土壤团聚体的稳定性, 当达到80 t ·hm-2时, 团聚体稳定性最强.因此, 受不同土层深度的影响, 土壤团聚体稳定性对生物炭用量的响应也有所不同, 生物炭对土壤团聚体稳定性的影响还存在较大的争议[18, 19].

2.2 生物炭对土壤有机碳的影响

由图 1可知, 生物炭施入土壤5 a, 土壤有机碳显著增加.在0~10 cm土层, B20、B40、B60和B80的有机碳含量较B0均显著增加, 分别显著增加了20.6%、27.9%、75.4%和86.8%, 土壤有机碳含量与生物炭施用量的变化基本一致, 生物炭施用量越大, 有机碳含量越高; 在10~20 cm土层, B40、B60和B80的有机碳含量较B0均显著增加, 分别增加了48.9%、25.7%和64.9%;在20~30 cm土层, B60的有机碳含量较B0显著增加了27.8%.总体而言, 由于生物炭直接施用于土壤耕层, 因此0~10 cm和10~20 cm的土壤有机碳含量明显高于其下层土壤(20~30 cm).在0~10 cm土层, 虽然生物炭施用量为80 t ·hm-2时, 有机碳含量最高, 但与施用量为60 t ·hm-2时的有机碳含量相比, 并没有达到显著性差异; 在10~20 cm土层, 生物炭施用量为20 t ·hm-2时并未对土壤有机碳产生显著的影响, 可能与生物炭施用量有关, 低施用量生物炭对深层土壤的改良效应较弱; 在20~30 cm土层, 当生物炭施用量为60 t ·hm-2时, 显著增加了土壤有机碳含量.因此综合考虑增加土壤有机碳的改良效果及经济效益来看, 生物炭施用量为60 t ·hm-2时表现最优.

图 1 生物炭处理对不同土层土壤有机碳的影响 Fig. 1 Effect of biochar treatment on the organic carbon content of different soil layers

2.3 生物炭对土壤容重的影响

土壤容重是土壤理化性质的重要指标之一, 它与土壤紧实度密切相关, 能够反映土壤质量.

由图 2可知, 生物炭施用5 a, 在0~10 cm土层, B60的土壤容重较B0显著降低了13.2%, 其余各施用量生物炭并未对土壤容重产生显著影响; 在10~20 cm土层, 在B40、B60的土壤容重分别较B0显著降低了12.6%和11.9%;在20~30 cm土层, B80的土壤容重与B0相比, 显著降低了22.8%.说明生物炭能显著降低土壤容重[25], 且随着时间的增长, 高施用量生物炭对土壤容重所产生的作用逐渐增强, 是显著降低土壤容重的主要原因.在0~10和10~20 cm的耕层土壤, 生物炭施用量为40~60 t ·hm-2时, 土壤容重显著降低; 在20~30 cm土层, 生物炭施用量为80 t ·hm-2时, 土壤容重显著降低.

图 2 生物炭处理对不同土层土壤容重的影响 Fig. 2 Effect of biochar treatment on the soil bulk density of different soil layers

2.4 不同年限生物炭对土壤团聚体影响的比较 2.4.1 不同年限生物炭对>0.25 mm土壤团聚体影响的比较

由表 6可知, 干筛条件下, 与生物炭施入土壤2 a仅对表层土壤DR0.25产生显著影响相比, 施入生物炭5 a, 其对10~20 cm和20~30cm土层团聚体均产生显著影响, 而对于0~10 cm土层并未产生显著影响.

表 6 不同年限生物炭处理下不同土层的DR0.25和WR0.25 1)/% Table 6 DR0.25 and WR0.25 of different soil layers after 2 years' and 5 years' biochar application/%

湿筛条件下, 与生物炭施加2 a数据[11]相比, 生物炭施入土壤5 a, 在0~10 cm土层, B40较B0的WR0.25增加程度减弱了7.7%, B60和B80显著减少了WR0.25; 在10~30 cm土层, 各施用量生物炭并未对WR0.25产生显著的增加作用.

2.4.2 不同年限生物炭对>0.25 mm团聚体MWD影响的比较

由表 7可知, 干筛条件下, 生物炭施入土壤2 a, 在0~10 cm土层, B60和B80的MWD较B0显著增加27.9%和23.1%[11], 而随着年限的增加, 生物炭施入土壤5 a, B60和B80的MWD较B0显著减小了14.5%和20.2%.在10~30 cm土层, 随着年限的不同, 生物炭对团聚体MWD的影响在土层间存在差异：生物炭施入土壤2 a, 10~20 cm土层的B40和B60较B0都显著增加, 而在20~30 cm土层, B20、B40、B60和B80的MWD与B0相比均未达到显著性差异; 而生物炭施入土壤5 a, 在10~20 cm土层, B20、B40、B60和B80的MWD与B0相比未达到显著性差异, 在20~30 cm土层, B40和B60较B0都显著增加.产生这种现象的原因是田间土壤管理对土层造成了扰动以及随着年限的增加生物炭逐渐向下层土壤迁移[26, 27], 对深层土壤团聚体产生作用.

表 7 不同年限生物炭处理下不同土层的MWD Table 7 MWD of different soil layers after 2 years' and 5 years' biochar application

湿筛条件下, 与生物炭添加2 a[11]相比, 生物炭施入土壤5 a, 在0~10 cm土层, 各施用量生物炭对MWD的影响均有所减弱, B20、B40和B60分别减弱了20.9%、27.2%和52.6%;在10~20 cm土层, B20减弱了18.1%, B80增强了14.2%;在20~30 cm土层, 生物炭施入土壤2 a并未对MWD产生显著影响, 但施入5 a却显著增加了MWD.

2.4.3 不同年限生物炭对土壤团聚体稳定性影响的比较

不同年限生物炭对土壤团聚体稳定性的影响有所不同, 表 8为生物炭施入土壤2 a和5 a, 不同处理下不同土层PAD和ELT的比较.

表 8 不同年限生物炭处理下不同土层PAD和ELT /% Table 8 PAD and ELT of different soil layers after 2 years' and 5 years' biochar application/%

由表 8可知, 生物炭施入土壤2 a, 0~30 cm的土层各处理的PAD和ELT均明显减小, 说明在施入的2 a内生物炭显著增加了土壤团聚体的稳定性[11].而本研究表明生物炭施入土壤5 a, 其对土壤团聚体稳定性既有显著增强, 也有显著降低, 这与生物炭下移[26, 27]有关.在0~20 cm土层, 生物炭施用量为40~60 t ·hm-2时, 显著增强土壤团聚体稳定性; 当生物炭施用80 t ·hm-2时, 土壤团聚体稳定性显著降低.而在20~30 cm土层, 只有在生物炭施用量为80 t ·hm-2时, 土壤团聚体的稳定性才会显著增强, 其它处理均无显著影响.

3 讨论

本研究发现, 生物炭施入土壤2 a和5 a, 其对0~20 cm土层团聚体均产生显著影响, 但生物炭施加5 a与2 a[11]的研究结果相比有所减弱：生物炭施入5 a对20~30 cm土层土壤团聚体影响显著, 生物炭施入2 a对20~30 cm土层土壤团聚体的影响并不显著.这说明生物炭对土壤的改良作用是一个缓慢渐进的过程.造成这种差异的原因是生物炭开始是施于土壤耕层(即0~20 cm土层), 因此初期其仅对耕层土壤产生作用, 对20~30 cm土层影响较小[11]; 之后, 随着时间的延长, 受雨水淋洗及日常田间管理(如深翻)等自然和人为活动的影响, 土壤中的生物炭会向下层土壤进行迁移[26, 27], 进而对20~30 cm土层的团聚体产生了影响, 与此同时上层土壤所受的影响也有所减弱.

本试验发现, 生物炭施入土壤5 a, 在0~10 cm土层, 仍是生物炭用量为40 t ·hm-2时对团聚体含量及稳定性的影响表现最优, 这与尚杰等[11]对于生物炭施入土壤两年后的研究结果相符合.在这一土层, 当生物炭施用量为40 t ·hm-2时, WR0.25和MWD显著增加, PAD和ELT显著降低, 明显提高了团聚体的含量和稳定性, 且此时土壤团聚体的含量和稳定性达到最大. Glaser等[28]的研究发现, 生物炭可以增强土壤生物活性, 使它们产生更多的分泌物, 形成土壤团聚体的胶结物质, 从而增强了团聚体的稳定性.吴鹏豹等[27]的研究也表明, 施入生物炭能显著提高团聚体的稳定性.施入生物炭5 a与2 a的研究[11]结果有所差异的是：在0~10 cm土层, 当生物炭施用量为60~80 t ·hm-2时, WR0.25和MWD显著减小, PAD和ELT显著增加, 这与叶丽丽等[16]的研究结果一致, 他们通过室内培养试验发现添加生物炭并不能提高土壤大团聚体含量, 甚至降低了土壤团聚体的稳定性.这主要是因为添加生物炭会增加土壤的总孔隙度, 提高土壤水分涵养能力, 且生物炭施用量的增加, 总孔隙度呈现增长趋势[29], 采样时试验区经历了雨季, 表层(0~10 cm)土壤受降雨影响较大, 增加了土壤水分含量, 降低了土壤黏结力, 土壤易于分散, 同时生物炭比较稳定, 分解小, 分解过程中自身可能不会产生黏液团聚颗粒[16], 因此高施用量的生物炭造成了团聚体稳定性降低; 而在10~20 cm和20~30 cm土层, 当生物炭施用量为60~80 t ·hm-2时, WR0.25和MWD显著增加, PAD和ELT显著降低, 说明此时团聚体含量及稳定性都显著增加.出现这一现象的原因与团聚体和生物炭随着时间向下层土壤迁移有关：随着年限的增长, 生物炭在雨水淋洗、人为田间管理(如深耕)和土壤动物等的作用下逐渐向下层迁移[26, 27], 对下层土壤产生更深远的影响; 低施用量生物炭的改良作用随着年限的延长逐渐减弱, 高施用量的生物炭对深层土壤的作用逐渐加强, 对深层团聚体的影响也越大; 除此之外, 在人为翻耕的影响下, 表层的团聚体也向下层迁移, 造成了下层团聚体含量显著增加, 而上层团聚体含量减少的现象.

从农学方面来讲, 不同容重的土壤带来的农业效益也不同.一般来说, 有机质含量高的低容重土壤带来的农业效益更好[30].因此, 如果土壤容重降低, 则表示土壤的结构得到改善.本研究发现, 生物炭施入土壤2 a与5 a, 土壤容重均显著降低, 且生物炭施加5 a与2 a[11]的结果相比更加显著.生物炭施入土壤5 a后, 在0~10 cm和10~20 cm土层, 当其施用量为40~60 t ·hm-2时, 土壤容重显著降低, 当其施用量为80 t ·hm-2时, 并未产生显著影响; 在20~30 cm土层, 当(且仅当)生物炭施用量为80 t ·hm-2时, 土壤容重显著降低.而尚杰等[11]的研究发现, 在生物炭施入土壤2 a, 生物炭施用量为40~80 t ·hm-2时, 土壤容重均显著降低.生物炭能够降低土壤容重可能有两方面原因, 一方面生物炭具有多孔结构, 密度较低, 施入土壤后能够降低土壤密度, 具有一定的稀释作用, 另一方面, 有研究表明生物炭可以增加土壤微生物量和生物活性, 增强团聚性, 从而改善土壤结构[31].

前人研究表明, 在0~20 cm土层, 当生物炭施用量为60 t ·hm-2时, 在显著提高土壤活性有机碳和土壤碳库管理指数[32], 增加塿土土壤微生物量, 提高土壤酶活性[10]及增加土壤含水率[11]等方面表现最优; 在保温方面生物炭施用量为40~60 t ·hm-2时表现最好.也有研究表明[33], 40 t ·hm-2生物炭施用量是改良砂壤土, 提高作物产量较为合适的选择.而本研究发现, 生物炭施入土壤5 a, 当生物炭施用量为60 t ·hm-2时, 对土壤有机碳的增加效果表现最优; 在0~10 cm土层, 当其施用量为40 t ·hm-2时, 团聚体的含量及稳定性表现结果相对较好, 容重显著降低; 在10~20 cm和20~30 cm土层, 当其施用量为60~80 t ·hm-2时, 团聚体含量及稳定性表现结果相对较好, 容重显著降低.因此结合前人研究与本试验研究结果, 在耕层土壤中, 生物炭施用量为40~60 t ·hm-2时对土壤结构的改善效果最佳.

4 结论

(1) 生物炭对土壤团聚体的影响是一个渐进的过程, 随着年限的增加, 生物炭逐渐对深层土壤产生作用.与生物炭施入土壤2 a相比, 生物炭施入5a, 20~30 cm土层的土壤容重显著降低, 团聚体含量和稳定性均显著增加.

(2) 从经济效益和改善效果综合考虑, 在耕层土壤施入40~60 t ·hm-2的生物炭最适.

参考文献
[1] 郑学博, 樊剑波, 周静. 沼液还田对旱地红壤有机质及团聚体特征的影响[J]. 中国农业科学, 2015, 48(16): 3201-3210.
Zheng X B, Fan J B, Zhou J. Effects of biogas slurry on soil organic matter and characteristics of soil aggregates in upland red earth[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(16): 3201-3210. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2015.16.010
[2] 米会珍, 朱利霞, 沈玉芳, 等. 生物炭对旱作农田土壤有机碳及氮素在团聚体中分布的影响[J]. 农业环境科学学报, 2015, 34(8): 1550-1556.
Mi H Z, Zhu L X, Shen Y F, et al. Biochar effects on organic carbon and nitrogen in soil aggregates in semiarid farmland[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2015, 34(8): 1550-1556.
[3] 王丽, 李军, 李娟, 等. 轮耕与施肥对渭北旱作玉米田土壤团聚体和有机碳含量的影响[J]. 应用生态学报, 2014, 25(3): 759-768.
Wang L, Li J, Li J, et al. Effects of tillage rotation and fertilization on soil aggregates and organic carbon content in corn field in Weibei highland[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(3): 759-768.
[4] 贾重建, 刘红宜, 卢瑛, 等. 土地利用方式对土壤有机碳和团聚体组分特征的影响[J]. 热带地理, 2014, 34(5): 681-689.
Jia C J, Liu H Y, Lu Y, et al. Effects of land use patterns on soil organic carbon and aggregate fractions[J]. Tropical Geography, 2014, 34(5): 681-689.
[5] 邱晓蕾, 宗良纲, 刘一凡, 等. 不同种植模式对土壤团聚体及有机碳组分的影响[J]. 环境科学, 2015, 36(3): 1045-1052.
Qiu X L, Zong L G, Liu Y F, et al. Effects of different cultivation patterns on soil aggregates and organic carbon fractions[J]. Environmental Science, 2015, 36(3): 1045-1052.
[6] 安艳, 姬强, 赵世翔, 等. 生物质炭对果园土壤团聚体分布及保水性的影响[J]. 环境科学, 2016, 37(1): 293-300.
An Y, Ji Q, Zhao S X, et al. Effect of biochar application on soil aggregates distribution and moisture retention in orchard soil[J]. Environmental Science, 2016, 37(1): 293-300. DOI:10.3969/j.issn.1000-6923.2016.01.048
[7] 陈温福, 张伟明, 孟军. 农用生物炭研究进展与前景[J]. 中国农业科学, 2013, 46(16): 3324-3333.
Chen W F, Zhang W M, Meng J. Advances and prospects in research of biochar utilization in agriculture[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2013, 46(16): 3324-3333. DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2013.16.003
[8] Sun F F, Lu S G. Biochars improve aggregate stability, water retention, and pore-space properties of clayey soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2014, 177(1): 26-33. DOI:10.1002/jpln.v177.1
[9] Gul S, Whalen J K, Thomas B W, et al. Physico-chemical properties and microbial responses in biochar-amended soils:Mechanisms and future directions[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2015, 206: 46-59.
[10] 尚杰, 耿增超, 王月玲, 等. 施用生物炭对土微生物量碳、氮及酶活性的影响[J]. 中国农业科学, 2016, 49(6): 1142-1151.
Shang J, Geng Z C, Wang Y L, et al. Effect of biochar amendment on soil microbial biomass carbon and nitrogen and enzyme activity in Tier Soils[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(6): 1142-1151.
[11] 尚杰, 耿增超, 赵军, 等. 生物炭对塿土水热特性及团聚体稳定性的影响[J]. 应用生态学报, 2015, 26(7): 1969-1976.
Shang J, Geng Z C, Zhao J, et al. Effects of biochar on water thermal properties and aggregate stability of Lou soil[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(7): 1969-1976.
[12] 田冬, 高明, 黄容, 等. 油菜/玉米轮作农田土壤呼吸和异养呼吸对秸秆与生物炭还田的响应[J]. 环境科学, 2017, 38(7): 2988-2999.
Tian D, Gao M, Huang R, et al. Response of soil respiration and heterotrophic respiration to returning of straw and biochar in rape-maize rotation systems[J]. Environmental Science, 2017, 38(7): 2988-2999.
[13] 潘全良, 陈坤, 宋涛, 等. 生物炭及炭基肥对棕壤持水能力的影响[J]. 水土保持研究, 2017, 24(1): 115-121.
Pan Q L, Chen K, Song T, et al. Influences of biochar and biochar-based compound fertilizer on soil water retention in brown soil[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2017, 24(1): 115-121.
[14] 赵占辉, 张丛志, 蔡太义, 等. 不同稳定性有机物料对砂姜黑土理化性质及玉米产量的影响[J]. 中国生态农业学报, 2015, 23(10): 1228-1235.
Zhao Z H, Zhang C Z, Cai T Y, et al. Effects of different stable organic matters on physicochemical properties of lime concretion black soil and maize yield[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2015, 23(10): 1228-1235.
[15] 李江舟, 代快, 张立猛, 等. 施用生物炭对云南烟区红壤团聚体组成及有机碳分布的影响[J]. 环境科学学报, 2016, 36(6): 2114-2120.
Li J Z, Dai K, Zhang L M, et al. Effects of biochar application on soil organic carbon distribution and soil aggregate composition of red soils in Yunnan tobacco planting area[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2016, 36(6): 2114-2120.
[16] 叶丽丽, 王翠红, 周虎, 等. 添加生物质黑炭对红壤结构稳定性的影响[J]. 土壤, 2012, 44(1): 62-66.
Ye L L, Wang C H, Zhou H, et al. Effects of rice straw-derived biochar addition on soil structure stability of an ultisol[J]. Soils, 2012, 44(1): 62-66. DOI:10.3969/j.issn.0253-9829.2012.01.010
[17] 王月玲, 耿增超, 王强, 等. 生物炭对塿土土壤温室气体及土壤理化性质的影响[J]. 环境科学, 2016, 37(9): 3634-3641.
Wang Y L, Geng Z C, Wang Q, et al. Influence of biochar on greenhouse gases emissions and physico-chemical properties of loess soil[J]. Environmental Science, 2016, 37(9): 3634-3641.
[18] 徐国鑫, 王子芳, 高明, 等. 秸秆与生物炭还田对土壤团聚体及固碳特征的影响[J]. 环境科学, 2018, 39(1): 355-362.
Xu G X, Wang Z F, Gao M, et al. Effects of straw and biochar return in soil on soil aggregate and carbon sequestration[J]. Environmental Science, 2018, 39(1): 355-362.
[19] Kelly C N, Benjamin J G, Calderón F C, et al. Incorporation of biochar carbon into stable soil aggregates:The role of clay mineralogy and other soil characteristics[J]. Pedosphere, 2017, 27(4): 694-704. DOI:10.1016/S1002-0160(17)60399-0
[20] 万毅林, 高明. 不同种植年限对菜地土壤结构的影响[J]. 中国农学通报, 2015, 31(13): 236-243.
Wan Y L, Gao M. Effects of different planting years on soil structure in vegetable fields[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2015, 31(13): 236-243. DOI:10.11924/j.issn.1000-6850.2014-2232
[21] 蒋腊梅, 白桂芬, 吕光辉, 等. 不同管理模式对干旱区草原土壤团聚体稳定性及其理化性质的影响[J]. 干旱地区农业研究, 2018, 36(4): 15-21, 39.
Jiang L M, Bai G F, Lu G H, et al. Effects of different management modes on soil aggregate stability and physicochemical properties of grassland in arid area[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2018, 36(4): 15-21, 39.
[22] Liu Z X, Chen X M, Jing Y, et al. Effects of biochar amendment on rapeseed and sweet potato yields and water stable aggregate in upland red soil[J]. Catena, 2014, 12345-51.
[23] 陈超, 李娟, 李劲彬. 生物炭和秸秆施用对复配土壤物理性状及团粒结构的影响[J]. 土地开发工程研究, 2017, 2(2): 36-40.
Chen C, Li J, Li J B. Effects of biological carbon and straw on physical properties and aggregate structure of compound soil[J]. Land Development and Engineering Research, 2017, 2(2): 36-40.
[24] 裴中健, 梁成华, 尹岩. 不同栽培年限日光温室土壤团聚体的组成及稳定性[J]. 水土保持通报, 2015, 35(6): 70-74, 80.
Pei Z J, Liang C H, Yin Y. Size hierarchy and stability of soil aggregates in solar greenhouse soils with different planted years[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2015, 35(6): 70-74, 80.
[25] Laird D A, Fleming P, Davis D D, et al. Impact of biochar amendments on the quality of a typical Midwestern agricultural soil[J]. Geoderma, 2010, 158(3-4): 443-449. DOI:10.1016/j.geoderma.2010.05.013
[26] Major J, Lehmann J, Rondon M, et al. Fate of soil-applied black carbon:downward migration, leaching and soil respiration[J]. Global Change Biology, 2010, 16(4): 1366-1379. DOI:10.1111/gcb.2010.16.issue-4
[27] 吴鹏豹, 解钰, 漆智平, 等. 生物炭对花岗岩砖红壤团聚体稳定性及其总碳分布特征的影响[J]. 草地学报, 2012, 20(4): 643-649.
Wu P B, Xie Y, Qi Z P, et al. Effects of biochar on stability and total carbon distribution of aggregates in granitic laterite[J]. Acta Agrestia Sinica, 2012, 20(4): 643-649.
[28] Glaser B, Lehmann J, Zech W. Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal-a review[J]. Biology and Fertility of Soils, 2002, 35(4): 219-230. DOI:10.1007/s00374-002-0466-4
[29] 陈懿, 陈伟, 林叶春, 等. 生物炭对植烟土壤微生态和烤烟生理的影响[J]. 应用生态学报, 2015, 26(12): 3781-3787.
Chen Y, Chen W, Lin Y C, et al. Effects of biochar on the micro-ecology of tobacco-planting soil and physiology of flue-cured tobacco[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(12): 3781-3787.
[30] 武玉, 徐刚, 吕迎春, 等. 生物炭对土壤理化性质影响的研究进展[J]. 地球科学进展, 2014, 29(1): 68-79.
Wu Y, Xu G, Lv Y C, et al. Effects of biochar amendment on soil physical and chemical properties:current status and knowledge gaps[J]. Advances in Earth Science, 2014, 29(1): 68-79.
[31] 房彬, 李心清, 赵斌, 等. 生物炭对旱作农田土壤理化性质及作物产量的影响[J]. 生态环境学报, 2014, 23(8): 1292-1297.
Fang B, Li X Q, Zhao B, et al. Influence of biochar on soil physical and chemical properties and crop yields in rainfed field[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(8): 1292-1297. DOI:10.3969/j.issn.1674-5906.2014.08.007
[32] 王月玲, 耿增超, 尚杰, 等. 施用生物炭后塿土土壤有机碳、氮及碳库管理指数的变化[J]. 农业环境科学学报, 2016, 35(3): 532-539.
Wang Y L, Geng Z C, Shang J, et al. Soil organic carbon and nitrogen and carbon pool management index in Loess soil as influenced by biochar[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35(3): 532-539.
[33] 李昌见, 屈忠义, 勾芒芒, 等. 生物炭对土壤水肥利用效率与番茄生长影响研究[J]. 农业环境科学学报, 2014, 33(11): 2187-2193.
Li C J, Qu Z Y, Gou M M, et al. Effects of biochar amendment on soil water and nutrient utilization efficiencies and tomato growth[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2014, 33(11): 2187-2193. DOI:10.11654/jaes.2014.11.017