2023, Vol. 44
2. 北京大学生态研究中心, 城市与环境学院, 地表过程分析与模拟教育部重点实验室, 北京 100871
, SHEN Ya-wen2 , MENG Wei-wei1 , WANG Xu-qing1 , LI Zong-xin1 , LIU Kai-chang1
, DAI Hong-cui1
2. Key Laboratory for Earth Surface Processes of the Ministry of Education, Institute of Ecology, College of Urban and Environmental Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
土壤结构是影响土壤肥力和质量的重要性状, 土壤团聚体是土壤结构的基本单元, 是由矿物和有机物通过物理、化学和生物过程形成的实体, 在调节土壤肥力与抗蚀性方面具有重要作用[1, 2].表层土壤中近90%的土壤有机碳存在于土壤团聚体中, 土壤团聚体在调节土壤“碳源/汇”功能方面起重要作用[3, 4], 土壤有机碳的增加不仅取决于作物残体中的活性部分向稳定结构的转化, 也依赖于土壤团聚体对有机碳的保护作用[5].团聚体为有机碳和有机碳分解者之间提供了物理屏障, 进而促进了土壤碳的固定[6].因此, 研究土壤团聚体稳定性及其碳分布对改善土壤结构, 提升耕地地力, 增加作物产量以及维护农业可持续发展具有积极的意义.
生物炭是生物质材料在厌氧或无氧条件下, 经热裂解形成的孔隙丰富、性质稳定和富含碳素的高度芳香化的固态物质, 具有来源广泛、固碳潜力巨大的特点, 因此近年来作为土壤改良剂受到广泛关注[7, 8].已有研究表明, 生物炭能显著提高土壤大团聚体中的有机碳含量, 进而促进土壤大团聚体的形成[9, 10].Obia等[11]研究发现不同原料的生物炭还田使土壤团聚体稳定性提高7%~20%.林洪羽等[12]研究发现生物炭配施化肥能有效提高土壤有机碳含量, 并促进粉黏粒组分向大团聚体组分转化.但同时也有研究结果表明, 生物炭施用后团聚体含量发生变化, 但与对照比较并不显著[13], 甚至具有负面影响[14].其原因可能和试验年限、生物炭种类等有关.前人已经针对生物炭对土壤团聚体和有机碳开展了相关研究, 但研究主要基于某一个或几个特定条件, 例如生物炭施用年限、施用量和原材料等, 故有必要对生物炭施用对农田土壤团聚体及碳分布影响的多个独立研究进行科学梳理、深入分析和综合评估.
本文通过对已发表的文献进行数据搜集, 采用Meta分析方法, 定量分析生物炭在不同土壤性质、生物炭性质和试验区域等条件下对土壤团聚体、团聚体碳和土壤有机碳的影响, 并进一步探讨影响这些变化的原因, 以期为生物炭在我国农区的推广应用和改善土壤结构、提升耕地质量提供科学的理论依据.
1 材料与方法 1.1 数据来源在Web of Science和中国知网(CNKI)数据库中, 以关键词“生物炭、生物质炭(biochar)”、“黑炭(black carbon)”和“团聚体(aggregate)”对2021年3月17日前发表的相关文献进行检索, 并对文献进行筛选.文献筛选标准为: ①试验中必须有严格的处理和对照, 处理组为施用生物炭处理, 对照组为不施用生物炭处理, 其他因素一致; ②试验地点为中国范围内, 试验时间明确; ③试验数据来源包括大田试验和培养试验; ④文献中有明确的试验重复数; ⑤当一项研究涉及不同采样时间, 选取最后取样时间; ⑥不包括评价类、综述类学术论文.经筛选, 共获得137篇有效文献, 采集了2 136组数据.
1.2 数据提取从筛选的文献中提取试验区域、试验类型、试验地初始土壤性质、生物炭性质和作物种类等.已有研究中文字和表格形式展示的数据直接提取, 图形形式展示的数据使用WebPlotDigitizer软件提取.为了对不同分组间进行比较, 对已有研究中给出的土壤有机质(SOM), 根据公式将其转化为土壤有机碳(SOC):
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将文献中采集的响应变量分为两组: ①土壤团聚体含量: 大团聚体(macroaggregates, >250 μm)、微团聚体(microaggregates, 53~250 μm)、粉黏粒组分(silt and clay, < 53 μm)和平均重量直径(MWD); ②土壤有机碳和团聚体碳含量: 土壤有机碳(SOC)、土壤大团聚体碳(macroaggregates C)、微团聚体碳(microaggregates C)和粉黏粒组分碳(silt and clay C).
1.4 统计分析整合分析选择响应比(R)的自然对数(lnR)作为Meta分析的效应值[15], 来反映施用生物炭的处理组较于未施生物炭的对照组对土壤团聚体等指标的影响效果：
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(2) |
式中, lnR为效应值, Xt和Xc分别表示处理组和对照组变量的平均值.每一组的效应值均使用随机效应模型计算.
其次, Meta分析是对每项独立研究的效应值进行加权计算, 得到总体平均效应值lnR+.总体平均效应值lnR+计算如下:
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(3) |
进行总体平均效应值lnR+计算时, 需要确定每项独立研究的权重Wi, 文中权重Wi采用以下计算方法[16]:
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式中, Nt和Nc分别表示处理组和对照组的试验重复数.
总体平均效应值的标准差及其95%的置信区间通过以下公式计算:
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若总体平均效应值的95%置信区间全部大于0, 说明生物炭施用对土壤团聚体等指标具有正显著作用; 若全部小于0, 说明生物炭施用对团聚体等指标具有负显著作用; 若区间包含0, 说明生物炭施用对团聚体等指标无显著作用.为了更直观地比较生物炭对土壤团聚体等指标的影响效应, 最终将总体平均效应值lnR+转换为总体的平均变化率(RY), 公式如下:
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(7) |
为了探究生物炭对土壤团聚体及其碳组分影响的变异来源, 本研究进行了亚组分析和Meta回归分析.亚组分析分为6个方面: ①分为5个试验区域: 东北地区、华北地区、东南地区、西北地区和西南地区(本文只对大田试验进行了试验区域的划分); ②土壤质地, 按照国际制土壤质地分类标准[17], 根据文献中提供的砂粒(0.02~2 mm)、粉粒(0.002~0.02 mm)和黏粒(＜0.002 mm)的相对含量将质地类型分为砂土、壤土、黏壤土和黏土, 对文献数据进行分类后, 本文采用了壤土、黏壤土和黏土3种土壤质地; ③试验类型, 分为大田试验和培养试验2类; ④施肥, 分为施肥和未施肥2类; ⑤生物炭原材料来源, 分为农作物秸秆和其他(木材、木屑等)2类; ⑥生物炭施用年限, 本文根据文献数据量将生物炭施用年限分为3个水平: < 1 a、1~2 a和>2 a. Meta回归分析主要研究了初始土壤氮含量、生物炭的有机碳含量与团聚体及其碳组分效应值的关系.同时对施用生物炭后土壤大团聚体效应值和土壤MWD效应值, 土壤大团聚体碳效应值和土壤有机碳效应值进行了Meta回归分析.
本研究使用Microsoft Excel 2013记录文献数据, 建立完整的数据库, 并进行基本的统计计算, 整合分析是基于MetaWin 2.1软件和R语言metafor软件包完成, 并用Origin 2021软件做图.
2 结果与分析 2.1 生物炭施用对土壤团聚体、团聚体碳和土壤有机碳的影响Meta分析结果表明(图 1), 与不施生物炭相比, 施用生物炭显著增加土壤大团聚体比例和MWD, 增幅分别为10.8%和13.3%; 但对土壤微团聚体和粉黏粒组分无显著作用.
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误差线表示95%的置信区间, 误差线与零线相交表示处理与对照不存在显著差异; 红色线条表示生物炭施用对土壤团聚体等指标具有正显著作用, 黑色线条表示生物炭施用对土壤团聚体等指标无显著作用; n表示样本容量, 下同 图 1 生物炭添加对土壤团聚体、MWD、土壤团聚体碳和有机碳的影响 Fig. 1 Effects of biochar on the soil aggregation, MWD, soil aggregate C, and SOC |
施用生物炭能够显著增加土壤团聚体碳和土壤有机碳含量, 与不施生物炭相比, 土壤大团聚体碳增幅为25.8%, 土壤微团聚体碳增幅为26.9%, 土壤粉黏粒组分碳增幅为22.4%, 土壤有机碳增幅为56.9%.施用生物炭后, 土壤有机碳增幅最大; 对于土壤团聚体碳, 土壤微团聚体碳增幅最大, 土壤粉黏粒组分碳增幅最小.
2.2 生物炭对不同试验区域、土壤质地条件下土壤团聚体、团聚体碳和土壤有机碳的影响Meta分析结果表明(图 2), 在不同的试验区域中, 生物炭施用对土壤团聚体和MWD均无显著影响.生物炭施用能显著增加华北地区土壤大团聚体碳含量, 增幅为37.5%, 对其他地区无显著影响, 同时对不同试验区域的土壤微团聚体碳和粉黏粒组分碳均无显著影响; 对于土壤有机碳, 生物炭施用能显著增加东北地区、华北地区、东南地区和西北地区土壤有机碳含量, 其中华北地区土壤有机碳增幅最大, 达到39.4%, 东北地区为24.7%, 增幅最小, 但对西南地区无显著作用.
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图 2 生物炭对不同试验区域、土壤质地条件下土壤团聚体、团聚体碳和土壤有机碳的影响 Fig. 2 Effects of biochar on the soil aggregation, soil aggregate C, and SOC under different experiment regions and soil textures |
在不同土壤质地条件下, 生物炭施用对土壤团聚体、MWD和团聚体碳均无显著影响; 生物炭施用能显著提高黏土有机碳含量, 增幅达到79.4%.
2.3 生物炭对不同试验类型、施肥条件下土壤团聚体、团聚体碳和土壤有机碳的影响Meta分析结果表明(图 3), 不同试验类型条件下, 生物炭施用后对微团聚体和粉黏粒组分无显著影响, 大田试验条件下, 生物炭施用能显著提高大团聚体比例和MWD, 增幅分别为10.7%和12.8%.生物炭施用能显著提高大田试验条件下大团聚体碳和微团聚体碳含量, 增幅分别为24.9%和23.4%, 对粉黏粒组分碳无显著影响, 培养试验能显著提高粉黏粒组分碳; 不同试验类型下, 生物炭施用均能显著提高土壤有机碳含量.
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图 3 生物炭对不同试验类型、施肥条件下土壤团聚体、团聚体碳和土壤有机碳的影响 Fig. 3 Effects of biochar on the soil aggregation, soil aggregate C, and SOC under different experiment conditions and fertilization managements |
与不施用生物炭相比, 在不同施肥条件下施用生物炭均能显著提高土壤大团聚体比例, 但对微团聚体和粉黏粒组分无显著作用; 相比不施肥, 施肥条件下施用生物炭能显著提高土壤MWD.施肥条件下施用生物炭能显著提升土壤大团聚体碳、微团聚体碳和土壤有机碳含量, 对粉黏粒组分碳无显著作用.
2.4 生物炭原料、施用时间对土壤团聚体、团聚体碳和土壤有机碳的影响Meta分析结果表明(图 4), 不同原料制备的生物炭对微团聚体和粉黏粒组分无显著作用, 农作物秸秆制备的生物炭能显著增加大团聚体比例和MWD, 增幅分别为11.0%和13.8%.农作物秸秆制备的生物炭能显著提高土壤团聚体碳和土壤有机碳含量.
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图 4 生物炭原料、施用时间对土壤团聚体、团聚体碳和土壤有机碳的影响 Fig. 4 Effects of biochar on the soil aggregation, soil aggregate C, and SOC under different biochar resources and experimental durations |
生物炭在不同施用年限下, 对微团聚体和粉黏粒组分无显著影响; 在生物炭施用 < 1 a和>2 a条件下, 能显著提高大团聚体比例, 增幅分别为13.6%和15.7%, 且生物炭施用>2 a条件下, 能显著提高土壤MWD, 增幅为21.2%.生物炭在不同施用年限下, 对微团聚体碳和粉黏粒组分碳无显著影响; 在生物炭施用1~2 a和>2 a条件下, 能显著提高大团聚体碳含量, 增幅分别为22.1%和31.7%; 生物炭在不同施用年限下, 均能显著提高土壤有机碳含量, 生物炭施用 < 1 a时, 土壤有机碳含量增幅最大, 达到115.4%, 生物炭施用>2 a时, 土壤有机碳含量增幅最小, 达到40.0%.
2.5 初始土壤氮含量和生物炭的有机碳含量与土壤团聚体、团聚体碳和土壤有机碳的关联分析Meta回归分析显示(图 5), 初始土壤全氮含量与土壤大团聚体效应值呈显著正相关, 初始土壤全氮含量越高, 生物炭施用越有利于提高土壤大团聚体比例, 增加土壤团粒结构稳定性.生物炭的有机碳含量与施用生物炭后土壤有机碳含量效应值呈显著正相关, 与各粒径团聚体碳效应值呈正相关, 但不显著.
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(a)~(h)中圆圈表示土壤氮含量的样本点, (i)~(p)中圆圈表示生物炭的有机碳含量的样本点; 虚线间阴影表示95%的置信区间, 红色线条表示具有显著性 图 5 土壤团聚体、团聚体碳、土壤有机碳效应值与土壤氮含量、生物炭的有机碳含量的关系 Fig. 5 Relationships between effect size of the soil aggregation, soil aggregate C and SOC with soil nitrogen and biochar organic carbon content |
Meta回归分析显示(图 6), 生物炭施用后, 土壤大团聚体效应值与MWD效应值呈显著正相关, 表明生物炭施用后, 随着土壤大团聚体比例的增加, 提高了土壤团聚体稳定性, 改善了土壤结构; 土壤大团聚体碳效应值与土壤有机碳效应值呈显著正相关, 表明生物炭施用后, 随着土壤大团聚体碳含量的增加, 提高了土壤有机碳含量, 提升了土壤肥力.
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(a)中圆圈表示lnR(大团聚体的样本点), (b)中圆圈表示lnR(大团聚体碳的样本点), 虚线间阴影表示95%的置信区间, 红色线条表示具有显著性 图 6 MWD、SOC与大团聚体、大团聚体碳的关系 Fig. 6 Relationships between MWD, SOC and soil macroaggregate, soil macroaggregate C |
本研究整合分析结果显示, 与不施用生物炭相比, 生物炭的施用显著增加土壤大团聚体比例和平均重量直径(MWD), 增幅分别为10.8%和13.3%, 表明生物炭的施用对土壤结构的稳定性有积极作用, 这与孙强等[18]试验的结果一致.生物炭具有富碳和多微孔结构特性, 施入农田土壤后作为胶结剂将较小粒径的团聚体吸附团聚成大团聚体, 促进大团聚体的形成[19].土壤大团聚体的增加提高了土壤抗侵蚀能力, 使土壤稳定性增强[20].
生物炭含有大量稳定的有机碳, 是提高土壤有机碳、提升土壤肥力的理想改良剂[21].代红翠[22]研究发现生物炭中的有机碳会随机分配到土壤各粒径中, 提高土壤各粒径中有机碳的含量, 没有分配到特定的某一团聚体中.徐国鑫等[23]研究认为施入土壤中生物炭的新碳主要向0.053~0.25 mm微团聚体富集.本研究中, 生物炭施用显著提高了土壤各粒径团聚体碳含量, 其中土壤微团聚体碳增幅最大, 达到26.9%.这与前人研究的结果一致[23].同时, 生物炭能显著提升土壤有机碳含量, 与不施生物炭相比, 施用生物炭能使土壤有机碳含量增幅达到56.9%.这主要是由于生物炭含有大量的稳定有机碳, 施入土壤中能提高土壤有机碳含量[21, 24], 生物炭施入土壤后还能够通过负激发效应提高土壤有机碳含量[25].另外, 通过Meta回归分析发现, 生物炭施用后土壤大团聚体效应值与MWD效应值呈显著正相关, 土壤大团聚体碳效应值与土壤有机碳效应值呈显著正相关, 说明土壤大团聚体含量越高, 土壤平均重量直径越大, 土壤结构性越好, 土壤稳定性越强.大团聚体碳含量的增加, 能有效提高土壤有机碳含量, 提升土壤肥力.
3.2 生物炭对不同试验区域、土壤质地条件下土壤团聚体、团聚体碳和土壤有机碳的影响通过整合分析发现, 生物炭施用后, 除西南地区外均能提高土壤有机碳含量, 华北地区土壤有机碳增幅最大, 达到39.4%.许泉等[26]研究发现华北地区土壤耕层有机碳密度最低, 仅为2.15 kg·m-2, 初始土壤有机碳含量越高, 产生的激发效应越强烈, 土壤有机碳固持效率越低[27].所以生物炭施用后相比其他地区, 更能有效提高华北地区土壤有机碳的增加和固存, 提升土壤肥力.
本研究中, 生物炭施用能显著提高黏土有机碳含量.相比其他土壤类型, 黏土中含有更多的黏粒, 有研究发现, 土壤有机质与黏粒含量呈显著正相关, 黏粒较粉砂粒有更大的比表面积, 是土壤有机质的主要吸附剂以及参与土壤颗粒聚集的主要活性组分, 黏土更有利于土壤有机碳的固存[28].
3.3 生物炭对不同试验类型、施肥条件下土壤团聚体、团聚体碳和土壤有机碳的影响通过整合分析发现, 大田试验条件下施用生物炭显著提高大团聚体比例和MWD, 增幅分别为10.7%和12.8%, 表明在大田试验中施用生物炭能有效提高土壤团聚体的稳定性, 改善土壤结构; 培养试验对团聚体无显著作用, 能显著提高粉黏粒组分碳和有机碳含量, 这可能是由于部分培养试验的土壤进行了过筛处理, 而且培养试验时间较短, 导致生物炭施用后对团聚体效果不显著, 过筛土壤粒径较小, 生物炭施用后仅对粉黏粒组分碳和有机碳含量有显著作用.生物炭施用能显著提高大田试验条件下大团聚体碳、微团聚体碳和有机碳含量, 这是由于生物炭的施用促进了大团聚体的形成, 使更多的有机碳在大团聚体内得到保护, 同时促进了对土壤本底有机碳的保护, 进而提高了土壤有机碳含量, 提升了土壤肥力[29, 30].
本研究中, 施肥条件下施用生物炭能显著增加土壤大团聚体含量和MWD, 但对微团聚体和粉黏粒组分无显著作用, 表明施肥对土壤结构稳定性有积极影响.这可能是由于施肥后增加了土壤中作物根系残体、多糖和微生物菌丝体, 根系残体及分泌物、真菌菌丝和土壤颗粒形成大团聚体[31], 改善土壤结构, 增强土壤稳定性; 施肥会诱导土壤酸化, pH值的下降增加了金属阳离子和硝酸盐的淋溶, 阻碍微团聚体和粉黏粒组分的形成[32].前人研究发现, 生物炭施入土壤可促进土壤腐殖质以及土壤碳水化合物和芳烃等有机大分子的形成, 进而提高土壤有机碳含量, 施肥可以保护土壤团聚体中的有机化合物不受微生物分解, 增加土壤团聚体和土壤有机碳含量[33, 34], 这与本研究的结果一致, 施肥条件下施用生物炭能显著提升土壤大团聚体碳、微团聚体碳和土壤有机碳含量.
3.4 生物炭原料、施用时间对土壤团聚体、团聚体碳和土壤有机碳的影响生物炭原材料是生物炭特性形成的“先天因素”之一, 对土壤生态系统结构改善和肥力提升发挥着极大作用[35, 36].Islam等[37]对谷类作物秸秆、粪肥、木材、粮食残渣和其他5类原料制备的生物炭研究发现, 木材、谷类作物秸秆、粮食残渣原料制备的生物炭施用能显著提高土壤团聚体含量, 增幅分别为20.2%、12.5%和18.9%, 木材原材的效果最佳.但本研究整合分析发现, 不同原料制备的生物炭对微团聚体和粉黏粒组分均无显著作用, 而农作物秸秆制备的生物炭能显著增加大团聚体含量和MWD.这可能是由于相比木材等其他原料制备的生物炭, 农作物秸秆生物炭氮磷钾含量较高, 增强土壤速效养分供应, 激发了微生物活性[38, 39], 土壤团聚体MWD与微生物活性呈极显著正相关关系, 所以施用农作物秸秆生物炭促进了土壤大团聚体的形成, 改善了土壤结构[40].
通过整合分析发现, 生物炭施用>2 a条件下, 能显著提高大团聚体比例和MWD, 说明长期施用生物炭更有利于提高土壤稳定性, 改善土壤结构, 这与前人研究的结果一致[41, 42].生物炭在不同施用年限下, 均能显著提高土壤有机碳含量, 生物炭施用 < 1 a时, 土壤有机碳含量增幅最大, 达到115.4%, 但对土壤团聚体各粒径有机碳含量无显著影响, 这可能是土壤团聚体各粒径有机碳样本量较少导致的(大团聚体碳样本量为14, 微团聚体碳和粉黏粒组分碳样本量为3); 生物炭施用>2 a时, 土壤有机碳含量增幅最小, 达到40.0%.这可能是由于生物炭作为外源碳施用后, 短期内能大幅度提高土壤有机碳含量, 在外源碳投入初期, 土壤有机碳呈快速增加趋势, 随着时间的延长, 增加趋势减缓[43, 44].本文根据已有数据量将生物炭施用年限分为 < 1 a、1~2 a和>2 a, 生物炭长期效应仍需深入研究.
3.5 初始土壤氮含量和生物炭的有机碳含量对土壤团聚体、团聚体碳和土壤有机碳的影响通过Meta回归分析发现, 初始土壤全氮含量与土壤大团聚体效应值呈显著正相关, 初始土壤全氮含量越高, 生物炭施用越有利于提高土壤大团聚比例, 增加土壤团粒结构稳定性.这是由于生物炭C/N较高, 施入高氮素含量的土壤中, 可以降低生物炭的C/N, 更能有效提高土壤微生物数量和活性, 生成更多的胶结物质, 同时促进作物根系的生长和真菌菌丝的发育, 使小的土壤颗粒和团聚体向大团聚体形成, 提高土壤结构稳定性[28, 45].本研究中, 生物炭有机碳含量与施用生物炭后土壤有机碳含量效应值呈显著正相关, 与各粒径团聚体碳效应值呈正相关, 但相关性不显著, 说明生物炭的有机碳含量越高, 越能有效提高各粒径团聚体有机碳和土壤有机碳含量.
4 结论(1) 本研究主要分析了生物炭施用对农田土壤团聚体及碳分布的综合效应.生物炭施用, 能够有效提高农田土壤团聚体稳定性；其作为外源碳施入土壤, 能够显著提高各粒径团聚体碳含量和土壤有机碳含量, 有效提升土壤肥力.在华北地区施用生物炭, 土壤有机碳含量效果最佳, 提升土壤肥力效果显著；且大田试验和施肥条件下施用生物炭更能有效提高团聚体稳定性和土壤肥力, 同时农作物秸秆制备的生物炭能够显著提升土壤团聚体稳定性, 提高各粒径团聚体碳含量和土壤有机碳含量；长期施用生物炭有利于改善土壤结构, 发挥土壤固碳潜力, 提高土壤肥力；初始土壤氮含量越高, 生物炭施用越有利于提高土壤大团聚比例, 增加土壤团粒结构稳定性.
(2) 生物炭还田对于农田土壤有机碳积累及肥力维持与提升具有重要意义, 在实际生产中, 施用生物炭实现土壤结构改善和肥力提升的最佳效果需综合考虑生产区域、土壤性质、生物炭性质和田间管理方式等多种因素.
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