生物炭對土壤團聚體和鉀素的影響

王亞瓊，牛文全，王 婕 ，李學凱，鄔夢龍，董繼紅

(1.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2. 中國科學院大學，北京 100049；3. 中國旱區(qū)節(jié)水農業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100；4. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；5. 長安大學地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054)

多年來，隨著生態(tài)環(huán)境的惡化和人民環(huán)境保護意識的提高，土地資源的緊缺引起了人們的密切關注，研究學者也越來越關注土壤退化問題。日光溫室大棚種植和管護技術的推廣與發(fā)展，是緩解土地問題的一種途徑。相比于露天土地，大棚土壤結構更容易受到破壞，出現(xiàn)養(yǎng)分流失和土壤鹽分累積，土壤結構愈加脆弱。為了削減土壤退化造成的經(jīng)濟損失，農民通常將大棚外的優(yōu)質、肥沃土壤替換大棚內的退化土壤。通常購買、替換這些退化土壤需要投入較大的經(jīng)濟和人工成本，不能從根本上治療大棚土壤“疾病”。因此大棚土壤的改良方法引起了相關學者的廣泛關注。

土壤的水、肥、氣、熱狀況與土壤結構密切相關，土壤團聚體又是土壤結構的基本組成部分。生物炭表面大小不一的孔隙賦予了生物炭較大的比表面積和吸附微小物質的能力，為改良土壤性質和結構提供了可能。生物炭改變土壤物理和化學性質，調節(jié)土壤孔隙數(shù)量和比例，改變土壤粒徑組成，影響土壤碳庫循環(huán)和微生物活動，改變土壤團聚體粒徑大小和組成[1, 2]。生物炭在土壤中經(jīng)歷復雜的過程后才影響大棚土壤團聚體結構。生物炭改變土壤微生物群落結構，影響微生物的繁殖過程，增加土壤膠結物質。膠結物質可以促進團聚體的形成，土壤膠結物質又和微生物活動密切相關。目前，生物炭對改良土壤團聚體結構的作用還存在一定爭議[3]。因生物炭的原材料、制作方式相差巨大，不同類型生物炭的性質也具有較大差異[4]。并且，各地土壤的種類、性質相差各異。這也是生物炭對團聚體改良作用存在爭議的原因。

土壤團聚體結構影響土壤的保肥能力，鉀肥是三大土壤肥料之一。我國的鉀肥使用現(xiàn)狀堪憂，各地鉀肥施用量相差極大。在某些地區(qū)，人們不注重鉀肥的使用，鉀肥施用量偏少，導致土壤嚴重缺鉀[5]。隨著耕作年限的增加，土壤養(yǎng)分的流失，人們?yōu)榱颂岣咦魑锂a量，要在土地中施入大量鉀肥[6]。雖然鉀肥使用量不斷增加，但是我國鉀鹽的數(shù)量卻極少，還不到全球總儲量的3%，遠遠小于俄羅斯、加拿大等國家[7]。因此人們迫切需要發(fā)現(xiàn)一種可再生物質代替鉀肥。生物炭具有替代鉀肥的潛力。生物炭表面具有大量的鉀元素，有補充土壤鉀素的能力。日常生活時，人類會不斷地制造垃圾廢料，須采取措施來彌補廢棄物對環(huán)境造成的生態(tài)破壞。但是，生活廢棄物可以作為生物炭的原始材料來加以利用，變廢為寶。為研究生物炭施用量對土壤團聚體粒徑組成和土壤鉀素含量轉化，本試驗在日光大棚開展盆栽試驗，確定生物炭在陜西楊凌示范區(qū)的推薦使用量。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗設置于陜西省楊凌高新技術示范區(qū)寨西村(108.02 °E，34.17 °N)的日光大棚內。月降水量3.6～140 mm，相對濕度59%，月均氣溫2.7～30.5 ℃，氣壓96.91 kPa，日照時數(shù)34.3～290.9 h。

1.2 試驗設置

果木生物炭購于陜西億鑫能源科技有限公司，比表面積為87.1 m2/g，是果樹枝干在高溫下裂解8h制成。在土壤中添加5個梯度的生物炭施用量分別為90、70、50、30、10 t/hm2，記做T90、T70、T50、T30、T10(即分別將29.08、22.62、16.16、9.69和3.21 g生物炭添加到1 kg土壤樣品中)。對照試驗是不添加生物炭處理，計為T0。不同生物炭添加量各設置4個重復處理。為了保持試驗光照、濕度等因素相同，在日光溫室大棚中開展試驗。試驗用土取于日光大棚內，充分攪拌均勻，過篩后備用。土壤有機質本底值為16.48 g/kg。生物炭與供試土壤的粒徑分布和化學性質見表1。

表1 生物炭與供試土壤的粒徑分布和化學性質Tab.1 Particle size distribution and chemical properties of biochar and applied soil

將生物炭、試驗用土人工混合均勻后裝入體積為0.02 m3的圓桶中，裝填20 cm。試驗作物采用生菜(Var. ramosa Hort)，每桶放入30顆生菜種子，定植時拔掉24棵，于2018年5月24日開始試驗，2018年7月22日結束試驗，歷時60 d。每15 d取土樣一次，共取4次。經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理發(fā)現(xiàn)采樣時間對土壤團聚體影響的差異較小，不考慮時間對團粒穩(wěn)定性的影響。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤團聚體測定方法

參照《土壤理化分析》[8]，采用人工篩分方法測定土壤團聚體結構組成，分別用干篩法和濕篩法分析土壤機械穩(wěn)定性團聚體和水穩(wěn)性團聚體。干篩法：將土樣人工掰為1～1.2 cm大小，置于陰涼處風干后，用自下而上粒徑分別為0.025、0.05、0.1、0.3、0.5、0.7、1 cm的篩網(wǎng)分級。濕篩法：按各級機械穩(wěn)定性團聚體比例配成50 g待測土樣。為了防止細小土粒阻塞篩孔，剔除土樣中粒徑<0.25 mm土粒。把所配土樣置于沉降筒中，用水濕潤直至土樣達到飽和。10 min后，沿沉降筒壁灌入水，筒口用橡皮塞塞緊，將沉降筒上下顛倒10次。把混合樣倒入自下而上粒徑分別為0.025、0.05、0.1、0.2、0.3、0.5 cm的篩網(wǎng)，將篩網(wǎng)置于水中，緩慢提升一段距離后迅速下落，重復10次，取出粒徑為0.5、0.3、0.2 cm的篩網(wǎng)。以洗凈附著在水穩(wěn)性團聚體表面的顆粒，剩余三個篩子重復篩分三次方可取出。將各粒徑篩網(wǎng)上的團聚體收集至鋁盒，烘干，稱重。

衡量團聚體穩(wěn)定性的指標有平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、團聚體破壞率(PAD)等。MWD是將各級團聚體質量加權平均。GMD基于土壤團粒對數(shù)-正態(tài)分布，是一半土壤團聚體通過篩網(wǎng)時的直徑。PAD表征團聚體在水力破壞下的分散程度，PAD越大，土壤團粒結構性越破碎。PAD、GMD、MWD，計算方式如下：

(1)

(2)

(3)

1.3.2 土壤鉀素測定方法

土壤鉀離子均采用火焰光度計測定，具體方法參考《土壤農化分析》[9]：

水溶性鉀離子采用土水比為1∶5浸提，取過1 mm篩網(wǎng)土樣10.0 g于錐形瓶中，加入50 mL蒸餾水，震蕩3 min后過濾。取20 mL濾液和1 ml硫酸鋁于50 ml容量瓶中，定容，取樣后，備用。

速效鉀和交換性鉀離子都采用中性乙酸銨溶液浸提，速效鉀采用振蕩法，交換性鉀離子采用離心法。交換性鉀離子測定：取過2 mm篩網(wǎng)土樣1.0 g于離心管中，加30 mL中性乙酸銨溶液，將離心管置于離心機中離心4 min，共離心5次，將上層清液用乙酸銨溶液定容至50 mL。

速效鉀測定方法：在試管中加入自然風干土樣2.50 g，再倒入50 mL中性乙酸銨溶液，在震蕩機上震蕩、過濾。取樣后，備用。

有效鉀離子采用冷稀硝酸浸提。在試管中加入風干土樣2.500 g，取50 mL冷的2mol/L硝酸于試管中，在震蕩機上震蕩后，立刻用定量濾紙過濾。

1.4 數(shù)據(jù)處理

方差分析采用Duncan方差統(tǒng)計，用WPS軟件制作數(shù)據(jù)表、圖。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 生物炭施用量對土壤團聚體結構的影響

2.1.1 生物炭施用量對土壤機械穩(wěn)定性團聚體結構的影響

大團聚體為粒徑大于0.25 mm的團聚體。表2為不同生物炭添加量對土壤機械穩(wěn)定性團聚體的影響。添加生物炭后，土壤大團聚體數(shù)量升高。土壤粒徑0.5～0.25、5～3、7～5 mm粒徑團聚體含量明顯發(fā)生變化(P<0.05)。隨著土壤中生物炭施用量減少，土壤最大粒徑機械穩(wěn)定性團聚體呈現(xiàn)出先增加后降低趨勢。當生物炭施用量大于等于50 t/hm2時，最大粒徑機械穩(wěn)定性團粒含量降低；施用10或30 t/hm2生物炭時，粒徑大于10 mm機械穩(wěn)定性團聚體含量較對照試驗增多。當生物炭使用量較大時，5～3 mm粒徑機械穩(wěn)定性團粒含量升高，其中50 t/hm2生物炭處理含量為9.08%，增幅最大。生物炭提高土壤3～1 mm粒徑機械穩(wěn)定性團聚體含量，其中70 t/hm2生物炭使用量處理的含量為12.46%，增加最少；50 t/hm2生物炭施用量含量最多，為13.06%。在土壤中添加生物炭后，粒徑為1～0.5 mm土壤機械穩(wěn)定性團聚體含量上升，施用70 t/hm2生物炭含量最高，為17.57%；施用10 t/hm2生物炭含量為14.37%，增幅最小。隨著生物炭施用量的減少，粒徑為0.5～0.25 mm機械穩(wěn)定性團聚體含量先減小后上升，其中，T90處理含量最高，為15.22%；T10處理含量最少，為11.78%。

表2 生物炭施用量對土壤大團聚體結構的影響Tab.2 Biochar additionsaffect the structure of soil large aggregates

粒徑小于0.25 mm的機械穩(wěn)定性團聚體是機械穩(wěn)定性微團聚體，粒徑大于0.25 mm的團聚體是機械穩(wěn)定性大團聚體。圖1為在土壤中施用生物炭后，機械穩(wěn)定性大團聚體、微團聚體的含量變化。生物炭顯著影響土壤機械穩(wěn)定性團聚體含量(P<0.05)。施用生物炭后，機械穩(wěn)定性微團聚體含量顯著下降，施用30 t/hm2生物炭機械穩(wěn)定性微團聚體含量最少，為2.35%。施用生物炭后，土壤機械穩(wěn)定性大團聚含量顯著增加(P<0.05)，其中T30處理含量最高，為97.65%。

圖1 生物炭施用量對土壤機械穩(wěn)定性微團聚體和大團聚體的改變作用Fig.1Biocharchangesthe contentof soil microaggregate and agglomerate

2.1.2 生物炭對土壤水穩(wěn)性團聚體含量的影響

0.5～0.25、1～0.5 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體含量受生物炭添加量影響顯著(P<0.05)。使用生物炭后，土壤5～3 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體含量下降，其中T10處理含量為0.28%，減少幅度最大；T90處理含量為0.62%，減少幅度最小。隨著生物炭施用量的下降，土壤中2～1 mm水穩(wěn)性團聚體比例表現(xiàn)為先減小后增加趨勢，T10處理含量最少，為1.18%；T90處理含量最高，為1.39%。隨著在土壤中施用的生物炭量減少，土壤1～0.5 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體數(shù)量表現(xiàn)出先下降后升高趨勢，T10處理含量最少，為2.99%，T90處理含量最高，為4.17%。施用生物炭后，土壤0.5～0.25 mm粒徑團聚體含量具有下降的趨勢，實驗結果見表3。

表3 生物炭對土壤水穩(wěn)性團聚體的影響Tab.3 Effect of Biochar on Soil Water stable aggregate content

表4是生物炭施用量對土壤結構穩(wěn)定程度的影響。生物炭對土壤結構的穩(wěn)定程度未見顯著影響。但是，施用生物炭減小團聚體幾何平均直徑，其中施用50 t/hm2生物炭團聚體幾何平均直徑降幅最小；施用90 t/hm2生物炭幾何平均直徑降低幅度最大。

表4 生物炭對土壤穩(wěn)定性指標的影響Tab.4 Effect of biochar on soil stability index

2.2 生物炭對土壤鉀含量的影響

2.2.1 生物炭對土壤水溶性鉀離子的影響

圖2為生物炭對土壤水溶性鉀離子的增加作用。施用生物炭后，土壤水溶性鉀離子含量顯著上升(P<0.05)，并且生物炭施用量越多，土壤水溶性鉀離子含量越高。第15 d，施用生物炭后，土壤水溶性鉀離子含量為68.74、151.53、197.92、269.47、396.73 mg/kg，第30 d，與未添加生物炭相比，添加生物炭后，土壤中的水溶性鉀離子含量較對照試驗分別增加18.42%、100.93%、136.70%、236.11%、476.24%；第45 d，較對照試驗分別增加170.20%、571.77%、618.99%、976.79%、1 531.54%；第60 d，土壤中的水溶性鉀離子較對照試驗分別增加60.80%、169.40%、229.75%、405.38%、504.13%。在土壤中施用的生物炭越多，土壤水溶性鉀離子含量越高。

圖2 生物炭施用量改變土壤水溶性鉀離子含量Fig.2 Biocharadditionschange soilwater-soluble potassium ions contents

2.2.2 生物炭對土壤交換性鉀離子含量的影響

交換性鉀離子是土壤交換性陽離子的一種，是土壤膠體可以吸附的鉀離子的總量。圖3是施用生物炭改變土壤中交換性鉀離子含量。在土壤中使用生物炭明顯改變土壤交換性鉀離子含量(P<0.05)。第15天，不同生物炭處理，土壤速效鉀含量分別增加12.20%、52.36%、72.92%、138.79%、191.08%。施用生物炭后，第30 d土壤的交換性鉀離子含量分別為476.33～1 303.46 mg/kg；第45 d分別為432.35～1 359.29 mg/kg。第60 d，施用生物炭后，土壤交換性鉀離子分別增加了16.66%、69.69%、105.95%、166.23%、228.03%。土壤交換性鉀離子含量隨著生物炭施用量的增加而增加。

圖3 生物炭施用量對土壤交換性鉀離子含量的影響Fig.3 Effect of biochar contents on soil exchangeable potassium ion content

2.2.3 生物炭對土壤速效鉀離子含量的影響

速效鉀指植物容易吸收利用的土壤中的鉀素。圖4是生物炭施用量對土壤速效鉀離子含量的影響。施用生物炭后，土壤速效鉀離子含量顯著改變(P<0.05)。施用生物炭后，土壤速效鉀離子含量明顯提高。與對照試驗相比，添加70 t/hm2生物炭后，土壤速效鉀離子含量是對照試驗的2.29～2.53倍；施用90 t/hm2生物炭后，速效鉀離子含量是對照的2.67～3.15倍。

圖4 生物炭改變土壤速效鉀離子含量Fig.4 Biochar additions change available potassium ion contents in soil

2.2.4 生物炭對土壤有效鉀離子含量的影響

圖5為施用生物炭對土壤中有效鉀離子的影響。施用生物炭后，土壤有效鉀離子含量顯著改變(P<0.05)。當生物炭施用量大于10 t/hm2時，土壤有效鉀離子含量顯著升高，并且生物炭施用量越大，有效鉀離子含量越高。施用后生物炭后，第15 d，土壤有效鉀離子是對照試驗的1.03～2.49倍。其中，施用90 t/hm2生物炭，增加量最少，增加了3.43%，施用10 t/hm2生物炭，增加量最多，是未添加生物炭處理的2.49倍。第30 d，土壤有效鉀離子含量分別為795.85、790.40、1 117.98、1 281.78、1 627.62、1 948.14 mg/kg，第45 d土壤有效鉀離子含量分別為791.74、782.77、1 096.62、1 297.03、1 646.66、1 938.84 mg/kg，第60 d增幅分別為6.56%、49.84%、79.96%、130.07%、169.46%。不同取土時間下，均是T90處理增幅最大。

圖5 生物炭改變土壤有效鉀離子含量Fig.5 Biocharadditions changeeffective potassium ion contentsin soil

2.2.5 生物炭對土壤鉀離子含量的指數(shù)關系

生物炭施用量以指數(shù)關系改變土壤鉀素含量見表5。

通過軟件擬合，土壤鉀離子含量與土壤生物炭施用量顯著相關(P<0.01)，且遵循的指數(shù)相關關系。表5為不同取土時間時生物炭施用量與土壤鉀素的指數(shù)相關關系擬合結果。土壤鉀素含量與生物炭施用量之間不表現(xiàn)出線性關系，而是指數(shù)相關。隨著生物炭施用量的升高，土壤鉀素增幅變快，斜率變陡。當施用較少生物炭時，土壤鉀素含量增加，但是增加幅度較小，斜率較緩；當施用較多生物炭時，土壤鉀素含量上升較快。

表5 生物炭施用量以指數(shù)關系改變土壤鉀素含量Tab.5 The potassium content of soil was changed expone-ntially by biochar

2.3 生物炭對生菜產量的影響

圖6為不同生物炭施用量對生菜產量的影響。不同生物炭添加量處理，生菜的單株質量分別增加7.05%、22.01%、37.52%、42.74%、47.42%、47.42%，生物炭顯著增加生菜產量(P<0.05)。T90處理植株鮮重最大，為6.93 g；對照處理植株鮮重最小，為4.70 g。

圖6 生物炭增加生菜單株產量Fig.6 Biochar additionsincrease the output of each lettuce

3 討 論

生物炭具有改良土壤團粒結構的作用。施用生物炭后，土壤微生物代謝活動發(fā)生變化。微生物分泌的菌絲促使土壤微小顆粒抱團為土壤大顆粒物。生物炭提高土壤中水穩(wěn)性大團聚體比例，生物炭改變土壤孔隙結構，影響土壤基本物理性質，促進水穩(wěn)性大團聚體形成。

施用生物炭后，土壤水溶性鉀離子含量增加顯著，原因是生物炭調節(jié)土壤孔隙比例，也可能是生物炭表面通常含有較多的水溶性和不可溶性鉀離子。生物炭還可以通過物理作用和化學作用吸附土壤中的鉀離子[10]。施用生物炭后，土壤速效鉀離子含量迅速上升，可能原因是，本次試驗采用的生物炭原料為果木枝干，生物炭自身攜帶與植物生長密切相關的營養(yǎng)物質，表面含有一定數(shù)量的鉀素。也可能是施加生物炭后，改變土壤水分運移，土壤含水量和土壤速效鉀含量息息相關。生物炭顯著影響盆栽試驗中的交換性鉀離子比例。當在土壤中添加較少生物炭，土壤交換性鉀離子之間的差異很小；施用越多生物炭，土壤交換性鉀離子越高。可能是低量生物炭很難改變土壤物理結構，因而少量生物炭未見明顯改變土壤鉀素比例。還可能是土壤溫度因生物炭施用量不同而改變。交換性鉀離子含量受土壤溫度影響，溫度影響鹽土礦物對土壤中鉀離子的吸附和固定[11]。施用生物炭后，土壤有效鉀離子比例增加顯著，或許是土壤酸堿度受生物炭施用量影響，加快土壤鉀素轉化速率；也或許是生物炭提高土壤濕度，活化土壤中的非交換性鉀。把生物炭施入土壤后，鉀素表現(xiàn)出指數(shù)級爆炸性增加，表明施用生物炭越多，土壤鉀離子增量越高。土壤水溶性鉀、速效鉀、有效鉀、交換性鉀含量對生物炭的響應相似，均為生物炭添加量較低時差異不大，生物炭施用量越多，土壤鉀素增幅越快。

施用生物炭后，作物產量提高，可能和生物炭改變土壤容重、含水量、孔隙度等因素有關。殷曉燕認為，土壤理化性質因施加生物炭而改變，這就使土壤有害物質活性下降，促進洋蔥增量，提高經(jīng)濟效益[12]。邵光成研究發(fā)現(xiàn)，生物炭改變土壤的通氣狀況，進而增加番茄產量[13]。

鉀肥是土壤三大肥料之一，土壤鉀素含量影響作物生長。生物炭對作物產量的影響也和本文生得出生物炭對土壤鉀素的影響結果一致，均是在土壤鉀素含量高時，作物產量大。楊彩迪研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可以改變土壤酸堿性，增加土壤交換性鉀離子含量，顯著提高油菜等作物產量[14]。柳開樓通過盆栽試驗研究發(fā)現(xiàn)，生物炭顯著提高土壤速效鉀含量，顯著提高煙葉品質和產量[15]。

4 結 語

(1)生物炭具有改變土壤機械穩(wěn)定性團聚體組成的作用，土壤7～5、5～3、0.5～0.25 mm粒徑機械穩(wěn)定性團聚體含量變化顯著。施用生物炭后，機械穩(wěn)定性團聚體穩(wěn)定程度提高。施用生物炭于土壤中，顯著降低土壤機械穩(wěn)定性微團聚體比例，土壤機械穩(wěn)定性大團聚體比例顯著增加。施用生物炭顯著改變土壤0.5～0.25、1～0.5 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體含量。添加生物炭后，土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性未發(fā)生明顯改變。

(2)生物炭施用量和土壤鉀素表現(xiàn)出指數(shù)回歸關系。

(3)添加生物炭后，生菜產量顯著升高，植株鮮重增加0.33～2.23 g。并且生物炭施用量和作物產量呈正相關關系。考慮到生物炭的制作成本，在陜西楊凌地區(qū)，推薦施用30或50 t/hm2生物炭。

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