生物炭与化肥配施对土壤主要物理特性的影响

生物炭与化肥配施对土壤主要物理特性的影响
金梁;魏丹;李玉梅;王伟;常本超;郭文义
【摘要】以2013～2015年哈尔滨生物炭田间定位试验为研究对象,探索了普通化肥(NPK)、化肥+生物炭1(15.75t·hm-2,BC1)、化肥+生物炭2(31.50t·hm-
2,BC2)、化肥+生物炭3(47.25t·hm-2,BC3)对东北黑土区大豆连作下土壤团聚体组成及稳定性指标、水力学性质及孔隙组成的影响.结果表明:(1)整体上看,生物炭施用显著增加了大团聚体含量,增大了团聚体稳定性指标-平均重量直径(MWD)值,同时土壤有效含水量、总孔隙度及有效孔隙均显著增加.(2)各处理优势水稳性团聚体均为0.25～0.50mm,BC1水稳性大团聚体数量增加16％,增幅最大,该处理平均重量直径值最高,为0.75mm;与单施化肥对照相比,生物炭显著降低了其他处理土壤萎蔫含水量(θr),提高土壤有效含水量,但炭量变化对土壤饱和含水量(θs)影响不显著;同时渗透系数平均升高4.3mm·min-1以及土壤饱和含水量平均提高
0.12cm3·cm-3.与NPK相比,BC1处理渗透性最好(提升46％),饱和含水量在48％以上,总孔隙度最高(增加8.8％),团聚体结构表现最稳定,玉米秸秆生物炭在
15t·hm-2时土壤物理属性最佳.(3)随着生物炭量继续增加,土壤细颗粒移动至已生成的有效孔隙中,BC2和BC3处理有效孔隙5～30μm,0.1～5μm和0.01～0.1μm 不同程度减少,因而有效含水量也减少,总孔隙度降低至50％和51％;各处理团聚体稳定性指数与各粒级粘粒和碳酸钙含量的相关性均可选用一元二次方程表达,BC2和BC3处理由于施炭量增加土壤团聚体凝聚性降低,大团聚体数量减少,造成土壤结构稳定性相对降低.该结论为黑龙江典型黑土区利用农田有机废弃物进行培肥和结构修复提供科学参考,为生物炭在大豆农田系统推荐用量上提供理论借鉴.%Based on the biochar a pplication experiment (2013-2015), the rates of 0, 15.75, 31.50 and 47.25 t·hm-2 biochar combined with chemical fertilizer
separately were applied under continuous soybean system in typical black soil region in Northeast China, the effects on soil aggregates, hydraulics and pore distribution were investigated. The results showed that: (1) the amounts of macro-aggregates and their stability indices (Mean Weight Diameter, MWD) were significantly increased with the biochar amendments, as well as the soil available water content, total porosity and available pore. (2) The sizes of dominant aggregates of the four treatments were all in the range of 0.25-0.50 mm by wet-sieving method. Compared with NPK treatment, the highest amount of macro-aggregates was increased by 16 ％ and the highest MWD value was 0.75 mm. Soil wilting point and soil available water content were significantly increased and decreased respectively due to biochar application for the additive treatments compared with CK but there was no significant changes for soil saturated water content. Meanwhile, penetration coefficient and soil saturated water content in average were both increased by 4.3 mm·min-1 and 0.12 cm3·cm-3 respectively due to biochar amendment. Compared with NPK treatment, the penetration capacity(increased by 46％) and total porosity(increased by 8.8％) were both the highest, the saturated water content was more than 48％ for BC1, the aggregation structure was the most stable and the physical characteristics of biochar-amended soil should be optimal at the rate of 15.75t·hm-2. (3) With excessive biochar application, biochar fine particles were moved and filled into effective pore, and these pore sizes of 5-30 μm,0.1-5 μm and 0.01-0.1 μm for BC2 and
BC3 decreased, total porosities were reduced to 50％ and 51％. Quadratic
equations were chosen to express the correlation between clay
content/CaCO3 concentration and MWD values of all aggregate sizes. The amount of soil aggregates became less and its structure was less stable for excessive biochar-amended soil. The results provide the scientific references for fertilization and structure remediation and theory reference for biochar field application recommendation rates for soybean farmland.【期刊名称】《沈阳农业大学学报》
【年(卷),期】2017(048)004
【总页数】7页(P424-430)
【关键词】物理属性;生物炭;大豆连作;黑土
【作者】金梁;魏丹;李玉梅;王伟;常本超;郭文义
【作者单位】黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所/黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室/博士后科研工作站,哈尔滨150086;黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所/黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室/博士后科研工作站,哈尔滨150086;黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所/黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室/博士后科研工作站,哈尔滨150086;黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所/黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室/博士后科研工作站,哈尔滨150086;黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所/黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室/博士后科研工作站,哈尔滨150086;沈空后勤部克东农副业基地,黑龙江克山161600
【正文语种】中文
【中图分类】S141
大量研究表明，生物炭作为一种具有高度芳香环分子结构、多孔富碳的热解固体有机产物[1]，在提高作物产量[2]，改善土壤物化性质[3]和肥料利用率[4]、增强氮
素循环[5]、实现固碳减排[6]和吸附有机无机污染物[7]方面对土壤质量做出了不同程度的贡献。

土壤物理质量是评价土壤质量的重要组成部分，主要指的是作物根区土壤团聚体稳定性，土壤紧实度，流体运移和储存特征[8]，生物炭的土壤物理质
量改良效应研究焦点目前集中在热带地区和土壤基础肥力较低的土壤改良，表征指标主要包括土壤容重[9]，土壤水分特征曲线和水肥利用率[10-11]，土壤水分蒸发、入渗及持水性能[12-14]，毛管孔隙和田间持水量[15]，土壤团聚体[16]等物理性
状方面，研究环境多为室内模拟和盆栽试验，而在针对不同生物炭施用量对物理质量或物理属性指标影响角度看，对田间耕层土壤团聚体胶结物，水力学参数的测定较少，且涉及到不同生物炭量对土壤-作物系统土壤物理属性环境（团聚体和水力
学性质）的田间定位监测则尚未多见报道。

黑龙江是国家粮食主产区之一，建立合理的土壤管理措施是当地种植作物可持续生产亟待解决的问题，外源有机物配施化肥便是土壤改良常用及有效的方法之一[17]。

本研究利用2013～2015年的哈尔
滨民主乡生物炭定位试验基地，通过分析不同施用量生物炭和普通化肥（NPK）
配施3年后团聚体组成及其稳定性指标、水力学参数和孔隙分布等指标，旨在探
明典型黑土区生物炭量与土壤物理质量指标的关系研究，这对于生物质炭的田间应用验证、优化黑土保育结构有非常重要的指导意义。

1.1 试验地概况
生物炭定位试验地位于哈尔滨市道外区民主乡现代化园区，地理坐标为E116.3°，N39.95°，属于寒温带大陆季风气候，年平均气温3.6℃，年降水量范围为
486.4～543.6mm；80%以上降雨主要集中在夏季（6～9月）。

土壤类型为黑土，地下水埋深为80m。

全年无霜期135d；年平均风速4.1m·s-1，最大风速
18.9m·s-1。

另有自动气象站记录逐日气象资料，土壤表层基本性质见表1。

1.2 试验设置
试验于2013～2015年设置了大豆连作试验，共设置4个处理：T1:普通化肥（NPK），T2:化肥+生物炭6Y(BC1，生物炭量为15.75t·hm-2），T3:化肥+生
物炭 12Y（BC2，生物炭量为31.50t·hm-2），T4：化肥+生物炭 18Y（BC3，生物炭量为47.25t·hm-2）；推荐施肥量（大豆）：N 46kg·hm-2，
P2O576kg·hm-2和K2O 22kg·hm-2；生物炭量计算依据：BC1Y（2.625t·hm-2）是按玉米秸秆年产量（7500kg·hm-2）×出炭率（35%）计算而得。

BC1（BC2，BC3）为每 6（12,18）年施用 1 次生物炭，2.625（t·hm-2）×6
（12,18）年=15.75(31.5，47.25)t·hm-2；小区面积为39m2(3.9m×10m)，每
个处理3次重复。

2013年春大豆于5月14日播种，10月8日收获，品种为黑农68，种植密度30万株·hm-2；2014年春大豆于5月1日播种，10月1日收获；2015年春大豆于5月10日播种，10月1日收获，化肥在大豆播种时一次性施入，生物炭在2013年大豆播种时垄沟撒施。

生物炭由辽宁生物炭工程技术中心提供，为玉米秸秆于500°下热解制备而成。

1.3 测定项目及方法
1.3.1 土壤团聚体及其稳定性参数的测定土壤样品分别在2015年作物收获后采集，在0～30cm土层采集样品，取3次重复，每个重复随机取10个点混合成混合土样。

土壤样品采集后在室内风干，将风干土过8mm筛，除去小石块及大于8mm 根系、凋落物等。

团聚体分级参考CAMBARDELLA等[18]的湿筛法测定水稳性团聚体：湿筛法用TTF-100型土壤团聚体分析仪（山东恒美），根据干筛各级团聚
体质量百分比含量配比土壤样品50g进行湿筛，振荡20min，频率40 次·min-1，湿筛法共分 4 级（＞2,2～0.25,0.25～0.106 和＜0.106mm），于105℃在烘箱
中烘干至恒量，然后置于室内空气中自然吸湿2h，称量。

大团聚体含量指＞
0.25mm团聚体含量。

用土壤团聚体平均重量直径（MWD）[19]：
式中：d¯i为某级团聚体平均直径（mm）；Wi为i级团聚体重量所占比例。

1.3.2 土壤粘粒和碳酸钙的测定土壤粘粒含量采用吸管法。

准确称取10g风干土（过2mm筛），倒入烧杯中，加20mL 6%H2O2，放置1d，再加20mL H2O2，放置一段时间后，加0.2N HCl20mL，重复3次后，用抽滤瓶抽滤淋洗（0.05N HCl）将滤纸上的土冲洗到三角瓶中，加10mL 0.5N NaOH，放置一段时间后，
超声波振荡15min，过0.25mm 筛，冲洗到 1000mL 量筒中，计时，在特定的
时间点吸取 20mL＜0.05,＜0.02,＜0.005,＜0.002mm 的溶液，沙浴蒸干，称重。

碳酸钙含量采用吸收法测定。

称取1g通过0.15mm筛孔的风干土倒入三角瓶中，用塑料小杯装入5mL 2mol·L-1盐酸小心放入三角瓶中，另用塑料小杯装5mL
2mol·L-1的氢氧化钠溶液绑在密封塞上的玻璃棒上，塞好后轻轻将盛盐酸的小杯
碰倒，然后放入震荡机上在25℃条件下震荡24h以充分吸收CO2，然后取出盛
有氢氧化钠溶液的小杯，将溶液转移至三角瓶中，加酚酞试剂，用1mol·L-1盐酸滴定至粉色开始退去，继续用0.1mol·L-1盐酸滴定至酚酞终点；再加溴甲酚绿指
示剂，用标准0.1mol·L-1盐酸滴定终点并记录盐酸消耗量，通过计算吸收CO2
的量计算土壤碳酸钙的含量。

1.3.3 水力学参数的测定采用环刀采样器（Eijkelkamp公司，荷兰）取原状环刀
土样（环刀体积为100cm3），在实验室用压力膜仪法测定土壤水分特征曲线。

测定吸力共 8个点，依次为：0，10，30，500，1000，3000，5000，
15000cm水柱。

然后用RETC软件进行整个水分特性曲线的拟合，求算出van Genuchten模型参数（公式2）；
式中:θ为土壤的容积含水量(cm3·cm-3)；h 为土壤基质势(cm·H2O)；θs为土壤的饱和含水量(cm3·cm-3)；θr为土壤剩余含水量/萎蔫含水量(cm3·cm-3)；α、n 是决定土壤水分特征曲线形状的参数。

1.3.4 土壤孔径的测定压汞法，又称汞孔隙率法，是测定固体样品孔径分布的一种方法。

土壤样品的压汞孔隙度及孔径分布由美国麦克公司生产的Micromeritics Autopore9510孔隙仪测式，取3～5g原状土样，根据Washburn公式[20]计算得到土壤样品的孔径。

1.4 统计分析
采用Microsoft Excel 2007软件进行数据的计算与处理，采用IBM SPSS Statistics20.0统计分析软件进行单因素方差分析和制图。

在p＜0.05水平下用LSD法分析数据。

2.1 生物炭输入对土壤团聚体的影响
水稳性团聚体（湿筛法）对土壤管理措施响应迅速，可作为评价农业管理措施对土壤肥力和质量影响的指标[21]。

由图1可知，经过3年的大豆（2013～2015）种植后，不同生物炭量施用处理中优势团聚体均为大团聚体（2～0.25mm）。

除＜0.106mm的BC3处理外，各生物炭量对各级团聚体影响均显著。

与对照（NPK）相比，大团聚体（＞0.25mm）增量依次为 16%（BC1）,11%（BC2）和 3%（BC3），土壤团聚体平均重量直径（MWD）可表征团聚体稳定性[22]。

与NPK 处理相比，生物炭整体上增强了试验区土壤团聚体的稳定性，BC1平均重量直径
增加62%，该处理土壤稳定性最高，随着生物炭量的继续增加，BC2和BC3稳定性一定程度降低，平均重量直径增量分别降至对照的40.8%和15.5%。

2.2 生物炭施用对土壤团聚体胶结物的影响
粘粒和碳酸钙是重要的无机胶结物[23]，粘粒在团聚体形成过程中影响有机碳的降解和转化[24]，是土壤的活性中心，与土壤离子吸附、入渗能力等理化性质密切相关[25]。

碳酸钙则对土壤结构性和导水性有很好的作用。

由图2和图3可知，各
粒级中粘粒及碳酸钙含量与土壤稳定性指标（团聚体平均重量直径MWD）的关
系分别进行数学方程拟合，通过比较（幂函数、指数函数，线性，二次函数）的相
关系数R2，可以看出两种无机胶结物与MWD 值的较优拟合方程均为一元二次回归方程，碳酸钙在各粒级（＞2，2～0.5，0.5～0.106，＜0.106mm）相关系数
分别为0.96，0.90，0.06和0.65，前两个较大粒级拟合方程系数显著大于后两个粒级，且前三个粒级中碳酸钙含量与MWD值为正相关，在＜0.106mm上为负相关；而粘粒含量分布规律与MWD值均为正相关，二次方程表达形式均为y=ax2-bx+c，且前两个粒级回归方程的相关系数均为0.76，大于后两个粒级。

2.3 生物炭对土壤水力学性质的影响
由表3可知，与NPK处理相比，施用生物炭3个处理θs增幅在41.0%～44.2%，θr减少10.0%～26.1%；α、n则无明显规律；施用生物炭处理的田间持水量均有显著增加，增幅为22.1%～28.2%，但生物炭量级间差异不显著；萎蔫系数（θr）BC1处理最低，降低26.4%；从而该处理有效含水量(田间持水量-萎蔫系数)提高29.0%，效果较显著，与BC1相比，而BC2和BC3萎蔫含水量分别提高15.2%
和22.0%；同时入渗速率BC1增至15.6mm·min-1，BC2和BC3水分下渗相对
变缓，体现出持水性能受到一定限制，均降至14mm·min-1。

2.4 生物炭输入对土壤水力学性质的影响
由表4可知，与对照（NPK）相比，施用生物炭各处理总孔隙度和总孔隙容量均
显著增加(p＜0.05)。

总孔隙度分别增加 12.9%（BC1），10.0%（BC2）和 5.1%（BC3）。

压汞法测定的孔径分布在六个区域（＞75，30～75，5～30，0.1～5，0.1～0.01，＜0.01μm），生物炭施入土壤后对大孔（＞30μm），中孔（2～
30μm）和微孔（＜2μm）均产生了影响，对＜0.01μm 的微孔影响不显著。

与对照相比，处理BC1在5～30μm，0.1～5μm和0.1～0.01μm区间的孔隙容量显
著增加，分别为18.6%，31.5%和25.7%；随着生物炭量的增加，与BC1相比，BC2处理的5～30μm和0.1～5μm两区域孔分别减少8.8%和14.7%，而BC3
处理的孔径表现为5～30μm，0.1～5μm和0.1～0.01μm区域均有不同程度减少，
说明随着生物炭量的增加（≥15.75t·hm-2），大孔隙在生成的同时，微孔隙不断
被生物炭细小颗粒填充[26]，从而造成总孔径量减少。

整体上看，与对照相比，施用玉米秸秆生物炭能显著改善土壤物理性状。

生物炭与化肥配施3年后显著增强了土壤团聚结构，增加了团聚体数量，与这与侯晓娜[16]在砂姜黑土施用生物炭后得出结论一致，验证了有机物与化肥配施可以提高土壤团聚体数量。

本试验施用生物炭的黑土农田耕层土壤团聚体平均重量直径增加，该指标变化趋势与各粒级粘粒和碳酸钙含量关系可以用一元二次方程表达；作为一种有机多孔介质，生物炭施入后，土壤总孔隙度和有效孔隙明显增加，有效含水量升高，因此持水性能增加，正常施肥情况下便可增加水肥供应能力。

与单施NPK处理比较，生物炭施用量在15.75t·hm-2时，与化肥配施3年后土壤团聚体水平最高，
团聚体数量增加16.7%，平均重量直径增加62.4%。

该处理总孔隙度也最高，孔
隙分布状况利于降水水分入渗，且有效孔隙在5～30um、0.1～5um和0.1～
0.001um区间内有不同程度增加，可容纳的有效含水量较高，因此该处理物理属
性最佳。

当生物炭量继续增加，在机械耕作及降雨等外力工作下生物炭细颗粒会进入已生成的毛管孔隙[27]，导致单位土体毛管孔隙数量下降，表现在总孔隙量和孔隙分布上，BC1和BC2处理在生物炭施用量增加时单位土体总孔隙度下降，主要
在5～30um和0.1～5um范围内不同程度减少，两处理土壤萎蔫含水量升高，有效含水量降低；这与高海英等在实验室内得出规律类似[28]，她在土柱中用两种土壤均加入生物炭，达到一定量后（80t·hm-2），土壤持水量会下降。

LAGHARI，M[29]在砂土中利用不同量的松木锯末生物炭改良试验也观察到类似现象。

本试验中生物炭量进一步增长（大于15.75t·hm-2）引起的孔隙变化看出，BC1处理毛
管孔隙增加从而提升了有效含水量；但随着炭量继续增加（BC2和BC3），无效
孔隙增加（0.1～0.5μm和0.1～0.01μm）及有效孔隙（5～30μm）减少，有效
含水量留存空隙减少。

使得土壤微生物活动空间受到限制，土壤微生物量和氮素矿
化造成了一定影响[30]，导致耕层单位土体各粒级胶结物质粘粒含量和碳酸钙含量有不同程度降低。

碳酸钙在＞2mm和2～0.5mm粒级上的分布与团聚体稳定性指标MWD呈现较优的二次相关性。

土壤团聚体凝聚环境受影响，团聚体稳定性有所降低，数量相对减少。

化肥与玉米秸秆生物炭配施3年后能显著提高黑土耕层土壤物理属性，与单施化肥处理相比较，施入生物炭与化肥的土壤团聚体数量增加，持水性能增强，总孔隙和有效孔隙增多，但生物炭量达到一定程度后，土壤稳定性有所降低，表现在大团聚体里粘粒和碳酸钙含量不同程度降低，有效孔隙和总孔隙度有所减少，团聚体数量略减。

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