生物炭和氮肥配施提高土团聚体稳定性及作物产量

李 伟，代 镇，张光鑫，刘 杨，韩 娟

（西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100）

土壤团聚体作为土壤结构的基本单位，其大小、形状直接影响土壤持水性及通气性，与土壤理化性质、生物学特性及碳循环有着密切联系[1]，会直接或间接影响土壤肥力和作物产量。而土壤团聚体的数量和稳定性与土壤有机碳密切相关，研究表明表土中近90%的有机碳可作为土壤胶结剂将微团聚体结合为大团聚体稳定存在于团聚体内，同时通过团聚体与外界形成的空间隔离可使有机碳免遭微生物的分解[2]。因此，团聚体与有机碳两者相互作用，共同保持土壤结构和肥力。

施肥是影响土壤团聚体结构的重要因素[3-4]。无机氮肥的施用对改善土壤结构、提高土壤肥力是必不可少的。多项研究结果表明无机肥和有机物质的配合施用更有利于土壤团聚作用和作物产量的提高[5-6]。生物炭作为一种富含碳的外源有机质，相比于其他有机肥料，具有容重小、比表面积大、吸附性强等特性[7]，施入土壤中可改变土壤结构和养分含量，影响作物的产量[8-9]，因此广泛应用于农业生产中。但是由于生物炭的种类、制备温度、施用量以及土壤类型的不同，对土壤团聚体的影响也有所差异。Sun等[10]通过180天的室内培养试验表明，每公斤土添加500℃制备的木屑生物炭20、40、60 g对黏土大团聚体的形成无显著影响，但是相同温度、相同施用量下，秸秆生物炭对2～5 mm和0.25～0.5 mm粒级大团聚体的形成有显著影响。Liu等[11]在进行11个月的培养试验中也发现施用660℃制备的锯末生物炭4、8、16 g/kg增加了两种粉质壤土团聚体的稳定性，但对两种砂质土壤团聚体的稳定性无显著影响。Zhang等[12]通过两年大田试验研究表明施用250～500℃制备的小麦秸秆生物炭增加粉质粘壤土有机碳的含量，但施用量的不同对土壤团聚体的影响不同，施用8 t/hm2对土壤团聚体的稳定性无显著影响，而施用16 t/hm2则显著增加平均重量直径 (MWD) 和 ＞ 2 mm粒级土壤团聚体的含量。Dong等[13]在3年田间试验中发现施用400℃制备的稻壳 (70%) 和棉花种壳 (30%) 生物炭30、60、90 t/hm2后，对石灰性冲积土土壤团聚体粒级分布无显著影响，但增加了 ＞ 0.25 mm粒级土壤大团聚体有机碳的含量。综上可知，生物炭对土壤团聚体的研究结果不一致，且多集中在室内培养实验和短期田间试验，基于长期田间试验下生物炭和氮肥对土壤团聚体组成与有机碳分布的影响研究较少，限制了生物炭长期施入后对土壤结构改良的理解。

基于此，本研究利用6年定位试验，分析不同生物炭和氮肥施用量对于冬小麦-夏玉米轮作体系下土团聚体特征、有机碳分布以及作物产量的影响效应，从农田土壤质量的角度为生物炭在农业生产中的应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在西北农林科技大学标本园进行，试验区位于 108°24′E、34°20′N，平均海拔 521 m，属暖温带季风性气候，年均日照时数2196 h，年均气温11～13℃，无霜期210 d，年均降雨量500～600 mm。

1.2 试验材料

生物炭是河南三利新能源公司用小麦秸秆为原料在500℃厌氧热解条件下制备所得，其基本理化性质为有机碳含量467.05 g/kg、全氮5.90 g/kg、全磷0.61 g/kg、全钾26.03 g/kg、钙10.02 g/kg、C/N比79.10、灰分含量20.8%，于2011年10月冬小麦种植前撒匀在土壤表面，用旋耕机翻10 cm混入耕层土壤。

供试土壤为土，2011年前土壤基本性质：粘粒36.5%、粉粒61.1%、砂粒2.4%，耕层 (0—20 cm)土壤含有机质14.09 g/kg、碱解氮51.22 mg/kg、速效磷7.61 mg/kg、速效钾150.06 mg/kg、pH值7.58(水土比 2.5∶1)。

1.3 试验设计

试验采用双因素随机区组设计，双因素分别为生物炭和氮肥。生物炭设四个水平，分别为0 kg/hm2(B0)、1000 kg/hm2(B1)、5000 kg/hm2(B2)、10000 kg/hm2(B3)，于2011年小麦季前一次性施入土壤中，之后不再补施。氮肥分为常规施氮肥 (NT) 和氮肥减量 (NH) 两个水平，所用肥料为尿素(含N 46%)和磷酸二铵(含N 18%)，2011—2016年小麦季常规施肥纯氮量为240 kg/hm2，尿素和磷酸二铵按1∶1比例于播前一次性施入；玉米季常规施肥纯氮量为240 kg/hm2，尿素60%和磷酸二铵100%于播前施入，拨节期追施尿素40%，两季总氮量共480 kg/hm2。氮肥减量从2014年开始，是在常规肥料施用下减半 (两季总氮量240 kg/hm2) 施入土壤中，共8个处理，每一处理设置3次重复，小区面积20 m2(5 m × 4 m)，其他管理同当地常规管理方式，处理间一致。

1.4 测定项目与方法

2016年夏玉米收获后，在每小区采用五点取样法采集0—10 cm、10—20 cm土层的原状土，并将土壤混合带入实验室 (避免挤压)，在室内风干过程中沿自然结构掰成小土块，过10 mm筛。

利用浙江托普云农科技股份有限公司生产的TTF-100型土壤团聚体分析仪进行土壤分离，用4个标准筛的孔径分别为2.0、1.0、0.5、0.25 mm，通过分离筛在水中上下震荡，最后从土壤中分离出5种粒径的团粒。具体做法：将原状土样干筛分为3级( ＞ 2 mm、1～2 mm、 ＜ 1 mm )；然后按其干筛百分数比称取样品，配成100 g样品置于团粒分析仪的筛组上；将筛组置于团粒分析仪的震荡架上，以3 cm振幅、30次/min的频率在水中震30 min (震荡过程中筛组上缘部分不得超出水面)；将各级筛子上的团聚体洗入已知质量的铝盒中，烘干称重[14]，＞ 0.25 mm粒级的团聚体称为水稳性大团聚体，＜ 0.25 mm粒级的团聚体称为水稳性微团聚体[15]。

土壤团聚体有机碳采用重铬酸钾容量法测定，全氮用K2SO4-CuSO4-Se催化剂和浓硫酸消煮后，用凯氏定氮法测定[16]。

土壤团聚体稳定性指标[17]：

平均重量直径 (MWD)、几何重量直径 (GMD)、＞0.25 mm团聚体含量 (R0.25) 分别按以下公式计算：

1.5 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据整理，SPSS软件对试验数据进行双因素方差统计分析并用最小显著极差法 (LSD法) 进行多重比较，显著性水平设定为P＜ 0.05。

2 结果与分析

2.1 生物炭和氮肥对土壤水稳性团聚体的影响

2.1.1 生物炭和氮肥对土壤水稳性团聚体百分含量的影响 表1表明，生物炭施用对土水稳性团聚体百分含量具有显著影响，与不施生物炭相比，施用生物炭显著提高两个土层 ＞ 2 mm、1～2 mm粒级团聚体的百分含量，增幅范围分别为3.5%～180.3%、9.4%～98.9%。

0—10 cm土层，氮肥减量下土壤1～2 mm粒级水稳性团聚体的百分含量显著高于常规施肥。常规施肥下，B3NT处理1～2 mm水稳性团聚体的百分含量最高，较B0NT处理提高了60.0%，＞ 2 mm粒级团聚体百分含量在B2NT处理下最高，但与B3NT处理无显著差异；氮肥减量下，B3NH处理 ＞ 2 mm、1～2 mm粒级水稳性团聚体百分重量最高，较B0NH分别提高了100%、98.9%。

10—20 cm土层粒级水稳性团聚体百分重量与0—10 cm土层不同，氮肥减量显著降低 ＞ 2 mm和0.5～1 mm粒级水稳性团聚体的百分含量。常规施肥下，B3NT处理 ＞ 2 mm、1～2 mm水稳性团聚体的百分含量分别较B0NT提高了162.3%、73.3%；氮肥减量下，B3NH处理 ＞ 2 mm、1～2 mm水稳性团聚体的百分含量较B0NH处理分别提高了122.0%、57.2%。

2.1.2 生物炭和氮肥对土壤团聚体稳定性的影响

生物炭施用会显著提高土壤水稳性团聚体的稳定性。与不施生物炭相比，施用生物炭的处理显著增加R0.25、MWD、GMD，提高土壤水稳性团聚体的稳定性，且随生物炭施用量的增加而增加(表2)。

0—10 cm土层，氮肥减量下R0.25、MWD、GMD显著高于常规施肥。常规施肥下，B3NT处理的R0.25、MWD、GMD较B0NT处理分别提高13.1%、25.0%、20.8%。氮肥减量下，B3NH处理三个指标较B0NH分别提高12.5%、31.7%、20.0% (表2)。

表 1 各处理0—10 cm和10—20 cm土层土壤水稳性团聚体组成 (%)Table 1 Soil water-stable aggregate contents in 0-10 cm and 10-20 cm soil layers in each treatment

表 2 各处理0—10 cm和10—20 cm土层土壤水稳性团聚体稳定性Table 2 Stability of soil water-stable aggregates in 0-10 cm and 10-20 cm soil layers in each treatment

与0—10 cm不同，10—20 cm土层下，氮肥和生物炭对土壤水稳性团聚体的稳定性存在显著的互作效应，且氮肥减量处理下R0.25、MWD、GMD显著低于常规施肥处理。常规施肥下，B3NT处理的R0.25、MWD、GMD较B0NT分别提高18.2%、36.4%、30.8%，且与B2NT无显著差异。氮肥减量下，B3NH处理三个指标R0.25、MWD、GMD较B0NH分别提高112.3%、65.7%、65.0%，且与B2NH无显著差异。与 B0NT 处理相比，B0NH 处理土壤水稳性团聚体的 R0.25、MWD、GMD 显著下降，三者分别降低了 79.2%、25.7%、30.0%，而 B3NH 与 B3NT 处理之间无显著差异。

2.2 生物炭和氮肥对土壤水稳性团聚体有机碳及其分配比例的影响

2.2.1 生物炭和氮肥对土壤水稳性团聚体有机碳的影响 表3表明，0—10 cm土层各粒级土壤有机碳含量高于10—20 cm。生物炭施用会显著提高土壤各粒级水稳定团聚体有机碳的含量，且增加的碳主要富集在大团聚体中。除0.5～1 mm粒级外，氮肥减量下土壤 ＞ 0.25 mm粒级水稳性团聚体有机碳显著高于常规施肥。

0—10 cm土层，常规施肥下，B2NT处理以 ＞2 mm、1～2 mm粒级有机碳含量最高，但与B3NT处理无显著差异。而氮肥减量下，B2NH处理 ＞ 0.25 mm粒级团聚体有机碳含量高于其他三个处理，各粒级分别较B0NH处理提高了28.8%、8.6%、11.2%、11.2%，但与B3NH处理无显著差异。

10—20 cm土层，常规施肥下，B1NT处理的 ＞0.5 mm粒级土壤水稳性团聚体有机碳的含量均为最高，较B0NT处理分别提高20.1%、15.8%、17.8%。氮肥减量下，生物炭处理下各粒级土壤水稳性大团聚体有机碳的含量均高于B0NH处理，B3NH处理下0.25～2 mm各粒级土壤水稳性团聚体有机碳的含量均最高，1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm粒级较B0NH处理分别提高27.7%、24.6%、39.1%，但与B2NH处理各粒级团聚体有机碳的含量无显著差异 (表 3)。

2.2.2 各粒级水稳性团聚体中有机碳的分配比例由图1可知，两土层各处理土壤有机碳主要分配在 ＜0.25 mm的团聚体中。与不施生物炭相比，施用生物炭增加了有机碳在 ＞ 2 mm和1～2 mm粒级水稳性团聚体的比例。

表 3 各处理0—10 cm和10—20 cm土层土壤各粒级水稳性团聚体中有机碳含量 (g/kg)Table 3 Organic C contents of water-stable aggregate fractions in 0-10 cm and 10-20 cm soil layers in each treatment

图 1 各处理0—10 cm和10—20 cm土层土壤水稳性团聚体中土壤有机碳的分配比例Fig. 1 Contributing rates of water-stable aggregates to soil organic C in 0-10 cm and 10-20 cm soil layers in each treatment

0—10 cm土层，常规施肥下，B3NT处理的 ＞2 mm和1～2 mm粒级水稳性大团聚体中土壤有机碳的比例显著高于B0NT和B1NT处理，而B3NT和B2NT之间无显著性差异。氮肥减量下，B3NH处理的土壤有机碳在 ＞ 2 mm和1～2 mm粒级水稳性大团聚体中的比例显著增加，分别比B0NH增加了194.8%、94.3%，也显著高于B1NH、B2NH处理。在生物炭施用量B3水平下，减氮处理B3NH显著提高了土壤有机碳在 ＞ 2 mm和1～2 mm粒级水稳性大团聚体中的比例，两粒级分别较常规施肥处理B3NT提高了19.4%、33.3%，同时显著降低了在 ＜ 0.25 mm粒级微团聚体中的比例。

10—20 cm土层，常规施肥下，B3NT处理显著降低 ＜ 0.25 mm粒级微团聚体对土壤有机碳的分配比例，较B0NT降低了13.4%。氮肥减量下，B2NH和B3NH处理 ＜ 0.25 mm粒级微团聚体对有机碳的分配比例显著降低，分别比B0NH降低了69.5%、70.8%。无生物炭施用下，减氮处理B0NH显著增加 ＜ 0.25 mm粒级微团聚体对有机碳的分配比例，较常规施肥处理B0NT增加了17.4%，但是在生物炭施用量B3下，B3NH和B3NT处理间土壤 ＜ 0.25 mm粒级微团聚体对土壤有机碳分配比例无显著性差异。

2.3 生物炭和氮肥对作物产量的影响

由表4可知，与不施生物炭相比，生物炭施用显著提高了2015～2016年冬小麦和夏玉米的产量。其中冬小麦产量随生物炭施用量的增加而增加，B3NT处理产量最高，且与B2NH、B3NH处理无显著差异，较B0NT处理增加17.2%，各处理产量B3NT ＞ B3NH ＞ B2NH ＞ B2NT ＞ B1NT ＞ B0NT ＞B1NH ＞ B0NH。夏玉米产量在B2NT处理下最高，较B0NT增加41.2%，且与B1NH、B2NH、B3NH处理差异不显著，各处理存在B2NT ＞ B3NH ＞B2NH ＞ B3NT ＞ B1NH ＞ B1NT ＞ B0NT ＞ B0NH 的规律。对于两季总产量，B2NT、B3NT和B3NH处理下两季作物总产量较高，分别较B0NT提高了27.0%、23.6%、27.9%，且三个处理之间无显著差异。

表 4 2015—2016年生物炭与氮肥配合处理的作物产量 (kg/hm2)Table 4 Crop yields in each biochar and N fertilizer treatment in 2015-2016

表 5 各指标间的相关性Table 5 Correlation between soil organic carbon and different indexes

2.4 各指标间的相关分析

通过对土壤全土有机碳、水稳性大团聚体的GMD以及总产量进行相关分析(表5)可知，各指标间存在正相关关系，其中水稳性团聚体的GMD与土壤有机碳有着显著相关性，而与作物总产量之间有着极显著相关性。表明水稳性团聚体的稳定性对土壤有机碳及作物总产量有明显的促进作用。

3 讨论

土壤团聚体是土壤肥力的物质基础，其含量与稳定性影响土壤质量的高低[18]。本研究试验结果表明，生物炭对土土壤团聚体组成及稳定性有显著影响，与不施生物炭相比，施用生物炭的处理显著增加 ＞ 1 mm粒级土壤水稳性大团聚体的百分含量，且显著增加土壤水稳性团聚体的R0.25、MWD、GMD，提高团聚体的稳定性。这与Du等[19]和Li等[20]的结果一致。Du等进行田间试验发现添加360℃制备的玉米芯秸秆生物炭4.5、9 t/hm2五年后，施用生物炭的处理显著增加0.25～2 mm粉砂黏壤土大团聚体的百分含量。Li等[20]通过两年田间试验表明施用450℃制备的小麦秸秆生物炭40 t/hm2显著增加亚热带红壤团聚体的MWD、GMD，提高团聚体的稳定性。这主要是由于生物炭因其多孔结构和巨大的比表面积，可以作为有机胶结剂促进土壤团聚体的形成[21-22]，且随着生物炭制备温度的升高，比表面积及孔径增大，表面的芳香化程度加深，吸附作用增强[23]。但Hardie等[24]发现，在施用550℃生产的合欢树废弃物生物炭47 Mg/hm2两年半后，砂壤土中团聚体的稳定性无显著变化。这可能主要与土壤类型有关，砂质土壤相比粘粉质土壤对土壤有机碳的吸附能力较差，不易与大分子有机质形成稳固的有机-无机复合体[25]，因而对生物炭的响应也不同。此外，10—20 cm土层，生物炭和氮肥对土壤团聚体的稳定性有显著互作效应，与常规施肥相比，氮肥减量下不施生物炭和配施生物炭1000 kg/hm2处理显著降低土壤水稳团聚体的稳定性，而配施生物炭5000 kg/hm2与10000 kg/hm2处理并无显著差异。说明当土壤肥力较低或氮肥减量下配合施用高量生物炭更有利于水稳性团聚体的稳定性。

土壤有机碳作为胶结物质在团聚体的形成过程中起着重要的作用。本研究表明小麦秸秆生物炭施用显著提高土有机碳的含量以及各粒级水稳性团聚体中有机碳的含量，且主要富集在 ＞ 0.25 mm粒级大团聚体中，这与李江舟等[26]的研究结果较为一致。李江舟等表明450℃制备的烟杆生物炭15 t/hm2、30 t/hm2显著增加云南烟区红壤土壤有机碳的含量以及0.25～2 mm粒级水稳性团聚体有机碳含量，且与其他粒级相比增幅最高。这主要是由于生物炭本身含有丰富的碳，随着施用年限的增加，生物炭中的碳会进入土壤中，增加土壤有机碳的含量[27]。尽管不同温度、不同材料制备的生物炭自身含有的碳含量各不相同，但是它们输入土壤后都会引起土壤碳含量不同程度的增加，与不添加生物质炭的土壤相比，施用生物炭的土壤碳含量始终可以维持在较高的水平[28]。且本试验 ＞ 0.25 mm粒级水稳定大团聚体的几何重量直径 (GMD) 与土壤全土有机碳含量存在显著正相关。说明水稳定大团聚体越稳定，促进土壤全土有机碳含量。一方面由于高温制备的生物炭表面含氧官能团丰富，吸附更多的有机物质[29]，促进更多的微团聚体胶结为土壤大团聚体，显著增加土壤大团聚体中有机碳的含量。另一方面可能是根系和菌丝可以直接促进大团聚体的形成[30]，而生物炭可通过提高作物根部真菌的繁殖能力[31]，促进大团聚体中有机碳的固定，两方面共同促进土壤有机碳的含量的提高。此外，本研究土中微团聚体含有较大比例，导致微团聚体对全土有机碳的分配比例最高，但生物炭的施入增加 ＞ 1 mm粒级土壤大团聚体有机碳的分配比例，有利于土壤大团聚体有机碳的固定，进而增加了土壤肥力。且在10—20 cm土层下，氮肥减量施用高生物炭量 (10000 kg/hm2) 对增加大团聚体对土壤有机碳的分配比例更为显著。这与黄超等[32]研究结果较为一致，表明生物炭对土壤养分的影响在肥力水平较低的土壤上明显高于肥力水平较高的土壤，因此，高量生物炭与氮肥配施显著提高土壤大团聚体中有机碳的固定，增加土壤全土有机碳的含量。

土壤水稳性团聚体作为土壤质量评价指标，在作物生长发育过程中起着重要作用。本研究表明生物炭和氮肥配施不同程度地增强团聚体的稳定性，提高两季作物总产量，以B3NH处理下综合表现最佳，且作物产量与土壤水稳性团聚体GMD存在显著的正相关性。这说明稳定的土壤团聚体能为作物生长提供良好的土壤环境，提高作物对养分的利用，进而增加作物产量。袁晶晶等[33-34]同样也表明350～500℃过程制备的花生壳生物炭和氮肥配合施用提高枣园土壤团聚体的稳定性，且土壤的理化性质和微生态环境方面较不施生物炭有明显改善，为枣树生长提供了良好的生长条件，进而提高了红枣产量。综合本试验结果，生物炭10000 kg/hm2配施氮肥240 kg/hm2更有利于增强耕层土土壤团聚体的稳定性，增加有机碳的固定以及提高轮作体系下冬小麦和夏玉米的总产量。

本研究主要集中在生物炭和氮肥对土壤团聚体物理化学性质的研究，应在此基础上增加土壤生物性状的研究，这样才能更好地揭示生物炭与氮肥对土团聚体组成和有机碳分布变化的机理，为生物炭在农业生产中的合理应用提供科学依据。

4 结论

通过六年田间定位试验表明，生物炭对土耕层土壤团聚体分布及作物产量的提升有显著作用。施用生物炭显著增加了 ＞ 2 mm、1～2 mm粒级水稳性大团聚体的百分含量以及团聚体R0.25、MWD、GMD稳定性指标，且施用生物炭10000 kg/hm2土壤水稳性团聚体最稳定。氮肥减量下施用生物炭有利于土壤大团聚体的形成，有机碳向大团聚体中分配，增加作物总产量，其中氮肥减量配施生物炭10000 kg/hm2效果最显著。与0—10 cm土层相比，10—20 cm土层氮肥减量降低了土壤团聚体的稳定性，而施用生物炭10000 kg/hm2可改善土壤团聚体的稳定性，改变有机碳分布。综上，供试条件下，生物炭10000 kg/hm2配施氮肥240 kg/hm2对提高土耕层土壤团聚体稳定性及作物总产量效果最佳。