生物炭与秸秆加对砂姜黑土团聚体组成和有机碳

分类：论文范文 发表时间：2021-04-20 09:33

　　摘要：【目的】研究生物炭与秸秆添加对砂姜黑土团聚体组成、稳定性以及不同粒级团聚体有机碳分布的影响，为砂姜黑土黏板障碍因子改良和合理培肥制度建立提供科学依据。【方法】在光照培养室内用砂姜黑土进行的培养试验，试验设置4个处理：对照（不施有机物料，CK）、单施生物炭（5%生物炭，B）、单施秸秆（1.5%玉米秸秆，S）和生物炭与秸秆配施（5%生物炭+1.5%的玉米秸秆，BS）。培养6个月后采集土壤样品，利用湿筛法得到不同粒级的土壤水稳性团聚体，测定各粒级土壤团聚体有机碳含量。【结果】不同有机物料处理对＞2mm团聚体含量影响较大，其中施用秸秆显著提高了该粒级团聚体含量。单施生物炭有利于0.053—0.25mm粒级团聚体含量的增加；施用秸秆有利于0.5—2mm团聚体含量的增加，较对照显著增加14%—68%。单施生物炭对平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和大于0.25mm团聚体含量（R0.25）无显著影响，单施秸秆和生物炭与秸秆配施则显著提高了MWD、GMD和R0.25。同时，各有机物料施用都显著降低了团聚体分形维数（D）。与对照相比，各有机物料处理土壤有机碳含量都显著提高，其中生物炭与秸秆配施处理含量最高，较对照提高了160%。各有机物料处理不同粒级团聚体中有机碳含量也显著提高，与对照相比，各粒级有机碳含量提高了54%—353%。随土壤粒径的增大，添加生物炭处理不同粒级团聚体有机碳含量分布呈现“V”型趋势，单施秸秆处理呈逐渐增加趋势。大团聚体有机碳的贡献率为S处理＞BS处理＞CK处理＞B处理，微团聚体则表现出相反的规律。0.5—1mm粒级团聚体对土壤有机碳的贡献率最大，为6%—33%。【结论】单施生物炭对土壤水稳性大团聚体含量和团聚体稳定性的影响不显著，而生物炭与秸秆配施不仅能提高土壤大团聚体含量，增加土壤团聚体的稳定性，而且提高土壤及不同粒级团聚体的有机碳含量，改善了土壤性状。相比之下，生物炭与秸秆配施是改善砂姜黑土结构和提升碳水平的最佳培肥措施。

　　关键词：生物炭;秸秆;砂姜黑土;土壤有机碳;土壤团聚体

　　0引言

　　【研究意义】土壤团聚体和有机碳是土壤肥力的两大指标。其中，土壤团聚体作为土壤的基本结构单位，决定着土壤的诸多性质和肥力[1]。各粒级团聚体的数量分布和空间排列方式决定了土壤孔隙的分布和连续性，进而决定了土壤的水力性质和通透性能，并影响土壤生物的活动和养分的保持与供应[2]。所以，团聚体组成在协调土壤水肥气热方面起着重要作用。而作为土壤团聚体质量评价的重要指标，土壤团聚体平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）是土壤结构的评价指标之一。GMD是建立在团聚体分布服从对数正态分布的基础上的，然而很多研究认为团聚体分布并不是对数正态分布而是具有分形特征[3]。近年来许多研究者将分形理论应用在土壤团聚体研究中，采用分形维数（D）定量地描述土壤团聚体的结构。关于土壤分形特征的研究认为，质地越粗，粒径分布的分形维数越小[4]，土壤结构和稳定性越好。另外，土壤有机碳作为土壤质量的核心要素，不仅影响着土壤物理、化学和生物学各个过程，而且是全球碳循环的重要组成部分。土壤有机碳的维持与提升对于保障粮食安全和缓解气候变化均有重要意义。土壤团聚体和有机碳之间通常有着密切的联系，一方面团聚体的包被作用可以使其内部的有机碳得到物理保护而免受微生物的分解，增加土壤有机碳的稳定性；另一方面土壤有机碳是重要的胶结物质，能够增强土粒的团聚性、促进团粒结构的形[5-7]。因此，研究生物炭与秸秆配施对砂姜黑土团聚体组成以及有机碳分布的影响，对于指导砂姜黑土培肥改良的有机物料选择具有重要的实践意义。【前人研究进展】关于施用有机物料对土壤团聚体组成及有机碳分布的影响已成为近年来的研究热点。向艳文等[8]研究表明，长期施用化肥和稻草不仅增加了水稻土2—5mm和0.5—2mm水稳性团聚体含量，还提高了该粒级团聚体内的有机碳含量、全氮和可矿化氮含量，同样在华北平原棕壤土上，秸秆施用也显著增加土壤有机碳含量和提升土壤水稳性团聚体的稳定性[9]。Lu等[10]开展稻壳生物炭对土壤团聚体形成和稳定性影响的研究，发现6%稻壳生物炭不仅显著提高变性黏土2—5mm和0.25—0.5mm大团聚体含量，同时又可以减小＜0.25mm微团聚体含量，显著提高了MWD和GMD，这可能是由于生物炭可以通过提高红壤的有机碳含量以及有机碳各组分含量提高土壤团聚体的形成[11]。综上可知，秸秆和生物炭的添加对土壤团聚体稳定性及其有机碳分布有较大的影响。【本研究切入点】砂姜黑土通常土质黏重，结构发育不好，团聚体稳定性也较差。生物炭作为一种相对新型的材料，其土壤改良功能近年来受到广泛关注[12]。然而，关于生物炭以及生物炭配施秸秆对砂姜黑土土壤团聚体组成及有机碳分布的影响，至今尚不十分清楚。【拟解决的关键问题】本研究采用室内培养试验，通过对砂姜黑土团聚体组成、稳定性以及各粒级团聚体有机碳分布的变化进行研究，以期明确生物炭以及配施秸秆对砂姜黑土团聚体组成及有机碳分布的影响，为砂姜黑土障碍因子改良和合理培肥制度的建立提供科学依据。

　　1材料与方法

　　1.1供试材料

　　供试土壤：0—20cm耕层土壤，采自河南省驻马店市西平县砂姜黑土，土壤质地为黏壤土。其基本性质为：有机碳含量15.87g·kg-1，碱解氮116.90mg·kg-1，速效磷28.49mg·kg-1，速效钾189.62mg·kg-1，pH为6.04。

　　1.2试验设计

　　培养试验设4个处理，不添加任何物料的对照（CK），添加5%土壤质量的生物炭（B），添加1.5%土壤质量的秸秆（S），添加5%的生物炭+1.5%的秸秆（BS）。每个处理重复3次。生物炭与秸秆过1mm筛后按上述比例与过2mm筛风干土混匀。每个塑料盆中添加混合土样的量为500g（风干土与所加物料的总重），按田间最大持水量的70%加入蒸馏水，盖上盆盖，但不完全密封，以便气体交换。在（25±1）°C恒温条件下培养，培养过程中用称重法补足水分，以保持土壤含水量恒定。

　　2结果

　　2.1土壤团聚体组成

　　不同有机物料处理对砂姜黑土团聚体组成具有显著影响（表1）。与对照相比，B处理没有增加＞2mm粒级团聚体含量，添加秸秆处理（S、BS）显著增加该粒级团聚体含量。B处理显著降低1—2mm和0.25—0.5mm粒级团聚体含量，分别降低31%和24%，而BS处理显著提高1—2mm粒级团聚体含量，达14%。与此同时，秸秆施用提高了0.5—1mm粒级团聚体含量，且以S处理提高最多，为68%。从微团聚体来看，与对照相比，土壤中添加有机物料后，粒级0.053—0.25mm团聚体含量除B处理显著提高外其余变化不显著。对于＜0.053mm粒级，各有机物料处理下该粒级含量都显著降低，B、S和BS处理分别降低10%、49%和52%。与S处理比较，BS处理＜0.053mm粒级含量有所降低，但未达到显著水平。

　　2.2土壤团聚体稳定性

　　本研究的MWD、GMD和R0.25结果如表2所示。与对照相比，B处理MWD、GMD和R0.25差异不显著。而添加秸秆的S和BS处理的土壤团聚体MWD、GMD和R0.25值均显著提高，S处理分别提高99%、87%和47%，BS处理分别提高77%、74%和38%。S处理与BS处理的MWD和GMD差异显著，R0.25值无显著差异。

　　3讨论

　　3.1不同有机物料处理对土壤水稳性团聚体组成及稳定性的影响

　　生物炭单独施入砂姜黑土6个月后，与对照相比，大团聚体中0.25—0.5mm显著降低，但是水稳性大团聚体和微团聚体变化不显著。而Sun等[17]通过180d的室内培养试验，发现源自稻草的生物炭（strawbiochar）和废水污泥生物炭（wastewater-sludgebiochar）与黏质土壤配施（生物炭与土比例2%、4%、6%）显著增加了2—5mm和0.25—0.5mm大团聚体组分，而源自木屑生物炭（woodchipsbiochar）对大团聚体的形成无显著作用。本研究结果与其源自木屑生物炭效应一致，这可能与生物炭制备原料、工艺或培养时间等因素有关[18]。另外，本试验S处理显著提高了＞0.5mm团聚体的含量，这是由于秸秆还田后分解产生如多糖、蛋白质、木质素等不同种类的有机质以及由于土壤中微生物活性提高而形成腐殖物，这些土壤中重要的有机胶结物质对大团聚体的形成及稳定产生了积极影响[19]。关松等[20]研究了室内模拟情况下添加玉米秸秆对黑土团聚体组成的影响，发现添加玉米秸秆不但显著增加＞2mm大团聚体含量，还使其＜0.25mm团聚体含量降低。同时，本试验添加秸秆处理显著降低了＜0.053mm微团聚体的含量，其含量变化与大团聚体变化相反。

　　3.2不同有机物料处理对土壤各粒级团聚体有机碳含量及分配的影响

　　生物炭通常含碳40%—75%，具有高度羧酸酯化和稳定的芳香化结构，高温制备下的生物炭表现出高度的化学和生物稳定性[23]。本试验生物炭为500°C高温制备的，化学性质稳定，不易被矿化，施入土壤能够提高土壤的有机碳含量。秸秆还田可以提高土壤有机物质输入量，减少土壤有机碳矿化分解，增加土壤有机碳含量[24-25]。本研究结果也发现，无论是生物炭秸秆单施还是生物炭与秸秆配施，土壤有机碳含量都显著提高,说明有机物料添加对土壤有机碳含量的提高有重要作用[25]。

　　References

　　[1]文倩,关欣.土壤团聚体形成的研究进展.干旱区研究,2004,21(4):435-438.WenQ,GuanX.Progressinthestudyonsoilaggregateformation.AridZoneResearch,2004,21(4):435-438.(inChinese)

　　[2]刘中良,宇万太.土壤团聚体中有机碳研究进展.中国生态农业学报,2011,19(2):477-455.LiuZL,YuWT.Reviewofresearchesonsoilaggregateandsoilorganiccarbon.ChineseJournalofEco-Agriculture,2011,19(2):447-455.(inChinese)

　　[3]RieuM,SpositoG,Fractalfragmentation,soilporosityandsoilwaterproperties:IIApplications.SoilScienceSocietyofAmericaJournal,1991,55(5):1239-1244.

　　侯晓娜1，李慧1，朱刘兵1，韩燕来1，唐政2，李忠芳2，谭金芳1，张水清3

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