龙杰琦, 姚 婷, 苗淑杰, 钟 鑫, 高雅晓玲, 乔云发

(南京信息工程大学 应用气象学院, 南京 210044)

生物炭(biochar)是在低氧或缺氧条件下，将农作物秸秆、木质物质、禽兽粪便等有机物料经过高温热解而形成的产物，生物炭具有热稳定性强、可溶性低和巨大的比表面积等理化特性[1-3]，在农业领域内被广泛应用，改善了土壤理化性质。一方面，生物炭作为胶结剂能将微团聚体胶结成大团聚体，促进团聚体形成，增加土壤大团聚体数量和稳定性[4-6]；另一方面，生物炭具有延迟侵蚀土壤产流时间、改变土壤饱和导水率和延缓土壤肥料养分释放的作用，起到了减流减沙、增强土壤抗蚀性的效应[7]。近些年，生物炭作为土壤修复的改良剂被广泛应用。李江舟等[8]在红壤上连续3 a施用生物炭，显著提升土壤大团聚体含量和团聚体稳定性；Walters等[9]，王冲等[10]研究表明，生物炭改善土壤团聚体结构，提高土壤耕层的有效肥力，且能缓解土壤有机质的下降趋势，同时促进作物生长。相比其他改良添加剂，生物炭不仅能改善土壤侵蚀状况，增加土壤有机质含量，还能培肥地力，达到增产的目的[11]。

东北黑土区作为商品粮生产基地之一，近年来，掠夺式种植导致水土流失加重，据黑龙江省水土保持科学研究所第二、第三次土壤侵蚀遥感调查数据显示，东北黑土区侵蚀面积为4.47×104km2，占总面积的37.9%，其中水力侵蚀面积为36 344.31 km2[12]。目前，东北黑土区黑土层平均厚度仅有30 cm多，同时坡耕地黑土层变薄速率达2～3 mm/a[13]，这严重破坏土壤团聚结构。团聚体是土壤结构的重要指标[14]，其数量与质量决定了土壤性质和供肥能力，团聚结构的退化将导致土壤肥力降低，威胁粮食生产[15]。修复侵蚀土壤的关键是修复材料的选择，生物炭因其特有的理化性质，已成为新兴的土壤修复添加剂。目前大多数研究主要集中在生物炭对土壤理化性质及作物产量方面[16-17]，而施用生物炭对侵蚀黑土团聚化过程的影响研究却很少。因此，本研究依托侵蚀黑土长期修复模拟定位试验平台，以修复材料生物炭与土壤团聚结构的相互关系为切入点，结合胶结剂有机碳和分散剂交换性钠，探讨生物炭对侵蚀黑土团聚体修复效果，揭示生物炭对侵蚀黑土团聚体的影响机制，为进一步利用生物炭修复侵蚀土壤提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验布设在中国科学院海伦农业生态试验站(47°27′20″N，126°55′49″E)，位于黑龙江省松嫩平原腹地黑土地带，该区属于中温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，雨热同期，年均降水量530 mm，平均蒸发量2 300 mm，年均气温1.5 ℃，全年有效积温(≥10 ℃)2 450 ℃，无霜期125 d，坡度为3°～8°，海拔约210 m，地势平坦[18]。供试土壤为黑土，母质为第四纪黄土。试验初始时土壤有机碳30.14 g/kg，全氮2.32 g/kg，全磷1.67 g/kg。

1.2 试验设计

选取2011年中国科学院海伦农业生态试验站建立的侵蚀土壤修复长期定位试验的4个处理：未剥离农田作为对照(CK)，未剥离农田施用生物炭(CK+BC)，表土0—15 cm土层剥离模拟侵蚀土壤(RS)，表土0—15 cm土层剥离模拟侵蚀土壤施加生物炭(RS+BC)，每个处理3次重复，小区面积为4 m×3 m。2011年试验开始时施用生物炭12 000 kg/hm2，田间管理与当地农业生产一致。

1.3 土壤采集与处理

2019年10月1日采集土样，取深度为0—20 cm的耕层土样，每个小区采用“S”型3点采集，充分混匀为一个土样，共采集12份土壤样品。带回实验室后，沿土壤结构的自然纹理掰分成小团块，将土样平摊在阴凉干燥处，阴干后去除杂质备用。

1.4 测定方法

采用Six的团聚体湿筛法[19]，套筛孔径依次为2，0.25，0.053 mm。将土样浸润糊化10 min后倒入套筛，团聚体分析仪上下筛分频率为20 r/min，筛分10 min。筛分结束后，用蒸馏水冲洗套筛上的各级团聚体至已称重烧杯里，65 ℃下烘干至恒重，并计算各粒级团聚体含量。团聚体几何平均直径(GMD)和粒径大于0.25 mm团聚体百分含量(R0.25)的计算公式[20]为：

(1)

(2)

原土和各粒级团聚体研磨过100目筛，用元素分析仪(Vario EL Ⅲ)测定碳含量，交换性钠采用乙酸铵交换—火焰光度计法测定[21]。

1.5 数据分析

采用Excel 2010软件整理数据并作图，SPSS 21.0软件进行单因素方差分析，LSD法进行多重比较，设置显著度p为0.05。

2 结果与分析

2.1 生物炭对团聚体含量和分布的影响

4种处理水稳性团聚体各粒级分布相似(图1)，以0.25～2 mm粒级团聚体含量最多，其次是0.053～0.25 mm和<0.053 mm粒级，最少的是>2 mm粒级团聚体，各粒级所占比例分别是59.27%～69.57%，15.04%～20.11%，11.86%～15.83%和3.30%～5.94%。生物炭对黑土大团聚体含量有显著影响，不同粒级团聚体差异较大。与CK处理相比，CK+BC处理中0.25～2 mm粒级团聚体含量增加14.01%，RS+BC处理0.25～2 mm粒级团聚体含量显著高于侵蚀前土壤；RS+BC处理中0.25～2 mm粒级团聚体含量比RS处理增加了12.11%。由此可见，生物炭促进土壤0.25～2 mm粒级团聚体的形成，特别是对侵蚀黑土团聚体修复有显著效果。在>2 mm，0.053～0.25 mm和<0.053 mm粒级团聚体中，4个处理间差异均不显著。

注：①CK为未剥离农田作为对照；CK+BC为未剥离农田施用生物炭；RS为表土0—15 cm土层剥离模拟侵蚀土壤；RS+BC为表土0—15 cm土层剥离模拟侵蚀土壤施加生物炭； ②仅对同一粒级进行了不同处理间统计分析，图中不同字母表示同一粒级之间的比较结果差异显著。下同。

2.2 生物炭对团聚体稳定性的影响

GMD和R0.25是团聚体稳定性的重要指标，生物炭的施用提高了黑土团聚体的稳定性见图2。与对照CK处理相比，CK+BC处理中团聚体的GMD增加了18.00%，R0.25值提高了14.06%。与RS处理相比，RS+BC处理中团聚体的GMD和R0.25值分别增加了8.16%和7.69%。然而，这两个参数在CK和RS处理间以及CK+BC和RS+BC处理间差异均不显著。这些结果表明生物炭不仅能提高传统农田土壤团聚体的稳定性，对侵蚀土壤团聚体稳定性的修复效果也非常有效。

图2 不同处理土壤团聚体稳定性

2.3 生物炭对团聚体有机碳含量的影响

生物炭对增加土壤和大团聚体中有机碳含量的影响较大。图3表明，相同处理中不同粒径团聚体SOC含量随粒径减小呈现先升高后降低的变化规律，其中各处理0.25～2 mm粒级团聚体中SOC含量最高。施用相同生物炭，未侵蚀土壤上曾施生物炭CK+BC处理比其对照未施用生物炭CK处理土壤有机碳含量增加了19.72%；侵蚀土壤施用生物炭RS+BC处理比RS处理增加了22.05%。在>2 mm和0.25～2 mm粒级中，CK+BC的SOC含量分别比CK增加了12.54%和21.35%，RS+BC的SOC含量比RS处理分别增加了10.47%和16.02%。在<0.053 mm中，RS+BC比RS处理增加了33.81%。CK和CK+BC处理间以及RS和RS+BC处理间的SOC含量在0.053～0.25 mm中差异均不显著。因此，施加生物炭对增加侵蚀黑土有机碳含量有显著效果。

图3 不同处理土壤和各粒级团聚体有机碳含量

2.4 生物炭对土壤交换性钠含量的影响

生物炭增加了黑土中作为高强度分散剂的交换性钠含量，且对未剥离农田的影响更大(图4)。施用生物炭的CK+BC和RS+BC处理的土壤交换性钠含量均高于其未施用生物炭的CK和RS处理，与CK处理相比，CK+BC处理中的交换性钠含量增加了46.88%，RS+BC比RS处理高37.93%。结果表明施用生物炭增加了土壤交换性钠含量，并且对侵蚀土壤中交换性钠含量的增幅影响要小于未侵蚀土壤。

图4 施用生物炭对土壤交换性钠的影响

2.5 团聚体稳定性与交换性钠和SOC的相关性分析

土壤团聚化过程是黏结剂和分散剂共同作用结果。由图5可知，团聚体GMD与黏结剂SOC呈显著线性正相关关系Y=0.008X+0.228(r=0.892)，其斜率0.008即为黏结率；而GMD与分散剂交换性钠呈显著负相关关系，Y=-0.493X+0.709(r=0.872)，其斜率-0.493即为分散率。施用生物炭CK+BC和RS+BC处理黏结剂有机质增加，导致团聚体GMD分别增加了0.11，0.05。同时，Na+的增加使GMD分别相对减少了0.09，0.03。结果表明SOC对团聚体的胶结作用大于Na+的分散作用，SOC对Na+负效应的补偿使土壤团聚体稳定性处于平衡状态。

图5 团聚体GMD与SOC，交换性钠的相关性

3 讨 论

3.1 生物炭对土壤团聚体有机碳的影响

土壤团聚体的数量与质量是评价土壤团聚化的重要指标，决定土壤的性质和肥力，并通过对土壤水与通气性等产生作用来间接影响土壤生产力[22-23]。本研究在2011年施完生物炭的9 a后，生物炭增加了未侵蚀和侵蚀土壤大团聚体含量，并提高了土壤团聚体的GMD和R0.25，这与李倩倩等[24]在进行生物炭对塿土容重和团聚体稳定性的影响研究中得出生物炭能增加大团聚体含量和提高团聚体稳定性的结论一致。有机碳作为带电胶体，在团聚体形成过程中起到重要作用[25]，随着生物炭的施用，土壤有机碳含量均增加，生物炭对侵蚀土壤中原土有机碳含量的增幅大于生物炭施在未剥离的传统农田，提升效果较好。本研究施用生物炭提升土壤有机碳含量主要来自于0.25～2 mm和>2 mm粒径团聚体中有机碳增加的结果，这与李江舟等[8]在研究云南烟区红壤团聚体时得出施加生物炭显著增加>0.25 mm粒级团聚体有机碳含量的结论相一致。大团聚体中的有机碳含量高，原因可能是通过有机碳的胶结作用形成大团聚体并增加其有机碳含量[26]。综上可知，与未剥离农田和侵蚀土壤相比，施加生物炭均促进土壤微团聚体向大团聚体团聚化，提高土壤有机碳含量，有助于改善侵蚀后的农田黑土结构状况。

3.2 生物炭对黑土团聚体稳定性机制的调节

团聚体是土壤有机碳的重要储存场所，史奕等[27]指出有机质含量高和熟化度高的黑土中有机胶结剂的胶结作用是形成水稳性团聚体的主要机制。本研究中，通过将生物炭施用前后4个处理的土壤团聚体GMD与土壤交换性钠和SOC含量作线性相关，9 a后分别呈线性正相关和负相关，生物炭使胶结剂有机碳和分散剂交换性钠含量增加，土壤团聚体GMD随前者增大，随后者减小。生物炭能与土壤颗粒形成团聚体和有机无机复合物，使团聚体具有较强富集外源有机碳的能力，从而增加有机碳含量，促使土壤团聚体的稳定性增大，这与其他学者研究结果相似[28-29]。自然条件下，土壤胶体表面阳离子的吸附强度主要取决于离子的水合半径，在土壤的一价阳离子中，由于Na+的水合半径较大，其外表较厚的水膜使Na+与胶体表面的距离相对较远，吸附力弱，所以生物炭增加Na+含量会促使团聚体破坏，导致土粒分散，使得土壤团聚体稳定性降低。土壤团聚体的稳定是交换性钠对团聚化的负效应与有机碳对团聚化的正效应相平衡的结果。有机碳促进土壤团聚体胶结作用大于交换性钠引起团聚体分散的作用，生物炭的施用增加了土壤胶结粒，对土壤中Na+的分散作用起到一定的补偿，进而降低Na+对团聚体的破坏效应，二者的综合作用使土壤团聚体稳定性保持在一个平衡状态，促进侵蚀土壤团聚化稳定性的提高。

4 结 论

生物炭修复侵蚀黑土团聚体的效果显著，生物炭显著增加了侵蚀土壤大团聚体含量、GMD和R0.25值，侵蚀黑土的有机碳含量得到显著提升。施用生物炭对胶结剂(有机碳)比对分散剂(Na+)影响大，胶结剂SOC与分散剂Na+的综合作用促进了土壤团聚体稳定性的提高。生物炭作为侵蚀黑土修复剂，改善黑土侵蚀后的结构，促进了土壤团聚化，对侵蚀土壤具有良好的修复作用。