孙强 ，杨旭 ，孟军 ，兰宇 ，韩晓日 *

（1.农业农村部生物炭与土壤改良重点实验室，沈阳 110866；2.沈阳农业大学国家生物炭研究院，沈阳 110866；3.沈阳农业大学土地与环境学院农业资源与环境博士后流动站，沈阳 110866）

全球土壤含有约2 344 Gt 有机碳，是陆地生态系统中最大的有机碳库[1]。农田生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，是陆地生态系统中最活跃的碳库[2]。农田土壤有机碳水平对于维持土壤肥力，保障农田生产力有着至关重要的作用[3]。农田土壤碳库产生微小的波动就会对大气温室气体浓度产生重要影响[1-2]。土壤团聚体是土壤结构的最基本单元，团聚体的形成与稳定受到生物与非生物因素调控。适宜的团聚体分布会改善土壤结构，大团聚体含量高的土壤是土壤结构优良的体现。土壤有机碳与土壤团聚体密切相关，土壤有机碳是土壤团聚体形成过程中的重要胶结物质，而土壤团聚体是土壤有机碳储存的重要场所。土壤团聚体对有机碳的物理保护也被认为是有机碳在土壤中长久保存的主要机制[4]。

生物炭具有含碳量高、孔隙结构发达、理化性质稳定且富含营养元素等特点，同时也具备来源广泛、固碳潜力巨大的性质，所以生物炭作为土壤改良剂在近年来受到广泛关注[5-7]。据研究表明，生物炭显著提高了大团聚体中的有机碳含量进而促进了大团聚体的形成[7]。高鸣慧等[8]研究发现，生物炭对棕壤耕层大团聚体及团聚体有机碳都具有显著的提升效果。林洪羽等[9]研究发现生物炭结合化肥配施显著提高了土壤有机碳含量，并促进了<0.053 mm 粒径团聚体向大团聚体组分转化。根据meta-analysis 的研究结果表明，生物炭作为土壤改良剂对土壤团聚体具有显著的促进效果[10]。但同时也有研究结果表明，生物炭作为土壤改良剂对团聚体没有显著影响或负面影响[11-12]。其原因可能和生物炭的种类、试验土壤类型和试验年限有关。前人已经针对生物炭对土壤有机碳和团聚体开展了相关的研究，但均在单一的生物炭施用量下研究土壤耕层有机碳和团聚体变化的结果，而生物炭对土壤团聚体及有机碳空间分布的影响尚不清楚。本研究基于大田试验，探讨一次性施用生物炭5 a 后棕壤团聚体及有机碳空间分布的变化，以期提升生物炭对土壤团聚体及有机碳空间分布的认识。

棕壤是中国东北地区典型耕作土壤之一，面积约占辽宁省总耕地面积的36.1%，是辽宁省重要的耕地土壤类型。棕壤土层深厚，结构合理，水热条件好，对保障国家粮食安全具有重要的战略意义[13]。但是由于近几十年来棕壤的过度开发和掠夺式的经营，导致棕壤有机碳含量持续下降，结构变差，土壤功能退化明显。所以应用生物炭对棕壤进行改良具有广阔的前景和重要的意义。以往的研究主要集中在室内模拟培养试验或是盆栽试验，试验年限较短，缺乏较长时间尺度的大田试验研究结果，或者只针对生物炭对大田土壤耕层的影响，对土壤团聚体空间变化及有机碳空间分布研究较少。谢祖彬等[14]对已发表的文献研究分析，在时间尺度上，生物炭大量的相关研究没有超过1 a，2 a 以上的研究仅占5%。本研究以棕壤区5 a 玉米连作定位试验为基础，以一次性施入不同生物炭量的试验处理为研究对象，对棕壤团聚体空间分布、团聚体有机碳含量及贡献率开展研究，旨在为生物炭对棕壤改良提供依据，并保障辽宁棕壤区农田生态环境，获得生态、经济、社会效益协调发展的可持续农业技术。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验区概况

供试土壤为棕壤，属发育在第四纪黄土母质上的潜育湿润淋溶土。试验所用生物炭为玉米秸秆生物炭，产自辽宁金和福农业开发有限公司。生物炭的制备过程为将玉米秸秆粉碎后置于炭化炉中，在限氧环境下450 ℃热解炭化，热解持续时间为1 h。生物炭产品在装袋之前粉碎过2 mm 筛，生物炭的颗粒分布情况为>0.25 mm 占比50.8%±1.2%，0.053~0.25 mm 颗粒占比 42.2%±1.5%，<0.053 mm 颗粒占比 7.0%±0.9%。供试土壤及生物炭性质见表1。试验区位于沈阳农业大学生物炭长期定位试验站，该地区气候类型为温带湿润-半湿润季风气候。冬春季干旱少雨，夏秋季湿润多雨，年平均气温约为7.0~8.1 ℃，年平均降雨量约为574~684 mm，无霜期约为150 d。作物生育期内平均降雨量为547 mm，平均气温为20.7 ℃，适宜作物生长。

表1 供试土壤及生物炭基础性质Table 1 Basic properties of the tested soil and biochar

1.2 试验设计

试验开始于2013年5月初，于2017年9月下旬取得土壤样品。种植作物为春玉米，种植模式为玉米连作，种植密度为60 000 株·hm-2。共设4 个处理，分别为 C0：不施生物炭；C1：于 2013 年 5 月播种前一次性施用生物炭 15.75 t·hm-2；C2：于 2013 年 5 月播种前一次性施用生物炭 31.50 t·hm-2；C3：于 2013 年 5 月播种前一次性施用生物炭47.25 t·hm-2。试验小区面积为36 m2（3.6 m×10 m），三次重复，随机区组排列。于2013 年5 月初将生物炭人工均匀撒播在试验区的表面，随后用旋耕机将生物炭与耕层土壤充分混合。各处理施肥量一致，均为逐年施入N 120 kg·hm-2、P2O560 kg·hm-2、K2O 60 kg·hm-2。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 样品采集

采用剖面取土法在小区进行五点法取样，分别取得原状土样品和散土样品。取样深度为0~20、20~40 cm 和40~60 cm。将所取样品带回实验室风干，原状土样品在风干的过程中手工沿土壤自然结构掰开，过8 mm 筛，待完全风干后用于团聚体筛分。另取同样深度的散土样品，运回实验室风干，拣除小石子和植物残留物，分别过100目和10目筛用于土壤有机碳和pH的测定。

1.3.2 测定方法

土壤团聚体的测定采用经典湿筛法[15]。使用XY-100 型团聚体筛分仪将团聚体分为>2 mm（粗大团聚体），0.25~2 mm（细大团聚体），0.053~0.25 mm（微团聚体）和<0.053 mm（粉黏粒）四个组分。各粒径团聚体烘干称质量后过100 目筛用于土壤有机碳分析。取过100 目筛的散土样品用于土壤有机碳的分析。土壤有机碳采用元素分析仪（Elementar Macro Cube，Langenselbold，德国）测定。另取过10目筛的散土10 g 加25 mL 去离子水，用搅拌器充分搅拌1 min后静置30 min，用pH 计（HANNA HI2221，意大利）测定pH。

1.3.3 团聚体稳定性

采用常规表征团聚体稳定性的方法，对平均质量直径（MWD），几何平均直径（GMD），大团聚体含量（R>0.25mm）和分形维数（D）进行计算，计算公式如下：

1.3.4 团聚体有机碳贡献率

每一粒径团聚体的相对有机碳贡献率采用如下公式计算：

1.4 数据分析

采用Excel 2016 对所有数据进行处理，所有数据均采用平均数±标准偏差的形式。利用SPSS 22.0 对所有数据进行单因素方差分析，处理间差异采用LSD最小显著差异法多重比较（P<0.05）。采用Origin2022绘图。

2 结果与分析

2.1 生物炭对团聚体空间分布的影响

如图1a 所示，0~20 cm 耕层一次性施用生物炭5 a 后，与C0 相比较，各施炭处理土壤耕层大团聚体的含量显著增加，粉黏粒组分含量均显著降低，C1、C2和C3 处理分别降低了15%、30.0%和14.7%。微团聚体组分含量未受生物炭施入的影响。只有C1 和C2处理显著提高了粗大团聚体的含量，分别提高了1.2%和19.5%，而只有C3 显著提高了细大团聚体的含量，提高了14.6%。

如图1b 所示，生物炭对20~40 cm 土层土壤团聚体的分布也产生了显著的影响。与0~20 cm 耕层不同，微团聚体在该土层内含量最高。与C0 相比较，C1、C2处理仅微团聚体含量显著降低，细大团聚体组分含量显著提高（P<0.05），其余各组分则无显著变化；而C3处理微团聚体和粉黏粒组分均显著下降，细大团聚体组分含量显著增加（P<0.05）。各处理粗大团聚体含量无显著差异。

如图1c 所示，40~60 cm 土层主要以微团聚体和粉黏粒组分占主导地位。与C0 相比较，仅有C3 处理显著降低了粉黏粒组分，并且提高了细大团聚体组分（P<0.05）；与C1、C2 相比较，C3 处理的粉黏粒组分也显著降低，细大团聚体组分含量显著提高。各处理粗大团聚体含量无显著差异（P>0.05）。

图1 生物炭施用量对不同土层土壤团聚体分布的影响Figure 1 Effects of biochar dosages on soil aggregate distribution

随着土层深度的增加，土壤团聚体的组成逐渐发生变化，耕层土壤中大团聚体占主导地位，其含量为55.13%~61.91%；20~40 cm 土层中大团聚体含量占比为38.84%~50.23%；40~60 cm 土层中大团聚体含量则为18.88%~26.14%；微团聚体和粉黏粒组分在40~60 cm 土层占据主导地位，含量分别为35.83%~39.09%和18.88%~26.14%。

2.2 生物炭对团聚体稳定性的影响

土壤团聚体稳定性通常由MWD、GMD、大团聚体含量及分形维数来表示。MWD、GMD的数值及大团聚体含量越高，表明团聚体的稳定性越高，土壤结构越好。由图2 可知，在0~20 cm 土层，各处理水稳性团聚体的MWD的大小顺序为 C2>C1>C3=C0，GMD的大小顺序为C2>C1=C3>C0，R>0.25mm的大小顺序为C2>C3>C1>C0，同时生物炭的施用显著降低了分形维数（P<0.05）。而在20~40 cm 土层，生物炭仍然提高了水稳性团聚体的MWD、GMD以及R>0.25mm，但仅有C3处理显著提高了MWD和GMD（P<0.05），C1、C2 和 C3处理均显著提高了R>0.25mm（P<0.05），分别提高12.78%、17.57%和29.32%。生物炭也降低了该土层的分形维数值，并且在C2 和C3 处理达到了显著水平（P<0.05）。在 40~60 cm 土层内，与 C0 相比，仅有 C3处理显著提高了水稳性团聚体的MWD和R>0.25mm，并且显著降低了分形维数值（P<0.05），而C1、C2未对团聚体稳定性产生显著影响（P>0.05）。总之，生物炭施用后颗粒分解缓慢，参与了土壤团聚体的形成过程，提高团聚体稳定性，降低土壤分形维数。

2.3 生物炭对不同土层土壤有机碳含量的影响

由图3 可知，0~20 cm 土层有机碳含量的大小顺序为 C3>C2>C1>C0（P<0.05）。与 C0 相比，C1、C2 和C3 处理均显著提高了0~20 cm 土层的土壤有机碳含量，分别提高了6.81%、11.06%和41.62%。20~40 cm土层有机碳含量大小顺序与0~20 cm 土层变化规律一致，与 C0 相比，C1、C2 和 C3 处理分别提高了92.36%、111.63%和123.25%（P<0.05）。在40~60 cm土层中，与C0相比，仅有C3处理显著提高了有机碳含量（P<0.05），有机碳含量增加了4.67%，C1、C2处理与C0 相比有机碳含量无显著差异。土壤有机碳含量与施炭量关系密切，生物炭施用量越高，土壤有机碳提升幅度越大。但有机碳的提升并不是随着生物炭施用量线性增加的，这可能是由于生物炭进入土壤以后部分会矿化分解为小分子有机碳（包括溶解性组分），它们可以通过与土壤本底有机碳作用（如竞争吸附位点）释放出溶解性有机碳，并促进其向下迁移，从而提高亚表层土壤有机碳含量。生物炭的施用也会提高土壤孔隙度，从而促进生物炭颗粒向下运移。

图3 生物炭施用量对不同土层土壤有机碳含量的影响Figure 3 Effects of biochar dosages on SOC content of different soil layers

2.4 生物炭对团聚体有机碳含量及有机碳贡献率的影响

不同生物炭施用量对土壤团聚体有机碳含量的影响如表2 所示。在0~20 cm 土层，随着生物炭施用量的增加，耕层团聚体有机碳含量的提高效果越显著。与C0 相比，C3 处理显著提高了各粒径团聚体有机碳含量，>2 mm、0.25~2 mm、0.053~0.25 mm和<0.053 mm 分别提高了 24.03%、59.21%、46.72%和20.89%。C2 显著提高了除粉黏粒组分外所有粒径团聚体有机碳含量，但>2 mm 组分与C0 相比差异不显著，C1 只显著提高了>2 mm 组分团聚体有机碳含量。

表2 土壤团聚体有机碳含量Table 2 Soil aggregate associated organic carbon contents

在20~40 cm 土层，各生物炭处理均显著提高了团聚体有机碳的含量（P<0.05）。与C0 相比，C1、C2、C3 处理分别提高>2 mm 团聚体有机碳含量54.20%、98.95%、128.36%；0.25~2 mm 团聚体有机碳含量93.02%、127.43%、206.48%；0.053~0.25 mm 团聚体有机碳含量76.60%、65.71%、376.60%；<0.053 mm 团聚体有机碳含量11.42%、6.62%、114.61%。

在40~60 cm 土层，生物炭对微团聚体有机碳含量无显著影响（P>0.05）。与C0 相比，C1、C2、C3 均显著提高了>2 mm 团聚体有机碳含量，分别提高了6.79%、42.30%、101.57%；C1、C2、C3 提高了 0.25~2 mm 团聚体有机碳含量17.12%、24.18%、114.95%；仅C3处理显著提高了<0.053 mm 组分的有机碳含量，提高了19.52%。

通过对各土层各粒径土壤团聚体有机碳相对贡献率的计算可以得知（表3），0~20 cm 土层中，土壤有机碳主要分布在>0.25 mm 的团聚体中。总体而言，生物炭的施用降低了0~20 cm 土层<0.053 mm 粒级团聚体的有机碳贡献率，而提高了大团聚体（>0.25 mm）的有机碳贡献率。20~40 cm 土层土壤有机碳主要集中分布在>0.053 mm 各粒径土壤团聚体中。各生物炭处理均降低了<0.053 mm粒径团聚体有机碳贡献率。40~60 cm 土层团聚体有机碳主要集中分布在<0.25 mm 各粒径团聚体中，C1、C2、C3 处理相比 C0 分别降低了<0.053 mm 的团聚体有机碳贡献率9.28%、5.06%、24.57%。

表3 土壤团聚体有机碳的相对贡献率Table 3 Relative contributions of aggregate associated organic carbon

2.5 生物炭对土壤pH的影响

如表4 所示，随着生物炭施用量的提高，棕壤pH值随之显著提高（P<0.05）。在施用生物炭当年，与C0 相比，C1、C2 和 C3 的 pH 值分别提高了 2.5%、6.1%和 8.8%；在施用生物炭 5 a 后，与 C0 相比，C1、C2 和C3 的pH 值分别提高了3.9%、6.0%和9.7%。经过5 a的田间试验，生物炭施用量相同处理的土壤pH 年际间无显著变化，说明生物炭对棕壤pH 的影响具有持久性。

表4 生物炭对土壤pH的影响Table 4 Effects of biochar dosages on soil pH

3 讨论

3.1 生物炭施用量对土壤团聚体分布的影响

土壤团聚体是由矿物和有机物通过物理、化学和生物过程形成的实体[16]。土壤团聚体是土壤有机碳的赋存场所，土壤有机碳也为土壤团聚体的形成提供了胶结物质[17-18]。近十年来，生物炭因其潜在的农艺效应而备受关注。生物炭对土壤团聚体的影响具有不一致的研究结果。大量的研究表明生物炭的施用能够改善土壤的团聚性[19-22]，但也有研究表明生物炭作为土壤改良剂对土壤团聚性没有影响甚至具有负面影响[11，23-24]。本研究发现，在 0~20 cm 土层中，各处理间0.053~0.25 mm 粒径团聚体含量无显著差异，但生物炭促进了<0.053 mm 粒径团聚体向>2 mm 和0.25~2 mm 粒径团聚体转化。20~40 cm 土层中主要以0.053~0.25 mm 为主，占比35.36%~39.79%，各生物炭处理的0.053~0.25 mm 和<0.053 mm 粒径团聚体含量下降，>2 mm 和0.25~2 mm 团聚体组分含量显著提高。这说明经过5 a 的试验，生物炭的施用对20~40 cm 团聚体的形成也有促进作用。40~60 cm 土层则只有C3处理对团聚体的分布产生了显著影响。上述结果与李倩倩等[25]的研究结果相类似，即施用生物炭5 a后，表层（0~10 cm）塿土大团聚体含量及稳定性响应最佳的生物炭施用量为 40 t·hm-2，而 60 t·hm-2或 80 t·hm-2对表层以下土壤大团聚体含量及团聚体稳定性有更好的提升效果。上述结果表明生物炭经过5 a的时间，生物炭小颗粒及可溶性有机碳等会在土层内发生垂直运移，运移到相应土层的生物炭颗粒和可溶性有机碳等能作为胶结剂将较小粒径的团聚体团聚成为大团聚体，从而促进大团聚体的形成。生物炭的施用也会促进玉米根系的生长，提高玉米根系的生物量[26-27]，根系分泌物利于土壤微生物的生长[28]，微生物群落及生物多样性也趋于改善，释放更多的胶结剂促进土壤大团聚体的形成[29-30]。此外，生物炭在土壤中的老化过程也会导致其表面趋于与黏土矿物复合，这些作用促成了土壤团聚体的形成。

3.2 生物炭施用量对土壤团聚体稳定性的影响

MWD、GMD和R>0.25mm是表征团聚体稳定性的常规指标。上述指标越大，表明土壤团聚体的稳定性越强。生物炭提高了棕壤0~20 cm 土层的MWD、GMD和R>0.25mm，并且呈现出 C2 最大，C1 和 C3 次之，C0 最小的规律。这说明生物炭作为土壤改良剂有其适宜的施用量，过量施用生物炭会降低团聚体的稳定性。随着土层的深入，20~40 cm 与40~60 cm 土层的MWD、GMD和R>0.25mm随着生物炭施用量的增加而提高，并且C3 处理显著高于C0 处理。分形维数也能反映土壤团聚体的稳定性，其值越小说明团聚体越稳定[31]。在本研究中，生物炭显著降低了0~20 cm 土层的分形维数，其中C3 处理最低。在20~40 cm 和40~60 cm 土层中，C3 处理显著降低了土壤的分形维数。综上所述，生物炭作为土壤改良剂显著提高了0~20 cm 土层的团聚体稳定性，并且C2 处理对土壤团聚体稳定性的提升效果最好。随着土层深度的增加，C3处理对20~40 cm 和40~60 cm 土层团聚体稳定性的提升效果最佳。本研究结果与侯晓娜等[32]研究结果不一致，侯晓娜等[32]的研究发现生物炭对砂浆黑土MWD、GMD和R>0.25mm无显著影响，而吴鹏豹等[33]研究发现施用生物炭18个月后，花岗岩砖红壤的GMD显著增加，李江舟等[34]研究发现生物炭显著提高了云南烟区红壤MWD、GMD和R>0.25mm。不同研究结果的差异可能与土壤类型、试验年限以及环境差异等因素有关。

3.3 生物炭施用量对土壤有机碳及土壤团聚体有机碳的影响

生物炭含有大量稳定的有机碳，所以生物炭被视为提高土壤有机碳含量的理想材料[5]。本研究中，各生物炭处理不仅显著提高了0~20 cm 土层土壤有机碳含量（P<0.05），同时也对20~40 cm 和40~60 cm 土层有机碳含量产生了影响。其中，20~40 cm 土层与0~20 cm 土层有机碳变化规律一致，但40~60 cm 土层仅C3处理有机碳含量显著高于其他处理。上述现象说明生物炭在田间可能发生了垂直运移的现象，并且这种现象随着施用量的增加而逐渐增强。这说明生物炭的施用不仅提高了0~20 cm 土层的有机碳含量，对土壤更深层次固碳也起到了积极的作用。生物炭提高土壤有机碳的机制主要体现在两个途径，首先，生物炭自身含有大量的稳定有机碳，作为土壤改良剂混入土壤后提高了土壤有机碳含量[5]；其次，生物炭作为土壤改良剂能够通过负激发效应提高土壤有机碳含量[35]。至于C3处理40~60 cm 土壤有机碳含量仍然显著高于其他处理，其原因可能是由于C3 处理生物炭施用量高，土壤孔隙增大，向下垂直运移的生物炭颗粒也随之变多。

通常情况下，随着土壤团聚体粒径的增加，团聚体有机碳含量也随之增大[36]。在本研究中，0~20 cm土层中有机碳含量最高的是0.25~2 mm 粒径团聚体，>2 mm 粒径团聚体有机碳含量次之，0.053~0.25 mm粒径团聚体有机碳浓度最低。与此同时，除<0.053 mm 粒径团聚体外，各生物炭处理下各粒径团聚体有机碳含量均显著高于C0 处理，说明生物炭作为外源有机碳优先分布在粒径较大的团聚体中，此结果与前人研究结果一致[37]。在20~40 cm 土层和40~60 cm 土层中，各生物炭处理显著提高了大团聚体（0.25~2 mm和>2 mm）有机碳的含量（P<0.05）。这说明生物炭细小颗粒等通过土壤孔隙、作物根系生长、土壤动物运动等过程运移到20~40 cm 和40~60 cm 层次，运移到相应土层的生物炭促进了大团聚体的形成。

通过分析各粒径团聚体有机碳贡献率的变化，能够从表观了解生物炭对土壤有机碳在团聚体中分布的影响。土壤团聚体有机碳贡献率受团聚体的分布和各粒径团聚体有机碳含量两个因素影响。李江舟等[34]的研究发现，连续施用生物炭3 a 后，大团聚体有机碳的贡献率显著升高。徐国鑫等[38]研究发现，经过1 a的试验，土壤有机碳主要分布在<0.053 mm粒级团聚体中。不同的研究结果可能与不同的试验环境、年限及生物炭种类和土壤类型有关。本研究中，生物炭处理均显著降低了<0.053 mm 粒级团聚体有机碳贡献率，说明生物炭在棕壤中起到了促进大团聚体形成、提高棕壤团聚体稳定性的作用。而与此同时，更多大团聚体的形成也对棕壤有机碳形成了物理保护，从而降低了土壤微生物对有机碳的分解[39]。

4 结论

（1）一次性施入生物炭5 a 后，棕壤耕层（0~20 cm）大团聚体的含量显著提高，粉黏粒含量显著降低，棕壤团聚体的平均质量直径、几何平均直径均显著增加，分形维数显著降低。生物炭提高了团聚体有机碳的含量，并且提高大团聚体有机碳贡献率。对耕层土壤团聚性提升效果最好的生物炭量是31.50 t·hm-2。

（2）在20~40 cm 土层，生物炭改变了土壤团聚体的分布，促进微团聚体及粉黏粒组分向大团聚体转化，进而提高了大团聚体的含量和团聚体的稳定性。

（3）在 40~60 cm 土层中，仅有 C3 处理显著增加了土壤有机碳含量、大团聚体含量和团聚体的稳定性。C1、C2 处理未提高40~60 cm 土壤有机碳含量，但C1、C2 提高了40~60 cm 土层大团聚体有机碳含量，并促进了土壤有机碳向大团聚体的分配。因此，棕壤施用生物炭是提高棕壤有机碳含量、改良土壤结构、增加土壤碳汇的有效手段。