李佳軼 ，劉 文 ，任天寶 ，李亞森 ，王省偉 ，劉英杰 ，殷全玉 ，樊鵬飛 ，劉國順 *

（1．河南農(nóng)業(yè)大學煙草學院/國家煙草栽培生理生化研究基地，河南 鄭州 450002；2．河南省煙草公司鄭州市公司，河南 鄭州 450002；3．河南省生物炭工程技術(shù)中心/生物炭技術(shù)河南省工程實驗室，河南 鄭州 450002）

土壤碳庫是全球碳循環(huán)的重要組成部分，據(jù)統(tǒng)計，全球陸地土壤碳庫碳儲量約為1 500 Pg（以C計），占陸地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量的67%［1-2］。土壤碳庫儲量是衡量土壤肥力的重要指標，土壤有機碳是影響土壤肥力和作物產(chǎn)量高低的決定性因子，也是土壤中較為活躍的土壤組分，維持著土壤與大氣之間的碳素平衡，并可保持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的長期可持續(xù)發(fā)展［3］。增加土壤有機碳對于提高土壤碳匯能力、保障糧食安全及延緩全球氣候變暖具有重要意義［4-5］。土壤碳庫變化主要發(fā)生在活性碳庫中，土壤有機碳中的活性組分是指土壤中穩(wěn)定性差、周轉(zhuǎn)速率快、易礦化分解，在土壤中移動快、易受植物和土壤微生物影響、活性較高的那部分有機碳［3，6］。土壤活性有機碳占土壤總有機碳的比例雖小，但其可以靈敏地反應(yīng)土壤碳庫的微小變化，可作為土壤有機碳有效性和土壤質(zhì)量的早期指標［3］。因此，研究土壤活性有機碳對了解土壤碳庫變化和土壤固碳減排有重要意義。

生物炭是生物質(zhì)（如農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物和工業(yè)廢棄物等）在250～700℃無氧或限氧條件下，熱解炭化而成的一類孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、含碳量高、比表面積大、吸附性能較強和抗分解能力極強的高度芳香化的含碳物質(zhì)［7-10］。目前，生物炭作為一種土壤改良劑受到了學術(shù)界的廣泛關(guān)注。在農(nóng)業(yè)縱深領(lǐng)域，圍繞生物炭在土壤、作物和環(huán)境系統(tǒng)中的作用與機理問題，各國研究者進行了諸多探索，初步證實了生物炭在改善土壤結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)，提高作物產(chǎn)量，治理環(huán)境污染以及增加“農(nóng)業(yè)碳匯”，減少溫室氣體排放等方面具有的重要作用［11-15］。同時，也有一些研究報道顯示，生物炭在土壤改良方面作用效果不顯著，甚至存在負面效應(yīng)［16-18］。生物炭對土體的改良效果易受多種因素的影響，與其應(yīng)用土壤固有的特征和生物炭本身特性有關(guān)，生物炭粒徑也是其中一個重要的影響因素。前人研究多著眼于生物炭類型［19］、裂解溫度［20］或生物炭施用量［21］等的土壤改良效果，關(guān)于生物炭粒徑對土壤的影響的研究還鮮見報道。本研究以植煙土壤為對象，通過向土壤中添加不同粒徑的生物炭，來探究生物炭粒徑對土壤物理特性和土壤碳庫的影響，以期為生物炭的土壤改良效應(yīng)提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為砂壤土，取自河南農(nóng)業(yè)大學許昌校區(qū)現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)科技園區(qū)試驗田（34°13′N，113°80′E）0～30 cm土層，土樣經(jīng)風干后過1 cm孔徑篩。供試土壤基礎(chǔ)肥力見表1。

供試生物炭為花生殼炭，由河南省生物炭工程技術(shù)中心提供；在400℃密封低氧條件下連續(xù)炭化制成，經(jīng)Mastersizer 2000激光粒度儀檢測，供試生物炭：500～2 000 μ m的顆粒組成占47.79%，250～ 500 μ m的 顆 粒 組 成 占20.96%，20～250 μ m的顆粒組成占25.47%，＜20 μ m的顆粒組成占5.78%；一部分使用LZQS-400超微粉碎機進行超微粉碎處理制得粒徑（100%）＜20 μ m生物炭；一部分生物炭經(jīng)干燥處理后依次用0.250 mm和0.500 mm孔徑標準檢驗篩進行篩分，制得粒徑在20 ～ 250、250 ～ 500、500～ 2 000 μ m 的生物炭。各粒徑生物炭具體性質(zhì)見表2。

表1 供試土壤基礎(chǔ)肥力

表2 供試生物炭理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

采用盆栽試驗，供試烤煙品種為K326；試驗設(shè)5個處理，各處理10盆，3次重復(fù)，分別為CK（常規(guī)施肥），T1（CK+500～ 2 000 μ m生物炭 100 g/盆），T2（CK+250 ～ 500 μ m 生物炭 100 g/盆），T3（CK+20 ～ 250 μ m 生物炭 100 g/盆），T4（CK+＜20 μ m 生物炭 100 g/盆）。盆大小（外口徑×高×底徑）為38.5 cm×39.5 cm×27 cm，每盆裝土20 kg，每盆施氮（N）5 g，氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）比例為1∶1.5∶3，移栽前將生物炭、肥料與土壤均勻混入盆中。室外自然條件下將盆栽按120 cm×50 cm的行株距置于壟上，并于2017年5月9日完成移栽，移栽后7 d進入團棵期；30 d后進入旺長期，65 d后開始采烤下部葉，于9月7日上部葉采烤結(jié)束。移栽后人工補水方式采用插管滴灌，以防止土壤板結(jié)。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 樣品采集

土壤、肥料、生物炭混勻后即取樣測定容重、田間持水量；此后從烤煙移栽后30 d開始取樣，每15 d取一次樣，直至移栽后90 d結(jié)束。每次采集同處理3個盆栽0～20 cm土壤并裝入同一自封袋，土壤樣品帶回實驗室后除去動物、植物凋落物及根系后充分混勻。一部分土樣立即過篩后，測定土壤含水量、土壤微生物量碳（MBC）等；另一部分土樣風干過篩后測定團聚體、土壤有機碳（SOC）、可溶性有機碳（DOC）、易氧化有機碳（ROC）等指標。

1.3.2 測定方法

土壤容重采用環(huán)刀法測定［22］。

田間持水量測定參考威爾科克斯法進行［23］：選取2個100 cm3環(huán)刀，每次測量兩個環(huán)刀放入相同土樣，分別記作上環(huán)刀與下環(huán)刀。上環(huán)刀放入水面略低于環(huán)刀上緣的水盆中飽和24 h后，取下上環(huán)刀底蓋放置濾紙后與下環(huán)刀對接，并用橡皮圈固定。排水8 h后稱上環(huán)刀質(zhì)量。計算前后2次質(zhì)量差，得出土樣田間持水量。

土壤團粒結(jié)構(gòu)采用濕篩法：稱取移栽后90 d風干土50 g，蒸餾水浸潤20 min，然后將土樣依次通過2、1、0.5、0.25 mm的土篩，然后啟動團聚體分析儀，轉(zhuǎn)速設(shè)置為20 r/min，工作20 min后關(guān)機并沖洗收集留在每個篩子上面的土壤，分析儀中水土懸濁液過0.106 mm篩，將篩上土樣淋洗入鋁盒，在50℃下烘干，稱重。

土壤SOC含量用全自動C、N元素分析儀（Vario MAX CN，德國）測定；土壤MBC采用氯仿熏蒸浸提法［24］，土壤MBC含量（Bc）=Ec/Kc，Ec為未熏蒸與熏蒸土壤的浸取有機碳的差值，Kc為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值0.38；土壤ROC采用333 mmol/L KMnO4氧化法；土壤DOC采用水提取過濾的方法［25］。

以對照土壤作為參考土壤，活性有機碳含量取全時期平均值；碳庫管理指數(shù)的計算公式［26］：

碳庫指數(shù)（CPI）=樣品總有機碳含量/參考處理土壤總有機碳含量；

碳庫活度（A）=活性有機碳含量/非活性有機碳含量；

碳庫活度指數(shù)（AI）=樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度；

碳庫管理指數(shù)（CPMI）=碳庫指數(shù)（CPI）×碳庫活度指數(shù)（AI）×100；

活性有機碳有效率（ER）=活性有機碳含量/土壤總有機碳含量；

活性有機碳氧化穩(wěn)定系數(shù)（Kos）=非活性有機碳含量/活性有機碳含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析采用 SPSS 23.0 和 Excel 2016軟件進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理特性對生物炭粒徑的動態(tài)響應(yīng)

2.1.1 土壤容重對生物炭粒徑的動態(tài)響應(yīng)

如圖1所示，各處理土壤容重整體表現(xiàn)為先增加后趨于平穩(wěn)的趨勢；土壤容重隨時間增加是因為灌溉及自身重力作用，土壤結(jié)構(gòu)逐漸沉實緊密；而土壤質(zhì)地決定了土壤容重的上限，所以后期趨于穩(wěn)定。添加不同粒徑生物炭后，整個生育期除45 d的T1外，各個時期各生物炭粒徑處理均較CK有不同幅度降低（1.23%～4.13%），T1較CK僅在60 d達到顯著性差異（P＜0.05），T4降幅最大，在各個時期為最低值且較CK存在顯著性差異（P＜0.05），與其余處理間差異性不一致；各處理容重平均值及容重降低幅度均表現(xiàn)為 T4＜T3＜T2＜T1＜CK。說明增施生物炭能降低土壤容重，而生物炭的粒徑越小越有利于降低土壤容重；而土壤容重降低幅度與生物炭的施用量有密切關(guān)系，各處理間差異性不一致很大可能是由于本試驗選擇了低劑量（0.5%）的生物炭施用量。

圖1 不同處理土壤容重的動態(tài)變化

2.1.2 田間持水量對生物炭粒徑的動態(tài)響應(yīng)

土壤田間持水量反映了土壤的持水能力，是表現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一。如圖2所示，各處理田間持水量在整個生育期呈現(xiàn)緩慢降低的趨勢，均在75 d達到最低值；其中施入生物炭的處理較CK均提高了土壤田間持水量（4.7%～7.2%），且均達到顯著性水平（P＜0.05）；不同粒徑處理的田間持水量的提高幅度有差異，表現(xiàn)為T4＞T3＞T2＞T1；T2、T3、T4處 理 較T1在30 d達 顯 著 性 差 異（P＜0.05），其余時期處理間差異性不一致，但3個小粒徑處理間無顯著性差異，且T4處理始終處于最大值。說明增施生物炭能顯著提高土壤田間持水量，而生物炭粒徑越小越有利于提高土壤田間持水量。

圖2 不同處理田間持水量的動態(tài)變化

2.1.3 生物炭粒徑對土壤水穩(wěn)性團聚體的影響

土壤水穩(wěn)性團聚體能夠反映土壤結(jié)構(gòu)保持和養(yǎng)分供應(yīng)能力。由表3可以看出，CK處理土壤的團粒結(jié)構(gòu)均以微團聚體為主，CK、T1至T4處理＜0.25 mm團聚體含量分別為60.52%、59.14%、58.18%、58.48%、55.91%。施生物炭處理均顯著提高了團聚體平均重量直徑（MWD）；T4處理顯著提高了＞2 mm團聚體含量（P＜0.05）；MWD也以T4最大，顯著高于CK和T1處理，T2、T3、T4處理間無顯著差異，T4相對于其他處理WMD分別提高了12.05%、6.9%、2.2%、2.2%，這說明T4處理的團聚體最為穩(wěn)定。

表3 不同處理水穩(wěn)性團聚體含量

2.2 有機碳組分對不同粒徑生物炭施用的動態(tài)響應(yīng)

2.2.1 不同粒徑生物炭施用對土壤總有機碳的影響

土壤總有機碳（TOC）含量是衡量土壤肥力水平的重要指標之一，生物炭施用對土壤TOC含量存在很大影響。如圖3所示，各處理土壤TOC含量均隨烤煙生育期的推進呈現(xiàn)緩慢降低的趨勢，在烤煙生長季，土壤TOC含量變化范圍為7.37～12.07 g/kg。生物炭的施用較常規(guī)施肥顯著增加了（P＜0.05）土壤TOC含量，從整個烤煙生育期來看，各處理土壤TOC平均含量表現(xiàn)為T2（11.616 g/kg）＞T4（11.408 g/kg）＞T3（11.402 g/kg）＞T1（11.334 g/kg）＞CK（7.91 g/kg），生物炭處理相較于常規(guī)施肥土壤TOC含量增加了43.29%～46.85%。同時，方差分析結(jié)果顯示，不同粒徑生物炭處理之間土壤TOC含量并未呈現(xiàn)出顯著性差異?？梢?，生物炭施用可顯著增加土壤TOC含量，而生物炭粒徑大小對土壤TOC含量并無顯著影響。

圖3 不同處理土壤總有機碳的動態(tài)變化

2.2.2 不同粒徑生物炭施用對土壤微生物量碳的影響

土壤微生物量碳（MBC）是土壤有機碳的重要組成部分，也是土壤活性有機碳的重要指標，在土壤肥力和植物營養(yǎng)中具有重要的作用［27］。如圖4所示，在整個烤煙生育期內(nèi)，各處理土壤MBC含量具有相同的動態(tài)變化趨勢，均隨著時間的推進而增加，在烤煙旺長后期達到最大值。從整體來看，各處理土壤MBC含量表現(xiàn)為T1（161.57 mg/kg）＞CK（157.47 mg/kg）＞T2（156.76 mg/kg）＞T3（151.41 mg/kg）＞T4（146.11 mg/kg）。方差分析結(jié)果顯示，不同烤煙生育期不同處理間土壤MBC含量具有顯著差異。在移栽后60 d內(nèi)，T1和T2處理土壤MBC含量相較于常規(guī)施肥有顯著提高（P＜0.05），即常規(guī)粒徑的生物炭施用在烤煙生長初期較常規(guī)施肥可顯著增加土壤MBC含量（P＜0.05），而在移栽60 d后，生物炭處理土壤MBC含量均顯著低于常規(guī)施肥處理（P＜0.05）。同時，不同粒徑生物炭處理間土壤MBC含量也存在顯著性差異。在烤煙移栽45 d后，不同粒徑生物炭處理間土壤MBC含量均表現(xiàn)為T1＞T2＞T3＞T4，小粒徑生物炭處理較常規(guī)粒徑顯著降低了土壤MBC含量。

圖4 不同處理土壤微生物量碳的動態(tài)變化

2.2.3 不同粒徑生物炭施用對土壤易氧化有機碳的影響

烤煙生長季土壤易氧化有機碳（ROC）含量動態(tài)變化如圖5所示，隨著烤煙的生長，各處理土壤ROC含量也呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。在整個烤煙生育期內(nèi)，土壤ROC含量變化范圍為0.91～2.22 g/kg，各處理平均土壤ROC含量表現(xiàn)為T4（1.96 g/kg）＞T3（1.91 g/kg）＞T2（1.90 g/kg）＞T1（1.87 g/kg）＞CK（1.04 g/kg）。方差分析結(jié)果顯示，生物炭處理土壤ROC含量較常規(guī)施肥顯著增加了80.31%～89.58%（P＜0.05）。不同生育期不同粒徑生物炭處理之間土壤ROC含量也存在顯著性差異，在整個生育期內(nèi)，T4處理土壤ROC含量較其他粒徑生物炭處理顯著增加2.67%～5.3%（P＜0.05）。在烤煙移栽30 d后，常規(guī)粒徑生物炭處理土壤ROC含量均顯著低于小粒徑生物炭處理，而T2與T3處理間土壤ROC含量差異不顯著（P＜0.05）。因此，生物炭施用可顯著增加土壤ROC含量，且小粒徑生物炭施用較常規(guī)粒徑生物炭可顯著增加土壤ROC含量，且隨生物炭粒徑的減小而增加。

圖5 不同處理土壤易氧化有機碳的動態(tài)變化

2.2.4 不同粒徑生物炭施用對土壤可溶性有機碳的影響

如圖6所示，在烤煙生長季中，土壤可溶性有機碳（DOC）含量存在明顯的季節(jié)格局，各處理動態(tài)變化均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。在烤煙生育期內(nèi)，土壤DOC含量變化范圍為99.87～371.27 mg/kg，各處理平均土壤DOC含量表現(xiàn)為T4（356.64 mg/kg）＞T3（304.88 mg/kg）＞T2（298.03 mg/kg）＞T1（279.89 mg/kg）＞CK（199.40 mg/kg）。不同處理間土壤DOC含量有顯著差異，方差分析結(jié)果顯示，生物炭施用處理土壤DOC含量較常規(guī)施肥處理顯著增加，增加范圍為40.37%～78.85%。同時，移栽30 d后，小粒徑生物炭處理土壤DOC含量較常規(guī)粒徑顯著增加了6.48%～27.42%，且T4處理土壤DOC含量在各時期均顯著高于其他生物炭處理。從中可知，生物炭施用顯著增加了土壤DOC含量，且粒徑越小，含量越高。

圖6 不同處理土壤可溶性有機碳的動態(tài)變化

2.3 不同生物炭粒徑對碳庫管理指數(shù)的影響

土壤碳庫管理指數(shù)（CPMI）能有效的監(jiān)測土壤碳的動態(tài)變化，是評價施肥耕作對土壤質(zhì)量影響的最好指標［28］。從表4可以看出，施入生物炭后，土壤CMPI顯著增加（P＜0.05），表現(xiàn)為T4＞T3＞T2＞T1＞CK，以 T4 增幅最大，各處理分別較CK高71.57%、74.89%、77%、86.17%；施生物炭處理間，T4顯著高于其余3個處理（P＜0.05）?；钚杂袡C碳（LOC）、碳庫活度指數(shù)（AI）與CPMI變化趨勢一致。這表明施加生物炭能顯著提高土壤的CPMI，且生物炭粒徑越小，對土壤CPMI的提升作用越大。

表4 不同處理對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

3 討論

3.1 不同粒徑生物炭對土壤理化特性的影響

土壤容重可以在一定程度上表現(xiàn)土壤的通透性，影響土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與利用，影響土壤中水、肥、氣、熱等因子的變化以及作物根系在土壤中的生長，是反映土壤結(jié)構(gòu)情況和緊密程度的基本物理指標。一般而言，容重較小的土壤結(jié)構(gòu)相對松散，透水透氣性好；反之，土壤相對緊密，透水透氣性差。所以，容重降低則表明土壤結(jié)構(gòu)得到了改善。生物炭自身疏松多孔，容重小于土壤，施入土壤后能改善土壤結(jié)構(gòu)。本試驗研究表明施用生物炭均能降低土壤容重，且對土壤容重影響程度表現(xiàn)為T4＞T3＞T2＞T1，表明粒徑越小的生物炭，越有利于土壤容重的降低，這可能是因為生物炭粒徑越小，其比表面積、孔體積越大，越能提高土壤可利用空間，從而改善土壤結(jié)構(gòu)。也有研究表明單施生物炭不一定能顯著降低土壤容重，這與生物炭的施用量有密切關(guān)系。張明月［29］研究表明，當生物炭摻量體積比＞1/15時，土壤容重顯著降低，而＜1/15時，隨著生物炭施入量減小差異不顯著。生物炭自身容重小，加入土壤后可降低土壤容重，但當生物炭添加量很小時，這種作用效果不明顯［30］，這能解釋為什么本試驗各生物炭處理間差異不一致。若想進一步了解粒徑對生物炭降低土壤容重的作用，還需提高不同粒徑生物炭的施用量，進一步進行驗證。

田間持水量是指土壤能夠穩(wěn)定保持的最高土壤含水量，它的數(shù)值反映了土壤保水能力的大小，常作為灌水定額的最高指標，對指導(dǎo)生產(chǎn)有重要意義，可作為土壤中對植物有效水的上限和計算灌溉水定額的依據(jù)［31］。由于生物炭的多孔特性和較大的表面能，使其可以吸附超過自身十倍重量的水分［32］。李金文等［30］研究發(fā)現(xiàn)，生物炭的粒徑對土壤的物理化學特性具體一定影響，特別是對土壤的導(dǎo)水性和持水性。本試驗中，添加生物炭均顯著提高了田間持水量，而不同粒徑處理對田間持水量的提升幅度表現(xiàn)為T4＞T3＞T2＞T1，表明粒徑越小的生物炭越有利于提升土壤的持水能力。這是因為粒徑越小的生物炭其比表面積越大、孔隙度越高，對水分的吸附能力自然就越強。在顏永豪等［33］的研究中發(fā)現(xiàn)，顆粒組成中＜20 μ m占比更高的蘋果樹枝生物炭（13.71%）比鋸末生物炭（7.05%）具有更強的吸水能力，同體積蘋果樹枝生物炭吸水能力是鋸末生物炭的2.98倍。Lehmann等［34］也發(fā)現(xiàn)，當生物炭的粒徑大于土壤的主要粒徑，則生物炭的多孔性會增加土壤孔隙的連通性和孔隙率，從而降低土壤的持水能力。提高土體導(dǎo)水率及入滲能力；反之，若生物炭的粒徑小于土壤的主要粒徑，則添加的生物炭會填充到土壤顆粒的粒間孔隙中，通過自身的高比表面積和大量微孔，提高對土壤顆粒間水分的束縛作用，從而提高土壤的持水能力，降低土壤導(dǎo)水率和入滲能力；這與本試驗研究結(jié)果相一致。此外，Suliman等［35］通過XPS和Boehm滴定法測定氧化和未氧化生物炭表面成分，對比加入生物炭前后土壤的田間持水量，試驗結(jié)果表明，生物炭表面的酸性官能團（如羧基、羥基）總量和土體的持水能力呈正相關(guān)關(guān)系。

土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，其穩(wěn)定性直接影響土壤表層的水、土界面行為，影響土壤的水肥氣熱狀況［36］。通常用＞0.25 mm水穩(wěn)定性團聚體的數(shù)量來判斷土壤結(jié)構(gòu)的好壞，其含量越高，表明土壤結(jié)構(gòu)越好［37］。本試驗中，各處理＞0.25 mm團聚體含量介于39.48%～44.09%，施生物炭處理均顯著提高了團聚體平均重量直徑（WMD），以微米級生物炭（T4）最高，說明其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最好。這可能是因為生物炭本身作為膠結(jié)物質(zhì)能將較小粒級的團聚體膠結(jié)成大團聚體，且其表面具有的特殊理化性質(zhì)（CEC、巨大比表面積等）如同土壤黏粒一樣吸附微生物，促進團聚體形成［38］；而粒徑越小的生物炭，因為其比表面積、孔體積越大，這種吸附能力越強，所以促成團聚體形成的能力就越強。也有研究發(fā)現(xiàn)生物炭對大團聚體的結(jié)合能力并不顯著。葉麗麗等［39］發(fā)現(xiàn)生物炭由于自身分解能力小，在施入土壤初期并不能產(chǎn)生足夠多的團聚體膠結(jié)黏液，因此對大團聚體的結(jié)合能力并不顯著；而本試驗的小粒徑生物炭處理特別是微米級生物炭（T4）正是通過物理方式加速了生物炭的自身分解；并且生物炭本身就可以作為土壤的膠結(jié)物質(zhì)，同等質(zhì)量的生物炭粒徑越小，這種膠結(jié)顆粒就越多，自然對土壤大團聚體的形成能力就越強。因此，生物炭粒徑越小，越能提高土壤大團聚體含量，改善土壤結(jié)構(gòu)。

3.2 不同粒徑生物炭對土壤活性有機碳組分的影響

生物炭作為一種含碳豐富的有機物料，施用于土壤可以直接提高土壤有機碳含量，有效改善土壤理化特性和養(yǎng)分狀況，改良土壤微生態(tài)環(huán)境，促進作物生長進而提高作物初級生產(chǎn)力［9，13］。本研究結(jié)果表明，生物炭施用可顯著提高土壤TOC含量，生物炭處理土壤TOC增幅達到了43.29%～46.85%，這與尚杰等［6］、韓瑋等［25］和黎嘉成等［27］研究結(jié)果相似。這一方面是因為該供試土壤本身含碳量較低（7.98 g/kg），而生物炭含碳量豐富（39.98%～41.47%），生物炭作為外源碳直接增加了土壤TOC［40-42］。另一方面，生物炭通過改善土壤環(huán)境促進了烤煙的生長及光合作用同化產(chǎn)物的運輸，進而增加光合碳在烤煙植株根部的分配［37］。本研究也表明，生物炭粒徑不同對土壤TOC含量并不存在顯著影響，這可能是由于生物炭雖然粒徑不同，但其含碳物質(zhì)組成比例并無差異［27］，再加上生物炭本身的高穩(wěn)定性，在土壤中分解較慢，所以造成短期內(nèi)土壤TOC含量并未發(fā)生顯著變化。

在本試驗中，土壤MBC含量隨烤煙的生長呈逐漸增加的趨勢，與王夢雅等［41］研究結(jié)果相似，這主要是由于烤煙根系的生長造成根系分泌物和微生物數(shù)量的不斷增加，進而促進了土壤有機碳的礦化。其次，不同時期各處理土壤MBC含量差異顯著，在烤煙生長初期，生物炭的施用明顯增加了土壤MBC含量，但隨著時間的推移，生物炭處理土壤MBC含量顯著低于常規(guī)施肥處理。這是因為生物炭本身含有的易分解有機碳在投入土壤初期可以為土壤微生物生長直接提供碳源和營養(yǎng)物質(zhì)，促進其繁殖。但隨著時間的推移，生物炭中的有效碳持續(xù)減少，再加上生物炭本身具有的強吸附作用及其含有的多環(huán)芳烴等有毒物質(zhì)，會對微生物生長產(chǎn)生抑制作用，進而造成土壤MBC含量的降低，這與羅梅等［3］、葉協(xié)鋒等［42］和 Dempster等［43］研究結(jié)果相似。同時，生物炭粒徑越小，土壤MBC含量越低。生物炭疏松多孔的性質(zhì)為微生物提供了附著條件，能顯著促進土壤中有益微生物繁殖及活性，最佳附著孔徑約是微生物自身大小的2～5倍，但對于較大或較小的孔徑，附著力都可能減?。?4-47］。小粒徑生物炭與常規(guī)粒徑的生物炭由于比表面積和孔徑的差異，這種差異可能形成了不益于微生物生長的環(huán)境，對微生物繁殖形成一定抑制作用，進而導(dǎo)致土壤MBC含量的降低。所以，關(guān)于生物炭粒徑對土壤MBC的影響還需進一步研究。

土壤ROC主要來源于作物根系、地上部分殘體歸還、土壤中死亡微生物體內(nèi)物質(zhì)釋放及土壤原有機碳活化等，其含量不僅是反映農(nóng)業(yè)管理措施對土壤質(zhì)量影響的敏感指標，同時也是評價土壤潛在生產(chǎn)力的重要指標［27］。本試驗中，土壤ROC含量隨季節(jié)變化呈上升趨勢，生物炭的施用顯著增加了土壤ROC含量，這主要是因為生物炭的添加可有效促進烤煙生長，提高作物生物量，尤其是根系生物量，導(dǎo)致土壤新鮮有機碳的輸入量增加，從而增加了土壤ROC含量［3］，這與王夢雅等［41］研究結(jié)果相似。同時，本研究結(jié)果表明，小粒徑生物炭處理較常規(guī)粒徑處理土壤ROC含量顯著增加，且粒徑越小，含量越高。也有研究發(fā)現(xiàn)連施3年生物炭較初施生物炭土壤易氧化態(tài)碳含量提高了8.0%～12.6%［48］，本試驗微米級生物炭T4較常規(guī)粒徑生物炭易氧化碳含量提高了5.3%，這表明在微米級生物炭可以加快生物炭向土壤易氧化態(tài)的轉(zhuǎn)化進程。這可能是因為小粒徑的生物炭比表面積和孔徑更大，更能夠與土壤顆粒形成一定的微小團粒結(jié)構(gòu)，形成大量細小的封閉空隙，提高了土體的導(dǎo)水性和持水能力，更能改善土壤微生態(tài)，在一定程度上活躍了土壤碳庫。

土壤DOC是土壤碳庫中活性較高的組分，是土壤微生物分解轉(zhuǎn)化有機物料的重要能源與碳源，其中10%～40%的組分能夠直接被微生物分解利用［3，27］。本試驗結(jié)果表明，在烤煙生長期，土壤DOC含量呈先增加后降低的趨勢，在烤煙旺長期達到最大值，且生物炭施用可顯著提高土壤DOC含量。土壤可溶性有機物受作物根系發(fā)育和微生物活性的強烈影響，一方面生物炭的施用顯著促進了作物根系生長，增加了烤煙根系分泌物；另一方面根系分泌物可以為土壤直接提供大量可溶性有機碳，同時為根際微生物提供了大量碳源，促進了微生物的繁殖，進而促進了微生物對土壤有機碳的分解［3］。其次，小粒徑生物炭較常規(guī)粒徑生物炭顯著增加了土壤DOC含量，且粒徑越小，效果越明顯。這可能是因為小粒徑生物炭處理下微生物量碳含量較低，微生物活性較弱，只有一小部分有機碳被轉(zhuǎn)化為微生物量碳，剩余大部分被留存為可溶性碳［3］；同時小粒徑生物炭與土壤形成的微小團粒結(jié)構(gòu)更好地改變了土壤理化性質(zhì)，促進了植物根系生長和根系分泌物的增加，進而提高了土壤DOC含量。

3.3 不同粒徑生物炭對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

土壤碳庫管理指數(shù)能較全面和動態(tài)的反映外界條件對土壤有機質(zhì)的影響，一方面反映了外界條件對土壤有機質(zhì)的影響，另一方面也反映了土壤有機質(zhì)數(shù)量的變化。土壤碳庫管理指數(shù)上升，表明施肥耕作對土壤有培肥作用，土壤向良性發(fā)展；反之，則表明施肥耕作使土壤肥力下降，土壤性質(zhì)向不良方向發(fā)展［28］。本研究中，不同粒徑生物炭均能顯著提高土壤碳庫管理指數(shù)，粒徑越小，對碳庫指數(shù)的提升幅度越大，這表明小粒徑生物炭特別是微米級生物炭（T4）對植煙土壤的改良效果要優(yōu)于常規(guī)粒徑生物炭，這與小粒徑生物炭更能提高土壤的易氧化態(tài)碳和水溶性碳有直接關(guān)系，但這種改良效益與加工粉碎生物炭的附加成本須進一步研究討論。

4 結(jié)論

各粒徑生物炭對土壤容重、田間持水量及土壤團粒結(jié)構(gòu)具有一定的改良作用，生物炭粒徑越小，這種改良效果越明顯。不同粒徑生物炭均能提高土壤TOC含量，但各生物炭處理間無顯著差異；生物炭粒徑越小，對土壤MBC表現(xiàn)出越強的抑制作用，但對土壤ROC、DOC的提升幅度越大；并且＜20 μ m微米級生物炭能顯著提高土壤碳庫管理指數(shù)，在土壤物理特性及土壤碳庫上表現(xiàn)最優(yōu)，這為提高生物炭改良土壤效率提供了一定參考。