王亞瓊, 牛文全, 李學凱, 王 婕, 官雅輝, 董繼紅

(1.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院大學,北京 100049; 3.中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院, 陜西 楊凌 712100; 4.西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100; 5.長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院, 陜西 西安 710054)

因為設(shè)施大棚具有高溫、高濕、高蒸發(fā)量的特點，土壤缺少雨水淋洗，存在人為過量施肥、栽培方式不當?shù)痊F(xiàn)象，造成土壤養(yǎng)分流失嚴重，土壤鹽分累積，重金屬污染，作物產(chǎn)量下降[1-2]。作物生長與土壤團聚體狀況密切相關(guān)。土壤團聚體結(jié)構(gòu)改善后，土壤養(yǎng)分損失量降低，作物產(chǎn)量增加。團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，與土壤肥力和作物產(chǎn)量密切相關(guān)。土壤團聚體是土壤中礦物顆粒與有機、無機物質(zhì)通過膠結(jié)、凝聚以及黏結(jié)作用組合形成的次級粒子。土壤團聚體的大小和組成對土壤水分下滲、土壤微生物繁殖、植物根系生長和土壤侵蝕有重要影響。良好的土壤團聚體結(jié)構(gòu)能夠抑制土壤結(jié)構(gòu)退化、減小土壤有機碳損失，維持土壤肥力，提升作物產(chǎn)量，增加農(nóng)作物的經(jīng)濟效益。但是，目前日光大棚土壤出現(xiàn)團聚體結(jié)構(gòu)惡化，團聚體穩(wěn)定性降低的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象引起了相關(guān)學者的廣泛關(guān)注。楊長明等[3]研究發(fā)現(xiàn)，溫室大棚土壤水穩(wěn)性大團聚體含量顯著小于傳統(tǒng)小麥—玉米輪作糧田、果園和苜蓿地。裴中健等[4]研究發(fā)現(xiàn)，日光大棚土壤水穩(wěn)性團聚體含量顯著降低，并且水穩(wěn)性大團聚體含量小于露地土壤，日光大棚不利于土壤水穩(wěn)性大團聚體形成，對團聚體結(jié)構(gòu)破壞較嚴重。生物炭是一種有機土壤改良劑，具有增加土壤團聚體穩(wěn)定性的作用。生物炭通過加強細菌的生物活性，促進團聚體形成來增加穩(wěn)定性。并且，生物炭顯著增加土壤表層的顆粒有機碳含量，進而影響團聚體的動態(tài)結(jié)構(gòu)變化[5]。但是生物炭對土壤團聚體的影響也因土壤類型、土地利用方式、生物炭的種類和性質(zhì)不同，未得出一致結(jié)論。在陜西省楊凌地區(qū)，較多的研究集中在生物炭改變土壤營養(yǎng)元素、作物產(chǎn)量，影響經(jīng)濟效益。而生物炭對土土壤結(jié)構(gòu)的研究相對較少，并且生物炭對土團聚體的改良效果也未得出統(tǒng)一結(jié)論。因為生物炭的制備條件不同，生物炭的性質(zhì)千差萬別。不同的生物炭來源、碳化溫度、碳化時間導致生物炭性質(zhì)的千差萬別[6]。與由動物殘體制成的生物炭相比，由植物制備的生物炭含碳量更高，更不容易被微生物分解，在土壤中保存時間更長。生物炭表面的微小孔隙為土壤微生物提供生活場所，促進團聚體形成。但是，生物炭是一種惰性炭，不易與土壤發(fā)生化學反應(yīng)，可能對土壤團聚體的形成無促進作用。侯曉娜[7]和徐國鑫[8]研究表明雖然生物炭能夠增加水穩(wěn)性大團聚體含量和降低水穩(wěn)性微團聚體含量，但是對團聚體穩(wěn)定性指標沒有顯著影響。李江舟[9]和王月玲[10]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭通過增加水穩(wěn)性團聚體含量，顯著提高團聚體穩(wěn)定性。也有研究表明，生物炭對土壤團聚體的影響也因添加量的不同而不同。尚杰[11]研究發(fā)現(xiàn)，土壤團聚體穩(wěn)定性指標隨著生物炭添加量的增加呈現(xiàn)先增加后降低趨勢。本文采用盆栽試驗，綜合應(yīng)用平均重量直徑、幾何平均直徑、破壞率、分形維數(shù)、作物產(chǎn)量等指標，探究不同果木生物炭添加量對日光大棚耕層擾動土壤團聚體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響，為改良日光溫室大棚土壤結(jié)構(gòu)、提升作物產(chǎn)量提供合理的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗大棚位于陜西省楊凌高新技術(shù)示范區(qū)大寨鄉(xiāng)寨西村(108.02°E，34.17°N)，屬于東亞暖溫帶半濕潤半干旱氣候區(qū)，具有明顯的大陸性季風氣候特征，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨。年平均氣溫12.9 ℃，無霜期211 d。

1.2 試驗設(shè)計

果木生物炭購于陜西億鑫能源科技有限公司。生物炭施用量共設(shè)6個處理：0，10，30，50，70和90 t/hm2，分別記為CK，C10，C30，C50，C70，C90(即每1 kg土樣分別添加生物炭0.0，3.2，9.7，16.2，22.6，29.1 g)，其中，不施生物炭處理CK為對照試驗，每個處理設(shè)置4個重復。試驗大棚棚齡為8 a，采用溝灌和滴灌灌水方式種植經(jīng)濟果蔬，如黃瓜、番茄、甜瓜、豆角等，一年兩茬。取日光大棚耕層土壤，過2 mm篩后備用。試驗用土在中國土壤系統(tǒng)分類中的土類為土墊旱耕人為土[12]，機械組成為：黏粒30.3%，粉粒34.7%，砂粒35.0%。供試土壤的化學性質(zhì)為：有機質(zhì)16.5 g/kg，全氮1.0 g/kg，全磷0.4 g/kg，全鉀23.7 g/kg。試驗基肥施用腐熟有機肥37.5 t/hm2，尿素0.3 t/hm2，磷肥0.26 t/hm2，鉀肥0.28 t/hm2。將生物炭、過篩土壤、肥料人工充分混合均勻后，裝入體積為0.02 m3的圓桶中，根據(jù)實際情況灌水。土壤容重設(shè)置為1.4 g/cm3。因為植物根系主要集中在0—20 cm深度，所以填裝深度設(shè)為20 cm。試驗桶放置在日光大棚內(nèi)，試驗桶內(nèi)種植菠菜(Spinaciaoleracea)，每桶播種30粒種子，兩葉一心時定植至每桶6株，于2017年11月29日開始，2018年1月27日結(jié)束，共60 d。

1.3 采樣和測定方法

(1) 土壤采樣時間。2017年11月至2018年1月共采集土樣4次，每隔15 d采集試驗桶內(nèi)0—20 cm原狀土壤。取土時，盡量避開植物根系。每次采集土樣后，將具有同樣生物炭處理的備用土樣進行回填。通過預處理數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)不同取土時間對土壤各級團聚體含量未見顯著影響，所以將不同的取土時間看做不同處理間的重復。植物樣采集時間：在第60 d作物收獲時每個處理隨機選取5株新鮮植物樣品。

(2) 測定方法。采用人工篩分方法測定土壤大團聚體組成。機械穩(wěn)定性團聚體采用干篩法，水穩(wěn)性大團聚體采用濕篩法。將采集的土樣掰成直徑約為10～12 mm的小塊，風干后過孔徑為10，7，5，3，1，0.5，0.25 mm的篩組進行干篩，篩完后用百分位的天平稱量各級團聚體的質(zhì)量，并計算各級團聚體比例。把風干土壤樣品按比例重新配成50 g作為準備濕篩的樣品。為防止細小團聚體濕篩時堵塞篩孔，在濕篩樣品中取出小于0.25 mm的團聚體。將上述準備濕篩的樣品倒入1 L沉降筒中，用水濕潤，靜置一段時間后，倒入孔徑為5，3，2，1，0.5，0.25 mm的篩組，將篩組用鐵絲網(wǎng)固定，在水中上下篩分10次。取出后面3個篩子，如前篩分3次，洗凈篩子中的水穩(wěn)性團聚體表面的附著物。收集各級土壤團聚體，置于105 ℃烘箱中8 h，測定團聚體質(zhì)量。按照團聚體粒徑，將機械穩(wěn)定性團聚體分為機械穩(wěn)定性大團聚體(大于0.25 mm)、機械穩(wěn)定性微團聚體(小于0.25 mm)；將水穩(wěn)性團聚體分為團聚體A1(大于2.00 mm)、團聚體A2(2.00～0.25 mm)、微團聚體(小于0.25 mm)。將風干土過0.25 mm篩網(wǎng)后，采用MS2 000型激光粒度儀測定土壤微團聚體。按照龔偉[13]提出的分類方法，按照粒徑將土壤微團聚體劃分成0.25～0.05 mm，0.05～0.02 mm，0.02～0.002 mm，<0.002 mm。判斷團聚體穩(wěn)定性常用的指標有團聚體破壞率(percentage of aggregate destruction， PAD)、平均重量直徑(mean weight diameter， MWD)、幾何平均直徑(geometric mean diameter，GMD)和分形維數(shù)(fractal dimension，D)。平均重量直徑是將各級團聚體含量加權(quán)求和，幾何平均直徑也能表明土壤團聚體分布狀況。土壤具有一定分形特征，也常用分形維數(shù)來描述和評價土壤團聚體結(jié)構(gòu)。計算團聚體結(jié)構(gòu)破壞率(PAD)、幾何平均直徑(GMD)，平均重量直徑(MWD)。具體計算公式為：

PAD=

(1)

(2)

(3)

植株單株鮮量采用百分位天平稱量。將新鮮植株去根后，擦凈表面灰塵，進行稱重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS進行方差分析，各處理間的顯著性均在0.05水平下進行，平均值比較采用Duncan法。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物炭對機械穩(wěn)定性團聚體的影響

圖1為生物炭對機械穩(wěn)定性團聚體的影響。土壤中添加生物炭，可以顯著增加機械穩(wěn)定性大團聚體含量(p<0.05)，C70處理含量最多，為990.6 g/kg；C10處理含量最少，為986.0 g/kg。生物炭顯著降低機械穩(wěn)定性微團聚體含量(p<0.05)，其中，C70處理降幅最大，為32.6%，C10降幅最小，為4.0%。生物炭對機械穩(wěn)定性大團聚體和微團聚體有顯著影響，可能原因是生物炭與土壤粒子形成了較強的靜電場，吸附黏土顆粒，促進土壤礦物顆粒和小團聚體形成大團聚體[14]；也可能是在土壤中添加生物炭，土壤有機質(zhì)含量增加與膠結(jié)物質(zhì)改變[15]，促進土壤大團聚體形成。生物炭添加到土壤后，不僅影響楊凌塿土機械穩(wěn)定性團聚體，此結(jié)果也在其它類型土壤中適用。柴冠群[16]和孟祥天[17]研究發(fā)現(xiàn)，在重慶紫色土、江西紅壤，添加生物炭后，會顯著增加粒徑>0.25 mm機械穩(wěn)定性團聚體含量。10 t/hm2生物炭處理與不添加生物炭處理沒有顯著差異，而當生物炭添加量大于30 t/hm2時，機械穩(wěn)定性大團聚體含量顯著升高，機械穩(wěn)定性微團聚體含量顯著降低，所以當生物炭添加量大于30 t/hm2時，生物炭改良機械穩(wěn)定性團聚體效果最好。

注：圖中不同小寫字母表示不同處理之間存在p<0.05的顯著差異。下同。圖1 生物炭對土壤機械穩(wěn)定性大團聚體含量和微團聚體含量的影響

2.2 生物炭對土壤水穩(wěn)性團聚體分布的影響

水穩(wěn)性團聚體A1是指粒徑大于2 mm的水穩(wěn)性大團聚體，將粒徑為2～0.25 mm的水穩(wěn)性大團聚體歸為水穩(wěn)性團聚體A2。表1為生物炭對水穩(wěn)性團聚體的影響，各級水穩(wěn)性團聚體A1含量為0.5～3.0 g/kg，各級水穩(wěn)性團聚體A2含量為4.8～65.0 g/kg，水穩(wěn)性微團聚體含量為911.3～914.4 g/kg。與對照相比，土壤中添加生物炭，增加了水穩(wěn)性團聚體A1總含量(p<0.05)，其中C30處理增幅最大，為62.6%。由表1可知，隨著生物炭添加量的增加，粒徑>3 mm水穩(wěn)性團聚體含量呈波動上升趨勢，3～2 mm水穩(wěn)性團聚體含量呈先增后減的趨勢。添加生物炭后，粒徑>3 mm水穩(wěn)性大團聚體含量的增幅為16.7%～137.0%，其中C70處理的最高，為1.3 g/kg；C10和C30處理的粒徑為3～2 mm水穩(wěn)性團聚體含量最高，比對照分別增加了41.2%和40.8%。與對照相比，除粒徑為0.5～0.25 mm的水穩(wěn)性團聚體外，生物炭顯著改變各粒徑A2團聚體的含量(p<0.05)，但是生物炭對A2團聚體總含量卻沒有顯著影響。粒徑為2～1 mm水穩(wěn)性團聚體的含量隨著生物炭含量的增加呈先增后減的趨勢，C70處理的最高，水穩(wěn)性團聚體含量比對照增加了83.2%；粒徑1～0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量隨著生物炭含量的增加而增加，C90處理的增幅最大，為46.4%；粒徑為0.5～0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量隨著生物炭含量的增加而減小，C90的降幅最大，為18.1%。添加生物炭后，土壤水穩(wěn)性微團聚體總含量出現(xiàn)先降低后升高趨勢，但是對水穩(wěn)性微團聚體總含量沒有顯著影響。在楊凌土中添加生物炭后，粒徑>0.25 mm的水穩(wěn)性大團聚體呈現(xiàn)增加趨勢，特別是粒徑分別為2～1 mm和1～0.5 mm的水穩(wěn)性大團聚體，而粒徑為0.5～0.25 mm的團聚體卻顯著減小，可能原因是土壤中添加生物炭增加植物的地下生物量，促進微生物分解，增加土壤有機物含量，促進小團聚體形成大團聚體，此結(jié)果與已有研究結(jié)果相似[11, 16]?；贏1團聚體，當生物炭添加量大于10 t/hm2時，粒徑為3～2 mm和大于2 mm團聚體含量較高；基于A2團聚體和大于30 t/hm2生物炭處理粒徑1～0.5 mm，0.5～0.25 mm團聚體含量發(fā)生顯著變化。從水穩(wěn)性大團聚體來看生物炭添加量大于30 t/hm2對土壤改良效果最好。

表1 生物炭對水穩(wěn)性團聚體含量的影響

注：數(shù)據(jù)為平均值+標準差，不同小寫字母表示在0.05水平下的差異。下同。

2.3 生物炭對大團聚體穩(wěn)定性的影響

本研究采用3個指標，即團聚體破壞率，幾何平均直徑，平均重量直徑，對土壤團聚體穩(wěn)定性進行評價。表2為生物炭對水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的影響。幾何平均直徑與平均重量直徑越大，團聚體團聚度越高，團聚體越穩(wěn)定。與對照相比，添加生物炭對以上3個指標有顯著影響(p<0.05)。與對照相比，添加生物炭后，土壤團聚體的幾何平均直徑與平均重量直徑均為增大趨勢，并隨著生物炭添加量的增加而增加；破壞率隨著生物炭添加量的增加而減小。

生物炭具有明顯增加水穩(wěn)性大團聚體幾何平均直徑與平均重量直徑的趨勢，能夠顯著降低水穩(wěn)性大團聚體破壞率，可能是生物炭施加到土壤中，降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)，微生物代謝產(chǎn)物增加、土壤團聚體膠結(jié)物質(zhì)增多引起的[18]。此結(jié)果與一些學者研究結(jié)果相似，尚杰[11]等研究發(fā)現(xiàn)，在土中添加40～60 t/hm2生物炭，團聚體破壞率顯著降低17.5%，平均重量直徑顯著增加31.6%。喬丹丹[19]等研究發(fā)現(xiàn)，在黃褐土中添加4.5 t/hm2生物炭，可以顯著提高土壤團聚體穩(wěn)定性。生物炭對改良土壤、增加水穩(wěn)性大團聚體穩(wěn)定性有重要作用。與不添加生物炭相比，C30，C50，C70和C90處理的團聚體幾何平均直徑顯著升高，所以基于幾何平均直徑，大于30 t/hm2生物炭添加量對土壤改良效果最好。與對照相比，C70和C90處理的平均重量直徑顯著升高，所以基于團聚體平均重量直徑，大于70 t/hm2生物炭添加量優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)。添加生物炭后，土壤團聚體破壞率顯著降低，所以基于團聚體破壞率，大于10 t/hm2生物炭添加量土壤團聚體穩(wěn)定性最強。綜合考慮3個團聚體穩(wěn)定性指標，當生物炭添加量大于70 t/hm2時，生物炭改良土壤團聚體穩(wěn)定性效果最好。

表2 生物炭對水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的影響

2.4 生物炭對水穩(wěn)性微團聚體的影響

表3為生物炭對不同粒徑土壤微團聚體含量的影響。大棚土壤微團聚體主要集中在0.25～0.05 mm和0.05～0.02 mm。與對照相比，添加生物炭后，粒徑為0.25～0.05 mm微團聚體的含量隨生物炭添加量的增加呈先減小后增加趨勢，C70處理降幅最大，為8.5%，C10處理降幅最小，為2.7%；當生物炭添加量大于30 t/hm2時，粒徑為0.02～0.002 mm和小于0.002 mm粒徑團聚體含量顯著升高(p<0.05)。

表3 生物炭對不同粒徑土壤微團聚體的影響

圖2為生物炭對土壤微團聚體分形維數(shù)的影響。分形維數(shù)越小，團聚體分布和穩(wěn)定性越高，土壤結(jié)構(gòu)越緊實。添加生物炭后，土壤微團聚體分形維數(shù)降低，降幅為7.5%～17.0%，C50處理降幅最大。但生物炭對土壤微團聚體分形維數(shù)沒有顯著性影響，說明生物炭對水穩(wěn)性微團聚體的穩(wěn)定性也沒有顯著影響，此結(jié)果和表1得出的結(jié)果一致，生物炭有降低土壤微團聚體含量的趨勢，但是效果并不顯著。

添加生物炭后，土壤小粒徑水穩(wěn)性微團聚體含量增加和土壤大粒徑水穩(wěn)性微團聚體含量降低，有利于小粒徑團聚體生成，這可能是生物炭添加到土壤中，微生物活動加劇，促進小粒徑團聚體形成。添加生物炭降低土壤微團聚體分形維數(shù)，增加土壤微團聚體穩(wěn)定性，但是效果并不顯著。

圖2 生物炭對土壤微團聚體分形維數(shù)的影響

2.5 生物炭對作物產(chǎn)量的影響

圖3為不同生物炭添加量對第60 d菠菜單株鮮重的影響。不同生物炭添加量處理，菠菜的單株質(zhì)量分別為4.5，7.5，9.0，12.2，13.3和14.1 g，菠菜的產(chǎn)量隨著生物炭添加量的增加而顯著增加(p<0.05)。C90處理增幅最大為214.9%，C10處理增幅最小為68.7%。此結(jié)果與陳溫福研究結(jié)果一致，陳溫福認為生物炭可以調(diào)節(jié)土壤水肥狀況，具有促進作物高產(chǎn)的作用[20]。生物炭影響作物產(chǎn)量，可能原因是生物炭改良土壤容重、孔隙度，保持土壤水分。添加生物炭后，菠菜產(chǎn)量顯著增加，其中50，70，90 t/hm2生物炭處理的單株鮮重增加程度最大，所以在塿土中，生物炭添加量大于50 t/hm2時，菠菜的產(chǎn)量最高。

圖3 生物炭添加量對單株菠菜重量的影響

3 結(jié) 論

(1) 生物炭能夠顯著增加機械穩(wěn)定性大團聚體含量，顯著降低機械穩(wěn)定性微團聚體含量，促進機械穩(wěn)定性微團聚體形成機械穩(wěn)定性大團聚體。

(2) 果木生物炭能夠改良楊凌大棚土壤團聚體組成，增加土壤水穩(wěn)性大團聚體穩(wěn)定性，促進水穩(wěn)性大團聚體形成。添加生物炭能夠顯著增加粒徑為2～1 mm和1～0.5 mm水穩(wěn)性團聚體含量，顯著降低粒徑為0.5～0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量，顯著增加幾何平均直徑與平均重量直徑，顯著降低破壞率。

(3) 生物炭能夠增加粒徑0.02～0.002 mm和<0.002 mm微團聚體含量，降低粒徑為0.25～0.05 mm微團聚體含量，促進小粒徑微團聚體形成。

(4) 生物炭具有促進菠菜增產(chǎn)的作用，并且作物產(chǎn)量與生物炭添加量呈正相關(guān)關(guān)系，不同生物炭處理作物增產(chǎn)68.7%～214.9%。

(5) 生物炭添加量為70和90 t/hm2時，團聚體穩(wěn)定性強，團聚體結(jié)構(gòu)良好。當生物炭添加量大于50 t/hm2時，作物的產(chǎn)量達到最高水平。綜合考慮作物產(chǎn)量和團聚體結(jié)構(gòu)指標，建議在楊凌地區(qū)日光大棚采用70 t/hm2生物炭處理。