徐 露，張 丹，向宇國，陳 凡，陳玉藍，黃田鈁

(1. 中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049; 3. 四川省煙草公司涼山州公司，四川 西昌 615000；4. 中國科學(xué)院成都生物研究所，四川 成都 610041)

【研究意義】紫色土屬風(fēng)化發(fā)育較淺的礦質(zhì)土壤，由中生代紫色砂(頁)巖風(fēng)化而成，廣泛分布于四川盆地[1]。紫色土坡耕地主要由土層、泥巖層以及不透水的沙巖層構(gòu)成，土層淺薄(<45 cm)，介孔、大孔等孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育，雨水入滲較快，因此土壤保水性弱。紫色土坡耕地為典型的土-巖二元結(jié)構(gòu)，易形成相對不透水層，產(chǎn)生壤中流，養(yǎng)分主要通過壤中流流失，因此土壤保肥性弱。紫色土是涼山彝族自治州農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要土壤資源，土壤水分虧缺和養(yǎng)分不足是限制旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因子[2- 3]。因此如何提高降水資源利用效率，避免土壤養(yǎng)分流失，是保障涼山州旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵?！厩叭搜芯窟M展】生物炭(Biochar)和聚丙烯酰胺(polyacrylamide，PAM)是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中富有潛力的土壤改良劑。生物炭是由木質(zhì)材料、作物秸桿、城市固體垃圾、畜禽糞便以及水生植物等有機材料在厭氧條件下經(jīng)過熱裂解產(chǎn)生的一類高度芳香化難溶性固態(tài)產(chǎn)物[4]。聚丙烯酰胺是一種具有超高吸水保水能力的高分子聚合物，能迅速吸收比自身重數(shù)百倍甚至上千倍的水分，而且具有反復(fù)吸水功能，吸水后體積倍增呈水凝膠狀態(tài)，緩慢釋放水分供作物利用[5]。大量研究結(jié)果表明生物炭和PAM作為土壤改良劑，在改善土壤理化性質(zhì)、增加土壤持水能力、持留土壤養(yǎng)分等方面均顯示出較大潛力[6-10]?！颈狙芯壳腥朦c】有關(guān)土壤改良劑對土壤肥力的影響已有較多研究，而針對生物炭和PAM對植煙土壤水、肥問題綜合改良的研究卻很少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本研究以云煙87為供試作物，在涼山州坡耕地紫色土區(qū)，分別施加不同用量的秸稈生物炭和PAM保水劑，研究不同改良劑類型和施用量條件下紫色土土壤結(jié)構(gòu)、肥力及水分特征的變化。在綜合評價生物炭和保水劑施用效果的同時確定合適的改良劑及最適施用量，為提高旱地作物生產(chǎn)力及土壤改良劑的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于涼山彝族自治州會東縣小壩鄉(xiāng)(26°34′30″N，102°22′17″E)，屬于季節(jié)性干旱區(qū)，≥10°積溫為5247 ℃，無霜期268 d。全年平均降水量為1111.6 mm，年內(nèi)降雨分布不均，雨季(6-10月)降雨量占年降雨量的90 %左右。試驗區(qū)為紫色土坡耕地，坡度為7～10°，土層淺薄，厚度在40 cm左右。

1.2 供試土壤和改良劑

供試紫色土田間持水量為24.7 %，土壤pH 7.4，有機質(zhì)(OM)、全氮(TN)、全磷(TP)和全鉀(TK)含量分別為6.2、1.4、0.6和12.9 g/kg，堿解氮(AN)、有效磷(AP)和速效鉀(AK)含量分別為97.0、10.3和108.3 mg/kg。

本研究所用的生物炭以玉米秸稈為原料制得，購自于江蘇華豐農(nóng)業(yè)生物工程有限公司。生物炭粒徑1.5～2.0 mm，pH 10.85，OM、TN、TP和TK含量分別為560.2、0.29、2.78和46.1 g/kg，AN、AP和AK含量分別為14.5、755.0和10.7 mg/kg。供試保水劑為鉀鹽型PAM保水劑，購于任丘市輝達化工有限公司，粒徑0.18～2.25 mm，吸水倍數(shù)300～500，全碳、全氮和全鉀的質(zhì)量分數(shù)分別為54.8 %、2.1 %和9.1 %。

1.3 試驗設(shè)計

本試驗生物炭為5個處理：0、10、20、40和60 t/hm2；PAM保水劑為5個處理：0、5、90、135和180 kg/hm2。每個處理3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，每個小區(qū)面積為4 m×5 m=20 m2，每個小區(qū)種28株煙草，小區(qū)之間用1行煙草作為隔離帶。試驗從2018年3月18日整地開始至2018年9月20日收煙結(jié)束。試驗小區(qū)劃分好后，生物炭和PAM保水劑按設(shè)計施用梯度一次性施入，生物炭均勻撒在土壤表面，反復(fù)翻耕使生物炭與表層土壤(0～20 cm)充分混勻。PAM保水劑與小區(qū)內(nèi)的細土按質(zhì)量比為1∶10充分混合均勻后，按施用量施入每穴煙草的底部。

1.4 土壤樣品采集與測定

土壤樣品采集：2018年10月煙草收獲后，每個小區(qū)用環(huán)刀采集3個原狀土壤樣品，密封后帶回室內(nèi)，用于測定土壤物理性質(zhì)和水分特征參數(shù)。同時每個小區(qū)按“S”型采集10個點0～20 cm表層土，混合后取約1 kg散裝土樣帶回實驗室，風(fēng)干后過2 mm篩，用于測定土壤化學(xué)性質(zhì)。

土壤物理性質(zhì)和水分特征測定：土壤容重、飽和含水量、田間持水量、毛管持水量、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度采用環(huán)刀法測定[11]。其中非毛管含水量是指當進入土壤的水超過田間持水量時，多余的水分不被土壤保持而受重力的作用，沿大孔隙向下滲透的水；毛管含水量是飽和含水量減去非毛管含水量所余下的水分，它是毛管上升水達到最大數(shù)量時的含水量[12]。

土壤有效粒徑測定：土壤樣品不經(jīng)過六偏磷酸鈉分散劑處理，直接采用英國的馬爾文激光粒度儀MS2000測定，可以更真實地反映土壤顆粒和團聚體的分布情況。并根據(jù)美國土壤質(zhì)地分類制將土壤顆粒劃分為黏粒(<2 μm)、細粉粒(2～20 μm)、粗粉粒(20～50 μm)和砂粒(50～2000 μm)[12]。

土壤化學(xué)性質(zhì)測定：采用常規(guī)方法測定土壤化學(xué)性質(zhì)[13]，其中土壤pH采用電位計法(土∶水=1∶2.5)測定；陽離子交換量(CEC)采用乙酸銨交換法測定；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定；全氮采用半微量凱氏定氮法測定；全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定；全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰分光光度計法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用碳酸氫鈉浸提分光光度計比色法測定；速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

處理間差異顯著性檢驗采用單因素方差分析，多重比較采用Duncan法，顯著水平為P<0.05。統(tǒng)計分析和圖表繪制分別在SPSS 20.0和Origin 2017軟件中進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理性質(zhì)的變化

2.1.1 土壤有效粒徑的變化 圖1為生物炭施用量對土壤有效粒徑的影響，可看出不同有效粒徑土壤顆粒百分比之間有顯著差異，表現(xiàn)為2～20 μm的細粉粒分布最多(58.5 %～68.5 %)，其次為20～50 μm的粗粉粒(16.6 %～19.8 %)和>50 μm的沙粒(9.6 %～19.8 %)，<2 μm的黏粒分布最少(3.5 %～4.4 %)。施用生物炭后，對土壤有效粒徑分布的影響主要在沙粒(>50 μm)和細粉粒(2～20 μm)范圍，對其余粒徑?jīng)]有顯著影響。與對照相比，60 t/hm2生物炭處理細粉粒(2～20 μm)百分比顯著降低了10.0 %，而沙粒(>50 μm)百分比顯著增加了8.9 %。

圖2為保水劑施用量對土壤有效粒徑的影響，施用保水劑后，細粉粒(2～20 μm)百分比隨著保水劑用量的增加而減小，其中180 kg/hm2保水劑處理細粉粒(2～20 μm)較對照顯著降低了9.8 %。沙粒(>50 μm)百分比隨著保水劑用量的增加而增大，其中180 kg/hm2保水劑處理沙粒(>50 μm)較對照顯著增加了7.4 %。

2.1.2 土壤容重和孔隙度的變化 表1為不同生物炭施用量下的土壤容重和孔隙度。從表中可看出，隨著生物炭施用量的增加，土壤容重呈下降趨勢，以60 t/hm2生物炭處理土壤容重降低最顯著，與對照相比降低17.0 %，降為1.08 g/cm3。施用生物炭后，土壤總孔隙度和毛管孔隙度顯著提高，比對照提高了7.9 %～16.6 %和5.2 %～19.9 %，其中以40 t/hm2生物炭處理土壤總孔隙度和毛管孔隙度最大，分別提高到56.3 %和46.7 %。對于非毛管孔隙度，僅60 t/hm2生物炭處理與對照有顯著性差異，較對照增加了7.3 %。

表2為不同保水劑施用量下的土壤容重和孔隙度。從表中可知，隨著保水劑施用量的增加，土壤容重呈先下降后上升的趨勢，以135 kg/hm2保水劑處理土壤容重降低最明顯，與對照相比降低13.1 %，降為1.13 g/cm3。施用保水劑后，土壤總孔隙度和毛管孔隙度均顯著高于對照，隨著保水劑施用量的增加呈先上升后下降的趨勢，以135 kg/hm2保水劑處理土壤總孔隙度和毛管孔隙度最高，分別提高到60.8 %和51.5 %。對于非毛管孔隙度，僅180 kg/hm2保水劑處理與對照有顯著性差異，較對照減小了5.2 %。

2.2 土壤水分特征參數(shù)的變化

表3是不同生物炭施用量下的土壤水分特征參數(shù)，與對照相比，不同施用量的生物炭處理均顯著提高了土壤飽和含水量和田間含水量，其中60 t/hm2生物炭處理飽和含水量最高，為51.2 %，40 t/hm2生物炭處理田間含水量最高，為27.1 %。對于土壤毛管含水量，20，40和60 t/hm2生物炭處理顯著高于對照，分別提高了15.0 %，17.5 %和12.0 %。對于非土壤毛管含水量，僅60 t/hm2生物炭處理較對照顯著提高了8.8 %，其余處理與對照無顯著差異。

表1 不同生物炭施用量下的土壤容重和孔隙度

表2 不同保水劑施用量下的土壤容重和孔隙度

從表4可知，飽和含水量、田間含水量和土壤毛管含水量均隨著保水劑施用量的增加呈先增大后減小的趨勢，以135 kg/hm2保水劑處理飽和含水量、田間含水量和土壤毛管含水量最高，較對照分別提高了23.5 %，21.3 %和25.0 %。與對照相比，施用保水劑后非土壤毛管含水量均下降，僅180 kg/hm2保水劑處理與對照有顯著性差異，較對照減小了5.7 %。

2.3 土壤化學(xué)性質(zhì)的變化

表5是不同生物炭施用量下的土壤化學(xué)性質(zhì)的變化。與對照相比，施用生物炭后土壤pH，CEC含量均有不同程度增加，分別增加了0.01～0.24個單位和0.07～3.04 cmol/kg，但未達顯著水平(表5)。隨著生物炭施用量的增加，OM含量增加，僅60 t/hm2生物炭處理顯著高于對照，提高了86.4 %。施用生物炭后，TN、TP和TK含量較對照均無顯著性差異。10、20、40和60 t/hm2生物炭處理下AN均顯著低于對照，降低了28.4 %～30.3 %。AP在60 t/hm2生物炭處理顯著高于對照，提高了115.1 %，達到22.16 mg/kg。AK在40 t/hm2生物炭處理顯著高于對照，提高了78.5 %，達到193.30 mg/kg。

表3 不同生物炭施用量下的土壤水分特征參數(shù)

表4 不同保水劑施用量下的土壤水分特征參數(shù)

表5 不同生物炭施用量下的土壤化學(xué)性質(zhì)

表6 不同保水劑施用量下的土壤化學(xué)性質(zhì)

表6是不同保水劑施用量下的土壤化學(xué)性質(zhì)的變化。施用保水劑后土壤pH，CEC含量與施用生物炭的變化趨勢一致，均有不同程度增加，但未達顯著水平。135和180 kg/hm2保水劑處理OM含量均顯著高于對照，分別提高了146.4 %和186.4 %，達到15.23和17.70 g/kg。施用保水劑后，TN、TK和AK含量較對照均無顯著性差異。TP僅在180 kg/hm2保水劑處理下顯著提高，比對照提高了168.9 %。AN在180 kg/hm2保水劑處理顯著低于對照，降低了24.8 %。135和180 kg/hm2保水劑處理AP含量均顯著高于對照，分別提高了128.6 %和453.1 %。

3 討 論

3.1 涼山州紫色土土壤物理性質(zhì)的變化

土壤物理性質(zhì)是調(diào)節(jié)土壤中水、肥、氣、熱的關(guān)鍵因素，而且在水分運移中發(fā)揮重要的作用，是作物生長的重要影響因素[14]。本文土壤有效粒徑結(jié)果表明，土壤有效粒徑的優(yōu)勢粒級為2～50 μm，>250 μm的顆粒較少，說明涼山州以紫色土為主的坡耕地土壤，其結(jié)構(gòu)松散，團聚性較差，可能是因為人類的耕作措施經(jīng)常擾動土壤，破壞了土壤原有的團聚結(jié)構(gòu)，同時雨季的高溫促使有機碳快速分解，減少了有機質(zhì)等膠結(jié)物質(zhì)含量，從而抑制了大粒級團聚體的形成[3]。施入生物炭和保水劑后，有效粒徑2～20 μm體積百分比減小，20～50 μm和>50 μm體積百分比增大。這可能與生物炭和保水劑的施入增加了土壤的膠結(jié)物質(zhì)，加大了土壤的團聚化作用，促進了細粉粒等微小顆粒與膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)，從而更有利于大粒徑的團聚體形成[12]。

本研究認為，生物炭處理可有效降低耕層土壤容重，改善土壤孔隙狀況。潘金華等[15]指出，生物炭能降低土壤的容重，與生物炭質(zhì)輕多孔，具有強大的吸附能力有關(guān)[7]，在本研究中，隨著生物炭施用量的增加土壤容重逐漸降低，以60 t/hm2生物炭處理土壤容重降低最顯著，為1.08 g/cm3，與李昌見[16]和王紅蘭[17]等的研究結(jié)果一致，其原因除了和生物炭密度低具有一定的稀釋作用外，還與生物炭促使微生物活性提高[18]以及團聚性增強[19]有關(guān)。在本研究中，隨著保水劑施用量的增加，土壤容重呈先下降后上升的趨勢，以135 kg/hm2保水劑處理土壤容重降低最顯著，為1.13 g/cm3。崔娜[20]和井大煒[21]等研究表明，適量的PAM在吸水-釋放過程中，PAM體積會呈現(xiàn)出膨大-縮小的變化，增大土壤孔隙度從而降低土壤容重，然而過量的PAM在吸水后呈水凝膠狀態(tài)，可能會促進土壤膠結(jié)，土壤容重變大。從表2可知，經(jīng)生物炭和保水劑處理后，土壤總孔隙度與毛管孔隙度均有不同程度提高，但土壤非毛管孔隙度呈現(xiàn)出較復(fù)雜的變化趨勢，可能是改良劑的添加與土壤相互填充，導(dǎo)致部分較大孔徑的非毛管孔隙被占據(jù)而減少，這與王浩等[22]和潘金華等[15]的結(jié)果一致。

3.2 涼山州紫色土土壤水分特征參數(shù)的變化

多數(shù)學(xué)者認為生物炭能夠提高土壤的持水能力，但在不同生物炭施用量對土壤持水性能的影響程度上尚未達成一致。本文研究結(jié)果表明，在最大添加量為60 t/hm2范圍內(nèi)，飽和含水量和田間含水量均隨著生物炭用量的增加而增大，這與王丹丹等[23]和吳昱[7]等研究結(jié)果一致，認為土壤持水能力與生物炭添加量呈正相關(guān)。員學(xué)鋒等[10]研究還發(fā)現(xiàn)PAM處理的飽和含水量和田間含水量分別比對照增加了5.18 %和1.22 %，同時降低土壤水分蒸發(fā)量，可以為作物生長提供更多的可利用水分，與本文研究結(jié)果一致。隨著保水劑施用量的增加飽和含水量和田間含水量先增大后減小，其中以135 kg/hm2保水劑處理最高，這與董立國等在半干旱林業(yè)地區(qū)中的研究一致[24]，農(nóng)用土壤保水劑能有效抑制土壤水分損失，但超過一定量反而降低土壤蓄水保墑能力。

3.3 涼山州紫色土土壤化學(xué)性質(zhì)的變化

本試驗施用生物炭的土壤pH和CEC均高于對照，且隨施用量的增加而增加。這與供試生物炭pH值為10.85有關(guān)，生物炭灰分中有不同濃度堿性物質(zhì)，如K、Ca、Na、Mg等氧化物、氫氧化物和碳酸鹽，可以交換出土壤中的H+和Al3+，提高土壤鹽基飽和度，從而提高土壤pH和陽離子交換量[25]。隨著生物炭和保水劑施用量的增加，OM含量均增加。GLASER等[6]和Singh B等[26]等研究表明，生物炭可通過促進土壤有機-礦質(zhì)復(fù)合體的形成來提高土壤團聚體穩(wěn)定性，進而減少土壤有機質(zhì)淋失。吳傳發(fā)等[27]研究表明，保水劑使土壤水分提高，微生物活性增強，加快了土壤中植物殘體的分解和腐殖質(zhì)的形成，從而提高了OM含量，與本文研究結(jié)果一致。

本研究結(jié)果表明，施用135和180 kg/hm2保水劑處理的AP含量均顯著高于對照，而供試保水劑中不含磷元素，說明土壤中AP不是由保水劑直接提供，其主要原因是保水劑吸水形成絮凝態(tài)的自身特性，提高了離子的吸附作用，以及促進了土壤有機態(tài)的礦化作用，從而提高養(yǎng)分的有效性[28]。AP的提高同時也與施加改良劑后增加了土壤pH值，降低了可交換鋁水平，釋放閉蓄態(tài)磷，從而增加AP有關(guān)[29]；本試驗結(jié)果表明，AK隨生物炭施用量的增加而增加，這與生物炭具有較大的比表面積和豐富的官能團，增強了土壤中K+的吸附有關(guān)[30]，除此之外生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)能減小水分的滲濾速度，減緩?fù)寥乐蠯+的淋失[31]。同時龍明杰等研究表明，施加PAM能增加土壤對K+離子的吸附量，提高土壤速效養(yǎng)分含量[5]，這與本研究結(jié)論一致，經(jīng)保水劑處理后，AK含量較對照也有不同程度提高，同時這與供試保水劑為鉀鹽型聚丙烯酰胺有關(guān)，施入保水劑會直接增加土壤中鉀離子總量。目前生物炭和保水劑對AN含量影響尚無統(tǒng)一結(jié)論，究其原因這可能與土壤酸堿度有關(guān)。本研究結(jié)果表明，添加不同改良劑后，土壤TN和AN含量明顯低于對照，這可能因為添加改良劑后，土壤pH顯著增大，加劇土壤表面氨化揮發(fā)，從而降低了土壤TN和AN含量[32-33]。

3.4 存在的問題

以往研究表明，改良劑的種類、施用量、不同改良劑的組合和配比都可影響保水保肥能力[1,15,25,27,30]，本文主要針對不同用量的生物炭和保水劑單獨施用對土壤保水保肥性影響的對比分析，缺乏生物炭和保水劑共同施用對土壤保水保肥性影響，今后應(yīng)加強不同改良劑組合和配比對土壤保水保肥性影響等方面的研究。

4 結(jié) 論

(1)施用生物炭和保水劑降低了土壤容重，提高了土壤總孔隙和毛管孔隙度，促進了團聚體的形成，以60 t/hm2生物炭和135 kg/hm2保水劑處理土壤結(jié)構(gòu)改善效果最明顯。

(2)施用生物炭和保水劑提升了土壤的蓄水保水能力，提高了土壤對降雨的有效截存。土壤飽和持水量、田間持水量、毛管含水量均高于對照，以60 t/hm2生物炭和135 kg/hm2保水劑處理保水效果最明顯。

(3)施用生物炭和保水劑提高了土壤pH、陽離子交換量、土壤有機質(zhì)、全磷、全鉀、速效磷和速效鉀含量，且速效磷和速效鉀含量均隨生物炭和保水劑施用量的增加而增加，以60 t/hm2生物炭和180 kg/hm2保水劑處理保肥效果最明顯。