施用生物炭对喀斯特石灰土特性及刺槐幼苗生长的影响

朱 倩， 严陶韬， 周之栋， 孙嘉曼， 薛建辉， 吴永波

(江苏省南方现代林业协同创新中心/南京林业大学生物与环境学院，江苏南京 210037)

通信作者：薛建辉，博士，教授，主要从事森林生态及林业生态工程研究。E-mail：jhxue@njfu.com.cn。

近年来，有关生物炭作为农田土壤改良剂或肥料缓释载体的研究受到广泛关注。生物炭是指在低温(300～700 ℃)缺氧条件下生物质裂解产生的一种具有高度芳香化、富含碳素的固体颗粒物质[1-2]。生物炭具有孔隙多、比表面积大、吸附力强等特性，施入土壤后可改善土壤保水特性，并减少养分淋失。有研究表明，施用生物炭可在一定程度上降低土壤容重，且随着施用量的提高，容重降低效应更明显[3-4]。生物炭在土壤中一般不是以自由有机质形式存在，而是与土壤中其他形态有机物质、矿物、微生物等相互作用，从而增强土壤团聚体的形成和稳定性，且生物炭的缓慢氧化过程使得生物炭作用下形成的团聚体更稳固长久[5]。生物炭对土壤团聚体稳定性的影响因生物炭种类、施用量及土壤类型而异[6-8]。Hua等的研究结果表明，8%玉米秸秆生物炭添加可显著增加土壤团聚体的稳定性[6]；Peng等研究报道，施用1%水稻秸秆生物炭对土壤团聚体的稳定性无影响[8]；而Bussher等研究结果表明，核桃壳生物炭处理可降低沿海壤土的土壤团聚体稳定性[7]。另外，生物炭在炭化过程中形成的多孔结构对土壤的水分状况也会产生显著影响。有许多研究表明，施用生物炭对土壤渗透性的影响主要与生物炭类型和土壤质地有关[9-13]。Barnes等研究表明，在生物炭施用量相同的条件下，不同质地土壤中的土壤饱和导水率存在差异，与对照相比，土壤饱和导水率在沙土和有机土中分别降低92%、62%，而在黏土中反而增加了328%[14]。

贵州喀斯特地区长期受自然和人为因素的影响，出现了严重的水土流失和石漠化，导致该地区土壤瘠薄，土壤质地结构差，保水保肥能力低，造林初期苗木生长速度慢、存活率低，从而增加了退化山地植被恢复的难度。因此，对喀斯特山地土壤进行改良，以促进造林初期幼苗生长的速度，形成稳定的森林群落，成为喀斯特山地植被恢复亟待解决的问题。目前相关研究主要集中在提高喀斯特石灰土土壤质量、植被恢复技术和抗旱树种筛选等[15-19]方面。本试验以期利用生物炭的保水保肥性能来改善喀斯特土壤蓄水保肥能力差的特性，利用生物炭有机胶结剂的特性来增加土壤团聚体结构及稳定性并改善土壤孔隙结构，从而缓解其水土流失严重的问题。本研究以喀斯特山地石灰土为研究对象，探讨3种原料生物炭的不同施用量(炭土质量比为1.0%、2.5%、5.0%、10.0%)对土壤团聚体结构和水分特性的影响，为石漠化山地森林植被恢复中采取有效的土壤改良措施、提高造林成活率和幼苗生长提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤与生物炭

供试土壤采自贵州省普定县白岩镇(105°50′E、23°16′N)，属于典型的喀斯特地区，风干过2 mm筛后备用，基本理化性质为：pH值7.79，容重0.95 g/cm3，有机质含量4.30%，碱解氮含量65.81 mg/kg，有效磷含量50.00 mg/kg，有效钾含量166.61 mg/kg，田间持水量28.91%。供试生物炭为稻壳炭(RHB)、棉花秸秆炭(CSB)和木炭(WCB)，购于安徽拜尔福生物科技有限公司，经粉碎过2 mm筛后备用，3种原料生物炭的基本特性见表1。

表1 供试生物炭的基本性质

1.2 试验设计

试验地点位于南京林业大学下蜀林场，于2015年2—10月进行盆栽试验。试验共设13个处理，分别为：不添加生物炭(CK)，3种生物炭按炭土质量比1.0%、2.5%、5.0%、10.0% 添加，每个处理3次重复。将过筛后的生物炭与土壤按比例混匀，装入塑料盆中(上径18 cm、下径15 cm、高 20 cm)，装炭土混合物3 kg/盆，播种3粒/盆灭菌、催芽后的刺槐种子。

1.3 测定方法

1.3.1 土壤特性的测定 在施用生物炭后240 d，采集盆栽土壤表土层多点混合土样，每个处理重复3次。各指标均采用常规方法测定[20]：每个盆栽中用不锈钢环刀采集原状土测定土壤容重，土壤容重采用烘干法测定；土壤毛管持水量和饱和导水率采用环刀法测定；水稳性团聚体采用湿筛法测定。

土壤毛管持水量=环刀内水分质量/环刀内干土质量×100%。土壤饱和导水率测定：将环刀取得原状土样带回室内浸水饱和24 h，然后其上放置空环刀并持续加水，2 h后判断单位时间渗水量稳定时为止，记录数据，并按以下公式计算：

式中：K10为土壤10 ℃下饱和导水率，mm/min；Q为渗透量，mL；L为土样高度，cm；A为渗透横截面积，cm2；t为渗透时间，h；H为水头高度，cm；T为实测水温，℃。

水稳性团聚体测定中团聚体分析仪设定为30 r/min，持续10 min，所测团聚体粒径分别为>2.000 mm、2.000～0.250 mm、0.250～0.053 mm、<0.053 mm。团聚体的稳定性采用平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)来描述，分别按以下公式计算：

式中：xi表示筛出来的任意粒径范围团聚体的平均质量直径；wi表示筛出来的任意粒径团聚体的质量占土壤样品干质量的比例。

1.3.2 幼苗生长特性的测定 用卷尺和游标卡尺测定处理240 d后刺槐幼苗的株高、地径，并采集植株鲜样用保温箱带回实验室内，在105 ℃干燥箱中先烘干30 min，再调至80 ℃下烘干至恒质量，测得刺槐幼苗单株生物量，每个处理测定3株刺槐幼苗。

1.4 数据处理

采用SPSS 19.0和Excel 12.0进行统计分析、作图，对数据进行单因素方差分析，采用Duncan’s法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 施用生物炭对土壤特性的影响

2.1.1 土壤容重 由图1可知，随生物炭施用量的增加，土壤容重均呈下降趋势，变幅为8.83%～30.78%，生物炭施用量(5.0%、10.0%)较高时，土壤容重基本显著降低(P<0.05)。WCB各处理的土壤容重与CK相比差异显著，且与RHB和CSB相比对土壤容重的降低效果更明显。

2.1.2 土壤水稳性团聚体

2.1.2.1 土壤水稳性团聚体粒径分布 由表2可知，施用生物炭大多可提高大团聚体(≥0.250 mm)含量，并降低微团聚体(<0.250 mm)含量。生物炭中等施用量(2.5%、5.0%)水平对土壤水稳性大团聚体含量增加效果达显著水平(P<0.05)，相比CK可提高37.30%～57.00%，且WCB作用更明显。除了CSB外，2种生物炭对提高>2.000 mm及2.000～0.250 mm 土壤团聚体含量的幅度也呈增加趋势。

2.1.2.2 土壤水稳性团聚体稳定性 由图2可看出，除 1.0% 生物炭施用量各处理的土壤MWD值与CK相比无显著差异外，其他各处理的MWD值均显著大于CK，且在中等施用量(2.5%、5.0%)下增加值更高。其中，RHB2.5、CSB2.5、WCB2.5、RHB5、CSB5、WCB5比CK分别提高 45.80%、29.22%、43.12%、40.38%、28.76%、38.34%。因此，RHB和WCB对土壤MWD值增加效应更明显。同样，中等生物炭施用水平(2.5%、5.0%)对土壤GMD值增加更明显。其中，RHB2.5、CSB2.5、WCB2.5、RHB5、CSB5、WCB5比CK分别提高87.23%、58.57%、106.43%、79.64%、56.76%、77.16%。可见，WCB对土壤GMD值增强作用最明显(图3)。

2.1.3 土壤水分特性

2.1.3.1 土壤毛管持水量 由图4可看出，除RHB1、CSB1处理的土壤毛管持水量与CK相比有所下降外，其他各处理的土壤毛管持水量均大于CK，且在较高施用量下(5.0%、10.0%)达到最大值。WCB各处理与CK的差异均达到显著水平(P<0.05)，提高了57.74%～112.82%，且WCB对土壤毛管持水量的增加作用最明显。

表2 施用生物炭对土壤水稳性团聚体粒径分布的影响

2.1.3.2 土壤饱和导水率 由图5可看出，除WCB10处理的土壤饱和导水率与CK相比提高外，其他各处理的土壤饱和导水率均显著低于CK(P<0.05)。在中等施用量(2.5%、5.0%)下，土壤饱和导水率达到最小值，其中CSB2.5、CSB5比CK分别降低69.35%、67.62%，且CSB对土壤饱和导水率的降低作用效果最明显。

2.2 施用生物炭对盆栽刺槐幼苗生长的影响

由表3可知，施用3种原料生物炭在一定程度上均能促进刺槐幼苗生长。施用稻壳炭对刺槐幼苗株高作用均达显著水平，且3种生物炭均在较高施用量(5.0%、10.0%)下幼苗高度达到较大值，RHB10、CSB10、WCB10、RHB5、CSB5、WCB5分别比CK高150.02%、236.71%、169.13%、151.36%、35.18%、29.96%。施用生物炭各处理中只有在10.0%施用量下刺槐幼苗地径显著高于CK(P<0.05)，RHB10、CSB10、WCB10与CK相比分别高150.91%、132.66%、62.27%。施用生物炭各处理下刺槐幼苗平均单株生物量与CK相比均有所提高，且均在10.0%施用量下达到最大值，RHB10、CSB10、WCB10与CK相比分别提高342.92%、451.74%、334.02%。因此，RHB和CSB比WCB对刺槐幼苗生长的促进作用更明显，且在10.0%的较高施用量下作用最明显。

表3 不同生物炭处理对刺槐幼苗生长的影响

3 讨论与结论

3.1 生物炭种类与施用量对土壤团聚体特性的影响

土壤中大团聚体(≥0.25 mm)含量、MWD值和GMD值是确定土壤团聚体稳定性的3个重要指标。本研究结果表明，在中等生物炭施用量(2.5%、5.0%)下，对土壤中≥0.25 mm 水稳性团聚体含量、MWD值及GMD值的增强效应最显著，可促进水稳性团聚体的形成和稳定性的提高。李江舟等研究表明，施用生物炭可增加土壤中大团聚体(≥0.25 mm)含量，并降低小团聚体(<0.25 mm)含量，从而增强土壤团聚体稳定性[21]。何玉亭等研究了1%、2%、4%、6%生物炭施用量对红壤团聚体稳定性的影响，表明在2%和4%的中等施用量下对土壤大团聚体的促进作用更明显[22]。尚杰等的研究也表明，中等施用量(40～60 t/hm2)能显著提高塿土土壤水稳性团聚体的MWD值，增加土壤团聚体的稳定性[23]。

有机胶结剂是土壤团聚体形成的重要因素，也是影响土壤团聚体含量和稳定性的内在因素。生物炭可与土壤颗粒形成有机复合物或无机复合物，从而促进团聚体的形成[24]。此外，添加生物炭可改善土壤肥力水平，增加土壤中微生物的生物量，而微生物的活动可以加快生物炭的氧化降解，从而促进土壤中团聚体的形成及团聚体稳定性上升。生物炭对土壤团聚体稳定性的作用，取决于生物炭种类和土壤质地等因素[25-27]。吴崇书等研究表明，施用生物炭对土壤有机质含量较高的土壤水稳性团聚体稳定性作用不明显，而对有机质含量较低的土壤则具有明显的促进作用[28]。Sun等的研究也表明，向在土壤结构较差的黏土中施用生物炭有利于团聚体的形成和稳定性提升[5]。本研究结果与上述结果基本一致，但也有少数研究表明，单施生物炭对土壤大团聚体含量和稳定性影响不显著，这与施用其他有机物料提高土壤团聚体稳定性的结果不同[29]，其机理有待进一步研究。

3.2 生物炭种类与施用量对土壤持水性能的影响

土壤容重的降低伴随着土壤孔隙度的增加，使土壤持水量增加。本研究结果表明，生物炭在5.0%施用量下对土壤水分特性的改善作用最好，其中木炭对喀斯特石灰土土壤持水量增加作用最明显。Busscher等对不同生物炭对壤质沙土持水能力的影响研究结果表明，木炭对土壤持水性增加作用显著[30]。Uzoma等进行的田间试验结果表明，生物炭施用可显著降低沙土的饱和导水率，且随生物炭施用量的增加而降低[31]。这与本研究中土壤饱和导水率随生物炭施用量的增加呈先减小后增加的趋势存在差异，这可能与土壤质地和生物炭自身性质有关。由于生物炭的比表面积较沙质土大，吸水能力更强，能显著改善沙质土壤的持水量，但生物炭对壤土、黏土持水量的影响并不明显，主要取决于生物炭与土壤比表面积的相对大小以及生物炭自身的亲水性[14]。喀斯特石灰土中多为黏性成分[32]，因此土壤饱和导水率在生物炭施用量较高时下降趋势不明显。

在中等生物炭施用量(2.5%、5.0%)下，喀斯特山地石灰土的土壤结构和持水特性可明显改善，3种原料生物炭中，木炭对石灰土土壤容重、大团聚体含量与稳定性以及土壤持水特性的作用最明显；秸秆炭对喀斯特石灰土土壤饱和导水率的作用更明显。施用不同种类生物炭均在不同程度上提高刺槐幼苗的单株生物量。因此，综合考虑生物炭对喀斯特石灰土土壤的改良作用及对刺槐幼苗生长的促进作用，建议生物炭最适施用量为中等用量(2.5%、5.0%)，最适种类为木炭。

参考文献：

[1]勾芒芒，屈忠义. 生物炭对改善土壤理化性质及作物产量影响的研究进展[J]. 中国土壤与肥料，2013(5)：1-5.

[2]Inyang M，Gao B，Pulammanappallil P，et al. Biochar from anaerobically digested sugarcane bagasse[J]. Bioresource Technology，2010，101(22)：8868-8872.

[3]田 丹. 生物炭对不同质地土壤结构及水力特征参数影响试验研究[D]. 呼和浩特：内蒙古农业大学，2013.

[4]Mukherjee A，Lal R. Biochar impacts on soil physical properties and greenhouse gas emissions[J]. Agronomy，2013，3(2)：313-339.

[5]Sun F F，Lu S G. Biochars improve aggregate stability，water retention，and pore- space properties of clayey soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2014，177(1)：26-33.

[6]Hua L，Lu Z Q，Ma H R，et al. Effect of biochar on carbon dioxide release，organic carbon accumulation，and aggregation of soil[J]. Environmental Progress & Sustainable Energy，2014，33(3)：941-946.

[7]Busscher W J，Novak J M，Ahmedna M. Physical effects of organic matter amendment of a southeastern US coastal loamy sand[J]. Soil Science，2011，176(12)：661-667.

[8]Peng X，Ye L L，Wang C H，et al. Temperature- and duration-dependent rice straw-derived biochar：characteristics and its effects on soil properties of an Ultisol in southern China[J]. Soil & Tillage Research，2011，112(2)：159-166.

[9]田 丹，屈忠义，李 波，等. 生物炭对沙土水力特征参数及持水特性影响试验研究[J]. 灌溉排水学报，2013，32(3)：135-137.

[10]Peake L R，Reid B J，Tang X Y. Quantifying the influence of biochar on the physical and hydrological properties of dissimilar soils[J]. Geoderma，2014，235：182-190.

[11]高海英，何绪生，耿增超，等. 生物炭及炭基氮肥对土壤持水性能影响的研究[J]. 中国农学通报，2011，27(24)：207-213.

[12]Abel S，Peters A，Trinks S，et al. Impact of biochar and hydrochar addition on water retention and water repellency of sandy soil[J]. Geoderma，2013，202：183-191.

[13]齐瑞鹏，张 磊，颜永毫，等. 定容重条件下生物炭对半干旱区土壤水分入渗特征的影响[J]. 应用生态学报，2014，25(8)：2281-2288.

[14]Barnes R T，Gallaghe M E，Masiello C A，et al. Biochar-induced changes in soil hydraulic conductivity and dissolved nutrient fluxes constrained by laborary experiments[J]. PLoS One，2014，9(9)：e108340.

[15]姚永慧. 中国西南喀斯特石漠化研究进展与展望[J]. 地理科学进展，2014，33(1)：76-84.

[16]刘 方，王世杰，刘元生，等. 喀斯特石漠化过程土壤质量变化及生态环境影响评价[J]. 生态学报，2005，25(3)：639-644.

[17]罗海波，宋光煜，何腾兵，等. 贵州喀斯特山区石漠化治理过程中土壤质量特性研究[J]. 水土保持学报，2004，18(6)：112-115.

[18]王 丁，张丽琴，薛建辉. 苗抗旱性综合评价研究——以6种喀斯特造林树种苗木为例[J]. 中国农学通报，2011，27(25)：5-12.

[19]姚 健，薛建辉，吴秋菊，等. 喀斯特地区4种造林幼苗的抗旱性评价[J]. 生态与农村环境学报，2010，26(4)：318-322.

[20]鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京：中国农业出版社，2008：14-24.

[21]李江舟，代 快，张立猛，等. 施用生物炭对云南烟区红壤团聚体组成及有机碳分布的影响[J]. 环境科学学报，2016，36(6)：2114-2120.

[22]何玉亭，王昌全，沈 杰，等. 两种生物质炭对红壤团聚体结构稳定性和微生物群落的影响[J]. 中国农业科学，2016，49(12)：2333-2342.

[23]尚 杰，耿增超，赵 军，等. 生物炭对塿土水热特性及团聚体稳定性的影响[J]. 应用生态学报，2015，26(7)：1969-1976.

[24]张 磊，柳 璇，韩俊杰，等. 生物炭对土壤团聚体及结合态碳库影响研究进展[J]. 山东农业科学，2016，48(9)：157-161.

[25]Ouyang L，Wang F，Tang J，et al. Effects of biochar amendment on soil aggregates and hydraulic properties[J]. Journal of Soil Science and Plant Nutrition，2013，13(4)：991-1002.

[26]Liu Z，Chen X，Jing Y，et al. Effects of biochar amendment on rapeseed and sweet potato yields and water sable aggregate in upland red soil[J]. Catena，2014，123：45-51.

[27]Liu X H，Han F P，Zhang X C. Effect of biochar on soil aggregates in the loess plateau：results from incubation experiments[J]. International Journal of Agriculture and Biology，2012，14(6)：975-979.

[28]吴崇书，邱志腾，章明奎. 施用生物质炭对不同类型土壤物理性状的影响[J]. 浙江农业科学，2014(10)：1617-1619，1623.

[29]侯晓娜，李 慧，朱刘兵，等. 生物炭与秸秆添加对砂姜黑土团聚体组成和有机碳分布的影响[J]. 中国农业科学，2015，48(4)：705-712.

[30]Busscher W J，Novak J M，Evans D E，et al. Influence of pecan biochar on physical properties of a Norfolk loamy sand[J]. Soil Science，2010，175(1)：10-14.

[31]Uzoma K C，Inoue M，Andry H，et al. Influence of biochar application on sandy soil hydraulic properties and nutrient retention[J]. Journal of Food Agriculture & Environment，2011，9(2/3/4)：1137-1143.

[32]卜巧珍. 生物炭对石灰土理化性质和作物生长的影响[D]. 桂林：广西师范大学，2014.