劉 卉，周清明，黎 娟，向德明，張黎明

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128 ；2.湖南省煙草公司湘西自治州公司，湖南 吉首 416000)

生物炭近年來(lái)作為新型改良劑用于土壤改良得到了廣泛關(guān)注，它的多孔結(jié)構(gòu)和比表面積大等特性有利于改善土壤的物理性狀，對(duì)于土壤的保水性和孔隙度的提高及降低土壤容重等有顯著的作用[1-3]。朱克亞等[4]研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭改良劑后，顯著降低了土壤容重，同時(shí)明顯提高土壤含水率，改善了耕層土壤的物理性狀。李培培等[5]研究了施用生物炭對(duì)砂質(zhì)潮土的影響，結(jié)果表明，施用生物炭不僅能降低土壤容重，還能提高玉米不同生育時(shí)期時(shí)的耕層土壤水分含量。張文鋒等[6]對(duì)旱地紅壤研究生物炭的改良效果發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后0～60 cm土層土壤容重降低，能有效改善旱地紅壤的物理性狀。金梁等[7]研究生物炭對(duì)黑土的改良效果發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后土壤的容重降低幅度主要與生物炭的用量相關(guān)。有研究指出，生物炭雖然能降低土壤容重，但生物炭施用后對(duì)作物苗期時(shí)的土壤含水率的影響較小，主要有利于作物生育中后期時(shí)土壤保水性的增強(qiáng)[8]。另外也有研究發(fā)現(xiàn)，生物炭能緩沖降雨對(duì)土壤含水率的影響[9]。王浩等[10]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭能改善土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，緩解水分蒸發(fā)。李玉梅等[11]利用盆栽試驗(yàn)研究生物炭對(duì)土壤物理性狀的影響，結(jié)果表明，在2～32 mg/kg的生物炭用量下，土壤固相比降低而土壤氣相和液相比增加。目前，雖然已有大量研究表明施用生物炭后能夠影響土壤的物理性狀，促進(jìn)作物生長(zhǎng)以及提高作物產(chǎn)質(zhì)量[12-16]，但在長(zhǎng)期定位條件下研究連續(xù)施用生物炭對(duì)植煙土壤物理性狀的影響還比較欠缺，因此，本試驗(yàn)通過(guò)3年定位研究連續(xù)施用生物炭后耕層土壤物理性狀的變化趨勢(shì)，旨在探索連續(xù)施用生物炭對(duì)植煙土壤物理性狀的長(zhǎng)期效應(yīng)，改良植煙土壤的物理性狀，并為生物炭在植煙土壤改良上的應(yīng)用提供一定的理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)為3年定位試驗(yàn)，于2015年3月-2017年9月在湖南省湘西州鳳凰縣千工坪基地進(jìn)行，供試品種為云煙87，供試土種為黃灰土，試驗(yàn)田基本性質(zhì)：速效氮105.00 mg/kg；速效磷38.57 mg/kg；速效鉀258.67 mg/kg；pH值6.50。生物炭由湖南正恒農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司提供，生物炭基本性質(zhì)：速效氮0.026 g/kg；速效磷0.459 g/kg；速效鉀3.710 g/kg；pH值9.44。肥料為煙草專用肥料，施氮量為112.5 kg/hm2，養(yǎng)分比例為N∶P2O5∶K2O=1.00∶1.18∶2.85，肥料具體配方如下：專用基肥(710.0 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=7.5∶14.0∶8.0)、專用追肥(375.0 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=10∶5∶29)、發(fā)酵餅肥(225.0 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=3∶1∶1)、提苗肥(75.0 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=20∶9∶0)、硫酸鉀(306.5 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=0∶0∶50)、過(guò)磷酸鈣(46.7 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=0∶12∶0)。

1.2 處理設(shè)計(jì)

設(shè)置生物炭施用量：CK(0 kg/hm2)、T(3 750 kg/hm2)，3次重復(fù)，且T處理每年移栽前均施用3 750 kg/hm2生物炭。生物炭施用方法：在整地前、試驗(yàn)小區(qū)劃分好后，按照各處理生物炭用量將生物炭均勻撒施在供試小區(qū)地表，旋耕深翻20 cm，使其與土壤充分混合。移栽時(shí)間為4月28日，小區(qū)面積30 m2，每小區(qū)植煙50株，株行距為55 cm×110 cm，其他農(nóng)藝措施按當(dāng)?shù)丶夹g(shù)規(guī)范進(jìn)行。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 測(cè)定項(xiàng)目 土壤物理性質(zhì)：分別于移栽后30，60，90 d測(cè)定耕層土壤(0～20 cm)土壤含水率、容重、孔隙度及土壤固相比、液相比、氣相比，每小區(qū)重復(fù)3次。

1.3.2 測(cè)定方法 按環(huán)刀法，測(cè)定土壤含水率(W)、鋁盒重量(G0)，記載環(huán)刀容積(V)。在田間用環(huán)刀采取原狀土，測(cè)鮮土與鋁盒總重(G1)。用烘箱烘干環(huán)刀內(nèi)的土，并測(cè)定干土與鋁盒總重(G2)。土壤密度(DS)為2.65 g/cm3。土壤容重(RS)=100×(G1-G0)÷V(100+W)；孔隙度=100×(DS-RS)÷DS；土壤固相比=RS÷DS；土壤液相比=W×RS；土壤氣相比=孔隙度-土壤液相比。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)用SPSS 22.0處理，主成分分析采用R軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用生物炭對(duì)土壤含水率的影響

長(zhǎng)期定位施用生物炭后不同年份土壤含水率如表1所示。從移栽后30 d來(lái)看，2015，2016年時(shí)施用生物炭后比對(duì)照土壤含水率升高0.233～3.983個(gè)百分點(diǎn)，其中2015年T處理與對(duì)照差異極顯著，而2017年時(shí)施用生物炭后比對(duì)照土壤含水率降低1.760個(gè)百分點(diǎn)，但差異不顯著；從移栽后60 d來(lái)看，2015年時(shí)施用生物炭后比對(duì)照土壤含水率升高3.243個(gè)百分點(diǎn)，且差異極顯著，2016年時(shí)施用生物炭后比對(duì)照土壤含水率降低0.107個(gè)百分點(diǎn)，但差異不顯著，至2017年時(shí)T處理比對(duì)照土壤含水率升高0.867個(gè)百分點(diǎn)，差異也未達(dá)到顯著水平；從移栽后90 d來(lái)看，只有2015年時(shí)施用生物炭后比對(duì)照土壤含水率升高3.537個(gè)百分點(diǎn)，且差異極顯著，而2016，2017年時(shí)施用生物炭后比對(duì)照土壤含水率降低0.336～0.730個(gè)百分點(diǎn)，但差異均未達(dá)到顯著水平。綜合來(lái)看，連續(xù)施用生物炭主要能提高2015年時(shí)烤煙各生育期的土壤含水率，但對(duì)2016-2017年時(shí)烤煙各生育期的土壤含水率影響較小。

表1 長(zhǎng)期定位連續(xù)施用生物炭后不同年份土壤含水率比較Tab.1 The comparison of the soil moisture content in different years after long-term located continuous application of biochar

注：不同大寫和小寫字母分別表示差異達(dá)極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)水平。表2-6同。

Note：Different of uppercase and lowercase letters mean extremely significant difference and significant difference at 0.01 and 0.05 levels，respectively. The same as Tab.2-6.

2.2 施用生物炭對(duì)土壤容重的影響

由表2可以看出，移栽后30 d，2015年時(shí)施用生物炭后比對(duì)照土壤容重增加0.083 g/cm3，2016，2017年時(shí)施用生物炭后比對(duì)照土壤容重降低0.137～0.144 g/cm3，其中2017年時(shí)，T處理土壤容重顯著低于對(duì)照組；移栽后60 d，3年施用生物炭后均比對(duì)照土壤容重降低0.030～0.110 g/cm3，但差異均未達(dá)到顯著水平；移栽后90 d，也表現(xiàn)為3年施用生物炭后均比對(duì)照土壤容重降低0.010～0.097 g/cm3，但差異均不顯著。綜合來(lái)看，除了2015年移栽后30 d施用生物炭處理土壤容重略有上升，其他年份各時(shí)期均表現(xiàn)為施用生物炭能在各時(shí)期降低土壤容重，以2017年移栽后30 d時(shí)生物炭降低土壤容重的效果最明顯。

表2 長(zhǎng)期定位連續(xù)施用生物炭后不同年份土壤容重比較Tab.2 The comparison of the soil bulk density in different years after long-term located continuous application of biochar g/cm3

2.3 施用生物炭對(duì)土壤孔隙度的影響

由表3可以看出，移栽后30 d，2015年時(shí)施用生物炭后比對(duì)照土壤孔隙度降低3.113個(gè)百分點(diǎn)，差異未達(dá)到顯著水平。2016，2017年時(shí)施用生物炭后比對(duì)照土壤孔隙度升高5.140～5.537個(gè)百分點(diǎn)，其中以2017年T處理土壤孔隙度與對(duì)照差異顯著；移栽后60 d，3年施用生物炭后均比對(duì)照土壤孔隙度升高1.147～4.146個(gè)百分點(diǎn)，但差異均不顯著；移栽后90 d，也表現(xiàn)為3年施用生物炭后均比對(duì)照土壤孔隙度升高0.500～3.647個(gè)百分點(diǎn)，差異均未達(dá)到顯著水平。綜合來(lái)看，連續(xù)施用生物炭主要能提高2017年移栽后30 d時(shí)土壤孔隙度。

表3 長(zhǎng)期定位連續(xù)施用生物炭后不同年份土壤孔隙度比較Tab.3 The comparison of the soil porosity in different years after long-term located continuous application of biochar

2.4 施用生物炭對(duì)土壤固相比、液相比及氣相比的影響

2.4.1 施用生物炭對(duì)土壤固相比的影響 由表4可以看出，移栽后30 d，只有2015年T處理移栽后30 d土壤固相比與對(duì)照比較略有升高，升高1.910個(gè)百分點(diǎn)，而2016-2017年時(shí)T處理移栽后30 d土壤固相比均低于對(duì)照，降低5.140～5.537個(gè)百分點(diǎn)，其中2017年T處理移栽后30 d土壤固相比與對(duì)照差異顯著；移栽后60～90 d，各年份均表現(xiàn)為施用生物炭能降低耕層土壤與對(duì)照比較固相比下降，降低0.500～4.147個(gè)百分點(diǎn)，但差異均未達(dá)到顯著水平。綜合來(lái)看，連續(xù)施用生物炭主要能降低2017年移栽后30 d時(shí)土壤固相比。

表4 長(zhǎng)期定位連續(xù)施用生物炭后不同年份土壤固相比比較Tab.4 The comparison of the ratio of solid phase of soil in different years after long-term located continuous application of biochar

2.4.2 施用生物炭對(duì)土壤液相比的影響 由表5可以看出，移栽后30 d，2015年時(shí)T處理土壤液相比極顯著高于對(duì)照組，升高7.047個(gè)百分點(diǎn)，而2016-2017年時(shí)T處理土壤液相比均略低于對(duì)照，降低4.090～4.603個(gè)百分點(diǎn)，但差異不顯著；移栽后60 d，2015年時(shí)T處理土壤液相比與對(duì)照比較升高了3.843個(gè)百分點(diǎn)，且差異極顯著，而2016-2017年時(shí)T處理土壤液相比均略低于對(duì)照，降低1.187～1.343個(gè)百分點(diǎn)，但差異不顯著；移栽后90 d，2015年時(shí)T處理土壤液相比極顯著高于對(duì)照組，升高3.863個(gè)百分點(diǎn)，而2016-2017年時(shí)T處理土壤液相比均低于對(duì)照，降低1.077～1.170個(gè)百分點(diǎn)，差異也不顯著；綜合來(lái)看，連續(xù)施用生物炭主要能提高2015年時(shí)烤煙各生育期的土壤液相比，但對(duì)2016-2017年時(shí)烤煙各生育期的土壤液相比影響較小。

表5 長(zhǎng)期定位連續(xù)施用生物炭后不同年份土壤液相比比較Tab.5 The comparison of the ratio of liquid phase of soil in different years after long-term located continuous application of biochar

2.4.3 施用生物炭對(duì)土壤氣相比的影響 由表6可以看出，移栽后30 d，2015年T處理與對(duì)照比較土壤氣相比極顯著降低，降低8.863個(gè)百分點(diǎn)，而2016-2017年時(shí)T處理土壤氣相比均高于對(duì)照，升高9.627～9.743個(gè)百分點(diǎn)，但差異不顯著；移栽后60 d，與對(duì)照比較T處理土壤氣相比在2015年降低2.700個(gè)百分點(diǎn)，而在2016-2017年升高3.460～5.330個(gè)百分點(diǎn)，3年中T處理與對(duì)照差異均未達(dá)到顯著水平。移栽后90 d，與對(duì)照比較T處理土壤氣相比在2015年降低2.210個(gè)百分點(diǎn)，而在2016-2017年升高1.673～4.713個(gè)百分點(diǎn)，但3年中T處理與對(duì)照差異也不顯著。綜合來(lái)看，連續(xù)施用生物炭主要降低了2015年時(shí)烤煙移栽后30 d時(shí)土壤氣相比，但對(duì)2016-2017年時(shí)烤煙各生育期的土壤氣相比影響較小。

表6 長(zhǎng)期定位連續(xù)施用生物炭后不同年份土壤氣相比比較Tab.6 The comparison of the ratio of gas phase of soil in different years after long-term located continuous application of biochar

表7 不同年份土壤物理性狀主成分分析各軸特征值及解釋量Tab.7 The eigenvalue and proportion explained of each shaft of the principal component analysis of soil physical properties in different years

2.4.4 不同年份土壤物理性狀的主成分分析 為了明確長(zhǎng)期定位施用生物炭后的土壤與對(duì)照組土壤物理性狀的差異水平，筆者對(duì)不同年份各時(shí)期土壤物理性狀各參數(shù)進(jìn)行了主成分分析，不同年份主成分分析結(jié)果如表7及圖1所示。2015年第1軸對(duì)各時(shí)期土壤物理性狀各參數(shù)的解釋量為67.20%，第2軸對(duì)各時(shí)期土壤物理性狀各參數(shù)的解釋量為22.46%，二者累計(jì)達(dá)89.66%。2016年第1軸對(duì)各時(shí)期土壤物理性狀各參數(shù)的解釋量為51.23%，第2軸對(duì)各時(shí)期土壤物理性狀各參數(shù)的解釋量為31.43%，二者累計(jì)達(dá)82.66%。2017年第1軸對(duì)各時(shí)期土壤物理性狀各參數(shù)的解釋量為72.12%，第2軸對(duì)各時(shí)期土壤物理性狀各參數(shù)的解釋量為21.48%，二者累計(jì)達(dá)93.60%。另外，從不同年份的主成分分析結(jié)果圖來(lái)看，施用生物炭后，耕層土壤物理性狀與對(duì)照組差異較大。

圖1 2015年(A)、2016年(B)及2017年(C)土壤物理性狀各參數(shù)主成分分析結(jié)果Fig.1 The result of the principal component analysis of the index of soil physical properties in 2015(A)，2016(B)，and 2017(C)

3 討論與結(jié)論

土壤物理性狀對(duì)于作物的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)質(zhì)量的形成關(guān)系密切[17-18]。陳懿等[19]研究發(fā)現(xiàn)，植煙土壤中施用生物炭后能提高烤煙各生育期土壤含水率，并能增加土壤孔隙度。本研究發(fā)現(xiàn)，在3年連續(xù)施用生物炭的情況下，2015年時(shí)烤煙生育各時(shí)期土壤含水率均不同程度提高，而在2016及2017年時(shí)與對(duì)照比較其土壤含水率或高或低。這種不同年份土壤含水率的差異可能與不同年份的氣候因素相關(guān)，總體上來(lái)看，施用生物炭能促進(jìn)烤煙生育前期土壤含水率的提高，能夠滿足烤煙團(tuán)棵-旺長(zhǎng)期間對(duì)水分需求較多的這一特性。陳延華等[20]研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭后能使耕層土壤的含水率提高3.36～9.52個(gè)百分點(diǎn)。本研究發(fā)現(xiàn)，在2015年施用生物炭可使土壤含水率提高3.243～3.983個(gè)百分點(diǎn)。

陳超等[21]通過(guò)盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施用5%的生物炭后顯著降低了土壤容重。戰(zhàn)秀梅等[22]通過(guò)4年的田間微區(qū)定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)施用生物炭4年后的土壤容重、孔隙度與施用豬廄肥的處理差異不顯著。本研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)施用3年生物炭后，從土壤容重來(lái)看，除了2015年移栽后30 d施用生物炭處理土壤容重略有上升，其他年份均表現(xiàn)為施用生物炭能在各時(shí)期降低土壤容重，且以2017年移栽后30 d時(shí)生物炭降低土壤容重的效果最明顯；從土壤孔隙度來(lái)看，2015年移栽后30 d施用生物炭處理土壤孔隙度略有降低，隨后又逐漸升高，其他年份均表現(xiàn)為施用生物炭能在各時(shí)期提高耕層土壤孔隙度，且連續(xù)施用生物炭主要能顯著提高2017年移栽后30 d時(shí)土壤孔隙度。本研究與戰(zhàn)秀梅等[22]研究結(jié)果的差異可能是由于與前者對(duì)照處理并不相同，前者為施用豬廄肥+常規(guī)肥料而本研究對(duì)照僅施用常規(guī)肥料。同樣的結(jié)果也在潘金華等[23]、王梅勛等[24]、袁金華等[25]報(bào)道中指出，生物炭能降低土壤的容重，提高土壤的孔隙度等，改善土壤的物理性狀。另外，安艷等[26]研究表明，土壤孔隙度的增加可能是由于施用生物炭后提高了耕層土壤0.25～0.50 mm團(tuán)聚體的數(shù)量導(dǎo)致的。靳澤文等[27]研究發(fā)現(xiàn)，旱地紅壤的土壤容重隨著生物炭的用量增加而降低。筆者前期的研究也發(fā)現(xiàn)了相同的規(guī)律，且得到了在湘西黃灰土改良中生物炭的適宜用量為3 750 kg/hm2[28]。不同地區(qū)土壤類型、土壤理化性狀以及生物炭類型和制備工藝差異可能是造成各地適宜生物炭用量不同的主要原因之一。

李玉梅等[11]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中添施生物炭后土壤固相比降低21.2%，而氣相和液相比分別增加了29.8，15.3個(gè)百分點(diǎn)。陳懿等[29]研究也表明，施用生物炭能提高土壤氣相比，且與生物炭用量正相關(guān)。江福英等[30]也發(fā)現(xiàn)，在茶園土壤中添加生物炭后土壤的液相比提高。本研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭后，2015年移栽后30 d土壤固相比升高，其他年份均表現(xiàn)為土壤固相比降低，2015年土壤液相比升高、氣相比降低，其他年份均土壤液相比降低、氣相比升高。這種差異可能是由于連續(xù)3年施用生物炭與前者僅單施一年生物炭以及栽培作物的不同所造成的。另外本研究利用R軟件對(duì)長(zhǎng)期定位連續(xù)施用生物炭后，不同年份各時(shí)期土壤物理性狀各參數(shù)進(jìn)行了主成分分析。結(jié)果也表明施用生物炭后的土壤物理性狀與對(duì)照組差異較大，同樣也說(shuō)明連續(xù)施用生物炭后對(duì)耕層土壤的物理性狀影響較大。

綜合來(lái)看，連續(xù)施用生物炭能明顯影響土壤的物理性狀，有利于土壤物理性狀的改善。連續(xù)施用生物炭當(dāng)年內(nèi)對(duì)土壤含水率提高作用明顯，但隨著連作年限增加其影響也減弱；連續(xù)施用生物炭能影響土壤容重、固相比和孔隙度，以2017年移栽后30 d時(shí)生物炭降低土壤容重、土壤固相比和提高土壤孔隙度的效果最明顯；連續(xù)施用生物炭主要增加了2015年各時(shí)期土壤液相比，并降低了2015年時(shí)烤煙移栽后30 d時(shí)土壤氣相比，但對(duì)2016-2017年時(shí)烤煙各生育期的土壤氣相比影響較小。

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