賈 輝，趙亞鵬，符云鵬*，何甜甜，符新妍，云 菲，劉建舉，聶慶凱

1.河南農(nóng)業(yè)大學煙草學院 煙草行業(yè)煙草栽培重點實驗室，鄭州市金水區(qū)農(nóng)業(yè)路63 號 450002

2.河南省煙草公司許昌市公司，河南省許昌市湖濱路43 號 461000

3.河南中煙工業(yè)有限責任公司，鄭州市管城回族區(qū)榆林南路16 號 450000

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，對土壤功能的維持發(fā)揮著重要作用［1］。土壤有機碳（SOC）是表征土壤肥力的核心指標［2］，也是團聚體形成的重要膠結(jié)劑，對大團粒結(jié)構(gòu)的形成有促進作用［3-4］。研究表明［5］，土壤有機碳含量的增加有利于團聚體的形成，從而提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使土壤不但抗侵蝕，而且也為植物根系提供理想的水分和空氣條件。與其他農(nóng)田土壤相似，我國植煙土壤由于長期過量施用化肥，而有機肥施用較少，導致土壤團聚體結(jié)構(gòu)遭到了嚴重破壞，進而出現(xiàn)土壤板結(jié)、綜合土壤肥力下降等現(xiàn)象，影響了煙草的正常生長發(fā)育，煙草根、莖病害頻發(fā)［6-7］。因此，植煙土壤改良勢在必行。目前對土壤的改良多集中在添加生物炭、作物秸稈、有機肥和綠肥等。秸稈還田不僅可以提高土壤有機碳含量，還可以顯著提高土壤水穩(wěn)性大團聚體含量、改善土壤結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)［8-9］。孫漢印等［10］在不同秸稈還田模式的試驗中發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可以有效提高大團聚體含量，并且促進大團聚體中有機碳含量的增加。生物炭可減少養(yǎng)分流失、增加土壤有機碳含量［11］和陽離子交換量、減少溫室氣體排放、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)［12-14］，但對土壤團聚體的影響研究結(jié)果存在爭議。吳鵬豹等［15］通過小區(qū)試驗發(fā)現(xiàn)海南花崗巖磚紅壤施用0.5%和1.0%生物炭18個月后，＞5 mm 水穩(wěn)性大團聚體含量顯著增加。而Busscher 等［16］、葉麗麗等［17］和侯曉娜等［18］的室內(nèi)培養(yǎng)試驗研究表明，添加生物炭不能提高大團聚體含量，甚至降低了土壤團聚體的穩(wěn)定性。目前對植煙土壤團聚體的影響方面報道較少，且針對不同的土壤類型生物炭和秸稈施用的影響結(jié)果也不一致。為此，以豫中煙區(qū)褐土為研究對象，分析了生物炭、秸稈及二者配施條件下不同土層土壤團聚體穩(wěn)定性及有機碳分布的特征，旨在為褐土類植煙土壤的改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本情況

試驗于2017—2018 年在河南農(nóng)業(yè)大學許昌校區(qū)現(xiàn)代煙草科技園區(qū)進行。供試土壤為褐土，土壤質(zhì)地為中壤土。供試生物炭是將花生殼在400～450 ℃下限氧炭化30 min，粉碎后過2 mm 篩制成，pH 8.76，由河南省生物炭技術工程實驗室提供。全碳50.12%，全氮0.35%，全磷1.02%，全鉀1.76%。腐熟小麥秸稈全碳37.10%，全氮0.41%，全磷0.76%，全鉀0.93%。試驗所用化肥為煙草專用復合肥（10%N、10%P2O5、20%K2O），硝酸鉀（13%N、46%K2O），硫酸鉀（50%K2O），過磷酸鈣（12%P2O5）。供試品種為中煙100。試驗前土壤基礎理化性質(zhì)：有機質(zhì)19.09 g/kg，堿解氮74.7 mg/kg，速效磷8.7 mg/kg，速效鉀114.5 mg/kg，水溶性氯24.8 mg/kg，pH 7.61。

1.2 試驗設計

試驗于2017 年4 月1 日開始（勻地兩年）至2018 年10 月1 日結(jié)束。兩年的試驗設計和施肥方案保持一致，本試驗中數(shù)據(jù)為2018 年測得。共設置4 個處理，隨機區(qū)組排列，3 次重復，小區(qū)面積0.02 hm2。4 個處理分別為：單施化肥（CK）；化肥+生物炭（T1）；化肥+腐熟秸稈（T2）；化肥+生物炭+腐熟秸稈（T3）。各處理氮用量為37.5 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶2∶5，以等碳量原則施入生物炭和秸稈，T1、T2和T3全碳投入量均為2.25 t/hm2，施肥方案中均扣除秸稈和生物炭中N、P、K 含量，CK 與T1、T2 和T3 的N、P、K 施入量保持一致。4 月24日將生物炭與腐熟秸稈按所需用量均勻撒在試驗田上，經(jīng)機器翻耕與土壤均勻混合。煙苗5 月1 日移栽，按照優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術規(guī)范進行大田栽培管理，煙草采收后拔除煙桿，機器耙地后進入冬閑。

1.3 樣品采集與測定方法

1.3.1 土壤樣品采集

于移栽后100 d 在每個小區(qū)的壟上剖面采集0～10、10～20、20～30 cm 的原狀土樣，每小區(qū)每個耕層隨機采集5 個樣點，將5 個點采集的土壤混合為1 個1 kg 左右的土壤樣品，然后裝于保鮮盒內(nèi)帶回實驗室。在室內(nèi)剔除石礫和肉眼可見的植物殘體及根系等雜物，用手將大土塊沿土體自然縫隙輕輕掰碎成小于10 mm 的土塊，風干，備用。

1.3.2 測定指標與方法

采用干篩法和濕篩法測定土壤團聚體的分布狀況和穩(wěn)定性［19-20］。干篩是為了將團聚體按粒徑進行分離，是濕篩前的必要準備。取100 g 風干土樣置于套篩（孔徑依次為5.00、2.00、1.00、0.50 和0.25 mm）頂部，以30 次/min 手工上下振蕩5 min，測定各孔徑篩子上土樣質(zhì)量。濕篩法：計算干篩的各級團聚體占土樣總量的百分比，然后按其百分比，配成1 份質(zhì)量為50 g 的土樣置于團聚體分析儀（TPF-100）的套篩上，套篩由上至下孔徑依次為2.000、1.000、0.500、0.250 和0.053 mm，在土樣充分浸潤后，以每分鐘上下振動30 次、振幅3 cm振動30 min。振動結(jié)束后，取出套篩，收集各層篩中的殘留團聚體，在60 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量并稱量。

通過稱量各級粒徑土壤團聚體的質(zhì)量，計算水穩(wěn)定性團聚體各粒級百分比、平均質(zhì)量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、分形維數(shù)（D）、大于0.250 mm 團聚體含量（WR0.250）、破壞率（PAD）、水穩(wěn)系數(shù)（K）、土壤不穩(wěn)定團粒指數(shù)（ELT），計算方法采用楊培嶺等［21］推導的公式。

有機碳的測定：土壤原土風干樣及烘干后的各粒級團聚體，過0.15 mm 篩，采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定［22］。

團聚體中有機碳的貢獻率=［該級團聚體中有機碳含量×該級團聚體含量）/土壤總有機碳含量］×100%

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010 軟件進行數(shù)據(jù)處理，用Origin 9.1 和Microsoft Excel 2010 軟件作圖，利用SPASS 20 軟件進行方差分析和Duncan's 新復極差法進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用生物炭與秸稈對土壤團聚體分布的影響

由表1 可知，施用生物炭和秸稈對植煙土壤團聚體分布具有明顯的影響。隨土層的加深，各處理＜0.053 mm 粒級團聚體含量呈增加趨勢。施用生物炭和秸稈可以明顯提高0～30 cm 土層土壤大團聚體含量，降低土壤微團聚體含量，其中T1、T2和T3 處理大團聚體含量分別較CK 增加10.68%～38.24%、10.43%～23.71%和15.74%～101.70%；土壤微團聚體含量分別較CK 降低4.14%～17.60%、4.05%～11.18%和6.11%～47.97%。施用生物炭和秸稈對0～20 cm 土層土壤團聚體含量影響更為明顯，其中0.500～1.000 mm 粒級團聚體含量較CK 顯著增加，而＜0.250 mm 粒級團聚體含量較CK 顯著降低，尤其以生物炭與秸稈配施的T3 處理對0.500～1.000 mm 粒級團聚體含量提高幅度最大、＜0.250 mm 粒級團聚體含量降低幅度最大。3 個處理相比，以生物炭與秸稈配施的T3 處理效果最好。

表1 不同處理對土壤各粒級團聚體含量的影響①Tab.1 Effects of different treatments on contents of soil aggregates of various particle sizes in different soil layers

2.2 施用生物炭與秸稈對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

隨土層的加深，各處理MWD、GMD 和K 值下降，且在20～30 cm 土層中降低顯著；PAD 和ELT值則隨土層加深而顯著增高（表2）。表2 表明，各處理均可提高0～30 cm 土層團聚體的穩(wěn)定性，其中對0～20 cm 土層的影響更加明顯，與CK 相比，3 個處理0～20 cm 土層中土壤團聚體的MWD、GMD、WR0.250和K 值顯著增加，PAD、ELT和D 值顯著降低；且T3處理0～10 cm 土層中土壤團聚體的MWD、GMD、WR0.25和K 值顯著高于T1 和T2 處理，而PAD、ELT和D 值則顯著低于T1 和T2 處理。說明秸稈與生物炭配施對土壤團聚體穩(wěn)定性改善效果最明顯。

表2 不同處理對土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的影響Tab.2 Effects of different treatments on stability of soil water-stable aggregates in different soil layers

2.3 施用生物炭與秸稈對土壤總有機碳的影響

由圖1 可知，隨土層的加深，T1 和T3 處理土壤有機碳含量明顯增加，其中T1 和T3 處理10～20 cm 土層較0～10 cm 土層分別增加9.12%和3.86%，且差異顯著。與CK 相比，T1 和T3 處理顯著提高了0～30 cm 土層中有機碳含量，T1 處理提高幅度最大；T2 處理僅在0～20 cm 土層有機碳含量顯著高于CK。T1 處理各土層有機碳含量均顯著高于T2、在10～30 cm 土層有機碳含量顯著高于T3；T3處理在20～30 cm 土層有機碳含量顯著高于T2 處理。3 個處理相比，單施生物炭對土壤總有機碳的提高效果最好。

2.4 施用生物炭與秸稈對各粒級團聚體有機碳含量及分配的影響

由表3 可以看出，隨著土層的加深，不同處理各粒級團聚體有機碳含量無明顯差異?？傮w上看，在＜2.000 mm 的團聚體中，各處理有機碳含量隨土壤團聚體粒級的增大呈增加趨勢。與CK 相比，施用生物炭和秸稈可以明顯提高0～30 cm 土層各粒級團聚體有機碳含量，除T2 處理0～30 cm 土層 和T3 處 理0～10 cm 土 層0.250～0.500 mm 粒 級外，其他均與CK 間差異顯著。添加生物炭的T1處理在0～30 cm 土層各粒級團聚體有機碳含量均為最高，較CK 顯著增加10.92%～39.21%。綜合來看，各處理普遍提高了各粒級團聚體有機碳含量，以T1 處理對各粒級團聚體有機碳含量的提高效果最好。

圖1 不同處理土壤有機碳含量Fig.1 Soil organic carbon contents under different treatments

表3 不同處理土壤各粒級團聚體中有機碳含量Tab.3 Organic carbon contents in soil aggregates in different soil layers under different treatments

表4 不同處理土壤各粒級團聚體中有機碳對土壤有機碳的貢獻率Tab.4 Contribution rates of organic carbon in aggregates of various particle sizes to soil organic carbon under different treatments

通過計算土壤各粒級團聚體有機碳相對貢獻率（表4）發(fā)現(xiàn)，添加生物炭和秸稈可明顯改變有機碳在各粒級團聚體中的分配。隨著土層的加深，各處理大團聚體有機碳貢獻率呈降低趨勢，微團聚體有機碳貢獻率呈增加趨勢。在0～30 cm 土層中，各處理明顯提高了大團聚體有機碳貢獻率，T1、T2 和T3 分 別 較CK 提 高11.05%～24.55%、10.31%～23.21%和16.97%～98.92%；對0～20 cm 土層的影響更明顯，與CK 相比，3 個處理0～20 cm 土層1.000～0.500 mm 團聚體中有機碳的貢獻率顯著提高，0.250～0.053 mm 團聚體中有機碳的貢獻率則顯著降低，且T1 和T3 處理＜0.053 mm 團聚體中有機碳貢獻率也顯著降低；T3 處理0～20 cm 土層1.000～0.500 mm 團聚體中有機碳貢獻率顯著高于T1 和T2 處理。說明T3 處理對大團聚體有機碳貢獻率的提高效果更好。

3 討論

3.1 施用生物炭與秸稈后土壤團聚體分布和穩(wěn)定性的變化

土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本組成單元，其含量和穩(wěn)定性對土壤保水保肥能力有重要影響［23］。本研究結(jié)果表明，施用生物炭、秸稈及二者配施顯著提高0～20 cm 土層中0.500～1.000 mm 粒級團聚體（大團聚體）含量，顯著降低＜0.250 mm 粒級團聚體（微團聚體）含量，這與前人的研究結(jié)果基本一致［24-26］。一方面是由于生物炭自身的多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，有利于促進大團聚體的形成［27］；另一方面，生物炭的添加提高了土壤有機碳含量，有機碳作為良好的土壤膠結(jié)劑，促進了土壤大團聚體的形成［28-29］。秸稈施入土壤后，秸稈自身可作為大團聚體形成的核心［30］，而且秸稈腐解后增加了土壤中碳水化合物、芳香族碳、脂肪族碳、酯類化合物和氨基類化合物含量。碳水化合物是土壤團聚體非常重要的黏合劑，對團聚體的形成和穩(wěn)定性提高起重要作用［8,31-32］。本試驗中生物炭與秸稈混施處理對降低微團聚體含量的效果最好，可能是由于生物炭與秸稈優(yōu)勢互補作用的結(jié)果。

MWD、GMD、WR0.250、K 值、PAD、ELT和分形維數(shù)D 是反應土壤團聚體穩(wěn)定性高低的重要指標，MWD、GMD、WR0.250和K 值越大，PAD、ELT和D 越小，表明團聚體穩(wěn)定性越高［33-34］。本試驗中發(fā)現(xiàn)，施用生物炭和秸稈均能提高0～30 cm 土層中土壤團聚體的穩(wěn)定性，且表現(xiàn)為生物炭+秸稈＞單施生物炭＞單施秸稈，其中單施秸稈處理的影響較小，這與徐國鑫等［35］的研究結(jié)果不一致，可能是因為土質(zhì)不同，從而對秸稈的響應有所差異。有研究表明，pH 增大有利于團聚體穩(wěn)定性的提高，而腐熟秸稈的添加導致土壤pH 降低，對團聚體穩(wěn)定性提高效果較差［36］。本研究中還發(fā)現(xiàn)20～30 cm 土層中各處理對團聚體分布和穩(wěn)定性的影響小于0～20 cm 土層，這可能與耕作擾動和大部分煙草根系主要集中在0～20 cm 土層中有關。

3.2 施用生物炭與秸稈后土壤有機碳以及團聚體中有機碳分布的變化

單施生物炭、秸稈以及生物炭與秸稈配施處理各土層有機碳含量與常規(guī)施肥相比明顯增加，且單施生物炭對土壤有機碳提高幅度最大，單施秸稈處理土壤有機碳提高幅度最小，這與侯曉娜等［18］和徐國鑫等［35］的研究結(jié)果基本一致。生物炭自身含有大量碳且性質(zhì)穩(wěn)定，不易被礦化［37］；而且生物炭與土壤有機碳結(jié)合后可以提高有機碳的氧化穩(wěn)定性，有利于土壤有機碳的積累［38］。腐熟秸稈對土壤有機碳的提高程度低于生物炭，主要是秸稈含有大量新鮮易分解的碳，施入土壤的秸稈碳通過呼吸作用損失較多，進而減少了土壤有機碳的積累［39-40］。有研究表明，隨著土層的加深，土壤有機碳呈下降趨勢［24,41］，但本試驗中20～30 cm土層土壤有機碳含量并不是最低，甚至隨著土層的加深，單施生物炭處理和生物炭與秸稈配施處理土壤有機碳含量明顯增加，這可能與試驗材料的特殊性及其施用方法有關。本試驗中所用生物炭及腐熟小麥秸稈采取先撒施、耕耙均勻后再起壟，由于生物炭顆粒較小，在耕作過程中可能會下沉到較深土層，進而導致20～30 cm 土層土壤有機碳含量增加。單施秸稈處理20～30 cm 土層有機碳含量與對照差異不明顯，可能與秸稈顆粒較大，進入深層土壤較少有關。

本試驗結(jié)果表明，施用生物炭和秸稈處理可明顯提高0～30 cm 土層各粒級團聚體有機碳含量，且隨土壤團聚體粒級的增大有機碳含量呈增加趨勢，大團聚體能保存更多碳素。這可能是添加的外源碳作為膠結(jié)物質(zhì)促進微團聚體向大團聚體的轉(zhuǎn)化，進而增加了大團聚體中有機碳的含量［29］。土壤團聚體有機碳的貢獻率主要受兩個因素影響，一是各粒級團聚體的數(shù)量，二是各粒級團聚體有機碳的含量［26］。本試驗中發(fā)現(xiàn)，雖然＜0.250 mm 粒級團聚體的有機碳含量低，但其數(shù)量在整個土壤結(jié)構(gòu)中所占比例較大，所以對土壤有機碳的貢獻率較高。在10～20 cm 土層中添加生物炭和秸稈處理增加0.250～1.000 mm 粒級團聚體有機碳貢獻率，但降低＜0.250 mm 粒級團聚體有機碳的貢獻率。一方面是由于生物炭的含氧官能團促進微團聚體向大團聚體形成，從而增加了大團聚體中的有機碳含量，提高了大團聚體有機碳貢獻率。另一方面，秸稈的施入促使大團聚體成為微生物的活動中心，微生物的活動有利于更多碳被大團聚體固定［42］。

4 結(jié)論

施用生物炭和秸稈可提高0～30 cm 土層大團聚體含量（＞0.250 mm）及其穩(wěn)定性，尤其對0～20 cm 土層大團聚體含量及其穩(wěn)定性提高效果最顯著，且以生物炭與秸稈配施處理對促進土壤大團聚體的形成、提高土壤團聚體的穩(wěn)定性、改善土壤結(jié)構(gòu)的作用效果最佳。

施用生物炭和秸稈可以明顯提高0～30 cm 土層土壤總有機碳含量以及各粒級團聚體有機碳含量，其中單施生物炭處理對土壤團聚體有機碳的提高效果優(yōu)于單施秸稈處理和生物炭與秸稈配施處理，而生物炭與秸稈配施處理更有利于提高土壤大團聚體有機碳的貢獻率。