肖欣娟，夏建國(guó)*，于正義，馬黛玉，林婉嬪

茶渣生物質(zhì)炭對(duì)茶園土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳分布的影響①

肖欣娟1，夏建國(guó)1*，于正義1，馬黛玉1，林婉嬪2

(1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130；2 四川省遂寧生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，四川遂寧 629000)

將茶生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的茶渣在500 ℃下制成生物質(zhì)炭，針對(duì)雅安名山區(qū)3種典型茶園土壤(紫色土、水稻土和黃壤)進(jìn)行112 d的室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，包括CK、0.5%、1%、2% 和4% 5種炭土比，共計(jì)15個(gè)處理，采用濕篩法分析不同生物質(zhì)炭添加比例下3種茶園土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成、穩(wěn)定性和有機(jī)碳分布的影響。研究表明：生物質(zhì)炭輸入后3種土壤>0.25 mm粒徑水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的數(shù)量有所增加，且生物質(zhì)炭添加比例越高提升越大，其中紫色土中>2 mm粒徑含量增幅最大，最高提升了12.71%；水稻土和黃壤則是0.25 ～ 2 mm粒徑增幅最大，最高分別提升了8.25% 和8.19%。3種土壤的MWD、GMD和0.25值均有所增加，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性增加，表現(xiàn)為高添加量下作用更顯著，且對(duì)黃壤的提升效果最佳。3種土壤各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量大幅提升，且隨添加比例的增加而增加，各處理間差異顯著(<0.05)，紫色土中<0.053 mm粒徑的增幅高達(dá)96.35%，水稻土中0.053 ～ 0.25 mm粒徑有機(jī)碳含量增幅高達(dá)74.22%，黃壤中>2 mm粒徑有機(jī)碳含量增幅最高達(dá)到334.79%。3種土壤中均是0.25 ～ 2 mm粒徑有機(jī)碳相對(duì)貢獻(xiàn)率最高?？傮w上，茶渣生物質(zhì)炭輸入后可增加3種茶園土壤的大團(tuán)聚體數(shù)量，提升團(tuán)聚體穩(wěn)定性，對(duì)各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量也有顯著提升作用(<0.05)。

生物質(zhì)炭；茶園；土壤團(tuán)聚體；土壤有機(jī)碳

土壤團(tuán)聚體是土壤的基本結(jié)構(gòu)單位，影響土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)移和循環(huán)，與土壤抗蝕能力、環(huán)境質(zhì)量和固碳潛力等有直接關(guān)系[1]。土壤有機(jī)碳(SOC)作為膠結(jié)物質(zhì)參與團(tuán)聚體形成與周轉(zhuǎn)的整個(gè)過(guò)程，土壤團(tuán)聚體則為土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存提供場(chǎng)所，并影響其分解轉(zhuǎn)化過(guò)程[2]。近年來(lái)，生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境方面大受關(guān)注[3]，生物質(zhì)炭富含碳，輸入土壤后可與土壤中的礦物形成有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體，即土壤團(tuán)聚體[4]，同時(shí)，生物質(zhì)炭將自身封閉于土壤團(tuán)聚體內(nèi)，減少與土壤微生物的接觸，實(shí)現(xiàn)自身的長(zhǎng)期封存[5]。王富華等[6]將生物質(zhì)炭與秸稈還田，發(fā)現(xiàn)單施生物質(zhì)炭也可以增加紫色土中>0.25 mm粒徑大團(tuán)聚體的數(shù)量，且土壤總有機(jī)碳和各粒徑團(tuán)聚體含量均顯著提升。喬丹丹等[7]將生物質(zhì)炭、秸稈和化肥配施，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭配施化肥以及生物質(zhì)炭和秸稈配施化肥均能促進(jìn)黃褐土>0.25 mm粒徑團(tuán)聚體的形成。孟祥天等[8]通過(guò)旱作紅壤長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭配施化肥處理相對(duì)單施化肥的處理顯著增加了各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，其中以>2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增勢(shì)最明顯?？滴觚圼9]將一次性施用20 t/hm2和40 t/hm2生物質(zhì)炭3 a后的旱地土壤與對(duì)照相比，證實(shí)生物質(zhì)炭處理均顯著增加了2 000 ～ 200 μm團(tuán)聚體粒組土壤有機(jī)碳的含量。Sun和Lu[10]將秸稈和木屑生物質(zhì)炭加入土壤進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)，證實(shí)生物質(zhì)炭的輸入可以同時(shí)增加土壤大粒級(jí)團(tuán)聚體數(shù)量及各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量。

雅安名山茶區(qū)是我國(guó)重要的川茶產(chǎn)區(qū)之一，四川省委、省政府已將川茶納入農(nóng)業(yè)“10+3”產(chǎn)業(yè)體系重點(diǎn)推進(jìn)，茶園土壤是一種資源，也是一種生態(tài)，提高茶園土壤肥力并增強(qiáng)土壤固碳能力，保證茶園土壤質(zhì)量，是雅安市乃至我國(guó)茶葉種植行業(yè)穩(wěn)健發(fā)展的重要保障。因此，本試驗(yàn)利用茶渣制成生物質(zhì)炭，通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)分析不同施用量的茶渣生物質(zhì)炭對(duì)不同茶園土壤團(tuán)聚體組成、穩(wěn)定性和有機(jī)碳含量與分布的影響，揭示生物質(zhì)炭對(duì)茶園團(tuán)粒土壤結(jié)構(gòu)形成與有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的影響，以期為明確生物質(zhì)炭在茶園土壤結(jié)構(gòu)改良中的作用提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為雅安名山茶區(qū)典型茶園土，包括第三系名山群坡積物發(fā)育而來(lái)的紫色土、第四紀(jì)老沖積黃壤和第四紀(jì)老沖積黃壤發(fā)育而來(lái)的水稻土3種，均采自地理標(biāo)志產(chǎn)品蒙山茶保護(hù)范圍內(nèi)。該區(qū)域位于四川省雅安市名山區(qū)(30°00′ ～ 30°15′N，103°03′ ～ 103°22′E)。該區(qū)域?qū)僦芯暥葋啛釒駶?rùn)氣候，年均溫度15.8 ℃，無(wú)霜期約298 d，年平均相對(duì)濕度82%，為低光輻射區(qū)，氣候溫和，雨量充沛。3種土壤分開(kāi)采集，取0 ～ 20 cm耕作層，自然風(fēng)干后剔除石塊和可見(jiàn)植物殘?bào)w，過(guò)2 mm篩，按網(wǎng)格法取樣一份測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)(表1)，剩余樣品用于室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)。生物質(zhì)原料取自四川雅安蒙山茶保護(hù)范圍內(nèi)茶廠制茶過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄茶渣。茶渣自然風(fēng)干后，剔除明顯雜質(zhì)，過(guò)2 mm篩，在馬弗爐中以500 ℃限氧裂解2.5 h，冷卻后過(guò)0.15 mm篩備用。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

注：砂粒、黏粒、粉粒為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

取500 ml的塑料瓶，裝相當(dāng)于烘干土重400 g的紫色土、水稻土和黃壤，設(shè)單一土壤處理(CK)和生物質(zhì)炭土壤處理(生物質(zhì)炭/土壤質(zhì)量比分別為0.5%、1%、2%、4%)，共15個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。在 25 ℃下預(yù)培養(yǎng)1周后，將土壤與生物質(zhì)炭充分混勻，25 ℃下進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)112 d，調(diào)節(jié)水分使土壤含水率達(dá)到田間持水率的 60%，培養(yǎng)過(guò)程中，每隔7 d用稱重法補(bǔ)充礦化損失水分。

1.3 樣品采集

于2019年3月14日開(kāi)始培養(yǎng)試驗(yàn)，培養(yǎng)112 d 后進(jìn)行采樣，在風(fēng)干過(guò)程中沿自然斷裂面掰開(kāi)，過(guò)10 mm篩，風(fēng)干后測(cè)定土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體各粒徑含量，粒徑分為>2、0.25 ～ 2、0.053 ～ 0.25 mm和<0.053 mm，并用重鉻酸鉀–濃硫酸外加熱法測(cè)定各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體測(cè)定 采用濕篩法，將50 g風(fēng)干土樣置于套篩頂部(孔徑依次為2 mm、0.25 mm和0.053 mm)，于蒸餾水中浸泡5 min，開(kāi)啟團(tuán)粒分析儀(浙江托普儀器有限公司生產(chǎn)，型號(hào)TPF-100)，然后以3 cm振幅、25 r/min的頻率振蕩2 min。振蕩結(jié)束后將各級(jí)篩中團(tuán)聚體洗入已烘干稱重的鋁盒中，同時(shí)將懸液移入干凈小桶中，靜置24 h倒去上清液移入鋁盒中，將鋁盒置于55 ℃烘箱中烘干稱重。

1.4.2 土壤有機(jī)碳含量測(cè)定 采用重鉻酸鉀外加熱法進(jìn)行測(cè)定，其中 >2 mm和0.25 ～ 2 mm粒徑團(tuán)聚體需要先磨碎后過(guò)0.15 mm篩，0.053 ～ 0.25 mm和<0.053 mm粒徑烘干后可直接進(jìn)行測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用濕篩法獲得的各粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量計(jì)算出各粒徑團(tuán)聚體的占比，然后分別按式(1) ～ (3)計(jì)算>0.25 mm 水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量占比(0.25)、平均質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)：

各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳的相對(duì)貢獻(xiàn)率按式(4)計(jì)算：

式中：SOC為各粒級(jí)有機(jī)碳含量(g/kg)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016和 SPSS 24 軟件進(jìn)行分析；應(yīng)用單因素方差分析(ANOVA) 比較不同處理之間的差異性(Duncan法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶渣生物質(zhì)炭輸入對(duì)茶園土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成的影響

茶渣生物質(zhì)炭加入后，3種茶園土壤的水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成均發(fā)生改變(表2)。3種土壤的最優(yōu)粒徑均為0.25 ～ 2 mm。所有生物質(zhì)炭處理均能顯著增加紫色土>2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體數(shù)量 (<0.05)，增幅與生物質(zhì)炭添加比例正相關(guān)，紫色土4% 生物質(zhì)炭處理下增加了12.71%；水稻土和黃壤中>2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體數(shù)量在生物質(zhì)炭添加比例為0.5% 條件下變化不顯著，在其余處理下得到顯著提升(<0.05)，增幅與生物質(zhì)炭添加比例正相關(guān)。除0.5% 添加比外，其余生物質(zhì)炭處理均減少了3種土壤0.053 ～ 0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的含量，降幅與生物質(zhì)炭添加比例正相關(guān)，3種土壤4% 生物質(zhì)炭處理下分別減少了9.34%、4.06% 和8.55%。生物質(zhì)炭處理對(duì)紫色土<0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體均無(wú)顯著影響，但減少了黃壤和水稻土<0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體數(shù)量。

2.2 茶渣生物質(zhì)炭對(duì)茶園土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

平均質(zhì)量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和>0.25 mm團(tuán)聚體含量(0.25)是反映土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的指標(biāo)，值越大團(tuán)聚體穩(wěn)定性越好。茶渣生物質(zhì)炭對(duì)這3個(gè)指標(biāo)的影響如表3所示。生物質(zhì)炭的輸入提高了MWD、GMD和0.25值，增幅與生物質(zhì)炭添加比例正相關(guān)。0.5% 添加比下紫色土和水稻土的MWD、GMD和0.25變化不顯著，但黃壤MWD和0.25顯著提升(<0.05)。4% 添加比下紫色土MWD、GMD和0.25比CK處理增加了8.82%、12.00% 和9.85%，水稻土增加了7.06%、18.92% 和8.10%，黃壤增加了6.12%、16.33% 和7.52%。3種茶園土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性表現(xiàn)為黃壤>水稻土>紫色土，生物質(zhì)炭的添加增加了3種茶園土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，相同生物質(zhì)炭添加比例下對(duì)0.25的提升作用表現(xiàn)為紫色土>水稻土>黃壤，而對(duì)生物質(zhì)炭響應(yīng)最大的指標(biāo)為GMD。

2.3 茶渣生物質(zhì)炭對(duì)茶園土壤各級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響

茶渣生物質(zhì)炭輸入對(duì)3種茶園土壤各級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響如表4所示。3種土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均隨生物質(zhì)炭添加比例的增加而增加，且均隨團(tuán)聚體粒徑的增大而增大。生物質(zhì)炭輸入后，紫色土<0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增幅最大，為10.90% ～ 96.35%；在紫色土4% 生物質(zhì)炭處理下，各粒徑由大到小有機(jī)碳含量依次增加了68.07%、63.15%、83.79% 和96.32%。水稻土中0.053 ～ 0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增幅最大，為10.47% ～ 74.21%，在水稻土4% 生物質(zhì)炭處理下，各粒徑由大到小有機(jī)碳含量分別增加了46.13%、68.51%、74.21% 和69.79%。黃壤中 >0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量增幅整體大于<0.25 mm粒級(jí)，其中<0.053 mm粒級(jí)增幅最小，增幅范圍為39.47% ～ 273.51%，仍顯著高于相同生物質(zhì)炭添加比例下的紫色土和水稻土；黃壤4% 生物質(zhì)炭處理下，各粒徑由大到小有機(jī)碳含量依次增加了334.82%、333.17%、293.02% 和273.51%?？傮w看，所有處理下<0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量都低于全土有機(jī)碳含量。

表2 不同生物質(zhì)炭處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成(g/kg)

注：表中同列小寫(xiě)字母不同表示同種土壤不同生物質(zhì)炭處理間差異顯著(<0.05)，下表同。

表3 不同生物質(zhì)炭處理下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性

3種土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳相對(duì)貢獻(xiàn)率如表5所示。紫色土中0.25 ～ 2 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳相對(duì)貢獻(xiàn)率最大，其后依次為0.053 ～ 0.25 mm，<0.053 mm和>2 mm粒徑；生物質(zhì)炭添加比例為2% 和4% 時(shí)可顯著增加紫色土>2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量相對(duì)貢獻(xiàn)率(<0.05)，其他條件下均無(wú)顯著變化。水稻土中各粒級(jí)有機(jī)碳相對(duì)貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為0.25 ～ 2 mm> (>2 mm)>0.053 ～ 0.25 mm>(<0.053 mm)，其中>2 mm和<0.053 mm粒級(jí)隨生物質(zhì)炭添加比例增加而減小，0.25 ～ 2 mm粒級(jí)則隨生物質(zhì)炭增加而增加，0.053 ～ 0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率則未受到生物質(zhì)炭顯著影響；以水稻土4% 生物質(zhì)炭處理為例，各粒級(jí)由大到小其有機(jī)碳貢獻(xiàn)率依次比CK處理減少了1.25%、7.68%、13.08% 和4.17%。黃壤中各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳相對(duì)貢獻(xiàn)率的排序與水稻土一致，生物質(zhì)炭的輸入顯著提升了>2 mm和0.25 ～ 2 mm兩個(gè)粒級(jí)的有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，同時(shí)顯著降低了0.053 ～ 0.25 mm和<0.053 mm兩個(gè)粒級(jí)的相對(duì)貢獻(xiàn)率(<0.05)；以黃壤4% 生物質(zhì)炭處理為例，與CK處理相比，>2 mm和0.25 ～ 2 mm兩個(gè)粒級(jí)有機(jī)碳貢獻(xiàn)率增加了26.27%、27.69%，而0.053 ～ 0.25 mm和<0.053 mm兩個(gè)粒級(jí)有機(jī)碳貢獻(xiàn)率減少了18.51% 和19.02%。紫色土、水稻土和黃壤不同處理各粒級(jí)團(tuán)聚體分離的有機(jī)碳回收率分別為88.30% ～ 95.21%、90.57% ～ 93.76% 和84.57% ～ 93.59%，說(shuō)明在團(tuán)聚體分離過(guò)程中土壤有機(jī)碳未造成明顯損失，獲得的結(jié)果相對(duì)可靠。

表4 土壤各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量

表5 土壤各粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳相對(duì)貢獻(xiàn)率

2.4 茶園土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤基本性質(zhì)的相關(guān)性

將土壤團(tuán)聚體各穩(wěn)定性參數(shù)、各粒徑團(tuán)聚體含量與土壤基本性質(zhì)進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析(表6)，結(jié)果顯示除全氮外，土壤其他基本性質(zhì)都與土壤團(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性存在不同程度的相關(guān)關(guān)系。0.25與土壤全磷呈極顯著正相關(guān)(<0.01)，與黏粒含量呈顯著正相關(guān)(<0.05)；MWD和GMD與全磷和黏粒含量均呈極顯著相關(guān)(<0.01)，與砂粒含量顯著負(fù)相關(guān)(<0.05)；>2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量與土壤有機(jī)質(zhì)和砂粒含量極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01)，與全磷、黏粒和粉粒含量均呈極顯著正相關(guān)(<0.01)；0.25 ～ 2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量與pH和全磷含量顯著正相關(guān)(<0.05)，與全鉀含量極顯著正相關(guān)(<0.01)；0.053 ～ 0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量與全磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01)，與pH和全鉀含量顯著負(fù)相關(guān)(<0.05)；<0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量與全磷和黏粒含量極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01)，與砂粒含量顯著正相關(guān)(<0.05)。整體看來(lái)，全磷含量和土壤顆粒組成是與土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性密切相關(guān)的因素。

表6 R0.25、MWD、GMD、各粒徑團(tuán)聚體含量與土壤基本性質(zhì)相關(guān)性

注：*、** 分別表示相關(guān)性達(dá)<0.05和<0.01 顯著水平(雙側(cè))。

3 討論

3.1 茶渣生物質(zhì)炭對(duì)茶園土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性的影響

穩(wěn)定的團(tuán)聚體相當(dāng)于土壤的“細(xì)胞”，其分布和穩(wěn)定性與土壤健康質(zhì)量密切相關(guān)。通常認(rèn)為>0.25 mm的團(tuán)聚體為土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，其含量與土壤結(jié)構(gòu)和土壤肥力狀況正相關(guān)[6]。本研究中，生物質(zhì)炭的添加整體上可提升3種土壤>2 mm和0.25 ～ 2 mm粒徑團(tuán)聚體的含量，特別是高添加量下，提升效果更顯著(<0.05)；同時(shí)生物質(zhì)炭的添加降低了0.053 ～ 0.25 mm粒級(jí)的含量；對(duì)紫色土<0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體數(shù)量無(wú)顯著影響，但可以降低水稻土和黃壤<0.053 mm粒徑團(tuán)聚體的數(shù)量，且在一定添加比例下差異顯著(<0.05)。這與孫泰朋[11]的研究結(jié)果類似，他認(rèn)為這可能是因?yàn)樯镔|(zhì)炭含有巨大的表面積和豐富的孔徑結(jié)構(gòu)，且內(nèi)含大量有機(jī)分子，為土壤微生物提供活動(dòng)場(chǎng)所，增強(qiáng)其活性，同時(shí)微生物代謝產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)可與土壤小顆粒結(jié)合，從而促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成。其他學(xué)者在觀察秸稈炭還田對(duì)黃褐土團(tuán)聚體的影響時(shí)也發(fā)現(xiàn)秸稈炭可以顯著增加大團(tuán)聚體(>0.25 mm)的含量[7]。本試驗(yàn)中，生物質(zhì)炭添加比例越高，對(duì)土壤大團(tuán)聚體的促進(jìn)作用越明顯。生物質(zhì)炭能夠增加土壤大團(tuán)聚體含量的原因可以分為直接作用和間接作用。直接作用主要與土壤有機(jī)碳的增加和生物質(zhì)炭表面存在的大量官能團(tuán)有關(guān)。土壤惰性碳的含量越高，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越好，生物質(zhì)炭表面攜帶有大量的正負(fù)電荷，可通過(guò)靜電吸引或多價(jià)離子的鍵橋作用來(lái)與土壤礦物質(zhì)顆粒結(jié)合，形成相對(duì)穩(wěn)定的水穩(wěn)性團(tuán)聚體[12-13]。間接作用則與生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物和種植作物的影響有關(guān)。生物質(zhì)炭本身攜帶的易分解態(tài)有機(jī)分子可以增加土壤微生物的活性，影響其代謝，刺激其分泌更多的土壤膠結(jié)物直接促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成[14]，同時(shí)其活動(dòng)會(huì)加深對(duì)植株根系生長(zhǎng)的影響，刺激根系分泌物的分泌，增加土壤中的有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)，最終促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成[15]。也有學(xué)者認(rèn)為土壤中pH的適度增加有效促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成[16]，另外，生物質(zhì)炭通過(guò)其表面的親疏水作用與黏土礦物發(fā)生反應(yīng)也可能是土壤團(tuán)聚體形成的原因之一[17]。

土壤團(tuán)聚體的MWD、GMD和0.25都是反映土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。MWD、GMD和0.25越大，表示土壤團(tuán)聚體越穩(wěn)定。本研究中，生物質(zhì)炭的添加可以增加3種土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD、GMD和0.25，但與生物質(zhì)炭添加量有關(guān)。當(dāng)施用量較小時(shí)影響并不顯著，如紫色土中添加0.5% 的生物質(zhì)炭時(shí)，與CK處理相比，MWD、GMD和0.25均無(wú)顯著變化；當(dāng)添加量為1% 時(shí)，MWD和0.25才顯著高于對(duì)照，而GMD仍無(wú)顯著變化，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果相似。Liu等[18]將不同量的木屑生物質(zhì)炭輸入黑壚土中，發(fā)現(xiàn)土壤0.25值隨生物質(zhì)炭添加量增大而增大。安艷等[19]發(fā)現(xiàn)不同熱解溫度的生物質(zhì)炭均可提高塿土土壤團(tuán)聚體的MWD值，且以500 ℃條件下的提升效果最有利。李江舟等[20]向紅壤連續(xù)施用生物質(zhì)炭3 a后，顯著增加了紅壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，且以高碳量的提升效果最好。土壤中的生物質(zhì)炭可以充當(dāng)團(tuán)聚體間的粘合劑，增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[21]，生物質(zhì)炭自身所帶的高濃縮芳香結(jié)構(gòu)也可與土壤原有有機(jī)質(zhì)結(jié)合，從而促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，提高團(tuán)聚體抵抗外界物理干擾的能力[22]。本研究的3種供試土壤由于成土母質(zhì)、發(fā)育條件等的不同，土壤性質(zhì)存在差異，對(duì)茶渣生物質(zhì)炭的響應(yīng)也不盡相同。供試黃壤以第四紀(jì)老沖積物為母質(zhì)，風(fēng)化程度較深，脫硅富鋁化作用強(qiáng)，且土壤養(yǎng)分含量較低，黏重板結(jié)；而以此發(fā)育而來(lái)的水稻土的鐵、錳還原淋溶和淋溶淀積明顯；第三系名山群坡積物發(fā)育而來(lái)的紫色土的微量元素較另外兩種土壤豐富。王道源[23]推測(cè)這主要與土壤機(jī)械組成有關(guān)，黏性土壤相對(duì)砂質(zhì)土壤具有更大比表面積，可以提供更多的吸附點(diǎn)位來(lái)促進(jìn)生物質(zhì)炭與黏土發(fā)生反應(yīng)，從而促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，增加穩(wěn)定性；Soinne等[24]也指出，將生物質(zhì)炭添加到高黏粒土壤和相對(duì)砂質(zhì)土壤中后，對(duì)黏質(zhì)土壤團(tuán)聚體的促進(jìn)作用更明顯，本研究中對(duì)土壤團(tuán)聚體組成、穩(wěn)定性與土壤基本性質(zhì)進(jìn)行的相關(guān)性分析也說(shuō)明了這一點(diǎn)。同時(shí)，土壤本身的全磷、全鉀等養(yǎng)分元素的不同，也是造成3種土壤對(duì)相同生物質(zhì)炭添加響應(yīng)不同的原因。

3.2 茶渣生物質(zhì)炭對(duì)茶園土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響

生物質(zhì)炭本身含碳量極高，通常為40% ～ 75%，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，高溫制備下的生物化學(xué)穩(wěn)定性更高[25]。本研究中所使用的茶渣生物質(zhì)炭由500 ℃高溫制備，含碳量為67.95%，施入土壤后顯著提升了3種茶園土壤全土的總有機(jī)碳和水穩(wěn)性團(tuán)聚體各粒徑粒級(jí)總有機(jī)碳含量，且隨生物質(zhì)炭添加比例的增加而增加。Six等[26]認(rèn)為新加入的有機(jī)碳能促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成，其內(nèi)部的有機(jī)碳也將受到團(tuán)聚體的保護(hù)而不斷累積。孟祥天等[8]發(fā)現(xiàn)，與單施氮肥處理相比，氮肥和生物質(zhì)炭配施顯著增加了各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量，且>2 mm粒徑團(tuán)聚體的有機(jī)碳含量增加最明顯。本研究中，3種土壤各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均隨粒徑增大而增大，但生物質(zhì)炭加入對(duì)各粒徑有機(jī)碳的提升作用大小在3種土壤中是有差異的。紫色土和水稻土中有機(jī)碳的增加更多體現(xiàn)在0.053 ～ 0.25 mm和<0.053 mm兩種粒徑上，而黃壤的研究結(jié)果與孟祥天等[8]研究結(jié)果類似，這可能是因?yàn)樽仙梁退就猎居袡C(jī)碳含量遠(yuǎn)高于黃壤，且有機(jī)碳多集中在大團(tuán)聚體中，所以生物質(zhì)炭的加入對(duì)此兩種土壤大團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量影響相對(duì)較?。灰部赡苁巧镔|(zhì)炭作為外源新碳進(jìn)入土壤團(tuán)聚體中時(shí)是隨機(jī)分配的[27]。本研究中所使用生物質(zhì)炭是過(guò)0.15 mm篩后輸入供試土壤中的，因此導(dǎo)致偏砂質(zhì)的紫色土和水稻土小粒徑團(tuán)聚體中還存在部分離散的生物質(zhì)炭，使這部分粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳增加更多，而紫色土團(tuán)聚體的穩(wěn)定性要低于水稻土，因此更多的有機(jī)碳進(jìn)入到了<0.053 mm的黏粉粒組分中，這也可能是導(dǎo)致3種土壤各級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量差異的原因。3種土壤大粒徑(>0.25 mm)團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量均高于小粒徑(<0.25 mm)團(tuán)聚體，這與黃褐土[7]和紅壤[28]條件下的研究結(jié)果一致。培養(yǎng)期內(nèi)，不同生物質(zhì)炭添加處理不同土壤下的團(tuán)聚體粒徑分布和團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的變化規(guī)律存在一定相似性，推測(cè)團(tuán)聚體粒徑分布和團(tuán)聚體穩(wěn)定性間存在顯著相關(guān)關(guān)系。土壤各粒徑團(tuán)聚體的有機(jī)碳貢獻(xiàn)率受土壤團(tuán)聚體分布和各粒徑有機(jī)碳含量的綜合影響，本研究中，3種茶園土壤均屬0.25 ～ 2 mm粒徑土壤有機(jī)碳相對(duì)貢獻(xiàn)率最高，第二貢獻(xiàn)率粒徑雖有所差異，但整體都體現(xiàn)為大粒徑(>0.25 mm)的有機(jī)碳相對(duì)貢獻(xiàn)率高于小粒徑(<0.25 mm)，這與黃褐土[7]中結(jié)果一致。

本研究是采用200 g土壤樣品在室內(nèi)恒溫恒濕條件下培養(yǎng)進(jìn)行的，共計(jì)112 d，培養(yǎng)周期短。田間條件下影響土壤團(tuán)聚體的因子復(fù)雜許多，比如耕作措施、地下水位、施肥情況和茶樹(shù)生長(zhǎng)等，對(duì)于茶渣生物質(zhì)炭添加對(duì)茶園土壤團(tuán)聚體的影響還待深入研究。本室內(nèi)模擬研究結(jié)果與田間試驗(yàn)可能存在差異，今后還需進(jìn)行長(zhǎng)期的田間原位試驗(yàn)，這樣才能更好地探究茶渣生物質(zhì)炭輸入對(duì)茶園土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體及其有機(jī)碳的作用，為茶渣生物質(zhì)炭在茶園土壤改良中的應(yīng)用提供更多更有力的依據(jù)。

4 結(jié)論

向雅安名山區(qū)3種典型茶園土壤(紫色土、水稻土和黃壤)中添加4種不同比例的茶渣生物質(zhì)炭后進(jìn)行培養(yǎng)112 d后，3種茶園土壤水穩(wěn)性大中團(tuán)聚體(>2 mm和 0.25 ～ 2 mm粒徑)的含量、土壤MWD、GMD和0.25值均顯著提升，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性增加；各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量也顯著增加，且隨生物質(zhì)炭添加比例增大而增大，紫色土和黃壤>2 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率均有所增加。其中，茶渣生物質(zhì)炭對(duì)黃壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響高于其余兩種土壤，在4% 添加量下土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)改良效果最明顯。

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Effects of Biochar of Tea Residue on Soil Aggregates and Their Organic Carbon Distribution in Tea Gardens

XIAO Xinjuan1, XIA Jianguo1*, YU Zhengyi1, MA Daiyu1, LIN Wanpin2

(1 College of Resources, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2 Sichuan Suining Ecological Environment Monitoring Center Station, Suining, Sichuan 629000, China)

In this study, biochar was made at 500 ℃from tea residues produced during tea production process and used in a 112 d incubation experiment to study its impacts on the distributions, stabilities and organic carbon contents of soil aggregates in three typical tea garden soils (purple soil, paddy soil and yellow soil) of Ya’an, Sichuan Province. In total fifteen treatments were designed with five applying rates of biochar (0, 0.5%, 1%, 2% and 4%). Soil aggregate size distribution and their organic carbon contents were determined. The results showed >0.25 mm aggregates were increased in the three soils with the increase of biochar applied. >2 mm aggregates increased most in purple soil (increased by 12.71%), 0.25–2 mm aggregates were increased most in paddy soil and yellow soil (increased by 8.25% and 8.19%, respectively). Biochar increased mean weight diameters (MWD), geometric mean diameter (GMD) and macro-aggregate content (0.25) significantly, indicating biochar can improve the stability of soil water-stable aggregates, and the effect is intensified with increasing biochar input. Biochar increased organic carbon contents in all size aggregates in the three soils significantly, and the effect is intensified with increasing biochar input. The differences were significant (<0.05) between different treatments. Organic carbon content increased most in <0.053 mm aggregates in purple soil (increased by 96.35%), in 0.053–0.25 mm aggregates in paddy soil (increased by 74.22%), and in >2 mm aggregates in yellow soil (increased by 334.79%). The relative contribution rate of SOC was the highest in 0.25–2 mm aggregates in the three soils. In general, biochar of tea residues can increase large soil aggregates in tea gardens, improve the stability of soil aggregates, and significantly promote organic carbon contents in all size soil aggregates.

Biochar; Tea garden; Soil aggregates; Soil organic carbon

S152.4；S156.2

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.03.020

肖欣娟, 夏建國(guó), 于正義, 等. 茶渣生物質(zhì)炭對(duì)茶園土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳分布的影響. 土壤, 2021, 53(3): 594–601.

四川省科技廳重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2021YFS0279)和四川省自然資源廳科研項(xiàng)目(Kj-2021-7)資助。

(xiajianguo@126.com)

肖欣娟(1994—)，女，四川成都人，碩士研究生，主要從事土壤資源利用研究。E-mail: 1057006243@qq.com