土壤团聚体是土壤结构的基本单元和土壤结构形成的物质基础^[1-2]，也是影响土壤肥力的重要因素。同时土壤团聚体数量及其分布也可以调节土壤水、肥、气、热等因素^[3-4]，对土壤质量提升及维持作物高产具有重要意义。土壤有机碳、全氮与土壤肥力密切相关，其任何变化都会对土壤质量产生深远影响，是评价土壤质量、衡量土壤环境可持续发展的重要指标^[5-6]，与土壤团聚体稳定性之间存在密切的联系^[7]。研究表明，不同粒级土壤团聚体对土壤碳、氮的固持、供应及转化能力不同^[8]；土壤碳、氮主要存在于大团聚体中，而在土壤微团聚体中含量较少^[9]。也有研究认为，土壤微团聚体碳、氮含量要高于土壤大团聚体^[10]，其对改善土壤结构、提高土壤持水性及增加土壤生物活性等方面发挥着不同的作用^[11-12]，但目前研究结果尚未统一。

新疆属于典型的温带大陆性干旱气候，降水少，蒸发量大，土壤保水性差，肥料利用率低；加之长期连续种植利用及肥料的不合理使用，导致土壤结构遭到破坏，土地生产力也持续下降^[13]。因此，寻找培肥土壤的方法，实现农业生产可持续发展至关重要。生物炭作为一种稳定的富碳产物^[14]，具有高度发达的孔隙结构、较大的比表面积和丰富的表面活性官能团^[15]。在土壤中添加生物炭，被认为是改善土壤结构、提高作物产量的潜在方法^[16-18]。生物炭与氮肥配合施用可提高近根区持氮量，提高籽粒产量、氮素吸收和土壤碳含量^[19]。现如今，关于生物炭对土壤团聚体及其养分影响的研究有很多，但由于地域及生物炭添加量的不同，研究结果也存在很大差异，且研究多集中于棉花、玉米、大豆等作物，而在春小麦上的研究较少。基于此，本研究通过添加生物炭的试验，研究生物炭对北疆灌区春麦田土壤团聚体分布、稳定性及其碳、氮分布的影响，以期为生物炭在培肥北疆灌区农田土壤、维持农业生产可持续方面提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地设在新疆奇台麦类试验站（东经 89°13′ 至 91°22′，北纬 42°25′至 45°29′）。奇台属于温带大陆性气候。年平均气温 5.5℃，7 月平均气温 22.6℃，极端最高气温 39℃，1 月平均气温-18.9℃，极端最低气温-37.3℃。年平均相对湿度 60%。无霜期年平均 153 d（从 4 月下旬到 10 月上旬）。年平均降水量 269.4 mm。试验地土壤为砂壤土，0～20 cm 土层有机质含量为 15.15 g/kg，总氮含量 0.93 g/kg，有效磷含量 7.10 mg/kg，速效钾含量 351 mg/kg，pH 值为 8.25。

1.2 试验材料及设计

1.2.1 供试材料

本试验所用棉秆炭由新疆农业科学院提供，粒径为 1.5～2.0 mm，炭化温度 450℃，炭化时间 4 h， pH 值为 9.37，全氮 21.76 g/kg，碱解氮 5.38 mg/kg，有效磷 200.94 mg/kg；供试品种为新春 37 号。

1.2.2 试验设计

试验于 2018 年 9 月开始，采用随机区组设计。设 4 个生物炭水平（B0、B1、B2、B3）、2 个氮肥用量水平（N0、N1），共计 8 个处理，每个小区面积 9 m² （3 m×3 m），每个处理 3 次重复，共计 24 个小区。于 2018 年播种前将生物炭均匀撒于田间表土，再人工均匀翻入 30 cm 土层，此后 2 年不再施入。氮肥采用尿素（N 46%），作为基肥一次性施入。播种方式为等行距条播，种植密度 450 万株 /hm²，行距 20 cm，其他管理措施与当地一般高产田相同。本试验处理生物炭、氮肥具体用量见表1。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤团聚体的筛分及稳定性指标的计算

2020 年春小麦收获后，在每个小区用 5 点取样法采集 0～30 cm 土层土壤，混合装袋带回，在室内风干过程中沿土壤自然缝隙将土壤掰成小于 1 cm 的小块。采用干筛法，每小区称取风干土样 500 g，分多次置于孔径依次为 5、2、1、0.5 和 0.25 mm 的套筛顶部，人工摇动套筛 2～3 min，摇筛结束后静置 1 min，收集各层筛面上的土壤团聚体，分别称重，记录并装袋。大于 0.25 mm 的为土壤大团聚体，小于 0.25 mm 的为土壤微团聚体。

土壤团聚体稳定性指标包括平均重量直径 （MWD）、几何重量直径（GMD）、分形维数（D） 和大团聚体所占的比重（R>0.25）。

式中：${\stackrel{-}{d}}_i$为各粒级土壤团聚体的平均直径；w_i 为各粒级土壤团聚体占总试样的百分比；m_i 为各粒级土壤团聚体的重量，${\stackrel{-}{d}}_{max}$为最大粒级土壤团聚体的平均直径，m 为土壤团聚体的总重。m<0.25 为 <0.25 mm 团聚体的重量。

1.3.2 土壤有机碳和全氮含量的测定及养分贡献率的计算

有机碳含量：采用重铬酸钾-硫酸稀释热法测定各粒级团聚体有机碳的含量^[20]；全氮含量：土壤样品消煮，定量转入半自动凯氏定氮仪蒸馏后，采用半微量凯氏定氮法^[20]测定各粒级土壤团聚体全氮含量。

各粒级团聚体碳（氮）贡献率（%）=[某粒级团聚体碳（氮）含量 × 该粒级团聚体百分含量]/ 土壤总碳（氮）含量 ×100

1.4 数据统计分析

采用 Excel 2019 及 SPSS 19.0 进行数据统计与分析，并检验其差异显著性。

2 结果与分析

2.1 生物炭和氮肥对土壤团聚体的影响

2.1.1 生物炭和氮肥对土壤团聚体分布的影响

添加生物炭影响土壤团聚体的粒级分布（表2）。在 0～30 cm 土层中，对照 B0N0 处理土壤团聚体主要以 >5、2～5 及 0.5～1 mm 粒级为主，占比在 18.5%～25.3% 之间，而 <0.25 mm 粒级的团粒仅占 9.7%；单施氮肥 B0N1 处理土壤团聚体的分布特征与不施肥对照 B0N0 处理具有相同规律。与 B0N0 处理相比，单施生物炭各处理都增加了 >5 及 2～5 mm 粒级的大团聚体含量（P<0.05），其中 B2N0 处理增加最显著，分别为 41.2% 和 11.4%，其余粒级团聚体含量较对照 B0N0 处理表现为下降趋势，差异不显著；与单施氮 B0N1 处理相比，氮肥配施生物炭各处理 2～5 mm 粒级团聚体含量显著提升，B3N1 处理提升最显著，为 30.5%，但各配施处理间无显著性差异（P>0.05）。与单施生物炭相比，炭氮配施主要提高了 0.5～1 mm 粒级团聚体含量，较单施生物炭总体增加 16.8%（P<0.05），其余粒级间无明显变化，生物炭与氮肥配施交互作用显著。

注：同列含有不同小写字母表示不同处理之间差异显著（P<0.05），* 表示 P<0.05；** 表示 P<0.01；ns 表示不显著。下同。

2.1.2 生物炭和氮肥对土壤团聚体稳定性的影响

生物炭添加对土壤团聚体稳定性有显著影响 （表3）。在 0～30 cm 土层中，对照 B0N0 处理土壤团聚体 MWD、GMD 及 R>0.25 含量均较低；单施氮肥 B0N1 处理与 B0N0 处理趋势一致，且两处理间无显著性差异；与 B0N0 处理相比，单施生物炭的处理均增加了土壤团聚体的 MWD、GMD，其中 B2N0 处理提升最显著，分别增加 21.3% 和 32.0%，R>0.25 指标无明显变化，D 显著降低。氮肥配施生物炭对土壤团聚体 MWD、GMD 及 D 等稳定性指标存在互作效应，B3N1 处理下团聚体稳定性最强，但与 B2N1 处理差异不显著（P<0.05）。

2.2 生物炭添加对土壤团聚体有机碳分布的影响

2.2.1 生物炭和氮肥对土壤团聚体有机碳分布的影响

不同处理土壤有机碳及各粒级土壤团聚体有机碳含量表现出不同的差异（表4），对照 B0N0 处理土壤及各粒级团聚体有机碳含量均较低，单施氮肥 B0N1 处理的趋势与其一致。与对照 B0N0 处理相比，B1N0、B2N0 处理土壤有机碳含量显著提升（P<0.05），其中 B2N0 处理有机碳含量最高，为 11.73 g/kg，较对照 B0N0 处理增加了 38.6%；各粒级土壤团聚体有机碳含量也有不同程度的提高， 1～2 mm 粒级土壤团聚体有机碳含量提升最显著 （P<0.05），为 35.6%；单施氮肥 B0N1 处理中，>5 及 1～2 mm 粒级土壤团聚体有机碳含量分别显著降低 8.2% 和 6.9%，其余粒级无显著性变化。生物炭配施氮肥处理中各粒级土壤团聚体有机碳含量均以 B3N1 处理最高。整体来看，<0.25 mm 粒级土壤团聚体有机碳含量最高，其次为 0.25～0.5 mm 粒级土壤团聚体，0.5～1 mm 粒级土壤团聚体含量最低。

2.2.2 生物炭和氮肥对各粒级土壤团聚体有机碳贡献率的影响

不同处理各粒级土壤团聚体有机碳贡献率有显著性差异（表5），主要体现在 >5、2～5 及 1～2 mm 粒级土壤团聚体中。整体来看，有机碳贡献率以 >5 及 2～5 mm 粒级土壤团聚体为主，占比为 40% 以上，1～2 及 <0.25 mm 粒级土壤团聚体有机碳贡献率最小，分别占 10% 左右。与 B0N0 处理相比，单施生物炭各处理 >5 及 2～5 mm 粒级土壤团聚体有机碳贡献率都不同程度地增加，其中 B2N0 处理最显著，分别增加 27.5% 和 16.4%，且有机碳的贡献率随生物炭量的增加呈先上升后下降的趋势。与 B0N1 处理相比，炭氮配施各处理 2～5 mm 粒级土壤团聚体有机碳贡献率显著提升，其中 B3N1 处理增幅最大，为 21.7%，但处理间差异不显著。氮肥与生物炭配施对 >5 及 2～5 mm 粒级土壤团聚体有机碳贡献存在显著互作效应。

2.3 生物炭添加对土壤团聚体全氮分布的影响

2.3.1 生物炭和氮肥对各粒级土壤团聚体全氮含量的影响

不同处理土壤全氮含量较对照 B0N0 处理均有所提高（表6），其中单施生物炭处理中 B2N0 显著提升 40.8%（P<0.05），土壤全氮含量随生物炭量的增加呈“低-高-低”的变化趋势；而生物炭配施氮肥处理中 B3N1 处理土壤全氮含量最高，较对照 B0N0 处理显著提升 41.6%，生物炭添加量越高，土壤全氮含量越高。不同处理各粒级土壤团聚体全氮含量较对照 B0N0 处理也都有所提升，其变化与土壤全氮含量趋势相似，单施生物炭时，各粒级土壤团聚体全氮含量均以 B2N0 处理最高；生物炭与氮肥配施时，均以 B3N1 处理最佳。整体表现为 <0.25 mm 粒级土壤团聚体全氮含量最高，其次为 0.25～0.5 mm 粒级土壤团聚体，>5 mm 粒级土壤团聚体全氮含量最低。

2.3.2 生物炭和氮肥对各粒级土壤团聚体全氮贡献率的影响

不同处理各粒级土壤团聚体全氮贡献率差异显著 （表7），各处理土壤团聚体全氮贡献率以 >5 及 2～5 mm 粒级为主，占比达 50% 左右，<0.25 mm 粒级土壤团聚体全氮贡献率最小，仅占 10% 左右 （表7）。单施生物炭 B2N0 处理相对全氮贡献率最大，为 54.54%，较对照 B0N0 处理显著提升 24.3% （P<0.05）；与单施氮肥 B0N1 处理相比，添加生物炭降低了 >5 mm 粒级土壤团聚体全氮贡献率，而 2～5 mm 粒级土壤团聚体全氮贡献率显著提升（P<0.05），其中 B1N1 处理增幅最大，为 22%。

2.4 生物炭和氮肥对各粒级土壤团聚体碳氮比的影响

不同处理土壤碳氮比对生物炭添加表现不同（表8）。与 B0N0 处理相比，单施生物炭时，各处理土壤碳氮比随生物炭量的增加呈先上升后下降的趋势，其中 B2N0 处理增幅最大，为 25.3%。各粒级土壤团聚体碳氮比也有不同程度的提高，与 BONO 处理相比， B2N0 处理 >5 mm 粒级显著提升 31.4%。生物炭配施氮肥处理间各粒级土壤团聚体碳氮比无显著性差异。整体来看，>5 mm 粒级土壤团聚体碳氮比最高，2～5 mm 粒级土壤团聚体次之，0.5～1 mm 粒级土壤团聚体碳氮比含量最低。

3 讨论

土壤团聚体数量及其分布决定了土壤的入渗特性及肥力养分状况，且与土壤抗侵蚀、抗风化能力密切相关^[21-22]，是评价土壤质量的重要指标。土壤中的团聚体分为大团聚体（>0.25 mm）及微团聚体（<0.25 mm），通常认为 >0.25 mm 土壤团聚体含量越高，则土壤结构就越稳定，而 <0.25 mm 土壤微团聚体含量过高，则会导致土壤板结，影响土壤透气通水及生物活性^[23]。本研究中添加生物炭使 >0.25 mm 土壤团聚体含量增加，<0.25 mm 土壤团聚体减少，这与前人的研究基本一致^[24-27]。由于供试土壤样品为 0～30 cm 耕层土壤，是根系分布的主要区域，添加生物炭后，耕层土质较为疏松，有利于作物根系生长，根系间相互缠绕使小团聚体之间相互作用，从而使土壤大团聚体数量增加。本研究还发现，生物炭与氮肥配施增加了 2～5 mm 粒级土壤团聚体含量，且与对照相比差异显著，这与程乙等^[28]的研究结果一致，生物炭作为外源有机质，是很好的黏结剂^[29]，施入土壤可以加强土壤与有机质间的团聚作用，从而促进小团聚体向大团聚转变^[30]，也进一步说明化肥与有机肥配施更有利于土壤大团聚体的形成。

土壤结构的稳定性通常用 R>0.25、GMD、MWD 及 D 来表征，其与土壤抗侵蚀能力密切相关。其中，R>0.25、GMD、MWD 值越大表示土壤大团聚体含量越高，土壤结构越稳定，土壤抗侵蚀能力也越强；而 D 与其相反，值越小，表明土壤的持水能力及防止养分流失能力越强^[31]。本研究发现，添加生物炭后，R>0.25、GMD、MWD 等参数均不同程度地提高，且与对照相比差异显著，但 D 较对照减小。这与刘慧屿等^[32]、米会珍等^[33]的研究结果有差异。分析原因，生物炭自身稳定性较高，易与土壤有机质结合，加强了土壤颗粒间的黏结性^[34]，使土壤团聚体结构更稳定。此外，供试生物炭 pH 值为 9.37，添加至 0～30 cm 耕层土壤后使表层土壤 pH 值显著提升，增强了土壤微生物活动，促进了有机质快速形成，增强了土壤抗侵蚀能力和土壤团聚体稳定性^[35]。

土壤有机碳是土壤团聚体结构形成的基础，氮是所有生物的关键元素，土壤全氮含量通常与土壤基础肥力相关^[36]。添加生物炭提高土壤全氮含量的部分原因是生物炭自身含有一定量的氮^[23]。本研究结果表明，生物炭添加后，不同粒级土壤团聚体有机碳、氮含量均不同程度地提高，且 <0.25 mm 粒级土壤团聚体有机碳、氮含量相对较高。这与凌小莉等^[37]的研究结果相似。小粒径土壤团聚体拥有较大的比表面积，吸附能力强，可持留更多有机碳与氮，并能保持较高的稳定性^[38]。生物炭添加提高了大粒级土壤团聚体有机碳、氮贡献率，是土壤有机碳、氮的主要载体，故提高大团聚体含量可在一定程度上提高土壤固定碳、氮的能力。同时，土壤碳氮比是碳总量与氮总量的比值，合适的碳氮比有利于有机质的分解，碳氮比低，有机物分解程度高，不利于土壤中有机碳的积累^[39]。本研究发现，生物炭添加后，土壤碳氮比较对照显著提升 20.2%，且小粒级团聚体碳氮比相对较低，这与郭菊花等^[40]的研究结果相似，也再次说明土壤大团聚体是有机碳贮存的主要粒级。因此，可以通过外源添加有机碳的方法来提高土壤碳氮比，从而使土壤有机碳得到有效积累。

4 结论

生物炭添加后，土壤大团聚体含量显著增加，土壤团聚体稳定性提升，土壤团聚体分布主要以 >5、2～5 mm 粒级为主；土壤及各粒级团聚体碳、氮含量均显著增加，>5 mm 粒级土壤团聚体有机碳、氮贡献率显著增加，碳氮比增大。在本试验条件下，生物炭添加量为 20 t/hm² 时对北疆灌区麦田土壤的培肥效果最佳。

参考文献