張亞楠，郭 薇，趙 倩，劉格格，戴璧遠(yuǎn)，孟慶峰

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030）

我國黑土面積約占世界16%，是世界四大黑土區(qū)之一。黑土有機質(zhì)含量和利用率較高，是性狀好、肥力高、最適宜植物生長的土地之一，故黑土地區(qū)為全國糧食供應(yīng)提供了有力保障。然而統(tǒng)計顯示，黑土層退化速度極快，30年減少了約9 厘米，隨之而來的問題是土壤有機質(zhì)層變薄，養(yǎng)分越來越少，嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量。因此，黑土的面積退化和質(zhì)量退化是我們應(yīng)該迫切關(guān)注的問題。

生物炭是生物質(zhì)材料（如廢棄木材、植物秸稈等）在完全或部分缺氧的條件下熱解得到的高含碳量固體產(chǎn)物[1]。其來源廣泛、對環(huán)境友好，且內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)豐富、理化性質(zhì)穩(wěn)定，在改良土壤各項性能、提高土壤肥力、修復(fù)土壤等方面具有重要作用。

眾多研究結(jié)果表明，施用生物炭可使土壤向有利于作物生長的方向發(fā)展：連續(xù)施用生物炭可以顯著改善土壤的保水持水能力，延緩?fù)寥浪终舭l(fā)。此外，生物炭能夠提高土壤微生物的活性，在疏松土壤方面效果顯著，可有效對抗土壤“硬”的問題，在一定程度上降低土壤的硬度，促進(jìn)農(nóng)作物生長[2]。綜上，利用生物炭作為黑土的改良劑是一舉多得的措施。

試驗采用室內(nèi)培育油菜盆栽的試驗方法，通過給不同盆栽施用不同含量秸稈生物炭，進(jìn)行外源生物炭對典型黑土理化性質(zhì)和油菜生產(chǎn)的影響的研究，為黑土改良和產(chǎn)量增產(chǎn)提供重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

土壤采集于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗場，該地土壤基礎(chǔ)肥力狀況為：土壤深度0～15 cm，堿解氮為182.00 mg·kg-1，速效磷為45.00 mg·kg-1，速效鉀為188.00 mg·kg-1。

秸稈生物炭是玉米秸稈置于600℃限氧條件下，高溫裂解形成的產(chǎn)物。試驗所用生物炭密度為0.64 g·cm-3，pH 為8.01。

1.2 試驗設(shè)計

本項目研究的作物是油菜，于19年6月14日種植。研究采用油菜盆栽試驗法，通過對油菜的土培試驗，進(jìn)行不同含量生物炭的施用處理。分別添加生物炭含量：0（B0）、50（B50）、100（B100）、200（B200）g·kg-1，與黑土混勻裝盆種植油菜，待收獲后測定油菜產(chǎn)量及黑土的各項理化性質(zhì)。以未添加生物炭（B0）的作為空白對照組，每個處理設(shè)置三次重復(fù)。各處理化肥施用量相同，分別為尿素（N=46%）0.65 g·kg-1，磷酸二氫銨（N=18%，P2O5=46%）1.67 g·kg-1，硫酸鉀（K2O=52%）0.58 g·kg-1。肥料作為基肥一次性施入待測土樣，其余時期不施用其他任何肥料[3]。

1.3 分析方法

同年10月20日油菜收獲后，用環(huán)刀取土，用于測定土壤容重。剩余土壤經(jīng)風(fēng)干晾曬后，研磨過1 mm 篩儲備，用于測定土壤容重、比重、飽和持水量、田間持水量、pH、電導(dǎo)率等土壤特性。土壤顆粒密度測定采用比重瓶法；土壤容重、田間持水量和飽和持水量采用環(huán)刀法，取樣后150℃烘干至恒重；pH 和電導(dǎo)率經(jīng)5：1 水土比震蕩后，分別采用pH 計和電導(dǎo)率儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)經(jīng)SPSS 26.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Duncan 法檢驗分析各處理平均值之間的差異顯著性，利用WPS 2019進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈生物炭添加對黑土容重、比重、孔隙度的影響

添加生物碳的處理明顯降低了土壤容重，處理B100 和B200 的土壤容重顯著低于處理B0，而處理B50和B0 之間差異不顯著（P＜0.05）。處理B0、B50、B100 之間的土壤比重差異不顯著，處理B200 的土壤容重顯著低于處理B0 和B50（P＜0.05）；因此當(dāng)秸稈生物炭添加量為200 g·kg-1時，土壤的比重顯著降低。隨生物用量的增加土壤總孔隙度呈現(xiàn)出遞增的變化趨勢，處理B200的土壤孔隙度顯著高于B0 處理（P＜0.05）；而處理B50和處理B0 的土壤總孔隙度之間差異不顯著（表1）。

表1 不同處理的容重、比重、孔隙度變化

2.2 秸稈生物炭添加對黑土田間持水量、飽和持水量的影響

秸稈生物炭的添加增加了土壤飽和持水量，處理B200 的土壤飽和持水量顯著高于處理B0，而處理B50和B100 之間差異不顯著（P＜0.05）；因此當(dāng)秸稈生物炭添加量為200 g·kg-1時，土壤飽和持水量顯著增加。各處理之間的土壤田間持水量差異不顯著（P＜0.05）；當(dāng)秸稈生物炭添加量為100 g·kg-1時，對土壤田間持水量的影響最大（圖1，圖2）。

圖1 不同處理對土壤田間持水量的影響

圖2 不同處理對土壤飽和持水量的影響

2.3 土壤持水性與土壤孔隙的關(guān)系

為進(jìn)一步探究土壤孔隙度與土壤田間持水量和飽和持水量的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，分別建立土壤田間持水量y1和飽和持水量y2關(guān)于土壤孔隙度的線性回歸方程，分別是：

進(jìn)行回歸線性分析可知，隨著秸稈生物炭添加量的增加，土壤田間持水量和土壤飽和持水量均呈顯著的線性正相關(guān)；孔隙度每增加1%，田間持水量便會增加1.47%，飽和持水量將會增加2.20%（圖3，圖4）。

圖3 土壤孔隙度對土壤田間持水量的影響

圖4 土壤孔隙度對土壤飽和持水量的影響

2.4 秸稈生物炭添加對黑土pH、電導(dǎo)率的影響

隨著秸稈生物炭添加量的增加，pH、電導(dǎo)率都呈現(xiàn)增加的趨勢。處理B0 與其他處理組之間的土壤pH差異顯著，處理B50 和B100 與B200 之間差異顯著（P＜0.05）；因此當(dāng)生物炭添加量為200 g·kg-1時，土壤pH 顯著增加。對于土壤電導(dǎo)率而言，秸稈生物炭添加顯著增加了土壤電導(dǎo)率，處理B0 與其他處理之間差異顯著（P＜0.05）；當(dāng)生物炭添加量為200 g·kg-1時，土壤電導(dǎo)率顯著提高（圖5，圖6）。

圖5 不同處理對土壤pH 的的影響

圖6 不同處理對土壤電導(dǎo)率的影響

3 討論

土壤容重、比重隨秸稈生物炭添加量的增加而下降，是因為生物炭自身的密度和比重比較小，如密度只有0.64 g·cm-3，加入土壤后土壤容重、比重自然呈下降趨勢[4]。生物炭孔隙結(jié)構(gòu)豐富，能夠與土壤孔隙結(jié)構(gòu)相互作用形成孔隙系統(tǒng)，孔隙增多[5]，故土壤孔隙度隨秸稈生物炭添加量的增加而增大。孔隙度隨秸稈生物炭添加量增加而增大，土壤中固相物質(zhì)的相對含量減少，而孔隙用于儲存空氣和水，間接增加了土壤的持水能力；生物炭自身具有強大的孔隙結(jié)構(gòu)和吸附能力，可吸附水分子，直接增加了土壤的持水量[4，5]。研究表明，生物炭因有機官能團(tuán)（-COOH 等）、無機堿金屬離子（Na+等）因素的影響，呈堿性[6]。堿性物質(zhì)添加可導(dǎo)致土壤pH 升高，故土壤pH 測定結(jié)果隨秸稈生物炭添加量的增加呈增大趨勢。由于生物炭中有Ca2+、Mg2+、Na+等可溶性鹽，加入土壤使土壤中離子數(shù)量增加，故土壤電導(dǎo)率隨秸稈生物炭添加量的增加而增大。

通過實驗數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)田間持水量的處理組B50 相較于B0 下降、B200 相較于B100 明顯下降。造成B50 的田間持水量下降的原因可能是，當(dāng)生物炭添加量為50 g·kg-1時，土壤孔隙被生物炭的微小顆粒所填補，導(dǎo)致土壤孔隙堵塞，從而造成田間持水能力下降的結(jié)果[3，7]。而B200 組數(shù)值下降可能是因為當(dāng)生物炭添加量為200 g·kg-1時，土壤孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，導(dǎo)致其蒸發(fā)量過大，持水能力降低，表現(xiàn)為田間持水量下降。

4 結(jié)論

隨著秸稈生物炭添加量的增加，土壤的孔隙度、pH、電導(dǎo)率、飽和持水量、田間持水量都呈增加的趨勢，土壤容重、比重呈下降的趨勢。當(dāng)生物炭添加量為200 g·kg-1時，對土壤孔隙度影響顯著，土壤的容重、比重顯著降低，土壤的pH、電導(dǎo)率、飽和持水量有所提高?？紤]生物炭的施用成本及其對土壤指標(biāo)的改良程度，建議生物炭的施用量為200 g·kg-1，此時土壤的物理性質(zhì)、通氣性能和保肥保水的性能都有較為顯著的改善。