孫強 ，楊旭 ，孟軍 ，蘭宇 ，韓曉日 *

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部生物炭與土壤改良重點實驗室，沈陽 110866；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學國家生物炭研究院，沈陽 110866；3.沈陽農(nóng)業(yè)大學土地與環(huán)境學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境博士后流動站，沈陽 110866）

全球土壤含有約2 344 Gt 有機碳，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機碳庫[1]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的碳庫[2]。農(nóng)田土壤有機碳水平對于維持土壤肥力，保障農(nóng)田生產(chǎn)力有著至關(guān)重要的作用[3]。農(nóng)田土壤碳庫產(chǎn)生微小的波動就會對大氣溫室氣體濃度產(chǎn)生重要影響[1-2]。土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的最基本單元，團聚體的形成與穩(wěn)定受到生物與非生物因素調(diào)控。適宜的團聚體分布會改善土壤結(jié)構(gòu)，大團聚體含量高的土壤是土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)良的體現(xiàn)。土壤有機碳與土壤團聚體密切相關(guān)，土壤有機碳是土壤團聚體形成過程中的重要膠結(jié)物質(zhì)，而土壤團聚體是土壤有機碳儲存的重要場所。土壤團聚體對有機碳的物理保護也被認為是有機碳在土壤中長久保存的主要機制[4]。

生物炭具有含碳量高、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、理化性質(zhì)穩(wěn)定且富含營養(yǎng)元素等特點，同時也具備來源廣泛、固碳潛力巨大的性質(zhì)，所以生物炭作為土壤改良劑在近年來受到廣泛關(guān)注[5-7]。據(jù)研究表明，生物炭顯著提高了大團聚體中的有機碳含量進而促進了大團聚體的形成[7]。高鳴慧等[8]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭對棕壤耕層大團聚體及團聚體有機碳都具有顯著的提升效果。林洪羽等[9]研究發(fā)現(xiàn)生物炭結(jié)合化肥配施顯著提高了土壤有機碳含量，并促進了<0.053 mm 粒徑團聚體向大團聚體組分轉(zhuǎn)化。根據(jù)meta-analysis 的研究結(jié)果表明，生物炭作為土壤改良劑對土壤團聚體具有顯著的促進效果[10]。但同時也有研究結(jié)果表明，生物炭作為土壤改良劑對團聚體沒有顯著影響或負面影響[11-12]。其原因可能和生物炭的種類、試驗土壤類型和試驗?zāi)晗抻嘘P(guān)。前人已經(jīng)針對生物炭對土壤有機碳和團聚體開展了相關(guān)的研究，但均在單一的生物炭施用量下研究土壤耕層有機碳和團聚體變化的結(jié)果，而生物炭對土壤團聚體及有機碳空間分布的影響尚不清楚。本研究基于大田試驗，探討一次性施用生物炭5 a 后棕壤團聚體及有機碳空間分布的變化，以期提升生物炭對土壤團聚體及有機碳空間分布的認識。

棕壤是中國東北地區(qū)典型耕作土壤之一，面積約占遼寧省總耕地面積的36.1%，是遼寧省重要的耕地土壤類型。棕壤土層深厚，結(jié)構(gòu)合理，水熱條件好，對保障國家糧食安全具有重要的戰(zhàn)略意義[13]。但是由于近幾十年來棕壤的過度開發(fā)和掠奪式的經(jīng)營，導致棕壤有機碳含量持續(xù)下降，結(jié)構(gòu)變差，土壤功能退化明顯。所以應(yīng)用生物炭對棕壤進行改良具有廣闊的前景和重要的意義。以往的研究主要集中在室內(nèi)模擬培養(yǎng)試驗或是盆栽試驗，試驗?zāi)晗掭^短，缺乏較長時間尺度的大田試驗研究結(jié)果，或者只針對生物炭對大田土壤耕層的影響，對土壤團聚體空間變化及有機碳空間分布研究較少。謝祖彬等[14]對已發(fā)表的文獻研究分析，在時間尺度上，生物炭大量的相關(guān)研究沒有超過1 a，2 a 以上的研究僅占5%。本研究以棕壤區(qū)5 a 玉米連作定位試驗為基礎(chǔ)，以一次性施入不同生物炭量的試驗處理為研究對象，對棕壤團聚體空間分布、團聚體有機碳含量及貢獻率開展研究，旨在為生物炭對棕壤改良提供依據(jù)，并保障遼寧棕壤區(qū)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，獲得生態(tài)、經(jīng)濟、社會效益協(xié)調(diào)發(fā)展的可持續(xù)農(nóng)業(yè)技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗區(qū)概況

供試土壤為棕壤，屬發(fā)育在第四紀黃土母質(zhì)上的潛育濕潤淋溶土。試驗所用生物炭為玉米秸稈生物炭，產(chǎn)自遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司。生物炭的制備過程為將玉米秸稈粉碎后置于炭化爐中，在限氧環(huán)境下450 ℃熱解炭化，熱解持續(xù)時間為1 h。生物炭產(chǎn)品在裝袋之前粉碎過2 mm 篩，生物炭的顆粒分布情況為>0.25 mm 占比50.8%±1.2%，0.053~0.25 mm 顆粒占比 42.2%±1.5%，<0.053 mm 顆粒占比 7.0%±0.9%。供試土壤及生物炭性質(zhì)見表1。試驗區(qū)位于沈陽農(nóng)業(yè)大學生物炭長期定位試驗站，該地區(qū)氣候類型為溫帶濕潤-半濕潤季風氣候。冬春季干旱少雨，夏秋季濕潤多雨，年平均氣溫約為7.0~8.1 ℃，年平均降雨量約為574~684 mm，無霜期約為150 d。作物生育期內(nèi)平均降雨量為547 mm，平均氣溫為20.7 ℃，適宜作物生長。

表1 供試土壤及生物炭基礎(chǔ)性質(zhì)Table 1 Basic properties of the tested soil and biochar

1.2 試驗設(shè)計

試驗開始于2013年5月初，于2017年9月下旬取得土壤樣品。種植作物為春玉米，種植模式為玉米連作，種植密度為60 000 株·hm-2。共設(shè)4 個處理，分別為 C0：不施生物炭；C1：于 2013 年 5 月播種前一次性施用生物炭 15.75 t·hm-2；C2：于 2013 年 5 月播種前一次性施用生物炭 31.50 t·hm-2；C3：于 2013 年 5 月播種前一次性施用生物炭47.25 t·hm-2。試驗小區(qū)面積為36 m2（3.6 m×10 m），三次重復，隨機區(qū)組排列。于2013 年5 月初將生物炭人工均勻撒播在試驗區(qū)的表面，隨后用旋耕機將生物炭與耕層土壤充分混合。各處理施肥量一致，均為逐年施入N 120 kg·hm-2、P2O560 kg·hm-2、K2O 60 kg·hm-2。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 樣品采集

采用剖面取土法在小區(qū)進行五點法取樣，分別取得原狀土樣品和散土樣品。取樣深度為0~20、20~40 cm 和40~60 cm。將所取樣品帶回實驗室風干，原狀土樣品在風干的過程中手工沿土壤自然結(jié)構(gòu)掰開，過8 mm 篩，待完全風干后用于團聚體篩分。另取同樣深度的散土樣品，運回實驗室風干，揀除小石子和植物殘留物，分別過100目和10目篩用于土壤有機碳和pH的測定。

1.3.2 測定方法

土壤團聚體的測定采用經(jīng)典濕篩法[15]。使用XY-100 型團聚體篩分儀將團聚體分為>2 mm（粗大團聚體），0.25~2 mm（細大團聚體），0.053~0.25 mm（微團聚體）和<0.053 mm（粉黏粒）四個組分。各粒徑團聚體烘干稱質(zhì)量后過100 目篩用于土壤有機碳分析。取過100 目篩的散土樣品用于土壤有機碳的分析。土壤有機碳采用元素分析儀（Elementar Macro Cube，Langenselbold，德國）測定。另取過10目篩的散土10 g 加25 mL 去離子水，用攪拌器充分攪拌1 min后靜置30 min，用pH 計（HANNA HI2221，意大利）測定pH。

1.3.3 團聚體穩(wěn)定性

采用常規(guī)表征團聚體穩(wěn)定性的方法，對平均質(zhì)量直徑（MWD），幾何平均直徑（GMD），大團聚體含量（R>0.25mm）和分形維數(shù)（D）進行計算，計算公式如下：

1.3.4 團聚體有機碳貢獻率

每一粒徑團聚體的相對有機碳貢獻率采用如下公式計算：

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016 對所有數(shù)據(jù)進行處理，所有數(shù)據(jù)均采用平均數(shù)±標準偏差的形式。利用SPSS 22.0 對所有數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，處理間差異采用LSD最小顯著差異法多重比較（P<0.05）。采用Origin2022繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對團聚體空間分布的影響

如圖1a 所示，0~20 cm 耕層一次性施用生物炭5 a 后，與C0 相比較，各施炭處理土壤耕層大團聚體的含量顯著增加，粉黏粒組分含量均顯著降低，C1、C2和C3 處理分別降低了15%、30.0%和14.7%。微團聚體組分含量未受生物炭施入的影響。只有C1 和C2處理顯著提高了粗大團聚體的含量，分別提高了1.2%和19.5%，而只有C3 顯著提高了細大團聚體的含量，提高了14.6%。

如圖1b 所示，生物炭對20~40 cm 土層土壤團聚體的分布也產(chǎn)生了顯著的影響。與0~20 cm 耕層不同，微團聚體在該土層內(nèi)含量最高。與C0 相比較，C1、C2處理僅微團聚體含量顯著降低，細大團聚體組分含量顯著提高（P<0.05），其余各組分則無顯著變化；而C3處理微團聚體和粉黏粒組分均顯著下降，細大團聚體組分含量顯著增加（P<0.05）。各處理粗大團聚體含量無顯著差異。

如圖1c 所示，40~60 cm 土層主要以微團聚體和粉黏粒組分占主導地位。與C0 相比較，僅有C3 處理顯著降低了粉黏粒組分，并且提高了細大團聚體組分（P<0.05）；與C1、C2 相比較，C3 處理的粉黏粒組分也顯著降低，細大團聚體組分含量顯著提高。各處理粗大團聚體含量無顯著差異（P>0.05）。

圖1 生物炭施用量對不同土層土壤團聚體分布的影響Figure 1 Effects of biochar dosages on soil aggregate distribution

隨著土層深度的增加，土壤團聚體的組成逐漸發(fā)生變化，耕層土壤中大團聚體占主導地位，其含量為55.13%~61.91%；20~40 cm 土層中大團聚體含量占比為38.84%~50.23%；40~60 cm 土層中大團聚體含量則為18.88%~26.14%；微團聚體和粉黏粒組分在40~60 cm 土層占據(jù)主導地位，含量分別為35.83%~39.09%和18.88%~26.14%。

2.2 生物炭對團聚體穩(wěn)定性的影響

土壤團聚體穩(wěn)定性通常由MWD、GMD、大團聚體含量及分形維數(shù)來表示。MWD、GMD的數(shù)值及大團聚體含量越高，表明團聚體的穩(wěn)定性越高，土壤結(jié)構(gòu)越好。由圖2 可知，在0~20 cm 土層，各處理水穩(wěn)性團聚體的MWD的大小順序為 C2>C1>C3=C0，GMD的大小順序為C2>C1=C3>C0，R>0.25mm的大小順序為C2>C3>C1>C0，同時生物炭的施用顯著降低了分形維數(shù)（P<0.05）。而在20~40 cm 土層，生物炭仍然提高了水穩(wěn)性團聚體的MWD、GMD以及R>0.25mm，但僅有C3處理顯著提高了MWD和GMD（P<0.05），C1、C2 和 C3處理均顯著提高了R>0.25mm（P<0.05），分別提高12.78%、17.57%和29.32%。生物炭也降低了該土層的分形維數(shù)值，并且在C2 和C3 處理達到了顯著水平（P<0.05）。在 40~60 cm 土層內(nèi)，與 C0 相比，僅有 C3處理顯著提高了水穩(wěn)性團聚體的MWD和R>0.25mm，并且顯著降低了分形維數(shù)值（P<0.05），而C1、C2未對團聚體穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響（P>0.05）。總之，生物炭施用后顆粒分解緩慢，參與了土壤團聚體的形成過程，提高團聚體穩(wěn)定性，降低土壤分形維數(shù)。

2.3 生物炭對不同土層土壤有機碳含量的影響

由圖3 可知，0~20 cm 土層有機碳含量的大小順序為 C3>C2>C1>C0（P<0.05）。與 C0 相比，C1、C2 和C3 處理均顯著提高了0~20 cm 土層的土壤有機碳含量，分別提高了6.81%、11.06%和41.62%。20~40 cm土層有機碳含量大小順序與0~20 cm 土層變化規(guī)律一致，與 C0 相比，C1、C2 和 C3 處理分別提高了92.36%、111.63%和123.25%（P<0.05）。在40~60 cm土層中，與C0相比，僅有C3處理顯著提高了有機碳含量（P<0.05），有機碳含量增加了4.67%，C1、C2處理與C0 相比有機碳含量無顯著差異。土壤有機碳含量與施炭量關(guān)系密切，生物炭施用量越高，土壤有機碳提升幅度越大。但有機碳的提升并不是隨著生物炭施用量線性增加的，這可能是由于生物炭進入土壤以后部分會礦化分解為小分子有機碳（包括溶解性組分），它們可以通過與土壤本底有機碳作用（如競爭吸附位點）釋放出溶解性有機碳，并促進其向下遷移，從而提高亞表層土壤有機碳含量。生物炭的施用也會提高土壤孔隙度，從而促進生物炭顆粒向下運移。

圖3 生物炭施用量對不同土層土壤有機碳含量的影響Figure 3 Effects of biochar dosages on SOC content of different soil layers

2.4 生物炭對團聚體有機碳含量及有機碳貢獻率的影響

不同生物炭施用量對土壤團聚體有機碳含量的影響如表2 所示。在0~20 cm 土層，隨著生物炭施用量的增加，耕層團聚體有機碳含量的提高效果越顯著。與C0 相比，C3 處理顯著提高了各粒徑團聚體有機碳含量，>2 mm、0.25~2 mm、0.053~0.25 mm和<0.053 mm 分別提高了 24.03%、59.21%、46.72%和20.89%。C2 顯著提高了除粉黏粒組分外所有粒徑團聚體有機碳含量，但>2 mm 組分與C0 相比差異不顯著，C1 只顯著提高了>2 mm 組分團聚體有機碳含量。

表2 土壤團聚體有機碳含量Table 2 Soil aggregate associated organic carbon contents

在20~40 cm 土層，各生物炭處理均顯著提高了團聚體有機碳的含量（P<0.05）。與C0 相比，C1、C2、C3 處理分別提高>2 mm 團聚體有機碳含量54.20%、98.95%、128.36%；0.25~2 mm 團聚體有機碳含量93.02%、127.43%、206.48%；0.053~0.25 mm 團聚體有機碳含量76.60%、65.71%、376.60%；<0.053 mm 團聚體有機碳含量11.42%、6.62%、114.61%。

在40~60 cm 土層，生物炭對微團聚體有機碳含量無顯著影響（P>0.05）。與C0 相比，C1、C2、C3 均顯著提高了>2 mm 團聚體有機碳含量，分別提高了6.79%、42.30%、101.57%；C1、C2、C3 提高了 0.25~2 mm 團聚體有機碳含量17.12%、24.18%、114.95%；僅C3處理顯著提高了<0.053 mm 組分的有機碳含量，提高了19.52%。

通過對各土層各粒徑土壤團聚體有機碳相對貢獻率的計算可以得知（表3），0~20 cm 土層中，土壤有機碳主要分布在>0.25 mm 的團聚體中。總體而言，生物炭的施用降低了0~20 cm 土層<0.053 mm 粒級團聚體的有機碳貢獻率，而提高了大團聚體（>0.25 mm）的有機碳貢獻率。20~40 cm 土層土壤有機碳主要集中分布在>0.053 mm 各粒徑土壤團聚體中。各生物炭處理均降低了<0.053 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率。40~60 cm 土層團聚體有機碳主要集中分布在<0.25 mm 各粒徑團聚體中，C1、C2、C3 處理相比 C0 分別降低了<0.053 mm 的團聚體有機碳貢獻率9.28%、5.06%、24.57%。

表3 土壤團聚體有機碳的相對貢獻率Table 3 Relative contributions of aggregate associated organic carbon

2.5 生物炭對土壤pH的影響

如表4 所示，隨著生物炭施用量的提高，棕壤pH值隨之顯著提高（P<0.05）。在施用生物炭當年，與C0 相比，C1、C2 和 C3 的 pH 值分別提高了 2.5%、6.1%和 8.8%；在施用生物炭 5 a 后，與 C0 相比，C1、C2 和C3 的pH 值分別提高了3.9%、6.0%和9.7%。經(jīng)過5 a的田間試驗，生物炭施用量相同處理的土壤pH 年際間無顯著變化，說明生物炭對棕壤pH 的影響具有持久性。

表4 生物炭對土壤pH的影響Table 4 Effects of biochar dosages on soil pH

3 討論

3.1 生物炭施用量對土壤團聚體分布的影響

土壤團聚體是由礦物和有機物通過物理、化學和生物過程形成的實體[16]。土壤團聚體是土壤有機碳的賦存場所，土壤有機碳也為土壤團聚體的形成提供了膠結(jié)物質(zhì)[17-18]。近十年來，生物炭因其潛在的農(nóng)藝效應(yīng)而備受關(guān)注。生物炭對土壤團聚體的影響具有不一致的研究結(jié)果。大量的研究表明生物炭的施用能夠改善土壤的團聚性[19-22]，但也有研究表明生物炭作為土壤改良劑對土壤團聚性沒有影響甚至具有負面影響[11，23-24]。本研究發(fā)現(xiàn)，在 0~20 cm 土層中，各處理間0.053~0.25 mm 粒徑團聚體含量無顯著差異，但生物炭促進了<0.053 mm 粒徑團聚體向>2 mm 和0.25~2 mm 粒徑團聚體轉(zhuǎn)化。20~40 cm 土層中主要以0.053~0.25 mm 為主，占比35.36%~39.79%，各生物炭處理的0.053~0.25 mm 和<0.053 mm 粒徑團聚體含量下降，>2 mm 和0.25~2 mm 團聚體組分含量顯著提高。這說明經(jīng)過5 a 的試驗，生物炭的施用對20~40 cm 團聚體的形成也有促進作用。40~60 cm 土層則只有C3處理對團聚體的分布產(chǎn)生了顯著影響。上述結(jié)果與李倩倩等[25]的研究結(jié)果相類似，即施用生物炭5 a后，表層（0~10 cm）塿土大團聚體含量及穩(wěn)定性響應(yīng)最佳的生物炭施用量為 40 t·hm-2，而 60 t·hm-2或 80 t·hm-2對表層以下土壤大團聚體含量及團聚體穩(wěn)定性有更好的提升效果。上述結(jié)果表明生物炭經(jīng)過5 a的時間，生物炭小顆粒及可溶性有機碳等會在土層內(nèi)發(fā)生垂直運移，運移到相應(yīng)土層的生物炭顆粒和可溶性有機碳等能作為膠結(jié)劑將較小粒徑的團聚體團聚成為大團聚體，從而促進大團聚體的形成。生物炭的施用也會促進玉米根系的生長，提高玉米根系的生物量[26-27]，根系分泌物利于土壤微生物的生長[28]，微生物群落及生物多樣性也趨于改善，釋放更多的膠結(jié)劑促進土壤大團聚體的形成[29-30]。此外，生物炭在土壤中的老化過程也會導致其表面趨于與黏土礦物復合，這些作用促成了土壤團聚體的形成。

3.2 生物炭施用量對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

MWD、GMD和R>0.25mm是表征團聚體穩(wěn)定性的常規(guī)指標。上述指標越大，表明土壤團聚體的穩(wěn)定性越強。生物炭提高了棕壤0~20 cm 土層的MWD、GMD和R>0.25mm，并且呈現(xiàn)出 C2 最大，C1 和 C3 次之，C0 最小的規(guī)律。這說明生物炭作為土壤改良劑有其適宜的施用量，過量施用生物炭會降低團聚體的穩(wěn)定性。隨著土層的深入，20~40 cm 與40~60 cm 土層的MWD、GMD和R>0.25mm隨著生物炭施用量的增加而提高，并且C3 處理顯著高于C0 處理。分形維數(shù)也能反映土壤團聚體的穩(wěn)定性，其值越小說明團聚體越穩(wěn)定[31]。在本研究中，生物炭顯著降低了0~20 cm 土層的分形維數(shù)，其中C3 處理最低。在20~40 cm 和40~60 cm 土層中，C3 處理顯著降低了土壤的分形維數(shù)。綜上所述，生物炭作為土壤改良劑顯著提高了0~20 cm 土層的團聚體穩(wěn)定性，并且C2 處理對土壤團聚體穩(wěn)定性的提升效果最好。隨著土層深度的增加，C3處理對20~40 cm 和40~60 cm 土層團聚體穩(wěn)定性的提升效果最佳。本研究結(jié)果與侯曉娜等[32]研究結(jié)果不一致，侯曉娜等[32]的研究發(fā)現(xiàn)生物炭對砂漿黑土MWD、GMD和R>0.25mm無顯著影響，而吳鵬豹等[33]研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭18個月后，花崗巖磚紅壤的GMD顯著增加，李江舟等[34]研究發(fā)現(xiàn)生物炭顯著提高了云南煙區(qū)紅壤MWD、GMD和R>0.25mm。不同研究結(jié)果的差異可能與土壤類型、試驗?zāi)晗抟约碍h(huán)境差異等因素有關(guān)。

3.3 生物炭施用量對土壤有機碳及土壤團聚體有機碳的影響

生物炭含有大量穩(wěn)定的有機碳，所以生物炭被視為提高土壤有機碳含量的理想材料[5]。本研究中，各生物炭處理不僅顯著提高了0~20 cm 土層土壤有機碳含量（P<0.05），同時也對20~40 cm 和40~60 cm 土層有機碳含量產(chǎn)生了影響。其中，20~40 cm 土層與0~20 cm 土層有機碳變化規(guī)律一致，但40~60 cm 土層僅C3處理有機碳含量顯著高于其他處理。上述現(xiàn)象說明生物炭在田間可能發(fā)生了垂直運移的現(xiàn)象，并且這種現(xiàn)象隨著施用量的增加而逐漸增強。這說明生物炭的施用不僅提高了0~20 cm 土層的有機碳含量，對土壤更深層次固碳也起到了積極的作用。生物炭提高土壤有機碳的機制主要體現(xiàn)在兩個途徑，首先，生物炭自身含有大量的穩(wěn)定有機碳，作為土壤改良劑混入土壤后提高了土壤有機碳含量[5]；其次，生物炭作為土壤改良劑能夠通過負激發(fā)效應(yīng)提高土壤有機碳含量[35]。至于C3處理40~60 cm 土壤有機碳含量仍然顯著高于其他處理，其原因可能是由于C3 處理生物炭施用量高，土壤孔隙增大，向下垂直運移的生物炭顆粒也隨之變多。

通常情況下，隨著土壤團聚體粒徑的增加，團聚體有機碳含量也隨之增大[36]。在本研究中，0~20 cm土層中有機碳含量最高的是0.25~2 mm 粒徑團聚體，>2 mm 粒徑團聚體有機碳含量次之，0.053~0.25 mm粒徑團聚體有機碳濃度最低。與此同時，除<0.053 mm 粒徑團聚體外，各生物炭處理下各粒徑團聚體有機碳含量均顯著高于C0 處理，說明生物炭作為外源有機碳優(yōu)先分布在粒徑較大的團聚體中，此結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[37]。在20~40 cm 土層和40~60 cm 土層中，各生物炭處理顯著提高了大團聚體（0.25~2 mm和>2 mm）有機碳的含量（P<0.05）。這說明生物炭細小顆粒等通過土壤孔隙、作物根系生長、土壤動物運動等過程運移到20~40 cm 和40~60 cm 層次，運移到相應(yīng)土層的生物炭促進了大團聚體的形成。

通過分析各粒徑團聚體有機碳貢獻率的變化，能夠從表觀了解生物炭對土壤有機碳在團聚體中分布的影響。土壤團聚體有機碳貢獻率受團聚體的分布和各粒徑團聚體有機碳含量兩個因素影響。李江舟等[34]的研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)施用生物炭3 a 后，大團聚體有機碳的貢獻率顯著升高。徐國鑫等[38]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過1 a的試驗，土壤有機碳主要分布在<0.053 mm粒級團聚體中。不同的研究結(jié)果可能與不同的試驗環(huán)境、年限及生物炭種類和土壤類型有關(guān)。本研究中，生物炭處理均顯著降低了<0.053 mm 粒級團聚體有機碳貢獻率，說明生物炭在棕壤中起到了促進大團聚體形成、提高棕壤團聚體穩(wěn)定性的作用。而與此同時，更多大團聚體的形成也對棕壤有機碳形成了物理保護，從而降低了土壤微生物對有機碳的分解[39]。

4 結(jié)論

（1）一次性施入生物炭5 a 后，棕壤耕層（0~20 cm）大團聚體的含量顯著提高，粉黏粒含量顯著降低，棕壤團聚體的平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑均顯著增加，分形維數(shù)顯著降低。生物炭提高了團聚體有機碳的含量，并且提高大團聚體有機碳貢獻率。對耕層土壤團聚性提升效果最好的生物炭量是31.50 t·hm-2。

（2）在20~40 cm 土層，生物炭改變了土壤團聚體的分布，促進微團聚體及粉黏粒組分向大團聚體轉(zhuǎn)化，進而提高了大團聚體的含量和團聚體的穩(wěn)定性。

（3）在 40~60 cm 土層中，僅有 C3 處理顯著增加了土壤有機碳含量、大團聚體含量和團聚體的穩(wěn)定性。C1、C2 處理未提高40~60 cm 土壤有機碳含量，但C1、C2 提高了40~60 cm 土層大團聚體有機碳含量，并促進了土壤有機碳向大團聚體的分配。因此，棕壤施用生物炭是提高棕壤有機碳含量、改良土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤碳匯的有效手段。