开垦对黑土有机质化学结构的影响

基于傅里叶红外光谱研究东北黑土开垦对土壤有机质化学结构特征的影响,探明各粒级团聚体及密度组分中有机质化学结构变化特征,为开垦黑土农田土壤有机质结构变化提供理论参考。依托中国科学院海伦农业生态试验站长期定位试验研究平台,以试验开垦前自然草地土壤为对照,选取开垦8年、没有有机物料投入的耕层(0～20 cm)土壤为研究对象,采用湿筛法、密度分组将土壤有机质分成不同组分,用傅里叶红外光谱仪测定原土及各组分有机质红外光谱,分析开垦对土壤有机质化学结构的影响。结果表明:开垦前后,有机质红外结构特征峰相似,均以多糖C—O和醇酚—OH为主。全土芳香族CC含量较开垦前显著减少4.77%,有机质稳定性下降6.32%。在>0.25 mm团聚体中芳香族CC和羰基CO相对强度较开垦前分别显著降低29.91%和27.16%,醇酚—OH相对强度显著增加15.60%;0.25～0.053 mm团聚体中,多糖C—O相对强度增加4.57%,脂肪族—CH相对强度显著减少23.85%。<0.053 mm团聚体中,脂肪族—CH相对强度显著减少16.33%。有机质游离态轻组(LF)、闭蓄态组分(OF)中多糖C—O特征峰相对强度分别显著增加15.82%和18.15%,在矿质态组分(MF)中变化不显著。主成分分析表明,开垦对>0.053 mm粒级团聚体和LF、OF组分有机质结构影响最大,各官能团中多糖C—O相对强度增加最明显。综上,开垦使黑土大团聚体和LF的有机质芳香族组分减少,有机质结构趋于简单化,有机质结构稳定性下降。     

轮作对黑土团聚体有机质光谱特征的影响

为研究作物轮作对黑土各粒级团聚体碳氮含量及红外光谱结构特征的影响,选取中国科学院海伦农业生态试验站长期定位试验中大豆连作(SC)、大豆轮作(当季为大豆,SR)、玉米连作(MC)、玉米轮作(当季为玉米,MR)下的土壤为样品,用湿筛法得到大团聚体(0.25mm)、微团聚体(0.25~0.05mm)和粉黏粒(0.05mm)3个粒级,并测定其碳、氮含量和红外光谱。结果表明,土壤中以大团聚体为主。轮作对各粒级团聚体含量没有影响,轮作下原土、大团聚体和微团聚体的碳、氮含量高于连作,且玉米轮作与玉米连作之间差异显著;3个粒级团聚体碳氮含量差异显著,且微团聚体中含量最高。轮作和连作下3个粒级团聚体中官能团类型一样,含量大小均为多糖中的C—O和无机物中的Si—O碳水化合物的—OH或—NH芳香族C=C自由—OH脂肪族C—H,且轮作下脂肪族、芳香族和含烷氧结构的物质高于连作,在微团聚体中表现明显,表明轮作能促进土壤稳定性结构形成,增加稳定性物质含量,有利于碳氮固定于微团聚体中,稳定并增加土壤有机质。     

生物质炭与秸秆配施对紫色土团聚体中有机碳含量的影响

以油菜/玉米轮作农田生态系统为研究对象,通过田间微区试验,研究了生物质炭、秸秆(BC:8 000 kg·hm~(-2)生物质炭、CS:8 000 kg·hm~(-2)秸秆、0.5BC:4 000 kg·hm~(-2)生物质炭、0.5CS:4000kg·hm~(-2)秸秆、BC+CS:4 000 kg·hm~(-2)生物质炭+4 000 kg·hm~(-2)秸秆)与化肥配施对紫色土团聚体含量及稳定性、土壤有机碳及有机碳在各粒级团聚体中分布的影响,为合理利用有机物料及为紫色土培肥提供依据。结果表明:(1)与对照(CK)相比,秸秆、生物质炭还田(除0.5BC处理外)均能提高2 mm粒级团聚体含量,降低0.053 mm粒级团聚体含量,同时提高水稳性团聚体的平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、大于0.25 mm团聚体含量(R_(0.25)),其中只有CS处理达到了显著水平,且随着秸秆施用量增加,效果越显著。CS+BC处理则能显著提高0.25～2mm粒级水稳性团聚体含量。(2)除CS处理,其他各处理较CK均能显著提高土壤总有机碳含量,其中BC和CS+BC处理分别提高了45.55%和44.45%(P0.05),效果优于单施秸秆处理,且随着生物质炭施用量的增加,土壤总有机碳呈增加趋势。对不同粒级团聚体有机碳而言,各处理的团聚体有机碳主要分布在0.053mm和2mm粒级团聚体中;BC处理较其他处理能提高土壤不同粒级团聚体有机碳含量,其次为CS+BC处理。(3)通过计算团聚体有机碳贡献率发现,各处理对土壤团聚体有机碳贡献率主要分布在0.25～2 mm和0.053 mm粒级团聚体中,其中仅CS处理显著提高了2 mm粒级团聚体有机碳贡献率,较CK提高了53.53%;CS+BC、0.5BC处理分别较CK显著提高了0.053 mm粒级团聚体有机碳贡献率,增幅为26.20%,48.63%。(4)秸秆和生物质炭还田能提高玉米和油菜的生物产量和经济产量,其中CS、BC、CS+BC效果较明显。总之,秸秆与生物质炭配施是改善紫色土结构和提升碳水平的较优培肥措施。     

生物炭对侵蚀黑土团聚体的影响

[目的] 探讨生物炭对侵蚀黑土团聚体的修复效果,揭示生物炭对侵蚀黑土团聚体的影响机制,为修复侵蚀黑土提供科学依据。[方法] 以侵蚀黑土为研究对象,研究未剥离农田（CK）、未剥离农田施生物炭（CK+BC）、模拟侵蚀土壤（RS）、侵蚀土壤施生物炭（RS+BC）4个处理生物炭对黑土团聚体的影响。[结果] 与CK处理相比,CK+BC处理中0.25～2 mm粒级团聚体含量增加了14.01%,RS+BC处理中0.25～2 mm粒级团聚体含量比RS处理增加了12.11%,生物炭提高了团聚体的几何平均直径（GMD）和大于0.25 mm团聚体含量,增加了CK+BC和RS+BC两个处理的原土和>0.25 mm粒级团聚体中的土壤有机碳含量（SOC）,GMD分别与SOC和交换性钠呈正相关和负相关,且SOC对团聚体的胶结作用大于交换性钠的分散作用,提高了侵蚀黑土团聚体稳定性。[结论] 生物炭改善黑土侵蚀后的结构,促进了土壤团聚化,对侵蚀土壤具有良好的修复作用,是修复侵蚀黑土的有效措施。     

生物炭对豫西丘陵区农田土壤团聚体稳定性及碳、氮分布的影响

为研究生物炭对豫西丘陵地区农田土壤团聚体分布、稳定性及其碳、氮在团聚体中分布的影响,进一步探明生物炭对丘陵区农田土壤结构和养分的长期作用效果。采用田间长期定位试验,生物炭用量为0(C0),20(C20),40(C40)t/hm~2 3个处理,研究生物炭施用5年后对土壤团聚体组成及稳定性的影响,探究土壤团聚体中有机碳和全氮分布特性。结果表明:施加20,40 t/hm~2生物炭可提高0—20,20—40 cm土层的机械性0.5 mm以上粒级和水稳性0.053 mm以上粒级团聚体含量。在0—20 cm土层中,C20和C40处理下0.25 mm的机械性团聚体(DR_(0.25))分别较对照增加3.78%和6.83%,0.25 mm水稳性团聚体(WR_(0.25))分别较对照增加31.0%和49.45%,土壤不稳定团粒指数(E_(LT))分别较对照降低4.30%和6.85%,土壤团聚体破坏率(PAD)分别较对照降低9.71%和14.77%,土壤团聚体平均质量直径(MWD)分别较对照增加28.44%和45.34%,几何平均直径(GMD)分别较对照增加32.04%和54.92%。各粒级的有机碳和全氮含量随生物炭施用量的增加而增加,有机碳和全氮含量都以0.25～0.053 mm粒级最高,且0—20 cm土层的有机碳和全氮含量高于20—40 cm土层的有机碳和全氮含量;随着生物炭施用量的增加,2,2～0.25,0.25～0.053 mm粒级团聚体有机碳和全氮贡献率随之增加,而0.053 mm粒级微团聚体有机碳和全氮贡献率随之降低。总体来说,生物炭能够改善豫西丘陵地区农田土壤的团聚体结构,增加土壤大团聚体的含量,增强团聚体的稳定性,提高土壤团聚体中碳、氮含量,有利于豫西地区农田土壤肥力的保持和持续健康发展。     

施用生物质炭对黑土腐殖质组成及水稳性团聚体分布的影响

为探究生物炭对土壤腐殖质组成和团聚体特征的影响，以东北黑土区植烟土壤为研究对象，设置了3个处理，2019-2020年连续施用低量生物炭5t/hm2（C1）；高量生物炭25t/hm2（C2）和不施生物炭（CK），分析了不同用量生物炭对土壤腐殖质组分及水稳性团聚体分布的影响，并利用傅里叶红外光谱(FTIR)和13C核磁共振光谱(13C-NMR)对土壤胡敏酸化学结构进行表征。结果表明：C1和C2处理分别使富里酸减少了16.90%和40.85%，胡敏酸含量显著增加了14.86%和33.78%，胡敏酸在腐殖酸中所占比例（PQ值）也显著增加；FTIR和13C-NMR分析表明，C2处理的土壤胡敏酸的2920/1620值降低了11.82%，脂族C/芳香C比值降低了13.04%，表明高量生物炭使胡敏酸芳构化程度增强，脂肪结构比例降低；生物炭的添加促使土壤大团聚体（>0.25mm）比例增加，C2处理提升大团聚体的作用更显著。结合相关性分析发现，胡敏酸含量与2~0.25mm大团聚体含量显著正相关，胡敏酸分子的脂肪族官能团特征与>2mm粒级团聚体显著正相关。此外，C1和C2处理显著提高了烟叶产量。从而表明，生物炭能提升土壤腐殖质中胡敏酸含量和结构，有利于土壤大团聚体形成，提高土壤固碳潜力，对作物有一定的增产效果。     

生物炭施用下潮土团聚体微生物量碳氮和酶活性的分布特征

  【目的】  探究生物炭配施化肥对不同粒级团聚体中微生物量碳、氮 (MBC、MBN) 含量和胞外酶活性的影响,分析影响团聚体胞外酶活性变化的主控因素,为提升土壤质量提供科学依据。  【方法】  田间微区试验在河南现代农业研究基地进行,供试土壤为石灰性潮土。设置4个处理:不施肥 (CK)、单施化肥 (NPK)、单施生物炭 (BC) 和生物炭配施化肥 (BC+NPK),生物炭是以花生壳为原料高温裂解制备而成,仅在试验开始前施用一次,化肥每季均施用。试验开始于2017年小麦季,于2019年9月玉米收获后采集耕层土壤样品,测定土壤养分含量,分析各粒径团聚体MBC、MBN含量和酶活性。  【结果】  与CK相比,NPK处理可显著提高耕层土壤有效磷、速效钾和硝态氮含量,BC处理可显著提高有机碳和全氮含量,BC+NPK处理则显著提高了以上各指标含量。与CK相比,BC处理显著降低了粒径2～0.25 mm团聚体MBN含量,并明显增加了该粒径的MBC/MBN值;BC+NPK处理显著增加了粒径 > 2 mm和0.25～0.053 mm团聚体中MBC含量 (增幅分别为59.57%和34.68%),也增加了耕层土壤、粒径 > 2 mm和2～0.25 mm团聚体中MBN含量 (增幅分别为17.33%、42.24%和19.28%)。与CK相比,NPK、BC和BC+NPK处理均显著增加粒径 > 2 mm团聚体微生物熵,而BC和BC+NPK处理则显著降低了耕层土壤、粒径2～0.25 mm和0.25～0.053 mm团聚体微生物熵。与CK相比,NPK和BC+NPK处理均显著提高了粒径2～0.25 mm和0.25～0.053 mm团聚体中β-葡糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、α-葡糖苷酶和β-木糖苷酶活性;在粒径 > 2 mm团聚体中,仅BC+NPK处理明显提高了该四种酶的活性。与CK相比,NPK和BC+NPK处理均明显提高了粒径 > 2 mm团聚体中脲酶活性及粒径0.25～0.053 mm团聚体中乙酰氨基葡糖苷酶活性,仅BC+NPK处理可显著提高粒径 > 2 mm和0.25～0.053 mm团聚体中亮氨酸氨基肽酶活性。团聚体酶活性变化与MBC、MBN含量以及MBC/MBN值显著相关。粒径 > 2 mm团聚体中酶活性变化与微生物熵、全氮和MBC含量均显著相关,粒径2～0.25 mm团聚体中酶活性变化与MBC/MBN值显著相关,而粒径0.25～0.053 mm团聚体中酶活性变化与MBC含量显著相关。  【结论】  生物炭与化肥配施有利于土壤碳的固存,改善土壤微环境,提升土壤质量,且生物炭添加到土壤中有较长的后效。     

紫云英翻压还田对稻田土壤团聚体组成及其碳氮的影响

紫云英翻压还田是南方传统稻田土壤培肥增产的主要措施。依托连续12年田间定位试验,通过设置CK（不施化肥,紫云英不还田）、单施化肥（GM0）和4个梯度的紫云英翻压量（GM1-4）处理,分析连续多年紫云英翻压还田对稻田土壤团聚体组分、团聚体中碳氮含量和储量,并通过傅里叶红外光谱测定各粒级有机官能团类型及相对含量,探讨连续多年紫云英翻压还田对土壤团聚体组分及其碳氮分布的影响。结果表明,在该土壤中粒级>2 mm土壤团聚体含量最高,占总量的61.12%～68.53%,其次是2～0.25 mm粒级团聚体。紫云英翻压还田较单施化肥处理提高了>2 mm粒级团聚体所占百分比（5.93%～9.91%）。紫云英翻压还田提高了粒级>0.053 mm团聚体中有机碳含量和各个粒级中全氮含量,其中粒级>0.25 mm团聚体的碳氮含量与紫云英翻压量之间呈现出显著正相关关系。紫云英翻压还田分别显著提高了19.42%～37.09%有机碳和22.31%～40.13%氮的总储量,其中粒级>2 mm团聚体中碳氮储量随着紫云英翻压量的增加而增加。>2 mm粒级团聚体中碳氮的分布也随着紫云英的翻压还田而增加。通过傅里叶红外光谱认为土壤各粒级团聚体中脂肪族有机碳和芳香族有机碳以及N-H官能团含量也随着紫云英翻压还田而增加,其中N-H官能团含量与紫云英翻压量之间呈现出显著的正相关关系。紫云英翻压还田同时提高了各团聚体中1 630/2 850+2 940和1 720/2 850+2 940相对比值,其中>2 mm和2～0.25 mm粒级团聚体中1 630/2 850+2 940相对强度比值与紫云英翻压量之间均呈显著性相关关系。综上,紫云英翻压还田不仅有利于改善稻田土壤团聚体组分,增加有机碳和全氮在土壤团聚体中的储存,还提高了团聚体有机碳的活性和稳定性,从而有助于提升稻田土壤肥力。     

优化施肥方式对黄土高原新增耕地土壤有机质含量和团聚体特性的影响

[目的] 研究优化施肥对黄土高原地区新增耕地土壤质量和作物产量的影响,为新增耕地土壤建立合理的优化施肥处理和区域新造土地的健康可持续发展提供理论依据。[方法] 通过盆栽种植试验,评估有机肥处理（OF）、有机肥配施化肥处理（NP）、常规施肥处理（CF）对新增耕地土壤团聚体数量、结构稳定性、有机质含量和玉米产量的改良效应。[结果] CF处理下新整治耕地土壤有机质含量最低为7.08 g/kg,土壤水稳性大团聚含量低,结构稳定性差。与CF处理相比,优化施肥方式下的OF和NP处理显著提高了新增耕地土壤有机质含量和玉米产量（p<0.05）,>0.25 mm粒级大团聚体含量和团聚体稳定性显著提升,其中OF处理对新整治耕地土壤团聚体数量和稳定性的改善效果最佳。在0—10 cm土层,OF和NP处理下土壤有机质含量分别为12.67,11.79 g/kg,比CF处理分别提高了46.2%和36.1%。OF处理下水稳性团聚体MWD,GMD,R_0.25值分别比CF处理高了62.5%,21.4%和148.3%,分形维数比CF处理降低了1.7%;NP处理下水稳性团聚体MWD,GMD,R_0.25值分别比CF处理高了18.8%,3.6%和40.9%,分形维数比CF处理降低了0.4%。在10—20 cm土层,OF和NP处理下土壤有机质含量、团聚体数量和结构稳定性也得到一定的提升。土壤有机质含量与团聚体平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）呈显著正相关关系（p<0.001）。[结论] 优化施肥是有利于提升新整治耕地土壤结构稳定性、保肥特性和土地生产力的有效措施。     

生物质炭对稻田土壤团聚体稳定性和微生物群落的影响

土壤团聚体决定着土壤功能与质量,受土壤生物与非生物因素的共同作用。本文从非生物和生物学角度解析生物质炭施用对土壤团聚体稳定性的长期影响。以句容和南京两个独立施用生物质炭3年或5年后的稻田麦季土壤为研究对象,选取常规施肥（CK）和常规施肥+生物质炭（AB）处理,利用湿筛法获得不同粒级土壤团聚体,并测定其中有机碳（SOC）、全氮、全磷含量,同时采用定量PCR技术测定土壤微生物（细菌、真菌、丛枝菌根真菌、古细菌和放线菌）丰度。结果表明：句容和南京土壤AB处理生物质炭原位老化后,大团聚体比例（R>0.25）和土壤田间持水量显著增加,平均重量直径和几何平均直径表现出增加趋势（P>0.05）;土壤团聚体养分含量（SOC、全磷）和土壤微生物丰度发生显著变化。与对照处理相比,句容和南京老化生物质炭处理的土壤大团聚体比例分别显著增加93.0%和61.5%,0.002～0.053 mm和<0.002 mm粒级团聚体均呈减少趋势;句容和南京土壤AB处理全土SOC含量分别显著增加26.3%和26.9%,大团聚体中SOC含量分别显著增加72.4%和52.3%,微团聚体中SOC含量分别显著增加20.8%和30.0%,全土真菌丰度显著增加;南京土壤全磷含量显著增加25.4%,丛枝菌根真菌和古细菌丰度也呈增加趋势（P>0.05）。由相关性分析可知,土壤团聚体平均重量直径与大团聚体比例、SOC含量、真菌和丛枝菌根真菌丰度极显著正相关（P<0.01）,与全磷含量和古细菌丰度显著正相关,相关系数分别为0.641和0.646。综上所述：生物质炭可以改善土壤pH值,田间持水量等理化性质,增加稻-麦轮作麦季土壤0.25～2 mm大团聚体比例和碳、磷含量,增加土壤真菌、丛枝菌根真菌和古细菌丰度,提高土壤团聚体稳定性,具有持续性。     

酒糟生物炭与化肥配施对土壤理化特性及作物产量的影响

  【目的】  以酿酒废弃物(酒糟)为原料热解制备可燃气体和生物炭,研究生物炭对土壤及作物产量的影响,为酒糟的无害化处理与资源化利用,以及合理施用生物炭提供理论依据。  【方法】  利用电子显微镜观察比较400°C、480°C和600°C裂解得到的生物炭表面结构,分析其理化性质。在四川泸州设置油菜–高粱轮作田间试验,研究不施肥(CK)、单施化肥(CF)和化肥与生物炭配施(CF+BC)处理的作物产量和土壤理化性质及生物学性状。  【结果】  在480°C热裂解条件下,酒糟生物炭的表面孔隙结构最佳,pH 10.1,阳离子交换较大(33.41 cmol/kg),保蓄了较多的碳、氮、磷、钾,理化性质最优。在CF+BC处理中,田间土壤碳含量增加,土壤微生物生物量碳氮提高,蔗糖酶和磷酸酶活性及有效氮、磷、钾含量显著高于或相似于CF,说明部分生物炭能被微生物利用,促进其生长繁殖,增强土壤酶活,提高土壤养分的生物有效性。与单施化肥相比,化肥配施生物炭使油菜和高粱产量分别增加9.3%和9.5%,油菜磷和钾的经济效率分别提高15.1%和30.7%。  【结论】  采用480℃低温热裂解制备的酒糟生物炭理化性质优良,与化肥配施有利于提高油菜和高粱产量,改善土壤理化和生物学性状,具有良好的应用潜力。     

减氮条件下生物炭对甜菜盐碱胁迫的缓解效应

  【目的】  通过模拟盐碱胁迫环境，在施用生物炭、减施氮肥的条件下，研究甜菜根际土壤微生物数量、甜菜氮代谢相关酶活性、块根产量和含糖率的变化，明确生物炭对盐碱胁迫的缓解作用，以及盐碱胁迫下施加生物炭后是否可减少氮肥的施用， 为今后盐碱地改良以及甜菜合理施肥提供理论依据和技术支撑。  【方法】  试验于2018年在黑龙江哈尔滨东北农业大学试验站进行。以甜菜品种KWS0143为试验材料，在土壤中添加盐碱处理以中性盐 (Na₂SO₄、NaCl) 和碱性盐 (Na₂CO₃、NaHCO₃) 模拟盐碱胁迫土壤 (Na+含量为3 g/kg)。采用桶栽试验，每桶装土10 kg，共设6个处理，以在盐碱胁迫土壤施N 180 kg/hm2为对照 (CK)，其余5个处理土壤中均加入生物炭30 g/kg, 施氮量依次为N180、162、144、126和108 kg/hm2。子叶完全展开后测定甜菜出苗率，3对真叶后每隔20天左右测定土壤微生物数量及叶片硝酸还原酶 (NR)、谷氨酰胺合成酶 (GS)、谷氨酸合成酶 (GOGAT) 活性，收获后测定块根产量和含糖率并计算产糖量。  【结果】  盐碱胁迫下，施加生物炭显著提高了土壤真菌和细菌数量；BC+N180处理显著提升放线菌数量，在施BC基础上随着施氮量的降低，各时期土壤放线菌含量呈降低趋势。施加生物炭能够显著提高盐碱胁迫下甜菜出苗率，施氮量对出苗率的影响不大；施加生物炭后氮代谢相关酶活性显著提高，其中BC+N162和BC+N144各时期NR活性均高于CK，BC+N144除播种后第117天、第138天外，叶片GS活性均显著高于CK，BC+N144叶片GOGAT活性始终显著高于CK，BC+N126除播种后第53天和第138天外，GOGAT活性显著高于CK；施加生物炭后除BC+N108处理外, 各施加生物炭处理甜菜的块根产量、含糖率、产糖量均显著高于对照，减施氮肥10%～20%的甜菜产量与BC+N180相当，BC+N162的产糖量与BC+N180差异不显著，但显著高于其他处理；而BC+N126和BC+N108的产量与产糖量均显著低于BC+N180。  【结论】  施加生物炭可有效缓解盐碱胁迫对土壤微生物数量及甜菜氮代谢相关酶活性的影响，提高甜菜产量、含糖率、产糖量。在本试验条件下，施加土壤风干质量3%的生物炭，可节约氮肥施用量的10%～20%，提高甜菜的产糖量。     

长期不同量秸秆炭化还田下水稻土孔隙结构特征

  【目的】  生物炭被认为是一种能够提高土壤固碳能力、改善土壤结构和减缓全球气候变化的土壤改良剂。土壤孔隙结构直接影响土壤中水、气、热的运动，因此，研究长期施用生物炭对土壤孔隙结构特征的影响，以期为秸秆炭化还田提供理论依据。  【方法】  研究基于2013年建立的水稻秸秆炭化还田长期定位试验，选取在等氮磷钾条件下不施用生物炭 (C0)、施用低量生物炭 (1.5 t/hm2，C1.5)、高量生物炭 (3.0 t/hm2，C3.0)的 3个处理。利用X射线CT扫描和图像处理技术，分析了土壤孔隙结构参数，包括土壤孔隙度、土壤孔隙大小分布、孔隙连通性指数 (欧拉特征值)、各向异性、分形维数、最紧实层孔隙度和最紧实层平均孔隙直径等参数。  【结果】  C1.5和C3.0处理均能显著增加土壤有机碳含量和土壤总孔隙度，降低土壤容重，平均增加或降低比例分别为15.5%、10.5%和7.4%。C1.5与C3.0处理之间的总孔隙度没有显著差异，但孔隙大小分布存在差异。C1.5处理显著增加了大孔隙中当量孔径为100～500 μm和 > 500 μm的孔隙度，增幅分别为81.6%和275.3%，而C3.0处理显著降低了大孔隙中当量孔径100～500 μm的孔隙度，降幅为32.9%。C3.0处理当量孔径 < 25 μm的孔隙度显著大于C0处理和C1.5处理，增幅分别为13.8%和16.3%。C1.5处理的欧拉特征值最低，分形维数、最紧实层孔隙度和平均孔隙直径最大。各处理土壤孔隙的各向异性没有显著差异。  【结论】  长期施用水稻秸秆生物炭能够显著增加稻田土壤有机碳含量和总孔隙度，降低土壤容重。施用适量生物炭会增加土壤大孔隙度和土壤孔隙的连通性，但是过量施用生物炭可能会降低土壤大孔隙度和土壤孔隙的通气导水能力。炭化秸秆还田量与孔隙结构之间的定量关系还需深入研究。     

秸秆和生物炭还田对棕壤团聚体分布及有机碳含量的影响

  【目的】  比较长期秸秆和生物炭还田后土壤团聚体的变化与差异，旨在探索棕壤适宜的改良方法。  【方法】  在辽宁沈阳棕壤上连续进行了6年的田间定位微区试验，种植制度为玉米连作，试验共设6个处理:不施肥 (CK)、单施氮磷钾 (NPK)、单施生物炭 (B)、生物炭与氮磷钾配施 (BNPK)、单施秸秆 (S)、秸秆与氮磷钾配施 (SNPK)。在玉米收获后，采集0—20和20—40 cm两土层土壤样品，采用Yoder湿筛法进行了团聚体分级和测定。  【结果】  与NPK相比，BNPK和SNPK处理显著提高了0—20和20—40 cm土层 > 1 mm、1～0.5 mm和 0.25～0.5 mm粒级团聚体含量占比，降低了0.25～0.053 mm粒级团聚体含量占比，SNPK处理提高大团聚体含量占比的效果显著高于BNPK。与NPK处理相比，BNPK和SNPK处理显著增加了团聚体平均重量直径 (MWD)、几何平均直径 (GMD) 和0.25 mm粒级团聚体含量 (R_0.25)，即增加了团聚体的稳定性，SNPK处理的团聚体MWD和GMD值又显著高于BNPK，R_0.25值两处理间无显著差异 (0—20 cm土层)。随团聚体粒级减小，不同粒级团聚体有机碳含量随之减少，以 > 1 mm粒级团聚体有机碳含量最高。与CK相比，各施肥处理均增加了各粒级团聚体有机碳含量，BNPK处理对0—20 cm土层0.25～0.053 mm粒级团聚体有机碳含量影响最显著，有机碳含量增加了44.57%。  【结论】  长期秸秆和生物炭还田能够改变土壤团聚体的分布，有利于大团聚体的形成和土壤结构改善，可提高土壤团聚体有机碳含量和团聚体稳定性，增加作物产量；秸秆直接还田提高团聚体稳定性的效果优于生物炭还田，生物炭还田提高团聚体有机碳的效果方面优于秸秆直接还田。     

连续施用土壤改良剂对砂质潮土团聚体及作物产量的影响

  【目的】   研究施用无机和有机土壤改良剂对团聚体形成和作物产量的影响,为新型土壤改良剂的应用提供理论依据。   【方法】   以河北廊坊砂质潮土为研究对象,以虾头蟹壳废弃物为核心材料的有机土壤改良剂 (SC) 和以凹凸棒土为核心材料的无机土壤改良剂 (SA) 为试材,进行4年 (2015—2019) 定位试验。试验设4个处理:单施化肥 (CK)、化肥+无机改良剂 (SA)、化肥+有机改良剂 (SC)、化肥+无机改良剂+有机改良剂 (SCA)。种植方式为小麦–玉米轮作。2019年小麦和玉米收获后,测定作物产量并采集耕层土壤,测定土壤理化指标、微生物量碳氮含量、团聚体组成及其碳氮含量。   【结果】   在小麦季和玉米季,SCA处理均可显著提高作物产量,较CK处理分别提高了54.16%和24.26%;在小麦季,SC处理较CK处理显著提高土壤全氮 (TN)、有机碳 (SOC)、速效钾 (AK) 和有效磷 (AP) 含量,微生物量碳 (MBC) 显著提高8.82%,pH显著降低3.19%;在玉米季,SCA处理较CK显著提高了土壤TN、SOC、AK、AP含量,MBC显著提高了33.65%,土壤pH显著降低了5.92%;在小麦季和玉米季,土壤团聚体均以粒径0.053～0.25 mm为主;与CK处理相比,小麦季SC处理土壤粒径 > 0.25 mm的大团聚体含量、平均重量直径 (MWD) 和几何平均直径 (GMD) 分别显著提高42.51%、22.41%和20.35%,玉米季SCA处理3个指标分别显著提高68.71%、35.47%和29.65%;各粒级团聚体中SOC和TN含量都以粒径 > 0.25 mm大团聚体最高,且SCA处理显著增加土壤各级别团聚体SOC和TN含量;施用土壤改良剂增加粒径 > 0.25 mm大团聚体SOC和TN贡献率,小麦季SC处理较CK处理分别增加了29.06%和69.24%,玉米季SCA处理较CK处理分别增加了61.62%和114.20%;通过冗余分析和结构方程模型分析发现,粒径> 0.25 mm大团聚体与pH呈负相关关系,与AP、MBC、SOC以及各粒级团聚体中碳含量呈正相关关系;稳定的团聚体结构会影响SOC含量和pH,改善土壤C/N,进而影响作物产量。   【结论】   在砂质土壤上,单独施用以虾头蟹壳废弃物为核心材料的有机土壤改良剂或与无机土壤改良剂配施均可改善土壤理化性质,促进大团聚体形成,提高团聚体稳定性,稳定的土壤团聚体可通过改善土壤碳氮比以提高作物产量。     

施用小麦秸秆或其生物炭对烟田土壤理化特性及有机碳组分的影响

  【目的】  以2年田间定位试验为依托，研究小麦秸秆及其生物炭连续施用对植烟土壤理化性状和有机碳组分的影响，为烟区土壤质量提升提供依据。  【方法】  田间试验在山东省诸城市潮褐土烟田上进行。试验设4个处理，分别为:常规施肥且秸秆不还田(CK)，常规施肥+小麦秸秆还田(FS)，常规施肥+小麦秸秆生物炭2.25 t/hm2 (FB1)和4.50 t/hm2 (FB2)。在烟叶收获后，采集0—20 cm耕层土样，测定了土壤基础理化指标和总有机碳(TOC)、微生物生物量碳(MBC)、热水溶性有机碳(HWC)、活性有机碳(LOC)及轻组有机碳(LFOC)含量，并计算土壤碳库管理指数(CPMI)。  【结果】  连续施用小麦秸秆或其生物炭2年后，FB1和FB2处理TOC含量显著高于CK，增幅分别为74.9%和116.0%，而FS与CK处理间差异不显著。LFOC含量的变化趋势与TOC类似，FB1和FB2处理LFOC含量分别较CK处理显著增加154%和326%。FS处理HWC含量显著高于CK和FB1处理，而与FB2处理差异不显著。与CK相比，FS处理HWC含量增加了107%。FS和FB2处理MBC含量较CK分别增加了252%和144%，而FB1处理与CK相比差异不显著。FS处理LOC含量较CK显著增加了68.9%，而FB1、FB2处理LOC含量与CK相比差异不显著。FS处理还能显著降低土壤容重、增加土壤含水量及有效磷含量，其对部分土壤理化特性的改良效果优于生物炭处理(FB1和FB2)。此外，CPMI也以FS处理最高，较CK显著增加了73.5%，而FB1、FB2处理与CK处理差异不显著。  【结论】  连续秸秆还田有利于提升烟田土壤活性有机碳(MBC、HWC和LOC)含量，降低土壤容重，提高有效磷含量，提高土壤CPMI。而同量秸秆转化为生物炭后连续还田能够提高土壤总有机碳和轻组有机碳含量，更有利于土壤有机碳的长期固存。     

生物质炭对黄瓜连作土壤理化性状、酶活性及土壤质量的持续效应

【目的】 探讨不同生物质炭施用量对连作黄瓜根区土壤环境的作用效果,为用生物质炭修复黄瓜连作土壤以及在农业中的推广应用提供科学依据。 【方法】 以如皋市农业科学研究所大棚示范区为试验基地,一次性向设施农田土壤中添加0 (CK)、5 (C1)、10 (C2)、20 (C3)、30 (C4)、40 (C5) t/hm2的生物质炭,通过连续两年温室定位试验,测定生物质炭施用后黄瓜连作根区土壤的物理性状、养分含量及酶活性的变化状况,采用土壤质量指数 (SQI) 评价不同生物质炭施用量对黄瓜连作两季后土壤质量的影响。 【结果】 随着生物质炭施用量的增加,第一季与第二季黄瓜根区土壤的理化性状变化趋势一致,具体表现为容重不断降低,土壤孔隙度、饱和含水量、田间持水量、饱和导水率、有效磷及有机质含量不断升高,且当生物质炭施用量为30 t/hm2(C4处理) 时,土壤中全氮、硝态氮和铵态氮含量最高。与CK相比,生物质炭的施用可以减少黄瓜根区土壤 < 0.25 mm粒径的微团聚体含量,而增加 > 0.25 mm粒径的大团聚体含量,土壤中0.25～0.5 mm和0.5～1 mm粒径的团聚体含量都在高施用量 (40 t/hm 2) 处理中达到最大值。生物质炭施用后的连续两季,黄瓜根区土壤中脲酶与过氧化氢酶活性均随生物质炭施用量的增加呈先增加后降低的趋势,其活性分别在生物质炭施用量为30 t/hm2和20 t/hm2时最大。当生物质炭施用量为30 t/hm2时,两季黄瓜产量都达到最高,分别为3.24 × 104 kg/hm2和6.18 × 104 kg/hm2。通过土壤质量指数 (SQI) 对生物质炭施用后两季黄瓜土壤质量进行评价可知,不同生物质炭施用水平下土壤质量指数依次为C4 > C5 > C3 > C2 > C1 > CK,相应的土壤质量指数分别为0.774、0.740、0.728、0.650、0.635、0.583。 【结论】 施用生物质炭对黄瓜连作田土壤的理化性状和酶活性均有显著影响,高施用量 (40 t/hm2) 条件下对土壤物理性状改善效果最好,当生物质炭施用量为30 t/hm2 (C4处理) 时对黄瓜连作根区土壤的养分含量提升效果最佳。SQI可以客观定量地评价生物质炭施用对连作黄瓜根区土壤质量的影响,其分析结果表明改善黄瓜连作土壤环境的最佳生物质炭施用量为30 t/hm2。      

连续施用生物炭对棕壤磷素形态及有效性的影响

【目的】土壤磷有效性差、磷肥利用率低是农业发展的主要限制因素之一。生物炭作为新型土壤改良剂，其独特的理化性质会影响磷素形态及有效性。本研究通过分析连续施用不同用量生物炭对棕壤不同形态磷素含量及变化规律，探讨各形态磷对棕壤磷素有效性的贡献，以期明确生物炭对棕壤磷素有效性的作用，为其合理农用提供理论依据。【方法】本试验研究对象为连续5年增施生物炭的玉米连作棕壤，共设5个处理:不施肥(CK)、单施化肥氮磷钾(NPK )、1.5 t/hm2生物炭 + 氮磷钾(C1NPK)、3 t/hm2生物炭 + 氮磷钾(C2NPK) 和6 t/hm2生物炭 + 氮磷钾(C3NPK)，采用蒋柏藩、顾益初土壤无机磷分级、Bowman-Cole土壤有机磷分级方法测定不同形态磷含量，研究不同用量生物炭配施化肥对棕壤磷素形态及有效性的影响。【结果】连续5年施用生物炭可显著提高棕壤全磷、有效磷含量及磷活化系数；明显提高了棕壤Ca₂-P、Ca₈-P、Al-P、Fe-P、LOP(活性有机磷)、MLOP(中活性有机磷) 含量，降低了MROP(中稳性有机磷) 含量；在磷组分中，MLOP、O-P分别占棕壤有机磷、无机磷比例最大，为64.32%、28.43%。施用生物炭显著提高了Ca₂-P、Ca₈-P占无机磷比例；Al-P与有效磷含量相关系数最大为0.945，LOP、Al-P、MROP对有效磷的直接通径系数较大，分别为0.318、0.285、–0.261；Al-P、HROP(高稳性有机磷) 对有效磷的决策系数分别为0.295和–0.130，是棕壤有效磷的主要决策因子和主要限制因子。【结论】施用生物炭可以促进棕壤磷素积累并提高其活性；施用生物炭条件下，Al-P、LOP是棕壤磷素的活跃组分，提高Al-P含量、限制HROP含量是生物炭提高棕壤磷素有效性的主要途径。     

玉米秸秆源有机物料对黑土养分有效性与酶活性的提升效应

  【目的】  研究以玉米秸秆为主要原料制备的不同类型有机物料对东北黑土土壤肥力和玉米产量的影响,为黑土地保护和秸秆资源高效利用提供理论依据。  【方法】  田间定位试验连续进行了5年。试验设不施肥对照 (CK)、单施化肥 (NPK)、化肥配施秸秆 (NPK+ST)、化肥配施生物炭 (NPK+BR) 以及化肥配施堆肥 (NPK+CP) 5个处理,各有机物料每年均为等碳量投入 (C 3200 kg/hm2)。5年后,采集耕层 (0—20 cm) 和亚耕层 (20—40 cm) 土壤样品,测定土壤有机碳 (SOC)、活性有机碳 (LOC)、速效养分与酶活性,并结合年际间玉米产量变化进行综合评价。  【结果】  与NPK相比,NPK+BR处理显著增加了耕层及亚耕层SOC含量,增幅分别为28.2%和11.2%;NPK+CP和NPK+ST处理增加了耕层SOC含量,增幅分别为15.5%和7.6%,对亚耕层SOC含量影响不显著;配施有机物料处理显著增加了0—40 cm土层LOC含量,且NPK+CP和NPK+ST处理LOC含量在0—20 cm土层显著高于NPK+BR,增幅分别为13.2%和8.7%,各种有机物料处理LOC含量在20—40 cm土层差异不显著;3个配施有机物料处理均显著增加了0—20 cm土层有效磷含量,仅NPK+CP和NPK+BR处理显著提高了20—40 cm土层有效磷含量;配施有机物料处理对0—40 cm土层土壤速效氮和速效钾含量影响均不显著,但配施堆肥处理0—20 cm土层土壤速效氮含量显著高于配施秸秆和生物炭处理。配施有机物料处理比NPK处理显著增加了0—40 cm土层土壤纤维素酶、蔗糖酶和磷酸酶活性。NPK+ST和NPK+BR处理比NPK+CP处理更利于提高耕层纤维素酶活性,NPK+ST处理耕层蔗糖酶活性显著高于NPK+BR和NPK+CP处理;配施有机物料处理亚耕层土壤纤维素酶和蔗糖酶活性差异不显著。NPK+ST和NPK+CP处理较NPK+BR处理显著提高了0—40 cm土层土壤磷酸酶活性。不同处理玉米产量在年际间波动变化,配施有机物料处理玉米产量高于NPK处理,NPK+CP和NPK+ST处理对玉米产量的提升在第一年即有明显效果,而NPK+BR处理对玉米产量的积极效果在4年后才表现出来。各处理平均玉米产量的高低表现为NPK+CP > NPK+ST > NPK+BR > NPK > CK。  【结论】  化肥配施生物炭对0—40 cm土层土壤有机碳的积累作用最突出,而配施秸秆和堆肥更利于提升土壤活性有机碳的含量。配施堆肥0—20 cm土层土壤速效氮含量显著高于配施秸秆和生物炭处理,三者0—20 cm土层土壤有效磷含量无显著差异,但配施堆肥和生物炭20—40 cm土层有效磷含量显著高于配施秸秆处理。配施秸秆或生物炭增强了0—40 cm土层土壤纤维素酶活性,而蔗糖酶和磷酸酶活性以配施秸秆和堆肥处理为最高。随着土壤肥力的提高,配施有机物料处理促进了玉米产量的提升,以配施堆肥处理对玉米平均产量的增加幅度最高。因此,对于基础肥力较高的黑土而言,生物炭还田可实现黑土有机碳的快速提升,而堆肥和秸秆直接还田对玉米产量的促进作用更为明显。     

钾钠离子添加对土土壤团聚体和有机碳矿化的影响

  【目的】  评价单价阳离子对团聚体稳定性和土壤有机碳矿化的影响,为有机肥尤其是粪肥的科学施用提供理论依据。  【方法】  采用恒温培养法,研究了不同钾、钠离子浓度下土壤团聚体的稳定性。供试土壤为土。试验中设置K+梯度分别为120、200、280、370、540 mg/kg;Na+梯度分别为90、180、270 mg/kg;并设置在K+ 370 mg/kg浓度下,添加Na+ 0、90、180、270 mg/kg的各处理;并以不添加钾钠离子的处理为对照。土壤在70%田间持水量下培养,定期取样,直到培养105天结束。监测土壤有机碳的矿化动态,以双库指数模型模拟有机碳的矿化特征,湿筛法测定团聚体稳定性。  【结果】  所有处理中2～0.25 mm和 >2 mm团聚体的比例均显著高于0.25～0.053 mm团聚体和<0.053 mm粉粘粒,分别占总量的42.0%～52.7%和26.0%~38.9%。添加K+、Na+以及同时添加K+和Na+总体上降低了>2 mm团聚体比例,增加了2～0.25 mm团聚体和< 0.053 mm粉黏粒组分比例,从而降低了团聚体平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD),钾钠共同作用效果更明显。K+ 120 mg/kg和Na+ 180 mg/kg两个处理显著降低了有机碳累积矿化量,其余单独添加K+或Na+的处理均无显著影响。钾钠共同处理的土壤有机碳累积矿化量随Na+浓度的增大而减小,降幅为1.2%～22.3%。双库指数模型能较好的模拟有机碳的矿化动态。拟合结果表明,所有处理均增加了来源于活性碳库有机碳的矿化量(Ca),降低了除K+540 mg/kg处理外其他处理源于惰性碳库有机碳的矿化量(Cs),且均降低了活性碳库的矿化速率常数(Ka)。同时,所有处理均增加了Ca占总有机碳矿化量的比例(Ra),而降低了Cs的占比(Rs)。冗余分析(RDA)表明,有机碳累积矿化量与GMD显著正相关,与土壤结构稳定性阳离子比值(CROSS)、钠吸附比(SAR)和可交换性钠百分比(ESP)显著负相关。  【结论】  钾、钠离子的累积显著影响了土壤团聚体组成,降低了团聚体MWD和GMD,抑制了惰性有机碳的矿化,提高了活性有机碳的矿化量,这可能是施用钾肥很难提高土壤有机质含量的一个原因。