土壤团聚体的含量及分布对土壤质量有着重要的影响，是土壤结构稳定性的指标之一^{[1, 2]}。各类有机碳是土壤团聚体最重要的胶结物质，土壤团聚体的物理保护作用则是土壤有机碳稳定性的重要机制，因此，从不同土壤结构单元进行有机碳稳定性研究已经成为最有效的手段^[3]。Six等^[4]也提出了以“大团聚体周转”为核心的概念模型，即新鲜有机物料的加入会促进新一轮大团聚体-微团聚体循环进行。生物炭是由有机物料在厌氧条件下低温热解产生的含碳丰富的固态物质^[5]。作为一种富含碳的外源有机质，因其表面积大、吸附性强等特点^{[6, 7]}，施入土壤会对土壤结构产生一定影响。潘根兴等^[8]发现，生物炭可与土壤颗粒形成团聚体和有机无机复合体，在改善土壤团聚结构的同时也增加土壤有机碳含量。而Busscher等^[9]研究发现，添加5、10、 20 g·kg^-1生物炭70 d后，对土壤团聚体影响不显著，但提高了土壤中有机碳及全氮等养分的含量^{[9, 10, 11]}，以及各粒级水稳性大团聚体中总碳含量^[12]。制备生物炭的生物资源非常广泛，由于每种生物炭具有独特的特征，不同的土壤对生物炭的反响也不尽相同。同时，制备生物炭的热解温度也会对生物炭的性质有重要影响^[13]。

黄土高原是我国北方重要的旱作农区，连年来高度集约化的农业生产使得该区土壤结构不同程度地遭到了破坏，团聚体含量逐渐减少，团聚体质量下降，限制了降水入渗和作物根系延伸，制约着该区农业生产的可持续发展。因此，改良土壤结构增加降雨入渗，降低农业生产导致的水土流失已成为提高旱地农业生产力和水分利用效率的有效方式。武均等^[14]研究表明，免耕＋秸秆覆盖和传统耕作＋秸秆覆盖均可提升黄土高原陇中雨养农田水稳性大团聚体含量和稳定性，但团聚体碳氮含量却随团聚体粒径变小而增大。曹丽花等^[15]研究也认为，施用PAM结构改良剂对黄绵土、黑垆土、风沙土团聚体含量和团聚体分形维数的改良效果不同。因此，有必要进一步研究筛选出适合提高黄土高原土壤质量的稳定改良材料和改良方法。将秸秆转变为生物炭再施入土壤中，对黄土高原旱地土壤团聚体及其碳氮库特征有何影响，是否更利于良好团粒结构的形成从而促进作物获得高产，目前尚缺乏深入研究。本研究以黄土高原旱作农田的玉米秸秆为生物炭来源，在农田尺度上研究施用生物炭对土壤团聚体分布及团聚体碳氮养分含量的影响，从农田土壤质量的角度为生物炭在旱作农田的应用提供一定的科学依据。 1 材料与方法 1.1 田间定位试验

田间定位试验在西北农林科技大学长武国家农业生态试验站进行。该试验站位于黄土高原中南部陕甘交界处的陕西省长武县洪家镇王东村，35°12′N、107°40′E，海拔1200 m。属暖温带半湿润大陆性季风气候，年均降水584 mm，年均气温9.10 ℃，无霜期171 d，地下水埋深50~80 m，属典型的旱作农业区；试验区为高原沟壑区的典型代表，地带性土壤为黑垆土，质地均匀疏松。2012年试验前耕层土壤有机碳8.25 g·kg^-1，全氮0.80 g·kg^-1，全磷0.53 g·kg^-1，全钾8.39 g·kg^-1，碱解氮46.50 mg·kg^-1，速效磷8.96 mg·kg^-1，速效钾106.20 mg·kg^-1。

试验从2012年4月开始，共设4个生物炭施用水平，分别为施生物炭0 t·hm^-2（CK）、10 t·hm^-2（C1）、20 t·hm^-2（C2）和30 t·hm^-2（C3），每处理3次重复，每个试验小区面积为56 m2，共12个小区，随机区组排列。试验供试生物炭来源于玉米秸秆热解炭化（炭化温度350~450 ℃，河南三利新能源有限公司）。生物炭、基施氮肥、磷肥和钾肥均在播前撒于地表后微耕机翻耕，使其充分混匀；追施氮肥用点种器施入。氮肥以含氮量46%的尿素为氮源按4∶3∶3分三次施入，每公顷施纯氮225 kg；磷肥以含P2O5 12%的过磷酸钙为肥源，每公顷施纯磷40 kg；钾肥以含K2O 45%的硫酸钾为肥源，每公顷施纯钾80 kg。试验玉米品种为先玉335，采用宽窄行种植（60∶40），种植密度65 000株·hm^-2。试验期间采用雨养方式，不进行灌溉处理。 1.2 土壤团聚体分级及有机碳和全氮含量测定

2014年春玉米播前分层（0~10、10~20、20~30 cm）在每个小区随机多点采集土样，然后将采集的混合土样带回实验室（尽量避免挤压，以保持原状土壤结构）。

团聚体分级采用湿筛法^[16]，利用振荡筛（套筛直径为2、0.25、0.053 mm）对土壤团聚体进行分级。称取过8 mm筛（去除杂草和植物根系）的土样平铺于2 mm筛面上，在室温条件下加去离子水缓慢湿润10 min后，以每2 min 50次的频率在去离子水中进行振荡，上下振幅3 cm，将各筛上的水稳性团聚体分别冲洗至容器中。获取>2 mm、2~0.25 mm和0.25~0.053 mm的水稳性团聚体和＜0.053 mm的粉黏粒组分。各粒级组分在60 ℃下烘干，称重，研磨，过筛（0.149 mm）。

土壤有机碳采用外加热-重铬酸钾氧化法^[17]测定；土壤全氮采用半微量凯氏定氮法^[17]测定。 1.3 数据处理与统计检验

试验结果采用SPSS 13.0进行单因素方差分析（ANOVA），采用LSD检验，显著性水平为P＜0.05。

各粒级团聚体对土壤养分的贡献率计算公式：

从表 1可以看出，不同处理各土层土壤团聚体粒级分布基本一致：2~0.25 mm和＜0.053 mm两个粒级的团聚体含量较高，>2 mm粒级的大团聚体次之，0.25~0.053 mm粒级的微团聚体含量最低。随土层加深，>2 mm粒级水稳性团聚体和＜0.053 mm粉黏粒含量增加，2~0.25 mm和0.25~0.053 mm粒级团聚体含量有降低趋势。生物炭添加对不同粒级团聚体影响趋势不一。与未施生物炭对照相比，添加生物炭降低了>2 mm粒级水稳性大团聚体含量，随施用量增加表现为CK>C1>C3、C2。生物炭增加了2~0.25 mm和0.25~0.053 mm粒级团聚体含量，但0~10 cm土层的增加差异均不显著；10~20 cm土层中，2~0.25 mm和0.25~0.053 mm粒级团聚体含量最高增加幅度分别为32.99%和35.58%；20~30 cm土层中2~0.25 mm和0.25~0.053 mm粒级团聚体含量最高增加幅度分别为22.33%和30.02%，差异显著。与不施生物炭对照相比，＜0.053 mm粒级粉黏粒含量有降低的趋势，除10~20 cm土层C3处理团聚体含量降幅达9.22%外，其他土层各处理变化规律不一，差异不显著。总体上看，施用生物炭两年后，与未施生物炭处理相比，0~10 cm和 10~20 cm土层农田土壤>0.25 mm粒级的水稳性大团聚体和0.25~0.053 mm粒级的微团聚体含量均呈增加趋势，但差异均未达显著水平。

表 1 不同土层中各粒级水稳性团聚体分布 Table 1 Size distribution of water-stable aggregates in different soil layers

表选项

对不同粒级土壤团聚体中有机碳含量的测定结果表明（表 2），试验不同处理各土层土壤均以0.25~0.053 mm粒级团聚体中有机碳的含量最高，其次是>2 mm和2~0.25 mm粒级，＜0.053 mm粒级团聚体中有机碳的含量最低。随土层加深，不同粒级团聚体有机碳含量均表现为0~10 cm>10~20 cm>20~30 cm土层。与未施生物炭对照相比，生物炭增加了各土层不同粒级团聚体有机碳含量，随施用量的增加0~10 cm和10~20 cm土层增加规律一致，均表现为C3>C2>C1>CK。施生物炭30 t·hm^-2显著增加了不同土层不同粒级团聚体中有机碳含量：0~10 cm土层>2 mm、2~0.25 mm、0.25~0.053 mm和＜0.053 mm粒级团聚体中有机碳含量增幅最大，分别增加29.12%、26.20%、57.33%和69.83%；10~20 cm土层分别增加 20.18%、26.30%、21.43%和25.51%；20~30 cm土层增幅最小，分别增加15.29%、17.70%、15.35%和21.12%。

表 2 不同粒级土壤团聚体有机碳含量 Table 2 Content of organic carbon in different size aggregates

表选项

由图 1可以看出，旱作农田0~10 cm土层各粒级土壤水稳性团聚体中有机碳的贡献率表现为2~0.25 mm粒级最高，其次为＜0.053 mm粒级，0.25~0.053 mm粒级最低，不同粒级间团聚体有机碳贡献率差异均达显著水平。随土层加深，>2 mm和 ＜0.053 mm粒级团聚体有机碳贡献率增加，2~0.25 mm和0.25~0.053 mm粒级团聚体有机碳贡献率降低。分析生物炭对旱作农田不同粒级水稳性团聚体有机碳贡献率的影响发现（图 2），随生物炭施用量的增加，0~30 cm土层中>2 mm粒级团聚体有机碳的平均贡献率降低，表现为CK>C1>C2>C3，降幅分别为23.33%、16.06%和11.16%，差异显著；但2~0.25 mm和0.25~0.053 mm粒级团聚体有机碳的平均贡献率均增加，增幅范围分别为8.81%~22.99%和14.14%~28.43%；＜0.053 mm粒级有机碳的贡献率变化不明显。

图 1 不同剖面土壤团聚体有机碳的贡献率 Figure 1 Percent contribution of organic carbon in different aggregates to soil total organic carbon in different soil depths

图选项

图 2 0~30 cm 土层不同处理土壤团聚体有机碳的平均贡献率 Figure 2 Average percent contribution of organic carbon in different aggregates to soil total organic carbon in 0~30 cm soil layer under different treatments

图选项

全氮在不同土层土壤团聚体中的分布规律与团聚体有机碳的一致（表 3），0.25~0.053 mm粒级团聚体的全氮含量最高，＜0.053 mm粒级的全氮含量最低。随土层加深，不同粒级团聚体中全氮含量总体表现为0~10 cm>10~20 cm>20~30 cm土层。与未施生物炭对照相比，生物炭增加了各土层不同粒级团聚体全氮含量，随施用量的增加，0~10、10~20 cm和20~30 cm土层均表现为C3>C2>C1>CK，且0~10 cm土层0.25~0.053 mm粒级增加最显著。与未施生物炭对照相比，施生物炭30 t·hm^-2时，0~10 cm土层>2 mm、2~0.25 mm、0.25~0.053 mm和＜0.053 mm粒级团聚体中全氮含量分别增加11.21%、10.00%、19.46%和24.18%，差异均显著；10~20 cm土层各粒级分别增加10.68%、10.00%、5.00%和14.94%，2~0.25 mm和＜0.053 mm粒级增加显著；20~30 cm土层各粒级分别增加5.15%、11.11%、13.57%和8.24%，仅0.25~0.053 mm粒级增加显著。随生物炭施用量的增加，0~10 cm土层不同粒级团聚体中全氮含量C3处理显著高于C1和CK处理（＜0.053 mm粒级除外），C3处理与C2处理间无显著差异。可见，旱作农田添加生物炭能提高土壤水稳性团聚体中全氮的含量。

表 3 不同粒级土壤团聚体全氮含量 Table 3 Content of total N in different aggregates

表选项

旱作农田剖面不同土层土壤水稳性团聚体全氮的贡献率与有机碳的贡献率规律基本一致（图 3）。0~10 cm土层不同粒级土壤水稳性团聚体中全氮的贡献率表现为2~0.25 mm粒级最高，其次为＜0.053 mm粒级，二者显著高于>2 mm 和0.25~0.053 mm粒级。随土层加深，＜0.053 mm粒级团聚体全氮贡献率增加，显著高于2~0.25 mm粒级，但0.25~0.053 mm粒级团聚体全氮贡献率降低。分析生物炭对旱作农田不同粒级水稳性团聚体全氮贡献率的影响发现（图 4），随生物炭施用量的增加，0~30 cm土层中>2 mm粒级团聚体全氮的平均贡献率表现为C3＜C2＜C1＜CK，与未施生物炭对照相比，降低幅度范围为9.77%~19.47%；2~0.25mm和0.25~0.053 mm粒级全氮贡献率均增加，C2处理增幅最高，分别增加22.50%和33.78%，差异显著，C1处理分别仅增加8.73%和7.64%，差异不显著；＜0.053 mm粒级全氮贡献率变化较小。

图 3 不同剖面土壤团聚体全氮的贡献率 Figure 3 Percent contribution of total N in different aggregates to soil total N in different soil depths

图选项

图 4 0~30 cm 土层不同处理土壤团聚体全氮的平均贡献率 Figure 4 Average percent contribution of total N in different aggregates to soil total N in 0~30 cm soil layer under different treatments

图选项

土壤团粒结构是土壤肥力的物质基础，是作物高产稳产的必需土壤条件之一。 在土壤团聚体的形成过程中，胶结物质的数量和性质起着十分重要的作用。Brodowski等^[18]研究发现，生物炭可作为胶结介质促进土壤团聚体的形成，且生物炭和土壤中其他形态有机物质以及矿物、微生物等可发生进一步的交互影响促进土壤团聚体的形成和稳定。本研究发现，生物炭增加了旱作农田黑垆土中>0.25 mm粒级的水稳性大团聚体总量。这个结果与Liu等^[19]和Sun等^[20]的研究结果一致。Liu等^[19] 通过培养实验发现，添加木屑制成的生物炭0、4、8、16 g·kg^-1后，黑垆土中>0.25 mm粒级的水稳性大团聚体含量随生物炭施用量的增加而增多；Sun等^[20]利用秸秆生物炭、木屑生物炭和污水污泥生物炭分别在粘土上进行室内培养试验，设置0、20、40、60 g·kg^-1 4个生物炭水平，培养180 d后发现，秸秆生物炭和污水污泥生物炭均增加了土壤中>0.25 mm粒级的水稳性团聚体的含量。但叶丽丽等^[21]进行的培养实验的研究结果却表明，由于生物质黑炭分解能力小，同时在分解过程中自身又不能产生粘液来团聚土壤颗粒，对红壤的土壤颗粒没有明显的团聚作用，甚至会有负面作用出现。当土壤肥力水平较低时，生物炭的施用能增加水稳性团聚体的百分含量^[22]；而当土壤肥力水平较高时，因其本身已经具有较高含量的水稳性团聚体，生物炭对水稳性团聚的作用不明显^[23]。因此，生物炭对土壤团聚体形成的影响，与土壤本身有机质含量高低及生物炭性质有关。随试验年限增加，生物炭是否会通过有机无机胶结作用，促进本试验土壤水稳性团聚体的形成，有待进一步的深入研究。 3.2 生物炭对碳氮在土壤团聚体中分布的影响

团聚体是土壤有机碳的重要储存场所。Laird等^[24]研究表明，往土壤中添加生物炭明显提高土壤中有机碳的含量，且有提高碳在水稳性大团聚体中分配的趋势。本研究也发现，施用生物炭增加了0~10 cm和10~20 cm两个土层土壤团聚体有机碳含量，但有机碳主要分布在0.25~0.053 mm粒级的微团聚体中，且不同处理微团聚体中有机碳含量均高于大团聚体中的有机碳含量。这可能是由于微团聚体是有机碳存在的主要场所，其通常是大团聚体分解或者由粘粒与有机物胶结以后形成的产物，并且储存在其中的有机碳不易被微生物分解和利用^[25]。这与尹云峰等^[26]利用同位素13C标记得到的结果一致。

目前有关生物炭对土壤团聚体中全氮含量影响的研究较少。付琳琳等^[27]研究发现，生物炭的施用会增加稻田土壤团聚体中全氮的含量，且各粒级团聚体中全氮含量随施用量的增加而提高，与本研究结果较一致。在本研究条件下，与不施生物炭处理相比，生物炭增加了旱作农田各粒级土壤团聚体中全氮的含量，且增幅随施用量的增加而增大。分析发现，除生物炭本身所含的氮素外，生物炭会通过改变农田土壤通气状况、水分含量，抑制土壤反硝化作用减少氮氧化物的排放，且生物炭对氮素有强烈的吸附作用，有效降低了氮素的淋失，从而增加土壤中全氮储量^[28]。

与未施生物炭相比，随生物炭施用量的增加，0~30 cm土层中>2 mm粒级团聚体有机碳和全氮的平均贡献率降低，2~0.25 mm和0.25~0.053 mm粒级的平均贡献率均增加。因此，施用生物炭在一定程度上能改变旱作农田土壤结构，补充土壤有机碳库和有效氮养分含量，提高土壤肥力。但玉米秸秆生物炭施入对表层土壤碳氮库及其贡献率的长期影响，以及是否可以作为黄土高原旱作农田的土壤改良剂，还需进一步的试验验证。 4 结论

（1）添加生物炭两年后，旱作农田土壤>0.25 mm水稳性大团聚体含量呈增加趋势。

（2）生物炭显著增加了各土层不同粒级团聚体中有机碳和全氮的含量，增加幅度随施用量的增加而增大。但玉米秸秆生物炭施入对旱作农田表层土壤碳氮库及其贡献率的长期影响，还需进一步的试验验证。