施入生物炭对热带农田土壤团聚体组成及碳氮含量的影响

李晨; 陈明婉; 金鑫; 袁赫奕; 兰超杰; 李长江; 李昌珍

doi:10.19336/j.cnki.trtb.2022051003

施入生物炭对热带农田土壤团聚体组成及碳氮含量的影响

doi: 10.19336/j.cnki.trtb.2022051003

海南大学热带作物学院，海南海口 570228

基金项目: 海南省自然科学基金项目（322RC566）和国家自然科学基金地区基金项目（32160307，31860130）资助

详细信息

作者简介:
李晨：李　晨（1998−），男，陕西西安人，硕士研究生，主要研究热带土壤碳氮循环，E-mail: 1939261670@qq.com

通讯作者:
E-mail: lichangzhen@hainanu.edu.cn

中图分类号: S153
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出版历程
- 收稿日期: 2022-05-10
- 录用日期: 2022-11-11
- 修回日期: 2022-09-03
- 网络出版日期: 2023-10-21
- 刊出日期: 2023-10-06

Effects of Biochar Application on Soil Aggregate Composition and Carbon and Nitrogen Contents in Tropical Farmland

College of Tropical Crops, Hainan University, Haikou 570228, china

摘要

摘要: 目的利用田间试验，从土壤团聚体角度入手，着力探究不同生物炭施入量对热带农田的改良效果，以提高土壤质量。方法试验采用花生壳生物炭，施入量分别为10 t hm⁻²（P10）、20 t hm⁻²（P20）、40 t hm⁻²（P40）和60 t hm⁻²（P60），以不施入生物炭（CK）为对照，共计5个处理。在施入生物炭一年后，取0 ~ 10 cm、10 ~ 20 cm和20 ~ 30 cm土壤测其团聚体组成和土壤有机碳、全氮含量。结果生物炭施入显著增加了10 ~ 20 cm土层2 ~ 1 mm和20 ~ 30 cm土层 < 0.25 mm粒径团聚体含量，同时，显著增加了10 ~ 20 cm土层团聚体稳定性；生物炭施入使原土和各粒径团聚体有机碳和全氮含量有不同程度提升，在P40和P60处理下提升效果最明显；生物炭施入增加了10 ~ 20 cm土层2 ~ 1 mm粒径团聚体有机碳和全氮贡献率；P60处理增加了0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm土层几乎所有粒径团聚体和原土C/N；生物炭施入量、土层深度及其交互作用对土壤团聚体稳定性、团聚体组成、团聚体有机碳和全氮含量有显著影响。结论施入生物炭可显著提高10 ~ 20 cm土层土壤团聚体稳定性，施入40 t hm⁻²和60 t hm⁻²生物炭时对土壤团聚体有机碳和全氮含量提升效果最明显。因此施入40 t hm⁻²以上生物炭时可以有效改良热带农田土壤，提高土壤质量。
- 生物炭 /
- 土壤团聚体 /
- 有机碳 /
- 全氮 /
- 热带农田
Abstract: Objective Field experiment was used to explore the improvement effect of different biochar application amounts on tropical farmland to improve soil quality from the perspective of soil aggregates. Methods Peanut shell biochar was used in the experiment, and the application amounts were 10 t hm⁻² (P10), 20 t hm⁻² (P20), 40 t hm⁻² (P40) and 60 t hm⁻² (P60), with no biochar (CK) as the control. One year after biochar application, soil aggregates and soil organic carbon and total nitrogen contents were measured in 0-10 cm, 10-20 cm and 20-30 cm soils. Results Biochar application significantly increased the aggregate content of 2-1 mm in 10-20 cm soil layer and < 0.25 mm in 20-30 cm soil layer, and significantly increased the aggregate stability in 10-20 cm soil layer. Biochar application increased the contents of organic carbon and total nitrogen in raw soil and aggregates with different particle sizes, and the effectiveness were most obvious in P40 and P60 treatments. Biochar application increased the contribution rates of organic carbon and total nitrogen in the soil layer of 10-20 cm and 2-1 mm grain size aggregates. P60 treatment increased the C/N of aggregates and primary soil in 0-10 cm and 10-20 cm soil layers. The amount of biochar application, soil depth and their interactions had significant effects on soil aggregate stability, aggregate composition, and aggregate organic carbon and total nitrogen contents. Conclusion In this experimental design, the application of 20 t hm⁻² and 60 t hm⁻² biochar could significantly improve the stability of soil aggregates, and the application rates of 40 t hm⁻² and 60 t hm⁻² biochar had the most obvious effect on the improvement of soil aggregate organic carbon and total nitrogen contents. In this study, the application of biochar above 40 t hm⁻² can effectively improve tropical farmland soil and improve soil quality.
- Biochar /
- Soil aggregate /
- Organic carbon /
- Total nitrogen /
- Tropical farmland

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图 1 不同生物炭施入量对0 ~ 10 cm （a）、10 ~ 20 cm （b）和20 ~ 30 cm （c）土层土壤团聚体组成的影响

不同小写字母表示同一土层不同处理间差异显著（P < 0.05）。

Figure 1. Effects of different biochar application rates on the compositions of soil aggregates in 0-10 cm (a), 10-20 cm (b) and 20-30 cm (c) soil layers

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图 2 不同生物炭施入量对土壤团聚体平均重量直径（a）和几何平均直径（b）的影响

不同小写字母表示同一土层不同处理间差异显著（P < 0.05）。

Figure 2. Effects of different biochar application rates on the mean weight diameter (a) and geometric mean diameter (b) of soil aggregates

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图 3 不同生物炭施入量对番茄产量的影响

不同小写字母表示同一土层不同处理间差异显著（P < 0.05）。

Figure 3. Effects of different biochar application rates on tomato yield

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表 1 不同生物炭施入量对土壤团聚体有机碳和有机碳贡献率的影响

Table 1. Effects of different biochar application rates on soil aggregate organic carbon and organic carbon contribution rates

土层深度 Soil depth （cm）	处理 Treatment	有机碳含量（g kg^–1） Organic carbon content						土壤团聚体有机碳贡献率（%） Contribution rate of soil aggregate organic carbon
土层深度 Soil depth （cm）	处理 Treatment	原土 Original soil	> 2 mm	2 ~ 1 mm	1 ~ 0.5 mm	0.5 ~ 0.25 mm	< 0.25 mm	> 2 mm	2 ~ 1 mm	1 ~ 0.5 mm	0.5 ~ 0.25 mm	< 0.25 mm
0 ~ 10	CK	6.08 ± 0.28 c	4.66 ± 0.18 c	5.23 ± 0.24 c	6.80 ± 0.21 c	6.28 ± 0.62 c	5.86 ± 0.35 c	3.82 ± 0.11 a	12.76 ± 1.32 bc	32.15 ± 2.05 b	26.64 ± 1.41 b	24.63 ± 0.54 a
	P10	6.73 ± 0.64 c	6.14 ± 1.01 c	6.02 ± 0.87 c	7.19 ± 0.74 c	6.56 ± 0.63 c	6.95 ± 0.48 c	2.87 ± 0.42 abc	15.14 ± 1.51 b	30.46 ± 0.46 b	27.53 ± 1.25 b	24.00 ± 0.87 a
	P20	6.45 ± 0.56 c	5.13 ± 0.42 c	6.07 ± 0.28 c	6.55 ± 0.69 c	6.66 ± 0.64 c	6.79 ± 0.87 c	1.99 ± 0.10 c	23.80 ± 1.89 a	39.51 ± 1.59 a	17.78 ± 0.28 c	16.92 ± 0.94 b
	P40	9.28 ± 0.24 b	8.90 ± 0.49 b	9.78 ± 0.40 b	9.35 ± 0.61 b	9.88 ± 0.37 b	8.63 ± 0.30 b	2.25 ± 0.22 bc	12.40 ± 0.84bc	29.27 ± 1.93 b	33.04 ± 1.52 a	23.04 ± 0.99 a
	P60	13.03 ± 0.41 a	12.01 ± 1.14 a	13.54 ± 0.43 a	14.15 ± 0.64 a	12.81 ± 0.60 a	12.08 ± 0.41 a	3.65 ± 0.81 ab	9.16 ± 0.55 c	33.58 ± 1.41 b	28.16 ± 0.62 b	25.45 ± 2.10 a

10 ~ 20	CK	7.44 ± 0.44 c	7.03 ± 0.44 c	7.81 ± 0.36 c	7.95 ± 0.38 c	7.37 ± 0.71 c	6.70 ± 0.52 c	5.60 ± 0.45 a	7.17 ± 0.19 d	44.11 ± 0.55 a	23.70 ± 1.02 a	19.42 ± 0.32 a
	P10	7.15 ± 0.10 c	7.25 ± 0.31 c	7.84 ± 0.53 c	6.92 ± 0.30 c	7.63 ± 0.29 c	6.07 ± 0.22 c	6.66 ± 0.25 a	27.55 ± 2.18 b	35.05 ± 1.51 b	18.19 ± 0.26 b	12.55 ± 0.89 b
	P20	11.79 ± 0.31 b	11.35 ± 0.52 b	11.88 ± 0.36 b	12.23 ± 0.58 ab	11.71 ± 0.29 b	10.72 ± 0.50 b	4.88 ± 0.56 a	34.40 ± 1.33 a	35.43 ± 0.80 b	17.15 ± 1.37 b	8.14 ± 0.32 c
	P40	11.01 ± 0.53 b	11.69 ± 0.37 ab	10.35 ± 0.99 b	11.66 ± 0.55 b	10.67 ± 0.62 b	10.50 ± 0.52 b	4.74± 0.88 a	20.07 ± 1.65 c	42.00 ± 3.78 a	19.31 ± 1.15 b	13.88 ± 2.77 b
	P60	13.96 ± 0.28 a	13.20 ± 0.72 a	14.30 ± 0.03 a	13.78 ± 0.72 a	13.98 ± 0.32 a	13.77 ± 0.25 a	5.85 ± 0.82 a	38.63 ± 0.22 a	27.08 ± 0.84 c	13.10 ± 1.07 c	15.34 ± 0.58 ab

20 ~ 30	CK	5.38 ± 0.27 d	4.54 ± 0.41 d	5.21 ± 0.23 d	6.02 ± 0.25 d	5.24 ± 0.49 c	4.87 ± 0.22 c	3.77 ± 0.31 b	9.19 ± 0.71 a	38.58 ± 4.82 a	30.88 ± 2.72 b	17.58 ± 3.54 d
	P10	6.46 ± 0.09 d	8.08 ± 0.27 bc	6.97 ± 0.46 c	6.83 ± 0.31 cd	6.02 ± 0.40 c	4.81 ± 0.35 c	3.61 ± 0.44 b	8.35 ± 0.61 ab	40.22 ± 1.18 a	26.41 ± 1.10 a	21.41 ± 0.65 bc
	P20	10.06 ± 0.95 b	9.60 ± 1.07 ab	10.28 ± 0.77 b	10.34 ± 0.96 b	10.08 ± 1.02 b	9.74 ± 0.97 b	3.27 ± 0.86 b	8.28 ± 0.24 c	35.46 ± 0.81 a	28.43 ± 1.16 a	24.56 ± 0.37 b
	P40	8.47 ± 0.39 c	7.45 ± 0.17 c	9.12 ± 0.17 b	8.31 ± 0.57 c	8.58 ± 0.10 b	8.50 ± 0.72 b	3.85 ± 0.94 b	9.22 ± 0.87 ab	33.81 ± 1.37 a	25.36 ± 0.84 a	27.76 ± 1.09 a
	P60	12.93 ± 0.09 a	11.11 ± 0.25 a	11.91 ± 0.36 a	14.13 ± 0.40 a	13.00 ± 0.44 a	11.68 ± 0.45 a	6.04± 0.71 a	10.18 ± 0.37 b	40.79 ± 0.65 a	23.93 ± 2.12 a	19.06 ± 1.34 c
注：不同小写字母表示同一土层不同处理间同一指标的显著性差异（P < 0.05）。

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表 2 不同生物炭施入量对土壤团聚体全氮和全氮贡献率的影响

Table 2. Effects of different biochar application rates on total nitrogen contents and contribution rates in soil aggregates

土层深度 Soil depth （cm）	处理 Treatment		土壤全氮含量（g kg^–1） soil total nitrogen content					土壤团聚体全氮贡献率（%） Contribution rate of total nitrogen in soil aggregates
土层深度 Soil depth （cm）	处理 Treatment	原土 Original soil	> 2 mm	2 ~ 1 mm	1 ~ 0.5 mm	0.5 ~ 0.25 mm	< 0.25 mm	> 2 mm	2 ~ 1 mm	1 ~ 0.5 mm	0.5 ~ 0.25 mm	< 0.25 mm
0 ~ 10	CK	0.57 ± 0.01 c	0.49 ± 0.03 c	0.55 ± 0.01 b	0.62 ± 0.03 b	0.58 ± 0.05 b	0.54 ± 0.03 c	4.24 ± 0.23 a	14.30 ± 1.25 bc	30.83 ± 1.58 b	26.22 ± 1.37 b	24.41 ± 1.86 a
	P10	0.61 ± 0.02 c	0.61 ± 0.03 bc	0.61 ± 0.01 b	0.64 ± 0.01 b	0.57 ± 0.03 b	0.63 ± 0.06 bc	3.18 ± 0.38 b	16.76 ± 0.63 b	30.16 ± 1.93 b	26.21 ± 0.76 b	23.69 ± 1.57 a
	P20	0.58 ± 0.05 c	0.55 ± 0.01 c	0.53 ± 0.07 b	0.61 ± 0.04 b	0.65 ± 0.07 b	0.53 ± 0.06 c	2.40 ± 0.18 c	22.29 ± 0.65 a	41.53 ± 0.91 a	19.08 ± 0.88 c	14.70 ± 0.58 b
	P40	0.78 ± 0.03 b	0.70 ± 0.05 ab	0.77 ± 0.03 a	0.88 ± 0.03 a	0.77 ± 0.06 b	0.70 ± 0.01 b	2.17 ± 0.26 c	11.87 ± 0.73 c	33.17 ± 1.41 b	30.73 ± 0.39 ab	22.06 ± 0.49 a
	P60	0.93 ± 0.03 a	0.80 ± 0.05 a	0.84 ± 0.05 a	0.94 ± 0.02 a	1.04 ± 0.11 a	0.84 ± 0.03 a	3.36 ± 0.04 b	7.93 ± 0.41 d	31.56 ± 0.35 b	32.03 ± 2.42 a	25.12 ± 2.56 a

10 ~ 20	CK	0.75 ± 0.03 cd	0.82 ± 0.12 c	0.69 ± 0.06 bc	0.77 ± 0.02 c	0.79 ± 0.06 b	0.67 ± 0.03 ab	6.36 ± 0.23 a	6.27 ± 0.26 e	42.44 ± 0.49 a	25.49 ± 1.40 a	19.44 ± 0.71 a
	P10	0.68 ± 0.00 d	0.66 ± 0.03 c	0.65 ± 0.03 c	0.77 ± 0.04 c	0.63 ± 0.02 b	0.68 ± 0.00 b	6.38 ± 0.29 a	24.10 ± 0.89 c	41.07 ± 2.57 a	15.96 ± 0.72 b	12.49 ± 1.15 b
	P20	0.87 ± 0.01 ab	0.90 ± 0.03 ab	0.84 ± 0.04 ab	1.01 ± 0.05 a	0.72 ± 0.06 b	0.87 ± 0.01 a	5.36 ± 1.06 a	32.47 ± 0.66 b	39.37 ± 2.12 a	13.99 ± 0.82 b	8.81 ± 0.65 b
	P40	0.80 ± 0.06 bc	0.77 ± 0.05 bc	0.73 ± 0.06 bc	0.86 ± 0.09 ab	0.72 ± 0.05 b	0.80 ± 0.06 ab	6.63 ± 1.62 a	19.48 ± 0.73 d	42.26 ± 4.38 a	18.08 ± 1.59 b	13.55 ± 3.93 ab
	P60	0.95 ± 0.03 a	0.98 ± 0.05 a	0.97 ± 0.02 a	0.94 ± 0.07 ab	0.99 ± 0.07 a	0.95 ± 0.03 a	6.35 ± 0.59 a	38.38 ± 0.92 a	27.14 ± 0.63 b	13.80 ± 1.96 b	14.33 ± 1.21 ab

20 ~ 30	CK	0.72 ± 0.07 b	0.54 ± 0.08 c	0.59 ± 0.03 c	0.61 ± 0.06 b	0.59 ± 0.05 b	0.68 ± 0.07 c	3.87 ± 0.24 ab	9.09 ± 0.44 b	34.68 ± 5.46 a	30.73 ± 2.67 a	21.62 ± 4.35 a
	P10	0.76 ± 0.02 b	0.78 ± 0.02 b	0.77 ± 0.05 bc	0.81 ± 0.06 b	0.76 ± 0.02 b	0.69 ± 0.10 c	2.94 ± 0.30 ab	7.50 ± 0.75 c	38.89 ± 2.89 a	27.67 ± 0.43 abc	23.00 ± 2.82 a
	P20	0.79 ± 0.02 b	0.83 ± 0.08 b	0.80 ± 0.04 b	0.81 ± 0.03 b	0.78 ± 0.03 b	0.78 ± 0.05 bc	3.73 ± 1.31 ab	8.08 ± 0.27 bc	35.07 ± 1.41 a	28.06 ± 1.20 ab	25.06 ± 1.50 a
	P40	1.11 ± 0.07 a	1.11 ± 0.05 a	1.09 ± 0.06 a	1.15 ± 0.03 a	1.11 ± 0.11 a	1.05 ± 0.09 a	4.44 ± 1.25 ab	8.38 ± 0.35 bc	36.11 ± 1.91 a	24.82 ± 0.80 bc	26.25 ± 1.05 a
	P60	1.11 ± 0.08 a	1.05 ± 0.08 a	1.11 ± 0.10 a	1.19 ± 0.11 a	1.08 ± 0.08 a	0.99 ± 0.06 ab	6.91 ± 1.61 a	11.25 ± 0.14 a	39.94 ± 1.52 a	23.11 ± 0.87 c	18.79 ± 1.19 a
注：不同小写字母表示同一土层不同处理间同一指标的显著性差异（P < 0.05）。

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表 3 不同生物炭施入量输对土壤团聚体C/N的影响

Table 3. Effects of different biochar application rates on C/N of soil aggregates

土层深度 Soil depth （cm）	处理 Treatment	土壤C/N Soil C/N
土层深度 Soil depth （cm）	处理 Treatment	原土 Original soil	> 2 mm	2 ~ 1 mm	1 ~ 0.5 mm	0.5 ~ 0.25 mm	< 0.25 mm
0 ~ 10	CK	10.69 ± 0.27 b	9.69 ± 0.75 bc	9.53 ± 0.51 b	11.05 ± 0.17 b	10.80 ± 0.39 ab	10.97 ± 1.23 b
	P10	10.99 ± 0.79 b	9.96 ± 1.26 bc	9.93 ± 1.51 b	11.28 ± 1.27 b	11.51 ± 0.71 ab	11.15 ± 0.41 b
	P20	11.04 ± 0.10 b	9.32 ± 0.70 c	11.86 ± 1.18 b	10.60 ± 0.48 b	10.31 ± 0.22 b	12.72 ± 0.54 ab
	P40	11.85 ± 0.40 b	12.80 ± 0.89 ab	12.65 ± 0.05 b	10.54 ± 0.43 b	12.96 ± 1.06 a	12.42 ± 0.61 ab
	P60	14.09 ± 0.18 a	15.09 ± 1.04 a	16.28 ± 0.80 a	14.97 ± 0.40 a	12.50 ± 0.71 ab	14.34 ± 0.27 a

10 ~ 20	CK	9.94 ± 0.38 b	8.17 ± 0.73 c	11.46 ± 0.81 b	10.32 ± 0.37 bc	9.30 ± 0.67 c	9.93 ± 0.33 b
	P10	10.59 ± 0.14 b	11.10 ± 0.67 bc	12.27 ± 1.36 ab	9.06 ± 0.51 c	12.12 ± 0.71 bc	10.68 ± 0.94 b
	P20	13.49 ± 0.44 a	12.59 ± 0.64 ab	14.28 ± 1.03 ab	12.21 ± 0.75 ab	16.62 ± 1.87 a	12.59 ± 1.00 ab
	P40	13.83 ± 0.55 a	15.26 ± 1.10 a	14.22 ± 1.06 ab	13.82 ± 1.39 a	14.82 ± 0.19 ab	14.89 ± 1.70 a
	P60	14.73 ± 0.57 a	13.53 ± 1.11 ab	14.83 ± 0.29 a	14.77 ± 1.11 a	14.25 ± 1.22 ab	15.94 ± 1.18 a

20 ~ 30	CK	7.60 ± 0.63 b	8.26 ± 0.77 bc	8.92 ± 0.42 b	10.06 ± 1.14 ab	8.92 ± 0.77 b	7.24 ± 0.57 b
	P10	8.50 ± 0.30 b	10.41 ± 0.48 ab	9.14 ± 0.64 b	8.53 ± 0.93 b	7.90 ± 0.52 b	7.40 ± 1.49 b
	P20	12.65 ± 1.04 a	11.60 ± 0.73 a	12.87 ± 1.08 a	12.74 ± 0.94 a	12.82 ± 1.00 a	12.58 ± 1.72 a
	P40	7.74 ± 0.77 b	6.72 ± 0.25 c	8.40 ± 0.43 b	7.23 ± 0.62 b	7.91 ± 0.79 b	8.31 ± 1.30 ab
	P60	11.78 ± 1.04 a	10.66 ± 0.78 ab	10.61 ± 0.81 ab	12.20 ± 1.65 a	12.09 ± 0.76 a	11.95 ± 1.15 a
注：不同小写字母表示同一土层不同处理间同一指标的显著性差异（P < 0.05）。

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表 4 土壤团聚体稳定性和碳氮组分与施用量及土层深度间的双因素方差分析

Table 4. Two-way analysis of variance between soil aggregate stability and carbon and nitrogen components with application rate and soil depth

土壤变量 Soil variable	施入量 Application amount		土层深度 Soil depth		施入量 × 土层深度 Application amount × soil depth
土壤变量 Soil variable	F	P	F	P	F	P
MWD	24.90	< 0.01	229.60	< 0.01	26.61	< 0.01
GMD	92	< 0.01	405.49	< 0.01	135.41	< 0.01
土壤团聚体百分比含量
> 2 mm	5.10	< 0.01	14.17	< 0.01	2.22	0.05
2 ~ 1 mm	82.54	< 0.01	423.08	< 0.01	78.34	< 0.01
1 ~ 0.5 mm	2.57	0.06	11.81	< 0.01	8.48	< 0.01
0.5 ~ 0.25 mm	26.18	< 0.01	160.78	< 0.01	23.68	< 0.01
< 0.25 mm	6.53	< 0.01	51.51	< 0.01	7.29	< 0.01
土壤团聚体有机碳含量
原土	124.50	< 0.01	28.80	< 0.01	6.91	< 0.01
> 2 mm	51.69	< 0.01	27.14	< 0.01	6.21	< 0.01
2 ~ 1 mm	93.39	< 0.01	28.78	< 0.01	6.66	< 0.01
1 ~ 0.5 mm	78.20	< 0.01	12.73	< 0.01	6.40	< 0.01
0.5 ~ 0.25 mm	78.55	< 0.01	17.35	< 0.01	3.97	< 0.01
< 0.25 mm	84.02	< 0.01	14.91	< 0.01	4.18	< 0.01
土壤团聚体全氮含量
原土	30.74	< 0.01	27.19	< 0.01	3.72	< 0.01
> 2 mm	15.65	< 0.01	23.22	< 0.01	4.5	< 0.01
2 ~ 1 mm	27.14	< 0.01	23.77	< 0.01	4.36	< 0.01
1 ~ 0.5 mm	23.94	< 0.01	14.40	< 0.01	5.24	< 0.01
0.5 ~ 0.25 mm	20.55	< 0.01	6.72	< 0.01	3.01	< 0.01
< 0.25 mm	10.60	< 0.01	11.33	< 0.01	2.30	< 0.01
注：P < 0.05时显著，P < 0.01时极显著。

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