生物炭对农田土壤团聚体稳定性和磷释放的影响

《Journal of Environmental Management》：Effects of biochar on farmland soil aggregate stability and phosphorus desorption

长期施用生物炭可显著提升东北黑土区土壤团聚体稳定性，促进大颗粒 (>2 mm) 团聚体比例增加，其均重直径（MWD）较对照提高17.11%-25.73%。连续三次低剂量（5 t/年）施用（C2）比单次高剂量（15 t/年，C1）更有效改善土壤碳磷固持能力，C2处理磷释放量较对照提高8.86%。研究揭示了生物炭通过增强土壤有机碳芳香性及疏水性、促进小颗粒团聚体聚合等机制，实现团聚体稳定性与碳磷动态平衡的协同提升，为优化田间生物炭施用模式提供理论依据。

　　

薛平|李天晓|傅强|侯仁杰|李默|崔松|周兆强|李庆林|孔凡英

摘要

土壤团聚体作为土壤的基本功能单元，控制着土壤结构以及碳和磷的循环。然而，生物炭对土壤团聚体分布和稳定性的长期影响、这些团聚体内的碳和磷含量以及土壤磷释放潜力仍不清楚。因此，在中国东北部的农田中进行了一项为期三年的田间试验，设置了三种处理方式：不添加生物炭（C0）、一次性添加15吨生物炭（C1）和分三次添加5吨生物炭（C2）。研究了团聚体的分布及其对土壤总碳和磷含量的贡献，确定了提高团聚体稳定性的关键因素，并阐明了土壤团聚体稳定性与磷释放之间的关系。结果表明，生物炭增加了大团聚体（>2毫米）、小团聚体（0.25–2毫米）的比例以及团聚体的稳定性。与C0处理相比，C1和C2处理的平均粒径（MWD）分别增加了17.11%和25.73%。团聚体分布与土壤碳和磷含量密切相关，与其他团聚体相比，C1和C2处理中的小团聚体（0.25–2毫米）对土壤碳和磷含量的贡献更大。此外，生物炭显著提高了C1和C2处理中土壤有机碳的芳香性和疏水性，生物炭含量、芳香性和疏水性与平均粒径呈显著正相关。团聚体稳定性的提高增加了农田土壤中的磷储量，并间接提升了土壤磷释放潜力。C2处理后的磷释放量比C0处理增加了8.86%。综合这些结果表明，生物炭通过提高团聚体稳定性来增加碳和磷含量，且持续低剂量施用生物炭比一次性高剂量施用更有效。这些结果有助于评估生物炭对团聚体稳定性的长期影响，并为农田土壤中的生物炭应用模式提供参考。

引言

作为土壤的基本单元，团聚体决定了土壤肥力和生态功能（Zhu等人，2021年）。由于团聚体大小和稳定性的差异，不同大小的团聚体具有不同的养分储存和循环特性。例如，小尺寸团聚体（微团聚体、粉粒和粘粒）含有更高水平的稳定养分（Ma等人，2022a年）。相比之下，大尺寸团聚体（大团聚体）主要储存不稳定的养分，并具有更强的养分供应能力（Ma等人，2022b年）。大团聚体是由小团聚体聚集形成的，这有助于物理保护土壤有机质（SOM）（Six等人，2000年）。因此，增加大团聚体的含量和稳定性可以提高土壤肥力。土壤团聚体对土壤有机碳（SOC）含量特别敏感，其形成取决于碳的可用性和碳矿化程度（Jiang等人，2019年）。团聚体的物理保护作用也影响碳库的稳定性（Liu等人，2021年）。有机碳的储存和形式取决于土壤团聚体的稳定性和组成（Zhu等人，2025年）。大团聚体的物理固碳作用使其成为控制土壤碳储存的主要单元，表层土壤中约90%的有机碳储存在大团聚体内（Jastrow，1996年）。大团聚体的比例与土壤有机碳和易氧化碳储量呈正相关（Peng等人，2023年）。尽管SOC受到大团聚体的物理保护，但它仍易受环境干扰。大团聚体内的较高养分供应能力导致养分周转率加快，从而加速了养分分解（Li等人，2019年）。此外，外部输入的碳优先储存在大团聚体中，并通过微生物分解逐渐转移到小团聚体中，从而实现碳从大团聚体向小团聚体的流动（Shi等人，2023年）。

作为一种有机改良剂，生物炭可以直接增加碳的可用性并促进碳化合物的形成，从而间接影响土壤碳储存和团聚体稳定性（Chae等人，2024年）。生物炭对团聚体组成的影响与其施用时间密切相关。在生物炭施用的早期阶段，生物炭通过物理混合作用提高团聚体稳定性（Han等人，2020年）。随着生物炭逐渐老化分解，它作为额外的“粘合剂”促进小团聚体的聚集，增强土壤团聚体之间的相互作用（Sun等人，2020年）。此外，生物炭施用后不稳定碳组分（如羰基碳）的减少有助于提高土壤的芳香性和疏水性，从而提高团聚体稳定性（Pokharel等人，2020年）。即使在长期施用后，生物炭的惰性和半惰性部分与原始生物炭相比几乎没有变化，这证实了其在长期改善土壤碳储存中的作用（Chiaramonti等人，2024年）。微生物对生物炭的响应取决于团聚体的大小。生物炭倾向于在小团聚体中积累，导致小团聚体中的土壤碳循环相关基因丰度高于其他尺寸的团聚体（Kuzyakov等人，2009年）。此外，微生物对易分解碳的分解和利用可能使其转化为更稳定的形式，从而增加土壤碳储存（Liao等人，2023年）。然而，随着生物炭施用时间的延长，生物炭对土壤团聚体的结合力逐渐减弱，从而降低团聚体的稳定性（Li等人，2025年）。受老化影响，生物炭改善土壤有机碳和有效碳含量的效果也会随时间减弱（Wang等人，2024年）。冻融循环、干湿循环和农业耕作等干扰可能会加速生物炭的老化过程，导致生物炭对团聚体稳定性和碳磷储量的影响不确定性（Sharma和Singh，2023年）。

团聚体分布的变化也会干扰土壤磷储量和磷的有效性。在农业生态系统中，小微团聚体具有更强的激活稳定磷和固定过量磷的能力（Cui等人，2024年）。小团聚体较大的比表面积提供了更多的活性结合位点，从而导致更高的磷释放率（Chen等人，2024年）。大团聚体的保护作用防止植物或微生物直接获取可利用的磷，但大团聚体比例的减少会降低土壤磷的稳定性并加剧磷的损失（Li等人，2021年）。土壤有机碳和磷的储存密切相关。碳和磷在土壤团聚体中竞争吸附位点，干扰磷的固定（Paradelo等人，2013年）。此外，碳可用性的增加提高了微生物对磷的需求，促进了稳定磷向易分解磷的转化（Bergkemper等人，2016年）。磷的释放量对于评估土壤磷的有效性很重要。磷的释放过程控制着磷从固相到液相的转化，而土壤磷释放不足会降低磷的生物有效性（Wang等人，2014年）。生物炭通过非生物和生物因素的相互作用影响磷的释放特性（Wan等人，2020年）。例如，生物炭丰富的孔结构增加了土壤中的活性结合位点数量，从而提高磷的吸附能力和释放速率（Zhang等人，2025年）。值得注意的是，生物炭可以增加总磷含量，但也可能降低磷的生物有效性，特别是生物炭孔结构的破坏会导致吸附的磷被封闭在生物炭颗粒内部（Situ等人，2025年）。过量施用生物炭会导致磷与土壤有机质形成稳定的复合物，降低磷的释放速率（Tisserant等人，2019年）。随着生物炭施用时间的延长，其释放磷的能力逐渐减弱（Vandit等人，2021年）。因此，如何在保持农田土壤中磷的有效性方面平衡土壤磷储量和磷释放潜力是一个关键问题。

以往的研究主要集中在生物炭对团聚体分布或室内培养实验中碳和磷保留能力的影响。然而，生物炭对团聚体稳定性的影响及其与碳和磷含量的关系，尤其是磷释放的关系，在长期田间试验中尚未得到充分探索。基于这些发现，本研究旨在比较两种生物炭施用方式，以确定团聚体分布和碳磷含量的特征，识别提高团聚体稳定性的关键因素，并最终评估团聚体分布对磷释放的机制。本研究调查的假设如下：1）生物炭通过增加大团聚体的比例来提高土壤碳和磷含量；2）生物炭含量对团聚体稳定性有积极影响；3）土壤团聚体稳定性的提高增加了磷的累积释放量。

实验设计与样本收集

研究地点位于中国黑龙江省哈尔滨市（126°44′ E, 45°43′ N），实验田主要种植大豆（东农69）。根据世界参考基地（2006年）的土壤分类标准，该地区的土壤类型为壤土，其中沙粒占比44.3%、粉粒占比35.1%、粘粒占比20.6%。土壤性质如下：土壤有机碳含量为23.63克/千克；总氮含量为1.09克/千克；总磷含量为0.45克/千克；土壤pH值为

土壤团聚体的分布和稳定性特征

在三年的试验期间，所有处理中粉粒和粘粒（<0.053毫米）的比例均高于其他尺寸的团聚体（C0：38.56%，C1：33.73%，C2：31.82%）（图1-d）。此外，C0处理中粉粒和粘粒（<0.053毫米）以及微团聚体（0.053–0.25毫米）的比例也高于其他处理，表明生物炭促进了团聚体的聚集。大团聚体（>2毫米）和小团聚体的比例

生物炭对土壤团聚体分布及碳和磷含量的影响

农业耕作和环境因素引起的扰动可能导致农田中土壤团聚体的重新分布，从而可能削弱土壤团聚体的稳定性（Sharma和Singh，2023年）。然而，正如我们的假设，生物炭促进了小团聚体的聚集，增加了大团聚体（>0.25毫米）的比例。作为一种富含碳的材料，生物炭显著提高了C1和C2处理中的SOC和DOC含量（图2）。SOC可以作为粘合剂

结论

生物炭增加了土壤中的碳和磷含量，并促进了团聚体的聚集。土壤团聚体分布的变化改变了土壤中碳和磷的分布。C1和C2处理中小团聚体对土壤碳和磷含量的贡献显著大于其他尺寸的团聚体。在添加相同累积量的生物炭后，C2处理显著改善了

作者贡献声明

薛平：撰写——原始草稿、方法学、调查、数据分析、概念构建。李天晓：方法学、调查、概念构建。傅强：资源管理、项目协调、资金获取、概念构建。侯仁杰：撰写——审稿与编辑、方法学。李默：撰写——审稿与编辑、方法学。崔松：撰写——审稿与编辑、方法学。周兆强：撰写——审稿与编辑。李庆林：撰写——审稿与编辑。孔凡英：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（52579033、42577373、52539003）、中国“十四五”规划重点研发项目（2025YFD1500105）以及黑龙江省杰出青年科学基金（JQ2025E001）对这项研究的支持。