生物质炭对灰钙土土壤有机碳及土壤团聚体分布的影响

　　摘要：为探讨瘠薄灰钙土对外源生物质炭输入的响应机制，采用盆栽试验研究不同生物质炭添加量(0.8%、 2.4%和 7.2% )对土壤团聚体的影响，以及对土壤有机碳矿化的激发效应。结果表明，与对照相比，添加生物质炭可以显著提高田间持水量，增幅可以达到 1.9%~21.2%;生物质炭促进直径>0.25 mm 的大团聚体的形成，并显著增加土壤有机碳和水溶性有机碳含量，增幅分别为 11.0%~303.54%和 27.2%~128.4%，且增幅随着生物质炭输入量的增加而显著增大，其中以 7.2%生物质炭添加量效果最佳;而土壤微生物量碳的含量呈相反的趋势，随生物质炭施用量的增加而降低，降幅为 2.9%~46.0%。生物质炭施入有助于土壤水分的储存，在短期内会造成对土壤有机碳和土壤溶解性有机碳的激发效应，生物质炭过量输入会抑制土壤微生物活性，降低土壤微生物量碳的累积。对低肥力灰钙土高温热解生物质炭输入量宜为 2.4%~7.2%。

　　本文源自李东利; 蒋鹏; 万佳淼; 田超; 刘恒青; 张丽萍; 姬强， 河南农业大学学报 发表时间：2021-06-16

　　关键词：灰钙土;生物质炭;土壤团聚体;土壤有机碳;土壤微生物量碳;水溶性有机碳

　　随着中国人口-资源-环境之间的矛盾日益激烈，必须采用集约农业的方式满足人类生存需要，由此产生大量的秸秆等农业废弃物，其随意丢弃及焚烧带来了一系列生态环境问题[1]。与此同时，为解决中国大面积的中低产田存在的有机质缺乏、土壤结构性差、肥力水平低，耕地质量水平差的问题，中国采取化肥减施、绿肥种植、秸秆还田等一系列措施，生物质炭的施入是近年来提高土壤有机质含量的新途径[2]。

　　生物质炭是秸秆等生物质在完全或部分缺氧的条件下热解炭化而形成的一类富含碳的有机物质，是由各种复杂含碳物质构成的有机整体。因其比表面积大、孔隙结构丰富、活性氧基团多等特点，输入土壤后，一方面有利于土壤复杂腐殖物质形成、增加土壤有机质的含量[3]。另一方面，还田后作为土壤腐殖质中的高度芳香化结构组分的可能来源，不仅可以降低土壤容重，改善土壤结构，促进土壤团聚体的形成，而且在提高土壤有机碳含量，降低土壤有机碳矿化速率等方面发挥重要作用[4-10]。拥有上述优良特性的生物质炭常被国内外科研人员看作高效的固碳剂和土壤改良剂，广泛运用于农田土壤中[11]。然而，宁夏地处半干旱大陆性气候区域，降雨、植被稀疏，小麦主要种植在土壤有机碳含量低，结构性差的灰钙土中，需要采用综合措施不断提高地力水平。而目前在类似区域运用生物质炭改良土壤鲜有报道。本研究旨在通过添加不同水平的小麦生物质炭来研究土壤结构和土壤有机碳矿化的变化趋势，以期为宁夏农业废弃物资源化利用提供新思路和土壤结构改良提供依据。

　　1 材料与方法

　　1.1 供试土壤

　　试验所用土壤为干旱土土纲，正常干旱土亚纲，钙积正常干旱土土类(俗称“灰钙土”)。 2019 年 6 月于宁夏银川市兴庆区月牙湖乡(东经 106°13'，北纬 38°40')，采用五点取样法采集农田表层土壤(0~20 cm)，风干并去除植物幼根等残留生物质，过 2 mm 筛，用于土壤基本理化性质的测定。土壤基本性质为：土壤容重 1.32 g·cm -3，土壤有机碳 7.25 g·L-1， pH 8.17，碱解氮 67.72 mg·kg-1，有效磷 34.16 mg·kg-1，速效钾 110.55 mg·kg-1，全盐 0.46 g·kg-1。

　　1.2 试验设计

　　以小麦秸秆生物质炭为原材料，由陕西亿鑫生物科技有限公司提供，利用小麦秸秆在 600 ℃下快速热解 2 h 制备。其理化性质为：含碳量 480 g·kg-1，含氮量 8.2 g·kg-1，含磷量 0.98 g·kg-1，含钾量 15.2 g·kg-1，比表面积为 120.8 m2·g -1。本试验采用单因素多水平完全随机设计。试验共设 4 个处理：(1)CK(不添加生物质炭);(2)B1(0.8%);(3)B2 (2.4%);(4)B3(7.2%)。采用盆栽试验，试验所用生物质炭粉末过 0.15 mm 筛，土壤与添加的生物质炭材料充分混匀后装盆，各处理重复 5 次。试验所用花盆规格：直径 25 cm，高 25 cm，每盆装 3 kg 土(干土)，基施氮肥 100 mg²kg-1 、磷肥 100 mg²kg-1、钾肥 120 mg²kg-1。试验作物为春小麦(宁春 4 号)，于 6 月 20 日播种，11 月 10 日收获。播种量为每盆 30 粒小麦种子，发芽后留 10 株生长一致的幼苗。试验过程中定期浇水管理以防止水分胁迫。

　　1.3 样品采集与测定

　　于小麦苗期(7 月 21 日)、分蘖期(8 月 30 日)、孕穗期(9 月 25 日)、成熟期(11 月 10 日)分别采集土样，用于测定土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)。小麦收获后采集土壤样品，测定土壤田间持水量和水稳性团聚体(water stable aggregates, WSA)。另将小麦整个植株连根挖出，用抖根法取根际土壤储存在 4℃下用于土壤溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)和土壤微生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)的测定。

　　土壤田间持水量采用环刀法测定，参照《土壤农化分析》[12];土壤结构性状指标测定：水稳性团聚体(WSA)采用 Six et al.的改进方法进行分级[13] 。WSA 分为 >2，0.25~2mm， 0.05~0.25mm 和<0.05 mm 4 个粒级。大颗粒团聚体和小颗粒团聚体以 0.25 mm 粒级来区分。湿筛时称取 100 g 风干原状土样，首先放于 2 mm 筛上并浸湿 10min，随后通过团粒分析仪(SYS-100 辽宁)进行湿筛分级，分级频率为 1350 r/min，分级时间 5min。湿筛后，将不同粒级团聚体收集并在 50 ℃下烘干，称质量。土壤有机碳(SOC)的测定：采用重铬酸钾外加热氧化法测定[14] ：170~180 ℃下煮沸 5 min，并用 0.1 mol²L -1 硫酸亚铁溶液滴定。溶解性有机碳(DOC)采用 GHANI 等[15]的方法测定：秤取 10 g 土壤鲜样于 100 mL 的离心管中，按照水土比 5:1 加入去离子水，在 25℃下连续震荡 4 h，随后于 8000 r/min 的高速离心机(TG21KR，长沙)上低温离心 15 min。离心后的土壤上清液在 6 kPa 压力下过 0.45 µm 微孔滤膜抽滤，得到 DOC 溶液，于 4 ℃冰箱保存待测。微生物量碳(MBC)采用熏蒸法[16] 测定：用 0.5 mol²L -1 硫酸钾浸提经过 24 h 氯仿熏蒸与未熏蒸土样后,抽滤通过 0.45 μm 微孔滤膜,通过熏蒸与未熏蒸土壤中的溶解有机碳差值计算(除以 0.45 系数)。DOC 与 MBC 分离的土壤浸提液上 TOC 仪(Vario TOC, Elementar, Langenselbold, Germany)测定有机碳含量。

　　1.4 数据及统计分析

　　采用 DPS 7.05 软件 Duncan's 方法进行统计处理及方差分析处理，数据采用 Excel 2010 进行数据整理和制图(P<0.05)。

　　2.结果与分析

　　2.1 不同处理对灰钙土 0~20 cm 土壤田间持水量的影响

　　由表 1 可知，土壤田间持水量随生物质炭添加量的增加而增大，与对照相比，处理之间存在显著差异。0~20 cm 土层不加生物质炭的田间持水量最小，随着生物质炭施用量的增加，田间持水量呈现出逐渐增大的趋势，各处理较对照分别增加了 1.93%、10.73%和 10.11%。

　　2. 2 灰钙土土壤水稳性团聚体的分布

　　由表 2 可看出，生物质炭的添加显著促进土壤团聚体的形成。在 2.4%~7.2%水平添加可以有效改善土壤结构，相比于对照，降低了土壤<0.05 mm 小颗粒团聚体的分布，使土壤颗粒聚合为 0.25~2 mm 的大颗粒团聚体，同时不造成>2 mm 粒级团聚体的累积。供试土壤以<0.25 mm 的小颗粒团聚体为主，占总量的 75.53%;0.25~2 mm 粒级团聚体次之，占总量的 22.60%;大于 2 mm 的大颗粒团聚体仅占 1.8%左右。相对于对照处理，施用生物质炭的 B2、 B3 处理显著增加了土壤中>2 mm 的大颗粒团聚体，增幅分别为 72.09%、99.22%;生物质炭增加了 0.25~2 mm 粒级的团聚体，各处理显著性差异，与对照相比，B1 处理的土壤团聚体含量较对照显著降低了 38.92%;B2、B3 较对照显著增加，增幅分别为 12.73%、41.68%，;而土壤中小颗粒团聚体的含量在添加生物质炭后显著降低，B2 处理的土壤小颗粒团聚体的含量较对照降低了 9.22%。

　　2.3 施用生物质炭对灰钙土土壤有机碳含量的影响

　　由图 1 数据可知，与对照相比，添加生物质炭后小麦不同时期的土壤有机碳含量都显著增加。在小麦整个生育期，与对照相比，成熟期 B3 处理下的土壤有机碳含量达到最高。苗期，各处理较对照土壤有机碳含量显著增加了 6.63%、151.33%和 303.54%;分蘖期，B1、 B2、B3 处理显著增加了土壤有机碳含量，增幅分别为 32.97%、151.95%和 276.18%;孕穗期，B1、B2、B3 处理下显著增加了土壤有机碳含量，以 B3 处理下土壤有机碳含量增长的最快，增幅分别为 27.77%、131.19%和 253.77%;成熟期 B1、B2、B3 处理的土壤有机碳含量的增幅分别为 48.08%、181.03%、336.61%，各处理之间存在显著性差异。

　　2. 4 施用生物质炭对灰钙土土壤微生物量碳的影响

　　由图 2 可看出，施用生物质炭部分处理显著增加了土壤微生物量碳的含量，其中，以 B1 处理土壤微生物量碳含量增加的最高，各处理之间差异均达到显著。苗期，B1、B2、B3 处理都显著增加了土壤微生物量碳的含量，增幅分别为 49.27%、35.86%、19.83%;分蘖期， B1 处理土壤微生物量碳的含量增加了 21.45%，而 B2、B3 处理土壤微生物量碳降低 2.86% 和 29.94%;孕穗期，B1、B2 处理显著增加了土壤微生物量碳，增幅分别为 44.62%、19.11%,B3 处理的土壤微生物量碳显著降低了 3.85%。成熟期，B1 处理下土壤土壤微生物量碳增加了 14.06%，而 B2、B3 处理下的土壤微生物量碳含量较对照显著降低 12.80%和 46%。

　　2. 5 生物质炭对灰钙土土壤溶解性有机碳的影响

　　作为土壤中活性有机碳的主要组分，溶解性有机碳也为土壤微生物提供了重要的能源物质。由图 3 可知，施用不同水平生物质炭使土壤溶解性有机碳含量先增加后降低的趋势。与对照相比，土壤溶解性有机碳含量随生物质炭含量的增加而增加，各处理存在显著性差异。小麦苗期，B1、B2 处理土壤溶解性有机碳的含量较对照显著降低了 43.95%和 30.08%，B3 处理下显著增加了溶解性有机碳的含量，增幅为 11.46%;分蘖期，土壤溶解性有机碳的含量显著降低了 26.16%、15.40%和 6.86%;孕穗期，B2、B3 处理溶解性有机碳的含量较对照显著增加了 38.29%和 69.72%;成熟期，B2、B3 处理土壤溶解性有机碳含量显著增加，增幅分别为 27.23%和 128.59%。

　　3. 讨论与结论

　　田间持水量对土壤结构和作物生长有重要影响。刘小宁等[17]研究表明，向黄绵土中添加生物质炭可以增加土壤田间持水量和土壤有效水分含量。袁颖红等[18]研究发现，适量的生物质炭改良剂使红壤的田间持水量较对照显著增加。孙泰朋等[19-20] 研究认为，添加不同水平的生物质炭显著提高 0~20cm 土层的土壤含水量，土壤结构也得到改善。本研究结果表明生物炭输入相对于其他外源碳输入显著提高土壤持水性，以 2.4%的添加量为最佳。分析其原因一方面是由于生物质炭本身的疏松多孔性和强大的吸附性，添加生物质炭能够增加土壤颗粒之间的接触程度，较小的生物质炭颗粒可以填充灰钙土的大孔隙，形成微孔结构，从而增加保水性能[21]。另一方面生物质炭本身持水能力较强，其表面的双重亲水和疏水特性，加上大多数生物质炭同时含有羟基和羧基等亲水基团，随着生物质炭在土壤中的氧化，羧基基团会变多，生物质炭的亲水性变强，从而使土壤持水性增强[22]。

　　土壤团聚体是土壤结构的基本单元，其含量的多少是土壤肥沃程度的重要标志。生物质炭能够促进土壤团聚体的形成，改善土壤结构[23]。本研究结果表明：施用生物质炭能够显著增加土壤中>0.25 mm 大颗粒团聚体的含量，使土壤小颗粒团聚体凝聚为>0.25 mm 的水稳性大颗粒团聚体，从而促进土壤结构的改善，并且土壤结构的改善作用随着生物质炭输入量的增加而增强，同时不会造成 >2 mm 的偏大粒级土壤水稳性团聚体的累积。因生物质炭比表面积大以及负电荷的大量聚集，不仅促使土壤阳离子交换量提高[24]，而且其有机碳活性较高和疏松多孔的性质，加快了微生物的繁衍速度，微生物生长代谢产生的胶结物质促进了团聚体的形成;最后，由于生物质炭表面含有的多种官能团，带有大量的负电荷和正电荷，通过静电引力与粘土矿物结合形成水稳性团聚体。这与前人研究结果相似。生物质炭增加了土壤团聚体尤其是土壤大团聚体的含量，增强团聚体的稳定性[25-26]。何玉亭等[27-28]通过向红壤添加生物质炭验证了这一机理，试验结果表明生物质炭能促进水稳性团聚体的形成。本研究中适当的生物质炭添加(如：2.4%的添加量)，土壤结构改善效果最佳。

　　土壤有机碳在不同条件下的稳定性可以反映土壤的质量情况，是人类活动对土壤质量影响的重要指标。本研究得出，向灰钙土中添加生物质炭显著提高土壤的有机碳的含量，且随着添加比例的增加而增加。肖欣娟等[29]向 3 种土壤中添加茶渣生物质炭，结果发现 3 种土壤的有机碳含量显著增加，具体表现为：黄壤>紫色土>水稻土。刘小宁[30]研究表明，向旱作土壤中一次性添加生物质炭 18 个月后土壤中有机碳含量有显著增加，且随着生物质炭输入水平的增加，土壤有机碳组分有加大的趋势。王佳盟等[31]通过向稻田土施入生物质炭后发现，生物质炭仅增加了表层土壤有机碳的含量，而对深层土壤无显著影响。这可能是由于生物质炭巨大的比表面积和较强的吸附作用，添加生物质炭有利于短期内土壤有机碳的积累。高施用量的生物质炭能将碳素更稳定的保留在土壤中，从而更有效的增加土壤有机碳的含量。此外，施入生物质炭在一定程度上改变了土壤原有有机质的组成，从而增加了土壤中稳定性较强的有机质的含量[32]。本研究发现，输入生物质炭可以增加土壤微生物量碳的含量，但高施用量的生物质炭，反而降低了微生物量碳的含量;土壤溶解性有机碳的变化与其恰恰相反。赵世翔等[33]研究发现向土壤中添加高温裂解的生物质炭，微生物量碳的含量随添加比例的增加而减少。由于生物质炭输入具有更强持水性和固定土壤有机碳的作用，虽然生物质炭的大量输入抑制了土壤微生物量碳的含量，但却增加了土壤溶解性有机碳的含量 [25 ， 34]。这与宗雅婕[35]的研究结果一致。

　　本研究结果表明，生物质炭施入有助于土壤水分的储存，在短期内会造成对土壤有机碳和土壤溶解性有机碳的激发效应，生物质炭过量输入会抑制土壤微生物活性，降低土壤微生物量碳的累积。对低肥力的灰钙土适宜的生物质炭输入量为 2.4%~7.2%之间，2.4%输入量有助于土壤有机物质累积和 0.25~2mm 土壤大颗粒团聚体的形成，而 7.2%的生物质炭输入则会抑制土壤微生物活性，且造成生物质资源的浪费。最优的添加量因土壤类型和性质需做更进一步的研究。