生物質炭對灰鈣土土壤有機碳及土壤團聚體分布的影響

　　摘要：為探討瘠薄灰鈣土對外源生物質炭輸入的響應機制，采用盆栽試驗研究不同生物質炭添加量(0.8%、 2.4%和 7.2% )對土壤團聚體的影響，以及對土壤有機碳礦化的激發效應。結果表明，與對照相比，添加生物質炭可以顯著提高田間持水量，增幅可以達到 1.9%~21.2%;生物質炭促進直徑>0.25 mm 的大團聚體的形成，并顯著增加土壤有機碳和水溶性有機碳含量，增幅分別為 11.0%~303.54%和 27.2%~128.4%，且增幅隨著生物質炭輸入量的增加而顯著增大，其中以 7.2%生物質炭添加量效果最佳;而土壤微生物量碳的含量呈相反的趨勢，隨生物質炭施用量的增加而降低，降幅為 2.9%~46.0%。生物質炭施入有助于土壤水分的儲存，在短期內會造成對土壤有機碳和土壤溶解性有機碳的激發效應，生物質炭過量輸入會抑制土壤微生物活性，降低土壤微生物量碳的累積。對低肥力灰鈣土高溫熱解生物質炭輸入量宜為 2.4%~7.2%。

　　本文源自李東利; 蔣鵬; 萬佳淼; 田超; 劉恒青; 張麗萍; 姬強， 河南農業大學學報 發表時間：2021-06-16

　　關鍵詞：灰鈣土;生物質炭;土壤團聚體;土壤有機碳;土壤微生物量碳;水溶性有機碳

　　隨著中國人口-資源-環境之間的矛盾日益激烈，必須采用集約農業的方式滿足人類生存需要，由此產生大量的秸稈等農業廢棄物，其隨意丟棄及焚燒帶來了一系列生態環境問題[1]。與此同時，為解決中國大面積的中低產田存在的有機質缺乏、土壤結構性差、肥力水平低，耕地質量水平差的問題，中國采取化肥減施、綠肥種植、秸稈還田等一系列措施，生物質炭的施入是近年來提高土壤有機質含量的新途徑[2]。

　　生物質炭是秸稈等生物質在完全或部分缺氧的條件下熱解炭化而形成的一類富含碳的有機物質，是由各種復雜含碳物質構成的有機整體。因其比表面積大、孔隙結構豐富、活性氧基團多等特點，輸入土壤后，一方面有利于土壤復雜腐殖物質形成、增加土壤有機質的含量[3]。另一方面，還田后作為土壤腐殖質中的高度芳香化結構組分的可能來源，不僅可以降低土壤容重，改善土壤結構，促進土壤團聚體的形成，而且在提高土壤有機碳含量，降低土壤有機碳礦化速率等方面發揮重要作用[4-10]。擁有上述優良特性的生物質炭常被國內外科研人員看作高效的固碳劑和土壤改良劑，廣泛運用于農田土壤中[11]。然而，寧夏地處半干旱大陸性氣候區域，降雨、植被稀疏，小麥主要種植在土壤有機碳含量低，結構性差的灰鈣土中，需要采用綜合措施不斷提高地力水平。而目前在類似區域運用生物質炭改良土壤鮮有報道。本研究旨在通過添加不同水平的小麥生物質炭來研究土壤結構和土壤有機碳礦化的變化趨勢，以期為寧夏農業廢棄物資源化利用提供新思路和土壤結構改良提供依據。

　　1 材料與方法

　　1.1 供試土壤

　　試驗所用土壤為干旱土土綱，正常干旱土亞綱，鈣積正常干旱土土類(俗稱“灰鈣土”)。 2019 年 6 月于寧夏銀川市興慶區月牙湖鄉(東經 106°13'，北緯 38°40')，采用五點取樣法采集農田表層土壤(0~20 cm)，風干并去除植物幼根等殘留生物質，過 2 mm 篩，用于土壤基本理化性質的測定。土壤基本性質為：土壤容重 1.32 g·cm -3，土壤有機碳 7.25 g·L-1， pH 8.17，堿解氮 67.72 mg·kg-1，有效磷 34.16 mg·kg-1，速效鉀 110.55 mg·kg-1，全鹽 0.46 g·kg-1。

　　1.2 試驗設計

　　以小麥秸稈生物質炭為原材料，由陜西億鑫生物科技有限公司提供，利用小麥秸稈在 600 ℃下快速熱解 2 h 制備。其理化性質為：含碳量 480 g·kg-1，含氮量 8.2 g·kg-1，含磷量 0.98 g·kg-1，含鉀量 15.2 g·kg-1，比表面積為 120.8 m2·g -1。本試驗采用單因素多水平完全隨機設計。試驗共設 4 個處理：(1)CK(不添加生物質炭);(2)B1(0.8%);(3)B2 (2.4%);(4)B3(7.2%)。采用盆栽試驗，試驗所用生物質炭粉末過 0.15 mm 篩，土壤與添加的生物質炭材料充分混勻后裝盆，各處理重復 5 次。試驗所用花盆規格：直徑 25 cm，高 25 cm，每盆裝 3 kg 土(干土)，基施氮肥 100 mg²kg-1 、磷肥 100 mg²kg-1、鉀肥 120 mg²kg-1。試驗作物為春小麥(寧春 4 號)，于 6 月 20 日播種，11 月 10 日收獲。播種量為每盆 30 粒小麥種子，發芽后留 10 株生長一致的幼苗。試驗過程中定期澆水管理以防止水分脅迫。

　　1.3 樣品采集與測定

　　于小麥苗期(7 月 21 日)、分蘗期(8 月 30 日)、孕穗期(9 月 25 日)、成熟期(11 月 10 日)分別采集土樣，用于測定土壤有機碳(soil organic carbon, SOC)。小麥收獲后采集土壤樣品，測定土壤田間持水量和水穩性團聚體(water stable aggregates, WSA)。另將小麥整個植株連根挖出，用抖根法取根際土壤儲存在 4℃下用于土壤溶解性有機碳(dissolved organic carbon, DOC)和土壤微生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)的測定。

　　土壤田間持水量采用環刀法測定，參照《土壤農化分析》[12];土壤結構性狀指標測定：水穩性團聚體(WSA)采用 Six et al.的改進方法進行分級[13] 。WSA 分為 >2，0.25~2mm， 0.05~0.25mm 和<0.05 mm 4 個粒級。大顆粒團聚體和小顆粒團聚體以 0.25 mm 粒級來區分。濕篩時稱取 100 g 風干原狀土樣，首先放于 2 mm 篩上并浸濕 10min，隨后通過團粒分析儀(SYS-100 遼寧)進行濕篩分級，分級頻率為 1350 r/min，分級時間 5min。濕篩后，將不同粒級團聚體收集并在 50 ℃下烘干，稱質量。土壤有機碳(SOC)的測定：采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定[14] ：170~180 ℃下煮沸 5 min，并用 0.1 mol²L -1 硫酸亞鐵溶液滴定。溶解性有機碳(DOC)采用 GHANI 等[15]的方法測定：秤取 10 g 土壤鮮樣于 100 mL 的離心管中，按照水土比 5:1 加入去離子水，在 25℃下連續震蕩 4 h，隨后于 8000 r/min 的高速離心機(TG21KR，長沙)上低溫離心 15 min。離心后的土壤上清液在 6 kPa 壓力下過 0.45 µm 微孔濾膜抽濾，得到 DOC 溶液，于 4 ℃冰箱保存待測。微生物量碳(MBC)采用熏蒸法[16] 測定：用 0.5 mol²L -1 硫酸鉀浸提經過 24 h 氯仿熏蒸與未熏蒸土樣后,抽濾通過 0.45 μm 微孔濾膜,通過熏蒸與未熏蒸土壤中的溶解有機碳差值計算(除以 0.45 系數)。DOC 與 MBC 分離的土壤浸提液上 TOC 儀(Vario TOC, Elementar, Langenselbold, Germany)測定有機碳含量。

　　1.4 數據及統計分析

　　采用 DPS 7.05 軟件 Duncan's 方法進行統計處理及方差分析處理，數據采用 Excel 2010 進行數據整理和制圖(P<0.05)。

　　2.結果與分析

　　2.1 不同處理對灰鈣土 0~20 cm 土壤田間持水量的影響

　　由表 1 可知，土壤田間持水量隨生物質炭添加量的增加而增大，與對照相比，處理之間存在顯著差異。0~20 cm 土層不加生物質炭的田間持水量最小，隨著生物質炭施用量的增加，田間持水量呈現出逐漸增大的趨勢，各處理較對照分別增加了 1.93%、10.73%和 10.11%。

　　2. 2 灰鈣土土壤水穩性團聚體的分布

　　由表 2 可看出，生物質炭的添加顯著促進土壤團聚體的形成。在 2.4%~7.2%水平添加可以有效改善土壤結構，相比于對照，降低了土壤<0.05 mm 小顆粒團聚體的分布，使土壤顆粒聚合為 0.25~2 mm 的大顆粒團聚體，同時不造成>2 mm 粒級團聚體的累積。供試土壤以<0.25 mm 的小顆粒團聚體為主，占總量的 75.53%;0.25~2 mm 粒級團聚體次之，占總量的 22.60%;大于 2 mm 的大顆粒團聚體僅占 1.8%左右。相對于對照處理，施用生物質炭的 B2、 B3 處理顯著增加了土壤中>2 mm 的大顆粒團聚體，增幅分別為 72.09%、99.22%;生物質炭增加了 0.25~2 mm 粒級的團聚體，各處理顯著性差異，與對照相比，B1 處理的土壤團聚體含量較對照顯著降低了 38.92%;B2、B3 較對照顯著增加，增幅分別為 12.73%、41.68%，;而土壤中小顆粒團聚體的含量在添加生物質炭后顯著降低，B2 處理的土壤小顆粒團聚體的含量較對照降低了 9.22%。

　　2.3 施用生物質炭對灰鈣土土壤有機碳含量的影響

　　由圖 1 數據可知，與對照相比，添加生物質炭后小麥不同時期的土壤有機碳含量都顯著增加。在小麥整個生育期，與對照相比，成熟期 B3 處理下的土壤有機碳含量達到最高。苗期，各處理較對照土壤有機碳含量顯著增加了 6.63%、151.33%和 303.54%;分蘗期，B1、 B2、B3 處理顯著增加了土壤有機碳含量，增幅分別為 32.97%、151.95%和 276.18%;孕穗期，B1、B2、B3 處理下顯著增加了土壤有機碳含量，以 B3 處理下土壤有機碳含量增長的最快，增幅分別為 27.77%、131.19%和 253.77%;成熟期 B1、B2、B3 處理的土壤有機碳含量的增幅分別為 48.08%、181.03%、336.61%，各處理之間存在顯著性差異。

　　2. 4 施用生物質炭對灰鈣土土壤微生物量碳的影響

　　由圖 2 可看出，施用生物質炭部分處理顯著增加了土壤微生物量碳的含量，其中，以 B1 處理土壤微生物量碳含量增加的最高，各處理之間差異均達到顯著。苗期，B1、B2、B3 處理都顯著增加了土壤微生物量碳的含量，增幅分別為 49.27%、35.86%、19.83%;分蘗期， B1 處理土壤微生物量碳的含量增加了 21.45%，而 B2、B3 處理土壤微生物量碳降低 2.86% 和 29.94%;孕穗期，B1、B2 處理顯著增加了土壤微生物量碳，增幅分別為 44.62%、19.11%,B3 處理的土壤微生物量碳顯著降低了 3.85%。成熟期，B1 處理下土壤土壤微生物量碳增加了 14.06%，而 B2、B3 處理下的土壤微生物量碳含量較對照顯著降低 12.80%和 46%。

　　2. 5 生物質炭對灰鈣土土壤溶解性有機碳的影響

　　作為土壤中活性有機碳的主要組分，溶解性有機碳也為土壤微生物提供了重要的能源物質。由圖 3 可知，施用不同水平生物質炭使土壤溶解性有機碳含量先增加后降低的趨勢。與對照相比，土壤溶解性有機碳含量隨生物質炭含量的增加而增加，各處理存在顯著性差異。小麥苗期，B1、B2 處理土壤溶解性有機碳的含量較對照顯著降低了 43.95%和 30.08%，B3 處理下顯著增加了溶解性有機碳的含量，增幅為 11.46%;分蘗期，土壤溶解性有機碳的含量顯著降低了 26.16%、15.40%和 6.86%;孕穗期，B2、B3 處理溶解性有機碳的含量較對照顯著增加了 38.29%和 69.72%;成熟期，B2、B3 處理土壤溶解性有機碳含量顯著增加，增幅分別為 27.23%和 128.59%。

　　3. 討論與結論

　　田間持水量對土壤結構和作物生長有重要影響。劉小寧等[17]研究表明，向黃綿土中添加生物質炭可以增加土壤田間持水量和土壤有效水分含量。袁穎紅等[18]研究發現，適量的生物質炭改良劑使紅壤的田間持水量較對照顯著增加。孫泰朋等[19-20] 研究認為，添加不同水平的生物質炭顯著提高 0~20cm 土層的土壤含水量，土壤結構也得到改善。本研究結果表明生物炭輸入相對于其他外源碳輸入顯著提高土壤持水性，以 2.4%的添加量為最佳。分析其原因一方面是由于生物質炭本身的疏松多孔性和強大的吸附性，添加生物質炭能夠增加土壤顆粒之間的接觸程度，較小的生物質炭顆粒可以填充灰鈣土的大孔隙，形成微孔結構，從而增加保水性能[21]。另一方面生物質炭本身持水能力較強，其表面的雙重親水和疏水特性，加上大多數生物質炭同時含有羥基和羧基等親水基團，隨著生物質炭在土壤中的氧化，羧基基團會變多，生物質炭的親水性變強，從而使土壤持水性增強[22]。

　　土壤團聚體是土壤結構的基本單元，其含量的多少是土壤肥沃程度的重要標志。生物質炭能夠促進土壤團聚體的形成，改善土壤結構[23]。本研究結果表明：施用生物質炭能夠顯著增加土壤中>0.25 mm 大顆粒團聚體的含量，使土壤小顆粒團聚體凝聚為>0.25 mm 的水穩性大顆粒團聚體，從而促進土壤結構的改善，并且土壤結構的改善作用隨著生物質炭輸入量的增加而增強，同時不會造成 >2 mm 的偏大粒級土壤水穩性團聚體的累積。因生物質炭比表面積大以及負電荷的大量聚集，不僅促使土壤陽離子交換量提高[24]，而且其有機碳活性較高和疏松多孔的性質，加快了微生物的繁衍速度，微生物生長代謝產生的膠結物質促進了團聚體的形成;最后，由于生物質炭表面含有的多種官能團，帶有大量的負電荷和正電荷，通過靜電引力與粘土礦物結合形成水穩性團聚體。這與前人研究結果相似。生物質炭增加了土壤團聚體尤其是土壤大團聚體的含量，增強團聚體的穩定性[25-26]。何玉亭等[27-28]通過向紅壤添加生物質炭驗證了這一機理，試驗結果表明生物質炭能促進水穩性團聚體的形成。本研究中適當的生物質炭添加(如：2.4%的添加量)，土壤結構改善效果最佳。

　　土壤有機碳在不同條件下的穩定性可以反映土壤的質量情況，是人類活動對土壤質量影響的重要指標。本研究得出，向灰鈣土中添加生物質炭顯著提高土壤的有機碳的含量，且隨著添加比例的增加而增加。肖欣娟等[29]向 3 種土壤中添加茶渣生物質炭，結果發現 3 種土壤的有機碳含量顯著增加，具體表現為：黃壤>紫色土>水稻土。劉小寧[30]研究表明，向旱作土壤中一次性添加生物質炭 18 個月后土壤中有機碳含量有顯著增加，且隨著生物質炭輸入水平的增加，土壤有機碳組分有加大的趨勢。王佳盟等[31]通過向稻田土施入生物質炭后發現，生物質炭僅增加了表層土壤有機碳的含量，而對深層土壤無顯著影響。這可能是由于生物質炭巨大的比表面積和較強的吸附作用，添加生物質炭有利于短期內土壤有機碳的積累。高施用量的生物質炭能將碳素更穩定的保留在土壤中，從而更有效的增加土壤有機碳的含量。此外，施入生物質炭在一定程度上改變了土壤原有有機質的組成，從而增加了土壤中穩定性較強的有機質的含量[32]。本研究發現，輸入生物質炭可以增加土壤微生物量碳的含量，但高施用量的生物質炭，反而降低了微生物量碳的含量;土壤溶解性有機碳的變化與其恰恰相反。趙世翔等[33]研究發現向土壤中添加高溫裂解的生物質炭，微生物量碳的含量隨添加比例的增加而減少。由于生物質炭輸入具有更強持水性和固定土壤有機碳的作用，雖然生物質炭的大量輸入抑制了土壤微生物量碳的含量，但卻增加了土壤溶解性有機碳的含量 [25 ， 34]。這與宗雅婕[35]的研究結果一致。

　　本研究結果表明，生物質炭施入有助于土壤水分的儲存，在短期內會造成對土壤有機碳和土壤溶解性有機碳的激發效應，生物質炭過量輸入會抑制土壤微生物活性，降低土壤微生物量碳的累積。對低肥力的灰鈣土適宜的生物質炭輸入量為 2.4%~7.2%之間，2.4%輸入量有助于土壤有機物質累積和 0.25~2mm 土壤大顆粒團聚體的形成，而 7.2%的生物質炭輸入則會抑制土壤微生物活性，且造成生物質資源的浪費。最優的添加量因土壤類型和性質需做更進一步的研究。