生物質(zhì)炭對灰鈣土土壤有機(jī)碳及土壤團(tuán)聚體分布的影響

　　摘要：為探討瘠薄灰鈣土對外源生物質(zhì)炭輸入的響應(yīng)機(jī)制，采用盆栽試驗(yàn)研究不同生物質(zhì)炭添加量(0.8%、 2.4%和 7.2% )對土壤團(tuán)聚體的影響，以及對土壤有機(jī)碳礦化的激發(fā)效應(yīng)。結(jié)果表明，與對照相比，添加生物質(zhì)炭可以顯著提高田間持水量，增幅可以達(dá)到 1.9%~21.2%;生物質(zhì)炭促進(jìn)直徑>0.25 mm 的大團(tuán)聚體的形成，并顯著增加土壤有機(jī)碳和水溶性有機(jī)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(zhì)炭輸入量的增加而顯著增大，其中以 7.2%生物質(zhì)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(zhì)炭施用量的增加而降低，降幅為 2.9%~46.0%。生物質(zhì)炭施入有助于土壤水分的儲存，在短期內(nèi)會造成對土壤有機(jī)碳和土壤溶解性有機(jī)碳的激發(fā)效應(yīng)，生物質(zhì)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?zé)峤馍镔|(zhì)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(qiáng)， 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 發(fā)表時間：2021-06-16

　　關(guān)鍵詞：灰鈣土;生物質(zhì)炭;土壤團(tuán)聚體;土壤有機(jī)碳;土壤微生物量碳;水溶性有機(jī)碳

　　隨著中國人口-資源-環(huán)境之間的矛盾日益激烈，必須采用集約農(nóng)業(yè)的方式滿足人類生存需要，由此產(chǎn)生大量的秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物，其隨意丟棄及焚燒帶來了一系列生態(tài)環(huán)境問題[1]。與此同時，為解決中國大面積的中低產(chǎn)田存在的有機(jī)質(zhì)缺乏、土壤結(jié)構(gòu)性差、肥力水平低，耕地質(zhì)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(zhì)炭的施入是近年來提高土壤有機(jī)質(zhì)含量的新途徑[2]。

　　生物質(zhì)炭是秸稈等生物質(zhì)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(jī)物質(zhì)，是由各種復(fù)雜含碳物質(zhì)構(gòu)成的有機(jī)整體。因其比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)豐富、活性氧基團(tuán)多等特點(diǎn)，輸入土壤后，一方面有利于土壤復(fù)雜腐殖物質(zhì)形成、增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量[3]。另一方面，還田后作為土壤腐殖質(zhì)中的高度芳香化結(jié)構(gòu)組分的可能來源，不僅可以降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，而且在提高土壤有機(jī)碳含量，降低土壤有機(jī)碳礦化速率等方面發(fā)揮重要作用[4-10]。擁有上述優(yōu)良特性的生物質(zhì)炭常被國內(nèi)外科研人員看作高效的固碳劑和土壤改良劑，廣泛運(yùn)用于農(nóng)田土壤中[11]。然而，寧夏地處半干旱大陸性氣候區(qū)域，降雨、植被稀疏，小麥主要種植在土壤有機(jī)碳含量低，結(jié)構(gòu)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(qū)域運(yùn)用生物質(zhì)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(zhì)炭來研究土壤結(jié)構(gòu)和土壤有機(jī)碳礦化的變化趨勢，以期為寧夏農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用提供新思路和土壤結(jié)構(gòu)改良提供依據(jù)。

　　1 材料與方法

　　1.1 供試土壤

　　試驗(yàn)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(qū)月牙湖鄉(xiāng)(東經(jīng) 106°13'，北緯 38°40')，采用五點(diǎn)取樣法采集農(nóng)田表層土壤(0~20 cm)，風(fēng)干并去除植物幼根等殘留生物質(zhì)，過 2 mm 篩，用于土壤基本理化性質(zhì)的測定。土壤基本性質(zhì)為：土壤容重 1.32 g·cm -3，土壤有機(jī)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(yàn)設(shè)計(jì)

　　以小麥秸稈生物質(zhì)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(zhì)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(yàn)采用單因素多水平完全隨機(jī)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)共設(shè) 4 個處理：(1)CK(不添加生物質(zhì)炭);(2)B1(0.8%);(3)B2 (2.4%);(4)B3(7.2%)。采用盆栽試驗(yàn)，試驗(yàn)所用生物質(zhì)炭粉末過 0.15 mm 篩，土壤與添加的生物質(zhì)炭材料充分混勻后裝盆，各處理重復(fù) 5 次。試驗(yàn)所用花盆規(guī)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(yàn)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(fā)芽后留 10 株生長一致的幼苗。試驗(yàn)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(jī)碳(soil organic carbon, SOC)。小麥?zhǔn)斋@后采集土壤樣品，測定土壤田間持水量和水穩(wěn)性團(tuán)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(jī)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(huán)刀法測定，參照《土壤農(nóng)化分析》[12];土壤結(jié)構(gòu)性狀指標(biāo)測定：水穩(wěn)性團(tuán)聚體(WSA)采用 Six et al.的改進(jìn)方法進(jìn)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(tuán)聚體和小顆粒團(tuán)聚體以 0.25 mm 粒級來區(qū)分。濕篩時稱取 100 g 風(fēng)干原狀土樣，首先放于 2 mm 篩上并浸濕 10min，隨后通過團(tuán)粒分析儀(SYS-100 遼寧)進(jìn)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(tuán)聚體收集并在 50 ℃下烘干，稱質(zhì)量。土壤有機(jī)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(jī)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(xù)震蕩 4 h，隨后于 8000 r/min 的高速離心機(jī)(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(jīng)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(jī)碳差值計(jì)算(除以 0.45 系數(shù))。DOC 與 MBC 分離的土壤浸提液上 TOC 儀(Vario TOC, Elementar, Langenselbold, Germany)測定有機(jī)碳含量。

　　1.4 數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)分析

　　采用 DPS 7.05 軟件 Duncan's 方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理及方差分析處理，數(shù)據(jù)采用 Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和制圖(P<0.05)。

　　2.結(jié)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(zhì)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(zhì)炭的田間持水量最小，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，田間持水量呈現(xiàn)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(wěn)性團(tuán)聚體的分布

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

　　2.3 施用生物質(zhì)炭對灰鈣土土壤有機(jī)碳含量的影響

　　由圖 1 數(shù)據(jù)可知，與對照相比，添加生物質(zhì)炭后小麥不同時期的土壤有機(jī)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(jī)碳含量達(dá)到最高。苗期，各處理較對照土壤有機(jī)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(jī)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(jī)碳含量，以 B3 處理下土壤有機(jī)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(jī)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(zhì)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(zhì)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(dá)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(zhì)炭對灰鈣土土壤溶解性有機(jī)碳的影響

　　作為土壤中活性有機(jī)碳的主要組分，溶解性有機(jī)碳也為土壤微生物提供了重要的能源物質(zhì)。由圖 3 可知，施用不同水平生物質(zhì)炭使土壤溶解性有機(jī)碳含量先增加后降低的趨勢。與對照相比，土壤溶解性有機(jī)碳含量隨生物質(zhì)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(jī)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(jī)碳的含量，增幅為 11.46%;分蘗期，土壤溶解性有機(jī)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(jī)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(jī)碳含量顯著增加，增幅分別為 27.23%和 128.59%。

　　3. 討論與結(jié)論

　　田間持水量對土壤結(jié)構(gòu)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(zhì)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(fā)現(xiàn)，適量的生物質(zhì)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(rèn)為，添加不同水平的生物質(zhì)炭顯著提高 0~20cm 土層的土壤含水量，土壤結(jié)構(gòu)也得到改善。本研究結(jié)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(zhì)炭本身的疏松多孔性和強(qiáng)大的吸附性，添加生物質(zhì)炭能夠增加土壤顆粒之間的接觸程度，較小的生物質(zhì)炭顆粒可以填充灰鈣土的大孔隙，形成微孔結(jié)構(gòu)，從而增加保水性能[21]。另一方面生物質(zhì)炭本身持水能力較強(qiáng)，其表面的雙重親水和疏水特性，加上大多數(shù)生物質(zhì)炭同時含有羥基和羧基等親水基團(tuán)，隨著生物質(zhì)炭在土壤中的氧化，羧基基團(tuán)會變多，生物質(zhì)炭的親水性變強(qiáng)，從而使土壤持水性增強(qiáng)[22]。

　　土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其含量的多少是土壤肥沃程度的重要標(biāo)志。生物質(zhì)炭能夠促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，改善土壤結(jié)構(gòu)[23]。本研究結(jié)果表明：施用生物質(zhì)炭能夠顯著增加土壤中>0.25 mm 大顆粒團(tuán)聚體的含量，使土壤小顆粒團(tuán)聚體凝聚為>0.25 mm 的水穩(wěn)性大顆粒團(tuán)聚體，從而促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)的改善，并且土壤結(jié)構(gòu)的改善作用隨著生物質(zhì)炭輸入量的增加而增強(qiáng)，同時不會造成 >2 mm 的偏大粒級土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的累積。因生物質(zhì)炭比表面積大以及負(fù)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(jī)碳活性較高和疏松多孔的性質(zhì)，加快了微生物的繁衍速度，微生物生長代謝產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)促進(jìn)了團(tuán)聚體的形成;最后，由于生物質(zhì)炭表面含有的多種官能團(tuán)，帶有大量的負(fù)電荷和正電荷，通過靜電引力與粘土礦物結(jié)合形成水穩(wěn)性團(tuán)聚體。這與前人研究結(jié)果相似。生物質(zhì)炭增加了土壤團(tuán)聚體尤其是土壤大團(tuán)聚體的含量，增強(qiáng)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[25-26]。何玉亭等[27-28]通過向紅壤添加生物質(zhì)炭驗(yàn)證了這一機(jī)理，試驗(yàn)結(jié)果表明生物質(zhì)炭能促進(jìn)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成。本研究中適當(dāng)?shù)纳镔|(zhì)炭添加(如：2.4%的添加量)，土壤結(jié)構(gòu)改善效果最佳。

　　土壤有機(jī)碳在不同條件下的穩(wěn)定性可以反映土壤的質(zhì)量情況，是人類活動對土壤質(zhì)量影響的重要指標(biāo)。本研究得出，向灰鈣土中添加生物質(zhì)炭顯著提高土壤的有機(jī)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(zhì)炭，結(jié)果發(fā)現(xiàn) 3 種土壤的有機(jī)碳含量顯著增加，具體表現(xiàn)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(zhì)炭 18 個月后土壤中有機(jī)碳含量有顯著增加，且隨著生物質(zhì)炭輸入水平的增加，土壤有機(jī)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(zhì)炭后發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭僅增加了表層土壤有機(jī)碳的含量，而對深層土壤無顯著影響。這可能是由于生物質(zhì)炭巨大的比表面積和較強(qiáng)的吸附作用，添加生物質(zhì)炭有利于短期內(nèi)土壤有機(jī)碳的積累。高施用量的生物質(zhì)炭能將碳素更穩(wěn)定的保留在土壤中，從而更有效的增加土壤有機(jī)碳的含量。此外，施入生物質(zhì)炭在一定程度上改變了土壤原有有機(jī)質(zhì)的組成，從而增加了土壤中穩(wěn)定性較強(qiáng)的有機(jī)質(zhì)的含量[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，輸入生物質(zhì)炭可以增加土壤微生物量碳的含量，但高施用量的生物質(zhì)炭，反而降低了微生物量碳的含量;土壤溶解性有機(jī)碳的變化與其恰恰相反。趙世翔等[33]研究發(fā)現(xiàn)向土壤中添加高溫裂解的生物質(zhì)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(zhì)炭輸入具有更強(qiáng)持水性和固定土壤有機(jī)碳的作用，雖然生物質(zhì)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(jī)碳的含量 [25 ， 34]。這與宗雅婕[35]的研究結(jié)果一致。

　　本研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭施入有助于土壤水分的儲存，在短期內(nèi)會造成對土壤有機(jī)碳和土壤溶解性有機(jī)碳的激發(fā)效應(yīng)，生物質(zhì)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(zhì)炭輸入量為 2.4%~7.2%之間，2.4%輸入量有助于土壤有機(jī)物質(zhì)累積和 0.25~2mm 土壤大顆粒團(tuán)聚體的形成，而 7.2%的生物質(zhì)炭輸入則會抑制土壤微生物活性，且造成生物質(zhì)資源的浪費(fèi)。最優(yōu)的添加量因土壤類型和性質(zhì)需做更進(jìn)一步的研究。