玉米秸稈與秸稈生物炭對2種黑土有機(jī)碳含量及碳庫指數(shù)的影響

王宏燕+許毛毛+孟雨田+李曉慶+高敬堯+郝帥

摘要：采用室內(nèi)培養(yǎng)的方法，研究玉米秸稈、玉米秸稈炭和兩者混合配施添加到有機(jī)碳含量不同的2種黑土之后對土壤礦化、土壤有機(jī)碳組分及土壤碳庫的影響，為不同退化程度黑土的修復(fù)提供依據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，秸稈施入低有機(jī)碳土壤的CO2釋放量高于高有機(jī)碳土壤，秸稈炭施入對2種黑土CO2釋放無顯著影響；秸稈對高有機(jī)碳土壤有機(jī)碳含量提高更顯著，秸稈炭能提高2種黑土的有機(jī)碳含量；秸稈提升黑土活性有機(jī)碳含量，秸稈炭施入降低了黑土活性有機(jī)碳含量，2種土壤之間無明顯差異；秸稈與秸稈炭配施提高黑土的微生物量碳含量效果最佳，且對高有機(jī)碳土壤提升更大；秸稈施入對高有機(jī)碳黑土的可礦化碳含量增加影響更大，秸稈炭降低了2種黑土可礦化碳含量。另外，秸稈與秸稈炭的施入對低有機(jī)碳土壤的碳庫管理指數(shù)影響更大。結(jié)果表明，秸稈與秸稈炭混合配施，在保障養(yǎng)分供應(yīng)的同時(shí)能提高土壤有機(jī)碳的儲量。對于低有機(jī)碳黑土，適當(dāng)增加秸稈炭的施入，更利于有機(jī)碳的固持；對于高有機(jī)碳土壤，宜適當(dāng)提高秸稈的施入，可減少CO2釋放，提高土壤養(yǎng)分含量。

關(guān)鍵詞：黑土；秸稈；生物質(zhì)炭；土壤礦化；有機(jī)碳組分；碳庫

中圖分類號： S181文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2017）12-0228-05

土壤有機(jī)碳是在土壤質(zhì)量評價(jià)和土地可持續(xù)利用中需考慮的重要指標(biāo)之一，其循環(huán)和轉(zhuǎn)化與土壤物理、化學(xué)及微生物性狀的改善密切相關(guān)[3-5]。郝翔翔等研究表明黑土土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤的結(jié)構(gòu)性、通氣性、滲透性、吸附性和緩沖性等都有密切的關(guān)系[6-7]。土壤活性有機(jī)碳是土壤中易氧化、易分解、易礦化高活性有機(jī)碳，能夠在土壤有機(jī)碳發(fā)生變化之前產(chǎn)生細(xì)微變化[8]。土壤微生物碳是土壤活性養(yǎng)分的儲存庫和植物生長可利用養(yǎng)分的重要來源，其大小可以反映土壤的同化和礦化能力以及土壤的活性[9-10]。土壤有機(jī)碳的礦化對土壤有機(jī)碳積累、大氣CO2排放有著直接深遠(yuǎn)的影響[11]。Blair等認(rèn)為土壤碳庫的變化主要發(fā)生在易氧化碳庫里，并提出土壤碳庫管理指數(shù)（CPMI）算法，該指數(shù)基于研究對象與參考土壤的活性有機(jī)質(zhì)與土壤有機(jī)質(zhì)，是評價(jià)土壤活性有機(jī)碳的指標(biāo)[12]。

生物質(zhì)炭（biochar）是指生物質(zhì)在完全或部分缺氧環(huán)境下以及相對較低溫度（<700 ℃）的條件下，經(jīng)熱裂解炭化形成的一種的固態(tài)產(chǎn)物[13]，生物炭含碳量豐富，擁有較大的孔隙度和比表面積，且具有高度羧酸酯化和芳香化結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的吸附性和穩(wěn)定性[14-16]。大量研究表明，添加生物炭可以提高土壤有機(jī)碳的含量，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，有助于植物生長[17]；施用生物質(zhì)碳可增加土壤碳截留，降低碳排放，有效減緩溫室效應(yīng)；Kuzyakov等認(rèn)為添加生物炭能有效降低土壤有機(jī)碳礦化速率[18]。秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的肥料來源和潛在的碳庫能源，秸稈還田能提升土壤有機(jī)質(zhì)含量和質(zhì)量[19]，還能夠增加土壤活性碳、礦化碳、微生物碳和碳庫管理指數(shù)[20]。有研究表明添加有機(jī)物料及其生物炭對土壤碳化率及各組分有機(jī)碳含量的影響存在差異[21-22]。然而，秸稈炭化后和秸稈炭化前對不同有機(jī)質(zhì)含量的黑土土壤碳庫的影響尚不清楚。本試驗(yàn)采用恒溫恒濕的室內(nèi)培養(yǎng)法，選擇2處有機(jī)碳含量差異較大的黑土土壤，添加等量的玉米秸稈及玉米秸稈炭，通過對土壤呼吸速率、有機(jī)碳組分、碳庫的影響研究，以期明確玉米秸稈炭化前后對有機(jī)碳含量不同的黑土土壤的影響差異，為黑土退化機(jī)理和實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1試供土壤

供試土壤1為土壤有機(jī)碳含量低的黑土，取自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗(yàn)基地；供試土壤2為有機(jī)碳含量高的黑土，取自黑龍江省伊春市西林區(qū)陰陽屯。在2個(gè)土壤樣地均采用蛇形布點(diǎn)、多點(diǎn)混合的方法進(jìn)行采樣，采集0～20 cm的表層土壤。將采集的土壤樣品風(fēng)干，篩除植物殘?bào)w及其他固體物，磨細(xì)過2 mm篩備用（表1）。

1.2試供秸稈與秸稈炭

供試玉米秸稈取自黑龍江省哈爾濱市香坊農(nóng)場試驗(yàn)田，粉碎過 1 mm 篩；秸稈炭的生產(chǎn)設(shè)備采用筆者所在實(shí)驗(yàn)室研制的連續(xù)式回轉(zhuǎn)窯生物炭化爐，炭化溫度為500 ℃，生產(chǎn)的秸（g/kg）土壤17.301.270.72153.057.4182.114.332.05土壤26.711.971.07214.571.4142.722.805.25

稈炭烘干后過1 mm篩，儲備供試驗(yàn)用。供試玉米秸稈的全氮含量為10.8 g/kg、全磷含量為7.35 g/kg、全鉀含量為 7.55 g/kg、碳含量為462.6 g/kg、pH值為5.86；供試秸稈炭全氮含量為 11.1 g/kg、全磷含量為37.95 g/kg、全鉀含量為21.33 g/kg、碳含量為417.9 g/kg、pH值為9.41。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)8個(gè)處理，每個(gè)處理的土壤質(zhì)量為100 g，玉米秸稈和秸稈炭按照質(zhì)量比例與土壤混合。（1）土壤1（CK1）；（2）添加1%玉米秸稈的土壤1（S1）；（3）添加1%秸稈炭的土壤1（C1）；（4）添加0.5%玉米秸稈+0.5%秸稈炭的土壤1（M1）；（5）土壤2（CK2）；（6）添加1%玉米秸稈的土壤2（S2）；（7）添加1%秸稈炭的土壤2（C2）；（8）添加0.5%玉米秸稈+0.5%秸稈炭的土壤2（M2），每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。

將所有處理混合均勻，灌裝于500 mL的培養(yǎng)瓶內(nèi)，調(diào)節(jié)培養(yǎng)瓶中土壤含水量至25%，置于（25±0.5） ℃恒溫箱中培養(yǎng)73 d，培養(yǎng)過程中利用重量法定期補(bǔ)充水分，保持其含水量恒定。

1.4測定的項(xiàng)目與方法

土壤基本性質(zhì)測定按照土壤農(nóng)化分析方法[23]進(jìn)行，秸稈與秸稈炭的基礎(chǔ)指標(biāo)測定參照有機(jī)肥料常規(guī)測定方法。分別在培養(yǎng)2、4、6、9、12、15、19、23、28、33、39、46、54、63、73 d對培養(yǎng)瓶進(jìn)行排氣之后放入裝有NaOH的燒杯，密閉培養(yǎng)24 h之后，采用滴定法測定CO2釋放量，土壤CO2釋放量由CO2釋放速率計(jì)算而得；采用三氯甲烷熏蒸的方法測定土壤微生物量碳含量，采用333 mmol/L K2MnO4氧化法測定土壤活性有機(jī)碳含量，測定樣品565 nm分光光度，與不加土壤的空白樣吸光度相減，根據(jù)假設(shè)氧化過程中K2MnO4濃度變化 1 mmol/L 消耗0.75 mmol/L或9 mg碳，計(jì)算出被氧化的碳量[24]。endprint

在培養(yǎng)結(jié)束后，取 25.00 g 含水量為25%濕土平鋪在干燥培養(yǎng)瓶中，置于裝有NaOH的小燒杯中，培養(yǎng)5周，每周末用標(biāo)準(zhǔn)鹽酸滴定來測定CO2釋放量，可礦化有機(jī)碳含量=CO2釋放量/微生物量碳含量，用g/kg干土表示[25]。

土壤碳庫指數(shù)（CPMI）等相關(guān)指標(biāo)參照徐明崗等的方法[26]計(jì)算。

碳庫管理指數(shù)（CPMI）=CPI×LI×100；碳庫指數(shù)（CPI）=樣品全碳含量/對照土壤全碳含量；碳庫活度（L）=活性碳含量/非活性碳含量；碳庫活度指數(shù)（LI）=樣品碳庫活度/原始土壤碳庫活度。

1.5數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析。

2結(jié)果與分析

2.1添加秸稈和秸稈炭對2種有機(jī)碳含量黑土呼吸速率、CO2排放量、礦化強(qiáng)度的影響

2.1.1添加秸稈與秸稈炭對2種有機(jī)碳含量的黑土呼吸速率動(dòng)態(tài)變化的影響添加秸稈的4個(gè)處理S1、M1、S2、M2在培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)，均呈現(xiàn)CO2呼吸速率開始較快，之后趨于平緩的規(guī)律，與CK存在極顯著差異（P<0.01）；而添加秸稈炭處理與對照差異不大，CO2呼吸速率均處在一個(gè)很低的位置（圖1）。

在培養(yǎng)開始階段，各處理土壤CO2呼吸速率順序?yàn)镾1>S2>M1>M2。添加玉米秸稈，低有機(jī)碳土壤的呼吸速率明顯高于高有機(jī)碳土壤，培養(yǎng)19 d秸稈添加處理的土壤CO2呼吸速率出現(xiàn)拐點(diǎn)，S2>S1，之后高有機(jī)碳土壤呼吸速率一直高于低有機(jī)碳土壤，直至培養(yǎng)時(shí)間結(jié)束，且整體S1較S2更早趨于平緩。添加一半秸稈的處理（混合處理）在培養(yǎng)6 d混合土壤CO2呼吸速率出現(xiàn)拐點(diǎn)，高有機(jī)碳土壤高于低有機(jī)碳土壤（圖1）。

2.1.2秸稈與秸稈炭添加對2種有機(jī)碳含量的黑土CO2累積釋放量的影響添加玉米秸稈、秸稈炭的土壤CO2釋放累積量包括土壤本身的呼吸及秸稈與秸稈炭分解所釋放的CO2。其變化與CO2釋放速率變化規(guī)律相符合。初始階段CO2呼吸的速率較快，隨著曲線的斜率逐漸減小，CO2累積釋放量趨于平衡點(diǎn)，釋放量大小順序?yàn)镾1>S2>M2>M1>C2>CK2>C1>CK1。秸稈處理與對照相比存在極顯著差異（P<0.01），秸稈炭處理均高于對照，但秸稈炭處理與對照差異不顯著（圖2）。

在低有機(jī)碳土壤處理中，玉米秸稈處理土壤CO2總釋放量為8.55 g/kg、混合處理為4.86 g/kg，分別比對照（0.86 g/kg）提高7.69、4.00 g/kg；在高有機(jī)碳土壤處理中、玉米秸稈處理土壤CO2總釋放量為7.74 g/kg、混合處理為4.77 g/kg，分別比對照（1.23 g/kg）提高6.51、3.54 g/kg。可見，秸稈在低有機(jī)碳土壤中的分解量明顯高于其在高有機(jī)碳土壤中的分解量。

2.1.3添加玉米秸稈與秸稈炭對2種有機(jī)碳含量的黑土土壤礦化強(qiáng)度的影響土壤有機(jī)碳礦化強(qiáng)度為土壤CO2累積釋放量與土壤有機(jī)碳含量的比值（其中包括秸稈與秸稈炭分解所釋放的CO2）。2種不同有機(jī)碳含量的供試黑土的礦化

強(qiáng)度均表現(xiàn)為秸稈處理>混合處理>秸稈炭處理（圖3），其中秸稈處理、混合處理與對照存在極顯著差異（P<0.01），秸稈炭處理與對照無顯著差異?？梢钥闯錾锾勘旧聿灰赘饣蛘卟粫龠M(jìn)土壤的礦化。秸稈在低有機(jī)碳黑土中的礦化速率高于高有機(jī)碳黑土，提高了25.07%，秸稈和秸稈炭混合處理呈同樣趨勢，礦化強(qiáng)度提高了13.56%。

2.1.4玉米秸稈與秸稈炭在2種有機(jī)碳含量黑土中的分解率培養(yǎng)73 d結(jié)束時(shí)，秸稈在黑土中的分解率明顯高于秸稈炭的分解率，秸稈炭基本未分解，且秸稈在低有機(jī)碳黑土中分解率高于高有機(jī)碳黑土中的分解率（圖4）。秸稈在低有機(jī)碳黑土中的分解率為18.4%，在高有機(jī)碳黑土中的分解率為 15.6%，降低了2.8百分點(diǎn)。秸稈炭在低有機(jī)碳黑土中的分解率為0.17%，在高有機(jī)碳黑土中的分解率為0.20%?？梢钥闯鼋斩捲诘陀袡C(jī)碳黑土的分解率更高，秸稈炭在2種黑土中的分解率均很低。

2.2玉米秸稈與秸稈炭對不同有機(jī)碳含量黑土的有機(jī)碳組分及碳庫管理指數(shù)的影響

2.2.1施入玉米秸稈與秸稈炭后不同有機(jī)碳含量的2種黑土有機(jī)碳組分的變化各處理都不同程度提高了2種黑土土壤TOC含量，提高順序?yàn)榻斩捥刻幚?混合處理>秸稈處理，秸稈炭提高幅度最大（P<0.05），秸稈炭對2種黑土有機(jī)碳的提高幅度基本一致，分別提高5.82、5.72 mg/kg。秸稈處理效果低于秸稈炭處理，秸稈處理對高、低有機(jī)碳黑土TOC提高量分別為1.64、0.95 mg/kg（表2）。可以看出，秸稈對高有機(jī)碳黑土TOC含量的提高效果比低有機(jī)碳土壤更顯著。表2不同添加處理2

各處理對有機(jī)碳含量不同的2種黑土中MBC含量的影響順序?yàn)榛旌咸幚?秸稈處理>秸稈炭處理，混合處理、秸稈處理顯著提高了土壤MBC含量，秸稈炭處理對土壤MBC含量無顯著影響。其中，M1提高33.57 mg/kg，M2提高 38.79 mg/kg，S1提高12.73 mg/kg，S2提高28.37 mg/kg，C1提高 3.47 mg/kg，C2提高4.64 mg/kg（表2）。可見秸稈與秸稈炭混合施用對于黑土MBC含量的提高效果最佳，且對高有機(jī)碳含量的黑土提高效果更明顯。

不論高有機(jī)碳含量還是低有機(jī)碳含量的黑土處理中，秸稈施入明顯提高了土壤可礦化碳含量，而秸稈炭施入降低了土壤有機(jī)礦化碳含量，混合處理影響居中。由表2可以看出，秸稈對高有機(jī)碳土壤的潛在可礦化碳含量提高更明顯，同時(shí)，由高溫制備（500 ℃）得到的秸稈炭具有發(fā)達(dá)的空隙結(jié)構(gòu)與比表面積，使秸稈炭進(jìn)入土壤后，對土壤易礦化有機(jī)質(zhì)起到了吸附保護(hù)作用[27]，但是在2種有機(jī)碳含量黑土之間無明顯差異（表2）。

2.2.2添加玉米秸稈與秸稈炭對有機(jī)碳含量不同的2種黑土土壤碳庫管理指數(shù)的影響添加秸稈顯著提高了不同有機(jī)碳含量的2種黑土土壤碳庫管理指數(shù)，秸稈炭降低了土壤碳庫管理指數(shù)（表3），混合處理雖然提高了土壤的碳庫指數(shù)，但是卻降低了碳庫活度指數(shù)，從而整體降低了土壤的碳庫管理指數(shù)。在低有機(jī)碳含量的黑土處理中，秸稈處理與配施處理的碳庫管理指數(shù)均有所提高，分別為17.02%、3.50%，說明秸稈施入可提高土壤碳庫管理指數(shù)；秸稈炭處理顯著降低了土壤碳庫管理指數(shù)，降低了12.70%。在高有機(jī)碳含量的黑土處理中，秸稈處理比對照提高了6.08%，配施與秸稈炭處理分別降低了2.29%、10.47%。在低有機(jī)碳黑土中，秸稈對于土壤CPMI的貢獻(xiàn)更大，秸稈炭對土壤CPMI值降低率更大；在高有機(jī)碳土壤黑土中，秸稈與秸稈炭對土壤CPMI的影響較緩，可見低有機(jī)碳黑土CPMI更易受到外界的影響。endprint

3討論

秸稈施入土壤能夠提高土壤的有機(jī)碳含量，改善土壤理化性質(zhì)，補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，但是其分解速率過快，不利于土壤有機(jī)碳的長期固持。有研究表明，秸稈對多個(gè)地區(qū)多種土壤均存在提高呼吸速率、增強(qiáng)土壤礦化強(qiáng)度的作用[28-29]。這是因?yàn)槭┯媒斩捄螽a(chǎn)生了正激發(fā)效應(yīng)[30]，使得土壤微生物活性提高，有機(jī)碳的分解速率提高，釋放CO2速度加快。在本研究中，秸稈施入低有機(jī)碳土壤后分解速率更快、CO2排放量更多，自身分解率也更高。一般認(rèn)為低質(zhì)量的土壤有機(jī)碳限制了土壤微生物生長所需的營養(yǎng)來源，限制了土壤的呼吸速率，施入新鮮有機(jī)碳會為微生物提供能力和營養(yǎng)，提高微生物活性，從而加速土壤有機(jī)碳的礦化[31-32]。至今還不能確定激發(fā)效應(yīng)和土壤有機(jī)質(zhì)含量之間的關(guān)系。同時(shí)，秸稈炭在2種有機(jī)碳含量的黑土中分解率均非常低，土壤CO2的釋放量與對照相比無顯著差異，這是因?yàn)樯锾烤哂休^強(qiáng)的穩(wěn)定性，不易被微生物分解。Zimmerman等認(rèn)為因?yàn)樯锾烤哂袕?qiáng)吸附性，土壤部分微生物附著于生物炭空隙中，減少了有機(jī)質(zhì)與微生物的接觸，降低了生物炭的分解率[33]。說明了秸稈炭對土壤有機(jī)碳的增加與黑土本身的有機(jī)碳含量大小無關(guān)，間接說明秸稈炭對于土壤有機(jī)碳的固定有著重要的作用，所以在低有機(jī)碳土壤中適當(dāng)增加秸稈炭的施入更利于土壤碳庫的儲存。

研究結(jié)果表明，施用秸稈與秸稈炭均能提高土壤有機(jī)碳的含量，秸稈炭由于其較強(qiáng)的穩(wěn)定性，對2種土壤有機(jī)碳的提高基本一致，但是秸稈的施入對有機(jī)碳含量高的土壤提升更明顯，高有機(jī)碳含量土壤由于其自身微生物活性較高，更加利于土壤的碳化。土壤由于其背景值較高，有機(jī)碳變化表現(xiàn)存在一定的滯后性，然而，有機(jī)碳中有一些組分對其變化非常敏感，這部分稱為活性有機(jī)碳。本試驗(yàn)中秸稈施入增加了其含量，秸稈炭施入降低了其含量，這與張杰等的研究結(jié)果[34]相似。但是對于2種黑土而言，其變化值之間基本一致，秸稈施入2種土壤對活性有機(jī)碳的提高值相似，是因?yàn)榻斩捴幸追纸獠糠忠鸦痉纸馔耆?，土壤的活性有機(jī)碳開始減少并趨于平衡。謝國雄等指出，低有機(jī)質(zhì)土壤中加入C/N比高的生物質(zhì)炭，會加劇微生物礦化有機(jī)質(zhì)的過程中對N素需求的不足，抑制土壤有機(jī)質(zhì)的礦化[35]。而對于高有機(jī)質(zhì)土壤，本身具有足夠可礦化的碳源，添加活性較低的生物質(zhì)炭反而會抑制有機(jī)碳的礦化。

微生物量碳是衡量土壤微生物活性的重要指標(biāo)，不同的添加物對2種土壤MBC含量的影響為秸稈與秸稈炭配施>秸稈>秸稈炭，這與李有兵等的研究結(jié)果[21]一致，而且高有機(jī)碳土壤提高值均高于低有機(jī)碳土壤，主要是因?yàn)橥寥辣旧砦⑸锾己枯^高，更加利于秸稈的分解。土壤潛在可礦化碳（PMC）是指每單位微生物量產(chǎn)生的CO2量，是對微生物分解有機(jī)質(zhì)的衡量指標(biāo)，屬于活性有機(jī)碳的一種。秸稈施入對高有機(jī)碳黑土PMC提高更明顯，表明高有機(jī)碳土壤的微生物分解有機(jī)碳的能力較高；生物炭施入降低了2種黑土PMC，是因?yàn)樯锾吭诤笃跁档屯寥繡O2的釋放[36]，從而降低土壤的可礦化碳，再者由于高有機(jī)碳土壤MBC較高，使得土壤潛在可礦化碳低于低有機(jī)碳土壤。

楊旭等研究表明與秸稈炭化相比，秸稈直接還田對CPMI的效果更明顯[37]，本試驗(yàn)也取得了相似的結(jié)果。本研究中秸稈炭施入降低了CPMI，原因在于秸稈碳化還田主要貢獻(xiàn)是穩(wěn)態(tài)碳，提高土壤總碳庫，但是對于土壤活性卻沒有提高，造成了其CPMI低于參考土壤。同時(shí)，添加秸稈與秸稈炭對低有機(jī)碳土壤CPMI的影響更明顯，低有機(jī)碳土壤的生態(tài)系統(tǒng)較弱，更易受外界的干擾。

4結(jié)論

秸稈與秸稈炭的施入因土壤的有機(jī)質(zhì)含量不同而存在差異，宜因地制宜地選擇秸稈還田的方式。單施秸稈雖然養(yǎng)分補(bǔ)充明顯，但是CO2釋放較多，單施秸稈炭雖然短期內(nèi)可提升有機(jī)碳的含量，對土壤養(yǎng)分補(bǔ)充較小。秸稈與秸稈炭混合配施對于低有機(jī)碳土壤的改良、高有機(jī)碳土壤的保持效果最佳。在低有機(jī)碳土壤中，秸稈分解率更高，CO2釋放量更高，不利于碳的儲存；生物炭對于土壤有機(jī)碳的提高具有一致性，所以在低有機(jī)碳土壤中適當(dāng)增加生物炭的施入，不僅利于土壤的固碳減排，同時(shí)利于土壤有機(jī)碳的提高；秸稈施入高有機(jī)碳土壤中，對土壤有機(jī)碳、土壤微生物碳和可礦化碳提高效果更明顯，所以在高有機(jī)碳土壤中適當(dāng)增加秸稈的施入，更利于土壤活性組分和碳庫管理指數(shù)的提升。

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doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.12.059endprint