生物炭添加對土壤腐殖物質(zhì)組成的影響

黃兆琴，周 強，胡林潮，程德義，代靜玉

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇南京 210095；2.江蘇城市職業(yè)學(xué)院環(huán)境生態(tài)學(xué)院，江蘇南京 210017；3.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇常州 213164）

土壤有機質(zhì)是指存在于土壤中的所有含碳的有機物質(zhì)，是一類復(fù)雜的混合物，其中腐殖物質(zhì)占有機質(zhì)總量的70%～80%［1］。在大多數(shù)的土壤和沉積物中，腐殖物質(zhì)在土壤肥力、環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面都有很重要的作用和意義［2］。近年來，通過增加碳沉降來減緩氣候變化已獲得全球共識，國際社會紛紛提出了把農(nóng)業(yè)廢棄物熱解處理轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭，炭化產(chǎn)物重新施入土壤并封存，從而實現(xiàn)固碳減排的作用［3-5］。生物炭施入可增加土壤有機碳總量，改良土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，促進土壤團聚體的形成，增加土壤養(yǎng)分，調(diào)節(jié)土壤微生物活動，促進植物生長［6-7］，減少溫室氣體的排放，減緩溫室效應(yīng)［8］。目前已有研究報道，生物炭添加能夠促進土壤有機質(zhì)水平的提高［9-10］，也有學(xué)者認為將生物炭加入土壤中不僅能夠增加土壤有機碳含量，還會降低土壤有機碳的礦化速率和累積礦化量，長期單一施用生物質(zhì)炭可能會引起土壤有機質(zhì)活性降低［11］?？梢?，外源生物質(zhì)炭施加對土壤固有有機質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)有一定影響，但國內(nèi)外對于生物炭與土壤腐殖物質(zhì)相互作用過程、生物炭對改變或影響土壤腐殖物質(zhì)各組分的詳細機制還缺乏系統(tǒng)闡述。本研究通過生物炭與土壤室內(nèi)共培養(yǎng)試驗，在試驗時間內(nèi)對土壤腐殖物質(zhì)進行提取和分離，測定土壤胡敏酸（HA）、富里酸（FA）及光學(xué)性質(zhì)，探討不同施加量下生物炭對土壤腐殖物質(zhì)組成的影響。

1 材料與方法

1.1 供試土壤采集與生物炭的制備

供試土壤為水稻土，采自江蘇省溧陽市南渡鎮(zhèn)（119.38°E、31.42°N），在田間按“蛇形”采樣法隨機采取表層0～20 cm土壤，風(fēng)干后過100目篩待用，另取部分土樣用于土壤有機質(zhì)和全氮等基本性質(zhì)含量的測定。供試土壤pH值為5.20，有機碳含量為12.40 g/kg，總氮含量為1.40 g/kg，沙粒、粉沙和黏粒含量分別為188、292、520 g/kg，土壤質(zhì)地為黏土。

以水稻稻殼為原材料制備生物炭，將采自南京市城郊的水稻稻殼置于烘箱中，在（50±1）℃下烘至恒質(zhì)量，裝入金屬容器（18 cm×15 cm×5 cm），填滿并壓實后密封。將金屬容器置于馬弗爐內(nèi)加熱，設(shè)置馬弗爐的終溫分別為350、550℃，升溫速率為13.33℃/min，達到終溫后持續(xù)加熱2 h，待樣品冷卻至室溫后取出。用研缽將生物炭磨碎，過0.150 mm篩備用，將350、550℃制得的生物炭分別記作R350、R550。

1.2 供試土壤與生物炭共培養(yǎng)試驗

稱取一定質(zhì)量過100目的土壤樣品放入塑料容器中，按生物炭與土壤質(zhì)量比為1%、3%、5%的比例將生物炭添加入土壤中，混勻后置于室溫下培養(yǎng)，保證其含水率為土壤質(zhì)量的40%，設(shè)3個平行，并以未添加生物炭的空白土壤為對照，并于生物炭與土壤共培養(yǎng)后0、30、120、240 d采集土壤樣品用于分析，每次設(shè)3個重復(fù)，用于考察生物炭添加對土壤腐殖物質(zhì)及組分的影響。

1.3 腐殖物質(zhì)的提取與分析

腐殖物質(zhì)的提取采用國際腐殖物質(zhì)學(xué)會（IHSS）推薦的方法［12］。腐殖酸總碳、胡敏酸（以胡敏酸碳含量計）、富里酸（以富里酸碳含量計）含量測定采用重鉻酸鉀比色法；胡敏酸的E4/E6采用分光光度計法，在465、665 nm處分別測定胡敏酸溶液的消光值（分別記為E4和E6），計算E4/E6比［13］。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010及SPSS 17.0數(shù)據(jù)處理軟件進行統(tǒng)計分析，利用SPSS 17.0中單因素方差分析和Tukey多重比較法比較不同處理數(shù)據(jù)的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭施入后土壤腐殖酸的變化

按照1%、3%、5%的比例添加不同溫度下制備的生物炭R350、R550于供試土壤中，土壤腐殖酸總碳含量的變化如圖1所示。由圖1可知，生物炭加入土壤后30 d左右，腐殖酸含量增加，之后隨共培養(yǎng)時間的增加而逐漸降低，培養(yǎng)240 d后土壤腐殖酸總量減少為培養(yǎng)初期（0 d）的64%～75%，即不管是添加高溫還是低溫制備生物炭，土壤腐殖酸總碳含量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，生物炭的添加比例越大，土壤腐殖酸含量變化越明顯。生物炭加入土壤后短期內(nèi)（30 d）腐殖物質(zhì)含量增加，主要源于生物質(zhì)在熱解制備過程中生成類腐殖酸類物質(zhì)［14］以及活性有機碳，并隨生物質(zhì)炭施入進入土壤環(huán)境，進而影響土壤腐殖酸碳的總量，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，生物炭和土壤胡敏酸的核磁共振波譜具有明顯的相似性，也證實生物炭可能成為土壤腐殖物質(zhì)中高度芳香化組分的來源［15］。進入環(huán)境中后生物炭與微生物、礦物等發(fā)生生物及非生物的氧化過程［8］，導(dǎo)致其物理化學(xué)特性發(fā)生改變，其上所含含氧官能團發(fā)生變化并影響土壤腐殖物質(zhì)的組成，如在微生物的作用下將生物炭的脂肪族碳轉(zhuǎn)化為有機碳庫中的胡敏酸等腐殖物質(zhì)碳，類腐殖酸也會發(fā)生一系列反應(yīng)。

2.2 生物炭施入土壤后胡敏酸的變化

作為土壤有機質(zhì)的最大組成部分，腐殖質(zhì)對土壤中許多復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)起重要作用。胡敏酸（HA）、富里酸（FA）是土壤腐殖質(zhì)的主要組成成分。生物炭的施入在改變土壤腐殖酸含量的同時，也使土壤腐殖質(zhì)的組成發(fā)生變化。圖2顯示，與未添加生物炭的對照相比，添加R350、R550后供試土壤樣品中胡敏酸含量均減少；在生物炭加入土壤后培養(yǎng)240 d時比未添加生物炭土壤胡敏酸含量少63%～77%。即隨生物炭加入土壤時間的增加，土壤胡敏酸含量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，這與腐殖酸碳含量變化一致。生物炭的添加降低了土壤胡敏酸的含量，較高溫度制得生物炭（R550）添加比例對胡敏酸含量變化的影響表現(xiàn)為5% ＞3%＞1%，即生物炭添加比例越高，胡敏酸減少量越明顯；而較低溫度制得生物炭（R350）對胡敏酸含量變化的影響為5%＞1%＞3%。

2.3 生物炭施入土壤后胡敏酸光學(xué)特性的變化

胡敏酸的光學(xué)特性是判斷土壤腐殖質(zhì)性質(zhì)的重要依據(jù)。E4/E6的值可以反映土壤的腐殖化程度和芳香縮合度［16］，E4/E6的值低說明芳香族成分具有較高的縮合度，腐殖化程度較高，其值高表明芳香縮合度低并可推測具有較多的脂肪族成分。生物炭施入土壤后，胡敏酸的E4/E6值的變化情況如圖3所示。由圖3可知，不同溫度下制備而得的生物炭添加到土壤中，對土壤胡敏酸E4/E6值產(chǎn)生的影響不盡相同，低溫制備生物炭（R350）的添加可提高土壤胡敏酸E4/E6值，并隨生物炭添加比例增加而增加，說明生物炭加入土壤后胡敏酸的芳香縮合度降低，這是由于低溫制備生物碳本身炭化不完全，含有較多脂肪族物質(zhì)，同時熱解過程中產(chǎn)生的類腐殖物質(zhì)包裹在生物炭表面，同生物炭一起被添加到土壤中導(dǎo)致胡敏酸芳香縮合度下降，另外可能是生物炭輸入土壤后與HA發(fā)生了吸附作用。添加高溫制備的生物炭后土壤胡敏酸E4/E6值降低，說明土壤腐殖物質(zhì)中芳香族成分含量增加，這與高溫制備生物炭芳香化程度高、結(jié)構(gòu)致密有關(guān)。

2.4 生物炭施入土壤后富里酸及胡富比的變化

胡富比H/F是土壤胡敏酸（HA）與富里酸（FA）的比值，H/F的大小常用作衡量土壤腐殖物質(zhì)聚合程度高低的指標(biāo)，H/F值大，表明腐殖質(zhì)聚合程度較高，相反則表明土壤具有較低的聚合程度。2種供試生物炭施入土壤后土壤胡富比的變化情況如表1所示。由表1可知，添加生物炭后（0 d）土壤H/F值比對照土壤樣品小，且對于添加生物炭的土壤樣品而言，隨著培養(yǎng)時間增加，土壤H/F值呈現(xiàn)增加的趨勢，培養(yǎng)240 d后土壤H/F值達到了與對照土壤相當(dāng)?shù)乃?。添加生物炭后土壤H/F的減小可能是因為一部分HA在微生物的作用下轉(zhuǎn)化成了FA或者添加的生物炭使得FA的生成速率大于HA，從而使得富里酸在培養(yǎng)30 d時總量增加（圖4），導(dǎo)致H/F比值減小。隨著共培養(yǎng)的持續(xù)進行，氧化程度和芳香縮合度相對較低的FA在微生物的作用下被分解，造成富里酸總量減少，使得土壤H/F值在胡敏酸總量減少的情況下仍然升高。

表1 添加生物炭后土壤胡富比（H/F）隨時間的變化

3 討論

生物炭施入土壤后，其發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)能夠為土壤中微生物提供生存空間，形成微生物活動層，生物炭所含脂肪族或易氧化態(tài)碳為微生物提供生長碳源和能源，提高微生物的活性和數(shù)量，加速微生物對土壤碳的消耗，豐富的微生物活動不僅有利于微生物的生長繁衍，還能促進生物炭向腐殖物質(zhì)碳轉(zhuǎn)換。Otsuka等研究表明，添加生物炭后土壤細菌多樣性比未添加生物炭土壤高25%［17］；顧美英等發(fā)現(xiàn)，施用生物炭能提高棉田土壤有機質(zhì)含量，并促進細菌、真菌、纖維素分解菌和自生固氮菌的生長［18］。生物炭添加比例越大，微生物的活性和數(shù)量越大，造成土壤礦化作用速率越快，可能會導(dǎo)致土壤腐殖酸的變化量越明顯，因此隨著生物炭與供試土壤樣品共培養(yǎng)時間的增加，土壤中腐殖酸碳含量降低。不同溫度下制備而得的生物炭性質(zhì)不同［19］，低溫生物炭（R350）含有較多的脂肪族物質(zhì)，極易通過礦化方式而分解，而高溫生物炭（550）芳香度較高，結(jié)構(gòu)致密，生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)對土壤HA具有一定的聚合和吸附作用，從而導(dǎo)致不同溫度制備的生物炭的施入總體降低土壤HA的含量，這與趙世翔等的研究結(jié)果［14］一致。此外，生物炭與土壤共培養(yǎng)的過程中土壤胡敏酸的芳香化程度增加，土壤的腐殖化程度提高，可能是在微生物的作用下，小分子腐殖物質(zhì)發(fā)生降解、腐殖物質(zhì)分子之間相互縮聚、聚合［20］，生物炭與腐殖物質(zhì)發(fā)生共腐殖化，使得土壤HA的縮合度增加、結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，生物炭的添加總體提高了土壤的腐殖化程度。王英惠等研究發(fā)現(xiàn)，將高溫制備的生物炭加入土壤后土壤腐殖化程度變大，并認為高溫生物炭因芳香化程度高、致密性強、具有發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積而對土壤中腐殖物質(zhì)可能有一定的聚合和吸附作用，低溫制備的生物質(zhì)炭殘留有機質(zhì)較多，脂肪族結(jié)構(gòu)含量較高，進入土壤后這一部分容易分解參與到土壤腐殖化過程［21］。有學(xué)者研究認為，生物炭輸入能增加土壤H/F的值，增加土壤中相對穩(wěn)定性碳的比例，施加不同溫度下制備的生物炭對土壤腐殖物質(zhì)組成影響不同，高溫制備的生物炭顯著降低土壤HA及FA的色調(diào)系數(shù)（Δlg K）和E4/E6值，使土壤腐殖物質(zhì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，而低溫制備的則相反［5］，而本研究中高溫、低溫制備生物炭添加入土壤后，土壤腐殖物質(zhì)H/F的值均減小，但隨著培養(yǎng)時間的增加，同一添加比例下土壤H/F的值呈現(xiàn)增加的趨勢，即在生物炭與土壤共培養(yǎng)過程中土壤腐殖物質(zhì)的聚合程度增加，可能是生物炭與腐殖物質(zhì)、腐殖物質(zhì)與腐殖物質(zhì)之間綜合作用的結(jié)果。

4 結(jié)論

按照1%、3%、5%的比例，將不同溫度下制備的生物炭添加至供試土壤中，土壤腐殖酸碳的含量變化發(fā)生了改變；隨著2種生物炭與土壤共培養(yǎng)的進行，土壤腐殖酸含量均呈現(xiàn)先稍升高后降低的趨勢；生物炭添加比例越大、加入土壤時間越長，土壤腐殖酸含量的變化越明顯；生物炭長期施入土壤會減少土壤腐殖酸含量。

隨著生物炭施入土壤時間的增加，土壤胡敏酸含量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，這與腐殖酸碳含量變化一致。生物炭的添加降低了土壤胡敏酸的含量，較高溫度制得的生物炭（R550）添加比例對胡敏酸含量變化的影響表現(xiàn)為5% ＞3%＞1%，即生物炭添加比例越高，胡敏酸減少量越明顯；而較低溫度制得的生物炭（R350）對胡敏酸含量變化的影響為5%＞1%＞3%。

低溫制備生物炭（R350）的添加可提高土壤胡敏酸E4/E6值，使土壤芳香縮合度降低，并隨生物炭添加量的增加而增加；高溫制備生物炭（R550）被添加到土壤后胡敏酸的E4/E6值反而減小，增加土壤腐殖物質(zhì)中芳香族成分含量。