棉稈炭特性及其對灰漠土土壤有機碳礦化的效應(yīng)

唐光木,徐萬里,顧美英,姚紅宇,蒲勝海,胡克林

1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100193 2 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所,烏魯木齊 830091 3 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物應(yīng)用研究所,烏魯木齊 830091

二氧化碳、氧化亞氮和甲烷作為重要的溫室氣體,其排放量不斷增加是引起全球氣候變暖的重要原因[1],而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是溫室氣體排放源之一,占全球溫室氣體總排放量的10%—20%[2],土壤碳庫作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重要的碳庫和碳源,碳儲量高達2700億 t[3],土壤碳庫的微小波動對全球氣候變化的影響不容忽視。因此,如何有效降低土壤碳庫的溫室氣體排放量已成為當今人類亟待解決的問題。生物炭是生物質(zhì)裂解或氣化過程中獲得的富碳物質(zhì)[4],作為一種土壤改良劑,添加到土壤能夠提高土壤質(zhì)量[5]和促進作物生長[6]。同時,生物炭性質(zhì)穩(wěn)定,能夠抵抗生物和非生物退化[7- 8],具有降低土壤有機質(zhì)釋放二氧化碳的潛力[9- 10],每年可減少1.8—9.5 Pg(1015g)二氧化碳排放[11]。因此,在固碳方面具有廣泛的應(yīng)用前景[8,12]。

生物炭作為高度穩(wěn)定的有機物質(zhì),能長期持留在土壤中高達幾千年或更久[13],對全球碳循環(huán)具有重要的影響。作為一種外源性有機物,生物炭添加到土壤,對土壤有機碳礦化速率有何影響,取決于自然條件、生物炭和土壤性質(zhì)的不同[14]以及它們之間復(fù)雜的相互作用[15- 16],這使得生物炭對土壤有機碳礦化作用具有不確定性。研究報道,生物炭施用可以激發(fā)或抑制原有土壤有機碳礦化,被稱為正激發(fā)或負激發(fā)效應(yīng)[17- 19]。Wardle等人[20]指出450℃炭化的木炭對森林土壤10年間腐殖質(zhì)分解具有強烈激發(fā)效應(yīng),而對礦質(zhì)土壤沒有影響。添加生物炭對紅壤有機碳的礦化速率隨生物炭制備溫度的升高而下降；在中等有機質(zhì)的土壤中,添加生物炭可促進土壤有機碳的礦化；而對于低或較高有機質(zhì)的土壤,則降低了其有機碳的礦化[21]。對于不同質(zhì)地土壤中,一些研究表明添加生物炭對壤砂土[22]、粉砂壤土[23]和壤土以及黃土[24]土壤呼吸沒有影響,而Singh等[25]指出生物炭對未種植的粘土土壤能促進土壤有機碳礦化,并且400℃炭化的糞肥相比550℃炭化的作物秸稈激發(fā)效應(yīng)更大。Spokas和Reicosky[26]研究了16種生物炭和兩種土壤類型對土壤有機碳呼吸的影響,發(fā)現(xiàn)增加、減少呼吸作用和沒有影響的比例大約各占1/3。

總體來看,生物炭對原有土壤有機碳礦化要么存在正激發(fā)、負激發(fā)或者無明顯影響,其短期和長期影響存在很大不確定性,這可能與土壤條件、生物炭特性或者底物類型等材料的不同有關(guān)。因此,全面系統(tǒng)地了解和量化生物炭的激發(fā)效應(yīng),對于指導(dǎo)生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用具有重要意義。為此,本研究采用不同溫度(300℃和600℃)炭化制備的棉稈炭添加到灰漠土中,采用室內(nèi)培養(yǎng)法研究其對土壤有機碳礦化作用效應(yīng),以期更好地為生物炭在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用及其固碳減排提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自國家灰漠土肥力長期監(jiān)測試驗站(43°95′26″N,87°46′45″E),試驗站位于新疆烏魯木齊市新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院綜合實驗場,采樣區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂?海拔高度600 m,多年平均降雨310 mm,年蒸發(fā)量2570 mm,年均氣溫7.7℃,年日照2590 h,無霜期160 d左右。樣品采集后,帶回實驗室,自然風干后剔除土壤中可見的植物殘體,研磨過2 mm篩,混合均勻,按照網(wǎng)格法,取一份樣品測定土壤基本化學(xué)性質(zhì)(表1),剩余土壤樣品用于室內(nèi)培養(yǎng)試驗。

1.2 供試棉稈炭

將棉花秸稈剪成1—2 cm左右的枝條,裝入特制帶蓋的鐵制容器,以保證容器中等量含氧量及棉花秸稈,壓實蓋緊蓋子,將盒子放入溫度為300℃和600℃的馬弗爐中,炭化1 h,制備棉稈炭。將棉稈炭自然風干24 h后，在105℃的烘箱中烘干8 h,冷卻。然后將棉稈炭進行研磨,充分混勻,按照網(wǎng)格法,取一份樣品測定棉稈炭基本化學(xué)性質(zhì)(表1),其余棉稈炭用于室內(nèi)培養(yǎng)試驗。

表1 樣品基本理化性質(zhì)

1.3 培養(yǎng)試驗

于2016年4月取上述灰漠土和棉稈炭開展室內(nèi)培養(yǎng)試驗,共設(shè)置6個處理：對照：不添加生物炭,記為0；純棉稈炭(100%)處理,記為BC；其余4個處理的棉桿炭添加量分別為0.1%、0.5%、1.0%、2.0%質(zhì)量分數(shù)(以干土計),依次記為0.1%、0.5%、1.0%、2.0%。每個處理3次重復(fù),于25℃、75%的田間飽和含水量條件下培養(yǎng)100 d。

試驗具體操作：稱取混合均勻的土壤樣品40.00 g與不同添加量的棉稈炭混勻(其中BC處理稱取15.00 g),倒入小燒杯中,加入水以使其達到田間飽和含水量的75%,將其置于1 L的密閉大廣口瓶中,瓶內(nèi)同時放置一盛有20 mL 1 mol/L NaOH 溶液的小廣口瓶作為集氣瓶,以吸收土壤呼吸釋放的CO2,大廣口瓶底部有10 mL去CO2水,以維持瓶內(nèi)空氣飽和濕度。在25℃恒溫培養(yǎng)室中培養(yǎng)100 d。培養(yǎng)期間,每5 d換一次氣。培養(yǎng)的第2、5、10、20、40、60、80、100 d,取走培養(yǎng)試驗中的集氣瓶,并放入一個裝有新配制NaOH 溶液的集氣瓶,用于分析土壤釋放出的CO2-C。

1.4 樣品測定及數(shù)據(jù)處理

棉桿炭的元素組成及其他特性參見文獻[27],本文進行了掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)和傅里葉紅外光譜分析(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR)。取適量棉花秸稈原狀生物炭,對樣品橫截面進行噴金處理,用掃描電子顯微鏡(S- 3500 N,日立公司,日本)進行表面形貌分析。

采用文獻[28]提供的處理方法進行樣品處理,利用傅里葉紅外光譜儀(FTS6000,Bio-rad 公司,美國)進行分析。掃描范圍 400—4000 cm-1,分辨率 8.0 cm-1。

土壤礦化試驗采用氫氧化鈉吸收收集CO2,總碳分析儀(FUSION)測定。

棉稈炭和土壤總有機碳(Total Organic Carbon, TOC)的礦化量(mg/kg)= CCO2(mg/L)×吸收液稀釋倍數(shù)×吸收液體積(L)/土壤(或生物質(zhì)炭)干重(kg)；

礦化速率(mg kg-1d-1)=培養(yǎng)時段內(nèi)有機碳礦化量(mg/kg)/培養(yǎng)時間(d)；

累積礦化量(mg/kg)為從培養(yǎng)開始到某個時間點釋放的CO2之和；

累積礦化率為到某一時間點的累積礦化量占土壤總有機碳量的百分比。

激發(fā)效應(yīng)產(chǎn)生的累積礦化量為土壤總有機碳礦化量減去土壤對照(0.0)累積礦化量和棉稈炭累積礦化量,其中棉稈炭累積礦化量由純棉稈炭(BC處理)礦化計算得出；土壤原有有機碳礦化量是由添加棉稈炭處理減去相應(yīng)的棉稈炭累積礦化量得出。

數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析。時間上的變化采用單因素方差分析,處理間的比較用單因素和雙因素兩種方差分析方法,單因素多重比較用Duncan法(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉桿炭SEM特性

300℃和600℃制備的棉桿炭孔隙數(shù)量和大小均不相同,具有明顯的多孔結(jié)構(gòu),且形狀規(guī)則(圖1)。300 ℃制備棉桿炭明顯的管狀結(jié)構(gòu),管壁表面欠光滑且比較粗糙,大部分通道被阻塞；600℃制備的棉稈炭,管狀結(jié)構(gòu)更加規(guī)則,數(shù)量明顯增加,孔徑逐步增大,管壁更加光滑,管道更加通暢。由此說明,高溫制備的棉桿炭比低溫制備的棉桿炭孔隙結(jié)構(gòu)更加發(fā)達,管壁更加光滑,更加有利于棉桿炭孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積的形成。

圖1 300℃和600℃棉桿炭電鏡掃描Fig.1 SEM images of cotton stalk-char at 300℃ and 600℃

2.2 棉桿炭表面官能團

圖2 300℃和600℃棉桿炭紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectrum of cotton stalk-char at 300℃and 600℃

2.3 棉稈炭和土壤有機碳礦化動態(tài)

圖3 棉稈炭礦化速率Fig.3 Mineralization rate of cotton stalk-char

由圖3可知,300℃純棉稈炭的日均礦化速率在0—10 d內(nèi)快速上升,10 d后急劇下降,60 d后趨于平穩(wěn),隨時間的變化符合乘冪關(guān)系(R2=0.8635,P<0.05)。在100 d培養(yǎng)期內(nèi)棉稈炭的累積礦化量為9.55 g/kg,累積礦化率為1.59%,說明300℃棉稈炭易分解的有機碳成分占有機碳總量小于2.0%。試驗初期(0—10 d)棉稈炭礦化速率最大,是因為300℃條件下棉稈炭化不完全,棉稈本身在培養(yǎng)過程中釋放了部分有機碳,增加了棉稈炭的礦化速率。而在棉稈炭以及棉稈本身易分解有機碳礦化結(jié)束后,300℃棉稈炭的礦化速率開始降低,并趨于穩(wěn)定。

600℃純棉稈炭在培養(yǎng)條件下的日均礦化速率在0—10 d內(nèi)快速降低,10 d后趨于平穩(wěn),隨時間的變化符合乘冪關(guān)系(R2=0.9677,P<0.01)。在100 d培養(yǎng)期內(nèi)棉稈炭累積礦化量為2.28 g/kg,累積礦化率為0.85%,說明600℃棉稈炭易分解的有機碳成分占有機碳總量不足1.0%。試驗初期棉稈炭礦化速率最大,是因為棉稈炭自身擁有部分易分解成分,在棉稈炭易分解態(tài)有機碳礦化結(jié)束后,600℃棉稈炭的礦化速率迅速降低,并趨于穩(wěn)定(圖3)。

從圖4可知,灰漠土中添加不同量的棉稈炭后,土壤有機碳日均礦化速率隨時間變化基本呈現(xiàn)一致的趨勢。與培養(yǎng)初期(2 d)相比,培養(yǎng)至40 d時添加300℃棉稈炭的土壤各處理有機碳的礦化速率下降了85.88%—89.47%；添加600℃棉稈炭的土壤下降了85.27%—90.00%。40 d后有機碳的礦化漸趨平穩(wěn),且各處理間的日均礦化速率差異逐漸減小?；貧w分析表明,土壤有機碳礦化速率隨時間呈乘冪關(guān)系,擬合效果均達到顯著水平(P<0.05)。添加300℃和600℃棉稈炭的土壤各處理中的R2分別為0.9753—0.9916和0.9376—0.9688。

圖4 土壤總有機碳礦化速率Fig.4 Mineralization rate of soil total organic carbon

2.4 土壤有機碳總礦化量及礦化速率

由圖5可知,灰漠土中分別添加300℃和600℃棉稈炭0(CK)、0.1%、0.5%、1.0%和2.0%,培養(yǎng)100 d后土壤總有機碳的累積礦化量分別為：470.99、437.01、485.37、528.72、637.16 mg/kg和470.99、441.65、442.23、420.15、427.64 mg/kg。方差分析表明,添加低量的300℃棉稈炭(0.1%)處理的土壤總有機碳累積礦化量顯著低于對照(P<0.05),其他處理土壤有機碳累積礦化量均顯著高于對照(P<0.05),且隨棉稈炭添加量增加而增大,各處理之間差異顯著(P<0.05)。添加600℃的棉稈炭降低了灰漠土土壤總有機碳累積礦化量,與對照相比,添加不同量棉稈炭各處理土壤總有機碳累積礦化量差異顯著(P<0.05)。

圖5 土壤總有機碳累積礦化量Fig.5 Accumulative mineralization content of TOC

從圖6可以看出,灰漠土中分別添加300℃和600℃棉稈炭0、0.1%、0.5%、1.0%和2.0%,培養(yǎng)100 d后其總有機碳累積礦化率分別為5.21%、4.53%、4.04%、3.53%、3.06%和5.21%、4.74%、4.26%、3.59%、2.99%,且各處理間差異顯著(P<0.05)；添加300℃和600℃棉稈炭都降低了灰漠土總有機碳的累積礦化速率,且添加比例為0.1%、0.5%和1.0%時,600℃棉稈炭的累積礦化速率分別比300℃的棉稈炭高4.65%、5.56%和1.71%,添加2.0% 600℃棉稈炭的處理則比300℃的棉稈炭低2.45%。

圖6 土壤總有機碳累積礦化率Fig.6 Accumulative mineralization rate of TOC

2.5 棉稈炭對土壤原有有機碳激發(fā)效應(yīng)

從圖7可知,在培養(yǎng)0—20 d內(nèi),灰漠土各處理中添加300℃棉稈炭對土壤原有有機碳激發(fā)效應(yīng)隨棉稈炭添加量的增加而增大,表現(xiàn)為正激發(fā)效應(yīng)(0.1%處理除外)；而20—100 d內(nèi)均表現(xiàn)為負激發(fā)效應(yīng)。在培養(yǎng)0—5 d內(nèi),土壤各處理中添加600℃棉稈炭對灰漠土原有有機碳的激發(fā)效應(yīng)隨棉稈炭添加量的增加而降低,且低于300℃棉稈炭的激發(fā)效應(yīng),但總體上表現(xiàn)為正激發(fā)效應(yīng)；5—100 d各處理表現(xiàn)為一致的負激發(fā)效應(yīng)?？傮w來看,灰漠土添加棉稈炭在培養(yǎng)前期對土壤原有有機碳的激發(fā)效應(yīng)表現(xiàn)為正激發(fā),而后則表現(xiàn)為負激發(fā),且棉花秸稈炭化溫度越低,對灰漠土原有有機碳礦化正激發(fā)效應(yīng)越明顯,維持時間越長,而炭化溫度越高對灰漠土土壤的負激發(fā)效應(yīng)維持的時間更長也更穩(wěn)定。

圖7 原有土壤有機碳激發(fā)效應(yīng)Fig.7 Priming effects on native soil organic carbon in different time interval

3 討論

由于自然條件、生物炭特性和土壤性質(zhì)不同[14]以及它們之間復(fù)雜的相互作用[15- 16],使得生物炭添加對土壤有機碳礦化作用存在正激發(fā)[25]、負激發(fā)[9-10]和無激發(fā)效應(yīng)[29],具有很大的不確定性。Wardle等[20]指出450℃炭化的木炭對森林土壤腐殖質(zhì)分解具有強烈激發(fā)作用,而對礦質(zhì)土壤無激發(fā)作用。Luo等[17]認為不同裂解溫度制備的生物炭由于其所含活性有機質(zhì)成分不同,低溫(350℃)制備的生物炭具有較高的活性有機成分,對土壤有機碳表現(xiàn)出明顯的正激發(fā)效應(yīng),高溫(700℃)制備的生物炭正激發(fā)效應(yīng)相對較小。Zimmerman等[19]在低土壤有機碳含量的土壤也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。謝祖彬等[30]則認為由于生物炭巨大的比表面積和孔隙度,能夠吸附養(yǎng)分,降低了微生物活動,從而抑制了土壤原有有機碳的礦化。而Spokas和Reicosky[27]認為生物炭原料類型、裂解溫度及其物理化學(xué)特性與土壤中二氧化碳排放沒有明顯的相關(guān)性。

本研究發(fā)現(xiàn),棉桿炭添加對灰漠土土壤有機碳礦化前期表現(xiàn)為正激發(fā)效應(yīng),后期表現(xiàn)為負激發(fā)效應(yīng),高溫(600℃)制備的棉桿炭相比低溫(300℃)制備的棉桿炭正激發(fā)效應(yīng)更短,但整個培養(yǎng)期內(nèi)(100 d)總體為負激發(fā)效應(yīng)。本研究表明,300℃炭化的棉桿炭其礦化速率和累積礦化量均高于600℃炭化的棉桿炭,激發(fā)了土壤有機碳礦化,增加了土壤累積礦化量,這可能是由于低溫制備的棉桿炭具有更多的活性有機物質(zhì),其穩(wěn)定性差[31],為微生物提供了棲息地和碳源[17,32],增加了微生物生物量和活性,加速了活性有機物質(zhì)的分解[33],并通過生物炭和土壤之間的相互作用,增加了胞外酶產(chǎn)生的直接作用[34],提高了土壤革蘭氏陽性/革蘭氏陰性細菌的比例[35],因此低溫制備的棉桿炭更能促進土壤有機碳礦化和土壤累積礦化量[8,21,36]；培養(yǎng)10 d后,0.1%和0.5%棉桿炭添加量,其礦化速率開始低于空白對照處理,這是由于前期礦化速率較快,生物炭和土壤中的活性有機物質(zhì)逐步消耗殆盡[25],或者活性有機物質(zhì)含量降低,不抵棉桿炭包封作用和吸附保護作用[37]。而高溫制備的棉桿炭,其活性成分較低,具有更大孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積[30]以及復(fù)雜的芳香化結(jié)構(gòu),更多的活性有機物質(zhì)成分吸附在棉桿炭表面或者孔隙內(nèi)[9,38-39],同時有可能釋放更多的有毒物質(zhì),抑制了微生物生長和活性[20,40],有機-無機礦物相互作用導(dǎo)致的土壤有機碳更加穩(wěn)定[25],從而抑制了土壤有機碳礦化,降低了土壤累積礦化量。因此,短期培養(yǎng)后(0—10 d),棉桿炭對土壤有機碳的激發(fā)效應(yīng)逐漸消失,開始轉(zhuǎn)變?yōu)樨摷ぐl(fā)效應(yīng)。

生物炭原材料、裂解溫度以及制備方法不同,致使生物炭特性差異,同時土壤、環(huán)境條件都會影響生物炭在土壤的反應(yīng),導(dǎo)致土壤原有有機碳礦化激發(fā)效應(yīng)的差異[4]。劉艷萍等[41]發(fā)現(xiàn)不同裂解溫度(300℃、600℃和850℃)制備的水稻秸稈生物炭對土壤原有有機碳激發(fā)效應(yīng)表現(xiàn)為培養(yǎng)后期抑制現(xiàn)象。趙次嫻等[37]利用蔗渣770℃裂解制備的生物炭也呈現(xiàn)類似的趨勢,本研究結(jié)論與此相似。裂解溫度越高,生物炭顆粒物理化學(xué)以及微生物穩(wěn)定性越強[42],不利于其在土壤中的化學(xué)和微生物降解,與土壤礦物顆粒形成有機-無機復(fù)合體,進而形成更加穩(wěn)定的微團聚體[43],具有更強抗分解能力,因此,對土壤原有有機碳的抑制作用更加明顯。

4 結(jié)論

(1)炭化溫度影響棉桿炭孔隙結(jié)構(gòu)和官能團,高溫(600℃)制備的棉桿炭相比低溫(300℃)裂解制備的棉桿炭具有更加復(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),芳香化程度更高,穩(wěn)定性更強。

(2)棉桿炭和土壤有機碳礦化速率隨時間變化呈乘冪關(guān)系,炭化溫度越高,棉桿炭累積礦化量和累積礦化率越低,添加600℃棉桿炭相比300℃棉桿炭分別降低了83.35%和62.72%。相比對照處理,添加300℃棉桿炭增加了土壤有機碳累積礦化量,并隨棉桿炭添加量增加而增加,土壤有機碳累積礦化量提高幅度在3.05%—35.28%；而添加600℃棉桿炭降低了土壤有機碳累積礦化量,降低比例為6.11%—10.79%。

(3)前期添加300℃棉桿炭對土壤原有有機碳礦化為正激發(fā)效應(yīng),而600℃棉桿炭正激發(fā)效應(yīng)微弱,而后期均為負激發(fā)效應(yīng)。添加棉桿炭能提高土壤有機碳含量,促進土壤有機碳累積。