不同灰分生物質(zhì)炭對(duì)紅壤理化特性與微生物特性的影響

簡(jiǎn)秀梅 陳學(xué)濡 劉富豪 杜衍紅 付小燕 蔣恩臣

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物基材料與能源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510640； 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣州 510640； 3.廣東省生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究所廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510650；4.廣州市番禺區(qū)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)所， 廣州 511400)

0 引言

紅壤是華南地區(qū)典型的土壤類型之一，是一種缺乏堿金屬和堿土金屬而富含鐵、鋁氧化物，呈酸性紅色的土壤。紅壤質(zhì)地粘重，易板結(jié)、易干旱。由于紅壤不合理開(kāi)發(fā)利用造成了水土流失、土壤退化、土壤污染，因此改善紅壤的持水能力、肥力和土壤微生物環(huán)境，對(duì)于提高紅壤的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出具有重要意義[1-2]。

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)在一定溫度和厭氧條件下經(jīng)過(guò)熱解作用后形成的一種比表面積大、富含碳的有機(jī)物質(zhì)。生物質(zhì)炭可通過(guò)自身理化特性影響土壤理化特性，同時(shí)又影響土壤微生物活性和微生物群落結(jié)構(gòu)[3]。生物質(zhì)炭作為一種土壤理化特性改良劑，已經(jīng)在農(nóng)作物和植物生產(chǎn)、溫室氣體減排和污染物修復(fù)方面進(jìn)行了試驗(yàn)。研究表明，適當(dāng)使用生物質(zhì)炭作為土壤改良劑，可以保持和增加土壤水分和養(yǎng)分，減少土壤溫室氣體的排放，釋放可溶性C和提高微量營(yíng)養(yǎng)素的有效性，提高酸性土壤的pH值，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增加各種土壤的作物產(chǎn)量[4-6]。同時(shí)，土壤微生物在維持土壤功能方面起著重要作用，具有分解、養(yǎng)分循環(huán)、生物修復(fù)、維持土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定和促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成的功能，因而可改善土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)。生物質(zhì)炭雖然含有大量惰性物質(zhì)，但其高表面積、多孔性和吸附可溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力可以為微生物的生存和繁殖提供場(chǎng)所和能源物質(zhì)[7]。但生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物也有一些負(fù)面影響。研究表明，生物質(zhì)炭對(duì)土壤生物群落，包括土壤彈尾蟲(chóng)和蚯蚓，具有生態(tài)毒性[8]。因此，研究添加生物質(zhì)炭肥料對(duì)土壤理化特性、微生物特性的協(xié)同影響，可為作物生產(chǎn)的土壤健康評(píng)估提供參考[9]。

生物質(zhì)炭來(lái)源廣泛，且性質(zhì)各異，施用量與土壤環(huán)境條件也各不相同，這使得生物質(zhì)炭施加對(duì)土壤理化特性和土壤微生物特性有不同的影響。當(dāng)使用不同類型的原料或在不同熱解條件下生產(chǎn)時(shí)，生物質(zhì)炭的特性通常會(huì)發(fā)生變化[10-11]。與農(nóng)林生物質(zhì)相比，非農(nóng)林生物質(zhì)(生活污泥、畜禽糞便)含有高灰分，產(chǎn)生的生物質(zhì)炭在土壤中保留氮的能力更強(qiáng)[12]。高溫?zé)峤?大于400℃)產(chǎn)生孔隙度豐富的生物質(zhì)炭，可促進(jìn)植物根系在堅(jiān)硬土壤中的生長(zhǎng)，還可以為多種微生物的生長(zhǎng)提供棲息地，最終提高作物產(chǎn)量[13]；低溫?zé)峤?小于400℃)產(chǎn)生的低比表面積的生物質(zhì)炭物理吸附作用較低，但是保留了用作陽(yáng)離子交換的表面官能團(tuán)，促進(jìn)了化學(xué)吸附。生物質(zhì)炭粒徑影響土壤特性和微生物群落結(jié)構(gòu)[14]，粒徑2 mm生物質(zhì)炭比粒徑小于0.42 mm生物質(zhì)炭更穩(wěn)定，而粒徑小于0.25 mm生物質(zhì)炭的礦化率高于粒徑大于0.25 mm生物質(zhì)炭。生物質(zhì)炭的施用量與土壤微生物特性有相關(guān)關(guān)系。LIAO等[15]研究發(fā)現(xiàn)，與較低的施用量(2.25 t/hm2)及對(duì)照組相比，較高的棉花秸稈生物質(zhì)炭施用量(4.5 t/hm2)可提高微生物群落組成、土壤微生物生物量、C底物利用率和與C、N轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶活性。NAN等[16]研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)4年施用較低施用量(2.8 t/hm2)的稻殼炭，也可顯著提高水稻產(chǎn)量，這主要由于稻殼生物質(zhì)炭具備獨(dú)特的表面官能團(tuán)，導(dǎo)致土壤鉀、鎂含量增加，同時(shí)由于稻殼炭自身難降解固定碳，改善了土壤細(xì)菌間的協(xié)同關(guān)系，因而促進(jìn)水稻產(chǎn)量的增加。在不同肥力和酸堿性土壤改良中，不同生物質(zhì)炭的改良效應(yīng)與生物質(zhì)炭特性相關(guān)。低肥力酸性土壤中，低溫?zé)峤獾柠溄諏?duì)土壤的氮、磷和鉀的有效性具有顯著促進(jìn)作用[17]；在堿性土壤改良研究中，低溫?zé)峤?300℃)畜禽糞便生物質(zhì)炭的施用能提高植物氮、磷、鉀營(yíng)養(yǎng)，但降低了植物有效鐵(Fe)、鋅(Zn)、銅(Cu)和錳(Mn)的濃度[18]。因此，在生物質(zhì)炭用作土壤改良劑之前，掌握生物質(zhì)炭理化特性對(duì)土壤理化特性和微生物特性的正激發(fā)效應(yīng)、負(fù)激發(fā)效應(yīng)很有必要[19]。

在改善土壤功能時(shí)，必須考慮在土壤中添加適當(dāng)和適量的生物質(zhì)炭。近年來(lái)，生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究廣泛，但目前研究較多的是生物質(zhì)炭?jī)?yōu)異的理化性質(zhì)(高孔隙率、比表面積大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定)對(duì)土壤的改良，而對(duì)生物質(zhì)炭的營(yíng)養(yǎng)特性關(guān)注較少[20]。生物質(zhì)炭的營(yíng)養(yǎng)效應(yīng)指生物質(zhì)在熱解過(guò)程中保留并濃縮了生物質(zhì)多種微量元素[21]，即生物質(zhì)炭的灰分。生物質(zhì)炭灰分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在0.3%～92.4%之間，生物質(zhì)炭中灰分含量最高的是生活污泥和動(dòng)物糞便，而以草本飼料為原料的生物質(zhì)炭灰分含量最低[22]。富營(yíng)養(yǎng)灰分和多孔碳結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)炭具有改善土壤質(zhì)量的潛力[23]。

本研究通過(guò)室內(nèi)盆栽試驗(yàn)闡明高灰分和低灰分生物質(zhì)炭在改良酸性紅壤中的作用，評(píng)價(jià)高灰分和低灰分生物質(zhì)炭的理化特性，研究不同添加量、不同灰分含量的生物質(zhì)炭對(duì)土壤理化特性的影響，探究高灰分和低灰分生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物群落數(shù)量、微生物生物量碳含量和微生物活性的影響，從而闡述生物質(zhì)炭的理化特性對(duì)酸性土壤理化特性和微生物特性的協(xié)同影響，探討高灰分生物質(zhì)炭作為酸性紅壤改良劑的潛在機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 生物質(zhì)炭制備及土壤試驗(yàn)

分別以稻殼和油茶殼作為原料，于70℃干燥箱干燥24 h，在無(wú)氧狀態(tài)下炭化爐從室溫(20℃)升溫至500℃熱解并保溫1 h，斷開(kāi)電源后，生物質(zhì)炭隨炭化爐冷卻至室溫。所制備的生物質(zhì)炭研磨，過(guò)0.425 mm篩(40目)備用。

試驗(yàn)土壤為采自湛江甘蔗種植基地的紅壤，使用五點(diǎn)采樣法采集0～15 cm深度的表層土壤，采集后風(fēng)干，并去除植物幼根等殘留生物質(zhì)，研磨后過(guò)2 mm篩(10目)備用。試驗(yàn)土壤的pH值為5.4，堿解氮質(zhì)量比為38.9 mg/kg，速效磷質(zhì)量比為19.3 mg/kg，速效鉀質(zhì)量比為79.2 mg/kg。

所有處理的土壤添加量均為5 kg，生物質(zhì)炭與土壤的質(zhì)量百分比分別為0(對(duì)照CK)、1%、2%、3%、5%和10%，炭土混合后放置于塑料盆，各處理設(shè)2次重復(fù)。培養(yǎng)期間每隔7 d定期稱量補(bǔ)水至盆中土壤含水率為28%，相當(dāng)于75%田間持水率[24]。生物質(zhì)炭處理土壤50 d后，測(cè)定土壤的理化性質(zhì)、土壤微生物群落數(shù)量、微生物生物量碳含量和微生物活性。生物質(zhì)炭處理土壤樣品命名：前綴數(shù)字代表炭土比例，中間字母COS(Camelliaoleiferashell)及RH(Rice husk)分別代表油茶殼和稻殼，最后字母C(Char)代表生物質(zhì)炭樣品，如5%COSC代表炭土比為5%的油茶殼炭樣品。

1.2 生物質(zhì)炭表征

采用NETZSCH STA449C型綜合熱分析儀進(jìn)行生物質(zhì)原料的熱重分析(TG-DTG)。生物質(zhì)炭pH值的測(cè)定采用固水比為1∶20，150 r/min攪拌5 min，用Mettler-Toledo型pH計(jì)測(cè)定上清液。使用工業(yè)分析儀測(cè)試生物質(zhì)炭的水分、灰分、揮發(fā)分含量，采用差減法計(jì)算固定碳含量[25]。采用干燃燒法于Perking Elmer 2400系列Ⅱ型CHNS分析儀測(cè)定生物質(zhì)炭的元素組成(CHNS)，采用差減法計(jì)算氧元素含量。采用ASAP2000型全自動(dòng)物理吸附儀測(cè)試生物質(zhì)炭的比表面積和孔徑分布。采用BRUKER TENSOR Ⅱ型傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)測(cè)定生物質(zhì)炭有機(jī)官能團(tuán)。

1.3 土壤理化性質(zhì)和微生物特性測(cè)試

土壤理化性質(zhì)測(cè)定方法：土壤的含水率測(cè)試采用新鮮土壤于105℃干燥箱干燥6～8 h至質(zhì)量恒定，然后測(cè)定其含水率。土壤的pH值測(cè)試采用pH計(jì)測(cè)試土水比為10∶25的懸濁液(攪拌5 min，靜止30 min)。堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法，速效磷含量采用鹽酸氟化銨浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀含量采用乙酸銨浸提-原子吸收分光光度法[26]。

土壤微生物特性測(cè)試方法：土壤微生物菌落(細(xì)菌、真菌和放線菌)數(shù)量測(cè)試采用平板梯度稀釋法[27]，其中細(xì)菌培養(yǎng)基為牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，真菌培養(yǎng)基為馬丁氏培養(yǎng)基，放線菌培養(yǎng)基為高氏一號(hào)瓊脂培養(yǎng)基，并分別進(jìn)行微生物的分離和計(jì)數(shù)，計(jì)算每克干土中的微生物數(shù)量(CFU/g )。土壤微生物的生物量碳(MBC)含量測(cè)試使用精氨酸誘導(dǎo)氨化法[28]，向土壤加入一定量的精氨酸水溶液，培養(yǎng)4 h后，通過(guò)紫外分光光度計(jì)測(cè)定土壤中銨態(tài)氮含量來(lái)計(jì)算土壤微生物的生物量。土壤微生物活性的測(cè)定使用密閉培養(yǎng)呼吸法[29]和堿液法[30]。利用一定濃度的NaOH溶液吸收由土壤微生物呼吸作用所釋放出的CO2，然后用標(biāo)準(zhǔn)HCl溶液滴定剩余的NaOH量，再根據(jù)NaOH溶液的消耗量，計(jì)算CO2的釋放量即微生物呼吸作用強(qiáng)度。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2007和Origin 9.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及繪圖；采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)土壤理化性質(zhì)、土壤微生物群落數(shù)量、生物量碳含量和微生物活性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。多組平均數(shù)比較采用單因素方差分析(ANOVA)，組間兩兩比較采用最小顯著性差異法(LSD法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料及生物質(zhì)炭表征

2.1.1熱重(TG-DTG)分析

稻殼和油茶殼的熱重譜圖(TG)和微分熱重譜圖(DTG)如圖1所示。稻殼和油茶殼的熱分解主要發(fā)生在180～500℃之間，在900℃最終溫度下的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為33.00%和22.72%(圖1a)。此外，稻殼的灰分含量較高，在900℃時(shí)最終質(zhì)量損失較小，油茶殼的揮發(fā)分含量較高，在900℃時(shí)最終質(zhì)量損失較大。由圖1b可知，4個(gè)特定的溫度間隔分別為4個(gè)質(zhì)量損失區(qū)域[31]：區(qū)域Ⅰ溫度范圍為40～210℃，指的是稻殼和油茶殼在105℃下相對(duì)于最終干基的質(zhì)量損失；區(qū)域Ⅱ溫度范圍為210～420℃，這是指碳水化合物和烷基不穩(wěn)定體系的熱轉(zhuǎn)化導(dǎo)致的最大揮發(fā)分，代表了生物質(zhì)原料的典型熱解降解曲線，稻殼和油茶殼原料都具有相同的特征；區(qū)域Ⅲ包括芳香族部分熱轉(zhuǎn)變的間隔(420～570℃)；區(qū)域Ⅳ在570～800℃之間，是由于礦物和生物鹽如鈣和碳酸鉀的降解。兩種原料均沒(méi)有出現(xiàn)區(qū)域Ⅲ和區(qū)域Ⅳ的明顯質(zhì)量轉(zhuǎn)變。根據(jù)TG-DTG結(jié)果分析，稻殼和油茶殼原料是碳水化合物和烷基的復(fù)雜混合物，適宜的熱解溫度為500℃。

圖1 稻殼與油茶殼原料的熱重分析Fig.1 Thermograms (TG) and the first derivatives of thermograms (DTG) for biomass

2.1.2理化特性分析

生物質(zhì)炭的工業(yè)分析、元素分析、pH值和比表面積如表1所示。油茶殼炭的揮發(fā)分含量較高，而稻殼炭的灰分含量較高，表明500℃油茶殼炭的易熱解揮發(fā)的有機(jī)質(zhì)比500℃稻殼炭多，而500℃稻殼炭含有更多的礦物質(zhì)元素。H/C可作為碳化或芳香度的一個(gè)參數(shù)，H/C低表明生物質(zhì)炭碳化程度和芳香度高[32]；O/C可作為生物質(zhì)炭穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[33]，O/C高表明生物質(zhì)炭含有更多的羥基、羧基和羰基等含氧官能團(tuán)；C/N可表征難降解碳化合物含量[3]。元素分析結(jié)果表明，稻殼炭與油茶殼炭相比較，稻殼炭具有較低的H/C和C/N，較高的O/C，表明稻殼炭碳化程度高，同時(shí)含有更多的含氧官能團(tuán)，但含有較少的難降解碳化合物。稻殼炭與油茶殼炭的pH值均在9.0以上，呈堿性。高溫?zé)峤庵苽涞纳镔|(zhì)炭中堿性物質(zhì)主要以碳酸鹽形態(tài)存在，低溫制備生物質(zhì)炭的堿性則由生物質(zhì)炭含有的—COOH和—OH決定。而稻殼炭的比表面積約是油茶殼炭的3倍，與其碳化程度高相一致。

表1 稻殼炭與油茶殼炭的理化特性Tab.1 Characteristics of rice husk biochar (RHC) and Camellia oleifera shell biochar (COSC)

2.1.3氮?dú)馕教匦耘c孔徑分布分析

圖2為稻殼炭和油茶殼炭的氮?dú)馕?脫附等溫線和孔徑分布圖。由圖2a可知，根據(jù)IUPAC分類樣品[34]，在壓力范圍內(nèi)，稻殼炭的吸附-脫附等溫線可歸為Ⅲ型等溫線，這表明了稻殼炭存在大量的介孔以及少部分的大孔，且在壓力區(qū)域存在有H4型洄滯環(huán)，樣品含有狹窄裂隙孔。油茶殼炭的氮?dú)馕?脫附等溫線在壓力范圍內(nèi)無(wú)明顯吸附量的增加，分析原因可能是由其內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)達(dá)，所含介孔、大孔較少導(dǎo)致。由圖2b可知，稻殼炭于4～6 nm處存在大量介孔，且內(nèi)部孔隙主要存在于3～40 nm范圍內(nèi)，與其氮?dú)馕?脫附等溫線表現(xiàn)一致。油茶殼炭不含微孔，所含介孔與大孔數(shù)量很少，與其氮?dú)馕?脫附等溫線表現(xiàn)一致。

圖2 稻殼炭與稻殼炭的氮?dú)馕?脫附等溫線和孔徑分布圖Fig.2 Nitrogen adsorption-desorption isotherms and pore size distributions of RHC and COSC

2.1.4紅外光譜(FTIR)分析

圖3 稻殼炭和油茶殼炭的紅外光譜圖Fig.3 FTIR spectra of RHC and COSC

2.2 生物質(zhì)炭對(duì)土壤理化特性的影響

2.2.1對(duì)土壤含水率的影響

不同添加量的稻殼炭(RHC)與油茶殼炭(COSC)對(duì)土壤含水率的影響如圖4(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同)所示。添加少量RHC(1%～5%)對(duì)土壤含水率(17.47%～18.93%)影響不顯著，但添加10%RHC的土壤含水率較對(duì)照組顯著(p<0.05)增加至28.28%。生物質(zhì)炭表征結(jié)果表明，RHC含有高的O/C比，保留脂肪族疏水官能團(tuán)，因而可被水取代，生物質(zhì)炭的親水性和持水能力增強(qiáng)[33]。而油茶殼炭添加量增加，則使土壤含水率呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)。

圖4 不同添加量稻殼炭與油茶殼炭對(duì)土壤含水率的影響Fig.4 Effect of different adding rates of RHC and COSC on soil water content

2.2.2對(duì)土壤pH值的影響

不同添加量的稻殼炭(RHC)和油茶殼炭(COSC)對(duì)土壤pH值的影響如圖5所示。不同添加量的兩種生物質(zhì)炭的處理均降低了土壤酸度(即土壤pH值上升)，且pH值與生物質(zhì)炭添加量呈正向關(guān)系，其中增幅最大的是10%RHC與10%COOSC處理，pH值由對(duì)照土壤的5.40均增加至7.75。

圖5 不同添加量稻殼炭與油茶殼炭對(duì)土壤pH值的影響Fig.5 Effect of different adding rates of RHC and COSC on soil pH value

2.2.3對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

不同添加量的稻殼炭(RHC)和油茶殼炭(COSC)對(duì)土壤養(yǎng)分的影響如圖6所示。土壤中的堿解氮、速效磷、速效鉀含量與稻殼炭的添加量呈正向關(guān)系，而速效鉀含量的提高最為顯著。添加10%RHC使土壤速效鉀質(zhì)量比由對(duì)照組的72.89 mg/kg，增加到507.00 mg/kg，增幅達(dá)6倍，土壤堿解氮質(zhì)量比比空白對(duì)照組增加了84.83%。但速效磷質(zhì)量比的增幅較為平緩，10%RHC土壤的速效磷質(zhì)量比為32.90 mg/kg，比空白對(duì)照組增加了70.47%。油茶殼炭施加對(duì)土壤的堿解氮有負(fù)相關(guān)影響，5%和10%的添加量均使土壤堿解氮含量低于對(duì)照組，分別下降了14.65%和29.27%，而對(duì)土壤的速效磷、速效鉀含量有正相關(guān)影響。

圖6 不同添加量稻殼炭與油茶殼炭對(duì)土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量的影響Fig.6 Effect of different adding rates of RHC and COSC on contents of alkaline nitrogen, available phosphorus and available potassium

圖7 不同添加量稻殼炭與油茶殼炭對(duì)土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量的影響Fig.7 Effect of different adding rates of RHC and COSC on soil bacterial quantity, fungi quantity and actinomycetes quantity

2.3 生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物特性的影響

2.3.1對(duì)土壤微生物群落數(shù)量的影響

不同添加量的稻殼炭(RHC)和油茶殼炭(COSC)對(duì)土壤微生物群落數(shù)量的影響如圖7所示。不同添加量的生物質(zhì)炭(1%～10%)對(duì)土壤微生物的細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量均有正向關(guān)系。尤其，添加5%RHC在同類型稻殼炭中影響顯著，使細(xì)菌、真菌、放線菌的數(shù)量較對(duì)照土壤的4.07×105、2×103、6.33×105CFU/g分別提高到4.64×106、1.6×104、5.15×106CFU/g，分別增長(zhǎng)了1 040.05%、715.00%和713.59%。添加5% COSC為同類型油茶殼炭中影響最顯著，使細(xì)菌、真菌、放線菌的數(shù)量較對(duì)照土壤分別提高到3.367×106、2.7×104、3.45×106CFU/g，較對(duì)照組分別增長(zhǎng)了727.27%、1 265.00%和445.02%。

2.3.2對(duì)土壤微生物生物量碳的影響

不同添加量的稻殼炭(RHC)和油茶殼炭(COSC)對(duì)土壤微生物生物量碳含量的影響如圖8所示。微生物生物量碳是表示土壤生物肥力的一項(xiàng)重要標(biāo)志，同時(shí)也是土壤有機(jī)質(zhì)中最活躍的部分。不同添加量的稻殼炭和油茶殼炭均有效增加土壤微生物生物量碳含量，這可能因?yàn)樯镔|(zhì)炭巨大的比表面積及疏松多孔的結(jié)構(gòu)，改善了土壤孔隙度，提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，協(xié)調(diào)土壤水、肥、氣、熱的平衡，為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供了良好的生存條件。同時(shí)稻殼炭對(duì)土壤微生物生物量碳含量的增幅僅為12.50%～87.50%，而不同添加量的油茶殼炭對(duì)土壤微生物生物量碳含量的影響顯著，5%COSC處理的土壤微生物生物量碳含量較對(duì)照組增長(zhǎng)了11倍。

圖8 不同添加量稻殼炭與油茶殼炭對(duì)土壤微生物生物量碳含量的影響Fig.8 Effect of different adding rates of RHC and COSC on microbial biomass carbon content

2.3.3對(duì)土壤微生物活性的影響

土壤呼吸強(qiáng)度是土壤微生物活性的重要標(biāo)志，因而土壤微生物活性可用土壤呼吸的CO2濃度表征。不同添加量的稻殼炭(RHC)和油茶殼炭(COSC)對(duì)土壤CO2濃度的影響如圖9所示。土壤CO2濃度隨著生物質(zhì)炭添加量的增加先提高后降低，5%RHC和5%COSC處理的土壤比空白對(duì)照組分別增加了60.50%和40.71%，稻殼炭處理土壤的微生物活性較油茶殼炭處理更高。結(jié)果表明，由于稻殼炭O/C比高，含氧官能團(tuán)(如羥基、羧基和羰基)被保留，穩(wěn)定性差，礦化速率高，可以增加根際微生物生物量碳含量和微生物活性[5]。因而，生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物活性的影響應(yīng)取決于生物質(zhì)炭的添加比例、施用生物質(zhì)炭中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量以及土壤中可利用無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量。

同時(shí)，不同添加量和不同原料的生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物活性的影響，沒(méi)有對(duì)土壤微生物菌落的影響明顯。然而，土壤微生物群落總活性作為測(cè)定微生物呼吸作用的指標(biāo)，可用于監(jiān)測(cè)生物質(zhì)炭處理土壤后pH值對(duì)細(xì)菌、真菌和放線菌的影響[37]。

圖9 不同添加量稻殼炭與油茶殼炭對(duì)土壤CO2含量的影響Fig.9 Effect of different adding rates of RHC and COSC on soil CO2 content

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭對(duì)土壤理化特性的影響

施加低添加量的COSC，能降低土壤的板結(jié)性，增加土壤持水能力。但施加大量的COSC，因?yàn)橛筒铓ぬ坑H水性的含氧官能團(tuán)較少和孔隙不發(fā)達(dá)，過(guò)量添加使土壤團(tuán)聚性下降，因而土壤親水性下降，降低土壤持水能力。

不同添加量的稻殼炭(RHC)和油茶殼炭(COSC)對(duì)土壤pH值的影響表明，兩種生物質(zhì)炭處理的pH值增加幅度相同，與稻殼炭和油茶殼炭的pH值差異性關(guān)系不大。同時(shí)，生物質(zhì)炭處理酸性土壤后使土壤酸度降低，增加了土壤pH值和Ca含量，降低了交換Al含量，從而改善了土壤微生物的生存環(huán)境[38]，因而生物質(zhì)炭改善土壤理化特性，協(xié)同影響了土壤微生物特性。

添加高灰分稻殼炭能顯著提高土壤必要的植物養(yǎng)分含量，如Ca、K、Mg和P，尤其是K含量[29]。因而，含有豐富水溶性礦質(zhì)元素的高灰分稻殼炭，能直接提高耕作土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素總量和作物可利用態(tài)含量[39]，可以作為速效鉀肥使用[40]。然而，添加油茶殼炭可能增加了土壤的陽(yáng)離子交換量，對(duì)于吸附帶正電的銨根離子產(chǎn)生積極作用，從而降低土壤的堿解氮含量，因此在施加氮肥時(shí)要注意參考耕地生物炭種類及添加量，以減少養(yǎng)分損失，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的利用效率。

3.2 生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物特性的影響

生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物群落的影響有3方面：微生物數(shù)量、微生物生物量碳含量和微生物活性。

兩種生物質(zhì)炭對(duì)微生物群落數(shù)量的影響，均為先促進(jìn)后抑制，表明了對(duì)于土壤微生物而言，生物質(zhì)炭的添加量有一個(gè)合適范圍，添加量超過(guò)合適范圍，對(duì)土壤微生物的生長(zhǎng)呈現(xiàn)抑制作用。其原因可能歸結(jié)為高濃度碳的添加量提高了土壤中無(wú)機(jī)鹽的濃度，導(dǎo)致滲透壓發(fā)生變化，影響微生物的正常生長(zhǎng)。

同時(shí)，稻殼炭和油茶殼炭處理的土壤中細(xì)菌與放線菌數(shù)量增幅遠(yuǎn)高于真菌數(shù)量。研究表明，生物質(zhì)炭的pH值是生物質(zhì)炭上生長(zhǎng)微生物的重要控制因素之一。適宜細(xì)菌生長(zhǎng)的pH值為6.5～7.5，放線菌生長(zhǎng)pH值為7.5～8.0，相反，酸性pH值有利于真菌生長(zhǎng)[37, 41]。因而，不同添加量的生物質(zhì)炭處理后土壤均呈堿性，適宜嗜好堿性環(huán)境的細(xì)菌與放線菌生長(zhǎng)。同時(shí)，嗜酸性的真菌數(shù)量在生物質(zhì)炭處理的堿性土壤數(shù)量不豐富。結(jié)果表明，生物質(zhì)炭添加對(duì)細(xì)菌、放線菌和真菌群落結(jié)構(gòu)的變化不一致，在田間條件下，生物質(zhì)炭改良土壤中動(dòng)態(tài)真菌群落結(jié)構(gòu)少于細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)[9]。

土壤微生物生物量碳含量隨兩種生物質(zhì)炭添加量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。添加生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物生物量碳含量有正激發(fā)效應(yīng)、負(fù)激發(fā)效應(yīng)或沒(méi)有效應(yīng)。正激發(fā)效應(yīng)的原因，添加適量的生物質(zhì)炭，生物質(zhì)炭表面可以吸附大量活性有機(jī)碳，成為土壤微生物良好的棲息地，從而促進(jìn)微生物生物量碳含量和活性的增加[43]。負(fù)激發(fā)效應(yīng)(沒(méi)有效應(yīng))，添加過(guò)量的生物質(zhì)炭，土壤本身有機(jī)質(zhì)中易礦化的可溶性有機(jī)碳可擴(kuò)散并被吸附到生物質(zhì)炭顆粒的微孔中，這些微孔平均孔徑小于大部分土壤微生物，從而阻止微生物進(jìn)入微孔并礦化可溶性有機(jī)碳，因而抑制土壤原有有機(jī)碳的分解。研究表明，施加具有較高的微孔孔隙度、比表面積大于200 m2/g 的生物質(zhì)炭有可能對(duì)土壤本身有機(jī)質(zhì)的礦化產(chǎn)生負(fù)激發(fā)效應(yīng)[44]。低灰分油茶殼炭具有較高的含碳量，因而適量添加可以提高土壤中微生物量碳含量，為微生物的生長(zhǎng)提供長(zhǎng)效養(yǎng)分[45]，促進(jìn)土壤微生物更好地利用土壤養(yǎng)分及更強(qiáng)的分解有機(jī)物能力，過(guò)量添加生物質(zhì)炭反而會(huì)抑制土壤有機(jī)碳的分解。

由于稻殼炭O/C比高，表明含氧官能團(tuán)(如羥基、羧基和羰基)被保留，礦化速率更高，可以增加根際微生物活性[5]。因而，生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物活性的影響，應(yīng)取決于生物質(zhì)炭的添加比例、施用生物質(zhì)炭中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量以及土壤中可利用無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量。

3.3 生物質(zhì)炭對(duì)土壤理化特性和微生物群落的協(xié)同影響

生物質(zhì)炭的高灰分含量有利于提高土壤營(yíng)養(yǎng)元素[24]，提高土壤中無(wú)機(jī)鹽的濃度，從而提高微生物營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，進(jìn)一步促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng)。同時(shí)，生物質(zhì)炭的添加豐富了土壤微生物群落數(shù)量，而微生物生長(zhǎng)推動(dòng)了土壤養(yǎng)分(如C、N和P)的循環(huán)，促進(jìn)了土壤養(yǎng)分變化，從而增加了作物的養(yǎng)分有效性[38]。因而，生物質(zhì)炭對(duì)土壤理化特性的直接影響，間接也影響了土壤微生物特性，而生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物特性的直接影響，也可間接影響土壤理化特性。

4 結(jié)論

(1)將500℃熱解的稻殼炭(RHC)和油茶殼炭(COSC)進(jìn)行比較，稻殼炭具有高灰分(30.69%)、低揮發(fā)分(14.30%)、低H/C和C/N、高O/C和比表面積、較豐富的孔隙，說(shuō)明稻殼炭的芳香化程度高、孔隙發(fā)達(dá)，同時(shí)含有更多的含氧官能團(tuán)和較少的難降解碳化合物。

(2)稻殼炭和油茶殼炭處理均可提高土壤含水率和pH值。土壤營(yíng)養(yǎng)成分隨著稻殼炭添加量的增加而增加，堿解氮、速效磷、速效鉀含量在稻殼炭添加量為10%時(shí)達(dá)到最大值。土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量隨稻殼炭和油茶殼炭添加量的增加先增加、后減小，5%RHC處理對(duì)細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量影響顯著，分別增長(zhǎng)了1 040.05%、715.00%和713.59%，5%COSC處理對(duì)土壤真菌數(shù)量影響顯著，增長(zhǎng)了1 265.00%。不同添加量稻殼炭和油茶殼炭處理均使土壤微生物生物量碳含量增加、微生物活性增大，增加幅度均隨著稻殼炭和油茶殼炭添加量的增加先增大、后減小。5%COSC處理對(duì)微生物生物碳含量影響顯著，比對(duì)照組增長(zhǎng)了11倍，5%RHC處理對(duì)微生物活性影響顯著，增加了60.50%。

(3)高灰分生物質(zhì)炭通過(guò)自身理化特性影響土壤理化特性，包括土壤pH值、含水率、可溶性碳(脂肪碳)的釋放、含氧官能團(tuán)和微量元素的有效性，并影響微生物群落和微生物活性。同時(shí)，添加高灰分生物質(zhì)炭引起的土壤微生物特性的改變又會(huì)協(xié)同影響土壤理化特性。