小麥玉米輪作條件下不同生物質(zhì)炭對(duì)土壤腐殖物質(zhì)的影響*

宋祥云，宋春燕，柳新偉，李 妍，孔祥平，李旭霖，崔德杰?

（1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東青島 266109；2. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院青島市農(nóng)村環(huán)境工程研究中心，山東青島 266109；3. 青島市嶗山區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東青島 266101；4. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)院，山東青島 266109）

土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)于改善土壤性質(zhì)、提高土壤肥力水平、促進(jìn)土壤生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要作用，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量水平的重要指標(biāo)[1]。土壤腐殖物質(zhì)（humic substances，HS）作為土壤有機(jī)質(zhì)重要的組分，包括胡敏酸（humic acid，HA）、富里酸（fulvic acid，F(xiàn)A）和胡敏素（humin，Hu）[2]。作為土壤有機(jī)質(zhì)存在的主要形態(tài)，HS可與土壤礦物形成有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體，進(jìn)而形成穩(wěn)定性良好的水穩(wěn)性團(tuán)聚體。增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，對(duì)提高土壤質(zhì)量有著重要的意義。

生物質(zhì)炭是在厭氧或限氧條件下由生物質(zhì)熱解產(chǎn)生的一種含碳量豐富的物質(zhì)[3-4]，生物質(zhì)炭可以顯著增加土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）含量[5]。在農(nóng)田施用生物質(zhì)炭作為一種有效的碳封存技術(shù)更是得到了廣泛應(yīng)用。施用秸稈生物質(zhì)炭有利于提高土壤穩(wěn)定碳庫(kù)[6]。Lee等[7]將秸稈生物質(zhì)炭施入農(nóng)田中可以提高土壤SOC的含量。王英惠等[8]研究表明，生物質(zhì)炭施入土壤后可以提高土壤SOC芳香族、羧基等官能團(tuán)的含量。施用生物質(zhì)炭土壤HA的縮合程度和芳香性增強(qiáng)，氧化度降低[9]。然而，施用不同生物質(zhì)炭對(duì)HS化學(xué)結(jié)構(gòu)特征的影響鮮有報(bào)道。

山東省作為農(nóng)業(yè)大省秸稈、果樹(shù)枝條等農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)量巨大[10]。將秸稈、果樹(shù)枝條等炭化后還田，有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的綠色發(fā)展，保持土壤健康。以往對(duì)生物質(zhì)炭的研究主要集中在生物質(zhì)炭自身性質(zhì)及用途或一種生物質(zhì)炭在土壤固碳減排方面的研究，鮮有對(duì)比不同來(lái)源生物質(zhì)炭對(duì)土壤HS組成和結(jié)構(gòu)特征的比較研究。本研究通過(guò)田間試驗(yàn)，探究了小麥玉米輪作條件下施用花生殼生物質(zhì)炭和木材生物質(zhì)炭對(duì)鹽化潮土HS含量及結(jié)構(gòu)的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2017年在山東省東營(yíng)市河口區(qū)利津縣進(jìn)行，種植作物為小麥-玉米輪作，土壤類型為鹽化潮土，土壤pH8.77，堿解氮87.28 mg·kg-1，有效磷8.58 mg·kg-1，速效鉀138.3 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)20.71 g·kg-1，電導(dǎo)率452.7 μS·cm-1，鹽分1.74 g·kg-1。花生殼生物質(zhì)炭含碳量455.9 g·kg-1，全氮含量8.76 g·kg-1。木材生物質(zhì)炭含碳量400.5 g·kg-1，全氮含量7.41 g·kg-1。生物質(zhì)炭在炭化爐中缺氧悶燒而得。花生殼生物質(zhì)炭燒制溫度為400～500℃，木材生物質(zhì)炭燒制溫度為350～450℃。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為66.7 m2。試驗(yàn)處理分別為不施肥（CK）；常規(guī)施肥（T1），單施磷酸二銨750 kg·hm-2；花生殼生物質(zhì)炭處理（T2），施花生殼生物質(zhì)炭15 t·hm-2+ 磷酸二銨750 kg·hm-2；木材生物質(zhì)炭處理（T3），施木材生物質(zhì)炭15 t·hm-2+磷酸二銨750 kg·hm-2?；ㄉ鷼ど镔|(zhì)炭和木材生物質(zhì)炭于2017年小麥播種前施入。2018年小麥和玉米收獲后分別采集0～20 cm土壤樣品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 土壤HS提取和純化 采用腐殖物質(zhì)組成修改法分別提取出水溶性物質(zhì)（water soluble substances，WSS）、可提取腐殖物質(zhì)（extractable humic substances，HE）、FA、HA和Hu[2]。采用去離子水提取出WSS；繼續(xù)用0.1 mol·L-1NaOH +0.1 mol·L-1Na4P2O7混合液提取出HE，將提取液pH用酸調(diào)節(jié)為1.0～1.5，靜置過(guò)夜后分離出沉淀物HA和溶液FA，過(guò)濾后得到FA，濾紙上的HA用0.05 mol·L-1NaOH溶解到容量瓶中。部分HA和FA經(jīng)透析袋透析純化后冷凍干燥。Hu經(jīng)30%HCl +30%HF浸洗24小時(shí)，重復(fù)6次，然后用去離子水將Hu洗至中性，風(fēng)干后磨細(xì)過(guò)0.25 mm篩。純化后的HA、FA和Hu用于紅外光譜測(cè)定。

1.3.2 樣品測(cè)定方法 土壤基本性質(zhì)采用常規(guī)分析方法[11]，電導(dǎo)率用DDS-11A型電導(dǎo)率儀測(cè)定，土壤鹽分用殘?jiān)娓少|(zhì)量法測(cè)定，生物質(zhì)炭、WSS、HA、Hu和SOC采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定，F(xiàn)A含量為HE含量減去HA含量。

1.3.3 HS元素分析和化學(xué)結(jié)構(gòu)的測(cè)定 元素分析采用元素分析儀（Vario MICRO，樣品分解溫度：900～1200℃）測(cè)定。土壤HS樣品采用紅外光譜（Fourier Transform Infrared，F(xiàn)TIR spectroscopy）測(cè)定。采用KBr壓片法，將純化后的樣品經(jīng)真空冷凍干燥后粉碎研細(xì)，在瑪瑙研缽中以樣品：KBr＝1︰200的比例混合研磨，壓片備用。在傅里葉變換紅外光譜儀（NICOLET is5，Thermo公司，美國(guó)）上測(cè)定，儀器分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為16次/min，測(cè)試范圍為4 000～400 cm-1[12]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)使用Excel 2016進(jìn)行處理，SPSS 22.0進(jìn)行顯著性差異分析。紅外光譜數(shù)據(jù)使用OMNIC 8.2軟件和Origin 7.5軟件進(jìn)行分析，對(duì)吸收峰進(jìn)行峰面積計(jì)算，用某一峰面積占各峰總面積的百分比來(lái)表示其官能團(tuán)的變化[12]。

2 結(jié) 果

2.1 不同處理對(duì)土壤HS含量的影響

表1 為小麥季（wheat growing season，WGS）和玉米季（maize growing season，MGS）SOC和HS含量。小麥季施用生物質(zhì)炭的T2、T3處理SOC含量為11.24、11.07 g·kg-1，均較T1處理（8.52 g·kg-1）顯著增加，增幅為2.72、2.55 g·kg-1。T2處理WSS含量為0.24 g·kg-1，較T1增加0.03 g·kg-1，T3處理則較T1減少了0.04 g·kg-1。T2和T3處理HA含量為2.59、2.02 g·kg-1，分別較T1增加了1.06、0.49 g·kg-1。而FA含量分別為1.05、1.49 g·kg-1，分別較T1增加了0.04、0.48 g·kg-1。Hu含量分別為6.15 g·kg-1和6.39 g·kg-1，分別較T1增加了0.23、0.47 g·kg-1。

表1 土壤有機(jī)碳和腐殖物質(zhì)含量Table 1 Contents of SOC and HS in the soil relative to treatment/(g·kg-1)

玉米季T2和T3處理同樣顯著增加了SOC含量，分別為13.06、12.40 g·kg-1，較T1（9.48 g·kg-1）增加了3.58 g·kg-1和2.92 g·kg-1。T2、T3處理WSS含量為0.28、0.21g·kg-1，與T1處理無(wú)顯著差異；HA含量分別為2.12、1.99 g·kg-1，較T1分別增加了0.25、0.12 g·kg-1，較小麥季對(duì)應(yīng)處理略有降低；FA含量分別為1.67、1.58 g·kg-1，較T1增加0.84、0.75 g·kg-1，較小麥季增加1.62、0.10 g·kg-1；Hu含量分別為6.69、6.74 g·kg-1，較T1增加0.81 g·kg-1和0.86 g·kg-1，較小麥季增加0.54 g·kg-1和0.35 g·kg-1。以上研究結(jié)果表明，施用生物質(zhì)炭可通過(guò)提高土壤HA、FA和Hu的含量進(jìn)而提高SOC含量；隨著HS各組分之間相互轉(zhuǎn)化，與施用生物質(zhì)炭前期相比后期土壤HA有減小轉(zhuǎn)化趨勢(shì)，F(xiàn)A和Hu有增加趨勢(shì)。

2.2 施用不同生物質(zhì)炭土壤HS的元素組成

表2 是小麥季和玉米季各處理土壤Hu的元素組成結(jié)果。小麥季和玉米季施用生物質(zhì)炭處理（T2和T3）土壤Hu的C元素相對(duì)含量均高于T0處理，且與T0處理相比，T2和T3處理的H/C和O/C均降低。與玉米季相比，小麥季T2處理H/C和O/C均降低了；而T3處理H/C和O/C均升高。以上研究結(jié)果表明，施用生物質(zhì)炭后土壤Hu的C元素相對(duì)含量、縮合度增加，氧化度降低。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，施用花生殼生物質(zhì)炭土壤Hu的縮合度增加了，氧化度降低；而施用木材生物質(zhì)炭隨著時(shí)間延長(zhǎng)土壤Hu的縮合度降低，氧化度增加。

表2 不同處理土壤胡敏素元素組成分析Table 2 Elemental composition of Hu in the soil relative to treatment

2.3 施用不同生物質(zhì)炭土壤HS的紅外光譜特征

圖1 為小麥季和玉米季土壤HA、FA、Hu和生物質(zhì)炭的紅外光譜圖，表3是小麥季和玉米季土壤HA、FA、Hu和生物質(zhì)炭紅外光譜主要吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度。2 920 cm-1和2 850 cm-1處吸收峰是脂族結(jié)構(gòu)中—CH2和—CH3的C-H伸縮振動(dòng)、1 630 cm-1處吸收峰代表芳香碳的C=C伸縮振動(dòng)或醌、酮和酰胺I帶的C=O伸縮振動(dòng)，1 415 cm-1處吸收峰代表苯酚類物質(zhì)C-O伸縮振動(dòng)或亞甲基和甲基的C-H變形振動(dòng)[13-14]；1 100 cm-1處吸收峰代表多糖中C-O伸縮振動(dòng)[15]。其中2 920/1 630值為（2 920 + 2 850）cm-1處峰面積和與1 630 cm-1處峰面積的比值，2 920/1 630比值常用來(lái)評(píng)價(jià)物質(zhì)芳構(gòu)化或結(jié)構(gòu)復(fù)雜化程度[16]。

表3 土壤腐殖物質(zhì)和生物質(zhì)炭紅外光譜的主要吸收峰相對(duì)強(qiáng)度（半定量）Table 3 Relative intensity of the main absorbance peak of soil HS and biochars（semi-quantity）in FTIR spectra/%

小麥季花生殼生物質(zhì)炭和木材生物質(zhì)炭處理的HA在（2 920 + 2 850）cm-1處吸收峰相對(duì)強(qiáng)度由常規(guī)施肥的1%分別降至0.78%和0.79%；FA由常規(guī)施肥的0.75%分別升至0.97%和1.13%；Hu由常規(guī)施肥的0.69%分別升至0.93%和1.12%。而在玉米季，花生殼生物質(zhì)炭和木材生物質(zhì)炭處理的HA、FA和Hu在（2 920 + 2 850）cm-1處吸收峰相對(duì)強(qiáng)度均較小麥季升高。說(shuō)明施用生物質(zhì)炭后土壤HS亞甲基和甲基相對(duì)含量隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加，并且受到生物質(zhì)炭材料影響。

本研究中花生殼生物質(zhì)炭燒制溫度高于木材生物質(zhì)炭，表現(xiàn)出了芳香碳相對(duì)含量較高（圖1和表3）。與小麥季相比，玉米季花生殼生物質(zhì)炭處理土壤HA、FA在1 630 cm-1處吸收峰相對(duì)面積分別降低2.46%和5.77%，而Hu在1 630 cm-1處吸收峰相對(duì)面積增加0.33%；木材生物質(zhì)炭處理HA、FA、Hu在1 630 cm-1處吸收峰相對(duì)面積分別降低7.39%、7.79%和8.18%。與花生殼生物質(zhì)炭處理相比，木材生物質(zhì)炭處理土壤Hu在1 630 cm-1處吸收峰相對(duì)面積降低6.04%?；ㄉ鷼ど镔|(zhì)炭處理土壤HA在1 415 cm-1處吸收峰相對(duì)面積降低13.05%，F(xiàn)A和Hu則增加了16.91%和5.07%。木材生物質(zhì)炭處理土壤HA、FA和Hu在1 415 cm-1處吸收峰相對(duì)面積分別增加了7.14%、25.82%和17.30%。

以上研究表明，施用生物質(zhì)炭隨時(shí)間延長(zhǎng)土壤HA和FA芳香性和苯酚類物質(zhì)相對(duì)含量降低，Hu受所用生物質(zhì)炭材料影響。

3 討 論

3.1 生物質(zhì)炭對(duì)鹽化潮土HS組成的影響

施用生物質(zhì)炭可有效增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量[17]。稻草生物質(zhì)炭的施用會(huì)增加SOC的積累[18]。培養(yǎng)試驗(yàn)表明，向土壤中添加秸稈生物質(zhì)炭和松枝生物質(zhì)炭培養(yǎng)45 d，土壤SOC、HA和FA含量、有效養(yǎng)分含量均有不同程度的增加，同時(shí)HA的色調(diào)系數(shù)ΔlgK降低[4]。本研究表明，小麥玉米輪作條件下，田間施用花生殼生物質(zhì)炭和木材生物質(zhì)炭均可增加土壤SOC和HS的含量。施用生物質(zhì)炭可通過(guò)提高土壤HA、FA和Hu的含量進(jìn)而提高SOC含量；隨著土壤HS各組分之間相互轉(zhuǎn)化，與施用生物質(zhì)炭前期相比后期土壤HA有減小轉(zhuǎn)化趨勢(shì)，F(xiàn)A和Hu有增加趨勢(shì)（表1）?；ㄉ鷼ど镔|(zhì)炭較木材生物質(zhì)炭含碳量高，結(jié)構(gòu)組成上芳香族化合物相對(duì)較多，因此更穩(wěn)定，也表現(xiàn)為固碳效果更好。生物質(zhì)炭在燒制過(guò)程中隨溫度升高其結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，富含芳香碳[19]。將不同溫度燒制成的生物質(zhì)炭添加到土壤中可顯著增加土壤Hu的含量，高溫制備（＞400℃）的生物質(zhì)炭顯著降低了土壤HA及FA的色調(diào)系數(shù)（ΔlgK）和E4/E6值，使土壤HS的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，而低溫制備的則相反[20]。進(jìn)入土壤中的秸稈或生物質(zhì)炭主要增加了土壤Hu含量，但是生物質(zhì)炭處理的土壤Hu含量增加的更多[21-22]。生物質(zhì)炭、堆肥或秸稈可分別取代50.84%、41.03%和38.55%的原土壤有機(jī)碳[23]。可見(jiàn)，有機(jī)物料本身差異會(huì)影響其在土壤中的固碳效果以及土壤HS的形成轉(zhuǎn)化。

3.2 生物質(zhì)炭對(duì)鹽化潮土HS化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響

相對(duì)于秸稈或堆肥，生物質(zhì)炭可提高SOC中芳香碳的比例[23]。向土壤中添加玉米秸稈生物質(zhì)炭，黑土HA的分子縮合度升高，氧化度下降，熱穩(wěn)定性提高，使HA分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，有利于SOC的穩(wěn)定[9，24]。已有研究表明，生物質(zhì)炭可以轉(zhuǎn)化為土壤HS[25]。而不同材料制成的生物質(zhì)炭本身存在化學(xué)結(jié)構(gòu)差異。本研究表明，相對(duì)于木材生物質(zhì)炭，本試驗(yàn)中所用花生殼炭芳香性物質(zhì)相對(duì)含量較高，苯酚類物質(zhì)相對(duì)含量較低，在玉米季花生殼生物質(zhì)炭處理土壤HS芳香性物質(zhì)相對(duì)含量略有增加而苯酚類物質(zhì)增加量相對(duì)小于木材生物質(zhì)炭處理。元素分析結(jié)果也表明，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，施用花生殼生物質(zhì)炭土壤Hu的縮合度增加，氧化度降低；而施用木材生物質(zhì)炭隨著時(shí)間延長(zhǎng)土壤Hu的縮合度降低，氧化度增加（表2）。相對(duì)于花生殼炭，本試驗(yàn)中所用木材生物質(zhì)炭亞甲基和甲基相對(duì)含量高于花生殼炭，因此土壤HS受木材生物質(zhì)炭影響，與花生殼炭相比，在玉米季木材生物質(zhì)炭處理的土壤HS亞甲基和甲基相對(duì)含量較高（圖1和表3）。不同材料制備的生物質(zhì)炭對(duì)土壤HS化學(xué)結(jié)構(gòu)影響存在差異。生物質(zhì)炭是一種含碳的聚合物，主要由單環(huán)和多環(huán)的芳香族化合物組成，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了生物質(zhì)炭具有較高的化學(xué)和生物學(xué)穩(wěn)定性，較強(qiáng)的抵抗微生物分解的能力[26]。本研究也證實(shí)施用生物質(zhì)炭后土壤HS芳香族化合物相對(duì)含量增加（圖1和表3）。土壤Hu是HS的重要組分，在環(huán)境分析中具有重要作用[27]。生物質(zhì)炭隨燒制溫度升高化學(xué)結(jié)構(gòu)中C-C鍵長(zhǎng)度減少表明脂族碳向芳香碳轉(zhuǎn)化[28]。13C同位素示蹤研究也表明，生物質(zhì)炭進(jìn)入土壤中主要存在于Hu組分，成為了土壤Hu的一部分[29]。生物質(zhì)炭的化學(xué)結(jié)構(gòu)影響了土壤Hu的化學(xué)結(jié)構(gòu)組成特征。

4 結(jié) 論

施用不同來(lái)源生物質(zhì)碳均有利于提高土壤HS含量，主要增加土壤Hu的含量進(jìn)而提高土壤SOC含量。施用生物質(zhì)炭后土壤Hu的縮合度增加，氧化度降低?；ㄉ鷼ど镔|(zhì)炭和木材生物質(zhì)炭所含各官能團(tuán)比例存在差異，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，施用花生殼生物質(zhì)炭土壤Hu的縮合度增加，氧化度降低，而施用木材生物質(zhì)炭則相反。小麥玉米輪作條件下，土壤HS亞甲基和甲基相對(duì)含量逐漸增加。Hu化學(xué)結(jié)構(gòu)相對(duì)更易受到制備生物質(zhì)炭的材料所影響。