牛糞配施生物質炭的土壤碳凈變化率和腐殖物質組成研究*

趙婷婷，劉 蕾，柳新偉，崔德杰，孔祥平，李國賓，宋祥云?

（1. 青島農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，山東青島 266109；2. 青島農業(yè)大學資源與環(huán)境學院青島市農村環(huán)境工程研究中心，山東青島 266109；3. 青島市嶗山區(qū)農業(yè)農村局，山東青島 266101；4. 青島農業(yè)大學化學與藥學院，山東青島 266109）

有機肥和生物質炭均可以提高土壤有機質的含量[1-3]。牛糞作為傳統(tǒng)的有機肥可以通過增加土壤腐殖物質（humic substances，HS）的含量而增加土壤有機質，提高土壤肥力[4]。長期施用有機肥能顯著提升稻田生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳量，且隨著有機肥用量的增加土壤固碳量增大[5]。HS是土壤有機質的重要組成部分，其組成和結構變化直接影響土壤性質[6]。長期施用有機肥能提高土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）及HS含量[7-8]。

生物質炭對土壤固碳、提高土壤肥力有重要作用[9]。生物質炭中的芳香碳所占比例較大，相對而言更穩(wěn)定[10-11]。SOC量隨著生物質炭施用量的提高而增加[12-14]。生物質炭可影響土壤HS的數(shù)量及結構[15]。韓瑋等[16]將生物質炭施入水稻土后發(fā)現(xiàn)，SOC增加，且隨著生物質炭用量的增加，土壤胡敏酸（humic acid，HA）和富里酸（fulvic acid，F(xiàn)A）的比例逐漸下降，而殘留的黑碳和土壤胡敏素（humin，Hu）顯著增加。生物質炭提高了土壤Hu的相對含量，增加了土壤中相對穩(wěn)定性碳的比例[15]。

雖然施用有機肥或生物質炭均可增加土壤HS進而提高土壤有機質的含量。然而，牛糞配施生物質炭在土壤碳凈變化率和HS組成、化學結構特征上的影響有待進一步研究。

本研究對比分析了牛糞、牛糞配施生物質炭對土壤碳凈變化率的影響以及對土壤HA、FA和Hu形成轉化和結構特征的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

田間試驗于2017年在山東省濱州市博興縣棉田進行，土壤類型為鹽化潮土，土壤電導率為229.7 μS·cm-1，鹽分為2.68 g·kg-1。屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫12.5℃，全年日照時數(shù)2 595 h，年降水量601 mm，無霜期180 d。

1.2 供試材料

供試土壤為鹽化潮土，pH為8.45，有機質含量6.44 g·kg-1，堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為27.93 mg·kg-1、8.86 mg·kg-1和95.64 mg·kg-1。牛糞經堆腐1個月后施用，有機碳含量382.3 g·kg-1，全氮含量17.63 g·kg-1。棉稈生物質炭在炭化窯中500～700℃限氧燒制，有機碳含量458.98 g·kg-1，全氮含量9.10 g·kg-1。

1.3 試驗設計

試驗分為五個處理，分別為CK（常規(guī)施化肥）、M1（常量施用牛糞8 t·hm-2）、M2（倍量施用牛糞16 t·hm-2）、CBM1（施用牛糞8 t·hm-2和棉稈生物質炭10 t·hm-2）和CBM2（施用牛糞16 t·hm-2和棉稈生物質炭10 t·hm-2）。每個處理三次重復，每個小區(qū)60 m2。M1、M2、CBM1和CBM2的C/N分別為21.7、21.7、32和28。所有處理化肥施用量相同，施用碳酸氫銨600 kg·hm-2，追肥尿素225 kg·hm-2。有機物料在棉花播種前撒施地表后旋耕，棉花收獲后采集0～20 cm混合土樣。

1.4 分析方法

土壤HS組分的提取采用腐殖物質組成修改法[17]。土壤樣品用去離子水提取出水溶性物質（water soluble organic substances，WSS），繼續(xù)用0.1 mol·L-1NaOH + 0.1 mol·L-1Na4P2O7提取出可提取腐殖物質（extractable humic substances，HE）。HE用0.5 mol·L-1H2SO4調節(jié)pH至1，分離出HA和FA，剩余殘渣為Hu。部分HA和FA經透析袋透析純化后冷凍干燥。Hu經30%HCl + 30%HF浸洗24 h，重復6次，然后用去離子水將Hu洗至中性，風干后磨細過0.25 mm篩。純化后的HA、FA和Hu用于紅外光譜測定。

元素分析采用元素分析儀（Vario MICRO，樣品分解溫度：900～1 200℃）測定。牛糞、生物質炭、HA、FA和Hu化學結構采用紅外光譜（Fourier Transform Infrared，F(xiàn)TIR spectroscopy）測定[18]。采用KBr壓片法，將腐殖物質樣品與KBr按1︰200的比例混勻壓片。在傅里葉變換紅外光譜儀（NICOLET is5，Thermo公司，美國）上測定，測試范圍為4 000～400 cm-1，儀器分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為16次[19]。

牛糞有機碳、生物質炭有機碳、SOC、WSS、HE、HA和Hu含量采用重鉻酸鉀容量法測定，土壤基本化學性質測定采用常規(guī)方法[20]。FA含量為HE的含量減去HA的含量[7]。

1.5 數(shù)據處理

土壤碳凈變化率的計算采用如下公式：

采用SPSS 22.0對數(shù)據進行方差分析，同時用Excel 2003進行繪圖。紅外光譜數(shù)據使用OMNIC 8.2軟件和Origin 7.5軟件進行分析，對吸收峰進行峰面積計算，用某一峰面積占各峰總面積的百分比來表示其官能團的變化[19]。

2 結 果

2.1 不同處理對土壤HS含量的影響

由表1可知，各個處理與對照相比明顯提高了SOC和土壤HS含量，各個處理增加了土壤中HA含量，其中CBM2處理增加最多，M1增加最少。M2與M1相比，HA含量增加了0.11 g·kg-1；CBM2與CBM1相比，HA含量增加了0.14 g·kg-1。M2、CBM1和CBM2處理增加了FA含量，其中CBM2增加了0.68 g·kg-1。各個處理增加了Hu含量，其中CBM2增加最多，從3.83 g·kg-1增至5.03 g·kg-1，增加了1.20 g·kg-1，M1增加最少，從3.83 g·kg-1增至4.80 g·kg-1，為0.97 g·kg-1。CBM1處理有機碳含量較M1增加0.46 g·kg-1；CBM2處理有機碳含量較M2增加了0.74 g·kg-1?？梢?，施用牛糞或牛糞配施生物質炭增加了土壤HA、FA和Hu的含量。牛糞配施生物質炭更有利于土壤HS的形成。表2為SOC和HS碳凈變化率。與單施牛糞（M1、M2）相比，牛糞配施生物質炭（CBM1、CBM2）使土壤碳凈變化率分別提高了2.95%和3.55%。其中，HA提高了1.58%和1.18%，F(xiàn)A提高了2.16%和3.67%，Hu降低了0.82%和1.06%。與單施牛糞（M1、M2）相比，牛糞配施生物質炭（CBM1、CBM2）顯著提高了土壤HA碳凈變化率。與倍量牛糞（M2、CBM2）處理相比，單倍牛糞（M1、CBM1）處理顯著提高土壤Hu碳凈變化率。說明牛糞配施生物質炭形成Hu后雖然土壤中的Hu的含量增加了，但是同時也向HA和FA發(fā)生了轉化。

表1 不同處理土壤有機碳和腐殖物質含量Table 1 Contents of SOC and HS relative to treatment/(g·kg-1)

表2 不同處理土壤碳凈變化率Table 2 Net organic carbon transformation rate in soil relative to treatment/%

2.2 不同處理對土壤HS元素組成的影響

不同處理土壤HS元素組成見表3。各處理土壤Hu的C元素相對含量均高于CK處理，而H/C和O/C均低于CK處理；土壤HA各處理的C元素相對含量均低于CK處理，而H/C和O/C高于CK處理；土壤FA除了CBM2處理以外，其余處理C元素相對含量均高于CK處理，而H/C和O/C均低于CK處理。以上研究結果表明，施用牛糞或牛糞配施低量生物質炭均有利于增加土壤Hu和FA的C元素相對含量，并且Hu和FA的縮合度增加，氧化度降低，而HA的縮合度降低，氧化度增加。

表3 不同處理土壤胡敏酸、富里酸和胡敏素元素組成Table 3 Elemental composition of HA，F(xiàn)A and Hu relative to treatment

2.3 不同處理對土壤HS結構的影響

牛糞、生物質炭、土壤HA、FA和Hu紅外光譜和各吸收峰相對含量見圖1和表4。各吸收峰在2 920 cm-1和2 850 cm-1處代表脂族結構中—CH2和—CH3的C—H伸縮振動；1 630 cm-1處代表芳香碳的C=C伸縮振動或醌、酮和酰胺I帶的C=O伸縮振動，1 420 cm-1處代表脂族C-H伸縮振動和1 100 cm-1處代表多糖及其類似物中C-O伸縮振動[21]。由表4所示，與對照相比，施用牛糞（M1、M2）或牛糞配施生物質炭（CBM1、CBM2）處理HA在1 100 cm-1吸收峰的相對強度升高，相對峰面積增加了0.98%～10.57%；與M1相比，M2、CBM1和CBM2處理在2 920 cm-1、1 420 cm-1和1 100 cm-1處吸收峰相對含量均增加。施用牛糞（M1、M2）處理FA在1 420 cm-1吸收峰的相對強度升高，相對峰面積分別增加了0.55%和1.4%；與M1和M2處理相比，CBM1和CBM2處理在2 920 cm-1、2 850 cm-1和1 100 cm-1處吸收峰相對含量均增加。與對照相比，施用牛糞（M1、M2）或牛糞配施生物質炭（CBM1、CBM2）處理Hu在2 920 cm-1和1 630 cm-1吸收峰的相對強度升高；與M1處理相比，M2、CBM1和CBM2處理在2 920 cm-1、2 850 cm-1、1 420 cm-1和1 100 cm-1處吸收峰相對含量均增加。表明與M1相比，M2、CBM2胡敏酸、富里酸和胡敏素脂族碳和多糖相對含量增加了，芳香族物質相對含量降低。與施用牛糞相比，牛糞配施生物質炭富里酸脂族亞甲基、甲基、多糖和芳香族物質相對含量增加。

表4 土壤腐殖物質、牛糞和生物質炭紅外光譜吸收峰相對含量（半定量）Table 4 Relative content of HS，cow manure and biochar at absorption peaks in FTIR spectra（semi-quantity）/%

3 討 論

3.1 牛糞配施生物質炭對土壤HS含量的影響

土壤HS在SOC的循環(huán)和轉化中起到重要作用[22]。不同有機物料在增加SOC含量方面的作用存在差異[23]。Senesi等[24]綜述了有機物料對土壤HS的影響，表明有機物料的性質會影響土壤HS組成、結構和功能。施用牛糞可增加SOC、HA和FA的含量[25]。施用高量有機肥有利于土壤HA和Hu的積累，進而有利于提高土壤有機質的腐殖化度[26]。本研究中施用常量牛糞和倍量牛糞是等碳氮比，田間試驗發(fā)現(xiàn)與常量施用牛糞相比，倍量施用牛糞1年時SOC含量沒有因倍量施用牛糞而大量增加（表1）。這可能是由于常量施用牛糞對土壤碳凈變化率的貢獻高于倍量施用牛糞，并且主要體現(xiàn)在了Hu和HA這兩種組分，尤其是Hu（表2）。雖然短期田間常量施用有機肥的碳凈變化率高于倍量施用有機肥，但是由于逐年累積，長期倍量施用有機肥的SOC含量將顯著增加。長期試驗結果表明，長期施用有機肥尤其是倍量施用有機肥顯著增加了土壤HA、FA和Hu的含量[7]。生物質炭可以增加HS的含量[9，19，27]，尤其是Hu的含量[9，27-28]，進而有效增加土壤中SOC含量[15，29-30]。此外，生物質炭還可以使堆肥可提取的HE提高10%[31]。Jindo等[32]研究表明牛糞配施生物質炭可減少CO2排放，增加土壤固碳量。在鹽土中等碳量添加有機物料的研究表明，秸稈堆肥配施生物質炭處理更有利于增加土壤HA的含量[19]。本研究表明牛糞配施生物質炭1年土壤SOC的碳凈變化率提高了，并且主要提高了HA和FA碳凈變化率（表2）。13C同位素研究結果表明，向土壤中等碳量添加秸稈堆肥、秸稈堆肥配施生物質炭后培養(yǎng)180 d，秸稈堆肥配施生物質炭處理較秸稈堆肥處理固定了更多的有機碳[33]。以上研究結果表明，牛糞配施生物質炭在土壤固碳效果上優(yōu)于單施牛糞，除了體現(xiàn)在增加SOC含量以外，還提高了土壤HA和FA的碳凈變化率。有機物料主要增加土壤Hu的含量，有機肥配施生物質炭有利于通過提高土壤HS碳凈變化率進而提高土壤碳凈變化率。

3.2 有機物料對土壤HS結構的影響

有機物料的化學結構差異性影響SOC化學結構及穩(wěn)定性[34-35]。施用有機肥能夠使增加土壤HA烷基碳的相對含量[36]。單施有機肥或有機肥配施化肥能夠增加土壤HS中烷烴基和氨基的數(shù)量[37]。本研究結果表明，施用牛糞或牛糞配施低量生物質炭土壤HA的縮合度降低，氧化度增加（表3），這與施用生物質炭量不大，牛糞在土壤HS形成轉化中的作用更顯著有關。這與接曉輝等[37]研究的施用有機肥后土壤HA烷基碳和烷氧碳的變化規(guī)律一致。本研究結果也表明，與施用常量牛糞相比，施用倍量牛糞或常量牛糞配施生物質炭土壤HA、FA和Hu脂族碳和多糖相對含量增加，芳香族物質相對含量降低（圖1和表4）。秸稈堆肥在土壤中可提高土壤HA和FA脂族碳和多糖相對含量，秸稈堆肥配施生物質炭受二者所占比例影響[19]。以上研究表明增施牛糞更有利于土壤HS脂族碳和多糖的形成，同時牛糞配施生物質炭可提高土壤HS脂族碳和多糖的相對含量。有機肥施入土壤后，除了可以明顯提高土壤HS各組分碳含量，還可以降低土壤HA、FA和Hu芳構化度，改善其結構和品質[38]。土壤培肥后，胡敏酸數(shù)均分子量減小、芳香度、縮合度、氧化度及分子復雜程度下降，向著脂族化、年輕化和簡單化的方向發(fā)展[39]。Cheng和Lehmann[40]的研究結果表明，生物質炭的脂肪族碳結構極易通過礦化分解等方式，轉變?yōu)橥寥乐械腍A。施用生物質炭后土壤HS縮合度和芳香性增強[41]。本研究中牛糞配施生物質炭有利于土壤HS脂族碳和多糖相對含量的增加，而生物質炭用量不變的情況下，配施更多的牛糞可增加土壤HA和Hu芳香族碳的相對含量（圖1和表4）；元素分析的結果表明施用牛糞或牛糞配施低量生物質炭可使Hu和FA的縮合度增加，氧化度降低，化學結構相對更穩(wěn)定（表3）。而生物質炭本身富含芳香族碳具有化學穩(wěn)定性[19]，可以被物理保護并且難以被微生物分解[42-43]。但是生物質炭也可以被氧化[44]。因此生物質炭在一段時期內是相對穩(wěn)定的。13C同位素研究結果也表明，生物質炭進入土壤后主要存在于Hu中，成為了土壤Hu的一部分[45]。土壤Hu的含量和SOC的含量呈正相關性[19]，長期施用有機肥主要形成了土壤Hu[7]，并且有利于增加土壤HA脂族碳的含量[36]。由此可見，施用有機肥和生物質炭可直接影響土壤HA和Hu的含量和化學結構。無論是單獨施用生物質炭還是生物質炭和有機肥配施均有利于提高土壤HS的芳香度，增加其穩(wěn)定性。

4 結 論

田間施用牛糞或牛糞配施生物質炭1年增加了HA、FA和Hu的含量，主要增加了Hu的含量。與單施牛糞相比，牛糞配施生物質炭可提高HA和FA碳凈變化率進而提高SOC碳凈變化率。與施用常量牛糞相比，施用倍量牛糞或常量牛糞配施生物質炭土壤HA、FA和Hu脂族碳和多糖相對含量增加，芳香族物質相對含量降低。生物質炭用量不變的情況下，配施更多的牛糞可增加HA和Hu芳香族碳的相對含量。施用牛糞或牛糞配施低量生物質炭均有利于增加土壤Hu和FA的C元素相對含量，并且Hu和FA的縮合度增加，氧化度降低，而HA的縮合度降低，氧化度增加。