生物質(zhì)炭對(duì)灰鈣土土壤有機(jī)碳及土壤團(tuán)聚體分布的影響

李東利， 蔣鵬， 萬佳淼， 田超， 劉恒青， 張麗萍, 姬強(qiáng)

(寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川，750021)

集約農(nóng)業(yè)產(chǎn)生大量的秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物，被隨意丟棄及焚燒帶來了一系列生態(tài)環(huán)境問題[1]。為解決中國大面積的中低產(chǎn)田存在的有機(jī)質(zhì)缺乏，土壤結(jié)構(gòu)性差，肥力水平低，耕地質(zhì)量水平差的問題，中國采取了化肥減施、綠肥種植、秸稈還田等一系列措施。生物質(zhì)炭的施入是近年來提高土壤有機(jī)質(zhì)含量的新途徑[2]。

生物質(zhì)炭是秸稈等生物質(zhì)在完全或部分缺氧的條件下熱解炭化而形成的一類富含碳的有機(jī)物質(zhì)，是由各種復(fù)雜含碳物質(zhì)構(gòu)成的有機(jī)整體。因其比表面積大，孔隙結(jié)構(gòu)豐富，活性氧基團(tuán)多等特點(diǎn)，輸入土壤后，一方面有利于土壤復(fù)雜腐殖質(zhì)形成，增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量[3]；另一方面，還田后作為土壤腐殖質(zhì)中的高度芳香化結(jié)構(gòu)組分的可能來源，不僅可以降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，而且在提高土壤有機(jī)碳含量，降低土壤有機(jī)碳礦化速率等方面發(fā)揮重要作用[4-10]。擁有上述優(yōu)良特性的生物質(zhì)炭常被國內(nèi)外科研人員看作高效的固碳劑和土壤改良劑，廣泛運(yùn)用于農(nóng)田土壤中[11]。然而，寧夏地處半干旱大陸性氣候區(qū)域，降雨、植被稀疏，小麥主要種植在土壤有機(jī)碳含量低、結(jié)構(gòu)性差的灰鈣土中，需要采用綜合措施不斷提高地力水平。而目前在類似區(qū)域運(yùn)用生物質(zhì)炭改良土壤鮮有報(bào)道。本研究旨在通過添加不同水平的小麥生物質(zhì)炭來研究土壤結(jié)構(gòu)和土壤有機(jī)碳礦化的變化趨勢(shì)，以期為寧夏農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用提供新思路和土壤結(jié)構(gòu)改良提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)所用土壤為干旱土土綱、正常干旱土亞綱、鈣積正常干旱土土類(俗稱“灰鈣土”)。2019年6月于寧夏銀川市興慶區(qū)月牙湖鄉(xiāng)(東經(jīng)106°13′，北緯38°40′)，采用五點(diǎn)取樣法采集農(nóng)田表層土壤(0～20 cm)，風(fēng)干并去除植物幼根等殘留生物質(zhì)，過2 mm篩，用于土壤基本理化性質(zhì)的測(cè)定。土壤基本性質(zhì)為：土壤容重1.32 g·cm-3，土壤有機(jī)碳7.25 g·L-1，pH值8.17，堿解氮67.72 mg·kg-1，有效磷34.16 mg·kg-1，速效鉀110.55 mg·kg-1，全鹽0.46 g·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以小麥秸稈生物質(zhì)炭為原材料，由陜西億鑫生物科技有限公司提供，利用小麥秸稈在600 ℃下快速熱解2 h制備。其理化性質(zhì)為：含碳量480 g·kg-1，含氮量8.2 g·kg-1，含磷量0.98 g·kg-1，含鉀量15.2 g·kg-1，比表面積120.8 m2·g-1。本試驗(yàn)采用單因素多水平完全隨機(jī)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理：(1)CK(不添加生物質(zhì)炭)；(2)B1(0.80%)；(3)B2(2.40%)；(4)B3(7.20%)。采用盆栽試驗(yàn)，試驗(yàn)所用生物質(zhì)炭粉末過0.15 mm篩，土壤與添加的生物質(zhì)炭材料充分混勻后裝盆，各處理重復(fù)5次。試驗(yàn)所用花盆規(guī)格：直徑25 cm，高25 cm，每盆裝3 kg土(干土)，基施氮肥100 mg·kg-1、磷肥100 mg·kg-1、鉀肥120 mg·kg-1。試驗(yàn)作物為春小麥(寧春4號(hào))，于2019-06-20播種，2019-11-10收獲。播種量為每盆30粒小麥種子，發(fā)芽后留10株生長一致的幼苗。試驗(yàn)過程中定期澆水管理，以防止水分脅迫。

1.3 樣品采集與測(cè)定

于小麥苗期(2019-07-21)、分蘗期(2019-08-30)、孕穗期(2019-09-25)、成熟期(2019-11-10)分別采集土樣，用于測(cè)定土壤有機(jī)碳(soil organic carbon, SOC)。小麥?zhǔn)斋@后采集土壤樣品，測(cè)定土壤田間持水量和水穩(wěn)性團(tuán)聚體(water stable aggregates, WSA)。另將小麥整個(gè)植株連根挖出，用抖根法取根際土壤儲(chǔ)存在4 ℃下用于土壤溶解性有機(jī)碳(dissolved organic carbon, DOC)和土壤微生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)的測(cè)定。

土壤田間持水量參照文獻(xiàn)[12]。水穩(wěn)性團(tuán)聚體(WSA)采用SIX等[13]的改進(jìn)方法進(jìn)行分級(jí)。WSA分為≥2，0.25～2 mm，0.05～0.25 mm和≤0.05 mm 4個(gè)粒級(jí)。大顆粒團(tuán)聚體和小顆粒團(tuán)聚體以0.25 mm粒級(jí)來區(qū)分。濕篩時(shí)稱取100 g風(fēng)干原狀土樣，首先放于2 mm篩上并浸濕10 min，隨后通過團(tuán)粒分析儀(SYS-100 遼寧)進(jìn)行濕篩分級(jí)，分級(jí)頻率為1 350 r·min-1，分級(jí)時(shí)間5 min。濕篩后，將不同粒級(jí)團(tuán)聚體收集并在50 ℃下烘干，稱質(zhì)量。土壤有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀外加熱氧化法[14]測(cè)定：170～180 ℃下煮沸5 min，并用0.1 mol·L-1硫酸亞鐵溶液滴定。溶解性有機(jī)碳(DOC)采用GHANI等[15]的方法測(cè)定：秤取10 g土壤鮮樣于100 mL的離心管中，按照m(水)∶m(土)=5∶1加入去離子水，在25 ℃下連續(xù)震蕩4 h，隨后于8 000 r·min-1的高速離心機(jī)(TG21KR，長沙)上低溫離心15 min。離心后的土壤上清液在6 kPa壓力下過0.45 μm微孔濾膜抽濾，得到DOC溶液，于4 ℃冰箱保存待測(cè)。微生物量碳(MBC)采用熏蒸法[16]測(cè)定：用0.5 mol·L-1硫酸鉀浸提經(jīng)過24 h氯仿熏蒸與未熏蒸土樣后,抽濾通過0.45 μm微孔濾膜,通過熏蒸與未熏蒸土壤中的溶解有機(jī)碳差值計(jì)算(除以0.45系數(shù))。DOC與MBC分離的土壤浸提液上TOC儀(Vario TOC, Elementar, Langenselbold, Germany)測(cè)定有機(jī)碳含量。

1.4 數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)分析

采用DPS 7.05 軟件Duncan’s 方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理及方差分析處理，數(shù)據(jù)采用 Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和制圖(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)灰鈣土0～20 cm土壤田間持水量的影響

由表1可知，土壤田間持水量隨生物質(zhì)炭添加量的增加而增大，與對(duì)照相比，處理之間存在顯著差異。0～20 cm土層不加生物質(zhì)炭的田間持水量最小，隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，田間持水量呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，各處理較對(duì)照分別增加了1.93%,10.73%和10.11%。

表1 不同處理對(duì)灰鈣土0～20 cm土壤田間持水量的影響Table 1 Effects of different treatments on the field water holding capacity of 0-20 cm limestone soil

2.2 灰鈣土土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布

由表2可看出，生物質(zhì)炭的添加顯著促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成。在2.40%～7.20%水平添加可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)，相比于對(duì)照，降低了土壤≤0.05 mm小顆粒團(tuán)聚體的分布，使土壤顆粒聚合為0.25～2 mm的大顆粒團(tuán)聚體，同時(shí)不造成≥2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體的累積。供試土壤以≤0.25 mm的小顆粒團(tuán)聚體為主，占總量的75.53%；0.25～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體次之，占總量的22.60%；≥2 mm的大顆粒團(tuán)聚體僅占1.80%左右。相對(duì)于對(duì)照處理，施用生物質(zhì)炭的B2,B3處理顯著增加了土壤中≥2 mm的大顆粒團(tuán)聚體，增幅分別為72.09%,99.22%；生物質(zhì)炭增加了0.25～2 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體，各處理顯著性差異，與對(duì)照相比，B1處理的土壤團(tuán)聚體含量較對(duì)照顯著降低了38.92%；B2,B3較對(duì)照顯著增加，增幅分別為12.73%,41.68%；而土壤中小顆粒團(tuán)聚體的含量在添加生物質(zhì)炭后顯著降低，B2處理的土壤小顆粒團(tuán)聚體的含量較對(duì)照降低了9.22%。

表2 灰鈣土土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布Table 2 Distribution of water-stable aggregates in limestone soil

2.3 施用生物質(zhì)炭對(duì)灰鈣土土壤有機(jī)碳含量的影響

由圖1數(shù)據(jù)可知，與對(duì)照相比，添加生物質(zhì)炭后小麥不同時(shí)期的土壤有機(jī)碳含量都顯著增加。在整個(gè)小麥生育期，與對(duì)照相比，成熟期B3處理下的土壤有機(jī)碳含量達(dá)到最高。苗期各處理較對(duì)照土壤有機(jī)碳含量顯著增加了6.63%，151.33%和303.54%；分蘗期B1，B2，B3處理顯著增加了土壤有機(jī)碳含量，增幅分別為32.97%，151.95%和276.18%；孕穗期B1，B2，B3處理下顯著增加了土壤有機(jī)碳含量，以B3處理下土壤有機(jī)碳含量增長最快，增幅分別為27.77%，131.19%和253.77%；成熟期B1，B2，B3處理的土壤有機(jī)碳含量的增幅分別為48.08%，181.03%和336.61%，各處理之間存在顯著性差異。

圖1 施用生物質(zhì)炭對(duì)灰鈣土土壤有機(jī)碳的影響Fig.1 Effect of applying biomass charcoal on the content of organic carbon in limestone soil

2.4 施用生物質(zhì)炭對(duì)灰鈣土土壤微生物量碳的影響

由圖2可看出，施用生物質(zhì)炭部分處理顯著增加了土壤微生物量碳的含量，其中，以B1處理土壤微生物量碳含量增加最多，各處理之間差異均達(dá)到顯著水平。苗期B1，B2，B3處理都顯著增加了土壤微生物量碳的含量，增幅分別為49.27%，35.86%，19.83%；分蘗期B1處理土壤微生物量碳的含量增加了21.45%，而B2，B3處理土壤微生物量碳降低2.86%和29.94%；孕穗期B1，B2處理顯著增加了土壤微生物量碳，增幅分別為44.62%，19.11%,B3處理的土壤微生物量碳顯著降低了3.85%。成熟期B1處理下土壤土壤微生物量碳增加了14.06%，而B2，B3處理下的土壤微生物量碳含量較對(duì)照顯著降低12.80%和46.00%。

圖2 施用生物質(zhì)炭對(duì)灰鈣土土壤微生物量碳的影響Fig.2 Effect of biochar application on soil microbial biomass carbon in limestone soil

2.5 生物質(zhì)炭對(duì)灰鈣土土壤溶解性有機(jī)碳的影響

作為土壤中活性有機(jī)碳的主要組分，溶解性有機(jī)碳也為土壤微生物提供了重要的能源物質(zhì)。由圖3可知，施用不同水平生物質(zhì)炭使土壤溶解性有機(jī)碳含量先增加后降低的趨勢(shì)。與對(duì)照相比，土壤溶解性有機(jī)碳含量隨生物質(zhì)炭含量的增加而增加，各處理存在顯著性差異。小麥苗期B1，B2處理土壤溶解性有機(jī)碳的含量較對(duì)照顯著降低了43.95%和30.08%，B3處理下顯著增加了溶解性有機(jī)碳的含量，增幅為11.46%；分蘗期B1，B2，B3土壤溶解性有機(jī)碳的含量顯著降低了26.16%,15.40和6.86%；孕穗期B2，B3處理溶解性有機(jī)碳的含量較對(duì)照顯著增加了38.29%和69.72%；成熟期B2，B3處理土壤溶解性有機(jī)碳含量顯著增加，增幅分別為27.23%和128.59%。

圖3 生物質(zhì)炭對(duì)灰鈣土土壤溶解性有機(jī)碳的影響Fig.3 Effect of biochar on dissolved organic carbon of limestone soil

3 討論與結(jié)論

田間持水量對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和作物生長有重要影響。劉小寧等[17]研究表明，向黃綿土中添加生物質(zhì)炭可以增加土壤田間持水量和土壤有效水分含量。袁穎紅等[18]研究發(fā)現(xiàn)，適量的生物質(zhì)炭改良劑使紅壤的田間持水量較對(duì)照顯著增加。孫泰朋[19]和姬強(qiáng)等[20]研究認(rèn)為，添加不同水平的生物質(zhì)炭顯著提高0～20 cm土層的土壤含水量，土壤結(jié)構(gòu)也得到改善。本研究結(jié)果表明，生物炭輸入相對(duì)于其他外源碳輸入顯著提高土壤持水性，以2.40%的添加量為最佳。分析其原因：一方面，是由于生物質(zhì)炭本身的疏松多孔性和強(qiáng)大的吸附性，添加生物質(zhì)炭能夠增加土壤顆粒之間的接觸程度，較小的生物質(zhì)炭顆?？梢蕴畛浠意}土的大孔隙，形成微孔結(jié)構(gòu)，從而增加保水性能[21]；另一方面，生物質(zhì)炭本身持水能力較強(qiáng)，其表面的雙重親水和疏水特性，加上大多數(shù)生物質(zhì)炭同時(shí)含有羥基和羧基等親水基團(tuán)，隨著生物質(zhì)炭在土壤中的氧化，羧基基團(tuán)會(huì)變多，生物質(zhì)炭的親水性變強(qiáng)，從而使土壤持水性增強(qiáng)[22]。

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其含量的多少是土壤肥沃程度的重要標(biāo)志。生物質(zhì)炭能夠促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，改善土壤結(jié)構(gòu)[23]。本研究結(jié)果表明，施用生物質(zhì)炭能夠顯著增加土壤中>0.25 mm大顆粒團(tuán)聚體的含量，使土壤小顆粒團(tuán)聚體凝聚為>0.25 mm的水穩(wěn)性大顆粒團(tuán)聚體，從而促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)的改善，并且土壤結(jié)構(gòu)的改善作用隨著生物質(zhì)炭輸入量的增加而增強(qiáng)，同時(shí)不會(huì)造成≥2 mm的偏大粒級(jí)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的累積。因生物質(zhì)炭比表面積大及負(fù)電荷的大量聚集，不僅促使土壤陽離子交換量提高[24]，而且其有機(jī)碳活性較高和疏松多孔的性質(zhì)，加快了微生物的繁衍速度，微生物生長代謝產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)促進(jìn)了團(tuán)聚體的形成；最后，由于生物質(zhì)炭表面含有的多種官能團(tuán)，帶有大量的負(fù)電荷和正電荷，通過靜電引力與黏土礦物結(jié)合形成水穩(wěn)性團(tuán)聚體。生物質(zhì)炭增加了土壤團(tuán)聚體，尤其是土壤大團(tuán)聚體的含量，增強(qiáng)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[25-26]。何玉亭等[27]、孟天祥等[28]通過向紅壤添加生物質(zhì)炭驗(yàn)證了這一機(jī)制，試驗(yàn)結(jié)果表明，生物質(zhì)炭能促進(jìn)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成。本研究中適當(dāng)?shù)纳镔|(zhì)炭添加(如2.40%的添加量)，土壤結(jié)構(gòu)改善效果最佳。

土壤有機(jī)碳在不同條件下的穩(wěn)定性可以反映土壤的質(zhì)量情況，是人類活動(dòng)對(duì)土壤質(zhì)量影響的重要指標(biāo)。本研究得出，向灰鈣土中添加生物質(zhì)炭顯著提高土壤的有機(jī)碳的含量，且隨著添加比例的增加而增加。肖欣娟等[29]向3種土壤中添加茶渣生物質(zhì)炭，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種土壤的有機(jī)碳含量顯著增加，具體表現(xiàn)為黃壤>紫色土>水稻土。劉小寧[30]研究表明，向旱作土壤中一次性添加生物質(zhì)炭18個(gè)月后土壤中有機(jī)碳含量有顯著增加，且隨著生物質(zhì)炭輸入水平的增加，土壤有機(jī)碳組分有加大的趨勢(shì)。王佳盟等[31]通過向稻田土施入生物質(zhì)炭后發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭?jī)H增加了表層土壤有機(jī)碳的含量，而對(duì)深層土壤無顯著影響。這可能是由于生物質(zhì)炭巨大的比表面積和較強(qiáng)的吸附作用，添加生物質(zhì)炭有利于短期內(nèi)土壤有機(jī)碳的積累。高施用量的生物質(zhì)炭能將碳素更穩(wěn)定地保留在土壤中，從而更有效增加土壤有機(jī)碳的含量。此外，施入生物質(zhì)炭在一定程度上改變了土壤原有有機(jī)質(zhì)的組成，從而增加了土壤中穩(wěn)定性較強(qiáng)的有機(jī)質(zhì)的含量[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，輸入生物質(zhì)炭可以增加土壤微生物量碳的含量，但高施用量的生物質(zhì)炭，反而降低了微生物量碳的含量；土壤溶解性有機(jī)碳的變化與其恰恰相反。趙世翔等[33]研究發(fā)現(xiàn)，向土壤中添加高溫裂解的生物質(zhì)炭，微生物量碳的含量隨添加比例的增加而減少。由于生物質(zhì)炭輸入具有更強(qiáng)持水性和固定土壤有機(jī)碳的作用，雖然生物質(zhì)炭的大量輸入抑制了土壤微生物量碳的含量，但卻增加了土壤溶解性有機(jī)碳的含量[25，34]。這與宗雅婕[35]的研究結(jié)果一致。

本研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭施入有助于土壤水分的儲(chǔ)存，在短期內(nèi)會(huì)造成對(duì)土壤有機(jī)碳和土壤溶解性有機(jī)碳的激發(fā)效應(yīng)，生物質(zhì)炭過量輸入會(huì)抑制土壤微生物活性，降低土壤微生物量碳的累積。對(duì)低肥力的灰鈣土適宜的生物質(zhì)炭輸入量為2.40%～7.20%，2.40%輸入量有助于土壤有機(jī)物質(zhì)累積和0.25～2 mm土壤大顆粒團(tuán)聚體的形成，而7.20%的生物質(zhì)炭輸入則會(huì)抑制土壤微生物活性，且造成生物質(zhì)資源的浪費(fèi)。最優(yōu)的添加量因土壤類型和性質(zhì)而異，需做更進(jìn)一步的研究。