添加生物質(zhì)炭對(duì)黃土高原旱作農(nóng)田土壤養(yǎng)分、腐殖質(zhì)及其組分的影響

潘占東，馬倩倩，陳曉龍，蔡立群*，蔡雪梅，董博，武均，張仁陟

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070；3.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所甘肅省新型肥料創(chuàng)制工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730070）

近年來(lái)，水土流失、不合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及土地利用方式導(dǎo)致部分耕地土壤質(zhì)量降低［1］。當(dāng)前，提升土壤質(zhì)量、保持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是亟待解決的問(wèn)題。長(zhǎng)期探索發(fā)現(xiàn)，添加生物質(zhì)炭是一種可能的、有效的土壤改良措施［2-4］。生物質(zhì)炭是在無(wú)氧或低氧條件下，生物質(zhì)經(jīng)熱解后產(chǎn)生的高度芳香化的含碳固體產(chǎn)品［4-5］。生物炭可以影響土壤理化性質(zhì)、微生物活性、作物生長(zhǎng)：生物質(zhì)炭能夠改變草甸黑土腐殖質(zhì)組成，對(duì)土壤腐殖質(zhì)具有調(diào)控作用［4-6］，可提高土壤碳、氮的組分及含量［7-9］；由于穩(wěn)定的碳含量和較大的比表面積［10］，生物質(zhì)炭能夠改善土壤總有機(jī)碳（total organic carbon，TOC）含量和土壤腐殖質(zhì)（humus，HS）組成［11］，促進(jìn)良好土壤結(jié)構(gòu)的形成［12-13］；調(diào)節(jié)土壤微生物活動(dòng)，促進(jìn)作物生長(zhǎng)［14-15］。另外，生物質(zhì)炭對(duì)土壤碳庫(kù)的穩(wěn)定［16］、減緩溫室氣體排放［17-19］起促進(jìn)作用。生物質(zhì)炭添加的時(shí)間和用量的改變也會(huì)影響土壤的養(yǎng)分狀況［20-23］。

土壤有機(jī)碳是土壤質(zhì)量的核心，根據(jù)密度分級(jí)法可分為輕組有機(jī)碳（light fraction organic carbon，LFOC）和重組有機(jī)碳（heavy fraction organic carbon，HFOC）；輕組有機(jī)碳是土壤活性有機(jī)碳庫(kù)的重要表征之一［24］，重組有機(jī)碳也被稱為土壤腐殖質(zhì)。土壤腐殖質(zhì)是土壤有機(jī)碳的重要組成部分，也是生物圈中有機(jī)碳的主要儲(chǔ)藏庫(kù)，對(duì)促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)形成、養(yǎng)分積累等方面起重要作用［25］，被認(rèn)為是健康肥沃土壤最重要的構(gòu)成部分［3］。不同結(jié)合形態(tài)反映了土壤有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體中腐殖質(zhì)與黏土礦物結(jié)合的松緊程度不同，因此在肥力特性上也存在差異［26］。周桂玉等［27］通過(guò)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加秸稈生物質(zhì)炭45 d后能夠提高東北草甸黑土土壤有效養(yǎng)分和有機(jī)碳含量，進(jìn)而提高土壤肥力；張葛等［28］發(fā)現(xiàn)添加48 t·hm-2麥秸生物質(zhì)炭1年后有利于東部沿海地區(qū)水稻（Oryza sativa）土土壤及其腐殖質(zhì)組分有機(jī)碳的積累；馬莉等［8］發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭能夠顯著提高新疆灰漠土土壤總有機(jī)碳，且隨施用量的增大，提高作用越明顯。

黃綿土是黃土高原最重要的土壤類型，土質(zhì)疏松、土層深厚，主要分布在地形較為破碎的塬、梁、峁及川臺(tái)等部位。該區(qū)域水土流失嚴(yán)重，土壤養(yǎng)分、質(zhì)量下降。生物質(zhì)炭在土壤改良方面得到了廣泛應(yīng)用，能提高作物產(chǎn)量和土壤生物活性水平［29］。然而，生物質(zhì)炭是否可以通過(guò)改善土壤養(yǎng)分、腐殖質(zhì)組成及含量來(lái)提高黃綿土理化性質(zhì)尚不清楚。本研究依托甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作農(nóng)業(yè)綜合試驗(yàn)站長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，以黃綿土為研究對(duì)象，分析施用生物質(zhì)炭4年對(duì)土壤結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)及組分的影響，以期探究生物質(zhì)炭對(duì)黃綿土腐殖質(zhì)的作用，揭示其與土壤有機(jī)碳固持和土壤肥力之間的關(guān)系，為生物質(zhì)炭在黃土高原黃綿土固碳、土壤改良和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)田設(shè)于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作農(nóng)業(yè)綜合試驗(yàn)站，位于甘肅省定西市安定區(qū)李家堡鎮(zhèn)。該區(qū)屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，為典型的雨養(yǎng)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。平均海拔2000 m，年均日照時(shí)間2476.6 h，年均氣溫6.5℃，近幾年年均降水量390.9 mm。土壤類型為黃綿土，土質(zhì)綿軟，土層深厚，質(zhì)地均勻，儲(chǔ)水性能良好。土壤p H為8.36，土壤平均容重為1.17 g·cm-3，凋萎含水率7.3%，飽和含水率21.9%，有機(jī)質(zhì)含量12.01 g·kg-1，全氮0.76 g·kg-1，全磷1.77 g·kg-1，全鉀14.40 g·kg-1，速效磷21.20 mg·kg-1，速效鉀101.20 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與材料

試驗(yàn)為單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)CK、BC1、BC2、BC3、BC4、BC5共6個(gè)處理，分別表示不添加生物質(zhì)炭、添加10、20、30、40、50 t·hm-2生物質(zhì)炭（自然風(fēng)干重量），每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)面積16.8 m2（2.8 m×6.0 m）。生物質(zhì)炭于2015年3月小麥（Triticum aestivum）播種時(shí)1次性均勻撒入小區(qū)后旋耕于耕層土壤（20 cm左右）。各處理每年播種前施尿素228 kg·hm-2（純N含量46%），過(guò)磷酸鈣750 kg·hm-2（P2O5含量14%）。每年小麥播種前和收獲后按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)耕作方式翻耕（深約20 cm）。供試小麥品種為“定西40號(hào)”，每年3月播種，7月收獲，播種量為187.5 kg·hm-2，行距為20 cm，播種深度7 cm。

試驗(yàn)生物質(zhì)炭購(gòu)自遼寧金和福農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，為玉米（Zea mays）秸稈在500℃缺氧條件下干餾制得，可將35%的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭。生物質(zhì)炭基本性質(zhì)為pH為9.21，陽(yáng)離子交換量（cation exchangeable capacity，CEC）為25.21 cmol·kg-1，比表面積為11.3 m2·g-1，可溶性有機(jī)碳含量為432.37 mg·kg-1，自然風(fēng)干含水率5.07%，碳含量53.28%，氮含量1.04%，磷含量0.26%，鉀含量0.51%，鈣含量0.80%、鎂含量0.47%，灰分含量35.64%。

1.3 土壤樣品采集與分析

2019年8月，小麥?zhǔn)斋@后采集0～30 cm土壤樣品，采用5點(diǎn)法將每個(gè)小區(qū)所采集土壤混合均勻，去除植物枯落物和碎石塊等，采用四分法保留約1 kg左右；將采集土壤自然風(fēng)干過(guò)2 mm篩后裝袋供試。將上述土壤樣品稱取約500 g，過(guò)0.25 mm篩用于測(cè)定土壤總有機(jī)碳、理化指標(biāo)、不同結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)及組分含量。

采用常規(guī)方法［30］測(cè)定土壤總有機(jī)碳（total organic carbon，TOC）、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀含量。采用俄勝哲等［31］的方法進(jìn)行土壤輕、重組分分離及不同結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)的提取。采用焦磷酸鈉－氫氧化鈉提取重鉻酸鉀氧化容量法［32］測(cè)定腐殖質(zhì)（humus，HS）組分。

準(zhǔn)確稱取過(guò)2 mm篩的風(fēng)干土6.000 g于100 mL離心管中，加入1.8 g·cm-3的碘化鈉溶液30 mL，在200 r·min-1條件下振蕩1 h，然后4500 r·min-1離心10 min，離心后將上清液倒入裝有0.45μm濾膜的砂芯漏斗中抽濾，重復(fù)上述步驟兩次；將濾膜上殘留物質(zhì)用蒸餾水洗入已稱重的燒杯中，在60℃烘箱中烘干稱重，此為輕組分。然后向離心管中加入20 mL 95%乙醇，2500 r·min-1離心5 min，棄去上清液，重復(fù)此步驟兩次；再向離心管中加入20 mL蒸餾水，2500 r·min-1離心5 min，棄去上清液，重復(fù)此步驟兩次，將離心管放入60℃烘箱中烘干稱重，此為重組分。

將上述烘干重組分土樣研磨過(guò)0.25 mm篩，準(zhǔn)確稱取5.000 g于100 mL離心管中，加入0.1 mol·L-1的氫氧化鈉溶液50 mL，將其放入35℃恒溫振蕩培養(yǎng)箱培養(yǎng)12 h，然后在4500 r·min-1條件下離心10 min，重復(fù)上述步驟，直到提取液呈無(wú)色，將提取液轉(zhuǎn)移至容量瓶中，此為松結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)（loose combined humus，LCH）。然后向離心管剩余的土壤中加入0.1 mol·L-1氫氧化鈉和1 mol·L-1焦磷酸鈉的混合溶液50 mL，放入35℃恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)12 h，4500 r·min-1離心10 min，重復(fù)此步驟，直到提取液呈無(wú)色，此提取液為穩(wěn)結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)（stable combined humus，SCH）。再向離心管中加入20 mL 95%乙醇，2500 r·min-1離心5 min，重復(fù)此步驟兩次，將離心管中土壤在60℃烘箱中烘干、研磨裝袋，稱取1.000 g測(cè)定有機(jī)碳含量，此為緊結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)（tightly combined humus，TCH）。

采用焦磷酸鈉-氫氧化鈉提取重鉻酸鉀氧化容量法進(jìn)行結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)組分的提取，稱取過(guò)0.25 mm篩的重組土壤樣品5.000 g于250 mL三角瓶中，加入100 mL 0.1 mol·L-1氫氧化鈉和0.1 mol·L-1焦磷酸鈉的混合溶液，塞緊瓶塞，在25℃恒溫振蕩培養(yǎng)箱中振蕩30 min后靜止24 h，將溶液搖勻后過(guò)濾于容量瓶中，棄去殘?jiān)巳芤河糜跍y(cè)定胡敏酸（humic acid，HA）和富里酸（fulvic acid，F(xiàn)A）含量，胡敏素（humin，HM）采用差減法計(jì)算。HA、FA和HM含量測(cè)定均按照NY/T 1867-2010；NY/T 85中規(guī)定的方法進(jìn)行［32］。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Canoco 5.0軟件進(jìn)行冗余分析（redundancy analysis，RDA），采用SigmaPlot 12.5進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加生物質(zhì)炭對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

添加生物質(zhì)炭4年后土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀含量的變化范圍分別為14.99～18.72 g·kg-1、0.84～0.92 g·kg-1、0.78～0.83 g·kg-1、19.57～21.10 g·kg-1、8.73～12.60 mg·kg-1、151.73～182.00 mg·kg-1（圖1）。

圖1 添加生物質(zhì)炭4年后對(duì)土壤養(yǎng)分的影響Fig.1 Effects of adding biochar on soil nutrients after 4 years

隨生物質(zhì)炭添加量增加，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量均呈增加趨勢(shì)。BC2、BC3、BC4、BC5處理時(shí)有機(jī)質(zhì)和全氮均顯著高于CK和BC1；有機(jī)質(zhì)在BC5處理時(shí)分別較CK和BC1增加24.87%和21.64%，與BC2、BC3、BC4無(wú)顯著差異；全氮在BC2與BC5處理間差異顯著，BC5處理時(shí)較CK增加9.94%，BC1處理時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量較CK無(wú)顯著差異（P>0.05）。BC1～BC5處理時(shí)，土壤全磷和全鉀含量均與CK無(wú)顯著差異（P>0.05）。

速效磷在BC1處理時(shí)較CK增加18.12%，BC2和BC3處理較BC1顯著下降，但BC2和BC3處理與CK差異均不顯著；BC4處理時(shí)分別較CK、BC1、BC2、BC3下降18.12%、30.68%、21.96%、22.96%；之后上升，BC5與CK無(wú)顯著差異，較BC2、BC3處理分別降低8.77%、9.93%。隨生物質(zhì)炭添加量的增加，速效鉀含量先減后增，在BC1、BC2處理時(shí)分別較CK降低10.93%、7.60%，但二者間無(wú)顯著差異；BC3、BC4與CK無(wú)顯著差異，分別較BC2增加10.91%、11.40%；BC5處理時(shí)速效鉀含量最高，分別較CK、BC3、BC4增加6.85%、4.26%、3.80%（P<0.05）。

2.2 添加生物質(zhì)炭對(duì)土壤總有機(jī)碳（TOC）、輕組有機(jī)碳（LFOC）和重組有機(jī)碳（HFOC）的影響

添加生物質(zhì)炭4年后土壤TOC、LFOC、HFOC含量的變化范圍分別為8.70～10.86 g·kg-1、0.64～1.60 g·kg-1、7.93～9.21 g·kg-1（圖2）。BC1處理時(shí)三者均較CK無(wú)顯著差異。BC2、BC3、BC4、BC5處理時(shí)，TOC分別較CK增加20.06%、22.50%、24.21%、24.87%，LFOC分別增加105.58%、116.77%、138.84%、148.18%，HFOC分 別 增 加13.03%、14.34%、14.27%、14.68%，三者在4個(gè)處理間均無(wú)顯著差異（P>0.05）。

圖2 添加生物質(zhì)炭4年后對(duì)土壤有機(jī)碳組分的影響Fig.2 Effects of biochar addition on soil organic carbon components after 4 years

土壤LFOC和HFOC含量與土壤總有機(jī)碳含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（圖3），二者對(duì)土壤總有機(jī)碳的決定系數(shù)分別為0.7255和0.8974。因此，LFOC和HFOC對(duì)土壤總有機(jī)碳的解釋率分別為72.55%和89.74%，表明重組有機(jī)碳對(duì)土壤有總有機(jī)碳的影響貢獻(xiàn)率更大。

圖3 土壤輕、重組有機(jī)碳含量與土壤總有機(jī)碳含量的關(guān)系Fig.3 Relationship between the content of soil light and heavy fraction organic carbon and the total soil organic carbon content

2.3 添加生物質(zhì)炭對(duì)緊結(jié)合態(tài)（TCH）、穩(wěn)結(jié)合態(tài)（SCH）和松結(jié)合態(tài)（LCH）腐殖質(zhì)的影響

添加生物質(zhì)炭4年后不同結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)含量總體表現(xiàn)為：TCH>SCH>LCH（圖4），其含量變化范圍 分 別 為3.91～4.67 g·kg-1、1.98～2.81 g·kg-1、1.32～2.19 g·kg-1。隨生物質(zhì)炭添加量的增加，TCH呈增加趨勢(shì)；TCH含量在BC1、BC2、BC3、BC4、BC5處理時(shí)分別較CK增加9.80%、7.98%、9.00%、16.09%、19.52%，BC4處理較BC2增加7.51%，BC5處理 分 別 較BC1、BC2、BC3增 加8.85%、10.69%、9.65%，其他各處理間均無(wú)顯著差異。SCH含量在BC1、BC5處理時(shí)低于CK、BC2、BC3，分別較CK降低29.41%、18.04%，BC1、BC4、BC5處理間及BC2、BC3、BC4處理間均無(wú)顯著差異。LCH含量隨生物質(zhì)炭添加量的增加呈升高趨勢(shì)，BC2、BC3、BC4、BC5處理時(shí)分別較CK和BC1增加47.50%、60.00%、61.67%、65.83%和29.20%、40.15%、41.61%、45.26%，BC5較BC2顯著增加12.43%，其他處理間差異不顯著（P>0.05）。

圖4 添加生物質(zhì)炭4年后對(duì)不同結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)的影響Fig.4 Effects of biochar on humus with different forms after 4 years

以不同結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)為解釋變量，以土壤養(yǎng)分作為響應(yīng)變量做RDA分析，研究不同形態(tài)的腐殖質(zhì)對(duì)土壤養(yǎng)分的貢獻(xiàn)率（圖5）。結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)對(duì)土壤養(yǎng)分的解釋率為53.2%，其中第1軸主要包括全氮、有機(jī)質(zhì)、速效鉀、速效磷，解釋率為47.73%，第2軸包括TP、TK，解釋率為4.28%。其中LCH對(duì)土壤養(yǎng)分的解釋率為41.87%（P=0.002），而SCH與TCH對(duì)土壤養(yǎng)分的解釋率為11.33%。說(shuō)明土壤養(yǎng)分主要受LCH含量影響。

圖5 結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)與土壤養(yǎng)分的冗余分析Fig.5 Redundancy analysis of combined humus and soil nutr ients

2.4 添加生物質(zhì)炭對(duì)結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)組分的影響

BC1、BC2、BC3、BC4、BC5處理時(shí)，HA分 別 較CK下降20.97%、22.58%、37.10%、33.87%、37.10%，但處理間均無(wú)顯著差異（圖6）。BC1處理時(shí)FA較CK降低6.06%，BC4、BC5處理時(shí)FA分別較CK增加78.79%、133.33%，BC2、BC3處理較CK無(wú)顯著差異。隨著生物質(zhì)炭添加量的增加，HM含量呈“先減后增再減”的變化趨勢(shì)，僅BC3處理時(shí)HM含量較CK增加22.11%，其他處理與CK無(wú)顯著差異（P>0.05）。

圖6 添加生物質(zhì)炭4年后對(duì)結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)組分的影響Fig.6 Effect of biochar addition on the composition of combined humus after 4 years

2.5 土壤有機(jī)碳組分及結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)組分與土壤總有機(jī)碳之間的相互作用

通過(guò)通徑分析，將因變量與因子之間的相關(guān)系數(shù)分解為直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)（表1）。各因子直接通徑系數(shù)大小排序?yàn)椋簒2（0.4490）>x1（0.3950）>x3（0.2390）>x6（0.0850）>x5（0.0590）>x8（0.0480）>x4（0.0380）>x7（0.0050）；結(jié)合與TOC（y）的相關(guān)性，SCH（x4）和HM（x8）與TOC含量無(wú)顯著相關(guān)性，因此不能作為影響TOC含量的主要因子。TCH（x5）、HA（x6）和FA（x7）雖然與TOC（y）含量顯著相關(guān)，但其直接通徑系數(shù)較小，所以也不宜作為影響TOC含量的因子。LFOC（x1）、HFOC（x2）和LCH（x3）對(duì)TOC（y）含量的直接通徑系數(shù)和相關(guān)系數(shù)均為正值，說(shuō)明LFOC、HFOC和LCH含量越高，TOC含量越高。進(jìn)一步進(jìn)行逐步回歸分析，土壤總有機(jī)碳與土壤碳組分和結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)組分的逐步回歸方程為y=0.261+0.956x1+0.944x2+0.181x3（R2=0.998，F(xiàn)=469.794，P<0.01），由此可知，LFOC、HFOC、LCH變化是影響TOC變化的主要因素。

表1 土壤有機(jī)碳組分及結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)組分對(duì)土壤總有機(jī)碳的通徑分析Table 1 Path analysis of soil organic car bon components and combined humus components to soil total organic carbon

3 討論

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要指標(biāo)之一，也是作物生長(zhǎng)發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)［33］。土壤有機(jī)碳是土壤中最活躍的部分，約占陸地碳庫(kù)的2/3［34］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，添加生物質(zhì)炭4年后（簡(jiǎn)寫(xiě)為“生物質(zhì)炭”）能夠改善土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況。第一，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮的含量增加（圖1），這與大量研究結(jié)果［9，35-39］相似。主要原因如下：生物質(zhì)炭本身含有較高的碳和氮，且不易被礦化［17］；生物質(zhì)炭可以促進(jìn)土壤微生物將礦質(zhì)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮［40-41］；生物質(zhì)炭的吸附性導(dǎo)致土壤對(duì)氮素的固持作用增加［42］。第二，生物質(zhì)炭添加量在20 t·hm-2（BC2）以上，LFOC增加的比例高于HFOC，但HFOC含量遠(yuǎn)高于LFOC，使得HFOC對(duì)腐殖質(zhì)的貢獻(xiàn)程度高于LFOC（圖2），通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，LFOC、HFOC是影響TOC的主要因子，其對(duì)TOC的解釋率分別為72.55%和89.74%（圖3），該結(jié)果與大量研究結(jié)果［37，43-45］一致。第三，添加生物質(zhì)炭對(duì)土壤全磷、全鉀含量影響不顯著（圖1）。第四，BC1、BC2、BC3處理時(shí)速效磷含量高于或等于CK，僅40（BC4）和50 t·hm-2（BC5）處理時(shí)速效磷含量顯著低于CK。這是由于隨著生物質(zhì)炭添加量的增加，吸持大量水分，使土壤氧化還原電位（Eh）降低［46］，較低的CEC降低了磷的活性［47-48］。第五，BC3、BC4、BC5處理時(shí)速效鉀含量高于或等于CK，僅10（BC1）和20 t·hm-2（BC2）處理時(shí)速效鉀含量顯著低于CK。其原因是：生物質(zhì)炭能夠吸附土壤速效鉀和活化礦質(zhì)鉀的有機(jī)酸，且高添加量的生物質(zhì)炭可促進(jìn)土壤中礦物質(zhì)鉀的活化［49-50］。

土壤腐殖質(zhì)不同結(jié)合形態(tài)組成及含量的變化均能影響土壤肥力［51］。其中LCH結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易被微生物分解利用，有利于植物養(yǎng)分的供應(yīng)和改善土壤理化及生物學(xué)性質(zhì)，其含量通常與土壤肥力呈正相關(guān)［52-53］；TCH穩(wěn)定性比較強(qiáng)，累積腐殖質(zhì)和貯蓄養(yǎng)分兩方面能力很強(qiáng)，但其在土壤中供給植物所需養(yǎng)分的能力較差［23，53］；SCH在土壤中的轉(zhuǎn)化速率較慢，腐殖化程度和分子量大，活性低。本試驗(yàn)結(jié)果表明，添加生物質(zhì)炭土壤LCH含量增加幅度高于TCH含量，但SCH含量維持不變或下降（圖4）。通過(guò)通徑分析和RDA分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，LCH是影響土壤養(yǎng)分的主要因子（圖5和表1），對(duì)TOC及土壤養(yǎng)分的提高具有促進(jìn)作用；TCH含量的變化范圍為3.91～4.67 g·kg-1，與土壤TOC含量之間顯著相關(guān)，但其對(duì)TOC的直接影響較小，主要通過(guò)影響LFOC、HFOC和LCH含量間接影響TOC含量，這可能是由于TCH參與形成的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性強(qiáng)，難以被分解［54］；SCH含量與TOC含量間無(wú)相關(guān)性（表1）。生物質(zhì)炭也能改變腐殖質(zhì)組分FA、HM和HA的含量，三者的積累和分解會(huì)進(jìn)一步影響土壤肥力［55］。本研究中，F(xiàn)A在BC4、BC5處理時(shí)顯著高于CK，其他處理時(shí)均持平；HM含量基本較CK持平，僅BC3處理時(shí)增加；HA含量顯著低于CK（圖6）。FA溶解能力強(qiáng)，其吸附性影響著土壤肥力和環(huán)境［47］，其含量越高，越利于土壤肥力的提升，這與生物質(zhì)炭影響稻田土壤狀況的結(jié)果一致。HA作為土壤中比較活躍的部分，穩(wěn)定性較差、易轉(zhuǎn)化為FA，這可能導(dǎo)致HA的降低、FA的增加［28，56］。HM活性低、比較穩(wěn)定，這可能是導(dǎo)致生物質(zhì)炭處理時(shí)HM含量基本持平的主要原因。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，HA、FA、HM三者中除HM與TOC之間無(wú)相關(guān)性外，HA和FA分別與TOC顯著負(fù)相關(guān)和顯著正相關(guān)，HA和FA主要通過(guò)影響LFOC、HFOC和LCH含量間接影響TOC含量（表1），這說(shuō)明添加生物質(zhì)炭促使土壤中HA分解轉(zhuǎn)化，有利于FA的積累（圖6），F(xiàn)A的積累對(duì)提升土壤肥力具有積極作用，但HA分解轉(zhuǎn)化不利于土壤有機(jī)碳的保存［27］。本研究中缺乏對(duì)微生物機(jī)制的深入探究，在今后的研究中需要進(jìn)一步探究隨著生物質(zhì)炭添加量的增加，土壤腐殖質(zhì)組分及構(gòu)成變化與土壤微生物之間的關(guān)系。

4 結(jié)論

生物質(zhì)炭添加量≥BC2（20 t·hm-2）處理時(shí)，土壤HFOC、LFOC、有機(jī)質(zhì)和全氮含量較CK顯著增加，對(duì)土壤全磷、全鉀含量無(wú)顯著影響，而高添加量顯著增加速效鉀含量但降低速效磷含量，低添加量顯著增加速效磷含量但降低速效鉀含量；添加生物質(zhì)炭20 t·hm-2及以上時(shí)，土壤LCH含量隨生物質(zhì)炭添加量的增加而增加，生物質(zhì)炭處理較CK顯著增加47.50%～65.83%；添加生物質(zhì)炭能夠增加土壤FA含量，當(dāng)添加量超過(guò)BC3（30 t·hm-2）時(shí)，土壤FA含量顯著增加78.79%～133.33%；LFOC、HFOC、LCH是促進(jìn)TOC增加的直接作用因素，其中LFOC和HFOC對(duì)土壤總有機(jī)碳的解釋率分別達(dá)72.55%和89.74%。