氮沉降背景下生物炭施用對土壤有機碳組分的影響

宋凱悅，尹云鋒，馬亞培，石思雨，周 楊，馬紅亮，高 人

(1.福建師范大學(xué)地理研究所，福州 350007；2.福建師范大學(xué)福建省植物生理生態(tài)重點實驗室，福州 350007)

森林土壤有機碳(SOC)占全球土壤碳(C)庫的比例高達(dá)73%，是C排放和C固定的重要載體。近年來我國亞熱帶氮(N)沉降量已達(dá)63.53 kg/(hm·a)，遠(yuǎn)超世界平均水平。過量N沉降導(dǎo)致土壤酸化、養(yǎng)分流失、生物多樣性降低、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性下降等生態(tài)環(huán)境問題，顯著影響森林生態(tài)系統(tǒng)C循環(huán)。SOC依據(jù)在土壤中的穩(wěn)定性差異可分為活性SOC與難降解性SOC，不同SOC組分是研究土壤C循環(huán)，改善土壤結(jié)構(gòu)和肥力的重要參考?；钚許OC參與土壤養(yǎng)分循環(huán)，對管理措施和環(huán)境變化的響應(yīng)更為敏感，而難降解性SOC在提升土壤C庫和穩(wěn)定性方面具有重要作用。酸水解活性有機碳(LPC)、可溶性有機碳(DOC)和微生物生物量碳(MBC)常被作為活性SOC的主要表征指標(biāo)。目前，關(guān)于N沉降對森林SOC組分的研究主要集中在活性SOC方面，且結(jié)論不一，對難降解性SOC關(guān)注較少，特別是在亞熱帶地區(qū)。有研究表明，N沉降對土壤MBC的負(fù)面影響在陸地生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在，而對土壤LPC、DOC含量影響尚存爭議，增加、降低和無影響均有報道。因此，深入研究N沉降對SOC組分的影響，揭示亞熱帶森林土壤C循環(huán)對N沉降的響應(yīng)機制具有重要意義。

生物炭(BC)是生物質(zhì)材料在缺氧或限氧環(huán)境中熱解而成的高度芳香化的富C物質(zhì)，作為土壤改良劑，BC施用可以緩解土壤酸化、改善土壤肥力和提高SOC庫及其穩(wěn)定性。Li等研究發(fā)現(xiàn)，向亞熱帶毛竹林土壤中添加BC(竹葉燒制)可以增加SOC的穩(wěn)定性，并降低土壤中與碳水化合物和纖維素分解相關(guān)的微生物活性。高N沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，而BC施用則可緩解這一問題。目前已有開展N沉降背景下BC施用對毛竹林和香榧林土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響研究報道，且集中在土壤溫室氣體排放、微生物群落和酶活性變化、土壤肥力和N素流失等方面，針對N沉降背景下BC施用對杉木人工林SOC及其組分的影響研究還鮮見報道。

杉木()是亞熱帶地區(qū)具有代表性的速生樹種，人工林面積已達(dá)1.10×10hm，約占全國人工林總面積的21.4%，在人工林生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。因此，本文以杉木幼苗為研究對象，探究N沉降背景下BC施用對SOC組分的影響，為亞熱帶生物質(zhì)資源合理利用及人工林可持續(xù)經(jīng)營提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

研究地點位于福建師范大學(xué)長安山公園(26°02′11″N，119°18′03″E)。供試土壤采自福建省閩北水土保持科教園內(nèi)杉木人工林，土壤類型為紅壤。采集后的新鮮土樣在去除殘體、石礫等雜物后過5 mm篩備用。土壤的全碳(TC)含量16.51 g/kg，全氮(TN)含量1.71 g/kg，全磷(TP)含量0.53 g/kg，pH 4.49；BC(玉米秸稈，450 ℃制備)購自遼寧金和福農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，其TC含量442.91 g/kg，TN含量7.97 g/kg，TP含量2.94 g/kg，pH 10.17。一年生杉木幼苗購自三明苗木基地。

1.2 試驗設(shè)計

采用雙因素設(shè)計，參照中亞熱帶地區(qū)N沉降背景值36.3 kg/(hm·a)，并結(jié)合未來大氣N沉降可能持續(xù)增加的趨勢，確定模擬N沉降量為(0，40，80(kg/hm·a))；基于BC的實際應(yīng)用，BC以土壤質(zhì)量的0，1%和3%施入，施用量相當(dāng)于0，12，36 t/hm，共9個處理，分別為：(1)0(NB)；(2)12 t/hmBC(NB)；(3)36 t/hmBC(NB)；(4)N 40 kg/(hm·a)(NB)；(5)N 40 kg/(hm·a)+12 t/hmBC(NB)；(6)N 40 kg/(hm·a)+36 t/hmBC(NB)；(7)N 80 kg/(hm·a)(NB)；(8)N 80 kg/(hm·a)+12 t/hmBC(NB)；(9)N 80 kg/(hm·a)+36 t/hmBC(NB)，每個處理4次重復(fù)。

2019年4月1日，將6.235 kg新鮮土(質(zhì)量含水量24.7%)與BC混合后一次性裝入直徑25 cm，高25 cm的圓柱形塑料盆中，選擇長勢一致杉木幼苗栽入盆中(平均株高25.50 cm，平均地徑0.23 cm)。每月1號N沉降以NHNO溶液形式均勻噴灑在土壤表面，其余處理則噴灑等量水。定期維護(hù)，去除土壤表面凋落物及雜草，盡可能降低環(huán)境因素的干擾。試驗18個月后進(jìn)行破壞性取樣，利用四分法取土，新鮮土樣去除可見根系、石礫等雜物，取回后過2 mm篩后分成兩部分：一部分立即測定微生物生物量；另一部分自然風(fēng)干過2 mm和0.149 mm篩用于土壤基本性質(zhì)和C組分測定。杉木幼苗的根、莖和葉的生物量測定采用烘干法。

1.3 測定方法

pH采用便攜式pH計(Mettler FE28，上海)測定，水土比為2.5∶1。土壤速效氮(AN)采用堿解—擴散法測定；土壤速效磷(AP)采用鉬銻抗比色法，用HCl—NHF浸提，分光光度計(WFJ721，上海光譜)測定；土壤速效鉀(AK)采用CHCOONH浸提，火焰光度計(FP6410，上海欣益)測定。

SOC組分采用HSO水解法，根據(jù)其穩(wěn)定性劃分為：(1)活性組分Ⅰ(LPⅠ-C，Labile PoolⅠ)，包括淀粉、半纖維素、可溶性糖類等，利用20 mL 2.5 mol/L HSO水解；(2)活性組分Ⅱ(LPⅡ-C, Labile PoolⅡ)，主要包括纖維素等，利用2 mL 13 mol/L HSO進(jìn)一步提取所得；(3)難降解組分(RPC, Recalcitrant Pool)，離心管內(nèi)殘渣清洗烘干后所得，主要包括木質(zhì)素等。酸水解活性C組分(LPC)=LPⅠ-C+LPⅡ-C。利用總有機碳分析儀(TOC-VCPH/CPN, Shimadzu，日本)和碳氮元素分析儀(ElementarVario EL III, Elementar，德國)分別測定濾液與殘渣有機C濃度。

DOC含量采用總有機碳分析儀(TOC-VCPH/CPN, Shimadzu,日本)測定；MBC采用氯仿熏蒸—KSO浸提法，利用總有機碳分析儀(TOC-VCPH/CPN, Shimadzu，日本)測定提取液C含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，統(tǒng)計分析和作圖采用SPSS 19和Origin 2019b軟件。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)LSD法多重比較檢驗不同處理間差異顯著性(<0.05)，利用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)，檢驗N沉降與BC處理間的差異及交互作用；相關(guān)分析采用Pearson相關(guān)分析法進(jìn)行雙尾檢驗確定顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基本性質(zhì)

由表1可知，與NB相比，單施BC(NB和NB)處理的土壤pH、AP和AK含量均顯著升高，pH分別提高0.26和0.85個單位，土壤AN含量在NB處理下顯著升高(<0.05)；單獨模擬N沉降(NB和NB)對AP含量無顯著影響，但AK含量顯著降低，NB處理的土壤pH較對照顯著降低0.18個單位，NB處理使AN含量增加顯著(<0.05)；相比NB處理，低N沉降下施用BC(NB和NB)處理的土壤pH、AP和AK含量顯著增加，且3個處理間差異顯著(<0.05)，其中pH分別提高0.35和0.91個單位，AN含量呈下降趨勢，在NB處理下降低顯著(<0.05)；同樣，相比NB處理，高N沉降下添加BC(NB和NB)處理的pH、AP和AK變化趨勢與低N沉降下添加BC的一致，AN含量亦顯著增加(<0.05)，但NB和NB處理間差異并不顯著。

表1 不同處理對土壤酸度和速效養(yǎng)分的影響

2.2 土壤有機碳及其組分含量

由表2可知，與NB處理相比，單施BC和N沉降下BC施用使SOC含量顯著增加40.1%～99.2%，且同一N沉降水平不同BC處理間差異達(dá)顯著水平(<0.05)，其中單施BC時SOC增加趨勢最明顯；單獨N沉降，SOC含量在低N沉降處理下增長顯著，在高N沉降處理下差異未達(dá)顯著水平。單獨N沉降、單施BC以及N沉降下BC施用均顯著增加RPC含量(<0.05)，提升幅度為16.7%～267.8%，其中NB處理的RPC含量增加亦最為明顯。N沉降下施用高量BC，土壤LPC組分含量顯著降低(<0.05)，相比NB處理，NB處理的LPC含量降低15.4%；相比NB處理，NB處理的LPC含量降低13.8%。但單施BC和單獨N沉降對土壤LPC含量無顯著影響。

相比NB處理，單獨N沉降對DOC含量無顯著影響，單施BC以及N沉降下施用BC處理顯著提高土壤DOC含量，增加幅度為75.3%～194.7%。單獨N沉降，NB處理下土壤MBC含量較NB處理的顯著降低17.2%，較NB處理降低8.5%；與NB處理相比，土壤MBC在低N沉降下添加BC時顯著降低27.1%～43.2%；與NB處理相比，高N沉降下施用BC處理的土壤MBC含量顯著增加21.4%～29.6%(<0.05)；單施BC對土壤MBC影響不顯著(表2)。

表2 BC和N沉降處理下土壤有機碳及其組分含量

方差分析表明，BC施用極顯著影響SOC、RPC、LPC和DOC含量(<0.01)，且對RPC組分影響最大；N沉降處理僅對MBC影響極顯著(<0.01)；N沉降與BC交互作用對SOC、RPC、MBC具有極顯著影響(<0.01)(表3)。

表3 BC和N沉降處理對土壤有機碳及其組分影響的方差分析

2.3 土壤有機碳組分在總有機碳中的比例分配

BC處理、N沉降處理以及BC和N沉降交互處理均對LPC/SOC比例(圖1a)和RPC/SOC比例(圖1b)產(chǎn)生極顯著影響(<0.01)。本研究土壤LPC/SOC比例為28.6%～61.3%。與NB相比，單獨N沉降處理(NB和NB)LPC/SOC比例顯著降低4.2%和6.6%；單施BC和N沉降下施用BC，LPC/SOC比例降低28.8%～53.3%，且不同BC施用量間差異顯著(<0.05)。RPC/SOC比例為38.7%～71.4%，與NB相比，單施BC和N沉降下施用BC，RPC/SOC比例顯著增加45.7%～84.6%；單獨N沉降，RPC/SOC比例亦顯著增加，但增加效果不及BC施入。

注：圖柱上方不同字母表示各處理間差異顯著(P<0.01)。下同。

BC處理極顯著影響DOC/SOC和MBC/SOC比例(<0.01)，N沉降、N沉降與BC交互處理對MBC/SOC比例分別存在顯著(<0.05)和極顯著影響(<0.01)，對DOC/SOC比例影響不顯著。由圖2a可知，各處理中DOC/SOC比例范圍為0.06%～0.12%，單施BC，DOC/SOC比例在NB和NB處理中較NB處理顯著增加(<0.05)，NB處理的較NB處理有所降低，但未達(dá)顯著水平；低N沉降下添加BC，變化趨勢與單施BC相同；高N沉降下添加BC，與NB相比，NB處理顯著提高DOC/SOC比例，且顯著高于NB處理(<0.05)。由圖2b可知，土壤MBC/SOC比例范圍在0.5%～1.3%，與NB相比，單獨高N沉降處理的MBC/SOC比例顯著降低16.2%；單施BC和低N沉降下施用BC處理的MBC/SOC比例顯著降低22.7%～58.0%，高N沉降下施用BC時MBC/SOC比例顯著降低23.8%～34.9%(<0.05)。

圖2 不同處理DOC和MBC在SOC中的比例

2.4 影響因子分析

相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，SOC與RPC、DOC、pH、TN以及速效養(yǎng)分(AP和AK)呈極顯著正相關(guān)(<0.01)；與LPC呈極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01)。LPC組分與各土壤指標(biāo)(MBC和AN除外)均呈極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01)。土壤MBC僅與AN關(guān)系顯著(<0.05)，與SOC組分及其他因子均無顯著關(guān)系。SOC、RPC和DOC與地上生物量呈顯著正相關(guān)(<0.05)，與地下生物量關(guān)系不顯著。此外，DOC亦與pH、AP和AK呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)(圖3)。

注：*表示在P<0.05水平顯著相關(guān)；**表示在P<0.01水平顯著相關(guān)。

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)，單獨模擬N沉降增加SOC含量，特別在低N沉降處理下增長顯著，增幅9.5%(表2)，這與Zak等野外試驗結(jié)果相近，模擬N沉降(N 30 kg/(hm·a))處理的森林SOC含量顯著高于對照土壤，增幅約12%，N沉降抑制微生物活性和減緩有機質(zhì)分解，從而促進(jìn)SOC庫的積累。Chang等進(jìn)一步表明，N添加(N 40 kg/(hm·a))處理的森林表層(0—5 cm)土壤呼吸受到抑制，而微生物生物量的降低是抑制土壤呼吸，進(jìn)而抑制SOC分解的主要原因。本研究低N沉降處理土壤MBC含量顯著降低也證實這一點。而單獨施用BC以及N沉降下施用BC處理的SOC含量較單獨N沉降處理的顯著提高，且高量施用效果較低量更明顯(表2)，這與多數(shù)報道結(jié)果一致。一方面BC為富C材料，外源C輸入可直接增加SOC含量；另一方面，BC中含有超過97%的頑固性C，主要包含芳香性C組分，特別是高度濃縮的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，生物穩(wěn)定性強，可在長期內(nèi)提升SOC含量。

RPC/SOC(有機C難降解指數(shù))反映SOC難降解性。本研究中，單施BC以及N沉降下施用BC顯著增加RPC含量及比例，其變化趨勢與SOC相似，而受影響程度大于SOC(表3和圖1)。RPC組分在單施BC處理時增加效果最為明顯，該組分主要由木質(zhì)素等具有芳香環(huán)和烷基結(jié)構(gòu)的C組成，BC施入是其增加的主要原因。已有研究表明，BC輸入改變SOC組分的分配比例，使其朝“惰性化”方向發(fā)展。因此，N沉降背景下BC施用有利于土壤LPC向RPC轉(zhuǎn)化可能是RPC組分含量增加的又一原因。相關(guān)分析亦表明，RPC與LPC組分呈極顯著負(fù)相關(guān)(圖3)，這也證實N沉降背景下BC施用有利于增加土壤C庫穩(wěn)定。單獨N沉降處理土壤RPC含量及比例亦顯著增加，但不同N沉降量對其影響效果不及BC施入(表2和圖1)，這與林偉等研究結(jié)果相似。Ramirez等研究認(rèn)為，N添加改變微生物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而抑制土壤穩(wěn)定性C的分解。Neff等同樣發(fā)現(xiàn)，N添加(N 10 g/(m·a))增加難降解有機C的穩(wěn)定性。另外，土壤多酚氧化酶作為主要的木質(zhì)素分解酶，N沉降可抑制其活性，進(jìn)而影響對土壤木質(zhì)素的分解，這可能進(jìn)一步增加土壤難降解有機C含量。

LPC組分是土壤中易分解礦化的有機C，是微生物的主要能源和C源，可指示土壤C庫質(zhì)量變化。本研究中，單獨N沉降對土壤LPC組分含量影響并不顯著，單施BC變化亦不大，但在高量BC與N沉降聯(lián)合作用時顯著降低，可能是因為BC輸入改善N沉降對微生物群落組成的負(fù)面影響，進(jìn)而改變SOC組分的分配與轉(zhuǎn)化。LPC/SOC(有機C活性指數(shù))反映SOC活性程度或生物可降解性，單獨N沉降使該指數(shù)顯著降低(圖1)，這與張璐等觀點一致。單施BC以及N沉降背景下施用BC，LPC/SOC降低幅度較單獨N沉降處理更為明顯(表2和圖1)，這與張繼旭等研究結(jié)論相似，他們施用0.2%～5%BC(水稻秸稈)發(fā)現(xiàn)黃棕壤LPC/SOC比例下降。Lu等研究發(fā)現(xiàn)，BC(玉米秸稈)的多孔結(jié)構(gòu)能夠保留土壤養(yǎng)分和吸附土壤活性C，導(dǎo)致土壤LPC含量較低。也有研究顯示，BC富含AP、AK等速效養(yǎng)分，玉米秸稈制備的BC使得土壤AP含量增加更甚。本研究中，AK、AP等速效養(yǎng)分與LPC存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖3)，說明N沉降下BC施用可能緩解富N環(huán)境中微生物對P和K限制，提高LPC周轉(zhuǎn)速率。

DOC作為土壤有機質(zhì)庫中最活躍的部分，是養(yǎng)分周轉(zhuǎn)的重要橋梁，其含量變化取決于來源與消耗的平衡。Zhong等在廣東大嶺山森林為期1年模擬N沉降試驗后未觀察到DOC含量變化，這與本研究結(jié)論一致，原因可能是高溫多雨的亞熱帶氣候條件導(dǎo)致的土壤DOC淋失掩蓋N沉降對DOC的影響。亦有研究發(fā)現(xiàn)，N沉降加劇土壤酸化，從而導(dǎo)致DOC含量降低，或者N沉降通過抑制土壤中多酚氧化酶和微生物活性，增加DOC含量。多數(shù)研究從施N處理后的酸堿效應(yīng)和微生物群落變化來解釋土壤DOC對N添加的響應(yīng)差異，目前尚無統(tǒng)一定論。本研究發(fā)現(xiàn)，BC施用對DOC含量存在顯著影響(表3)，單施BC以及N沉降背景下施用BC，土壤DOC含量顯著增加75.3%～194.7%，這與Song等研究結(jié)論相近。BC比表面積大，吸附能力強，固持水分和養(yǎng)分，改善土壤生物棲息環(huán)境，進(jìn)而提高DOC含量。BC亦含有可溶性物質(zhì)，這是土壤DOC含量增加的重要因素。此外，本研究中BC施用使土壤pH顯著升高，pH不僅能夠影響土壤DOC的吸附解吸過程，還可能導(dǎo)致DOC中弱酸性官能團(tuán)的去質(zhì)子化，增加其親水性和電荷密度，提升其溶解度。本研究亦表明，土壤DOC含量與pH呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，這可能是DOC含量顯著升高的重要原因(圖3)。新近凋落物和土壤腐殖質(zhì)被認(rèn)為是森林土壤DOC的主要來源，Tian等研究認(rèn)為，較高的植物生物量或BC和N沉降的協(xié)同作用產(chǎn)生較多的根系分泌物是DOC增加的可能原因。本研究進(jìn)一步證實，DOC與地上生物量間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(圖3)。

Jian等綜合65項N添加試驗發(fā)現(xiàn)，N添加對MBC的抑制作用為9.5%。本研究中單獨高N沉降較對照處理降低8.5%(表2)，這也證實MBC對N添加的負(fù)響應(yīng)普遍存在。Wang等通過對南亞熱帶3種森林生態(tài)系統(tǒng)N沉降研究發(fā)現(xiàn)，N沉降增加造成的土壤酸化可能是微生物生物量變化的主要調(diào)控因素；Zhong等研究結(jié)果與本文一致，認(rèn)為土壤pH控制酶動力學(xué)和微生物過程，N沉降通過影響pH進(jìn)而對MBC、SOC和養(yǎng)分有效性產(chǎn)生連鎖影響。而本研究中，單獨高N沉降處理導(dǎo)致土壤酸化(表1)，N沉降和BC對土壤MBC含量存在顯著交互作用(表3)。Liu等研究發(fā)現(xiàn)，未施N條件下，土壤MBC對BC的響應(yīng)不顯著，而在施N條件下，BC施用增加MBC含量，這與本研究中高N沉降與BC聯(lián)合作用的結(jié)果吻合。此外，MBC/SOC為土壤微生物熵，反映土壤微生物對SOC的貢獻(xiàn)，以及對基質(zhì)的利用效率。本研究中，高N沉降處理的MBC/SOC比例顯著降低，說明高N添加不利于土壤微生物對底物的利用；單施BC以及N沉降與BC交互處理均對MBC/SOC比例影響顯著，使其呈現(xiàn)下降趨勢(圖2)。同時本研究發(fā)現(xiàn)，高N沉降與高量BC的交互作用能夠減緩這種下降趨勢，說明在高N沉降背景下，高量BC施用可能促進(jìn)微生物的激發(fā)作用，減緩高N沉降對微生物活性的抑制。

4 結(jié) 論

(1)與單獨N沉降相比，N沉降與BC交互作用對SOC、DOC、RPC含量及比例的提升效果，以及對LPC含量及比例的降低效果更為明顯。其中，N沉降背景下BC施用對RPC組分的促進(jìn)作用最明顯，這說明N沉降與BC交互作用能夠促進(jìn)SOC組分的穩(wěn)定性，有利于土壤C庫增加。

(2)單獨高N沉降減少土壤MBC含量及比例，單施BC對MBC含量的影響并不顯著，高N沉降背景下施用BC使MBC含量顯著增加，這表明BC施用能夠減緩高N沉降對土壤微生物量造成的負(fù)面影響。