不同秸稈炭在黃壤中降解特征的比較研究①

邢存芳， 侯建偉， 楊莉琳

銅仁學(xué)院 農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院/貴州省梵凈山地區(qū)生物多樣性保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 銅仁 554300

多年來, 我國(guó)實(shí)施秸稈還田等一系列措施來提高土壤肥力, 其核心是在提高土壤有機(jī)質(zhì)水平的同時(shí)把環(huán)境中的碳封存在土壤中[1]． 由2016-2020年的《貴州統(tǒng)計(jì)年鑒》[2]可知, 貴州省的玉米、 水稻和油菜年產(chǎn)量分別為220.34～456.40,156.01～415.98,77.25～88.56萬(wàn)t, 按照1∶1.2,1∶0.9和1∶1.5[3]的籽粒與秸稈質(zhì)量比例折算其秸稈年產(chǎn)量分別為264～548,140～374,116～133萬(wàn)t． 當(dāng)前, 這些主作物秸稈多被就地焚燒或粉碎還田． 秸稈粉碎還田雖是當(dāng)今世界普遍采取的一項(xiàng)培肥地力的增產(chǎn)措施, 在減少焚燒帶來污染的同時(shí)還兼具增肥增產(chǎn)作用[4], 但是在貴州高原這種中亞熱帶地區(qū), 由于雨熱同期、 降雨量大于蒸發(fā)量的氣候特點(diǎn)使得投入農(nóng)田的植物生物質(zhì)(有機(jī)質(zhì)一般低于2%[2,5])很快被氧化分解[6], 不利于碳的固定．

近年來, 國(guó)際社會(huì)紛紛提出了秸稈炭化還田策略, 以達(dá)到利用土壤來封存環(huán)境中碳的目的[6-10]． 秸稈炭化還田就是將秸稈生物質(zhì)經(jīng)高溫?zé)o氧炭化后轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭再投入至土壤中進(jìn)行碳封存． 此秸稈炭是由單環(huán)和凝聚環(huán)芳香族C組成的高度芳香化的富碳產(chǎn)物[11-13], 其全碳含量是原生物質(zhì)的1.6～2.0倍[14], 其降解半衰期約為普通植物生物質(zhì)的20倍以上[15]． 但至今, 僅有少數(shù)國(guó)外研究學(xué)者推測(cè), 黑炭物質(zhì)可在自然環(huán)境中穩(wěn)定數(shù)千年[16], 其半衰期為100 a左右[17]; 國(guó)內(nèi)模擬試驗(yàn)估算, 沙蒿生物質(zhì)炭的降解半衰期為2～12 a[14], 玉米秸稈炭的降解半衰期為17.6～21.1 a, 且在土壤中的穩(wěn)定性低于活性炭[15]． 因此, 秸稈炭有利于碳的固定, 但對(duì)其在土壤環(huán)境中的穩(wěn)定性還缺乏深入的了解, 尤其是缺少對(duì)不同秸稈炭在土壤中的降解特征差異的對(duì)比分析．

由于生物質(zhì)炭是通過特定方式制備的, 其化學(xué)組成既不同于自然界中的黑炭, 也不同于活性炭, 加之作物種類差異, 不同秸稈炭之間也有著本質(zhì)的區(qū)別, 投入土壤后有其自身的降解規(guī)律． 為此, 本研究以油菜、 玉米和水稻3種貴州主作物秸稈炭為供試材料, 以貴州旱地黃壤為培養(yǎng)介質(zhì)進(jìn)行了為期3年的土壤培養(yǎng)試驗(yàn), 通過秸稈炭添入黃壤后的表觀殘留碳量、 降解率和降解半衰期等評(píng)價(jià)指標(biāo), 比較分析了3種秸稈炭在黃壤中的降解特征差異, 以期為利用秸稈炭進(jìn)行土壤固碳提供評(píng)價(jià)依據(jù)．

1 材料與方法

1.1 供試土壤與材料

供試土壤: 采自銅仁市德江縣烏江學(xué)院附近的開荒地(N28°14′32″, E108°9′0″), 將取回的土壤在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后過2 mm孔徑篩網(wǎng)． 土壤的pH值為5.96、 有機(jī)碳為6.68 g/kg、 堿解氮為22.70 mg/kg、 有效磷為8.53 mg/kg、 速效鉀為49.25 mg/kg．

供試秸稈炭: 分別稱取20 g的水稻、 玉米和油菜的秸稈(自然風(fēng)干, 粉碎后過2 mm孔徑篩網(wǎng), 65 ℃烘至恒質(zhì)量)放入箱式電阻爐(SGM.VB8/10, 洛陽(yáng))的坩堝中, 用真空泵抽取爐內(nèi)空氣創(chuàng)造低氧境, 500 ℃恒溫炭化6 h后自然降溫, 制備得到水稻、 玉米和油菜的秸稈炭, 其全碳含量分別為512 g/kg,576 g/kg和449 g/kg．

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

本試驗(yàn)采用室內(nèi)盆栽培養(yǎng)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行, 以期能夠嚴(yán)格控制水分、 溫度和光照等試驗(yàn)條件． 稱取1 000 g風(fēng)干土, 將油菜、 水稻和玉米秸稈炭分別按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%,2%,4%的添加量與土壤充分混勻后裝入塑料杯中, 補(bǔ)加蒸餾水至田間飽和持水量的60%． 同時(shí)以未添加秸稈炭處理作為空白對(duì)照(CK), 無菌膜封口, 保持一定的透氣性, 培養(yǎng)杯底部中心打直徑1 cm的小孔, 置于室內(nèi)進(jìn)行為期3年的室內(nèi)盆栽培養(yǎng)模擬實(shí)驗(yàn)． 共計(jì)10個(gè)處理, 每個(gè)處理9次重復(fù), 每隔5 d用稱質(zhì)量法補(bǔ)水1次． 在培養(yǎng)后的12,24,36月時(shí)間點(diǎn)上破壞性取樣(每次取3個(gè)重復(fù)), 所取土樣分別過0.15 mm孔徑篩網(wǎng), 用于測(cè)定土壤全碳含量．

1.3 測(cè)試項(xiàng)目與方法

秸稈炭: pH值用復(fù)合電極電位法測(cè)定,V(水)∶m(秸稈炭)=10∶1[4]; 全碳用CHN元素分析儀(德國(guó)Elementar, Vario Macro)測(cè)定[4]; 孔容積、 孔徑、 比表面積采用全自動(dòng)氣體吸附儀(ASAP2020)測(cè)定[4]．

土壤: 土壤全碳采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[18]．

1.4 秸稈炭的降解參數(shù)估算

秸稈炭表觀殘留碳量為[14-15]:

C(g/kg)=秸稈炭處理土壤全碳含量-對(duì)照土壤全碳含量

(1)

秸稈炭降解率為:

(2)

式中:C0為培養(yǎng)前加入秸稈炭的純碳量(g/kg),Ct為t時(shí)間表觀殘留碳量(g/kg)．

秸稈炭降解半衰期為:

T1/2(月)=0.693K

(3)

1.5 數(shù)據(jù)分析

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010整理后, 用SAS 9.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì), 在符合正態(tài)分布的情況下進(jìn)行one way ANOVA單因素方差分析, 采用多重比較方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)．

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈炭處理黃壤的全碳含量分析

圖1是黃壤中添加油菜、 水稻和玉米秸稈炭后黃壤全碳含量隨培養(yǎng)時(shí)間的變化趨勢(shì)圖． 由圖1可知, 在相同添加量的條件下, 不同秸稈炭處理的黃壤全碳含量均表現(xiàn)為玉米秸稈炭處理最高, 水稻秸稈炭處理次之, 油菜秸稈炭處理最低． 3種秸稈炭以4%施入黃壤后, 其全碳含量由初始的6.68 g/kg(CK)提高至23.65～29.75 g/kg, 增加到3.5～4.5倍, 對(duì)照全國(guó)第2次土壤普查不同養(yǎng)分含量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[19]得知, 全碳含量由原來的第4等級(jí)提高至第1等級(jí), 具有明顯的增碳效果． 由圖1還可看出, 黃壤培養(yǎng)到第12月時(shí), 其全碳含量驟降且與同處理的24,36月之間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義． 說明秸稈炭被施入黃壤后, 第1年是快速降解期, 而后開始進(jìn)入緩慢降解期．

注: 圖柱上小寫字母不同表示相同處理的不同培養(yǎng)時(shí)間之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p<0.05)圖1 油菜、 水稻和玉米秸稈炭處理黃壤的全碳含量

2.2 不同秸稈炭的表觀殘留碳量估算

表觀殘留碳量即秸稈炭在黃壤中未分解的有機(jī)碳含量, 是培養(yǎng)到一定時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)秸稈炭處理黃壤的全碳量與CK處理全碳量的差值[14-15]． 通過公式(1)計(jì)算可得出油菜、 水稻和玉米秸稈炭處理黃壤的表觀殘留碳量(圖2)．

注: 圖柱上小寫字母不同表示同種秸稈炭在同一添加量下, 不同培養(yǎng)時(shí)間之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p<0.05)圖2 油菜、 水稻和玉米秸稈炭在黃壤中的表觀殘留碳量

分析圖2發(fā)現(xiàn), 不同秸稈炭施入黃壤后24～36月內(nèi), 其表觀殘留碳量明顯降低, 且與12月的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p<0.05)． 在相同添加量下, 秸稈炭在黃壤中的表觀殘留碳量從多到少依次為: 玉米秸稈炭、 水稻秸稈炭、 油菜秸稈炭, 但其有機(jī)炭殘留[14-15]比例則相反, 即有機(jī)炭殘留量從多到少依次為: 油菜秸稈炭、 水稻秸稈炭、 玉米秸稈炭, 其平均值分別為80.2%,75.8%和72.0%． 說明在培養(yǎng)36月期間, 不同秸稈炭的表觀殘留碳量取決于秸稈炭自身的含碳量, 而殘留比例取決于秸稈炭種類．

2.3 估算不同秸稈炭的降解率

秸稈炭表觀殘留碳量的降低說明秸稈炭在黃壤中逐漸降解, 其降解程度可用秸稈炭降解率來表征, 其降解率越高, 表觀殘留碳量就越少． 通過公式(2)計(jì)算可得出不同添加量的油菜、 水稻和玉米秸稈炭的降解率(圖3)． 由圖3可知, 與培養(yǎng)12月相比, 24月和36月的秸稈炭降解率顯著增大(p<0.05)． 在相同添加量下, 油菜秸稈炭的降解率顯著低于其他處理, 特別是4%添加量下, 其平均降解率比水稻秸稈炭和玉米秸稈炭分別低4.9%和7.1%．

注: 圖柱內(nèi)小寫字母不同表示相同處理的不同培養(yǎng)時(shí)間之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p<0.05);圖柱上大寫字母不同表示在相同添加量下, 不同秸稈炭的累計(jì)降解率間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p<0.05)．圖3 油菜、 水稻和玉米秸稈炭在黃壤中的降解率

2.4 估算秸稈炭在黃壤中的降解半衰期

有機(jī)碳在土壤中的降解周期以降解半衰期來表征, 其值由公式(3)計(jì)算得到, 值越大說明降解周期越長(zhǎng)、 秸稈炭就越難降解． 由表1可知, 油菜、 水稻和玉米秸稈炭的降解半衰期分別為58.5～98.4,47.3～72.0,36.4～63.5月, 相當(dāng)于4.9～8.2,3.9～6.0,3.0～5.3年． 從表2中的培養(yǎng)時(shí)間可看出, 秸稈炭培養(yǎng)時(shí)間越長(zhǎng), 其降解半衰期的估測(cè)值越大, 其培養(yǎng)時(shí)間每延長(zhǎng)12月, 秸稈炭降解半衰期平均延長(zhǎng)28.7%～42.5%, 這與圖1中秸稈炭在黃壤中培養(yǎng)到第12月時(shí)其全碳含量驟降而后下降緩慢相印證． 從秸稈炭降解半衰期的平均值可知, 油菜秸稈炭的降解半衰期最大, 特別是在4%添加量下, 其半衰期是水稻秸稈炭和玉米秸稈炭的1.4倍和1.5倍．

表1 油菜、 水稻和玉米秸稈炭在黃壤中的降解半衰期

3 討論

章明奎等[15]在青紫泥田中添加0.83%的玉米秸稈炭的研究證明, 玉米秸稈炭的降解半衰期為15年以上, 并且淹水條件較75%田間持水量下的降解半衰期要高出2年以上; 也有研究推算土壤中黑炭的半衰期為100年左右[11], 均明顯高于本研究結(jié)果(表1)． 以往研究也證實(shí), 生物質(zhì)的熱解溫度、 炭化時(shí)間以及施用量等因素不同, 其降解半衰期可相差10年左右[14]． 目前, 雖然不同學(xué)者得出的生物質(zhì)炭降解半衰期結(jié)果相差較大, 但是生物質(zhì)炭化后其降解半衰期可大大延長(zhǎng)已得到充分肯定． 如: 玉米秸稈的降解半衰期為0.68～0.88年, 炭化前后其全碳含量可相差1.6～2.0倍, 半衰期可相差20余倍[15]． 因此, 秸稈炭化還田具有更高的增碳效果, 是把碳穩(wěn)定封存在土壤中的重要途徑． 本研究中, 油菜秸稈炭以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%投入到黃壤中, 黃壤全碳含量(23.65 g/kg)比CK(6.68 g/kg)提高了2.5倍, 且降解半衰期最高, 為8.2年． 說明油菜秸稈炭比水稻和玉米秸稈炭更有利于穩(wěn)定固存在黃壤中．

秸稈炭的降解半衰期是穩(wěn)定土壤固碳的重要參考依據(jù)． 本研究中秸稈炭降解半衰期隨培養(yǎng)時(shí)間而波動(dòng), 即秸稈炭在培養(yǎng)前期(12月)降解較快, 后期(24月和36月)趨于恒穩(wěn)(圖3)． 綜合以往研究可知: 一是, 微生物參與下的活性有機(jī)碳的優(yōu)先降解增加了培養(yǎng)前期秸稈炭的降解比例． 秸稈炭組分是由絕大部分的非活性有機(jī)碳(惰性碳)[20]和少部分的活性有機(jī)碳[21]以及一定量的無機(jī)碳組成的[22]． 其中, 非活性有機(jī)碳具有復(fù)雜芳環(huán)結(jié)構(gòu), 碳水化合物相對(duì)較少[23], 而活性有機(jī)碳作為有機(jī)碳的重要組分, 它與固相的有機(jī)碳相比具有更多的活性點(diǎn)位[24], 培養(yǎng)前期微生物會(huì)選擇性地優(yōu)先降解不穩(wěn)定的碳水化合物[25-26]． 同時(shí)也有研究證實(shí), 接種微生物(未經(jīng)過滅菌處理)時(shí), 不僅生物質(zhì)炭的降解比例較不接種微生物(滅菌處理)時(shí)明顯提高[27], 而且還可增加生物質(zhì)炭培養(yǎng)土壤中CO2的釋放量[17]． 二是, 秸稈炭中還含有一定量的以碳酸鹽形態(tài)存在的無機(jī)碳[22]． 在本研究中供試土壤是pH值為5.96的酸性黃壤, 此酸性環(huán)境可促使這部分碳酸鹽發(fā)生溶解和分解, 直接增加了培養(yǎng)前期秸稈炭的表觀降解量(圖2)． 綜上所述, 秸稈炭組分中的活性有機(jī)碳和無機(jī)碳的優(yōu)先降解(分解)是導(dǎo)致培養(yǎng)前期黃壤總碳驟降(圖1)、 秸稈炭降解半衰期偏小(表1)的最主要原因．

本研究尚未建立準(zhǔn)確估算秸稈炭降解半衰期的分析模型, 且本試驗(yàn)為室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn), 因與室外實(shí)際環(huán)境條件存在較大差異而使研究結(jié)果的說服力有所下降． 另外, 本研究通過一種有機(jī)質(zhì)匱缺的典型黃壤與秸稈炭混合耗氧培養(yǎng)過程中體系總碳的變化分析了3種秸稈炭在黃壤中的降解特征, 其降解半衰期隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而波動(dòng)． 因此, 后續(xù)研究應(yīng)預(yù)先去除秸稈炭中無機(jī)碳組分(如采用滴定法[28]), 避免其在酸性黃壤中因發(fā)生溶解和分解而對(duì)有機(jī)碳降解規(guī)律產(chǎn)生影響; 同時(shí)將室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)為田間試驗(yàn), 重點(diǎn)研究其有機(jī)碳部分的降解特征及其影響因素, 進(jìn)一步明確秸稈炭在土壤中的降解周期．

4 結(jié)論

1) 秸稈炭對(duì)黃壤的增碳效果取決于投入秸稈炭的純碳量, 即在同一添加量水平下, 增碳效果從好到差依次為: 玉米秸稈炭、 水稻秸稈炭、 油菜秸稈炭．

2) 不同秸稈炭在黃壤中的降解周期具有明顯差異, 油菜、 水稻和玉米秸稈炭的降解半衰期分別為4.9～8.2,3.9～6.0,3.0～5.3年, 平均為6.2,5.0,4.2年． 說明油菜秸稈炭具有更好的穩(wěn)定性, 更有利于碳封存．

3) 短期內(nèi)模擬研究秸稈炭在土壤環(huán)境中的降解特征, 其降解半衰期并非定值, 而是隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而延長(zhǎng)． 因此, 需要進(jìn)一步延長(zhǎng)培養(yǎng)時(shí)間來確定降解半衰期趨于穩(wěn)定的時(shí)間拐點(diǎn), 推算出更趨向于實(shí)際值的降解周期．