韓 瑋,申雙和,*,謝祖彬,李 博,李玉婷,劉 琦

1 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京信息工程大學(xué), 南京 210044 2 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所, 南京 210008

?

生物炭及秸稈對(duì)水稻土各密度組分有機(jī)碳及微生物的影響

韓 瑋1,申雙和1,*,謝祖彬2,李 博1,李玉婷1,劉 琦2

1 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京信息工程大學(xué), 南京 210044 2 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所, 南京 210008

生物炭被認(rèn)為是土壤碳封存的有效手段,但是關(guān)于生物炭對(duì)土壤不同密度組分有機(jī)碳影響的研究報(bào)道很少。以南方稻麥輪作區(qū)水稻土為研究對(duì)象,通過(guò)田間小區(qū)試驗(yàn)研究了不施有機(jī)物(CK)、玉米秸稈還田(CS)、施用300℃熱解生物炭(300BC)、施用400℃熱解生物炭(400BC)和施用500℃熱解生物炭(500BC)處理對(duì)土壤輕重組分質(zhì)量比例,土壤輕重組分有機(jī)碳和土壤微生物的影響。結(jié)果表明：1)施用生物炭顯著提高了土壤輕組的質(zhì)量比例和土壤輕組有機(jī)碳含量,輕組有機(jī)碳含量為500BC>400BC>300BC>CS>CK,對(duì)重組有機(jī)碳影響不顯著,但重組有機(jī)碳在土壤中占重要比例；2)施加生物炭后土壤微生物量相比對(duì)照也有提高,但是與施加秸稈處理相比,微生物量提高幅度較小。研究表明,生物炭能提高土壤有機(jī)碳含量,尤其提高了土壤輕組有機(jī)碳的累積,但由于生物炭特殊的芳烴結(jié)構(gòu),其輕組組分化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,這與傳統(tǒng)的土壤有機(jī)碳輕組理論不同。與秸稈處理相比,生物炭處理具有較低的土壤微生物量與微生物商,有利于土壤碳的固定。

生物炭；土壤有機(jī)碳；輕組有機(jī)碳；微生物生物量

土壤碳庫(kù)是地球表面最大的碳庫(kù),在陸地碳循環(huán)和全球變化中起重要作用[1]。近年來(lái),秸稈焚燒等導(dǎo)致土壤碳庫(kù)損失,如何增加土壤碳截留已引起研究者的高度重視[2]。生物炭指生物質(zhì)在缺氧的條件下經(jīng)熱解炭化制作而成的富碳物質(zhì),主要由芳香烴和單質(zhì)碳或具有石墨結(jié)構(gòu)的碳組成[3]。由于生物炭具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性,生物炭技術(shù)被認(rèn)為是碳封存的有效手段之一[4-5]。利用農(nóng)業(yè)廢棄物(如作物秸稈等)生產(chǎn)生物炭,不僅減少了農(nóng)業(yè)廢棄物本身釋放產(chǎn)生的CO2,還能增加土壤碳截留,增加土壤肥力,可以作為農(nóng)業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化的增匯增產(chǎn)的雙贏措施[6-7]。

但是,利用總有機(jī)碳來(lái)評(píng)價(jià)生物炭對(duì)土壤碳的影響是不夠的,進(jìn)行土壤密度分組研究有利于進(jìn)一步了解有機(jī)碳動(dòng)態(tài)。密度分組是利用一定體積的相對(duì)密度重液(相對(duì)密度 1.6—2.2 g/cm3)將土壤分成輕組和重組進(jìn)行研究。輕組是指土壤密度組分中比重小的部分,主要包括處于不同分解階段的植物殘?bào)w和微生物,傳統(tǒng)理論認(rèn)為,土壤輕組態(tài)有機(jī)碳(LFOC)是土壤中重要的活性碳組分[8-9],具有較高的C/N比和較高的分解速率。另一種是重組,重組有機(jī)碳主要吸附在礦物表面或隱蔽在土壤微團(tuán)聚體內(nèi)部,其受耕作方式的影響較小,因此重組可能是土壤中穩(wěn)定的碳庫(kù),研究重組有機(jī)碳對(duì)于認(rèn)識(shí)土壤碳匯功能具有較為重要的意義[10]。此外,土壤微生物在土壤中周轉(zhuǎn)時(shí)間相對(duì)較快,對(duì)土壤環(huán)境變化較為敏感,與土壤有機(jī)碳關(guān)系密切,也常用來(lái)表征土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化。有研究指出,生物炭的高芳香烴結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)及對(duì)水肥吸附作用也可為土壤微生物生長(zhǎng)提供場(chǎng)所和養(yǎng)分[11]。因此研究土壤微生物特征對(duì)于了解生物炭對(duì)土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)影響具有重要意義。

盡管關(guān)于施用生物炭增加土壤碳截留的研究很多,但其對(duì)土壤不同密度組分有機(jī)碳的影響研究尚不多見(jiàn),由于生物炭的生物有效性低,傳統(tǒng)的輕-重組理論可能不適用于生物炭還田土壤。本文研究了在南方水稻土上施用生物炭對(duì)土壤輕組,重組有機(jī)碳含量和土壤微生物量的影響,以期揭示生物炭對(duì)水稻土碳循環(huán)生物地球化學(xué)過(guò)程的影響機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于江蘇省江都市小紀(jì)鎮(zhèn)(119°42′E,32°35′N),亞熱帶濕潤(rùn)氣候帶,海拔5 m,年降雨量980 mm,蒸發(fā)量1100 mm,年平均溫度 14.9 ℃,年日照時(shí)間>2100 h,年無(wú)霜期 220 d；土壤類型為中層砂漿水稻土；耕作方式為水稻-冬小麥復(fù)種,是典型的稻麥復(fù)種農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。

1.2 生物炭和土壤

本試驗(yàn)所選用生物炭是以玉米秸稈為原料,秸切切成小段(<5 cm)后轉(zhuǎn)移到炭化爐中(專利批準(zhǔn)號(hào):20092023219，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所研制ZBXI型),抽真空,充氮?dú)?反復(fù)3次。在無(wú)氧狀態(tài)下逐步加熱,溫度開始設(shè)定在200 ℃,逐步到250 ℃,300 ℃,每一步升溫(除了最后的溫度)保持1.5h,到目標(biāo)溫度(300,400,或500 ℃)恒溫保持至尾氣管不再冒煙為止,反應(yīng)時(shí)間為10—12 h。生物炭磨碎備用(大于80%粒徑小于4.76 mm)。生物炭及秸稈主要特征見(jiàn)表1。土壤含有粘粒(<0.002 mm)13.6%,粉粒(0.002—0.05 mm)28.5%,和砂粒(0.05—2 mm)57.8%,砂壤質(zhì)地。土壤的主要特性見(jiàn)表1。

表1 供試土壤、秸稈、生物炭的理化性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和土壤樣品采集

試驗(yàn)在2011和2012年兩次施加生物炭或秸稈還田,用量均為6 t/hm2。共設(shè)5 個(gè)處理：對(duì)照(CK),秸稈還田(CS),添加300 ℃生物炭(300BC),添加400 ℃生物炭(400BC),添加500 ℃生物炭(500BC)。每處理隨機(jī)設(shè)3個(gè)重復(fù),共計(jì)15個(gè)小區(qū),小區(qū)面積為10 m2。

生物炭施用或秸稈還田時(shí)間為水稻播種前(2011年6月20日,2012年6月17日),添加深度為10 cm。水稻(OryzasativaL.,南粳40)在2011年6月23日和2012年6月20日移植。每平米24穴,行距25 cm,穴距16 cm,每穴3苗。稻季化肥施用量為：尿素(200 kg/hm2N,50%為基肥,10%為蘗肥,40%為穗肥),過(guò)磷酸鈣(70 kg/hm2P2O5,基肥)和氯化鉀(70 kg/hm2K2O,基肥)。小麥(TriticumaestivumL., 寧麥14號(hào))于2011年11月5日播種,播種密度為320粒/m2,2012年6月2日收獲。麥季化肥施用量為：尿素(180 kg/hm2,50%基肥,拔節(jié)期10%,和抽穗期40%),過(guò)磷酸鈣(50 kg/hm2P2O5,基肥),氯化鉀(50 kg/hm2K2O,基肥)。

土壤樣品的采集工作于 2012 年10月20日水稻收獲后進(jìn)行,每個(gè)小區(qū)按 S 形用土鉆隨機(jī)取樣,采樣深度0—10 cm,四分法取樣用于實(shí)驗(yàn)室分析。

1.4 樣品處理與分析

土壤樣品帶回室內(nèi)后分成兩份,一份鮮樣除去其中可見(jiàn)植物殘?bào)w及土壤動(dòng)物,過(guò) 2 mm 篩,混勻。調(diào)節(jié)土壤含水量至飽和持水量的60%后將其置于廣口瓶?jī)?nèi),用保鮮膜封口,25 ℃下培養(yǎng) 7—15 d后進(jìn)行微生物量碳、氮、磷的測(cè)定。另一份土樣密度分組后測(cè)定土壤有機(jī)碳。

土壤輕組有機(jī)碳的分析采用密度浮選法[12],重液為NaI。具體操作方法為：稱取 10 g風(fēng)干土放入離心管中,加入50 mL重液(密度為 1.8 g/cm3),振蕩1 h,將懸浮物離心(3500 r/min,30 min)。收集上層懸浮物,重復(fù)加入重液,分離、離心,共收集 3 次。將所得樣品過(guò) 0.45 μm濾膜真空抽濾,然后用100 mL 0.01 mol/L的CaCl2溶液洗滌,再用200 mL蒸餾水反復(fù)沖洗。收集濾膜上樣品至燒杯中65 ℃烘干測(cè)定有機(jī)碳含量。剩余部分為重組,用 100 mL 0.01 mol/L CaCl2溶液洗滌,再用 200 mL蒸餾水反復(fù)沖洗,收集重組。測(cè)定樣品重量回收率,所得回收率均在95%以上。

土壤有機(jī)碳測(cè)定采用重鉻酸鉀-外加熱法：在外加熱條件下(油浴溫度為175—180 ℃、沸騰5 min)用一定濃度的重鉻酸鉀-硫酸溶液氧化土壤有機(jī)質(zhì),剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵滴定。通過(guò)所消耗的硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積得到有機(jī)碳含量[13]。

微生物量采用氯仿熏蒸-浸提法[14]。土壤微生物量碳,氮采用氯仿熏蒸-硫酸鉀提取法測(cè)定,稱取6份預(yù)培養(yǎng)土樣,每一份土壤25 g(烘干基),其中3份直接用0.5 mol/L的硫酸鉀提取,另3份在真空干燥器內(nèi)用氯仿熏蒸(24 h),熏蒸的土樣除去氯仿后立即提取。浸提液中有機(jī)碳用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定,浸提液中全氮用凱氏法消煮-全自動(dòng)定氮儀測(cè)定,以熏蒸土樣與不熏蒸土樣提取的碳,氮的差值乘以相應(yīng)轉(zhuǎn)換系數(shù)kC(0.38),kN(0.45),分別計(jì)算土壤微生物量碳,氮。土壤微生物磷采用熏蒸培養(yǎng)-碳酸氫鈉提取法測(cè)定,稱取6份預(yù)培養(yǎng)土樣,每份土壤5.0 g(烘干基),3份直接用0.5 mol/L的碳酸鈉提取,另外3份熏蒸后提取。采用鉬銻抗比色法測(cè)定分析提取液中的磷。以熏蒸土樣與不熏蒸土樣提取的磷的差值乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)kP(0.4),計(jì)算土壤微生物生物量磷。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理用SPSS 16. 0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和回歸分析,LSD 法(最小顯著差異法,P<0.05)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同處理下試驗(yàn)數(shù)據(jù)均值之間的比較分析。

土壤中各組分碳含量計(jì)算如下：

1 kg土壤中各組分碳含量(g/kg) = 組分碳含量(%)×組分干重比例(%)×10

(1)

2 結(jié)果

2.1 土壤不同密度組分比例及不同密度組分有機(jī)碳含量的變化

土壤不同密度組分干重百分比見(jiàn)表2?？梢钥闯?對(duì)照處理土壤輕組的百分比為4.32%,秸稈處理土壤輕組百分比為5.06%; 生物炭處理土壤輕組為6.01%—6.10%?？梢?jiàn)外源有機(jī)物料的添加增加了輕組干重,尤其是添加生物炭后土壤輕組比例顯著上升。這是因?yàn)樯锾考庸ず罅胶苄∏揖哂卸嗫缀偷兔芏鹊奶匦?所以大多數(shù)生物炭都集中于輕組生物炭中。反之,生物炭及秸稈處理土壤重組質(zhì)量百分比都有所下降。

表2 土壤不同密度組分干重比例

同列中不同字母表差異顯著(P< 0. 05) CS: 玉米秸稈還田 soil and corn straw; 300BC: 施用300℃熱解生物炭soil and biochar produced at 300 ℃;400BC: 施用400℃熱解生物炭soil and biochar produced at 400 ℃;500BC: 施用500℃熱解生物炭soil and biochar produced at 500 ℃

從表3可見(jiàn),與CK相比,生物炭處理大幅提高了輕組有機(jī)碳含量,輕組有機(jī)碳含量提高了60.04%—69.66%,秸稈處理也略有增加。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)生物炭顆粒都集中于輕組生物炭中。

表3 不同密度組分內(nèi)土壤有機(jī)碳含量

同列中不同字母表差異顯著(P< 0. 05)

另外不同生物炭處理輕組有機(jī)碳含量也不同,隨著生物炭熱解溫度的提高,輕組有機(jī)碳也呈增加趨勢(shì),其中500 ℃處理輕組有機(jī)碳含量最高。而對(duì)于重組有機(jī)碳,雖然相比對(duì)照處理也有一定程度提高,但是增加幅度遠(yuǎn)小于輕組有機(jī)碳,各處理間無(wú)顯著性差異。各處理輕組有機(jī)碳含量為109.1—185.1 g/kg,重組有機(jī)碳含量為19.8—20.9 g/kg,所有處理中輕組有機(jī)碳含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于重組有機(jī)碳。

2.2 土壤有機(jī)碳在輕重組分的分布

生物炭顯著提高總有機(jī)碳含量(圖1)。與CK相比,生物炭處理總有機(jī)碳含量顯著增加,增加了25.58%—30.32%；秸稈處理總有機(jī)碳含量也有增加。對(duì)于輕組而言,對(duì)照土壤輕組有機(jī)碳占總有機(jī)碳的19.92%,秸稈處理土壤輕組有機(jī)碳占總有機(jī)碳的23.67%,而生物炭處理土壤輕組有機(jī)碳占總有機(jī)碳的35.86%—36.24%?？梢钥闯?生物炭施用后輕組有機(jī)碳所占比例大幅上升。重組比例正好與輕組相反,生物炭處理使得土壤重組有機(jī)碳所占比例下降。但是盡管如此,重組有機(jī)碳對(duì)總有機(jī)碳量的貢獻(xiàn)明顯高于輕組有機(jī)碳。

將不同處理的土壤總有機(jī)碳、輕組和重組有機(jī)碳做相關(guān)分析(表 4),表明輕組有機(jī)碳與總有機(jī)碳均表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系,說(shuō)明土壤總有機(jī)碳與土壤輕組有機(jī)碳的變化具有一致性。

表4 土壤各組分有機(jī)碳含量與總有機(jī)碳含量的相關(guān)關(guān)系

**表示0.01水平顯著性差異,*表示0.05水平顯著性差異

2.3 土壤微生物量的變化

圖2 土壤微生物生物碳、氮、磷含量Fig.2 The soil microbial biomass carbon, nitrogen, and phosphorus content

微生物生物量碳是土壤有機(jī)碳的重要組成部分,也是土壤重要的活性有機(jī)碳指標(biāo)。同時(shí)土壤微生物是有機(jī)碳的分解者,對(duì)土壤碳循環(huán)起到重要的傳輸作用[14]。圖2是土壤微生物生物碳、氮、磷含量?？梢?jiàn),添加生物炭和玉米秸稈的土壤微生物生物碳、氮、磷含量顯著高于對(duì)照,其中,添加秸稈的土壤微生物生物碳、氮、磷含量最高,添加生物炭的土壤微生物生物碳、氮、磷顯著低于秸稈處理。但是3個(gè)生物炭處理的土壤微生物生物碳、氮、磷含量沒(méi)有顯著差異。

圖3 土壤微生物商Fig.3 The microbial quotient of soil

土壤微生物量碳與土壤總有機(jī)碳的比值稱為微生物商,微生物商對(duì)于評(píng)價(jià)土壤健康變化具有重要意義。微生物商的變化可以反映出土壤中的有機(jī)碳輸入動(dòng)態(tài),以及土壤中的碳損失和土壤礦物質(zhì)固定碳的能力[15]。已有研究指出有機(jī)物輸入增加能夠提高土壤微生物商[16],但是由于有機(jī)物料成分的不同對(duì)微生物影響各異[17]。本研究中秸稈處理即顯著增加了土壤微生物商,幾乎是對(duì)照土壤微生物商的兩倍(圖3)。但是生物炭處理土壤微生物商與對(duì)照接近,這是由于生物炭穩(wěn)定的有機(jī)碳形態(tài)所致,相比秸稈,微生物利用生物炭中有機(jī)碳的能力下降,可見(jiàn)生物炭更有利于土壤固碳。不同溫度生物炭處理微生物商差別不大。

3 討論

3.1 生物炭和秸稈對(duì)土壤有機(jī)碳及各密度組分碳的影響程度

土壤有機(jī)碳含量是土壤微生物等各種因素綜合影響下有機(jī)碳輸入與輸出之間動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。本研究中施加生物炭后,土壤總有機(jī)碳含量增加幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于秸稈還田處理。這可能與兩個(gè)方面有關(guān)。第一,在較高的溫度下產(chǎn)生的生物炭有著較高的碳含量。Richard 等亦指出外界碳源投入量越多,輕組有機(jī)碳含量越高[18]。生物炭碳含量為57.48%—65.11%,而秸稈碳含量為41.20%,前者碳含量要遠(yuǎn)高于后者,這是生物炭施用后引起土壤碳含量增加的主要原因之一。第二,有機(jī)物料的化學(xué)組成決定著其分解過(guò)程,當(dāng)有機(jī)物料量一定時(shí),土壤有機(jī)碳的累積取決于有機(jī)物料的化學(xué)組成[19]。生物炭和其他有機(jī)物之間的化學(xué)差異最大的是芳香碳所占比例較大[20]。隨著熱解溫度的升高,有機(jī)碳含量增加,有機(jī)碳穩(wěn)定性增加[21]。這些結(jié)構(gòu)特征決定了生物炭的高穩(wěn)定性,因而施入土壤后分解較慢。而秸稈中含有大量新鮮有機(jī)質(zhì),引起土壤有機(jī)碳的激發(fā)效應(yīng),分解較快。本研究中,生物炭連續(xù)投入土壤兩年后,土壤有機(jī)碳的增加總量達(dá)到碳投入總量的86.02%—91.77%,而連續(xù)秸稈還田處理兩年后土壤有機(jī)碳的增加總量?jī)H有碳投入總量的24.88%,這說(shuō)明與秸稈相比,在水稻土上添加生物炭更有增加土壤碳匯的潛力。Zimmerman等人[22]發(fā)現(xiàn)生物炭施入土壤后礦化速率很低。Khare等人[23]也發(fā)現(xiàn),與秸稈相比施入生物炭明顯增加土壤固碳。這些結(jié)果與我們的研究結(jié)果一致。

本研究中生物炭處理土壤總有機(jī)碳含量較高,并隨著生物炭熱解溫度的升高而升高,最高為500BC。生物炭?jī)?nèi)的碳形式可能取決于植物細(xì)胞中碳的結(jié)構(gòu)特征、炭化條件(主要是溫度和時(shí)間)[24]。有研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)裂解溫度升高時(shí),生物炭的產(chǎn)率急劇下降; 生物炭隨裂解溫度的升高而進(jìn)一步炭化,其中剩余的碳重排形成穩(wěn)定碳結(jié)構(gòu)形式[25],不穩(wěn)定的脂肪族化合物在熱解過(guò)程中有所損失,并形成更穩(wěn)定的芳烴成分。Ahmad等[26]的研究也表明,與較低溫度制得的生物炭相比,高溫制得的生物炭具有更高的芳香性和更低的孔隙度,致使較高溫條件下制得的生物炭更加穩(wěn)定,其自身所含易分解組分更少。這與本研究中較高溫裂解生物炭處理土壤有機(jī)碳增幅更大的結(jié)果一致。

生物炭施用后輕組有機(jī)碳含量顯著升高。輕組有機(jī)碳的升高也和有機(jī)物料的質(zhì)量密切相關(guān)。生物炭由于有機(jī)碳含量高,形態(tài)穩(wěn)定,因此輕組有機(jī)碳含量增加較秸稈處理多。輕組有機(jī)碳與土壤總有機(jī)碳的變化趨勢(shì)一致,呈極顯著正相關(guān)性,說(shuō)明土壤有機(jī)碳活性組分的含量很大程度上取決于土壤有機(jī)碳的貯存量,這與馬少杰等[27]研究結(jié)果一致。本研究中不同處理間輕組有機(jī)碳差異較土壤總有機(jī)碳顯著,均說(shuō)明輕組有機(jī)碳比土壤總有機(jī)碳變化劇烈。因?yàn)檩p組有機(jī)質(zhì)更易受外界環(huán)境條件變化的影響[28],本研究中外源有機(jī)物質(zhì)為輕組有機(jī)碳提供了物質(zhì)來(lái)源,因此土壤輕組含量顯著增加。

另外,生物炭處理顯著提高了輕組有機(jī)碳在土壤總有機(jī)碳中所占比例。輕組中碳增加的主要原因不僅是由于輕組本身碳含量升高,也是由于土壤中輕組干重升高導(dǎo)致的。相比對(duì)照,秸稈處理輕組質(zhì)量提高了17.13%,而生物炭處理輕組質(zhì)量提高了39.81%—41.20%,生物炭不是均一物質(zhì),在密度上體現(xiàn)為表面密度較低(這使得輕重分組中生物炭處理組的輕組含量增加)[29],管天玉也認(rèn)為施用生物炭顯著增加了土壤中輕組的重量[30]。本實(shí)驗(yàn)中,因?yàn)橄啾扔衩捉斩捝锾烤哂卸嗫缀偷兔芏鹊奶匦?大量集中于土壤輕組中,因而大幅度提高了土壤輕組質(zhì)量百分比,從而大幅提高了輕組有機(jī)碳比例。生物炭處理中的輕組部分,主要包括新加入的生物炭顆粒,由于生物炭本身的化學(xué)穩(wěn)定性和生物穩(wěn)定性,這里的輕組組分性質(zhì)穩(wěn)定,與傳統(tǒng)意義上的輕組組分不同。傳統(tǒng)理論認(rèn)為,土壤輕組是土壤中不穩(wěn)定有機(jī)碳庫(kù)的重要組成部分,具有很強(qiáng)的生物學(xué)活性,較高的周轉(zhuǎn)速率,易分解[31]。而本實(shí)驗(yàn)中,生物炭處理中的輕組組分卻因?yàn)樯锾勘旧淼姆€(wěn)定性很難被微生物利用,生物有效性較低。

本研究表明,各處理重組和輕組有機(jī)碳占總有機(jī)碳的比例分別為63.76%—80.08%和19.92%—36.24%,說(shuō)明輕組是土壤有機(jī)碳庫(kù)的重要組成部分,但重組中的有機(jī)碳占優(yōu)勢(shì)。這與傳統(tǒng)的有機(jī)質(zhì)輕重分組理論一致。雖然不同處理中重組的差異不像輕組那么顯著,施用生物炭對(duì)重組有機(jī)碳含量也有一定的影響。重組有機(jī)碳是土壤中腐殖化程度較高,與土壤礦質(zhì)顆粒緊密結(jié)合的一類有機(jī)碳。因此,重組有機(jī)碳對(duì)耕作、土地利用變化的反應(yīng)不如輕組敏感。但是施用生物炭或秸稈還田使得運(yùn)移到土壤礦質(zhì)顆粒的有機(jī)碳絕對(duì)數(shù)量上升。這樣致使重組中有機(jī)碳也有一定程度的上升。雖然生物炭作為一種高度穩(wěn)定的高含碳物質(zhì),難于較大程度的與土壤無(wú)機(jī)交替結(jié)合,但已有研究顯示土壤中的生物炭會(huì)和土壤粘土礦物結(jié)合而成為土壤重組有機(jī)質(zhì)的一部分[32-34]。另外,生物炭密度的不均一性使得重組分離試驗(yàn)過(guò)程中部分高密度的生物炭以顆粒狀態(tài)直接進(jìn)入土壤重組,可使生物炭處理土壤的重組有機(jī)碳測(cè)定值增高[29,35]。

3.2 土壤有機(jī)碳與土壤微生物特征的相互關(guān)系

本試驗(yàn)表明秸稈處理和生物炭處理土壤微生物生物量碳、氮、磷的含量明顯高于對(duì)照。這與Gul等[36]和Domene等[37]的結(jié)論一致。土壤微生物量的增加有助于當(dāng)?shù)赝寥蕾|(zhì)量的改良。土壤中生物炭的變化過(guò)程可受到微生物活動(dòng)影響。微生物數(shù)量的增多可促進(jìn)生物炭材料在土壤中的氧化降解,形成更多的表面基團(tuán),使其更好的與土壤粘粒結(jié)合,從而促進(jìn)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)、有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體結(jié)構(gòu)的形成[29]。本實(shí)驗(yàn)中,秸稈處理增加了土壤微生物生物量,這是因?yàn)榻斩挒槲⑸锷L(zhǎng)和繁殖提供了大量的碳源和能源,刺激了微生物的生長(zhǎng),這與吳榮美等[38]和武際等[39]的研究一致。生物炭在一定程度上也可顯著增加土壤微生物量,分析原因可能是：一方面,生物炭具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)、巨大的表面積以及能夠保持水分和空氣的特點(diǎn),可為土壤微生物的聚集、生長(zhǎng)與繁殖提供良好的環(huán)境[20,40]；另一方面,生物炭含碳量豐富,在培養(yǎng)過(guò)程中會(huì)部分地降解,為微生物提供新的碳源,促進(jìn)特定微生物的生長(zhǎng)[41]。也有研究者認(rèn)為,生物炭的芳香烴成分對(duì)新微生物量的合成也產(chǎn)生貢獻(xiàn)[42-43]。但是生物炭處理微生物量低于秸稈處理,這是因?yàn)樯锾颗c秸稈相比有機(jī)碳形態(tài)更為穩(wěn)定,生物有效性較低,不易被微生物利用。有研究顯示,生物炭的添加不僅促進(jìn)了土壤腐殖質(zhì)的形成,還有助于碳水化合物、酯族、芳烴等難以被微生物利用的有機(jī)大分子的形成[44-45],因此這種過(guò)程將降低土壤微生物量。生物炭處理因?yàn)槲⑸锪肯鄬?duì)較低,有機(jī)碳的微生物分解率較低,因此應(yīng)用生物炭更有利于增加土壤碳儲(chǔ)量。

4 結(jié)論

(1) 施用生物炭增加了土壤中輕組質(zhì)量比例,施用生物炭后土壤中各密度組分有機(jī)碳均有增加,但是輕組有機(jī)碳較重組有機(jī)碳含量增長(zhǎng)比例更高。隨著生物炭裂解溫度的提高,土壤有機(jī)碳含量增加,500℃生物炭處理土壤有機(jī)碳含量最高。

(2) 施用生物炭和玉米秸稈還田均增加了土壤微生物生物量,但是秸稈處理增長(zhǎng)幅度較大,生物炭處理增長(zhǎng)幅度較小,施用生物炭條件下土壤微生物量與微生物商均較低,說(shuō)明該條件下生物炭相比秸稈具有更高的穩(wěn)定性。

(3) 相比秸稈還田處理,生物炭顯著增加了土壤輕組有機(jī)碳含量,傳統(tǒng)理論認(rèn)為輕組有機(jī)碳周轉(zhuǎn)快,是易變有機(jī)碳的良好指標(biāo),而本研究中生物炭所含有的碳具有高度的穩(wěn)定性,這與傳統(tǒng)的土壤輕組有機(jī)質(zhì)理論不同。

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Effects of biochar and straw on both the organic carbon in different density fractions and the microbial biomass in paddy soil

HAN Wei1, SHEN Shuanghe1,*, XIE Zubin2, LI Bo1, LI Yuting1, LIU Qi2

1 Callaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disaster, Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China 2StateKeyLaboratoryofSoilandSustainableAgriculture,InstituteofSoilScience,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China

The loss of soil organic matter is a major concern in many areas of the world, especially in China, in rice paddies under warm-humid climatic conditions. Because carbon content is typically associated with soil quality, there is a need to preserve soil carbon pools. Biochar is a material that has shown promise as a means of soil amendment and carbon sequestration. However, it is unclear how the added biochar affects the distribution of organic carbon among different density fractions. In the current study, a field experiment was conducted to study the effects of biochar application on the organic carbon distribution among different density fractions and the soil microbial biomass of paddy soil. The five treatments were soil only (CK), soil and corn straw (CS), soil and biochar produced at 300 ℃ (300BC), soil and biochar produced at 400 ℃ (400BC), and soil and biochar produced at 500 ℃ (500BC). The different biochars were added to the field twice, at a concentration of 6 t/hm2. The results show that biochar application increased the size of the light fraction proportion significantly, by 39.81%—41.20% compared to the CK treatment. This may be because of the low density of biochar. The added biochar increased the organic carbon content of the light fraction (LFOC) significantly, by 60.04%—69.66% compared to the CK treatment. LFOC in the different treatments was ordered as follows: 500BC > 400BC > 300BC > CS > CK. The organic carbon content was highest in the 500BC treatment, with a value of 185.1 g/kg. This may be due to the higher carbon content of biochar produced at higher temperatures. With the increase in pyrolysis temperature, the volatile matter content decreased, the organic carbon content increased, and the stability of the organic carbon increased. Additionally, compared to the control, corn straw application also increased the organic carbon content. The organic carbon content was significantly lower in the straw amendment treatment than in the biochar treatments. None of the treatments had a significant effect on the heavy fraction organic carbon (HFOC). Straw incorporation improved the soil microbial biomass significantly, because straw contains a large quantity of soluble carbohydrates, which may stimulate the growth of soil microorganisms. The incorporation of biochar improved the soil microbial biomass significantly; however, the soil microbial biomasses measured in biochar treatments were lower than that of the CS treatment. The biochar treatments contained less soil microbial biomass because of the extremely low microbial availability of biochar. The slight increase in soil microbial biomass observed in the biochar treatments could be explained by a microbial response to the porosity of biochar and the presence of biochar carbon, although the concentration of soluble carbohydrates was reduced by the pyrolysis treatment. These results suggest that the application of biochar increased the organic carbon content of the soil, especially the LFOC. Compared to the treatment involving the incorporation of straw, biochar incorporation decreased the soil microbial biomass and microbial quotient, which improves soil carbon fixation. However, in the biochar treatments, the chemical and biological stability of LFOC was high due to the aromatic structure of biochar, which is different from the traditional theory that LFOC is labile and easily recycled. We concluded that the application of biochar was a more efficient method of carbon sequestration in paddy soil than the incorporation of straw, because of the lower soil microbial biomass present in the biochar treatments.

biochar; soil organic carbon; light fraction organic carbon; microbial biomass

土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(Y212000016)；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(14KJB170013)；江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(JKLAM201205)

2015-04-22;

日期:2016-01-05

10.5846/stxb201504220829

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yqzhr@nuist.edu.cn

韓瑋,申雙和,謝祖彬,李博,李玉婷,劉琦.生物炭及秸稈對(duì)水稻土各密度組分有機(jī)碳及微生物的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(18):5838-5846.

Han W, Shen S H, Xie Z B, Li B, Li Y T, Liu Q.Effects of biochar and straw on both the organic carbon in different density fractions and the microbial biomass in paddy soil.Acta Ecologica Sinica,2016,36(18):5838-5846.