施用炭基肥及生物炭對棕壤有機碳組分的影響

高夢雨，江彤，韓曉日，楊勁峰

（沈陽農業大學土地與環境學院/土壤肥料資源高效利用國家工程實驗室/農業部東北玉米營養與施肥科學觀測實驗站，沈陽110866）

0 引言

【研究意義】土壤有機碳庫是陸地生態系統中最大的碳庫，其穩定性對全球溫室氣體的排放有著重要影響[1]。土壤有機碳可以影響土壤理化性質以及生物學性狀，進而影響土壤質量。土壤碳庫的動態平衡是土壤肥力保持與提高的關鍵，并對作物產量產生重要影響[2]。生物炭通常是指以自然界廣泛存在的生物質資源為基礎，利用特定的炭化技術，由生物質在缺氧條件下不完全燃燒所產生的炭質[3]。生物炭可以起到改良土壤的作用，有助于提高土壤總有機碳的含量[4-5]。【前人研究進展】土壤有機碳組分研究也是探知土壤有機碳在經營管理措施下變化的重要環節[6]。土壤有機碳具有高度異質性，不同組分的有機碳由于化學性質和存在方式等不同，其生物有效性和肥力功能不同[7]。國內外關于生物炭及炭基肥對不同類型土壤有機碳的作用效果研究報道眾多。王月玲等[8]的研究表明，不同用量蘋果果樹枝條生物炭均能顯著提高土總有機碳（TOC）、顆粒有機碳（POC）及易氧化有機碳（AOC）的含量，且TOC和POC與生物炭施用量呈極顯著正相關。韓瑋等[9]以南方稻麥輪作區水稻土為研究對象，探究不同施肥處理對土壤不同密度組分有機碳的影響，發現施用生物炭顯著提高了土壤輕組的質量比例和土壤輕組有機碳含量，且高溫熱解生物炭＞低溫裂解生物炭＞秸稈還田＞不施肥處理，對重組有機碳影響不顯著。李有兵等[10]采用室內恒溫培養試驗，探討小麥和玉米殘體與其生物炭配施對土壤各組分有機碳的影響，發現添加有機物料的各處理均顯著增加了土壤TOC含量，其中添加生物炭處理土壤TOC含量增幅最大；小麥和玉米殘體與其生物炭配施處理，土壤微生物量碳（MBC）和粗顆粒有機碳（CPOC）含量分別顯著增加80.2%和199.2%，土壤CPOC含量及敏感性指數均表現為配施處理最高。DEMISIE等[11]在紅壤上進行試驗，施用不同用量以橡木和竹子為原料的生物炭。結果表明：施用不同原料的低量生物炭后，土壤TOC、高錳酸鉀氧化碳（POXC）、輕組游離態有機碳（LFOC）、水溶性有機碳（WSC）、熱水溶性碳（HWC）和微生物有機碳（MBS）含量均高于施用高量生物炭；各組分有機碳占總有機碳的比例均LFOC＞POXC＞MBC＞HWC≈WSC；施用生物炭能提高土壤有機碳含量和團聚體穩定性，進而提高土壤肥力。EYKELBOSHA等[12]采用室內土柱模擬實驗，發現模擬降雨后，生物炭處理減少了巴西鐵鋁土可溶性有機碳的淋出，且通過熒光光譜分析，生物炭處理優先保留高分子量物質，如類腐殖質可溶性有機碳，而低分子量物質不被保留，如氨基酸類物質。潘全良等[13]通過6年的微區定位試驗，以傳統土壤培肥方式作為對照，發現施用炭基肥降低了可溶性有機碳含量，而施用生物炭提高了其含量。戰秀梅等[14]連續4年進行花生微區田間試驗，發現炭基肥處理土壤有機碳含量較試驗前提高 4.4%，顯著低于生物炭配施氮磷鉀肥處理。【本研究切入點】許多研究表明施用生物炭可以提高土壤有機碳含量，但對其影響機理的定性分析尚不夠深入。研究土壤有機碳各組分的變化規律，有助于揭示土壤有機碳的循環與轉化過程[15]。前人研究對象主要集中在紅壤[11,16-17]和潮土[18-19]，研究對象主要為水稻[9,20]和玉米[10,21-22]，研究方法多為室內模擬試驗[10,12,18,23]，而本試驗主要針對遼寧省的實際情況，且采用田間定位試驗。棕壤是遼寧省主要土壤類型，花生種植面積逐年增大，到2014年已近47萬公頃。但種植花生的土壤多為中低產田，有機碳含量低，產量較低。為提高土壤肥力及花生產量，以炭基肥為代表的各種新型肥料開始研制和應用。但是，關于炭基肥對土壤有機碳各組分含量影響的研究很少。【擬解決的關鍵問題】本研究以遼寧省花生主要種植土壤—棕壤為研究對象，開展有機碳總量及組分含量研究，以期探索連續多年施入炭基肥及生物炭土壤有機碳各組分的變化規律，及土壤有機碳的穩定機制。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間試驗位于沈陽農業大學肥料長期定位試驗科研基地（123°33′ E, 40°48′N），地處松遼平原南部的中心地帶，屬于溫帶濕潤-半濕潤季風氣候。年均氣溫7.0—8.1℃，10℃以上積溫3 300—3 400℃，無霜期為148—180 d，生長季降雨量平均為547 mm。試驗地為旱地棕壤，屬發育在第四紀黃土性母質上的簡育濕潤淋溶土。炭基肥定位試驗始于2011年，于2010年秋季取耕層土壤測定其基本理化性質（表1）。

表1 供試土壤基本理化性質Table 1 Basic properties of soil at the beginning of the experiment

1.2 試驗設計

試驗地種植制度為一年一熟花生連作，品種為花育33，種植密度為15萬穴/hm2，每穴種植2株。試驗設5個處理：處理1（不施肥，以CK表示）、處理2（生物炭225 kg·hm-2，以C15表示）、處理3（生物炭750 kg·hm-2，以C50表示）、處理4（N 82.5 kg·hm-2、P2O582.5 kg·hm-2、K2O 97.5 kg·hm-2，以 NPK 表示），處理5（炭基緩釋肥750 kg·hm-2，以BBF表示）。每個處理重復3次，小區面積27 m2，隨機排列。采用90 cm大壟雙行種植方式。

生物炭（C 22%、N 0.3%、P2O50.2%、K2O 2.4%）的制備：采用玉米芯為主要原料，在 450℃裂解并通過80—100目篩子后造粒。

炭基緩釋肥（C 6.6%、N-P2O5-K2O 11-11-13），以生物炭為原料，添加氮、磷、鉀養分，采用化學或物理方法混合制成的肥料。

氮、磷、鉀肥料分別為尿素、磷酸二銨和硫酸鉀。所有肥料混勻后采用條施做基肥一次施入，施入深度15—20 cm，覆土。其中C15處理與炭基肥處理碳素投入量相同；NPK處理與炭基肥處理養分（氮、磷、鉀）投入量相同。

1.3 樣本采集與分析

土壤樣本于2014年秋季（花生收獲后）采集。每個小區按照“S”型隨機采集0—20 cm土層土壤樣本3點，組成混合樣本，風干后測定。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 總有機碳（TOC） 利用德國Vario EL Ⅲ型元素分析儀測定。

1.4.2 有機碳各組分測定 土壤有機碳分組采用SIX等[24]的物理分組方法，將土壤有機碳分為顆粒態有機碳（POM-C）和礦物結合態有機碳（MOC），其中顆粒態有機碳又細分為游離態顆粒有機碳（FPOC）和閉蓄態顆粒有機碳（OPOC）。

參考 WANDER等[25]、KOLBL等[26]的方法分離各組分有機質：將20 g土壤放入250 mL離心管里，加100 mL重液（碘化鈉）封口。上下搖晃使重液與土壤充分混合。靜置24 h后在3 500 r/min離心15 min。浮在重液上面的有機物用真空抽濾器抽吸到 0.45 μm的濾膜上，用蒸餾水反復沖洗至濾液無顏色，然后轉入已稱重的蒸發皿中，80℃烘干后稱重即得游離態顆粒有機質（FPOM）。離心管中余下的部分在超聲粉碎細胞儀的作用下打碎分散，懸濁液通過孔徑為 53 μm的尼龍篩，用蒸餾水沖洗篩子至無渾濁液為止。未過篩的樣品即為閉蓄態顆粒有機質（OPOM）組分，將其轉移到蒸發皿中。通過篩子的為礦物結合態有機質（MOM）組分，將其在水浴上蒸至20—30 mL，在80℃下烘 12 h，稱重。計算得到 FPOM、OPOM 和MOM含量（g·kg-1），即每千克土壤中含各組分有機質的量。

將上述各烘干物磨碎過篩，用Vario EL Ⅲ型元素分析儀測得FPOC、OPOC、MOC的濃度（%），即各組分有機碳占各組分有機質的百分數。計算得到各組分有機碳的含量（g·kg-1），即每千克土壤中含各組分有機碳的量：

FPOC 含量（g·kg-1）=FPOM 含量（g·kg-1）×FPOC濃度（%）；

OPOC 含量（g·kg-1）=OPOM 含量（g·kg-1）×OPOC濃度（%）；

MOC 含量（g·kg-1）=MOM 含量（g·kg-1）×MOC濃度（%）。

土壤可溶性有機質（DOM）是指可溶于水或鹽溶液的有機質，在生物地球化學循環過程中起著至關重要的作用，是土壤微生物和植物所需要的C、N等養分和能量的重要來源。可溶性有機碳（DOC）是體現DOM數量特征的常用指標[27]。

稱10 g風干土于250 mL離心管中，加100 mL去離子水后放入到振蕩機中，在溫度為（25±1）℃和180 r/min下振蕩，然后在4 500 r/min離心20 min，然后懸液在真空泵下通過0.45 μm濾膜，收集到的濾液在TOC儀上測定，測定的TOC和無機碳（IC）之差為DOC含量。

1.5 數據處理與分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2010和SPSS19.0軟件進行統計分析。

2 結果

2.1 土壤總有機碳含量（TOC）

由圖1可以看出經過4年連續定位施肥，土壤中TOC的含量范圍為 6.01—8.36 g·kg-1。CK 處理 TOC含量最低，為 6.01 g·kg-1。經過連續耕作，土壤中沒有外界碳素的投入，產量相對較低，導致作物殘茬量低，而花生的作物殘茬量尤其低，因此歸還土壤的有機物料少，土壤的有機碳含量下降。C15處理TOC含量為8.23 g·kg-1，與起始土相比提高了8%。C50處理TOC含量為8.16 g·kg-1，與起始土相比提高了8%。單施生物炭對土壤中TOC含量的提升有明顯效果，隨著生物炭投入量的增大，有機碳提升效果略微減弱。NPK處理 TOC含量為 7.28 g·kg-1，比 CK 處理高提升了21%，差異顯著，但NPK處理與起始土無差異。連續施用化肥土壤TOC下降是由于有機碳結構復雜，分解后才能供作物吸收，且不能自己合成，而NPK處理常年不補充有機碳，因此土壤有機碳含量下降。炭基肥處理TOC含量為8.36 g·kg-1，與CK處理相比提高了39%，與起始土相比提高了10%。連續施用炭基肥不僅可以為作物提供養分，同時還可以有效增加土壤有機碳含量，維持土壤肥力。炭基肥處理TOC含量比等碳量投入（C15處理）及等養分投入（NPK處理）分別提高了2%和15%。可見連續施用炭基肥對提升0—20 cm土層TOC含量的效果好于等碳量投入及等養分投入處理。

柱上不同字母代表不同處理間差異顯著 (P＜0.05，Duncan’s test)。下同Significant differences are marked by different letters (P＜0.05, Duncan’s test). The same as below

2.2 土壤有機碳組分

2.2.1 游離態顆粒有機碳（FPOC） 由表2可以看出，不同施肥處理對FPOC含量的影響各不相同。4年連續施肥后，土壤FPOC的含量1.01—1.54 g·kg-1，總體變化趨勢為：炭基肥＞C50＞NPK＞C15＞CK。其中CK處理含量最低，僅為1.01 g·kg-1。C15處理FPOC含量與起始土和CK處理無顯著差異；C50處理FPOC含量為 1.35 g·kg-1，比起始土和 CK處理分別提高了27%、34%。連續施入低量生物炭土壤 FPOC含量變化不大，而當生物炭用量較高時，土壤FPOC提升顯著。對比C15、NPK和炭基肥3個處理，炭基肥處理FPOC含量比等碳量投入（C15處理）或等養分投入（NPK處理）分別提高了43%、40%。可見連續施用炭基肥對提升0—20 cm土層FPOC含量的效果好于等碳量投入或等養分投入處理。

表2 不同施肥處理土壤游離態顆粒有機碳含量Table 2 Soil FPOC under different fertilizations

2.2.2 閉蓄態顆粒有機碳（OPOC） 由表3可以看出，不同施肥處理對OPOC含量的影響各不相同。4年后土壤中OPOC的含量范圍為0.85—1.26 g·kg-1，總體變化趨勢為：炭基肥=C50＞C15＞NPK＞CK。CK處理OPOC含量為0.85 g·kg-1，與起始土相比降低了18%，不施入任何肥料會顯著降低土壤中OPOC含量。C15處理OPOC含量為1.08 g·kg-1，與起始土和CK處理相比分別顯著提高了4%、27%；C50處理OPOC含量為1.26 g·kg-1，比C15處理提高17%。說明生物炭可顯著提高土壤OPOC含量，且隨著用量增OPOC含量增加提高。炭基肥處理OPOC含量比等碳量投入（C15處理）或等養分投入（NPK處理）分別提高了17%、43%。可見連續施用炭基肥對提升 0—20 cm 土層OPOC含量的效果更好。

表3 不同施肥處理土壤閉蓄態顆粒有機碳含量Table 3 Soil OPOC under different fertilizations

2.2.3 礦物結合態有機碳（MOC） 由表4可以看出，不同施肥處理對MOC含量的影響不大。試驗測定土壤中MOC的含量范圍在4.24—5.72 g·kg-1。CK處理MOC含量最低，比起始土降低了 22%，不施入任何肥料會顯著降低土壤中 MOC含量。其余 4個處理（C15、C50、NPK、炭基肥）MOC含量略有不同，但與起始土差異不明顯，可見無論施入低量生物炭、高量生物炭、氮磷鉀化肥或炭基肥對提升土壤 MOC效果不大。炭基肥處理MOC含量與C15和NPK處理差異不顯著。可見與等碳量投入或等養分投入相比，連續施用炭基肥對土壤MOC含量變化影響不大。

2.2.4 可溶性態有機碳（DOC） 由圖2可以看出，不同施肥處理對DOC含量的影響各不相同。經過連續4年定位施肥，土壤中DOC的含量范圍在95.55—108.13 mg·kg-1。總體變化趨勢為：C50＞炭基肥＞C15＞NPK＞CK。CK處理DOC含量與起始土相比差異不明顯，其他各處理土壤DOC含量均比起始土高。炭基肥處理土壤DOC含量比C15處理和NPK處理高，但差異不顯著。可見與等碳量投入或等養分投入相比，連續施用炭基肥對0—20 cm土層DOC含量變化影響不明顯。

2.3 花生產量

2014年不同施肥處理花生產量在199.4—232.9 kg/667m2，均顯著高于不施肥處理（圖3）。其中炭基肥處理花生產量最高，比CK處理高36%。隨著生物炭用量的增加，C50處理比C15處理產量高，但二者無明顯差異。炭基肥處理花生產量比等碳量處理（C15）高17%，比等養分處理（NPK）高10%，且差異顯著。說明各施肥處理均可以提高花生產量，且施用炭基肥提升效果最好。

表4 不同施肥處理土壤礦物結合態有機碳含量Table 4 Soil MOC under different fertilizations

圖2 不同施肥處理土壤可溶性碳含量Fig. 2 Soil DOC under different fertilizations

3 討論

圖3 2014年不同施肥處理花生產量Fig. 3 Peanuts yield of under different treatments in 2014

4年的定位試驗結果表明，土壤有機碳及其組分含量因肥料種類的不同而有所差異。耕層土壤（0—20 cm）總有機碳含量隨著生物炭、炭基肥的投入明顯增加，與楊放等[28]研究結果一致。生物炭之所以能夠提高土壤TOC，一方面，生物炭是一種富碳材料，將其施入土壤相當于直接向土壤中輸入了大量外源有機碳；另一方面，生物炭主要由高度濃縮的芳香環結構組成[29]，這種結構具有很強的生物穩定性。生物炭施入土壤后，其中的活性有機碳在相對較短的時間內作為碳源被微生物分解，而惰性碳則以土壤碳庫的方式長期封存在土壤中[9,30]。此外，炭基肥顯著提高了花生產量，進而增加花生地下部分生物量，提高總有機碳含量。但隨著生物炭用量的增加，土壤有機碳總量提升幅度并未表現出顯著差異，這與 LAIRD等[31]研究結果不一致。分析其原因，可能是由于本試驗生物炭投入量較低（占土重 0.03%），而很多研究把生物炭用量設計為1%—5%。考慮到農業實際操作，生物炭用量過大，存在很多弊端，一是操作不方便；其次材料獲取困難。因此本試驗設計量不高，在此用量基礎上研究土壤理化性質變化更能代表生產實際。炭基肥的連續定位施入使土壤總有機碳含量顯著增加，且效果好于等碳量的生物炭處理和等養分的氮磷鉀處理。

游離態顆粒有機碳主要是由半分解的植物殘體、真菌菌絲孢子、種子、動物殘體、微生物殘骸以及一些吸附在碎屑上的礦質顆粒組成，比土壤有機碳的周轉速率快，對土地利用方式和管理措施的靈敏度高，被認為是預測土壤有機碳變化的指示者[32-33]。閉蓄態顆粒有機碳是比游離態顆粒有機碳更難分解的有機碳組分，由于其被團聚體以物理方式包裹，微生物很難與其接觸對其分解轉化[34]。本研究中，連續定位施入不同肥料后，土壤有機碳組分含量發生明顯變化。施入生物炭顯著提高了土壤游離態顆粒有機碳、閉蓄態顆粒有機碳含量，這與尚杰等[35]研究結果一致。炭基肥作為一種新型復合肥料，在等養分或等碳量條件下，提升土壤游離態和閉蓄態顆粒有機碳含量效果優于等碳素投入或等氮磷鉀養分投入處理。由于炭基肥施入土壤中后，肥料中含有的生物炭對氮、磷具有一定吸附作用，能夠減少氮素和磷素的隨水流失，使其保持較長時間的供肥作用[36]。連續 4年施入炭基肥及生物炭，對土壤礦物結合態有機碳含量影響不大，其含量與起始土相比略有提高，但差異不顯著，與樊廷錄等[37]的研究結果一致。而王朔林等[38]研究表明長期采用有機肥與氮磷鉀配施可顯著提高礦物結合態有機碳含量，這可能是植被類型與氣候差異導致[39]。

礦物結合態有機碳一般被認為是土壤有機碳中穩定組分，對土壤礦物等具有吸附保護作用，決定了土壤有機碳的保護能力[40]。可溶性有機碳是指受具有一定的水溶性，在土壤中轉移快，易氧化，不穩定，且對作物和微生物具有較強活性的一類土壤有機碳，對土壤養分供給起重要作用[41]。不同施肥處理有機碳各組分所占比例各不相同。本試驗中，礦物結合態有機碳占總有機碳的百分比最大，為67%—73%，其次是顆粒態有機碳。說明，礦物結合態有機碳對土壤有機碳的儲備及其穩定性的增加起著關鍵性的作用。顆粒態有機碳中游離態組分比閉蓄態組分略高，該結果與王玲莉[42]研究結果一致。土壤可溶性有機碳主要來源于植物凋落物、微生物活動、根系分泌物以及人為施肥等途徑，具有溶解性、移動快、易礦化分解等特點[43]。本試驗中各處理土壤可溶性有機碳所占比例雖然最小，僅為 1.27%—1.55%，但土壤可溶性有機碳的淋洗損失與其氧化分解是土壤有機碳損失的主要途徑，對土壤碳素循環及其對環境的影響的相關研究有重要指導意義[44]。施入生物炭和炭基肥對其含量影響不大，炭基肥和生物炭對土壤有機碳活性最大的組分提升效果并不理想。這可能也與種植作物種類有關。花生采用的是耗竭式生產方式，作物收獲后，地下部分完全被移走，歸還的活性碳數量較少，導致盡管投入了一定數量碳素，但可溶性有機碳含量沒有顯著提高。

4 結論

經過連續4年的定位施肥，除不施肥處理外，其他處理的總有機碳含量均有所增加。施用炭基肥顯著提高了棕壤耕層土壤總有機碳含量，主要通過提高有機碳組分中中等活性有機碳（游離態顆粒有機碳和閉蓄態顆粒有機碳）含量而達到提升土壤碳庫的作用，且效果好于等碳量投入或等養分投入處理。而對于可溶性有機碳及礦物結合態有機碳含量影響不大。炭基肥及生物炭可以提高花生產量，且施用炭基肥提升效果最好。

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