生物炭對混施沼肥秸稈還田腐解特性的影響

王忠江 王澤宇 張 正 林貴英 劉 卓 崔 峰

(1.東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030； 2.寒地農業可再生資源利用技術與裝備黑龍江省重點實驗室，哈爾濱 150030；3.武漢光谷藍焰新能源股份有限公司，武漢 430070)

0 引言

我國是一個農業大國，每年產生大量的農作物秸稈，在眾多的秸稈利用技術中[1-4]秸稈還田以其能夠提高土壤孔隙度、改善土壤團聚結構、利于下季作物增產，以及利用量大等特點成為近年來秸稈利用和研究的熱點[5-9]。但還田后秸稈由于其碳氮比過高等原因致使其降解速度緩慢，因此如何實現還田后秸稈的高效、快速腐解成為近年來科研工作者的關注焦點[5,10-12]。目前，針對配施大量礦物氮肥降低秸稈還田后碳氮比[13]所引起的環境污染和土壤質量下降等問題，已有部分科研工作者提出利用沼氣厭氧發酵后富含氮素等營養物質的沼肥，進行秸稈配施沼肥還田的研究[14-15]，取得了較好的秸稈腐解效果，作為一種新的秸稈還田方式，其不僅加快了還田后秸稈的降解速度，而且充分利用了厭氧發酵后副產物——沼肥[16]。然而，玉米秸稈主要由木質素、纖維素和半纖維素構成，木質素屬于高分子芳香類聚合物，難以水解，而纖維素被木質素和半纖維素以共價鍵形式包圍其中，難以被微生物利用[5]。秸稈在配施沼肥還田后，雖然能夠在一定程度上調節腐解過程中的碳氮比，但是沼肥在土壤中流失嚴重[15-16]，難以長時間維持較高的秸稈降解速率。

生物炭是生物質材料在完全或部分缺氧的情況下經高溫慢熱解(小于700℃)產生的一類高度芳香化、難熔性固態物質[17]，由于其疏松多孔的結構及巨大的表面積能夠儲存水分和養分，可以改善土壤的保肥能力和通透性，增加微生物活性等優點[17-21]，成為近年來配施有機肥料或化肥的研究熱點[21]，也為秸稈配施沼肥還田的高效利用提供了新的研究方向。目前，生物炭的研究主要圍繞在生物炭對作物生長[17,21]、微生物群落結構[6,22]、土壤團聚體和有機碳分布[19,23]等方面的影響，并已經取得一定的成果，但是對于生物炭的配施對秸稈降解的影響研究較少，生物炭與沼肥配施同步玉米秸稈翻埋還田的研究未見報道。因此，本文在前期研究的基礎上探討生物炭對秸稈與沼肥同步翻埋還田腐解的影響規律，對試驗過程中玉米秸稈降解率、纖維素、半纖維素、木質素、有機碳、總氮等累積降解特征進行研究。

1 材料與方法

1.1 供試材料

表1 土壤特性參數Tab.1 Characteristics of soils

試驗施用的生物炭由武漢光谷藍焰新能源股份有限公司生產，為竹產品炭，竹炭的制備溫度為620℃，BET單點比表面積為(2.64±0.59)m2/g，BET多點比表面積為(3.89±0.56)m2/g，單點吸附總孔體積為(0.013±0.002)cm3/g，吸附平均孔徑為(13.74±0.70)nm，孔徑分布曲線如圖1所示，粉碎過40目篩后備用。

圖1 生物炭孔徑分布曲線Fig.1 Pore size distribution curves of biochar

試驗用玉米秸稈取自東北農業大學東門農學院實驗田，玉米品種為“東農253”。待玉米收獲后，立即用鐮刀割取玉米秸稈地上部分，均勻晾曬7 d后，使用9ZT-1型鍘草機將玉米秸稈處理成2 cm長的秸稈段，并在試驗前測定供試秸稈相關指標，見表2。

表2 玉米秸稈特性參數Tab.2 Characteristics of corn stover

1.2 試驗設計

在室溫條件下，采用尼龍網袋(100目)法進行試驗。尼龍網袋的尺寸：長20 cm、寬15 cm。秸稈與沼肥按照2∶3的比例均勻混合，靜置30 min，待玉米秸稈充分吸附沼肥后裝入尼龍網袋并封口。每袋裝秸稈和沼肥混合物(秸稈混合物)120 g，埋入試驗土柱15 cm處。試驗共設4個處理，各處理如下：秸稈混合物+壤土(B1)、秸稈混合物+壤土+生物炭(B2)、秸稈混合物+砂土(S1)、秸稈混合物+砂土+生物炭(S2)。其中B2和S2還田土壤中生物炭含量為5%。

1.3 試驗方法

試驗采用4個3 cm厚的聚乙烯材料制成的長80 cm、寬60 cm、高65 cm的土槽，分別鋪20 cm厚的壤土或砂土作為底土。將裝有沼肥和秸稈混合物的尼龍網袋平鋪在高50 cm、直徑15 cm、厚度1 mm的聚乙烯土柱當中，尼龍網袋底層裝土壤4.2 kg壓實到土柱高度20 cm處，尼龍網袋上層裝土壤2.0 kg壓實到土柱高度35 cm處，確保所有土柱中土壤容重均為1.05 g/cm3。土柱底部留漏水孔，豎直放入土槽中，土柱之間用土壤填滿，保持土層溫度及試驗過程土柱側面避光[24]。試驗過程中，每隔7 d取樣一次，共取15次，每次取樣后原來埋尼龍網袋處用試驗土壤填平。取樣后去除附著在尼龍網袋表面的泥土，然后將尼龍網袋在蒸餾水中上下浸提50次，沖洗干凈并在100℃條件下干燥[14]，之后用JFSD-100型粉碎機粉碎后測定秸稈中纖維素、半纖維素、木質素、總氮、有機碳質量分數，每個指標測定3次取平均值并計算標準差。每兩次取樣后向每個試驗土柱表面均勻噴施50 mL自來水，保持土壤表面濕潤、不板結。

秸稈中的纖維素、半纖維素和木質素含量采用ANKOM A200i型半自動纖維素分析儀(USA)測定[4]，將干燥后的玉米秸稈粉碎過1 mm篩孔，準確稱取0.5 g篩下物，裝入F57專用濾袋中，封口，根據改進的范氏洗滌法，用ANKOM A200i型半自動纖維分析儀測定半纖維素、纖維素和木質素含量；秸稈質量采用干燥法測定[25]；有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[25]；秸稈總氮含量采用Foss Kjeltec 2300型全自動凱式定氮儀根據儀器標準分析方法測定[16]。秸稈降解率計算式為

(1)

式中D1——秸稈降解率，%

M0——秸稈降解前干質量，g

ME——秸稈降解后干質量，g

組分累積降解率計算式為

(2)

其中

MS=M0XS

(3)

式中D2——組分累積降解率，%

MS——組分初始質量，g

Md——降解時間d時秸稈干質量，g

XS——組分初始含量，%

Xd——降解時間d時組分含量，%

數據處理與分析軟件為Microsoft Excel 2013、Origin 9.1和SPSS 22.0。

2 結果與討論

2.1 玉米秸稈降解規律

還田后秸稈降解率隨時間的變化如圖2所示。

圖2 玉米秸稈降解率變化趨勢Fig.2 Variation trends of decomposition rate of corn stover

由圖2可以看出，4個試驗組秸稈降解率的整體變化規律基本一致，秸稈的腐解過程主要分為3個時期：快速腐解期、腐解減緩期、腐解停滯期。不同處理秸稈各個時期所占時間不同，這與戴志剛等[7]的研究結果一致，具體表現為：S2在試驗前期14 d腐解迅速，并在49 d時降解率達到55.33%，而S1、B2、B1達到該降解率的時間分別為56、70、84 d，在此之后各組降解率再次攀升并趨于穩定。形成這種現象主要是由于在秸稈降解過程中，秸稈中可溶性物質及半纖維素等組分首先降解，當降解到一定時間后難降解的木質素會阻礙降解的進行[5]，直到降解木質素的微生物破壞木質素結構后，秸稈的降解速率再次增加直至穩定[11]。在整個降解過程中，添加生物炭組的秸稈(B2、S2)降解率始終高于未添加生物炭組秸稈(B1、S1)，且砂土試驗組秸稈(S1、S2)降解率始終高于壤土試驗組(B1、B2)秸稈的降解率，經過105 d的培養，B1、B2、S1、S2秸稈的降解率分別為69.96%、74.63%、78.19%、79.14%，各組降解率差異均達到顯著水平(P<0.05)。

由圖2還可以看出，在壤土的還田試驗中秸稈降解率前期和后期差異較小，中期差異較大，這種差異主要是由于添加生物炭后提高了土壤的孔隙度，便于秸稈降解微生物與氧氣的接觸，同時生物炭為微生物的繁殖提供了較大的生存空間。此外，生物炭的吸附性使得沼肥能夠長時間的在秸稈腐解層附近停留，為微生物的降解和繁殖營造了適宜的碳氮比[13-14]，促進了微生物的繁殖。而在砂土的還田試驗中，S1和S2的秸稈腐解率的差異較在壤土中B1和B2的秸稈腐解率差異明顯，主要是由于砂土和壤土相比土壤間的空隙較大，沼肥中的氮素損失速度更快、損失比例更大，添加生物炭后由于生物炭高吸附性的特點使砂土的固氮效果得到極大改善，提高了土壤不同粒級團聚體的營養水平和水分條件[26]，促進了秸稈還田土壤微生物的群落演替[22]，利于秸稈的降解。

2.2 玉米秸稈半纖維素累積降解率

還田后秸稈的半纖維素累積降解率變化趨勢如圖3所示。

圖3 玉米秸稈半纖維素累積降解率變化趨勢Fig.3 Variation trends of cumulative decomposition rate of hemicellulose in corn stover

由圖3可以看出，壤土2個試驗組和砂土2個試驗組半纖維素累積降解率變化規律基本一致，即試驗開始后各試驗組半纖維素累積降解率先快速上升，經歷短暫的腐解減緩期后半纖維素再次快速腐解直至趨于穩定，在整個過程中添加生物炭組秸稈的半纖維素降解率始終高于各自對應的未添加生物炭組。具體表現為在壤土中前42 d秸稈的半纖維素降解率差異不顯著，試驗中期和后期差異較為明顯，這主要是因為降解前期秸稈降解微生物主要生活在秸稈和秸稈所吸附的沼肥構成的環境中，隨著微生物的不斷繁殖、數量和種類的擴增，達到秸稈和土壤單位面積所能承受的極限，而比表面積大的生物炭能夠提高單位面積微生物的種群數量[22]，提高秸稈降解的速度，并能長期保持這種降解優勢。而在砂土中2個試驗組的差異在前期較為明顯，且由于生物炭對沼肥有較好的保持能力，營造了適宜的腐解碳氮比，使得S2組半纖維素的降解率并未表現出明顯的降解減緩的現象，由快速腐解期直接進入腐解停滯階段；同時在S1組試驗過程中，砂土和秸稈為微生物提供的生存空間有限，且沼肥在砂土中流失嚴重[15-16]，較長的木質素腐解時間使得降解半纖維素的微生物隨沼肥在土壤中不斷繁殖和擴散，當木質素與半纖維素解開共價鍵后，半纖維素與微生物得以充分接觸，降解率將有一個明顯的提升階段[5]。試驗結束時，2個壤土試驗組秸稈半纖維素累積降解率維持在75%左右，而砂土的2個試驗組秸稈半纖維素累積降解率維持在85%附近，且在壤土和砂土中，添加生物炭組降解率均比未添加組高出5個百分點。

2.3 玉米秸稈纖維素累積降解率

還田后秸稈纖維素累積降解率變化趨勢如圖4所示。

圖4 玉米秸稈纖維素累積降解率變化趨勢Fig.4 Variation trends of cumulative decomposition rate of cellulose in corn stover

由圖4可以看出，砂土2個不同處理的試驗組在整個試驗過程中均呈現纖維素累積降解率高于壤土的2個試驗組，且未添加生物炭組的降解率均低于對應的添加生物炭組。這種現象主要是因為降解纖維素的土壤纖維素酶是一種復合酶，其中土壤β-葡糖苷酶是其重要的組成部分和限制因子，秸稈配施生物炭能顯著提升土壤2種纖維素酶的活性[21]，從而促進纖維素的降解。從圖4還可以看出，除S2組外，其他3組纖維素在試驗初期降解緩慢，通過與秸稈的降解率對比后發現，各組纖維素累積降解率達到50%時所用的時間與秸稈的降解率基本一致，這說明秸稈的降解率與纖維素的降解率有顯著的相關性(P<0.05)，這與王旭東等[8]的研究結果一致。經過105 d的腐解，各試驗組纖維素的累積降解率由大到小排序為S2組(76.59%)、S1組(73.99%)、B2組(68.88%)、B1組(62.10%)。

2.4 玉米秸稈木質素累積降解率

還田后秸稈木質素累積降解率變化趨勢如圖5所示。

圖5 玉米秸稈木質素累積降解率變化趨勢Fig.5 Variation trends of cumulative decomposition rate of lignin in corn stover

由圖5可以看出，4個試驗組木質素累積降解率規律基本一致，即試驗前期木質素快速降解，試驗中期木質素降解速度較慢，49 d后木質素降解速度又開始逐漸增加,且添加生物炭組木質素的累積降解率顯著高于對應的未添加生物炭組累積降解率(P<0.05)。這種現象的主要原因是由于木質素是秸稈中最穩定的組分，是秸稈降解的主要限制因素[4,8]，與半纖維素和纖維素相比，木質素分子結構復雜而且不規則，對酶水解作用呈抗性[27]。隨著試驗的進行，玉米秸稈中致密的表皮組織和維管束遭到破壞，細胞壁變薄，內部結構疏松[11,28]，解除了木質素的包裹作用，進而促進了微生物對半纖維素和纖維素的降解，這與曹瑩菲等[29]的研究結果一致。而施用生物炭后提高了土壤微生物的活性和酶活性，對秸稈組織的降解程度更好，進而促進木質素的降解。試驗結束時，4個試驗組木質素累積降解率分別為B1組51.65%、B2組63.81%、S1組64.95%和S2組68.34%，且在壤土中添加生物炭能夠顯著提高秸稈木質素累積降解率(P<0.05)。從圖5中還可以發現，B2組降解率與S1組降解率差異不顯著(P>0.05)，這表明施加生物炭后能夠顯著改善土壤的空隙結構，使得壤土具有類似砂土疏松、透氣的性質，促進微生物對木質素的降解。

2.5 玉米秸稈有機碳累積降解率

還田后秸稈有機碳累積降解率變化趨勢如圖6所示。

圖6 玉米秸稈有機碳累積降解率變化趨勢Fig.6 Variation trends of cumulative decomposition rate of organic carbon in corn stover

由圖6可以看出，在腐解過程中，秸稈中有機碳呈現持續釋放狀態，試驗前期4個試驗組均保持較高的有機碳降解率，在試驗中后期降解率維持在一個相對較低的水平并最終趨于穩定。這是因為秸稈還田增加了土壤中的腐殖酸等有機質，主要是通過秸稈中有機碳的礦質化作用[9-10]，秸稈中有機碳累積降解率越高，秸稈的腐解量越大，秸稈和生物炭配施增強了土壤微生物對秸稈的礦質化作用[23]，同時配施生物炭還田能夠有效保持土壤的含水率及各種營養成分，使秸稈在多種酶的協同作用下轉化為疏松多孔的腐殖質。此外，通過對比木質素累積降解規律不難發現，木質素累積降解率越高的試驗組，其秸稈有機碳的累積降解率也越高，這與王旭東等[8]研究的不同肥力條件下玉米秸稈腐解效果一致。在試驗結束時，除B1試驗組有機碳累積降解率為76.67%外，其他3個試驗組累積降解率均維持在85%左右。

2.6 玉米秸稈總氮累積降解率

還田后秸稈的總氮累積降解率變化趨勢如圖7所示。

圖7 玉米秸稈總氮累積降解率變化趨勢Fig.7 Variation trends of cumulative decomposition rate of total nitrogen in corn stover

由圖7可以看出，4個試驗組秸稈總氮累積降解規律總體上與有機碳類似，整體上呈現先快后慢的趨勢，但同時也存在差異，B1組秸稈在前21 d總氮釋放緩慢，這主要由于氮素作為植物重要的結構物質，被微生物分解為可溶于水的氨態氮和硝態氮，壤土質地較其他試驗組土壤黏重[26]，導致秸稈中氮素釋放后流失緩慢，而添加了生物炭的B2組土壤由于生物炭改變了土壤的通透性并且具有較強的吸附作用，使得釋放后的氮素能夠相對比較容易地擴散到周圍的土壤中。由圖7還可以看出，累積降解率的拐點出現在第49天，4個試驗組在拐點處的累積降解率變幅介于19.80%～41.33%，這與代文才等[3]的研究結果相符。在試驗結束時，各試驗組總氮累積降解率由大到小為S2組(71.57%)、S1組(67.68%)、B2組(65.37%)、B1組(59.20%)。

3 結論

(1)土壤中添加生物炭對混施沼肥秸稈還田具有顯著的促進作用，在105 d的試驗周期內，秸稈混合物+壤土(B1)、秸稈混合物+壤土+生物炭(B2)、秸稈混合物+砂土(S1)、秸稈混合物+砂土+生物炭(S2)的降解率分別為69.96%、74.63%、78.19%、79.14%。

(2)本試驗條件下，培養前49 d均為秸稈各組分快速腐解期，并且半纖維素的快速腐解期出現得較早。此外，秸稈降解各組分之間表現為秸稈的降解率與纖維素降解率具有顯著的相關性；添加生物炭對秸稈木質素的降解具有顯著的促進作用，而木質素的降解又與有機碳的降解具有正相關性。

(3)在整個試驗過程中，秸稈混合物+砂土+生物炭(S2)組秸稈各組分累積降解率均在91 d最先進入腐解停滯期；秸稈混合物+壤土(B1)組的各組分累積降解率均低于其他3個試驗組，說明秸稈與沼肥同步翻埋還田后，土壤的透氣性越好、養分保持越好的土壤環境更加利于秸稈的腐解。