生物炭添加對土壤腐殖物質組成的影響

黃兆琴，周 強，胡林潮，程德義，代靜玉

（1.南京農業大學資源與環境科學學院，江蘇南京 210095；2.江蘇城市職業學院環境生態學院，江蘇南京 210017；3.常州大學環境與安全工程學院，江蘇常州 213164）

土壤有機質是指存在于土壤中的所有含碳的有機物質，是一類復雜的混合物，其中腐殖物質占有機質總量的70%～80%［1］。在大多數的土壤和沉積物中，腐殖物質在土壤肥力、環境保護、農業可持續發展等方面都有很重要的作用和意義［2］。近年來，通過增加碳沉降來減緩氣候變化已獲得全球共識，國際社會紛紛提出了把農業廢棄物熱解處理轉化為生物質炭，炭化產物重新施入土壤并封存，從而實現固碳減排的作用［3-5］。生物炭施入可增加土壤有機碳總量，改良土壤結構和性質，促進土壤團聚體的形成，增加土壤養分，調節土壤微生物活動，促進植物生長［6-7］，減少溫室氣體的排放，減緩溫室效應［8］。目前已有研究報道，生物炭添加能夠促進土壤有機質水平的提高［9-10］，也有學者認為將生物炭加入土壤中不僅能夠增加土壤有機碳含量，還會降低土壤有機碳的礦化速率和累積礦化量，長期單一施用生物質炭可能會引起土壤有機質活性降低［11］。可見，外源生物質炭施加對土壤固有有機質的組成和結構有一定影響，但國內外對于生物炭與土壤腐殖物質相互作用過程、生物炭對改變或影響土壤腐殖物質各組分的詳細機制還缺乏系統闡述。本研究通過生物炭與土壤室內共培養試驗，在試驗時間內對土壤腐殖物質進行提取和分離，測定土壤胡敏酸（HA）、富里酸（FA）及光學性質，探討不同施加量下生物炭對土壤腐殖物質組成的影響。

1 材料與方法

1.1 供試土壤采集與生物炭的制備

供試土壤為水稻土，采自江蘇省溧陽市南渡鎮（119.38°E、31.42°N），在田間按“蛇形”采樣法隨機采取表層0～20 cm土壤，風干后過100目篩待用，另取部分土樣用于土壤有機質和全氮等基本性質含量的測定。供試土壤pH值為5.20，有機碳含量為12.40 g/kg，總氮含量為1.40 g/kg，沙粒、粉沙和黏粒含量分別為188、292、520 g/kg，土壤質地為黏土。

以水稻稻殼為原材料制備生物炭，將采自南京市城郊的水稻稻殼置于烘箱中，在（50±1）℃下烘至恒質量，裝入金屬容器（18 cm×15 cm×5 cm），填滿并壓實后密封。將金屬容器置于馬弗爐內加熱，設置馬弗爐的終溫分別為350、550℃，升溫速率為13.33℃/min，達到終溫后持續加熱2 h，待樣品冷卻至室溫后取出。用研缽將生物炭磨碎，過0.150 mm篩備用，將350、550℃制得的生物炭分別記作R350、R550。

1.2 供試土壤與生物炭共培養試驗

稱取一定質量過100目的土壤樣品放入塑料容器中，按生物炭與土壤質量比為1%、3%、5%的比例將生物炭添加入土壤中，混勻后置于室溫下培養，保證其含水率為土壤質量的40%，設3個平行，并以未添加生物炭的空白土壤為對照，并于生物炭與土壤共培養后0、30、120、240 d采集土壤樣品用于分析，每次設3個重復，用于考察生物炭添加對土壤腐殖物質及組分的影響。

1.3 腐殖物質的提取與分析

腐殖物質的提取采用國際腐殖物質學會（IHSS）推薦的方法［12］。腐殖酸總碳、胡敏酸（以胡敏酸碳含量計）、富里酸（以富里酸碳含量計）含量測定采用重鉻酸鉀比色法；胡敏酸的E4/E6采用分光光度計法，在465、665 nm處分別測定胡敏酸溶液的消光值（分別記為E4和E6），計算E4/E6比［13］。

1.4 數據處理與分析

試驗數據采用Excel 2010及SPSS 17.0數據處理軟件進行統計分析，利用SPSS 17.0中單因素方差分析和Tukey多重比較法比較不同處理數據的差異。

2 結果與分析

2.1 生物炭施入后土壤腐殖酸的變化

按照1%、3%、5%的比例添加不同溫度下制備的生物炭R350、R550于供試土壤中，土壤腐殖酸總碳含量的變化如圖1所示。由圖1可知，生物炭加入土壤后30 d左右，腐殖酸含量增加，之后隨共培養時間的增加而逐漸降低，培養240 d后土壤腐殖酸總量減少為培養初期（0 d）的64%～75%，即不管是添加高溫還是低溫制備生物炭，土壤腐殖酸總碳含量均呈現先升高后降低的趨勢，生物炭的添加比例越大，土壤腐殖酸含量變化越明顯。生物炭加入土壤后短期內（30 d）腐殖物質含量增加，主要源于生物質在熱解制備過程中生成類腐殖酸類物質［14］以及活性有機碳，并隨生物質炭施入進入土壤環境，進而影響土壤腐殖酸碳的總量，有學者研究發現，生物炭和土壤胡敏酸的核磁共振波譜具有明顯的相似性，也證實生物炭可能成為土壤腐殖物質中高度芳香化組分的來源［15］。進入環境中后生物炭與微生物、礦物等發生生物及非生物的氧化過程［8］，導致其物理化學特性發生改變，其上所含含氧官能團發生變化并影響土壤腐殖物質的組成，如在微生物的作用下將生物炭的脂肪族碳轉化為有機碳庫中的胡敏酸等腐殖物質碳，類腐殖酸也會發生一系列反應。

2.2 生物炭施入土壤后胡敏酸的變化

作為土壤有機質的最大組成部分，腐殖質對土壤中許多復雜化學反應起重要作用。胡敏酸（HA）、富里酸（FA）是土壤腐殖質的主要組成成分。生物炭的施入在改變土壤腐殖酸含量的同時，也使土壤腐殖質的組成發生變化。圖2顯示，與未添加生物炭的對照相比，添加R350、R550后供試土壤樣品中胡敏酸含量均減少；在生物炭加入土壤后培養240 d時比未添加生物炭土壤胡敏酸含量少63%～77%。即隨生物炭加入土壤時間的增加，土壤胡敏酸含量呈現先增加后減小的趨勢，這與腐殖酸碳含量變化一致。生物炭的添加降低了土壤胡敏酸的含量，較高溫度制得生物炭（R550）添加比例對胡敏酸含量變化的影響表現為5% ＞3%＞1%，即生物炭添加比例越高，胡敏酸減少量越明顯；而較低溫度制得生物炭（R350）對胡敏酸含量變化的影響為5%＞1%＞3%。

2.3 生物炭施入土壤后胡敏酸光學特性的變化

胡敏酸的光學特性是判斷土壤腐殖質性質的重要依據。E4/E6的值可以反映土壤的腐殖化程度和芳香縮合度［16］，E4/E6的值低說明芳香族成分具有較高的縮合度，腐殖化程度較高，其值高表明芳香縮合度低并可推測具有較多的脂肪族成分。生物炭施入土壤后，胡敏酸的E4/E6值的變化情況如圖3所示。由圖3可知，不同溫度下制備而得的生物炭添加到土壤中，對土壤胡敏酸E4/E6值產生的影響不盡相同，低溫制備生物炭（R350）的添加可提高土壤胡敏酸E4/E6值，并隨生物炭添加比例增加而增加，說明生物炭加入土壤后胡敏酸的芳香縮合度降低，這是由于低溫制備生物碳本身炭化不完全，含有較多脂肪族物質，同時熱解過程中產生的類腐殖物質包裹在生物炭表面，同生物炭一起被添加到土壤中導致胡敏酸芳香縮合度下降，另外可能是生物炭輸入土壤后與HA發生了吸附作用。添加高溫制備的生物炭后土壤胡敏酸E4/E6值降低，說明土壤腐殖物質中芳香族成分含量增加，這與高溫制備生物炭芳香化程度高、結構致密有關。

2.4 生物炭施入土壤后富里酸及胡富比的變化

胡富比H/F是土壤胡敏酸（HA）與富里酸（FA）的比值，H/F的大小常用作衡量土壤腐殖物質聚合程度高低的指標，H/F值大，表明腐殖質聚合程度較高，相反則表明土壤具有較低的聚合程度。2種供試生物炭施入土壤后土壤胡富比的變化情況如表1所示。由表1可知，添加生物炭后（0 d）土壤H/F值比對照土壤樣品小，且對于添加生物炭的土壤樣品而言，隨著培養時間增加，土壤H/F值呈現增加的趨勢，培養240 d后土壤H/F值達到了與對照土壤相當的水平。添加生物炭后土壤H/F的減小可能是因為一部分HA在微生物的作用下轉化成了FA或者添加的生物炭使得FA的生成速率大于HA，從而使得富里酸在培養30 d時總量增加（圖4），導致H/F比值減小。隨著共培養的持續進行，氧化程度和芳香縮合度相對較低的FA在微生物的作用下被分解，造成富里酸總量減少，使得土壤H/F值在胡敏酸總量減少的情況下仍然升高。

表1 添加生物炭后土壤胡富比（H/F）隨時間的變化

3 討論

生物炭施入土壤后，其發達的孔隙結構能夠為土壤中微生物提供生存空間，形成微生物活動層，生物炭所含脂肪族或易氧化態碳為微生物提供生長碳源和能源，提高微生物的活性和數量，加速微生物對土壤碳的消耗，豐富的微生物活動不僅有利于微生物的生長繁衍，還能促進生物炭向腐殖物質碳轉換。Otsuka等研究表明，添加生物炭后土壤細菌多樣性比未添加生物炭土壤高25%［17］；顧美英等發現，施用生物炭能提高棉田土壤有機質含量，并促進細菌、真菌、纖維素分解菌和自生固氮菌的生長［18］。生物炭添加比例越大，微生物的活性和數量越大，造成土壤礦化作用速率越快，可能會導致土壤腐殖酸的變化量越明顯，因此隨著生物炭與供試土壤樣品共培養時間的增加，土壤中腐殖酸碳含量降低。不同溫度下制備而得的生物炭性質不同［19］，低溫生物炭（R350）含有較多的脂肪族物質，極易通過礦化方式而分解，而高溫生物炭（550）芳香度較高，結構致密，生物炭的孔隙結構對土壤HA具有一定的聚合和吸附作用，從而導致不同溫度制備的生物炭的施入總體降低土壤HA的含量，這與趙世翔等的研究結果［14］一致。此外，生物炭與土壤共培養的過程中土壤胡敏酸的芳香化程度增加，土壤的腐殖化程度提高，可能是在微生物的作用下，小分子腐殖物質發生降解、腐殖物質分子之間相互縮聚、聚合［20］，生物炭與腐殖物質發生共腐殖化，使得土壤HA的縮合度增加、結構變復雜，生物炭的添加總體提高了土壤的腐殖化程度。王英惠等研究發現，將高溫制備的生物炭加入土壤后土壤腐殖化程度變大，并認為高溫生物炭因芳香化程度高、致密性強、具有發達的孔隙結構和巨大的比表面積而對土壤中腐殖物質可能有一定的聚合和吸附作用，低溫制備的生物質炭殘留有機質較多，脂肪族結構含量較高，進入土壤后這一部分容易分解參與到土壤腐殖化過程［21］。有學者研究認為，生物炭輸入能增加土壤H/F的值，增加土壤中相對穩定性碳的比例，施加不同溫度下制備的生物炭對土壤腐殖物質組成影響不同，高溫制備的生物炭顯著降低土壤HA及FA的色調系數（Δlg K）和E4/E6值，使土壤腐殖物質的結構復雜化，而低溫制備的則相反［5］，而本研究中高溫、低溫制備生物炭添加入土壤后，土壤腐殖物質H/F的值均減小，但隨著培養時間的增加，同一添加比例下土壤H/F的值呈現增加的趨勢，即在生物炭與土壤共培養過程中土壤腐殖物質的聚合程度增加，可能是生物炭與腐殖物質、腐殖物質與腐殖物質之間綜合作用的結果。

4 結論

按照1%、3%、5%的比例，將不同溫度下制備的生物炭添加至供試土壤中，土壤腐殖酸碳的含量變化發生了改變；隨著2種生物炭與土壤共培養的進行，土壤腐殖酸含量均呈現先稍升高后降低的趨勢；生物炭添加比例越大、加入土壤時間越長，土壤腐殖酸含量的變化越明顯；生物炭長期施入土壤會減少土壤腐殖酸含量。

隨著生物炭施入土壤時間的增加，土壤胡敏酸含量呈現先增加后減小的趨勢，這與腐殖酸碳含量變化一致。生物炭的添加降低了土壤胡敏酸的含量，較高溫度制得的生物炭（R550）添加比例對胡敏酸含量變化的影響表現為5% ＞3%＞1%，即生物炭添加比例越高，胡敏酸減少量越明顯；而較低溫度制得的生物炭（R350）對胡敏酸含量變化的影響為5%＞1%＞3%。

低溫制備生物炭（R350）的添加可提高土壤胡敏酸E4/E6值，使土壤芳香縮合度降低，并隨生物炭添加量的增加而增加；高溫制備生物炭（R550）被添加到土壤后胡敏酸的E4/E6值反而減小，增加土壤腐殖物質中芳香族成分含量。