添加稻草生物質炭對濱海水稻土有機質活性的影響①

關連珠, 姜雪楠, 張廣才, 潘林林, 張 婷, 趙 雅, 葉 超, 張雅楠, 李 麗

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添加稻草生物質炭對濱海水稻土有機質活性的影響①

關連珠, 姜雪楠, 張廣才*, 潘林林, 張 婷, 趙 雅, 葉 超, 張雅楠, 李 麗

(沈陽農業大學土地與環境學院/土肥資源高效利用國家工程實驗室/農業部東北耕地保育重點實驗室，沈陽 110866)

為明確腐熟稻草、直還稻草與稻草生物質炭3種不同的稻草還田方式對濱海鹽漬型水稻土中碳組分的影響，采用為期270 d的室內恒溫培養試驗，研究了施用等碳量的腐熟稻草、直還稻草(指稻草直接還田)與稻草生物質炭對水稻土有機碳累積及其氧化穩定性、土壤水溶性有機碳和微生物生物量碳含量的影響。稻草生物質炭處理顯著提高了土壤有機碳累積量及其氧化穩定性，并增加了土壤微生物生物量碳含量，但對水稻土水溶性有機碳含量并無影響。腐熟稻草與直還稻草處理皆可在短時間內提高土壤水溶性有機碳及微生物生物量碳含量，但對土壤碳累積影響較小，腐熟稻草處理甚至會降低土壤抗氧化能力。稻草生物質炭的施用會增加土壤碳的積累，但若長期施用會降低土壤碳庫活性，其可與腐熟稻草或直還稻草配施來減少這一問題。

稻草生物質炭；濱海鹽漬型水稻土；活性有機質；有機碳氧化穩定性

濱海鹽漬型水稻土是遼寧省優質高產水稻的重要生產基地，由于多年來的粗放管理，雖然鹽分含量有所減少，但整體肥力狀況卻有所惡化。有調查表明，高產濱海鹽漬型水稻土最適的有機質含量為 20 ~ 30 g/kg，而實際土壤平均有機質含量僅為 13.6 g/kg[1]。農作物秸稈合理施用能有效改善土壤理化性質，增加土壤有機碳和微生物生物量碳含量，并能明顯提高作物產量[2-3]，但我國北方大部分秸稈尚未得到充分利用。土壤活性有機碳庫是土壤圈中一種十分活躍、周轉速度較快的組分，是對土壤擾動和土壤管理措施最為敏感的有機碳組分。它將土壤礦物質、有機碳與生物成分聯系在一起[4-5]，指示土壤的綜合性活力水平[6]。近年來隨著秸稈還田成為新研究熱點，國內外學者對秸稈還田培肥土壤及提升土壤有機質含量等方面也進行了許多研究[7-10]。秸稈直接還田可以使農田生態環境得到改善，提高作物產量，但也帶來病蟲害加重、整地質量差等負面效應；秸稈腐熟還田能克服直接還田的缺點，不利條件是耗費勞動力和時間；秸稈炭化還田對土壤改良有多方面積極影響，但其對土壤功能影響的機理目前還不完全清楚，秸稈生物質炭還田對土壤活性有機質影響方面的研究還有待深入。目前，關于秸稈還田方面的研究主要集中于旱地土壤，而在水田土壤(特別是濱海鹽漬型水稻土)方面相關研究不多，不同處理方式的稻草施入，鹽漬型水稻土有機碳活性變化的規律及影響效果缺乏相關研究數據。本文旨在通過探討3種不同方法處理的稻草對濱海鹽漬型水稻土有機質活性的影響，找出北方水田稻草適宜的還田方式，以為推廣水稻秸稈還田、充分利用秸稈資源提供理論基礎和數據支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗土壤取自遼寧盤錦市大洼縣(40°56′9″ N，122°3′51″ E)，為典型濱海鹽漬型水稻土。用多點混合取樣法采集0 ~ 20 cm耕層土壤樣品，風干后過2 mm篩，用于恒溫淹水培養試驗。供試土壤的有機碳含量為11.92 g/kg，全氮含量為1.31 g/kg，全磷含量為0.42 g/kg，全鉀含量為25.31 g/kg，土壤pH為7.87。

施用的稻草分為3種處理：直還稻草處理(Z)，指稻草直接還田，將稻草粉碎至1.5 mm；腐熟稻草處理(F)，將粉碎后的稻草加水至含水率為50% 后裝入容器中，置于30℃培養箱恒溫培養至變為黑色粉末并有土香味，時間為6個月；稻草生物質炭處理(S)，由粉碎后的稻草在450℃高溫無氧條件下制備而成。供試稻草處理后的基本性質見表1。

表1 供試稻草處理后的基本性質

1.2 試驗設計

本培養試驗為室內暗室恒溫無作物淹水培養，共設置4個處理，分別為腐熟稻草(F)、直還稻草(Z)、稻草生物質炭(S)和對照(CK)，3次重復。直還稻草施入量根據目前農業生產中水稻留高茬和稻草直接還田的常用量(9 000 kg/hm2)的2.5倍進行換算，在室內培養過程中按照土壤質量的1% 施用，并對其施入土壤中的碳量進行等碳換算，計算出腐熟稻草與稻草生物質炭的施入量。每一處理的用土量為3 kg，加不同稻草處理后的土壤充分混勻后置于6 L的塑料桶中培養，加水至高于土壤15 cm左右。培養時間為270 d(2016年6月至2017年3月)，培養期間為恒溫25℃，按當地大田實際耕種情況(遼寧濱海水稻土地勢低洼，排水設施不完善，大部分長期淹水)進行全程淹水培養，并定期攪拌、補水。分別于培養后的90、180、270 d進行采樣，取出適量土樣進行測定。

1.3 試驗方法

土壤和3種稻草材料的有機碳含量采用VARIO EL III元素分析儀進行測定。原始土壤和培養后土壤的易氧化有機碳(EOC)含量參考文獻[11-12]方法測定[11-12]，并計算有機碳氧化穩定系數(Kos)，Kos=(總有機碳-易氧化有機碳)/易氧化有機碳；微生物生物量碳(MBC)含量采用氯仿熏蒸-硫酸鉀提取法測定；水溶性有機碳(DOC)含量采用純水浸提，TOC自動分析儀測定。

1.4 數據處理

所有數據均采用 MS Office Excel 2010 進行處理，統計分析采用 SPSS 20.0 軟件進行。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳累積的變化

圖1顯示了添加3種不同稻草對土壤有機碳累積的影響。從圖1可以看出，不同處理稻草的施入都增加了土壤有機碳總量。隨培養時間的延長，累積在土壤中的有機碳因降解而逐漸降低，但下降幅度卻因處理的不同而有很大差異。對照土壤(CK)在整個培養過程中有機碳總量有少量的下降，培養至270 d時，下降的幅度為15.3%；其次為稻草生物質炭(S)處理，土壤有機碳總量的下降幅度為25.1%，而直還稻草(Z)與腐熟稻草(F)處理土壤有機碳總量下降最明顯，下降幅度分別為39.8% 與37.4%。總體來說，施用不同處理的稻草均會增加濱海鹽漬型水稻土土壤有機碳的降解速率，其中直還稻草處理對土壤有機碳的降解速率影響最為明顯，若以不同稻草施用處理與對照之間的有機碳差異來說明施入土壤中的有機碳的表觀殘余碳量，那么至培養270 d時，腐熟稻草處理土壤有機碳的殘余率為8.33%，稻草生物質炭處理為23.20%，直還稻草處理為5.47%。

圖1 不同稻草添加對濱海鹽漬型水稻土有機碳累積的影響

2.2 土壤有機碳氧化穩定性的變化

氧化穩定性是土壤有機碳的一個重要基本屬性，關系到土壤有機碳抗氧化能力的強弱，反映了土壤有機質分解的難易。土壤有機碳的氧化穩定性可用氧化穩定系數(Kos)來衡量，Kos值越大，活性越低，反之，則越高[11]。由圖2可知，培養至270 d時，所有處理土壤的Kos值都有所上升，但上升幅度則因處理不同而有所差異。施入稻草生物質炭(S)的土壤Kos增幅最大，至270 d時與對照土壤(CK)相比增加42.31%；施入直還稻草(Z)的土壤Kos與對照土壤(CK)則并沒有顯著差異，比之對照土壤(CK)僅降低3.48%。施入腐熟稻草(F)的土壤Kos增幅最小，并顯著小于對照土壤(CK)，與其相比降低12.99%。這一結果表明，稻草生物質炭的施用會顯著降低土壤有機碳的活性，而腐熟稻草的施用則會增加土壤有機碳的活性，直還稻草的施用對有機碳的活性影響較小。

圖2 不同稻草添加對濱海鹽漬型水稻土有機碳氧化穩定系數(Kos)的影響

2.3 土壤水溶性有機碳和微生物生物量碳含量的變化

土壤水溶性有機碳是指能溶解于土壤水的那部分活性較高的土壤有機碳組分[13-14]。由圖3可以看出，在270 d的培養過程中，除腐熟稻草處理土壤水溶性有機碳含量呈現下降外，其余各處理的變化幅度較小，并隨著培養時間的延長，呈現先上升后下降的趨勢。至270 d時，直還稻草和腐熟稻草處理土壤水溶性有機碳含量顯著高于對照，但直還稻草與腐熟稻草處理間并無差異；而稻草生物質炭處理對土壤水溶性有機碳含量無顯著影響。

圖3 不同稻草添加對濱海鹽漬型水稻土水溶性有機碳的影響

不同稻草處理對土壤微生物生物量碳的影響見圖4。由圖4可知，不同處理稻草的施入都增加了土壤微生物生物量碳含量。在培養90 d時，3種處理方式(腐熟稻草、稻草生物質炭、直還稻草)土壤微生物生物量碳均高于對照土壤，其中腐熟稻草處理含量最高，而直還稻草與稻草生物質炭處理含量較為接近；隨著培養時間的增加，直還稻草處理土壤微生物生物量碳含量上升幅度增加，至培養270 d時，3種稻草處理的含量均高于對照，其中腐熟稻草處理與直還稻草處理含量較高，分別高于對照 59.50% 和56.48%，而稻草生物質炭處理僅高于對照 16.70%。

圖4 不同稻草添加對濱海鹽漬型水稻土微生物生物量碳的影響

3 討論

3.1 不同稻草處理對濱海鹽漬型水稻土有機碳穩定性的影響

本研究表明，3種稻草處理均增加土壤有機碳含量，但同時也會加速土壤有機質的分解。其中，稻草生物質炭處理的分解速率遠低于其他處理，同時其土壤有機碳氧化穩定系數也顯著高于直還稻草與腐熟稻草處理。這與前人研究結果一致。如Bruun等[15]使用14C標記生物質炭及作物秸稈進行2年土壤培養試驗發現，生物質炭低溫和高溫碳損失分別為9.3%、3.1%，遠遠低于秸稈(56%)的碳損失；Kimetu和Lehmann[16]報道生物質炭的穩定性及穩定化作用大于其他綠肥類易分解有機物，致使生物質炭的碳損失遠低于綠肥；Kuazyakov等[17]使用14C標記的黑麥草生物質炭培養60 d后僅1.8% ~ 2.1% 的生物質炭被分解。

目前，對于生物質炭在土壤中的分解機理還沒有統一的結論，大多認為是微生物降解與無機降解過程相結合。Hame和Marschner[18]用橡樹干和玉米秸稈生物質炭加14C標記葡萄糖、營養液，接種微生物，在20℃的條件下培養60 d發現，葡萄糖的加入促進了生物質炭的分解。無機降解過程可能是一個表面氧化過程。由于生物質炭中硅(Si)和碳(C)的保護機制和芳香碳的聚合程度及其完整度使生物質炭較為穩定，這可能是其長時間殘留在土壤中的原因[19]。

3.2 不同稻草處理對濱海鹽漬型水稻土有機碳活性的影響

土壤水溶性碳和微生物生物量碳皆為土壤有機碳的活性指標，與土壤中養分流轉、土壤碳循環密切相關，其能在土壤總碳變化之前反映出土壤碳發生的細微變化。本研究表明，直還稻草與腐熟稻草處理都顯著增加土壤水溶性有機碳和微生物生物量碳含量，而稻草生物質炭處理也會增加土壤微生物生物量碳含量，但對土壤水溶性碳含量無顯著影響，這與前人研究結果一致[20]。3種有機物質的施用均顯著增加土壤微生物生物量碳含量的原因是這些有機物質均能為土壤微生物提供能源，但是，由于3種有機物質的組分及其穩定性不同，腐熟稻草較低的碳氮比更利于微生物利用，使得腐熟稻草處理土壤水溶性有機碳和微生物生物量碳含量顯著高于直還稻草處理；而隨著直還稻草在培養過程中逐漸腐解，土壤中碳氮比向著有利于微生物活動的方向發展，水溶性有機碳和微生物生物量碳含量隨之增加；而稻草生物質炭組分具有較強的穩定性，相對于直還稻草與腐熟稻草處理并不易于被微生物分解，雖然顯著增加了微生物生物量碳，而對水溶性有機碳含量無明顯影響，另外，還可能與生物質炭較大的比表面積對水溶性有機碳的吸附有關。

4 結論

1)腐熟稻草、直還稻草和稻草生物質炭的施用都可增加濱海鹽漬型水稻土中土壤有機碳含量，稻草生物質炭對土壤有機碳含量的增加最為顯著(<0.05)，且施用稻草生物質炭的土壤有機碳氧化穩定系數顯著高于其他兩種處理和對照(<0.05)，表明其抗氧化能力最強，有助于土壤有機碳的累積。因此，本研究3種稻草處理皆可增加濱海鹽漬型水稻土中有機碳的累積，而稻草生物質炭處理效果最佳。

2)與施用稻草生物質炭和對照相比，腐熟稻草、直還稻草的施用顯著增加了濱海鹽漬型水稻土水溶性有機碳和微生物生物量碳含量(<0.05)，表明二者均有增加土壤活性有機質的作用，長期施用可提高農業土壤質量。

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Effects of Rice Straw-derived Biochar on Organic Carbon Activity in Coastal Saline Paddy Soil

GUAN Lianzhu, JIANG Xuenan, ZHANG Guangcai*, PAN Linlin, ZHANG Ting, ZHAO Ya, YE Chao, ZHANG Yanan, LI Li

(College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University / National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources /Northeast Key Laboratory of Arable Land Conservation and Improvement, Ministry of Agriculture, Shenyang 110866, China)

In order to clarify the effects of three different rice straw returning modes (rotted rice straw, direct return of rice straw, rice straw-derived biochar) on organic carbon activity in the coastal saline paddy soil, an indoor incubation experiment (at 25℃ and 270 days) was designed and conducted to study the potential effect of their equivalent carbon application on accumulation and stability of soil organic carbon, the contents of microbial biomass carbon and dissolved organic carbon. Results showed that application of rice straw-derived biochar increased significantly the accumulation and stability of soil organic carbon, and improved the content of microbial biomass carbon. However, it had no effect on the content of dissolved organic carbon. The rotted rice straw and direct return of rice straw treatments increased significantly the contents of soil dissolved organic carbon and microbial biomass at the beginning of incubation experiment, while they had no effects on the accumulation of carbon. Application of rotted rice straw decreased the stability of organic carbon. In conclusion, application of rice straw-derived biochar could increase the accumulation of organic carbon in soil, but it might also decrease activity of soil organic matter after a long-term application without any application of other organic materials. However, its application combined application with rotted rice straw or direct return of rice straw can reduce this negative effect.

Rice straw-derived biochar; Coastal saline paddy soil; Organic carbon activity; Oxidation stability of soil carbon

公益性行業(農業)科研專項項目(201503118-10)資助。

通訊作者(guangcaizhang@163.com)

關連珠(1960—)，男，遼寧沈陽人，博士，教授，主要從事土壤肥力與耕地保育、土壤化學和農業環境與生態研究。E-mail: guanlianzhu@126.com

S158

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10.13758/j.cnki.tr.2019.01.027