施用等碳量生物炭和腐熟秸稈對土壤養分及有機碳庫的影響

趙亞鵬，賈 輝，符云鵬*，何甜甜，王 靜，柳淵博，王維超

1.河南農業大學煙草學院 煙草行業煙草栽培重點實驗室，鄭州市金水區農業路63號 450002 2.河南省煙草公司許昌市公司，河南省許昌市湖濱路43號 461000

土壤是植物賴以生存的物質基礎，對植物的生長發育起著至關重要的作用［1］。近年來，我國已出現土壤退化現象，改變甚至破壞了土壤的基本結構單元，使土壤理化性狀變差，肥力下降，極大地削弱了土壤碳庫容量［2］。因此，如何高效地控制及治理土壤退化，恢復農田生態系統穩定性，是我國農業生產上面臨的重大課題。生物炭是生物質在限氧條件下經過熱裂解炭化形成的高度芳香化富含碳元素的產物，有良好的孔隙結構和較大的比表面積［3-4］。有研究表明，生物炭能夠優化土壤結構，有效改善土壤理化性質，提高土壤陽離子交換量［5］，使土壤對陽離子的吸附能力增加，養分淋洗減少，有效養分含量提高，特別是對有機質含量的提高具有顯著效果［6］；滴灌條件下增施生物炭可改善土壤品質，提高氮肥利用率，減少化肥使用量［7］；連續多年施用生物炭可提高土壤總有機碳、游離態顆粒有機碳及閉蓄態顆粒有機碳含量［8］；適量生物炭具有固碳減排效應，但大量的生物炭施用則會增加土壤呼吸速率［9］。秸稈直接還田是利用秸稈資源的主要渠道，不僅能夠改善土壤通透性［10］，還可調節土壤氮素營養，培肥地力，改良土壤，特別是在提高土壤碳庫質量方面作用明顯［11］。研究表明，秸稈還田可活化土壤磷，減緩了土壤對磷的吸附與固定［12］，穩定性磷經持續礦化分解，土壤磷的有效性增加；秸稈配施化肥可以提高作物對土壤堿解氮、速效磷及速效鉀的吸收利用，促進作物生長［13］；秸稈還田可顯著增加連作棉田微生物量含量，有利于提高土壤質量和生物活性，緩解連作的不利影響［14］；還有研究表明，秸稈覆蓋還田、翻壓還田和氨化秸稈翻壓還田均可平抑地溫，提高水分利用率，增加冬小麥產量［15］；但秸稈還田在改良土壤的同時也會造成病蟲害加劇、有機酸積累及土壤呼吸速率增加等問題，利弊共存［16-17］。可見，生物炭和秸稈對土壤的改良效果各有利弊，而兩種物料配施還田是否可以揚長避短，其機理尚不清楚。為此，在2017年試驗基礎上［18］進一步分析了等碳量的生物炭、腐熟小麥秸稈及二者配施對不同耕層土壤養分及碳庫各組分的影響，旨在為改良植煙土壤以及提升土壤碳庫容量提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗設置在河南農業大學許昌校區現代農業科教園區（113°81′E，34°16′N）。研究區屬暖溫帶亞濕潤季風氣候，雨熱同期，四季分明。年均氣溫15℃左右，年降水量700 mm，日照2 280 h，無霜期217 d。供試土壤為黃褐土，質地中壤，肥力均勻，灌溉方便。定位試驗于2015—2018年進行，2015—2016年勻地，2017年種植煙草前測定土壤基本理化性質：pH 7.61，有機質19.09 g/kg，堿解氮74.7 mg/kg，速效磷8.7 mg/kg，速效鉀114.5 mg/kg，水溶性氯24.8 mg/kg。2017年8月煙葉收獲后整地，冬季休閑，于2018年4月開始第二年試驗。

1.2 試驗設計

試驗設常規化肥（CK）；生物炭+化肥（T1）；腐熟秸稈+化肥（T2）；生物炭+腐熟秸稈+化肥（T3）4個處理，3次重復，隨機區組排列，小區面積0.02 hm2。兩年供試品種均為中煙100。2018年試驗各小區施入N、P、K含量及T1、T2和T3處理施入的總碳量與2017年保持一致。各處理氮用量37.5 kg/hm2，N∶P2O5∶K2O=1∶2∶5。T1、T2 和 T3 處理施入的總碳量為2.25 t/hm2。每年按照有機物料養分含量調節化肥施用量，即施肥方案中需去除有機物料中N、P、K含量，各處理養分總量與CK保持一致。2018年施肥方案見表1。

本試驗中生物炭是將花生殼在400～450℃下低氧炭化30 min后，粉碎并過2 mm篩后獲得。其pH 8.76，含水率9.25%，比表面積1.089 m2/g，主要官能團為烷烴、羥基和酰胺基等，由河南省生物炭技術工程實驗室提供。養分含量（質量分數）：全碳 50.12%，全氮0.35%，全磷 1.02%，全鉀1.76%。腐熟小麥秸稈養分（質量分數）：全碳37.1%，全氮 0.41%，全磷 0.76%，全鉀 0.93%。試驗中所用的化肥為煙草專用復合肥（10%N、10%P2O5、20%K2O），硫酸鉀（50%K2O），過磷酸鈣（12%P2O5），硝酸鉀（13%N，46%K2O）。生物炭和腐熟秸稈于4月24日均勻撒施，通過翻耕施入耕層土壤。復合肥、過磷酸鈣作基肥在起壟前條施。煙苗于5月1日移栽，行、株距分別為120 cm和55 cm，硝酸鉀、硫酸鉀在移栽后30 d追施，按照當地優質煙葉生產技術規范進行田間管理。

表1 不同處理的施肥量Tab.1 Fertilizer application rates in different treatments

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤樣品的采集

土壤樣品于移栽后100 d，每小區采用“ S”形取樣法取耕層土壤樣品，共5個采樣點。取樣時將取樣點（兩株煙之間）煙壟兩側各挖一個垂直剖面，煙壟中心土柱寬度約15 cm，將卷尺比對在土壤切斷面上，自上而下依次取0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm的土壤，即可得到不同深度土層的土樣，及時去除根系、石礫以及枯草等雜物，將各耕層不同取樣點土壤樣品混合均勻，一部分過2 mm篩后保存于4℃冰箱中，另一部分風干并過0.85 mm和0.15 mm篩后備用。

1.3.2 土壤養分含量的測定

采用堿解擴散法測定堿解氮［19］；NaHCO3浸提鉬銻抗比色法測定速效磷［19］；NH4OAC浸提火焰光度法測定速效鉀［19］；重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定有機質含量（質量分數）［19］。

1.3.3 土壤碳庫的測定

采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定有機碳［19］；333 mmol/L高錳酸鉀氧化法測定易氧化有機碳［20］；水浴鍋加熱蒸干-重鉻酸鉀容量法測定可溶性有機碳［21］；氯仿熏蒸浸提法測定微生物生物量碳［22］。

1.4 數據處理

采用Excel 2016對數據進行處理和作圖，用SPSS 20.0軟件對數據進行統計分析，用Duncan’s新復極差法進行數據間差異的顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤養分含量的影響

2.1.1 土壤堿解氮

由圖1可知，同一處理不同耕層土壤堿解氮含量無顯著差異；添加有機物料后，各處理土壤堿解氮含量較CK明顯降低，其中10～20 cm耕層T2和T3處理與CK間堿解氮含量差異達到顯著水平；20～30 cm耕層T1和T2處理土壤堿解氮含量顯著低于CK。添加有機物料的土壤堿解氮含量降低原因可能與化肥施用量減少，有機物料氮素礦化率相對較低，以及速效氮的釋放減少有關。

圖1 不同處理對植煙土壤堿解氮含量的影響Fig.1 Effects of different treatments on alkali-hydrolyzed nitrogen content in tobacco-planting soil

2.1.2 土壤速效磷

圖2表明，所有處理土壤速效磷含量均表現出隨土壤深度的增加而降低的趨勢。CK和T2處理0～10 cm耕層土壤速效磷含量顯著高于10～20 cm和20～30 cm耕層，T1和T3處理0～10 cm、10～20 cm耕層顯著高于20～30 cm耕層。與CK相比，生物炭、腐熟秸稈、生物炭+腐熟秸稈處理的0～30 cm耕層土壤速效磷含量分別提高11.06%～35.5%、14.39%～34.88%和16.06%～47.40%。其中，各處理10～20 cm耕層的土壤速效磷含量較CK顯著增加；T3處理0～10 cm耕層較CK顯著增加，10～20 cm耕層T3處理顯著高于T2處理。

圖2 不同處理對植煙土壤速效磷含量的影響Fig.2 Effects of different treatments on available phosphorus content in tobacco-planting soil

2.1.3 土壤速效鉀

由圖3可知，各處理土壤速效鉀含量均表現為隨耕層深度的增加而降低，所有處理0～10 cm耕層土壤速效鉀含量顯著高于10～20 cm耕層；除T3處理外，其余各處理10～20 cm耕層土壤速效鉀含量顯著高于20～30 cm耕層。添加有機物料后，0～30 cm耕層各處理速效鉀含量較CK明顯增加，其中0～10 cm、10～20 cm耕層各處理速效鉀含量顯著高于CK，且T3處理顯著高于T2和T1處理；20～30 cm耕層T3處理速效鉀含量也顯著高于CK和其他處理。說明T3處理對提高各耕層土壤速效鉀含量效果最好。

圖3 不同處理對植煙土壤速效鉀含量的影響Fig.3 Effects of different treatments on available potassium content in tobacco-planting soil

2.1.4 土壤有機質

由圖4可以看出，各處理不同耕層土壤有機質含量均表現為 10～20 cm＞0～10 cm＞20～30 cm。施用有機物料的3個處理在0～30 cm耕層土壤有機質含量較CK均有提高；其中0～10 cm耕層施用生物炭處理、生物炭+腐熟秸稈處理土壤有機質含量顯著高于CK；10～20 cm耕層，施用生物炭處理、生物炭+腐熟秸稈處理土壤有機質含量顯著高于CK和施用腐熟秸稈處理；20～30 cm耕層，施用生物炭處理土壤有機質含量顯著高于其他處理。說明施用生物炭對土壤有機質含量的提高效果最好，其次是生物炭與腐熟秸稈配施處理。

圖4 不同處理對植煙土壤有機質含量的影響Fig.4 Effects of different treatments on organic matter content in tobacco-planting soil

2.2 不同處理對土壤有機碳庫指標的影響

2.2.1 土壤總有機碳（TOC）含量

土壤TOC是反映土壤肥力狀況的指標之一，影響土壤的保肥供肥能力［23］。由表2可知，CK的TOC含量隨土壤深度增加呈下降趨勢，而施用有機物料的3個處理TOC含量隨土壤深度增加呈先上升后下降的趨勢，說明增施有機物料改變了土壤有機碳的空間分布。施用有機物料處理對不同耕層土壤TOC含量均有提高作用，0～10 cm耕層施用生物炭處理TOC含量顯著高于其他處理；10～20 cm耕層生物炭+腐熟秸稈處理土壤TOC含量顯著高于CK和腐熟秸稈處理；20～30 cm耕層生物炭+腐熟秸稈、單施腐熟秸稈處理土壤TOC含量顯著高于CK。說明單施生物炭對土壤表層TOC含量增加效果最為明顯，而生物炭+秸稈處理對深層土壤TOC含量提高效果最好。

表2 不同處理對植煙土壤有機碳含量的影響①Tab.2 Effects of different treatments on organic carbon content in tobacco-planting soil （g·kg-1）

2.2.2 土壤易氧化有機碳（ROC）含量

ROC在土壤中移動快、不穩定、易于氧化和礦化，是土壤碳庫短期變化的指示因子［24］。由表3可知，與CK相比，施用有機物料處理對各耕層土壤ROC含量均有提高作用，但只有生物炭+腐熟秸稈處理的土壤ROC顯著高于CK。施用有機物料處理對不同耕層土壤ROC含量影響不顯著。

表3 不同處理對植煙土壤易氧化有機碳含量的影響Tab.3 Effects of different treatments on readily oxidized organic carbon content in tobacco-planting soil（g·kg-1）

2.2.3 土壤可溶性有機碳（DOC）含量

土壤DOC具有一定的溶解性，在土壤中移動較快、易分解，對土壤養分供應起著重要的作用［25］。由表4可知，T3處理土壤DOC含量表現為10～20 cm＞0～10 cm＞20～30 cm，其他處理土壤DOC含量均表現為10～20 cm＞20～30 cm＞0～10 cm；與CK相比，0～30 cm耕層施用有機物料的3個處理土壤DOC含量均顯著提高，其中0～10 cm耕層土壤提高幅度最大，且生物炭+秸稈處理的效果最好，其次是施用秸稈處理。

表4 不同處理對植煙土壤可溶性有機碳含量的影響Tab.4 Effects of different treatments on dissolved organic carbon content in tobacco-planting soil （mg·kg-1）

2.2.4 土壤微生物量碳（MBC）含量

土壤MBC反映了微生物利用土壤碳源的能力，參與土壤中有機質的分解、腐殖質的合成等生化過程，是有機物分解和礦化的動力［26］。由表5可知，不同處理土壤MBC含量均隨土壤耕層的加深呈上升趨勢，各處理20～30 cm耕層土壤MBC含量較0～10 cm耕層顯著增加。各耕層土壤施用有機物料的3個處理MBC含量均顯著高于CK，表現為T3＞T2＞T1＞CK。

表5 不同處理對植煙土壤微生物量碳含量的影響Tab.5 Effects of different treatments on microbial biomass carbon content in tobacco-planting soil （mg·kg-1）

3 討論

作物生長需要從土壤中汲取氮、磷、鉀等養分，而這些養分的供應受自然因素和人為因素的影響，種植綠肥、輪作、施肥等是增加土壤養分、提高土壤肥力的重要措施［27-28］。本研究中發現，添加有機物料增加了土壤速效磷和速效鉀含量，而土壤堿解氮含量有所降低，這與譚慧等［29］的研究結果不一致，原因可能是有機物料處理時化肥施用量較少，有機物料經礦化后才釋放無機N，延緩了肥效；另一方面有機物料改善了煙株根際環境，促進了根系生長發育［30］，使煙株對土壤氮素的吸收增多，且有機物料施入后微生物大量繁殖，其代謝活動增強，土壤微生物氮素利用量增多［31］。本試驗中添加生物炭和秸稈后0～10 cm和10～20 cm耕層土壤速效養分含量增加明顯，可能是因為有機物料在翻壓過程中，大部分保留在土壤表層（0～20 cm）中，而較深層土壤則因物料保有量較少導致速效養分含量減少。

土壤碳庫是地球陸地生態系統最重要的碳庫，而土壤有機碳庫的微小變化會影響土壤養分的存在狀態及土壤CO2排放量［32］。Lefroy 等［33］研究表明，土壤活性有機碳能反映土壤碳庫更新變化狀況，直接參與土壤生物化學轉化過程，是土壤養分循環的驅動力，能夠較快地反映因管理措施引起土壤碳庫的微小變化。本研究中發現，添加生物炭和腐熟秸稈的土壤有機質及各碳庫組分含量均明顯增加，這是因為生物炭和腐熟秸稈為富碳材料，將其施入土壤相當于直接向土壤中輸入外源有機質，且外源碳施入是對土壤的巨大擾動，活化了土壤潛在養分，刺激了土壤酶和微生物的代謝，其活性增加，代謝產物增多，腐熟秸稈活性炭和生物炭中脂族碳、氧化態碳部分被分解礦化［34］，使合成有機質的量增加。韓瑋等［35］認為生物炭能顯著增加土壤有機碳含量，而秸稈還田對土壤微生物生物量的提升效果更好，這與本研究結果一致，其原因是本試驗中所用生物炭是在相對高溫條件下產生，裂解過程中氧化不完全進而產生一部分小分子有機碳［36］，施入后直接增加TOC含量，但其非活性炭組分比例更高，生物炭表面含有高度濃縮的芳香環結構，使其性質更加穩定，不易礦化分解［37］；而腐熟秸稈施入土壤后，為微生物提供可利用碳源較多［38］，促進微生物繁殖，使其數量增多且活性提高，而微生物的活動也會刺激土壤碳分解，進一步降低土壤碳的穩定性。除0～10 cm耕層有機碳含量外，混施處理各有機碳庫指標均明顯高于單施有機物料處理，一方面有機物料含有較多碳元素，而生物炭和腐熟秸稈含有碳源種類不同，混施后土壤碳含量及種類增加，可為微生物提供更豐富的物質和能量，且生物炭的孔隙結構可對微生物產生物理保護作用［39］，二者相輔相成，促進微生物的活動和繁殖，使其豐度和多樣性增加；另一方面生物炭和腐熟秸稈混施可促進煙草根系生長發育，根系分泌物增多也可增強根系分泌酶及微生物的活性，在酶類和微生物的作用下有機質分解轉化加快［40］，有利于有機物料碳的釋放，最終使土壤有機碳庫容量增加。

在本試驗中，對照TOC含量隨土壤深度增加呈下降趨勢，而有機物料處理呈先上升后下降的趨勢，說明增施有機物料改變了有機碳空間分布狀況，有提高10～30 cm耕層土壤有機碳含量的趨勢。各處理ROC和DOC含量10～20 cm土層均高于0～10 cm，這是因為烤煙根系主要分布在10～20 cm耕層，此土層活性根總數最多且根系活力較強［41］，根系分泌物也相應增多，促進碳代謝酶及各類微生物的生長，有利于碳庫各組分分解轉化，且表層土壤因陽光直射溫度較高，水分揮發后墑情降低，不利于微生物繁殖生存，導致表層各活性炭組分含量較低。本研究中還發現，所有處理MBC含量以20～30 cm土層含量最高，這與孟繁昊等［42］研究結果不一致，其原因需進一步試驗驗證。

添加有機物料對土壤肥力的影響，因施入年限長短、作物種類、生物炭材料不同等原因表現出較大的差異，其作用機理還需進一步深入研究，而添加不同有機物料對植煙土壤碳庫容量動態變化也有待長期進一步定位觀測。

4 結論

煙田連續2年施用有機物料后土壤速效磷、速效鉀和有機質含量明顯增加；單施生物炭對有機質和表層土壤TOC含量的增加最為顯著，而單施腐熟秸稈較單施生物炭更有利于提高土壤各活性炭組分含量；生物炭和腐熟秸稈混施土壤速效磷和有機質含量介于生物炭和腐熟秸稈之間，速效鉀、TOC總量及各活性有機碳含量均高于單施生物炭和腐熟秸稈。生物炭和腐熟秸稈混施對土壤培肥效果最好，植煙土壤有機碳庫質量明顯改善，更有利于保持土壤健康狀態，且有機物料對植煙土壤的作用效果主要集中在0～10 cm和10～20 cm耕層。