小麥玉米輪作條件下不同生物質炭對土壤腐殖物質的影響*

宋祥云，宋春燕，柳新偉，李 妍，孔祥平，李旭霖，崔德杰?

（1. 青島農業大學資源與環境學院，山東青島 266109；2. 青島農業大學資源與環境學院青島市農村環境工程研究中心，山東青島 266109；3. 青島市嶗山區農業農村局，山東青島 266101；4. 青島農業大學化學與藥學院，山東青島 266109）

土壤有機質對于改善土壤性質、提高土壤肥力水平、促進土壤生態系統健康具有重要作用，是評價土壤質量水平的重要指標[1]。土壤腐殖物質（humic substances，HS）作為土壤有機質重要的組分，包括胡敏酸（humic acid，HA）、富里酸（fulvic acid，FA）和胡敏素（humin，Hu）[2]。作為土壤有機質存在的主要形態，HS可與土壤礦物形成有機無機復合體，進而形成穩定性良好的水穩性團聚體。增加土壤有機質含量，對提高土壤質量有著重要的意義。

生物質炭是在厭氧或限氧條件下由生物質熱解產生的一種含碳量豐富的物質[3-4]，生物質炭可以顯著增加土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）含量[5]。在農田施用生物質炭作為一種有效的碳封存技術更是得到了廣泛應用。施用秸稈生物質炭有利于提高土壤穩定碳庫[6]。Lee等[7]將秸稈生物質炭施入農田中可以提高土壤SOC的含量。王英惠等[8]研究表明，生物質炭施入土壤后可以提高土壤SOC芳香族、羧基等官能團的含量。施用生物質炭土壤HA的縮合程度和芳香性增強，氧化度降低[9]。然而，施用不同生物質炭對HS化學結構特征的影響鮮有報道。

山東省作為農業大省秸稈、果樹枝條等農業廢棄物產量巨大[10]。將秸稈、果樹枝條等炭化后還田，有利于實現農業的綠色發展，保持土壤健康。以往對生物質炭的研究主要集中在生物質炭自身性質及用途或一種生物質炭在土壤固碳減排方面的研究，鮮有對比不同來源生物質炭對土壤HS組成和結構特征的比較研究。本研究通過田間試驗，探究了小麥玉米輪作條件下施用花生殼生物質炭和木材生物質炭對鹽化潮土HS含量及結構的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2017年在山東省東營市河口區利津縣進行，種植作物為小麥-玉米輪作，土壤類型為鹽化潮土，土壤pH8.77，堿解氮87.28 mg·kg-1，有效磷8.58 mg·kg-1，速效鉀138.3 mg·kg-1，有機質20.71 g·kg-1，電導率452.7 μS·cm-1，鹽分1.74 g·kg-1?；ㄉ鷼ど镔|炭含碳量455.9 g·kg-1，全氮含量8.76 g·kg-1。木材生物質炭含碳量400.5 g·kg-1，全氮含量7.41 g·kg-1。生物質炭在炭化爐中缺氧悶燒而得。花生殼生物質炭燒制溫度為400～500℃，木材生物質炭燒制溫度為350～450℃。

1.2 試驗設計

田間試驗共設置4個處理，每個處理設3次重復，共12個小區，每個小區面積為66.7 m2。試驗處理分別為不施肥（CK）；常規施肥（T1），單施磷酸二銨750 kg·hm-2；花生殼生物質炭處理（T2），施花生殼生物質炭15 t·hm-2+ 磷酸二銨750 kg·hm-2；木材生物質炭處理（T3），施木材生物質炭15 t·hm-2+磷酸二銨750 kg·hm-2。花生殼生物質炭和木材生物質炭于2017年小麥播種前施入。2018年小麥和玉米收獲后分別采集0～20 cm土壤樣品。

1.3 試驗方法

1.3.1 土壤HS提取和純化 采用腐殖物質組成修改法分別提取出水溶性物質（water soluble substances，WSS）、可提取腐殖物質（extractable humic substances，HE）、FA、HA和Hu[2]。采用去離子水提取出WSS；繼續用0.1 mol·L-1NaOH +0.1 mol·L-1Na4P2O7混合液提取出HE，將提取液pH用酸調節為1.0～1.5，靜置過夜后分離出沉淀物HA和溶液FA，過濾后得到FA，濾紙上的HA用0.05 mol·L-1NaOH溶解到容量瓶中。部分HA和FA經透析袋透析純化后冷凍干燥。Hu經30%HCl +30%HF浸洗24小時，重復6次，然后用去離子水將Hu洗至中性，風干后磨細過0.25 mm篩。純化后的HA、FA和Hu用于紅外光譜測定。

1.3.2 樣品測定方法 土壤基本性質采用常規分析方法[11]，電導率用DDS-11A型電導率儀測定，土壤鹽分用殘渣烘干質量法測定，生物質炭、WSS、HA、Hu和SOC采用重鉻酸鉀外加熱法測定，FA含量為HE含量減去HA含量。

1.3.3 HS元素分析和化學結構的測定 元素分析采用元素分析儀（Vario MICRO，樣品分解溫度：900～1200℃）測定。土壤HS樣品采用紅外光譜（Fourier Transform Infrared，FTIR spectroscopy）測定。采用KBr壓片法，將純化后的樣品經真空冷凍干燥后粉碎研細，在瑪瑙研缽中以樣品：KBr＝1︰200的比例混合研磨，壓片備用。在傅里葉變換紅外光譜儀（NICOLET is5，Thermo公司，美國）上測定，儀器分辨率為4 cm-1，掃描次數為16次/min，測試范圍為4 000～400 cm-1[12]。

1.4 數據處理

數據使用Excel 2016進行處理，SPSS 22.0進行顯著性差異分析。紅外光譜數據使用OMNIC 8.2軟件和Origin 7.5軟件進行分析，對吸收峰進行峰面積計算，用某一峰面積占各峰總面積的百分比來表示其官能團的變化[12]。

2 結 果

2.1 不同處理對土壤HS含量的影響

表1 為小麥季（wheat growing season，WGS）和玉米季（maize growing season，MGS）SOC和HS含量。小麥季施用生物質炭的T2、T3處理SOC含量為11.24、11.07 g·kg-1，均較T1處理（8.52 g·kg-1）顯著增加，增幅為2.72、2.55 g·kg-1。T2處理WSS含量為0.24 g·kg-1，較T1增加0.03 g·kg-1，T3處理則較T1減少了0.04 g·kg-1。T2和T3處理HA含量為2.59、2.02 g·kg-1，分別較T1增加了1.06、0.49 g·kg-1。而FA含量分別為1.05、1.49 g·kg-1，分別較T1增加了0.04、0.48 g·kg-1。Hu含量分別為6.15 g·kg-1和6.39 g·kg-1，分別較T1增加了0.23、0.47 g·kg-1。

表1 土壤有機碳和腐殖物質含量Table 1 Contents of SOC and HS in the soil relative to treatment/(g·kg-1)

玉米季T2和T3處理同樣顯著增加了SOC含量，分別為13.06、12.40 g·kg-1，較T1（9.48 g·kg-1）增加了3.58 g·kg-1和2.92 g·kg-1。T2、T3處理WSS含量為0.28、0.21g·kg-1，與T1處理無顯著差異；HA含量分別為2.12、1.99 g·kg-1，較T1分別增加了0.25、0.12 g·kg-1，較小麥季對應處理略有降低；FA含量分別為1.67、1.58 g·kg-1，較T1增加0.84、0.75 g·kg-1，較小麥季增加1.62、0.10 g·kg-1；Hu含量分別為6.69、6.74 g·kg-1，較T1增加0.81 g·kg-1和0.86 g·kg-1，較小麥季增加0.54 g·kg-1和0.35 g·kg-1。以上研究結果表明，施用生物質炭可通過提高土壤HA、FA和Hu的含量進而提高SOC含量；隨著HS各組分之間相互轉化，與施用生物質炭前期相比后期土壤HA有減小轉化趨勢，FA和Hu有增加趨勢。

2.2 施用不同生物質炭土壤HS的元素組成

表2 是小麥季和玉米季各處理土壤Hu的元素組成結果。小麥季和玉米季施用生物質炭處理（T2和T3）土壤Hu的C元素相對含量均高于T0處理，且與T0處理相比，T2和T3處理的H/C和O/C均降低。與玉米季相比，小麥季T2處理H/C和O/C均降低了；而T3處理H/C和O/C均升高。以上研究結果表明，施用生物質炭后土壤Hu的C元素相對含量、縮合度增加，氧化度降低。隨著時間延長，施用花生殼生物質炭土壤Hu的縮合度增加了，氧化度降低；而施用木材生物質炭隨著時間延長土壤Hu的縮合度降低，氧化度增加。

表2 不同處理土壤胡敏素元素組成分析Table 2 Elemental composition of Hu in the soil relative to treatment

2.3 施用不同生物質炭土壤HS的紅外光譜特征

圖1 為小麥季和玉米季土壤HA、FA、Hu和生物質炭的紅外光譜圖，表3是小麥季和玉米季土壤HA、FA、Hu和生物質炭紅外光譜主要吸收峰的相對強度。2 920 cm-1和2 850 cm-1處吸收峰是脂族結構中—CH2和—CH3的C-H伸縮振動、1 630 cm-1處吸收峰代表芳香碳的C=C伸縮振動或醌、酮和酰胺I帶的C=O伸縮振動，1 415 cm-1處吸收峰代表苯酚類物質C-O伸縮振動或亞甲基和甲基的C-H變形振動[13-14]；1 100 cm-1處吸收峰代表多糖中C-O伸縮振動[15]。其中2 920/1 630值為（2 920 + 2 850）cm-1處峰面積和與1 630 cm-1處峰面積的比值，2 920/1 630比值常用來評價物質芳構化或結構復雜化程度[16]。

表3 土壤腐殖物質和生物質炭紅外光譜的主要吸收峰相對強度（半定量）Table 3 Relative intensity of the main absorbance peak of soil HS and biochars（semi-quantity）in FTIR spectra/%

小麥季花生殼生物質炭和木材生物質炭處理的HA在（2 920 + 2 850）cm-1處吸收峰相對強度由常規施肥的1%分別降至0.78%和0.79%；FA由常規施肥的0.75%分別升至0.97%和1.13%；Hu由常規施肥的0.69%分別升至0.93%和1.12%。而在玉米季，花生殼生物質炭和木材生物質炭處理的HA、FA和Hu在（2 920 + 2 850）cm-1處吸收峰相對強度均較小麥季升高。說明施用生物質炭后土壤HS亞甲基和甲基相對含量隨時間延長而增加，并且受到生物質炭材料影響。

本研究中花生殼生物質炭燒制溫度高于木材生物質炭，表現出了芳香碳相對含量較高（圖1和表3）。與小麥季相比，玉米季花生殼生物質炭處理土壤HA、FA在1 630 cm-1處吸收峰相對面積分別降低2.46%和5.77%，而Hu在1 630 cm-1處吸收峰相對面積增加0.33%；木材生物質炭處理HA、FA、Hu在1 630 cm-1處吸收峰相對面積分別降低7.39%、7.79%和8.18%。與花生殼生物質炭處理相比，木材生物質炭處理土壤Hu在1 630 cm-1處吸收峰相對面積降低6.04%?；ㄉ鷼ど镔|炭處理土壤HA在1 415 cm-1處吸收峰相對面積降低13.05%，FA和Hu則增加了16.91%和5.07%。木材生物質炭處理土壤HA、FA和Hu在1 415 cm-1處吸收峰相對面積分別增加了7.14%、25.82%和17.30%。

以上研究表明，施用生物質炭隨時間延長土壤HA和FA芳香性和苯酚類物質相對含量降低，Hu受所用生物質炭材料影響。

3 討 論

3.1 生物質炭對鹽化潮土HS組成的影響

施用生物質炭可有效增加土壤有機質的含量[17]。稻草生物質炭的施用會增加SOC的積累[18]。培養試驗表明，向土壤中添加秸稈生物質炭和松枝生物質炭培養45 d，土壤SOC、HA和FA含量、有效養分含量均有不同程度的增加，同時HA的色調系數ΔlgK降低[4]。本研究表明，小麥玉米輪作條件下，田間施用花生殼生物質炭和木材生物質炭均可增加土壤SOC和HS的含量。施用生物質炭可通過提高土壤HA、FA和Hu的含量進而提高SOC含量；隨著土壤HS各組分之間相互轉化，與施用生物質炭前期相比后期土壤HA有減小轉化趨勢，FA和Hu有增加趨勢（表1）。花生殼生物質炭較木材生物質炭含碳量高，結構組成上芳香族化合物相對較多，因此更穩定，也表現為固碳效果更好。生物質炭在燒制過程中隨溫度升高其結構趨于復雜，富含芳香碳[19]。將不同溫度燒制成的生物質炭添加到土壤中可顯著增加土壤Hu的含量，高溫制備（＞400℃）的生物質炭顯著降低了土壤HA及FA的色調系數（ΔlgK）和E4/E6值，使土壤HS的結構復雜化，而低溫制備的則相反[20]。進入土壤中的秸稈或生物質炭主要增加了土壤Hu含量，但是生物質炭處理的土壤Hu含量增加的更多[21-22]。生物質炭、堆肥或秸稈可分別取代50.84%、41.03%和38.55%的原土壤有機碳[23]?？梢姡袡C物料本身差異會影響其在土壤中的固碳效果以及土壤HS的形成轉化。

3.2 生物質炭對鹽化潮土HS化學結構的影響

相對于秸稈或堆肥，生物質炭可提高SOC中芳香碳的比例[23]。向土壤中添加玉米秸稈生物質炭，黑土HA的分子縮合度升高，氧化度下降，熱穩定性提高，使HA分子結構復雜化，有利于SOC的穩定[9，24]。已有研究表明，生物質炭可以轉化為土壤HS[25]。而不同材料制成的生物質炭本身存在化學結構差異。本研究表明，相對于木材生物質炭，本試驗中所用花生殼炭芳香性物質相對含量較高，苯酚類物質相對含量較低，在玉米季花生殼生物質炭處理土壤HS芳香性物質相對含量略有增加而苯酚類物質增加量相對小于木材生物質炭處理。元素分析結果也表明，隨著時間延長，施用花生殼生物質炭土壤Hu的縮合度增加，氧化度降低；而施用木材生物質炭隨著時間延長土壤Hu的縮合度降低，氧化度增加（表2）。相對于花生殼炭，本試驗中所用木材生物質炭亞甲基和甲基相對含量高于花生殼炭，因此土壤HS受木材生物質炭影響，與花生殼炭相比，在玉米季木材生物質炭處理的土壤HS亞甲基和甲基相對含量較高（圖1和表3）。不同材料制備的生物質炭對土壤HS化學結構影響存在差異。生物質炭是一種含碳的聚合物，主要由單環和多環的芳香族化合物組成，這種結構特點決定了生物質炭具有較高的化學和生物學穩定性，較強的抵抗微生物分解的能力[26]。本研究也證實施用生物質炭后土壤HS芳香族化合物相對含量增加（圖1和表3）。土壤Hu是HS的重要組分，在環境分析中具有重要作用[27]。生物質炭隨燒制溫度升高化學結構中C-C鍵長度減少表明脂族碳向芳香碳轉化[28]。13C同位素示蹤研究也表明，生物質炭進入土壤中主要存在于Hu組分，成為了土壤Hu的一部分[29]。生物質炭的化學結構影響了土壤Hu的化學結構組成特征。

4 結 論

施用不同來源生物質碳均有利于提高土壤HS含量，主要增加土壤Hu的含量進而提高土壤SOC含量。施用生物質炭后土壤Hu的縮合度增加，氧化度降低。花生殼生物質炭和木材生物質炭所含各官能團比例存在差異，隨著時間延長，施用花生殼生物質炭土壤Hu的縮合度增加，氧化度降低，而施用木材生物質炭則相反。小麥玉米輪作條件下，土壤HS亞甲基和甲基相對含量逐漸增加。Hu化學結構相對更易受到制備生物質炭的材料所影響。