添加秸稈及生物質炭對風沙土有機碳及其活性組分的影響①

孫 嬌，周 濤，郭鑫年，梁錦秀

添加秸稈及生物質炭對風沙土有機碳及其活性組分的影響①

孫 嬌，周 濤，郭鑫年，梁錦秀*

(寧夏農林科學院農業資源與環境研究所，銀川 750002)

以寧夏賀蘭山東路風沙土為研究對象，分析秸稈、生物質炭等碳量添加下土壤有機碳及活性碳組分的變化，為確定該地區最佳施肥措施提供科學理論依據。結果表明：添加生物質炭和秸稈均顯著增加了土壤有機碳含量，與對照相比土壤有機碳含量分別增加了7.7%、7.5%。添加生物質炭有利于土壤易氧化有機碳、顆粒有機碳的積累，二者含量分別比對照增加49.6%、17.5%；而添加秸稈更有利于土壤微生物生物量碳、可溶性有機碳的積累，其含量分別比對照分別增加25.8%、59.9%。秸稈與生物質炭添加均顯著增加了土壤速效氮、容重和黏粒含量，且以添加生物質炭增加作用更為明顯，顯著降低了土壤全鹽、砂粒含量。土壤有機碳、可溶性有機碳、顆粒有機碳、易氧化有機碳與速效氮含量極顯著正相關，與全鹽、砂粒含量極顯著負相關；土壤可溶性有機碳、顆粒有機碳、易氧化有機碳與容重極顯著負相關；而土壤微生物生物量碳與理化性質之間無顯著相關性。綜上，在風沙土中添加生物質炭更有利于土壤活性碳庫提升和理化性質改善，且以年添加量7 t/hm2以上為宜。

生物質炭；秸稈；有機碳；活性碳組分

土壤碳庫(2 500 Gt)是大氣碳庫(760 Gt)的3.3倍，是生物碳庫(560 Gt)的4.5倍，研究土壤碳變化對分析全球碳循環具有重要意義[1]。但土壤有機質周轉緩慢，土壤碳庫變化主要發生在活性碳庫中。土壤活性有機碳是指土壤中易礦化分解、移動速度快，受植物、微生物、土壤環境等影響強烈的那部分有機碳[2]，主要的表征指標有微生物生物量碳(microbial biomass carbon，MBC)、可溶性有機碳(dissovled organic carbon，DOC)、易氧化有機碳(easily-oxidized organic carbon，EOC)、顆粒有機碳(particulate organic carbon，POC)[3]。盡管活性有機碳在土壤有機碳(soil organic carbon，SOC)中占比較小，但反應靈敏，常被認為是農田管理措施的敏感指標，對研究土壤肥力概況有重要意義。

寧夏風沙土總面積達60萬hm2，主要分布在中部干旱地帶。風沙土土壤貧瘠、漏水漏肥、生物功能退化，急需建立瘠薄風沙土地力快速提升的固碳培肥措施。農田土壤有機碳主要來源是作物殘體、有機肥和其他有機殘骸[4]。利用秸稈直接還田或制備成生物質炭還田均能顯著提升土壤碳庫水平，促進土壤碳氮轉化，是土壤培肥的重要手段[5]。秸稈還田可提高土壤肥力、增加作物產量與品質，但秸稈易分解，會引起土壤有機碳活性及穩定性的改變[6]。生物質炭是生物質在缺氧條件下熱解炭化制作成的富含碳的物質，可增加土壤碳截留和肥力[7]。研究表明，秸稈還田顯著提高了土壤活性有機碳組分含量[8]；而生物質炭為惰性碳，可促進土壤團聚體形成、增加SOC含量及穩定性[9]。秸稈和生物質炭還田均可提高SOC、POC和MBC等含量，改善土壤肥力[10]。也有研究認為少量生物質炭還田可提高土壤DOC和EOC含量[3]。

明確秸稈和生物質炭的土壤改良潛力，特別是對風沙土的固碳培肥潛力，需要充分了解SOC組分及其與土壤肥力的關系。為此，本研究以寧夏賀蘭山東路風沙土為研究對象，通過田間試驗，分析不同秸稈、生物質炭施用量對SOC含量的影響，探討活性有機碳組分之間的相互關系及與土壤肥力的相關性，以期為確定該地區最佳施肥措施提供科學的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017—2019年在寧夏永寧縣黃羊灘農場進行(106°01′216″E，38°34′263″N)。試驗區海拔1 129 m，屬溫帶大陸性氣候區，年降水量180 ～ 220 mm，年蒸發量1 500 mm左右，年均日照時數2 322.3 h，年均輻射量512.2 kJ/cm2，年均氣溫8.3 ℃，無霜期145 d。供試土壤為砂質灰鈣土，耕層土壤pH 8.4，全鹽0.3 g/kg，有機碳3.4 g/kg，全氮0.3 g/kg，堿解氮22 mg/kg、有效磷7.6 mg/kg、速效鉀40 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗以迪卡159號玉米為研究材料，采用完全隨機區組設計，在施氮(尿素，含N 460 g/kg)、磷(磷酸鈣，含P2O5140 g/kg)、鉀肥(氯化鉀，含K2O 600 g/kg)的基礎上設置對照(CK)、低量生物質碳(BCⅠ)、中量生物質炭(BCⅡ)、高量生物質炭(BCⅢ)、低量秸稈(SⅠ)、中量秸稈(SⅡ)、高量秸稈(SⅢ)共7個處理。每個處理重復3次，共計21個小區，各小區面積為40 m2(5 m × 8 m)。所用生物質炭以玉米秸稈為原料燒制，由寧夏玉泉實業生物科技有限公司提供；該生物質炭總C、N、P、K含量分別為467.0、13.4、2.5、29.8 g/kg。玉米秸稈總C、N、P、K含量分別為450.1、7.9、0.8、12.9 g/kg。生物質炭與秸稈等碳量投入，均于玉米播種前一天全部撒施后由旋耕入土；氮、磷、鉀肥隨水滴入。肥料施用量如表1所示。

玉米于4月20—23日播種，9月20—22日收獲，生育期150 ～ 155 d。采用寬窄行種植方式，寬行行距60 cm，窄行行距40 cm，在窄行鋪設滴管帶。玉米種植株距22 cm，密度8.2×104株/hm2。采用機井水滴灌，灌水定額約5 200 m3/hm2，整個生育期滴灌10 ～ 12次，各處理同等灌水量。

表1 不同處理肥料施用量

1.3 測定項目及方法

于2019年9月底玉米收獲期在各小區采集0 ～ 20 cm土層土壤樣品，每個小區用土鉆進行“S”型6點取樣，鮮土樣過2 mm篩后混合為一個樣品，放入便攜式冰盒中并立即帶回實驗室。土樣分為兩部分，一部分儲存在4 ℃冰箱中，用于土壤DOC、MBC的測定；另一部分置于陰涼通風處風干，用于其他碳組分與理化性質測定。另外，在各小區挖好的土壤剖面上，用容積為100 cm3的環刀采集0 ～ 20 cm土層的原狀土，每土層制作3環刀原狀土，供物理性質測定。

土壤pH利用pH計測定，水土質量比2.5∶1；電導率(EC)利用電導率儀測定，水土質量比5∶1；容重采用環刀法測定；機械組成采用采用吸管法測定；土壤全氮采用半微量凱氏法測定；土壤堿解氮采用堿解擴散法測定；SOC采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定[11]；可溶性有機碳(DOC)采用去離子水浸提法測定[12]；EOC采用高錳酸鉀氧化–比色法測定[13]；POC利用六偏磷酸鈉溶液分離后元素分析儀測定[14]；MBC采用氯仿熏蒸浸提法測定[15]。

1.4 數據處理

土壤全鹽含量(g/kg)=2.908 6×土壤電導率(mS/ cm)+0.145 9[16]。

利用Excel 2003和SPSS 19.0對試驗數據進行統計分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)進行差異顯著性檢驗；通過相關性分析來描述各測量指標的相關程度。圖表的制作采用Origin 9.0和Excel 2003軟件。

2 結果與分析

2.1 秸稈及生物質炭對土壤有機碳含量的影響

由圖1所示，與對照相比，等碳量添加生物質炭和秸稈均顯著增加了SOC含量，且隨著施用量增加SOC含量呈顯著增加的趨勢(<0.05)。其中，添加秸稈土壤SOC含量增加了7.5%，添加生物質炭土壤SOC含量增加了7.7%。添加等碳量生物質炭與秸稈處理之間SOC含量無顯著差異。

(圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同)

2.2 秸稈及生物質炭對土壤活性碳組分含量的影響

除添加低量生物質炭土壤EOC顯著低于對照外，等碳量添加生物質炭和秸稈均能顯著增加土壤活性碳組分EOC、POC、MBC、DOC含量(圖2)。其中，添加秸稈土壤EOC、POC、MBC、DOC平均含量分別增加了26.8%、10.8%、25.8%、59.9%，添加生物質炭土壤分別增加了49.6%、17.5%、22.3%、36.0%。與秸稈處理相比，添加中量和高量生物質炭土壤EOC、POC含量顯著增高，而MBC、DOC含量顯著降低。添加中量秸稈土壤POC、MBC、DOC含量最高，分別比對照增加了19.0%、30.9%、71.0%；而土壤EOC含量隨著秸稈添加量的增加呈顯著降低趨勢。隨著生物質炭添加量的增加，土壤EOC、POC、DOC含量呈顯著增加趨勢，添加高量生物質炭土壤EOC、POC、DOC含量分別比對照增加了98.0%、26.5%、48.1%；而土壤MBC含量隨生物質炭添加量增加呈顯著降低的趨勢，與對照相比，添加低量生物質炭土壤MBC含量增加了39.2%。

圖2 秸稈及生物質炭處理土壤有機碳組分含量

2.3 秸稈及生物質炭對土壤活性碳組分比例的影響

如圖3所示，與對照相比，等碳量添加生物質炭和秸稈后土壤活性碳組分比例的變化趨勢與活性碳組分含量變化趨勢相近，添加秸稈土壤EOC/SOC、POC/SOC、MBC/SOC、DOC/SOC分別平均增加了17.9%、3.0%、17.1%、47.1%，添加生物質炭土壤分別平均增加了37.9%、8.7%、13.6%、24.6%。與秸稈處理相比，添加中量和高量生物質炭土壤EOC/SOC、POC/SOC顯著增高，而MBC/SOC、DOC/SOC顯著降低。添加低量秸稈土壤EOC/SOC最高，與對照相比增加了25.0%；而添加中量秸稈土壤POC/SOC、MBC/SOC、DOC/SOC最高，分別比對照增加了11.3%、22.3%、58.5%。隨著生物質炭添加量的增加，土壤EOC/SOC、POC/SOC、DOC/SOC呈顯著增加趨勢，與對照相比，添加高量生物質炭土壤EOC/SOC、POC/SOC、DOC/SOC分別增加了78.8%、14.2%、32.0%，而土壤MBC/SOC隨生物質炭添加量增加呈顯著降低趨勢，添加低量生物質炭土壤MBC/SOC增加了32.2%。

圖3 秸稈及生物質炭處理土壤有機碳組分在總有機碳中的占比

2.4 秸稈及生物質炭對土壤理化性質的影響

添加秸稈與生物質炭處理土壤理化性質如表2所示。與對照相比，等碳量添加秸稈與生物質炭顯著增加了土壤速效氮、黏粒含量，顯著降低了土壤全鹽含量、容重、砂粒含量，且以添加生物質炭對土壤速效氮、黏粒含量的增加作用更為明顯，與對照相比分別增加了38.8% 和70.3%。添加秸稈、生物質炭對土壤pH影響不顯著。隨著秸稈和生物質炭添加量的增加，土壤速效氮、黏粒含量呈顯著增加的趨勢，土壤全鹽、砂粒含量顯著降低。

表2 秸稈及生物質炭處理土壤理化性質

注：表中同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。

2.5 土壤有機碳及活性碳組分與理化性質的相關性

由表3可知，土壤SOC、EOC、DOC、POC含量與速效氮含量極顯著正相關(<0.01)，與全鹽、砂粒含量極顯著負相關；土壤SOC與全氮含量極顯著正相關，與黏粒含量顯著正相關，與容重顯著負相關；土壤EOC、DOC、POC含量與容重極顯著負相關。另外，EOC含量與黏粒含量顯著正相關，POC含量與全氮、黏粒含量顯著正相關；土壤MBC與理化性質之間無顯著相關性。

表3 土壤有機碳及活性碳組分與理化性質之間的相關性

注：*、**分別表示在<0.05、<0.01水平顯著相關。

3 討論

SOC在改善土壤理化性質及生物學性質方面發揮著重要作用，是土壤質量的重要指標。與對照相比，等碳量添加生物質炭和秸稈均顯著增加了SOC含量。生物質炭是含碳豐富的有機物料，還田后不僅能增加SOC含量，還能改善土壤養分狀況[3]。秸稈還田可以增強土壤微生物活性，提高土壤有機質和土壤肥力[17]。本研究中隨著生物質炭與秸稈施用量的增加，SOC含量呈顯著增加的趨勢。生物質炭還田能持續穩定地增加SOC含量[3]。由于本試驗供試土壤SOC含量僅為3.4 g/kg，生物質炭可增加作物對CO2的吸收，從而促進根系的固碳作用；另外生物質炭提高了作物根系生物量，最終引起SOC含量增加[18]。添加生物質炭可減緩高溫天氣對作物生長的抑制，也影響SOC含量[10]。增加秸稈還田量可提高SOC含量，粉碎秸稈以18 000 kg/hm2施入更能提高土壤有機質含量[18]。本研究在風沙土中添加等碳量生物質炭與秸稈處理之間SOC含量無顯著差異，而前人研究多認為施用生物質炭更有利于增加SOC含量[17,20]，這可能與本試驗區土壤水分、養分含量極低，外加干旱少雨導致秸稈腐熟慢有關。

土壤活性碳組分對植物和微生物具有較高的活性，對耕作措施反應敏感。本試驗研究結果表明，與對照相比，等碳量添加生物質炭和秸稈均能顯著增加土壤活性碳組分含量。這主要是因為秸稈與生物質炭還田可以刺激土壤微生物生長與繁殖，促進土壤難溶態物質活化與分解[10]；還可以提高土壤質量，顯著促進作物生長，增加土壤有機質歸還量[21]。另外，各處理均配施了化肥，降低了秸稈與生物質炭碳氮比(C/N)，提高了土壤有機質腐解速率[22]。本研究中，添加中量秸稈的土壤POC、MBC、DOC含量最高。研究表明，高秸稈還田量下耕層土壤中的DOC含量降低[23]；隨著秸稈還田量增加，土壤活性碳組分變化呈先增加后降低的趨勢[24]，究其原因可能是秸稈還田量過高會引起土壤C/N升高，還田后造成土壤微生物數量和和活性降低[25]。而本研究中土壤MBC含量隨生物質炭添加量增加呈顯著降低的趨勢，這可能是由于土壤微生物被生物質炭吸附，降低了微生物與土壤的接觸面所導致的[3]。與秸稈處理相比，添加中量和高量生物質炭土壤MBC、DOC含量顯著降低。這是因為生物質炭是一種高度芳香化的物質，穩定性高，而穩定性較差的秸稈在腐解過程中可以釋放大量的DOC[26]。而添加中量和高量生物質炭土壤EOC、POC含量顯著增高，這與郭軍玲等[27]研究結果一致，其研究表明，添加生物質炭可顯著提高灰漠土EOC含量，這是因為添加生物質炭更能提高作物生物量，從而增加了土壤EOC含量。

本研究中添加秸稈與生物質炭顯著增加了土壤黏粒含量、降低了砂粒含量，且以添加生物質炭對土壤黏粒含量的增加作用更為明顯，這與前人研究結果相似[28]。有機物料培肥可顯著降低土壤砂粒和粉砂粒含量[29]。秸稈與生物質炭添加顯著降低了土壤容重。土壤容重降低意味著土壤結構及其通氣性得到改善。由于秸稈施入土壤后無法在短期內礦化分解，可迅速改善土壤通透性、降低土壤容重[30]。秸稈炭化后疏松多孔，施入土壤后能夠通過吸附微小土壤顆粒達到持續降低土壤容重的目的[31]。等碳量添加秸稈與生物質炭顯著增加了土壤速效氮含量，且以添加生物質炭的增加作用更為明顯。秸稈還田后能被土壤微生物迅速降解，釋放大量養分，因而能增加土壤養分含量[19]。秸稈制成生物質炭后其電荷密度較高，能強烈吸附土壤養分，增加養分利用效率[18]。

4 結論

添加生物質炭和秸稈均顯著增加了SOC含量，而等碳量生物質炭、秸稈添加處理間的SOC含量無顯著差異。對土壤活性碳組分而言，添加中、高量生物質炭土壤的EOC、POC含量及比例顯著高于等碳量秸稈處理，而其MBC、DOC含量及比例顯著低于等碳量秸稈處理。隨著生物質炭添加量的增加，土壤EOC、POC、DOC含量及比例顯著增加；而MBC含量及比例呈顯著降低的趨勢。等碳量添加秸稈與生物質炭顯著增加了土壤全氮、速效氮、粉粒、黏粒含量及容重，顯著降低了土壤全鹽、砂粒含量，且以添加生物質炭對土壤全氮、速效氮、黏粒含量的增加作用更明顯。土壤SOC、EOC、DOC、POC含量與速效氮含量極顯著正相關，與全鹽、砂粒含量極顯著負相關；土壤EOC、DOC、POC含量與容重極顯著負相關。另外，EOC含量與黏粒含量顯著正相關，POC含量與全氮、黏粒含量顯著正相關，MBC與理化性質之間無顯著相關性。綜上，在風沙土中添加生物質炭更有利于土壤活性碳庫提升和理化性質改善，且以年添加量7 t/hm2以上為宜。

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Effects of Biochar and Straw on Soil Organic Carbon and Fractions of Active Carbon in Aeolian Sandy Soil

SUN Jiao, ZHOU Tao, GUO Xinnian, LIANG Jinxiu*

(Institute of Agricultural Resources and Environment, Academy of Agriculture and Forestry Sciences of Ningxia, Yinchuan 750002, China)

Taking the aeolian sandy soil in eastern Helan road of Ningxia as the study object, the changes of soil organic carbon (SOC) and active carbon components under the addition of straw and biochar were analyzed in order to provide scientific theoretical basis for determining the best fertilization measures in this area.The results showed that biochar and straw significantly increased the content and storage of SOC, and compared with the control, SOC content increased by 7.7% and 7.5%, respectively.The addition of biochar was beneficial to the accumulation of soil easily-oxidized organic carbon and particulate organic carbon, which were increased by 49.6% and 17.5%, respectively.While straw addition was more conducive to the accumulation of soil microbial biomass carbon and soluble organic carbon, which were increased by 25.8% and 59.9%, respectively.The addition of straw and biochar significantly increased soil available nitrogen, bulk density and clay content, significantly reduced the contents of soil total salt and sand particles, and the increase effect of biochar was more obvious than straw.SOC, soluble organic carbon, particulate organic carbon and easily-oxidized organic carbon were significantly positively correlated with available nitrogen content, and negatively correlated with total salt and sand content.Soil soluble organic carbon, particulate organic carbon and easily-oxidized organic carbon were significantly positively correlated with bulk density.However, there was no significant correlation between soil microbial biomass carbon with physiochemical properties.In conclusion, adding biochar to aeolian sandy soil is more conducive to the improvement of soil active carbon pool and physiochemical properties, and the appropriate annual addition amount is more than 7 t/hm2.

Biochar; Straw; Soil organic carbon (SOC); Fraction of soil active carbon

S153.6

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.04.018

孫嬌, 周濤, 郭鑫年, 等.添加秸稈及生物質炭對風沙土有機碳及其活性組分的影響.土壤, 2021, 53(4): 802–808.

寧夏農林科學院科研項目(NKYJ-18-17，NKYZ-16-0906)資助。

(734703202@qq.com)

孫嬌(1989—)，女，甘肅慶陽人，碩士，主要研究方向為土壤質量。E-mail: 915336809@qq.com