生物炭與秸稈配施對設施土壤有機碳礦化及理化性質的影響

郭麗欣，王 越，杜雨婷，梁 瓊，石生偉，劉 杰，賈月慧，劉 云

(北京農學院生物與資源環境學院/農業農村部華北都市農業重點實驗室，北京 102206)

中國是秸稈產量大國，2015年全國農作物秸稈產量已達10.4億t，其中用于秸稈還田達3.89億t[1]。作為秸稈資源化利用的重要途徑，秸稈還田能夠有效提高土壤有機質含量，改良土壤結構和微生態環境，提高土壤肥力水平[2]。生物炭是秸稈等生物質在絕氧或缺氧條件下，經高溫熱解產生的具有很高生物化學穩定性的高度芳香化物質，具有豐富的孔隙結構和巨大的比表面積，富含穩定的碳元素，在改善土壤理化性質、農田土壤固碳和溫室氣體減排、增加“農業碳匯”方面具有良好的應用前景[3-4]。目前關于秸稈和生物炭還田在農田土壤固碳及土壤性質改良方面已有大量研究[5-6]，但對于兩者聯合施用的研究相對較少。李有兵等[7]和王宏燕等[8]分別在旱耕人為土和黑土上開展單施秸稈或生物炭以及兩者配施對土壤有機碳礦化影響的研究，結果顯示施用生物炭能使土壤有機碳礦化量維持在較低的水平，有利于土壤有機碳固持，但對土壤養分的補充作用較小；秸稈能夠較好補充土壤養分，但施入后土壤二氧化碳釋放量顯著提升，兩者配施可以在保證養分供應的同時增加土壤碳庫儲量，提升土壤肥力的效果更好。

然而，在已開展的類似研究中，對生物炭本身性質上的差異考慮較少。已有研究顯示，生物炭的性質受熱解溫度影響很大，同一原料在不同溫度下制備的生物炭在孔隙結構、pH值、元素含量和碳穩定性等方面存在差異[9-10]。這種差異對于生物炭和秸稈配施效果有何影響仍需進一步開展研究。該研究以設施菜地土壤為研究對象，以玉米秸稈在不同溫度下制備的生物炭為材料，配施以不同量的玉米秸稈，通過室內培養試驗，分析生物炭熱解溫度和秸稈配施量對設施土壤有機碳礦化特征和土壤理化性質的影響。研究結果對于生物炭和秸稈在設施菜地土壤改良及固碳中的合理應用具有一定意義。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

供試土壤樣品采集自北京市昌平區金六環農業園蔬菜日光溫室，土壤類型為潮土。溫室面積8 m×50 m，主要種植作物為生菜。在溫室內以“S”形布置7個采樣點，用不銹鋼土鉆在各采樣點采集等量土壤樣品混合，采樣深度0～15 cm。采集的土壤樣品在實驗室內自然風干，剔除石塊和植物根系后過2 mm篩備用。供試土壤質地為壤土，砂粒、粉粒、黏粒含量分別為44.3%、43.8%和11.9%；土壤pH 7.58，電導率202 μS/cm，有機質29.3 g/kg，堿解氮82.4 mg/kg，有效磷21.1 mg/kg。

1.2 生物炭制備

玉米秸稈2019年10月4日采集自北京農學院大學科技園農場。以玉米秸稈為制備原料，將清洗后的秸稈粉碎至1 cm，于烘箱內80 ℃烘干，烘干后的秸稈裝入帶蓋瓷坩堝中以鋁箔紙密封，置于馬弗爐內在缺氧條件下采用慢速熱解法制備生物炭。設置300 ℃和600 ℃兩種熱解溫度，馬弗爐升溫速率10 ℃/min，升溫至預設溫度后保持1 h。制備完成的生物炭在真空干燥箱中冷卻至室溫，秸稈和不同熱解溫度下制備的生物炭經研磨后過1 mm篩備用。秸稈和生物炭的理化性質如表1所示。

表1 秸稈和生物炭的理化性質Tab.1 Physical and chemical characteristics of straw and biochar

1.3 土壤有機碳礦化培養試驗

1.3.1 試驗處理 通過室內恒溫培養法進行添加生物炭和秸稈的土壤有機碳礦化試驗。供試土壤中按照40 g/kg的添加量分別添加300 ℃和600 ℃制備的生物炭(B300和B600)，并在此基礎上設置3種秸稈添加量即0、20 g/kg(S1)和40 g/kg(S2)，共有6個處理即B300、B600、B300+S1、B600+S1、B300+S2、B600+S2，并以不添加生物炭和秸稈的土壤作為對照(CK)，每組3次重復。

1.3.2 土壤有機碳礦化培養試驗 稱取40 g風干土壤樣品于250 mL培養瓶中，加入去離子水使土壤含水量保持在田間持水量的40%，在恒溫培養箱中25 ℃預培養7 d后，按“1.3.1”中設置的添加量分別添加生物炭和秸稈于土壤中混合均勻，并調節含水量至田間持水量的60%。每個培養瓶中放置1個盛有10 mL 0.5 mol/L NaOH溶液的離心管，將培養瓶密封后在25 ℃下恒溫避光培養，定期通過稱重法校正土壤含水量。分別在第2天、第4天、第7天、第14天、第21天、第28天、第35天、第42天、第49天、第56天、第63天和第70 天取出NaOH溶液，用0.5 mol/L的HCl滴定，計算有機碳礦化速率和有機碳累積礦化量。

1.4 測定方法

土壤、秸稈和生物炭的pH值采用PHS-3C型pH計測定(土水比1∶2.5；秸稈/生物炭-水比1∶15)；電導率使用DDS-307型電導率儀測定(土水比1∶5；秸稈/生物炭-水比1∶15)；有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定[11]。

1.5 數據分析

土壤有機碳累積礦化量的時間動態變化使用一級動力學方程進行擬合[12]：

Ct=Cp(1-e-kt)

(1)

式中：Ct為t時刻土壤有機碳累積礦化量，g/kg；Cp為土壤有機碳潛在可礦化量，g/kg；k為土壤有機碳礦化速率常數，d-1；t為培養時間，d。

試驗數據采用IBM SPSS Statistics 21軟件進行統計分析。采用單因素方差分析法(One-way ANOVA)分析不同處理間土壤理化性質的差異，多重比較采用Duncan法，顯著性水平P<0.05。采用雙因素方差分析法(Two-way ANOVA)分析生物炭熱解溫度、秸稈添加量及其交互作用對有機碳累積礦化量和土壤理化性質的影響。采用Pearson相關系數分析各參數間的相關性。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳礦化速率

添加生物炭和秸稈各處理土壤有機碳礦化速率如圖1所示。培養1～14 d，各處理土壤有機碳礦化速率迅速下降；從第15 天開始，有機碳礦化速率緩慢下降至趨于穩定。與礦化培養初期(第2 天)相比，第14 天和第70 天各處理有機碳礦化速率分別下降了63.0%～80.1%和92.1%～96.1%。礦化培養期間，土壤有機碳礦化速率隨培養時間的變化符合對數方程y=a+bln(t)，各處理方程擬合的決定系數R2均在0.9以上(表2)。

不同處理間土壤有機碳礦化速率存在顯著差異(P<0.05)。生物炭和秸稈配施處理的土壤有機碳礦化速率均高于對照，且隨著秸稈添加量的增加而升高。在礦化培養初期，生物炭配施2%和4%秸稈的土壤有機碳礦化速率分別是對照的2.9倍和3.1～3.4倍；而只添加生物炭的處理，土壤有機碳礦化速率與對照無明顯差異(除第2 天)。生物炭制備溫度對有機碳礦化存在影響，在不同秸稈配施量下，添加300 ℃生物炭的處理其土壤有機碳礦化速率均高于添加600 ℃生物炭的處理。

注：*表示不同處理間存在顯著性差異(P<0.05)。Note:* indicate significant difference between treatments (P<0.05).圖1 不同添加處理土壤有機碳礦化速率Fig.1 Mineralization rate of soil organic carbon under different treatments

表2 不同添加處理土壤有機碳礦化速率回歸方程

2.2 土壤有機碳累積礦化量

添加生物炭和秸稈各處理土壤有機碳累積礦化量如圖2所示。只添加生物炭的土壤有機碳累積礦化量與對照差異不大，B300和B600處理礦化培養第70天的土壤有機碳累積礦化量分別比對照高23.7%和5.2%。生物炭和秸稈配施則顯著提高土壤有機碳累積礦化量，其效果與秸稈添加量成正比。礦化培養70 d后，生物炭配施2%和4%秸稈處理的土壤有機碳累積礦化量分別是對照的2.0～2.3倍和3.0倍，其中B300+S2處理有機碳累積礦化量最高，為3 876.0 mg/kg。添加300 ℃生物炭的處理，其土壤有機碳累積礦化量均高于添加600 ℃生物炭的處理，礦化培養70 d后，不同秸稈配施量下300 ℃生物炭處理土壤有機碳累積礦化量比600 ℃生物炭處理高2.6%～17.6%。生物炭制備溫度和秸稈添加量均對土壤有機碳累積礦化量有極顯著影響(P<0.001)，但兩者的交互作用對有機碳累積礦化量影響不顯著(P=0.088)(表3)。

表3 生物炭熱解溫度、秸稈添加量及其交互作用對土壤有機碳累積礦化量影響的方差分析

各處理土壤有機碳潛在可礦化量和礦化速率常數用一級動力學方程進行擬合，結果如表4所示。在不同秸稈配施量下，添加300 ℃生物炭處理的土壤有機碳潛在可礦化量均高于添加600 ℃生物炭的處理；土壤有機碳潛在可礦化量隨秸稈添加量的增加而增大，而在對照中最小(1 321.5 mg/kg)。添加生物炭和秸稈各處理的礦化速率常數(0.046～0.055 d-1)均大于對照(0.043 d-1)。該研究中，礦化培養前總有機碳由供試土壤和所添加有機物料的有機碳含量計算得出。添加生物炭和秸稈各處理中，土壤有機碳潛在可礦化量與礦化培養前總有機碳的比值在0.033～0.074之間，均低于對照(0.078)，其中添加300 ℃生物炭處理中土壤有機碳潛在可礦化量與礦化培養前總有機碳的比值均高于添加600 ℃生物炭的處理，且隨著秸稈添加量的增加而增大。

表4 土壤有機碳礦化的一級動力學方程參數Tab.4 Parameters of the first-order kinetics equation for soil organic carbon mineralization

2.3 土壤pH和電導率

礦化培養70 d后，各處理土壤pH值和電導率如表5所示。添加生物炭和秸稈各處理的土壤pH值和電導率均顯著高于對照(P<0.05)。不同秸稈配施量下，添加600 ℃生物炭處理的土壤pH值和電導率均顯著高于添加300 ℃生物炭的處理。隨著秸稈添加量的增加，土壤電導率亦顯著升高。生物炭熱解溫度、秸稈添加量及其交互作用對礦化培養后的土壤pH值和電導率均有極顯著影響(P< 0.001)。

表5 礦化培養70 d后土壤pH、電導率和養分含量Tab.5 Soil pH, electrical conductivity and nutrient contents after 70 days of incubation

2.4 土壤有機質、堿解氮和有效磷含量

礦化培養70 d后，各處理土壤有機質、堿解氮和有效磷含量如表5所示。添加生物炭和秸稈各處理中，土壤有機質、堿解氮和有效磷含量均顯著高于對照(P<0.05)，且隨著秸稈配施量的增加而升高。不同熱解溫度下制備的生物炭對土壤有機質、堿解氮和有效磷含量的影響存在差異，在相同秸稈配施量下，添加600 ℃生物炭處理的土壤有機質和有效磷含量顯著高于添加300 ℃生物炭的處理，而堿解氮含量則顯著低于添加300 ℃生物炭處理。生物炭熱解溫度和秸稈添加量對礦化培養后的土壤有機質、堿解氮和有效磷含量均存在極顯著影響(P<0.001)；兩者的交互作用對有機質和有效磷含量亦存在極顯著影響(P<0.001和P<0.01)，但對堿解氮含量影響不顯著。

2.5 土壤有機碳礦化參數與土壤理化性質的相關性

土壤有機碳礦化參數與土壤理化性質的相關性見表6。培養70 d后土壤有機碳累積礦化量、土壤有機碳潛在可礦化量與培養后的土壤pH、電導率、有機質、堿解氮、有效磷間均呈極顯著正相關關系(P<0.01)。土壤pH、電導率和有機質含量間極顯著正相關，且均與土壤有效磷存在極顯著正相關關系(P<0.01)。土壤堿解氮僅與有機質含量呈顯著正相關(P<0.05)，與其他理化參數無顯著相關關系。

表6 土壤有機碳礦化參數和土壤理化性質參數的相關性Tab.6 Relationship between soil organic carbon mineralization parameters and soil physical and chemical parameters

3 討 論

3.1 生物炭和秸稈對設施土壤有機碳礦化的影響

添加有機物料對土壤有機碳礦化的影響與物料自身特性及其添加量有關。該研究中，單施生物炭對設施土壤有機碳礦化速率和累積礦化量影響很小，這一方面是由于生物炭含有大量的芳香化結構，其具有高度的生物化學穩定性，難以被土壤微生物分解利用[13]。另一方面，生物炭具有發達的孔隙結構和豐富的表面形態特征，能夠包裹和吸附土壤中的有機碳，提高有機碳對微生物降解的抵抗能力，對土壤本底有機碳的礦化起到抑制作用[14]。而生物炭本身含有的少量易分解有機碳組分(如溶解性有機碳)，其降解對有機碳礦化量的貢獻在很大程度上可被土壤本底有機碳受到的礦化抑制作用所抵消[15]。在已有研究中，施用生物炭可能促進[16-18]或抑制[19-21]土壤本底有機碳的礦化，即表現為“正激發作用”或“負激發作用”，這與生物炭的制備材料和制備溫度有關。一般來說，低溫熱解制備的生物炭含有相對較多的易分解有機碳組分，可為土壤微生物提供一定的可利用碳源，促進微生物的活性；而高溫熱解制備的生物炭具有更強的化學穩定性，對土壤有機碳礦化的抑制作用更為顯著[20,22]。該研究中，生物炭熱解溫度對土壤有機碳累積礦化量有顯著影響，添加300 ℃生物炭處理的土壤有機碳累積礦化量和潛在可礦化量均高于添加600 ℃生物炭的處理，這與已有研究結果相一致，表明施用600 ℃制備的生物炭比300 ℃制備的生物炭更有利于提高土壤有機碳庫的穩定性，從而增加設施土壤有機質的積累能力。

與生物炭相比，秸稈含有大量纖維素、半纖維素等易分解有機碳，可提供更多可利用碳源給土壤微生物，有利于提高微生物活性，促進土壤本底有機碳的礦化[23]。該研究中，配施秸稈顯著提高土壤有機碳的礦化速率和累積礦化量，且秸稈添加量對土壤有機碳累積礦化量有顯著影響。土壤有機碳潛在可礦化量與礦化培養前總有機碳的比值可反映土壤有機碳的相對穩定性，其比值越大則土壤有機碳的相對礦化潛力越大，而穩定性越差[24]。隨著秸稈添加量的增加，土壤有機碳潛在可礦化量與礦化培養前總有機碳的比值隨之增大，表明配施秸稈提高土壤有機碳的相對礦化潛力。無論是單施生物炭處理還是生物炭配施秸稈處理，土壤有機碳潛在可礦化量與礦化培養前總有機碳的比值均低于對照，這說明添加生物炭能夠快速穩定土壤碳庫，提高土壤有機碳對礦化作用的抵抗能力，即使額外添加與生物炭等量的秸稈，也未能完全抵消生物炭對土壤有機碳相對礦化潛力的抑制作用。JIN等[25]在不同生物炭添加量的試驗中，發現施用生物炭后土壤有機碳累積礦化量與總有機碳含量的比值低于不施用生物炭的處理，且隨著生物炭添加量的增加而降低。

3.2 生物炭和秸稈對設施土壤理化性質的影響

該研究中，生物炭的添加顯著提高土壤pH值，這與已有在設施土壤上的研究結果相一致[26-27]。這一方面是由于生物炭自身呈堿性，且制備溫度越高其堿性越強，施入土壤后直接影響土壤pH值；另一方面，生物炭在熱解過程中富集大量鹽基離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+等)，進入土壤后可以提高土壤的鹽基飽和度，降低土壤中交換性H+、Al3+的比例，從而導致土壤pH值升高[28]。在中國北方設施菜地中，由于氮肥和生理酸性化肥的長期大量施用，以及在缺少降雨淋洗的半封閉設施條件影響下，易產生土壤酸化問題[29]，生物炭的施用對于緩解設施土壤酸化具有一定作用。

生物炭對土壤電導率的影響在已有研究中存在差異。該研究中，單施生物炭和生物炭與秸稈配施處理土壤電導率均顯著高于對照，這與張亞楠等[30]的研究結果一致。土壤電導率的升高可能是由于生物炭和秸稈向土壤中輸入的鹽基離子所致。生物炭和秸稈的電導率(2 887～4 770 μS/cm)遠大于土壤(202 μS/cm)。石曉宇等[31]在蔬菜溫室的研究結果顯示，施用生物炭使當季表層土壤電導率下降了55.94～63.03 μS/cm。農明英等[32]采用蔬菜大棚鹽漬化土壤的盆栽試驗結果顯示，施用生物炭顯著降低土壤電導率和水溶性全鹽量，較對照各下降了23.9%。研究結果間的差異可能與土壤條件(如土壤質地、鹽漬化水平)、生物炭性質和管理措施等因素有關。在非鹽漬化土壤中，生物炭輸入的鹽基離子可能導致土壤電導率的升高；而在鹽漬化土壤中，土壤本身的含鹽量和電導率較高，生物炭可通過吸附作用和離子交換作用降低土壤的含鹽量和電導率[33]。

添加生物炭和秸稈顯著提高土壤中有機質、堿解氮和有效磷含量，生物炭熱解溫度和秸稈添加量對土壤有機質、堿解氮和有效磷含量均有極顯著影響。生物炭和秸稈富含有機質，進入土壤后可顯著增加土壤有機質含量；此外，生物炭的孔隙結構有利于吸附土壤中的有機小分子，促進有機小分子聚合形成腐殖質[34]。在堿解氮和有效磷含量上，生物炭和秸稈間存在較大差異。在生物炭制備過程中，堿解氮含量隨著熱解溫度升高迅速下降，而有效磷含量由于富集作用隨著熱解溫度升高而升高。與300 ℃生物炭相比，600 ℃生物炭對土壤堿解氮的提升作用相對有限，而對土壤有效磷的提升作用更為顯著。有研究表明，單施生物炭對土壤堿解氮含量無明顯改善作用[35-36]，但生物炭表面豐度的孔隙結構可為解磷細菌提供有利生長環境，促進土壤中磷的活化，提高土壤有效磷含量[37]。與單施生物炭相比，生物炭與秸稈配施不僅提供更多的氮、磷養分，配施的秸稈還利于提高土壤微生物活性，促進土壤中氮和磷的釋放，隨著秸稈添加量的增加，土壤堿解氮和有效磷含量顯著提高。

4 結 論

生物炭與秸稈配施顯著提高設施土壤有機碳礦化速率和累積礦化量，而只添加生物炭對土壤有機碳礦化速率和累積礦化量影響較小。生物炭制備溫度和秸稈添加量對土壤有機碳累積礦化量均有極顯著影響，添加300 ℃生物炭處理的土壤有機碳累積礦化量高于添加600 ℃生物炭的處理，隨著秸稈添加量的增加，土壤有機碳累積礦化量顯著升高。生物炭的添加降低土壤有機碳的相對礦化潛力，表明施用生物炭有利于提高土壤碳庫穩定性，增強設施土壤的固碳能力，對于維持設施土壤長期肥力，促進“固碳減排”具有重要意義。單施生物炭和生物炭與秸稈配施均顯著提高土壤pH值、電導率，以及土壤有機質、堿解氮和有效磷含量。與單施生物炭相比，生物炭與秸稈配施對土壤有機質、堿解氮和有效磷含量的提升效果更為顯著。生物炭與秸稈配施不僅能夠發揮生物炭的固碳功能，也能夠進一步補充土壤速效養分，促進土壤養分循環，平衡土壤長期肥力和當季速效養分供給間的關系，更好維持設施土壤的可持續生產力。