施用生物炭對黑土各組分有機質結構的影響

龍杰琦，苗淑杰，李 娜，郝翔翔，喬云發*

（1 南京信息工程大學應用氣象學院，江蘇南京 210044；2 中國科學院東北地理與農業生態研究所，黑龍江哈爾濱 150081）

土壤有機質(soil organic matter, SOM)作為土壤的關鍵組成部分，是影響土壤肥力的決定因子[1]，是促進土壤發育和提高土壤功能的最原始且最核心的驅動者,在土壤質量和農業生產力的可持續性方面具有重要的作用[2-3]。SOM是動態變化的，并由不同組分構成，組分的分子結構特征直接影響土壤有機質的穩定性[4]。為了更深入探究有機質結構的變化規律，通常把SOM分為化學分級和物理分級，但因后者在分組過程對SOM破壞性小，更能有效反映有機質的結構特征，故其成為研究SOM組分的重要手段[5]。土壤有機質物理分級主要依據土壤密度、顆粒大小、空間分布等進行分類[2]，根據密度大小將有機質分為游離態輕組(free light fraction, LF)、閉蓄態輕組(occluded light fraction, OF)和礦物結合態組分(mineral-associated fraction, MF)[6-7]，根據團聚體粒級將有機質篩分為>2 mm、2～0.25 mm、0.25～0.053 mm和<0.053 mm團聚體有機質[8]。SOM在土壤中的功能與其化學結構密切相關，不同粒徑團聚體內的有機質組分和化學結構存在差異[9]。土壤有機質的組分和結構決定了其穩定性，有機質的穩定性與其含量密切相關，而維持和提升農田土壤有機質含量的關鍵就是輸入外源有機物質[3]。

我國作物秸稈資源豐富，秸稈還田是培肥地力最為普遍的農藝措施，能有效提升土壤質量，維持其可持續生產力。東北黑土地區氣候寒冷，秸稈還田后不易腐解，降低作物出苗率，而將秸稈制備成生物炭(biochar)施入土壤后其可以通過對腐殖質及微域特征的影響來促進碳素固定，增加土壤有機碳含量。由于生物炭具有較大的比表面積、高度芳香化碳結構和發達孔隙結構等特性[10-12]，能提高土壤有機質含量和改善土壤理化性質，所以近年來生物炭作為一種土壤改良劑在農業領域內被廣泛應用。高尚志等[13]研究發現，生物炭可促進土壤團聚體對有機碳的物理化學保護，對土壤有機碳的穩定性增強、含量提升以及促進碳封存都具有積極的影響。李江舟等[14]對云南煙區紅壤的研究結果表明，生物炭對土壤有機碳的作用過程是持續的,連續施用生物炭在改善土壤物理性狀的同時,也有利于穩定增加土壤碳匯。因此，本研究將土壤團聚體和密度分組的有機質含量與紅外光譜特征相結合，揭示生物炭對土壤有機質含量動態變化和穩定性機制的影響。

紅外光譜技術(fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)是一種利用物質有機官能團如C?H、O?H、N?H等對紅外光的選擇性吸收來進行分子結構分析的技術，通過物質的特征紅外吸收光譜進行定性和定量分析，可有效反映土壤中官能團特性和結構變化的方法[15-17]，應用紅外光譜技術研究土壤有機質的化學組成和結構也是近年來的熱點之一。常漢達等[18]采用FTIR研究棄耕地開墾前后不同土層土壤有機質紅外光譜特征，發現開墾后土壤有機質結構更為復雜，且芳香族官能團所占比例的提高是土壤有機質結構穩定性提高的重要原因。Demyan等[19]采集了施用不同肥料處理5年的土壤，發現在紅外光譜波長1620 cm?1處芳香族結構和2930 cm?1處脂肪族結構吸收峰面積的比值與有機碳含量的比值呈顯著正相關，可作為SOM穩定性指標。前人對SOM的組分與結構的研究集中在短期內，有機質含量波動較小，生物炭對黑土SOM長期動態變化影響的研究還鮮有報道。

東北黑土區是我國重要的土壤有機碳儲庫(有機碳儲量為C 12.6 Pg)，但近年來，東北黑土有機質含量呈下降趨勢[20]，土壤肥力降低威脅國家糧食安全。因此，本研究依托施用生物炭9年的長期定位試驗平臺，利用紅外光譜分析技術，以土壤團聚體有機質組分和密度組分的有機質分子結構為切入點，對比分析施用與未施用生物炭的土壤有機質紅外光譜特征，探討生物炭對黑土有機質組分和結構特征的影響，揭示生物炭對黑土有機質的動態變化影響規律，為進一步利用生物炭提高農田土壤固碳潛力提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗布設在中國科學院海倫農業生態實驗站(47°27'19.83″N，126°55'49.31″E)，位于黑龍江省松嫩平原腹地黑土中心地帶，該區屬于中溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，雨熱同期，年均降水量550 mm，平均蒸發量2300 mm，年均氣溫1.5℃，全年有效積溫(≥10℃) 2450℃，無霜期125天，海拔約210 m，地勢平坦[21]。供試土壤為黑土，pH為7.02，母質為第四紀黃土。試驗初始時土壤有機質51.96 g/kg、全氮2.32 g/kg、全磷1.67 g/kg。

1.2 試驗設計

選取2011年中國科學院海倫農業生態實驗站建立的生物炭還田長期定位試驗的2個處理：傳統農田施化肥(?BC)和傳統農田施化肥配施生物炭(+BC)，每個處理3次重復，小區面積為12 m2(4 m×3 m)。氮磷鉀施肥量為N 174 kg/hm2、P2O540.2 kg/hm2和K2O 44.8 kg/hm2，2011年試驗開始時一次性施用玉米秸稈燒制成粉末狀生物炭12000 kg/hm2，其施用量為耕層0—20 cm土壤全碳儲量的15%，施入0—20 cm的耕層土壤充分混勻，田間管理與當地農業生產相一致。

1.3 土壤樣品采集

2019年10月1 日采集土樣，取0—20 cm的耕層土樣，每個小區采用“S”形多點采集。帶回實驗室后，陰干過程中沿土壤結構的自然紋理掰分成小團塊，去除雜質保留生物炭顆粒。

1.4 測定方法

土壤水穩性團聚體篩分：采用Yoder濕篩法[22]，套篩孔徑依次為2、0.25和0.053 mm。將土樣浸潤糊化10 min后倒入套篩，團聚體分析儀上下篩分頻率為20 r/min，篩分10 min。篩分結束后，用蒸餾水沖洗套篩上的各級團聚體至已稱重燒杯里，65℃下烘干至恒重。分離出 > 2 mm、2～0.25 mm、0.25～0.053 mm和 < 0.053 mm 粒級團聚體。

有機質密度分組[23]：1)稱取10.00 g土樣裝入離心管中，加入50 mL的碘化鈉重液(d=1.7 g/cm3)，混勻后在3500 r/min離心15 min。用吸管吸出上清液，經0.45 μm濾膜過濾，用CaCl20.01 mol/L溶液和蒸餾水洗滌吸管和濾膜，濾膜及濾膜上殘留物全部轉移至已稱重燒杯中，40℃烘干稱重，這一組分即為游離態輕組(free light fraction, LF)。2)離心管里的沉淀加50 mL碘化鈉，進行超聲波破碎15 min(40 Hz，100 W)后再離心，同樣方法取上清液、過濾、洗滌、烘干即得到閉蓄態輕組(occluded light fraction, OF)。3)離心管內沉淀加50 mL蒸餾水，振蕩20 min，4000 r/min離心20 min，倒出上清液，重復洗沉淀3次，然后再用95%乙醇反復洗滌至無色，轉移至已稱重燒杯中，40℃烘干后稱重，這一組分即礦物結合態組分(mineral-associated fraction, MF)。

有機碳測定：將全土、各粒級團聚體和各組分研磨過0.25 mm篩，用元素分析儀(Vario EL III)測定，供試土壤無碳酸鹽反應。

有機質含量換算公式如下：

傅里葉紅外光譜測定[24]：稱取土樣0.7 mg和70 mg溴化鉀于瑪瑙研缽中混勻，用壓片機制作壓片，用傅里葉紅外光譜儀(Nicolet-6700型)測定其紅外透射光譜，光譜的測量范圍為4000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數為16次。

1.5 數據分析

采用Excel 2010軟件整理數據，SPSS 21.0軟件進行t檢驗，設置顯著性P0.05，用Origin 8.0繪制圖和主成分分析，Ommic Version 8.0處理紅外光譜圖。

2 結果與分析

2.1 生物炭對團聚體和各密度組分有機質含量的影響

圖1顯示，相同處理中不同粒徑團聚體有機質含量隨粒徑減小呈現先升高后降低的變化規律，其中各處理2～0.25 mm粒級團聚體中有機質含量最高，為58.39～70.86 g/kg，<0.053 mm團聚體中含量較低，為50.86～61.37 g/kg。與-BC處理相比，+BC處理的土壤有機質增加了19.72%，>2 mm和2～0.25 mm粒級中的有機質含量分別增加了12.54%和21.35%，在<0.25 mm粒級中的增加量不顯著。

圖1 全土及其各粒級團聚體中的有機質含量Fig. 1 The concentrations of soil organic matter in bulk soil and aggregate fraction

圖2顯示，有機質含量OF組分>LF組分>MF組分。+BC處理的各密度組分中有機質含量變化幅度不同，LF組分中增加了73.50%，OF組分中增加了192.66%，而MF組分中有機質含量無顯著變化。這表明施用生物炭主要增加了>0.25 mm粒級大團聚體中的有機質含量，增加的有機質主要為LF和OF組分。

圖2 密度組分中的有機質含量Fig. 2 The concentrations of soil organic matter in density fractions

2.2 有機質紅外光譜特征

全土、各粒級團聚體和密度組分紅外光譜測定結果(圖3和圖4)表明，?BC和+BC處理下土壤及其各粒級團聚體中的有機質光譜圖的吸收峰相似，主要包括 3620 cm?1(自由醇酚?OH)、3417 cm?1(締合醇酚?OH)、2934 cm?1(不對稱脂肪族?CH)、2853 cm?1(對稱脂肪族?CH)、1631 cm?1(芳香族 C=C)、1720 cm?1(羰基 C=O)和 1030 cm?1(多糖 C?O) 7 個吸收峰[25-26]。與土壤紅外特征峰相比，3個有機質密度組分的主要吸收峰是3614 cm?1(自由醇酚?OH)、3391 cm?1(締合醇酚?OH)、2923 cm?1(不對稱脂肪族?CH)、2851 cm?1(對稱脂肪族?CH)、1631 cm?1(芳香族C=C)和1033 cm?1(多糖C?O) 6個特征峰，除了共有特征峰外，OF組分中出現吸收峰1384 cm?1(甲基?CH3)，MF組分出現吸收峰 1720 cm?1(羰基C=O)。?BC和+BC處理3個密度組分的特征峰相似，僅相對峰面積有變化，說明生物炭沒有影響密度組分有機質特征結構，但影響了有機結構的相對豐度。

圖3 全土及其各粒級團聚體有機質紅外光譜Fig. 3 Infrared spectrum of organic matter in all aggregates and bulk

圖4 密度組分有機質紅外光譜Fig. 4 Infrared spectrum of organic matter in density fractions

2.3 全土及其各粒級團聚體中有機質紅外光譜特征

紅外特征峰相對豐度表示相應基團和物質含量，本試驗將自由?OH和締合?OH的加和代表醇酚?OH，脂肪族對稱和不對稱?CH加和代表脂肪族?CH，采用Ommic軟件對各吸收峰進行積分，計算某一峰的面積占特征峰面積的百分比，即所對應的官能團相對豐度[10]。由表1可知，同一處理中，不同粒級中的基團相對豐度不同，多糖C?O伸縮振動最強，其次是醇酚?OH、芳香族C=C和脂肪族?CH，羰基C=O伸縮振動最弱。與?BC處理相比，+BC處理土壤的芳香族C=C和羰基C=O相對豐度減少，其余5個官能團相對豐度均增加，且脂肪族?CH增幅最大，增加了30.64%，芳香族C=C和羰基C=O相對豐度分別減少了18.18%和21.95%，?CH/C=C與?CH/C=O值均增大，分別增加66.67%和62.11%。生物炭對團聚體不同粒級中的基團相對豐度影響也不同，與?BC處理相比，在>2 mm粒級中，+BC處理的醇酚?OH和脂肪族?CH的相對豐度分別增加了7.68%和55.11%，芳香族C=C和羰基C=O分別減少了17.06%和26.67%，多糖C?O降幅較低，?CH/C=C和?CH/C=O值增幅分別達78.57%和91.25%；2～0.25 mm粒級中，+BC處理的醇酚?OH增輻較小，其余官能團豐度均減少，其中芳香族C=C減少了27.15%，羰基C=O和多糖C?O分別減少17.5%和14.36%，?CH/C=C和?CH/C=O值增大。在<0.25 mm粒級的+BC處理中，除了芳香族C=C和羰基C=O相對豐度增加以外，其余官能團均減少，在0.25～0.053 mm粒級中分別增加27.63%和18.18%，且在<0.053 mm粒級中增加程度最大，增幅分為49.83%和31.43%，其中脂肪族?CH減少16.58%～20.80%，醇酚?OH和多糖C?O的相對豐度變化不大，?CH/C=C和?CH/C=O值減小。這表明施用生物炭增加了大團聚體中有機質的脂肪族物質和微團聚體中有機質中的芳香族物質。

表1 全土和各粒級團聚體中有機質紅外光譜特征峰相對豐度(%)Table 1 The relative abundance of characteristic peak in all aggregates and bulk soil

2.4 各密度組分中有機質紅外光譜特征

如表2所示，兩個處理的不同密度組分中有機質官能團相對豐度變化有差異，紅外特征峰相對豐度最高的是多糖C?O，其次是醇酚?OH和芳香族C=C，最低的是脂肪族?CH。與?BC處理相比，+BC處理的醇酚?OH、芳香族C=C和脂肪族?CH在3個組分中相對豐度均增加，多糖C?O在LF和OF組分中降低。與?BC處理相比，在LF組分有機質中，+BC處理除了多糖C?O的相對豐度減小外，其他基團吸收峰相對豐度均增強，?CH/C=C值變化較小；OF組分有機質中，+BC處理的多糖C?O相對豐度為45.53%，減少了20.51%，而芳香族C=C和脂肪族?CH相對豐度分別增加了29.06%和125.74%，?CH/C=C值增幅達最大74.19%，同時甲基?CH3也增加了14.86%；在MF組分中，芳香族C=C、脂肪族?CH和多糖C?O相對豐度雖有增加，但增幅較小，同樣羰基C=O的相對豐度變化也不大，?CH/C=C和?CH/C=O的值增大。這表明施用生物炭均增加了3個組分有機質官能團的相對豐度，其中閉蓄態輕組中有機質相對豐度增幅最大。

表2 土壤各密度組分中有機質紅外光譜特征峰相對強度(%)Table 2 The relative abundance of characteristic peak in all density fractions of soil

2.5 主成分分析

2.5.1 不同粒級團聚體中有機質紅外光譜特征峰主成分分析 根據特征值大于1，總貢獻率大于80%的原則選取得到了2個主成分，載荷絕對值大于0.5表示與主成分相關性大，第一個主成分累計貢獻率為50.8%，第二個主成分累計貢獻率為35.8%。如圖5A所示，+BC處理和?BC處理之間的全土、>2 mm、2～0.25 mm和<0.053 mm團聚體聚合度較小，說明施用生物炭主要引起全土、>2 mm、2～0.25 mm和<0.053 mm粒級團聚體中的有機質結構變化。由載荷圖5B可知，與-BC處理相比，+BC處理中有機質官能團發生較大變化的是芳香族C=C和脂肪族?CH，說明施用生物炭主要影響全土、>2 mm、2～0.25 mm 和<0.053 mm團聚體有機質中的芳香族C=C和脂肪族?CH。

圖5 全土及其各粒級團聚體有機質紅外光譜特征峰主成分分析Fig. 5 Principal component analysis of infrared characteristic peak in soil organic matter in all aggregates and bulk soil

2.5.2 各密度組分中有機質紅外光譜特征峰主成分分析 如圖6A所示，+BC處理的LF和OF組分與?BC處理之間的聚合度較小，說明生物炭主要引起游離態輕組和閉蓄態輕組分中的有機質結構變化。由圖6B可知，與?BC處理相比，+BC處理中有機質的主要變化基團是芳香族C=C、脂肪族?CH和多糖C?O，結果表明了生物炭使LF和OF組分有機質中的芳香族C=C、脂肪族?CH和多糖C?O發生變化。

圖6 密度組分有機質紅外光譜特征峰主成分分析Fig. 6 Principal component analysis of infrared characteristic peak in soil organic matter in density fractions

3 討論

3.1 生物炭對土壤、各粒級團聚體和密度組分有機質含量的影響

土壤有機質作為土壤碳庫主要的存在形式，對全球碳循環的平衡起著重要作用，一定程度上，土壤有機質含量決定著土壤肥力水平[27-28]。本研究中，生物炭顯著提高了土壤有機質含量，2～0.25 mm和>2 mm粒徑團聚體中有機質顯著增加，這與李江舟等[14]在研究云南煙區紅壤團聚體時，得出施加生物炭顯著增加>0.25 mm粒級團聚體有機質含量的結論相一致。具有富碳和多微孔結構特性的生物炭，一方面能吸附土壤有機分子，通過表面催化活性來促進小的有機分子聚合成有機質[29]，另一方面作為有機膠結劑，能促進大團聚體的形成，而大團聚體在為有機質提供物理保護的同時，也作為新增有機質的主要載體，從而提高了土壤有機質含量。MF組分主要以有機-無機復合體的形式存在，有機腐殖化程度高，比輕組反應慢，即能穩定儲存有機質[30]。本研究中，施用生物炭顯著增加了LF和OF組分的有機質含量，其中OF有機質含量增幅大于LF，而生物炭對MF中有機質含量沒有顯著影響，這與前人[14,31]的研究結果一致，這可能與生物炭主要以穩定的芳香族碳形式存在有關，它抗微生物分解的能力強[32]，在進入土壤后提高了LF和OF組分有機質的抗分解能力。同時隨著在土壤中存在時間的延長，表面鈍化后的生物炭與土壤相互作用產生一種保護基質，增加了土壤有機質的氧化穩定性[33]。另外生物炭的施用可促進土壤團聚體的聚合，對OF有機質的團聚體物理保護作用增強，從而提高了OF組分的有機質儲存能力，使有機質含量增加。

3.2 生物炭對土壤及其各粒級團聚體中有機質紅外光譜特征的影響

在全土中，醇酚?OH、多糖C?O和脂肪族?CH的相對豐度增加，芳香族C=C和羰基C=O減少，?CH/C=C和?CH/C=O值增大，芳香族碳是難分解有機碳之一，能在土壤中選擇性保留，而芳香族C=C相對豐度減少，這可能是秸稈生物炭本身的芳構化程度低，脂肪性強，對土壤中烷基碳大幅度的增加和芳香族C=C相對豐度減少產生了一定影響[9,34]。3391+3614 cm?1是?OH伸縮振動的吸收峰，主要來源于土壤中的碳水化合物，這類化合物在進入土壤后一部分吸附在礦物質表面，另一部分則進入團聚體中[35]。玉米秸稈制成的生物炭可能會含有木質素衍生物結構，是游離羥基、脂肪族類和多糖的主要來源[36]。生物炭使脂肪族?CH相對豐度在 >2 mm粒級團聚體中增加，使芳香族C=C在<0.25 mm團聚體中增加。生物炭作為膠結劑，促進了大團聚體的形成，外界進入的新鮮有機物增多，有機質周轉更新加快，活性有機質官能團比例增大[37]；另外小粒級團聚體的有機質主要以腐殖質的形式存在，而生物炭極為緩慢的分解有助于腐殖質的形成[38]，減小了小粒級團聚體中有機質的降解程度。土壤大部分有機質會與土壤粘土礦物結合，不同粒級大小的土壤顆粒表面化學性質存在差異，即與土壤礦物相結合的有機質穩定性和化學性質也會存在明顯的區別[39]。

3.3 生物炭對密度組分中有機質紅外光譜特征的影響

施用生物炭增加了LF組分有機質中的醇酚?OH、脂肪族?CH和芳香族C=C的相對豐度，減少了多糖C?O的相對豐度，一方面生物炭孔隙結構發達，并大量集中于輕組中，能吸附聚集較多的有機物質，引起LF組分做出敏感反應，使相應的脂肪族物質和芳香族物質增加；另一方面，生物炭增加了土壤孔隙度，使外源有機物易進入這一組分，微生物活動強烈，將多糖物質分解，多糖含量減少[40]。生物炭增加了OF組分中脂肪族?CH和芳香族C=C的相對豐度，?CH/C=C值增幅最大，脂肪性結構增強，與相應組分中有機質含量測定結果相符，這主要與生物炭的重要成分是烷基和芳香結構有關，在施入土壤后增加了OF組分中的烷基?C，如脂肪酸和脂類物質[41]，其次，生物炭表面含有部分易解碳源和氮源[42]，促進了微生物活動，加速了少部分芳香碳物質的氧化分解，導致其豐度增幅沒有脂肪族?CH大。施用生物炭對MF中各官能團豐度增幅影響不大，這是因為重組主要是腐殖質與土壤礦物相結合的組分，兩者的化學結合能促進有機質的穩定[43]，所以其對外界響應的敏感性要低于輕組部分。同時，生物炭本身極為緩慢的分解有助于重組中腐殖質的形成[38,44]，生物炭通過長期作用使MF有機質結構更穩定更不易分解[45]。MF組分中脂肪族物質增加，使脂肪族的碳更容易吸附在礦物表面，有利于增強有機質的穩定性[46]。

4 結論

生物炭提高了土壤及其大團聚體中的輕組有機質含量，尤其對閉蓄態輕組有機質含量的提升效果最為顯著。總的來看，施加生物炭致使土壤有機質結構中芳香族C=C和羰基C=O的相對豐度減少，脂肪族?CH、醇酚?OH和多糖C?O增加，?CH/C=C和?CH/C=O值升高。土壤和大團聚體中的有機質結構趨于脂肪化，微團聚體中的有機質穩定性提高。在閉蓄態輕組有機質中，與其他官能團相比，生物炭對脂肪型結構物質的相對豐度增幅最大，有利于促進該組分有機質活性的增強，加快土壤有機質的周轉更新。