生物质炭和秸秆对土壤团聚体腐殖物质组成的影响

来源:用户上传      作者:纪磊 岳鑫 陈磊 崔德杰 曾路生 金圣爱 赵秀芬 胡春光 王英平 刘蕾 姜超 刘庆花 宋祥云

　　摘要：添加生物質炭和秸秆都是增加土壤有机碳含量的有效方式，但二者在增加土壤腐殖物质组分的差异鲜有报道。为了解生物质炭和秸秆对土壤团聚体腐殖质组分及腐殖化程度的影响，通过180 d的室内培养试验研究施入秸秆及生物质炭后土壤团聚体腐殖质不同组分含量的变化。试验结果表明，施用秸秆及生物质炭均显著提高土壤大团聚体（2～0.25 mm）内腐殖物质的有机碳含量，随着培养时间的延长，大团聚体腐殖物质含量逐渐降低。整个培养期施用秸秆或生物质炭均以胡敏素增加为主，施用生物质炭胡敏素含量更高。表明施用生物质炭和秸秆首先增加土壤大团聚体腐殖物质含量，随着时间延长腐殖物质向微团聚体转移，并且胡敏素是增加的主要组分，施加生物质炭效果较施加秸秆更为明显。随着培养时间延长，添加生物质炭后大团聚体土壤HE和HA的E4/E6值增高，而添加秸秆土壤HE和HA的E4/E6值降低。研究结果认为，在短期内，施加生物质炭及秸秆可提高土壤腐殖化程度，可以提高土壤不同粒级团聚体腐殖质有机碳含量，且施加生物质碳和秸秆对增加大团聚体（2～0.25 mm）腐殖物质有机碳含量效果较微团聚体（<0.25 mm）更为明显。添加生物质炭后大团聚体土壤HE和HA逐渐简单化，而添加秸秆土壤HE和HA逐渐复杂化。
　　关键词：生物质炭;秸秆;土壤团聚体;有机碳;腐殖质组成
　　中图分类号：S153文献标识号：A文章编号：1001-4942（2019）01-0091-07
　　Effects of Biochar and Straw on
　　Composition of Humic Substances in Soil Aggregates
　　Ji Lei，Yue Xin 1，Chen Lei 1，Cui Dejie Zeng Lusheng Jin Sheng’ai 1，
　　Zhao Xiufen 1，Hu Chunguang 1，Wang Yingping 3，Liu Lei 4， Jiang Chao 5， Liu Qinghua 1，Song Xiangyun
　　（1.College of Resources and Environment， Qingdao Agricultural University， Qingdao 266109， China;
　　2. Qingdao Rural Environmental Engineering Research Center，Qingdao 266109， China;
　　3. Shandong Huangdao Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau， Qingdao 266555， China;
　　4. Qingdao Laoshan District Agriculture and Water Resources Bureau， Qingdao 266109， China;
　　5. Binzhou Zhanhua Agricultural Bureau， Binzhou 256800， China）
　　Abstract Biochar and straw are both effective ways to increase soil organic carbon content， but there are few reports on the differences between the two components in increasing soil humic substances. In order to understand the effects of biochar and straw on the humus composition and humification degree of soil aggregates， the changes of the content of different components of soil aggregate humus after applying straw and biochar were studied by the 180-d indoor culture experiment. The results showed that the application of straw and biochar significantly increased the organic carbon content of humic substances in macro aggregates（the soil particle size as 2～0.25 mm） from soil. With the increase of culture time， the content of humus in macro aggregates gradually decreased. The use of straw or biochar during the entire cultivation period mainly increased the humin content， especialy the use of biochar. The results indicated that the application of biochar and straw firstly increased the content of humus in soil macro aggregates， and then the humic substances migrated into micro aggregates with the time prolongation;humin was the main component of the increase，and the application of biochar was more effective than the application of straw. With the prolongation of culture time， the E4/E6 of HE and HA in the macro agglomerate soil increased after the addition of biochar， but decreased in soil added with straw. The results suggested that in the short term， the application of biochar and straw could increase the degree of soil humification. The application of biochar and straw could increase the organic carbon content of humus at different soil particle sizes， and the effect of applying biochar and straw on increasing the organic carbon content of humic substances in macro aggregates （2～0.25 mm） was more obvious than that in micro aggregates （<0.25 mm）. The HE and HA of the macro agglomerates in soil gradually became simple after the addition of biochar， but gradually became more complicated in soil added with straw. 　　Keywords Biochar; Straw;Soil aggregates; Organic carbon; Humus composition
　　土壤团聚体是维持土壤质量的重要物质基础之一，在农田土壤养分的供应及提高抗蚀性方面具有重要的作用。土壤团聚体常常被作为土壤结构稳定性的指标。土壤团聚体在土壤中的主要作用是保证和协调土壤中的水肥气热，影响土壤酶的种类和活性，保护和维持土壤的疏松熟化层。表土中约90%的土壤有机碳在团聚体内[1]。团聚体是由不同粒径的土壤颗粒组成，土壤有机碳的固定会受到不同粒级团聚体的影响[2，3]。研究表明，大粒级团聚体较小粒级团聚体含有更多的碳[4]。小粒級团聚体中有机质主要以化学保护为主， 分解比较慢， 更利于长期保存[5]。团聚体中轻组有机碳是土壤有机碳库中活性较大的部分，其性质不稳定，更容易被微生物利用和发生矿化分解，对评价土壤有机碳周转具有重要意义[6，7]。
　　生物质炭属于黑炭的一种类型，是由植物生物质在完全或部分缺氧情况下经过热解炭化产生的一类高度芳香化的难熔性的固态物质，可以为微生物的生存和繁殖提供场所和能源物质，丰富微生物的群落，进而促进土壤团聚体的稳定形成[8]。研究发现在砂壤土玉米地中添加玉米芯炭和稻壳炭后，可提高土壤团聚体稳定性[9]。生物质炭施加到土壤中，作为土壤腐殖质中高度芳香化结构组分的来源，不仅能稳定土壤有机碳库，持留土壤养分，而且对维持土壤生态系统平衡发挥重要作用[10]。研究发现，生物质炭的施加有利于土壤有机质的积累，可提高土壤中易氧化态碳的含量[11]。生物质炭添加到土壤后，可增加土壤的碳储量，而且由于其耐降解的特性，提高了其在土壤中的封存时间，生物质炭施入土壤100年后仍会有40%的碳存留在土壤中。生物质炭可以提高土壤有机质水平，一方面生物质炭能吸附土壤有机分子，通过表面催化活性促进小的有机分子聚合形成有机质，另一方面生物炭本身极为缓慢的分解有助于腐殖质的形成[12]。与生物质炭相比，秸秆还田使土壤胡敏酸变稳定的机制有所不同，除了分子结构芳香性提高的作用以外，还体现在疏水性的提高[13，14]。秸秆还田随着年限增加， 秸秆不断矿化分解， 秸秆深还田对土壤腐殖质组成和结构特征的影响效果减弱[15]。
　　然而，同一来源秸秆和秸秆生物质炭在农田土壤中的固碳差异尚不清楚;不同来源的秸秆或秸秆生物质炭在土壤腐殖物质组分中的固碳特征有待进一步研究。本研究采用室内培养试验法，向棕壤中分别添加麦秆、麦秆生物质炭、烟秆、烟秆生物质炭，研究不同来源秸秆、秸秆生物质炭对土壤腐殖物质组成的影响。以期为作物秸秆的资源化利用提供一定的参考。
　　1 材料与方法
　　1.1 供试材料
　　供试土样为棕壤，2015年采集于青岛市崂山区庙石社区（120°36′～120°62′E， 36°17′～36°45′N）。采用蛇形布点的方法采集0～20 cm土层混合，将取回的各土壤样品风干、研磨，过2 mm筛备用，测定风干土壤样品的含水量及各土壤样品的田间持水量。供试土壤基本理化性状：有机质14.6 g/kg，碱解氮195.99 mg/kg，速效磷116.96 mg/kg，速效钾142.47 mg/kg，pH值 4.85。
　　供试秸秆分别为小麦秸秆、烟草秸秆。同时将小麦秸秆和烟草秸秆在450～550℃下炭化为麦秆生物质炭和烟秆生物质炭，过1 mm筛备用。小麦秸秆与烟草秸秆及麦秆生物质炭和烟秆生物质炭含碳量分别为：436.93、470.13、344.7、356.2 g/kg。
　　1.2 试验设计
　　试验共设5个处理，分别为：对照（CK）：不添加有机物料;处理WB：添加土重8.73 g/kg 麦秆生物质炭;处理TB：添加土重8.73 g/kg烟秆生物质炭;处理WS：添加与处理WB等碳量的麦秆;处理TS：添加与处理TB等碳量的烟秆。用硫酸铵调节土壤C/N与土壤培养前相同。每处理需称取400 g风干土样，加入500 mL塑料烧杯中，添加蒸馏水调节土壤含水量为田间持水量的60%，用可透气的塑料薄膜封口，称重并记录，将烧杯放入20℃恒温培养箱中进行为期一周的预培养（不添加有机物料），期间定期进行称重加水，使土壤含水量保持在田间持水量的60%。预培养结束后，加入不同有机物料，将土壤、有机物料、（NH 4 ） 2 SO 4 充分混合均匀，用可透气塑料薄膜封口后称重并记录，定期称重加水。将烧杯放入20℃恒温箱中培养，培养30、180 d时取出样品。
　　1.3 测定方法
　　1.3.1 团聚体的分级 采用湿筛法，在Six 等[16]方法的基础上改进后将土壤团聚体分级。称取风干土样100 g，将其放置在由孔径分别为2、 0.25、 0.053 mm组成的自动振荡套筛的最上层，在室温条件下用蒸馏水浸润5 min后，以30次/min的速率筛分2 min，上下振幅为3 cm。筛分结束后，将每层筛上的团聚体冲洗到烧杯中，获得2～0.25、0.25～0.053 mm的水稳性团聚体，<0.053 mm团聚体则需在桶内沉降、以4 000r/min 离心10 min弃去上清液后转移至烧杯中。将烧杯中的团聚体风干称重并研磨过0.25 mm筛，混匀用于土壤分析。
　　1.3.2 土壤腐殖质组分的提取及有机碳测定 采用腐殖质组成修改法[17]提取出水溶性物质（WSS）、可提取腐殖物质（HE）、富里酸（FA）、胡敏酸（HA）和胡敏素（Hu）。具体方法如下：称取 5.00 g 过 60目筛的风干土样于 100 mL的塑料离心管中，加入20 mL去离子水，于恒温振荡水浴上（70±2）℃提取1 h ， 取下后以4 000 r/min离心15 min ， 将上清液用中速定量滤纸过滤到50 mL 容量瓶中， 再用蒸馏水洗残渣2 次（每次用15 mL），上清液合并， 用蒸馏水定容，此溶液即为水溶性物质（WSS）。再用 0.1mol/LNaOH 和0.1 mol/L Na2P2O7 混合液按照相同方法提取可提取腐殖物质（HE），离心管中残渣用蒸馏水洗净盐分后， 于55℃烘干， 过60 目筛， 即为胡敏素（Hu），可提取腐殖物质（HE）再经酸化后分离出胡敏酸（HA）和富里酸（FA）。 　　腐殖质各组分、土壤有机碳、秸秆、生物质炭有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定[18]。
　　1.3.3土壤腐殖质提取液E4/E6值的测定 可提取腐殖物质（HE）和胡敏酸（HA）的E4/E6是其在465 nm 和665 nm处的吸光度比值[19]。
　　1.4 数据处理
　　试验数据用Microsoft Excel 2003处理、作图，采用SPSS 16.0软件进行方差分析。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同有机物料对土壤团聚体水溶性有机碳含量的影响
　　由表1可知，在土壤中添加生物质炭及秸秆经30 d培养后，土壤水溶性物質有机碳含量以 2～ 0.25 mm粒级的团聚体最多， 0.25～ 0.053 mm粒级的居中，<0.053 mm粒级团聚体最少。在 2～ 0.25 mm粒级的团聚体中，WB、TB、WS、TS处理均较CK差异显著，增加幅度为TB>WS> TS> WB，其中TB处理的水溶性物质有机碳含量最高，为0.35 g/kg。在0.25～0.053 mm粒级团聚体中， WS、TS处理较CK差异显著，且WS处理较CK提高50%，在<0.053 mm粒级团聚体中，除TB处理较CK差异显著外，其他处理无明显差异，至180 d培养结束时，土壤各粒级团聚体水溶性有机碳含量变化与30 d培养规律一致，基本表现为含碳量呈现从大粒级向小粒级递减的趋势，2～0.25 mm粒级与0.25～0.053 mm粒级团聚体各处理的水溶性物质有机碳含量均较30 d培养有所降低，在2～0.25 mm粒级的团聚体中，WB、TB、WS处理水溶性物质有机碳含量较CK增高，其中WB处理表现最为显著，较CK提高81%，在0.25～0.053 mm粒级团聚体中，各处理较CK差异显著，增幅表现为TS>WS>TB>WB，在<0.053 mm粒级团聚体中，各处理较CK差异不显著。
　　2.2 不同有机物料对土壤团聚体胡敏酸有机碳含量的影响
　　由表2可知，在培养30 d时，各粒级团聚体中胡敏酸有机碳含量WS与TS处理较CK增加，在2～0.25 mm粒级中，WS与TS处理比CK分别增加5.2%与14.7%，在0.25～0.053 mm粒级中，WS处理胡敏酸有机碳含量为3.24 g/kg，显著高于其他处理。在<0.053 mm粒级的团聚体中，各处理均较CK显著增加。培养180 d时，各粒级胡敏酸有机碳含量逐渐减少，变化趋势与培养30 d时的相似，<0.053 mm粒级团聚体的胡敏酸有机碳含量高于2～0.25、 0.25～ 0.053 mm粒级团聚体。就同一粒级而言，2～0.25 mm粒级与 0.25～ 0.053 mm粒级各处理均较CK显著提高，而在<0.053 mm粒级的团聚体中仅TB、TS处理显著低于CK。
　　2.3 不同有机物料对土壤团聚体富里酸有机碳含量的影响
　　由表3可知，在培养30 d与180 d后，就相同处理而言，2～0.25 mm粒级与0.25～0.053 mm粒级团聚体的富里酸有机碳含量均较<0.053 mm粒级的团聚体差异显著。就相同粒级而言，在30 d培养期后0.25～0.053 mm粒级团聚体的富里酸有机碳含量最高，随着培养时间的延长，其含量逐渐减小。就相同粒级而言，在2～0.25 mm粒级团聚体中，各处理均较CK显著提高，其中TB处理较CK提高49.2%，到180 d培养结束时，各处理与CK差异依旧显著。在0.25～0.053 mm粒级团聚体中，培养30 d时，除TB处理外，其他处理富里酸有机碳含量均比CK显著提高，到180 d培养期结束时仅TS处理提高幅度较大，与CK差异显著;在<0.053 mm粒级团聚体中，30 d与180 d培养后的富里酸有机碳含量在同一水平。
　　2.4 不同有机物料对土壤团聚体胡敏素有机碳含量的影响
　　由表4看出，培养30 d时，在2～0.25 mm粒级团聚体中，WB、TB、WS、TS处理分别较CK提高55.2%、64.5%、52.5%、58.8%，且TB、TS处理较WB与WS差异显著;在0.25～0.053 mm粒级团聚体中，各处理均较CK显著提高，且TB处理胡敏素有机碳含量最高，较其他处理差异显著;<0.053 mm粒级团聚体中也表现出同样的规律，其中WB处理胡敏素有机碳含量最高，显著高于其它处理。培养180 d，各粒级的胡敏素有机碳含量有降低的趋势，且各处理对土壤团聚体胡敏素有机碳含量的影响与30 d相似。
　　2.5 不同有机物料对土壤团聚体腐殖质E4/E6的影响
　　由图1可知，经过30 d培养后的土壤中，CK、WB、TB、WS、TS各粒级的E4/E6值分别在 6.70～ 7.60、5.77～6.55、5.43～6.85、5.30～7.18、 6.00～ 7.40。CK、WS与TS处理的HE提取液E4/E6值均表现为2～0.25 mm粒级较0.25～ 0.053mm与<0.053 mm粒级差异显著，WB与TB处理在2～0.25 mm粒级中的E4/E6值较其他处理显著降低，表明添加生物质炭处理可提取腐殖质芳香化度高，腐殖化度较高。至180 d时，各处理不同粒级E4/E6值均有不同幅度的增高，表明随时间的延长，可提取腐殖质的芳香度逐渐变小，保持相对稳定的状态。由图2看出，HA提取液的E4/E6值，<0.053 mm粒级的团聚体中各处理180 d较30 d有所降低，其他粒级的E4/E6值一直保持相对稳定，各处理间无明显规律。
　　与培养30 d相比，培养180 d后，施用生物质炭处理在2～0.25 mm和0.25～0.053 mm粒级HE、HA的E4/E6值均呈增高趋势。尤其是HE在2～0.25 mm粒级WB和TB处理分别由5.88、 5.43 增加到6.99和6.89;而HA在0.25～0.053 mm粒级WB和TB处理分别由6.15、6.13增加到6.37和6.66。相反，与培养30 d相比，秸秆处理培养180 d后在2～0.25 mm粒级，HE、HA的E4/E6值均呈降低趋势。WS和TS处理HE的E4/E6值分别由7.18、7.40降低到6.97和7.12，而HA的E4/E6值分别由6.67、6.62降低到 6.17 和6.25。添加生物质炭后土壤大团聚体HE和HA逐渐简单化，而添加秸秆HE和HA逐渐复杂化。 　　3 讨论
　　土壤腐殖质是碳平衡过程中重要的碳库，在全球SOC 的循环及转化中有重要作用[20]。而生物质炭在土壤碳库中是惰性部分的重要组成部分，也是土壤腐殖质的来源之一[21]。 本研究结果表明，向土壤中添加生物质炭及秸秆可提高土壤腐殖质有机碳含量，这与Wang等[22]的研究结果是一致的。腐殖质有机碳含量提高的原因主要是以下两个方面：一方面，生物质炭作为外源有机质，自身有机质含量高具有大量的碳元素[23]，是土壤有机碳库的重要组成部分之一，对腐殖质有机碳含量提高起到直接作用。另一方面，生物质炭进入土壤后，随着时间的延长不断自然降解，成为微生物的新碳源，促进微生物的生长增加其数量[24]，进而增强土壤中微生物的活动，微生物活动的增强又反过来促进生物质炭向腐殖质有机碳的转换[25]。
　　本研究发现，秸秆或生物质炭添加到土壤中，首先增加了大团聚体水溶性有机碳及可提取腐殖物质含量，随着培养时间的延长，大团聚体中水溶性有机碳和可提取腐殖物质含量降低，但仍高于对照。生物质炭与秸秆首先增加了大团聚体中胡敏酸和富里酸的含量，随着培养时间的延长，大团聚体中富里酸含量降低，而添加秸秆处理富里酸在微团聚体中增加。总结腐殖质各组分所有结果后发现，生物质炭及秸秆对土壤团聚体腐殖质有机碳的提高主要在2～0.25 mm粒级与0.25～ 0.053mm粒级团聚体中。俞巧钢等[26]研究发现，稻田施用不同有机物料后，土壤团聚体主要分布在2～0.25 mm与0.25～0.053 mm两个粒级，团聚体颗粒含碳量随着粒径的减小而减少。腐殖质有机碳与总有机碳具有相同规律， HA与FA的有机碳含量主要分布在大团聚体内。Bongiovanni等[27]对森林和耕地土壤团聚体内的HS 进行了研究，结果表明，大团聚体内HA 和FA 的含量均高于微团聚体。窦森等[28]发现土壤大团聚体内的各腐殖质组分含量均高于微团聚体。本研究中FA的有机碳变化幅度较HA更大，且在HE提取液中，随着培养时间的延长各粒级的E4/E6值逐渐提高，而HA提取液中无明显变化，这可能胡敏酸与富里酸相互转化有关[29]。添加生物质炭和秸秆处理各粒级土壤团聚体中胡敏素含量均高于其他组分。尤其添加生物质炭处理胡敏素含量高于添加秸秆处理。大团聚体中，生物质炭处理2～0.25 mm粒级团聚体中胡敏素含量较高，而秸秆处理在0.25～0.053 mm粒级团聚体中胡敏素含量较高。可见在土壤中施加生物质炭及秸秆均会对土壤胡敏素有机碳的含量产生较大影响，且施加生物质炭的效果较秸秆更加明显。周桂玉等[30]通过室内短期培养研究不同来源生物质炭结构及其对土壤腐殖质组成的影响，结果表明添加生物质炭会显著增加Hu的数量。E4/E6值可以反映腐植酸分子中芳香环的芳构化度、分子量和缩合度等，比值大小与芳香化程度呈负相关，E4/E6值越大，说明芳香环的芳構化度、缩合度和分子量均较小;E4/E6值越小，说明芳香环的芳构化度、缩合度和分子量均较大[31]。本试验结果表明，随着培养时间延长，添加生物质炭后土壤大团聚体HE和HA逐渐简单化，而添加秸秆HE和HA逐渐复杂化。
　　4 结论
　　秸秆及生物质炭可显著提高土壤团聚体内腐殖物质的含量。无论是添加秸秆还是生物质炭，主要以胡敏素为主，并且首先增加大团聚体（> 0.25 mm）腐殖物质（包括胡敏酸、富里酸和胡敏素）含量，胡敏素在添加生物质炭处理的2～0.25 mm粒级团聚体中含量较高，而添加秸秆处理在0.25～0.053 mm粒级团聚体中含量较高。随着培养时间延长，大团聚体内腐殖物质含量降低，微团聚体中腐殖物质含量增加，腐殖物质逐渐由大团聚体向微团聚体中转化。添加生物质炭后土壤HE和HA逐渐简单化，而添加秸秆土壤HE和HA逐渐复杂化。
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