玉米秸稈與秸稈生物炭對2種黑土有機碳含量及碳庫指數的影響

王宏燕+許毛毛+孟雨田+李曉慶+高敬堯+郝帥

摘要：采用室內培養的方法，研究玉米秸稈、玉米秸稈炭和兩者混合配施添加到有機碳含量不同的2種黑土之后對土壤礦化、土壤有機碳組分及土壤碳庫的影響，為不同退化程度黑土的修復提供依據。結果發現，秸稈施入低有機碳土壤的CO2釋放量高于高有機碳土壤，秸稈炭施入對2種黑土CO2釋放無顯著影響；秸稈對高有機碳土壤有機碳含量提高更顯著，秸稈炭能提高2種黑土的有機碳含量；秸稈提升黑土活性有機碳含量，秸稈炭施入降低了黑土活性有機碳含量，2種土壤之間無明顯差異；秸稈與秸稈炭配施提高黑土的微生物量碳含量效果最佳，且對高有機碳土壤提升更大；秸稈施入對高有機碳黑土的可礦化碳含量增加影響更大，秸稈炭降低了2種黑土可礦化碳含量。另外，秸稈與秸稈炭的施入對低有機碳土壤的碳庫管理指數影響更大。結果表明，秸稈與秸稈炭混合配施，在保障養分供應的同時能提高土壤有機碳的儲量。對于低有機碳黑土，適當增加秸稈炭的施入，更利于有機碳的固持；對于高有機碳土壤，宜適當提高秸稈的施入，可減少CO2釋放，提高土壤養分含量。

關鍵詞：黑土；秸稈；生物質炭；土壤礦化；有機碳組分；碳庫

中圖分類號： S181文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）12-0228-05

土壤有機碳是在土壤質量評價和土地可持續利用中需考慮的重要指標之一，其循環和轉化與土壤物理、化學及微生物性狀的改善密切相關[3-5]。郝翔翔等研究表明黑土土壤有機質含量與土壤的結構性、通氣性、滲透性、吸附性和緩沖性等都有密切的關系[6-7]。土壤活性有機碳是土壤中易氧化、易分解、易礦化高活性有機碳，能夠在土壤有機碳發生變化之前產生細微變化[8]。土壤微生物碳是土壤活性養分的儲存庫和植物生長可利用養分的重要來源，其大小可以反映土壤的同化和礦化能力以及土壤的活性[9-10]。土壤有機碳的礦化對土壤有機碳積累、大氣CO2排放有著直接深遠的影響[11]。Blair等認為土壤碳庫的變化主要發生在易氧化碳庫里，并提出土壤碳庫管理指數（CPMI）算法，該指數基于研究對象與參考土壤的活性有機質與土壤有機質，是評價土壤活性有機碳的指標[12]。

生物質炭（biochar）是指生物質在完全或部分缺氧環境下以及相對較低溫度（<700 ℃）的條件下，經熱裂解炭化形成的一種的固態產物[13]，生物炭含碳量豐富，擁有較大的孔隙度和比表面積，且具有高度羧酸酯化和芳香化結構，具有很強的吸附性和穩定性[14-16]。大量研究表明，添加生物炭可以提高土壤有機碳的含量，促進土壤團粒結構的形成，有助于植物生長[17]；施用生物質碳可增加土壤碳截留，降低碳排放，有效減緩溫室效應；Kuzyakov等認為添加生物炭能有效降低土壤有機碳礦化速率[18]。秸稈是農業生產中重要的肥料來源和潛在的碳庫能源，秸稈還田能提升土壤有機質含量和質量[19]，還能夠增加土壤活性碳、礦化碳、微生物碳和碳庫管理指數[20]。有研究表明添加有機物料及其生物炭對土壤碳化率及各組分有機碳含量的影響存在差異[21-22]。然而，秸稈炭化后和秸稈炭化前對不同有機質含量的黑土土壤碳庫的影響尚不清楚。本試驗采用恒溫恒濕的室內培養法，選擇2處有機碳含量差異較大的黑土土壤，添加等量的玉米秸稈及玉米秸稈炭，通過對土壤呼吸速率、有機碳組分、碳庫的影響研究，以期明確玉米秸稈炭化前后對有機碳含量不同的黑土土壤的影響差異，為黑土退化機理和實際應用提供參考依據。

1材料與方法

1.1試供土壤

供試土壤1為土壤有機碳含量低的黑土，取自東北農業大學校內試驗基地；供試土壤2為有機碳含量高的黑土，取自黑龍江省伊春市西林區陰陽屯。在2個土壤樣地均采用蛇形布點、多點混合的方法進行采樣，采集0～20 cm的表層土壤。將采集的土壤樣品風干，篩除植物殘體及其他固體物，磨細過2 mm篩備用（表1）。

1.2試供秸稈與秸稈炭

供試玉米秸稈取自黑龍江省哈爾濱市香坊農場試驗田，粉碎過 1 mm 篩；秸稈炭的生產設備采用筆者所在實驗室研制的連續式回轉窯生物炭化爐，炭化溫度為500 ℃，生產的秸（g/kg）土壤17.301.270.72153.057.4182.114.332.05土壤26.711.971.07214.571.4142.722.805.25

稈炭烘干后過1 mm篩，儲備供試驗用。供試玉米秸稈的全氮含量為10.8 g/kg、全磷含量為7.35 g/kg、全鉀含量為 7.55 g/kg、碳含量為462.6 g/kg、pH值為5.86；供試秸稈炭全氮含量為 11.1 g/kg、全磷含量為37.95 g/kg、全鉀含量為21.33 g/kg、碳含量為417.9 g/kg、pH值為9.41。

1.3試驗設計

本試驗共設8個處理，每個處理的土壤質量為100 g，玉米秸稈和秸稈炭按照質量比例與土壤混合。（1）土壤1（CK1）；（2）添加1%玉米秸稈的土壤1（S1）；（3）添加1%秸稈炭的土壤1（C1）；（4）添加0.5%玉米秸稈+0.5%秸稈炭的土壤1（M1）；（5）土壤2（CK2）；（6）添加1%玉米秸稈的土壤2（S2）；（7）添加1%秸稈炭的土壤2（C2）；（8）添加0.5%玉米秸稈+0.5%秸稈炭的土壤2（M2），每個處理設置3次重復。

將所有處理混合均勻，灌裝于500 mL的培養瓶內，調節培養瓶中土壤含水量至25%，置于（25±0.5） ℃恒溫箱中培養73 d，培養過程中利用重量法定期補充水分，保持其含水量恒定。

1.4測定的項目與方法

土壤基本性質測定按照土壤農化分析方法[23]進行，秸稈與秸稈炭的基礎指標測定參照有機肥料常規測定方法。分別在培養2、4、6、9、12、15、19、23、28、33、39、46、54、63、73 d對培養瓶進行排氣之后放入裝有NaOH的燒杯，密閉培養24 h之后，采用滴定法測定CO2釋放量，土壤CO2釋放量由CO2釋放速率計算而得；采用三氯甲烷熏蒸的方法測定土壤微生物量碳含量，采用333 mmol/L K2MnO4氧化法測定土壤活性有機碳含量，測定樣品565 nm分光光度，與不加土壤的空白樣吸光度相減，根據假設氧化過程中K2MnO4濃度變化 1 mmol/L 消耗0.75 mmol/L或9 mg碳，計算出被氧化的碳量[24]。endprint

在培養結束后，取 25.00 g 含水量為25%濕土平鋪在干燥培養瓶中，置于裝有NaOH的小燒杯中，培養5周，每周末用標準鹽酸滴定來測定CO2釋放量，可礦化有機碳含量=CO2釋放量/微生物量碳含量，用g/kg干土表示[25]。

土壤碳庫指數（CPMI）等相關指標參照徐明崗等的方法[26]計算。

碳庫管理指數（CPMI）=CPI×LI×100；碳庫指數（CPI）=樣品全碳含量/對照土壤全碳含量；碳庫活度（L）=活性碳含量/非活性碳含量；碳庫活度指數（LI）=樣品碳庫活度/原始土壤碳庫活度。

1.5數據分析

采用Excel 2007進行數據處理，采用SPSS 19.0進行單因素方差分析。

2結果與分析

2.1添加秸稈和秸稈炭對2種有機碳含量黑土呼吸速率、CO2排放量、礦化強度的影響

2.1.1添加秸稈與秸稈炭對2種有機碳含量的黑土呼吸速率動態變化的影響添加秸稈的4個處理S1、M1、S2、M2在培養時間內，均呈現CO2呼吸速率開始較快，之后趨于平緩的規律，與CK存在極顯著差異（P<0.01）；而添加秸稈炭處理與對照差異不大，CO2呼吸速率均處在一個很低的位置（圖1）。

在培養開始階段，各處理土壤CO2呼吸速率順序為S1>S2>M1>M2。添加玉米秸稈，低有機碳土壤的呼吸速率明顯高于高有機碳土壤，培養19 d秸稈添加處理的土壤CO2呼吸速率出現拐點，S2>S1，之后高有機碳土壤呼吸速率一直高于低有機碳土壤，直至培養時間結束，且整體S1較S2更早趨于平緩。添加一半秸稈的處理（混合處理）在培養6 d混合土壤CO2呼吸速率出現拐點，高有機碳土壤高于低有機碳土壤（圖1）。

2.1.2秸稈與秸稈炭添加對2種有機碳含量的黑土CO2累積釋放量的影響添加玉米秸稈、秸稈炭的土壤CO2釋放累積量包括土壤本身的呼吸及秸稈與秸稈炭分解所釋放的CO2。其變化與CO2釋放速率變化規律相符合。初始階段CO2呼吸的速率較快，隨著曲線的斜率逐漸減小，CO2累積釋放量趨于平衡點，釋放量大小順序為S1>S2>M2>M1>C2>CK2>C1>CK1。秸稈處理與對照相比存在極顯著差異（P<0.01），秸稈炭處理均高于對照，但秸稈炭處理與對照差異不顯著（圖2）。

在低有機碳土壤處理中，玉米秸稈處理土壤CO2總釋放量為8.55 g/kg、混合處理為4.86 g/kg，分別比對照（0.86 g/kg）提高7.69、4.00 g/kg；在高有機碳土壤處理中、玉米秸稈處理土壤CO2總釋放量為7.74 g/kg、混合處理為4.77 g/kg，分別比對照（1.23 g/kg）提高6.51、3.54 g/kg。可見，秸稈在低有機碳土壤中的分解量明顯高于其在高有機碳土壤中的分解量。

2.1.3添加玉米秸稈與秸稈炭對2種有機碳含量的黑土土壤礦化強度的影響土壤有機碳礦化強度為土壤CO2累積釋放量與土壤有機碳含量的比值（其中包括秸稈與秸稈炭分解所釋放的CO2）。2種不同有機碳含量的供試黑土的礦化

強度均表現為秸稈處理>混合處理>秸稈炭處理（圖3），其中秸稈處理、混合處理與對照存在極顯著差異（P<0.01），秸稈炭處理與對照無顯著差異。可以看出生物炭本身不易腐解或者不會促進土壤的礦化。秸稈在低有機碳黑土中的礦化速率高于高有機碳黑土，提高了25.07%，秸稈和秸稈炭混合處理呈同樣趨勢，礦化強度提高了13.56%。

2.1.4玉米秸稈與秸稈炭在2種有機碳含量黑土中的分解率培養73 d結束時，秸稈在黑土中的分解率明顯高于秸稈炭的分解率，秸稈炭基本未分解，且秸稈在低有機碳黑土中分解率高于高有機碳黑土中的分解率（圖4）。秸稈在低有機碳黑土中的分解率為18.4%，在高有機碳黑土中的分解率為 15.6%，降低了2.8百分點。秸稈炭在低有機碳黑土中的分解率為0.17%，在高有機碳黑土中的分解率為0.20%。可以看出秸稈在低有機碳黑土的分解率更高，秸稈炭在2種黑土中的分解率均很低。

2.2玉米秸稈與秸稈炭對不同有機碳含量黑土的有機碳組分及碳庫管理指數的影響

2.2.1施入玉米秸稈與秸稈炭后不同有機碳含量的2種黑土有機碳組分的變化各處理都不同程度提高了2種黑土土壤TOC含量，提高順序為秸稈炭處理>混合處理>秸稈處理，秸稈炭提高幅度最大（P<0.05），秸稈炭對2種黑土有機碳的提高幅度基本一致，分別提高5.82、5.72 mg/kg。秸稈處理效果低于秸稈炭處理，秸稈處理對高、低有機碳黑土TOC提高量分別為1.64、0.95 mg/kg（表2）。可以看出，秸稈對高有機碳黑土TOC含量的提高效果比低有機碳土壤更顯著。表2不同添加處理2

各處理對有機碳含量不同的2種黑土中MBC含量的影響順序為混合處理>秸稈處理>秸稈炭處理，混合處理、秸稈處理顯著提高了土壤MBC含量，秸稈炭處理對土壤MBC含量無顯著影響。其中，M1提高33.57 mg/kg，M2提高 38.79 mg/kg，S1提高12.73 mg/kg，S2提高28.37 mg/kg，C1提高 3.47 mg/kg，C2提高4.64 mg/kg（表2）。可見秸稈與秸稈炭混合施用對于黑土MBC含量的提高效果最佳，且對高有機碳含量的黑土提高效果更明顯。

不論高有機碳含量還是低有機碳含量的黑土處理中，秸稈施入明顯提高了土壤可礦化碳含量，而秸稈炭施入降低了土壤有機礦化碳含量，混合處理影響居中。由表2可以看出，秸稈對高有機碳土壤的潛在可礦化碳含量提高更明顯，同時，由高溫制備（500 ℃）得到的秸稈炭具有發達的空隙結構與比表面積，使秸稈炭進入土壤后，對土壤易礦化有機質起到了吸附保護作用[27]，但是在2種有機碳含量黑土之間無明顯差異（表2）。

2.2.2添加玉米秸稈與秸稈炭對有機碳含量不同的2種黑土土壤碳庫管理指數的影響添加秸稈顯著提高了不同有機碳含量的2種黑土土壤碳庫管理指數，秸稈炭降低了土壤碳庫管理指數（表3），混合處理雖然提高了土壤的碳庫指數，但是卻降低了碳庫活度指數，從而整體降低了土壤的碳庫管理指數。在低有機碳含量的黑土處理中，秸稈處理與配施處理的碳庫管理指數均有所提高，分別為17.02%、3.50%，說明秸稈施入可提高土壤碳庫管理指數；秸稈炭處理顯著降低了土壤碳庫管理指數，降低了12.70%。在高有機碳含量的黑土處理中，秸稈處理比對照提高了6.08%，配施與秸稈炭處理分別降低了2.29%、10.47%。在低有機碳黑土中，秸稈對于土壤CPMI的貢獻更大，秸稈炭對土壤CPMI值降低率更大；在高有機碳土壤黑土中，秸稈與秸稈炭對土壤CPMI的影響較緩，可見低有機碳黑土CPMI更易受到外界的影響。endprint

3討論

秸稈施入土壤能夠提高土壤的有機碳含量，改善土壤理化性質，補充土壤養分，但是其分解速率過快，不利于土壤有機碳的長期固持。有研究表明，秸稈對多個地區多種土壤均存在提高呼吸速率、增強土壤礦化強度的作用[28-29]。這是因為施用秸稈后產生了正激發效應[30]，使得土壤微生物活性提高，有機碳的分解速率提高，釋放CO2速度加快。在本研究中，秸稈施入低有機碳土壤后分解速率更快、CO2排放量更多，自身分解率也更高。一般認為低質量的土壤有機碳限制了土壤微生物生長所需的營養來源，限制了土壤的呼吸速率，施入新鮮有機碳會為微生物提供能力和營養，提高微生物活性，從而加速土壤有機碳的礦化[31-32]。至今還不能確定激發效應和土壤有機質含量之間的關系。同時，秸稈炭在2種有機碳含量的黑土中分解率均非常低，土壤CO2的釋放量與對照相比無顯著差異，這是因為生物炭具有較強的穩定性，不易被微生物分解。Zimmerman等認為因為生物炭具有強吸附性，土壤部分微生物附著于生物炭空隙中，減少了有機質與微生物的接觸，降低了生物炭的分解率[33]。說明了秸稈炭對土壤有機碳的增加與黑土本身的有機碳含量大小無關，間接說明秸稈炭對于土壤有機碳的固定有著重要的作用，所以在低有機碳土壤中適當增加秸稈炭的施入更利于土壤碳庫的儲存。

研究結果表明，施用秸稈與秸稈炭均能提高土壤有機碳的含量，秸稈炭由于其較強的穩定性，對2種土壤有機碳的提高基本一致，但是秸稈的施入對有機碳含量高的土壤提升更明顯，高有機碳含量土壤由于其自身微生物活性較高，更加利于土壤的碳化。土壤由于其背景值較高，有機碳變化表現存在一定的滯后性，然而，有機碳中有一些組分對其變化非常敏感，這部分稱為活性有機碳。本試驗中秸稈施入增加了其含量，秸稈炭施入降低了其含量，這與張杰等的研究結果[34]相似。但是對于2種黑土而言，其變化值之間基本一致，秸稈施入2種土壤對活性有機碳的提高值相似，是因為秸稈中易分解部分已基本分解完全，土壤的活性有機碳開始減少并趨于平衡。謝國雄等指出，低有機質土壤中加入C/N比高的生物質炭，會加劇微生物礦化有機質的過程中對N素需求的不足，抑制土壤有機質的礦化[35]。而對于高有機質土壤，本身具有足夠可礦化的碳源，添加活性較低的生物質炭反而會抑制有機碳的礦化。

微生物量碳是衡量土壤微生物活性的重要指標，不同的添加物對2種土壤MBC含量的影響為秸稈與秸稈炭配施>秸稈>秸稈炭，這與李有兵等的研究結果[21]一致，而且高有機碳土壤提高值均高于低有機碳土壤，主要是因為土壤本身微生物碳含量較高，更加利于秸稈的分解。土壤潛在可礦化碳（PMC）是指每單位微生物量產生的CO2量，是對微生物分解有機質的衡量指標，屬于活性有機碳的一種。秸稈施入對高有機碳黑土PMC提高更明顯，表明高有機碳土壤的微生物分解有機碳的能力較高；生物炭施入降低了2種黑土PMC，是因為生物炭在后期會降低土壤CO2的釋放[36]，從而降低土壤的可礦化碳，再者由于高有機碳土壤MBC較高，使得土壤潛在可礦化碳低于低有機碳土壤。

楊旭等研究表明與秸稈炭化相比，秸稈直接還田對CPMI的效果更明顯[37]，本試驗也取得了相似的結果。本研究中秸稈炭施入降低了CPMI，原因在于秸稈碳化還田主要貢獻是穩態碳，提高土壤總碳庫，但是對于土壤活性卻沒有提高，造成了其CPMI低于參考土壤。同時，添加秸稈與秸稈炭對低有機碳土壤CPMI的影響更明顯，低有機碳土壤的生態系統較弱，更易受外界的干擾。

4結論

秸稈與秸稈炭的施入因土壤的有機質含量不同而存在差異，宜因地制宜地選擇秸稈還田的方式。單施秸稈雖然養分補充明顯，但是CO2釋放較多，單施秸稈炭雖然短期內可提升有機碳的含量，對土壤養分補充較小。秸稈與秸稈炭混合配施對于低有機碳土壤的改良、高有機碳土壤的保持效果最佳。在低有機碳土壤中，秸稈分解率更高，CO2釋放量更高，不利于碳的儲存；生物炭對于土壤有機碳的提高具有一致性，所以在低有機碳土壤中適當增加生物炭的施入，不僅利于土壤的固碳減排，同時利于土壤有機碳的提高；秸稈施入高有機碳土壤中，對土壤有機碳、土壤微生物碳和可礦化碳提高效果更明顯，所以在高有機碳土壤中適當增加秸稈的施入，更利于土壤活性組分和碳庫管理指數的提升。

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