等碳量玉米秸稈及其腐解、炭化材料還田對黑土腐殖質的影響

邵滿嬌，竇 森*，謝祖彬

（1.吉林農業大學資源與環境學院，長春 130118；2.吉林省商品糧基地土壤資源可持續利用重點實驗室，長春 130118；3.土壤與農業可持續發展國家重點實驗室，中國科學院南京土壤研究所，南京 210008）

我國農作物秸稈產量巨大，是世界上秸稈資源總量最豐富的國家之一[1]，并且秸稈種類繁多，其中秸稈數量以水稻、小麥和玉米最多，作物秸稈中含有大量的氮、磷、鉀等養分，三大作物秸稈氮、磷、鉀養分數量分別占到總量的68.8%、74.0%、73.9%，總養分占到總量的72.3%[2]。但是秸稈利用率不足，大量秸稈被焚燒或閑置。因此，農作物秸稈的利用和秸稈焚燒問題受到了國內學者的廣泛關注[3-5]。秸稈還田可以有效解決秸稈利用問題，同時改善土壤性質[6]。

秸稈中含有大量的新鮮有機物料，在歸還農田以后，經過腐解會轉化成有機質和速效養分。研究表明，微生物是土壤有機質分解和轉化的主要驅動力[7]，秸稈還田可以刺激微生物增殖，提高土壤有機碳含量[8-9]，同時可以提高土壤有效含水量、孔隙度和土壤團聚體穩定性[10]，降低土壤容重，改善土壤理化性質，提高作物產量[11]。朱青藤等[12]研究結果表明，施有機肥和秸稈還田處理的土壤胡敏酸（HA）的脂族性增強，芳香度下降。

玉米秸稈在堆腐過程中，木質素以及一些分解的中間產物在微生物和酶的作用下合成了胡敏酸和富里酸，有利于土壤有機質的增加。研究表明，施用堆肥可以提高土壤有機質、氮、磷、鉀含量及土壤含水量[13]，降低土壤容重[14]，提高土壤肥力和作物產量[15]。

玉米秸稈生物質炭是玉米秸稈在高溫無氧或少氧條件下熱裂解而成的。生物質炭作為土壤改良劑不僅可以顯著增加土壤有機碳含量和pH值[16]、提高土壤質量、減少養分浸出[17]、提高土壤肥力[18]、促進作物生長、提高產量[19]，而且有很好的固碳作用，減少溫室氣體排放[20-21]，在農田施用生物質炭作為一種有效的碳封存技術更是得到了廣泛應用。

雖然國內外學者對玉米秸稈直接還田、腐熟秸稈還田和生物質炭還田都做了大量試驗，但是具體哪一種還田方式對改善土壤性質的效果更好，還沒有在同一試驗、同等條件下進行對比研究。因此，本文通過盆栽試驗，將等碳量的玉米秸稈、腐熟秸稈和玉米秸稈生物質炭施入盆栽土壤中，研究其對土壤腐殖質組成和胡敏酸結構的影響。以期為提高土壤固碳能力，解決秸稈利用問題提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗所用土壤于2016年5月采自吉林農業大學玉米試驗田（43°49′5″N，125°24′8″E），采樣深度為0～20 cm，土壤類型為半濕溫半淋溶土亞綱黑土類，相當于美國系統分類的粘淀濕潤軟土（Argi?udolls）。該土壤基本性質如下：有機質含量為26.43 g·kg-1、全氮含量為 1.42 g·kg-1、全磷含量為 0.51 g·kg-1、堿解氮 79.84 mg·kg-1、有效磷含量為 24.12 mg·kg-1、速效鉀88.73 mg·kg-1、pH為6.72、C/N為10.8。

供試玉米秸稈（Corn Straw，CS）來自吉林農業大學試驗田，經60℃烘干后粉碎過100目篩備用。

供試腐熟秸稈（Humified Corn Straw，HCS）2016年由吉林省農科院公主嶺肥料廠提供，將樣品經60℃烘干后，粉碎過100目篩備用。

供試玉米秸稈生物質炭（Biochar，Bc）2016年由長春市萬合木炭開發有限公司在450℃高溫無氧條件下制備而成。在生產生物炭之前，先將準備好的玉米秸稈放入80℃的烘箱內烘12 h，以減少其水分含量，之后再放入高溫炭化爐內，抽到真空無氧條件后充入高純氮氣3次（氮氣流量控制在230～260 L·h-1之間），接著將高溫炭化爐溫度緩慢升溫至450℃，對玉米秸稈進行高溫煅燒持續12 h后，即得到生物質炭。待其自然冷卻降溫后，取出研磨過0.15 mm篩備用。

供試玉米秸稈、腐熟秸稈和玉米秸稈生物質炭的原材料均是來自吉林省中部典型黑土區的玉米秸稈，差別不大，其微小差異要遠遠小于腐解和炭化之后的差異。供試玉米秸稈、腐熟秸稈和玉米秸稈生物質炭的基本性質見表1。

表1 供試材料的基本性質Table 1 Basic properties of the materials in the experiment

1.2 試驗設計

選用高型PE塑料桶進行盆栽試驗，桶底直徑為28 cm，桶口直徑39 cm，桶高44 cm。試驗共設4個處理，分別是不施加有機物料的對照（CK）、施加玉米秸稈（CS）、施加腐熟玉米秸稈（HCS）和施加玉米秸稈生物質炭（Bc）。每個處理3次重復，共12桶。玉米秸稈施用量按年產量12 000 kg·hm-2全量還田進行計算，每桶施用267 g，相當于每公斤土施入5.33 g玉米秸稈，相當于每桶116.8 g碳量。腐熟秸稈和生物質炭施用量按等碳量每桶116.8 g計算，腐熟秸稈每桶施用656 g，相當于每公斤土施用13.12 g腐熟秸稈；生物質炭每桶施用214 g，相當于每公斤土施用4.28 g生物質炭。分別于2016年5月和2017年5月施加有機物料，將黑土過2 cm篩以除去石塊等雜質，每桶裝25 kg土，將有機物料與土混勻后裝桶，由于HCS的C/N比已接近20∶1，固未作調整，而CS和Bc處理用尿素調秸稈C/N為20∶1。種植玉米種子3粒，品種為翔玉998（吉林省鴻翔農業集團鴻翔種業有限公司）。每桶施尿素18.71 g，磷酸二銨22.00 g，氯化鉀8.20 g，盆栽露天放置，出苗后選取長勢較好的保留。于2017年10月1日采集0～20 cm土層土壤，選取三點取樣，取出后混勻，進行分析化驗。

1.3 分析方法

1.3.1 腐殖質組成的測定

采用腐殖質組成修改法[22-23]，對土壤樣品進行腐殖質定量分組，提取水溶性物質（WSS）、腐殖物質（HE）、富里酸（FA）、胡敏酸（HA）和胡敏素（HM）。WSS、HE、HA含碳量采用重鉻酸鉀氧化法測定，FA含碳量采用差減法得到，即FA含碳量=HE含碳量-HA含碳量。PQ值=HA含碳量/HE含碳量。

1.3.2 HA樣品的提取與純化

采用IHSS國際腐殖質協會推薦的方法[24]，對土壤HA進行定性分離，稱取過2 mm篩風干土樣100 g，按土水比1∶10加入0.1 mol·L-1的 HCl，低速離心后棄掉上清液。在氮氣條件下加0.1 mol·L-1NaOH調至土水比1∶10，用1 mol·L-1NaOH調至pH=13～14提取HE溶液，用6 mol·L-1的HCl將HE酸化（pH=1.0），沉淀用0.1 mol·L-1的KOH溶解，之后用適量1 mol·L-1的KOH調節pH=13～14，溶液高速離心，保留上清液。用6 mol·L-1的HCl調節上清液pH=1.0，放置12～16 h后高速離心，棄掉上清液。用30 mL的HCl（0.1 mol·L-1）+HF（0.3 mol·L-1）浸泡HA，室溫下振蕩過夜后高速離心，棄掉上清液。電滲析除去氯離子，最后再用旋轉蒸發、凍干去其水分后即得提純好的胡敏酸樣品。

1.3.3 HA的結構表征方法

元素組成測定：

稱取 1～1.5 mg HA樣品，應用 Vario-EL-III（Hanau，Germany）元素分析儀進行C、H、N質量分數測定，O+S質量分數用差減法計算，即：（O+S）%=100%-（C%+H%+N%）。

紅外光譜分析：

采用KBr壓片法，在美國Nicolet-AV360紅外光譜儀上測定，波數范圍為4000～400 cm-1，通過OMN?IC軟件對紅外譜圖進行特征峰選取，并采用半定量分析方法對不同波數的特征吸收峰進行峰面積計算，用某一峰面積占各峰總面積的百分比表示其峰強度，并采用Origin將紅外光譜進行疊圖。

差熱和熱重分析及灰分測定：

HA差熱和熱重分析應用德國耐馳熱重同步分析儀（德國NETZSCH STA 2500 Regulus），稱取3～10 mg HA樣品，設置溫度范圍在35～750℃，升溫速率15℃·min-1，在空氣作為保護氣的條件下，把樣品放入Al2O3坩堝內進行測定。用儀器自帶的Proteus Thermal Analysis軟件分析各樣品的差熱和熱重曲線，測量峰面積，計算反應熱，進行半定量分析，并采用Origin軟件進行疊圖。同時，利用熱失重計算HA樣品的灰分含量。

1.4 統計分析

采用Microsoft Office Excel 2007軟件進行數據分析處理，采用SPSS Statistics17.0進行統計分析和差異顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳含量及腐殖質組成

玉米秸稈及其腐解、炭化材料對土壤腐殖質各組分有機碳含量的影響如表2所示。各處理土壤總有機碳含量表現為：Bc＞HCS＞CS＞CK，與CK 相比，Bc、HCS和CS處理下土壤總有機碳（SOC）分別增加了18.20%、17.36%和1.45%；WSS含碳量分別增加36.36%、36.36%、18.18%；HM 含 碳 量 分 別 增 加28.91%、24.69%、1.25%；HA含碳量分別增加21.64%、19.65%、8.46%；FA含量顯著減少。

PQ值是HA在可提取腐殖物質中所占的比例，是反映土壤有機質腐殖化程度的重要指標。從表2可以看出，Bc、HCS和CS 3種處理的土壤PQ值顯著增加，從CK的62.86%分別增加到74.16%、69.86%和67.47 %。說明Bc、HCS和CS 3種處理有利于增加土壤有機質腐殖化程度，其中Bc處理最顯著。

2.2 HA元素組成分析

腐殖物質主要由C、H、O、N、S等元素組成，土壤HA元素組成見表3。與CK相比，Bc、HCS和CS 3種處理土壤HA的C和H元素含量均增加，C含量分別增加24.7、18.8 g·kg-1和14.2 g·kg-1；H含量分別增加0.76、3.93 g·kg-1和2.09 g·kg-1；O+S含量和（O+S）/C比均減少。CS和HCS處理N含量分別增加0.50 g·kg-1和1.24 g·kg-1，H/C比顯著增大；Bc處理N含量減少0.47 g·kg-1，H/C比顯著減小。一般認為O/C與HA氧化度呈正相關，H/C比與縮合度呈反相關。因此Bc、HCS和CS 3種處理土壤HA氧化度下降，大小表現為CK＞CS＞HCS＞Bc。H/C大小表現為HCS＞CS＞CK＞Bc，說明CS和HCS處理HA縮合度下降，而Bc處理HA縮合度增強。

2.3 HA紅外光譜分析

使用紅外光譜測定HA結構，可以反映HA官能團組成等特點。HA的紅外光譜（IR）如圖1所示。HA 的主要特征峰出現在 2920、2850、1720、1620、1400 cm-1和1050 cm-1處。2920 cm-1代表不對稱脂族C-H伸縮振動，2850 cm-1代表-CH2-對稱脂族C-H伸縮振動，1720 cm-1代表羧基的C=O伸縮振動，1620cm-1代表芳香C=C伸縮振動，1400 cm-1代表脂族C-H變形，鄰位取代芳香環的伸縮振動，1050 cm-1代表硅酸鹽雜質和脂族C-O伸縮振動。

表2 施加玉米秸稈及其腐解、炭化材料對土壤腐殖質各組分含碳量的影響Table 2 Effects of applied corn straw and its humified and carbonized materials on SOC and TOC of every component of soil humic substance

表3 施加玉米秸稈及其腐解、炭化材料對土壤HA的元素組成的影響（無水無灰基）Table 3 Effects of applied corn straw and its humified and carbonized materials on elemental composition of HA（moisture and ash free basis）

半定量分析HA的IR光譜主要吸收峰相對強度見表4。與CK相比，Bc、HCS和CS 3種處理在1720 cm-1處HA吸收峰的相對強度均減小，說明3種有機物料處理的土壤HA氧化度下降；CS和HCS處理在2920、2850、1400 cm-1和1050 cm-1處HA吸收峰的相對強度均增大，在1620 cm-1處減小，Bc處理反之。由于HA的灰分含量僅為1%左右，所以Si-O幾乎不起作用，因此CS和HCS處理在1050 cm-1處HA吸收峰的相對強度增大，是脂族C-O振動增強的結果，這與CS和HCS處理在2920 cm-1和2850 cm-1處HA吸收峰的相對強度增大一致，表明了CS和HCS處理使得土壤HA分子脂族性增強。2920/1620比值可以反映HA脂族性和芳香性的強弱。與CK相比，CS和HCS處理均使得HA分子2920/1620比增大，說明施加玉米秸稈和腐熟秸稈使得土壤HA分子脂族性增強，芳香性下降，分子結構簡單化，且HCS處理效果更顯著。而Bc處理HA分子2920/1620比值減小，說明施加生物質炭使得HA分子芳香性增強，脂族性下降。

圖1 施加玉米秸稈及其腐解、炭化材料對HA的IR譜圖的影響Figure 1 Effects of applied corn straw and its humified and carbonized materials on FTIR spectra of soil HA

2.4 HA差熱和熱重分析

差熱分析是熱分析技術中最成熟和應用最廣泛的技術。在逐步的程序升溫過程中，HA結構被破壞，釋放出中間產物，從而對其結構進行定性研究。中溫放熱和失重代表HA分子中脂族化合物的分解和外圍官能團的脫羧等放熱反應；高溫放熱和失重是HA完全氧化和分子內部芳香化合物分解的結果。高溫放熱峰峰溫越高，代表其結構穩定性越強。

各處理HA的差熱（DTA）和熱重分析曲線（TG）見圖2和圖3。如圖2所示，樣品在受熱分解過程中主要有兩個放熱峰：中溫放熱峰（331～347℃）和高溫放熱峰（469～520℃）。CK處理下HA的中溫峰溫為331℃，均低于其他處理。高溫峰溫的大小順序為Bc（520℃）＞HCS（506℃）＞CS（490℃）＞CK（469℃）。

圖2 施加玉米秸稈及其腐解、炭化材料對HA的DTA曲線的影響Figure 2 Effects of applied corn straw and its humified and carbonized materials on DTA curve of HA

表4 施加玉米秸稈及其腐解、炭化材料對HA的IR光譜主要吸收峰相對強度的影響Table 4 Effects of applied corn straw and its humified and carbonized materials on relative intensity of the main peaks of IR spectrum of HA in dark soil

圖3 施加玉米秸稈及其腐解、炭化材料對HA的TG曲線的影響Figure 3 Effects of applied corn straw and its humified and carbonized materials on TG curve of HA

半定量積分結果（表5）表明，與CK相比，CS和HCS處理中溫放熱量和失重有所增加，高溫放熱量和失重減少，且高溫/中溫放熱比和失重比顯著降低。而Bc處理中溫放熱量和失重減少，高溫放熱量和失重增加，且高溫/中溫放熱比和失重比顯著增加。說明施加玉米秸稈和腐熟秸稈使得土壤HA分子脂族性增強，芳香性下降，分子結構簡單化，而施加生物質炭使得HA分子芳香性增強，脂族性下降。

與CK相比，CS和HCS處理的高溫放熱峰峰溫相對降低，說明施加玉米秸稈和腐熟秸稈的土壤HA活性增強，而Bc處理的高溫放熱峰峰溫增高，達到了520℃，說明施加生物質炭后HA穩定性增強。

3 討論

3.1 在增加土壤有機碳含量，改善腐殖質組成方面的作用

本文研究結果表明，與CK相比，Bc、HCS和CS處理均有利于提高土壤和腐殖質各組分有機碳含量以及腐殖化程度（PQ），且Bc＞HCS＞CS＞CK。這是由于玉米秸稈中含有大量的有機物料，還田后秸稈有機碳的礦化和腐殖化作用增強，促進了HA的形成，從而提高了土壤腐殖化程度[25]；同時為微生物提供了豐富的碳源，刺激了土壤微生物的增殖[26]，從而促進土壤的腐殖化，有利于土壤HA的合成，且FA有向HA轉化的可能[27]。玉米秸稈經堆腐后各組分發生極其復雜的變化，在微生物及酶的作用下木質素以及分解的中間產物如多元酚、多元醌可與蛋白質、氨基酸等縮合成為高分子的腐殖質，如胡敏酸和富里酸，這些新合成的腐殖質進入土壤后，對更新土壤有機質具有重要作用[28]。

Bc、HCS、CS 3種處理相比，Bc處理對于提高土壤有機碳含量，改善腐殖質組成的效果最顯著，這是因為生物質炭作為外源有機質，本身含有大量的C元素，可以直接增加土壤有機碳含量；同時，生物質炭進入土壤后，其脂族碳部分容易礦化，轉化為HA等物質[29]，從而改善了土壤腐殖質組分，提高土壤的PQ值。因此，施加生物質炭更有利于土壤的固碳能力，改善腐殖質組成。

3.2 不同還田材料對HA結構性質的影響

本研究表明，施加玉米秸稈和腐熟秸稈使得土壤HA分子脂族性增強，芳香性和縮合度下降，分子結構簡單化，活性增強。這可能是因為秸稈本身含有豐富的脂族化合物，秸稈在分解的過程中脂族性碳向腐殖質轉化，使得土壤HA結構中含有較多的脂族鏈烴。吳景貴等[30]研究表明，玉米秸稈腐解形成的胡敏酸的碳組成可分成三個部分：脂肪族碳、芳香族碳和羧基碳，它們的含量分別為59.62%、26.94%和13.44%。因此腐熟秸稈施入土壤后，土壤HA脂肪族碳比例增多。

而生物質炭的施用使得土壤HA分子芳香性和縮合度增強，脂族性下降，穩定性增強。一方面這可能是由于試驗所用生物質炭的H/C比要比玉米秸稈和腐熟秸稈小得多（表1）。Fuertes等[31]研究也表明，生物質炭的H/C比要明顯小于玉米秸稈。另一方面，由于脂族性分子結構較小，容易被生物質炭吸附，而芳香性分子結構較大不易被生物質炭吸附，所以生物質炭的施用可以增加土壤中溶解性有機質結構的芳香性[32]。研究表明，生物質炭本身化學結構中含有豐富的芳香結構，使得其結構的穩定性較強[33-34]。Raya-Moreno等[35]通過馬弗爐測量不同溫度下施加生物質炭的土壤和對照土壤的有機質含量，也表明了施加生物質炭的土壤熱穩定性顯著增加。

表5 施加玉米秸稈及其腐解、炭化材料對土壤HA放熱和失重的影響Table 5 Effects of applied corn straw and its humified and carbonized materials on exothermic heat and mass loss of HA

因此，秸稈和腐熟秸稈還田有利于增強HA的活性，而生物質炭還田更有利于增強HA穩定性，提高土壤固碳能力。

4 結論

（1）3種有機物料處理均有利于增加土壤有機碳含量，改善腐殖質組成。生物質炭、腐熟秸稈和玉米秸稈處理下SOC分別增加了18.20%、17.36%和1.45%；WSS含碳量分別增加 36.36%、36.36%、18.18%；HM含碳量分別增加28.91%、24.69%、1.25%；HA含碳量分別增加21.64%、19.65%、8.46%；FA含碳量顯著減少；PQ值從對照處理的62.86%分別增加到74.16%、69.86%和67.47%。

（2）不同材料對HA分子結構的影響不同，玉米秸稈和腐熟秸稈處理的HA分子H/C和2920/1620比值增大，高溫/中溫放熱比和失重比顯著降低，說明施加秸稈和腐熟秸稈使得HA分子縮合度和芳香性下降，脂族性增強，有利于HA分子向簡單化方向發展；而生物質炭處理的HA分子H/C和2920/1620比值減小，高溫/中溫放熱比和失重比增加，說明施加生物質炭使得HA分子脂族與芳香碳比例下降，縮合度和芳香性增強，更有利于HA分子的穩定。