添加生物質炭對黃土高原旱作農田土壤養分、腐殖質及其組分的影響

潘占東，馬倩倩，陳曉龍，蔡立群*，蔡雪梅，董博，武均，張仁陟

（1.甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅蘭州 730070；3.甘肅省農業科學院土壤肥料與節水農業研究所甘肅省新型肥料創制工程實驗室，甘肅蘭州 730070）

近年來，水土流失、不合理的農業生產及土地利用方式導致部分耕地土壤質量降低［1］。當前，提升土壤質量、保持農業可持續發展是亟待解決的問題。長期探索發現，添加生物質炭是一種可能的、有效的土壤改良措施［2-4］。生物質炭是在無氧或低氧條件下，生物質經熱解后產生的高度芳香化的含碳固體產品［4-5］。生物炭可以影響土壤理化性質、微生物活性、作物生長：生物質炭能夠改變草甸黑土腐殖質組成，對土壤腐殖質具有調控作用［4-6］，可提高土壤碳、氮的組分及含量［7-9］；由于穩定的碳含量和較大的比表面積［10］，生物質炭能夠改善土壤總有機碳（total organic carbon，TOC）含量和土壤腐殖質（humus，HS）組成［11］，促進良好土壤結構的形成［12-13］；調節土壤微生物活動，促進作物生長［14-15］。另外，生物質炭對土壤碳庫的穩定［16］、減緩溫室氣體排放［17-19］起促進作用。生物質炭添加的時間和用量的改變也會影響土壤的養分狀況［20-23］。

土壤有機碳是土壤質量的核心，根據密度分級法可分為輕組有機碳（light fraction organic carbon，LFOC）和重組有機碳（heavy fraction organic carbon，HFOC）；輕組有機碳是土壤活性有機碳庫的重要表征之一［24］，重組有機碳也被稱為土壤腐殖質。土壤腐殖質是土壤有機碳的重要組成部分，也是生物圈中有機碳的主要儲藏庫，對促進土壤結構形成、養分積累等方面起重要作用［25］，被認為是健康肥沃土壤最重要的構成部分［3］。不同結合形態反映了土壤有機無機復合體中腐殖質與黏土礦物結合的松緊程度不同，因此在肥力特性上也存在差異［26］。周桂玉等［27］通過培養實驗發現，添加秸稈生物質炭45 d后能夠提高東北草甸黑土土壤有效養分和有機碳含量，進而提高土壤肥力；張葛等［28］發現添加48 t·hm-2麥秸生物質炭1年后有利于東部沿海地區水稻（Oryza sativa）土土壤及其腐殖質組分有機碳的積累；馬莉等［8］發現施用生物質炭能夠顯著提高新疆灰漠土土壤總有機碳，且隨施用量的增大，提高作用越明顯。

黃綿土是黃土高原最重要的土壤類型，土質疏松、土層深厚，主要分布在地形較為破碎的塬、梁、峁及川臺等部位。該區域水土流失嚴重，土壤養分、質量下降。生物質炭在土壤改良方面得到了廣泛應用，能提高作物產量和土壤生物活性水平［29］。然而，生物質炭是否可以通過改善土壤養分、腐殖質組成及含量來提高黃綿土理化性質尚不清楚。本研究依托甘肅農業大學旱作農業綜合試驗站長期定位試驗，以黃綿土為研究對象，分析施用生物質炭4年對土壤結合態腐殖質及組分的影響，以期探究生物質炭對黃綿土腐殖質的作用，揭示其與土壤有機碳固持和土壤肥力之間的關系，為生物質炭在黃土高原黃綿土固碳、土壤改良和農業生產上的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗田設于甘肅農業大學旱作農業綜合試驗站，位于甘肅省定西市安定區李家堡鎮。該區屬于黃土高原丘陵溝壑區，為典型的雨養旱作農業區。平均海拔2000 m，年均日照時間2476.6 h，年均氣溫6.5℃，近幾年年均降水量390.9 mm。土壤類型為黃綿土，土質綿軟，土層深厚，質地均勻，儲水性能良好。土壤p H為8.36，土壤平均容重為1.17 g·cm-3，凋萎含水率7.3%，飽和含水率21.9%，有機質含量12.01 g·kg-1，全氮0.76 g·kg-1，全磷1.77 g·kg-1，全鉀14.40 g·kg-1，速效磷21.20 mg·kg-1，速效鉀101.20 mg·kg-1。

1.2 試驗設計與材料

試驗為單因素隨機區組設計，設CK、BC1、BC2、BC3、BC4、BC5共6個處理，分別表示不添加生物質炭、添加10、20、30、40、50 t·hm-2生物質炭（自然風干重量），每個處理3次重復，小區面積16.8 m2（2.8 m×6.0 m）。生物質炭于2015年3月小麥（Triticum aestivum）播種時1次性均勻撒入小區后旋耕于耕層土壤（20 cm左右）。各處理每年播種前施尿素228 kg·hm-2（純N含量46%），過磷酸鈣750 kg·hm-2（P2O5含量14%）。每年小麥播種前和收獲后按照當地常規耕作方式翻耕（深約20 cm）。供試小麥品種為“定西40號”，每年3月播種，7月收獲，播種量為187.5 kg·hm-2，行距為20 cm，播種深度7 cm。

試驗生物質炭購自遼寧金和福農業科技股份有限公司，為玉米（Zea mays）秸稈在500℃缺氧條件下干餾制得，可將35%的生物質轉化為生物質炭。生物質炭基本性質為pH為9.21，陽離子交換量（cation exchangeable capacity，CEC）為25.21 cmol·kg-1，比表面積為11.3 m2·g-1，可溶性有機碳含量為432.37 mg·kg-1，自然風干含水率5.07%，碳含量53.28%，氮含量1.04%，磷含量0.26%，鉀含量0.51%，鈣含量0.80%、鎂含量0.47%，灰分含量35.64%。

1.3 土壤樣品采集與分析

2019年8月，小麥收獲后采集0～30 cm土壤樣品，采用5點法將每個小區所采集土壤混合均勻，去除植物枯落物和碎石塊等，采用四分法保留約1 kg左右；將采集土壤自然風干過2 mm篩后裝袋供試。將上述土壤樣品稱取約500 g，過0.25 mm篩用于測定土壤總有機碳、理化指標、不同結合形態腐殖質及組分含量。

采用常規方法［30］測定土壤總有機碳（total organic carbon，TOC）、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀含量。采用俄勝哲等［31］的方法進行土壤輕、重組分分離及不同結合形態腐殖質的提取。采用焦磷酸鈉－氫氧化鈉提取重鉻酸鉀氧化容量法［32］測定腐殖質（humus，HS）組分。

準確稱取過2 mm篩的風干土6.000 g于100 mL離心管中，加入1.8 g·cm-3的碘化鈉溶液30 mL，在200 r·min-1條件下振蕩1 h，然后4500 r·min-1離心10 min，離心后將上清液倒入裝有0.45μm濾膜的砂芯漏斗中抽濾，重復上述步驟兩次；將濾膜上殘留物質用蒸餾水洗入已稱重的燒杯中，在60℃烘箱中烘干稱重，此為輕組分。然后向離心管中加入20 mL 95%乙醇，2500 r·min-1離心5 min，棄去上清液，重復此步驟兩次；再向離心管中加入20 mL蒸餾水，2500 r·min-1離心5 min，棄去上清液，重復此步驟兩次，將離心管放入60℃烘箱中烘干稱重，此為重組分。

將上述烘干重組分土樣研磨過0.25 mm篩，準確稱取5.000 g于100 mL離心管中，加入0.1 mol·L-1的氫氧化鈉溶液50 mL，將其放入35℃恒溫振蕩培養箱培養12 h，然后在4500 r·min-1條件下離心10 min，重復上述步驟，直到提取液呈無色，將提取液轉移至容量瓶中，此為松結合態腐殖質（loose combined humus，LCH）。然后向離心管剩余的土壤中加入0.1 mol·L-1氫氧化鈉和1 mol·L-1焦磷酸鈉的混合溶液50 mL，放入35℃恒溫振蕩培養箱中培養12 h，4500 r·min-1離心10 min，重復此步驟，直到提取液呈無色，此提取液為穩結合態腐殖質（stable combined humus，SCH）。再向離心管中加入20 mL 95%乙醇，2500 r·min-1離心5 min，重復此步驟兩次，將離心管中土壤在60℃烘箱中烘干、研磨裝袋，稱取1.000 g測定有機碳含量，此為緊結合態腐殖質（tightly combined humus，TCH）。

采用焦磷酸鈉-氫氧化鈉提取重鉻酸鉀氧化容量法進行結合態腐殖質組分的提取，稱取過0.25 mm篩的重組土壤樣品5.000 g于250 mL三角瓶中，加入100 mL 0.1 mol·L-1氫氧化鈉和0.1 mol·L-1焦磷酸鈉的混合溶液，塞緊瓶塞，在25℃恒溫振蕩培養箱中振蕩30 min后靜止24 h，將溶液搖勻后過濾于容量瓶中，棄去殘渣，此溶液用于測定胡敏酸（humic acid，HA）和富里酸（fulvic acid，FA）含量，胡敏素（humin，HM）采用差減法計算。HA、FA和HM含量測定均按照NY/T 1867-2010；NY/T 85中規定的方法進行［32］。

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2016進行數據整理，采用SPSS 19.0軟件進行統計分析，用Canoco 5.0軟件進行冗余分析（redundancy analysis，RDA），采用SigmaPlot 12.5進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 添加生物質炭對土壤養分的影響

添加生物質炭4年后土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀含量的變化范圍分別為14.99～18.72 g·kg-1、0.84～0.92 g·kg-1、0.78～0.83 g·kg-1、19.57～21.10 g·kg-1、8.73～12.60 mg·kg-1、151.73～182.00 mg·kg-1（圖1）。

圖1 添加生物質炭4年后對土壤養分的影響Fig.1 Effects of adding biochar on soil nutrients after 4 years

隨生物質炭添加量增加，土壤有機質和全氮含量均呈增加趨勢。BC2、BC3、BC4、BC5處理時有機質和全氮均顯著高于CK和BC1；有機質在BC5處理時分別較CK和BC1增加24.87%和21.64%，與BC2、BC3、BC4無顯著差異；全氮在BC2與BC5處理間差異顯著，BC5處理時較CK增加9.94%，BC1處理時土壤有機質和全氮含量較CK無顯著差異（P>0.05）。BC1～BC5處理時，土壤全磷和全鉀含量均與CK無顯著差異（P>0.05）。

速效磷在BC1處理時較CK增加18.12%，BC2和BC3處理較BC1顯著下降，但BC2和BC3處理與CK差異均不顯著；BC4處理時分別較CK、BC1、BC2、BC3下降18.12%、30.68%、21.96%、22.96%；之后上升，BC5與CK無顯著差異，較BC2、BC3處理分別降低8.77%、9.93%。隨生物質炭添加量的增加，速效鉀含量先減后增，在BC1、BC2處理時分別較CK降低10.93%、7.60%，但二者間無顯著差異；BC3、BC4與CK無顯著差異，分別較BC2增加10.91%、11.40%；BC5處理時速效鉀含量最高，分別較CK、BC3、BC4增加6.85%、4.26%、3.80%（P<0.05）。

2.2 添加生物質炭對土壤總有機碳（TOC）、輕組有機碳（LFOC）和重組有機碳（HFOC）的影響

添加生物質炭4年后土壤TOC、LFOC、HFOC含量的變化范圍分別為8.70～10.86 g·kg-1、0.64～1.60 g·kg-1、7.93～9.21 g·kg-1（圖2）。BC1處理時三者均較CK無顯著差異。BC2、BC3、BC4、BC5處理時，TOC分別較CK增加20.06%、22.50%、24.21%、24.87%，LFOC分別增加105.58%、116.77%、138.84%、148.18%，HFOC分 別 增 加13.03%、14.34%、14.27%、14.68%，三者在4個處理間均無顯著差異（P>0.05）。

圖2 添加生物質炭4年后對土壤有機碳組分的影響Fig.2 Effects of biochar addition on soil organic carbon components after 4 years

土壤LFOC和HFOC含量與土壤總有機碳含量均呈極顯著正相關關系（圖3），二者對土壤總有機碳的決定系數分別為0.7255和0.8974。因此，LFOC和HFOC對土壤總有機碳的解釋率分別為72.55%和89.74%，表明重組有機碳對土壤有總有機碳的影響貢獻率更大。

圖3 土壤輕、重組有機碳含量與土壤總有機碳含量的關系Fig.3 Relationship between the content of soil light and heavy fraction organic carbon and the total soil organic carbon content

2.3 添加生物質炭對緊結合態（TCH）、穩結合態（SCH）和松結合態（LCH）腐殖質的影響

添加生物質炭4年后不同結合形態腐殖質含量總體表現為：TCH>SCH>LCH（圖4），其含量變化范圍 分 別 為3.91～4.67 g·kg-1、1.98～2.81 g·kg-1、1.32～2.19 g·kg-1。隨生物質炭添加量的增加，TCH呈增加趨勢；TCH含量在BC1、BC2、BC3、BC4、BC5處理時分別較CK增加9.80%、7.98%、9.00%、16.09%、19.52%，BC4處理較BC2增加7.51%，BC5處理 分 別 較BC1、BC2、BC3增 加8.85%、10.69%、9.65%，其他各處理間均無顯著差異。SCH含量在BC1、BC5處理時低于CK、BC2、BC3，分別較CK降低29.41%、18.04%，BC1、BC4、BC5處理間及BC2、BC3、BC4處理間均無顯著差異。LCH含量隨生物質炭添加量的增加呈升高趨勢，BC2、BC3、BC4、BC5處理時分別較CK和BC1增加47.50%、60.00%、61.67%、65.83%和29.20%、40.15%、41.61%、45.26%，BC5較BC2顯著增加12.43%，其他處理間差異不顯著（P>0.05）。

圖4 添加生物質炭4年后對不同結合形態腐殖質的影響Fig.4 Effects of biochar on humus with different forms after 4 years

以不同結合形態腐殖質為解釋變量，以土壤養分作為響應變量做RDA分析，研究不同形態的腐殖質對土壤養分的貢獻率（圖5）。結合態腐殖質對土壤養分的解釋率為53.2%，其中第1軸主要包括全氮、有機質、速效鉀、速效磷，解釋率為47.73%，第2軸包括TP、TK，解釋率為4.28%。其中LCH對土壤養分的解釋率為41.87%（P=0.002），而SCH與TCH對土壤養分的解釋率為11.33%。說明土壤養分主要受LCH含量影響。

圖5 結合態腐殖質與土壤養分的冗余分析Fig.5 Redundancy analysis of combined humus and soil nutr ients

2.4 添加生物質炭對結合態腐殖質組分的影響

BC1、BC2、BC3、BC4、BC5處理時，HA分 別 較CK下降20.97%、22.58%、37.10%、33.87%、37.10%，但處理間均無顯著差異（圖6）。BC1處理時FA較CK降低6.06%，BC4、BC5處理時FA分別較CK增加78.79%、133.33%，BC2、BC3處理較CK無顯著差異。隨著生物質炭添加量的增加，HM含量呈“先減后增再減”的變化趨勢，僅BC3處理時HM含量較CK增加22.11%，其他處理與CK無顯著差異（P>0.05）。

圖6 添加生物質炭4年后對結合態腐殖質組分的影響Fig.6 Effect of biochar addition on the composition of combined humus after 4 years

2.5 土壤有機碳組分及結合態腐殖質組分與土壤總有機碳之間的相互作用

通過通徑分析，將因變量與因子之間的相關系數分解為直接通徑系數和間接通徑系數（表1）。各因子直接通徑系數大小排序為：x2（0.4490）>x1（0.3950）>x3（0.2390）>x6（0.0850）>x5（0.0590）>x8（0.0480）>x4（0.0380）>x7（0.0050）；結合與TOC（y）的相關性，SCH（x4）和HM（x8）與TOC含量無顯著相關性，因此不能作為影響TOC含量的主要因子。TCH（x5）、HA（x6）和FA（x7）雖然與TOC（y）含量顯著相關，但其直接通徑系數較小，所以也不宜作為影響TOC含量的因子。LFOC（x1）、HFOC（x2）和LCH（x3）對TOC（y）含量的直接通徑系數和相關系數均為正值，說明LFOC、HFOC和LCH含量越高，TOC含量越高。進一步進行逐步回歸分析，土壤總有機碳與土壤碳組分和結合形態腐殖質組分的逐步回歸方程為y=0.261+0.956x1+0.944x2+0.181x3（R2=0.998，F=469.794，P<0.01），由此可知，LFOC、HFOC、LCH變化是影響TOC變化的主要因素。

表1 土壤有機碳組分及結合態腐殖質組分對土壤總有機碳的通徑分析Table 1 Path analysis of soil organic car bon components and combined humus components to soil total organic carbon

3 討論

土壤養分是土壤肥力的重要指標之一，也是作物生長發育的物質基礎［33］。土壤有機碳是土壤中最活躍的部分，約占陸地碳庫的2/3［34］。本試驗結果表明，添加生物質炭4年后（簡寫為“生物質炭”）能夠改善土壤結構和養分狀況。第一，土壤有機質和全氮的含量增加（圖1），這與大量研究結果［9，35-39］相似。主要原因如下：生物質炭本身含有較高的碳和氮，且不易被礦化［17］；生物質炭可以促進土壤微生物將礦質態氮轉化為有機氮［40-41］；生物質炭的吸附性導致土壤對氮素的固持作用增加［42］。第二，生物質炭添加量在20 t·hm-2（BC2）以上，LFOC增加的比例高于HFOC，但HFOC含量遠高于LFOC，使得HFOC對腐殖質的貢獻程度高于LFOC（圖2），通過分析發現，LFOC、HFOC是影響TOC的主要因子，其對TOC的解釋率分別為72.55%和89.74%（圖3），該結果與大量研究結果［37，43-45］一致。第三，添加生物質炭對土壤全磷、全鉀含量影響不顯著（圖1）。第四，BC1、BC2、BC3處理時速效磷含量高于或等于CK，僅40（BC4）和50 t·hm-2（BC5）處理時速效磷含量顯著低于CK。這是由于隨著生物質炭添加量的增加，吸持大量水分，使土壤氧化還原電位（Eh）降低［46］，較低的CEC降低了磷的活性［47-48］。第五，BC3、BC4、BC5處理時速效鉀含量高于或等于CK，僅10（BC1）和20 t·hm-2（BC2）處理時速效鉀含量顯著低于CK。其原因是：生物質炭能夠吸附土壤速效鉀和活化礦質鉀的有機酸，且高添加量的生物質炭可促進土壤中礦物質鉀的活化［49-50］。

土壤腐殖質不同結合形態組成及含量的變化均能影響土壤肥力［51］。其中LCH結構簡單，易被微生物分解利用，有利于植物養分的供應和改善土壤理化及生物學性質，其含量通常與土壤肥力呈正相關［52-53］；TCH穩定性比較強，累積腐殖質和貯蓄養分兩方面能力很強，但其在土壤中供給植物所需養分的能力較差［23，53］；SCH在土壤中的轉化速率較慢，腐殖化程度和分子量大，活性低。本試驗結果表明，添加生物質炭土壤LCH含量增加幅度高于TCH含量，但SCH含量維持不變或下降（圖4）。通過通徑分析和RDA分析結果發現，LCH是影響土壤養分的主要因子（圖5和表1），對TOC及土壤養分的提高具有促進作用；TCH含量的變化范圍為3.91～4.67 g·kg-1，與土壤TOC含量之間顯著相關，但其對TOC的直接影響較小，主要通過影響LFOC、HFOC和LCH含量間接影響TOC含量，這可能是由于TCH參與形成的土壤團聚體穩定性強，難以被分解［54］；SCH含量與TOC含量間無相關性（表1）。生物質炭也能改變腐殖質組分FA、HM和HA的含量，三者的積累和分解會進一步影響土壤肥力［55］。本研究中，FA在BC4、BC5處理時顯著高于CK，其他處理時均持平；HM含量基本較CK持平，僅BC3處理時增加；HA含量顯著低于CK（圖6）。FA溶解能力強，其吸附性影響著土壤肥力和環境［47］，其含量越高，越利于土壤肥力的提升，這與生物質炭影響稻田土壤狀況的結果一致。HA作為土壤中比較活躍的部分，穩定性較差、易轉化為FA，這可能導致HA的降低、FA的增加［28，56］。HM活性低、比較穩定，這可能是導致生物質炭處理時HM含量基本持平的主要原因。通過分析發現，HA、FA、HM三者中除HM與TOC之間無相關性外，HA和FA分別與TOC顯著負相關和顯著正相關，HA和FA主要通過影響LFOC、HFOC和LCH含量間接影響TOC含量（表1），這說明添加生物質炭促使土壤中HA分解轉化，有利于FA的積累（圖6），FA的積累對提升土壤肥力具有積極作用，但HA分解轉化不利于土壤有機碳的保存［27］。本研究中缺乏對微生物機制的深入探究，在今后的研究中需要進一步探究隨著生物質炭添加量的增加，土壤腐殖質組分及構成變化與土壤微生物之間的關系。

4 結論

生物質炭添加量≥BC2（20 t·hm-2）處理時，土壤HFOC、LFOC、有機質和全氮含量較CK顯著增加，對土壤全磷、全鉀含量無顯著影響，而高添加量顯著增加速效鉀含量但降低速效磷含量，低添加量顯著增加速效磷含量但降低速效鉀含量；添加生物質炭20 t·hm-2及以上時，土壤LCH含量隨生物質炭添加量的增加而增加，生物質炭處理較CK顯著增加47.50%～65.83%；添加生物質炭能夠增加土壤FA含量，當添加量超過BC3（30 t·hm-2）時，土壤FA含量顯著增加78.79%～133.33%；LFOC、HFOC、LCH是促進TOC增加的直接作用因素，其中LFOC和HFOC對土壤總有機碳的解釋率分別達72.55%和89.74%。