棉稈炭對灰漠土活性有機碳氮的影響

潘金龍，唐光木，徐萬里，馬雪琴，張云舒，馬海剛，賈宏濤

(1.新疆農業大學草業與環境科學學院，烏魯木齊 830052；2.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】土壤活性有機碳、氮是土壤有機碳庫和氮庫重要組成部分[1-2]，雖然所占土壤有機碳庫和氮庫中的占比很小，但在土壤中具有極其不穩定(易被分解、礦化或植物吸收)的特質[3]，易被土壤微生物分解利用[4]，因而其變化會對土壤碳、氮的轉化過程產生重大影響，其中土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮與土壤可溶性有機碳是土壤活性有機碳、氮庫的常用指標[5-6]，可以直接參與土壤生物化學轉化過程，是微生物活動的能源和土壤養分的驅動力[7-8]，增加土壤活性有機碳氮含量對土壤改良、土壤養分循環和作物生長具有重要作用。生物炭是農林廢棄物或生物質缺氧條件下熱裂解產生的一類穩定富碳產物[9]。其孔隙結構豐富，含碳率高，比表面積大，理化性質穩定[10]，被認為是改良土壤、減緩碳排放的優質材料[11]，在土壤改良[12]，土壤養分變化[13-14]，提高作物產量[15]，多孔隙特性以及攜帶的養分[16]等研究得到關注。【前人研究進展】生物炭自身特性(炭化材料、炭化溫度和時間)對棉稈炭本身孔隙特性、碳氮養分、陽離子交換量、土壤類型和作物生長的差異[17-18]。孫濤等[19]研究表明，裂解溫度的增加會導致生物炭的孔隙更發達，表面官能團減少等。姚紅宇等[20]研究表明，隨著炭化時間和炭化溫度的增加和延長增加了生物炭氮養分，減少了磷鉀養分。王月玲等[21]研究得出生物炭顯著提高土壤微生物量碳含量。趙世翔等[22]研究得出，塿土添加生物炭可以增加土壤微生物量碳及有機碳的含量，且土壤微生物量碳隨著添加比例的增加而增加，但隨著熱解溫度的升高而降低。【本研究切入點】外源有機物添加影響土壤理化性質和活性碳氮組分，生物炭的結構特性和養分含量受炭化條件影響，不同的土壤類型對生物炭的響應也存在不同。需研究棉稈炭炭化條件對灰漠土土壤基本理化性質和活性有機碳氮的影響。【擬解決的關鍵問題】以不同炭化條件制備的棉稈炭為研究為對象，采用室內恒溫培養法，定量添加棉稈炭，分析棉稈炭炭化條件對灰漠土土壤基本理化性質、活性有機碳氮的影響，研究棉稈炭炭化條件對土壤基本理化性質、活性有機碳氮的影響作用，為西北干旱區棉花秸稈炭化還田及棉稈炭的應用推廣和土壤改良提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試棉花秸稈取自新疆農業科學院安寧渠試驗基地，將收集的棉花秸稈，按照姚紅宇[20]提供方法，制備棉花秸稈生物炭(簡稱棉稈炭)。制備的棉稈炭自然風干1 d后，在105℃的烘箱中烘干8 h，研磨棉稈炭，過2 mm篩然后取部分測定棉稈炭基本理化性質。表1

表1 棉稈炭的基本性質

供試土壤采自國家灰漠土肥力長期監測試驗站(N43°95′26″，E87°46′45″)，試驗站位于新疆烏魯木齊市新疆農業科學院綜合試驗場。樣品采集后，帶回實驗室，剔除土壤中可見的植物殘體，自然風干后研磨過2 mm篩，混合均勻，按照網格法，取1份樣品測定土壤基本化學性質，剩余土壤樣品用于室內培養試驗，土壤基本理化性質為pH值8.85，電導率0.22 ms/cm，有機碳6.91 g/kg，堿解氮48.84 mg/kg，全氮0.47 g/kg，CEC3.84 cmol(+)/kg。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

設炭化溫度和炭化時間2因素，炭化溫度設450、600℃，分別記為T4、T6。炭化時間設0.5、1、2和4 h，分別記為H0、H1、H2、H4。棉稈炭添加量設為土壤重量的1.5%(占土壤干重的比例)；以空白土壤(CK)為對照。共設9個處理，每個處理7次重復，共63盆。棉稈炭按照設計用量與供試土壤混合均勻，每個容器裝風干土300 g，將土壤含水量調至到田間持水量的60%～80%，放入25℃的培養箱進行培養，每3 d稱重補水，以保持土壤含水量一致。

1.2.2 樣品采集與測定

試驗在培養的第1、2、4、8、16、32、64 d，采集土壤樣品，一部分土壤樣品密封保存于4℃冰箱中，用于測定土壤水溶性有機碳、微生物量碳氮，一部分土壤樣品風干，研磨過篩用于測定土壤基本理化性質。

微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸法測定，土壤總有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定，可溶性有機碳采用K2SO4溶液浸提、TOC-Analyzer分析儀測定，土壤基本理化性質采用常規方法測定。

1.3 數據處理

所有的表和圖都在Excel 2003和Origin8.0軟件中完成，圖中的數據均用平均值表示，采用SPSS17. 0 分析顯著性，顯著性水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 棉稈炭對土壤性質的影響

研究表明，添加棉稈炭處理土壤pH值較CK處理提高了1.81%～3.05%，T4處理土壤pH提高1.81%～2.27%，T6處理pH提高2.52%～3.05%，炭化時間一致，炭化溫度越高，土壤pH值越高。添加棉稈炭土壤pH值與棉稈炭本身pH值高低變化一致，T4處理炭化時間從H1～H4，T6處理炭化時間從H0～H2，土壤pH呈現增加趨勢，較CK處理增加1.81%～3.05%，T6處理炭化時間從H0～H2，土壤pH呈現與棉稈炭本身pH值相同的增加趨勢。在培養時間內，土壤pH值變化總體呈先增加后降低的趨勢(除CK處理外)；培養第1～2 d，添加棉稈炭土壤pH值快速提高，相比培養開始前，土壤pH值提高了3.82%～6.37%，培養第2 d到第64 d，土壤pH值呈現波動性變化，基本維持在8.62～8.88。CK處理土壤pH從第2 d到第32 d呈先下降后上升趨勢。圖1

圖1 不同棉稈炭處理下土壤pH變化

添加棉稈炭處理土壤電導率較CK處理，提高了25.62%～39.61%，T4處理從H1至H4，T6處理從H0至H2土壤電導率一直下降，T4H4較T4H1處理土壤電導率減少4.83%，T6H2較T6H0處理土壤電導率減少10.03%。T6H1、T4H2、T6H2與CK處理土壤電導率變化趨勢一致，T6H0、T6H4、T4H0和T4H4則與CK處理的波動變化相反。CK處理培養第64 d，土壤電導率較培養第1 d降低了3.53%，T4H2和T6H1處理表現出與CK一致的變化趨勢，其它處理土壤電導率呈現增加趨勢，增加了2.78%～30.64%。T6H1與CK處理培養第16 d，電導率達到最大值后開始下降，T4H2、T6H0、T6H2處理培養第32 d之后開始減少，T4H1、T4H4、T6H0和T6H4處理則培養第16 d后呈現增加趨勢。圖2

圖2 不同棉稈炭處理下土壤電導率變化

添加棉稈炭處理土壤CEC在7.9～10.01，對照CK處理土壤CEC在8.86～10.02，降低了土壤CEC活動范圍。相比對照CK處理，T4處理土壤CEC降低0.66%～2.48%，T6處理降低3.74%～5.16%，即炭化溫度越高，添加棉稈炭土壤CEC降低越多；T4處理從H0至H4，T6處理從H0至H1土壤CEC呈下降趨勢，T6H1處理較T4H0處理減少13.22%。在培養時間內，不同棉稈炭處理間土壤CEC變化存在差異，除CK和T4H0處理土壤CEC變化總體趨勢是先降低再增加然后再降低外，其它處理均為先降低再增加趨勢；對照CK和T4H0處理土壤CEC第1個拐點分別在第8 d和第16 d，第2個拐點均在第32 d，其它(除CK和T4H0處理外)處理土壤CEC拐點是第16 d，其他添加棉稈炭(除T4H0、T4H1和T6H1)處理土壤CEC變化較CK處理在第1 d至第16 d經歷了上升下降2次增減的起伏性變化，施炭處理土壤CEC在第16 d(拐點)較CK處理降低4.06%～11.43%，第16 d至第64 d所有添加棉稈炭處理均呈上升趨勢，相比第16 d增加5.97%～17.80%。圖3

圖3 不同棉稈炭處理下土壤CEC變化

2.2 棉稈炭對土壤有機碳的影響

研究表明，添加棉稈炭處理相比CK處理顯著提高土壤有機碳含量119.40%～153.74%，T4處理有機碳含量提高了151.28%～153.74%，T6處理提高了119.40%～126.57%。T4H2和T6H0處理培養第1～4 d，其他處理培養1～2 d，土壤有機碳含量快速下降，相比培養第1 d，培養第2 d和第4 d，土壤有機碳分別下降了6.24%～15.48%和7.31%～16.79%；T4H1和T6H2處理培養第2～4 d、T4H0處理培養第2～16 d以及其他處理培養第2～8 d土壤有機碳呈現增加趨勢，相比培養第2 d，分別增加了20.01%和15.59%、10.18%和6.77%～21.00%，相比培養第4 d，T4H2和T6H0處理培養第8 d有機碳含量提高了9.02%和9.41%；T4H4、T6H0和T6H1處理培養第8～16 d土壤有機碳呈下降趨勢，第16 d后開始增加；T4H2和T6H4處理培養第8～32 d下降，而后開始上升；T4H1處理培養第4～32 d、T6H2處理培養第4～16 d下降然后開始上升。圖4

圖4 不同棉稈炭處理下土壤有機碳變化

2.3 棉稈炭對土壤微生物量碳氮的影響

研究表明，添加棉稈炭土壤微生物量碳含量變化范圍在14.37～504.02 mg/kg，相比CK處理降低了土壤微生物量碳含量27.89%～49.50%。添加棉稈炭處理間，相比CK處理，T4(除H0處理外)處理土壤微生物量碳含量降低了40.21%～49.50%，T6(除H0處理外)處理土壤微生物量碳含量降低了27.89%～36.81%，炭化時間一致，炭化溫度越高，土壤微生物量碳含量越低。培養時間內，土壤微生物量碳變化總體呈先增加后減少的趨勢，CK處理增加再減少的拐點在第16 d，T4H1、T4H4、T4H0和CK處理拐點在培養第4 d ，T4H2和T6處理土壤微生物量碳拐點在第8 d，培養第32 d后開始趨于穩定(T4H0處理除外)；培養第1～4 d，土壤微生物量碳呈現快速增加的趨勢，培養第4 d相比培養第1 d，土壤微生物量碳增加了19.03%～917.61%。圖5

圖5 不同棉稈炭處理下土壤微生物量碳變化

T4H0、T4H4、T6H0、T6H2和T6H4處理土壤微生物量氮較CK處理含量增加了5.21%～95.49%，T4H1、T4H2和T6H1處理土壤微生物量氮較CK處理降低了19.51%～43.67%。T4處理(H4處理除外)土壤微生物量氮均高于T6處理。培養時間內，CK處理土壤微生物量氮變化呈先增加至第8 d達到最大值然后再降低的趨勢，T4H0和T6H0處理在培養時間第1～4 d，微生物量氮快速下降，相比培養第1 d，分別降低了96.44%和96.45%，T4H0處理培養第4～16 d、T6H0處理培養第4～32 d，土壤微生物量氮呈現增加趨勢，之后開始下降；T4H1、T4H4、T6H2和T6H4處理在培養的第4～8 d達到最大值后，開始下降，相比開始培養的第1 d，在培養的第4～8 d分別提高了138.7%、352.34%、352.88%和66.42%；T4H2和T6H1處理則在培養的第1～32 d達到最大值后，開始下降，相比開始培養的第1 d，培養第32 d則分別提高了300.98%和171.30%。圖6

圖6 不同棉稈炭處理下土壤微生物量氮變化

2.4 棉稈炭對可溶性有機碳的影響

研究表明，可溶性有機碳含量不同處理間表現各異，相比CK處理，T4H1、T6H0、T6H1、T6H4處理土壤可溶性有機碳含量增加了5.22%、18.36%、3.49%、8.27%，其他棉稈炭添加處理減少了3.66%～11.74%；T4處理土壤可溶性有機碳含量較CK處理減少了10.80%～11.74%(T4H1除外)，T6處理土壤可溶性有機碳含量增加了3.49%～18.36%(T6H2除外)。不同棉稈炭添加處理間，棉稈炭炭化溫度越高，土壤可溶性有機碳含量越高(除T6H1處理土壤可溶性有機碳含量低于T4H1外)。T4H2、T6H1、T6H2和T6H4處理土壤培養第1～2 d呈現增加趨勢，之后開始下降至培養第16 d，達到最小值后又呈現小幅增加趨勢，培養第2 d相比培養第1 d，水溶性有機碳分別提高了38.79%、6.37%、23.41%和3.02%，培養第16 d相比第1 d，分別降低了94.53%、85.37%、71.07%和86.78%；T4H0、T4H1、T4H4和T6H0處理土壤可溶性有機碳含量則在培養的第1 d到第4 d、第8 d、第16 d和第8 d呈現降低的趨勢，相比培養第1 d，水溶性有機碳分別降低了51.46%、59.67%、95.59%和70.13%，之后開始呈現小幅增加趨勢。圖7

圖7 不同棉稈炭處理下土壤可溶性有機碳變化

3 討 論

3.1 棉稈炭對土壤性質的影響

袁金華等[23]的研究表明，在黃棕壤施用稻殼炭土壤pH值會增加，培養期內黃棕壤pH值呈下降趨勢。唐光木等[24]研究表明，灰漠土添加棉稈炭提高土壤pH值，隨著培養時間的變長，會降低土壤pH值，與研究結果部分相一致，即灰漠土添加棉稈炭提高土壤pH值，隨著培養時間至第16 d后，土壤pH值呈緩慢降低趨勢，而前期灰漠土土壤pH值變化較穩定，可能是培養前期棉稈炭吸附銨態氮減緩了硝化反應，使土壤pH值在前期(第16 d之前)變化較穩定[23]。棉稈炭本身具有較高的pH值[25]，炭化時間一致，炭化溫度越高，土壤pH值越高，土壤pH值與棉稈炭炭化溫度有一定的關系，與張紅美等[26]炭化溫度越高，土壤pH值越大相一致,與秦蓓等[27]的研究結果棉稈炭pH值隨炭化溫度升高而增加相符。添加棉稈炭土壤pH值與棉稈炭本身pH值變化一致，炭化條件影響棉稈炭pH，進而影響了土壤pH，高溫T6處理中H0～H4處理土壤pH值變化與棉稈炭T6處理變化一致，炭化溫度高時(600℃)對添加棉稈炭的土壤pH影響具有一定規律性，可能與棉稈炭的孔隙特征影響硝化反應引起的。

離子交換量(CEC)是土壤保肥能力的重要指標之一，土壤質地和生物炭類型都對土壤的CEC有影響。唐光木等[24]研究發現添加棉稈炭能夠提高灰漠土CEC值，而研究中添加棉稈炭降低了灰漠土土壤CEC值，這可能是因為微生物前期的劇烈活動導致的CEC初期(1～8 d)的頻繁變化有關。姚紅宇等[20]的研究表明，隨著炭化溫度的升高，棉稈炭CEC值越低，研究中添加棉稈炭處理間，土壤CEC值隨著炭化溫度升高而降低，土壤本身CEC的含量變化與添加灰漠土土壤的棉稈炭本身CEC含量有關。張進紅等[28]研究發現炭化條件不同生物炭潛在陽離子交換量和有效陽離子交換量之間存在差異，而研究中棉稈炭CEC值與添加棉稈炭土壤CEC值含量并不完全一致，這可能是與炭化條件不同導致的棉稈炭潛在陽離子交換量和有效陽離子交換量之間的差異有關。

3.2 棉稈炭對土壤有機碳的影響

棉稈炭富含有機碳，其含碳量高達47.46%，添加土壤能夠調節土壤性質、改善結構、提高穩定性。唐光木等[24]的研究表明，添加棉稈炭灰漠土有機碳提高了29.24%～153.17%，趙世翔等[22]研究表明添加生物炭顯著提高土壤有機碳含量，與研究中添加棉稈炭提高土壤有機碳含量119.40%～153.74%相一致。棉稈炭T4處理土壤有機碳含量較T6處理高，這說明炭化時間一致時，棉稈炭炭化溫度越低，添加棉稈炭土壤有機碳越高，與趙世翔等[22]的研究結果炭化溫度越低土壤有機碳越高的變化相一致，與秦蓓等[27]的研究結果棉稈炭有機碳含量隨炭化溫度升高而降低相符。孫濤等[19]的研究表明，隨著炭化溫度升高孔隙數量增多,研究中T4H0與CK處理土壤有機碳含量波動性變化趨勢一致，這可能因為低溫和炭化時間短導致生物炭的孔隙較少。從T6H0、T6H1到T6H2處理土壤有機碳含量與棉稈炭有機碳含量變化相一致，在炭化溫度高時(600℃)，炭化時間影響了棉稈炭有機碳含量進而影響了添加棉稈炭土壤有機碳含量。

3.3 棉稈炭對活性有機碳氮的影響

Laird等[29]研究指出，在培養初期，生物炭可能釋放出各種有機分子，影響微生物活性，這與研究中前期添加棉稈炭土壤微生物量碳含量顯著提高相符，在培養第8 d后添加棉稈炭土壤微生物量碳含量緩慢降低趨于穩定，可能與前期棉稈炭本身養分的消耗有關，與趙世翔等[26]的結果相似。趙世翔等[22]研究發現，隨著蘋果生物炭熱解溫度的升高，土墊旱耕人為土土壤微生物量碳含量下降，這與研究的研究結果一致，添加蘋果生物炭增加了土墊旱耕人為土土壤微生物量碳含量，且變化較穩定，而研究中棉稈炭的添加減少了灰漠土土壤微生物量碳含量，變化波動較大，這可能是與供試土壤類型和生物炭原材料的差異有關。

劉若琪等[30]研究得出生物炭提高土壤微生物量氮，研究中炭化時間較短或較長(0.5 h、4 h)增加土壤微生物量氮含量，炭化時間1 h減少了土壤微生物量氮含量，這可能與炭化時間過長與過短改變棉稈炭孔隙以及養分變化有關[19-27]。T4處理(除H4處理)土壤微生物量氮高于T6處理，這說明炭化時間一致，炭化溫度越高添加棉稈炭土壤微生物量氮含量越低，可能是炭化溫度較高導致棉稈炭養分損失較大而不能較好地供給土壤養分造成的。生物炭攜帶的養分[20]以及多孔特性[19]有利于微生物活動，與研究中T6H0和T4H0處理土壤微生物量氮含量在培養第1 d增長非常相符，培養過程中活動峰值大小為T6H0>T4H0>CK，可能與炭化溫度高增加了棉稈炭孔隙數量從而加大微生物的活動。

土壤可溶性有機碳變化也反映出炭化溫度對棉稈炭穩定性影響，棉稈炭的添加提高土壤可溶性有機碳含量[31]。T4H1、T6H0、T6H1和T6H4處理增加土壤可溶性有機碳含量，其他添加棉稈炭處理均減少土壤可溶性有機碳含量，可能與棉稈炭碳氮養分的攝入有關[20]，炭化時間1h對土壤可溶性有機碳的影響較好。T4處理減少了土壤可溶性有機碳含量，T6處理增加了土壤可溶性有機碳含量，棉稈炭炭化時間一致，炭化溫度越高，土壤可溶性有機碳含量越高，與趙世翔等[22]的研究結果高溫制備生物炭對土壤可溶性有機碳含量越低相一致。施炭土壤可溶性有機碳含量前期(第1 d～第16 d)變化劇烈，后期(第32 d后)變化平穩，前期變化可能與棉稈炭孔隙及養分帶入有關，后期變化可能是前期養分的大量消耗導致。

4 結 論

4.1添加棉稈炭提高了土壤pH值、電導率和有機碳含量，相比CK處理分別提高了1.48%～2.65%、25.62%～39.61%和54.99～213.09%；H0、H4和T6H2處理土壤微生物量氮較CK含量增加了5.21%～95.49%，添加棉稈炭降低了土壤微生物量碳和CEC(T4H0除外)27.89～49.50%和0.08%～5.12%，T4H1、T6H1、T6H4處理提高土壤可溶性有機碳含量，其他處理降低了土壤可溶性有機碳含量。

4.2隨著炭化溫度和炭化時間的增長，添加棉稈炭土壤pH值增加。炭化時間一致，炭化溫度升高，降低土壤CEC、有機碳含量，提高土壤微生物量氮、可溶性有機碳含量，炭化處理間炭化時間過短或長(0.5、4 h)提高土壤微生物量碳。炭化溫度高時(600℃)，炭化時間影響土壤pH值和有機碳含量。炭化時間和炭化溫度對添加土壤pH值、電導、CEC值、有機碳、微生物量碳、氮和可溶性有機碳波動性變化存在差異。

4.3低溫短時間(450℃，1 h)制備的棉稈炭對灰漠土理化性質和活性有機碳氮變化影響較好，是較適宜的炭化處理。