环境科学  2015, Vol. 36 Issue (7): 2655-2661   PDF    
引用本文
侯亚红, 王磊, 付小花, 乐毅全. 土壤碳收支对秸秆与秸秆生物炭还田的响应及其机制[J]. 环境科学, 2015, 36(7): 2655-2661.
HOU Ya-hong, WANG Lei, FU Xiao-hua, LE Yi-quan. Response of Straw and Straw Biochar Returning to Soil Carbon Budget and Its Mechanism[J]. Environmental Science, 2015, 36(7): 2655-2661.
土壤碳收支对秸秆与秸秆生物炭还田的响应及其机制
侯亚红, 王磊 , 付小花, 乐毅全    
同济大学环境科学与工程学院, 污染控制与资源化研究国家重点实验室, 上海 200092
收稿日期: 2014-12-02; 修订日期: 2015-01-23.
基金项目： 国家自然科学基金项目(21177093);上海市重大科技攻关项目(11dz1211403);上海市科委重大科技攻关项目(14231200404)
作者简介：侯亚红(1987~),男,硕士研究生,主要研究方向为生物质废弃物的资源化,E-mail:leizi0926@126.com
通讯联系人,E-mail:celwang@tongji.edu.cn
摘要：秸秆直接还田与秸秆炭化还田是目前最主要的秸秆还田措施. 由于秸秆与秸秆生物炭结构和性质的差异以及还田过程的差异,其还田后的土壤呼吸和土壤碳收支必然有显著差异. 采用室外盆栽的方式,以地肤草为目标植物,系统研究了土壤呼吸与土壤碳收支对多种秸秆与秸秆生物炭还田的响应及其可能的机制. 结果表明,秸秆生物炭还田的土壤呼吸[均值为21.69 μmol ·(m2 ·s)-1]显著低于秸秆直接还田[均值为65.32 μmol ·(m2 ·s)-1],土壤有机碳含量(均值为20.40 g ·kg-1)和植物的固碳量(平均植物生物量138.56 g)均高于秸秆直接还田(均值为17.76 g ·kg-1和76.76 g); 考虑了生物炭制备过程的碳丢失后,秸秆生物炭还田的土壤碳收支仍显著高于秸秆直接还田,是一种较低碳的秸秆还田模式; 秸秆直接还田显著促进土壤脱氢酶活性﹑土壤β-糖苷酶活性和土壤活性微生物量,因此导致较高的土壤呼吸,而生物炭还田土壤的微生物活性普遍较低; 秸秆生物炭的易氧化态碳含量和可生物降解性均显著低于秸秆对照,表明秸秆生物炭稳定性较高,难以被土壤微生物降解利用,因此其还田后土壤微生物活性普遍较低,秸秆碳可在土壤中长期保存.
关键词： 生物炭     秸秆     土壤呼吸     碳收支     微生物活性     易氧化态碳    
Response of Straw and Straw Biochar Returning to Soil Carbon Budget and Its Mechanism
HOU Ya-hong, WANG Lei , FU Xiao-hua, LE Yi-quan    
State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Research, College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
Abstract: Direct straw returning and straw carbonization returning are the main measures of straw returning. Because of the differences in structure and nature as well as returning process between straw and straw biochar, the soil respiration and soil carbon budget after returning must have significant differences. In this study, outdoor pot experiment was carried out to study the response of soil respiration and carbon budget to straw and straw biochar returning and its possible mechanism. The results showed that soil respiration of straw biochar returning [mean value 21.69 μmol ·(m2 ·s)-1] was significantly lower than that of direct straw returning [mean value 65.32 μmol ·(m2 ·s)-1], and its soil organic carbon content (mean value 20.40 g ·kg-1) and plant biomass (mean value 138.56 g) were higher than those of direct straw returning (mean values 17.76 g ·kg-1 and 76.76 g). Considering the carbon loss after the biochar preparation process, its soil carbon budget was also significantly higher than that of direct straw returning, so it was a low carbon mode of straw returning. Direct straw returning significantly promoted soil dehydrogenase activity, soil β-glycosidase activity and soil microorganism quantity, leading to higher soil respiration, but straw biochar did play an obvious role in promoting the microbial activity index. Easily oxidizable carbon (EOC) and biodegradability of straw biochar were lower than those of straw, which showed that straw biochar had higher stability, and was more difficult to degrade for soil microorganisms, so its soil microbial activity was generally lower, and could be retained in the soil for a long time.
Key words: biochar     straw     soil respiration     carbon budget     microbial activity     easily oxidizable carbon (EOC)    

在全球陆地生态系统碳库中，只有农业土壤碳库是受到强烈的人为干扰且在较短的时间尺度上可以调节的碳库[1,2]，农田土壤呼吸(soil respiration，SR)排放的CO2约占人为温室气体排放量的21%～25%[3]，因而全球农业土壤碳库储量及其固碳能力对于土壤温室气体减排具有重要价值.

秸秆还田作为土壤改良的重要措施，可通过改善土壤理化性质而增加植物生长和固碳量[4,5]，但是秸秆还田也会增强土壤微生物活性和SR，加速土壤有机质的矿化，增排的温室气体可能大幅度抵消植物固碳的减排效益[6, 7, 8]. 为此，如何减少秸秆还田中温室气体排放、增加农田生态系统碳汇成为当前减缓气候变化研究的热点.

秸秆炭化还田不仅能稳定土壤有机碳库，持留土壤养分，促进作物生长，而且对维持土壤生态系统平衡可能发挥重要作用[9,10]. 土壤的碳汇聚能力由以下两方面决定，即①碳输入：主要是植物生物量； ②碳输出：主要表现为SR. 综合考虑土壤碳收支(包括生物炭制备过程中的碳支出)，施加生物炭后土壤的固碳量是否有所增加？与秸秆直接还田相比其SR和碳收支是否有差异？目前尚缺乏详实的证据.

本研究以上海市崇明岛丰富的水稻、芦苇、互花米草这3种农林秸秆制备生物炭，进行盆栽还田试验，从SR、植物生长量、土壤有机碳(soil organic carbon，SOC)等角度，并结合制炭过程中的碳支出，分析了秸秆和秸秆生物炭还田过程中土壤碳收支的差异性，并从还田后土壤微生物性质以及秸秆与秸秆生物炭的理化性质等方面初步分析了秸秆与秸秆生物炭还田后土壤碳收支差异的可能原因，以期为拓展废弃农林秸秆的低碳化还田措施提供参考依据. 1 材料与方法 1.1 土壤

土壤取自崇明东滩湿地公园，土壤类型为新围垦的贫瘠土壤[11]，土壤容重1.22 g ·cm-3，总氮283.56 mg ·kg-1，速效磷22.13 mg ·kg-1，土壤有机碳4.50 g ·kg-1. 供试土壤取自0～20 cm土层，去除杂物，过2 mm筛，待用. 1.2 秸秆收集与预处理

水稻、芦苇和互花米草这3种秸秆均取自上海市崇明岛，将其粉碎至2 cm，80℃烘干12 h，粉碎，并分别过20目筛，待用. 1.3 秸秆生物炭制备

试验所用生物炭采用同济大学能源与机械工程学院自制的回流炭化炉缺氧热解炭化制得，炭化温度450℃±20℃. 原材料为水稻、芦苇和互花米草这3种农林秸秆，80℃烘干12 h，然后放入炭化炉，充N2至无氧状态下缓慢升温至450℃(炭化炉起始设定温度为200℃，每1.5 h升高50℃)，加热30 min以上直到无挥发分析出，反应完毕，再次通入N2冷却至近室温，取出生物炭，称重，并粉碎至1～2 mm，待用. 3种秸秆的炭化收成率分别为34.38%、36.57%、28.44%. 炭化炉启动时采用电加热，达200℃后利用热解产生的挥发分回流升温和保温. 1.4 盆栽试验

选用水稻、芦苇、互花米草这3种秸秆及其生物炭作为土壤改良剂，与预处理后的供试土壤均匀混合，分别置于长×宽×高为50 cm×40 cm×40 cm的无盖塑料箱中，其中土壤加入量均为每箱40.00 kg(含水率约25%)，土壤层高约25 cm，秸秆加入量均为每箱1.00 kg(干重)，生物炭加入量分别为水稻生物炭343.82 g、芦苇生物炭365.73 g、米草生物炭284.40 g(加入量均按其1.00 kg秸秆的炭化收成率计算)，每个处理设置3个重复，并设置空白土壤对照.

每个塑料箱的底部及四周均留有5个Φ8~10 mm的小孔，以便于滤水和透气. 塑料箱的底部加高，保持透水和通风孔的作用. 塑料箱置于崇明东滩湿地公园内，雨水与日照等同自然界情况，稳定20 d后，移栽长势相同的地肤草幼苗，每箱2棵. 在植物生长过程中(6~11月)根据生长需要浇水，但不施肥，并于11月下旬收割植物. 1.5 土壤样品采集

种植过程中共采集了4次土壤样品，分别于6、7、9、11月下旬梅花状采集表层土壤样品(5～10 cm)，其中6月为本底值采样. 所得新鲜土壤混合后采用四分法分出两份：一份鲜样保存于4℃冰箱中，用于生物指标的测定； 一份风干后过60目筛于常温下保存，用于理化指标的测定. 1.6 理化指标的测定

SOC[12]：采用日本岛津总有机碳测定仪TOC V-CPN，称取30.00 mg预处理后的土壤样品于陶瓷方舟中，直接上机测定，总碳(total carbon，TC)经过900℃燃烧炉测定，无机碳(inorganic carbon，IC)测定先加入体积比为1 ∶2(酸 ∶水)的磷酸约0.30 mL，经过200℃燃烧炉测定，结果采用差减法：SOC=TC-IC； 测定时间分为夏季(6、7月)和秋季(9、11月).

秸秆与秸秆生物炭中易氧化态碳(easlily oxidized carbon，EOC)[13]：高锰酸钾氧化法. 1.7 生物指标的测定

植物生物量：收割植物，洗净，120℃烘干8 h，称其干重.

SR[14]：使用LICOR-8100A型土壤呼吸仪并配以LICOR 8100-102土壤呼吸室. 测量时一个直径为10 cm、高为10 cm的PVC圆柱管插入土壤中，插入深度约为7 cm. 为了减少干扰CO2流通量，至少在测量前的12 h将圆柱管插入土壤. 测定时间为6、7、9、11月，测定频率为2周1次.

土壤活性微生物量[15]：土壤活性微生物量测定采用三磷酸腺苷法，用Profile-1生物发光仪快速测定，所获得的ATP值与土壤活性微生物成正比.

土壤β-糖苷酶活性测定[16]：以对硝基苯-β-D-葡糖苷为底物，称取新鲜土壤样品1.00 g，在37℃条件下恒温培养1 h，400 nm下比色法测定生成物对硝基苯酚(p-nitrophenol，PNP)的量.

土壤脱氢酶活性[17]：采用氯化三苯四氯唑(TTC)比色测定，酶促反应底物TTC受氢后生成红色的三苯基甲苯(TPF)，在37℃条件下恒温培养24 h，于492 nm进行比色，酶活性以TTC的还原产物TPF的生成量表示. 1.8 秸秆与秸秆生物炭可降解性分析

分别将秸秆与秸秆生物炭按2%比例加入到土壤浸提液中，用纱布密封瓶口，于120 r ·min-1和25℃条件下培养，在培养20 d和40 d后，测其秸秆与秸秆生物炭的质量减量率，并以其代表生物可降解性.

土壤浸取液制备[18]：取适量土壤，过60目筛，然后在30℃下恒温干燥2 h. 称取50.00 g预处理后的土壤，装入5 L的抽滤瓶中，再加入一定量的蒸馏水，制成5.00 L土壤培养液. 用玻璃棒均匀搅拌30 min后，以1.50 L ·min-1的气量连续曝气24 h，再静置沉降24 h，最后用玻璃漏斗过滤，将滤液分成每份150.00 mL，待用.

质量减量率[18]：精确称量秸秆与秸秆生物炭降解前后的质量，利用公式mloss=(m0-mt)/m0×100%计算其质量减量率，式中m0和mt分别为秸秆与秸秆生物炭的原始质量和降解后的质量. 1.9 数据处理与统计分析

试验结果统计采用Excel和SPSS软件进行单因素方差分析(ANOVA)、Duncan多重比较和相关性分析. 所有数据测定结果均以平均值表示(3次重复). 2 结果与分析 2.1 秸秆及其生物炭还田的植物固碳量与土壤呼吸

植物生物量可综合反映土壤改良剂对土壤的改良效果，也反映植物的固碳量[19]. 由图 1可知，不同秸秆及其生物炭还田对地肤草均有促生长作用，但秸秆生物炭试验组(均值为138.56 g)普遍好于其秸秆对照组(均值76.76 g)，这可能与秸秆及其生物炭的结构性质有关. 生物炭为多孔结构，比表面积高于其秸秆对照，吸附性较强，可固持钝化土壤养分，减缓土壤养分的淋失，增加土壤养分利用率，进而提高作物产量.

LW-SWT：芦苇生物炭，LW-JG：芦苇秸秆，MC-SWT：米草生物炭，MC-JG：米草秸秆，SD-SWT：水稻生物炭，SD-JG：水稻秸秆，KB：空白对照，下同图 1 秸秆及其生物炭对植物生物量的影响Fig. 1 Effects of straw and straw biochar returning on plant biomass

土壤呼吸作为土壤碳库输出的一个关键环节，是植物固定碳后，又以CO2形式返回大气的主要途径，是土壤碳排放的一个重要过程[20].

如图 2所示，在地肤草生长期间，不同秸秆及其生物炭处理下，土壤呼吸强度随时间的变化表现为不对称单峰型柱状图，在七月份出现峰值后，土壤呼吸强度逐渐变小，直至成熟期，达到最小，这可能与不同季节月份水热条件有关. 不同处理土壤的呼吸强度差异较为明显，空白对照[均值为22.27 μmol ·(m2 ·s)-1]与生物炭还田[均值为21.69 μmol ·(m2 ·s)-1]土壤呼吸强度相差不大，但均明显低于其秸秆对照[均值为65.32 μmol ·(m2 ·s)-1]. 这可能与秸秆生物炭本身的性质以及由其还田后导致土壤性质的差异有关.

图 2 秸秆及其生物炭对土壤呼吸的影响 Fig. 2 Effects of straw and straw biochar returning on SR

为了进一步验证秸秆生物炭还田是否增加或稳定了土壤有机碳库，又分析了各处理土壤的SOC，如图 3所示. 秸秆还田后的SOC(均值为17.76 g ·kg-1)虽低于秸秆生物炭试验组(均值为20.40 g ·kg-1)，但均明显高于空白对照(均值为4.93 g ·kg-1)，这与SOC的直接输入有关. 但生物炭试验组高于其秸秆对照组，这可能与秸秆及其生物炭中有机碳的稳定性有关.

图 3 不同秸秆及其生物炭对土壤有机碳的影响 Fig. 3 Effects of straw and straw biochar returning on SOC
2.2 秸秆与秸秆生物炭还田土壤的微生物活性

土壤呼吸作为一种复杂的生物学反应，当输入的有机质性质有所差异，往往导致土壤微生物活性和土壤酶活性的差异. 土壤β-糖苷酶和土壤脱氢酶为土壤微生物碳代谢过程中的重要酶[21,22]，土壤活性微生物量是土壤微生物活性的一个综合反映[23]. 表 1列出了秸秆与秸秆生物炭还田对以上3种土壤微生物指标的影响.

从表 1可知，秸秆及其生物炭对土壤β-糖苷酶活性、土壤活性微生物量和土壤脱氢酶活性影响差异都较为明显，总体上表现为秸秆>空白>生物炭，这说明秸秆还田显著促进了土壤异养微生物活性，而秸秆生物炭还田对土壤异养微生物活性可能会起到一定的抑制作用.

表 1 秸秆及其生物炭对土壤微生物指标的影响 1) Table 1 Effect of straw and straw biochar returning on soil microbial indicators
2.3 秸秆与秸秆生物炭的组成与性质

土壤EOC是土壤活性有机碳库的重要组成部分，能够为土壤中生物的生活活动提供动力，而且土壤中碳储量的变化主要发生在土壤中EOC的部分[24]. 由表 2可知，秸秆中TC含量明显低于其秸秆生物炭，但EOC含量明显高于其秸秆生物炭.

由图 4的生物可降解性分析结果可知，在培养20 d和40 d后，秸秆和秸秆生物炭的质量减量率都呈上升趋势，但是秸秆质量减量率明显高于秸秆生 物炭，这也验证了秸秆中EOC含量高，较易被土壤微生物降解利用，而秸秆生物炭中EOC含量低，难以被土壤降解利用的现象. 这也能解释秸秆对照组SR较强和土壤酶活性较高的现象.

表 2 秸秆与秸秆生物炭的基本性质 1) Table 2 Basic properties of straw and straw biochar

图 4 不同秸秆生物炭随培养时间的质量减量率 Fig. 4 Mass reduction rate of different straw and straw biochar with incubation time
3 讨论 3.1 秸秆及其生物炭还田的综合碳收支

本研究中采用植物生物量与土壤呼吸的比值来粗略代表该土壤的有机碳收支，比值越大，表明土壤的有机碳汇聚能力越强. 从表 3可知，不同处理土壤的植物量/土壤呼吸比值差异较为明显，秸秆炭改良组明显高于其秸秆对照组和空白对照组，有利于土壤碳库的增加和稳定. 初步的分析结果还表明，即使考虑了生物炭制备过程中的碳损失后(按每箱来计，碳损失量LW-SWT为93.62 g，MC-SWT为182.23 g，SD-SWT为170.31 g； 碳损失率LW-SWT为23.09%，MC-SWT为44.94%，SD-SWT为42.00%)，秸秆生物炭的碳收支仍显著高于秸秆直接还田和空白对照，可见，秸秆生物炭还田是一种较低碳的还田模式.

表 3 秸秆及其生物炭还田的土壤碳收支 1) Table 3 Carbon budget of straw and straw biochar returning

表 3中土壤呼吸的计算公式如下：

式中，0.83为昼夜间SR折算系数[25]； 12为碳原子相对分子量； SRi为第i月份SR，单位mol ·(m2 ·s)-1； Ti为第i月份的SR时间，单位s； Closs为制炭过程中的碳损失量，单位g； S为箱子底面面积，单位m2.

公式(1)中SR理论上为地肤草生长期间的平均值，但是由于LICOR-8100A土壤呼吸仪的局限性，未能对其进行连续测定. 采用6次SR的加权平均值代表其理论值，这样虽不能很精确地表明不同还田模式下的绝对碳收支，但可以定性表明秸秆炭化还田与秸秆直接还田间碳收支的差异性. 3.2 土壤微生物活性与土壤呼吸的相关性

为了更直观地反映影响土壤呼吸强度的最主要微生物活性指标，用SPSS软件对土壤呼吸、土壤β-糖苷酶﹑土壤脱氢酶和土壤活性微生物量这4个指标进行相关性分析. 从表 4可知，土壤呼吸与土壤β-糖苷酶﹑土壤脱氢酶和土壤活性微生物量均具有一定的正相关性，但其顺序为土壤脱氢酶>土壤活性微生物量>土壤β-糖苷酶.

土壤脱氢酶属于胞内酶，能催化有机物质脱氢，起着氢的中间转化传递作用，其活性可作为微生物氧化还原系统的指标，表征土壤微生物的氧化能力[26]，可用来衡量土壤中有机物的降解程度，进而反映土壤呼吸，因此土壤脱氢酶活性是土壤呼吸最主要的影响因子[27]. 秸秆中的纤维素、木质素等在生物炭制备过程中发生裂解生成具有高度芳香化的碳组分[28]，从而具有生物化学稳定性，难以被土壤微生物快速分解，这也验证了生物炭试验组土壤脱氢酶活性低于其秸秆对照组.

土壤活性微生物量作为微生物活性的一种指标，能够表征生物降解过程中微生物数量的多少和新陈代谢速度的快慢[29]，可作为衡量土壤中微生物活力的重要指标，也是土壤呼吸重要的影响因子. 生物炭试验组土壤活性微生物量低于其秸秆对照，也与秸秆生物炭难以被土壤微生物利用有关. 但相关性分析表明它不是最主要的因素，这可能还和其中的菌群结构有关，目前正在研究之中.

土壤β-糖苷酶是一种水解纤维素的酶，可以将纤维二糖、纤维三糖及其他低分子物质分解成单糖，参与物质与能量循环，但并不是纤维素降解的关键酶. 而纤维素内切酶和外切酶可能是影响还田秸秆分解速率的最重要因素[30]，因此土壤β-糖苷酶活性与秸秆及秸秆生物炭还田土壤呼吸强度的相关性较差，不是导致土壤呼吸强度差异的主要决定因素.

表 4 土壤呼吸与微生物指标的相关性分析 1) Table 4 Correlation analysis between soil respiration and microbial indicators

综上，影响土壤呼吸的最主要微生物指标是土壤脱氢酶. 秸秆还田后增加了土壤微生物活性，尤其是增加了土壤脱氢酶的活性，导致土壤呼吸变强. 微生物活性的差异和输入的有机物性质、土壤环境有关，但在本研究中，由于土壤本底基本相同，所以导致脱氢酶活性差异的主要原因可能是秸秆及其生物炭的组成和性质. 3.3 秸秆与秸秆生物炭的组成与性质对土壤微生物活性的影响

为了进一步分析土壤微生物活性与秸秆及其秸秆生物炭基本性质间的相互关系，用SPSS软件对TC、TN、C/N、EOC和土壤脱氢酶等5个指标进行相关性分析.

由表 5可知，土壤脱氢酶与EOC含量有着显著的正相关性，但与TC含量呈负相关. 这表明，秸秆加到土壤中后，由于其EOC含量较高，易于被土壤微生物降解利用，进而提高土壤脱氢酶活性，增强土壤呼吸.而秸秆生物炭中TC含量虽然较高，但其芳香化程度较高，导致EOC含量很低，施加到土壤中后，难以被土壤微生物降解利用，对土壤微生物活性和土壤呼吸没有明显的增强作用.

表 5 土壤脱氢酶与秸秆及其秸秆生物炭基本性质的相关性分析 1) Table 5 Correlation analysis between soil dehydrogenase and the basic characteristics of straw and straw biochar
4 结论

(1)秸秆及其生物炭还田均促进作物生长和固碳，但秸秆生物炭还田后的SR[21.69 μmol ·(m2 ·s)-1]显著低于秸秆直接还田[65.32 μmol ·(m2 ·s)-1]，几乎和空白对照相似[22.27 μmol ·(m2 ·s)-1]； 秸秆生物炭还田后的SOC含量(20.40 g ·kg-1)也普遍高于秸秆对照(17.76 g ·kg-1)和空白对照(4.93 g ·kg-1)； 综合考虑了秸秆生物炭制备过程中的碳支出，秸秆生物炭还田的土壤碳收支仍显著高于秸秆直接还田和空白对照，是一种较低碳的秸秆还田模式.

(2)秸秆直接还田显著促进土壤脱氢酶和土壤β-糖苷酶活性，提高土壤活性微生物量，从而导致较高的土壤呼吸，而秸秆生物炭对这些微生物活性指标没有明显的促进作用； 秸秆直接还田后较高的土壤脱氢酶活性是导致土壤呼吸显著增加的重要原因.

(3)秸秆生物炭EOC含量均低于秸秆对照，导致可生物降解性较低，难以被土壤微生物降解利用，因此其还田后土壤微生物活性和土壤呼吸较低.

致谢： 本研究在采样过程中，得到了崇明东滩国际湿地公园科研部尹秋晓等的帮助，在此表示感谢.

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