2016, Vol. 37
2.农业部西北植物营养与农业环境重点实验室, 杨凌 712100
2.Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agri-environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, Yangling 712100, China
联合国政府间气候变化专门委员会第四次评估报告已正式提交，以全球变暖为主要表现的全球气候急剧变化及其与不断增加的大气温室气体的关系已成为无可非议的事实，为此，控制并减少温室气体排放和增加碳汇成为缓解其气候变化的首要任务[1]. 农田是温室气体的重要排放源，由于人类活动的影响，其温室气体年总排放达到5.1~6.1 Pg CO2-eq(二氧化碳当量)(1 Pg=1015 g)，占全球温室气体总排放量的10%~12%，因此，降低农田温室气体排放对减缓全球气候变化具有重要意义[2].
我国多数土壤的有机质含量和基础肥力偏低，秸秆还田是一些地区普遍推广的土壤培肥措施之一[3]. 已有不少学者探讨了秸秆在土壤中的腐解特征[4~6]、 秸秆对土壤有机质[7]、 微生物碳[8]以及土壤性质的影响[9, 10]等，发现秸秆直接还田在土壤中的矿化率高，提高土壤有机质需要很长时间，且在不同的生态环境条件下秸秆还田提升土壤有机碳的效果不一样，有的地区虽然秸秆还田进行了很多年，但土壤有机质没有明显增加. 调控秸秆在土壤中的矿化和腐殖化过程，既涉及到秸秆中养分的释放，又涉及到土壤有机碳的固定，在土壤养分供应和有机碳固定方面具有重要意义.
生物质炭是由植物等生物质材料在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质[11]，其中的有机碳具有较高的稳定性，在土壤中矿化速率低，可以有效地提高土壤有机质含量[12]. 因其含碳量高、 难于分解、 比表面积大、 疏松多孔等特性，已成为研究农田固碳减排措施中的热点[2]，也对全球碳的生物地球化学循环和缓解全球气候变化有着不可忽视的作用[13]. 但是从秸秆等原材料制备成生物质炭的过程中有机碳会有一定程度的损失，释放出的一些挥发性物质对环境有一定危害[14]. 因此，在现实生产中大量秸秆也只有部分用来转化为生物质炭在农业中利用.
矿化是土壤中有机碳周转的重要过程，是在微生物参与下分解和利用土壤中的活性有机组分并释放出CO2的过程[15]. 已有研究表明秸秆可促进土壤有机碳的矿化[16]，生物质炭可减缓土壤有机碳的矿化[17]，但还不清楚两者之间的交互作用如何. 为此，本文通过培养试验，研究了单施不同水平(分别占土重2%和4%)生物质炭和秸秆、 或生物质炭和秸秆配合施用对土壤二氧化碳释放、 土壤微生物碳和有机碳含量的影响，以期为秸秆还田的有效实施和土壤有机质的调控提供理论和技术指导.
1 材料与方法 1.1 试验材料供试土壤系采自渭北高原的黑垆土. 土壤有机碳含量为9.56 g ·kg-1. 土壤风干后，过2 mm网筛. 生物质炭的氮、 碳、 氢含量分别为1.07%、 59.40%、 2.51%. 秸秆的氮、 碳、 氢含量分别为1.50%、 40.43%、 6.29%. 两种样品经过粉碎过2 mm筛后按试验设计水平与土壤充分混合施用.
1.2 试验设计该试验为二因素三水平完全随机设计，设9个处理,参考章明奎等[18]培养有机碳含量为17.40 g ·kg-1的壤土时，秸秆和生物质炭的添加量为0、 1%、 2%，由于本试验所用的土壤为渭北高原的黑垆土. 土壤有机碳含量为9.56 g ·kg-1，故本试验秸秆(小麦秆)和生物质炭的添加量设计为0、 2%、 4% 这3个水平，各处理如表 1.
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表 1 试验设计 Table 1 Experiment design |
采用室内培养试验，将秸秆、 生物质炭按上述比例添加到过2 mm筛的土壤样品中，置于聚乙烯广口瓶中(带密封盖)，调节含水量为田间持水量的70%，在20℃下培养200 d，每个处理重复3次.
1.3 样品采集与指标测定方法土壤呼吸采用静态碱液吸收，酸液滴定的方法[19]. 分别于第1、 3、 6、 10、 20、 30、 40、 60、 80、 120、 160、 200 d更换碱液并滴定，同时通入新鲜空气； 称重计算土壤水分状况，并进行调节.
分别于第6、 20、 40、 80、 120、 160、 200 d采集土样，测定土壤有机碳和土壤微生物碳含量，前者用重铬酸钾容量法[20]，后者用氯仿熏蒸法[21].
1.4 数据处理采用Originpro 9和SAS统计软件进行数据的统计和方差分析.
2 结果与分析 2.1 二氧化碳释放规律 2.1.1 二氧化碳释放量在培养过程中，各处理二氧化碳累积释放量均随培养时间延长而增加(见图 1). 与对照相比，施用2%生物质炭处理的二氧化碳累积释放量与对照接近，而施用4%生物质炭的处理在培养80 d后低于对照. 施用秸秆的二氧化碳累积释放量明显大于施用生物质炭的，且随着秸秆量的增加而增加.
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图 1 不同培养时间二氧化碳累积释放曲线 Fig. 1 Cumulative releasing carbon dioxide rate curve at different incubation time |
秸秆和生物质炭配合施用，在施用等量秸秆的情况下，当生物质炭的加入量较低时促进了二氧化碳的释放，但当加入生物质炭水平较高时，表观上看促进效应减小(S1B2略低于S1B1)； 这与S0B2处理二氧化碳释放量较低有关. 在施用等量生物质炭的情况下，配施秸秆使二氧化碳的释放量大幅度增加，且随着配施秸秆量的增加而增加.
在200 d培养周期内，不同处理二氧化碳的累积释放量(见图 2)，与对照(S0B0)相比，添加2%、 4%的秸秆处理，二氧化碳的累积释放量远高于对照，平均是对照的4.18、 5.48倍； 添加4%的秸秆处理和2%的相比，二氧化碳累积释放量增加了31.05%. 说明土壤二氧化碳累积释放量主要取决于秸秆的添加量大小. 与对照(S0B0)相比，添加2%生物质炭的处理，土壤有机碳的累积矿化量与对照相当； 而添加4%生物质炭的处理，土壤有机碳的累积释放量下降了23.03%，差异达显著水平. 秸秆和生物质炭配合施用，土壤二氧化碳累积释放量的交互作用均为正值，分别为0.27 g ·kg-1(S1B1)、 0.78 g ·kg-1(S1B2)、 0.33 g ·kg-1(S2B1)、 1.43 g ·kg-1 (S2B2). 说明生物质炭与秸秆混合施用对秸秆有机碳的矿化表现出促进作用，且随着生物质炭施用量的增加而促进作用越大.
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图 2 培养200 d土壤二氧化碳累积释放量 Fig. 2 Cumulative releasing carbon dioxide amount on 200th day |
各处理土壤有机碳矿化速率变化趋势呈现出比较明显的阶段性(见表 2)： 第一阶段从培养开始到培养30 d，二氧化碳的释放速率从初始最高后迅速下降，这个阶段的持续时间短，但是矿化量大； 第二阶段从30 d起直至培养结束，二氧化碳释放速率减少，持续时间长. 与对照相比，施用秸秆的处理二氧化碳释放速率大，且随着秸秆添加量的增加而增大，尤其是在培养初期更为明显. 秸秆配施生物质炭使 释放速率有增加的趋势，但仅表现在培养初期. 在培养的前30 d，施用生物质炭的处理土壤二氧化碳释放速率大于对照，且随生物质炭添加量的增加而升高； 从培养第30 d直至培养结束，与对照接近.
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表 2 施用秸秆和生物质炭土壤二氧化碳释放速率/g ·(kg ·d)-1 Table 2 Releasing carbon dioxide rate of soil with straw and biochar application/g ·(kg ·d)-1 |
2.2 土壤微生物碳变化
在培养过程中，各处理微生物碳含量呈现上下波动变化(见图 3). 和对照相比，单独施用秸秆土壤微生物碳含量明显升高，且随施秸秆量的增加而增加. 单独施用生物质炭对微生物碳含量总体看来无显著影响.
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图 3 施用秸秆和生物质炭下的微生物碳含量 Fig. 3 Microbial biomass carbon content of soil with straw and biochar application |
由表 3可知，当培养到20d时，秸秆和生物质炭配合施用，对土壤中微生物碳含量的交互作用分别为-1.80 g ·kg-1(S1B1)、 -1.48 g ·kg-1(S2B1)、 0.42 g ·kg-1(S1B2)、 1.00 g ·kg-1 (S2B2)，表明生物质炭配施量高(4%)时呈现出正交互效应，配施量低(2%)时呈现出负交互效应； 当培养到80 d时，配合施用秸秆和生物质炭对土壤中微生物碳含量的交互作用分别为： 0.17 g ·kg-1(S1B1)、 0.90 g ·kg-1(S1B2)、 -1.13 g ·kg-1(S2B1)、 -0.31 g ·kg-1 (S2B2)，说明高量秸秆(4%)与生物质炭的配施对微生物碳的影响为负交互效应，而低量秸秆(2%)与生物质炭配施表现出正激发效应. 在培养200 d时，秸秆和生物质炭配合施用对土壤中微生物碳含量的交互作用均为负值(S1B1： -0.02 g ·kg-1、 S1B2： -0.05 g ·kg-1、 S2B1： -0.12 g ·kg-1、 S2B2： -0.54 g ·kg-1)，说明培养一定时间后，秸秆和生物质炭配合施用没有促进微生物碳的增加.
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表 3 施用秸秆和生物质炭对微生物碳影响的交互效应 Table 3 Interaction effect on MBC with application of straw and biochar/g ·kg-1 |
2.3 土壤有机碳变化
随着培养时间的延长，土壤中的有机碳含量逐渐减少(见图 4). 在培养初期，添加秸秆或生物质炭均可提高土壤有机碳含量，且随着秸秆、 生物质炭加入量的增加而增加； 在等量条件下添加生物质炭的土壤有机碳含量大于添加秸秆的. 其中对照土壤(即S0B0)在200 d的培养中，有机碳矿化了2.13%. 添加生物质炭的土壤，有机碳分别矿化了8.09%(2%处理)和9.55%(4%处理)； 添加秸秆的土壤有机碳分别矿化了21.50%(2%处理)和28.95%(4%处理)； 不论是生物质炭还是秸秆，均随添加量增加而矿化率增大. 秸秆和生物质炭配合施用，在等量秸秆情况下，随着生物质炭配施量的增加，土壤有机碳矿化率有升高趋势(S1B1、 S1B2两个处理分别矿化了26.00%、 27.90%，S2B1、 S2B2两个处理分别矿化了33.88%、 36.88%)； 和单施秸秆的相比，秸秆和生物质炭配合施用矿化率更高.
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图 4 施用秸秆和生物质炭下的有机碳含量 Fig. 4 Organic carbon content in soil with straw and biochar application |
如表 4所示，秸秆和生物质炭配合施用对土壤有机碳含量影响的交互作用均为负值，说明秸秆和生物质炭配合施用促进了有机碳的矿化； 且随着培养时间的增长，负交互效应逐步加剧.
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表 4 施用秸秆和生物质炭对有机碳影响的交互效应 Table 4 Interaction effect on TOC with application of straw and biochar/g ·kg-1 |
3 讨论 3.1 生物质炭和秸秆配合施用对二氧化碳释放的影响
本研究表明，单独施用生物质炭，尤其是较高用量时(4%)，在培养过程中可降低土壤二氧化碳的累积释放量，意味着土壤固有有机碳矿化降低. 匡崇婷的研究也证实了这一点[17]. 这与生物质炭自身的结构特征有关： 生物质炭是有大量孔隙结构的惰性芳香环型缩聚类物质，具有较大的比表面，通过包封作用或吸附保护作用与土壤固有有机质结合[22]，降低土壤有机质被微生物分解的概率，起到对土壤有机质的保护作用[23, 24]. 这种作用大小与生物质炭的用量有关，低量时保护效应小，高量时保护作用才得以体现. 所以，生物质炭在4%施用水平时表现出抑制土壤有机碳分解的作用，而在2%水平时无抑制作用. 秸秆和生物质炭配合施用，在施用等量秸秆的情况下，当生物质炭的加入量较低时促进了二氧化碳的释放(S1B1和S1B0相比)，但当加入生物质炭水平较高时，没有促进二氧化碳的释放(S1B2略低于S1B1而高于S1B0). 这一方面与生物质炭施入土壤后，土壤的孔隙状况得到改善，土壤微生物的活性增强、 数量增多有关[20]； 另一方面，是因为对秸秆碳的保护作用，因此，随着生物质炭施用量提高，矿化率并没有增加(S1B2和S1B1相比). 综合分析说明，添加生物质炭对土壤固有有机碳和外源秸秆碳的影响存在差异.
3.2 生物质炭和秸秆配合施用对土壤微生物碳的影响微生物碳的高低一般可以反映出微生物数量的多少. 土壤施用秸秆、 生物质炭后微生物的数量变化受到有机碳源和营养元素的反馈作用，常常存在一定的上下波动变化[25]. 输入秸秆碳使土壤微生物碳含量增加，且输入量越大，土壤微生物碳含量越大. 这与郭成藏等[26] 的研究结果一致. 原因是输入秸秆碳增加了土壤碳量，为微生物提供了碳源. 生物质炭的碳源为惰性碳源，因此添加后不能显著促进微生物的繁殖，因此没有增加微生物碳. 秸秆和生物质炭配合施用对微生物碳的影响情况较复杂，在培养初期(20d)，秸秆与高量生物质炭配合对微生物碳的影响表现出正交互作用，进一步促进了微生物的繁殖. 说明在施用秸秆增加微生物的同时，如果再配以一定量的生物质炭，可以进一步促进微生物的数量增加. 当然随着秸秆有机碳的分解、 消耗，这种交互效应只能保持一定的时间，到培养200d时，秸秆与生物质炭配合对微生物碳的影响表现出的交互效应均为负值，没有促进微生物数量的进一步增加. 这可能与前期的正交互效应导致底物过度消耗所致. 具体原因需要进一步研究.
3.3 生物质炭和秸秆配合施用对土壤有机碳的影响土壤中输入秸秆或生物质炭均可提高土壤有机碳含量，且输入量越大，土壤有机碳含量越高. 这与Novak等[27] 的结论一致. 随着培养时间的延长，添加秸秆的土壤有机碳的下降幅度比添加生物质炭的大很多. 这跟生物质炭本身所含有机碳的稳定性高有关[18]. 就有机碳残留量而言，添加生物质炭的效果比添加秸秆的好. 秸秆和生物质炭配合施用，联合增碳表现出负交互效应，说明秸秆与生物质炭配合后促进了外源有机碳(秸秆碳)的分解，没有促进有机碳在土壤中的固定. 这可能与生物质炭的施用改善了土壤的物理性状(孔隙状况、 通气状况等)有关，从而有利于外源碳的分解.
3.4 微生物量碳、 土壤呼吸和有机碳储量之间的关系矿化是在微生物参与下分解和利用土壤中的活性有机组分并释放出CO2的过程[15]，而微生物量碳是土壤有机碳库中的活性部分，其高低可部分反映微生物活动的强弱[28, 29]，故二氧化碳释放量与微生物量碳关系甚密. 本试验结果表明，施用秸秆加速了土壤呼吸、 提高了微生物碳含量，且两者都是随秸秆添加量的增加而增加. 这说明土壤呼吸与微生物碳之间存在正相关关系. 土壤呼吸程度和有机碳含量之间呈负相关关系，有机碳的矿化速率加快，总矿化量变大，说明二氧化碳释放量变大、 有机碳含量变低. 本试验结果显示，添加秸秆与添加生物质炭相比，在土壤中的矿化量大，矿化速率高，土壤有机碳增加得少.
4 结论(1)秸秆在土壤中的矿化量大，矿化速率高，而生物质炭则矿化量小、 矿化速率低. 添加生物质炭可降低土壤固有有机碳的矿化速率和矿化量. 秸秆和一定量的生物质炭配合施用，对土壤有机碳影响的交互作用为负值，促进了秸秆的矿化.
(2)单独添加秸秆可显著提高土壤微生物碳，而单独添加生物质炭对微生物碳影响较小. 生物质炭和秸秆配合施用对土壤微生物碳的影响与培养时间、 生物质炭或秸秆的添加水平等有关，可以是正交互效应也可以是负交互效应. 不能一概而论，需要具体情况具体分析.
(3)添加秸秆和生物质炭均可提高土壤有机碳含量，等量生物质炭的增碳作用大于秸秆的，但是两者配合施用，其增碳效应的交互效应均为负值.