2017, Vol. 38
, HU Xue-yu
, ZOU Juan , ZHANG Di , CHEN Wei , WANG Xiang-qian , CHEN Yao-jun , LIU Yang
目前，众多研究证实了生物炭添加至土壤具有提高土壤肥力[1, 2]、增加作物产量[2, 3]、改善土壤生态环境[4~6]、修复受污染土壤[7]等潜力.较之其他形式的有机碳，生物炭的高度芳香化结构使其具有更高的生物化学稳定性和热稳定性，因此通常认为生物炭施用于土壤可作为碳储存的稳定载体，在温室气体减排方面发挥重要作用[8, 9].但是也有研究结果表明生物炭进入土壤环境后会引起土壤CO2释放量增加[10, 11].可见生物炭作为一项抵御气候变化的技术在大规模应用于农田之前，还需要更多的工作积累.
被誉为黑色黄金的生物炭输入土壤后会导致地表颜色及其粗糙度的变化，进而引起地表反照率的降低[12].地表反照率是地表能量平衡研究中的重要参数，其降低可能会引起土壤温度上升[12]，进而促进土壤呼吸，导致土壤释放的CO2增加.一项田间试验结果表明，生物炭施用量为3.0~6.0 kg·(m2·a)-1的处理，与不施生物炭的处理相比，地表反照率在生物炭施用后有80%的降低[13]；本课题组的前期工作也表明，0.5 kg·(m2·a)-1、4.5 kg·(m2·a)-1施用量的生物炭均可引起地表反照率的降低[14], 但该研究未对地表反照率降低后土壤呼吸的变化进行探讨；有学者经估算得出地表反照率的改变可使生物炭系统带来的总体气候缓解效益被削弱13%~22%[15].截止目前，有关生物炭输入导致的地表反照率变化对土壤呼吸产生何种影响的研究还很少.揭示生物炭进入土壤环境后对农田地表反照率及土壤呼吸作用的影响，对于多角度认识生物炭对土壤有机碳源/汇效应的贡献有着非常重要的作用，是值得研究探讨的问题之一，具有科学意义和实际价值.
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验布置于湖北省武汉市城郊农业区某蔬菜种植基地 (30°31′54″N、114°24′09″E)，当地属于亚热带季风气候，年均气温15.8~17.5℃，年降水量1269 mm.试验地块0~20 cm土壤基本理化性质：ω(砂粒)、ω(粉粒)、ω(黏粒) 分别为69.7%、28.4%、1.9%；土壤类型为砂壤土、pH值4.6、容重1.1 g·cm -3、有机质18.3 g·kg-1、总氮1.6 g·kg-1、总磷0.21 g·kg-1、总钾12.6 g·kg-1、阳离子交换量9.1 cmol·kg-1.
1.2 供试材料与试验设计供试小麦品种为郑麦9023，由河南黄泛区地神种业有限公司提供，供试玉米品种为华糯5号甜糯玉米，由江西省丰城市华裕种子有限公司提供. 500℃木质颗粒生物炭基本性状：pH值8.6、有机碳566.0 g·kg-1、总氮6.2 g·kg-1、总磷0.96 g·kg-1、总钾13.8 g·kg-1.
田间生物炭施用量分别为0 (CK)、0.5 kg·(m2·a)-1(BC0.5)、4.5 kg·(m2·a)-1(BC4.5)，同时每个生物炭用量下设置2个副处理：种植作物 (以+表示) 和裸地 (以-表示).每个处理均设3个重复，随机区组排列，每个小区面积为2.25 m2(1.80 m×1.25 m).小麦每亩播种7 kg，行距20 cm，于2014年11月6日播种，2015年5月25日收获，全生育期为200 d.玉米种植行距为40 cm、株距为30 cm，于2015年7月17日播种，9月28日收获，全生育期为73 d.两次生物炭施用时间分别为2014年7月20日、2015年7月12日 (2014年7月至2014年10月所种植作物为玉米，由于未获取该时段土壤呼吸数据，本文仅对2014年11月至2015年10月间所获取数据进行讨论).施用生物炭前，对试验小区内土壤进行翻耕，耕深20 cm，然后将生物炭均匀撒至相应处理小区中，使用铁锨将生物炭均匀混合至0~20 cm土层，平整土壤后施用复合肥[ω(N) :ω(P2O5) :ω(K2O)=15 :15 :15)]0.075 kg·m-2，饼肥[(ω(N)、ω(P2O5)、ω(K2O) 分别为8.2%、2.0%、1.8%]0.135 kg·m-2.
1.3 测定方法使用Hukseflux NR01四分量辐射传感器 (短波辐射传感器光谱范围为305~2 800 nm，灵敏度为14.9×10-6 V·W-1·m-2) 连接至CR1000数据采集器测定地表反照率.根据文献[16, 17]计算得出，当试验小区面积为2.25 m2时，四分量辐射传感器的安装高度距地表16 cm可保证地表的反射辐射全部来自小区.为避免云层等气象因素带来的干扰，地表反照率的测量选在晴朗少云的12:00~13:00进行.为减少太阳辐射变动而产生的误差，每个小区地表反照率的测定在3 min内完成，将3 min内获得的地表反照率的平均值作为试验小区地表反照率的实测值. 2014年11月~2015年10月间共进行19次测定.
使用曲管地温计测定0~10 cm土壤平均温度，使用TZS-1W型土壤湿度探针 (浙江托普仪器有限公司) 测定0~10 cm土壤平均湿度，测定时间均为08:00~17:00，每隔1 h测量1次，将每小时获得数据的平均值作为该测量日白天的土壤温度与土壤湿度.测定日期均与地表反照率的测定日期相同.
土壤CO2样品采用静态箱法采集，箱体由聚丙烯材料制成，箱体横截面积为30 cm×30 cm，高40 cm，壁厚1 cm.箱体不透明以减小由于太阳辐射引起的箱内温度变化.箱内顶部装有风扇以均匀混合箱内气体，每套箱体配备底座以便水封保持密闭，底座长期固定于试验小区. 3个重复的试验小区分别由3名试验人员同时进行采样，采样时间固定在10:00~11:00.分别于关箱后的20、40、60 min用注射器采集气体样品100 mL，并立即转移至真空气袋中.采样频率：小麦生长季自作物播种后约30 d一次，玉米生长季因其生育期相对较短，采气频率约10~15 d一次.采用气相色谱仪 (Agilent 6820，FID检测器) 测定CO2浓度，求得CO2的排放速率，再根据大气压、气温、普适气体常数、采样箱高度、CO2分子量等，求得CO2排放通量[18].
采用S型采样法多点混合采样，去除活体根系和可见有机物残体后，取部分新鲜土壤测定土壤易氧化态碳及土壤水溶性有机碳，剩余土壤于室内自然风干，磨细过2 mm筛，储存于玻璃塞广口瓶中，0℃~4℃冷藏备用，采样频率约为30 d一次.土壤总有机碳 (TOC)、土壤易氧化态碳 (EOC)、土壤水溶性有机碳 (WSOC) 的测定分别参考文献[19~21].小麦及玉米叶面积指数的测定采用系数法[22]，玉米、小麦的长宽校正系数分别取0.75、0.83.
1.4 数据分析采用Origin Pro 9.2制作数据图、SPSS 22.0进行重复测量的方差分析，多重比较 (LSD法) 显著性水平设置为0.05.
2 结果与分析 2.1 不同地表条件下农田地表反照率对生物炭输入的响应有作物覆盖条件下，不同处理在不同测定日期的地表反照率差异如图 1所示.小麦出苗期 (2014年11月13日) 至越冬期 (2015年2月6日) 的观测结果显示，BC4.5 +和BC0.5 +处理的地表反照率均较CK +处理显著下降 (P < 0.05)，降幅分别为21.5%、23.6%和17.9%、14.8%.返青期 (3月9日) 至成熟期 (5月13日)，BC4.5 +与BC0.5 +处理较CK +处理未见显著差异.小麦作物于5月25日收获，在此之后的两次观测中 (5月31日、6月24日)，BC4.5 +处理地表反照率与CK +处理再次呈显著差异 (P < 0.05)，其值比CK +处理下降了15.3%、17.3%.玉米生长季BC4.5 +及BC0.5 +处理地表反照率变化与小麦生长季相似，在玉米生长的苗期和拔节期 (7月18日、30日)，施用生物炭的处理相对于CK +处理地表反照率有显著下降 (P < 0.05)，而在抽穗期直至成熟期各处理地表反照率均未出现明显差异.不同生物炭施用量的2个处理间的地表反照率，在小麦及玉米生育期均未表现出具有统计学意义的差异.由图 2可见，裸地条件下，BC4.5-和BC0.5-处理的地表反照率较CK-处理在19次观测中有17次均呈显著下降 (P < 0.05)，其中小麦生长季最大降幅分别为23.7%、17.9%，玉米生长季最大降幅分别为44.5%、44.9%，BC4.5-与BC0.5-处理的地表反照率在多数观测中未见显著差异.
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**表示BC4.5 +处理与BC0.5 +处理地表反照率与CK处理相比均有显著差异 (P < 0.05)，*表示BC4.5 +处理地表反照率与CK处理相比有显著差异 (P < 0.05)，BC4.5 +、BC0.5 +、CK +的叶面积指数无显著差异，图中仅显示BC4.5 +处理的叶面积指数，蓝色虚线为小麦生长季与玉米生长季的分界线，下同 图 1 作物覆盖条件下地表反照率对生物炭输入的响应 Fig. 1 Effects of biochar input on surface albedo under the condition of crop cultivation |
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图 2 裸地条件下地表反照率对生物炭输入的响应 Fig. 2 Effects of biochar input on surface albedo under the condition of bare land |
表 1为小麦生长季和玉米生长季各处理地表反照率与叶面积指数的拟合结果.从中可知，在小麦生长季和玉米生长季中，各处理的叶面积指数与地表反照率均呈显著相关，随叶面积指数增加，地表反照率在3个处理间的差异随之逐渐消失. 2014年11月至2015年10月间，BC4.5 +、BC0.5 +、BC4.5-、BC0.5-处理较对照处理的地表反照率平均值分别降低0.015、0.012、0.028、0.017，裸地条件下的地表反照率降幅高于作物覆盖条件.表明作物覆盖可在一定程度上缓解生物炭输入导致的地表反照率的降低效应，且叶面积指数是影响地表反照率的因素之一.
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表 1 地表反照率与叶面积指数的拟合方程1) Table 1 Fitting equation of surface albedo and leaf area index |
2.2 生物炭输入对土壤温度、土壤湿度的影响
生物炭输入对土壤温度的影响如图 3所示.可见，各处理土壤温度的变化在全年范围内与日平均气温变化具有较强的一致性.在试验期内，BC4.5 +和BC0.5 +处理的土壤温度与CK +处理相比均无显著变化；在裸地条件下，BC4.5-与CK-处理相比未发现规律性的土壤温度升高或降低. BC0.5-处理在所有的观测日期内虽未与CK-处理形成显著差异，但其土壤温度在多数观测中有所降低，降幅为0.16~0.70℃.
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图 3 生物炭输入对土壤温度的影响 Fig. 3 Dynamic changes of soil temperature in each treatment |
由图 4可见，BC4.5 +、BC0.5 +、CK +处理的土壤湿度始终未出现有统计学意义的差异.但在裸地条件下，施用生物炭量较小的BC0.5-处理在两季作物的观测中的土壤湿度较CK-处理有显著增加 (P < 0.05)，增幅为1.1%~3.0%.另外，在作物收获后的3次观测中 (5月31日、6月24日、10月9日)，并没有发现BC0.5-处理的土壤湿度与CK-处理存在差异，可能是由于收获后的翻耕过程影响了土壤的孔隙结构，导致BC0.5-处理降低土壤湿度的效应暂未显现.
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*表示该处理与对照处理相比均有显著差异 (P < 0.05)，下同 图 4 生物炭输入对土壤湿度的影响 Fig. 4 Dynamic changes of soil moisture in each treatment |
由图 5可知，在小麦生长季中，4.5 kg·(m2·a)-1的生物炭输入导致BC4.5 +处理相较于CK +处理的土壤CO2排放通量有显著增加 (P < 0.05).然而，随着生物炭施入时间的延长，增幅从276.7%(小麦苗期，2014年12月30日) 逐步降低至36.1%(小麦成熟期，2015年5月13日).由于生物炭输入量仅为0.5 kg·(m2·a)-1，BC0.5 +处理在小麦生长前期可观测到土壤呼吸的增强，较CK +处理增加14.1%~26.4%，但随着增幅的逐渐缩小，在小麦收获前 (5月13日) 的观测中，该处理的土壤CO2排放通量未与对照处理形成显著差异.在裸地条件下，BC4.5-及BC0.5-处理的土壤CO2排放通量总体变化趋势与BC4.5 +及BC0.5 +处理相似，即随着生物炭施入时间的延长，土壤呼吸的增强幅度逐渐减弱，其中BC4.5-处理的增幅从163.5%明显减弱至39.8%.
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图 5 生物炭输入对土壤呼吸的影响 Fig. 5 Effects of biochar input on soil respiration |
在玉米生长季土壤CO2排放通量的观测中，生物炭处理的土壤CO2排放通量均与对照相比形成显著差异.与小麦生长季观测结果相似的是，生物炭处理相对于对照处理的土壤CO2排放通量增幅均随着观测时间的延长而减小.在两季作物的观测中，有作物覆盖的处理在同一观测日内的土壤CO2排放通量均多于裸地的处理，而增加的部分可能由作物的根呼吸及根际微生物呼吸所贡献.
2.4 生物炭输入后土壤有机碳组分的动态变化图 6~8分别为不同生物炭处理TOC、EOC、WSOC含量的动态变化.从图 6可看出，在有作物覆盖处理中，各处理TOC动态变化基本一致，多表现为随作物生长时间延长而下降的趋势.而在裸地处理中，除7月18日的观测值外，各处理TOC变化趋势较为平缓.由于在7月12日向各处理添加了生物炭，使得BC4.5 +、BC0.5 +、BC4.5-、BC0.5-的TOC在7月18日的观测值比6月24日的观测值分别高出14.8%、10.4%、13.1%、2.9%，表明生物炭的输入可有效提升TOC含量，且提升幅度随输入量的增加而增大.
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图 6 不同生物炭施用量下TOC的动态变化 Fig. 6 Variation of total soil organic carbon concentrations in each treatment |
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图 7 不同生物炭施用量下EOC的动态变化 Fig. 7 Variation of soil readily oxidizable carbon concentrations in each treatment |
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图 8 不同生物炭施用量下WSOC的动态变化 Fig. 8 Variation of soil water extractable carbon concentrations in each treatment |
添加生物炭的处理中，EOC与WSOC含量变化趋势基本一致，多表现为随生物炭输入时间延长呈下降趋势，在2015年7月12日获得生物炭补给后，出现EOC和WSOC含量的激增，BC4.5 +、BC0.5 +、BC4.5-、BC0.5-的EOC含量较输入前分别提高了46.3%、24.3%、20.7%、27.8%，而且WSOC含量增幅更大，分别为110.7%、73.8%、62.1%、178.1%. CK +、CK-处理由于始终未有外源有机碳源的输入，其EOC和WSOC含量保持在较低水平，且呈不规律波动.
2.5 地表反照率、土壤有机碳组分与土壤CO2排放通量的关联性对不同生物炭处理地表反照率、TOC、EOC、WSOC含量与土壤CO2排放通量进行了相关性分析，详见表 2.可以发现，在添加生物炭的处理中，土壤CO2排放通量与WSOC含量有着显著的相关性，但与地表反照率、TOC、EOC含量相关性较弱.在未添加生物炭的对照处理中，土壤CO2排放通量与地表反照率、TOC、EOC、WSOC含量的相关性均不显著.结合前述结果，生物炭处理较对照处理增加的CO2排放量来自生物炭-土壤共存体系中的易分解碳组分的矿化，水溶性有机碳是其易分解碳组分的重要组分，而生物炭是土壤水溶性有机碳增加的主要贡献者.生物炭输入导致的地表反照率变化未对土壤呼吸产生直接的效应.
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表 2 各处理地表反照率、TOC、EOC、WSOC与土壤CO2排放通量的Pearson相关系数1) Table 2 Pearson correlation coefficient of surface albedo, TOC, EOC, WSOC and soil CO2 emission flux in each treatment |
2.6 生物炭输入对土壤呼吸温度敏感性的影响
采用指数模型拟合土壤温度变化与土壤呼吸速率的关系，并计算出不同生物炭处理的土壤呼吸温度敏感性Q10值，探究生物炭输入对土壤呼吸敏感性的影响. Q10值为土壤温度敏感性指数，表示温度每升高10℃，土壤呼吸速率变化的倍数，其值越高表明土壤呼吸对温度依赖性越大[23].通过表 3可以得知，添加生物炭的处理与对照处理相比，其Q10值在不同程度上有所降低，在小麦生长季中BC4.5 +、BC0.5 +的Q10值分别较CK +降低了46.0%、2.0%，而这一比例在玉米生长季则为13.1%、10.7%.在裸地的处理中，施用生物炭的处理同样使得Q10值降低.生物炭输入可使土壤呼吸温度敏感性降低，降低的幅度随生物炭输入量的增加而增大.
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表 3 10 cm土壤温度与土壤CO2排放通量的拟合方程1) Table 3 Fitting equation of soil respiration and soil temperature at 10 cm depth for each treatment |
3 讨论 3.1 生物炭输入对地表反照率的影响
有研究表明，叶面积指数和太阳辐射透过率呈负指数相关，即太阳辐射透过率随叶面积指数的增大而减小[24].当小麦处于苗期及越冬期、玉米处于苗期及拔节期时，其冠层结构尚未对投射到地表的太阳辐射形成有效遮挡，但随着小麦及玉米植株的生长发育，其叶面积发生显著变化，叶面积指数迅速增加，试验田块的大部分地表被叶片阴影所遮盖，反射了部分到达地表的太阳辐射，由此掩盖了因生物炭施用而引起的地表颜色变化，从而使得添加生物炭处理和对照处理的地表反照率差异减小.但在小麦生长季和玉米生长季，这种差异能被观测到的时间占整个生长周期的百分比却不相同.在小麦生长季中，能被观测到施用生物炭处理的地表反照率较对照处理有显著下降的时间约为92 d，占整个生长周期的46.0%，而在玉米生长季中这一比例仅为29.1%.有研究指出作物叶面积指数越大，叶片越多，叶层越厚，作物对太阳辐射的截获量亦大[25].相对于玉米，小麦生育期较长，且在返青期之前叶面积指数未见显著变化，因此考虑这一现象主要是由两种作物冠层结构发展速度以及叶面积的垂直分布不同所导致[26].藉此分析，在生物炭大规模农用时，可以考虑优先在施用生物炭的土壤上种植冠层结构发展速度较快的作物，以规避农田地表反照率降低而可能带来的环境风险.
3.2 生物炭输入对土壤温度、土壤湿度的影响在本研究中，0.5 kg·(m2·a)-1、4.5 kg·(m2·a)-1的生物炭处理均可使地表反照率较对照处理在作物冠层结构发展较弱以及裸地条件下有显著降低，但这并未引起土壤温度的显著升高，生物炭处理的土壤温度主要与大气温度变化相呼应.有研究表明，生物炭的施用可以有效减少土壤温度极端值的出现几率，当土壤日平均温度较低时，施炭量为0.9 kg·(m2·a)-1的生物炭处理较对照处理的土壤日平均温度最大可增加0.5℃，而当土壤日平均温度较高时，生物炭处理又可以起到降低土壤温度的效果[27].在另一项田间试验中，当施炭量为4.0 kg·(m2·a)-1时，番茄生育期0~10 cm土层土壤含水率较对照处理增加20.8%[28].可见，由于田间试验环境的复杂性，不同研究者关于生物炭输入对土壤温度、土壤湿度的试验结果往往不尽相同.
土壤温度、土壤湿度的影响因素具有多重性，季节变换、作物覆盖、降雨、灌溉、土体因自然或人为因素的扰动都会对此产生影响，这些因素的共同作用尤其是季节变换引起的土壤温度的波动，可能会掩盖由地表反照率降低而造成的土壤温度乃至土壤湿度的变化.
3.3 生物炭输入对土壤呼吸的影响在针对土壤呼吸作用的观测中发现，生物炭在施用初期的土壤呼吸较对照处理有显著增强，但其增幅随施用时间延长而变窄.相关分析结果支持生物炭处理较对照处理增加的CO2排放量来自生物炭-土壤共存体系中的易分解碳组分，生物炭处理的土壤CO2排放通量与WSOC含量显著相关，且生物炭进入土壤系统使得芳香化程度较低的WSOC等活性有机碳组分含量增加[29]，而这些组分的逐渐矿化及由其引起的激发效应可能是土壤呼吸增强的主要原因.需要注意的是，本研究中气体样品的采样频率偏低，这可能带来一定的误差进而影响试验结果，因此在今后的田间土壤气体采样中应适当增加采样频率以减少误差.一些研究表明，生物炭改善了土壤中微生物的生存环境以及引入了部分易分解有机质，导致土壤呼吸的急剧增加，但随着不稳定成分的矿化，激发效应随之消失[29, 30].这一结果支持生物炭输入导致的地表反照率变化未对土壤呼吸产生直接的影响，而且生物炭输入可降低土壤呼吸温度敏感性Q10值，这为生物炭具有一定的化学和生物学稳定性提供了直接证据.
土壤呼吸温度敏感性的变化可能来自于土壤有机碳组分的温度敏感性差异，也有可能来自土壤生物群落温度敏感性的差异.土壤有机碳矿化本身是温度敏感的[31]，在一项关于土壤有机碳矿化及其温度敏感性的研究中，随着环境温度 (5、15、25、35℃) 的升高，土壤有机碳矿化速率增大，但其中活性碳分解速率变化无规律，缓效碳分解速率随温度的升高呈指数增长，可见不同的土壤有机碳组分对温度变化的敏感程度呈现差异[32].这表明由于土壤有机碳中各组分含量不同以及不同有机碳组分对温度变化的敏感性不同，不同有机碳组分的矿化对土壤呼吸的贡献也不尽相同.因此，针对生物炭输入对不同土壤有机碳组分温度敏感性的影响还待后续的进一步研究.
从表 2可知，地表反照率与土壤CO2排放通量相关性较弱，考虑到田间试验条件的复杂性及影响土壤呼吸的因素众多，依据目前两种作物覆盖及裸地条件下12个月的田间观测结果，尚不能确定地表反照率下降对土壤呼吸具有显著影响.因此，较长时间尺度、多种作物覆盖条件下的田间观测，将有助于更好地认识生物炭输入导致的地表反照率变化对土壤呼吸作用的影响.
4 结论(1) 在作物覆盖条件下，作物生长前期 (玉米的苗期至拔节期、小麦苗期至越冬期)，BC4.5 +、BC0.5 +的地表反照率较CK +处理均有显著下降 (P < 0.05)，随叶面积指数增加，生物炭处理与对照处理间的地表反照率差异随之消失.裸地条件下，生物炭处理的地表反照率在全部的观测中较对照处理有显著下降 (P < 0.05).作物覆盖可有效缓解地表反照率的降低效应.
(2) 生物炭在输入初期可显著增加土壤CO2排放量 (P < 0.05)，但其增幅随时间逐渐减小.相关分析结果支持生物炭处理较对照处理增加的CO2排放量来自生物炭-土壤共存体系中的WSOC等易分解碳组分的矿化，而生物炭是WSOC增加的主要贡献者.
(3) 生物炭输入导致的地表反照率变化未对土壤呼吸产生直接影响，而且生物炭输入可降低土壤呼吸温度敏感性Q10值，表明生物炭具有一定的化学和生物学稳定性.
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