2018, Vol. 39
土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)是全球碳循环的重要组成部分, 增加土壤有机碳对于提高土壤碳汇能力、保障粮食安全及延缓全球气候变暖具有重要意义[1].土壤有机碳是有机物料输入碳和矿化分解排放的长期平衡结果, 其含量和质量在短时间内不能对施肥、耕作方式转变、有机物料施用等农田管理措施作出灵敏地响应.土壤碳库变化主要发生在活性碳库中, 土壤活性有机碳是指土壤中稳定性差、周转速率快、易矿化分解, 在土壤中移动快、易受植物和土壤微生物影响、活性较高的那部分有机碳, 主要包括微生物生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)、可溶性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)、易氧化态有机碳(readily oxidized carbon, ROC)、颗粒有机碳.虽然土壤活性有机碳占土壤有机碳总量的比例较小, 但它可以灵敏地反映土壤微小变化, 可作为土壤有机碳有效性和土壤质量的早期指标.有研究表明, 土壤活性有机碳库对温室气体排放有较大的贡献[2], 其含量的高低直接影响到土壤微生物的活性, 从而影响土壤固碳能力及温室气体的排放[3], 因此研究土壤活性有机碳对土壤碳库平衡及土壤温室气体减排有重大意义[4].
生物炭也称生物质炭, 主要由C、H、O等元素组成, 是物质在缺氧或无氧条件下热裂解得到的一类含炭的稳定的高度芳香化的固态物质[5].因生物炭富含Na、K、Ca、Mg等矿质组分, 呈碱性, 施入土壤能改良酸性土壤, 改善土壤物理结构[6].生物炭含碳量高, 具有较高的稳定性, 若被埋到地下后可以在土壤中封存很长的时间, 有助于减缓全球变暖, 因此国内外学者提出了将农业废弃物转化为生物炭, 并投入到土壤中以达到固碳效果[7].有研究表明, 农田施用生物炭可以增加土壤有机碳量, 促进土壤团聚体的形成且输入量越大, 土壤有机碳含量越高[8].付琳琳等[9]的研究表明施加生物炭可以提高活性有机碳含量, 这与生物炭本身活性有机碳的含量密切相关.王月玲等[10]的研究表明生物炭能显著提高土壤总有机碳含量, 提高土壤的固碳能力.侯亚红等[11]的研究表明秸秆生物炭的施入有利于土壤碳库的增加和稳定, 但对土壤微生物活性和土壤呼吸没有明显的增强作用.尚杰等[12]的研究表明施用生物炭可以显著提高土壤总有机碳、易氧化有机碳、颗粒有机碳和微生物生物量碳含量.张晓玲等[13]的研究表明施加生物炭处理的土壤活性有机碳含量均有不同程度的上升, 而土壤缓性碳含量大致呈下降趋势.但另有研究表明, 生物炭的碳源为惰性碳源, 添加后不能显著促进微生物的繁殖, 因此没有增加土壤微生物生物量碳[14].潘全良[15]的研究表明与秸秆还田和施用猪厩肥相比, 生物炭处理土壤有机碳含量较低.同时, 有研究表明, 生物炭与秸秆等方式相比可在短时间内更多地提高土壤有机碳, 但是这种优势能否在较长时间内保持, 短期试验不能得出正确评价[16].作为重要的土壤改良剂、污染物质吸附剂的生物炭在农业和环境中具有巨大的应用价值和现实意义.本试验通过对不同施用量生物炭还田下土壤活性有机碳库组分的测定, 分析生物炭还田对紫色土活性有机碳库的影响, 以期在全球气候变暖背景下为紫色土最适生物炭施用量提供科学的理论依据.
1 材料与方法 1.1 试验地概况试验地点设在重庆市北碚区“国家紫色土肥力与肥料效益长期监测基地”(以下称长期定位点), 海拔266.3 m, 年平均气温18.3℃.最高气温7月平均28.7℃, 最低气温1月平均7.7℃, ≥10℃积温6 006℃, 年降雨量1 086.6 mm, 年日照时数1 276.7 h, 为亚热带季风气候.试验土壤为侏罗纪沙溪庙组紫色泥页岩发育形成的紫色土, 中性紫色土亚类, 灰棕紫泥土属, 是重庆四川紫色土区分布最广的一种土壤.
1.2 试验材料试验中所用生物炭由四川省久晟农业有限责任公司提供, 以油菜秸秆为原料在500℃高温厌氧条件下热解2 h烧制, 其碳含量为62.58%, C/N为45.52, pH为8.9.试验前采集0~20 cm耕层土壤测定其基本理化性质, 见表 1.
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表 1 供试土壤基本理化性质 Table 1 Basic physical and chemical properties of tested soil |
1.3 试验设计
试验共设置4个处理：①单施化肥, 无物料还田(CK), ② 8 000 kg·hm-2生物炭配施化肥还田(BC), ③ 4 000 kg·hm-2生物炭配施化肥还田(0.5 BC), ④ 16 000 kg·hm-2生物炭配施化肥还田(2 BC), 每个处理设置3个重复; 采用随机区组排列在12个2 m×1 m能独立排灌的微区内, 各个微区的水肥管理均相同.生物炭在每季作物播种前3 d按照等碳量原则还入, 施入大田之前首先将生物炭磨碎并通过2 mm筛使其混合均匀, 生物炭直接均匀覆盖在土壤表面.还田时人工翻入土壤, 深度为10 cm, 要求在土层, 混拌均匀.
试验种植模式采用油菜/玉米轮作, 本试验于2015年10月11日开始, 2016年8月1日结束, 各作物的氮、磷、钾、硼养分用量根据《中国主要作物施肥指南》来确定, 各季作物栽培方式和田间管理措施按照当地习惯进行.其中油菜(96v44, 密度8万株·hm-2)于2015年10月11日育苗, 2015年11月3日移栽, 2016年4月19日收获.玉米(中豪9号, 密度4万株·hm-2)于2016年4月9日育苗, 4月20日移栽, 8月1日收获.油菜季的氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥和硼肥用量分别为150、90、90和15 kg·hm-2.氮肥分基肥和薹肥两次施用(基肥占70%), 磷钾硼肥做基肥一次性施用.基肥和薹肥分别于2015年11月1日和2016年2月20日施用, 施用方法为小雨前后撒施.玉米季各处理的氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥分别为180、60、90 kg·hm-2, 全部作为基肥在玉米移栽时施入.氮、磷、钾和硼肥品种分别为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O5 12%)、硫酸钾(K2O 51%)、硼砂(含B 12%), 所有处理田间管理技术与当地农民习惯一样.
1.4 样品采集与测定从油菜移栽(2015年11月)到玉米收获(2016年8月), 每两周采集靠近植株处、株间和行间3个地点的0~20 cm土壤, 混合成一个土壤样品装入自封袋中, 每个土壤样品带回实验室经去除土壤动物、植物根系、秸秆残渣及凋落物后充分混匀, 部分新鲜土样立即过2 mm筛保存于4℃冰箱, 用于测定土壤含水量、SMBC和DOC等; 部分土样自然风干后磨细过0.15 mm筛, 以测定SOC和ROC.
土壤SOC含量的测定采用重铬酸钾外加热容量法; SMBC采用吴金水[17]的氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定：
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式中, EC为熏蒸和未熏蒸样品浸提液测定的有机碳差值; KEC为转换系数, 取值为0.38. ROC采用高锰酸钾氧化比色法测定.
土壤DOC含量的测定：称取过2 mm筛的鲜土20 g于100 mL塑料离心管内, 加入40 mL去离子水浸提(土液比为1:2), 在25℃下振荡30 min(250 r·min-1), 离心20 min(4 000 r·min-1), 然后上清液用真空泵抽滤过0.45 μm微孔滤膜到50 mL塑料瓶中, 滤液直接在Multi N/C 2100分析仪(耶拿, 德国)测定.
1.5 数据处理与统计分析采用SPSS 17.0和Excel 2003软件进行数据处理、绘图制表.所有的结果均用3次测定结果的平均值表示.不同处理之间的多重比较采用LSD最小显著差数法(P < 0.05).
2 结果与分析 2.1 生物炭还田下土壤有机碳(SOC)的变化土壤有机碳含量随着生物质还田在整个生育期呈现先增加后小幅度降低的趋势, 同时在油菜季和玉米季土壤有机碳含量有一定的季节变化.其中, 在油菜季蕾薹期0.5BC处理下土壤有机碳含量显著高于其他3个处理(P < 0.05).玉米季各处理土壤有机碳含量均在2016年6月21日(灌浆期)达到最大值(图 1).各处理土壤有机碳平均含量表现为：2BC (20.83g·kg-1)>BC (17.88g·kg-1)>0.5BC (15.62g·kg-1)>CK (11.94g·kg-1).因此, 各处理生物炭还田均能显著增加土壤有机碳含量, 与试验前土壤相比较, 各处理增加幅度表现为：2BC (74.41%)>BC (49.71%)>0.5BC (30.79%), 且玉米季增幅大于油菜季.
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图 1 不同生物炭施用量还田下土壤有机碳的变化 Fig. 1 Dynamics of soil total organic carbon with different amounts of biochar addition |
各处理油菜季和玉米季土壤微生物量碳动态变化如图 2所示, 在油菜季土壤微生物量碳随着生育期的进行呈现先降低再增加后降低的趋势, 而在玉米季土壤微生物量碳在整个生育期呈现先增加后降低再增加的趋势.在油菜季, 土壤微生物量碳于2015年12月7日(油菜季苗期)达到最小值, 随着油菜的旺盛生长于2016年3月31日(角果期)达到峰值.在玉米季, 土壤中微生物量碳于2016年5月23日(拔节期)达到第一个峰值后, 又在2016年7月4日(灌浆期)达到第二个峰值.各处理微生物量碳含量平均值表现为：BC(125.53g·kg-1)>CK(112.58g·kg-1)>2BC (112.51g·kg-1)>0.5BC (111.52g·kg-1), 较之CK处理, 只有BC处理下土壤微生物量碳含量提高了12%, 其余两个处理0.5 BC, 2 BC的施入反而使土壤中微生物量碳含量下降.
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图 2 不同生物炭施用量还田下土壤微生物量碳的变化 Fig. 2 Dynamics of soil microbial biomass carbon with different amounts of biochar addition |
由图 3可以看出油菜在苗期土壤可溶性有机碳含量出现先增加后减少的趋势, 且各处理间变化幅度较小.蕾薹期到成熟期, 也呈现先增加后减少的趋势, 其中油菜蕾薹期时土壤可溶性有机碳含量0.5 BC处理与其它3个处理差异显著.在开花期后期至角果期, 各处理DOC含量均达到最高值(129.66~336.72g·kg-1).随着玉米生育期的进行土壤可溶性有机碳含量呈先上升后下降的趋势, 均在2016年7月4日(灌浆期)达到最高, 其中0.5BC处理显著高于CK、BC和2BC处理.生物炭还田能提高土壤可溶性碳含量, 各处理DOC平均含量表现为：0.5BC(198.83 mg·kg-1)>BC(115.78 mg·kg-1)>2BC(70.66 mg·kg-1)>CK (70.05 mg·kg-1); 与对照相比较, 0.5BC、BC和2BC处理DOC含量分别提高了184%、65%和10%.
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图 3 不同生物炭施用量还田下可溶性有机碳的变化 Fig. 3 Dynamics of soil microbial biomass carbon with different amounts of biochar addition |
图 4为土壤易氧化有机碳在油菜季和玉米季动态变化形式, 土壤易氧化碳可代表土壤活性有机碳, 而土壤活性有机碳与非活性有机碳之间会相互转化, 直到它们之间达到平衡.在油菜季植物旺盛生长期土壤易氧化有机碳含量高于油菜生长初期及末期.苗期初期土壤ROC含量较高, 随着作物生长逐渐降低, 并在2015年12月21日苗期末期降到最小值, 随后各处理下土壤易氧化有机碳含量均在在蕾薹期达到最大值.各处理ROC平均含量在1.79~10.47 g·kg-1之间变化, 其中以2BC处理的变化幅度最大.土壤易氧化有机碳随着玉米整个生育期的进行呈现先下降后上升再下降的趋势, 各处理在拔节期差异显著.在玉米季, 各处理土壤ROC含量均高于对照处理5%~57%, 其中以0.5BC处理最高.生物炭还田提高了土壤易氧化有机碳的含量, 各处理ROC平均含量表现为：0.5BC(4.86 g·kg-1)>2BC (4.34 g·kg-1)>BC (3.56 g·kg-1)>CK(3.24g·kg-1).
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图 4 不同生物炭施用量还田下易氧化有机碳的变化 Fig. 4 Dynamics of soil microbial biomass carbon with different amounts of biochar addition |
表 2为生物炭还田下油菜季和玉米季土壤微生物熵的变化情况.油菜季土壤微生物熵随着作物的生长在0.36%~1.13%此范围内波动, 且总体上呈现先上升后下降的趋势.同时, 玉米季各个处理土壤微生物熵均在开花期达到最大值.如表 2所示, 各处理在油菜季角果期差异十分显著(P < 0.05), 而苗期和开花期CK处理和BC处理不存在差异.在玉米季的抽穗期和灌浆期各个处理间也存在着显著差异.总体上来说, 不同处理下土壤微生物熵差异显著(P < 0.05).
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表 2 不同生物炭施用量还田下土壤微生物熵的变化1)/% Table 2 Dynamics of soil microbial quotient with different amounts of biochar addition/% |
2.6 生物炭还田下可溶性有机碳(DOC/SOC)和易氧化碳分配比例(ROC/SOC)的变化
各处理在油菜季和玉米季土壤可溶性有机碳分配比例随着生育期的进行均呈现先增加后下降的趋势.油菜季各处理土壤DOC/SOC在开花期达到最大值, 随后从开花期到角果期土壤DOC/SOC开始下降.如表 3所示, 在油菜季开花期各处理下DOC/ROC差异十分显著(P < 0.05), 而在生育期前期CK和BC处理不存在显著性差异.玉米季土壤DOC/SOC的峰值出现在开花期和灌浆期, BC处理在开花期达到最大值, CK、0.5BC和2BC处理则均在灌浆期达到最大值, 其中0.5BC处理下土壤DOC/SOC达2.16%.在玉米季的抽穗期, 开花期和灌浆期和各处理土壤DOC/SOC差异显著(P < 0.05).如表 4所示, 各处理土壤ROC/SOC比例在10.36%~53.17%之间变化.在油菜季CK、0.5BC和BC处理土壤ROC/SOC比例呈先降低后增加再降低又增加的“W”型变化趋势, 油菜整个生育期内各处理均和CK处理存在显著差异.玉米季各处理土壤ROC/SOC比例表现为拔节期到抽穗期逐渐增加, 各处理均在抽穗期达到全生育期的最大值14.06%~25.21%, 而开花期到成熟期呈先降低后增加的趋势.在玉米整个生育期各处理土壤ROC/SOC比例范围在3.05%~29.42%之间变化.在玉米季拔节期CK和BC不存在显著差异, 成熟期0.5BC和BC处理差异不显著, 在灌浆期和抽穗期各处理之间均差异显著.
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表 3 不同生物炭施用量还田下DOC/SOC的变化/% Table 3 Dynamics of allocation ratio of DOC/SOC with different amounts of biochar addition/% |
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表 4 不同生物炭施用量还田下ROC/SOC的变化/% Table 4 Dynamics of allocation ratio of ROC/SOC with different amounts of biochar addition/% |
3 讨论 3.1 生物炭对土壤有机碳(SOC)的影响
生物炭是含碳丰富的有机物料, 施入土壤不仅能直接增加土壤有机碳含量, 还能改善土壤养分状况, 促进作物生长进而提高作物初级生产力, 提高植物残体及根系归还量.本研究结果表明：与试验开展前对比, 各处理均能显著增加土壤总有机碳含量, 这与文献[18, 19]的研究结果类似.各处理增加幅度为30.79%~74.41%, 其中以两倍生物质炭还田(2BC)处理最显著, 对照CK最低.本研究中各处理均较大程度地增加了土壤有机碳, 一方面是因为本供试土壤有机碳含量较低仅为9.98 g·kg-1; 另一方面, 生物炭可通过提高作物产量, 增加作物对大气中CO2的吸收作用, 从而植物根系固定的碳会成为土壤有机碳的一部分[20], 使土壤有机碳水平得到提升.也有相关研究表明生物炭在施入土壤后可能改变土壤有机碳的有效性, 增加土壤对有机碳的固持作用, 从而有利于土壤有机碳的固定[21].从图 1可看出土壤有机碳呈现一定季节性变化, 土壤有机碳分别在油菜蕾薹期和玉米灌浆期达到最高, 玉米季土壤有机碳提高幅度大于油菜季, 说明生物炭还田能持续稳定增加土壤有机碳含量.本团队前期的研究表明, 秸秆和生物质炭还田有利于小粒径团聚体有机碳含量的增加, 其中生物炭还田提高团聚体有机碳含量效果优于秸秆还田.同时, 生物炭还田对土壤温度有“削高填低”效应, 即生物炭还田不仅能提高土壤平均温度, 还能降低土壤最高温度, 减缓高温天气对作物生长的抑制, 从而影响土壤有机碳含量.因此土壤有机碳含量主要受有机物料种类、土壤温度和作物生长的影响.
3.2 生物炭对土壤微生物量碳(SMBC)的影响生物炭还田增加了外源有机物的投入, 改善了土壤养分状况, 为土壤动物、微生物、菌根提供了充足的营养基质, 同时改善了土壤孔隙度, 有利于土壤团聚体形成[22], 良好的土壤结构是微生物重要的活动场所, 进而使微生物数量和活性提高, 从而影响微生物分解转化有机物质.土壤微生物量碳是土壤碳库中最活跃的部分, 数量虽少, 却对土壤碳循环起着重要作用, 是表征土壤生物肥力重要指标[23, 24].尽管生物炭中碳有效性较低, 但生物炭施入土壤后：一方面, 生物炭具有疏松多孔的结构、巨大的表面积及较高的阳离子交换量等特点, 为土壤微生物提供良好的栖息地; 另一方面, 生物炭空隙内吸附和储存了丰富的营养物质, 为微生物群落提供了充足的养分来源, 促进微生物的生长、繁殖和改变土壤中微生物群落结构[25].本研究结果表明, 适量生物炭还田能提高土壤微生物量碳, 但0.5BC和2BC处理下的土壤微生物量碳反而减少, 其中2BC和0.5 BC处理下土壤微生物量碳分别较CK减少了0.06%和0.09%.在施入0.5BC生物炭后, 可能由于本身施用量就非常小, 因此对土壤微生物量碳没有贡献.而在施入2BC的过量生物炭后, 土壤微生物量碳较之对照较低, 这与章明奎等[26]的研究结果相似.有研究表明, 施用生物炭时, 在培养初期可提高土壤微生物量碳, 但随着培养时间的增加, 其微生物量碳逐渐下降.这可能是由于生物质炭本身具有强吸附性和疏松多孔的特性, 使土壤中部分微生物被附着在生物质炭孔隙内, 直接减少了土壤有机质与微生物的接触面, 因此较少土壤有机质被微生物转化成土壤微生物量碳[27].土壤水热条件是影响作物生长、微生物活性和有机物料分解最重要的环境因子[28], 油菜季土壤微生物量碳最高值出现在角果期, 玉米季土壤微生物量碳则有两个峰值, 分别为拔节期和灌浆期.这可能是由于3月中旬油菜处于角果期和7月上旬玉米处于灌浆期, 土壤水热条件适宜, 利于作物迅速生长, 光合作用强烈, 光合同化碳传输到根部, 然后以根系分泌物、脱落物等形式进入土壤, 部分土壤根际活性碳经过微生物作用转化为微生物量碳.另外, 此时期微生物活动旺盛, 能分解有机物料产生大量的活性有机物, 为微生物生长提供了充足能源和基质.玉米拔节期, 一方面生物质炭还田会直接增加土壤活性有机碳含量, 促进微生物生长、繁殖; 另一方面新鲜有机物料易被微生物分解产生大量有效养分, 反过来刺激了微生物生长及活性提高; 加之, 此时期玉米生长缓慢, 对养分需求较少, 被植物吸收利用的活性有机碳减少, 因而显著增加了微生物量碳.
土壤微生物熵(qMB)是指土壤微生物量碳(SMBC)与土壤有机碳(SOC)的比值, 它可以从微生物学的角度揭示土壤质量, 是表征土壤微生物固碳效益的指标, 能更好地反映土壤碳库的容量和活性特征[29], 可以作为有机碳变化的早期指标.由于土壤微生物量碳周转快, 所以微生物熵值越大, 微生物固定的有机碳越多, 土壤有机碳周转越快.有关研究表明, 当qMB值变大, 可认为土壤中有机碳处于积累阶段, 反之则反映了土壤有机碳处于消耗阶段[30].本研究中, 各处理微生物熵在0.36%~1.16%之间波动.与对照CK比较, 0.5BC、BC和2BC处理均降低了土壤微生物熵.这可能是因为在土壤有机碳基础值不大, 在微生物量碳变化不是很大的情况下, CK处理下的土壤微生物熵反而最大.
3.3 生物炭对土壤可溶性碳(DOC)的影响土壤可溶性有机碳(DOC)是土壤碳库中活性较高的组分, 是土壤微生物分解转化有机物料的重要能源与碳源[31].土壤微生物碳和可溶性有机碳相互依存, 密切相关[32].有研究表明, 可溶性有机物中有10%~40%的组分能够直接被微生物分解利用[33].本研究表明：生物炭的施入均提高了土壤可溶性碳的含量, 在0.5倍生物炭还田(0.5BC)处理下, 土壤可溶性碳含量最高.这可能是因为, 0.5BC处理下土壤微生物量碳含量最低, 此时微生物活性最弱.因此, 在施入生物炭后, 仅有少量被微生物转化成微生物量碳, 而大部分留存为可溶性碳.土壤可溶性有机碳在油菜和玉米生长期内的变化较为一致, 均在作物生长旺盛期达到最大, 分别在油菜角果期和玉米灌浆期; 可溶性有机物含量受作物生长状况和微生物活性强烈的影响, 而作物生长旺盛期, 水热条件较好有利于作物生长, 作物根系生命力强, 根系分泌物一方面直接向土壤中提供了大量可溶解性有机碳, 另一方面根系分泌物为微生物提高了大量可直接利用的碳源和能源, 进而提高了微生物活性, 微生物通过分解有机物料和促进土壤中原有有机碳转化来增加土壤可溶性有机碳.同时, 生物炭输入还可提高土壤pH, pH值的增加可能导致土壤可溶性碳中弱酸性官能团的去质子化, 这增加了活性有机碳的亲水性和电荷密度, 从而增加了土壤DOC的溶解性[34].
3.4 生物炭对土壤易氧化有机碳(ROC)的影响易氧化有机碳(ROC)不仅是反映农业管理措施对土壤质量影响的敏感指标, 同时也是评价土壤潜在生产力的重要指标, 其含量的高低或分配比例大小表明土壤有机质的质量, 尤其是土壤有机质的潜在分解性质[35].土壤易氧化碳主要来源于作物根系、地上部分残体归还、土壤微生物死亡体内物质释放及土壤原有机碳活化等.外源有机物料还田会增加有机质来源和改变土壤C/N比, 同时不同有机物料碳源可利用程度不一, 因此有机物料还田在短时间内首先会对土壤易氧化碳有明显的影响.马莉等[36]通过盆栽试验发现, 添加生物炭可以显著提高灰漠土易氧化态有机碳含量, 这是因为添加生物炭能够提高作物的生物量, 特别是能够提高根系的生物量, 这样就增加了土壤新鲜有机碳的输入量, 从而增加了土壤易氧化碳含量[37].本研究中, 生物炭还田各处理土壤ROC显著高于对照处理5%~57%, 有利于土壤中易氧化有机碳的累积, 其中以0.5 BC处理最显著.
对比分析土壤有机碳及活性碳的季节性变化趋势发现, 水热因子和作物生长会对土壤微生物活性和土壤活性有机碳周转产生重要影响; 从各活性有机碳的主要波峰值与波谷值发现, 在玉米的拔节期、灌浆期和油菜的角果期, 土壤水热条件达到较好水平, 作物快速旺盛生长, 不仅提高了作物根系活力, 也促进了土壤微生物的生长繁殖及其活性的提高, 进而促进了有机物料快速分解, 加速腐质化过程.作物残体归还量及腐解量的增加, 作物根系分泌物迅速显著增加, 同时土壤微生物数量快速增长, 微生物群落结构和代谢功能发生改变, 提高了碳、氮等物质和能量的利用效率, 最终导致该时期土壤SOC、SMBC和ROC含量达到较高的水平.但由于微生物的呼吸作用会大量消耗土壤DOC, 进而使同时期的土壤DOC的含量有明显降低.土壤活性碳组分对生物炭还田的响应比较灵敏, 且SMBC、DOC和ROC间相关性较强.因此, SMBC、DOC和ROC的动态变化可以指示有机碳短期的改变, 可作为评价短期内土壤有机碳变化及其质量对有机物料还田的敏感性指标, 这对于保持土壤生物肥力有重要意义.
3.5 生物炭对可溶性有机碳(DOC/SOC)和易氧化碳分配比例(ROC/SOC)的影响尽管土壤活性有机碳占土壤有机碳总量的比例很小, 但它直接参与土壤生物化学转化过程, 是土壤微生物活动的碳源和土壤养分流的驱动力, 对农田生态系统的稳定性、生产力及环境具有重要的影响.土壤活性有机碳占土壤有机碳的比例比活性有机碳绝对含量更能反映土壤有机碳的质量和稳定性, 分配比例越高表示有机碳活性越高, 越易被作物和微生物吸收利用, 有机碳周转越快; 该值越低表示有机碳越能长期稳定储存.有研究表明, DOC/SOC和ROC/SOC受物料投入量、物料品质、土壤温度、土壤水分、作物生长和土壤类型影响[38].本研究中, 作物生长和土壤水热条件是影响DOC/SOC和ROC/SOC的重要因子, DOC/SOC和ROC/SOC呈季节性变化, 在作物生长初期其分配比例低于生长中后期, 这是因为随着温度的上升, 一方面, 适宜的水热条件有利于微生物的生长, 促进了微生物分解新鲜还田的有机物料, 从而增加了活性有机碳的来源; 另一方面, 作物旺盛的生长产生了更多的凋落物、根系分泌物和微生物残体等活性有机碳, 为微生物的生长发育提供了碳源.夏季频繁的降水也会间接影响微生物活性, 土壤干湿交替会加速土壤团聚体破碎, 使团聚体结合的活性碳随水溶出, 进而增加了土壤活性碳含量.从土壤肥力角度, 较高的DOC/SOC比例有利于养分分解供作物吸收利用, 提高土壤生产力; 但从土壤固碳角度, 较高的DOC/SOC比例将会加大DOC随径流流失的风险, 降低了土壤有机碳稳定性, 不利于土壤碳持续稳定保存.本研究表明：0.5BC和BC处理均提高了DOC/SOC, 与CK相比, 分别提高了65.57%和9.84%, 而2BC处理下降低了DOC/SOC, 可见大量的生物炭还田并不利于土壤有机碳的稳定.土壤ROC/SOC比例越高, 说明土壤碳的活性越大, 稳定性越差, 养分循环速率越快, 不利于土壤有机质的积累.土壤ROC/SOC远高于土壤DOC/SOC, 各处理土壤ROC/SOC范围在3.05%~53.17%之间变化.与对照相比, 0.5BC、BC和2BC处理显著低于CK处理, 说明生物炭还田降低了易氧化碳分配比例, 促进了缓效性和惰性有机碳库积累, 有利于土壤有机碳稳定保存.
4 结论施用生物炭可以显著提高土壤有机碳的含量, 在一定范围内, 生物炭的施用量与土壤有机碳含量成正比.适量的生物炭(BC)处理能增加土壤微生物量碳含量, 但0.5BC和2BC处理下, 土壤微生物量碳反而减少.不同生物炭施入量均可提高土壤可溶性碳和易氧化碳的含量, 其中0.5BC处理含量最高, 分别为198.83和4.34 g·kg-1.施用生物炭均显著降低了土壤微生物熵和ROC/SOC, 其中2BC处理最为显著, 分别较CK下降了35.23%和37.00%; 0.5BC和BC处理均能提高DOC/SOC, 且0.5BC处理显著高于BC处理.总体上, 生物炭还田的微生物活性较低, 适量的生物炭处理的土壤有机碳及其稳定性较高, 有利于土壤有机碳积累, 促进土壤固碳, 而过量的生物炭处理土壤固碳效果不佳.
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