2023, Vol. 44
2. 广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所, 广西喀斯特植物保育与恢复生态学重点实验室, 桂林 541006;
3. 广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所, 广西植物功能物质与资源持续利用重点实验室, 桂林 541006;
4. 桂林理工大学环境科学与工程学院, 桂林 541006
, SHEN Yu-yi3
, CAO Yang1,2 , WANG Zi-hui4 , CHEN Yun-shuang1,2 , TENG Qiu-mei2 , HUANG Ke-chao2 , MAO Xin-yue1,2 , XU Guang-ping2
2. Guangxi Key Laboratory of Plant Conservation and Restoration Ecology in Karst Terrain, Guangxi Institute of Botany, Guangxi Zhuang Autonomous Region and Chinese Academy of Sciences, Guilin 541006, China;
3. Guangxi Key Laboratory of Functional Phytochemicals and Sustainable Utilization, Guangxi Institute of Botany, Guangxi Zhuang Autonomous Region and Chinese Academy of Sciences, Guilin 541006, China;
4. College of Environmental Science and Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541006, China
土壤是地球最大的陆地有机碳库, 在全球的碳循环中有着重要的作用.土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)是由腐殖质、动植物残体经过微生物作用所形成的含碳有机物[1], 能为土壤微生物提供能量与营养物质, 优化土壤结构, 促进植物生长[2], 在稳定全球碳循环以及调节全球气候等多方面具有重要意义[3].土壤SOC作为土壤的重要组成部分, 与土壤质量息息相关.有机碳按照密度分为轻组有机碳(light fraction organic carbon, LFOC)和重组有机碳(heavy fraction organic carbon, HFOC), 按照其活性程度分为活性有机碳和惰性有机碳.活性有机碳是土壤中易氧化易分解、稳定性差且有一定溶解性的碳, 主要由可溶性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)、微生物生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)、易氧化态有机碳(easily oxidizable carbon, EOC)和颗粒有机碳(particulate oxidizable carbon, POC)等组成, 虽然活性有机碳占比较小[1], 但它对土壤养分、区域环境的变化有着敏感的指示作用[4], 活性有机碳的变化也影响着土壤碳库平衡、土壤肥力保持等方面[5].因此, 深入认识土壤有机碳组分特征, 是探究土壤碳库稳定性及其固碳机制的关键.
生物炭是通过热解生物质(动植物废弃物等)而形成的, 且不同的热解温度或者不同的生物质类型对生物炭有不同的影响[6], 其多孔的结构, 大比表面积, 能够提高土壤孔隙度, 降低容重和密度, 增强持水能力, 加之本身含有大量的离子和碱性物质, 丰富的含碳量和稳定的芳香结构可以降低土壤酸度, 提高土壤养分以及保肥能力[7, 8].当前, 生物炭作为一种新型的环境材料, 被广泛应用于环境科学和土壤学领域, 在农业土壤改良和土壤碳库提升等方面发挥了重大作用[9, 10].付琳琳等[11]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.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、EOC、POC和MBC含量.周凤等[13]的研究表明施用生物炭显著提高了土壤SOC, 秸秆生物炭的施入有利于土壤碳库的增加和稳定[14].罗梅等[10]的研究表明, 施用生物炭提高了土壤SOC、DOC和EOC的含量, 适量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.王颖等[15]的研究表明, 3%比例的锯末生物炭对半干旱区土壤改良及细菌群落的作用效果较佳.段春燕等[8]的研究表明, 在桉树人工林0~30 cm土层施用4%~6%(40~60t·hm-2)的生物炭1 a后, 对培肥土壤的综合效果较优.李倩倩等[16]的研究表明, 废弃果树树干、枝条(450℃、限氧条件下)制备生物炭, 从经济效益和改善效果综合考虑, 在陕西关中平原耕层土壤施入40~60 t·hm-2的生物炭较合适.而其他研究表明[17], 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MBC.潘全良[18]的研究表明, 连续6 a定位施用生物炭、炭基肥和传统培肥方式均可提高土壤有机碳和活性有机碳含量, 与传统培肥方式相比, 生物炭处理对于土壤总有机碳和DOC的提升作用弱于对照处理.可见, 生物炭对土壤有机碳含量及组分有着重要的影响, 但由于生物炭材料、土壤类型、施用年限和区域环境等不同, 其研究结果也不尽一致, 还有待进一步的研究.
桉树(Eucalyptus)是我国三大速生树种之一, 广西的桉树人工林面积居全国首位, 桉树人工林具有良好的经济效益和生态服务功能, 为国家木材战略储备做出了重要贡献, 而长期以来桉树林采伐后林业废弃物采取焚烧等整地措施, 高强度集约化管理引起了土壤肥力下降等问题, 加重了土壤酸化的趋势[19].随着桉树人工林的快速发展, 林业废弃物产生量日益增加, 给生态环境造成了巨大压力.桉树林每年产生大量的林业废弃物, 是较理想的生物炭材料, 将林业废弃物制备成生物炭并就地返还桉树林土壤, 是林业废弃物资源化利用的有效途径之一[20].笔者团队前期的研究表明, 桉树枝条生物炭施用1 a后可以增加桉树人工林土壤SOC含量, 显著改善了土壤肥力[8], 生物炭施入土壤后, 对于土壤改良及土壤环境变化的影响是长期的, 会随着时间的推移而变化[21], 验证生物炭对农业生产的有效性需要进行长期的野外定位试验来证实[22], 研究生物炭一次施用的后效作用更具有实用价值.一次性施用生物炭5 a后对桉树林土壤有机碳及其组分的持续效应如何, 生物炭不同施用量对有机碳固定的调控作用目前还不清楚.因此, 本研究利用团队2017年建立的生物炭施用定位试验平台, 桉树枝条废弃物生物炭不同施用量一次性施用5 a后, 探讨桉树林土壤有机碳组分的变化特征, 分析生物炭施用对桉树林土壤碳储量的影响, 以期为林业废弃物生物炭对桉树人工林土壤固碳和地力提升的研究提供科学依据, 同时为林业废弃物生物炭在林业生产中的合理应用提供理论参考.
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区选择在广西国有黄冕林场, 地处柳州市鹿寨县与桂林市永福县交界区域, 24°37′25″~24°52′11″N, 109°43′46″~109°58′18″E, 该区域属于中亚热带气候, 无霜期长, 雨热同期; 年均气温为19℃, 年平均降雨量为1 750~2 000 mm, 主要集中在4~8月, 热量充足, 年均蒸发量1 426~1 650 mm.黄冕林场主要为低山和丘陵地貌, 地形起伏大, 坡面险峻, 林地土壤类型主要以砂岩和砂页岩等发育而成的红壤和山地黄红壤为主[19].
1.2 试验方法 1.2.1 样地设置和样品采集本试验是段春燕等[8]于2017年3月桉树林生物炭施用定位试验的延续, 以黄冕林场试验地及周边区域内桉树林采伐剩余物枝条为原料, 经过高温(500℃)无氧条件下裂解制备为生物炭.生物炭基本性质: 比表面积43.21 m2·g-1, 电导率692.82μS·cm-1, 阳离子交换量51.48 cmol·kg-1, ω(灰分)41.05%, pH值9.52, ω(C)55.86%, ω(H)3.13%, ω(O)23.70%, ω(N)1.36%, ω(P)5.46 mg·g-1, ω(K)32.48 mg·g-1[8].以桉树人工林土壤作为研究对象, 生物炭施用比例参考生物炭与土壤的质量分数进行控制[23], 设置CK(0%)、T1(0.5%)、T2(1.0%)、T3(2%)、T4(4%)和T5(6%)这6个处理, 每个处理设3个重复, 采用完全随机区组设计, 共设18个试验小区, 每个小区规格为8 m×8 m, 小区间设1 m缓冲带.采用农耕工具分别将各小区内表层30 cm深的土壤均匀翻耕, 将生物炭一次性按照设定的比例与翻耕的土壤充分混合, 对照组采用同样的翻耕等处理[23].于2022年3月, 生物炭施用5 a后进行土壤取样.按照S型方法在各样地中选取5个代表性样点, 按0~10、10~20和20~30 cm不同层次用土壤取样器分层取土, 同层5个点土壤混匀为1个土样.将每个样地采集的土壤样品, 先挑出根系、凋落物等, 装在无菌自封袋中, 迅速置于密封冰袋容器中冷藏后带回实验室, 于4℃冰箱中保存备用.鲜样用于土壤DOC和MBC的分析; 风干样用于土壤碳组分、全氮等理化性质的测定.
1.2.2 土壤碳组分的分析土壤有机碳(SOC)采用总有机碳TOC仪(岛津5000A, 日本)测定.土壤轻组有机碳(LFOC)和重组有机碳(HFOC)采用NaI密度分离法[24], 用Multi N /C 3100 TOC仪(德国耶拿)测定其有机碳含量; 土壤易氧化态碳(EOC)采用高锰酸钾氧化-比色法测定[25]; 土壤可溶性有机碳(DOC)采用0.5 mol·L－1 K2SO4浸提法[26]; 土壤颗粒有机碳(POC)采用六偏磷酸钠分散法测定[27]; 土壤MBC采用氯仿熏蒸浸提法测定[28]. 以上相关试验方法详见文献[5]的描述.
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式中, C(g·kg-1)为全碳质量比, ρ(g·cm-3)为土壤容重, h(cm)为实际土层深度.容重采用环刀法, 带回实验室烘干称重后计算土壤容重.土壤含水量(SWC)采用烘干法进行测定.
1.3 数据分析采用SPSS单因素方差分析(one-way ANOVA)检验不同处理、土壤不同层次间土壤碳组分的差异, 采用Origin 2022作图.
2 结果与分析 2.1 施用生物炭对土壤有机碳的影响从图 1可以看出, 不同生物炭处理下土壤SOC含量有显著变化, 在同一处理不同土层, 表层土壤SOC含量最高, 且随着土层深度的增加而减小, 各土层之间均存在显著性差异(P < 0.05).同一土层不同处理土壤SOC均随施用量的增大而增大, 并且在T5达到最高值.0~10 cm土层中, 各个不同处理间均存在着显著性差异; 10~20 cm土层中, 除T3与T4无显著性差异之外, 其余处理均有显著性差异(P < 0.05); 20~30 cm土层中, 除T3与T2无显著性差异外, 其它均存在着显著性差异(P < 0.05).各土层土壤SOC的变化趋势一致且表现为: T5>T4>T3>T2>T1>CK, 表明生物炭显著提高了SOC含量.
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不同大写字母表示同一处理不同土层间差异显著(P＜0.05), 不同小写字母表示同一土层不同处理间差异显著(P＜0.05), 下同 图 1 不同生物炭处理土壤有机碳含量与碳储量的变化 Fig. 1 Changes in soil organic carbon content and carbon storage under different biochar treatments |
同时, 不同土层土壤碳储量有所不同, 表层土壤碳储量最高.随着土层深度的增加, 碳储量明显减少; 与对照相比, 随着生物炭施用量的增加, 各处理碳储量均有不同程度地增加, 0~10 cm土层在T4处理时达到最高值, 10~20 cm和20~30 cm分别在T3处理达到最高值, 说明生物炭施用对提高桉树人工林土壤碳储量有积极的作用效果.
2.2 施用生物炭对土壤有机碳组分的影响不同生物炭处理土壤LFOC与HFOC含量的变化如图 2所示, 在同一处理不同土层间, 表层土壤LFOC与HFOC含量最高, 随土层深度的增加而减小. 0~10 cm与10~20 cm土层中LFOC与HFOC含量均随施炭量的增加而增加.在0~10 cm土层, 除了LFOC含量在T4与T5之间、T1与T2间无显著性差异之外; 10~20 cm土层中, 除了LFOC含量在CK与T1之间、T3和T4之间无显著性差异、HFOC含量在T4与T3、T5间无显著性差异之外; LFOC和HFOC在其他各处理间均有存在显著性差异(P < 0.05).在20~30 cm土层, 土壤LFOC含量变化趋势为: T5>T4>T3>T2>CK>T1, 其中T4、T2和T3两两间, CK、T1、T2和T3两两间均无显著性差异, 但其他各处理间则均有显著性差异(P < 0.05).HFOC含量变化趋势为: T5>T4>T3>T1>T2>CK, 其中CK和T5分别与其他处理间均具有显著性差异(P < 0.05).与CK相比, 各生物炭处理LFOC含量在0~10、10~20和20~30 cm土层的增幅分别为41.41%~140.63%、9.26%~87.04%和-19.54%~106.90%.各生物炭处理HFOC含量在0~10、10~20和20~30 cm土层的增幅分别为15.32%~78.99%、15.72%~75.25%和89.49%~148.64%.总体上, 各土层中HFOC占SOC的比例高于LFOC占SOC的比例.
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图 2 不同生物炭处理土壤轻组与重组有机碳含量的变化 Fig. 2 Changes in soil light and heavy fraction organic carbon content under different biochar treatments |
不同生物炭处理下土壤DOC、EOC、POC和MBC的变化如图 3所示.在同一处理不同土层中, 0~10 cm层土壤中DOC、EOC、POC和MBC含量最高, 随着土层深度的增加而减少, 且各土层间差异显著(P < 0.05).在0~10 cm土层, DOC与MBC含量变化趋势一致为: T4>T5>T3>T2>T1>CK, 其中除了DOC在T2与T3间无显著性差异, MBC在T4与T5间无显著性差异之外, DOC和MBC在其他处理间则均有显著性差异(P < 0.05); EOC与POC含量则随着生物炭施用量的增加而增加, 且各处理间均有显著性差异(P < 0.05).在10~20 cm土层, DOC含量变化趋势为: T4>T3>T5>T2>T1>CK, 其中T5除了分别与T2、T3间无显著性差异之外, 与其他处理均有显著性差异(P < 0.05); EOC含量随着施炭量的增加而增加, 各处理间差异显著(P < 0.05); POC和MBC的含量变化趋势为: T4>T5>T3>T2>T1>CK, 除了MBC在T5与T4间, CK与T1间差异不显著之外(P>0.05), POC和MBC在其他处理间均存在显著性差异(P < 0.05).在20~30 cm土层, DOC含量变化趋势为: T4>T3>T5>T2>T1>CK, 其中除了T1、T2、T5两两间无显著性差异之外, 其他各处理间均有显著差异(P < 0.05); POC含量随生物炭施用量的增加而增加, 除了T1分别与CK、T2间无显著性差异之外, 其他各处理间均差异显著(P < 0.05); EOC和MBC含量变化趋势为: T4>T5>T3>T2>T1>CK, 其中除了MBC分别在T4与T5, CK与T1之间差异不显著之外, 其他各处理间均存在显著性差异(P < 0.05).总体上, 生物炭施用量在T4或T5处理时, 对提高土壤活性有机碳的效果较明显.
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图 3 不同生物炭处理活性有机碳含量的变化 Fig. 3 Changes in soil labile organic carbon content under different biochar treatments |
从表 1可知, 相较于CK, LFOC占SOC的比例随生物炭施用量的增加呈现先减小后逐渐增大的趋势, 0~30 cm土层LFOC占SOC的比例平均值变化范围为16.43%~20.60%; HFOC占SOC的比例随生物炭施用量的增加呈现先增大后逐渐减小的趋势, 变化范围为79.40%~83.57%.在CK, LFOC占SOC的比例随土层加深而增加, T1、T2、T3和T4处理LFOC占SOC的比例总体上随土层的加深而减小, T5处理则呈现先减小后增大的趋势.而HFOC占SOC的比例则相反, T1、T2、T3和T4处理HFOC占SOC的比例总体上随土层的加深而增大, T5处理则呈现先增大后减小的趋势.与CK相比, EOC占SOC的比例呈现先减少后增大的趋势, 变化范围在31.17%~41.27%, 随土层的加深无明显的变化趋势.DOC占SOC的比例呈现先增大后略减少, 变化范围在0.16%~0.22%, 其占比随土层的加深总体上呈现减小的趋势.POC占SOC的比例呈现先减少后增大的趋势, 变化范围在22.63%~34.32%, 随土层的加深呈减小趋势.MBC占SOC的比例呈现先减少后增大的趋势, 变化范围在1.32%~1.85%, 随着土层的加深无明显的变化趋势.
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表 1 生物炭不同处理土壤有机碳组分在有机碳中所占比例(平均值±标准差)/% Table 1 Proportion of organic carbon component in soil organic carbon under different biochar treatments(mean±standard deviation)/% |
2.5 土壤有机碳组分与理化性质的相关性
由图 4可知, 除了DOC与ρ(容重)间无显著性差异之外(P>0.05), 土壤SOC及有机碳组分与ρ(容重)具均有负相关关系; 土壤SOC及有机碳组分均与pH值、SWC和TN等理化性质具有显著正相关关系(P < 0.05).土壤SOC与有机碳组分间亦具有显著正相关关系, 说明生物炭对土壤质量有积极的影响, 有机碳组分与SOC之间存在密切的相互关系.
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1.LFOC(轻组有机碳), 2.HFOC(重组有机碳), 3.EOC(易氧化态碳), 4.POC(颗粒有机碳), 5.MBC(微生物生物量碳), 6.DOC(可溶性有机碳), 7.SOC(有机碳), 8.pH(酸碱度), 9. ρ(容重), 10.SWC(土壤含水量), 11.TN(全氮), 12.TP(全磷), 13.TK(全钾), 14.AN(速效氮), 15.AP(速效磷), 16.AK(速效钾); 红色表示两个变量呈正相关, 蓝色表示两个变量呈负相关, 色彩越深表示变量相关性越大; *表示不同因子间的相关性呈显著水平, P＜0.05; **表示不同因子间的相关性呈极显著水平, P＜0.01 图 4 土壤有机碳、碳组分与理化性质之间的相关性 Fig. 4 Correlation between soil organic carbon, organic carbon fractions, and physicochemical properties |
土壤SOC被看作是土壤质量的一个重要指标, 也是评价土壤可持续利用以及评估二氧化碳固定能力的重要指标[29].本研究中, 生物炭施用后0~30 cm土层土壤SOC含量呈现增加趋势, 随着生物炭施用量的增加而增加, 且与对照具有显著性差异(P < 0.05).这与其他研究结果类似[30~32], 例如, 张继旭等[30]的研究表明, 将秸秆生物炭施入植烟土壤中高炭量(5%)使土壤SOC含量显著增加.孙强等[31]的研究表明, 与不施炭相比, 将玉米秸秆生物炭施入棕壤中, 可以显著提高0~40 cm土层的SOC含量, 且随施炭量增加而增加.杜倩等[32]将不同类型生物炭配合不同还田方式施入植烟土壤中, 生物炭总体上增加了植烟土壤的SOC含量.究其原因, 一方面, 可能是桉树枝条废弃物生物炭自身丰富的碳对SOC有直接的促进作用, 另一方面, 可能是因为生物炭有较强的吸附能力以及较大的比表面积, 能形成难以被土壤微生物分解的有机质[33], 加之生物炭具有生物化学稳定性较强的特征, 长期保留于土壤后会成为土壤SOC的组成部分.
有研究表明, 碳源与碳汇广泛存在于自然界中, 固碳减排便要增加碳汇, 促使碳储量的增加[34].本研究中, 生物炭施用5 a后提高了桉树林土壤的碳储存, 说明桉树枝条废弃物生物炭可作为较好的固碳材料, 制备为生物炭后返还于桉树林土壤中, 有较好的固碳效果, 对土壤碳封存有积极的作用.这可能与桉树枝条生物炭本身含有大量的碳有关, 也有可能是生物炭施用提高了土壤养分含量, 土壤养分与SOC具有显著正相关关系, 养分的增加促进了土壤微生物的活性, 加速了土壤养分的周转, 进而增加了土壤SOC.与本研究结果一致的是, Criscuoli等[35]将木屑生物炭添入到葡萄园土壤中, 通过田间试验与原土壤对照相比, 发现短期内能显著增加了土壤碳储量.Sui等[36]的研究表明, 生物炭施入水稻田里更能增加土壤SOC含量, 更有利于碳储存.马欣等[37]的研究也表明, 与CK处理相比, 生物炭处理增加了土壤SOC的稳定性, 有利于提高土壤有机碳储量.
3.2 生物炭施用对轻组和重组有机碳组分的影响土壤LFOC主要来源于不同分解阶段的植物残体, 对土壤有机质周转有重要作用, 是植物养分的短期储存库, 是土壤中不稳定有机碳库的重要组成部分[38].HFOC与LFOC相比较, 对环境变化的适应能力以及矿化和周转的速率较慢, 比LFOC较稳定[39].本研究中, 桉树枝条生物炭施入土壤后, LFOC和HFOC含量均有所增加, HFOC含量远大于LFOC含量, 这可能与桉树林种植区土壤中HFOC所占比例较大, 以及生物炭施用后促进了微生物的固定有关.与本研究结果相似, 聂阳意[40]将外源碳输入土壤中后发现, LFOC与HFOC含量均有所增加, 外源碳分解后大部分都进入了HFOC中.孟雨田等[41]研究将玉米秸秆生物炭施入黑土中发现, LFOC与HFOC含量均随着生物炭含量的增加而增加, HFOC均高于LFOC.
由于桂北桉树林种植区地处亚热带, 湿热的气候条件可能有利于土壤LFOC的分解, 此外, 桉树多种植于坡地, 地表径流可能加大了对桉树林植物凋(枯)落物和残体的冲刷作用, 造成LFOC的流失以至于LFOC的富集量较少.同时, 生物炭施用条件下, 桉树林植物凋落物分解对LFOC含量的影响, 还有待进一步的研究.
本研究中, 随着生物炭施用量的增加, 各土层的LFOC和HFOC含量均有不同程度地增加, 而HFOC占SOC的比例相对较大, 这与其他研究的结果一致[42~44].王毅等[42]将小麦秸秆生物炭施入植烟土壤中, 与对照相比, 生物炭显著增加LFOC含量, 高施炭量效果更显著.乔丹丹等[43]的研究发现, 相对于对照, 生物炭施入黄褐土中能显著增加LFOC和HFOC含量, 生物炭配施其他有机肥的HFOC和LFOC含量也较高, LFOC占SOC的比例较低.韩玮等[44]将生物炭施入水稻土中, 通过对比发现添加生物炭后显著增加LFOC含量, 且随着生物炭的热解程度也呈上升趋势, HFOC虽也有提高, 幅度远小于LFOC, 但HFOC在土壤中仍占主要比例.
有研究表明, 生物炭施入土壤中会与土壤黏土矿物结合成为重组有机碳的一部分[45], 而生物炭本身小密度以及形态稳定的特性, 会使得LFOC能够在土壤中集中起来且不容易被分解[46].本研究表明, 各处理LFOC和HFOC占土壤SOC的比例分别为16.43%~20.60%和79.40%~83.57%, 这也表明在桉树林土壤SOC中HFOC占优势, LFOC是有机碳库的重要组分.总的来说, 与CK相比, 随着生物炭施用量的增加, 0~30 cm土层土壤SOC、LFOC和HFOC的平均值均呈现增大的趋势, 且变化趋势一致为: T5>T4>T3>T2>T1>CK, 其中土壤LFOC分配比相对较低, HFOC分配比较高, 说明桉树林土壤碳库以较稳定的HFOC为主, 生物炭施用5 a后, 有利于提高土壤碳库的稳定性.
3.3 生物炭施用对活性有机碳组分的影响土壤活性有机碳在土壤有机碳总量中占比虽小, 但是参与了土壤生物化学转化过程, 对土壤碳库变动具有重要的意义[46], 其具有移动性快、活性高、易氧化矿化的特性, 是土壤SOC的重要组成.土壤活性有机碳占SOC比例更能表明土壤SOC的稳定性与质量, 比例越高则表示容易被微生物吸收利用, 周转速率快, 活性高; 值越低则表明较稳定, 容易存储[10].DOC在土壤有机碳库中是微生物的碳源之一, 并且比较活跃易变化.黎嘉成等[47]的研究表明, 生物炭施入显著提高了农田土壤的DOC含量, 生物炭还田后DOC占SOC的比例比秸秆还田的比值要低.本研究中DOC含量随生物炭施用量的增加而增加, 在T4达到最高值, 这可能是因为生物炭为微生物的生长繁殖提供了碳源和能源, 提高了微生物的活性, 促进了土壤中难溶态物质的分解, 进而增加了DOC含量[48]; DOC占SOC的比例在T5处理略低于对照, 表明生物炭中低施用量(T1~T4)有效提高了土壤肥力, 促进养分分解从而提高植物吸收利用, 而高生物炭施用量(T5), 主要提高了土壤SOC的稳定性, 有利于土壤固碳[47].EOC在土壤中属于移动快, 易氧化易矿化、不稳定的活性有机碳组分.本研究中, 高生物炭施用量处理下土壤EOC占SOC的比例较对照高, 说明桉树枝条生物炭促进了土壤有机碳活性, 加快养分循环, 有利于桉树植株的生长.与本研究结果类似, 柯跃进等[49]的研究也表明, 耕地土壤中EOC含量随着水稻秸秆生物炭添加量的增加而提高.
POC作为土壤微生物的能量来源, 由微生物、动、作物残体组成, 是容易流失的SOC, 也是营养物质的储存碳库[50], 它对环境的变化以及土壤的碳源输入响应以及管理措施较为敏感.本研究中, 随着生物施用量的增加, 同一土层POC含量不断增加, 这与王月玲等[51]的研究结果相一致.生物炭能提高POC含量, 这是由于其自身的特性促进土壤大团聚体的形成[52], 从而使得土壤碳固持且长期形成POC.POC占SOC的比例则反映了土壤中非稳定性有机碳的相对数量, POC所占比例越低, 有机碳不稳定的部分越少[4].本研究中生物炭施用使得20~30 cm土层POC占SOC的比例较低, 表层POC占SOC的比例较高, 这与对照相反, 表明生物炭施用促进了底层土壤的固碳能力, 提高表层土壤的肥力.
MBC对土壤碳循环起着重要的作用, 虽然含量较少, 但在碳库中比较活跃, 在一定程度上可以指示土壤肥力[5].本研究中, MBC含量随着生物炭施用量的增加而增加, 在T4处理达到高大值, MBC含量的提高可能是因为生物炭本身的多孔结构为微生物提供了繁殖的场所, 使得微生物活性提高.朱利霞等[53]的研究表明, 生物炭添加显著影响了MBC含量, 0~30 cm土层中, 均随着施炭量的增加而增加, 其与本研究的结果一致.MBC/SOC即微生物熵(qMB), 可指示土壤有机碳的活性, 其值越高表明土壤中有机质向微生物量碳转化的效率越高, 其土壤碳活性越大[54].本研究中, 高生物炭施用量处理相比较对照和低施炭量, 其微生物熵值较高, 这表明高施炭量处理下土壤更容易被微生物分解利用, 从而增加了土壤微生物数量, 土壤碳活性较大, 提高了土壤肥力.施用林业废弃物生物炭可以显著提高桉树林土壤的EOC、POC和MBC含量, 这与其他学者研究的结果一致[11, 12]; 不同的是, 也有研究表明生物炭的添加对EOC含量并无明显变化[55], 在红壤中降低了MBC含量, 显著提高了黑土MBC含量[56], 说明土壤活性有机碳的变化还受土壤类型、管理措施和生物炭本身复杂性等因素的影响.总之, 桉树枝条废弃物生物炭施用提高了土壤活性有机碳, 有利于桉树林土壤肥力的提升, 这对于桉树人工林的可持续经营有积极的作用效果.
4 结论(1) 随生物炭施用量的增加, 显著增加了桉树林土壤有机碳、轻组有机碳和重组有机碳含量, 均随土层的加深而趋于减少; 重组有机碳在土壤有机碳中占比较大, 轻组有机碳的比例较小.生物炭施用增加了可溶性有机碳、易氧化态碳、颗粒有机碳和微生物生物量碳含量, 提高了土壤活性有机碳.土层深度的增加对可溶性有机碳、颗粒有机碳、易氧化态碳和微生物生物量碳分别占有机碳的比例无显著影响.
(2) 桉树枝条废弃物生物炭施用5 a后, 对桉树人工林土壤有机碳及其组分含量的增加有显著的持续效应, 且增加了土壤碳储量, 有利于提高土壤稳定性碳库.桉树林业废弃物制备成生物炭, 就地还田, 是提高桉树人工林土壤固碳能力的重要途径, 是桉树人工林土壤质量改善与地力提升的有效管理措施, 施用4%~6%量的桉树枝条生物炭是提高土壤有机碳及碳组分含量的较优处理.
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