通過模擬實驗研究稻草及制備的生物質(zhì)炭對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響論文

　　近年來，隨著對巴西亞馬遜流域土壤中大量黑碳的發(fā)現(xiàn)及探究，眾多學(xué)者越來越關(guān)注人工制備生物質(zhì)炭（biochar）的利用。研究表明，生物質(zhì)炭在改善土壤質(zhì)量、提高養(yǎng)分有效性、增加作物產(chǎn)量、減緩溫室氣體排放等方面具有積極作用。向土壤中施入生物質(zhì)炭，已被認(rèn)為是減緩氣候變暖的一個有效途徑。目前圍繞生物質(zhì)炭添加對土壤有機(jī)碳分解的影響研究，已成為土壤碳循環(huán)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，但研究還存在爭議，促進(jìn)、抑制或無影響均有報道。

　　在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，生物質(zhì)炭主要來源于農(nóng)作物秸稈焚燒。據(jù)統(tǒng)計，全球每年農(nóng)作物秸稈量大約為3.8Gt.一種傳統(tǒng)而廣泛的秸稈管理方式就是將其原地直接燃燒或搬移他處做燃料，這不僅導(dǎo)致空氣污染、養(yǎng)分流失，并且也會威脅人類健康。Haefele等提出將不完全燃燒炭化的稻草和燒焦的稻草混合添加到稻田土壤里，與野外露天燃燒相比，這種處理措施具有燃燒過程可產(chǎn)生可利用能源、減少溫室氣體排放、減少土壤養(yǎng)分流失等諸多優(yōu)勢。據(jù)估算，2009年中國作物秸稈產(chǎn)量約8.07億Mg,其中31%的作物秸稈擱置在農(nóng)田，31%的作物秸稈被牲畜食用，僅僅有19%的作物秸稈用于產(chǎn)生生物能。近來生物質(zhì)炭的農(nóng)業(yè)利用越來越受到國內(nèi)的廣泛關(guān)注。然而，對于有限的秸稈資源，選擇將秸稈直接施入土壤中，還是將其轉(zhuǎn)變?yōu)樯�物質(zhì)炭再施入土壤中，施入后對土壤碳庫組分有何影響，何種措施更有利土壤固碳，尚缺乏深入研究。團(tuán)聚體是土壤有機(jī)碳的重要儲存場所，其分組方法已被廣泛用于土壤有機(jī)碳組分研究中。目前秸稈施入對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響已有較多研究，但生物質(zhì)炭添加對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響還鮮見報道。為此，本文利用δ13C技術(shù)，對比研究稻草及其制備的生物質(zhì)炭添加對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響，為深入認(rèn)識和評價生物質(zhì)炭在土壤碳循環(huán)中的作用和貢獻(xiàn)提供科學(xué)依據(jù)。材料與方法供試材料供試土壤采自福建師范大學(xué)旗山校區(qū)甘蔗實驗地。土壤為普通紅壤，連續(xù)種植甘蔗多年，土壤有機(jī)碳含量為8.28gkg-1、δ13C值為-22.49‰、pH5.65.采集的新鮮土壤樣品去除植物殘體和碎屑，過4mm篩備用。

　　生物質(zhì)炭制備方法參照文獻(xiàn)。將13C標(biāo)記的稻草（過1mm篩）置于烘箱中，70℃烘至恒重，冷卻后準(zhǔn)確稱取2~3g秸稈于坩堝中，用坩堝蓋蓋好放入馬弗爐中，關(guān)閉爐門，達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度時開始計時燃燒2h,之后打開爐門，將坩鍋移至爐口處冷卻至200℃左右，移入干燥器中冷卻至室溫，準(zhǔn)確稱重。熱解溫度分別設(shè)定為250℃（B250）和350℃（B350），每個處理重復(fù)15次，樣品制備完畢后備用。供試稻草（R）和生物質(zhì)炭（B250和B350）的基本性質(zhì)見表1.

　　培養(yǎng)方法以不加稻草或生物質(zhì)炭的土壤作為對照，向土壤中分別添加稻草和生物質(zhì)炭（均過1mm篩），實驗設(shè)置4個處理，分別為土壤（CK）、土壤+稻草（SR）、土壤+B250（SB250）、土壤+B350（SB350），每個處理重復(fù)4次。具體步驟如下，將稻草或生物質(zhì)炭與新鮮土樣（相當(dāng)于烘干土50g）混合均勻，稻草添加量為1.00g,生物質(zhì)炭添加量為1.00g稻草在250℃和350℃下熱解的質(zhì)量剩余量，分別為0.52g和0.34g,然后裝入玻璃瓶中進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為25℃，培養(yǎng)時間為112d.培養(yǎng)過程中定期補(bǔ)充水分，保持土壤持水量（WHC）為60%.培養(yǎng)結(jié)束后，取出土壤樣品，用于團(tuán)聚體分組。

　　土壤團(tuán)聚體采用干篩法。利用篩分儀（EML200digitalplusT,德國）將土壤全土分成大團(tuán)聚體（250~2000μm）、中團(tuán)聚體（50~250μm）和微團(tuán)聚體（<50μm），分級后將250~2000μm和50~250μm粒級的團(tuán)聚體研磨過0.149mm,以供測定有機(jī)碳含量和同位素豐度。

　　分析方法土壤有機(jī)碳、稻草和生物質(zhì)炭的碳含量采用元素分析儀（ElementarVarioELIII,Elementar,德國）測定；土壤pH（水土比2.5∶1）采用電位法測定；樣品δ13C值采用同位素比質(zhì)譜分析儀（MAT253,ThermoFisher,德國）測定；稻草和生物質(zhì)炭的化學(xué)結(jié)構(gòu)采用13C-NMR核磁共振儀（Bruker200,德國）測定。

　　數(shù)據(jù)處理分析數(shù)據(jù)采用Excel2003進(jìn)行分析，用SPSS16.0進(jìn)行單因素方差分析，采用LSD檢驗，顯著性水平為p<0.05.

　　結(jié)果土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳同位素豐度變化與CK處理相比，稻草處理（SR）和生物質(zhì)炭處理（SB250和SB350）的全土δ13C值均顯著提高（表2）。對于SR處理，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的δ13C值遞減順序為中團(tuán)聚體（50~250μm）、微團(tuán)聚體（<50μm）和大團(tuán)聚體（250~2000μm），而SB250和SB350處理的δ13C值則呈現(xiàn)了粒級越細(xì)，δ13C值越高的趨勢。方差分析表明，對于中團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體，不同處理間的δ13C值差異均達(dá)顯著水平（p<0.05），但對于大團(tuán)聚體，SB250和SB350處理的土壤δ13C值則無顯著差異。稻草及其制備的生物質(zhì)炭對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響。

　　土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量變化與CK處理相比，稻草或生物質(zhì)炭處理的全土有機(jī)碳濃度明顯增加，其中SB250處理的最高，而SR和SB350處理間的差異并不顯著（表3）。除CK處理外，其他三種處理的不同粒級團(tuán)聚體，呈現(xiàn)了粒級越細(xì)，有機(jī)碳濃度越高的規(guī)律。根據(jù)不同粒級團(tuán)聚體占全土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以及有機(jī)碳濃度數(shù)據(jù)，將其換算成全土有機(jī)碳含量，單位統(tǒng)一為Cgkg-1全土。由表4可見，有機(jī)碳回收率介于99%~107%之間。與CK處理相比，稻草或生物質(zhì)炭添加對大團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響并不顯著，但顯著提高了微團(tuán)聚體和中團(tuán)聚體有機(jī)碳含量（p<0.05）。

　　土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的來源培養(yǎng)結(jié)束后的土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳可分為新進(jìn)入的外源新碳（稻草或生物質(zhì)炭）以及原有有機(jī)碳。

　　由表5可知，稻草和生物質(zhì)炭添加對不同粒級團(tuán)聚體新碳及原有機(jī)碳的影響截然不同。SR處理的新碳分配遞減順序為中團(tuán)聚體、大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體，而SB250和SB350處理的新碳分配遞減順序為中團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體、大團(tuán)聚體，表明新碳主要進(jìn)入到中團(tuán)聚體里。方差分析進(jìn)一步表明，與CK處理相比，稻草添加顯著促進(jìn)了大團(tuán)聚體原有機(jī)碳的分解，但對中團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體原有機(jī)碳的影響并不顯著；而生物質(zhì)炭添加則不同，SB250和SB350處理對大團(tuán)聚體和中團(tuán)聚體原有機(jī)碳的影響均不顯著，但SB250處理顯著抑制了微團(tuán)聚體原有機(jī)碳的分解，而SB350處理的則無顯著影響。

　　討論黑碳作為土壤惰性碳庫重要組成部分，不僅是大氣中CO2的主要碳匯，而且是全球碳循環(huán)中“迷失碳”的重要組成部分。以往研究更多關(guān)注自然生態(tài)系統(tǒng)土壤黑碳的來源、分配規(guī)律以及影響因素等諸多方面。而近年來向農(nóng)業(yè)土壤中施入人工制備生物質(zhì)炭的報道逐漸增多。向土壤中施入生物質(zhì)炭可以增強(qiáng)土壤碳匯能力，減少溫室氣體排放，從而減緩氣候變化。研究表明，施入生物質(zhì)炭后土壤碳庫明顯提高，這與本文的結(jié)果一致。本研究表明，土壤中添加生物質(zhì)炭后有機(jī)碳含量顯著提高，其中SB250處理的最高，顯著高于稻草處理的，而SB350處理的則與稻草處理的有機(jī)碳含量相當(dāng)（表3）。并且，當(dāng)?shù)静蒉D(zhuǎn)變?yōu)樯�物質(zhì)炭后，芳基碳和羧基碳含量增加，化學(xué)結(jié)構(gòu)更趨于穩(wěn)定（表1）。因此，從土壤固碳的角度，將部分稻草低溫?zé)峤庵瞥缮�物質(zhì)炭后添加到土壤中，較稻草直接施用更有利。

　　秸稈還田是保持土壤肥力，提高土壤有機(jī)碳含量的重要措施。目前國內(nèi)有關(guān)秸稈還田對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響研究亦有諸多報道。如徐江兵等認(rèn)為，各種有機(jī)肥處理均對土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量的增加表現(xiàn)出不同程度的促進(jìn)作用，與CK處理相比，各粒級中添加秸稈的有機(jī)碳含量增加了10%~30%,而本研究發(fā)現(xiàn)稻草處理的土壤各粒級有機(jī)碳含量較對照土壤增加2%~57%,生物質(zhì)炭處理的土壤各粒級有機(jī)碳含量較對照土壤增加2%~79%.并且，三種處理的土壤新增加的碳主要分配在中團(tuán)聚體（50~250μm）中，這與Ver-chot等的研究結(jié)果類似。但也有研究表明外源新碳在土壤團(tuán)聚體中的分配是隨機(jī)的，并沒有分配到特定的某一類團(tuán)聚體中。本研究也進(jìn)一步表明，稻草及其制備的生物質(zhì)炭添加后，大團(tuán)聚體（250~2000μm）有機(jī)碳含量沒有明顯提高，但微團(tuán)聚體（<50μm）與中團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著提高，說明稻草或生物質(zhì)炭添加對大團(tuán)聚體土壤有機(jī)碳的影響并不大，而對微團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響較大。

　　一般而言，秸稈施入會促進(jìn)土壤原有機(jī)碳的分解，其原因在于秸稈中含有較多的新鮮易分解有機(jī)碳，刺激了微生物的增長，從而促進(jìn)了原有機(jī)碳的分解。但生物質(zhì)炭施入對土壤原有機(jī)碳的影響卻不一致，促進(jìn)、抑制、無影響均有報道。Wardle等報道，火燒產(chǎn)生的黑碳促進(jìn)了土壤腐殖類物質(zhì)的分解，但這一研究已引起很多爭議。Zimmerman等利用室內(nèi)培養(yǎng)實驗發(fā)現(xiàn)短期內(nèi)生物質(zhì)炭添加也促進(jìn)了土壤原有機(jī)碳的分解。但Jones等卻發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭添加抑制了土壤原有機(jī)碳的分解，而Smith等利用13C自然豐度方法發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭添加對土壤有機(jī)碳分解幾乎沒有影響。導(dǎo)致這種截然不同結(jié)論的主要原因在于研究者采用的生物質(zhì)炭類型、制備條件、添加量、培養(yǎng)條件以及土壤類型不同所致。本研究利用團(tuán)聚體分組，進(jìn)一步表明稻草及其制備的生物質(zhì)炭添加對土壤團(tuán)聚體新碳和原有機(jī)碳的影響明顯不同，對于同一粒級團(tuán)聚體，稻草和生物質(zhì)炭添加的差異主要體現(xiàn)在新碳的分配上，而對土壤原有機(jī)碳的影響差別并不大。

　　結(jié)論：通過對比分析，發(fā)現(xiàn)將等量的稻草低溫?zé)峤庵瞥缮�物質(zhì)炭后添加到土壤中，較稻草直接施用更有利于提高土壤碳庫。而增加的新碳主要進(jìn)入到中團(tuán)聚體（50~250μm）中，比例達(dá)70%以上。并且，稻草與生物質(zhì)炭施入土壤中最大的區(qū)別主要體現(xiàn)在新碳分配上，而對原有機(jī)碳的影響并不顯著。當(dāng)然，稻草及其制備的生物質(zhì)炭施入對土壤碳庫的影響，還需野外長期試驗的進(jìn)一步驗證。

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