牛粪配施生物质炭的土壤碳净变化率和腐殖物质组成研究*

赵婷婷，刘 蕾，柳新伟，崔德杰，孔祥平，李国宾，宋祥云†

（1. 青岛农业大学资源与环境学院，山东青岛 266109；2. 青岛农业大学资源与环境学院青岛市农村环境工程研究中心，山东青岛 266109；3. 青岛市崂山区农业农村局，山东青岛 266101；4. 青岛农业大学化学与药学院，山东青岛 266109）

有机肥和生物质炭均可以提高土壤有机质的含量[1-3]。牛粪作为传统的有机肥可以通过增加土壤腐殖物质（humic substances，HS）的含量而增加土壤有机质，提高土壤肥力[4]。长期施用有机肥能显著提升稻田生态系统土壤固碳量，且随着有机肥用量的增加土壤固碳量增大[5]。HS是土壤有机质的重要组成部分，其组成和结构变化直接影响土壤性质[6]。长期施用有机肥能提高土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）及HS含量[7-8]。

生物质炭对土壤固碳、提高土壤肥力有重要作用[9]。生物质炭中的芳香碳所占比例较大，相对而言更稳定[10-11]。SOC量随着生物质炭施用量的提高而增加[12-14]。生物质炭可影响土壤HS的数量及结构[15]。韩玮等[16]将生物质炭施入水稻土后发现，SOC增加，且随着生物质炭用量的增加，土壤胡敏酸（humic acid，HA）和富里酸（fulvic acid，FA）的比例逐渐下降，而残留的黑碳和土壤胡敏素（humin，Hu）显著增加。生物质炭提高了土壤Hu的相对含量，增加了土壤中相对稳定性碳的比例[15]。

虽然施用有机肥或生物质炭均可增加土壤HS进而提高土壤有机质的含量。然而，牛粪配施生物质炭在土壤碳净变化率和HS组成、化学结构特征上的影响有待进一步研究。

本研究对比分析了牛粪、牛粪配施生物质炭对土壤碳净变化率的影响以及对土壤HA、FA和Hu形成转化和结构特征的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

田间试验于2017年在山东省滨州市博兴县棉田进行，土壤类型为盐化潮土，土壤电导率为229.7 µS·cm-1，盐分为2.68 g·kg-1。属温带大陆性季风气候，年平均气温12.5℃，全年日照时数2 595 h，年降水量601 mm，无霜期180 d。

1.2 供试材料

供试土壤为盐化潮土，pH为8.45，有机质含量6.44 g·kg-1，碱解氮、有效磷和速效钾含量分别为27.93 mg·kg-1、8.86 mg·kg-1和95.64 mg·kg-1。牛粪经堆腐1个月后施用，有机碳含量382.3 g·kg-1，全氮含量17.63 g·kg-1。棉秆生物质炭在炭化窑中500～700℃限氧烧制，有机碳含量458.98 g·kg-1，全氮含量9.10 g·kg-1。

1.3 试验设计

试验分为五个处理，分别为CK（常规施化肥）、M1（常量施用牛粪8 t·hm-2）、M2（倍量施用牛粪16 t·hm-2）、CBM1（施用牛粪8 t·hm-2和棉秆生物质炭10 t·hm-2）和CBM2（施用牛粪16 t·hm-2和棉秆生物质炭10 t·hm-2）。每个处理三次重复，每个小区60 m2。M1、M2、CBM1和CBM2的C/N分别为21.7、21.7、32和28。所有处理化肥施用量相同，施用碳酸氢铵600 kg·hm-2，追肥尿素225 kg·hm-2。有机物料在棉花播种前撒施地表后旋耕，棉花收获后采集0～20 cm混合土样。

1.4 分析方法

土壤HS组分的提取采用腐殖物质组成修改法[17]。土壤样品用去离子水提取出水溶性物质（water soluble organic substances，WSS），继续用0.1 mol·L-1NaOH + 0.1 mol·L-1Na4P2O7提取出可提取腐殖物质（extractable humic substances，HE）。HE用0.5 mol·L-1H2SO4调节pH至1，分离出HA和FA，剩余残渣为Hu。部分HA和FA经透析袋透析纯化后冷冻干燥。Hu经30%HCl + 30%HF浸洗24 h，重复6次，然后用去离子水将Hu洗至中性，风干后磨细过0.25 mm筛。纯化后的HA、FA和Hu用于红外光谱测定。

元素分析采用元素分析仪（Vario MICRO，样品分解温度：900～1 200℃）测定。牛粪、生物质炭、HA、FA和Hu化学结构采用红外光谱（Fourier Transform Infrared，FTIR spectroscopy）测定[18]。采用KBr压片法，将腐殖物质样品与KBr按1︰200的比例混匀压片。在傅里叶变换红外光谱仪（NICOLET is5，Thermo公司，美国）上测定，测试范围为4 000～400 cm-1，仪器分辨率为4 cm-1，扫描次数为16次[19]。

牛粪有机碳、生物质炭有机碳、SOC、WSS、HE、HA和Hu含量采用重铬酸钾容量法测定，土壤基本化学性质测定采用常规方法[20]。FA含量为HE的含量减去HA的含量[7]。

1.5 数据处理

土壤碳净变化率的计算采用如下公式：

采用SPSS 22.0对数据进行方差分析，同时用Excel 2003进行绘图。红外光谱数据使用OMNIC 8.2软件和Origin 7.5软件进行分析，对吸收峰进行峰面积计算，用某一峰面积占各峰总面积的百分比来表示其官能团的变化[19]。

2 结 果

2.1 不同处理对土壤HS含量的影响

由表1可知，各个处理与对照相比明显提高了SOC和土壤HS含量，各个处理增加了土壤中HA含量，其中CBM2处理增加最多，M1增加最少。M2与M1相比，HA含量增加了0.11 g·kg-1；CBM2与CBM1相比，HA含量增加了0.14 g·kg-1。M2、CBM1和CBM2处理增加了FA含量，其中CBM2增加了0.68 g·kg-1。各个处理增加了Hu含量，其中CBM2增加最多，从3.83 g·kg-1增至5.03 g·kg-1，增加了1.20 g·kg-1，M1增加最少，从3.83 g·kg-1增至4.80 g·kg-1，为0.97 g·kg-1。CBM1处理有机碳含量较M1增加0.46 g·kg-1；CBM2处理有机碳含量较M2增加了0.74 g·kg-1。可见，施用牛粪或牛粪配施生物质炭增加了土壤HA、FA和Hu的含量。牛粪配施生物质炭更有利于土壤HS的形成。表2为SOC和HS碳净变化率。与单施牛粪（M1、M2）相比，牛粪配施生物质炭（CBM1、CBM2）使土壤碳净变化率分别提高了2.95%和3.55%。其中，HA提高了1.58%和1.18%，FA提高了2.16%和3.67%，Hu降低了0.82%和1.06%。与单施牛粪（M1、M2）相比，牛粪配施生物质炭（CBM1、CBM2）显著提高了土壤HA碳净变化率。与倍量牛粪（M2、CBM2）处理相比，单倍牛粪（M1、CBM1）处理显著提高土壤Hu碳净变化率。说明牛粪配施生物质炭形成Hu后虽然土壤中的Hu的含量增加了，但是同时也向HA和FA发生了转化。

表1 不同处理土壤有机碳和腐殖物质含量Table 1 Contents of SOC and HS relative to treatment/(g·kg-1)

表2 不同处理土壤碳净变化率Table 2 Net organic carbon transformation rate in soil relative to treatment/%

2.2 不同处理对土壤HS元素组成的影响

不同处理土壤HS元素组成见表3。各处理土壤Hu的C元素相对含量均高于CK处理，而H/C和O/C均低于CK处理；土壤HA各处理的C元素相对含量均低于CK处理，而H/C和O/C高于CK处理；土壤FA除了CBM2处理以外，其余处理C元素相对含量均高于CK处理，而H/C和O/C均低于CK处理。以上研究结果表明，施用牛粪或牛粪配施低量生物质炭均有利于增加土壤Hu和FA的C元素相对含量，并且Hu和FA的缩合度增加，氧化度降低，而HA的缩合度降低，氧化度增加。

表3 不同处理土壤胡敏酸、富里酸和胡敏素元素组成Table 3 Elemental composition of HA，FA and Hu relative to treatment

2.3 不同处理对土壤HS结构的影响

牛粪、生物质炭、土壤HA、FA和Hu红外光谱和各吸收峰相对含量见图1和表4。各吸收峰在2 920 cm-1和2 850 cm-1处代表脂族结构中—CH2和—CH3的C—H伸缩振动；1 630 cm-1处代表芳香碳的C=C伸缩振动或醌、酮和酰胺I带的C=O伸缩振动，1 420 cm-1处代表脂族C-H伸缩振动和1 100 cm-1处代表多糖及其类似物中C-O伸缩振动[21]。由表4所示，与对照相比，施用牛粪（M1、M2）或牛粪配施生物质炭（CBM1、CBM2）处理HA在1 100 cm-1吸收峰的相对强度升高，相对峰面积增加了0.98%～10.57%；与M1相比，M2、CBM1和CBM2处理在2 920 cm-1、1 420 cm-1和1 100 cm-1处吸收峰相对含量均增加。施用牛粪（M1、M2）处理FA在1 420 cm-1吸收峰的相对强度升高，相对峰面积分别增加了0.55%和1.4%；与M1和M2处理相比，CBM1和CBM2处理在2 920 cm-1、2 850 cm-1和1 100 cm-1处吸收峰相对含量均增加。与对照相比，施用牛粪（M1、M2）或牛粪配施生物质炭（CBM1、CBM2）处理Hu在2 920 cm-1和1 630 cm-1吸收峰的相对强度升高；与M1处理相比，M2、CBM1和CBM2处理在2 920 cm-1、2 850 cm-1、1 420 cm-1和1 100 cm-1处吸收峰相对含量均增加。表明与M1相比，M2、CBM2胡敏酸、富里酸和胡敏素脂族碳和多糖相对含量增加了，芳香族物质相对含量降低。与施用牛粪相比，牛粪配施生物质炭富里酸脂族亚甲基、甲基、多糖和芳香族物质相对含量增加。

表4 土壤腐殖物质、牛粪和生物质炭红外光谱吸收峰相对含量（半定量）Table 4 Relative content of HS，cow manure and biochar at absorption peaks in FTIR spectra（semi-quantity）/%

3 讨 论

3.1 牛粪配施生物质炭对土壤HS含量的影响

土壤HS在SOC的循环和转化中起到重要作用[22]。不同有机物料在增加SOC含量方面的作用存在差异[23]。Senesi等[24]综述了有机物料对土壤HS的影响，表明有机物料的性质会影响土壤HS组成、结构和功能。施用牛粪可增加SOC、HA和FA的含量[25]。施用高量有机肥有利于土壤HA和Hu的积累，进而有利于提高土壤有机质的腐殖化度[26]。本研究中施用常量牛粪和倍量牛粪是等碳氮比，田间试验发现与常量施用牛粪相比，倍量施用牛粪1年时SOC含量没有因倍量施用牛粪而大量增加（表1）。这可能是由于常量施用牛粪对土壤碳净变化率的贡献高于倍量施用牛粪，并且主要体现在了Hu和HA这两种组分，尤其是Hu（表2）。虽然短期田间常量施用有机肥的碳净变化率高于倍量施用有机肥，但是由于逐年累积，长期倍量施用有机肥的SOC含量将显著增加。长期试验结果表明，长期施用有机肥尤其是倍量施用有机肥显著增加了土壤HA、FA和Hu的含量[7]。生物质炭可以增加HS的含量[9，19，27]，尤其是Hu的含量[9，27-28]，进而有效增加土壤中SOC含量[15，29-30]。此外，生物质炭还可以使堆肥可提取的HE提高10%[31]。Jindo等[32]研究表明牛粪配施生物质炭可减少CO2排放，增加土壤固碳量。在盐土中等碳量添加有机物料的研究表明，秸秆堆肥配施生物质炭处理更有利于增加土壤HA的含量[19]。本研究表明牛粪配施生物质炭1年土壤SOC的碳净变化率提高了，并且主要提高了HA和FA碳净变化率（表2）。13C同位素研究结果表明，向土壤中等碳量添加秸秆堆肥、秸秆堆肥配施生物质炭后培养180 d，秸秆堆肥配施生物质炭处理较秸秆堆肥处理固定了更多的有机碳[33]。以上研究结果表明，牛粪配施生物质炭在土壤固碳效果上优于单施牛粪，除了体现在增加SOC含量以外，还提高了土壤HA和FA的碳净变化率。有机物料主要增加土壤Hu的含量，有机肥配施生物质炭有利于通过提高土壤HS碳净变化率进而提高土壤碳净变化率。

3.2 有机物料对土壤HS结构的影响

有机物料的化学结构差异性影响SOC化学结构及稳定性[34-35]。施用有机肥能够使增加土壤HA烷基碳的相对含量[36]。单施有机肥或有机肥配施化肥能够增加土壤HS中烷烃基和氨基的数量[37]。本研究结果表明，施用牛粪或牛粪配施低量生物质炭土壤HA的缩合度降低，氧化度增加（表3），这与施用生物质炭量不大，牛粪在土壤HS形成转化中的作用更显著有关。这与接晓辉等[37]研究的施用有机肥后土壤HA烷基碳和烷氧碳的变化规律一致。本研究结果也表明，与施用常量牛粪相比，施用倍量牛粪或常量牛粪配施生物质炭土壤HA、FA和Hu脂族碳和多糖相对含量增加，芳香族物质相对含量降低（图1和表4）。秸秆堆肥在土壤中可提高土壤HA和FA脂族碳和多糖相对含量，秸秆堆肥配施生物质炭受二者所占比例影响[19]。以上研究表明增施牛粪更有利于土壤HS脂族碳和多糖的形成，同时牛粪配施生物质炭可提高土壤HS脂族碳和多糖的相对含量。有机肥施入土壤后，除了可以明显提高土壤HS各组分碳含量，还可以降低土壤HA、FA和Hu芳构化度，改善其结构和品质[38]。土壤培肥后，胡敏酸数均分子量减小、芳香度、缩合度、氧化度及分子复杂程度下降，向着脂族化、年轻化和简单化的方向发展[39]。Cheng和Lehmann[40]的研究结果表明，生物质炭的脂肪族碳结构极易通过矿化分解等方式，转变为土壤中的HA。施用生物质炭后土壤HS缩合度和芳香性增强[41]。本研究中牛粪配施生物质炭有利于土壤HS脂族碳和多糖相对含量的增加，而生物质炭用量不变的情况下，配施更多的牛粪可增加土壤HA和Hu芳香族碳的相对含量（图1和表4）；元素分析的结果表明施用牛粪或牛粪配施低量生物质炭可使Hu和FA的缩合度增加，氧化度降低，化学结构相对更稳定（表3）。而生物质炭本身富含芳香族碳具有化学稳定性[19]，可以被物理保护并且难以被微生物分解[42-43]。但是生物质炭也可以被氧化[44]。因此生物质炭在一段时期内是相对稳定的。13C同位素研究结果也表明，生物质炭进入土壤后主要存在于Hu中，成为了土壤Hu的一部分[45]。土壤Hu的含量和SOC的含量呈正相关性[19]，长期施用有机肥主要形成了土壤Hu[7]，并且有利于增加土壤HA脂族碳的含量[36]。由此可见，施用有机肥和生物质炭可直接影响土壤HA和Hu的含量和化学结构。无论是单独施用生物质炭还是生物质炭和有机肥配施均有利于提高土壤HS的芳香度，增加其稳定性。

4 结 论

田间施用牛粪或牛粪配施生物质炭1年增加了HA、FA和Hu的含量，主要增加了Hu的含量。与单施牛粪相比，牛粪配施生物质炭可提高HA和FA碳净变化率进而提高SOC碳净变化率。与施用常量牛粪相比，施用倍量牛粪或常量牛粪配施生物质炭土壤HA、FA和Hu脂族碳和多糖相对含量增加，芳香族物质相对含量降低。生物质炭用量不变的情况下，配施更多的牛粪可增加HA和Hu芳香族碳的相对含量。施用牛粪或牛粪配施低量生物质炭均有利于增加土壤Hu和FA的C元素相对含量，并且Hu和FA的缩合度增加，氧化度降低，而HA的缩合度降低，氧化度增加。