炉渣与生物炭施加对稻田土壤活性有机碳组分及矿化的影响

陈桂香, 王维奇,b,c, 曾从盛,b,c

(福建师范大学 a.地理科学学院;b.湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室;c.亚热带湿地研究中心，福州 350007)

0 引 言

土壤有机碳库作为生态系统碳库中最具动态的碳库之一，其较小的波动就可能引起大气CO2浓度及全球碳平衡的变化[1]。人类农业生产活动，尤其是土壤耕作管理对碳循环具有重要影响，因而稻田生态系统土壤固碳、温室气体排放已成为当今农业土壤碳循环的研究热点[2-4]。

根据土壤有机碳(SOC)对外界因素的敏感性、周转速率等性质可以分为活性有机碳库和惰性有机碳库[5]，其中对植物和微生物而言活性较高，具有易分解、周转速率快等特性的那部分有机碳被称为活性有机碳库，其中土壤微生物生物量碳(MBC)、易氧化态有机碳(EOC)和溶解性有机碳(DOC)是活性有机碳重要的组分[6]，有机碳活性组分在土壤有机碳总量中所占比例很小，却直接参与土壤生物化学转化过程，对农田土壤碳库动态平衡具有重要意义。此外，土壤有机碳的矿化作为土壤中重要的动态过程，直接影响土壤养分元素的供应与温室气体的产生[7]。因此，认识土壤中有机碳组分及其矿化的特征对农田土壤管理、温室气体减排具有重要的指导意义。

近年来，有关工农业生产过程中产生的废弃物(炉渣)、生物炭对稻田产量、温室气体排放以及土壤碳库循环影响研究日益受到关注[8]。其中，生物炭是由农林废弃物等有机物料在厌氧条件下热裂解产生的含碳丰富的固态稳定物质，具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积和很强的吸附能力等特性[9]。随着全球对农业生产过程中固碳减排的关注，生物炭逐渐与农田土壤碳截留及农业的可持续发展相联系[10-11]。而炉渣来源于钢铁工业的废弃物，富含硅、钙、铝、铁等成分，已被许多学者用于改善土壤硅素肥力状况，提高水稻产量的重要有机肥料之一[12]。已有研究报道认为，炉渣和生物炭均为碱性物质，适合作为肥力较低且酸性较强的南方红壤改良剂[13]。然而，关于炉渣与生物炭对稻田温室气体排放的研究多集中于CH4和N2O等温室气体的研究，而对CO2排放影响的研究较为匮乏，此外，生物炭和炉渣对稻田土壤有机碳组分影响的研究也还鲜见报道。基于当前有关炉渣和生物炭的研究都是单独开展的，仅有的研究结果也存在一定的争议[1,9,14-15]。那么，炉渣与生物炭混施后，其是否可以通过改变土壤碳的稳定性，进而减缓稻田CO2排放，也有待于进一步研究。因此，很有必要开展炉渣和生物炭施加后稻田土壤活性有机碳组分及CO2排放的影响研究。本研究选择福建省水稻研究所吴凤综合实验站红壤水稻田为研究对象，开展炉渣与生物炭施加对稻田土壤有机碳组分及CO2排放的影响研究，以期为工农业废弃物在稻田管理中的运用和土壤改良剂的选择提供科学参考，对科学管理土壤养分和正确评价农业生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于福建省福州市水稻研究所吴凤综合试验站(25°59′44.12″N，119°38′35.50″E)，选取红壤水稻田作为研究样地。该研究样地属亚热带海洋性季风气候，年平均气温19.6 ℃，年降水量1 392.5 mm，相对湿度为77.6%，土壤偏酸性，其pH约为6.52。水稻种植制度为双季稻，早稻(4月中旬～7月中旬)和晚稻(8月上旬～11月上旬)[16]。

1.2 研究方法

1.2.1实验设计与样品采集

本研究用的炉渣来源于福建金星钢铁公司，其成分中含有SiO2(40.7%)、CaO(34.9%)、Fe2O3(4.8%)、MgO(0.6%)和K2O(0.6%)；生物炭采用炭化炉和亚高温缺氧干馏技术制备，制备温度为450 ℃，其成分中含有C(56.6%)、N(1.4%)、P(1.0%)、K(1.8%)、Mg(1.0%)、Fe(0.2%)、S(0.5%)和Ca(0.5%)等元素，其中炉渣和生物炭均为碱性物质，pH分别为(11.97±0.01)和(10.34±0.02)。

于2015年水稻插秧前(4月19日)，分别设置炉渣、生物炭、炉渣+生物炭和对照4个样地，每个样地3个重复，每个重复小区面积为10 m×10 m，为排除相互影响，各小区之间用田埂隔开，并用0.5 cm厚、45 cm高的PVC板隔离防护，施加方式为施加物与土壤均匀混合，混合深度约为0～30 cm。其中4个处理分别为：对照组(0 Mg·hm-2炉渣+0 Mg·hm-2生物炭)、炉渣(8 Mg·hm-2炉渣)、生物炭(8 Mg·hm-2生物炭)和炉渣+生物炭(8 Mg·hm-2炉渣+8 Mg·hm-2生物炭)。在2015年7月12日水稻收获后采集不同处理样地0～30 cm原状土柱，分为0～15 cm(犁耕层)和15～30 cm(非犁耕层)两层。样品采集完后放入自封袋，带回实验室，充分混合并拣去可见的活体根系，于4 ℃温度下保存。

1.2.2土壤有机碳及其活性组分测定

采用高温外热重铬酸钾氧化-容重法测定SOC含量[17]；土壤MBC采用氯仿-硫酸钾熏蒸浸提法[17]，EOC含量采用333 mmol·L-1KMnO4氧化比色法测定[17]，DOC含量用去离子水浸提和TOC-VCPH分析仪测定[18]。

1.2.3土壤有机碳矿化速率测定

采用密闭培养法和气相色法相结合测定土壤有机碳矿化速率：称取各处理鲜土20.0 g，放入120 mL带筛的广口瓶中，将土壤样品均匀平铺于瓶底，用蒸馏水调节土壤湿度至土壤饱和持水量的60%，每个处理3个重复。密封时均用硅胶塞塞住瓶口，同时用适合的硅胶塞塞紧软管通口，作为气体采样口。将装置好的培养瓶放入23.5 ℃恒温培养箱中培养56 d，分别在第1、3、5、7、14、28和56 d用气相色谱仪测定土壤CO2浓度。期间每个阶段抽气前，用高纯度N2对每个培养瓶进行冲洗(约3 min)后密封、用气密针从培养瓶内抽取10 mL气体，作为测定初始值并及时补充10 mL高纯度N2，在培养24 h后，再次抽10 mL气体并补充同体积高纯度N2，培养期间采用称重法保持土壤含水量的恒定。

1.3 数据处理与分析

采用SPSS19.0软件对数据进行方差分析和显著性检验，其中显著性差异p<0.05。采用Origin 8.0作图。

本文用土壤有机碳矿化速率和累积矿化量两个指标作为土壤有机碳矿化差异的评价指标。其中土壤有机碳(CO2-C)矿化速率计算式为：

其中:F为CO2-C矿化速率,μg·(g·d)-1;Δc/Δt为培养瓶内单位时间内(24 h)浓度的变化量,μg·(d·g)-1;V为培养瓶体积,L;m为干土质量,g;M/22.4是标准气体质量密度,g·L-1;T为培养温度,℃。土壤有机碳(CO2-C)累积矿化量则为培养时间内有机碳矿化速率的累加(μg·g-1)。

此外，由于培养时间为56 d，土壤有机碳矿化主要为活性有机碳分解，因此采用一级动力学方程模拟分析不同处理下土壤有机碳矿化动态[19]：

Cm=Co(1-e-kt)

式中：Cm为t时刻土壤有机碳累积矿化量，mg·g-1；C0为土壤有机碳的潜在矿化势，mg·g-1；t为培养天数，d；k为有机碳矿化常数，d-1。

2 结果分析

2.1 炉渣与生物炭施加对土壤活性有机碳组分含量的影响

图1所示为不同处理下土壤活性有机碳组分分布特征图，由图可见，炉渣和生物炭施加对SOC及其活性组分含量的影响不尽一致。其中，炉渣施加对土壤犁耕层SOC无显著影响(p>0.05)，而生物炭、炉渣+生物炭施加显著增加了土壤犁耕层SOC含量(p<0.05)，其增加比例分别约为37.81%和17.60%，但在非犁耕层，各处理下SOC含量无显著差异(p>0.05)。不同施加处理后，犁耕层土壤MBC含量均显著增加(p<0.05)，其中生物炭施加后MBC增加比例最大，为51.90%，而非犁耕层MBC无显著变化(p>0.05)。另外，不同施加处理后，土壤EOC含量总体上有所降低(p<0.05)，其中犁耕层炉渣施加下降比例最大。炉渣+生物炭总体上显著增加了土壤DOC含量(p<0.05)，且在犁耕层表现最明显，而生物炭对DOC总体上没有显著影响(p>0.05)。

2.2 炉渣与生物炭施加对土壤有机碳矿化速率的影响

不同施加处理后土壤有机碳矿化速率如图2所示。为期56 d的培养，各施加处理后土壤有机碳矿化速率在培养初期最高，而后随着培养时间延长表现出先快速降低再缓慢下降的趋势。炉渣、炉渣+生物炭总体上抑制了犁耕层土壤有机碳矿化，在前期(1～7 d)最为明显，而生物炭施加对土壤有机碳矿化速率影响不显著；在非犁耕层，各施加处理下土壤有机碳矿化速率总体小于对照组。此外，各施加处理下土壤有机碳矿化速率均表现为犁耕层高于非犁耕层。

2.3 炉渣与生物炭施加对土壤有机碳累积矿化量的影响

土壤有机碳分解所释放CO2的速率均在前期较大，但随着培养时间的延长，矿化速率趋于平稳(见图3)。为期56 d培养，犁耕层中对照、生物炭、炉渣和炉渣+生物炭施加有机碳矿化累积量分别为：154.42，151.56，109.91，110.98 μg·g-1，对照、生物炭处理后土壤有机碳累积矿化量显著高于炉渣、炉渣+生物炭处理(p<0.05)；而非犁耕层土壤累积矿化量表现为对照的累积矿化量(79.43 μg·g-1)高于炉渣(68.39 μg·g-1)、生物炭(71.57 μg·g-1)和炉渣+生物炭(69.70 μg·g-1)(p<0.05)。

图1 炉渣与生物炭施加条件下土壤活性有机碳库组分分布特征(不同小写字母表示同一土层差异显著)

(a)犁耕层

(b)非犁耕层

图2 炉渣与生物炭施加条件下土壤CO2-C矿化速率变化特征

(a) 犁耕层

(b) 非犁耕层

图3 炉渣与生物炭施加条件下土壤CO2-C累积矿化量变化特征

4种处理对不同土层土壤有机碳的累积矿化都符合一级动力学指数方程，均达到较好的效果(R2>0.902 4，见表1)。由表可见，不同土层对照处理C0(潜在矿化势)最大，其k值也较大，炉渣、炉渣+生物炭处理C0较小，k值也较小。

表1 炉渣与生物炭施加对水稻土壤有机碳累积矿化的影响

2.4 土壤有机碳矿化指标与活性有机碳组分的相关关系

不同施加处理下水稻田土壤有机碳组分与土壤有机碳累积矿化量、潜在矿化势(C0)和矿化常数(k)Pearson相关关系(见表2)显示，土壤有机碳累积矿化量、C0分别与SOC、EOC呈显著或极显著正相关(p<0.05)，k与SOC呈极显著负相关关系(p<0.01)，有机碳矿化指标与其他组分间均无显著相关性。

表2水稻土壤有机碳矿化指标与土壤活性有机碳及其组分的相关系数

有机碳矿化指标SOCMBCEOCDOC累积矿化量0．634∗∗-0．0260．498∗-0．304潜在矿化势(C0)0．757∗∗0．0530．415∗-0．222矿化常数(k)-0．571∗∗-0．107-0．046-0．168

*表示在0.05水平下显著相关，**表示在0.01水平下显著相关

3 讨 论

3.1 炉渣与生物炭施加对稻田土壤SOC及其活性有机碳组分的影响

前人研究中，炉渣与生物炭的施加在一定程度上增加了土壤SOC含量[16,20]，本研究表明，生物炭、炉渣+生物炭施加总体上增加了犁耕层SOC，特别是生物炭施加更为明显，这与生物炭中富含碳有很大关系，本研究中施加的生物炭中碳含量为56.6%，这是生物炭施加后引起土壤碳含量增加的主要原因之一。另外，生物炭施加可以改善微生物附着性，提高微生物活性，以促进大分子有机物质的分解成SOC[21]。土壤有机碳活性组分(MBC、EOC和DOC)是土壤SOC的重要组成部分，受SOC影响，也可以一定程度表征SOC含量的变化[22]。本研究结果显示，各施加处理均显著增加了犁耕层土壤MBC含量，尤其是生物炭施加最为明显，这与前人[23-24]研究结果相似。这可能与施加物本身的性质有很大关系，一方面，炉渣和生物炭均为碱性物质，能够提高土壤pH[16]，进而增加土壤微生物活性[16]，微生物活性提高,可增加活性有机碳含量，同时在pH值较高的土壤中，活性有机碳更容易移动，也可增加活性有机碳含量[25]；另一方面，生物炭主要以碳为主，可以补充土壤有机物含量，为微生物活动提供充足的碳源，这一定程度提高了微生物活性，增加MBC含量。此外，生物炭富含孔隙，可以充当微生物的培养基，进而提高土壤微生物数量和活性[26]，这也使得施加生物炭后土壤中MBC含量增加比炉渣更明显。EOC是土壤中移动快、不稳定、易氧化和矿化的有机碳组分[15]，本研究的不同施加处理后，土壤EOC含量总体上有所降低，这可能与炉渣和生物炭的施加促进了微生物的生长，进而促进了土壤中不稳定组分被快速分解并形成CO2，从而降低EOC含量[11]。而DOC是微生物分解有机质的代谢产物，也是土壤微生物生长的主要能量来源，在提供土壤养分方面具有重要作用[23]。本研究结果表明，炉渣+生物炭施加后，土壤DOC含量有所增加，而炉渣也显著提高了犁耕层土壤DOC含量，而生物炭对DOC含量总体上无显著影响，这表明，炉渣可以一定程度上增加土壤DOC含量，这与王纯等[23]研究结果相一致，这主要是因为炉渣可以提高根系氧化能力和根系活力以增加发根量，使根系分泌的有机物较多，进而使得土壤DOC含量增加。

3.2 炉渣与生物炭施加对土壤有机碳矿化速率的影响

土壤有机碳矿化是指土壤中的有机态碳素在微生物的作用下矿化释放CO2等气体的过程，通常用来表示有机碳分解的快慢。本研究显示炉渣和生物炭对稻田土壤有机碳矿化具有一定抑制作用，且炉渣、炉渣+生物炭施加后有机碳矿化抑制作用较为明显。这可能与炉渣、生物炭等添加物质为碱性物质有很大关系:①添加物可以改善土壤酸性环境，提高土壤pH，促进土壤溶液对CO2的吸收[27];②添加物具有较强的稳定性和较高的吸附性[28]，有机碳活性组分结果也显示，炉渣和生物炭施加总体上降低了EOC含量，使得土壤中易氧化和矿化的有机碳组分含量降低，这可能是导致抑制有机碳矿化的另一重要原因;③炉渣、炉渣+生物炭施加后，有机碳矿化的抑制作用更加明显，这主要归因于炉渣中富含氧化铁，氧化铁的化学结合态可以增加土壤碳库稳定性，降低土壤活性有机碳数量进而降低土壤碳矿化[29]，通常用k(矿化常数)反映土壤固碳能力大小，k值越大，表明有机碳越不稳定，土壤的固碳能力越弱[30]。本研究中C0和k也表明炉渣、炉渣+生物炭处理后土壤有机碳矿化受到一定的抑制，土壤固碳能力增加。这一结果也很好地表明工业废弃物炉渣施加对南方酸性稻田土壤固碳和温室气体减排具有重要作用。目前，多数的研究认为，土壤有机碳矿化与活性有机碳之间密切相关[20]，本研究也证实了这一点，本研究显示土壤有机碳累积矿化量、C0与SOC、EOC均有显著的正相关关系，这主要受土壤EOC不稳定、易被矿化的性质所影响[15]，在矿化过程中易矿化组分优先被矿化分解成CO2，另外与SOC呈极显著相关关系，也进一步佐证了土壤有机碳累积矿化量或C0与有机碳矿化底物的数量之间关系密切[31]。

4 结 语

本研究以福州平原红壤水稻田土壤为研究对象，探讨炉渣、生物炭和炉渣+生物炭施加对水稻成熟期土壤活性有机碳组分及矿化的影响，得到以下主要结论：

(1) 炉渣和生物炭施加对稻田土壤有机碳及活性组分具有不同程度的影响，其中生物炭、炉渣+生物炭施加显著增加了犁耕层SOC含量；各施加处理均显著增加了犁耕层土壤MBC含量，以生物炭施加后最为明显，而炉渣，生物炭和炉渣+生物炭施加却总体降低了土壤EOC含量，此外，炉渣和炉渣+生物炭施加增加了土壤DOC含量，而生物炭施加对其无明显影响。

(2) 炉渣、生物炭和炉渣+生物炭施加总体上抑制了水稻土壤有机碳矿化，以炉渣和炉渣+生物炭施加抑制作用较为明显。

(3) 这些结果表明，工业废弃物炉渣对南方红壤稻田酸性土壤固碳及温室气体减排具有积极作用。

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