城市污泥生物质炭对豫东黄泛平原风沙土耕地土壤有机碳矿化影响

2019-10-19尤俊坚谢凯旋胡续礼苏新宇

水土保持研究 2019年6期

尤俊坚, 谢凯旋, 孙蕾, 刘霞, 胡续礼, 苏新宇, 吴畏

(1.南京林业大学林学院江苏省水土保持与生态修复重点实验室/南方现代林业协同创新中心，南京 210037; 2.水利部淮河水利委员会水土保持处, 安徽蚌埠 233001)

生物质炭是指由高温裂解炭化形成的一类高度芳香化，含碳量极丰富的多孔体固态物质，具有高稳定性，可作为长期固定碳源及能量源[1-2]。土壤添加生物质炭，可有效改善土壤结构，提升土壤肥力，减少土壤CO2等温室气体排放，起到固碳减排的作用。Zhang等[3]研究发现，添加生物质炭与无机肥配施可提高玉米产量，降低CH4，NO2的释放量，提高氮肥的利用率，表明生物质炭具有吸收无机肥使用过程中产生的温室气体的潜在功效。赵明等[4]采用室内培养试验和大田设施生产试验对比研究发现，在培养21周后生物质炭的CO2-C矿化量仅为牛粪堆肥的13.7%，矿化速率显著低于牛粪堆肥，试验番茄果实的产量及品质差异不显著。不同材质制备而成的生物质炭对土壤影响作用不一致。城市污泥生物质炭比表面积大，表面聚集大量负电荷，拥有较高的电荷密度，施用于土壤中可改良土壤结构，有效减少温室气体排放。Khan等[5]研究发现土壤添加城市污泥生物质炭，可以吸附土壤动植物及微生物呼吸产生的CO2，CH4，并抑制了反硝化细菌的活性，减少土壤释放NO2，达到减轻温室效应的作用。土壤矿化是土壤有机碳库周转的重要过程[6]，影响土壤向大气排放CO2的量，进而影响区域气候变化，土壤有机碳矿化成为近年来区域生态系统碳循环研究的热点问题[7]。

豫东黄泛平原风沙土由于其特殊的成土过程与自然条件，土壤沙化严重，近年来人为活动又加速了土壤退化，严重影响了土壤碳含量的积累。目前生物质炭对土壤有机碳矿化的研究主要集中在南方红壤区、东北黑土区及黄土高原地区[8-10]，而豫东黄泛平原风沙区还未见相关的系统研究报道。因此，以豫东黄泛平原风沙土为研究对象，探索不同施量生物质炭对耕地土壤有机碳矿化动态变化规律，为科学管理风沙土农业生产、降低温室气体排放具有重要的现实意义。本文通过田间定位试验和室内培养试验，研究不同施量生物质炭对花生产量、土壤有机碳及其矿化的影响，为城市污泥资源优化利用、明确生物质炭适宜用量及其农业环境效应提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试土壤供试土壤是豫东黄泛平原风沙土，取自河南省开封市兰考县仪封乡(34°48′59″N，114°57′12″E)。该区海拔69～78 m，坡降在1/4 000～1/2 000，是典型的黄河冲积平原，属亚热带季风气候，为半湿润地区。多年平均降雨量630 mm，多年平均气温14℃，多年平均日照时数在2 240 h以上，全年平均无霜期220 d。供试土壤基本理化性质见表1。

1.1.2 生物质炭本试验采用的城市污泥生物质炭购自于密西西比国际水务(中国)有限公司。生物质炭以城市污泥为原材料，采用污泥干馏法，在700～850℃无氧条件下烧制4 h制备而成，生成的生物质炭粉碎后过2 mm以备使用。生物质炭基本理化性质见表1。

表1 供试土壤和生物质炭基本理化性质

1.2 试验设计

试验共设置5个处理：(1) 低施量生物质炭(B20)，施用量20 t/hm2；(2) 中施量生物质炭(B40)，施用量40 t/hm2；(3) 高施量生物质炭(B60)，施用量60 t/hm2；(4) 无机肥(NPK)，添加量与当地传统耕作施量相一致，约为300 kg/hm2；(5) 对照(CK)。

田间试验设在河南省开封市兰考县仪封乡黄泛区风力侵蚀定位观测站(东经114°55′12″—114°55′32″，北纬34°47′55″—34°47′20″)。小区面积为40 m2(8 m×5 m)，采用随机区组分布，小区间有1 m的缓冲带，每个处理3次重复，试验共15个小区。在2017年种植前一次性施加生物质炭，2018年不再添加。生物质炭和无机肥在种植前均匀撒在土壤表面，翻耕土壤使其均匀分布到耕层土壤中(0—30 cm)。供试花生品种为花豫16号，试验实行夏花生一年一熟制，在作物生长期间内按当地传统农作方式进行统一管理、灌溉。

土壤呼吸试验参考Zhou等[11]的研究：将30 g新鲜土壤放入500 ml广口瓶中，调节含水率为田间持水量的60%，放置于22℃恒温培养箱中预培养一周，使土壤微生物恢复常温状态。预培养结束后，根据试验5个不同处理添加物料并充分混匀。将10 ml 0.1 mol/L的NaOH溶液放置于广口瓶内，用于吸收土释放的CO2。在培养0.5，1，3，7，14，21，28，35，42，49 d时取出小烧杯，用0.1 mol/L的HCl溶液进行滴定，测定CO2释放量。土壤有机碳矿化量CO2-C用(mg/kg)干土表示。

1.3 样品采集与处理

于2018年花生收获前，使用土钻(3 cm×20 cm)，并按“S”形采样法选择5个采样点，采集0—15 cm的土壤，所有的土壤样品采集后装入自封袋，保存在便携式冰箱中带回实验室。充分混匀后分为两份，一份鲜土样保存在4℃冰箱中，用于室内培养试验使用，另一份土样剔去石块、根茎叶等杂志后，自然风干过2 mm筛后保存，用于测定土壤有机碳含量。花生收获时按小区实际面积计产。

1.4 测定指标、方法及数据分析

有机碳采用重铬酸钾法外加热法；

土壤有机碳矿化率计算如下：

(1)

式中：Cr为土壤有机碳矿化率(%)；y为累积培养时间内有机碳累计矿化量(mg/kg)；S为初始有机碳含量(mg/kg)。

培养49 d的有机碳矿化主要为土壤中活性的有机碳分解，选用一级动力学方程分析土壤有机碳矿化动态：

y=Cp(1-e)-kt

(2)

式中：y为累积培养时间t内土壤有机碳矿化C量(g/kg)；Cp为土壤有机碳矿化C潜力(g/kg)；k为有机碳矿化速率常数(d-1)；t为培养时间(d)。

所有数据用SPSS 16.0软件进行单因素方差分析和相关分析，用LSD方法分析处理间平均数在p<0.05水平的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 生物质炭对作物产量的影响

作物产量是衡量施肥效应的常用指标，是肥效的最终表现。5个不同施肥处理花生产量为3.02～4.59 t/hm2(图1)。方差分析结果表明，不同施肥措施对花生产量的影响有所差异。与CK处理相比，施加无机肥和生物质炭均可提高花生产量，增产幅度21.30%～51.88%，中施量生物质炭对产量提升最大，低施量生物质炭提升效应最小，具体表现为：B40>B60≈NPK>B20>CK。中施量生物炭产量高于高施量生物质炭及无机肥处理产量，但差异不显著。

注：不同小写字母表示处理间差异显著(p<0.05)，下图同。
图1 不同施肥处理花生产量

2.2 生物质炭对土壤有机碳的影响

土壤有机碳是土壤肥力的重要指标之一。不同施肥处理土壤有机碳含量为9.54～12.37 g/kg(图2)。方差分析结果表明，不同处理之间土壤有机碳含量有所差异。对比CK处理，添加生物质炭显著提高土壤有机碳含量，低、中、高施量分别提高了18.30%，21.80%，29.62%。土壤有机碳含量随生物质炭施量增加而增加，但差异不显著。无机肥处理土壤有机碳含量与对照处理相近，未显著提升土壤有机碳含量。

图2 不同施肥处理有机碳含量

2.3 生物质炭对土壤矿化的影响

不同施肥处理土壤有机碳矿化速率呈现相似的变化特征(图3)，培养初期土壤有机碳矿化速率迅速上升，之后迅速下降，至28 d时矿化率降至较低水平并最终趋于稳定。土壤有机碳矿化速率与培养时间的变化呈对数函数关系y=a+blnx，且相关性均达到显著水平(表2)。

CK，B20，B40，B60在第1天时候达到矿化速率高峰，分别为29.97，34.33，36.23，43.47 mg/(kg·d)，NPK在第3天时候达到矿化速率高峰，为76.27 mg/(kg·d)，NPK最大矿化速率分别为CK，B20，B40，B60最大矿化速率的2.54，2.22，2.11，1.75倍。不同施量生物质炭处理最大矿化速率相比CK，提高了1.15～1.45倍。在培养的第49天，NPK，B20，B40，B60日矿化速率是CK的1.92，1.07，1.41，1.72倍。

图3 土壤有机碳矿化速率动态变化

表2 土壤有机碳矿化速率回归方程

不同处理在49 d内的土壤有机碳累积矿化量差异显著(图4)。在培养结束后，CK与B20的累积矿化量差异不显著，分别为258.43，271.77 mg/kg。不同施量生物质炭之间，累积矿化量存在显著差异，具体表现为：B60>B40>B20，生物质炭施量越高，累积矿化量越大。NPK及中高施量生物炭处理相比CK处理，显著提高了累积矿化量，分别提高了2.50，1.55，1.73倍。5种处理最大土壤累积矿化量为NPK处理，为645.50 mg/kg。

图4 土壤有机碳累积矿化量动态变化

2.4 土壤有机碳矿化拟合

运用一级动力学方程对5种处理土壤有机碳累积矿化量与培养天数进行拟合，相关系数均达到了极显著相关水平(R2>0.95)(表3)，表明一级动力学方程可以很好地描述不同处理土壤有机碳累积矿化量的动态变化特征。

根据动力学方程的模拟结果显示，不同处理土壤潜在矿化碳库(Cp)存在一定差异，变化范围0.26～0.66 g/kg，B20与CK保持一致，未有显著差异，B40和B60处理的Cp较CK处理提高了57.69%，84.62%，NPK处理土壤潜在矿化碳库显著高于其他所有处理。土壤有机碳k值表示有机碳矿化速率常数，其变化范围(0.008 6～0.013 4)/d，B40与B60处理相比CK处理，显著降低了k值，分别降低了30.65%，19.35%。方差分析表明，不同处理土壤Cp/SOC值差异显著，NPK，B40，B60要高于CK处理的Cp/SOC。

表3 土壤有机碳矿化的动力学参数

注：表中不同小写字母表示处理间差异显著(p<0.05) 。

3 讨论

3.1 生物质炭对风沙土有机碳的影响

近年来，生物质炭作为土壤调节剂改良耕地土壤，增加土壤有机碳储量的特殊作用深受研究人员关注。生物质炭是一种高度芳香化、含碳量丰富的有机物料，具有极强的稳定性和抗化学生物降解能力，土壤添加生物质炭能够快速提高土壤有机碳含量，且施用量越大提升效果越显著[12]。本研究结果表明，不同施量生物质炭均可提高风沙土土壤有机碳含量，这与前人的研究结果相一致[13-14]。Cheng等[15]研究认为生物质炭对有机碳提升效应是由于吸附保护和包封作用。一方面，生物质炭比表面积大，表面聚集着大量的负电荷，拥有较高的电荷密度和丰富的官能团，可以吸附土壤中小的有机分子，通过表面催化活性将其聚合形成大的土壤有机质[16]；另一方面，生物质炭良好的孔隙结构，能将土壤中的活性有机物质吸附到其孔隙结构中，有效隔离有机物质与土壤微生物接触，阻断其被微生物分解产生CO2，这种吸附保护、包封作用在一定程度上保护或减弱了土壤有机碳的矿化作用效果，促进有机碳含量提升[17-18]。研究供试土壤为风沙土，整体土壤质地疏松，颗粒粗大，孔隙多，保水保肥能力弱，土壤养分容易因淋溶作用而损失，添加生物质炭可以改善土壤结构，促进团聚体形成，有利于养分的固持，减少淋失，促进有机碳提升。

3.2 生物质炭对风沙土有机碳矿化速率及矿化量的影响

土壤有机碳矿化是一个复杂过程，由土壤类型、颗粒组成、营养水平、有机碳化学结构稳定性等因子综合作用的结果[19]。本研究表明，5个处理的土壤有机碳矿化速率随着培养时间延长而降低，培养初期土壤中含有较多易被土壤微生物利用的易氧化有机碳，这部分有机碳组分随培养时间延长消耗完后，剩余的有机碳多为难分解的纤维素、木质素等，导致土壤微生物的营养源减少，土壤微生物活性减弱，矿化速率降低并最终趋于稳定[20]。生物质炭中的无机碳发生非生物降解及易氧化有机碳发生微生物分解，促进有机碳矿化速率上升，累积矿化量增大[21-22]，这在中高施量生物质炭处理中较为显著。也有研究表明添加生物质炭会降低土壤CO2的累积释放量[6]，这与本研究结果不一致，原因可能是试验供试土壤为风沙土，肥力条件低是限制土壤微生物活性的首要因素，添加生物质炭及无机肥后带来营养源，促进了微生物活性，提高土壤矿化强度。供试土壤为碱性土壤，pH值达8.8，添加生物质炭有助于改善碱性土壤条件，使土壤适宜微生物生长、繁殖，提高CO2的累积释放量[23]。施用无机肥后土壤中高耗能微生物占据优势，促进土壤碳的矿化强度，这一过程无外源有机质的投入，会消耗分解土壤固有有机碳，减少土壤有机碳含量，不利于土壤有机碳累积[24-26]。生物质炭具有植物生长所需的各类营养元素，含碳量丰富，施入土壤可作为植物及微生物的营养源，促进作物生长，根系分泌物增加，提高土壤中活性有机碳含量，土壤呼吸强度增强，但并未减少土壤固有有机碳含量，因而施用生物质炭有利于土壤有机碳的积累。

3.3 生物质炭对风沙土有机碳矿化参数的影响

试验结果表明，豫东黄泛平原风沙土整体土壤有机碳矿化率在2.7%～6.76%，高于其他研究中的有机矿化率(1.53%～1.71%)[8]。试验区特殊的气候导致风水侵蚀危害强烈，区域存在严重的土壤风沙化问题，风沙土有机碳矿化迅速，矿化率高。施用无机肥及中高施量生物质炭处理调节土壤C/N，增加土壤微生物活动所需营养及能量，进而促进微生物活性及数量，土壤有机碳矿化潜力(Cp)增加，这与其他研究结果相一致[23]。王朔林等[23]研究发现，施用高量氮磷肥可提高土壤养分，促进栗褐土微生物生长，具有较高的有机碳矿化潜力。与传统施肥方式相比，生物质炭表面的吸附作用可减少活性有机物质被微生物分解，因而会对土壤有机碳矿化产生抑制作用[27]。Cp/SOC值反映了土壤有机碳的固碳能力，该值越小，固碳能力越强，反之则有机碳矿化能力增强[10]。对照处理和低施量生物质炭处理Cp/SOC值最小，表明这两种处理的土壤固碳能力优于其他处理。土壤生物质炭主要成分是化学性质稳定的芳香类有机碳，能够抑制有机碳在土壤中发生的氧化作用，减小传统施肥带来有机碳矿化强度增加[28]。有机碳矿化的周转速率常数(k)是由土壤类型、颗粒组成、营养元素、有机碳化学结构稳定性等因子综合作用的结果[19]。本研究中，中高施量生物质炭处理有机碳周转速率显著低于CK处理，表明施用中高施量生物质炭可降低周转速率，增加土壤有机碳周转时间，这可能是由于中高施量生物质炭影响了土壤结构及化学性质，今后应针对k值与土壤理化性质及微生物特性等进行相关研究。

生物质炭土壤有机碳矿化速率、累积矿化量和矿化周转速率均小于传统施肥处理，固碳能力较好，有利于降低土壤有机碳分解，促进土壤有机碳累积和肥力提升。综合考虑产量及经济成本因素，中施量生物质炭要优于低、高施量生物质炭处理。目前，关于生物质炭添加后对土壤有机碳矿化作用的进程，还未有明确的科学解释，下一步需从生物质炭的制备工艺、结构特征、土壤类型、有机碳组分及微生物群落结构响应等多方面深入探讨其内在演变机理。