生物质炭配比施肥对栗钙土团聚体有机碳含量及其氧化稳定性的影响

孙丰豪，潘付艳，张志春，盛海彦*，于嘉文

(1.青海大学农牧学院，青海 西宁 810016；2.青海省气象灾害防御技术中心，青海 西宁 810001)

土壤团聚体作为土壤的基本结构单位，为有机质转化和积累提供场所，是土壤构成的基本单元[1]，有机碳对土壤团聚体形成、稳定和周转有着不可忽视的影响[2]。土壤有机碳的氧化稳定性是衡量土壤有机碳质量的重要指标，关系到土壤有机碳抗氧化能力的强弱，一定程度上反映了土壤有机碳矿化的程度[3]。施肥是影响农田土壤团聚体和有机碳的重要因素，不仅能满足农作物生长所需求的养分，还能促进土壤中有机质的积累，提高土壤有机碳质量，并对土壤结构有一定的改善作用[4]。

生物质炭是生物质在高温厌氧条件下热裂解形成的富碳产物，农业生产中大量动植物废料都可被制备成生物质炭[5]。刘晓雨[6]研究发现生物质炭的施入有利于提高土壤旱地有机碳及其组分含量。Joseph等[7]发现生物质炭的施入可对土壤有机碳氧化稳定性产生影响，且在不同的土壤性质以及外界环境条件中影响不同。

我国生物质炭与化肥配比施用对土壤性质的影响在红壤、棕壤、黑土等农田土壤中研究较为丰富[8]，但在高寒干旱地区对栗钙土土壤性质的影响鲜有报道。因此，本试验在青海省西宁市湟中区李家山镇依据当地农民施肥习惯研究不同配比施肥对栗钙土团聚体有机碳含量及其氧化稳定性的影响，为包括施用生物质炭在内的不同配比施肥对高寒干旱地区土壤性质的影响提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验位于青海省西宁市湟中区李家山镇大路村(101°37′15″ E，36°40′44″ N)，海拔2 674 m，年均温度3～5 ℃，年均降水量420 mm，年均日照时数2 400～2 500 h，无霜期130～140 d。试验土壤为栗钙土，质地砂壤；0～20 cm土层全氮1.23 g/kg，全磷1.99 g/kg，全钾22.78 g/kg，碱解氮133 mg/kg，速效磷22 mg/kg，速效钾107 mg/kg，pH为8.10。

1.2 试验材料

(1)种植作物。马铃薯“青薯9号”，由青海大学农林科学院生物中心提供。

(2)配施肥料。尿素(N 46%)、磷酸二铵(N 18%，P2O546%)，由青海省海宁肥料厂提供；缓释复混肥(N 16%，其中缓释N 3%、P2O514%、K2O 10%)由青海省荣泽农业生物科技有限公司提供。生物质炭(玉米秸秆炭含碳量432 g/kg，C/N为44.74)，由南京农业大学资源与环境科学学院提供。

1.3 试验设计和样本采集

试验处理分别为每公顷施300 kg尿素+300 kg磷酸二铵(NP)、300 kg尿素+300 kg磷酸二铵+7 500 kg生物质炭(NP+C)、750 kg缓释复混肥(RZ50)、750 kg缓释复混肥+7 500 kg生物质炭(RZ50+C)及空白对照(CK)5种处理。随机区组排列，3个重复，小区面积 4 m×6 m，株距40 cm，密度为49 500株/hm2。

生物质炭只在第一年施入，其余肥料作为基肥按照上述配比每年一次基施后覆膜，连续三年。于2017年10月马铃薯收获后，按“S”型五点取样法布置取样点位，除去0.5 cm左右表土后，采集20 cm深土壤，四分法取约500 g样品带回实验室风干，捡去大于2 mm的石块、植物根系等杂物后备用。

1.4 土壤团聚体分离和氧化稳定性测定

采用湿筛法[9]分离土壤团聚体，具体操作方法：将一套孔径大小分别为2、1、0.5、0.25、0.154 mm的筛子依次固定在土壤团聚体检测仪上，加水并调节高度至没过最上层筛子，以振幅3 cm频率30次/min上下震动10 min，收集桶中和每层筛中的土壤团聚体，分别移至铝盒中烘干至恒重。采用 H2SO4+K2Cr2O7外加热法[10]测定土壤有机碳含量及各粒级团聚体有机碳含量。

土壤有机碳氧化稳定性的测定采用袁可能等[11]提出的方法，分别用下列条件确定土壤有机碳氧化稳定性。

Ⅰ 0.40 mol K2Cr2O7+1∶1 H2SO4，170～180 ℃沙浴上煮沸5 min；

Ⅱ 0.27 mol K2Cr2O7+1∶2 H2SO4，150～160 ℃沙浴上煮沸5 min；

Ⅲ 0.20 mol K2Cr2O7+1∶3 H2SO4，130～140 ℃沙浴上煮沸5 min；

Ⅳ 0.13 mol K2Cr2O7+1∶5 H2SO4，120～130 ℃沙浴上煮沸5 min；

Ⅴ 0.073 mol K2Cr2O7+1∶10 H2SO4，110～120 ℃沙浴上煮沸5 min.

其中，Ⅰ测定结果为土壤总有机碳量(a)；Ⅲ测定结果为土壤易氧化有机碳量(b)；氧化稳定系数(Kos)的计算公式为：Kos=(a-b)/b，Kos越大，土壤有机碳活性越弱、氧化稳定性越强；Kos越小，土壤有机碳活性越强、氧化稳定性越弱。

依据土壤有机碳氧化的难易程度将不同组分土壤有机碳分别定义为高氧化活性有机碳(F1)、中氧化活性有机碳(F2)、低氧化活性有机碳(F3)和难氧化活性有机碳(F4)[12]。其中，F1=Ⅴ，F2=Ⅳ-Ⅴ，F3=Ⅲ-Ⅳ，F4=Ⅰ-Ⅲ。

1.5 数据分析

试验采用SPSS 19.0进行数据处理和图表制作。

2 结果与分析

2.1 不同配比施肥对土壤有机碳含量和氧化稳定性的影响

由表1可知，试验各处理间土壤有机碳含量变幅为18.2～21.0 g/kg。除NP+C外，其余3种配比施肥土壤有机碳含量与CK无显著差异，且NP与CK更加接近。NP+C与包括CK在内的其他配比施肥相比土壤有机碳含量显著降低(P<0.05)，这说明在适当的配比施肥条件下生物质炭的加入激发了原有土壤有机碳的活性，加速了有机碳的矿化；生物质炭的加入未必能够增加土壤有机碳的含量，甚至会引起土壤有机碳的加快流失。

NP+C与NP、RZ50之间的Kos值无显著差异，但在具体数值上为所有处理中的最低值，这与上述NP+C加速土壤有机碳矿化流失的现象具有一致性。RZ50+C与CK之间的Kos值无显著差异，但显著高于NP、RZ50和NP+C，即生物质炭与缓释复混肥的配合施用与其他施肥处理相比能够维持土壤有机碳氧化稳定性。

表1 不同配比施肥对土壤有机碳含量及氧化稳定性的影响

2.2 不同配比施肥对各粒级团聚体有机碳含量和氧化稳定性的影响

2.2.1 不同配比施肥对各粒级团聚体有机碳含量的影响 由表2可知，与CK相比NP和RZ50+C在>2 mm粒级团聚体中有机碳含量显著提升，RZ50和NP+C在>2 mm粒级团聚体中有机碳含量显著降低；NP在1～0.5 mm粒级团聚体中有机碳含量显著提高。NP在>2 mm、1～0.5 mm粒级团聚体中有机碳含量大于RZ50，在0.25～0.154 mm粒级团聚体中有机碳含量则小于RZ50；NP+C在>2 mm、2～1 mm、0.25～0.154 mm、<0.154 mm粒级团聚体中有机碳含量小于RZ50+C。NP+C在>2 mm、1～0.5 mm和0.25～0.154 mm三个粒级团聚体中有机碳含量相较于NP分别下降了23.35%、24.52%、14.20%；RZ50+C在>2 mm粒级团聚体中有机碳含量相较于RZ50增加24.40%，在1～0.5 mm 和0.25～0.154 mm粒级团聚体中有机碳含量则分别减少11.16%、12.90%。生物质炭与不同肥料配比施用未能显著改变2～1 mm、0.5～0.25 mm、<0.154 mm粒级团聚体有机碳含量的占比，但在一定程度上降低了0.25～0.154 mm粒级团聚体有机碳含量的占比。

表2 不同粒级团聚体有机碳的含量

2.2.2 不同配比施肥对各粒级团聚体氧化稳定性的影响 不同配比施肥对Kos值的影响主要体现在>2 mm、1～0.5 mm、0.25～0.154 mm三个粒级团聚体中，对2～1 mm、0.5～0.25 mm和<0.154 mm粒级团聚体影响不明显(表3)。与CK相比，RZ50+C的Kos值在>2 mm粒级团聚体中显著提高，RZ50和NP+C的Kos值有所降低，NP则几乎没有改变；在1～0.5 mm粒级团聚体中NP的Kos值提高幅度最大，NP+C次之，RZ50+C则有所降低；在0.25～0.154 mm粒级团聚体中，RZ50+C的Kos值与CK之间无显著差异，其余各处理的Kos值均显著降低。生物质炭与不同肥料配比施用对>2 mm，1～0.5 mm两个粒级团聚体的Kos值具有明显影响，且对不同施肥配比响应有较大不同。

表3 各粒级团聚体的氧化稳定性

2.3 各粒级团聚体有机碳氧化难易组分占比

(1)在>2 mm粒级团聚体中，与CK相比，除NP外其余配比施肥皆使F1占比显著提高，提高幅度顺序为NP+C、RZ50、RZ50+C；NP、RZ50两个未配施生物质炭的处理使F2占比有小幅度提升，在配施生物质炭的情况下使F2显著降低；RZ50、RZ50+C皆使F3占比降低，其中RZ50+C降低显著；RZ50+C显著提高了F4占比，RZ50、NP+C显著降低了F4占比，NP对F4的占比影响较小。

(2)在2～1 mm粒级团聚体中，与CK相比，除NP外其他配比施肥都使F1占比有所提高，NP+C提高幅度最大；NP使F2占比显著提高，其余配比施肥均使F2占比有所降低；RZ50+C提高了F3的占比，而NP、NP+C、RZ50降低了F3占比且以NP+C降低幅度最大；RZ50+C使F4占比小幅度降低，其余配比施肥则使F4占比小幅度提高，无显著差异。

(3)在1～0.5 mm粒级团聚体中，与CK相比，RZ50+C使F1占比显著提高，其余配比施肥之间差异不明显；各配比施肥不同程度地使F2占比下降，NP降低显著；各配比施肥对F3占比影响较小；NP、NP+C使F4占比有较大幅度提高，RZ50+C则使F4占比显著降低。

(4)在0.5～0.25 mm粒级团聚体中，与CK相比，不同配比施肥都使F1占比有所上升，且生物质炭的施入促进了上升趋势，其中RZ50+C上升最为明显；所有配比施肥均不同程度地提高了F2的占比，尤以NP最为明显；NP+C使F3的占比显著提高，RZ50+C使F3的占比显著降低；NP和RZ50与CK之间F3占比无显著差异；所有配比施肥皆使F4占比有所降低，尤以NP+C最为明显。

(5)在0.25～0.154 mm粒级团聚体中，与CK相比，NP、NP+C、RZ50+C配比施肥显著增加了F1的占比，RZ50使F1占比略有降低；所有配比施肥皆使F2占比提高，但提高幅度较低；未施用生物质炭的处理显著提高了F3的占比，施用生物质炭的处理与CK相比，F3的占比保持相对稳定；各施肥处理均使F4占比降低，但生物质炭的施用让F4的占比降幅有效收窄。

(6)在<0.154 mm粒级团聚体中，与CK相比，NP显著降低F1占比而使F2占比显著提高，其余配比施肥虽然使F1占比有所降低，但降低幅度不大。除RZ50+C外，其余配比施肥均使F2和F3占比有所提高，以NP提升F2占比最为显著， NP+C、RZ50提升F3占比显著，但前者较后者的提高幅度低且差异显著；NP、RZ50使F4占比降低，其中以RZ50降幅最高，与单施NP、RZ50相比，生物质炭的施入提高了该粒级F4的占比。

3 讨论与结论

(1)本研究中，尿素配合磷酸二铵的常规施肥(NP)几乎对栗钙土有机碳含量没有影响，但让土壤有机碳氧化稳定性显著降低(P<0.05)，生物质炭的加入不仅让土壤有机碳含量显著降低(P<0.05)，也让土壤有机碳的氧化稳定性进一步降低，加速了土壤有机碳的矿化进程；施用缓释复混肥(RZ50)既能让土壤有机碳含量有所降低，又能让土壤有机碳的氧化稳定性降低(P<0.05)，缓释复混肥(RZ50)配施生物质炭虽然让土壤有机碳含量有微小幅度降低，但维持了土壤有机碳氧化稳定性保持不变。这与胡立煌等[13]研究发现生物质炭自身携带部分活性物质进入土壤后使土壤微生物活性增强促进其矿化的结果一致，但RZ50+C的Kos值大于RZ50与其研究结论相悖，这是因为生物质炭施加量达到一定数量时，土壤中活性较高组分所占比例降低，稳定性较高的组分明显增多，生物质炭作为一种碳捕获剂进而抑制土壤有机碳分解[14-15]造成的。

(2)与马莉等[16]研究发现的施用生物质炭能够提高>2 mm、2～1 mm和<0.154 mm三个粒级团聚体中土壤易氧化有机碳含量的结论略显不同，本研究提高了>2 mm、1～0.5 mm和0.25～0.154 mm粒级团聚体土壤易氧化有机碳所占份数，土壤团聚体有机碳氧化稳定性影响主要在>2 mm、1～0.5 mm两个粒级团聚体中，且不同配比施肥配施生物质炭使用效果不同。

(3)Barreto等[12]认为不同系统土壤有机碳氧化活性组分的差异主要发生在F1上，本试验中各粒级不同氧化难易组分的差异主要发生在高氧化活性有机碳上(F1)，其次为中氧化活性有机碳上(F2)，且不同粒级团聚体之间各组分变化幅度存在较大差异，其中>2 mm粒级团聚体各氧化难以组分占比变化幅度最为显著；生物质炭的施入对>2 mm、2～1 mm和0.25～0.154 mm粒级团聚体高氧化活性有机碳(F1)影响显著；对>2 mm、1～0.5 mm、0.25～0.154 mm粒级团聚体中氧化活性有机碳(F2)影响显著。

(4)生物质炭不同配比施肥对于调节各粒级团聚体之间的有机碳含量，调节土壤有机碳氧化稳定性，改善因施肥引起的土壤有机碳的消耗(或转化)具有现实意义。