小麦玉米轮作条件下不同生物质炭对土壤腐殖物质的影响*

宋祥云，宋春燕，柳新伟，李 妍，孔祥平，李旭霖，崔德杰†

（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）

土壤有机质对于改善土壤性质、提高土壤肥力水平、促进土壤生态系统健康具有重要作用，是评价土壤质量水平的重要指标[1]。土壤腐殖物质（humic substances，HS）作为土壤有机质重要的组分，包括胡敏酸（humic acid，HA）、富里酸（fulvic acid，FA）和胡敏素（humin，Hu）[2]。作为土壤有机质存在的主要形态，HS可与土壤矿物形成有机无机复合体，进而形成稳定性良好的水稳性团聚体。增加土壤有机质含量，对提高土壤质量有着重要的意义。

生物质炭是在厌氧或限氧条件下由生物质热解产生的一种含碳量丰富的物质[3-4]，生物质炭可以显著增加土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）含量[5]。在农田施用生物质炭作为一种有效的碳封存技术更是得到了广泛应用。施用秸秆生物质炭有利于提高土壤稳定碳库[6]。Lee等[7]将秸秆生物质炭施入农田中可以提高土壤SOC的含量。王英惠等[8]研究表明，生物质炭施入土壤后可以提高土壤SOC芳香族、羧基等官能团的含量。施用生物质炭土壤HA的缩合程度和芳香性增强，氧化度降低[9]。然而，施用不同生物质炭对HS化学结构特征的影响鲜有报道。

山东省作为农业大省秸秆、果树枝条等农业废弃物产量巨大[10]。将秸秆、果树枝条等炭化后还田，有利于实现农业的绿色发展，保持土壤健康。以往对生物质炭的研究主要集中在生物质炭自身性质及用途或一种生物质炭在土壤固碳减排方面的研究，鲜有对比不同来源生物质炭对土壤HS组成和结构特征的比较研究。本研究通过田间试验，探究了小麦玉米轮作条件下施用花生壳生物质炭和木材生物质炭对盐化潮土HS含量及结构的影响。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2017年在山东省东营市河口区利津县进行，种植作物为小麦-玉米轮作，土壤类型为盐化潮土，土壤pH8.77，碱解氮87.28 mg·kg-1，有效磷8.58 mg·kg-1，速效钾138.3 mg·kg-1，有机质20.71 g·kg-1，电导率452.7 µS·cm-1，盐分1.74 g·kg-1。花生壳生物质炭含碳量455.9 g·kg-1，全氮含量8.76 g·kg-1。木材生物质炭含碳量400.5 g·kg-1，全氮含量7.41 g·kg-1。生物质炭在炭化炉中缺氧闷烧而得。花生壳生物质炭烧制温度为400～500℃，木材生物质炭烧制温度为350～450℃。

1.2 试验设计

田间试验共设置4个处理，每个处理设3次重复，共12个小区，每个小区面积为66.7 m2。试验处理分别为不施肥（CK）；常规施肥（T1），单施磷酸二铵750 kg·hm-2；花生壳生物质炭处理（T2），施花生壳生物质炭15 t·hm-2+ 磷酸二铵750 kg·hm-2；木材生物质炭处理（T3），施木材生物质炭15 t·hm-2+磷酸二铵750 kg·hm-2。花生壳生物质炭和木材生物质炭于2017年小麦播种前施入。2018年小麦和玉米收获后分别采集0～20 cm土壤样品。

1.3 试验方法

1.3.1 土壤HS提取和纯化 采用腐殖物质组成修改法分别提取出水溶性物质（water soluble substances，WSS）、可提取腐殖物质（extractable humic substances，HE）、FA、HA和Hu[2]。采用去离子水提取出WSS；继续用0.1 mol·L-1NaOH +0.1 mol·L-1Na4P2O7混合液提取出HE，将提取液pH用酸调节为1.0～1.5，静置过夜后分离出沉淀物HA和溶液FA，过滤后得到FA，滤纸上的HA用0.05 mol·L-1NaOH溶解到容量瓶中。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小时，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。

1.3.2 样品测定方法 土壤基本性质采用常规分析方法[11]，电导率用DDS-11A型电导率仪测定，土壤盐分用残渣烘干质量法测定，生物质炭、WSS、HA、Hu和SOC采用重铬酸钾外加热法测定，FA含量为HE含量减去HA含量。

1.3.3 HS元素分析和化学结构的测定 元素分析采用元素分析仪（Vario MICRO，样品分解温度：900～1200℃）测定。土壤HS样品采用红外光谱（Fourier Transform Infrared，FTIR spectroscopy）测定。采用KBr压片法，将纯化后的样品经真空冷冻干燥后粉碎研细，在玛瑙研钵中以样品：KBr＝1︰200的比例混合研磨，压片备用。在傅里叶变换红外光谱仪（NICOLET is5，Thermo公司，美国）上测定，仪器分辨率为4 cm-1，扫描次数为16次/min，测试范围为4 000～400 cm-1[12]。

1.4 数据处理

数据使用Excel 2016进行处理，SPSS 22.0进行显著性差异分析。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[12]。

2 结 果

2.1 不同处理对土壤HS含量的影响

表1 为小麦季（wheat growing season，WGS）和玉米季（maize growing season，MGS）SOC和HS含量。小麦季施用生物质炭的T2、T3处理SOC含量为11.24、11.07 g·kg-1，均较T1处理（8.52 g·kg-1）显著增加，增幅为2.72、2.55 g·kg-1。T2处理WSS含量为0.24 g·kg-1，较T1增加0.03 g·kg-1，T3处理则较T1减少了0.04 g·kg-1。T2和T3处理HA含量为2.59、2.02 g·kg-1，分别较T1增加了1.06、0.49 g·kg-1。而FA含量分别为1.05、1.49 g·kg-1，分别较T1增加了0.04、0.48 g·kg-1。Hu含量分别为6.15 g·kg-1和6.39 g·kg-1，分别较T1增加了0.23、0.47 g·kg-1。

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

玉米季T2和T3处理同样显著增加了SOC含量，分别为13.06、12.40 g·kg-1，较T1（9.48 g·kg-1）增加了3.58 g·kg-1和2.92 g·kg-1。T2、T3处理WSS含量为0.28、0.21g·kg-1，与T1处理无显著差异；HA含量分别为2.12、1.99 g·kg-1，较T1分别增加了0.25、0.12 g·kg-1，较小麦季对应处理略有降低；FA含量分别为1.67、1.58 g·kg-1，较T1增加0.84、0.75 g·kg-1，较小麦季增加1.62、0.10 g·kg-1；Hu含量分别为6.69、6.74 g·kg-1，较T1增加0.81 g·kg-1和0.86 g·kg-1，较小麦季增加0.54 g·kg-1和0.35 g·kg-1。以上研究结果表明，施用生物质炭可通过提高土壤HA、FA和Hu的含量进而提高SOC含量；随着HS各组分之间相互转化，与施用生物质炭前期相比后期土壤HA有减小转化趋势，FA和Hu有增加趋势。

2.2 施用不同生物质炭土壤HS的元素组成

表2 是小麦季和玉米季各处理土壤Hu的元素组成结果。小麦季和玉米季施用生物质炭处理（T2和T3）土壤Hu的C元素相对含量均高于T0处理，且与T0处理相比，T2和T3处理的H/C和O/C均降低。与玉米季相比，小麦季T2处理H/C和O/C均降低了；而T3处理H/C和O/C均升高。以上研究结果表明，施用生物质炭后土壤Hu的C元素相对含量、缩合度增加，氧化度降低。随着时间延长，施用花生壳生物质炭土壤Hu的缩合度增加了，氧化度降低；而施用木材生物质炭随着时间延长土壤Hu的缩合度降低，氧化度增加。

表2 不同处理土壤胡敏素元素组成分析Table 2 Elemental composition of Hu in the soil relative to treatment

2.3 施用不同生物质炭土壤HS的红外光谱特征

图1 为小麦季和玉米季土壤HA、FA、Hu和生物质炭的红外光谱图，表3是小麦季和玉米季土壤HA、FA、Hu和生物质炭红外光谱主要吸收峰的相对强度。2 920 cm-1和2 850 cm-1处吸收峰是脂族结构中—CH2和—CH3的C-H伸缩振动、1 630 cm-1处吸收峰代表芳香碳的C=C伸缩振动或醌、酮和酰胺I带的C=O伸缩振动，1 415 cm-1处吸收峰代表苯酚类物质C-O伸缩振动或亚甲基和甲基的C-H变形振动[13-14]；1 100 cm-1处吸收峰代表多糖中C-O伸缩振动[15]。其中2 920/1 630值为（2 920 + 2 850）cm-1处峰面积和与1 630 cm-1处峰面积的比值，2 920/1 630比值常用来评价物质芳构化或结构复杂化程度[16]。

表3 土壤腐殖物质和生物质炭红外光谱的主要吸收峰相对强度（半定量）Table 3 Relative intensity of the main absorbance peak of soil HS and biochars（semi-quantity）in FTIR spectra/%

小麦季花生壳生物质炭和木材生物质炭处理的HA在（2 920 + 2 850）cm-1处吸收峰相对强度由常规施肥的1%分别降至0.78%和0.79%；FA由常规施肥的0.75%分别升至0.97%和1.13%；Hu由常规施肥的0.69%分别升至0.93%和1.12%。而在玉米季，花生壳生物质炭和木材生物质炭处理的HA、FA和Hu在（2 920 + 2 850）cm-1处吸收峰相对强度均较小麦季升高。说明施用生物质炭后土壤HS亚甲基和甲基相对含量随时间延长而增加，并且受到生物质炭材料影响。

本研究中花生壳生物质炭烧制温度高于木材生物质炭，表现出了芳香碳相对含量较高（图1和表3）。与小麦季相比，玉米季花生壳生物质炭处理土壤HA、FA在1 630 cm-1处吸收峰相对面积分别降低2.46%和5.77%，而Hu在1 630 cm-1处吸收峰相对面积增加0.33%；木材生物质炭处理HA、FA、Hu在1 630 cm-1处吸收峰相对面积分别降低7.39%、7.79%和8.18%。与花生壳生物质炭处理相比，木材生物质炭处理土壤Hu在1 630 cm-1处吸收峰相对面积降低6.04%。花生壳生物质炭处理土壤HA在1 415 cm-1处吸收峰相对面积降低13.05%，FA和Hu则增加了16.91%和5.07%。木材生物质炭处理土壤HA、FA和Hu在1 415 cm-1处吸收峰相对面积分别增加了7.14%、25.82%和17.30%。

以上研究表明，施用生物质炭随时间延长土壤HA和FA芳香性和苯酚类物质相对含量降低，Hu受所用生物质炭材料影响。

3 讨 论

3.1 生物质炭对盐化潮土HS组成的影响

施用生物质炭可有效增加土壤有机质的含量[17]。稻草生物质炭的施用会增加SOC的积累[18]。培养试验表明，向土壤中添加秸秆生物质炭和松枝生物质炭培养45 d，土壤SOC、HA和FA含量、有效养分含量均有不同程度的增加，同时HA的色调系数ΔlgK降低[4]。本研究表明，小麦玉米轮作条件下，田间施用花生壳生物质炭和木材生物质炭均可增加土壤SOC和HS的含量。施用生物质炭可通过提高土壤HA、FA和Hu的含量进而提高SOC含量；随着土壤HS各组分之间相互转化，与施用生物质炭前期相比后期土壤HA有减小转化趋势，FA和Hu有增加趋势（表1）。花生壳生物质炭较木材生物质炭含碳量高，结构组成上芳香族化合物相对较多，因此更稳定，也表现为固碳效果更好。生物质炭在烧制过程中随温度升高其结构趋于复杂，富含芳香碳[19]。将不同温度烧制成的生物质炭添加到土壤中可显著增加土壤Hu的含量，高温制备（＞400℃）的生物质炭显著降低了土壤HA及FA的色调系数（ΔlgK）和E4/E6值，使土壤HS的结构复杂化，而低温制备的则相反[20]。进入土壤中的秸秆或生物质炭主要增加了土壤Hu含量，但是生物质炭处理的土壤Hu含量增加的更多[21-22]。生物质炭、堆肥或秸秆可分别取代50.84%、41.03%和38.55%的原土壤有机碳[23]。可见，有机物料本身差异会影响其在土壤中的固碳效果以及土壤HS的形成转化。

3.2 生物质炭对盐化潮土HS化学结构的影响

相对于秸秆或堆肥，生物质炭可提高SOC中芳香碳的比例[23]。向土壤中添加玉米秸秆生物质炭，黑土HA的分子缩合度升高，氧化度下降，热稳定性提高，使HA分子结构复杂化，有利于SOC的稳定[9，24]。已有研究表明，生物质炭可以转化为土壤HS[25]。而不同材料制成的生物质炭本身存在化学结构差异。本研究表明，相对于木材生物质炭，本试验中所用花生壳炭芳香性物质相对含量较高，苯酚类物质相对含量较低，在玉米季花生壳生物质炭处理土壤HS芳香性物质相对含量略有增加而苯酚类物质增加量相对小于木材生物质炭处理。元素分析结果也表明，随着时间延长，施用花生壳生物质炭土壤Hu的缩合度增加，氧化度降低；而施用木材生物质炭随着时间延长土壤Hu的缩合度降低，氧化度增加（表2）。相对于花生壳炭，本试验中所用木材生物质炭亚甲基和甲基相对含量高于花生壳炭，因此土壤HS受木材生物质炭影响，与花生壳炭相比，在玉米季木材生物质炭处理的土壤HS亚甲基和甲基相对含量较高（图1和表3）。不同材料制备的生物质炭对土壤HS化学结构影响存在差异。生物质炭是一种含碳的聚合物，主要由单环和多环的芳香族化合物组成，这种结构特点决定了生物质炭具有较高的化学和生物学稳定性，较强的抵抗微生物分解的能力[26]。本研究也证实施用生物质炭后土壤HS芳香族化合物相对含量增加（图1和表3）。土壤Hu是HS的重要组分，在环境分析中具有重要作用[27]。生物质炭随烧制温度升高化学结构中C-C键长度减少表明脂族碳向芳香碳转化[28]。13C同位素示踪研究也表明，生物质炭进入土壤中主要存在于Hu组分，成为了土壤Hu的一部分[29]。生物质炭的化学结构影响了土壤Hu的化学结构组成特征。

4 结 论

施用不同来源生物质碳均有利于提高土壤HS含量，主要增加土壤Hu的含量进而提高土壤SOC含量。施用生物质炭后土壤Hu的缩合度增加，氧化度降低。花生壳生物质炭和木材生物质炭所含各官能团比例存在差异，随着时间延长，施用花生壳生物质炭土壤Hu的缩合度增加，氧化度降低，而施用木材生物质炭则相反。小麦玉米轮作条件下，土壤HS亚甲基和甲基相对含量逐渐增加。Hu化学结构相对更易受到制备生物质炭的材料所影响。