添加生物质炭对黄土高原旱作农田土壤养分、腐殖质及其组分的影响

潘占东，马倩倩，陈晓龙，蔡立群*，蔡雪梅，董博，武均，张仁陟

（1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃兰州 730070；3.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所甘肃省新型肥料创制工程实验室，甘肃兰州 730070）

近年来，水土流失、不合理的农业生产及土地利用方式导致部分耕地土壤质量降低［1］。当前，提升土壤质量、保持农业可持续发展是亟待解决的问题。长期探索发现，添加生物质炭是一种可能的、有效的土壤改良措施［2-4］。生物质炭是在无氧或低氧条件下，生物质经热解后产生的高度芳香化的含碳固体产品［4-5］。生物炭可以影响土壤理化性质、微生物活性、作物生长：生物质炭能够改变草甸黑土腐殖质组成，对土壤腐殖质具有调控作用［4-6］，可提高土壤碳、氮的组分及含量［7-9］；由于稳定的碳含量和较大的比表面积［10］，生物质炭能够改善土壤总有机碳（total organic carbon，TOC）含量和土壤腐殖质（humus，HS）组成［11］，促进良好土壤结构的形成［12-13］；调节土壤微生物活动，促进作物生长［14-15］。另外，生物质炭对土壤碳库的稳定［16］、减缓温室气体排放［17-19］起促进作用。生物质炭添加的时间和用量的改变也会影响土壤的养分状况［20-23］。

土壤有机碳是土壤质量的核心，根据密度分级法可分为轻组有机碳（light fraction organic carbon，LFOC）和重组有机碳（heavy fraction organic carbon，HFOC）；轻组有机碳是土壤活性有机碳库的重要表征之一［24］，重组有机碳也被称为土壤腐殖质。土壤腐殖质是土壤有机碳的重要组成部分，也是生物圈中有机碳的主要储藏库，对促进土壤结构形成、养分积累等方面起重要作用［25］，被认为是健康肥沃土壤最重要的构成部分［3］。不同结合形态反映了土壤有机无机复合体中腐殖质与黏土矿物结合的松紧程度不同，因此在肥力特性上也存在差异［26］。周桂玉等［27］通过培养实验发现，添加秸秆生物质炭45 d后能够提高东北草甸黑土土壤有效养分和有机碳含量，进而提高土壤肥力；张葛等［28］发现添加48 t·hm-2麦秸生物质炭1年后有利于东部沿海地区水稻（Oryza sativa）土土壤及其腐殖质组分有机碳的积累；马莉等［8］发现施用生物质炭能够显著提高新疆灰漠土土壤总有机碳，且随施用量的增大，提高作用越明显。

黄绵土是黄土高原最重要的土壤类型，土质疏松、土层深厚，主要分布在地形较为破碎的塬、梁、峁及川台等部位。该区域水土流失严重，土壤养分、质量下降。生物质炭在土壤改良方面得到了广泛应用，能提高作物产量和土壤生物活性水平［29］。然而，生物质炭是否可以通过改善土壤养分、腐殖质组成及含量来提高黄绵土理化性质尚不清楚。本研究依托甘肃农业大学旱作农业综合试验站长期定位试验，以黄绵土为研究对象，分析施用生物质炭4年对土壤结合态腐殖质及组分的影响，以期探究生物质炭对黄绵土腐殖质的作用，揭示其与土壤有机碳固持和土壤肥力之间的关系，为生物质炭在黄土高原黄绵土固碳、土壤改良和农业生产上的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验田设于甘肃农业大学旱作农业综合试验站，位于甘肃省定西市安定区李家堡镇。该区属于黄土高原丘陵沟壑区，为典型的雨养旱作农业区。平均海拔2000 m，年均日照时间2476.6 h，年均气温6.5℃，近几年年均降水量390.9 mm。土壤类型为黄绵土，土质绵软，土层深厚，质地均匀，储水性能良好。土壤p H为8.36，土壤平均容重为1.17 g·cm-3，凋萎含水率7.3%，饱和含水率21.9%，有机质含量12.01 g·kg-1，全氮0.76 g·kg-1，全磷1.77 g·kg-1，全钾14.40 g·kg-1，速效磷21.20 mg·kg-1，速效钾101.20 mg·kg-1。

1.2 试验设计与材料

试验为单因素随机区组设计，设CK、BC1、BC2、BC3、BC4、BC5共6个处理，分别表示不添加生物质炭、添加10、20、30、40、50 t·hm-2生物质炭（自然风干重量），每个处理3次重复，小区面积16.8 m2（2.8 m×6.0 m）。生物质炭于2015年3月小麦（Triticum aestivum）播种时1次性均匀撒入小区后旋耕于耕层土壤（20 cm左右）。各处理每年播种前施尿素228 kg·hm-2（纯N含量46%），过磷酸钙750 kg·hm-2（P2O5含量14%）。每年小麦播种前和收获后按照当地常规耕作方式翻耕（深约20 cm）。供试小麦品种为“定西40号”，每年3月播种，7月收获，播种量为187.5 kg·hm-2，行距为20 cm，播种深度7 cm。

试验生物质炭购自辽宁金和福农业科技股份有限公司，为玉米（Zea mays）秸秆在500℃缺氧条件下干馏制得，可将35%的生物质转化为生物质炭。生物质炭基本性质为pH为9.21，阳离子交换量（cation exchangeable capacity，CEC）为25.21 cmol·kg-1，比表面积为11.3 m2·g-1，可溶性有机碳含量为432.37 mg·kg-1，自然风干含水率5.07%，碳含量53.28%，氮含量1.04%，磷含量0.26%，钾含量0.51%，钙含量0.80%、镁含量0.47%，灰分含量35.64%。

1.3 土壤样品采集与分析

2019年8月，小麦收获后采集0～30 cm土壤样品，采用5点法将每个小区所采集土壤混合均匀，去除植物枯落物和碎石块等，采用四分法保留约1 kg左右；将采集土壤自然风干过2 mm筛后装袋供试。将上述土壤样品称取约500 g，过0.25 mm筛用于测定土壤总有机碳、理化指标、不同结合形态腐殖质及组分含量。

采用常规方法［30］测定土壤总有机碳（total organic carbon，TOC）、全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾含量。采用俄胜哲等［31］的方法进行土壤轻、重组分分离及不同结合形态腐殖质的提取。采用焦磷酸钠－氢氧化钠提取重铬酸钾氧化容量法［32］测定腐殖质（humus，HS）组分。

准确称取过2 mm筛的风干土6.000 g于100 mL离心管中，加入1.8 g·cm-3的碘化钠溶液30 mL，在200 r·min-1条件下振荡1 h，然后4500 r·min-1离心10 min，离心后将上清液倒入装有0.45μm滤膜的砂芯漏斗中抽滤，重复上述步骤两次；将滤膜上残留物质用蒸馏水洗入已称重的烧杯中，在60℃烘箱中烘干称重，此为轻组分。然后向离心管中加入20 mL 95%乙醇，2500 r·min-1离心5 min，弃去上清液，重复此步骤两次；再向离心管中加入20 mL蒸馏水，2500 r·min-1离心5 min，弃去上清液，重复此步骤两次，将离心管放入60℃烘箱中烘干称重，此为重组分。

将上述烘干重组分土样研磨过0.25 mm筛，准确称取5.000 g于100 mL离心管中，加入0.1 mol·L-1的氢氧化钠溶液50 mL，将其放入35℃恒温振荡培养箱培养12 h，然后在4500 r·min-1条件下离心10 min，重复上述步骤，直到提取液呈无色，将提取液转移至容量瓶中，此为松结合态腐殖质（loose combined humus，LCH）。然后向离心管剩余的土壤中加入0.1 mol·L-1氢氧化钠和1 mol·L-1焦磷酸钠的混合溶液50 mL，放入35℃恒温振荡培养箱中培养12 h，4500 r·min-1离心10 min，重复此步骤，直到提取液呈无色，此提取液为稳结合态腐殖质（stable combined humus，SCH）。再向离心管中加入20 mL 95%乙醇，2500 r·min-1离心5 min，重复此步骤两次，将离心管中土壤在60℃烘箱中烘干、研磨装袋，称取1.000 g测定有机碳含量，此为紧结合态腐殖质（tightly combined humus，TCH）。

采用焦磷酸钠-氢氧化钠提取重铬酸钾氧化容量法进行结合态腐殖质组分的提取，称取过0.25 mm筛的重组土壤样品5.000 g于250 mL三角瓶中，加入100 mL 0.1 mol·L-1氢氧化钠和0.1 mol·L-1焦磷酸钠的混合溶液，塞紧瓶塞，在25℃恒温振荡培养箱中振荡30 min后静止24 h，将溶液摇匀后过滤于容量瓶中，弃去残渣，此溶液用于测定胡敏酸（humic acid，HA）和富里酸（fulvic acid，FA）含量，胡敏素（humin，HM）采用差减法计算。HA、FA和HM含量测定均按照NY/T 1867-2010；NY/T 85中规定的方法进行［32］。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2016进行数据整理，采用SPSS 19.0软件进行统计分析，用Canoco 5.0软件进行冗余分析（redundancy analysis，RDA），采用SigmaPlot 12.5进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 添加生物质炭对土壤养分的影响

添加生物质炭4年后土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾含量的变化范围分别为14.99～18.72 g·kg-1、0.84～0.92 g·kg-1、0.78～0.83 g·kg-1、19.57～21.10 g·kg-1、8.73～12.60 mg·kg-1、151.73～182.00 mg·kg-1（图1）。

图1 添加生物质炭4年后对土壤养分的影响Fig.1 Effects of adding biochar on soil nutrients after 4 years

随生物质炭添加量增加，土壤有机质和全氮含量均呈增加趋势。BC2、BC3、BC4、BC5处理时有机质和全氮均显著高于CK和BC1；有机质在BC5处理时分别较CK和BC1增加24.87%和21.64%，与BC2、BC3、BC4无显著差异；全氮在BC2与BC5处理间差异显著，BC5处理时较CK增加9.94%，BC1处理时土壤有机质和全氮含量较CK无显著差异（P>0.05）。BC1～BC5处理时，土壤全磷和全钾含量均与CK无显著差异（P>0.05）。

速效磷在BC1处理时较CK增加18.12%，BC2和BC3处理较BC1显著下降，但BC2和BC3处理与CK差异均不显著；BC4处理时分别较CK、BC1、BC2、BC3下降18.12%、30.68%、21.96%、22.96%；之后上升，BC5与CK无显著差异，较BC2、BC3处理分别降低8.77%、9.93%。随生物质炭添加量的增加，速效钾含量先减后增，在BC1、BC2处理时分别较CK降低10.93%、7.60%，但二者间无显著差异；BC3、BC4与CK无显著差异，分别较BC2增加10.91%、11.40%；BC5处理时速效钾含量最高，分别较CK、BC3、BC4增加6.85%、4.26%、3.80%（P<0.05）。

2.2 添加生物质炭对土壤总有机碳（TOC）、轻组有机碳（LFOC）和重组有机碳（HFOC）的影响

添加生物质炭4年后土壤TOC、LFOC、HFOC含量的变化范围分别为8.70～10.86 g·kg-1、0.64～1.60 g·kg-1、7.93～9.21 g·kg-1（图2）。BC1处理时三者均较CK无显著差异。BC2、BC3、BC4、BC5处理时，TOC分别较CK增加20.06%、22.50%、24.21%、24.87%，LFOC分别增加105.58%、116.77%、138.84%、148.18%，HFOC分 别 增 加13.03%、14.34%、14.27%、14.68%，三者在4个处理间均无显著差异（P>0.05）。

图2 添加生物质炭4年后对土壤有机碳组分的影响Fig.2 Effects of biochar addition on soil organic carbon components after 4 years

土壤LFOC和HFOC含量与土壤总有机碳含量均呈极显著正相关关系（图3），二者对土壤总有机碳的决定系数分别为0.7255和0.8974。因此，LFOC和HFOC对土壤总有机碳的解释率分别为72.55%和89.74%，表明重组有机碳对土壤有总有机碳的影响贡献率更大。

图3 土壤轻、重组有机碳含量与土壤总有机碳含量的关系Fig.3 Relationship between the content of soil light and heavy fraction organic carbon and the total soil organic carbon content

2.3 添加生物质炭对紧结合态（TCH）、稳结合态（SCH）和松结合态（LCH）腐殖质的影响

添加生物质炭4年后不同结合形态腐殖质含量总体表现为：TCH>SCH>LCH（图4），其含量变化范围 分 别 为3.91～4.67 g·kg-1、1.98～2.81 g·kg-1、1.32～2.19 g·kg-1。随生物质炭添加量的增加，TCH呈增加趋势；TCH含量在BC1、BC2、BC3、BC4、BC5处理时分别较CK增加9.80%、7.98%、9.00%、16.09%、19.52%，BC4处理较BC2增加7.51%，BC5处理 分 别 较BC1、BC2、BC3增 加8.85%、10.69%、9.65%，其他各处理间均无显著差异。SCH含量在BC1、BC5处理时低于CK、BC2、BC3，分别较CK降低29.41%、18.04%，BC1、BC4、BC5处理间及BC2、BC3、BC4处理间均无显著差异。LCH含量随生物质炭添加量的增加呈升高趋势，BC2、BC3、BC4、BC5处理时分别较CK和BC1增加47.50%、60.00%、61.67%、65.83%和29.20%、40.15%、41.61%、45.26%，BC5较BC2显著增加12.43%，其他处理间差异不显著（P>0.05）。

图4 添加生物质炭4年后对不同结合形态腐殖质的影响Fig.4 Effects of biochar on humus with different forms after 4 years

以不同结合形态腐殖质为解释变量，以土壤养分作为响应变量做RDA分析，研究不同形态的腐殖质对土壤养分的贡献率（图5）。结合态腐殖质对土壤养分的解释率为53.2%，其中第1轴主要包括全氮、有机质、速效钾、速效磷，解释率为47.73%，第2轴包括TP、TK，解释率为4.28%。其中LCH对土壤养分的解释率为41.87%（P=0.002），而SCH与TCH对土壤养分的解释率为11.33%。说明土壤养分主要受LCH含量影响。

图5 结合态腐殖质与土壤养分的冗余分析Fig.5 Redundancy analysis of combined humus and soil nutr ients

2.4 添加生物质炭对结合态腐殖质组分的影响

BC1、BC2、BC3、BC4、BC5处理时，HA分 别 较CK下降20.97%、22.58%、37.10%、33.87%、37.10%，但处理间均无显著差异（图6）。BC1处理时FA较CK降低6.06%，BC4、BC5处理时FA分别较CK增加78.79%、133.33%，BC2、BC3处理较CK无显著差异。随着生物质炭添加量的增加，HM含量呈“先减后增再减”的变化趋势，仅BC3处理时HM含量较CK增加22.11%，其他处理与CK无显著差异（P>0.05）。

图6 添加生物质炭4年后对结合态腐殖质组分的影响Fig.6 Effect of biochar addition on the composition of combined humus after 4 years

2.5 土壤有机碳组分及结合态腐殖质组分与土壤总有机碳之间的相互作用

通过通径分析，将因变量与因子之间的相关系数分解为直接通径系数和间接通径系数（表1）。各因子直接通径系数大小排序为：x2（0.4490）>x1（0.3950）>x3（0.2390）>x6（0.0850）>x5（0.0590）>x8（0.0480）>x4（0.0380）>x7（0.0050）；结合与TOC（y）的相关性，SCH（x4）和HM（x8）与TOC含量无显著相关性，因此不能作为影响TOC含量的主要因子。TCH（x5）、HA（x6）和FA（x7）虽然与TOC（y）含量显著相关，但其直接通径系数较小，所以也不宜作为影响TOC含量的因子。LFOC（x1）、HFOC（x2）和LCH（x3）对TOC（y）含量的直接通径系数和相关系数均为正值，说明LFOC、HFOC和LCH含量越高，TOC含量越高。进一步进行逐步回归分析，土壤总有机碳与土壤碳组分和结合形态腐殖质组分的逐步回归方程为y=0.261+0.956x1+0.944x2+0.181x3（R2=0.998，F=469.794，P<0.01），由此可知，LFOC、HFOC、LCH变化是影响TOC变化的主要因素。

表1 土壤有机碳组分及结合态腐殖质组分对土壤总有机碳的通径分析Table 1 Path analysis of soil organic car bon components and combined humus components to soil total organic carbon

3 讨论

土壤养分是土壤肥力的重要指标之一，也是作物生长发育的物质基础［33］。土壤有机碳是土壤中最活跃的部分，约占陆地碳库的2/3［34］。本试验结果表明，添加生物质炭4年后（简写为“生物质炭”）能够改善土壤结构和养分状况。第一，土壤有机质和全氮的含量增加（图1），这与大量研究结果［9，35-39］相似。主要原因如下：生物质炭本身含有较高的碳和氮，且不易被矿化［17］；生物质炭可以促进土壤微生物将矿质态氮转化为有机氮［40-41］；生物质炭的吸附性导致土壤对氮素的固持作用增加［42］。第二，生物质炭添加量在20 t·hm-2（BC2）以上，LFOC增加的比例高于HFOC，但HFOC含量远高于LFOC，使得HFOC对腐殖质的贡献程度高于LFOC（图2），通过分析发现，LFOC、HFOC是影响TOC的主要因子，其对TOC的解释率分别为72.55%和89.74%（图3），该结果与大量研究结果［37，43-45］一致。第三，添加生物质炭对土壤全磷、全钾含量影响不显著（图1）。第四，BC1、BC2、BC3处理时速效磷含量高于或等于CK，仅40（BC4）和50 t·hm-2（BC5）处理时速效磷含量显著低于CK。这是由于随着生物质炭添加量的增加，吸持大量水分，使土壤氧化还原电位（Eh）降低［46］，较低的CEC降低了磷的活性［47-48］。第五，BC3、BC4、BC5处理时速效钾含量高于或等于CK，仅10（BC1）和20 t·hm-2（BC2）处理时速效钾含量显著低于CK。其原因是：生物质炭能够吸附土壤速效钾和活化矿质钾的有机酸，且高添加量的生物质炭可促进土壤中矿物质钾的活化［49-50］。

土壤腐殖质不同结合形态组成及含量的变化均能影响土壤肥力［51］。其中LCH结构简单，易被微生物分解利用，有利于植物养分的供应和改善土壤理化及生物学性质，其含量通常与土壤肥力呈正相关［52-53］；TCH稳定性比较强，累积腐殖质和贮蓄养分两方面能力很强，但其在土壤中供给植物所需养分的能力较差［23，53］；SCH在土壤中的转化速率较慢，腐殖化程度和分子量大，活性低。本试验结果表明，添加生物质炭土壤LCH含量增加幅度高于TCH含量，但SCH含量维持不变或下降（图4）。通过通径分析和RDA分析结果发现，LCH是影响土壤养分的主要因子（图5和表1），对TOC及土壤养分的提高具有促进作用；TCH含量的变化范围为3.91～4.67 g·kg-1，与土壤TOC含量之间显著相关，但其对TOC的直接影响较小，主要通过影响LFOC、HFOC和LCH含量间接影响TOC含量，这可能是由于TCH参与形成的土壤团聚体稳定性强，难以被分解［54］；SCH含量与TOC含量间无相关性（表1）。生物质炭也能改变腐殖质组分FA、HM和HA的含量，三者的积累和分解会进一步影响土壤肥力［55］。本研究中，FA在BC4、BC5处理时显著高于CK，其他处理时均持平；HM含量基本较CK持平，仅BC3处理时增加；HA含量显著低于CK（图6）。FA溶解能力强，其吸附性影响着土壤肥力和环境［47］，其含量越高，越利于土壤肥力的提升，这与生物质炭影响稻田土壤状况的结果一致。HA作为土壤中比较活跃的部分，稳定性较差、易转化为FA，这可能导致HA的降低、FA的增加［28，56］。HM活性低、比较稳定，这可能是导致生物质炭处理时HM含量基本持平的主要原因。通过分析发现，HA、FA、HM三者中除HM与TOC之间无相关性外，HA和FA分别与TOC显著负相关和显著正相关，HA和FA主要通过影响LFOC、HFOC和LCH含量间接影响TOC含量（表1），这说明添加生物质炭促使土壤中HA分解转化，有利于FA的积累（图6），FA的积累对提升土壤肥力具有积极作用，但HA分解转化不利于土壤有机碳的保存［27］。本研究中缺乏对微生物机制的深入探究，在今后的研究中需要进一步探究随着生物质炭添加量的增加，土壤腐殖质组分及构成变化与土壤微生物之间的关系。

4 结论

生物质炭添加量≥BC2（20 t·hm-2）处理时，土壤HFOC、LFOC、有机质和全氮含量较CK显著增加，对土壤全磷、全钾含量无显著影响，而高添加量显著增加速效钾含量但降低速效磷含量，低添加量显著增加速效磷含量但降低速效钾含量；添加生物质炭20 t·hm-2及以上时，土壤LCH含量随生物质炭添加量的增加而增加，生物质炭处理较CK显著增加47.50%～65.83%；添加生物质炭能够增加土壤FA含量，当添加量超过BC3（30 t·hm-2）时，土壤FA含量显著增加78.79%～133.33%；LFOC、HFOC、LCH是促进TOC增加的直接作用因素，其中LFOC和HFOC对土壤总有机碳的解释率分别达72.55%和89.74%。