棉秆炭对灰漠土活性有机碳氮的影响

潘金龙，唐光木，徐万里，马雪琴，张云舒，马海刚，贾宏涛

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】土壤活性有机碳、氮是土壤有机碳库和氮库重要组成部分[1-2]，虽然所占土壤有机碳库和氮库中的占比很小，但在土壤中具有极其不稳定(易被分解、矿化或植物吸收)的特质[3]，易被土壤微生物分解利用[4]，因而其变化会对土壤碳、氮的转化过程产生重大影响，其中土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮与土壤可溶性有机碳是土壤活性有机碳、氮库的常用指标[5-6]，可以直接参与土壤生物化学转化过程，是微生物活动的能源和土壤养分的驱动力[7-8]，增加土壤活性有机碳氮含量对土壤改良、土壤养分循环和作物生长具有重要作用。生物炭是农林废弃物或生物质缺氧条件下热裂解产生的一类稳定富碳产物[9]。其孔隙结构丰富，含碳率高，比表面积大，理化性质稳定[10]，被认为是改良土壤、减缓碳排放的优质材料[11]，在土壤改良[12]，土壤养分变化[13-14]，提高作物产量[15]，多孔隙特性以及携带的养分[16]等研究得到关注。【前人研究进展】生物炭自身特性(炭化材料、炭化温度和时间)对棉秆炭本身孔隙特性、碳氮养分、阳离子交换量、土壤类型和作物生长的差异[17-18]。孙涛等[19]研究表明，裂解温度的增加会导致生物炭的孔隙更发达，表面官能团减少等。姚红宇等[20]研究表明，随着炭化时间和炭化温度的增加和延长增加了生物炭氮养分，减少了磷钾养分。王月玲等[21]研究得出生物炭显著提高土壤微生物量碳含量。赵世翔等[22]研究得出，塿土添加生物炭可以增加土壤微生物量碳及有机碳的含量，且土壤微生物量碳随着添加比例的增加而增加，但随着热解温度的升高而降低。【本研究切入点】外源有机物添加影响土壤理化性质和活性碳氮组分，生物炭的结构特性和养分含量受炭化条件影响，不同的土壤类型对生物炭的响应也存在不同。需研究棉秆炭炭化条件对灰漠土土壤基本理化性质和活性有机碳氮的影响。【拟解决的关键问题】以不同炭化条件制备的棉秆炭为研究为对象，采用室内恒温培养法，定量添加棉秆炭，分析棉秆炭炭化条件对灰漠土土壤基本理化性质、活性有机碳氮的影响，研究棉秆炭炭化条件对土壤基本理化性质、活性有机碳氮的影响作用，为西北干旱区棉花秸秆炭化还田及棉秆炭的应用推广和土壤改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试棉花秸秆取自新疆农业科学院安宁渠试验基地，将收集的棉花秸秆，按照姚红宇[20]提供方法，制备棉花秸秆生物炭(简称棉秆炭)。制备的棉秆炭自然风干1 d后，在105℃的烘箱中烘干8 h，研磨棉秆炭，过2 mm筛然后取部分测定棉秆炭基本理化性质。表1

表1 棉秆炭的基本性质

供试土壤采自国家灰漠土肥力长期监测试验站(N43°95′26″，E87°46′45″)，试验站位于新疆乌鲁木齐市新疆农业科学院综合试验场。样品采集后，带回实验室，剔除土壤中可见的植物残体，自然风干后研磨过2 mm筛，混合均匀，按照网格法，取1份样品测定土壤基本化学性质，剩余土壤样品用于室内培养试验，土壤基本理化性质为pH值8.85，电导率0.22 ms/cm，有机碳6.91 g/kg，碱解氮48.84 mg/kg，全氮0.47 g/kg，CEC3.84 cmol(+)/kg。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

设炭化温度和炭化时间2因素，炭化温度设450、600℃，分别记为T4、T6。炭化时间设0.5、1、2和4 h，分别记为H0、H1、H2、H4。棉秆炭添加量设为土壤重量的1.5%(占土壤干重的比例)；以空白土壤(CK)为对照。共设9个处理，每个处理7次重复，共63盆。棉秆炭按照设计用量与供试土壤混合均匀，每个容器装风干土300 g，将土壤含水量调至到田间持水量的60%～80%，放入25℃的培养箱进行培养，每3 d称重补水，以保持土壤含水量一致。

1.2.2 样品采集与测定

试验在培养的第1、2、4、8、16、32、64 d，采集土壤样品，一部分土壤样品密封保存于4℃冰箱中，用于测定土壤水溶性有机碳、微生物量碳氮，一部分土壤样品风干，研磨过筛用于测定土壤基本理化性质。

微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸法测定，土壤总有机碳采用重铬酸钾外加热法测定，可溶性有机碳采用K2SO4溶液浸提、TOC-Analyzer分析仪测定，土壤基本理化性质采用常规方法测定。

1.3 数据处理

所有的表和图都在Excel 2003和Origin8.0软件中完成，图中的数据均用平均值表示，采用SPSS17. 0 分析显著性，显著性水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 棉秆炭对土壤性质的影响

研究表明，添加棉秆炭处理土壤pH值较CK处理提高了1.81%～3.05%，T4处理土壤pH提高1.81%～2.27%，T6处理pH提高2.52%～3.05%，炭化时间一致，炭化温度越高，土壤pH值越高。添加棉秆炭土壤pH值与棉秆炭本身pH值高低变化一致，T4处理炭化时间从H1～H4，T6处理炭化时间从H0～H2，土壤pH呈现增加趋势，较CK处理增加1.81%～3.05%，T6处理炭化时间从H0～H2，土壤pH呈现与棉秆炭本身pH值相同的增加趋势。在培养时间内，土壤pH值变化总体呈先增加后降低的趋势(除CK处理外)；培养第1～2 d，添加棉秆炭土壤pH值快速提高，相比培养开始前，土壤pH值提高了3.82%～6.37%，培养第2 d到第64 d，土壤pH值呈现波动性变化，基本维持在8.62～8.88。CK处理土壤pH从第2 d到第32 d呈先下降后上升趋势。图1

图1 不同棉秆炭处理下土壤pH变化

添加棉秆炭处理土壤电导率较CK处理，提高了25.62%～39.61%，T4处理从H1至H4，T6处理从H0至H2土壤电导率一直下降，T4H4较T4H1处理土壤电导率减少4.83%，T6H2较T6H0处理土壤电导率减少10.03%。T6H1、T4H2、T6H2与CK处理土壤电导率变化趋势一致，T6H0、T6H4、T4H0和T4H4则与CK处理的波动变化相反。CK处理培养第64 d，土壤电导率较培养第1 d降低了3.53%，T4H2和T6H1处理表现出与CK一致的变化趋势，其它处理土壤电导率呈现增加趋势，增加了2.78%～30.64%。T6H1与CK处理培养第16 d，电导率达到最大值后开始下降，T4H2、T6H0、T6H2处理培养第32 d之后开始减少，T4H1、T4H4、T6H0和T6H4处理则培养第16 d后呈现增加趋势。图2

图2 不同棉秆炭处理下土壤电导率变化

添加棉秆炭处理土壤CEC在7.9～10.01，对照CK处理土壤CEC在8.86～10.02，降低了土壤CEC活动范围。相比对照CK处理，T4处理土壤CEC降低0.66%～2.48%，T6处理降低3.74%～5.16%，即炭化温度越高，添加棉秆炭土壤CEC降低越多；T4处理从H0至H4，T6处理从H0至H1土壤CEC呈下降趋势，T6H1处理较T4H0处理减少13.22%。在培养时间内，不同棉秆炭处理间土壤CEC变化存在差异，除CK和T4H0处理土壤CEC变化总体趋势是先降低再增加然后再降低外，其它处理均为先降低再增加趋势；对照CK和T4H0处理土壤CEC第1个拐点分别在第8 d和第16 d，第2个拐点均在第32 d，其它(除CK和T4H0处理外)处理土壤CEC拐点是第16 d，其他添加棉秆炭(除T4H0、T4H1和T6H1)处理土壤CEC变化较CK处理在第1 d至第16 d经历了上升下降2次增减的起伏性变化，施炭处理土壤CEC在第16 d(拐点)较CK处理降低4.06%～11.43%，第16 d至第64 d所有添加棉秆炭处理均呈上升趋势，相比第16 d增加5.97%～17.80%。图3

图3 不同棉秆炭处理下土壤CEC变化

2.2 棉秆炭对土壤有机碳的影响

研究表明，添加棉秆炭处理相比CK处理显著提高土壤有机碳含量119.40%～153.74%，T4处理有机碳含量提高了151.28%～153.74%，T6处理提高了119.40%～126.57%。T4H2和T6H0处理培养第1～4 d，其他处理培养1～2 d，土壤有机碳含量快速下降，相比培养第1 d，培养第2 d和第4 d，土壤有机碳分别下降了6.24%～15.48%和7.31%～16.79%；T4H1和T6H2处理培养第2～4 d、T4H0处理培养第2～16 d以及其他处理培养第2～8 d土壤有机碳呈现增加趋势，相比培养第2 d，分别增加了20.01%和15.59%、10.18%和6.77%～21.00%，相比培养第4 d，T4H2和T6H0处理培养第8 d有机碳含量提高了9.02%和9.41%；T4H4、T6H0和T6H1处理培养第8～16 d土壤有机碳呈下降趋势，第16 d后开始增加；T4H2和T6H4处理培养第8～32 d下降，而后开始上升；T4H1处理培养第4～32 d、T6H2处理培养第4～16 d下降然后开始上升。图4

图4 不同棉秆炭处理下土壤有机碳变化

2.3 棉秆炭对土壤微生物量碳氮的影响

研究表明，添加棉秆炭土壤微生物量碳含量变化范围在14.37～504.02 mg/kg，相比CK处理降低了土壤微生物量碳含量27.89%～49.50%。添加棉秆炭处理间，相比CK处理，T4(除H0处理外)处理土壤微生物量碳含量降低了40.21%～49.50%，T6(除H0处理外)处理土壤微生物量碳含量降低了27.89%～36.81%，炭化时间一致，炭化温度越高，土壤微生物量碳含量越低。培养时间内，土壤微生物量碳变化总体呈先增加后减少的趋势，CK处理增加再减少的拐点在第16 d，T4H1、T4H4、T4H0和CK处理拐点在培养第4 d ，T4H2和T6处理土壤微生物量碳拐点在第8 d，培养第32 d后开始趋于稳定(T4H0处理除外)；培养第1～4 d，土壤微生物量碳呈现快速增加的趋势，培养第4 d相比培养第1 d，土壤微生物量碳增加了19.03%～917.61%。图5

图5 不同棉秆炭处理下土壤微生物量碳变化

T4H0、T4H4、T6H0、T6H2和T6H4处理土壤微生物量氮较CK处理含量增加了5.21%～95.49%，T4H1、T4H2和T6H1处理土壤微生物量氮较CK处理降低了19.51%～43.67%。T4处理(H4处理除外)土壤微生物量氮均高于T6处理。培养时间内，CK处理土壤微生物量氮变化呈先增加至第8 d达到最大值然后再降低的趋势，T4H0和T6H0处理在培养时间第1～4 d，微生物量氮快速下降，相比培养第1 d，分别降低了96.44%和96.45%，T4H0处理培养第4～16 d、T6H0处理培养第4～32 d，土壤微生物量氮呈现增加趋势，之后开始下降；T4H1、T4H4、T6H2和T6H4处理在培养的第4～8 d达到最大值后，开始下降，相比开始培养的第1 d，在培养的第4～8 d分别提高了138.7%、352.34%、352.88%和66.42%；T4H2和T6H1处理则在培养的第1～32 d达到最大值后，开始下降，相比开始培养的第1 d，培养第32 d则分别提高了300.98%和171.30%。图6

图6 不同棉秆炭处理下土壤微生物量氮变化

2.4 棉秆炭对可溶性有机碳的影响

研究表明，可溶性有机碳含量不同处理间表现各异，相比CK处理，T4H1、T6H0、T6H1、T6H4处理土壤可溶性有机碳含量增加了5.22%、18.36%、3.49%、8.27%，其他棉秆炭添加处理减少了3.66%～11.74%；T4处理土壤可溶性有机碳含量较CK处理减少了10.80%～11.74%(T4H1除外)，T6处理土壤可溶性有机碳含量增加了3.49%～18.36%(T6H2除外)。不同棉秆炭添加处理间，棉秆炭炭化温度越高，土壤可溶性有机碳含量越高(除T6H1处理土壤可溶性有机碳含量低于T4H1外)。T4H2、T6H1、T6H2和T6H4处理土壤培养第1～2 d呈现增加趋势，之后开始下降至培养第16 d，达到最小值后又呈现小幅增加趋势，培养第2 d相比培养第1 d，水溶性有机碳分别提高了38.79%、6.37%、23.41%和3.02%，培养第16 d相比第1 d，分别降低了94.53%、85.37%、71.07%和86.78%；T4H0、T4H1、T4H4和T6H0处理土壤可溶性有机碳含量则在培养的第1 d到第4 d、第8 d、第16 d和第8 d呈现降低的趋势，相比培养第1 d，水溶性有机碳分别降低了51.46%、59.67%、95.59%和70.13%，之后开始呈现小幅增加趋势。图7

图7 不同棉秆炭处理下土壤可溶性有机碳变化

3 讨 论

3.1 棉秆炭对土壤性质的影响

袁金华等[23]的研究表明，在黄棕壤施用稻壳炭土壤pH值会增加，培养期内黄棕壤pH值呈下降趋势。唐光木等[24]研究表明，灰漠土添加棉秆炭提高土壤pH值，随着培养时间的变长，会降低土壤pH值，与研究结果部分相一致，即灰漠土添加棉秆炭提高土壤pH值，随着培养时间至第16 d后，土壤pH值呈缓慢降低趋势，而前期灰漠土土壤pH值变化较稳定，可能是培养前期棉秆炭吸附铵态氮减缓了硝化反应，使土壤pH值在前期(第16 d之前)变化较稳定[23]。棉秆炭本身具有较高的pH值[25]，炭化时间一致，炭化温度越高，土壤pH值越高，土壤pH值与棉秆炭炭化温度有一定的关系，与张红美等[26]炭化温度越高，土壤pH值越大相一致,与秦蓓等[27]的研究结果棉秆炭pH值随炭化温度升高而增加相符。添加棉秆炭土壤pH值与棉秆炭本身pH值变化一致，炭化条件影响棉秆炭pH，进而影响了土壤pH，高温T6处理中H0～H4处理土壤pH值变化与棉秆炭T6处理变化一致，炭化温度高时(600℃)对添加棉秆炭的土壤pH影响具有一定规律性，可能与棉秆炭的孔隙特征影响硝化反应引起的。

离子交换量(CEC)是土壤保肥能力的重要指标之一，土壤质地和生物炭类型都对土壤的CEC有影响。唐光木等[24]研究发现添加棉秆炭能够提高灰漠土CEC值，而研究中添加棉秆炭降低了灰漠土土壤CEC值，这可能是因为微生物前期的剧烈活动导致的CEC初期(1～8 d)的频繁变化有关。姚红宇等[20]的研究表明，随着炭化温度的升高，棉秆炭CEC值越低，研究中添加棉秆炭处理间，土壤CEC值随着炭化温度升高而降低，土壤本身CEC的含量变化与添加灰漠土土壤的棉秆炭本身CEC含量有关。张进红等[28]研究发现炭化条件不同生物炭潜在阳离子交换量和有效阳离子交换量之间存在差异，而研究中棉秆炭CEC值与添加棉秆炭土壤CEC值含量并不完全一致，这可能是与炭化条件不同导致的棉秆炭潜在阳离子交换量和有效阳离子交换量之间的差异有关。

3.2 棉秆炭对土壤有机碳的影响

棉秆炭富含有机碳，其含碳量高达47.46%，添加土壤能够调节土壤性质、改善结构、提高稳定性。唐光木等[24]的研究表明，添加棉秆炭灰漠土有机碳提高了29.24%～153.17%，赵世翔等[22]研究表明添加生物炭显著提高土壤有机碳含量，与研究中添加棉秆炭提高土壤有机碳含量119.40%～153.74%相一致。棉秆炭T4处理土壤有机碳含量较T6处理高，这说明炭化时间一致时，棉秆炭炭化温度越低，添加棉秆炭土壤有机碳越高，与赵世翔等[22]的研究结果炭化温度越低土壤有机碳越高的变化相一致，与秦蓓等[27]的研究结果棉秆炭有机碳含量随炭化温度升高而降低相符。孙涛等[19]的研究表明，随着炭化温度升高孔隙数量增多,研究中T4H0与CK处理土壤有机碳含量波动性变化趋势一致，这可能因为低温和炭化时间短导致生物炭的孔隙较少。从T6H0、T6H1到T6H2处理土壤有机碳含量与棉秆炭有机碳含量变化相一致，在炭化温度高时(600℃)，炭化时间影响了棉秆炭有机碳含量进而影响了添加棉秆炭土壤有机碳含量。

3.3 棉秆炭对活性有机碳氮的影响

Laird等[29]研究指出，在培养初期，生物炭可能释放出各种有机分子，影响微生物活性，这与研究中前期添加棉秆炭土壤微生物量碳含量显著提高相符，在培养第8 d后添加棉秆炭土壤微生物量碳含量缓慢降低趋于稳定，可能与前期棉秆炭本身养分的消耗有关，与赵世翔等[26]的结果相似。赵世翔等[22]研究发现，随着苹果生物炭热解温度的升高，土垫旱耕人为土土壤微生物量碳含量下降，这与研究的研究结果一致，添加苹果生物炭增加了土垫旱耕人为土土壤微生物量碳含量，且变化较稳定，而研究中棉秆炭的添加减少了灰漠土土壤微生物量碳含量，变化波动较大，这可能是与供试土壤类型和生物炭原材料的差异有关。

刘若琪等[30]研究得出生物炭提高土壤微生物量氮，研究中炭化时间较短或较长(0.5 h、4 h)增加土壤微生物量氮含量，炭化时间1 h减少了土壤微生物量氮含量，这可能与炭化时间过长与过短改变棉秆炭孔隙以及养分变化有关[19-27]。T4处理(除H4处理)土壤微生物量氮高于T6处理，这说明炭化时间一致，炭化温度越高添加棉秆炭土壤微生物量氮含量越低，可能是炭化温度较高导致棉秆炭养分损失较大而不能较好地供给土壤养分造成的。生物炭携带的养分[20]以及多孔特性[19]有利于微生物活动，与研究中T6H0和T4H0处理土壤微生物量氮含量在培养第1 d增长非常相符，培养过程中活动峰值大小为T6H0>T4H0>CK，可能与炭化温度高增加了棉秆炭孔隙数量从而加大微生物的活动。

土壤可溶性有机碳变化也反映出炭化温度对棉秆炭稳定性影响，棉秆炭的添加提高土壤可溶性有机碳含量[31]。T4H1、T6H0、T6H1和T6H4处理增加土壤可溶性有机碳含量，其他添加棉秆炭处理均减少土壤可溶性有机碳含量，可能与棉秆炭碳氮养分的摄入有关[20]，炭化时间1h对土壤可溶性有机碳的影响较好。T4处理减少了土壤可溶性有机碳含量，T6处理增加了土壤可溶性有机碳含量，棉秆炭炭化时间一致，炭化温度越高，土壤可溶性有机碳含量越高，与赵世翔等[22]的研究结果高温制备生物炭对土壤可溶性有机碳含量越低相一致。施炭土壤可溶性有机碳含量前期(第1 d～第16 d)变化剧烈，后期(第32 d后)变化平稳，前期变化可能与棉秆炭孔隙及养分带入有关，后期变化可能是前期养分的大量消耗导致。

4 结 论

4.1添加棉秆炭提高了土壤pH值、电导率和有机碳含量，相比CK处理分别提高了1.48%～2.65%、25.62%～39.61%和54.99～213.09%；H0、H4和T6H2处理土壤微生物量氮较CK含量增加了5.21%～95.49%，添加棉秆炭降低了土壤微生物量碳和CEC(T4H0除外)27.89～49.50%和0.08%～5.12%，T4H1、T6H1、T6H4处理提高土壤可溶性有机碳含量，其他处理降低了土壤可溶性有机碳含量。

4.2随着炭化温度和炭化时间的增长，添加棉秆炭土壤pH值增加。炭化时间一致，炭化温度升高，降低土壤CEC、有机碳含量，提高土壤微生物量氮、可溶性有机碳含量，炭化处理间炭化时间过短或长(0.5、4 h)提高土壤微生物量碳。炭化温度高时(600℃)，炭化时间影响土壤pH值和有机碳含量。炭化时间和炭化温度对添加土壤pH值、电导、CEC值、有机碳、微生物量碳、氮和可溶性有机碳波动性变化存在差异。

4.3低温短时间(450℃，1 h)制备的棉秆炭对灰漠土理化性质和活性有机碳氮变化影响较好，是较适宜的炭化处理。