生物炭与秸秆配施对设施土壤有机碳矿化及理化性质的影响

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2022-02-15 09:28 热度：

　　摘 要：【目的】研究不同温度制备生物炭与秸秆配施对设施菜地土壤有机碳矿化特征及土壤理化性质的影响。【方法】以北京郊区设施菜地土壤为研究对象，进行室内矿 化 培 养 试 验。 【结 果】生物炭与秸秆配施显著提高土壤有机碳矿化速率和累积矿化量，而单施生物炭对两者影响较小。添 加300 ℃生物炭处理的土壤有机碳累积矿化量比添加600 ℃生物炭的处理高2.6%～17.6%，土壤有机碳累积矿化量随着秸秆添加量的增加而增大。生物炭的添加降低土壤有机碳的相对矿化潜力，额外添加等量秸秆也未能完全抵消生物炭对土壤有机碳相对矿化潜力的抑制作用。单施生物炭和生物炭与秸秆配施均显著提高土壤 pH 值 和 电 导 率。与单施生物炭相比，生 物 炭与秸秆配施对土壤有机质、碱解氮、有效磷含量的提升效果更为显著。【结论】施用生物炭对提高设施土壤有机质含量和碳库稳定性、促进固碳减排具有重要意 义。而生物炭与秸秆配施不仅能够发挥生物炭的固碳功能，也能够提供更多的有效养分，更有利于改善设施土壤质量和促进土壤养分平衡。

　　关键词：生物炭;秸秆;有机碳矿化;有效养分;设施土壤

　　中国是秸秆产量大国，2015年全国农作物秸秆产量已 达 10.4 亿t，其 中 用 于 秸 秆 还 田 达 3.89 亿t[1]。作为秸秆资源化利用的重要途径，秸秆还田能够有效提高土壤有机质含量，改良土壤结构和微生态环境，提高土壤肥力水平[2]。生物炭是秸秆等 生物质在绝氧或缺氧条件下，经高温热解产生的具有很高生物化学稳定性的高度芳香化物质，具有丰富的孔隙 结 构 和 巨 大 的 比 表 面 积，富 含 稳 定 的 碳 元素，在改善土 壤 理 化 性 质、农田土壤固碳和温室气体减排、增 加 “农 业 碳 汇”方 面 具 有 良 好 的 应 用 前景[3-4]。目前关于秸秆和生物炭还田在农 田 土 壤 固碳及土壤性质改良方面已有大量研究[5-6]，但对于两者联合施用的研究相对较少。李有兵等[7]和王宏燕等[8]分别在旱耕人为土和黑土上开展单施秸秆或生物炭以及两者配施对土壤有机碳矿化影响的研究，结果显示施用生物炭能使土壤有机碳矿化量维持在较低的水 平，有利于土壤有机碳固持，但 对 土 壤养分的 补 充 作 用 较 小;秸 秆 能 够 较 好 补 充 土 壤 养分，但施入后土壤二氧化碳释放量显著提升，两 者配施可以在保证养分供应的同时增加土壤碳库储量，提升土壤肥力的效果更好。

　　然而，在已开展的类似研究中，对生物炭本身性质上的差异考虑较少。已有研究显示，生物炭的性质受热解温度影响很大，同一原料在不同温度下制备的生物炭在孔隙结构、pH 值、元素含量和碳稳定性等方面存在差异[9-10]。这种差异对于生物炭和秸秆配施效果有何影响仍需进一步开展研究。该研究以设施菜地土壤为研究对象，以玉米秸秆在不同温度下制备的生物炭为材料，配施以不同量的玉米秸秆，通过室内培养试验，分析生物炭热解温度和秸秆配施量对设施土壤有机碳矿化特征和土壤理化性质的影响。研究结果对于生物炭和秸秆在设施菜地土壤改良及固碳中的合理应用具有一定意义。

　　1 材料与方法

　　1.1 土壤样品采集

　　供试土壤 样 品 采 集 自 北 京 市 昌 平 区 金 六 环 农业园蔬菜日 光 温 室，土 壤 类 型 为 潮 土。温 室 面 积8m×50 m，主要种植作物为生菜。在 温 室 内 以“S” 形布置7个采样点，用不锈钢土钻在各采样点采集等量土壤样品混合，采样深度0～15cm。采集的土壤样品在实验室内自然风干，剔除石块和植物根系后过2mm 筛备用。供试土壤质地为壤土，砂粒、粉粒、黏粒含量分 别 为44.3%、43.8%和11.9%;土 壤pH7.58，电导率202μS/cm，有机质29.3g/kg，碱解氮82.4mg/kg，有效磷21.1mg/kg。

　　1.2 生物炭制备

　　玉米秸秆2019年10月4日采集自北京农学院大学科技园农场。以玉米秸秆为制备原料，将清洗后的秸秆粉碎至1cm，于烘箱内80 ℃烘干，烘干后的秸秆装入带盖瓷坩埚中以铝箔纸密封，置于马弗炉内在 缺 氧 条 件 下 采 用 慢 速 热 解 法 制 备 生 物 炭。设置300 ℃和600 ℃两种热解温度，马弗炉升温速率10 ℃/min，升温至预设温度后保持1h。制备完成的生物炭在真空干燥箱中冷却至室温，秸秆和不同热解温度下制备的生物炭经研磨后过1mm 筛备用。秸秆和生物炭的理化性质如表1所示。

　　1.3 土壤有机碳矿化培养试验

　　1.3.1 试验 处 理 通过室内恒温培养法进行添加生物炭和 秸 秆 的 土 壤 有 机 碳 矿 化 试 验。供 试 土 壤中按照40g/kg的添加量分别添加300℃和600℃ 制备的生物炭(B300和 B600)，并在此基础上设置3种秸秆添加量即0、20g/kg(S1)和40g/kg(S2)，共有6个 处 理 即 B300、B600、B300+S1、B600+S1、B300+S2、B600+S2，并以不添加生物炭和秸秆 的土壤作为对照(CK)，每组3次重复。

　　1.3.2 土壤有机碳矿化培养试验 称取40g风干土壤样品于250mL 培养瓶中，加入去离子水使 土壤含水量保持在田间持水量的40%，在恒温培养箱中25℃预培养7d后，按“1.3.1”中设置的添加量分别添加生物炭和秸秆于土壤中混合均匀，并调节含水量至田 间 持 水 量 的 60%。每个培养瓶中放 置 1个盛有10mL0.5mol/LNaOH 溶液的离心管，将培养瓶密封后在25℃下恒温避光培养，定期通过称重法校正土壤含水量。分别在第2天、第4天、第7天、第14天、第21天、第28天、第35天、第42天、第49天、第56天、第63天 和 第70 天 取 出 NaOH溶液，用0.5mol/L的 HCl滴定，计算有机碳矿化速率和有机碳累积矿化量。

　　1.4 测定方法

　　土壤、秸秆和 生 物 炭 的 pH 值 采 用 PHS-3C 型pH 计测定(土水比1∶2.5;秸秆/生物炭-水比1∶15);电导率使用 DDS-307型电导率仪测定(土水比1∶5;秸秆/生物炭-水比1∶15);有机质含量采用重铬酸钾外加热法 测 定;碱解氮采用碱解扩散法测定;有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定[11]。

　　1.5 数据分析

　　土壤有机碳累积矿化量的时间动态变化使用一级动力学方程进行拟合[12]：Ct= Cp (1-e-kt) (1)式中：Ct为t 时刻土壤有机碳累积矿化量，g/kg;Cp为土壤有机碳潜在可矿化量，g/kg;k 为土壤有机碳矿化速率常数，d-1;t为培养时间，d。试验数据采 用IBM SPSSStatistics21软 件 进行统 计 分 析。采 用 单 因 素 方 差 分 析 法 (One-wayANOVA)分析不同处理间土壤理化性质的差异，多重比较采用 Duncan法，显著性水平P<0.05。采用双因素方 差 分 析 法(Two-wayANOVA)分 析 生 物炭热解温度、秸秆添加量及其交互作用对有机碳累积矿化量和土壤理化性质的影响。采用 Pearson相关系数分析各参数间的相关性。

　　2 结果与分析

　　2.1 土壤有机碳矿化速率

　　添加生物炭和秸秆各处理土壤有机碳矿化速率如图1所示。培养1～14d，各处理土壤有机碳矿化速率迅速下降;从第15 天开始，有机碳矿化速率缓慢下降至趋于稳定。与矿化培养初期(第2天)相比，第14 天和第70 天各处理有机碳矿化速率分别下降了63.0%～80.1%和92.1%～96.1%。矿化培养期间，土壤有机碳矿化速率随培养时间的变化符合对数方程y=a+bln(t)，各 处 理 方 程 拟 合 的 决定系数R2均在0.9以上(表2)。

　　不同处理 间 土 壤 有 机 碳 矿 化 速 率 存 在 显 著 差异(P<0.05)。生物炭和秸秆配施处理的土壤有机碳矿化速率均高于对照，且随着秸秆添加量的增加而升高。在矿化培养初期，生物炭配施2%和4%秸秆的土壤有机碳矿化速率分别是对照的2.9倍和3.1～3.4倍;而 只 添 加 生 物 炭 的 处 理，土 壤 有 机 碳 矿化速率与对照无明显差异(除第2天)。生物炭制备温度对 有 机 碳 矿 化 存 在 影 响，在 不 同 秸 秆 配 施 量下，添加300 ℃生物炭的处理其土壤有机碳矿化速率均高于添加600 ℃生物炭的处理。

　　2.2 土壤有机碳累积矿化量

　　添加生物炭和秸秆各处理土壤有机碳累积矿化量如图2所示。只添加生物炭的土壤有机碳累积矿化量与对照差异不大，B300和 B600处理矿化培养第70天的土壤有机碳累积矿化量分别比对照高23.7%和5.2%。生物炭和秸秆配施则显著提高土壤有机 碳 累 积 矿 化 量，其 效 果 与 秸 秆 添 加 量 成 正比。矿化培养70d后，生物炭配施2%和4%秸 秆处理的土壤有机碳累积矿化量分别是对照的2.0～2.3倍和3.0倍，其中 B300+S2处理有机碳累积矿化量最高，为3876.0mg/kg。添加300℃生物炭的处理，其土壤有机碳累积矿化量均高于添加600 ℃ 生物炭的处理，矿化 培 养70d后，不 同 秸 秆 配 施 量下300 ℃生物炭处理土壤有机碳累积矿化量比600 ℃生物炭处理 高2.6%～17.6%。生 物 炭 制 备 温 度和秸秆添加量均对土壤有机碳累积矿化量有极显著影响(P<0.001)，但两者的交互作用对有机碳累积矿化量影响不显著(P=0.088)(表3)。

　　各处理土壤有机碳潜在可矿化量和矿化速率常数用一级动力学方程进行拟合，结果如表4所示。在不同秸秆配施量下，添加300 ℃生物炭处理的土壤有机碳潜在可矿化量均高于添加600℃生物炭的处理;土壤有机碳潜在可矿化量随秸秆添加量的增加而增大，而在对照中最小(1321.5mg/kg)。添加生物 炭 和 秸 秆 各 处 理 的 矿 化 速 率 常 数 (0.046～0.055d-1)均大于对照(0.043d-1)。该研究中，矿化培养前总有机碳由供试土壤和所添加有机物料的有机碳含 量 计 算 得 出。添 加 生 物 炭 和 秸 秆 各 处 理中，土 壤 有 机 碳 潜 在 可 矿 化 量 与 矿 化 培 养 前 总 有机碳 的 比 值 在0.033～0.074之 间，均 低 于 对 照(0.078)，其中添加300 ℃生物炭处理中土壤有机碳潜在可矿化量与矿化培养前总有机碳的比值均高于添加600 ℃生物炭的处理，且随着秸秆添加量的增加而增大。

　　2.3 土壤pH 和电导率

　　矿化培养70d后，各处理土壤pH 值和电导率如表5所示。添加生物炭和秸秆各处理的土壤pH值和电导率均显著高于对照(P<0.05)。不同秸秆配施量下，添加600 ℃生物炭处理的土壤pH 值和电导率均显著高于添加300℃生物炭的处理。随着秸秆添加量的增加，土壤电导率亦显著升高。生物炭热解温度、秸秆添加量及其交互作用对矿化培养后的土壤 pH 值和电导率均有极显著影响 (P <0.001)。

　　2.4 土壤有机质、碱解氮和有效磷含量

　　矿化培养70d后，各处理土壤有机质、碱解 氮和有效磷含量如表5所示。添加生物炭和秸秆各处理中，土壤有 机 质、碱解氮和有效磷含量均显著高于对照(P<0.05)，且随着秸秆配施量的增加而升高。不同热解温度下制备的生物炭对土壤有机质、碱解氮和有效磷含量的影响存在差异，在相同秸秆配施量下，添加600 ℃生物炭处理的土壤有机质和有效磷含量显著高于添加300 ℃生物炭的处理，而碱解氮含量则显著低于添加300℃生物炭处理。生物炭热解温度和秸秆添加量对矿化培养后的土壤有机质、碱 解 氮 和 有 效 磷 含 量 均 存 在 极 显 著 影 响(P<0.001);两者的交互作用对有机质和有效磷含量亦存在极显著影响(P<0.001和 P<0.01)，但对碱解氮含量影响不显著。

　　2.5 土壤有机碳矿化参数与土壤理化性 质的相关性

　　土壤有机 碳 矿 化 参 数 与 土 壤 理 化 性 质 的 相 关性见表6。培养70d后土壤有机碳累积矿化量、土壤有机碳潜在可矿化量与培养后的土壤 pH、电 导率、有机质、碱解氮、有效磷间均呈极显著正相关关系(P<0.01)。土壤pH、电导率和有机质含量间极显著正相关，且均与土壤有效磷存在极显著正相关关系(P<0.01)。土壤碱解氮仅与有机质含量呈显著正相关(P<0.05)，与其他理化参数无显著相关关系。——论文作者：郭丽欣，王 越，杜雨婷，梁 琼* ，石生伟，刘 杰，贾月慧，刘 云

文章名称：生物炭与秸秆配施对设施土壤有机碳矿化及理化性质的影响

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