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小麦秸秆及其生物炭对烟田土壤理化特性及有机碳组分的影响

王毅 张俊清 况帅 管恩森 禚其翠 宋晓培 芦伟龙 王大海 刘跃东 张继光

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小麦秸秆及其生物炭对烟田土壤理化特性及有机碳组分的影响

    作者简介: 王毅 E-mail:65202900@qq.com;
    通讯作者: 张继光, E-mail:zhangjiguang@caas.cn
  • 基金项目: 中国农业科学院科技创新工程(ASTIP-TRIC06/03);国家农产品质量安全风险评估专项(GJFP2019034)。

Effects of wheat straw and its biochar on soil physiochemical properties and organic carbon fractions in flue-cured tobacco field

    Corresponding author: ZHANG Ji-guang, E-mail:zhangjiguang@caas.cn
  • 摘要: 【目的】本研究以2年田间定位试验为依托,旨在探明连续施用小麦秸秆及其生物炭对植烟土壤理化性状和有机碳组分的影响,为烟区土壤质量提升提供依据。【方法】田间试验在山东省诸城市潮褐土烟田上进行。试验设4个处理,分别为:常规施肥(CK),配施小麦秸秆(FS),配施小麦秸秆生物炭2.25 t/hm2(FB1)和4.5 t/hm2(FB2)。在烟叶收获后,采集0—20 cm耕层土样,测定了土壤基础理化指标和总有机碳(TOC)、微生物生物量碳(MBC)、热水溶性有机碳(HWC)、活性有机碳(LOC)及轻组有机碳(LFOC)含量,并计算了土壤碳库管理指数(CPMI)。【结果】连续施用小麦秸秆及其生物炭2年后,FB1和FB2处理TOC含量显著高于CK,增幅分别为74.9%和116%,而FS与CK处理间差异不显著。LFOC含量的变化趋势与TOC类似,FB1和FB2处理LFOC含量分别较CK处理显著增加152%和327%。FS处理HWC含量显著高于CK和FB1处理,而与FB2处理差异不显著。与CK相比,FS处理HWC含量增加了107%。FS和FB2处理MBC含量较CK分别增加了252%和144%,而FB1处理与CK相比差异不显著。FS处理LOC含量较CK显著增加了68.9%,而FB1、FB2处理LOC含量与CK相比差异不显著。FS处理还能显著降低土壤容重、增加土壤含水量及有效磷含量,其对部分土壤理化特性的改良效果优于生物炭处理(FB1和FB2)。此外,CPMI也以FS处理最高,较CK显著增加了73.5%,而FB1和FB2处理与CK相比差异不显著。【结论】连续秸秆还田有利于提升烟田土壤活性有机碳(MBC、HWC和LOC)含量,降低土壤容重,提高有效磷含量,提高土壤CPMI。而同量秸秆转化为生物炭后连续还田能够提高土壤总有机碳和轻组有机碳含量,更有利于土壤有机碳的长期固存。
  • 图 1  2016和2017年小麦秸秆及生物炭处理土壤总有机碳含量

    Figure 1.  Total organic carbon content of soils treated with wheat straw and its biochar in 2016 and 2017

    图 2  2016和2017年施用小麦秸秆及其生物炭土壤活性有机碳组分含量

    Figure 2.  Contents of labile organic carbon fractions in soils treated with wheat straws and its biochar in 2016 and 2017

    表 1  小麦秸秆及其生物炭的理化性状

    Table 1.  Basic physiochemical properties of wheat straw and its biochar

    材料
    Materials
    pH全碳 (g/kg)
    Total C
    全氮 (g/kg)
    Total N
    全磷 (g/kg)
    TotalP
    全钾 (g/kg)
    Total K
    全钙 (g/kg)
    Total Ca
    全镁 (g/kg)
    Total Mg
    小麦秸秆 Wheat straw 7.6239511.60.97711.843.572.32
    麦秸生物炭 Wheat straw biochar10.6474 9.01.85244.708.465.61
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    表 2  小麦秸秆及其生物炭处理土壤理化性质

    Table 2.  Physiochemical properties of soils treated with wheat straws and its biochar

    处理
    Treatment
    容重 (g/cm3)
    Bulk density
    土壤含水量 (%)
    Water content
    CEC
    (cmol/kg)
    pH全氮 (g/kg)
    Total N
    有效磷 (mg/kg)
    Available P
    速效钾 (mg/kg)
    Available K
    CK1.19 b9.77 b26.6 a7.84 a0.63 a22.5 b229 a
    FS1.03 a13.0 a27.9 a7.86 a0.80 a41.1 a254 a
    FB11.15 ab10.5 b27.4 a7.93 a0.70 a23.2 b247 a
    FB21.13 ab12.1 b28.1 a8.01 a0.69 a37.4 a308 a
    注(Note):同列数据不同小写字母表示处理间差异显著 Values followed by different small letters indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
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    表 3  土壤有机碳组分间的相关性

    Table 3.  Pearson correlations among soil organic carbon fractions

    IndexTOCMBCHWCLOCLFOC
    TOC1
    MBC0.2551
    HWC0.0410.621**1
    LOC0.3270.589**0.716**1
    LFOC0.911**0.2320.0260.3311
    注(Note):*—P < 0.05; **—P < 0.01.
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    表 4  土壤有机碳组分与土壤理化特性间的相关性

    Table 4.  Pearson correlation among soil organic carbon fractions and soil physiochemical properties

    指标
    Index
    容重
    Bulk density
    土壤含水量
    Water content
    CEC全氮
    TN
    有效磷
    AP
    速效钾
    AK
    pH
    TOC0.0000.1750.3500.0130.2580.4990.480
    MBC0.755**0.730**0.656*0.620*0.788**0.3610.004
    HWC0.771**0.621*0.2400.4990.660*0.0170.123
    LOC0.674*0.4120.3360.634*0.4190.2570.072
    LFOC0.0960.1670.3070.1030.2300.5370.520
    注(Note):*—P < 0.05; **—P < 0.01.
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    表 5  秸秆与生物炭处理土壤碳库管理指数及相关指标

    Table 5.  CPMI and related indicators of soils treated with straws and biochar

    年度
    Year
    处理
    Treatment
    碳库指数
    CPI
    碳库活度
    LC
    活度指数
    LI
    土壤碳库管理指数
    CPMI
    2016CK 1.00 b0.099 a1.00 a100.00 a
    FS 1.11 b0.098 a0.99 a109.77 a
    FB11.14 b0.073 ab0.73 ab83.86 a
    FB21.74 a0.045 b0.45 b76.22 a
    2017CK 1.00 c0.090 ab0.91 ab88.71 b
    FS 1.21 c0.13 a1.28 a153.92 a
    FB11.75 b0.049 bc0.51 bc89.55 b
    FB22.16 a0.038 c0.38 c81.97 b
    注(Note):CPI—Carbon pool index; LC—Liability of carbon; LI—Liability index of carbon; CPMI—Carbon pool management index.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-04
  • 网络出版日期:  2020-02-06

小麦秸秆及其生物炭对烟田土壤理化特性及有机碳组分的影响

    作者简介:王毅 E-mail:65202900@qq.com
    通讯作者: 张继光, zhangjiguang@caas.cn
  • 1. 中国农业科学院烟草研究所,山东青岛 266101
  • 2. 中国农业科学院研究生院,北京 100081
  • 3. 山东潍坊烟草有限公司,山东潍坊 262200
  • 4. 山东省农业科学院作物研究所,济南 250100
  • 基金项目: 中国农业科学院科技创新工程(ASTIP-TRIC06/03);国家农产品质量安全风险评估专项(GJFP2019034)。
  • 摘要: 【目的】本研究以2年田间定位试验为依托,旨在探明连续施用小麦秸秆及其生物炭对植烟土壤理化性状和有机碳组分的影响,为烟区土壤质量提升提供依据。【方法】田间试验在山东省诸城市潮褐土烟田上进行。试验设4个处理,分别为:常规施肥(CK),配施小麦秸秆(FS),配施小麦秸秆生物炭2.25 t/hm2(FB1)和4.5 t/hm2(FB2)。在烟叶收获后,采集0—20 cm耕层土样,测定了土壤基础理化指标和总有机碳(TOC)、微生物生物量碳(MBC)、热水溶性有机碳(HWC)、活性有机碳(LOC)及轻组有机碳(LFOC)含量,并计算了土壤碳库管理指数(CPMI)。【结果】连续施用小麦秸秆及其生物炭2年后,FB1和FB2处理TOC含量显著高于CK,增幅分别为74.9%和116%,而FS与CK处理间差异不显著。LFOC含量的变化趋势与TOC类似,FB1和FB2处理LFOC含量分别较CK处理显著增加152%和327%。FS处理HWC含量显著高于CK和FB1处理,而与FB2处理差异不显著。与CK相比,FS处理HWC含量增加了107%。FS和FB2处理MBC含量较CK分别增加了252%和144%,而FB1处理与CK相比差异不显著。FS处理LOC含量较CK显著增加了68.9%,而FB1、FB2处理LOC含量与CK相比差异不显著。FS处理还能显著降低土壤容重、增加土壤含水量及有效磷含量,其对部分土壤理化特性的改良效果优于生物炭处理(FB1和FB2)。此外,CPMI也以FS处理最高,较CK显著增加了73.5%,而FB1和FB2处理与CK相比差异不显著。【结论】连续秸秆还田有利于提升烟田土壤活性有机碳(MBC、HWC和LOC)含量,降低土壤容重,提高有效磷含量,提高土壤CPMI。而同量秸秆转化为生物炭后连续还田能够提高土壤总有机碳和轻组有机碳含量,更有利于土壤有机碳的长期固存。

    English Abstract

    • 潮褐土土体深厚,肥力中等偏上,是山东最适宜的植烟土壤之一,由于常年的连作种植、有机物料投入不足以及化学肥料的大量使用,致使土壤理化性状恶化,肥力降低[1],已经严重制约了土壤的可持续利用及农业的可持续发展。土壤有机碳 (total organic carbon, TOC) 作为土壤质量和土壤肥力的核心,与土壤的物理、化学及生物学特性密切相关,在土壤养分循环中发挥重要作用[2],但TOC含量是一个矿化分解和合成的平衡结果,短期内的数量变化难以灵敏反映土壤有机碳的周转速率以及土壤质量的变化[3]。土壤活性有机碳组分是土壤有机碳库中活性较高、容易被微生物分解矿化以被作物直接吸收的部分,它能够迅速响应农田管理措施的变化,其中土壤微生物生物量碳 (microbial biomass C, MBC)、热水溶性有机碳 (hot-water Extractable C, HWC)、活性有机碳 (labile organic C, LOC) 等是其常用的重要表征指标[4]。Lefroy等[5]在土壤活性有机碳研究基础上提出了土壤碳库管理指数 (carbon pool management index, CPMI) 的概念,它能全面动态地反映土壤碳库的有效性,更加系统灵敏地揭示出土壤肥力的变化,在农田土壤有机碳转化研究及管理方面得到了广泛应用[6]

      农作物秸秆中含有丰富的碳、氮、钾及微量元素等养分,作为资源高效循环利用的途径之一,秸秆直接还田能够增加土壤有机碳及活性组分含量[7-9],提高土壤微生物活性[10],改善土壤理化性状[11]。但也有研究指出,秸秆直接还田容易引起CO2等温室气体释放量增加[12]。而秸秆在高温低氧条件下经过裂解形成的富碳多孔性物质—生物炭 (biochar),具有容重小,比表面积大,吸附能力强,稳定性高等特点[13]。土壤中添加秸秆生物炭,不仅可以增加土壤有机碳的储备[14],改善土壤理化性状[15],还能调节温室气体排放[14],但土壤中不同活性有机碳组分对生物炭的响应还存在较大差异[14,16-17]。目前,秸秆还田及其生物炭在我国烟田土壤的应用多侧重于土壤改良及烟叶产质量影响方面[18-19],相比之下,鲜见秸秆及及其生物炭还田后烟田土壤有机碳组分及碳库管理指数 (CPMI) 动态变化方面的报道。为此,本研究采用连续2年的田间小区试验,研究小麦秸秆及其生物炭施用对烟田土壤基本理化性状、有机碳组分及CPMI的影响,旨在为秸秆资源高效利用及烟田土壤质量提升提供科学依据。

      • 试验于2016—2017年在山东省诸城市贾悦镇西洛庄村进行 (N36°1′17.22″、E119°6′45.46″),试验区地处鲁东丘陵区,属温带季风气候区,年均日照时数2578 h,平均气温12.3°C,降雨量773 mm,无霜期232 d。土壤类型为潮褐土,质地为壤土,常年种植烤烟。试验区耕层土壤 (0—20 cm) 的主要理化性状为:pH 7.82,有机质8.58 g/kg,碱解氮91.0 mg/kg,有效磷20.6 mg/kg,速效钾214 mg/kg。

        供试小麦秸秆为试验区自产,小麦秸秆生物炭为当地自制 (400~500℃,热解1 h),小麦秸秆生物炭的转化率约为33%。小麦秸秆及其麦秸生物炭的基本理化性状如表1所示。

        表 1  小麦秸秆及其生物炭的理化性状

        Table 1.  Basic physiochemical properties of wheat straw and its biochar

        材料
        Materials
        pH全碳 (g/kg)
        Total C
        全氮 (g/kg)
        Total N
        全磷 (g/kg)
        TotalP
        全钾 (g/kg)
        Total K
        全钙 (g/kg)
        Total Ca
        全镁 (g/kg)
        Total Mg
        小麦秸秆 Wheat straw 7.6239511.60.97711.843.572.32
        麦秸生物炭 Wheat straw biochar10.6474 9.01.85244.708.465.61
      • 根据小麦秸秆的不同还田方式及用量,该试验共设置4个处理,分别为:1) 烟草常规施肥N 76.5 kg/hm2,P2O5 84.2 kg/hm2, K2O 191.2 kg/hm2,无还田措施 (CK);2) 常规施肥+小麦秸秆6.75 t/hm2(FS);3) 常规施肥+小麦秸秆生物炭2.25 t/hm2(由6.75 t小麦秸秆烧制,FB1);4) 常规施肥+小麦秸秆生物炭4.5 t/hm2(FB2)。每个处理3次重复,随机排列,每个重复小区面积为48 m2

        每年3月下旬烟田起垄前,地表撒施小麦秸秆及其生物炭,经翻耕混匀后,再施肥起垄。各施肥种类及用量情况为:烟草专用复合肥 (N 10%、P2O5 10%、K2O 20%) 施用量为600 kg/hm2,硫酸钾 (K2O 50%) 施用量为105.0 kg/hm2,磷酸二铵 (N 16.5%、P2O5 44.5%) 施用量为60.0 kg/hm2,硝酸钾 (N 13.5%,K2O 44.5%) 施用量为45.0 kg/hm2。供试烤烟品种为‘NC55’,5月10号左右移栽,烤烟的行株距为1.2 m × 0.5 m,移栽密度为16500株/hm2。其他大田管理参考当地优质烟叶生产技术规范进行。

      • 待每年9月底烟叶采收结束后,在每个试验小区垄体采集0—20 cm土层的3个环刀样,同时用土钻以“S”法采集5个土样,充分混匀后采用“四分法”留取1.5 kg土壤带回实验室。土样经去杂后,过2 mm筛,分成两份,一份储藏于4℃冰箱中用于测定土壤MBC和HWC;另一份风干后再过0.25 mm 筛,用于测定土壤其他指标。

        土壤容重和质量含水量采用环刀法,TOC采用重铬酸钾氧化—分光光度法,pH采用电位计法 (水土比2.5:1),阳离子交换量 (CEC) 采用中性乙酸胺交换法,全氮 (TN) 采用半微量开氏法,有效磷 (AP) 采用钼锑抗比色法,速效钾 (AK) 采用火焰光度计法[20]。HWC的测定:称取过2 mm筛的土壤,加入蒸馏水后,在恒温水浴锅煮沸60 min,取上清液测定其有机碳含量[21];采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法测定MBC含量[22]:用0.5 mol/L K2SO4溶液分别浸提经氯仿熏蒸处理后及未熏蒸的土样,过滤后,用K2Cr2O7氧化法测定滤液中可溶性碳的浓度,根据熏蒸后与熏蒸前差值,除以转换系数,即得到MBC含量;LOC的检测:土壤样品过筛称重后加入KMnO4溶液 (浓度为333 mmol/L),密封后振荡离心,吸取上清液并稀释,于波长565 nm处用分光光度计比色测定,根据KMnO4用量,计算LOC含量[23];轻组有机碳 (light soil organic carbon fraction, LFOC) 的测定:用NaI重液 (密度1.8 g/cm3) 分离组分,离心后过滤悬浮液,获取的轻组部分经洗涤、烘干后称重,测定其有机碳含量,根据轻组部分的比例及测得的有机碳含量,即可测算LFOC含量[24]

        以2016年烟叶采收后常规施肥处理CK的土壤样品为参考,土壤碳库管理指数及相关指标计算方法如下[17]

      • 用Excel 2013计算数据的平均值、标准差,并进行绘图;用IBM Statistics SPSS 19.0软件进行单因素方差分析、相关性分析,用LSD法进行显著性检验,图中误差线表示标准偏差 (SD)。

      • 表2显示,与CK相比,FS处理土壤容重显著降低了14.0%,土壤含水量显著增加了33.4%,而FB1、FB2与CK处理相比其土壤容重及含水量的差异均不显著;此外,FS、FB1和FB2处理的土壤CEC、pH、TN及AK含量均略高于CK,但差异不显著;FS和FB2处理的AP含量较CK处理显著增加,增幅分别为82.9%和66.5%,而FB1处理与CK的差异则不显著。

        表 2  小麦秸秆及其生物炭处理土壤理化性质

        Table 2.  Physiochemical properties of soils treated with wheat straws and its biochar

        处理
        Treatment
        容重 (g/cm3)
        Bulk density
        土壤含水量 (%)
        Water content
        CEC
        (cmol/kg)
        pH全氮 (g/kg)
        Total N
        有效磷 (mg/kg)
        Available P
        速效钾 (mg/kg)
        Available K
        CK1.19 b9.77 b26.6 a7.84 a0.63 a22.5 b229 a
        FS1.03 a13.0 a27.9 a7.86 a0.80 a41.1 a254 a
        FB11.15 ab10.5 b27.4 a7.93 a0.70 a23.2 b247 a
        FB21.13 ab12.1 b28.1 a8.01 a0.69 a37.4 a308 a
        注(Note):同列数据不同小写字母表示处理间差异显著 Values followed by different small letters indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
      • 小麦秸秆及其生物炭处理TOC含量呈增加趋势 (图1),但仅FB1处理TOC含量年度间差异显著,其他处理差异不显著。施用秸秆及其生物炭两年后,与CK相比,FS处理TOC含量增加了20.7%,但差异不显著;FB1和FB2的TOC含量较CK显著增加,增幅分别为74.9%和116%。

        图  1  2016和2017年小麦秸秆及生物炭处理土壤总有机碳含量

        Figure 1.  Total organic carbon content of soils treated with wheat straw and its biochar in 2016 and 2017

      • 小麦秸秆及其生物炭对土壤活性有机碳组分的影响如图2所示。不同处理HWC含量年度间均无显著变化。连续施用两年后,HWC含量以FS最高,较CK显著增加了107%,而FB1和FB2处理与CK相比差异不显著。与2016年相比,2017年FS、FB1和FB2处理的MBC含量均显著增加,增幅分别为150%,28.2% 和86.5%。秸秆及其生物炭施用两年后,FS和FB2处理MBC含量分别较CK显著提高了252%和144%,而FB1与CK差异不显著。

        图  2  2016和2017年施用小麦秸秆及其生物炭土壤活性有机碳组分含量

        Figure 2.  Contents of labile organic carbon fractions in soils treated with wheat straws and its biochar in 2016 and 2017

        各处理LOC含量两个年度间差异不显著。当年投入秸秆和生物炭对土壤LOC含量影响较小,而连续施用两年后,与CK相比,FS处理LOC含量显著增加,增幅为68.9%,而FB1和FB2增幅不显著。2017年,FB1和FB2处理LFOC含量较2016年分别显著增加了90.4%和130%,而FS处理LFOC含量增幅较小,且差异不显著。连续2年投入秸秆和生物炭,各处理LFOC含量以FB2处理最高,其次是FB1,较CK分别显著增加了326%和154%,但FS处理与CK相比差异不显著。

      • 土壤各有机碳组分间的相关性如表2所示,TOC与LFOC呈极显著正相关 (R2 = 0.911**P < 0.01),表明LFOC的增加有助于TOC含量的提高;MBC与HWC,LOC呈极显著的正相关 (R2 = 0.621**和0.589**P < 0.01),说明各有机碳组分之间存在密切的转化关系。而从土壤有机碳组分与土壤理化特性间的相关性来看 (表3),不同土壤理化指标与TOC相关性较差,而与MBC、HWC和LOC相关性较好。MBC与土壤TN、CEC、土壤含水量和AP呈显著至极显著的正相关,与容重呈极显著的负相关;HWC与土壤容重呈极显著的负相关,与土壤含水量和AP呈显著的正相关;LOC与TN呈显著的正相关,与土壤容重呈显著的负相关。

        表 3  土壤有机碳组分间的相关性

        Table 3.  Pearson correlations among soil organic carbon fractions

        IndexTOCMBCHWCLOCLFOC
        TOC1
        MBC0.2551
        HWC0.0410.621**1
        LOC0.3270.589**0.716**1
        LFOC0.911**0.2320.0260.3311
        注(Note):*—P < 0.05; **—P < 0.01.

        表 4  土壤有机碳组分与土壤理化特性间的相关性

        Table 4.  Pearson correlation among soil organic carbon fractions and soil physiochemical properties

        指标
        Index
        容重
        Bulk density
        土壤含水量
        Water content
        CEC全氮
        TN
        有效磷
        AP
        速效钾
        AK
        pH
        TOC0.0000.1750.3500.0130.2580.4990.480
        MBC0.755**0.730**0.656*0.620*0.788**0.3610.004
        HWC0.771**0.621*0.2400.4990.660*0.0170.123
        LOC0.674*0.4120.3360.634*0.4190.2570.072
        LFOC0.0960.1670.3070.1030.2300.5370.520
        注(Note):*—P < 0.05; **—P < 0.01.
      • 不同处理对土壤CPMI及相关指标的影响如表4所示,与CK相比,秸秆及其生物炭施用1年后,FB2的CPI值最高,较CK显著增加了74.0%;而LI值最低,较CK显著降低了54.8 %,不同处理间CPMI差异不显著;秸秆及其生物炭施用2年后,FB1和FB2的CPI值较CK分别显著增加了75.0%和116%;LI值以FS处理最高,生物炭处理 (FB1和FB2) 最低;与CK相比,FS处理LI值显著增加了40.9%,生物炭处理则分别降低了43.3%和57.9%;各处理的CPMI值以FS处理为最高,较CK显著增加了73.5%,但生物炭处理与CK差异不显著。

        表 5  秸秆与生物炭处理土壤碳库管理指数及相关指标

        Table 5.  CPMI and related indicators of soils treated with straws and biochar

        年度
        Year
        处理
        Treatment
        碳库指数
        CPI
        碳库活度
        LC
        活度指数
        LI
        土壤碳库管理指数
        CPMI
        2016CK 1.00 b0.099 a1.00 a100.00 a
        FS 1.11 b0.098 a0.99 a109.77 a
        FB11.14 b0.073 ab0.73 ab83.86 a
        FB21.74 a0.045 b0.45 b76.22 a
        2017CK 1.00 c0.090 ab0.91 ab88.71 b
        FS 1.21 c0.13 a1.28 a153.92 a
        FB11.75 b0.049 bc0.51 bc89.55 b
        FB22.16 a0.038 c0.38 c81.97 b
        注(Note):CPI—Carbon pool index; LC—Liability of carbon; LI—Liability index of carbon; CPMI—Carbon pool management index.
      • 土壤容重影响土壤的通透性,并与土壤的水、肥、气、热条件密切相关,土壤容重降低通常意味着土壤结构及其通气性得到改善。本文中,与对照CK相比,FS处理显著降低了土壤容重,提高了土壤含水量,而生物炭处理 (FB1和FB2) 的土壤容重和含水量虽略有改善但差异不显著。赵海成[25]等研究了水稻秸秆和生物炭添加对黑龙江盐碱土物理特性的影响,也得到类似结果。由于小麦秸秆密度较小、投入量较大,短期内秸秆在土壤中难以完全矿化分解,因而能够通过占据较大土壤空间,迅速降低土壤容重,改善土壤通透性,并提高土壤的含水量。秸秆在炭化过程中,其不稳定的有机组分挥发损失导致孔隙的形成,而木质素等难降解组分则保留下来形成富含大量微孔结构的生物炭,秸秆生物炭具有富含微孔和比表面积大的特性,持续施入土壤后能够通过吸附微小土壤团聚体颗粒达到持续改善土壤孔隙度,降低土壤容重的目的[25-26]

        土壤CEC是土壤胶体所能吸附的阳离子总量,直接反映了土壤的保肥、供肥性能和缓冲能力的大小[27]。刘楠等[28]开展的培养试验表明,向淡黑钙土中添加秸秆能够增加土壤中有机胶体和有机-无机复合胶体含量,并提高土壤的CEC值。生物炭本身具有较高的CEC值,Glaser等[29]认为少量施用生物炭即可显著增加CEC值。在本试验中,与常规施肥相比,小麦秸秆及其生物炭处理CEC值均未显著增加,这可能与试验开展时间短及CEC值响应滞后等因素有关。研究还发现,秸秆还田及生物炭处理 (FB2) 的烟田土壤有效磷含量均显著高于常规对照 (CK),土壤全氮和速效钾含量也呈上升趋势,但差异尚不显著。这是由于秸秆还田后能够被土壤微生物迅速降解,释放大量养分到土壤中,因而会增加土壤中养分的积累[30-31];生物炭除了电荷密度较高,能够强烈吸附土壤中的养分,有效减少土壤中养分的淋失和流失[32]外,还可以提高土壤中磷酸酶等微生物活性,释放土壤中的无效态磷,提高有效磷的含量[33]

      • 小麦秸秆及其生物炭施用对土壤有机碳 (TOC) 及其组分特征具有重要影响,且活性有机碳组分能更灵敏地反映土壤肥力的变化。本研究中秸秆还田处理的土壤TOC含量有所增加,但与常规对照相比差异不显著。其原因可能是:一方面土壤TOC背景值较高,变化较慢,对短期农业管理措施引起的变化不敏感[34];另一方面秸秆中含有较多的新鲜有机质,在土壤中易分解,不利于土壤有机碳的长期固持[31]。而秸秆生物炭处理 (FB1和FB2) 均能显著提高土壤TOC含量,连续2年的结果发现其累积效应明显,且以FB2处理效果更好 (图1)。其原因是秸秆生物炭生物稳定性强,土壤微生物难以分解其有机碳组分,致使土壤施入的有机碳量远高于分解量,TOC含量表现为碳积累[35]。与本文研究结果不同,高梦雨等[36]以棕壤为研究对象,发现不同用量玉米芯生物炭处理间土壤TOC含量并无显著差异。造成这种差异的原因可能与供试土壤TOC本底值、碳库容量等因素有关。

        土壤微生物生物量碳 (MBC) 在调控有机质分解、养分循环中方面发挥重要作用,是土壤生物学肥力的重要指标[37]。本研究中,FS及FB2处理MBC含量均显著高于常规对照,且其含量逐年增加。秸秆还田能够增加土壤中碳氮输入,改善土壤微生物繁育环境条件,提高微生物的活性和数量[3,6];同时,生物炭能够为土壤微生物提供充足的养分来源和良好的生境条件,以增加土壤微生物数量[16],并最终改善土壤生物学肥力。热水溶性有机碳 (HWC) 与土壤微生物关系密切,也是评价土壤有机碳生物潜在可用性的重要依据[38]。增施有机物料是提高土壤HWC含量的有效手段[39]。本研究中,秸秆还田显著提高土壤中HWC含量,而秸秆生物炭对HWC含量影响较小,这说明与生物炭施用相比,秸秆直接还田更有利于提高土壤有机碳的生物有效性。究其原因,一方面秸秆在炭化过程中,秸秆活性较高的组分多转化为惰性物质,致使其生物活性降低[40];另一方面生物炭可能会对热水溶性有机碳产生吸附作用,从而使其在土壤溶液中的浓度降低。

        轻组有机碳 (LFOC) 是指土壤有机碳密度组分中比重小的部分,主要由处于不同分解阶段的植物碎片、植物根系和木炭等组成[41]。已有研究发现,土壤中的LFOC含量与归还到土壤中的植物残体或添加的有机物料种类密切关联[42],而不易分解的有机物料,往往更有利于增加土壤中LFOC含量[43]。本研究中生物炭处理LFOC含量显著高于常规对照,这与生物炭密度小且形态稳定,轻组部分能够在土壤中大量集中且不易分解有关[44]。相比LFOC,活性有机碳 (LOC) 检测方法更便捷、应用更加广泛[35,45]。不同秸秆还田方式对土壤LOC形成、转化有重要影响[9]。本文中,秸秆还田处理的LOC含量显著高于常规对照,这与许多研究结果类似[8,45]。秸秆生物炭对土壤中LOC含量的影响,不同研究者分歧较大。王宏燕[46]等的培养试验表明,添加1%(相对土重) 的玉米秸秆炭后,低有机碳含量和高有机碳含量的黑土LOC含量分别降低了7.69%和2.66%;张杰等[47]利用小麦秸秆生物炭和木质素生物炭对潮土中LOC含量的研究也得到类似结果;但贾俊香[48]等通过盆栽试验,认为复垦3年和5年的采煤塌陷地添加玉米秸秆生物炭后,土壤 LOC含量增幅分别为13.32%和18.72%。而本试验中,不同用量生物炭处理的潮褐土LOC含量与常规对照相比无显著差异。可见,添加生物炭对土壤LOC含量的影响,因生物炭的种类、土壤类型及试验条件等而异。

      • 土壤碳库管理指数 (CPMI) 是一项表征农田土壤有机碳积累与质量的动态的综合指标,受土壤碳库和碳库活度的共同影响。一般认为,土壤CPMI值越高,土壤有机碳越易于被微生物分解和被植物吸收利用,土壤碳库活度和质量也就越高[6]。本研究结果表明,与CK相比,两年的秸秆还田处理显著提高了CPMI,而生物炭处理的CPMI略有降低或差异不大。这说明与秸秆生物炭相比,秸秆直接还田处理更有利于土壤碳库活度的提高及质量的改善。其原因在于秸秆直接还田后增加了LOC含量,提高了LI值,而CPI变化不大,CPMI表现为增加 (表4);生物炭输入土壤的多是稳定态碳,更有利于土壤有机碳的积累,而其中的活性部分在进入土壤后极易分解,不易在土壤中储存,土壤LI值表现为降低,因而使其CPMI低于对照[46]。由此可见,碳库管理指数也是反映烟田土壤有机质变化的重要敏感性参数。

      • 小麦秸秆直接还田对潮褐土烟田土壤总有机碳 (TOC) 和轻组有机碳 (LFOC) 含量影响较小,但能显著提高土壤热水溶性有机碳 (HWC)、微生物生物量碳 (MBC) 和活性有机碳 (LOC) 含量,明显降低土壤容重,提高土壤有效磷含量及土壤碳库管理指数 (CPMI)。同量秸秆转化为生物炭后还田能显著增加烟田土壤中总有机碳和轻组有机碳含量,但对活性高的碳组分影响较小,且CPMI也无显著增加。因此,小麦秸秆直接还田相较于转化为生物炭还田,更有利于土壤有机碳库活度的提升及有机碳质量的改善,而秸秆生物炭更有利于土壤有机碳的固存,其固碳效应更加明显,后续应根据不同需求采取科学合理的秸秆管理措施。

    参考文献 (48)
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