通过模拟实验研究稻草及制备的生物质炭对土壤团聚体有机碳的影响

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近年来,随着对巴西亚马逊流域土壤中大量黑碳的发现及探究,众多学者越来越关注人工制备生物质炭(biochar)的利用。研究表明,生物质炭在改善土壤质量、提高养分有效性、增加作物产量、减缓温室气体排放等方面具有积极作用。向土壤中施入生物质炭,已被认为是减缓气候变暖的一个有效途径。目前围绕生物质炭添加对土壤有机碳分解的影响研究,已成为土壤碳循环领域的热点,但研究还存在争议,促进、抑制或无影响均有报道。

  在农业生态系统中,生物质炭主要来源于农作物秸秆焚烧。据统计,全球每年农作物秸秆量大约为3.8Gt.一种传统而广泛的秸秆管理方式就是将其原地直接燃烧或搬移他处做燃料,这不仅导致空气污染、养分流失,并且也会威胁人类健康。Haefele等提出将不完全燃烧炭化的稻草和烧焦的稻草混合添加到稻田土壤里,与野外露天燃烧相比,这种处理措施具有燃烧过程可产生可利用能源、减少温室气体排放、减少土壤养分流失等诸多优势。据估算,2009年中国作物秸秆产量约8.07亿Mg,其中31%的作物秸秆搁置在农田,31%的作物秸秆被牲畜食用,仅仅有19%的作物秸秆用于产生生物能。近来生物质炭的农业利用越来越受到国内的广泛关注。然而,对于有限的秸秆资源,选择将秸秆直接施入土壤中,还是将其转变为生物质炭再施入土壤中,施入后对土壤碳库组分有何影响,何种措施更有利土壤固碳,尚缺乏深入研究。团聚体是土壤有机碳的重要储存场所,其分组方法已被广泛用于土壤有机碳组分研究中。目前秸秆施入对土壤团聚体有机碳的影响已有较多研究,但生物质炭添加对土壤团聚体有机碳的影响还鲜见报道。为此,本文利用δ13C技术,对比研究稻草及其制备的生物质炭添加对土壤团聚体有机碳的影响,为深入认识和评价生物质炭在土壤碳循环中的作用和贡献提供科学依据。材料与方法供试材料供试土壤采自福建师范大学旗山校区甘蔗实验地。土壤为普通红壤,连续种植甘蔗多年,土壤有机碳含量为8.28gkg-1、δ13C值为-22.49‰、pH5.65.采集的新鲜土壤样品去除植物残体和碎屑,过4mm筛备用。

  生物质炭制备方法参照文献。将13C标记的稻草(过1mm筛)置于烘箱中,70℃烘至恒重,冷却后准确称取2~3g秸秆于坩埚中,用坩埚盖盖好放入马弗炉中,关闭炉门,达到预设的温度时开始计时燃烧2h,之后打开炉门,将坩锅移至炉口处冷却至200℃左右,移入干燥器中冷却至室温,准确称重。热解温度分别设定为250℃(B250)和350℃(B350),每个处理重复15次,样品制备完毕后备用。供试稻草(R)和生物质炭(B250和B350)的基本性质见表1.

  培养方法以不加稻草或生物质炭的土壤作为对照,向土壤中分别添加稻草和生物质炭(均过1mm筛),实验设置4个处理,分别为土壤(CK)、土壤+稻草(SR)、土壤+B250(SB250)、土壤+B350(SB350),每个处理重复4次。具体步骤如下,将稻草或生物质炭与新鲜土样(相当于烘干土50g)混合均匀,稻草添加量为1.00g,生物质炭添加量为1.00g稻草在250℃和350℃下热解的质量剩余量,分别为0.52g和0.34g,然后装入玻璃瓶中进行培养,培养温度为25℃,培养时间为112d.培养过程中定期补充水分,保持土壤持水量(WHC)为60%.培养结束后,取出土壤样品,用于团聚体分组。

  土壤团聚体采用干筛法。利用筛分仪(EML200digitalplusT,德国)将土壤全土分成大团聚体(250~2000μm)、中团聚体(50~250μm)和微团聚体(<50μm),分级后将250~2000μm和50~250μm粒级的团聚体研磨过0.149mm,以供测定有机碳含量和同位素丰度。

  分析方法土壤有机碳、稻草和生物质炭的碳含量采用元素分析仪(ElementarVarioELIII,Elementar,德国)测定;土壤pH(水土比2.5∶1)采用电位法测定;样品δ13C值采用同位素比质谱分析仪(MAT253,ThermoFisher,德国)测定;稻草和生物质炭的化学结构采用13C-NMR核磁共振仪(Bruker200,德国)测定。

  数据处理分析数据采用Excel2003进行分析,用SPSS16.0进行单因素方差分析,采用LSD检验,显着性水平为p<0.05.

  结果土壤团聚体有机碳同位素丰度变化与CK处理相比,稻草处理(SR)和生物质炭处理(SB250和SB350)的全土δ13C值均显着提高(表2)。对于SR处理,土壤团聚体有机碳的δ13C值递减顺序为中团聚体(50~250μm)、微团聚体(<50μm)和大团聚体(250~2000μm),而SB250和SB350处理的δ13C值则呈现了粒级越细,δ13C值越高的趋势。方差分析表明,对于中团聚体和微团聚体,不同处理间的δ13C值差异均达显着水平(p<0.05),但对于大团聚体,SB250和SB350处理的土壤δ13C值则无显着差异。稻草及其制备的生物质炭对土壤团聚体有机碳的影响。

  土壤团聚体有机碳含量变化与CK处理相比,稻草或生物质炭处理的全土有机碳浓度明显增加,其中SB250处理的最高,而SR和SB350处理间的差异并不显着(表3)。除CK处理外,其他三种处理的不同粒级团聚体,呈现了粒级越细,有机碳浓度越高的规律。根据不同粒级团聚体占全土的质量分数,以及有机碳浓度数据,将其换算成全土有机碳含量,单位统一为Cgkg-1全土。由表4可见,有机碳回收率介于99%~107%之间。与CK处理相比,稻草或生物质炭添加对大团聚体有机碳的影响并不显着,但显着提高了微团聚体和中团聚体有机碳含量(p<0.05)。

  土壤团聚体有机碳的来源培养结束后的土壤团聚体有机碳可分为新进入的外源新碳(稻草或生物质炭)以及原有有机碳。

  由表5可知,稻草和生物质炭添加对不同粒级团聚体新碳及原有机碳的影响截然不同。SR处理的新碳分配递减顺序为中团聚体、大团聚体和微团聚体,而SB250和SB350处理的新碳分配递减顺序为中团聚体、微团聚体、大团聚体,表明新碳主要进入到中团聚体里。方差分析进一步表明,与CK处理相比,稻草添加显着促进了大团聚体原有机碳的分解,但对中团聚体和微团聚体原有机碳的影响并不显着;而生物质炭添加则不同,SB250和SB350处理对大团聚体和中团聚体原有机碳的影响均不显着,但SB250处理显着抑制了微团聚体原有机碳的分解,而SB350处理的则无显着影响。

  讨论黑碳作为土壤惰性碳库重要组成部分,不仅是大气中CO2的主要碳汇,而且是全球碳循环中“迷失碳”的重要组成部分。以往研究更多关注自然生态系统土壤黑碳的来源、分配规律以及影响因素等诸多方面。而近年来向农业土壤中施入人工制备生物质炭的报道逐渐增多。向土壤中施入生物质炭可以增强土壤碳汇能力,减少温室气体排放,从而减缓气候变化。研究表明,施入生物质炭后土壤碳库明显提高,这与本文的结果一致。本研究表明,土壤中添加生物质炭后有机碳含量显着提高,其中SB250处理的最高,显着高于稻草处理的,而SB350处理的则与稻草处理的有机碳含量相当(表3)。并且,当稻草转变为生物质炭后,芳基碳和羧基碳含量增加,化学结构更趋于稳定(表1)。因此,从土壤固碳的角度,将部分稻草低温热解制成生物质炭后添加到土壤中,较稻草直接施用更有利。

  秸秆还田是保持土壤肥力,提高土壤有机碳含量的重要措施。目前国内有关秸秆还田对土壤团聚体有机碳的影响研究亦有诸多报道。如徐江兵等认为,各种有机肥处理均对土壤团聚体中有机碳含量的增加表现出不同程度的促进作用,与CK处理相比,各粒级中添加秸秆的有机碳含量增加了10%~30%,而本研究发现稻草处理的土壤各粒级有机碳含量较对照土壤增加2%~57%,生物质炭处理的土壤各粒级有机碳含量较对照土壤增加2%~79%.并且,三种处理的土壤新增加的碳主要分配在中团聚体(50~250μm)中,这与Ver-chot等的研究结果类似。但也有研究表明外源新碳在土壤团聚体中的分配是随机的,并没有分配到特定的某一类团聚体中。本研究也进一步表明,稻草及其制备的生物质炭添加后,大团聚体(250~2000μm)有机碳含量没有明显提高,但微团聚体(<50μm)与中团聚体有机碳含量显着提高,说明稻草或生物质炭添加对大团聚体土壤有机碳的影响并不大,而对微团聚体有机碳的影响较大。

  一般而言,秸秆施入会促进土壤原有机碳的分解,其原因在于秸秆中含有较多的新鲜易分解有机碳,刺激了微生物的增长,从而促进了原有机碳的分解。但生物质炭施入对土壤原有机碳的影响却不一致,促进、抑制、无影响均有报道。Wardle等报道,火烧产生的黑碳促进了土壤腐殖类物质的分解,但这一研究已引起很多争议。Zimmerman等利用室内培养实验发现短期内生物质炭添加也促进了土壤原有机碳的分解。但Jones等却发现生物质炭添加抑制了土壤原有机碳的分解,而Smith等利用13C自然丰度方法发现生物质炭添加对土壤有机碳分解几乎没有影响。导致这种截然不同结论的主要原因在于研究者采用的生物质炭类型、制备条件、添加量、培养条件以及土壤类型不同所致。本研究利用团聚体分组,进一步表明稻草及其制备的生物质炭添加对土壤团聚体新碳和原有机碳的影响明显不同,对于同一粒级团聚体,稻草和生物质炭添加的差异主要体现在新碳的分配上,而对土壤原有机碳的影响差别并不大。

  结论:通过对比分析,发现将等量的稻草低温热解制成生物质炭后添加到土壤中,较稻草直接施用更有利于提高土壤碳库。而增加的新碳主要进入到中团聚体(50~250μm)中,比例达70%以上。并且,稻草与生物质炭施入土壤中最大的区别主要体现在新碳分配上,而对原有机碳的影响并不显着。当然,稻草及其制备的生物质炭施入对土壤碳库的影响,还需野外长期试验的进一步验证。
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