引用本文
黎嘉成, 高明, 田冬, 黄容, 徐国鑫. 秸秆及生物炭还田对土壤有机碳及其活性组分的影响. 草业学报, 2018,27(5): 39-50
LI Jia-cheng, GAO Ming, TIAN Dong, HUANG Rong, XU Guo-xin. Effects of straw and biochar on soil organic carbon and its active components. Acta Prataculturae Sinica,2018,27(5): 39-50  
Doi:10.11686/cyxb2017261
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秸秆及生物炭还田对土壤有机碳及其活性组分的影响
黎嘉成, 高明*, 田冬, 黄容, 徐国鑫
西南大学资源环境学院,重庆 400715
*通信作者Corresponding author. E-mail: gaoming@swu.edu.cn

作者简介:黎嘉成(1994-),男,河南洛阳人,在读硕士。E-mail:846175670@qq.com

收稿日期: 2017-06-05
基金项目:国家重点研发计划(2017YFD0800101)资助
摘要

以油菜/玉米轮作农田生态系统为研究对象,根据“等碳量还田”原则设置了常规施肥(CK)、秸秆还田(CS)、秸秆+速腐剂还田(CSD)、生物炭还田(BC)、秸秆+生物炭1∶1还田(CSBC)处理,采用田间试验方法,研究了秸秆与生物炭还田下土壤有机碳及其活性碳组分的变化,以期为秸秆和生物炭还田及紫色土培肥提供依据。结果表明: 1) 与对照(CK)相比,各处理均能显著增加土壤总有机碳含量,增幅为31.26%~107.82%,其中以BC处理最显著,达到107.82%,且BC、CSBC处理显著高于CS、CSD处理,生物炭更有利于土壤固碳。2)土壤各活性有机碳含量在油菜角果期和玉米灌浆期最高,除玉米季土壤可溶性碳外,各处理微生物量碳(MBC)、可溶性碳(DOC)和易氧化态碳(ROC)含量大小顺序均为:CSD>CS>CSBC>BC>CK处理,秸秆与生物炭还田各处理的MBC、DOC和ROC含量分别为125.53~172.02 mg·kg-1、102.73~79.07 mg·kg-1和2.00~6.01 g·kg-1。3)秸秆和秸秆+速腐剂的微生物熵、DOC/SOC、ROC/SOC显著高于生物炭和秸秆+生物炭。与CK相比,CS和CSD处理显著提高了土壤ROC/SOC,而BC和CSBC处理却显著低于CK处理14.33%~18.38%。秸秆、秸秆+速腐剂还田能促进微生物可直接利用的活性碳转化,提高土壤有机碳活性,改善土壤生物肥力。生物炭还田尽管其微生物活性较低,但土壤有机碳稳定性较高,可以促进土壤固碳。

关键词: 土壤活性有机碳; 秸秆; 生物炭; 紫色土
Effects of straw and biochar on soil organic carbon and its active components
LI Jia-cheng, GAO Ming*, TIAN Dong, HUANG Rong, XU Guo-xin
College of Resource and Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China
Abstract

The objective for this study was to provide a scientific basis for incorporation of straw and biochar into purple using the principle of ‘equivalent carbon’. The effects straw and biochar on soil organic carbon (SOC) and active carbon fractions were studied at the Experimental Farm of Southwest University. Five treatments including control (no organic material added, CK), straw (CS), straw plus decomposition agent (CSD), biochar (BC), 50% straw and 50% biochar (CSBC) were used (in maize season and rape season). SOC increased significantly in all treatments including added carbon, ranging from 31.26% to 107.82% but SOC content in the BC and CSBC treatments were significantly higher than the CS and CSD treatments, indicating a greater ability to sequester carbon sequestration from biochar. Soil active organic carbon reached the highest content during maize filling stage and rape pod ripening period. Microbial biomass carbon (MBC), dissolved organic carbon (DOC) and readily oxidizable carbon (ROC) in different treatment were ranked CSD>CD>CSBC>BC>CK, during the maize season. The MBC, DOC and ROC content of straw and biochar related treatments ranged from 125.53-172.02 mg·kg-1, 102.73-79.07 mg·kg-1 and 2.00-6.01 g·kg-1, respectively. Microbial entropy, the DOC∶SOC and ROC∶SOC ratio for CS and CSD treatments were significantly higher than that in BC and CSBC treatments. Compared with the control, CS and CSD treatments significantly improved the soil ROC∶SOC ratio. However, BC and CSBC treatments were 14.33%-18.38% lower than that of the CK. In summary, straw and straw with added decomposition agent was able to promote the transformation of active carbon, able to be directly used by microorganisms. These treatments also increased SOC and soil fertility. Compared with straw, biochar resulted in lower soil microbial activity. However, the higher stability of SOC in biochar treatments stimulated the accumulation of SOC.

Keyword: soil active organic; straw; biochar; purple soil

土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)是土壤最重要的组成部分, 是评价土壤质量和土壤肥力的核心因子, 增加土壤有机碳对于提高土壤碳汇能力、土地生产力及延缓全球气候变暖具有重要意义。但土壤有机碳是有机物料输入碳和矿化分解排放的长期平衡结果, 其含量和质量在短时间内不能对施肥、耕作方式转变、有机物料施用等农田管理措施作出灵敏的响应[1]。土壤活性有机碳是指土壤中稳定性差、周转速率快、易矿化分解, 在土壤中移动快、易受植物和土壤微生物影响、活性较高的那部分有机碳[2], 主要的表征指标有微生物生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)、可溶性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)、易氧化态有机碳(readily oxidized carbon, ROC)、颗粒有机碳。尽管土壤活性有机碳占全碳的比例较小, 但它对外界环境变化的响应比土壤全碳灵敏, 其直接参与土壤生化过程, 对土壤碳氮元素的循环利用及平衡具有重要地位。研究表明, 土壤活性有机碳库对温室气体排放有较大的贡献[2], 其含量的高低直接影响到土壤微生物的活性, 从而影响土壤固碳能力及温室气体的排放[3], 因此研究土壤活性有机碳对土壤碳库平衡及其对气候变化的响应均具有重要意义。

试验表明, 秸秆还田可提高土壤肥力, 改善土壤理化性质, 增加作物产量与品质等优点[4, 5, 6]。但是秸秆直接还田由于其中所含有机碳的相对活跃性, 会诱发土壤微生物的高效代谢和繁衍, 从而改变土壤有机碳活性及稳定性[7]。生物炭施加到土壤中, 可作为土壤腐殖质中高度芳香化结构组分的来源, 不仅能稳定土壤有机碳库, 保蓄土壤养分, 而且对维持土壤生态系统平衡发挥重要作用[8]。代红翠等[9]研究表明生物炭还田较秸秆还田并没有显著提高土壤MBC和DOC含量, 表明有机物料对土壤活性有机碳影响复杂多变。与秸秆直接还田相比, 生物炭还田对土壤活性碳库是否产生差异目前尚未定论[10, 11, 12]。因此, 研究生物质碳与秸秆还田对于揭示土壤有机碳固定及影响机制具有重要意义。本试验通过测定土壤活性有机碳库的组分, 分析秸秆与生物炭还田对紫色土活性有机碳库的影响, 以期为秸秆及生物炭还田利用提供科学依据。

1 材料与方法
1.1 试验地概况

试验设在重庆市北碚区西南大学试验农场, 海拔266.3 m, 年平均气温18.3 ℃。最高气温7月平均28.7 ℃, 最低气温1月平均7.7 ℃, ≥ 10 ℃年积温6006 ℃, 年降水量1086.6 mm, 年日照时数1276.7 h, 属于亚热带季风气候。试验土壤为侏罗纪沙溪庙组紫色泥页岩发育形成的紫色土, 中性紫色土亚类, 灰棕紫泥土属, 是重庆四川紫色土区分布最广的一种土壤。其基本理化性质为:有机碳含量9.98 g· kg-1, 碱解氮135.65 mg· kg-1, 速效磷17.38 mg· kg-1, 速效钾206.32 mg· kg-1, pH为6.7。

1.2 试验材料与方法

试验中所用生物炭由四川省久晟农业有限责任公司提供, 以油菜(Brassica napus)秸秆为原料在 500 ℃高温厌氧条件下热解2 h烧制, 其碳含量为625.8 g· kg-1, C/N 为45.52, pH 为 8.9。水稻(Oryza sativa)秸秆的有机碳含量为 412.50 g· kg-1, C/N为 47.74, 油菜秸秆的有机碳含量为 392.05 g· kg-1, C/N为 41.56。秸秆速腐剂购自康源绿洲生物科技有限公司, 产品形态为液体, 有效活菌数≥ 200亿cfu· mL-1。秸秆速腐剂能使秸秆等有机废弃物快速腐熟, 使秸秆中所含的有机质及磷、钾等元素成为植物生长所需的营养, 并产生大量有益微生物。

试验以“ 等碳量” 原则还入秸秆或生物炭, 各处理施肥量相同, 共设置5个处理(表1), 3次重复; 随机区组排列在15个2 m× 1 m能独立排灌的微区内, 各个微区的水肥管理均相同。还田措施:油菜季还水稻秸秆, 玉米季还油菜秸秆; CS处理将秸秆人工切碎至2 cm左右, 然后均匀撒在土壤表面进行翻耕; BC处理将过10 mm筛的生物质碳覆盖在土壤表面, 由人工翻入土壤; CSBC处理将切碎后的秸秆和生物质碳混匀, 再均匀施入土壤表面; CSD处理将秸秆和速腐剂混合均匀后施入土壤。

表1 试验处理描述 Table 1 Treatment designing in the experiment

试验种植模式采用“ 油玉新两熟” 制, 本试验于2015年10月11日开始, 2016年8月1日结束, 各作物的氮、磷、钾、硼养分用量根据《中国主要作物施肥指南》[13]来确定, 各季作物栽培方式和田间管理措施按照当地习惯进行。其中油菜(油菜品种:96v44, 密度 8万株· hm-2)于2015年10月11日育苗, 2015年11 月3日移栽, 2016年4月19日收获。玉米(Zea mays, 中豪9号, 密度 4万株· hm-2)于2016年4 月9日育苗, 4 月20日移栽, 8月1日收获。油菜季的氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥和硼肥用量分别为150、90、90和15 kg· hm-2。氮肥分基肥和薹肥两次施用(基肥占70%), 磷、钾、硼肥做基肥一次性施用。基肥和薹肥分别于2015年11月1日和2016年2月20日施用, 施用方法为小雨前后撒施。玉米季各处理的氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥分别为180、60、90 kg· hm-2, 全部作为基肥在玉米移栽时施入。氮、磷、钾和硼肥品种分别为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O5 12%)、硫酸钾(K2O 51%)、硼砂(含B 12%)。

1.3 测定方法

试验于11月21日开始采集并测定第一批0~20 cm土壤样品, 之后每14 d测定一次。测定方法:取部分土样置于4 ℃冰箱保存用于测定土壤微生物生物量碳(MBC)、可溶性碳(DOC)和易氧化碳(ROC), 剩余土样自然风干后过0.25 mm筛, 采用重铬酸钾外加热法[14]测定土壤有机碳含量(SOC)。2016年5月油菜收割后、2016年8月玉米收获后分别采集0~20 cm层原状土, 每个微区采集5点, 将5点土样混合成一个样品, 装入袋中运回实验室。在室内剔除石砾、肉眼可见的植物残体及根系等杂质, 用手将大土块沿土体自然裂隙轻轻掰碎, 过8 mm筛, 风干留待活性碳组分测定。

土壤微生物量碳(MBC):采用吴金水[15]的氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定, MBC=EC/KEC, 式中:EC为熏蒸和未熏蒸样品浸提液测定的有机碳差值; KEC为转换系数, 取值为0.38。

土壤可溶性有机碳(DOC):称取过2 mm筛的鲜土20 g于100 mL塑料离心管内, 加入40 mL去离子水浸提(土液比为1∶ 2), 在25 ℃下振荡30 min(250 r· min-1), 离心 20 min(4000 r· min-1), 然后上清液用真空泵抽滤过0.45 μ m微孔滤膜到50 mL塑料瓶中, 滤液直接在Multi N/C 2100分析仪(耶拿, 德国)上测定其DOC含量[16]。

土壤易氧化态碳(ROC)采用高锰酸钾氧化-比色法测定[17]。

1.4 数据处理

采用SPSS 17.0、Origin 9.0和Excel 2003软件进行数据处理、绘图制表。所有的结果均用 3 次测定结果的平均值表示。采用LSD 最小显著差数法(P< 0.05)进行不同处理之间的多重比较。

2 结果与分析
2.1 秸秆与生物炭还田下土壤有机碳的变化

从图1可以看出, 土壤有机碳(SOC)含量随着秸秆与生物炭还田的时间呈先增加后降低的趋势, 其中各处理土壤有机碳含量油菜季在2016年2月15日(蕾薹期)达到最大值, 玉米季在2016年7月4日(灌浆期)的含量显著高于其他时期(P< 0.05)。各处理均能显著增加土壤有机碳含量, 土壤有机碳平均含量表现为:BC(17.86 g· kg-1)> CSBC(16.60 g· kg-1)> CSD(14.33 g· kg-1)> CS(13.52 g· kg-1)> CK(11.94 g· kg-1)。与试验前土壤相比, BC、CSBC处理随着有机物料还田时间延长而较大幅度地增加, 而CK、CS、CSD处理有机碳含量变化较平稳, 其中BC处理的增幅最大(107.82%), 其次为 CSBC处理(95.69%), 且油菜季增加幅度大于玉米季。说明生物炭还田提升土壤有机碳效果优于秸秆还田, 且随着生物炭还田时间的增加, 土壤有机碳含量也持续增加, 而秸秆易分解碳损失的增加有所减缓。

图1 秸秆与生物炭还田条件下土壤有机碳的变化Fig.1 Dynamics of soil total organic carbon under straw or biochar application

2.2 秸秆与生物炭还田下土壤微生物量碳的变化

土壤微生物量碳(MBC)在油菜季随着生育期的进行呈先降低后增加再降低的趋势, 在2015年12月7日(苗期)达到最低, 随着温度升高和油菜旺盛生长于2016年3月31日(角果期)达到最大。MBC在玉米季出现两个峰值, 分别在2016年5月23日(拔节期)和2016年7月4日(灌浆期)。如图2所示, 不同处理间MBC含量差异显著, 物料还田处理的MBC含量均高于CK处理, 其中CSD处理的MBC含量最大, 均值为172.02 mg· kg-1, 较CK处理(112.58 mg· kg-1)显著提高了52.80%(P< 0.05), 其次为CS(159.97 mg· kg-1), CSBC(145.00 mg· kg-1), BC(125.53 mg· kg-1), 可见, 秸秆和秸秆+速腐剂还田提高土壤微生物数量效果较优。

图2 秸秆与生物炭还田条件下土壤微生物量碳变化Fig.2 Dynamics of soil microbial biomass carbon under straw or biochar application

2.3 秸秆与生物炭还田下土壤可溶性有机碳的变化

各处理油菜季和玉米季土壤可溶性有机碳(DOC)动态变化如图3所示。油菜在苗期(除2015年1月24日寒潮降雪)各处理DOC含量出现先增加后降低趋势; 在开花后期至角果期, 各处理DOC含量达最高(194.94~427.32 mg· kg-1)。在玉米生育期内, DOC含量呈“ M” 型变化趋势, 在灌浆期达到最大, 平均值为117.28~271.27 mg· kg-1。从图3还可以看出, 生物炭或秸秆还田能显著提高DOC含量, 油菜季各处理DOC平均含量为:CS(102.73 mg· kg-1)> CSD(95.46 mg· kg-1)> CSBC(82.26 mg· kg-1)> BC(79.07 m g· kg-1)> CK处理(52.59 mg· kg-1); 玉米季CS、CSD、BC和CSBC处理DOC平均含量分别为148.86、165.06、173.47和175.57 mg· kg-1, 比CK(97.50 mg· kg-1)提高了52.68%~80.07%。

图3 秸秆与生物炭还田条件下可溶性有机碳变化Fig.3 Dynamics of soil dissolved organic carbon under straw or biochar application

2.4 秸秆与生物炭还田下易氧化有机碳的变化

图4为土壤易氧化有机碳(ROC)在油菜季和玉米季动态变化特征。油菜季苗期初期ROC含量较高, 随着作物生长逐渐降低, 并于2015年12月21日苗期末期降至最低, 随作物生长又逐渐升高, 于开花期达到最高, 随后在角果期出现短暂急剧下降, 成熟期油菜根部表皮细胞脱落死亡和凋落物残体归还腐解增加了土壤易氧化碳含量。油菜季, 各处理ROC在2.68~6.01 g· kg-1变化, 但各处理间平均含量差异不显著(P> 0.05); 玉米季ROC变化趋势与油菜季类似, 各处理ROC平均含量为:CSD(4.05 g· kg-1)> CS(3.78 g· kg-1)≥ CSBC(3.78 g· kg-1)> BC(3.05 g· kg-1)> CK处理(2.59 g· kg-1), 同时随着作物生长季呈先降低后增加趋势, 在灌浆期达到最高值, 各处理ROC含量为2.00~4.83 g· kg-1, 较CK显著提高了17.76%~56.37%, 其中以CSD处理最显著。

图4 秸秆与生物炭还田条件下易氧化有机碳变化Fig.4 Dynamics of soil oxidizable organic carbon under straw or biochar application

2.5 秸秆与生物炭还田下土壤微生物熵的变化

MBC与SOC的比值称为土壤微生物熵(qMB), 是表征土壤微生物固碳效益的指标, 能更好地反映土壤碳库的容量和活性特征。由于土壤微生物量碳周转快, 微生物熵值越大, 微生物固定的有机碳越多, 土壤有机碳周转越快[18]。油菜季各处理条件下qMB变化较复杂, 随着作物的生长在0.68%~1.48%范围内不断波动, 总体上呈现作物生长初期、后期高于中期。玉米季各处理qMB表现为先增加, 在抽雄期达到最高(0.96%~1.67%), 之后又逐渐降低。如图5所示, 不同处理间qMB呈显著性差异(P< 0.05), 其大小依次为:CSD> CS> CK> CSBC> BC, 其中CS和CSD处理的qMB显著高于对照, 提高了15.12%~25.53%; 而BC和CSBC处理与对照差异不显著。

图5 秸秆与生物炭还田条件下微生物熵变化Fig.5 Dynamics of soil microbial quotient under straw or biochar application

2.6 秸秆与生物炭还田条件下可溶性有机碳和易氧化碳分配比例的变化

油菜季从苗期到开花期(除2015年1月30日苗期中期)土壤DOC/SOC逐渐增大(图6), 而后成熟期又出现降低, 油菜生育期各处理DOC/SOC变化范围为0.08%~2.68%, 以开花期分配比例最大, 为1.41%~2.68%。玉米生育期各处理DOC/SOC在0.34%~1.46%变化, 且随着作物生长表现出先逐渐增加至灌浆期达到最大, 随后成熟期又稍微降低。整个试验期间各处理DOC/SOC平均比例大小依次为: CS(0.88%)> CSD(0.87%)> CSBC(0.73%)> BC(0.64%)> CK处理(0.61%), CS、CSD和CSBC处理显著高于CK处理(P< 0.05), 而CS、CSD和CSBC之间差异不显著, BC与CK处理不存在显著性差异。

图6 秸秆与生物炭还田下 DOC/SOC和ROC/SOC 变化Fig.6 Dynamics of allocation ratio of DOC/SOC and ROC/SOC under straw or biochar application

土壤ROC/SOC远高于土壤DOC/SOC, 油菜季各处理土壤ROC/SOC呈“ W” 型变化趋势(图6), 各处理土壤ROC/SOC在12.86%~40.86%变化。玉米季各处理土壤ROC/SOC表现为移栽期到抽雄期逐渐增加并达到全生育期最大值(20.49%~32.19%), 开花期到成熟期呈先降低后增加的趋势。各处理ROC/SOC平均比例大小依次为:CS(29.93%)> CSD(29.01%)> CK(27.33%)> CSBC(23.62%)> BC处理(22.31%), 与对照相比, CS和CSD处理显著提高了土壤ROC/SOC, 而BC和CSBC处理显著低于CK处理14.33%~18.38%。

3 讨论
3.1 秸秆与生物炭还田对土壤有机碳和活性有机碳的影响

秸秆和生物炭是含碳丰富的有机物料, 但二者含碳物质组成比例完全不同, 因此, 秸秆与生物炭还田对土壤截碳和固碳潜力的影响也不一致。本研究结果表明:与试验开展前对比, 各处理均能显著增加土壤总有机碳含量, 这与徐江兵等[19]、安婉丽等[20]和侯晓娜等[21]研究结果类似。各处理的有机碳增幅为31.26%~107.82%, 其中以生物质碳(BC)处理最显著, 且生物质碳还田(BC、CSBC)处理显著高于秸秆还田(CS、CSD)处理; 本研究中各处理中均较大程度地增加了土壤有机碳(SOC), 这可能是因为供试土壤有机碳含量较低(9.98 g· kg-1), 各处理养分较为均衡, 因此有利于作物光合作用固碳, 向土壤归还的有机碳量远远高于分解量, 因而SOC表现为碳积累。说明秸秆覆盖有助于本土SOC含量的增加[22]。从图1可看出在2016年1月末到3月末期间, 各处理SOC含量总体上呈逐渐增加的趋势, 这可能是由于此时随着温度的逐渐升高, 降水量逐渐增大, 促进了微生物对有机物料的分解利用, 而此时的光照、温度以及水分条件对作物呼吸作用的提升要弱于微生物的分解作用, 因此在这期间SOC的消耗量持续小于归还量, 表现为SOC总量的不断增加。各处理的SOC分别在油菜蕾薹期和玉米灌浆期达到最高, 油菜季SOC提高幅度大于玉米季。BC、CSBC处理的土壤有机碳在玉米季持续较大幅度地增加, 而CK、CS、CSD处理有机碳含量变化较平稳, 说明生物炭还田提升SOC的效果优于秸秆还田, 且随着还田次数的增加两者会出现较大差异。这可能是由于秸秆含有大量新鲜易分解碳, 在夏季较高的温度条件下, 其归还的碳通过土壤呼吸作用损失较多[23], 贮存固定在土壤中的有机碳减少, 所以秸秆还田下SOC增幅有所减缓; 生物质碳中碳的有效性较低, 与秸秆相比, 在同样的条件下通过土壤呼吸作用损失的碳较少, 因此含生物质碳处理的SOC在玉米季能够持续增加。

土壤微生物量碳(MBC)是土壤碳库中最活跃的部分, 数量虽少, 却对土壤碳循环起着重要作用, 是表征土壤生物肥力的重要指标[24]。秸秆含有丰富的矿质元素, 还田后能促进微生物生长, 进而提高微生物量; 尽管生物炭中碳有效性较低, 但生物炭施入土壤后:一方面, 生物炭具有疏松多孔的结构、巨大的表面积及较高的阳离子交换量等特点, 为土壤微生物提供良好的栖息地; 另一方面, 生物炭空隙内吸附和储存了丰富的营养物质, 为微生物群落提供了充足的养分来源, 可以促进微生物的生长、繁殖和改变土壤中微生物群落结构[25], 进而显著增加土壤微生物数量。本研究中, 秸秆与生物炭还田均能显著提高MBC, 但秸秆、秸秆+速腐剂提高程度均高于生物炭、秸秆+生物炭, 这与张星等[26]的结论一致, 这是由于秸秆、秸秆+速腐剂还田的土壤呼吸显著高于生物炭、秸秆+生物炭[23]。同时秸秆中碳有效性高于生物质碳, 因此微生物活性高。土壤水热条件是影响作物生长、微生物活性和有机物料分解最重要的环境因子, 油菜季MBC最高值出现在角果期, 而玉米季MBC有两个峰值, 分别为拔节期和灌浆期。这可能是由于3月中旬处于油菜角果期和7月上旬处于玉米灌浆期, 土壤水热条件适宜, 光合作用强烈, 作物光合同化碳传输到根部, 然后以根系分泌物、脱落物等形式进入土壤, 部分土壤根际活性碳经过微生物作用转化为微生物量碳; 另外, 该时期微生物活动旺盛, 能分解有机物料并产生大量的活性有机物, 为微生物生长提供了充足能源和基质。玉米拔节期, 一方面秸秆与生物炭还田会直接增加土壤活性有机碳含量, 促进微生物生长、繁殖; 另一方面新鲜有机物料易被微生物分解产生大量有效养分, 反过来刺激了微生物生长及活性提高; 此外, 该时期玉米生长缓慢, 对养分需求较少, 被植物吸收利用的活性有机碳减少, 从而显著增加了微生物量碳。

土壤可溶性有机碳(DOC)是土壤微生物分解转化有机物料的重要能源与碳源, 其中有10%~40%的组分能够直接被微生物分解利用[27]。本研究中土壤微生物量与可溶性有机物之间存在极显著的正相关关系, 表明它们可能存在源与汇的关系。由于2016年1月4日寒潮降雪, 降雪极端温度使土壤微生物数量和活性降低, MBC含量减少, 微生物利用的可溶性有机碳减少, 使土壤中可溶性有机碳积累, 短暂出现峰值。由于3月中旬(油菜角果期)和7月上旬(玉米灌浆期)的土壤水热条件适宜, 光合作用强烈, 作物光合同化碳传输到根部, 然后以根系分泌物、脱落物等形式进入土壤, 增加了土壤可溶性有机碳的源; 同时适宜的水热条件有利于微生物对土壤中有机物料的分解, 增加了DOC含量。本研究中秸秆与生物质碳还田均提高了DOC含量, 秸秆与生物炭还田不仅为微生物生长繁殖提供了丰富的碳源和能源物质, 刺激了微生物的生长, 而且随着微生物活性升高促进了土壤中难溶态物质的活化与分解[28], 从而增加了DOC (图3); 同时秸秆与生物炭还田还能改善土壤质量, 提高作物养分利用效率, 显著促进了作物生长, 增加了地上部分作物残体和根系的归还量, 促进了土壤有机碳的提高, 从而增加了可溶性有机碳转化的源; 另外, 各处理均配施化肥降低了秸秆及生物炭的C/N, 提高腐解速率, 进而直接增加DOC含量。秸秆含有大量可被微生物直接分解利用的物质, 施入土壤后显著促进了土壤呼吸作用[29], 从而增加了DOC的消耗; 生物炭富含高度芳香化的惰性碳, 具有极高的化学生物稳定性, 施入土壤后难以被微生物分解利用, 加之生物炭处理的C/N值过高, 降低了微生物的活性, 微生物利用的可溶性有机碳少, 因此本研究中秸秆还田(CS、CSD)处理的DOC含量提高幅度高于生物质碳还田(BC、CSBC)处理, 与对照相比, 提高了81.52%~95.34%。但玉米季BC和CSBC处理DOC反而高于CS和CSD处理, 这是因为CS和CSD处理的土壤呼吸显著高于BC和CSBC处理, 会消耗更多的土壤可溶性有机碳。

易氧化有机碳(ROC)不仅是反映农业管理措施对土壤质量影响的敏感指标, 同时也是评价土壤潜在生产力的重要指标[29], ROC主要来源于作物根系、地上部分残体归还、死亡土壤微生物体内物质释放及土壤原有机碳活化等, 外源有机物料还田会增加有机质来源并改变土壤C/N值, 同时不同有机物料碳源可利用度不一, 因此有机物料还田在短时间内首先会对ROC有明显的影响。研究发现秸秆与生物炭还田各处理ROC显著高于无物料还田(CK)处理17.76%~56.37%, 有利于土壤中ROC的累积, 其中以CSD处理最显著; 各处理土壤易氧化碳平均含量为: CSD(4.05 g· kg-1)> CS(3.78 g· kg-1)≥ CSBC(3.78 g· kg-1)> BC(3.05 g· kg-1)> CK处理(2.59 g· kg-1)。

3.2 秸秆与生物炭还田对土壤活性有机碳分配比例的影响

尽管土壤活性有机碳占土壤有机碳总量的比例很小, 但它直接参与土壤生物化学转化过程, 是土壤微生物活动的碳源和土壤养分流的驱动力[30], 对农田生态系统的稳定性、生产力及环境具有重要的影响[31]。土壤活性有机碳占土壤有机碳的比例比活性有机碳绝对含量更能反映土壤有机碳的质量和稳定性, 分配比例越高表示有机碳活性越高, 越易被作物和微生物吸收利用, 有机碳周转越快; 该值越低表示有机碳越能长期稳定储存。

微生物熵(qMB)可以从微生物学的角度揭示土壤质量, 该值大小可以反映土壤微生物固碳效益及土壤有机碳变化方向。土壤qMB值一般在0.27%~7.00%[32]。有关研究表明, qMB值变大, 土壤中有机碳处于积累阶段, 反之土壤有机碳处于消耗阶段[33]。本试验中各处理玉米季土壤qMB(0.54%~1.67%)高于油菜季(0.68%~1.48%), 这与李新华等[11]研究不同秸秆还田模式下土壤qMB(0.91%~1.34%)的结果一致。qMB在同一处理内随时间变化不明显, 产生的原因是由于土壤微生物量碳与土壤有机碳总量变化的环境因素大致相同, 两者随时间的变化趋势也类似, 因此微生物量碳与有机碳的比值随时间的推移保持在一定的水平范围内波动。在油菜季与玉米季成熟期, qMB都出现了一定幅度的回落, 这可能是由于微生物对环境变化比较敏感, 因而qMB主要受土壤微生物量影响。该时期土壤有机物料大部分被消耗, 植物根系生理活动也逐渐减弱, 归还到土壤中的养分总量逐渐降低, 导致了土壤微生物数量的减少, 而土壤有机质含量在该时期可以保持在较高水平, 因此, 在两季作物的成熟期, qMB都会逐渐降低。本研究结果显示(图4), 秸秆与生物炭还田对各处理的qMB影响程度并不一致, CS和CSD处理的土壤qMB显著高于对照, 而BC和CSBC处理低于对照。说明秸秆和秸秆+速腐剂还田增加了大量易被微生物直接利用的碳源与能源, 加快了土壤微生物量碳周转速度, 有利微生物固定有机碳, 进而提高了土壤有机碳含量。生物炭还田会显著提高土壤pH, 过高的pH值会抑制微生物生长繁殖。虽然生物炭和秸秆+生物炭并没有提高qMB, 但是生物炭以高度芳香化的惰性有机碳为主, 有极高的化学生物稳定性, 施入土壤后受微生物作用很小、周转速率慢及微生物熵值小, 可长期稳定存在, 因此土壤有机碳可长期累积且显著增加。qMB指标并不能完全代替土壤有机碳来反映土壤质量的变化趋势[34], 本研究中生物炭还田下土壤有机碳含量显著高于秸秆和秸秆+速腐剂, 而土壤qMB却低于秸秆和秸秆+速腐剂, 与有机碳呈相反的方向。这可能是qMB具有一定的灵敏性, 可作为土壤有机碳刚好发生变化或未达到平衡时的指标, 但当土壤有机碳达到了平衡状态后仍以有机碳总量为指标较好[34]。

DOC/SOC和ROC/SOC受物料投入量、物料品质、土壤温度、土壤水分、作物生长和土壤类型影响, 本研究中, 作物生长和土壤水热条件是影响DOC/SOC和ROC/SOC的重要因子, DOC/SOC和ROC/SOC呈季节性变化, 在作物生长初期其分配比例低于生长中后期。主要是随着温度的上升, 一方面, 微生物加速了新鲜还田的有机物料的分解, 直接产生了较多的活性有机碳; 另一方面, 作物旺盛的生长产生了更多的凋落物、根系分泌物和微生物残体等活性有机碳, 提高了微生物数量和活性。夏季频繁的降水也会间接影响微生物活性, 土壤干湿交替会加速土壤团聚体破碎, 使团聚体结合的活性碳随水溶出, 进而增加了土壤活性碳含量。本试验中CS、CSD和CSBC处理的DOC/SOC平均比例显著高于CK和BC处理(P< 0.05), 表明新鲜秸秆本身含有一定可溶性有机碳和微生物分解转化产生的可溶性有机碳两者共同显著提高了DOC/SOC, 而生物炭具有稳定的芳香性结构, 可溶性有机碳比秸秆低, 生物有效性低, 因此生物炭还田后DOC/SOC显著低于秸秆, 这与陈安强等[35]和Luo等[36]的研究认为生物炭处理的土壤可溶性有机碳分配比例高于秸秆处理的结果不一致, 他们认为生物炭对土壤原有有机碳矿化有正激发效应, 而笔者对秸秆与生物质还田下土壤呼吸和土壤有机碳含量研究显示, 生物炭还田后会抑制土壤原有机碳分解, 产生负激发效应; 出现不一致的结果原因还有可能与制备生物炭的原料、温度和时间, 以及试验时间长短和土壤类型有关。从土壤肥力角度, 较高的DOC/SOC有利于养分分解供作物吸收利用, 提高土壤生产力; 但从土壤固碳角度, 较高的DOC/SOC将会加大DOC随径流失的风险, 降低了土壤有机碳稳定性, 不利于土壤碳持续稳定保存。土壤ROC/SOC越高, 说明土壤碳的活性越大, 稳定性越差[37], 养分循环速率越快, 不利于土壤有机质的积累。土壤ROC/SOC远高于土壤DOC/SOC, 各处理土壤ROC/SOC范围为10.33%~32.19%。与对照相比, CS和CSD处理显著提高了土壤ROC/SOC, 而BC和CSBC处理却显著低于CK处理14.33%~18.38%, 表明秸秆还田促进了易氧化碳分配, 提高了土壤有机碳活性与土壤养分有效性; 而生物质还田却降低了易氧化碳分配比例, 促进了缓效性和惰性有机碳库积累, 有利于土壤有机碳稳定保存。

4 结论

秸秆与生物炭还田均能显著增加土壤总有机碳含量, 且生物炭(BC)和秸秆+生物炭(CSBC)还田处理对土壤有机碳改善效果优于秸秆(CS)和秸秆+速腐剂还田(CSD)处理。对土壤活性碳组分而言, 除玉米季土壤可溶性碳外, 秸秆和秸秆+速腐剂还田提高土壤各组分活性碳效果优于生物炭和秸秆+生物炭, 其中CSD处理效果最佳。与CK相比, CS、CSD处理能显著提高土壤微生物熵(MBC/SOC)和ROC/SOC, 而BC、CSBC处理降低了6.38%~24.47%、14.33%~18.38%, 且CS、CSD处理对DOC/SOC的提升效果显著高于CSBC、BC(P< 0.05)。总体上, 秸秆、秸秆+速腐剂还田能促进微生物可直接利用的活性碳转化, 提高土壤有机碳活性, 加快土壤微生物量碳周转速度, 有利于微生物固定有机碳, 提高微生物碳利用效益, 改善土壤生物肥力; 尽管生物碳还田微生物活性较低, 但土壤有机碳及其稳定性较高, 有利于土壤有机碳积累, 促进土壤固碳。

The authors have declared that no competing interests exist.

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