孙 娇，周 涛，郭鑫年，梁锦秀

添加秸秆及生物质炭对风沙土有机碳及其活性组分的影响①

孙 娇，周 涛，郭鑫年，梁锦秀*

(宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，银川 750002)

以宁夏贺兰山东路风沙土为研究对象，分析秸秆、生物质炭等碳量添加下土壤有机碳及活性碳组分的变化，为确定该地区最佳施肥措施提供科学理论依据。结果表明：添加生物质炭和秸秆均显著增加了土壤有机碳含量，与对照相比土壤有机碳含量分别增加了7.7%、7.5%。添加生物质炭有利于土壤易氧化有机碳、颗粒有机碳的积累，二者含量分别比对照增加49.6%、17.5%；而添加秸秆更有利于土壤微生物生物量碳、可溶性有机碳的积累，其含量分别比对照分别增加25.8%、59.9%。秸秆与生物质炭添加均显著增加了土壤速效氮、容重和黏粒含量，且以添加生物质炭增加作用更为明显，显著降低了土壤全盐、砂粒含量。土壤有机碳、可溶性有机碳、颗粒有机碳、易氧化有机碳与速效氮含量极显著正相关，与全盐、砂粒含量极显著负相关；土壤可溶性有机碳、颗粒有机碳、易氧化有机碳与容重极显著负相关；而土壤微生物生物量碳与理化性质之间无显著相关性。综上，在风沙土中添加生物质炭更有利于土壤活性碳库提升和理化性质改善，且以年添加量7 t/hm2以上为宜。

生物质炭；秸秆；有机碳；活性碳组分

土壤碳库(2 500 Gt)是大气碳库(760 Gt)的3.3倍，是生物碳库(560 Gt)的4.5倍，研究土壤碳变化对分析全球碳循环具有重要意义[1]。但土壤有机质周转缓慢，土壤碳库变化主要发生在活性碳库中。土壤活性有机碳是指土壤中易矿化分解、移动速度快，受植物、微生物、土壤环境等影响强烈的那部分有机碳[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(dissovled organic carbon，DOC)、易氧化有机碳(easily-oxidized organic carbon，EOC)、颗粒有机碳(particulate organic carbon，POC)[3]。尽管活性有机碳在土壤有机碳(soil organic carbon，SOC)中占比较小，但反应灵敏，常被认为是农田管理措施的敏感指标，对研究土壤肥力概况有重要意义。

宁夏风沙土总面积达60万hm2，主要分布在中部干旱地带。风沙土土壤贫瘠、漏水漏肥、生物功能退化，急需建立瘠薄风沙土地力快速提升的固碳培肥措施。农田土壤有机碳主要来源是作物残体、有机肥和其他有机残骸[4]。利用秸秆直接还田或制备成生物质炭还田均能显著提升土壤碳库水平，促进土壤碳氮转化，是土壤培肥的重要手段[5]。秸秆还田可提高土壤肥力、增加作物产量与品质，但秸秆易分解，会引起土壤有机碳活性及稳定性的改变[6]。生物质炭是生物质在缺氧条件下热解炭化制作成的富含碳的物质，可增加土壤碳截留和肥力[7]。研究表明，秸秆还田显著提高了土壤活性有机碳组分含量[8]；而生物质炭为惰性碳，可促进土壤团聚体形成、增加SOC含量及稳定性[9]。秸秆和生物质炭还田均可提高SOC、POC和MBC等含量，改善土壤肥力[10]。也有研究认为少量生物质炭还田可提高土壤DOC和EOC含量[3]。

明确秸秆和生物质炭的土壤改良潜力，特别是对风沙土的固碳培肥潜力，需要充分了解SOC组分及其与土壤肥力的关系。为此，本研究以宁夏贺兰山东路风沙土为研究对象，通过田间试验，分析不同秸秆、生物质炭施用量对SOC含量的影响，探讨活性有机碳组分之间的相互关系及与土壤肥力的相关性，以期为确定该地区最佳施肥措施提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017—2019年在宁夏永宁县黄羊滩农场进行(106°01′216″E，38°34′263″N)。试验区海拔1 129 m，属温带大陆性气候区，年降水量180 ～ 220 mm，年蒸发量1 500 mm左右，年均日照时数2 322.3 h，年均辐射量512.2 kJ/cm2，年均气温8.3 ℃，无霜期145 d。供试土壤为砂质灰钙土，耕层土壤pH 8.4，全盐0.3 g/kg，有机碳3.4 g/kg，全氮0.3 g/kg，碱解氮22 mg/kg、有效磷7.6 mg/kg、速效钾40 mg/kg。

1.2 试验设计

试验以迪卡159号玉米为研究材料，采用完全随机区组设计，在施氮(尿素，含N 460 g/kg)、磷(磷酸钙，含P2O5140 g/kg)、钾肥(氯化钾，含K2O 600 g/kg)的基础上设置对照(CK)、低量生物质碳(BCⅠ)、中量生物质炭(BCⅡ)、高量生物质炭(BCⅢ)、低量秸秆(SⅠ)、中量秸秆(SⅡ)、高量秸秆(SⅢ)共7个处理。每个处理重复3次，共计21个小区，各小区面积为40 m2(5 m × 8 m)。所用生物质炭以玉米秸秆为原料烧制，由宁夏玉泉实业生物科技有限公司提供；该生物质炭总C、N、P、K含量分别为467.0、13.4、2.5、29.8 g/kg。玉米秸秆总C、N、P、K含量分别为450.1、7.9、0.8、12.9 g/kg。生物质炭与秸秆等碳量投入，均于玉米播种前一天全部撒施后由旋耕入土；氮、磷、钾肥随水滴入。肥料施用量如表1所示。

玉米于4月20—23日播种，9月20—22日收获，生育期150 ～ 155 d。采用宽窄行种植方式，宽行行距60 cm，窄行行距40 cm，在窄行铺设滴管带。玉米种植株距22 cm，密度8.2×104株/hm2。采用机井水滴灌，灌水定额约5 200 m3/hm2，整个生育期滴灌10 ～ 12次，各处理同等灌水量。

表1 不同处理肥料施用量

1.3 测定项目及方法

于2019年9月底玉米收获期在各小区采集0 ～ 20 cm土层土壤样品，每个小区用土钻进行“S”型6点取样，鲜土样过2 mm筛后混合为一个样品，放入便携式冰盒中并立即带回实验室。土样分为两部分，一部分储存在4 ℃冰箱中，用于土壤DOC、MBC的测定；另一部分置于阴凉通风处风干，用于其他碳组分与理化性质测定。另外，在各小区挖好的土壤剖面上，用容积为100 cm3的环刀采集0 ～ 20 cm土层的原状土，每土层制作3环刀原状土，供物理性质测定。

土壤pH利用pH计测定，水土质量比2.5∶1；电导率(EC)利用电导率仪测定，水土质量比5∶1；容重采用环刀法测定；机械组成采用采用吸管法测定；土壤全氮采用半微量凯氏法测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；SOC采用重铬酸钾氧化外加热法测定[11]；可溶性有机碳(DOC)采用去离子水浸提法测定[12]；EOC采用高锰酸钾氧化–比色法测定[13]；POC利用六偏磷酸钠溶液分离后元素分析仪测定[14]；MBC采用氯仿熏蒸浸提法测定[15]。

1.4 数据处理

土壤全盐含量(g/kg)=2.908 6×土壤电导率(mS/ cm)+0.145 9[16]。

利用Excel 2003和SPSS 19.0对试验数据进行统计分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)进行差异显著性检验；通过相关性分析来描述各测量指标的相关程度。图表的制作采用Origin 9.0和Excel 2003软件。

2 结果与分析

2.1 秸秆及生物质炭对土壤有机碳含量的影响

由图1所示，与对照相比，等碳量添加生物质炭和秸秆均显著增加了SOC含量，且随着施用量增加SOC含量呈显著增加的趋势(<0.05)。其中，添加秸秆土壤SOC含量增加了7.5%，添加生物质炭土壤SOC含量增加了7.7%。添加等碳量生物质炭与秸秆处理之间SOC含量无显著差异。

(图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同)

2.2 秸秆及生物质炭对土壤活性碳组分含量的影响

除添加低量生物质炭土壤EOC显著低于对照外，等碳量添加生物质炭和秸秆均能显著增加土壤活性碳组分EOC、POC、MBC、DOC含量(图2)。其中，添加秸秆土壤EOC、POC、MBC、DOC平均含量分别增加了26.8%、10.8%、25.8%、59.9%，添加生物质炭土壤分别增加了49.6%、17.5%、22.3%、36.0%。与秸秆处理相比，添加中量和高量生物质炭土壤EOC、POC含量显著增高，而MBC、DOC含量显著降低。添加中量秸秆土壤POC、MBC、DOC含量最高，分别比对照增加了19.0%、30.9%、71.0%；而土壤EOC含量随着秸秆添加量的增加呈显著降低趋势。随着生物质炭添加量的增加，土壤EOC、POC、DOC含量呈显著增加趋势，添加高量生物质炭土壤EOC、POC、DOC含量分别比对照增加了98.0%、26.5%、48.1%；而土壤MBC含量随生物质炭添加量增加呈显著降低的趋势，与对照相比，添加低量生物质炭土壤MBC含量增加了39.2%。

图2 秸秆及生物质炭处理土壤有机碳组分含量

2.3 秸秆及生物质炭对土壤活性碳组分比例的影响

如图3所示，与对照相比，等碳量添加生物质炭和秸秆后土壤活性碳组分比例的变化趋势与活性碳组分含量变化趋势相近，添加秸秆土壤EOC/SOC、POC/SOC、MBC/SOC、DOC/SOC分别平均增加了17.9%、3.0%、17.1%、47.1%，添加生物质炭土壤分别平均增加了37.9%、8.7%、13.6%、24.6%。与秸秆处理相比，添加中量和高量生物质炭土壤EOC/SOC、POC/SOC显著增高，而MBC/SOC、DOC/SOC显著降低。添加低量秸秆土壤EOC/SOC最高，与对照相比增加了25.0%；而添加中量秸秆土壤POC/SOC、MBC/SOC、DOC/SOC最高，分别比对照增加了11.3%、22.3%、58.5%。随着生物质炭添加量的增加，土壤EOC/SOC、POC/SOC、DOC/SOC呈显著增加趋势，与对照相比，添加高量生物质炭土壤EOC/SOC、POC/SOC、DOC/SOC分别增加了78.8%、14.2%、32.0%，而土壤MBC/SOC随生物质炭添加量增加呈显著降低趋势，添加低量生物质炭土壤MBC/SOC增加了32.2%。

图3 秸秆及生物质炭处理土壤有机碳组分在总有机碳中的占比

2.4 秸秆及生物质炭对土壤理化性质的影响

添加秸秆与生物质炭处理土壤理化性质如表2所示。与对照相比，等碳量添加秸秆与生物质炭显著增加了土壤速效氮、黏粒含量，显著降低了土壤全盐含量、容重、砂粒含量，且以添加生物质炭对土壤速效氮、黏粒含量的增加作用更为明显，与对照相比分别增加了38.8% 和70.3%。添加秸秆、生物质炭对土壤pH影响不显著。随着秸秆和生物质炭添加量的增加，土壤速效氮、黏粒含量呈显著增加的趋势，土壤全盐、砂粒含量显著降低。

表2 秸秆及生物质炭处理土壤理化性质

注：表中同列不同小写字母表示处理间差异显著(<0.05)。

2.5 土壤有机碳及活性碳组分与理化性质的相关性

由表3可知，土壤SOC、EOC、DOC、POC含量与速效氮含量极显著正相关(<0.01)，与全盐、砂粒含量极显著负相关；土壤SOC与全氮含量极显著正相关，与黏粒含量显著正相关，与容重显著负相关；土壤EOC、DOC、POC含量与容重极显著负相关。另外，EOC含量与黏粒含量显著正相关，POC含量与全氮、黏粒含量显著正相关；土壤MBC与理化性质之间无显著相关性。

表3 土壤有机碳及活性碳组分与理化性质之间的相关性

注：*、**分别表示在<0.05、<0.01水平显著相关。

3 讨论

SOC在改善土壤理化性质及生物学性质方面发挥着重要作用，是土壤质量的重要指标。与对照相比，等碳量添加生物质炭和秸秆均显著增加了SOC含量。生物质炭是含碳丰富的有机物料，还田后不仅能增加SOC含量，还能改善土壤养分状况[3]。秸秆还田可以增强土壤微生物活性，提高土壤有机质和土壤肥力[17]。本研究中随着生物质炭与秸秆施用量的增加，SOC含量呈显著增加的趋势。生物质炭还田能持续稳定地增加SOC含量[3]。由于本试验供试土壤SOC含量仅为3.4 g/kg，生物质炭可增加作物对CO2的吸收，从而促进根系的固碳作用；另外生物质炭提高了作物根系生物量，最终引起SOC含量增加[18]。添加生物质炭可减缓高温天气对作物生长的抑制，也影响SOC含量[10]。增加秸秆还田量可提高SOC含量，粉碎秸秆以18 000 kg/hm2施入更能提高土壤有机质含量[18]。本研究在风沙土中添加等碳量生物质炭与秸秆处理之间SOC含量无显著差异，而前人研究多认为施用生物质炭更有利于增加SOC含量[17,20]，这可能与本试验区土壤水分、养分含量极低，外加干旱少雨导致秸秆腐熟慢有关。

土壤活性碳组分对植物和微生物具有较高的活性，对耕作措施反应敏感。本试验研究结果表明，与对照相比，等碳量添加生物质炭和秸秆均能显著增加土壤活性碳组分含量。这主要是因为秸秆与生物质炭还田可以刺激土壤微生物生长与繁殖，促进土壤难溶态物质活化与分解[10]；还可以提高土壤质量，显著促进作物生长，增加土壤有机质归还量[21]。另外，各处理均配施了化肥，降低了秸秆与生物质炭碳氮比(C/N)，提高了土壤有机质腐解速率[22]。本研究中，添加中量秸秆的土壤POC、MBC、DOC含量最高。研究表明，高秸秆还田量下耕层土壤中的DOC含量降低[23]；随着秸秆还田量增加，土壤活性碳组分变化呈先增加后降低的趋势[24]，究其原因可能是秸秆还田量过高会引起土壤C/N升高，还田后造成土壤微生物数量和和活性降低[25]。而本研究中土壤MBC含量随生物质炭添加量增加呈显著降低的趋势，这可能是由于土壤微生物被生物质炭吸附，降低了微生物与土壤的接触面所导致的[3]。与秸秆处理相比，添加中量和高量生物质炭土壤MBC、DOC含量显著降低。这是因为生物质炭是一种高度芳香化的物质，稳定性高，而稳定性较差的秸秆在腐解过程中可以释放大量的DOC[26]。而添加中量和高量生物质炭土壤EOC、POC含量显著增高，这与郭军玲等[27]研究结果一致，其研究表明，添加生物质炭可显著提高灰漠土EOC含量，这是因为添加生物质炭更能提高作物生物量，从而增加了土壤EOC含量。

本研究中添加秸秆与生物质炭显著增加了土壤黏粒含量、降低了砂粒含量，且以添加生物质炭对土壤黏粒含量的增加作用更为明显，这与前人研究结果相似[28]。有机物料培肥可显著降低土壤砂粒和粉砂粒含量[29]。秸秆与生物质炭添加显著降低了土壤容重。土壤容重降低意味着土壤结构及其通气性得到改善。由于秸秆施入土壤后无法在短期内矿化分解，可迅速改善土壤通透性、降低土壤容重[30]。秸秆炭化后疏松多孔，施入土壤后能够通过吸附微小土壤颗粒达到持续降低土壤容重的目的[31]。等碳量添加秸秆与生物质炭显著增加了土壤速效氮含量，且以添加生物质炭的增加作用更为明显。秸秆还田后能被土壤微生物迅速降解，释放大量养分，因而能增加土壤养分含量[19]。秸秆制成生物质炭后其电荷密度较高，能强烈吸附土壤养分，增加养分利用效率[18]。

4 结论

添加生物质炭和秸秆均显著增加了SOC含量，而等碳量生物质炭、秸秆添加处理间的SOC含量无显著差异。对土壤活性碳组分而言，添加中、高量生物质炭土壤的EOC、POC含量及比例显著高于等碳量秸秆处理，而其MBC、DOC含量及比例显著低于等碳量秸秆处理。随着生物质炭添加量的增加，土壤EOC、POC、DOC含量及比例显著增加；而MBC含量及比例呈显著降低的趋势。等碳量添加秸秆与生物质炭显著增加了土壤全氮、速效氮、粉粒、黏粒含量及容重，显著降低了土壤全盐、砂粒含量，且以添加生物质炭对土壤全氮、速效氮、黏粒含量的增加作用更明显。土壤SOC、EOC、DOC、POC含量与速效氮含量极显著正相关，与全盐、砂粒含量极显著负相关；土壤EOC、DOC、POC含量与容重极显著负相关。另外，EOC含量与黏粒含量显著正相关，POC含量与全氮、黏粒含量显著正相关，MBC与理化性质之间无显著相关性。综上，在风沙土中添加生物质炭更有利于土壤活性碳库提升和理化性质改善，且以年添加量7 t/hm2以上为宜。

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Effects of Biochar and Straw on Soil Organic Carbon and Fractions of Active Carbon in Aeolian Sandy Soil

SUN Jiao, ZHOU Tao, GUO Xinnian, LIANG Jinxiu*

(Institute of Agricultural Resources and Environment, Academy of Agriculture and Forestry Sciences of Ningxia, Yinchuan 750002, China)

Taking the aeolian sandy soil in eastern Helan road of Ningxia as the study object, the changes of soil organic carbon (SOC) and active carbon components under the addition of straw and biochar were analyzed in order to provide scientific theoretical basis for determining the best fertilization measures in this area.The results showed that biochar and straw significantly increased the content and storage of SOC, and compared with the control, SOC content increased by 7.7% and 7.5%, respectively.The addition of biochar was beneficial to the accumulation of soil easily-oxidized organic carbon and particulate organic carbon, which were increased by 49.6% and 17.5%, respectively.While straw addition was more conducive to the accumulation of soil microbial biomass carbon and soluble organic carbon, which were increased by 25.8% and 59.9%, respectively.The addition of straw and biochar significantly increased soil available nitrogen, bulk density and clay content, significantly reduced the contents of soil total salt and sand particles, and the increase effect of biochar was more obvious than straw.SOC, soluble organic carbon, particulate organic carbon and easily-oxidized organic carbon were significantly positively correlated with available nitrogen content, and negatively correlated with total salt and sand content.Soil soluble organic carbon, particulate organic carbon and easily-oxidized organic carbon were significantly positively correlated with bulk density.However, there was no significant correlation between soil microbial biomass carbon with physiochemical properties.In conclusion, adding biochar to aeolian sandy soil is more conducive to the improvement of soil active carbon pool and physiochemical properties, and the appropriate annual addition amount is more than 7 t/hm2.

Biochar; Straw; Soil organic carbon (SOC); Fraction of soil active carbon

S153.6

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.04.018

孙娇, 周涛, 郭鑫年, 等.添加秸秆及生物质炭对风沙土有机碳及其活性组分的影响.土壤, 2021, 53(4): 802–808.

宁夏农林科学院科研项目(NKYJ-18-17，NKYZ-16-0906)资助。

(734703202@qq.com)

孙娇(1989—)，女，甘肃庆阳人，硕士，主要研究方向为土壤质量。E-mail: 915336809@qq.com