生物炭添加对土壤腐殖物质组成的影响

黄兆琴，周 强，胡林潮，程德义，代静玉

（1.南京农业大学资源与环境科学学院，江苏南京 210095；2.江苏城市职业学院环境生态学院，江苏南京 210017；3.常州大学环境与安全工程学院，江苏常州 213164）

土壤有机质是指存在于土壤中的所有含碳的有机物质，是一类复杂的混合物，其中腐殖物质占有机质总量的70%～80%［1］。在大多数的土壤和沉积物中，腐殖物质在土壤肥力、环境保护、农业可持续发展等方面都有很重要的作用和意义［2］。近年来，通过增加碳沉降来减缓气候变化已获得全球共识，国际社会纷纷提出了把农业废弃物热解处理转化为生物质炭，炭化产物重新施入土壤并封存，从而实现固碳减排的作用［3-5］。生物炭施入可增加土壤有机碳总量，改良土壤结构和性质，促进土壤团聚体的形成，增加土壤养分，调节土壤微生物活动，促进植物生长［6-7］，减少温室气体的排放，减缓温室效应［8］。目前已有研究报道，生物炭添加能够促进土壤有机质水平的提高［9-10］，也有学者认为将生物炭加入土壤中不仅能够增加土壤有机碳含量，还会降低土壤有机碳的矿化速率和累积矿化量，长期单一施用生物质炭可能会引起土壤有机质活性降低［11］。可见，外源生物质炭施加对土壤固有有机质的组成和结构有一定影响，但国内外对于生物炭与土壤腐殖物质相互作用过程、生物炭对改变或影响土壤腐殖物质各组分的详细机制还缺乏系统阐述。本研究通过生物炭与土壤室内共培养试验，在试验时间内对土壤腐殖物质进行提取和分离，测定土壤胡敏酸（HA）、富里酸（FA）及光学性质，探讨不同施加量下生物炭对土壤腐殖物质组成的影响。

1 材料与方法

1.1 供试土壤采集与生物炭的制备

供试土壤为水稻土，采自江苏省溧阳市南渡镇（119.38°E、31.42°N），在田间按“蛇形”采样法随机采取表层0～20 cm土壤，风干后过100目筛待用，另取部分土样用于土壤有机质和全氮等基本性质含量的测定。供试土壤pH值为5.20，有机碳含量为12.40 g/kg，总氮含量为1.40 g/kg，沙粒、粉沙和黏粒含量分别为188、292、520 g/kg，土壤质地为黏土。

以水稻稻壳为原材料制备生物炭，将采自南京市城郊的水稻稻壳置于烘箱中，在（50±1）℃下烘至恒质量，装入金属容器（18 cm×15 cm×5 cm），填满并压实后密封。将金属容器置于马弗炉内加热，设置马弗炉的终温分别为350、550℃，升温速率为13.33℃/min，达到终温后持续加热2 h，待样品冷却至室温后取出。用研钵将生物炭磨碎，过0.150 mm筛备用，将350、550℃制得的生物炭分别记作R350、R550。

1.2 供试土壤与生物炭共培养试验

称取一定质量过100目的土壤样品放入塑料容器中，按生物炭与土壤质量比为1%、3%、5%的比例将生物炭添加入土壤中，混匀后置于室温下培养，保证其含水率为土壤质量的40%，设3个平行，并以未添加生物炭的空白土壤为对照，并于生物炭与土壤共培养后0、30、120、240 d采集土壤样品用于分析，每次设3个重复，用于考察生物炭添加对土壤腐殖物质及组分的影响。

1.3 腐殖物质的提取与分析

腐殖物质的提取采用国际腐殖物质学会（IHSS）推荐的方法［12］。腐殖酸总碳、胡敏酸（以胡敏酸碳含量计）、富里酸（以富里酸碳含量计）含量测定采用重铬酸钾比色法；胡敏酸的E4/E6采用分光光度计法，在465、665 nm处分别测定胡敏酸溶液的消光值（分别记为E4和E6），计算E4/E6比［13］。

1.4 数据处理与分析

试验数据采用Excel 2010及SPSS 17.0数据处理软件进行统计分析，利用SPSS 17.0中单因素方差分析和Tukey多重比较法比较不同处理数据的差异。

2 结果与分析

2.1 生物炭施入后土壤腐殖酸的变化

按照1%、3%、5%的比例添加不同温度下制备的生物炭R350、R550于供试土壤中，土壤腐殖酸总碳含量的变化如图1所示。由图1可知，生物炭加入土壤后30 d左右，腐殖酸含量增加，之后随共培养时间的增加而逐渐降低，培养240 d后土壤腐殖酸总量减少为培养初期（0 d）的64%～75%，即不管是添加高温还是低温制备生物炭，土壤腐殖酸总碳含量均呈现先升高后降低的趋势，生物炭的添加比例越大，土壤腐殖酸含量变化越明显。生物炭加入土壤后短期内（30 d）腐殖物质含量增加，主要源于生物质在热解制备过程中生成类腐殖酸类物质［14］以及活性有机碳，并随生物质炭施入进入土壤环境，进而影响土壤腐殖酸碳的总量，有学者研究发现，生物炭和土壤胡敏酸的核磁共振波谱具有明显的相似性，也证实生物炭可能成为土壤腐殖物质中高度芳香化组分的来源［15］。进入环境中后生物炭与微生物、矿物等发生生物及非生物的氧化过程［8］，导致其物理化学特性发生改变，其上所含含氧官能团发生变化并影响土壤腐殖物质的组成，如在微生物的作用下将生物炭的脂肪族碳转化为有机碳库中的胡敏酸等腐殖物质碳，类腐殖酸也会发生一系列反应。

2.2 生物炭施入土壤后胡敏酸的变化

作为土壤有机质的最大组成部分，腐殖质对土壤中许多复杂化学反应起重要作用。胡敏酸（HA）、富里酸（FA）是土壤腐殖质的主要组成成分。生物炭的施入在改变土壤腐殖酸含量的同时，也使土壤腐殖质的组成发生变化。图2显示，与未添加生物炭的对照相比，添加R350、R550后供试土壤样品中胡敏酸含量均减少；在生物炭加入土壤后培养240 d时比未添加生物炭土壤胡敏酸含量少63%～77%。即随生物炭加入土壤时间的增加，土壤胡敏酸含量呈现先增加后减小的趋势，这与腐殖酸碳含量变化一致。生物炭的添加降低了土壤胡敏酸的含量，较高温度制得生物炭（R550）添加比例对胡敏酸含量变化的影响表现为5% ＞3%＞1%，即生物炭添加比例越高，胡敏酸减少量越明显；而较低温度制得生物炭（R350）对胡敏酸含量变化的影响为5%＞1%＞3%。

2.3 生物炭施入土壤后胡敏酸光学特性的变化

胡敏酸的光学特性是判断土壤腐殖质性质的重要依据。E4/E6的值可以反映土壤的腐殖化程度和芳香缩合度［16］，E4/E6的值低说明芳香族成分具有较高的缩合度，腐殖化程度较高，其值高表明芳香缩合度低并可推测具有较多的脂肪族成分。生物炭施入土壤后，胡敏酸的E4/E6值的变化情况如图3所示。由图3可知，不同温度下制备而得的生物炭添加到土壤中，对土壤胡敏酸E4/E6值产生的影响不尽相同，低温制备生物炭（R350）的添加可提高土壤胡敏酸E4/E6值，并随生物炭添加比例增加而增加，说明生物炭加入土壤后胡敏酸的芳香缩合度降低，这是由于低温制备生物碳本身炭化不完全，含有较多脂肪族物质，同时热解过程中产生的类腐殖物质包裹在生物炭表面，同生物炭一起被添加到土壤中导致胡敏酸芳香缩合度下降，另外可能是生物炭输入土壤后与HA发生了吸附作用。添加高温制备的生物炭后土壤胡敏酸E4/E6值降低，说明土壤腐殖物质中芳香族成分含量增加，这与高温制备生物炭芳香化程度高、结构致密有关。

2.4 生物炭施入土壤后富里酸及胡富比的变化

胡富比H/F是土壤胡敏酸（HA）与富里酸（FA）的比值，H/F的大小常用作衡量土壤腐殖物质聚合程度高低的指标，H/F值大，表明腐殖质聚合程度较高，相反则表明土壤具有较低的聚合程度。2种供试生物炭施入土壤后土壤胡富比的变化情况如表1所示。由表1可知，添加生物炭后（0 d）土壤H/F值比对照土壤样品小，且对于添加生物炭的土壤样品而言，随着培养时间增加，土壤H/F值呈现增加的趋势，培养240 d后土壤H/F值达到了与对照土壤相当的水平。添加生物炭后土壤H/F的减小可能是因为一部分HA在微生物的作用下转化成了FA或者添加的生物炭使得FA的生成速率大于HA，从而使得富里酸在培养30 d时总量增加（图4），导致H/F比值减小。随着共培养的持续进行，氧化程度和芳香缩合度相对较低的FA在微生物的作用下被分解，造成富里酸总量减少，使得土壤H/F值在胡敏酸总量减少的情况下仍然升高。

表1 添加生物炭后土壤胡富比（H/F）随时间的变化

3 讨论

生物炭施入土壤后，其发达的孔隙结构能够为土壤中微生物提供生存空间，形成微生物活动层，生物炭所含脂肪族或易氧化态碳为微生物提供生长碳源和能源，提高微生物的活性和数量，加速微生物对土壤碳的消耗，丰富的微生物活动不仅有利于微生物的生长繁衍，还能促进生物炭向腐殖物质碳转换。Otsuka等研究表明，添加生物炭后土壤细菌多样性比未添加生物炭土壤高25%［17］；顾美英等发现，施用生物炭能提高棉田土壤有机质含量，并促进细菌、真菌、纤维素分解菌和自生固氮菌的生长［18］。生物炭添加比例越大，微生物的活性和数量越大，造成土壤矿化作用速率越快，可能会导致土壤腐殖酸的变化量越明显，因此随着生物炭与供试土壤样品共培养时间的增加，土壤中腐殖酸碳含量降低。不同温度下制备而得的生物炭性质不同［19］，低温生物炭（R350）含有较多的脂肪族物质，极易通过矿化方式而分解，而高温生物炭（550）芳香度较高，结构致密，生物炭的孔隙结构对土壤HA具有一定的聚合和吸附作用，从而导致不同温度制备的生物炭的施入总体降低土壤HA的含量，这与赵世翔等的研究结果［14］一致。此外，生物炭与土壤共培养的过程中土壤胡敏酸的芳香化程度增加，土壤的腐殖化程度提高，可能是在微生物的作用下，小分子腐殖物质发生降解、腐殖物质分子之间相互缩聚、聚合［20］，生物炭与腐殖物质发生共腐殖化，使得土壤HA的缩合度增加、结构变复杂，生物炭的添加总体提高了土壤的腐殖化程度。王英惠等研究发现，将高温制备的生物炭加入土壤后土壤腐殖化程度变大，并认为高温生物炭因芳香化程度高、致密性强、具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积而对土壤中腐殖物质可能有一定的聚合和吸附作用，低温制备的生物质炭残留有机质较多，脂肪族结构含量较高，进入土壤后这一部分容易分解参与到土壤腐殖化过程［21］。有学者研究认为，生物炭输入能增加土壤H/F的值，增加土壤中相对稳定性碳的比例，施加不同温度下制备的生物炭对土壤腐殖物质组成影响不同，高温制备的生物炭显著降低土壤HA及FA的色调系数（Δlg K）和E4/E6值，使土壤腐殖物质的结构复杂化，而低温制备的则相反［5］，而本研究中高温、低温制备生物炭添加入土壤后，土壤腐殖物质H/F的值均减小，但随着培养时间的增加，同一添加比例下土壤H/F的值呈现增加的趋势，即在生物炭与土壤共培养过程中土壤腐殖物质的聚合程度增加，可能是生物炭与腐殖物质、腐殖物质与腐殖物质之间综合作用的结果。

4 结论

按照1%、3%、5%的比例，将不同温度下制备的生物炭添加至供试土壤中，土壤腐殖酸碳的含量变化发生了改变；随着2种生物炭与土壤共培养的进行，土壤腐殖酸含量均呈现先稍升高后降低的趋势；生物炭添加比例越大、加入土壤时间越长，土壤腐殖酸含量的变化越明显；生物炭长期施入土壤会减少土壤腐殖酸含量。

随着生物炭施入土壤时间的增加，土壤胡敏酸含量呈现先增加后减小的趋势，这与腐殖酸碳含量变化一致。生物炭的添加降低了土壤胡敏酸的含量，较高温度制得的生物炭（R550）添加比例对胡敏酸含量变化的影响表现为5% ＞3%＞1%，即生物炭添加比例越高，胡敏酸减少量越明显；而较低温度制得的生物炭（R350）对胡敏酸含量变化的影响为5%＞1%＞3%。

低温制备生物炭（R350）的添加可提高土壤胡敏酸E4/E6值，使土壤芳香缩合度降低，并随生物炭添加量的增加而增加；高温制备生物炭（R550）被添加到土壤后胡敏酸的E4/E6值反而减小，增加土壤腐殖物质中芳香族成分含量。