棉秆炭特性及其对灰漠土土壤有机碳矿化的效应

唐光木,徐万里,顾美英,姚红宇,蒲胜海,胡克林

1 中国农业大学资源与环境学院,北京 100193 2 新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所,乌鲁木齐 830091 3 新疆农业科学院微生物应用研究所,乌鲁木齐 830091

二氧化碳、氧化亚氮和甲烷作为重要的温室气体,其排放量不断增加是引起全球气候变暖的重要原因[1],而农田生态系统是温室气体排放源之一,占全球温室气体总排放量的10%—20%[2],土壤碳库作为农田生态系统重要的碳库和碳源,碳储量高达2700亿 t[3],土壤碳库的微小波动对全球气候变化的影响不容忽视。因此,如何有效降低土壤碳库的温室气体排放量已成为当今人类亟待解决的问题。生物炭是生物质裂解或气化过程中获得的富碳物质[4],作为一种土壤改良剂,添加到土壤能够提高土壤质量[5]和促进作物生长[6]。同时,生物炭性质稳定,能够抵抗生物和非生物退化[7- 8],具有降低土壤有机质释放二氧化碳的潜力[9- 10],每年可减少1.8—9.5 Pg(1015g)二氧化碳排放[11]。因此,在固碳方面具有广泛的应用前景[8,12]。

生物炭作为高度稳定的有机物质,能长期持留在土壤中高达几千年或更久[13],对全球碳循环具有重要的影响。作为一种外源性有机物,生物炭添加到土壤,对土壤有机碳矿化速率有何影响,取决于自然条件、生物炭和土壤性质的不同[14]以及它们之间复杂的相互作用[15- 16],这使得生物炭对土壤有机碳矿化作用具有不确定性。研究报道,生物炭施用可以激发或抑制原有土壤有机碳矿化,被称为正激发或负激发效应[17- 19]。Wardle等人[20]指出450℃炭化的木炭对森林土壤10年间腐殖质分解具有强烈激发效应,而对矿质土壤没有影响。添加生物炭对红壤有机碳的矿化速率随生物炭制备温度的升高而下降；在中等有机质的土壤中,添加生物炭可促进土壤有机碳的矿化；而对于低或较高有机质的土壤,则降低了其有机碳的矿化[21]。对于不同质地土壤中,一些研究表明添加生物炭对壤砂土[22]、粉砂壤土[23]和壤土以及黄土[24]土壤呼吸没有影响,而Singh等[25]指出生物炭对未种植的粘土土壤能促进土壤有机碳矿化,并且400℃炭化的粪肥相比550℃炭化的作物秸秆激发效应更大。Spokas和Reicosky[26]研究了16种生物炭和两种土壤类型对土壤有机碳呼吸的影响,发现增加、减少呼吸作用和没有影响的比例大约各占1/3。

总体来看,生物炭对原有土壤有机碳矿化要么存在正激发、负激发或者无明显影响,其短期和长期影响存在很大不确定性,这可能与土壤条件、生物炭特性或者底物类型等材料的不同有关。因此,全面系统地了解和量化生物炭的激发效应,对于指导生物炭在农业生产上的应用具有重要意义。为此,本研究采用不同温度(300℃和600℃)炭化制备的棉秆炭添加到灰漠土中,采用室内培养法研究其对土壤有机碳矿化作用效应,以期更好地为生物炭在农业上的应用及其固碳减排提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤采自国家灰漠土肥力长期监测试验站(43°95′26″N,87°46′45″E),试验站位于新疆乌鲁木齐市新疆农业科学院综合实验场,采样区域属于温带大陆性气候,海拔高度600 m,多年平均降雨310 mm,年蒸发量2570 mm,年均气温7.7℃,年日照2590 h,无霜期160 d左右。样品采集后,带回实验室,自然风干后剔除土壤中可见的植物残体,研磨过2 mm筛,混合均匀,按照网格法,取一份样品测定土壤基本化学性质(表1),剩余土壤样品用于室内培养试验。

1.2 供试棉秆炭

将棉花秸秆剪成1—2 cm左右的枝条,装入特制带盖的铁制容器,以保证容器中等量含氧量及棉花秸秆,压实盖紧盖子,将盒子放入温度为300℃和600℃的马弗炉中,炭化1 h,制备棉秆炭。将棉秆炭自然风干24 h后，在105℃的烘箱中烘干8 h,冷却。然后将棉秆炭进行研磨,充分混匀,按照网格法,取一份样品测定棉秆炭基本化学性质(表1),其余棉秆炭用于室内培养试验。

表1 样品基本理化性质

1.3 培养试验

于2016年4月取上述灰漠土和棉秆炭开展室内培养试验,共设置6个处理：对照：不添加生物炭,记为0；纯棉秆炭(100%)处理,记为BC；其余4个处理的棉杆炭添加量分别为0.1%、0.5%、1.0%、2.0%质量分数(以干土计),依次记为0.1%、0.5%、1.0%、2.0%。每个处理3次重复,于25℃、75%的田间饱和含水量条件下培养100 d。

试验具体操作：称取混合均匀的土壤样品40.00 g与不同添加量的棉秆炭混匀(其中BC处理称取15.00 g),倒入小烧杯中,加入水以使其达到田间饱和含水量的75%,将其置于1 L的密闭大广口瓶中,瓶内同时放置一盛有20 mL 1 mol/L NaOH 溶液的小广口瓶作为集气瓶,以吸收土壤呼吸释放的CO2,大广口瓶底部有10 mL去CO2水,以维持瓶内空气饱和湿度。在25℃恒温培养室中培养100 d。培养期间,每5 d换一次气。培养的第2、5、10、20、40、60、80、100 d,取走培养试验中的集气瓶,并放入一个装有新配制NaOH 溶液的集气瓶,用于分析土壤释放出的CO2-C。

1.4 样品测定及数据处理

棉杆炭的元素组成及其他特性参见文献[27],本文进行了扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)和傅里叶红外光谱分析(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR)。取适量棉花秸秆原状生物炭,对样品横截面进行喷金处理,用扫描电子显微镜(S- 3500 N,日立公司,日本)进行表面形貌分析。

采用文献[28]提供的处理方法进行样品处理,利用傅里叶红外光谱仪(FTS6000,Bio-rad 公司,美国)进行分析。扫描范围 400—4000 cm-1,分辨率 8.0 cm-1。

土壤矿化试验采用氢氧化钠吸收收集CO2,总碳分析仪(FUSION)测定。

棉秆炭和土壤总有机碳(Total Organic Carbon, TOC)的矿化量(mg/kg)= CCO2(mg/L)×吸收液稀释倍数×吸收液体积(L)/土壤(或生物质炭)干重(kg)；

矿化速率(mg kg-1d-1)=培养时段内有机碳矿化量(mg/kg)/培养时间(d)；

累积矿化量(mg/kg)为从培养开始到某个时间点释放的CO2之和；

累积矿化率为到某一时间点的累积矿化量占土壤总有机碳量的百分比。

激发效应产生的累积矿化量为土壤总有机碳矿化量减去土壤对照(0.0)累积矿化量和棉秆炭累积矿化量,其中棉秆炭累积矿化量由纯棉秆炭(BC处理)矿化计算得出；土壤原有有机碳矿化量是由添加棉秆炭处理减去相应的棉秆炭累积矿化量得出。

数据采用Excel 2007和SPSS 17.0软件进行统计分析。时间上的变化采用单因素方差分析,处理间的比较用单因素和双因素两种方差分析方法,单因素多重比较用Duncan法(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 棉杆炭SEM特性

300℃和600℃制备的棉杆炭孔隙数量和大小均不相同,具有明显的多孔结构,且形状规则(图1)。300 ℃制备棉杆炭明显的管状结构,管壁表面欠光滑且比较粗糙,大部分通道被阻塞；600℃制备的棉秆炭,管状结构更加规则,数量明显增加,孔径逐步增大,管壁更加光滑,管道更加通畅。由此说明,高温制备的棉杆炭比低温制备的棉杆炭孔隙结构更加发达,管壁更加光滑,更加有利于棉杆炭孔隙结构和比表面积的形成。

图1 300℃和600℃棉杆炭电镜扫描Fig.1 SEM images of cotton stalk-char at 300℃ and 600℃

2.2 棉杆炭表面官能团

图2 300℃和600℃棉杆炭红外光谱图Fig.2 FTIR spectrum of cotton stalk-char at 300℃and 600℃

2.3 棉秆炭和土壤有机碳矿化动态

图3 棉秆炭矿化速率Fig.3 Mineralization rate of cotton stalk-char

由图3可知,300℃纯棉秆炭的日均矿化速率在0—10 d内快速上升,10 d后急剧下降,60 d后趋于平稳,随时间的变化符合乘幂关系(R2=0.8635,P<0.05)。在100 d培养期内棉秆炭的累积矿化量为9.55 g/kg,累积矿化率为1.59%,说明300℃棉秆炭易分解的有机碳成分占有机碳总量小于2.0%。试验初期(0—10 d)棉秆炭矿化速率最大,是因为300℃条件下棉秆炭化不完全,棉秆本身在培养过程中释放了部分有机碳,增加了棉秆炭的矿化速率。而在棉秆炭以及棉秆本身易分解有机碳矿化结束后,300℃棉秆炭的矿化速率开始降低,并趋于稳定。

600℃纯棉秆炭在培养条件下的日均矿化速率在0—10 d内快速降低,10 d后趋于平稳,随时间的变化符合乘幂关系(R2=0.9677,P<0.01)。在100 d培养期内棉秆炭累积矿化量为2.28 g/kg,累积矿化率为0.85%,说明600℃棉秆炭易分解的有机碳成分占有机碳总量不足1.0%。试验初期棉秆炭矿化速率最大,是因为棉秆炭自身拥有部分易分解成分,在棉秆炭易分解态有机碳矿化结束后,600℃棉秆炭的矿化速率迅速降低,并趋于稳定(图3)。

从图4可知,灰漠土中添加不同量的棉秆炭后,土壤有机碳日均矿化速率随时间变化基本呈现一致的趋势。与培养初期(2 d)相比,培养至40 d时添加300℃棉秆炭的土壤各处理有机碳的矿化速率下降了85.88%—89.47%；添加600℃棉秆炭的土壤下降了85.27%—90.00%。40 d后有机碳的矿化渐趋平稳,且各处理间的日均矿化速率差异逐渐减小。回归分析表明,土壤有机碳矿化速率随时间呈乘幂关系,拟合效果均达到显著水平(P<0.05)。添加300℃和600℃棉秆炭的土壤各处理中的R2分别为0.9753—0.9916和0.9376—0.9688。

图4 土壤总有机碳矿化速率Fig.4 Mineralization rate of soil total organic carbon

2.4 土壤有机碳总矿化量及矿化速率

由图5可知,灰漠土中分别添加300℃和600℃棉秆炭0(CK)、0.1%、0.5%、1.0%和2.0%,培养100 d后土壤总有机碳的累积矿化量分别为：470.99、437.01、485.37、528.72、637.16 mg/kg和470.99、441.65、442.23、420.15、427.64 mg/kg。方差分析表明,添加低量的300℃棉秆炭(0.1%)处理的土壤总有机碳累积矿化量显著低于对照(P<0.05),其他处理土壤有机碳累积矿化量均显著高于对照(P<0.05),且随棉秆炭添加量增加而增大,各处理之间差异显著(P<0.05)。添加600℃的棉秆炭降低了灰漠土土壤总有机碳累积矿化量,与对照相比,添加不同量棉秆炭各处理土壤总有机碳累积矿化量差异显著(P<0.05)。

图5 土壤总有机碳累积矿化量Fig.5 Accumulative mineralization content of TOC

从图6可以看出,灰漠土中分别添加300℃和600℃棉秆炭0、0.1%、0.5%、1.0%和2.0%,培养100 d后其总有机碳累积矿化率分别为5.21%、4.53%、4.04%、3.53%、3.06%和5.21%、4.74%、4.26%、3.59%、2.99%,且各处理间差异显著(P<0.05)；添加300℃和600℃棉秆炭都降低了灰漠土总有机碳的累积矿化速率,且添加比例为0.1%、0.5%和1.0%时,600℃棉秆炭的累积矿化速率分别比300℃的棉秆炭高4.65%、5.56%和1.71%,添加2.0% 600℃棉秆炭的处理则比300℃的棉秆炭低2.45%。

图6 土壤总有机碳累积矿化率Fig.6 Accumulative mineralization rate of TOC

2.5 棉秆炭对土壤原有有机碳激发效应

从图7可知,在培养0—20 d内,灰漠土各处理中添加300℃棉秆炭对土壤原有有机碳激发效应随棉秆炭添加量的增加而增大,表现为正激发效应(0.1%处理除外)；而20—100 d内均表现为负激发效应。在培养0—5 d内,土壤各处理中添加600℃棉秆炭对灰漠土原有有机碳的激发效应随棉秆炭添加量的增加而降低,且低于300℃棉秆炭的激发效应,但总体上表现为正激发效应；5—100 d各处理表现为一致的负激发效应。总体来看,灰漠土添加棉秆炭在培养前期对土壤原有有机碳的激发效应表现为正激发,而后则表现为负激发,且棉花秸秆炭化温度越低,对灰漠土原有有机碳矿化正激发效应越明显,维持时间越长,而炭化温度越高对灰漠土土壤的负激发效应维持的时间更长也更稳定。

图7 原有土壤有机碳激发效应Fig.7 Priming effects on native soil organic carbon in different time interval

3 讨论

由于自然条件、生物炭特性和土壤性质不同[14]以及它们之间复杂的相互作用[15- 16],使得生物炭添加对土壤有机碳矿化作用存在正激发[25]、负激发[9-10]和无激发效应[29],具有很大的不确定性。Wardle等[20]指出450℃炭化的木炭对森林土壤腐殖质分解具有强烈激发作用,而对矿质土壤无激发作用。Luo等[17]认为不同裂解温度制备的生物炭由于其所含活性有机质成分不同,低温(350℃)制备的生物炭具有较高的活性有机成分,对土壤有机碳表现出明显的正激发效应,高温(700℃)制备的生物炭正激发效应相对较小。Zimmerman等[19]在低土壤有机碳含量的土壤也发现了类似的结果。谢祖彬等[30]则认为由于生物炭巨大的比表面积和孔隙度,能够吸附养分,降低了微生物活动,从而抑制了土壤原有有机碳的矿化。而Spokas和Reicosky[27]认为生物炭原料类型、裂解温度及其物理化学特性与土壤中二氧化碳排放没有明显的相关性。

本研究发现,棉杆炭添加对灰漠土土壤有机碳矿化前期表现为正激发效应,后期表现为负激发效应,高温(600℃)制备的棉杆炭相比低温(300℃)制备的棉杆炭正激发效应更短,但整个培养期内(100 d)总体为负激发效应。本研究表明,300℃炭化的棉杆炭其矿化速率和累积矿化量均高于600℃炭化的棉杆炭,激发了土壤有机碳矿化,增加了土壤累积矿化量,这可能是由于低温制备的棉杆炭具有更多的活性有机物质,其稳定性差[31],为微生物提供了栖息地和碳源[17,32],增加了微生物生物量和活性,加速了活性有机物质的分解[33],并通过生物炭和土壤之间的相互作用,增加了胞外酶产生的直接作用[34],提高了土壤革兰氏阳性/革兰氏阴性细菌的比例[35],因此低温制备的棉杆炭更能促进土壤有机碳矿化和土壤累积矿化量[8,21,36]；培养10 d后,0.1%和0.5%棉杆炭添加量,其矿化速率开始低于空白对照处理,这是由于前期矿化速率较快,生物炭和土壤中的活性有机物质逐步消耗殆尽[25],或者活性有机物质含量降低,不抵棉杆炭包封作用和吸附保护作用[37]。而高温制备的棉杆炭,其活性成分较低,具有更大孔隙结构和比表面积[30]以及复杂的芳香化结构,更多的活性有机物质成分吸附在棉杆炭表面或者孔隙内[9,38-39],同时有可能释放更多的有毒物质,抑制了微生物生长和活性[20,40],有机-无机矿物相互作用导致的土壤有机碳更加稳定[25],从而抑制了土壤有机碳矿化,降低了土壤累积矿化量。因此,短期培养后(0—10 d),棉杆炭对土壤有机碳的激发效应逐渐消失,开始转变为负激发效应。

生物炭原材料、裂解温度以及制备方法不同,致使生物炭特性差异,同时土壤、环境条件都会影响生物炭在土壤的反应,导致土壤原有有机碳矿化激发效应的差异[4]。刘艳萍等[41]发现不同裂解温度(300℃、600℃和850℃)制备的水稻秸秆生物炭对土壤原有有机碳激发效应表现为培养后期抑制现象。赵次娴等[37]利用蔗渣770℃裂解制备的生物炭也呈现类似的趋势,本研究结论与此相似。裂解温度越高,生物炭颗粒物理化学以及微生物稳定性越强[42],不利于其在土壤中的化学和微生物降解,与土壤矿物颗粒形成有机-无机复合体,进而形成更加稳定的微团聚体[43],具有更强抗分解能力,因此,对土壤原有有机碳的抑制作用更加明显。

4 结论

(1)炭化温度影响棉杆炭孔隙结构和官能团,高温(600℃)制备的棉杆炭相比低温(300℃)裂解制备的棉杆炭具有更加复杂的孔隙网络结构,芳香化程度更高,稳定性更强。

(2)棉杆炭和土壤有机碳矿化速率随时间变化呈乘幂关系,炭化温度越高,棉杆炭累积矿化量和累积矿化率越低,添加600℃棉杆炭相比300℃棉杆炭分别降低了83.35%和62.72%。相比对照处理,添加300℃棉杆炭增加了土壤有机碳累积矿化量,并随棉杆炭添加量增加而增加,土壤有机碳累积矿化量提高幅度在3.05%—35.28%；而添加600℃棉杆炭降低了土壤有机碳累积矿化量,降低比例为6.11%—10.79%。

(3)前期添加300℃棉杆炭对土壤原有有机碳矿化为正激发效应,而600℃棉杆炭正激发效应微弱,而后期均为负激发效应。添加棉杆炭能提高土壤有机碳含量,促进土壤有机碳累积。