不同生物质材料对蕉园土壤有机质组成的影响

郑慧杰，徐豪东，王学良，曾晓玲，王 琦，陈咨霖，邓万刚*

（1.海南大学热带农林学院，海南 海口 570228；2.中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京 210008；3.中国科学院大学，北京 100049）

土壤有机质是土壤的主体，它可以丰富土壤养分，促进土壤团聚体的形成，经常作为反映土壤肥力状况的重要指标［1-3］。土壤腐殖质是土壤有机质的主要组成部分，一般占有机质总量的50%～70%，其大多与土壤矿质颗粒结合形成有机无机复合胶体，以增加土壤碳的稳定性［4-5］。土壤腐殖质的主要组分是胡敏酸、富里酸和胡敏素，其中最活跃的物质为胡敏酸，富里酸碳经氧化缩合形成胡敏酸碳，在胡敏酸碳的积累过程中起重要作用［6-7］。由于土壤有机质的复杂性，影响有机质及组成的因素也十分复杂，比如气候、土地类型、土壤层次、有机物料等。徐跃等［8］研究发现，土壤有机质含量随着海拔的升高而增加；土壤胡敏酸/富里酸（H/F）与年均温、≥10℃积温和年均降水量呈显著（P＜0.01）的相关关系。比买热木·阿不都艾海提等［9］研究新疆黑钙土土壤剖面腐殖质的变化规律时发现，胡敏酸和富里酸都是随土层深度的加深而在波动中逐渐减少。张靓等［10］提出，长期施用有机肥会明显增加土壤有机质含量，增幅达76%～104%。

生物炭是在低氧、缺氧的条件下，生物质（如作物秸秆、木屑等）经热解炭化而成的多孔富碳物质［11］。添加生物炭不仅可以改变土壤有机质的组成，促进土壤有机质的积累和形成，而且对稳定土壤有机碳库、提高土壤肥力等有重要意义［12］。周桂玉等［13］通过研究发现，在第45 d添加秸秆和松枝两种生物炭处理都能提高土壤有机碳含量以及胡敏酸和富里酸含量。花莉等［14］研究发现，添加生物炭可以提高富里酸和胡敏酸含量。添加生物炭的制备原料（如作物秸秆）也能增加土壤有机质含量，影响土壤有机质组成［15-16］。周运来［17］通过田间试验研究发现，与单施化肥相比，不同秸秆还田方式均不同程度地提高黄棕壤胡敏酸和富里酸碳含量，且胡敏酸的增幅高于富里酸。

目前，国内外关于施用生物质材料对土壤有机质及其组成的研究比较普遍，有关施用生物质材料对土壤有机质及其组成的影响也有研究，但有关施用不同生物质材料（木炭、椰壳炭、椰糠炭、椰糠）对海南香蕉园耕层土壤有机质及组成的动态变化的研究还比较少。因此，本试验拟以4种生物质材料（木炭、椰壳炭、椰糠炭和椰糠）为试验用料，分析不同生物质材料不同用量输入条件下土壤有机质含量、组成及其动态变化，为生物质材料在本地蕉园土壤的相关科研与应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 土壤

供试土壤为玄武岩砖红壤，采自桥头香蕉园耕层，自然风干后研磨，过2 mm筛，混匀备用。土壤基本性质如表1所示。

表1 供试土壤基本性质

1.1.2 生物质材料

本研究以市场上购买的木炭、椰壳炭、椰糠炭和椰糠为生物质材料，粉碎过0.25 mm筛备用。生物质材料含碳量如表2所示。

表2 供试生物质材料含碳量 （%）

1.2 试验设计

本试验为室内培养实验，于2017年3月至9月在海南大学热带农林学院土壤实验室布置。试验设生物质材料4水平（木炭、椰壳炭、椰糠炭和与椰糠炭等碳量的椰糠），炭土比2水平（2%、4%），共8个处理，同时设置不添加生物质材料的对照处理（CK），每个处理设3个重复。将各处理生物质材料和2.5 kg土壤混匀，装入直径20 cm、高15 cm的塑料桶中，覆盖保鲜膜并用绳扎紧，在膜上用针扎小孔以维持内外气压平衡，置于室内常温培养，期间采用称质量法补充水分，保持土壤含水量不变（田间持水量的70%）。为了减少不同批次间的误差，本研究分别在15、30、60、90、120、180 d后采集土壤样品，并尽快风干，统一进行分析。

1.3 分析方法

土壤有机质及组成测定按照土壤分析方法标准《FHZDZTR0046 土壤 有机质的测定 重铬酸钾氧化外加热法》和《FHZDZTR0048土壤 腐殖质组成的测定 重铬酸钾氧化法》。

1.4 数据统计

用Excel 2010进行数据整理，用SPSS 19.0进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同生物质材料对土壤有机质含量的影响

随着培养时间的进行，所有处理土壤有机质含量大体呈下降趋势。整个培养期间生物质材料处理土壤有机质下降速率均高于CK处理，生物质材料处理土壤有机质含量下降了3.62%～29.74%，CK土壤有机质含量下降了2.53%，其中木炭、椰糠炭和椰糠处理土壤有机质下降速率随添加量的增加而升高，而椰壳炭处理土壤有机质下降速率低于木炭、椰糠炭处理，且随添加量的增加而降低。生物质材料处理土壤有机质含量均显著高于CK，并随添加量的增加而升高（表3）。

表3 不同处理土壤有机质含量 （g/kg）

2.2 不同生物质材料对土壤胡敏酸的影响

随着培养时间的进行，所有处理土壤胡敏酸（HA）碳含量大体呈先下降后上升再下降的趋势。除4%椰糠处理外，其他处理第90或120 d土壤胡敏酸碳含量相对高于其他时间相同处理土壤胡敏酸碳含量。与CK相比，第15～30 d木炭、椰壳炭和椰糠炭处理土壤胡敏酸碳含量显著降低或差异不显著，第60～90 d木炭、椰壳炭和椰糠炭处理土壤胡敏酸碳含量显著升高或差异不显著，第120 d木炭、椰壳炭和椰糠炭处理土壤胡敏酸碳含量显著降低或差异不显著，第180 d土壤胡敏酸碳含量显著升高或差异不显著。除第15 d外，其他时间椰糠处理土壤胡敏酸碳含量显著高于CK（表4）。

表4 不同处理土壤胡敏酸碳含量 （g/kg）

2.3 不同生物质材料对土壤富里酸的影响

随着培养时间的进行，所有处理土壤富里酸（FA）碳含量大体呈先上升后下降再上升的趋势。与CK相比，第15～30 d木炭、椰壳炭和椰糠炭处理土壤富里酸碳含量显著升高或差异不显著；第60 d木炭处理土壤富里酸碳含量显著升高或差异不显著，椰壳炭和椰糠炭处理土壤富里酸碳含量显著降低；第90 d木炭、椰壳炭和椰糠炭处理土壤富里酸碳含量显著降低；第120 d木炭和椰壳炭处理土壤富里酸碳含量显著降低或差异不显著，椰糠炭处理土壤富里酸含量显著升高；第180 d木炭、椰壳炭和椰糠炭处理土壤富里酸碳含量显著降低或差异不显著。除第90 d外，其他时间椰糠处理土壤胡敏酸碳含量显著高于CK（表5）。

表5 不同处理土壤富里酸碳含量 （g/kg）

2.4 不同生物质材料对土壤胡敏酸/富里酸的影响

土壤胡敏酸/富里酸（H/F）为土壤HA与FA的比值，可在一定程度上反映土壤有机质腐殖化程度［18］。随着培养时间的进行，所有处理土壤H/F大体呈先下降后上升再下降的趋势。与CK相比，第15 d生物质材料处理土壤H/F显著降低；第30 d木炭、椰壳炭和椰糠炭处理土壤H/F显著降低或差异不显著，椰糠处理土壤H/F显著升高；第60～90 d生物质材料处理土壤H/F显著升高或差异不显著；第120 d木炭和椰壳炭处理土壤H/F显著升高或差异不显著，椰糠炭和椰糠处理土壤H/F显著降低；第180 d生物质材料处理土壤H/F显著升高或差异不显著（表6）。

表6 不同处理土壤胡敏酸/富里酸

3 讨论

土壤有机质是土壤的重要组成，其含量常常作为土壤肥力的指标［19-20］。本研究发现，生物质材料处理土壤有机质含量均显著高于CK，并随添加量的增加而升高。原因可能是生物质材料均为高碳物质，添加到土壤后均能提高土壤有机质含量。这与许毛毛［21］的研究结果一致。本研究发现，培养期间所有处理土壤有机质含量大体呈下降趋势，生物质材料处理土壤有机质下降速率均高于CK，这一方面可能是因生物质材料中易降解物质含量会随时间的推移而降低，另一方面也可能是因为外源有机物料输入土壤引起了土壤有机质的分解（正激发效应）［22］。本研究发现，椰壳炭处理土壤有机质下降速率低于木炭、椰糠炭处理，且随添加量的增加而降低，这可能是由于制备生物炭的材料与条件不同，使椰壳炭具有更高的稳定性，而且不同生物炭引起的激发效应的程度也不同，从而呈现不同的土壤有机质降解速率［23］。

土壤腐殖质是有机质中较为稳定的部分之一，是土壤有机质经腐殖化作用形成的高分子化合物，其分解和积累与土壤肥力密切相关，是评价土壤肥力水平的重要指标［24-26］。土壤腐殖质的主要成分是胡敏酸和富里酸，二者及比例均可以进一步说明土壤肥力［27-28］。土壤胡敏酸、富里酸的影响因素有很多，比如添加物、温度等。宋杨［29］研究发现随着温度的降低，胡敏酸和土壤H/F呈上升趋势，富里酸呈下降趋势。胡诚等［30］研究发现添加秸秆处理的土壤胡敏酸、富里酸含量增加，其中麦秸+秸秆腐熟剂、油菜秸、油菜秸+秸秆快腐剂处理胡敏酸含量显著增加，各处理富里酸含量差异不显著。本研究发现，在第90或120 d，生物质材料处理（除2%椰糠处理）土壤胡敏酸碳含量相对较高，这可能是因为第90～120 d正处于室内气温较高的时间，微生物在高温下活动受抑制而有利于胡敏酸的积累，而富里酸恰好相反［31］。本研究发现，与CK相比，第15～30 d木炭、椰壳炭和椰糠炭处理胡敏酸含量显著降低或差异不显著，这可能是因为在试验初期还处于腐殖质化的第一阶段，富里酸还未进一步腐殖质化，使得生物质炭处理的胡敏酸含量低［32］。除第60 d木炭处理外，第60～90 d木炭、椰壳炭和椰糠炭处理土壤胡敏酸碳含量显著升高或差异不显著，土壤富里酸碳含量显著降低或差异不显著，这可能是因为在此时期富里酸进一步缩合成胡敏酸和胡敏素，富里酸在土壤腐殖质中的比例逐渐减少，再加上生物质炭发达的孔隙结构吸附了富里酸，使其不容易被提取，从而导致其组分测得含量偏低［32］。除第120 d椰糠炭处理外，第120～180 d木炭、椰壳炭和椰糠炭处理土壤胡敏酸碳含量显著升高或差异不显著，土壤富里酸碳含量显著降低或差异不显著。木炭、椰壳炭和椰糠炭处理土壤胡敏酸、富里酸碳含量一直都处于此消彼长的状态，培养初期富里酸大于胡敏酸，之后富里酸与胡敏酸相互转化。这从一定程度上证明了腐殖质形成学说中多元酚理论［33］。本研究发现，除第15 d 2%椰糠处理土壤胡敏酸碳含量和第90 d 2%椰糠处理土壤富里酸碳含量外，其他时间椰糠处理土壤胡敏酸、富里酸碳含量均显著高于CK，原因可能是椰糠含有较多的易矿化碳，矿化过程中间产物为腐殖化提供了前提物质，能合成更多的胡敏酸和富里酸碳，这与陈鲜妮等［34］研究结果相似。

4 结论

添加木炭、椰壳炭、椰糠炭和椰糠均能提高土壤有机质含量，并随添加量的增加而升高；添加木炭、椰壳炭、椰糠炭和椰糠均能加速土壤有机质的分解，添加椰壳炭对土壤有机质分解的影响相对较小。

椰糠的添加主要是同时增加了土壤胡敏酸和富里酸碳含量，生物炭（木炭、椰壳炭和椰糠炭）的添加主要是影响了土壤胡敏酸与富里酸的相互转化。