生物质炭施用对不同深度稻田土壤有机碳矿化的影响

王佳盟，刘伟，刘志伟，刘秀霞，吴秀兰，卞荣军，郑聚锋*，李恋卿，潘根兴

（1.南京农业大学农业资源与生态环境研究所，南京210095；2.江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，南京210095）

由于大气CO2浓度升高而引起的全球变暖已受到世界各国政府和科学家的广泛关注。据估计，全球土壤（＜1 m）有机碳库储量约1 550 Pg，是大气碳库的2倍，陆地植被碳库的2.5倍[1-2]。作为陆地生态系统最活跃的碳库，由于土壤有机碳储量巨大，其微小变化都可能对大气CO2浓度产生重大影响。土壤有机碳矿化是土壤向大气碳输入的重要而活跃的途径，并对外界环境变化的响应极为敏感[3-4]。土壤性质、农业管理措施、土地利用方式与环境条件等因素均显著影响土壤有机碳转化过程，进而影响土壤有机碳库的动态[5-8]。但目前这些研究主要集中在土壤表层。近年来的研究发现，表层（＜0.3 m）土壤有机碳储量约占3 m深土壤有机碳库储量的33%，超过77%的有机碳储存在30 cm以下的深层土壤中[1]。作为陆地碳循环的关键组成部分[9]，深层土壤有机碳的动态不可避免地受到人类活动的影响[10]。因此，要准确评估土壤有机碳在区域和全球碳循环所起的作用，需要清楚地了解深层土壤碳库的变化[11]。

生物质炭是生物质在无氧或者部分缺氧的情况下高温热解炭化形成的高度芳香化有机物质，具有碳含量丰富、稳定性高的特点，以及减少土壤温室气体排放的作用，其土壤应用被认为是土壤固碳的一个重要选择途径[12-14]。目前，已有众多文献研究了生物质炭施用对土壤有机碳动态的影响，如Zhang等[15]报道在麦-玉轮作系统中施用生物质炭可以显著增加表层土壤有机碳和水溶性有机碳（DOC）等组分含量；Liu等[16]对施用生物质炭的土壤渗滤液测定表明，自然降雨期间，生物质炭不仅可以增加表层土壤DOC含量，同时还促进DOC向深层土壤迁移；付琳琳等[17]在稻田施用玉米秸秆炭3 a后发现易氧化态有机碳等活性有机碳组分在土壤中的分配比例显著降低。除此以外，生物质炭施用还能够改变微生物的活性和多样性，从而影响土壤有机碳的稳定性[18-19]。上述研究表明生物质炭施用可以改变土壤有机碳组分和移动性，并可能影响深层土壤有机碳动态。然而，目前这些研究还相对不足。因此，本研究选择太湖地区施用生物质炭2 a后的水稻土为对象，采集不同深度的土壤研究有机碳矿化特征，以揭示生物质炭施用对深层土壤有机碳稳定性的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试验设计

田间试验开始于2016年5月，地点位于江苏省宜兴市徐舍镇宜丰村（31°41′N，119°73′E）。该地属于亚热带季风气候，年均温为15.7℃，年均降水量为1 246.3 mm，土壤类型是由太湖地区第四纪湖积物发育的典型脱潜型水稻土-乌泥土，种植制度为稻-麦轮作。供试水稻土的基本理化性质为：全氮含量1.87 g·kg-1，容重1.32 g·cm-3，速效磷19.53 mg·kg-1，速效钾129.77 mg·kg-1，pH 5.70。

田间试验设置两个处理，未施生物质炭处理（CK）和生物质炭处理（BC），小区面积为30 m2（5 m×6 m），每个处理设3次重复，完全随机区组设计。施用的玉米秸秆生物质炭在450℃下限氧烧制，于2016年5月水稻种植前按15 t·hm-2的用量一次性均匀施入土壤表层，通过机械翻耕使其与土壤均匀混合，研究所用生物质炭的基本理化性质为：有机碳含量为413.00 g·kg-1，全氮为7.97 g·kg-1，碳氮比为51.82，速效磷为2.36 mg·kg-1，pH为8.79。

1.2 土壤样品采集与处理

土壤样品于2018年5月在小麦收获后采集。在每个小区内按照5点法使用不锈钢取样器采集土壤样品，采样深度为80 cm，每间隔10 cm为一个采样层次，共采集7个层次。将所选取的5个采样点对应层次的土样充分混合，并严格挑除植物残体与石块；待样品自然风干后均分为两部分：一部分用于土壤性质的测定，另一部分用于室内矿化培养试验。

1.3 室内矿化试验

土壤有机碳矿化试验采用室内恒温恒湿好气培养法[20]。具体方法如下：称取60 g过2 mm筛的风干土置于500 mL广口培养瓶中，然后准确加入一定量去离子水，调节土壤含水量至田间最大持水量的60%；将培养瓶口用瓶盖密封，并在瓶盖上插两根长度分别为16 cm和7 cm的橡胶管；接着，在橡胶管上方套一个三通阀用作气体样品采集。将培养瓶置于25℃恒温培养箱培养50 d，期间采用称质量法定期补充水分以维持土壤水分湿度。在整个试验培养期间，每次气体采集之前，先向培养瓶中充入标准空气5 min以排除瓶内原有气体，再将培养瓶放入培养箱培养6 h，然后用带有三通阀的注射器采集气体样品，注入真空瓶，采集频率按既定的时间表进行。气体样品采用Agilent 7890 A气相色谱仪测定。每个处理设置3个重复，同时以不添加土壤的培养瓶作为空白试验。待培养试验结束后，破坏性取样测定土壤微生物量碳（MBC）。

1.4 土壤、生物质炭性质及微生物生物量碳测定

土壤和生物质炭的有机碳和全氮含量使用CNS元素分析仪（German Elementar Company，2003）测定，pH和速效磷含量测定参照鲁如坤[21]的方法。土壤微生物生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸-K2SO4提取方法[22]。简要过程如下：称取两份25 g土壤样品，一份不作熏蒸处理；另一份放入干燥器中，然后将其置于阴暗处用无醇氯仿熏蒸24 h。待熏蒸结束后，将熏蒸和未熏蒸的土壤样品全部转移到塑料瓶中，加入50 mL 0.5 mol·L-1K2SO4溶液，在振荡机上振荡30 min（25℃），过滤；滤液采用TOC（Jena Multi N/C 2100）测定。微生物生物量碳的换算系数为0.45。

1.5 数据处理与分析

式中：F为CO2排放速率，mg·kg-1·h-1；ρ为标准状况下CO2的密度，1.98 kg·m-3；V为培养瓶内气体体积，L；m为土壤质量，kg；c1为密封时的气体浓度，c2为采样时气体浓度，mg·kg-1；t1为密封时的时间，t2为采样时的时间；T为培养温度，℃；α为CO2气体换算到C的转化因子，12/44。

土壤代谢熵计算公式为[23]：

式中：qCO2为土壤代谢熵；CCO2为CO2-C排放量，mg·kg-1；Cmic为微生物生物量碳的含量，mg·kg-1。

应用一级动力学方程对不同培养条件下土壤有机碳的矿化量进行拟合[24]：

式中：Ct为培养时间t（d）时的累积矿化量，mg C·kg-1；C0为土壤有机碳的潜在矿化量，mg C·kg-1；k为土壤有机碳的矿化速率常数，d-1；t为培养时间，d。

试验所得数据采用Microsoft Excel 2016处理，数据的方差分析及多重比较采用SPSS24.0和JMP 13.0软件进行，采用Oringin 9.0软件进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 不同处理下土壤有机碳含量的剖面分布

从不同处理有机碳的剖面分布来看（表1），土壤0～40 cm内土壤有机碳含量迅速降低，不同层次间土壤有机碳含量存在显著差异；而40 cm以下各层次之间无显著差异。从处理间的对比来看，在0～10 cm土层，施用生物质炭处理的土壤有机碳含量显著增加了15.8%，而在10～80 cm的土层中，不同处理间有机碳含量并无显著差异。

表1不同处理下土壤有机碳含量剖面分布Table 1 Soil organic carbon content in soil profile under different treatments

2.2 不同深度土壤有机碳矿化动态

不同处理下不同深度土壤的CO2排放动态的趋势基本一致（图1）。总体而言，各处理不同深度的土壤在整个培养期的CO2排放速率变化大体可分为3个阶段：在0～7 d土壤CO2排放速率处于迅速下降阶段，而后在8～22 d缓慢降低，在23～50 d CO2排放速率基本达到稳定状态。从不同深度对比来看，CK和BC处理的土壤CO2排放速率均随土壤深度的增加而逐渐降低。

从不同处理间的矿化量来看（图2A），与CK处理相比，BC处理显著降低了0～40 cm各层土壤有机碳的总矿化量，0～10、10～20、20～30 cm和30～40 cm土层有机碳矿化量降幅分别为23.9%、37.8%、25.9%和22.5%；而在40～80 cm深度范围内，两处理间各土层有机碳矿化量无显著差异。相似地，从有机碳的矿化率来看（图2B），不同处理间的变化均与土壤有机碳产生速率的变化趋势基本相同，即随深度增加而降低；与CK处理相比，BC处理中0～10、10～20、20～30 cm和30～40 cm分别降低了32.7%、39.3%、27.3%和17.2%，而在40～80 cm，两处理间无显著差异。

图1不同处理下不同深度土壤CO2释放动态Figure 1 Dynamics of soil CO2 production at different depths under different treatments

图2不同处理下不同深度土壤有机碳总矿化量和矿化率Figure 2 Total amounts and rates of soil organic carbon mineralization at different depths under different treatments

由表2可见，在50 d的培养期内，一级动力学方程能够较好地模拟土壤有机碳的矿化动态。总体来看，不同深度和不同处理的土壤有机碳潜在矿化量（C0）均存在明显差异，变化范围为147.04～868.18 mg·kg-1，这表明可矿化碳潜力随深度的增加而降低，相应地，有机碳矿化速率常数（k）在深度上表现了与之相似的变化趋势，即随深度增加而降低，其范围在0.02～0.09 d-1。从不同处理间对比来看，BC处理的C0在0～40 cm深度内显著低于CK，具体来说，在0～10、10～20、20～30 cm和30～40 cm土壤层次的可矿化潜力分别显著降低23.74%、37.57%、37.62%和15.95%，而在40～80 cm深

表2土壤有机碳矿化方程的一级动力学参数

Table 2 First-order kinetic parameters of soil organic carbon mineralization equation度范围内两处理之间无显著差异。

深度Depth/cm 0～10 10～20 20～30 30～40 40～50 50～60 60～80 CK C0/（mg·kg-1）868.18±25.50Aa 700.72±24.04Ab 483.43±23.77Ac 289.13±12.02Ad 218.35±6.91Ae 175.09±4.85Af 147.04±11.19Af k/d-1 0.09 0.06 0.03 0.05 0.05 0.04 0.02 R2 0.95 0.97 0.99 0.97 0.98 0.99 0.99 BC C0/（mg·kg-1）662.05±23.99Ba 437.46±13.61Bb 301.55±13.92Bc 243.00±8.24Bd 227.66±8.75Ade 171.61±8.55Af 151.43±5.42Af k/d-1 0.08 0.06 0.03 0.04 0.04 0.04 0.05 R2 0.94 0.98 0.99 0.99 0.99 0.98 0.99

2.3 不同处理下不同深度土壤微生物生物量碳和代谢熵的变化

由表3可知，施用生物质炭对表层和深层土壤MBC的影响存在明显差异，即与CK处理相比，BC处理显著增加0～10 cm土壤MBC含量，增幅为11.3%，同时显著降低10～40 cm土壤MBC含量。在深度上，不同处理下的MBC含量呈现相似的变化趋势，即随着土壤深度的增加MBC含量逐渐降低而后趋于稳定。由表4双因素方差分析可知，生物质炭施用和土壤深度两个因素均对MBC含量产生极显著影响，且两者之间的交互作用也与MBC含量极显著相关。

土壤代谢熵可反映土壤微生物对碳源利用效率的高低，其值越大说明微生物在对土壤有机质分解时将越多碳分配于呼吸作用，导致其对碳源的利用效率降低。由表3可知，与CK处理相比，BC处理显著降低了0～40 cm各层土壤的代谢熵，降幅分别达到36.4%、47.6%、38.9%以及36.8%。在深度上，不同处理下层的土壤代谢熵均显著低于表层0～10 cm土壤代谢熵，且10～80 cm各层间土壤代谢熵并无明显差异（40～50 cm除外）。

表4土壤测定参数双因素方差分析Table 4 Two-way ANOVA analysisof soil measurement parameters

3 讨论

3.1 生物质炭施用对水稻土深层有机碳动态的影响

已有众多研究表明，由于生物质炭本身有机碳稳定性高，其农田施用可以在短期内显著增加土壤表层有机碳含量[12，25]。例如方明等[26]采用盆栽试验探讨花生壳生物质炭用于农田土壤改良效果的研究表明，生物质炭施用3个月后，红壤和潮土表层土壤有机碳含量显著高于对照和单施氮肥处理，增幅分别为3.4%～43.9%和10.6%～62.1%，包建平等[27]通过大田试验研究玉米秸秆炭施用对红壤有机碳组分和微生物活性的影响发现，玉米秸秆炭施用9个月后土壤表层有机碳含量较对照处理和单施玉米秸秆处理增加112.1%和85.4%。与已报道的结果相似，本研究中施用生物质炭的处理显著增加了表层土壤有机碳含量（表1），但从剖面有机碳的变化来看，施用生物质炭对其在深层土壤的分布无显著影响。这主要与稻田土壤剖面特征和生物质炭的迁移程度有关。首先，生物质炭本身所含有机碳稳定性较高，在短期会大量滞留于土壤，并经土壤团聚化被物理保护[18]。其次，生物质炭施用可以增加作物产量与根系生物量，从而提高植物碳向表层土壤中的输入[28-29]。再者，稻田土壤存在致密的犁底层，使生物质炭在向下垂直迁移时受阻，因此，在短期内，生物质炭进入深层土壤较为困难，使深层土壤有机碳总量变化不大。Obia等[30]利用13C同位素方法，对不同质地（红砂土和砂壤土）土壤生物质炭在土壤垂直和水平方向迁移特征进行的研究表明，经过1 a后生物质炭颗粒向下迁移最远距离仅为8 cm，由此可见，生物质炭进入土壤后，短期内不易以游离态纵向迁移，尤其是稻田土壤在不被破坏犁底层的条件下，迁移更为困难。因此，生物质炭表层施用对深层土壤总有机碳的影响并不显著。

表3不同处理下土壤微生物生物量碳和代谢熵Table 3 Soil MBCand metabolic quotient under different treatments

3.2 生物质炭施用对不同深度有机碳稳定性的影响

土壤有机碳矿化是由酶介导、微生物驱动的过程[31]，其矿化强度取决于土壤可利用基质的供应与微生物利用效率的相对强度，可用于评估外界环境或人为因素变化对其产生的影响[32]。本研究表明深层有机碳矿化量与潜在可矿化碳均显著低于表层土壤，这与王永慧等[33]研究不同地力玉米田浅层和深层土壤有机碳矿化特征的结果相似，这可能与深层土壤易分解的基质降低有关[34]。而且深层土壤微生物代谢熵也明显低于表层，这是在深层土壤中可利用基质的限制下，土壤微生物提供自身生存的一种策略。Fontaine等[35]采用添加植物凋落物作为新鲜碳源的方法，也证明了深层土壤微生物具有高效利用基质的能力。

本研究还表明生物质炭施用影响了深层土壤有机碳的稳定性。在2 a尺度上稻田施用生物质炭虽然显著增加了表层土壤有机碳总量，但降低了0～40 cm土层有机碳的矿化强度和微生物代谢熵，这表明生物质炭作为外源输入碳，大量滞留在表层，在空间（特别是垂直空间）上迁移程度低，从表面上看对深层土壤难以形成直接影响。因此，生物质炭滞留的表层（0～10 cm）土壤和未直接接触的深层（10～40 cm）有机碳矿化强度降低的机制存在差异。在表层土壤中，生物质炭的存在，一方面改善了土壤的结构性和通气性[36]，并提高了植物根系的输入，因而促进了微生物生物量增加。由于土壤环境改变，土壤微生物的群落组成和酶活性随之发生改变，如脱氢酶的活性降低[37-39]，以及碳源利用率较高的真菌比例增加[23]，在此条件下，有机碳分解过程中分配于呼吸碳的比例降低，因而有利于土壤有机质的保持。另一方面，生物质炭具有表面积大和疏松多孔的特征，与土壤相互作用形成团聚体，可以对土壤有机质进行保护，降低微生物的可利用性[18]。相对表层土壤而言，深层土壤不易受到生物质炭的直接作用，有机碳矿化强度降低可能包含以下几方面的原因：一是由于生物质炭本身含有一定的多环芳烃，在土壤中施用可增加其在土壤中的含量[40]，在稻田水分充足的条件下，可随水分迁移进入深层土壤[41]，从而对微生物产生一定的毒性，进而减少微生物生物量。二是如上所述，由于生物质炭本身的生物稳定性较高，本身特殊结构与强大的吸附性能可吸附土壤中的可溶性碳，从而对其形成的固定作用，降低其在土壤剖面中的迁移能力和数量[42]，同时，由于土壤有机碳中可移动组分（如DOC）在迁移过程中可能被土壤矿物吸附固定，进一步降低了有机基质对深层土壤微生物的供给，由此导致深层土壤微生物可利用碳随深度而降低，从而降低深层土壤微生物量，作为对环境变化适应的响应，深层土壤中微生物将通过增加对基质的利用效率来提高其生存策略，从而提高了深层土壤有机碳的生物稳定性。但这些变化在短期内对深层土壤的影响程度因深度而异，生物质炭施用对深层土壤的长期效应还有待进一步研究。

4 结论

稻田土壤在生物质炭施用2 a后可显著增加表层（0～10 cm）土壤有机碳含量，而对深层无显著影响。然而，生物质炭表层施用可显著降低0～40 cm土壤有机碳矿化强度，并显著降低深层土壤微生物量碳和代谢熵，从而增加深层土壤有机碳的稳定性。因此，生物质炭施用有助于增加稻田土壤的固碳潜力。