香蕉秆及其生物炭对双季水稻土团聚体及碳库管理的影响

王超，邱竞驰，李建华，卢瑛*，李博，唐贤，董玉清，胡家帅

（1.华南农业大学资源环境学院，广州 510642；2.广东省土地开发整治中心，广州 510635）

香蕉作为热带-亚热带地区销售量最大的水果，同时也是该区域重要的粮食作物和经济作物。我国香蕉种植面积约有36万hm，年产量达1 200万t，其在我国农业经济发展中占据重要位置。香蕉具有生长周期短、生物产量高和茎叶等副产物多的特点，每年约有4 200万t的香蕉废弃物弃置于野外，造成巨大的环境压力和资源浪费。香蕉秆和茎叶含有丰富的磷、钾、钙、铁、锌等多种元素和胡萝卜素、尼克酸、硫胺素等碳水化合物，可作为一种养分丰富的农业资源。秸秆还田是政府和科研机构大力倡导的土壤培肥措施。目前，香蕉废弃物的应用更多的是在食品添加剂、牲畜饲料和废水处理吸附剂方面，也有研究表明，香蕉茎叶能够改良土壤性状、丰富土壤微生物群落结构，然而香蕉秆的资源化利用，特别是在土壤结构改良和土壤培肥方面的研究较少。

团聚体作为土壤结构的基本单元，良好的团聚体组成分布能够协调土壤水、肥、气、热。此外，团聚体可作为有机碳的固存中心，通过物理保护减少有机碳被土壤微生物分解；而有机物料作为有机胶结剂直接作用于土壤，影响土壤团聚体的形成，间接改变团聚体对有机碳的固存。可知，有机碳与团聚体相互依存、相互影响，改变着土壤质量。有机物料还田是驱动耕地土壤碳库变化的关键性因素，然而有机碳总量对外界条件的变化具有滞后性，不能完全表征土壤碳库质量。土壤活性有机碳作为土壤最敏感的有机碳库，对外界环境的变化（如土地利用转变、施肥管理、农田耕作等农业田间管理）具有更强的响应能力。而且土壤活性有机碳作为高效的养分可直接供给植物吸收利用，易被土壤生物分解利用，因此，活性有机碳是土壤碳库动态变化和碳库质量评价的重要指标。李虎等的研究表明，玉米秸秆和畜禽粪的田间堆腐显著增加土壤活性有机碳含量，改善黑土碳库质量。张影等的研究表明，水稻秸秆还田能增加土壤腐质化系数，提高土壤碳库管理指数。

珠江三角洲是我国重要的水稻生产基地，得益于良好的水热条件，该区域水稻种植制度多为双季水稻，随着城市化进程的推进，原本的耕地面积大面积缩减，复种指数增加。针对双季水稻土连年耕作造成的土壤肥力下降和稻田施肥存在的问题，兼顾减少农业废弃物污染和农业资金投入，为寻求最佳的农业废弃物施用比例以促进土壤养分积累和改善土壤质量，本研究以珠江三角洲双季水稻土为研究对象，分别添加0.5%、1.0%和2.0%的香蕉秆及其生物炭，通过土壤团聚体稳定性和有机碳的变化特征，综合分析香蕉秆废弃物还田对土壤团聚体稳定性、碳库组成和碳库管理的影响，为香蕉秆的农业资源化利用和珠江三角洲双季水稻土质量改善提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

广东省中山市三乡镇水稻种植区（22°21'N，113°26'E）属南亚热带季风气候，年平均气温22.0℃，年平均降雨量1 800 mm，年平均日照时间1 840 h，光热条件充足，雨量充沛，土壤类型为三角洲沉积物发育的潴育型水稻土，得益于良好的环境条件，水稻种植制度为双季稻。采集水稻土耕层（0～20 cm）土壤，去除肉眼可见的植物残体后，过5 mm筛备用。试验前土壤基本理化性质为pH 4.87，有机碳12.65 g·kg，全氮1.12 g·kg，碱解氮125.62 mg·kg，全钾32.52 g·kg，速效钾55.69 mg·kg，全磷0.76 g·kg，有效磷40.51 mg·kg，颗粒组成为528.6 g·kg砂粒、268.0 g·kg粉粒、203.4 g·kg黏粒。

供试有机物料取自华南农业大学教学科研基地的香蕉秆（Banana stem，BS），对其进行清洗、杀青处理，再将其剪碎过2 mm筛。取部分剪碎的香蕉秆置于马弗炉中，450℃厌氧裂解2 h，然后过2 mm筛，制得香蕉秆生物炭（Banana stem biochar，BSB）。各有机物料的基本性质见表1。

表1 供试有机物料的基本性质Table 1 Basic properties of organic materials in the experiment

1.2 试验设计

培养试验共设7个处理，分别为添加风干土壤质量0.5%、1.0%和2.0%的香蕉秆和香蕉秆生物炭处理和对照（CK）处理，每个处理3个重复。将各香蕉秆及其生物炭处理分别和2 kg风干土样混合均匀，装入规格为高12 cm、直径11 cm的塑料盆，共计21盆。培养试验在华南农业大学资源环境学院网室中进行，保持土壤水分在田间持水量的60%左右，土壤培养180 d。培养结束后，用小型土钻取样，用于测定土壤理化性质和有机碳组分。

1.3 测定方法

土壤基本理化性质和有机碳组分测定方法参考《土壤调查实验室分析方法》。土壤pH采用电位法（水土比2.5∶1）测定；颗粒组成采用吸管法测定；全氮采用凯氏定氮法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定；总有机碳采用重铬酸钾氧化法测定；活性有机碳采用高锰酸钾氧化法测定；土壤团聚体采用萨维诺夫法测定。

1.4 计算公式

团聚体结构破坏率（，%）和不稳定团粒指数（）的计算公式为：

式中：W为不同粒级土壤团聚体的质量分数，%；为干筛团聚体中＞0.25 mm粒级所占百分比，%；为湿筛团聚体中＞0.25 mm粒级所占百分比，%。

土壤团聚体稳定性评价采用转移矩阵法，将各个粒级的风干团聚体构成矩阵X，各个粒级的湿筛团聚体构成Y，在筛分过程中，每个粒级团聚体能保留在对应粒径范围内的几率为P，可得X P=Y，采用各粒级团聚体的保存几率作为团聚体稳定性指数（），计算公式为：

土壤有机碳氧化稳定性系数计算公式为：

氧化稳定性系数（os）=[土壤总有机碳含量（g·kg）-活性有机碳含量（g·kg）]/活性有机碳含量（g·kg）

土壤碳库管理指数计算公式为：

碳库指数（）=各处理土壤有机碳含量（g·kg）/对照土壤有机碳含量（g·kg）

碳库活度（）=活性有机碳含量（g·kg）/非活性有机碳含量（g·kg）

碳库活度指数（）=各处理土壤碳库活度/对照土壤碳库活度

碳库管理指数（）=碳库指数（）×碳库活度指数（）×100

参考土壤有机碳含量为本研究中对照处理。

1.5 数据分析

采用Excel 2016对数据进行整理和分析。采用Two-way ANOVA分析香蕉秆和生物炭、添加比例及其交互效应对土壤团聚体特征、有机碳库组分和碳库管理指数的影响，香蕉秆与其生物炭的显著水平通过T检验的两两比较进行分析，不同添加比例的显著性水平通过LSD法进行检验。分别用SPSS 24.0和Canoco 5.0对土壤团聚体特征、有机碳库组分和碳库管理指数进行主成分分析和nMDS分析。采用Origin 2020b做图。图表中数据为均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 香蕉秆及其生物炭对土壤碳库组成和碳库管理的影响

由表2可知，有机物料种类的主体效应对总有机碳（TOC）、活性有机碳（EOC）、活性有机碳占总有机碳比例（EOC/TOC）、有机碳氧化稳定系数（os）、碳库指数（）、碳库活度（）、碳库活度指数（）和碳库管理指数（）影响显著，添加比例的主体效应对TOC、EOC、、影响显著，有机物料种类和添加比例的交互效应对除EOC外的其他土壤碳库组成、碳库管理指标有显著影响。

表2 香蕉秆及其生物炭对土壤碳库组成及碳库管理的双因素方差分析Table 2 Two-way ANOVA on the effects of banana stem and its biochar on organic carbon fractions and carbon pool management

2.1.1 对土壤碳库组成的影响

添加BS和BSB后，土壤TOC和EOC含量均发生显著变化（图1）。与CK相比，添加BS和BSB处理土壤TOC含量显著增加，且随着添加比例增加，TOC呈增加趋势，其中以BSB处理的增加趋势更为显著，增加了31.03%～105.69%。与CK相比，土壤EOC含量也表现为显著增加，随着各有机物料添加比例增加，EOC亦呈增加趋势，其中以BS处理的增加趋势更为显著，增加了78.81%～146.77%。

图1 香蕉秆及其生物炭处理土壤碳库组成变化Figure 1 Change of organic carbon fractions under banana stem and its biochar application treatments

添加BS和BSB后，EOC/TOC和os变化如图1所示，与CK相比，BS处理的EOC占比显著增加，且随添加比例增加，呈上升趋势，范围为42.05%～49.64%，而BSB处理对EOC占比影响不显著，随添加比例增加，呈不同程度的降低趋势，但差异不显著。BS处理土壤os显著低于CK，且随添加比例增加，呈降低趋势，范围为52.56%～65.19%；而BSB处理未能显著改变土壤os。

2.1.2 对土壤碳库管理的影响

土壤碳库管理指标如表3所示，BS和BSB处理均能不同程度提高各碳库管理指标，其中土壤表现为BSB＞BS＞CK，土壤、和表现为BS＞BSB＞CK。随着添加比例的增加，BS处理土壤、、和均呈上升趋势；BSB处理土壤和呈显著上升趋势，而和呈下降趋势。BSB处理能明显提高土壤TOC含量，增加土壤碳库容量，而BS处理可以提高土壤EOC含量，增加土壤、和。

表3 香蕉秆及其生物炭处理的土壤碳库管理指数Table 3 Soil carbon pool management index under banana stem and its biochar application treatments

2.2 香蕉秆及其生物炭对土壤团聚体特征的影响

由表4可知，有机物料种类的主体效应对水稳性大团聚体（）、结构破坏率（）、不稳定团粒指数（）、团聚体稳定性指数（）影响显著，添加比例的主体效应对大团聚体含量及团聚体稳定性指标均无影响显著，有机物料种类和添加比例的交互效应对大团聚体的含量和团聚体稳定性指标均有显著影响。

表4 香蕉秆及其生物炭对土壤大团聚体及团聚体稳定性的双因素方差分析Table 4 Two-way ANOVA on the effectsof banana stemand itsbiochar on soil macroaggregate and soil aggregate stability

2.2.1 对土壤大团聚体的影响

添加BS和BSB后土壤和变化如图2。BS和BSB处理均显著提高了团聚体含量，分别以2.0%和0.5%的添加比例最高，2.0%添加比例的BS处理显著高于BSB处理。与CK相比，BS处理能提高团聚体含量，其中1.0%和2.0%添加比例效果显著；而BSB处理的土壤含量下降，其中1.0%添加比例降低趋势显著。BS及BSB处理对土壤团聚体和的影响结果不一致，与CK相比，BS处理能够降低团聚体和，其中1.0%和2.0%添加比例效果显著；而BSB处理土壤团聚体和表现出增加趋势，其中1.0%添加比例显著增加了32.26%和23.02%。

图2 香蕉秆及其生物炭处理土壤＞0.25 mm大团聚体的变化Figure 2 Change of＞0.25 mmmacroaggregate under banana stemand its biochar application treatments

2.2.2 对土壤团聚体稳定性的影响

添加BS和BSB后，土壤团聚体变化如图3。与CK相比，不同添加比例的BS处理均能提高团聚体，增幅为9.50%～18.98%，其中以2%的添加比例效果最显著；而不同添加比例的BSB处理对土壤团聚体表现为降低效果，降幅为1.02%～16.29%，其中1.0%添加比例降低趋势显著。

图3 香蕉秆及其生物炭处理土壤团聚体稳定性Figure 3 Soil aggregate stability under banana stem and its biochar application treatments

2.3 土壤团聚体稳定性与土壤碳库管理指标的相关性

将团聚体与土壤碳库组成和碳库管理指标进行线性拟合（图4），结果发现与TOC、无显著相关性，与EOC呈显著正相关，与EOC/TOC、、和呈极显著正相关，与os呈极显著负相关，说明土壤中活性有机碳的分配、土壤碳库活度和碳库管理是提高土壤团聚体稳定性的重要因素。

图4 土壤碳库组成、碳库管理指标与团聚体ASI的相关性Figure 4 Correlation between organic carbon fractions and carbon pool management index with aggregate stability index

2.4 土壤团聚体稳定性、土壤碳库组成和土壤碳库管理指标的综合分析

利用SPSS软件对土壤团聚体稳定性、碳库组成和土壤碳库管理指标进行主成分分析，以特征值大于1为基准提取3个主成分（表5）。第1主成分占总方差贡献率的66.65%，特征值为8.664；第2主成分占总方差贡献率的19.38%，特征值为2.520；第3主成分占总方差贡献率的9.26%，特征值为1.204。这3个主成分能代表不同有机物料处理下土壤团聚体稳定性、碳库组成和碳库管理指标变化的95.29%的信息。

表5 主成分分析的特征值和方差贡献率Table 5 Eigenvalues and contribution rate of variance of principal component analysis

根据各主成分所占比重得到综合得分函数PC=0.70×PC1+0.20×PC2+0.10×PC3，计算出不同有机物料处理的综合得分，并对其进行排序，结果见表6。2%BS（1.157）＞1.0%BS（0.768）＞0.5%BS（0.319）＞0.5%BSB（-0.308）＞2.0%BSB（-0.504）＞1.0%BSB（-0.509）＞CK（-0.924）。主成分分析表明，有机物料的施用均能不同程度地改善土壤团聚体、碳库组成和碳库管理指标总体水平，其中以2%BS处理效果最佳。

表6 香蕉秆及其生物炭处理土壤团聚体稳定性、碳库组成和土壤碳库管理指标的综合得分Table 6 Comprehensive scores of soil aggregate stability，soil organic carbon fraction and carbon pool management index under banana stemand its biochar application treatments

土壤团聚体特征及土壤碳库组成、碳库管理的非度量多维尺度分析（nMDS）见图5。本研究中stress=0.026 8，分析结果可靠，BS处理分布在第一、四象限，BSB处理分布在第二、三象限，且均与CK有较大差异，说明土壤团聚体特征、碳库组成和碳库管理受到添加的有机物料种类的影响。2%添加比例的BSB处理较0.5%、1.0%的添加比例远，说明土壤团聚体特征、碳库组成和碳库管理受BSB添加比例的影响，而不同添加比例的BSB处理之间距离较近，说明添加比例对土壤团聚体特征、碳库组成和碳库管理的影响较小。通过相似性检验分析发现，香蕉秆与其生物炭的差异对土壤团聚体特征、碳库组成和碳库管理的影响显著，且种类影响程度高于添加比例。

图5 土壤团聚体稳定性、土壤碳库组分和碳库管理指标的非度量多维尺度分析Figure 5 NMDS（non-metric multidimensional scaling）analysis of soil aggregate stability，soil fraction and soil carbon pool management index

3 讨论

3.1 香蕉秆及其生物炭对土壤碳库组成的影响

添加外源碳是农田综合管理的重要手段，其中作物秸秆等有机废弃物的资源化利用是改善土壤结构、培肥土壤的重要措施。土壤碳含量是各种环境因素综合影响下的外源碳输入和矿化分解之间的动态平衡结果。本研究中，以外源碳的形式添加香蕉秆及其生物炭增加了土壤TOC和EOC含量，而且增幅与添加比例存在明显正相关关系。而孙元宏等的研究表明外源碳的添加比例与土壤有机碳含量不是简单的线性关系，土壤碳库容量具有一定的阈值，超过饱和值后外源碳的输入将不能显著改变土壤有机碳含量。本研究土壤为珠江三角洲地区双季水稻土，由于长期的连作，加之农民对有机肥施用缺乏客观的认识，导致土壤有机碳逐年下降，2%的最大添加量不足以满足土壤碳库容量，因此随着添加比例增加，土壤TOC和EOC呈显著增加趋势。在本研究中，BSB处理提升土壤TOC的效果高于BS，主要是高温裂解的香蕉秆，自身含碳比例大幅度提高，而且有机分子结构高度芳香化，因此具有很强的微生物稳定性和长时间维持土壤碳稳定的潜力。EOC作为土壤有机碳周转最迅速的组分，是土壤生物可直接利用的碳组分，影响着外源碳在土壤中的矿化、迁移与降解，其对香蕉秆处理更加敏感。这是因为香蕉秆含有许多易分解的氨基酸、多糖等可溶性碳组分，而且较低的C∶N有利于土壤微生物的利用，有助于土壤EOC的积累，这与XU等的研究结果一致。而香蕉秆生物炭由于自身的生物稳定性，易矿化的有机碳比例较低，分解产生的EOC较少，因此随添加比例增加对土壤EOC提升效果不明显，EOC/TOC也随之呈下降趋势，这说明外源碳对EOC的影响不仅取决于自身含碳量的高低，可能更受外源矿化分解难易程度的影响。本研究中os也证明了这一点，CK处理土壤os显著高于BS处理，说明添加BS更能增加土壤有机碳活性，提高土壤肥力。

3.2 香蕉秆及其生物炭对土壤碳库管理的影响

综合了和，不仅可以通过土壤有机碳含量和组分的变化来评价田间管理措施的好坏，而且可以表征土壤质量的高低。已有研究表明，和土壤碳组分的变化与还田的有机物料种类、不同种植模式等农业措施密切相关。张影等的研究表明，与添加水稻秸秆生物炭相比，水稻秸秆处理增加土壤和效果更显著。魏夏新等的研究表明，秸秆生物炭还田有利于稻田土壤TOC含量的提高，从而保持土壤较高的CPMI。在本研究中，与CK相比，BS和BSB处理的CPMI均得到不同程度的提高，其中BS处理的最高，说明相比于BSB，BS处理更有利于土壤碳库质量的提高。从添加比例看，土壤均随着香蕉秆及其生物炭添加比例的增加而显著增加，但两者之间也存在差异，BS处理是通过提高EOC/TOC来提高土壤，而BSB处理是通过提高土壤TOC来提高土壤。由此说明，香蕉秆及其生物炭对土壤碳库管理的影响机制之间存在差异。总体而言，各处理的差异显著，且随着香蕉秆及其生物炭添加比例增加，呈显著增加趋势，其中2%BS处理更有利于改善土壤碳库组成和土壤质量。

3.3 香蕉秆及其生物炭对土壤团聚体的影响

土壤有机碳作为土壤团聚体的重要胶结物质，添加外源碳能够改变土壤碳含量和碳库组成，从而影响土壤团聚体的形成与稳定。本研究中，BS处理能提高土壤含量，而BSB处理的含量表现为降低趋势，这与SUN等的研究结果不一致，但也有研究表明，短期内生物炭不能显著改变土壤团聚体组成分布，出现这种差异的原因可能是试验所用生物炭原料种类、供试土壤理化性质以及试验时间长短的不同。表征土壤团聚体经湿筛后，相较于干筛团聚体，保存在当前粒径的概率，其数值越大，土壤颗粒团聚效果越好，稳定性越高。与土壤含量表现规律一致，BS处理能显著增加团聚体，而BSB处理则呈降低趋势。有研究表明，土壤EOC可作为瞬时性胶结剂，短期内团聚土壤颗粒，促进土壤团聚体形成，而非活性有机碳利用程度低，对土壤团聚体的改善效果不明显。香蕉秆含有的较多易分解的氨基酸、多糖等可溶性碳组分，丰富了土壤活性有机碳库，进而加速分解有机物料产生腐植酸等有机胶结剂，团聚土壤颗粒形成大团聚体。而香蕉秆生物炭芳香化，表现出高度的生物和化学惰性，难以被微生物分解利用，然而生物炭丰富的比表面积又能为微生物种群的生长繁殖提供生存空间，一定程度促进了微生物活动，加之外源碳的共同作用，诱导了土壤有机碳的激发效应，减少了连接大团聚体之间的有机胶结物质，从而导致了土壤团聚体稳定性降低。结合相关性分析结果，团聚体与TOC无显著相关性，与EOC呈显著正相关，与EOC/TOC呈极显著正相关，与os呈极显著负相关，说明外源碳的添加不是通过TOC，而是通过改变土壤EOC含量影响碳库组成，进而影响土壤团聚体稳定性，这与张琦等的研究结果一致。

PCA和nMDS的综合分析表明，香蕉秆及其生物炭均对土壤团聚体特征、碳库组成和碳库管理的综合水平起促进作用，而添加比例影响较小。总体而言，BS处理效果明显优于BSB处理，其中以2%BS处理最佳。

4 结论

（1）添加香蕉秆能增加土壤大团聚体含量，提高团聚体稳定性，而添加香蕉秆生物炭短期内则不利于土壤团聚体稳定性的提高。相关性分析表明，添加外源碳是通过提高土壤活性有机碳的含量，进而改变土壤活性有机碳的比例来改善土壤结构。

（2）添加香蕉秆及其生物炭处理均增加了土壤总有机碳、活性有机碳含量和碳库管理指数，降低了土壤氧化稳定系数，能改善珠江三角洲双季水稻土碳库质量。

（3）添加香蕉秆更有利于土壤结构改善和土壤活性有机碳的积累，综合分析结果表明，2%香蕉秆添加量具有最佳的土壤培肥效果。