氮沉降背景下生物炭施用对土壤有机碳组分的影响

宋凯悦，尹云锋，马亚培，石思雨，周 杨，马红亮，高 人

(1.福建师范大学地理研究所，福州 350007；2.福建师范大学福建省植物生理生态重点实验室，福州 350007)

森林土壤有机碳(SOC)占全球土壤碳(C)库的比例高达73%，是C排放和C固定的重要载体。近年来我国亚热带氮(N)沉降量已达63.53 kg/(hm·a)，远超世界平均水平。过量N沉降导致土壤酸化、养分流失、生物多样性降低、生态系统稳定性下降等生态环境问题，显著影响森林生态系统C循环。SOC依据在土壤中的稳定性差异可分为活性SOC与难降解性SOC，不同SOC组分是研究土壤C循环，改善土壤结构和肥力的重要参考。活性SOC参与土壤养分循环，对管理措施和环境变化的响应更为敏感，而难降解性SOC在提升土壤C库和稳定性方面具有重要作用。酸水解活性有机碳(LPC)、可溶性有机碳(DOC)和微生物生物量碳(MBC)常被作为活性SOC的主要表征指标。目前，关于N沉降对森林SOC组分的研究主要集中在活性SOC方面，且结论不一，对难降解性SOC关注较少，特别是在亚热带地区。有研究表明，N沉降对土壤MBC的负面影响在陆地生态系统中普遍存在，而对土壤LPC、DOC含量影响尚存争议，增加、降低和无影响均有报道。因此，深入研究N沉降对SOC组分的影响，揭示亚热带森林土壤C循环对N沉降的响应机制具有重要意义。

生物炭(BC)是生物质材料在缺氧或限氧环境中热解而成的高度芳香化的富C物质，作为土壤改良剂，BC施用可以缓解土壤酸化、改善土壤肥力和提高SOC库及其稳定性。Li等研究发现，向亚热带毛竹林土壤中添加BC(竹叶烧制)可以增加SOC的稳定性，并降低土壤中与碳水化合物和纤维素分解相关的微生物活性。高N沉降对森林生态系统产生不利影响，而BC施用则可缓解这一问题。目前已有开展N沉降背景下BC施用对毛竹林和香榧林土壤生态系统的影响研究报道，且集中在土壤温室气体排放、微生物群落和酶活性变化、土壤肥力和N素流失等方面，针对N沉降背景下BC施用对杉木人工林SOC及其组分的影响研究还鲜见报道。

杉木()是亚热带地区具有代表性的速生树种，人工林面积已达1.10×10hm，约占全国人工林总面积的21.4%，在人工林生态系统中占据重要地位。因此，本文以杉木幼苗为研究对象，探究N沉降背景下BC施用对SOC组分的影响，为亚热带生物质资源合理利用及人工林可持续经营提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

研究地点位于福建师范大学长安山公园(26°02′11″N，119°18′03″E)。供试土壤采自福建省闽北水土保持科教园内杉木人工林，土壤类型为红壤。采集后的新鲜土样在去除残体、石砾等杂物后过5 mm筛备用。土壤的全碳(TC)含量16.51 g/kg，全氮(TN)含量1.71 g/kg，全磷(TP)含量0.53 g/kg，pH 4.49；BC(玉米秸秆，450 ℃制备)购自辽宁金和福农业科技股份有限公司，其TC含量442.91 g/kg，TN含量7.97 g/kg，TP含量2.94 g/kg，pH 10.17。一年生杉木幼苗购自三明苗木基地。

1.2 试验设计

采用双因素设计，参照中亚热带地区N沉降背景值36.3 kg/(hm·a)，并结合未来大气N沉降可能持续增加的趋势，确定模拟N沉降量为(0，40，80(kg/hm·a))；基于BC的实际应用，BC以土壤质量的0，1%和3%施入，施用量相当于0，12，36 t/hm，共9个处理，分别为：(1)0(NB)；(2)12 t/hmBC(NB)；(3)36 t/hmBC(NB)；(4)N 40 kg/(hm·a)(NB)；(5)N 40 kg/(hm·a)+12 t/hmBC(NB)；(6)N 40 kg/(hm·a)+36 t/hmBC(NB)；(7)N 80 kg/(hm·a)(NB)；(8)N 80 kg/(hm·a)+12 t/hmBC(NB)；(9)N 80 kg/(hm·a)+36 t/hmBC(NB)，每个处理4次重复。

2019年4月1日，将6.235 kg新鲜土(质量含水量24.7%)与BC混合后一次性装入直径25 cm，高25 cm的圆柱形塑料盆中，选择长势一致杉木幼苗栽入盆中(平均株高25.50 cm，平均地径0.23 cm)。每月1号N沉降以NHNO溶液形式均匀喷洒在土壤表面，其余处理则喷洒等量水。定期维护，去除土壤表面凋落物及杂草，尽可能降低环境因素的干扰。试验18个月后进行破坏性取样，利用四分法取土，新鲜土样去除可见根系、石砾等杂物，取回后过2 mm筛后分成两部分：一部分立即测定微生物生物量；另一部分自然风干过2 mm和0.149 mm筛用于土壤基本性质和C组分测定。杉木幼苗的根、茎和叶的生物量测定采用烘干法。

1.3 测定方法

pH采用便携式pH计(Mettler FE28，上海)测定，水土比为2.5∶1。土壤速效氮(AN)采用碱解—扩散法测定；土壤速效磷(AP)采用钼锑抗比色法，用HCl—NHF浸提，分光光度计(WFJ721，上海光谱)测定；土壤速效钾(AK)采用CHCOONH浸提，火焰光度计(FP6410，上海欣益)测定。

SOC组分采用HSO水解法，根据其稳定性划分为：(1)活性组分Ⅰ(LPⅠ-C，Labile PoolⅠ)，包括淀粉、半纤维素、可溶性糖类等，利用20 mL 2.5 mol/L HSO水解；(2)活性组分Ⅱ(LPⅡ-C, Labile PoolⅡ)，主要包括纤维素等，利用2 mL 13 mol/L HSO进一步提取所得；(3)难降解组分(RPC, Recalcitrant Pool)，离心管内残渣清洗烘干后所得，主要包括木质素等。酸水解活性C组分(LPC)=LPⅠ-C+LPⅡ-C。利用总有机碳分析仪(TOC-VCPH/CPN, Shimadzu，日本)和碳氮元素分析仪(ElementarVario EL III, Elementar，德国)分别测定滤液与残渣有机C浓度。

DOC含量采用总有机碳分析仪(TOC-VCPH/CPN, Shimadzu,日本)测定；MBC采用氯仿熏蒸—KSO浸提法，利用总有机碳分析仪(TOC-VCPH/CPN, Shimadzu，日本)测定提取液C含量。

1.4 数据分析

利用Excel 2016进行数据整理，统计分析和作图采用SPSS 19和Origin 2019b软件。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)LSD法多重比较检验不同处理间差异显著性(<0.05)，利用双因素方差分析(Two-way ANOVA)，检验N沉降与BC处理间的差异及交互作用；相关分析采用Pearson相关分析法进行双尾检验确定显著性。

2 结果与分析

2.1 土壤基本性质

由表1可知，与NB相比，单施BC(NB和NB)处理的土壤pH、AP和AK含量均显著升高，pH分别提高0.26和0.85个单位，土壤AN含量在NB处理下显著升高(<0.05)；单独模拟N沉降(NB和NB)对AP含量无显著影响，但AK含量显著降低，NB处理的土壤pH较对照显著降低0.18个单位，NB处理使AN含量增加显著(<0.05)；相比NB处理，低N沉降下施用BC(NB和NB)处理的土壤pH、AP和AK含量显著增加，且3个处理间差异显著(<0.05)，其中pH分别提高0.35和0.91个单位，AN含量呈下降趋势，在NB处理下降低显著(<0.05)；同样，相比NB处理，高N沉降下添加BC(NB和NB)处理的pH、AP和AK变化趋势与低N沉降下添加BC的一致，AN含量亦显著增加(<0.05)，但NB和NB处理间差异并不显著。

表1 不同处理对土壤酸度和速效养分的影响

2.2 土壤有机碳及其组分含量

由表2可知，与NB处理相比，单施BC和N沉降下BC施用使SOC含量显著增加40.1%～99.2%，且同一N沉降水平不同BC处理间差异达显著水平(<0.05)，其中单施BC时SOC增加趋势最明显；单独N沉降，SOC含量在低N沉降处理下增长显著，在高N沉降处理下差异未达显著水平。单独N沉降、单施BC以及N沉降下BC施用均显著增加RPC含量(<0.05)，提升幅度为16.7%～267.8%，其中NB处理的RPC含量增加亦最为明显。N沉降下施用高量BC，土壤LPC组分含量显著降低(<0.05)，相比NB处理，NB处理的LPC含量降低15.4%；相比NB处理，NB处理的LPC含量降低13.8%。但单施BC和单独N沉降对土壤LPC含量无显著影响。

相比NB处理，单独N沉降对DOC含量无显著影响，单施BC以及N沉降下施用BC处理显著提高土壤DOC含量，增加幅度为75.3%～194.7%。单独N沉降，NB处理下土壤MBC含量较NB处理的显著降低17.2%，较NB处理降低8.5%；与NB处理相比，土壤MBC在低N沉降下添加BC时显著降低27.1%～43.2%；与NB处理相比，高N沉降下施用BC处理的土壤MBC含量显著增加21.4%～29.6%(<0.05)；单施BC对土壤MBC影响不显著(表2)。

表2 BC和N沉降处理下土壤有机碳及其组分含量

方差分析表明，BC施用极显著影响SOC、RPC、LPC和DOC含量(<0.01)，且对RPC组分影响最大；N沉降处理仅对MBC影响极显著(<0.01)；N沉降与BC交互作用对SOC、RPC、MBC具有极显著影响(<0.01)(表3)。

表3 BC和N沉降处理对土壤有机碳及其组分影响的方差分析

2.3 土壤有机碳组分在总有机碳中的比例分配

BC处理、N沉降处理以及BC和N沉降交互处理均对LPC/SOC比例(图1a)和RPC/SOC比例(图1b)产生极显著影响(<0.01)。本研究土壤LPC/SOC比例为28.6%～61.3%。与NB相比，单独N沉降处理(NB和NB)LPC/SOC比例显著降低4.2%和6.6%；单施BC和N沉降下施用BC，LPC/SOC比例降低28.8%～53.3%，且不同BC施用量间差异显著(<0.05)。RPC/SOC比例为38.7%～71.4%，与NB相比，单施BC和N沉降下施用BC，RPC/SOC比例显著增加45.7%～84.6%；单独N沉降，RPC/SOC比例亦显著增加，但增加效果不及BC施入。

注：图柱上方不同字母表示各处理间差异显著(P<0.01)。下同。

BC处理极显著影响DOC/SOC和MBC/SOC比例(<0.01)，N沉降、N沉降与BC交互处理对MBC/SOC比例分别存在显著(<0.05)和极显著影响(<0.01)，对DOC/SOC比例影响不显著。由图2a可知，各处理中DOC/SOC比例范围为0.06%～0.12%，单施BC，DOC/SOC比例在NB和NB处理中较NB处理显著增加(<0.05)，NB处理的较NB处理有所降低，但未达显著水平；低N沉降下添加BC，变化趋势与单施BC相同；高N沉降下添加BC，与NB相比，NB处理显著提高DOC/SOC比例，且显著高于NB处理(<0.05)。由图2b可知，土壤MBC/SOC比例范围在0.5%～1.3%，与NB相比，单独高N沉降处理的MBC/SOC比例显著降低16.2%；单施BC和低N沉降下施用BC处理的MBC/SOC比例显著降低22.7%～58.0%，高N沉降下施用BC时MBC/SOC比例显著降低23.8%～34.9%(<0.05)。

图2 不同处理DOC和MBC在SOC中的比例

2.4 影响因子分析

相关分析发现，SOC与RPC、DOC、pH、TN以及速效养分(AP和AK)呈极显著正相关(<0.01)；与LPC呈极显著负相关(<0.01)。LPC组分与各土壤指标(MBC和AN除外)均呈极显著负相关(<0.01)。土壤MBC仅与AN关系显著(<0.05)，与SOC组分及其他因子均无显著关系。SOC、RPC和DOC与地上生物量呈显著正相关(<0.05)，与地下生物量关系不显著。此外，DOC亦与pH、AP和AK呈极显著正相关关系(<0.01)(图3)。

注：*表示在P<0.05水平显著相关；**表示在P<0.01水平显著相关。

3 讨 论

本研究发现，单独模拟N沉降增加SOC含量，特别在低N沉降处理下增长显著，增幅9.5%(表2)，这与Zak等野外试验结果相近，模拟N沉降(N 30 kg/(hm·a))处理的森林SOC含量显著高于对照土壤，增幅约12%，N沉降抑制微生物活性和减缓有机质分解，从而促进SOC库的积累。Chang等进一步表明，N添加(N 40 kg/(hm·a))处理的森林表层(0—5 cm)土壤呼吸受到抑制，而微生物生物量的降低是抑制土壤呼吸，进而抑制SOC分解的主要原因。本研究低N沉降处理土壤MBC含量显著降低也证实这一点。而单独施用BC以及N沉降下施用BC处理的SOC含量较单独N沉降处理的显著提高，且高量施用效果较低量更明显(表2)，这与多数报道结果一致。一方面BC为富C材料，外源C输入可直接增加SOC含量；另一方面，BC中含有超过97%的顽固性C，主要包含芳香性C组分，特别是高度浓缩的芳香环结构，生物稳定性强，可在长期内提升SOC含量。

RPC/SOC(有机C难降解指数)反映SOC难降解性。本研究中，单施BC以及N沉降下施用BC显著增加RPC含量及比例，其变化趋势与SOC相似，而受影响程度大于SOC(表3和图1)。RPC组分在单施BC处理时增加效果最为明显，该组分主要由木质素等具有芳香环和烷基结构的C组成，BC施入是其增加的主要原因。已有研究表明，BC输入改变SOC组分的分配比例，使其朝“惰性化”方向发展。因此，N沉降背景下BC施用有利于土壤LPC向RPC转化可能是RPC组分含量增加的又一原因。相关分析亦表明，RPC与LPC组分呈极显著负相关(图3)，这也证实N沉降背景下BC施用有利于增加土壤C库稳定。单独N沉降处理土壤RPC含量及比例亦显著增加，但不同N沉降量对其影响效果不及BC施入(表2和图1)，这与林伟等研究结果相似。Ramirez等研究认为，N添加改变微生物群落结构，进而抑制土壤稳定性C的分解。Neff等同样发现，N添加(N 10 g/(m·a))增加难降解有机C的稳定性。另外，土壤多酚氧化酶作为主要的木质素分解酶，N沉降可抑制其活性，进而影响对土壤木质素的分解，这可能进一步增加土壤难降解有机C含量。

LPC组分是土壤中易分解矿化的有机C，是微生物的主要能源和C源，可指示土壤C库质量变化。本研究中，单独N沉降对土壤LPC组分含量影响并不显著，单施BC变化亦不大，但在高量BC与N沉降联合作用时显著降低，可能是因为BC输入改善N沉降对微生物群落组成的负面影响，进而改变SOC组分的分配与转化。LPC/SOC(有机C活性指数)反映SOC活性程度或生物可降解性，单独N沉降使该指数显著降低(图1)，这与张璐等观点一致。单施BC以及N沉降背景下施用BC，LPC/SOC降低幅度较单独N沉降处理更为明显(表2和图1)，这与张继旭等研究结论相似，他们施用0.2%～5%BC(水稻秸秆)发现黄棕壤LPC/SOC比例下降。Lu等研究发现，BC(玉米秸秆)的多孔结构能够保留土壤养分和吸附土壤活性C，导致土壤LPC含量较低。也有研究显示，BC富含AP、AK等速效养分，玉米秸秆制备的BC使得土壤AP含量增加更甚。本研究中，AK、AP等速效养分与LPC存在极显著负相关关系(图3)，说明N沉降下BC施用可能缓解富N环境中微生物对P和K限制，提高LPC周转速率。

DOC作为土壤有机质库中最活跃的部分，是养分周转的重要桥梁，其含量变化取决于来源与消耗的平衡。Zhong等在广东大岭山森林为期1年模拟N沉降试验后未观察到DOC含量变化，这与本研究结论一致，原因可能是高温多雨的亚热带气候条件导致的土壤DOC淋失掩盖N沉降对DOC的影响。亦有研究发现，N沉降加剧土壤酸化，从而导致DOC含量降低，或者N沉降通过抑制土壤中多酚氧化酶和微生物活性，增加DOC含量。多数研究从施N处理后的酸碱效应和微生物群落变化来解释土壤DOC对N添加的响应差异，目前尚无统一定论。本研究发现，BC施用对DOC含量存在显著影响(表3)，单施BC以及N沉降背景下施用BC，土壤DOC含量显著增加75.3%～194.7%，这与Song等研究结论相近。BC比表面积大，吸附能力强，固持水分和养分，改善土壤生物栖息环境，进而提高DOC含量。BC亦含有可溶性物质，这是土壤DOC含量增加的重要因素。此外，本研究中BC施用使土壤pH显著升高，pH不仅能够影响土壤DOC的吸附解吸过程，还可能导致DOC中弱酸性官能团的去质子化，增加其亲水性和电荷密度，提升其溶解度。本研究亦表明，土壤DOC含量与pH呈极显著正相关关系，这可能是DOC含量显著升高的重要原因(图3)。新近凋落物和土壤腐殖质被认为是森林土壤DOC的主要来源，Tian等研究认为，较高的植物生物量或BC和N沉降的协同作用产生较多的根系分泌物是DOC增加的可能原因。本研究进一步证实，DOC与地上生物量间存在显著正相关关系(图3)。

Jian等综合65项N添加试验发现，N添加对MBC的抑制作用为9.5%。本研究中单独高N沉降较对照处理降低8.5%(表2)，这也证实MBC对N添加的负响应普遍存在。Wang等通过对南亚热带3种森林生态系统N沉降研究发现，N沉降增加造成的土壤酸化可能是微生物生物量变化的主要调控因素；Zhong等研究结果与本文一致，认为土壤pH控制酶动力学和微生物过程，N沉降通过影响pH进而对MBC、SOC和养分有效性产生连锁影响。而本研究中，单独高N沉降处理导致土壤酸化(表1)，N沉降和BC对土壤MBC含量存在显著交互作用(表3)。Liu等研究发现，未施N条件下，土壤MBC对BC的响应不显著，而在施N条件下，BC施用增加MBC含量，这与本研究中高N沉降与BC联合作用的结果吻合。此外，MBC/SOC为土壤微生物熵，反映土壤微生物对SOC的贡献，以及对基质的利用效率。本研究中，高N沉降处理的MBC/SOC比例显著降低，说明高N添加不利于土壤微生物对底物的利用；单施BC以及N沉降与BC交互处理均对MBC/SOC比例影响显著，使其呈现下降趋势(图2)。同时本研究发现，高N沉降与高量BC的交互作用能够减缓这种下降趋势，说明在高N沉降背景下，高量BC施用可能促进微生物的激发作用，减缓高N沉降对微生物活性的抑制。

4 结 论

(1)与单独N沉降相比，N沉降与BC交互作用对SOC、DOC、RPC含量及比例的提升效果，以及对LPC含量及比例的降低效果更为明显。其中，N沉降背景下BC施用对RPC组分的促进作用最明显，这说明N沉降与BC交互作用能够促进SOC组分的稳定性，有利于土壤C库增加。

(2)单独高N沉降减少土壤MBC含量及比例，单施BC对MBC含量的影响并不显著，高N沉降背景下施用BC使MBC含量显著增加，这表明BC施用能够减缓高N沉降对土壤微生物量造成的负面影响。