0 引言
【研究意义】土壤有机碳库是陆地生态系统中最大的碳库,其稳定性对全球温室气体的排放有着重要影响[1]。土壤有机碳可以影响土壤理化性质以及生物学性状,进而影响土壤质量。土壤碳库的动态平衡是土壤肥力保持与提高的关键,并对作物产量产生重要影响[2]。生物炭通常是指以自然界广泛存在的生物质资源为基础,利用特定的炭化技术,由生物质在缺氧条件下不完全燃烧所产生的炭质[3]。生物炭可以起到改良土壤的作用,有助于提高土壤总有机碳的含量[4,5]。【前人研究进展】土壤有机碳组分研究也是探知土壤有机碳在经营管理措施下变化的重要环节[6]。土壤有机碳具有高度异质性,不同组分的有机碳由于化学性质和存在方式等不同,其生物有效性和肥力功能不同[7]。国内外关于生物炭及炭基肥对不同类型土壤有机碳的作用效果研究报道众多。王月玲等[8]的研究表明,不同用量苹果果树枝条生物炭均能显著提高土总有机碳（TOC）、颗粒有机碳（POC）及易氧化有机碳（AOC）的含量,且TOC和POC与生物炭施用量呈极显著正相关。韩玮等[9]以南方稻麦轮作区水稻土为研究对象,探究不同施肥处理对土壤不同密度组分有机碳的影响,发现施用生物炭显著提高了土壤轻组的质量比例和土壤轻组有机碳含量,且高温热解生物炭>低温裂解生物炭>秸秆还田>不施肥处理,对重组有机碳影响不显著。李有兵等[10]采用室内恒温培养试验,探讨小麦和玉米残体与其生物炭配施对土壤各组分有机碳的影响,发现添加有机物料的各处理均显著增加了土壤TOC含量,其中添加生物炭处理土壤TOC含量增幅最大;小麦和玉米残体与其生物炭配施处理,土壤微生物量碳（MBC）和粗颗粒有机碳（CPOC）含量分别显著增加80.2%和199.2%,土壤CPOC含量及敏感性指数均表现为配施处理最高。DEMISIE等[11]在红壤上进行试验,施用不同用量以橡木和竹子为原料的生物炭。结果表明：施用不同原料的低量生物炭后,土壤TOC、高锰酸钾氧化碳（POXC）、轻组游离态有机碳（LFOC）、水溶性有机碳（WSC）、热水溶性碳（HWC）和微生物有机碳（MBS）含量均高于施用高量生物炭;各组分有机碳占总有机碳的比例均LFOC>POXC>MBC>HWC≈WSC;施用生物炭能提高土壤有机碳含量和团聚体稳定性,进而提高土壤肥力。EYKELBOSHA等[12]采用室内土柱模拟实验,发现模拟降雨后,生物炭处理减少了巴西铁铝土可溶性有机碳的淋出,且通过荧光光谱分析,生物炭处理优先保留高分子量物质,如类腐殖质可溶性有机碳,而低分子量物质不被保留,如氨基酸类物质。潘全良等[13]通过6年的微区定位试验,以传统土壤培肥方式作为对照,发现施用炭基肥降低了可溶性有机碳含量,而施用生物炭提高了其含量。战秀梅等[14]连续4年进行花生微区田间试验,发现炭基肥处理土壤有机碳含量较试验前提高4.4%,显著低于生物炭配施氮磷钾肥处理。【本研究切入点】许多研究表明施用生物炭可以提高土壤有机碳含量,但对其影响机理的定性分析尚不够深入。研究土壤有机碳各组分的变化规律,有助于揭示土壤有机碳的循环与转化过程[15] 。前人研究对象主要集中在红壤[11,16-17]和潮土[18,19],研究对象主要为水稻[9,20]和玉米[10,21-22],研究方法多为室内模拟试验[10,12,18,23],而本试验主要针对辽宁省的实际情况,且采用田间定位试验。棕壤是辽宁省主要土壤类型,花生种植面积逐年增大,到2014年已近47万公顷。但种植花生的土壤多为中低产田,有机碳含量低,产量较低。为提高土壤肥力及花生产量,以炭基肥为代表的各种新型肥料开始研制和应用。但是,关于炭基肥对土壤有机碳各组分含量影响的研究很少。【拟解决的关键问题】本研究以辽宁省花生主要种植土壤—棕壤为研究对象,开展有机碳总量及组分含量研究,以期探索连续多年施入炭基肥及生物炭土壤有机碳各组分的变化规律,及土壤有机碳的稳定机制。1 材料与方法
1.1 试验区概况
田间试验位于沈阳农业大学肥料长期定位试验科研基地（123°33′ E, 40°48′N）,地处松辽平原南部的中心地带,属于温带湿润-半湿润季风气候。年均气温7.0—8.1℃,10℃以上积温3 300—3 400℃,无霜期为148—180 d,生长季降雨量平均为547 mm。试验地为旱地棕壤,属发育在第四纪黄土性母质上的简育湿润淋溶土。炭基肥定位试验始于2011年,于2010年秋季取耕层土壤测定其基本理化性质（表1）。Table 1
表1
表1供试土壤基本理化性质
Table 1Basic properties of soil at the beginning of the experiment
| 层次 Soil layer (cm) | 有机质 Organic matter (g·kg-1) | 全氮 Total N (g·kg-1) | 全磷 Total P (g·kg-1) | 全钾 Total K (g·kg-1) | 碱解氮 Available N (mg·kg-1) | 速效磷 Available P (mg·kg-1) | 速效钾 Available K (mg·kg-1) | pH |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 0-20 | 13.1 | 0.53 | 0.67 | 18.8 | 56.2 | 12.5 | 89.6 | 6.81 |
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1.2 试验设计
试验地种植制度为一年一熟花生连作,品种为花育33,种植密度为15万穴/hm2,每穴种植2株。试验设5个处理：处理1（不施肥,以CK表示）、处理2（生物炭225 kg·hm-2,以C15表示）、处理3（生物炭750 kg·hm-2,以C50表示）、处理4（N 82.5 kg·hm-2、P2O582.5 kg·hm-2、K2O 97.5 kg·hm-2,以NPK表示）,处理5（炭基缓释肥750 kg·hm-2,以BBF表示）。每个处理重复3次,小区面积27 m2,随机排列。采用90 cm大垄双行种植方式。生物炭（C 22%、N 0.3%、P2O5 0.2%、K2O 2.4%）的制备：采用玉米芯为主要原料,在450℃裂解并通过80—100目筛子后造粒。
炭基缓释肥（C 6.6%、N-P2O5-K2O 11-11-13）,以生物炭为原料,添加氮、磷、钾养分,采用化学或物理方法混合制成的肥料。
氮、磷、钾肥料分别为尿素、磷酸二铵和硫酸钾。所有肥料混匀后采用条施做基肥一次施入,施入深度15—20 cm,覆土。其中C15处理与炭基肥处理碳素投入量相同;NPK处理与炭基肥处理养分（氮、磷、钾）投入量相同。
1.3 样本采集与分析
土壤样本于2014年秋季（花生收获后）采集。每个小区按照“S”型随机采集0—20 cm土层土壤样本3点,组成混合样本,风干后测定。1.4 测定项目与方法
1.4.1 总有机碳（TOC） 利用德国Vario EL Ⅲ型元素分析仪测定。1.4.2 有机碳各组分测定 土壤有机碳分组采用SIX等[24]的物理分组方法,将土壤有机碳分为颗粒态有机碳（POM-C）和矿物结合态有机碳（MOC）,其中颗粒态有机碳又细分为游离态颗粒有机碳（FPOC）和闭蓄态颗粒有机碳（OPOC）。
参考WANDER等[25]、KOLBL等[26]的方法分离各组分有机质：将20 g土壤放入250 mL离心管里,加100 mL重液（碘化钠）封口。上下摇晃使重液与土壤充分混合。静置24 h后在3 500 r/min离心15 min。浮在重液上面的有机物用真空抽滤器抽吸到0.45 µm的滤膜上,用蒸馏水反复冲洗至滤液无颜色,然后转入已称重的蒸发皿中,80℃烘干后称重即得游离态颗粒有机质（FPOM）。离心管中余下的部分在超声粉碎细胞仪的作用下打碎分散,悬浊液通过孔径为53 μm的尼龙筛,用蒸馏水冲洗筛子至无浑浊液为止。未过筛的样品即为闭蓄态颗粒有机质（OPOM）组分,将其转移到蒸发皿中。通过筛子的为矿物结合态有机质（MOM）组分,将其在水浴上蒸至20—30 mL,在80℃下烘12 h,称重。计算得到FPOM、OPOM和MOM含量（g·kg-1）,即每千克土壤中含各组分有机质的量。
将上述各烘干物磨碎过筛,用Vario EL Ⅲ型元素分析仪测得FPOC、OPOC、MOC的浓度（%）,即各组分有机碳占各组分有机质的百分数。计算得到各组分有机碳的含量（g·kg-1）,即每千克土壤中含各组分有机碳的量：
FPOC含量（g·kg-1）=FPOM含量（g·kg-1）×FPOC浓度（%）;
OPOC含量（g·kg-1）=OPOM含量（g·kg-1）×OPOC浓度（%）;
MOC含量（g·kg-1）=MOM含量（g·kg-1）×MOC浓度（%）。
土壤可溶性有机质（DOM）是指可溶于水或盐溶液的有机质,在生物地球化学循环过程中起着至关重要的作用,是土壤微生物和植物所需要的C、N等养分和能量的重要来源。可溶性有机碳（DOC）是体现DOM数量特征的常用指标[27]。
称10 g风干土于250 mL离心管中,加100 mL去离子水后放入到振荡机中,在温度为（25±1）℃和180 r/min下振荡,然后在4 500 r/min离心20 min,然后悬液在真空泵下通过0.45 μm滤膜,收集到的滤液在TOC仪上测定,测定的TOC和无机碳（IC）之差为DOC含量。
1.5 数据处理与分析
试验数据采用Microsoft Excel 2010和SPSS19.0软件进行统计分析。2 结果
2.1 土壤总有机碳含量（TOC）
由图1可以看出经过4年连续定位施肥,土壤中TOC的含量范围为6.01—8.36 g·kg-1。CK处理TOC含量最低,为6.01 g·kg-1。经过连续耕作,土壤中没有外界碳素的投入,产量相对较低,导致作物残茬量低,而花生的作物残茬量尤其低,因此归还土壤的有机物料少,土壤的有机碳含量下降。C15处理TOC含量为8.23 g·kg-1,与起始土相比提高了8%。C50处理TOC含量为8.16 g·kg-1,与起始土相比提高了8%。单施生物炭对土壤中TOC含量的提升有明显效果,随着生物炭投入量的增大,有机碳提升效果略微减弱。NPK处理TOC含量为7.28 g·kg-1,比CK处理高提升了21%,差异显著,但NPK处理与起始土无差异。连续施用化肥土壤TOC下降是由于有机碳结构复杂,分解后才能供作物吸收,且不能自己合成,而NPK处理常年不补充有机碳,因此土壤有机碳含量下降。炭基肥处理TOC含量为8.36 g·kg-1,与CK处理相比提高了39%,与起始土相比提高了10%。连续施用炭基肥不仅可以为作物提供养分,同时还可以有效增加土壤有机碳含量,维持土壤肥力。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1不同施肥处理土壤总有机碳含量
柱上不同字母代表不同处理间差异显著 (P<0.05,Duncan’s test)。下同
-->Fig. 1Soil total organic carbon under different fertilizations
Significant differences are marked by different letters (P<0.05, Duncan’s test). The same as below
-->
炭基肥处理TOC含量比等碳量投入（C15处理）及等养分投入（NPK处理）分别提高了2%和15%。可见连续施用炭基肥对提升0—20 cm土层TOC含量的效果好于等碳量投入及等养分投入处理。
2.2 土壤有机碳组分
2.2.1 游离态颗粒有机碳（FPOC） 由表2可以看出,不同施肥处理对FPOC含量的影响各不相同。4年连续施肥后,土壤FPOC的含量1.01—1.54 g·kg-1,总体变化趋势为：炭基肥>C50>NPK>C15>CK。其中 CK处理含量最低,仅为1.01 g·kg-1。C15处理FPOC含量与起始土和CK处理无显著差异;C50处理FPOC含量为1.35 g·kg-1,比起始土和CK处理分别提高了27%、34%。连续施入低量生物炭土壤FPOC含量变化不大,而当生物炭用量较高时,土壤FPOC提升显著。对比C15、NPK和炭基肥3个处理,炭基肥处理FPOC含量比等碳量投入（C15处理）或等养分投入（NPK处理）分别提高了43%、40%。可见连续施用炭基肥对提升0—20 cm土层FPOC含量的效果好于等碳量投入或等养分投入处理。Table 2
表2
表2不同施肥处理土壤游离态颗粒有机碳含量
Table 2Soil FPOC under different fertilizations
| 处理 Treatments | FPOM组分含量 FPOM component concentration (g·kg-1) | FPOC浓度 FPOC concentration (%) | FPOC含量 FPOC Content (g·kg-1) |
|---|---|---|---|
| 初始土Initial soil | 4.72±0.06b | 22.52±0.29c | 1.06±0.02b |
| CK | 4.04±0.05d | 25.19±0.16abc | 1.01±0.02b |
| C15 | 3.76±0.14e | 28.69±0.33a | 1.08±0.05b |
| C50 | 5.13±0.09a | 26.36±0.24abc | 1.35±0.02a |
| NPK | 4.46±0.10c | 24.60±0.34bc | 1.10±0.03b |
| BBF | 5.19±0.14a | 29.62±0.09a | 1.54±0.04a |
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2.2.2 闭蓄态颗粒有机碳（OPOC） 由表3可以看出,不同施肥处理对OPOC含量的影响各不相同。4年后土壤中OPOC的含量范围为0.85—1.26 g·kg-1,总体变化趋势为：炭基肥=C50>C15>NPK>CK。CK处理OPOC含量为0.85 g·kg-1,与起始土相比降低了18%,不施入任何肥料会显著降低土壤中OPOC含量。C15处理OPOC含量为1.08 g·kg-1,与起始土和CK处理相比分别显著提高了4%、27%;C50处理OPOC含量为1.26 g·kg-1,比C15处理提高17%。说明生物炭可显著提高土壤OPOC含量,且随着用量增OPOC含量增加提高。炭基肥处理OPOC含量比等碳量投入（C15处理）或等养分投入（NPK处理）分别提高了17%、43%。可见连续施用炭基肥对提升0—20 cm土层OPOC含量的效果更好。
Table 3
表3
表3不同施肥处理土壤闭蓄态颗粒有机碳含量
Table 3Soil OPOC under different fertilizations
| 处理 Treatments | OPOM组分含量 OPOM component concentration (g·kg-1) | OPOC浓度 OPOC concentration (%) | OPOC含量 OPOC content (g·kg-1) |
|---|---|---|---|
| Initial soil | 89.78±0.22c | 1.16±0.02d | 1.04±0.020c |
| CK | 75.14±0.38e | 1.13±0.03d | 0.85±0.024d |
| C15 | 88.45±0.06d | 1.22±0.01c | 1.08±0.006b |
| C50 | 91.84±0.09b | 1.37±0.03a | 1.26±0.024a |
| NPK | 68.40±0.17f | 1.29±0.02b | 0.88±0.017d |
| BBF | 93.29±0.60a | 1.34±0.04a | 1.26±0.025a |
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2.2.3 矿物结合态有机碳（MOC） 由表4可以看出,不同施肥处理对MOC含量的影响不大。试验测定土壤中MOC的含量范围在4.24—5.72 g·kg-1。CK处理MOC含量最低,比起始土降低了22%,不施入任何肥料会显著降低土壤中MOC含量。其余4个处理（C15、C50、NPK、炭基肥）MOC含量略有不同,但与起始土差异不明显,可见无论施入低量生物炭、高量生物炭、氮磷钾化肥或炭基肥对提升土壤MOC效果不大。炭基肥处理MOC含量与C15和NPK处理差异不显著。可见与等碳量投入或等养分投入相比,连续施用炭基肥对土壤MOC含量变化影响不大。
Table 4
表4
表4不同施肥处理土壤矿物结合态有机碳含量
Table 4Soil MOC under different fertilizations
| 处理 Treatments | MOM组分含量 MOM component concentration (g·kg-1) | MOC浓度 MOC concentration (%) | MOC含量 MOC content (g·kg-1) |
|---|---|---|---|
| Initial soil | 949.20±2.30cd | 0.57±0.00ab | 5.41±0.02a |
| CK | 963.29±1.19b | 0.44±0.00c | 4.24±0.09b |
| C15 | 953.33±6.65c | 0.60±0.04ab | 5.72±0.36a |
| C50 | 942.87±2.06d | 0.56±0.01b | 5.28±0.06a |
| NPK | 979.99±3.75a | 0.55±0.01b | 5.39±0.13a |
| BBF | 920.84±5.12e | 0.62±0.02a | 5.71±0.18a |
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2.2.4 可溶性态有机碳（DOC） 由图2可以看出,不同施肥处理对DOC含量的影响各不相同。经过连续4年定位施肥,土壤中DOC的含量范围在95.55—108.13 mg·kg-1。总体变化趋势为：C50>炭基肥>C15>NPK>CK。CK处理DOC含量与起始土相比差异不明显,其他各处理土壤DOC含量均比起始土高。炭基肥处理土壤DOC含量比C15处理和NPK处理高,但差异不显著。可见与等碳量投入或等养分投入相比,连续施用炭基肥对0—20 cm土层DOC含量变化影响不明显。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2不同施肥处理土壤可溶性碳含量
-->Fig. 2Soil DOC under different fertilizations
-->
2.3 花生产量
2014年不同施肥处理花生产量在199.4—232.9 kg/667m2,均显著高于不施肥处理（图3）。其中炭基肥处理花生产量最高,比CK处理高36%。随着生物炭用量的增加,C50处理比C15处理产量高,但二者无明显差异。炭基肥处理花生产量比等碳量处理（C15）高17%,比等养分处理（NPK）高10%,且差异显著。说明各施肥处理均可以提高花生产量,且施用炭基肥提升效果最好。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图32014年不同施肥处理花生产量
-->Fig. 3Peanuts yield of under different treatments in 2014
-->
3 讨论
4年的定位试验结果表明,土壤有机碳及其组分含量因肥料种类的不同而有所差异。耕层土壤（0—20 cm）总有机碳含量随着生物炭、炭基肥的投入明显增加,与杨放等[28]研究结果一致。生物炭之所以能够提高土壤TOC,一方面,生物炭是一种富碳材料,将其施入土壤相当于直接向土壤中输入了大量外源有机碳;另一方面,生物炭主要由高度浓缩的芳香环结构组成[29],这种结构具有很强的生物稳定性。生物炭施入土壤后,其中的活性有机碳在相对较短的时间内作为碳源被微生物分解,而惰性碳则以土壤碳库的方式长期封存在土壤中[9,30]。此外,炭基肥显著提高了花生产量,进而增加花生地下部分生物量,提高总有机碳含量。但随着生物炭用量的增加,土壤有机碳总量提升幅度并未表现出显著差异,这与LAIRD等[31]研究结果不一致。分析其原因,可能是由于本试验生物炭投入量较低（占土重0.03%）,而很多研究把生物炭用量设计为1%—5%。考虑到农业实际操作,生物炭用量过大,存在很多弊端,一是操作不方便;其次材料获取困难。因此本试验设计量不高,在此用量基础上研究土壤理化性质变化更能代表生产实际。炭基肥的连续定位施入使土壤总有机碳含量显著增加,且效果好于等碳量的生物炭处理和等养分的氮磷钾处理。游离态颗粒有机碳主要是由半分解的植物残体、真菌菌丝孢子、种子、动物残体、微生物残骸以及一些吸附在碎屑上的矿质颗粒组成,比土壤有机碳的周转速率快,对土地利用方式和管理措施的灵敏度高,被认为是预测土壤有机碳变化的指示者[32,33]。闭蓄态颗粒有机碳是比游离态颗粒有机碳更难分解的有机碳组分,由于其被团聚体以物理方式包裹,微生物很难与其接触对其分解转化[34]。本研究中,连续定位施入不同肥料后,土壤有机碳组分含量发生明显变化。施入生物炭显著提高了土壤游离态颗粒有机碳、闭蓄态颗粒有机碳含量,这与尚杰等[35]研究结果一致。炭基肥作为一种新型复合肥料,在等养分或等碳量条件下,提升土壤游离态和闭蓄态颗粒有机碳含量效果优于等碳素投入或等氮磷钾养分投入处理。由于炭基肥施入土壤中后,肥料中含有的生物炭对氮、磷具有一定吸附作用,能够减少氮素和磷素的随水流失,使其保持较长时间的供肥作用[36]。连续4年施入炭基肥及生物炭,对土壤矿物结合态有机碳含量影响不大,其含量与起始土相比略有提高,但差异不显著,与樊廷录等[37]的研究结果一致。而王朔林等[38]研究表明长期采用有机肥与氮磷钾配施可显著提高矿物结合态有机碳含量,这可能是植被类型与气候差异导致[39]。
矿物结合态有机碳一般被认为是土壤有机碳中稳定组分,对土壤矿物等具有吸附保护作用,决定了土壤有机碳的保护能力[40]。可溶性有机碳是指受具有一定的水溶性,在土壤中转移快,易氧化,不稳定,且对作物和微生物具有较强活性的一类土壤有机碳,对土壤养分供给起重要作用[41]。不同施肥处理有机碳各组分所占比例各不相同。本试验中,矿物结合态有机碳占总有机碳的百分比最大,为67%—73%,其次是颗粒态有机碳。说明,矿物结合态有机碳对土壤有机碳的储备及其稳定性的增加起着关键性的作用。颗粒态有机碳中游离态组分比闭蓄态组分略高,该结果与王玲莉[42]研究结果一致。土壤可溶性有机碳主要来源于植物凋落物、微生物活动、根系分泌物以及人为施肥等途径,具有溶解性、移动快、易矿化分解等特点[43]。本试验中各处理土壤可溶性有机碳所占比例虽然最小,仅为1.27%—1.55%,但土壤可溶性有机碳的淋洗损失与其氧化分解是土壤有机碳损失的主要途径,对土壤碳素循环及其对环境的影响的相关研究有重要指导意义[44]。施入生物炭和炭基肥对其含量影响不大,炭基肥和生物炭对土壤有机碳活性最大的组分提升效果并不理想。这可能也与种植作物种类有关。花生采用的是耗竭式生产方式,作物收获后,地下部分完全被移走,归还的活性碳数量较少,导致尽管投入了一定数量碳素,但可溶性有机碳含量没有显著提高。
4 结论
经过连续4年的定位施肥,除不施肥处理外,其他处理的总有机碳含量均有所增加。施用炭基肥显著提高了棕壤耕层土壤总有机碳含量,主要通过提高有机碳组分中中等活性有机碳（游离态颗粒有机碳和闭蓄态颗粒有机碳）含量而达到提升土壤碳库的作用,且效果好于等碳量投入或等养分投入处理。而对于可溶性有机碳及矿物结合态有机碳含量影响不大。炭基肥及生物炭可以提高花生产量,且施用炭基肥提升效果最好。The authors have declared that no competing interests exist.
