趙婷婷，劉 蕾，柳新偉，崔德杰，孔祥平，李國(guó)賓，宋祥云?

（1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東青島 266109；2. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院青島市農(nóng)村環(huán)境工程研究中心，山東青島 266109；3. 青島市嶗山區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東青島 266101；4. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)院，山東青島 266109）

有機(jī)肥和生物質(zhì)炭均可以提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量[1-3]。牛糞作為傳統(tǒng)的有機(jī)肥可以通過增加土壤腐殖物質(zhì)（humic substances，HS）的含量而增加土壤有機(jī)質(zhì)，提高土壤肥力[4]。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能顯著提升稻田生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳量，且隨著有機(jī)肥用量的增加土壤固碳量增大[5]。HS是土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成部分，其組成和結(jié)構(gòu)變化直接影響土壤性質(zhì)[6]。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能提高土壤有機(jī)碳（soil organic carbon，SOC）及HS含量[7-8]。

生物質(zhì)炭對(duì)土壤固碳、提高土壤肥力有重要作用[9]。生物質(zhì)炭中的芳香碳所占比例較大，相對(duì)而言更穩(wěn)定[10-11]。SOC量隨著生物質(zhì)炭施用量的提高而增加[12-14]。生物質(zhì)炭可影響土壤HS的數(shù)量及結(jié)構(gòu)[15]。韓瑋等[16]將生物質(zhì)炭施入水稻土后發(fā)現(xiàn)，SOC增加，且隨著生物質(zhì)炭用量的增加，土壤胡敏酸（humic acid，HA）和富里酸（fulvic acid，F(xiàn)A）的比例逐漸下降，而殘留的黑碳和土壤胡敏素（humin，Hu）顯著增加。生物質(zhì)炭提高了土壤Hu的相對(duì)含量，增加了土壤中相對(duì)穩(wěn)定性碳的比例[15]。

雖然施用有機(jī)肥或生物質(zhì)炭均可增加土壤HS進(jìn)而提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量。然而，牛糞配施生物質(zhì)炭在土壤碳凈變化率和HS組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)特征上的影響有待進(jìn)一步研究。

本研究對(duì)比分析了牛糞、牛糞配施生物質(zhì)炭對(duì)土壤碳凈變化率的影響以及對(duì)土壤HA、FA和Hu形成轉(zhuǎn)化和結(jié)構(gòu)特征的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

田間試驗(yàn)于2017年在山東省濱州市博興縣棉田進(jìn)行，土壤類型為鹽化潮土，土壤電導(dǎo)率為229.7 μS·cm-1，鹽分為2.68 g·kg-1。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.5℃，全年日照時(shí)數(shù)2 595 h，年降水量601 mm，無霜期180 d。

1.2 供試材料

供試土壤為鹽化潮土，pH為8.45，有機(jī)質(zhì)含量6.44 g·kg-1，堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別為27.93 mg·kg-1、8.86 mg·kg-1和95.64 mg·kg-1。牛糞經(jīng)堆腐1個(gè)月后施用，有機(jī)碳含量382.3 g·kg-1，全氮含量17.63 g·kg-1。棉稈生物質(zhì)炭在炭化窯中500～700℃限氧燒制，有機(jī)碳含量458.98 g·kg-1，全氮含量9.10 g·kg-1。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分為五個(gè)處理，分別為CK（常規(guī)施化肥）、M1（常量施用牛糞8 t·hm-2）、M2（倍量施用牛糞16 t·hm-2）、CBM1（施用牛糞8 t·hm-2和棉稈生物質(zhì)炭10 t·hm-2）和CBM2（施用牛糞16 t·hm-2和棉稈生物質(zhì)炭10 t·hm-2）。每個(gè)處理三次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)60 m2。M1、M2、CBM1和CBM2的C/N分別為21.7、21.7、32和28。所有處理化肥施用量相同，施用碳酸氫銨600 kg·hm-2，追肥尿素225 kg·hm-2。有機(jī)物料在棉花播種前撒施地表后旋耕，棉花收獲后采集0～20 cm混合土樣。

1.4 分析方法

土壤HS組分的提取采用腐殖物質(zhì)組成修改法[17]。土壤樣品用去離子水提取出水溶性物質(zhì)（water soluble organic substances，WSS），繼續(xù)用0.1 mol·L-1NaOH + 0.1 mol·L-1Na4P2O7提取出可提取腐殖物質(zhì)（extractable humic substances，HE）。HE用0.5 mol·L-1H2SO4調(diào)節(jié)pH至1，分離出HA和FA，剩余殘?jiān)鼮镠u。部分HA和FA經(jīng)透析袋透析純化后冷凍干燥。Hu經(jīng)30%HCl + 30%HF浸洗24 h，重復(fù)6次，然后用去離子水將Hu洗至中性，風(fēng)干后磨細(xì)過0.25 mm篩。純化后的HA、FA和Hu用于紅外光譜測(cè)定。

元素分析采用元素分析儀（Vario MICRO，樣品分解溫度：900～1 200℃）測(cè)定。牛糞、生物質(zhì)炭、HA、FA和Hu化學(xué)結(jié)構(gòu)采用紅外光譜（Fourier Transform Infrared，F(xiàn)TIR spectroscopy）測(cè)定[18]。采用KBr壓片法，將腐殖物質(zhì)樣品與KBr按1︰200的比例混勻壓片。在傅里葉變換紅外光譜儀（NICOLET is5，Thermo公司，美國(guó)）上測(cè)定，測(cè)試范圍為4 000～400 cm-1，儀器分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為16次[19]。

牛糞有機(jī)碳、生物質(zhì)炭有機(jī)碳、SOC、WSS、HE、HA和Hu含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定，土壤基本化學(xué)性質(zhì)測(cè)定采用常規(guī)方法[20]。FA含量為HE的含量減去HA的含量[7]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

土壤碳凈變化率的計(jì)算采用如下公式：

采用SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，同時(shí)用Excel 2003進(jìn)行繪圖。紅外光譜數(shù)據(jù)使用OMNIC 8.2軟件和Origin 7.5軟件進(jìn)行分析，對(duì)吸收峰進(jìn)行峰面積計(jì)算，用某一峰面積占各峰總面積的百分比來表示其官能團(tuán)的變化[19]。

2 結(jié) 果

2.1 不同處理對(duì)土壤HS含量的影響

由表1可知，各個(gè)處理與對(duì)照相比明顯提高了SOC和土壤HS含量，各個(gè)處理增加了土壤中HA含量，其中CBM2處理增加最多，M1增加最少。M2與M1相比，HA含量增加了0.11 g·kg-1；CBM2與CBM1相比，HA含量增加了0.14 g·kg-1。M2、CBM1和CBM2處理增加了FA含量，其中CBM2增加了0.68 g·kg-1。各個(gè)處理增加了Hu含量，其中CBM2增加最多，從3.83 g·kg-1增至5.03 g·kg-1，增加了1.20 g·kg-1，M1增加最少，從3.83 g·kg-1增至4.80 g·kg-1，為0.97 g·kg-1。CBM1處理有機(jī)碳含量較M1增加0.46 g·kg-1；CBM2處理有機(jī)碳含量較M2增加了0.74 g·kg-1?？梢?，施用牛糞或牛糞配施生物質(zhì)炭增加了土壤HA、FA和Hu的含量。牛糞配施生物質(zhì)炭更有利于土壤HS的形成。表2為SOC和HS碳凈變化率。與單施牛糞（M1、M2）相比，牛糞配施生物質(zhì)炭（CBM1、CBM2）使土壤碳凈變化率分別提高了2.95%和3.55%。其中，HA提高了1.58%和1.18%，F(xiàn)A提高了2.16%和3.67%，Hu降低了0.82%和1.06%。與單施牛糞（M1、M2）相比，牛糞配施生物質(zhì)炭（CBM1、CBM2）顯著提高了土壤HA碳凈變化率。與倍量牛糞（M2、CBM2）處理相比，單倍牛糞（M1、CBM1）處理顯著提高土壤Hu碳凈變化率。說明牛糞配施生物質(zhì)炭形成Hu后雖然土壤中的Hu的含量增加了，但是同時(shí)也向HA和FA發(fā)生了轉(zhuǎn)化。

表1 不同處理土壤有機(jī)碳和腐殖物質(zhì)含量Table 1 Contents of SOC and HS relative to treatment/(g·kg-1)

表2 不同處理土壤碳凈變化率Table 2 Net organic carbon transformation rate in soil relative to treatment/%

2.2 不同處理對(duì)土壤HS元素組成的影響

不同處理土壤HS元素組成見表3。各處理土壤Hu的C元素相對(duì)含量均高于CK處理，而H/C和O/C均低于CK處理；土壤HA各處理的C元素相對(duì)含量均低于CK處理，而H/C和O/C高于CK處理；土壤FA除了CBM2處理以外，其余處理C元素相對(duì)含量均高于CK處理，而H/C和O/C均低于CK處理。以上研究結(jié)果表明，施用牛糞或牛糞配施低量生物質(zhì)炭均有利于增加土壤Hu和FA的C元素相對(duì)含量，并且Hu和FA的縮合度增加，氧化度降低，而HA的縮合度降低，氧化度增加。

表3 不同處理土壤胡敏酸、富里酸和胡敏素元素組成Table 3 Elemental composition of HA，F(xiàn)A and Hu relative to treatment

2.3 不同處理對(duì)土壤HS結(jié)構(gòu)的影響

牛糞、生物質(zhì)炭、土壤HA、FA和Hu紅外光譜和各吸收峰相對(duì)含量見圖1和表4。各吸收峰在2 920 cm-1和2 850 cm-1處代表脂族結(jié)構(gòu)中—CH2和—CH3的C—H伸縮振動(dòng)；1 630 cm-1處代表芳香碳的C=C伸縮振動(dòng)或醌、酮和酰胺I帶的C=O伸縮振動(dòng)，1 420 cm-1處代表脂族C-H伸縮振動(dòng)和1 100 cm-1處代表多糖及其類似物中C-O伸縮振動(dòng)[21]。由表4所示，與對(duì)照相比，施用牛糞（M1、M2）或牛糞配施生物質(zhì)炭（CBM1、CBM2）處理HA在1 100 cm-1吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度升高，相對(duì)峰面積增加了0.98%～10.57%；與M1相比，M2、CBM1和CBM2處理在2 920 cm-1、1 420 cm-1和1 100 cm-1處吸收峰相對(duì)含量均增加。施用牛糞（M1、M2）處理FA在1 420 cm-1吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度升高，相對(duì)峰面積分別增加了0.55%和1.4%；與M1和M2處理相比，CBM1和CBM2處理在2 920 cm-1、2 850 cm-1和1 100 cm-1處吸收峰相對(duì)含量均增加。與對(duì)照相比，施用牛糞（M1、M2）或牛糞配施生物質(zhì)炭（CBM1、CBM2）處理Hu在2 920 cm-1和1 630 cm-1吸收峰的相對(duì)強(qiáng)度升高；與M1處理相比，M2、CBM1和CBM2處理在2 920 cm-1、2 850 cm-1、1 420 cm-1和1 100 cm-1處吸收峰相對(duì)含量均增加。表明與M1相比，M2、CBM2胡敏酸、富里酸和胡敏素脂族碳和多糖相對(duì)含量增加了，芳香族物質(zhì)相對(duì)含量降低。與施用牛糞相比，牛糞配施生物質(zhì)炭富里酸脂族亞甲基、甲基、多糖和芳香族物質(zhì)相對(duì)含量增加。

表4 土壤腐殖物質(zhì)、牛糞和生物質(zhì)炭紅外光譜吸收峰相對(duì)含量（半定量）Table 4 Relative content of HS，cow manure and biochar at absorption peaks in FTIR spectra（semi-quantity）/%

3 討 論

3.1 牛糞配施生物質(zhì)炭對(duì)土壤HS含量的影響

土壤HS在SOC的循環(huán)和轉(zhuǎn)化中起到重要作用[22]。不同有機(jī)物料在增加SOC含量方面的作用存在差異[23]。Senesi等[24]綜述了有機(jī)物料對(duì)土壤HS的影響，表明有機(jī)物料的性質(zhì)會(huì)影響土壤HS組成、結(jié)構(gòu)和功能。施用牛糞可增加SOC、HA和FA的含量[25]。施用高量有機(jī)肥有利于土壤HA和Hu的積累，進(jìn)而有利于提高土壤有機(jī)質(zhì)的腐殖化度[26]。本研究中施用常量牛糞和倍量牛糞是等碳氮比，田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與常量施用牛糞相比，倍量施用牛糞1年時(shí)SOC含量沒有因倍量施用牛糞而大量增加（表1）。這可能是由于常量施用牛糞對(duì)土壤碳凈變化率的貢獻(xiàn)高于倍量施用牛糞，并且主要體現(xiàn)在了Hu和HA這兩種組分，尤其是Hu（表2）。雖然短期田間常量施用有機(jī)肥的碳凈變化率高于倍量施用有機(jī)肥，但是由于逐年累積，長(zhǎng)期倍量施用有機(jī)肥的SOC含量將顯著增加。長(zhǎng)期試驗(yàn)結(jié)果表明，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥尤其是倍量施用有機(jī)肥顯著增加了土壤HA、FA和Hu的含量[7]。生物質(zhì)炭可以增加HS的含量[9，19，27]，尤其是Hu的含量[9，27-28]，進(jìn)而有效增加土壤中SOC含量[15，29-30]。此外，生物質(zhì)炭還可以使堆肥可提取的HE提高10%[31]。Jindo等[32]研究表明牛糞配施生物質(zhì)炭可減少CO2排放，增加土壤固碳量。在鹽土中等碳量添加有機(jī)物料的研究表明，秸稈堆肥配施生物質(zhì)炭處理更有利于增加土壤HA的含量[19]。本研究表明牛糞配施生物質(zhì)炭1年土壤SOC的碳凈變化率提高了，并且主要提高了HA和FA碳凈變化率（表2）。13C同位素研究結(jié)果表明，向土壤中等碳量添加秸稈堆肥、秸稈堆肥配施生物質(zhì)炭后培養(yǎng)180 d，秸稈堆肥配施生物質(zhì)炭處理較秸稈堆肥處理固定了更多的有機(jī)碳[33]。以上研究結(jié)果表明，牛糞配施生物質(zhì)炭在土壤固碳效果上優(yōu)于單施牛糞，除了體現(xiàn)在增加SOC含量以外，還提高了土壤HA和FA的碳凈變化率。有機(jī)物料主要增加土壤Hu的含量，有機(jī)肥配施生物質(zhì)炭有利于通過提高土壤HS碳凈變化率進(jìn)而提高土壤碳凈變化率。

3.2 有機(jī)物料對(duì)土壤HS結(jié)構(gòu)的影響

有機(jī)物料的化學(xué)結(jié)構(gòu)差異性影響SOC化學(xué)結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性[34-35]。施用有機(jī)肥能夠使增加土壤HA烷基碳的相對(duì)含量[36]。單施有機(jī)肥或有機(jī)肥配施化肥能夠增加土壤HS中烷烴基和氨基的數(shù)量[37]。本研究結(jié)果表明，施用牛糞或牛糞配施低量生物質(zhì)炭土壤HA的縮合度降低，氧化度增加（表3），這與施用生物質(zhì)炭量不大，牛糞在土壤HS形成轉(zhuǎn)化中的作用更顯著有關(guān)。這與接曉輝等[37]研究的施用有機(jī)肥后土壤HA烷基碳和烷氧碳的變化規(guī)律一致。本研究結(jié)果也表明，與施用常量牛糞相比，施用倍量牛糞或常量牛糞配施生物質(zhì)炭土壤HA、FA和Hu脂族碳和多糖相對(duì)含量增加，芳香族物質(zhì)相對(duì)含量降低（圖1和表4）。秸稈堆肥在土壤中可提高土壤HA和FA脂族碳和多糖相對(duì)含量，秸稈堆肥配施生物質(zhì)炭受二者所占比例影響[19]。以上研究表明增施牛糞更有利于土壤HS脂族碳和多糖的形成，同時(shí)牛糞配施生物質(zhì)炭可提高土壤HS脂族碳和多糖的相對(duì)含量。有機(jī)肥施入土壤后，除了可以明顯提高土壤HS各組分碳含量，還可以降低土壤HA、FA和Hu芳構(gòu)化度，改善其結(jié)構(gòu)和品質(zhì)[38]。土壤培肥后，胡敏酸數(shù)均分子量減小、芳香度、縮合度、氧化度及分子復(fù)雜程度下降，向著脂族化、年輕化和簡(jiǎn)單化的方向發(fā)展[39]。Cheng和Lehmann[40]的研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭的脂肪族碳結(jié)構(gòu)極易通過礦化分解等方式，轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥乐械腍A。施用生物質(zhì)炭后土壤HS縮合度和芳香性增強(qiáng)[41]。本研究中牛糞配施生物質(zhì)炭有利于土壤HS脂族碳和多糖相對(duì)含量的增加，而生物質(zhì)炭用量不變的情況下，配施更多的牛糞可增加土壤HA和Hu芳香族碳的相對(duì)含量（圖1和表4）；元素分析的結(jié)果表明施用牛糞或牛糞配施低量生物質(zhì)炭可使Hu和FA的縮合度增加，氧化度降低，化學(xué)結(jié)構(gòu)相對(duì)更穩(wěn)定（表3）。而生物質(zhì)炭本身富含芳香族碳具有化學(xué)穩(wěn)定性[19]，可以被物理保護(hù)并且難以被微生物分解[42-43]。但是生物質(zhì)炭也可以被氧化[44]。因此生物質(zhì)炭在一段時(shí)期內(nèi)是相對(duì)穩(wěn)定的。13C同位素研究結(jié)果也表明，生物質(zhì)炭進(jìn)入土壤后主要存在于Hu中，成為了土壤Hu的一部分[45]。土壤Hu的含量和SOC的含量呈正相關(guān)性[19]，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥主要形成了土壤Hu[7]，并且有利于增加土壤HA脂族碳的含量[36]。由此可見，施用有機(jī)肥和生物質(zhì)炭可直接影響土壤HA和Hu的含量和化學(xué)結(jié)構(gòu)。無論是單獨(dú)施用生物質(zhì)炭還是生物質(zhì)炭和有機(jī)肥配施均有利于提高土壤HS的芳香度，增加其穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

田間施用牛糞或牛糞配施生物質(zhì)炭1年增加了HA、FA和Hu的含量，主要增加了Hu的含量。與單施牛糞相比，牛糞配施生物質(zhì)炭可提高HA和FA碳凈變化率進(jìn)而提高SOC碳凈變化率。與施用常量牛糞相比，施用倍量牛糞或常量牛糞配施生物質(zhì)炭土壤HA、FA和Hu脂族碳和多糖相對(duì)含量增加，芳香族物質(zhì)相對(duì)含量降低。生物質(zhì)炭用量不變的情況下，配施更多的牛糞可增加HA和Hu芳香族碳的相對(duì)含量。施用牛糞或牛糞配施低量生物質(zhì)炭均有利于增加土壤Hu和FA的C元素相對(duì)含量，并且Hu和FA的縮合度增加，氧化度降低，而HA的縮合度降低，氧化度增加。