廖添懷，李歡，王艷玲

（南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，南京 210044）

生物炭（Biochar）因具有豐富的表面官能團(tuán)、發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積等特性，而被廣泛用于土壤改良、污染物降解、土壤固碳減排等領(lǐng)域。有研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭可以顯著降低土壤微生物活性、抑制土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)、增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。制備過程中的熱解溫度越高，生物炭的比表面積與穩(wěn)定性就越高，表面含氧官能團(tuán)數(shù)量就越少，并且生物炭的pH值也將隨著熱解溫度升高而升高。有研究發(fā)現(xiàn)，200～400℃的熱解溫度下秸稈中纖維素、半纖維素及木質(zhì)素發(fā)生熱分解，而在500℃的熱解溫度下秸稈進(jìn)入碳化過程，秸稈炭的芳香度與穩(wěn)定性提高。不同熱解溫度制備的生物炭理化性質(zhì)的改變將顯著影響其環(huán)境功能的表達(dá)，其施用到土壤后，將對(duì)土壤有機(jī)碳庫的組成、穩(wěn)定性及土壤性質(zhì)產(chǎn)生不同的影響。

土壤有機(jī)碳庫是地球系統(tǒng)碳循環(huán)中重要的有機(jī)碳庫，有效調(diào)控土壤有機(jī)碳庫中顆粒態(tài)有機(jī)碳（POC）與礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（MOC）的形成與損失將有利于土壤固碳及緩解溫室效應(yīng)。POC是土壤有機(jī)碳庫中較為活躍的組分，是評(píng)價(jià)土壤有機(jī)碳庫動(dòng)態(tài)變化的重要指標(biāo)。其中，游離態(tài)顆粒有機(jī)碳存在于微團(tuán)聚體外，主要來源于動(dòng)植物殘?bào)w，在土壤中容易被分解；而閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳則封存于微團(tuán)聚體內(nèi)部，受微團(tuán)聚體的物理保護(hù)且穩(wěn)定性相對(duì)較高。POC因其理化性質(zhì)及其在土壤中空間位置的不同而具有不同的有機(jī)碳儲(chǔ)存與保護(hù)能力，是土壤有機(jī)碳庫中較易調(diào)控的有機(jī)碳組分。MOC是通過化學(xué)鍵合作用與土壤礦物緊密結(jié)合、不易被分解、穩(wěn)定性高的有機(jī)碳組分，根據(jù)其在團(tuán)聚體的內(nèi)外空間位置，可將其分為游離態(tài)和閉蓄態(tài)礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳。有研究發(fā)現(xiàn)生物炭還田能顯著提高稻田土壤中POC含量，且提升效果顯著優(yōu)于投入等量碳或等量氮、磷、鉀養(yǎng)分，但對(duì)MOC的影響仍不明確。稻田是重要的CH和CO人為排放源，有研究證實(shí)施用稻稈生物炭可以顯著抑制稻田CH的排放，但對(duì)CO的累積排放量則無顯著影響；也有研究發(fā)現(xiàn)稻稈生物炭添加后的稻田CO累積排放量顯著提高了20.7%，而CH的累積排放量卻無顯著變化?？梢?，稻稈生物炭還田雖然可以有效干預(yù)稻田CH及CO的排放，但結(jié)果仍存在爭(zhēng)議。因此，稻稈生物炭還田對(duì)稻田土壤有機(jī)碳庫組成及CH、CO等溫室氣體排放的影響過程與機(jī)制仍需深入探討。

此外，土壤酸堿性（pH）與氧化還原電位（Eh）也是影響稻稈生物炭發(fā)揮固碳減排功效的重要因子。土壤呈中性（pH=6.5～7.5）、Eh較低（低于-150 mV）且含有充足的可溶性有機(jī)碳（DOC）是稻田CH排放的必要條件，而穩(wěn)定性低的土壤有機(jī)碳含量的增加對(duì)CO排放也具有促進(jìn)作用。有研究證實(shí)生物炭的投入顯著改變了土壤的pH和Eh值，進(jìn)而影響土壤的碳庫組成及溫室氣體排放。不同熱解溫度制備的生物炭pH差異明顯，其DOC含量變化也較大?？梢姡锾康臒峤鉁囟纫彩菦Q定其對(duì)土壤有機(jī)碳庫組成及CH和CO排放影響的重要因子。因此，本文以江西典型的稻田紅壤為研究對(duì)象，通過120 d的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，分析了等碳量添加稻稈及300、400、500℃下熱解制備的稻稈生物炭0、30 d與120 d后，稻田紅壤中DOC、POC、MOC含量及CH和CO累積排放量的動(dòng)態(tài)變化及差異，探討了稻田紅壤中各有機(jī)碳組分含量與CH、CO累積排放量間的相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果可以為稻稈生物炭的還田利用、稻田紅壤有機(jī)碳庫管理及溫室氣體減排提供科學(xué)依據(jù)與數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與制備

供試稻田紅壤樣品采自江西省鷹潭市余江縣劉家站墾殖三分場(chǎng)的孫家小流域（28°13.7'～28°14.1'N，116°54.2'～116°54.5'E）。稻田是該小流域內(nèi)主要利用方式之一，且以種植雙季稻為主，早稻生育期一般為4月上旬至7月中旬，晚稻生育期一般為7月中旬至11月中旬，冬季閑田。經(jīng)調(diào)查，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民集中在4—7月水稻生長(zhǎng)季進(jìn)行施肥管理，主要施用復(fù)合肥（N、PO、KO的比例為15∶15∶15），施肥量為1.5 t·hm，后根據(jù)作物生長(zhǎng)發(fā)育需求追施尿素（含氮量46%）0.5 t·hm和鉀肥（含KO量60%）0.075 t·hm。成土母質(zhì)主要為第四紀(jì)紅黏土。在該小流域內(nèi)選擇一處地勢(shì)平坦的水稻田塊，按“S”形采集水耕表層（0～20 cm）10～15個(gè)樣點(diǎn)的土壤樣品，混合均勻后，帶回室內(nèi)風(fēng)干，挑出肉眼可見的石礫及動(dòng)植物殘?bào)w后，磨細(xì)過2 mm篩，保存?zhèn)溆?。供試土壤的總碳（TC）含量為10.8 g·kg，總氮（TN）含量為1.4 g·kg，碳氮比（C/N）為7.7，pH為5.19，Eh為104 mV。

1.2 培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

稱取4份過2 mm篩的風(fēng)干土壤樣品100.0 g置于650 mL圓柱形培養(yǎng)瓶底部，以土樣質(zhì)量的1%為碳投入量，分別加入等碳量的過60目篩的烘干稻稈（RS）及300、400、500℃下 制 備 的 生 物 炭（RSB300、RSB400、RSB500），與土壤樣品混合均勻后，采用稱質(zhì)量的方法將土壤含水量調(diào)至田間最大持水量的60%，塞緊塞子后放于（25±1）℃恒溫培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)3 d，用噴壺向培養(yǎng)瓶中加入100 mL去離子水使土壤完全淹水，繼續(xù)密封培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)同時(shí)設(shè)置對(duì)照處理（CK），每個(gè)處理重復(fù)9次。分別在培養(yǎng)的第1、3、5、7、14、21、28、……（此后每隔7 d直至第120天）天上午9：00—10：00間取出培養(yǎng)箱中用于第120天采樣的培養(yǎng)瓶，打開瓶塞氣孔后立刻接入LGR（UGGA，美國(guó)）通氣管，測(cè)定培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)的CO和CH濃度，測(cè)定結(jié)束后打開瓶塞，讓培養(yǎng)瓶在空氣中平衡20 min后塞緊瓶塞并關(guān)閉瓶塞氣孔，放入培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)。在培養(yǎng)的第0、30天與120天時(shí)采集培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)上覆水測(cè)定DOC的含量，同時(shí)采集土壤樣品進(jìn)行土壤pH、Eh、總有機(jī)碳（TOC）及各有機(jī)碳組分的測(cè)定。培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)所用的稻稈生物炭購買于立澤環(huán)?？萍加邢薰荆蠟楫a(chǎn)自鎮(zhèn)江的秈稻秸稈。原料粉碎后投入炭化爐，分別緩慢升溫至300、400℃和500℃，在少氧條件下裂解炭化2 h，經(jīng)冷卻器冷卻至25℃后即分別得到RSB300、RSB400和RSB500。

1.3 土壤有機(jī)碳分組[31-33]

土壤有機(jī)碳分組流程圖見圖1，具體操作步驟為：稱取20.00 g過2 mm篩的風(fēng)干土壤樣品放入接有收集底盤的0.25 mm篩的篩面上，加入去離子水，以水淹過頂層篩面土壤樣品1 cm為標(biāo)準(zhǔn)，浸潤(rùn)10 min后，加入30顆直徑為4 mm的玻璃球，180 r·min密封振蕩5 min后，用去離子水沖洗篩子中的土壤樣品至水流澄清，再將篩面上的土壤樣品用去離子水沖洗到已知質(zhì)量的鋁盒中，放入60℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量后稱質(zhì)量，即得到0.25～2 mm游離態(tài)粗顆粒有機(jī)碳（fcPOC）。將過0.25 mm篩的土壤樣品沖洗過0.053 mm篩至水流清澈且不含細(xì)土顆粒，分別將留在篩上的土壤顆粒和過篩部分轉(zhuǎn)移至鋁盒后烘干稱質(zhì)量，得到0.25～0.053 mm微團(tuán)聚體有機(jī)碳（MIOC）及＜0.053 mm游離態(tài)礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（fMOC）。再稱取5.00 g MIOC加入50 mL離心管中，加入30 mL相對(duì)密度為1.80 g·cm碘化鈉（NaI）溶液，在平行式往復(fù)振蕩機(jī)上180 r·min振蕩30 min后，靜置20 min并3 500 r·min離心30 min，將離心管中上層液體過0.45μm濾膜，并用去離子水反復(fù)沖洗濾紙直至無NaI殘留，將留在濾紙上輕組組分（LF）置于60℃烘箱內(nèi)烘48 h至恒質(zhì)量，即得到游離態(tài)細(xì)顆粒有機(jī)碳（ffPOC）；再將殘留在離心管中的重組組分（HF）用去離子水清洗2～3次后，加入20顆直徑為4 mm的玻璃珠和30 mL 5.0 g·L六偏磷酸鈉溶液，放在平行式往復(fù)振蕩器上240 r·min振蕩18 h后，用細(xì)水流沖洗樣品過0.053 mm篩至水流清澈且不含細(xì)土顆粒，將留在篩上的土壤顆粒和過篩部分烘干，分別得到微團(tuán)聚體內(nèi)部的閉蓄態(tài)顆粒態(tài)有機(jī)碳（oPOC）和微團(tuán)聚體內(nèi)部的閉蓄態(tài)礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（oMOC）。

圖1 土壤有機(jī)碳分組流程圖Figure 1 Flow chart of soil organic carbon fractionation procedure

1.4 土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定

土壤pH、Eh采用電位法測(cè)定，即用1.0 mol·LKCl溶液進(jìn)行浸泡，液土比為2.5∶1；稻稈生物炭pH采用電位法測(cè)定，用去離子水進(jìn)行浸泡，液炭比為25∶1；上覆水中的DOC含量采用TOC分析儀（TOC-L CPH CN 200，日本島津）測(cè)定；土壤總碳、各組分土壤有機(jī)碳、稻稈生物炭總碳（TC）、總氮（TN）使用碳氮元素分析儀（Vario EL cube，Elementar，德國(guó)）測(cè)定。

1.5 結(jié)果計(jì)算

(1)某一組分有機(jī)碳所占比例=組分有機(jī)碳含量（g·kg）×該組分有機(jī)碳的質(zhì)量百分比（%）/各組分有機(jī)碳量的加和（g·kg）×100%

（2）土壤CO和CH排放量的計(jì)算公式為：

式中：為CO或CH的排放量，以CO和CH中C的質(zhì)量表示，mg·kg；為L(zhǎng)GR測(cè)得培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)CO或CH的濃度，mmol·L；為測(cè)定環(huán)境中空氣中CO或CH的濃度，mmol·L；為培養(yǎng)瓶中空氣體積，采用稱純水質(zhì)量的方法測(cè)得培養(yǎng)瓶中除培養(yǎng)土和上覆水外空氣體積為480.0 mL；為C的摩爾質(zhì)量，12 g·mol；為風(fēng)干土質(zhì)量或風(fēng)干土與添加物的總質(zhì)量，g；為氣體的標(biāo)準(zhǔn)摩爾體積，22.4 L·mol。

（3）土壤CO和CH累積排放量計(jì)算公式為：

式中：為測(cè)量次數(shù)，=1、3、5、7、14、21、28、……、120；CM為前次測(cè)量所得CO和CH累積排放量，mg·kg；F為第次測(cè)量所得CO和CH排放量，mg·kg。

1.6 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2019軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與計(jì)算；利用SPSS 19.0軟件分析各土壤有機(jī)碳含量與占比和CH、CO累積排放量的處理間差異（LSD，＜0.05），并對(duì)各土壤有機(jī)碳含量與CH、CO累積排放量進(jìn)行Pearson相關(guān)分析；采用Origin 2021軟件繪圖；以各處理中CH、CO累積排放量為響應(yīng)變量，以各組分土壤有機(jī)碳含量與pH和Eh為解釋變量進(jìn)行冗余分析，采用R軟件中vegan程序包完成分析制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻稈及稻稈生物炭添加對(duì)稻田紅壤DOC及TOC的影響

稻稈及稻稈生物炭的總碳、總氮、C/N、pH及過0.053 mm篩的組分質(zhì)量占比見表1。與CK相比，RS處理可以顯著增加稻田紅壤上覆水中DOC含量，且隨培養(yǎng)時(shí)間增加呈現(xiàn)先顯著增加后顯著降低趨勢(shì)（＜0.05）；RSB各處理培養(yǎng)0 d時(shí)稻田紅壤上覆水中DOC含 量 提 高 了54.5%～84.7%，30 d時(shí) 降 低 了37.5%～47.2%，而120 d時(shí)則增加了31.4%～86.2%，其中，僅在培養(yǎng)120 d時(shí)RSB300處理的上覆水中DOC含量顯著高于RSB400與RSB500處理（＜0.05，圖2）。隨著培養(yǎng)時(shí)間增加，RS處理的DOC含量變化幅度較大，而RSB各處理的DOC含量變化幅度較小，僅RSB300處 理在120 d時(shí)的DOC含量較0 d與30 d時(shí)的DOC含量顯著提高（＜0.05，圖2）。

圖2 稻稈及稻稈生物炭添加對(duì)稻田紅壤上覆水中可溶性有機(jī)碳含量的影響Figure 2 Influences of rice straw and rice straw biochar addition on the dissolved organic carbon content in the overlying water of reddish paddy soil

表1 稻稈及稻稈生物炭的總碳、總氮、C/N、pH及過0.053 mm篩的組分質(zhì)量占比Table 1 The total carbon，total nitrogen，C/N，pH and the proportion of mass passing through 0.053 mm sieve of rice straw and rice straw biochar

與CK處理相比，RS與RSB各處理可以顯著提高稻田紅壤TOC含量；但隨著培養(yǎng)時(shí)間增加，RS處理中TOC含量顯著降低（＜0.05），而其他處理則無顯著變化（表2）。由表2可以看出，本研究分組后的各組分有機(jī)碳的加和總有機(jī)碳量（ΣTOC）與未分組前土壤實(shí)測(cè)TOC的比值（即ΣTOC/TOC）為96.5%～102.1%，表明分組后的有機(jī)碳回收率高，ΣTOC也可用來表征供試土壤的總有機(jī)碳變化。

表2 稻稈與稻稈生物炭添加對(duì)稻田紅壤總有機(jī)碳的影響Table 2 Effects of rice straw and rice straw biochar additions on the total organic carbon of reddish paddy soil

2.2 稻稈及稻稈生物炭添加對(duì)稻田紅壤有機(jī)碳組分的影響

2.2.1 顆粒態(tài)有機(jī)碳（POC）

與CK相比，培養(yǎng)0 d與30 d時(shí)，RS與RSB各處理的稻田紅壤中游離態(tài)粗顆粒有機(jī)碳（fcPOC）含量分別提高了30.9%～42.6%和38.9%～51.8%，而fcPOC/ΣTOC卻分別降低了21.2%～28.3%和17.0%～23.4%；培養(yǎng)120 d時(shí)僅RS處理的fcPOC含量顯著提高，RSB各處理的fcPOC/ΣTOC均顯著降低（＜0.05，圖3）。隨著培養(yǎng)時(shí)間增加，各處理的fcPOC含量均顯著降低，且除RS處理外其他處理的fcPOC/ΣTOC也顯著降低（＜0.05，圖3）。

圖3 稻稈及稻稈生物炭添加對(duì)稻田紅壤中游離態(tài)粗顆粒有機(jī)碳的影響Figure 3 Influences of rice straw and rice straw biochar addition on the free coarse particulate organic carbon（fcPOC）in reddish paddy soil

與CK處理相比，RS與RSB各處理的稻田紅壤中游離態(tài)細(xì)顆粒有機(jī)碳（ffPOC）含量與ffPOC/ΣTOC均顯著增加，且在培養(yǎng)0 d與30 d時(shí)RS處理下稻田紅壤中ffPOC/ΣTOC提高幅度更大，而培養(yǎng)120 d時(shí)RSB各處理下稻田紅壤的ffPOC/ΣTOC提高幅度更大（＜0.05，圖4）。隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，RSB各處理的稻田紅壤中ffPOC含量顯著降低（＜0.05），所有處理的稻田紅壤中ffPOC/ΣTOC均顯著降低（＜0.05，圖4）。

圖4 稻稈及稻稈生物炭添加對(duì)稻田紅壤游離態(tài)細(xì)顆粒有機(jī)碳的影響Figure 4 Influences of rice straw and rice straw biochar addition on the free fine particulate organic carbon（ffPOC）in reddish paddy soil

與CK處理相比，RS與RSB各處理的稻田紅壤中閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳（oPOC）含量分別增加了80.6%～93.7%與76.4%～137.0%，但RS與RSB各處理間無顯著差異（＞0.05）；在培養(yǎng)0 d與30 d時(shí)，RS與RSB各處理的稻田紅壤中oPOC/ΣTOC無顯著變化，而培養(yǎng)120 d時(shí)RS處 理 的 稻 田 紅 壤 中oPOC/ΣTOC增 加 了28.64%（＜0.05，圖5）。隨著培養(yǎng)時(shí)間增加，所有處理的稻田紅壤中oPOC含量及oPOC/ΣTOC均顯著增加（＜0.05，圖5）。

圖5 稻稈及稻稈生物炭添加對(duì)稻田紅壤閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳的影響Figure 5 Influences of rice straw and rice straw biochar addition on the occluded particulate organic carbon（oPOC）in reddish paddy soil

2.2.2 礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（MOC）

與CK處理相比，RS與RSB各處理的稻田紅壤中游離態(tài)礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（fMOC）含量分別增加了20.0%～31.1%和66.3%～95.6%，但RSB各處理間無顯著差異（＜0.05）；在培養(yǎng)0 d和30 d時(shí)RS處理的稻田紅壤中fMOC/ΣTOC顯著降低，而在整個(gè)培養(yǎng)期中RSB各處理的稻田紅壤中fMOC/ΣTOC均無顯著變化（＞0.05，圖6）。隨著培養(yǎng)時(shí)間增加，RSB各處理的稻田紅壤中fMOC含量減少了9.1%～10.1%；除RSB300處理外，各處理的稻田紅壤中fMOC/ΣTOC在培養(yǎng)0～120 d期間均顯著增加（＜0.05，圖6）。

圖6 稻稈及稻稈生物炭添加對(duì)稻田紅壤游離態(tài)礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的影響Figure 6 Influences of rice straw and rice straw biochar addition on the free mineral-associated organic carbon（fMOC）in reddish paddy soil

與CK處理相比，僅在培養(yǎng)120 d時(shí)RS與RSB各處理的稻田紅壤中閉蓄態(tài)礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（oMOC）含量顯著提高（＜0.05）；RSB各處理的稻田紅壤中oMOC/ΣTOC降低了38.6%～51.5%，而RS處理的稻田紅壤中oMOC/ΣTOC僅在培養(yǎng)0 d與30 d時(shí)顯著降低（＜0.05，圖7）。隨著培養(yǎng)時(shí)間增加，RS與RSB各處理的稻田紅壤中oMOC含量分別增加了20.0%和9.5%～16.9%（＜0.05）；培養(yǎng)0～30 d期間RS處理的稻田紅壤中oMOC/ΣTOC增加了13.7%，而培養(yǎng)30～120 d期間CK與RSB各處理的稻田紅壤中oMOC/ΣTOC分別減少了31.9%和18.1%～20.0%（＜0.05，圖7）。

圖7 稻稈及稻稈生物炭添加對(duì)稻田紅壤閉蓄態(tài)礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的影響Figure 7 Influences of rice straw and rice straw biochar addition on the occluded mineral-associated organic carbon（oMOC）in reddish paddy soil

2.3 稻稈生物炭添加對(duì)稻田紅壤CH4與CO2累積排放量的影響

稻稈添加可以顯著且持續(xù)增加稻田紅壤中CH與CO的累積排放量，與CK處理相比，培養(yǎng)30 d時(shí)，RS處理的稻田紅壤CH與CO累積排放量增加了3 459.4倍和5.8倍，而120 d時(shí)的累積排放量比30 d時(shí)增加了109.0%與36.3%（＜0.05，表3）。與CK處理相比，培養(yǎng)30 d時(shí)，RSB各處理的稻田紅壤CO累積排放量降低了28.5%～33.7%，但RSB300和RSB400處理的CH累積排放量分別提高了188.5%和32.7%（＜0.05，表3）；培養(yǎng)至120 d時(shí)稻田紅壤中CO的累積排放量降低了16.3%～16.6%，而RSB300與RSB400處理的CH的累積排放量分別提高了218.0%和84.7%（＜0.05，表3）。由表3可以看出，RS與RSB處理的稻田紅壤中CH與CO的排放主要集中在0～30 d。

表3 稻稈及稻稈生物炭添加后稻田紅壤CH4與CO2累積排放量的變化Table 3 Changes of the cumulative emissions of CH4 and CO2 in reddish paddy soil after the additions of rice straw and rice straw biochar

2.4 稻田紅壤CH4與CO2累積排放量的影響因子分析

相關(guān)分析表明（表4），稻稈及其生物炭添加后稻田紅壤CH與CO累積排放量間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.01）。培養(yǎng)30 d時(shí)，稻田紅壤CH和CO的累積排放量只與DOC和ffPOC含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.01）；培養(yǎng)120 d時(shí)，稻田紅壤CH和CO的累積排放量與fcPOC含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.01），CO的累積排放量與ffPOC含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（＜0.05）。在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)，稻田紅壤TOC與ffPOC、oPOC、fMOC間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而oPOC含量與ffPOC、fMOC也呈顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.05）。

表4 稻田紅壤各組分有機(jī)碳含量與CH4和CO2累積排放量間的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between various organic carbon contents and the accumulative emission amounts of CH4 and CO2 in reddish paddy soil

冗余分析第一和第二排序軸解釋了總變量的85.90%（圖8）。結(jié)果顯示，稻稈及稻稈生物炭添加后稻田上覆水中的DOC含量是促進(jìn)稻田紅壤CH和CO排放的主要控制因素（＜0.001），而fcPOC則是抑制稻田紅壤CO排放的主要控制因素（＜0.01）。

圖8 稻田紅壤CH4和CO2累積排放量影響因子的冗余分析Figure 8 Redundancy analysis of influencing factors of CH4 and CO2cumulative emissions in reddish paddy soil

3 討論

土壤TOC含量是各有機(jī)碳組分動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果，土壤TOC含量越高，越有利于土壤生產(chǎn)力的提升與溫室效應(yīng)緩解。與RS處理相比，RSB各處理對(duì)稻田紅壤TOC的增加效果顯著（表2）。這主要是因?yàn)樯锾吭谔蓟^程中將稻稈中不穩(wěn)定的脂肪族化合物轉(zhuǎn)化為較穩(wěn)定的芳香碳，熱解溫度越高生物炭中穩(wěn)定性有機(jī)碳的比例也越高，在土壤中越不易被分解；而具有多孔結(jié)構(gòu)的生物炭可以吸附土壤有機(jī)碳并形成穩(wěn)定的復(fù)合體，進(jìn)而增加土壤有機(jī)碳的固存[37]。

RSB各處理可以顯著增加稻田紅壤中POC的含量與存在比例（圖3～圖5），這與胡坤等與DAI等的研究結(jié)果一致，即生物炭添加可顯著增加土壤中POC含量，有效防止土壤酸化、提高土壤肥力。本研究中，RSB各處理的稻田紅壤中fcPOC含量及其占比均隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加而顯著降低（圖3），這與張藝等的研究結(jié)果相同，其推測(cè)稻稈生物炭顆粒與fcPOC官能團(tuán)間的吸附作用可以在短期內(nèi)顯著提高fcPOC的含量，但隨著培養(yǎng)時(shí)間增加，fcPOC分解，與之吸附的生物炭顆粒進(jìn)入其他組分，導(dǎo)致fcPOC含量與fcPOC/ΣTOC顯著降低（圖3）。叢萍研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)小秸稈的添加顯著提高了土壤真菌含量，而真菌能夠促進(jìn)土壤團(tuán)聚作用，這種團(tuán)聚保護(hù)作用減緩了fcPOC分解，加上稻稈這種新鮮有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)作用提高了fcPOC數(shù)量，因此稻田紅壤中fcPOC含量顯著增加（圖3）。ffPOC與fcPOC的區(qū)別在于顆粒大小，且本研究中，添加的稻稈與稻稈生物炭均過60目篩使得RSB各處理和RS處理的ffPOC含量與ffPOC/ΣTOC均顯著高于CK處理（圖4）。oPOC存在于微團(tuán)聚體內(nèi)部，被微團(tuán)聚體保護(hù)不易受微生物分解，是穩(wěn)定性相對(duì)較高的POC，這是本研究中oPOC/ΣTOC隨培養(yǎng)時(shí)間增加而升高的基礎(chǔ)；另外，根據(jù)團(tuán)聚體等級(jí)模型，細(xì)小稻稈及其生物炭可以被土壤顆粒通過吸附、配位和陰陽離子交換作用與土壤礦物膠結(jié)形成新的團(tuán)聚體，進(jìn)而導(dǎo)致稻田紅壤中oPOC含量及oPOC/ΣTOC的增加（圖5）。在培養(yǎng)0～120 d，稻田紅壤中oPOC含量與TOC含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（表4），王朔林等也發(fā)現(xiàn)外源有機(jī)質(zhì)投入將顯著增加oPOC含量，且oPOC含量與TOC含量具有極顯著正相關(guān)關(guān)系。

稻稈及稻稈生物炭加入土壤后，其中小于0.053 mm的有機(jī)碳顆粒在有機(jī)碳分組中通常被認(rèn)為是fMOC，因而RSB各處理的稻田紅壤中fMOC含量顯著增加（圖6）；封存于微團(tuán)聚體內(nèi)部的oMOC含量在培養(yǎng)0～30 d并無顯著變化，在培養(yǎng)120 d時(shí)與其他有機(jī)碳組分才具有顯著相關(guān)關(guān)系（表4），這印證了oMOC是稻田紅壤中周轉(zhuǎn)最慢的有機(jī)碳組分，與劉中良等的觀點(diǎn)相同。外源有機(jī)碳的輸入能促進(jìn)微團(tuán)聚體的形成，該過程中fMOC組分中部分有機(jī)碳與微團(tuán)聚體結(jié)合形成oMOC，進(jìn)而在一定程度上提高了oMOC含量并降低了fMOC含量。而高夢(mèng)雨等發(fā)現(xiàn)生物炭添加對(duì)土壤oMOC含量影響較小，這可能與生物炭施用前的造粒有關(guān)，造粒過程中微小粒徑生物炭的減少可能是影響oMOC含量變化的關(guān)鍵?？傮w來看，稻稈及稻稈生物炭添加后稻田紅壤中POC的變化幅度大于MOC（圖3～圖7），而有機(jī)碳大部分儲(chǔ)存在MOC中，因而MOC在土壤中是具有主要碳儲(chǔ)存功能的有機(jī)碳組分，這與王玲莉等的研究結(jié)果一致。

添加稻稈與稻稈生物炭后，稻田紅壤CH和CO的排放主要集中在培養(yǎng)0～30 d（表3），這與李有兵等的研究結(jié)果一致。土壤CH和CO的排放主要受到土壤有機(jī)碳活性和微生物群落豐度的影響，土壤有機(jī)碳含量越高，有機(jī)碳活性就越高，有機(jī)碳穩(wěn)定性則會(huì)下降，更易被微生物分解。稻稈添加可以顯著提高稻田紅壤中新鮮有機(jī)碳含量，稻稈有機(jī)碳的迅速分解及其激發(fā)作用又顯著促進(jìn)了CH和CO的排放。生物炭的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成是其對(duì)土壤有機(jī)碳礦化產(chǎn)生影響的根本原因。生物炭的孔隙度隨制備溫度的升高而顯著增大，其多孔結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)碳進(jìn)行吸附從而抑制了微生物的降解作用；生物炭添加能夠促進(jìn)土壤中穩(wěn)定態(tài)有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的形成，封存部分有機(jī)碳從而減少礦化；此外，生物炭自身含有的二噁英、呋喃和多環(huán)芳烴等有機(jī)物污染物可能對(duì)微生物產(chǎn)生毒害，進(jìn)而抑制了有機(jī)碳礦化。因此，相對(duì)于添加稻稈，添加稻稈生物炭顯著抑制了稻田紅壤CH和CO的排放（表3）。此外，充足的DOC含量也是影響稻田CH排放的關(guān)鍵因素。本研究發(fā)現(xiàn)，稻田紅壤中CH和CO累積排放量與DOC、ffPOC和fcPOC含量顯著相關(guān)（表4），且DOC是促進(jìn)稻田紅壤CH和CO排放的主要控制因素（圖8），說明CH和CO的排放主要與活性有機(jī)碳有關(guān)，這與張黛靜等和王瑞的研究結(jié)果一致。另外，稻稈生物炭呈堿性，添加后可在一定程度上中和稻田紅壤的酸度，增加產(chǎn)甲烷微生物的豐度，從而促進(jìn)稻田紅壤的CH排放，但生物炭中的有機(jī)污染物也可能抑制產(chǎn)甲烷微生物的活性；同時(shí)，低溫?zé)峤獾牡径捝锾勘雀邷責(zé)峤獾牡径捝锾繉?duì)稻田紅壤DOC的增加作用更顯著（圖2），這為產(chǎn)甲烷微生物提供了更充足的碳源，進(jìn)而顯著促進(jìn)了稻田紅壤的CH排放（表3）。冗余分析顯示fcPOC是抑制稻田紅壤CO排放的主要控制因素（＜0.01，圖8），這與WASEEM等發(fā)現(xiàn)土壤活性有機(jī)碳能提高土壤CO排放的結(jié)果不同，可能是因?yàn)閒cPOC與稻稈生物炭顆粒在互相吸附過程中提高了自身的穩(wěn)定性，使得fcPOC與傳統(tǒng)認(rèn)知土壤活性有機(jī)碳性質(zhì)有所不同。

4 結(jié)論

（1）稻稈生物炭添加可以顯著增加稻田紅壤有機(jī)碳總量及各有機(jī)碳組分含量，且隨著添加時(shí)間的延長(zhǎng)，稻田紅壤中游離態(tài)粗顆粒有機(jī)碳與游離態(tài)礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量顯著降低，而閉蓄態(tài)的顆粒有機(jī)碳與礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量均顯著增加。

（2）稻稈生物炭添加可以顯著抑制稻田紅壤中CH和CO排放，且以500℃熱解制備的稻稈生物炭添加效果最好。

（3）相關(guān)分析表明，游離態(tài)顆粒有機(jī)碳與可溶性有機(jī)碳是影響稻田紅壤中CH與CO排放的主導(dǎo)因素。