魏雪勤，孫　楠，張旭博，張崇玉，王道龍，申華平

（1貴州大學生命科學學院，貴陽 550025；2中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部作物營養(yǎng)與施肥重點開放實驗室，北京 100081）

基于不同施肥模式添加生物炭后菜地土壤CO2釋放特征及不同形態(tài)碳含量變化

魏雪勤1，2，孫楠2，張旭博2，張崇玉1，王道龍2，申華平2

（1貴州大學生命科學學院，貴陽 550025；2中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部作物營養(yǎng)與施肥重點開放實驗室，北京 100081）

【目的】研究4種常規(guī)施肥模式下，添加生物炭后菜地土壤（褐潮土）CO2釋放量、可溶性有機碳（DOC）和微生物生物量碳（SMBC）含量的變化，闡明添加生物炭對土壤CO2釋放及不同形態(tài)碳的影響?！痉椒ā坎捎檬覂?nèi)恒溫好氧培養(yǎng)-氣象色譜測定方法，在不施肥（CK）、施有機肥（M）、施化肥（F）、有機無機混施（M+F）4種模式下投入2%和4%（質(zhì)量比：生物炭/土壤干重）生物炭，定期采集氣樣和土樣，分析土壤CO2的釋放量及DOC、SMBC含量的動態(tài)變化，并分析DOC、SMBC含量變化與CO2釋放量變化之間的相關關系。【結(jié)果】在F和M+F基礎上，添加生物炭處理的土壤CO2釋放速率在培養(yǎng)前期（2—8 d）顯著高于未添加生物炭處理，而在10—60 d，二者CO2釋放速率無顯著差異；在CK和M基礎上，添加與未添加生物炭處理在整個培養(yǎng)期間CO2釋放速率沒有顯著差異。在CK基礎上，添加2%和4%生物炭后CO2累積釋放量分別為2 839和3 272 mg·kg-1，與CK（3 134 mg·kg-1）相比均無顯著差異；而在F和M+F基礎上，添加2%和4%生物炭后CO2累積釋放量均顯著提高，分別提高20.6%和19.8%、29.9%和40.7%。相關分析表明，未添加生物炭處理DOC、SMBC含量與CO2釋放量之間無相關關系，而添加生物炭處理DOC、SMBC含量與CO2釋放量極顯著相關?！窘Y(jié)論】將生物炭單獨投入未施肥土壤中，土壤CO2排放量未出現(xiàn)明顯增加或降低；在有機肥基礎上添加生物炭，土壤CO2排放量隨著生物炭投入量的增加而增加；在化肥、有機無機配施基礎上添加生物炭后，土壤CO2排放增加比例最高。

施肥模式；生物炭；CO2；可溶性有機碳；微生物生物量碳

0　引言

【研究意義】氣候變暖已經(jīng)成為全球普遍關注的熱點問題，CO2作為最重要的溫室氣體，對全球溫室效應的貢獻率達到50%—60%。據(jù)估計，大氣中CO2約有20%來自農(nóng)業(yè)活動及其相關過程［1］。因此，通過采取適當措施減緩農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中CO2的釋放迫在眉睫?！厩叭搜芯窟M展】將農(nóng)林廢棄物經(jīng)高溫厭氧裂解進行資源化再利用成為緩解能源壓力和改善環(huán)境的有利措施［2］，在該過程中的固體產(chǎn)物—生物炭，施用于土壤生態(tài)系統(tǒng)后在改良土壤性質(zhì)［3］、提高土壤碳匯［4］和控制農(nóng)田溫室氣體［5］方面具有巨大應用潛力，近幾年來一直是土壤學和環(huán)境科學的研究熱點［6］。然而，關于生物炭輸入土壤生態(tài)系統(tǒng)對農(nóng)田溫室氣體排放的影響仍然存在許多爭議，而這種爭議主要是與制備生物炭的原材料、生產(chǎn)工藝以及土壤類型等因素有關［2］。目前關于生物炭與農(nóng)田土壤溫室氣體排放的研究重點主要圍繞在哪些生產(chǎn)工藝（制備溫度、持續(xù)時間等）［7-8］、原材料［9］制備的生物炭最適合施用在土壤生態(tài)系統(tǒng)，或某種土壤適合哪些類型的生物炭［7］。目前已有學者開展了關于有機肥混施生物炭的研究，但研究內(nèi)容主要集中在添加生物炭對堆肥過程、效果以及養(yǎng)分釋放的影響［10-11］等方面。此外，目前少有的研究結(jié)果中，生物炭配施有機物料對土壤CO2釋放量影響的結(jié)果存在較大爭議。如NOVAK等［12］通過單施生物炭以及配施柳枝稷研究對土壤CO2釋放量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)單施生物炭降低砂土中CO2的排放，而配施柳枝稷提高土壤CO2的排放；而EL-NAGGAR等［13］研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)與有機肥相比，生物炭與有機肥混施對CO2釋放沒有顯著影響?！颈狙芯壳腥朦c】目前對于生物炭添加到土壤中是否增加CO2排放存在很大的不確定性，甚至有相反的結(jié)論，而對于不同施肥模式下添加生物炭后土壤系統(tǒng)CO2的釋放更是鮮有研究?！緮M解決的關鍵問題】通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗研究不施肥（CK）、施有機肥（M）、施化肥（F）、有機無機混施（M+F）模式下添加不同用量生物炭后，土壤微生物生物量碳（SMBC）、可溶性有機碳（DOC）及CO2釋放特征，旨在為不同施肥模式下通過合理添加生物炭，減少CO2排放提供科學依據(jù)。

1　材料與方法

1.1供試材料

試驗所用土樣于2014年9月采自于北京市順義區(qū)北務鎮(zhèn)康鑫源生態(tài)農(nóng)業(yè)觀光園（東經(jīng)116°49′52″，北緯40°12′03″）大棚內(nèi)的土壤（0—20 cm）。試驗區(qū)土壤屬褐潮土，土壤基本理化性質(zhì)如下：有機質(zhì)23.58 g·kg-1，全氮1.44 g·kg-1，全磷1.90 g·kg-1，全鉀14.07 g·kg-1，pH 7.22。所取土壤除去雜物，自然風干后，研磨過2 mm篩備用。本試驗所用的商品有機肥由北京市美施美生物科技有限公司生產(chǎn)；尿素，中國國藥集團；生物炭，遼寧省金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的商業(yè)生物炭。商品有機肥和生物炭風干后均過2 mm篩備用，各有機物料的基本性質(zhì)見表1。

1.2試驗設計

試驗設12個處理：（1）CK；（2）3%（質(zhì)量比：有機肥/土壤干重）商品有機肥（M，參照大田施用量）；（3）尿素（F，等氮量）；（4）商品有機肥混施尿素（M+F）；（5）2%（質(zhì)量比：生物炭/土壤干重）生物炭（B1，參照大田施用量）；（6）4%（質(zhì)量比：生物炭/土壤干重）生物炭（B2）；（7）M混施2%生物炭（M+B1）；（8）M混施4%生物炭（biochar）（M+B2）；（9）F混施2% biochar（F+B1）；（10）F混施4% biochar（F+B2）；（11）M+F混施2% biochar（M+F+B1）；（12）M+F混施4% biochar（M+F+B2）。

表1　添加物料的基本性質(zhì)Table 1　Basic properties of materials used

培養(yǎng)試驗于2015年8—10月在中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所農(nóng)業(yè)部作物營養(yǎng)與施肥重點實驗室進行。試驗首先進行預培養(yǎng)，具體操作如下：稱取過2 mm篩的風干土邊加入蒸餾水邊攪拌，調(diào)節(jié)土壤含水量約為田間持水量的60%，混合攪拌均勻后放入培養(yǎng)箱，調(diào)節(jié)培養(yǎng)箱的溫度和相對濕度分別為25℃和60%，黑暗條件下培養(yǎng)7 d。

預培養(yǎng)結(jié)束后，稱取71.3 g鮮土置于300 mL培養(yǎng)瓶中，于不同處理的培養(yǎng)瓶中依次加入不同量的物料，不同物料的碳投入量見表2。添加物料后用玻璃棒充分攪拌混勻，蓋緊帶有三通閥的橡皮塞，于25℃恒溫培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)并計時，培養(yǎng)周期為60 d。定期稱取培養(yǎng)瓶的質(zhì)量，向培養(yǎng)瓶中加入適量蒸餾水，以保證土壤的含水量。

每個處理設16個重復，4個用于氣體的采集，其余12個在培養(yǎng)12、24、36和60 d后采用破壞式取樣法分析測定土壤可溶性有機碳（DOC）、土壤微生物量碳（SMBC）。

1.3樣品測定方法

1.3.1氣體收集與測定培養(yǎng)試驗開始后第1天間隔12 h取樣，第2—7天每天取樣，第8—20天間隔2 d樣，第20—30天間隔3 d取樣，第30—60天間隔5 d取樣，累積取樣25次。氣體取樣方法、測定等操作參照張旭博等［14］；所取氣體樣品均在24 h內(nèi)用氣相色譜（Agilent 7890）測定CO2濃度。氣象色譜工作條件如下：CO2測定檢測器為FID，溫度250℃，柱箱溫度60℃，輔助區(qū)（鎳觸媒催化轉(zhuǎn)化器）溫度375℃，H2流量60 mL·min-1，空氣流量500 mL·min-1，N2流量為2 mL·min-1。

表2　試驗不同施肥處理C投入量Table 2　The C inputs in different treatments

1.3.2土壤性質(zhì)的測定土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法［15］；土壤全氮采用半微量開氏法［15］；TP采用NaOH熔融-鉬藍比色法［16］；TK采用原子吸收分光光度法［16］；pH采用電極電位法，水土比為2.5∶1。土壤SMBC測定采用氯仿熏蒸，0.5 mol·L-1K2SO4直接提取法［17］，計算方法參照張旭博等［14］。可溶性有機碳（DOC）的測定采用K2SO4提取法［18］。

1.4數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

CO2產(chǎn)生速率用公式如下［14］：

式中，F(xiàn)為CO2產(chǎn)生速率（mg·kg-1·h-1），V為培養(yǎng)容器中氣體體積（L），m為土壤樣品干重（kg），Qt和Q0為室溫下氣象色譜法檢測CO2濃度（CO2/Air，×10-6mol·mol-1），t為培養(yǎng)時間（h），M0為CO2-C摩爾質(zhì)量（g·mol-1），T為培養(yǎng)溫度（℃）。

2　結(jié)果

2.1不同施肥模式下添加不同用量生物炭土壤中CO2釋放特征

如圖1所示，在整個培養(yǎng)期內(nèi)，各處理的CO2釋放速率動態(tài)變化不同，但總體趨勢是前期速率較快，中后期速率緩慢。比較4種施肥模式下添加生物炭對土壤CO2釋放速率的影響發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)前期（2—8 d），F(xiàn)和M+F處理CO2釋放速率分別為1.93—5.13 mg·kg-1·h-1和1.91—5.56 mg·kg-1·h-1，而添加生物炭后CO2釋放速率分別為2.10—8.86 mg·kg-1·h-1和2.80—11.37 mg·kg-1·h-1，說明在F和M+F模式下添加生物炭顯著提高土壤CO2釋放速率；而在CK和M處理添加生物炭后，CO2釋放速率并沒有顯著變化。值得注意的是M、F和M+F 3種處理下，0—0.5 d CO2平均釋放速率分別為6.37、20.50和20.11 mg·kg-1·h-1，添加生物炭后CO2釋放速率分別為6.15、12.93和17.07 mg·kg-1·h-1，顯著低于各自對照處理土壤的CO2釋放。在10—60 d，4種施肥模式下添加生物炭與未施生物炭相比，未顯著影響土壤CO2釋放速率。

比較不同施肥模式下生物炭添加量對CO2釋放速率的影響發(fā)現(xiàn)，只有在F和M+F兩種施肥模式下的培養(yǎng)前期（2—8 d），2%和4%生物炭添加量土壤CO2釋放速率之間具有顯著差異，表現(xiàn)為隨著生物炭添加量的增加，CO2釋放速率顯著增加。

圖1　不同施肥模式下添加不同用量生物炭土壤CO2-C釋放速率Fig. 1　The evolved rates of CO2-C released in different treatments with different applied biochar rates

如圖2所示，培養(yǎng)60 d結(jié)束后，比較4種施肥模式下添加2%和4%生物炭土壤CO2累積釋放量，可看出添加生物炭對土壤CO2累積釋放量影響與施肥模式有關。F和M+F處理在培養(yǎng)結(jié)束后CO2累積釋放量分別為2 660和3 099 mg·kg-1，添加2%生物炭后CO2累積釋放量顯著提高了20.6%和29.9%；添加4%生物炭后CO2累積釋放量分別提高19.8%和40.7%，且2%和4%生物炭添加量之間CO2累積釋放量無顯著差異。CK和M模式下，添加2%生物炭CO2累積釋放量分別為2 839和4 531 mg·kg-1，與各自對照（3 134和4 196 mg·kg-1）相比沒有顯著差異；添加4%生物炭后CO2累積釋放量分別為3 272和4 875 mg·kg-1，僅M模式下顯著提高了CO2釋放量，且添加2%和4%生物炭土壤CO2累積釋放量隨著生物炭添加量的增加而顯著增加。

圖2　培養(yǎng)期間不同處理CO2-C累積釋放量Fig. 2　The accumulative rate of CO2-C released under different treatments in the incubation period

2.2不同施肥模式下添加不同用量生物炭土壤不同形態(tài)碳變化特征

隨著培養(yǎng)時間的延長，土壤DOC含量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢（圖3）。比較不同施肥模式下添加生物炭后DOC含量變化，結(jié)果顯示，CK和M模式下添加4%生物炭后，除在第24天時顯著提高M模式中DOC含量外，其他時間不同生物炭添加量對土壤DOC含量與各自對照相比均沒有影響；在F和M+F模式下，添加4%生物炭處理培養(yǎng)24、36和60 d土壤DOC含量分別為116.3—156.7 mg·kg-1和159.8—215.9 mg·kg-1，與各自對照130.1—175.2 mg·kg-1和168.9—225.3 mg·kg-1相比顯著降低土壤DOC含量，而2%生物炭添加量對DOC含量沒有影響。

由圖4可知，添加生物炭對SMBC含量的影響隨培養(yǎng)時間的變化而變化。CK和M模式下，添加2%和4%生物炭在培養(yǎng)24 d時，土壤SMBC含量分別為452.3和450.1 mg·kg-1、550.7和449.2.0 mg·kg-1，與未添加生物炭（153.4和277.0 mg·kg-1）相比，極顯著提高SMBC含量；培養(yǎng)結(jié)束時，添加2%生物炭降低了SMBC含量，添加4%生物炭對SMBC含量無影響。F和M+F模式下，添加2%和4%生物炭在培養(yǎng)24 d時，對SMBC沒有影響；在培養(yǎng)結(jié)束時，添加2%和4%生物炭土壤SMBC含量分別為156.8和152.4 mg·kg-1、242.4和257.2 mg·kg-1，與未添加生物炭處理（109.8和211.1 mg·kg-1）相比，均顯著增加SMBC含量。

2.3不同處理土壤DOC、SMBC含量變化與CO2累積釋放量的相關性分析

相關分析表明，施肥處理中DOC和SMBC含量與CO2累積釋放量之間沒有相關性（R2＜0.160），即4種施肥模式下土壤系統(tǒng)中DOC、SMBC含量的變化并不能反映CO2釋放量也發(fā)生相應變化；添加生物炭處理中DOC和SMBC含量與CO2累積釋放量之間極顯著相關（R2＞0.254）（圖5），說明添加生物炭改變了DOC和SMBC的含量，可能對土壤CO2釋放量產(chǎn)生一定的影響。

圖3　培養(yǎng)期間不同處理DOC含量動態(tài)變化Fig. 3　The dynamics of DOC content in different treatments during incubation

圖4　培養(yǎng)期間不同處理土壤SMBC含量動態(tài)變化Fig. 4　The dynamic changes of SMBC in different treatments during incubation

圖5　不同處理土壤DOC、SMBC含量與CO2累積釋放量之間的相關性分析Fig. 5　The correlation among DOC， SMBC and CO2emissions in different treatments

3　討論

不同施肥模式下，添加生物炭對CO2釋放速率的影響隨培養(yǎng)時間的變化而變化。培養(yǎng)最初0—0.5 d，M、F和M+F模式下添加生物炭處理降低土壤系統(tǒng)中CO2釋放速率，可能是由于在各個施肥模式下添加生物炭后經(jīng)充分混勻，打破原系統(tǒng)的穩(wěn)定，生物炭豐富的多級孔隙結(jié)構(gòu)和巨大比表面積［19］有利于暫時吸附土壤和有機肥中易分解的有機碳，因此，土壤CO2的釋放速率暫時低于不施生物炭處理。隨著培養(yǎng)時間的延長（2—8 d），混合的土壤系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定，不同施肥模式下生物炭的輸入為系統(tǒng)帶來易分解有機碳［20-21］和大量復雜的芳香族化合物［22-24］，豐富了土壤有機碳庫，改變了土壤碳庫組分的比例，可能是影響土壤有機碳礦化速率變化的原因［25］。在F和M+F模式下，由于化肥氮的添加，為微生物提供了充足的氮源，促進了微生物的活性，微生物為維持自身C/N，對土壤原有易分解碳以及生物炭所帶入的易分解組分，通過“共代謝途徑”進行分解［26-28］；10—60 d，在F和F+M中添加生物炭對土壤CO2釋放速率與未添加生物炭沒有顯著差異，一方面可能是因為隨著培養(yǎng)時間延長，“共代謝途徑”減弱，土壤系統(tǒng)趨于平衡；另一方面可能因為生物炭在進入土壤系統(tǒng)中發(fā)生的“老化”現(xiàn)象［25］，表面官能團［29-30］、孔隙度［31］等特性發(fā)生變化，降低了生物炭的活性。BRUUN等［32］報道了黑炭在5 d內(nèi)發(fā)生迅速降解，隨后一段時期內(nèi)表現(xiàn)出緩慢的CO2產(chǎn)生速率，HILSCHER等［33］的短期培養(yǎng)試驗顯示，黑麥草和松木制備的生物炭在施入土壤后，生物炭自身易降解組分有80%的降解發(fā)生在最初的3周，剩余20%的組分在其后的4周內(nèi)逐漸降解。本研究結(jié)果表明添加生物炭土壤系統(tǒng)中CO2釋放速率特征，與上述研究一致。

4種施肥模式下，添加4%生物炭處理均增加土壤系統(tǒng)中CO2累積釋放量，其中F和M+F模式下，CO2累積釋放量增加最多，其原因可能是生物炭本身少量易分解有機碳的礦化和氮素的添加產(chǎn)生“共代謝途徑”促進生物炭中碳組分的分解，從而促進CO2釋放量的增加；對于CK和M模式來說，添加4%生物炭導致CO2累積釋放量的增加可歸因于生物炭本身所攜帶的易分解有機碳的分解［34］。在CK和M模式下，2%生物炭添加量對CO2釋放速率及累積釋放量均沒有顯著影響，可能是因為添加少量生物炭中易分解有機碳礦化導致CO2釋放量的增加與土壤系統(tǒng)中CO2釋放量相差非常小［22］，故影響不顯著。YIN［24］等認為生物炭施用量的不同會導致土壤礦化碳的不同。而在F和M+F模式下，添加2%生物炭顯著提高CO2累積釋放量，表明在這兩種施肥模式下即使添加少量生物炭，微生物和酶對生物炭的的共代謝作用產(chǎn)生CO2釋放量的增加與對照相比已達到顯著差異。

相關性分析結(jié)果表明，未添加生物炭時DOC和CO2釋放量兩者并沒有相關關系，即未添加生物炭時各處理中DOC含量的變化不足以改變CO2釋放量，也就是說DOC含量的變化并不能完全解釋施肥處理間CO2釋放量的差異；而添加生物炭的各處理中，DOC含量與CO2釋放量相關性極顯著，表明生物炭中所含DOC含量的改變，可改變CO2的累積釋放量，增加的DOC含量成為影響CO2排放的因子之一。

生物炭本身的物理、化學和生物學特性以及施入土壤對土壤理化性質(zhì)的影響均會影響CO2氣體的釋放［6，22，35］，本文僅是從添加生物炭后土壤DOC、SMBC含量的變化方面闡述對CO2釋放量的影響，從相關分析結(jié)果可知，生物炭添加后DOC、SMBC含量的變化可能是CO2釋放量發(fā)生變化的原因之一，今后的研究中應加強對具體機制更深層次的研究。另外，不同施肥模式下生物炭的最優(yōu)投入量也需要進一步探討。

4　結(jié)論

將生物炭單獨投入未施肥菜地土壤中，土壤CO2排放量未出現(xiàn)明顯增加或降低；在有機肥基礎上添加生物炭，土壤CO2排放量隨生物炭投入量的增加而增加；在化肥、有機無機配施基礎上添加生物炭后，土壤CO2排放增加比例最高。因此，在施肥和生物炭的共同作用下，土壤碳的分解和轉(zhuǎn)化速率可能發(fā)生了變化。

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（責任編輯趙伶俐）

Characteristics of CO2Emissions and Changes in Carbon Fractions after Application of Biochar Under Various Fertilization Regimes in Vegetable Soil

WEI Xue-qin1，2，SUN Nan2，ZHANG Xu-bo2，ZHANG Chong-yu1，WANG Dao-long2，SHEN Hua-ping2
（1College of Life Sciences， Guizhou University， Guiyang 550025；2Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，
Chinese Academy of Agricultural Sciences/Ministry of Agriculture Key Laboratory of Crop Nutrition and Fertilization，Beijing 100081）

【Objective】In order to clarify the effects of application of biochar on soil CO2emissions and changes in different forms of organic carbon， soil CO2emissions and dynamics of dissolved organic carbon （DOC） and microbial biomass carbon（SMBC） were measured after application of biochar under various fertilization regimes.【Method】An incubation was designed to investigate the CO2emission and dynamics of DOC and SMBC after application of 2% （biochar/dry soil） and 4% biochar under various fertilization regimes （no fertilizer （CK）， organic manure （M）， inorganic fertilizer （F）， M+F）. The correlation among DOC，SMBC and CO2were analyzed.【Result】 In the F and M+F treatments added with biochar， soil CO2emission rates in the earlyperiod （2-8 d） was significantly higher than those without adding biochar， while during the 10-60 d， CO2release rates in both treatments were no significant differences. In the CK and M treatments， the CO2emission rates were no significant differences between the treatments with or without adding biochar throughout the incubation. In CK treatment， the cumulative CO2emission with application of biochar was not differed with that without biochar. In the F and M+F treatments， the cumulative CO2emissions were significantly increased after application of 2% and 4% biochar （20.6% and 19.8%， 29.9% and 40.7%，respectively）. The correlation showed that there was no relationship between DOC/SMBC and CO2emissions without adding biochar， however， there was an obvious correlation when biochar was applied. 【Conclusion】Soil CO2emissions did not change when biochar was applied to the unfertilized soil. However， the cumulative CO2emission increased by application of biochar into the soil with manure application. Furthermore， the increment of CO2emission was dramatically increased when biochar was applied into the soil with inorganic fertilizers plus manure.

fertilization regimes； biochar； CO2； DOC； SMBC

2016-03-31；接受日期：2016-06-02

國家科技支撐計劃（2014BAD14B03，2012BAD14B04）

聯(lián)系方式：魏雪勤，Tel：15652073571；E-mail：kuaisujiche@163.com。通信作者孫楠，Tel：010-82105062；E-mail：sunnan@caas.cn。通信作者張崇玉，Tel：13595109883；E-mail：zhcy600116@sina.com