王月玲， 周 鳳， 張 帆， 馬武功， 王 強(qiáng)， 曹勝磊， 耿增超*

1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室， 陜西 楊凌 712100 2.陜西省寶雞市辛家山林業(yè)局， 陜西 寶雞 721700

施用生物炭對土壤呼吸以及土壤有機(jī)碳組分的影響

王月玲1， 周 鳳1， 張 帆2， 馬武功2， 王 強(qiáng)1， 曹勝磊1， 耿增超1*

1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室， 陜西 楊凌 712100 2.陜西省寶雞市辛家山林業(yè)局， 陜西 寶雞 721700

為確定生物炭對土壤呼吸速率以及土壤碳組分的影響，采用田間小區(qū)試驗，以蘋果果樹枝條生物炭為試驗材料，研究了添加0、20、40、60、80 thm2的蘋果果樹枝條生物炭后，小麥生態(tài)系統(tǒng)呼吸(Re)、土壤呼吸(Rs)、植物呼吸(Rp)、土壤TOC(總有機(jī)碳)、土壤POC(顆粒有機(jī)碳)、WSOC(土壤水溶性有機(jī)碳)和土壤AOC(易氧化有機(jī)碳)的變化以及各指標(biāo)之間的相關(guān)性. 結(jié)果表明，添加生物炭顯著提高了小麥生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率、土壤呼吸速率和植物呼吸速率，與對照相比分別增加了9.98%～27.57%、9.33%～19.47%和10.18%～30.14%，并且生物炭施用量為20和40 thm2時土壤呼吸速率顯著高于其他兩個處理，而對于小麥生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率和植物呼吸速率來說，施用40 thm2生物炭時其值最高. 對于土壤碳組分，施用生物炭顯著提高了0～20 cm土層中土壤w(TOC)、w(POC)和w(AOC)，并且土壤w(TOC)和w(POC)與生物炭施用量呈極顯著正相關(guān). 對于WSOC而言，當(dāng)生物炭施用量高于40 thm2時其值顯著降低，與對照相比，0～10、>10～20和>20～30 cm三個土層中w(WSOC)分別降低了21.82%～28.37%、35.88%～36.58%和32.28%～44.07%. 研究顯示，適量施用生物炭能夠提高土壤w(TOC)、w(POC)和w(AOC)而降低了w(WSOC)，但同時也增加了小麥生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率.

生態(tài)系統(tǒng)呼吸； 植物呼吸； 土壤顆粒有機(jī)碳； 土壤水溶性有機(jī)碳

全球氣候變暖是人類當(dāng)今所面臨的最為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，與其密切相關(guān)的碳循環(huán)機(jī)制已成為科學(xué)界相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點. 土壤呼吸是土壤碳以CO2的形式向外釋放的過程，也是陸地碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[1]. 據(jù)統(tǒng)計，全球陸地土壤碳庫碳儲量為1 300～2 000 Pg(以C計)，占全球總碳儲存量的67%[2]. 而全球范圍內(nèi)每年通過土壤呼吸向大氣中釋放的碳含量大約為98 Pg并且每年以2%～7%的速度增長[3]. 因此，如何控制土壤呼吸速率將成為降低土壤溫室氣體排放的一個突破點.

生物炭(也稱黑炭)是農(nóng)林廢棄物在低氧或厭氧條件下熱裂解產(chǎn)生的富碳有機(jī)物質(zhì)，因其在土壤中可以存留上千年而被認(rèn)為是一種永久的碳固存機(jī)制[4]. 綠色植物以光合作用的方式把大氣中的CO2固定在有機(jī)物中，而有機(jī)物通過呼吸作用向大氣中釋放CO2，生物炭則間接地阻止了有機(jī)碳的分解過程，使碳素以一種穩(wěn)定的形態(tài)貯存起來，阻止了碳向大氣的釋放，形成“負(fù)碳”效應(yīng)[5]. 研究表明，生物炭能夠吸附土壤中的酶和有機(jī)物，增加土壤總有機(jī)碳含量[6-7]，降低土壤CO2排放量[6,8-9]. 但也有研究結(jié)果表明，生物炭施入土壤后能在短期內(nèi)激發(fā)原土壤有機(jī)質(zhì)的分解[10-11]，增強(qiáng)土壤有機(jī)碳的礦化作用，再加上生物炭本身的礦化作用，增加了土壤CO2排放量[12-13]，因此否認(rèn)了生物炭固碳的說法. 導(dǎo)致研究結(jié)果不同的原因可能與生物炭性質(zhì)、土壤類型、作物種類、環(huán)境因素以及生物炭施入土壤的時間長短等有關(guān)[9,14].

目前關(guān)于生物炭對土壤呼吸影響的研究有很多，但多數(shù)研究是室內(nèi)模擬試驗和短期田間試驗[13,15]，而關(guān)于生物炭施入土壤多年后其對土壤呼吸影響的研究比較少. 另外，土壤碳庫中的活性組分由于其較強(qiáng)的移動性、不穩(wěn)定性和易礦化性等特點，是土壤呼吸的主要貢獻(xiàn)者[16]. 鑒于此，該研究分析了將蘋果樹枝條生物炭施入土壤3 a后，其對土壤呼吸和土壤碳組分的影響以及土壤呼吸與各碳組分之間的相關(guān)性，以期為生物炭在土壤溫室氣體減排方面提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地位于陜西省楊凌示范區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗田(34°16′N、108°04′E)，海拔458.6 m. 該地區(qū)屬溫帶大陸性易旱氣候區(qū)，年均日照時數(shù)2 196 h，年均氣溫11～13 ℃，無霜期210 d，年均降水量500～700 mm. 土壤類型為褐土類，塿土亞類，紅油土屬，黃土母質(zhì)，系統(tǒng)分類為土墊旱耕人為土，屬石灰性土壤. 研究所用生物炭為陜西億鑫生物能源科技開發(fā)有限公司在裂解爐、限氧環(huán)境下(450 ℃)由廢棄果樹樹干、枝條熱裂解所得，磨細(xì)過1 mm篩，備用. 供試作物選用西北農(nóng)林科技大學(xué)選育小麥(西農(nóng)509)，播種量為150 kghm2，在作物生長期間根據(jù)天氣及作物生長狀況適量灌水，以滿足作物正常生長發(fā)育所需.

試驗開始時土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)：w(TOC)為12.64 gkg，w(TN)為0.71 gkg，w(TP)為0.43 gkg，w(TK)為19.64 gkg，w(NO3--N)為18.20 mgkg，w(NH4+-N)為15.90 mgkg，w(AP)為12.38 mgkg，w(AK)為193.00 mgkg，pH為7.33(土水比為1∶2.5)，容重1.30 gcm3. 生物炭基礎(chǔ)理化性質(zhì)：w(C)為72.38%，w(N)為1.19%，w(O)為23.81%，w(H)為2.62%，w(NO3--N)為0.52 mgkg，w(NH4+-N)為1.86 mgkg，比表面積86.70 m2g，pH為10.43(土水比為1∶10).

1.2 試驗設(shè)計

生物炭于2012年4月27日一次性撒施于土壤表層并與耕層(0～20 cm)土壤混勻，其用量設(shè)5個水平： B0(0 thm2，對照)、B20(20 thm2)、B40(40 thm2)、B60(60 thm2)、B80(80 thm2)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，小區(qū)面積為1.35 m×3.50 m，小區(qū)之間設(shè)0.5 m的隔離保護(hù)帶. 除生物炭用量不同外，氮、磷、鉀肥(分別為尿素、磷酸二銨、硫酸鉀)均作基肥于每次種植前施入，用量分別為225 kghm2(以N計)、180 kghm2(以P2O5計)、150 kghm2(以K2O計). 試驗從2012年4月開始已進(jìn)行了四年七季，于2012年4月—2014年10月進(jìn)行夏玉米和冬小麥的輪作，2015年4月—2015年10月種植辣椒，2015年10月15日—2016年6月3日種植冬小麥.

1.3 土壤樣品的采集與測定

在第七季作物(冬小麥)種植前(2015年10月15日)與收獲后(2016年6月3日)在每個小區(qū)采用隨機(jī)布點的方法用土鉆(直徑5 cm)采集0～10、>10～20、>20～30 cm的土壤樣品，每個處理3個重復(fù)，將所采集的土樣帶回實驗室風(fēng)干過1 mm篩備用. 土壤TOC(total organic carbon，總有機(jī)碳)是衡量土壤肥力水平的重要指標(biāo)，其含量采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定；AOC(active organic carbon，土壤易氧化有機(jī)碳)是易被土壤微生物分解礦化的有機(jī)碳，其含量采用333 mmolL高錳酸鉀氧化法測定[17]；WSOC(water-soluble organic carbon，土壤水溶性有機(jī)碳)對環(huán)境變化比較敏感，可以被微生物直接利用的有機(jī)碳，采用冷水浸提后，用TOC儀測定法[18]測定其含量；POC(particulate organic carbon，土壤顆粒有機(jī)碳)是指示土壤TOC動態(tài)對短期農(nóng)業(yè)管理措施響應(yīng)的理想指標(biāo)，采用六偏磷酸鈉分散后，用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定其含量.

1.4 氣體樣品的采集與測定

從2015年10月15日冬小麥種植開始到2016年6月3日冬小麥?zhǔn)斋@期間進(jìn)行土壤溫室氣體的采集與測定. 氣體樣品采用靜態(tài)暗箱法采集并于當(dāng)天用Agilent7890A氣相色譜儀〔安捷倫科技(中國)有限公司〕進(jìn)行測定，在375 ℃下通入H2先經(jīng)過Ni將CO2催化轉(zhuǎn)化為CH4后再進(jìn)入檢測器分析[13]. 采氣箱由底座(50 cm×50 cm×20 cm)和頂箱(50 cm×50 cm×50 cm)兩部分組成，底座在整個觀測期間都固定在采樣點上，每個小區(qū)固定兩個，一個底座種植小麥，一個不種小麥. 采樣時間為08:00—11:00，采樣頻率為每10 d一次，下雨天除外. 采氣前1 min蓋上箱體并用水密封，打開風(fēng)扇電源，風(fēng)扇運行使箱內(nèi)氣體混合均勻，以此為0時刻，在0、10、20、30 min時用50 mL醫(yī)用注射器連續(xù)采樣4次，然后帶回實驗室測定. 另外，在采氣的同時測定箱溫、氣溫和土溫.

1.5 數(shù)據(jù)處理

種植小麥處理的CO2排放通量為小麥生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率，不種植小麥處理的CO2排放通量為土壤呼吸速率，植物呼吸速率則為生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率與土壤呼吸速率之差：

Rp=Re-Rs式中：Rp為植物呼吸速率，mg(m2·h)；Re為生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率，mg(m2·h)；Rs為土壤呼吸速率，mg(m2·h).

試驗數(shù)據(jù)的整理采用Microsoft Excel 2007，圖形的繪制采用Origin 9.0，單因素方差分析和多重比較(采用最小顯著差法)采用SPSS 18.0.

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對生態(tài)系統(tǒng)呼吸、土壤呼吸以及植物呼吸的影響

小麥生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化規(guī)律，在整個小麥生長期，生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率呈單峰態(tài)勢(見圖1). 小麥返青期之前，各處理下小麥生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率均比較低，平均值為31.35～41.44 mg(m2·h)，并且各處理之間差異不顯著(P>0.05)；返青期之后，隨著溫度上升以及小麥的生長，各處理下小麥生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率開始增大，在抽穗期達(dá)到最大值. 整個試驗期內(nèi)，施生物炭處理的小麥生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率平均值為136.74～158.62 mg(m2·h)，與對照(B0)相比，增加了9.98%～27.57%，并且B40顯著高于其他各處理(P<0.05).

土壤呼吸速率作為一個復(fù)雜的生物學(xué)過程，受到很多因素的影響，其中最主要的是溫度的影響. 由圖1可見，在小麥抽穗期之前土壤呼吸速率曲線與日平均氣溫的變化曲線基本一致，小麥越冬期，日平均氣溫最低，土壤呼吸速率也最弱，從1月30號開始，日平均氣溫開始上升，土壤呼吸速率也呈增加的趨勢. 在整個小麥生長期內(nèi)，施生物炭處理土壤呼吸速率平均值為32.67～35.32 mg(m2·h)，比對照增加了9.33%～19.47%，并且B20和B40顯著高于其他各處理(P<0.05).

由圖1可見，植物呼吸速率與生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率的變化趨勢基本一致，均隨生育期呈先增加后降低的趨勢. 在小麥返青期之前，植物呼吸速率較弱且變幅很小，生物炭處理與對照之間沒有顯著差異(P>0.05). 返青期之后，隨著溫度的升高，小麥開始生長，植物呼吸速率迅速增大，并且在植物抽穗期達(dá)到最大值，抽穗期之后又呈下降趨勢，整個試驗期內(nèi)，B20、B40、B60和B80處理下植物呼吸速率平均值分別為118.32、122.92、117.36和104.07 mg(m2·h)，與對照相比，分別增加了25.27%、30.14%、24.25%和10.18%，其中，B40顯著高于其他各處理(P<0.05).

2.2 生物炭對土壤有機(jī)碳和顆粒碳的影響

圖1 施用生物炭對小麥生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率、土壤呼吸速率和植物呼吸速率的影響Fig.1 Effects of biochar addition on wheat ecosystem respiration, soil respiration and plant respiration

注：不同小寫字母表示不同處理間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05). 下同.圖2 施用生物炭對土壤w(TOC)的影響Fig.2 Effects of biochar addition on the contents of soil TOC

與土壤w(TOC)相似，生物炭施用量在0～80 thm2范圍內(nèi)，土壤w(POC)隨生物炭施用量的增加而顯著增加(P<0.05). 小麥種植前，土壤w(POC)呈現(xiàn)明顯的剖面變化特征. 在0～10 cm和>10～20 cm土層內(nèi)，與對照相比，施生物炭處理下w(POC)分別增加了4.34～27.20 gkg和0.30～19.85 gkg，而在>20～30 cm土層內(nèi)，除B20處理外，其他3個生物炭處理下w(POC)分別增加了0.66、4.35和2.55 gkg. 小麥?zhǔn)斋@后，在0～10 cm和>10～20 cm土層內(nèi)，施生物炭處理下w(POC)分別比對照增加了2.74～12.49 gkg和1.82～11.65 gkg，而在>20～30 cm土層內(nèi)只有B80處理下w(POC)增加了1.50 gkg. 在垂直方向上，0～10 cm和>10～20 cm土層內(nèi)，各處理w(POC)差異不顯著(P>0.05).

2.3 生物炭對易氧化有機(jī)碳和土壤水溶性有機(jī)碳的影響

由圖4可知，施用生物炭能夠顯著(P<0.05)提高0～10 cm土層土壤w(AOC)，與對照相比，小麥種植前與收獲后，施生物炭處理下土壤w(AOC)分別增加了32.76%～48.34%和44.83%～140.33%，小麥種植前各生物炭處理之間沒有顯著差異(P>0.05)，而小麥?zhǔn)斋@后，B80處理下土壤w(AOC)顯著(P<0.05)高于對照處理，而各生物炭處理之間差異不顯著(P>0.05). 在>10～20 cm土層中，小麥種植前與收獲后施生物炭的處理土壤w(AOC)分別比對照增加了27.47%～92.85%和62.09%～135.10%，小麥種植前，只有B60達(dá)到了顯著水平(P<0.05)，而小麥?zhǔn)斋@后，B60和B80達(dá)到了顯著水平(P<0.05). 在>20～30 cm土層中，小麥種植前各處理之間差異不顯著(P>0.05)，小麥?zhǔn)斋@后只有B60和B80比對照顯著(P<0.05)增加了113.66%和144.08%，其余處理較對照也有所增加，但差異不顯著(P>0.05).

圖3 施用生物炭對土壤w(POC)的影響Fig.3 Effects of biochar addition on the contents of soil POC

圖4 施用生物炭對土壤w(AOC)的影響Fig.4 Effects of biochar addition on the contents of soil AOC

添加不同量生物炭后土壤w(WSOC)的變化特征如圖5所示. 由圖5可見，在0～10 cm土層內(nèi)，不管是小麥種植前還是小麥?zhǔn)斋@后，B20處理下土壤w(WSOC)均為最高. 小麥種植前，B0、B20和B40處理下土壤w(WSOC)顯著(P<0.05)高于B60和B80，而小麥?zhǔn)斋@后只有B0和B20顯著(P<0.05)高于其他各處理. 在>10～20 cm土層內(nèi)，小麥種植前表現(xiàn)為B40處理下土壤w(WSOC)最高，而小麥?zhǔn)斋@后，與0～10 cm土層相似，表現(xiàn)為B0和B20顯著(P<0.05)高于其他各處理. 在>20～30 cm土層內(nèi)，小麥種植前與收獲后均表現(xiàn)為B0、B20和B40顯著(P<0.05)高于B60和B80. 綜合來看，當(dāng)生物炭施用量高于40 thm2時其值顯著降低，與對照相比，0～10 cm、>10～20 cm和>20～30 cm三個土層中w(WSOC)分別降低了21.82%～28.37%、35.88%～36.58%和32.28%～44.07%. 可見施用生物炭對土壤WSOC具有降低的效果.

圖5 施用生物炭對土壤w(WSOC)的影響Fig.5 Effects of biochar addition on the contents of soil WSOC

2.4 各指標(biāo)之間的相關(guān)性

通過各指標(biāo)之間的相關(guān)性分析(見表1)可以看出，土壤w(TOC)、w(POC)和w(AOC)與生物炭施用量之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01).w(WSOC)與生物炭施用量、土壤w(TOC)以及w(POC)之間呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，而與w(AOC)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05). 這說明碳庫各組分之間存在密切的轉(zhuǎn)化關(guān)系. 小麥生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率、土壤呼吸速率和植物呼吸速率與其他各指標(biāo)之間的相關(guān)性均沒有達(dá)到顯著水平(P>0.05)，但是，3個呼吸速率指標(biāo)之間均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01).

表1 不同呼吸速率與各有機(jī)碳組分各指標(biāo)之間的相關(guān)性

注：*表示在0.05水平上相關(guān)性顯著；**表示在0.01水平上相關(guān)性極顯著.

3 討論

3.1 生物炭對生態(tài)系統(tǒng)呼吸、土壤呼吸以及植物呼吸的影響

該研究結(jié)果表明，施用生物炭提高了土壤呼吸速率，并且B20和B40處理顯著高于其他各處理，這與王月玲等[19]得出的結(jié)論存在差異. 王月玲等[19]于2015年的研究表明，施用生物炭顯著提高了土壤CO2排放量且與生物炭施用量呈正相關(guān)關(guān)系. 連續(xù)兩年的研究結(jié)果之所以出現(xiàn)這種差異，原因可能是生物炭中有一部分碳是非惰性的、能夠在相對較短的一段時間內(nèi)作為微生物的能源和碳源而被分解掉[13]，生物炭施用量越大，這部分碳的可利用性就越高，微生物活動所產(chǎn)生的CO2就越多. 但是，生物炭中的活性碳含量有限，該研究中土壤呼吸速率與生物炭施用量相關(guān)性不顯著，原因可能就是生物炭中的那部分活性碳已被微生物分解完，而生物炭之所以還能夠提高土壤呼吸速率是因為其特殊結(jié)構(gòu)改善了土壤理化性質(zhì)、增加了土壤w(AOC)、增強(qiáng)了土壤微生物活性[20]，并且生物炭能夠促進(jìn)原土壤有機(jī)碳的分解[21]. 但是，當(dāng)生物炭施用量超過60 t/hm2時導(dǎo)致土壤C/N明顯增大，作物與微生物之間對養(yǎng)分的競爭性增強(qiáng)，從而使土壤中微生物的活性較生物炭施用量為20和40 t/hm2有所降低，最終導(dǎo)致土壤呼吸速率降低. 也有研究結(jié)果表明生物炭抑制了土壤呼吸速率[10]或者對土壤呼吸速率沒有任何影響[22]，這種差異可能是由生物炭裂解原材料、裂解溫度、土壤類型、作物種類、生物炭粒徑大小以及生物炭施入土壤的時間長短等不同導(dǎo)致的[15]. 另外，小麥越冬期土壤呼吸速率明顯降低，張西超等[23]的研究結(jié)果表明，在不受土壤濕度限制的情況下，土壤CO2排放通量與土壤溫度呈顯著相關(guān)，這可能是由于低溫對土壤微生物及酶活性的影響[24]所致.

生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率主要由土壤呼吸速率和植物呼吸速率組成. 從表1可以看出，生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率與土壤呼吸速率和植物呼吸速率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系. 該研究結(jié)果表明，施用生物炭提高了小麥生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率，這與Kammann等[25]的研究結(jié)果一致. 一方面，生物炭通過改善土壤理化性質(zhì)和土壤生物學(xué)性質(zhì)提高了土壤呼吸速率；另一方面，生物炭能夠促進(jìn)植物及其根系的生長，加快根生物質(zhì)的周轉(zhuǎn)[26]，從而增加了植物呼吸速率. 但是土壤中較高的C/N會導(dǎo)致作物與微生物之間對養(yǎng)分的競爭，導(dǎo)致二者的呼吸速率均有所降低，因此，較大的生物炭施用量并不利于植物的生長.

3.2 生物炭對土壤有機(jī)碳及土壤顆粒有機(jī)碳的影響

生物炭提高了土壤w(TOC)且與生物炭施用量呈正相關(guān)關(guān)系，這與已有研究結(jié)果[7]一致. 生物炭之所以能夠提高土壤w(TOC)，一方面，生物炭本身是一種富碳材料，該試驗中所施用的生物炭含碳量為72.38%，將其施入土壤相當(dāng)于直接向土壤中輸入了外源有機(jī)碳；另一方面，生物炭主要由高度濃縮的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)組成[27]，這種結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的生物穩(wěn)定性. 生物炭施入土壤后，其中的活性有機(jī)碳在相對較短的時間內(nèi)作為碳源被微生物所分解，而惰性碳則以土壤碳庫的方式長期封存在土壤中[13]，因此，施用生物炭能夠顯著提高土壤w(TOC)，提高土壤的固碳能力. 另外，小麥?zhǔn)斋@后土壤w(TOC)較種植前有所提高，尤其是0～20 cm土層，這可能和前后兩季種植的作物種類不同有關(guān). 小麥的前茬作物為辣椒，而辣椒屬于淺根性植物，根系發(fā)育較弱，木栓化程度較高，且辣椒移栽過程中對根的損失較大，再生能力差，根量少，因此辣椒收獲后根系凋落物較少. 與辣椒相比，小麥根系較發(fā)達(dá)，根量多，主要分布在0～30 cm土層范圍內(nèi)，占總根量的60%[28]，因此小麥?zhǔn)斋@后0～30 cm土層內(nèi)w(TOC)較種植前有所增加.

土壤POC作為土壤活性碳與穩(wěn)態(tài)碳的過渡碳組分容易受外界活動的影響[29]，對土壤團(tuán)聚體形成和土壤碳素循環(huán)與轉(zhuǎn)化具有重要的意義. 該研究結(jié)果表明，施用生物炭顯著提高了土壤w(POC)并且與生物炭施用量和土壤w(TOC)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系. 生物炭之所以能夠提高土壤w(POC)，一方面，生物炭具有與土壤顆粒形成土壤團(tuán)聚體和有機(jī)無機(jī)復(fù)合體的功能[30]，使其結(jié)構(gòu)得到改善；另一方面，生物炭能夠促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的形成并增加其穩(wěn)定性[31]，而土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)特性使土壤碳素長期固持形成土壤POC，從而增加了土壤w(POC).

3.3 生物炭對土壤活性有機(jī)碳的影響

該研究結(jié)果表明，施用生物炭顯著提高了土壤w(AOC)，這與已有研究結(jié)果[32]一致. 生物炭之所以能夠降低土壤w(AOC)，究其原因：①生物炭疏松多孔的結(jié)構(gòu)特性使其施入土壤后能夠增加土壤的孔隙度和土壤含氧量，促進(jìn)植物根系生長，增加根系分泌物和凋落物；②生物炭的特殊結(jié)構(gòu)為土壤真菌菌絲的生長以及微生物的生長繁殖提供了良好的生境[33-34]，從而使土壤w(AOC)增加. 另外也有研究[35]表明生物炭對土壤AOC沒有增加作用. 土壤AOC容易受環(huán)境因素和耕作措施等的影響，因此，導(dǎo)致研究結(jié)果不同的原因可能有生物炭本身的性質(zhì)、農(nóng)業(yè)耕作措施、土壤類型和環(huán)境因素等[36].

土壤WSOC作為土壤碳素生物有效性的指示劑，是能夠被土壤微生物直接利用的碳源，其含量的大小可以在一定程度上作為土壤肥力的參考值. 該研究結(jié)果表明，施用生物炭對土壤w(WSOC)具有降低的作用，但是降低作用不顯著. 筆者所在課題組的前期研究結(jié)果表明，在生物炭輸入土壤后前三季作物種植期內(nèi)，生物炭顯著降低了土壤w(WSOC)，而在第四季作物收獲后，生物炭對土壤w(WSOC)的影響已不顯著[37]，這說明生物炭對土壤WSOC的影響是有時間限制的. 生物炭之所以能夠降低土壤w(WSOC)，究其原因：①生物炭具有較強(qiáng)的吸附作用，能夠吸附土壤中的有機(jī)分子，從而降低土壤溶液中的有機(jī)碳含量；②生物炭中含有大量的鈣離子[38]，能夠絡(luò)合土壤WSOC[39]，導(dǎo)致土壤w(WSOC)降低. 而生物炭對土壤WSOC影響在時間上的變化可能與生物炭自身的變化有關(guān)，也可能是生物炭對土壤性質(zhì)的影響而間接引起，因此，關(guān)于生物炭對土壤WSOC的影響在時間上的變化還應(yīng)該做進(jìn)一步研究.

生物炭對土壤溫室氣體排放的影響與被施加土壤的類型以及生物炭本身的性質(zhì)有關(guān). 目前，關(guān)于生物炭還田對土壤溫室氣體排放的影響還沒有達(dá)成共識. 大規(guī)模生物炭還田要根據(jù)土壤類型，生物炭性質(zhì)等綜合因素考慮制定具體實施方案. 因此，該研究結(jié)果對果樹枝條生物炭在關(guān)中塿土中的進(jìn)一步研究以及應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ).

4 結(jié)論

a) 施用生物炭可顯著提高小麥生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率、土壤呼吸速率和植物呼吸速率，與對照相比分別增加了9.98%～27.57%、9.33%～19.47%和10.18%～30.14%；與施用量60 t/hm2和80 t/hm2相比，20 t/hm2和40 t/hm2的生物炭施用量可顯著增加土壤呼吸速率，而對于小麥生態(tài)系統(tǒng)呼吸速率和植物呼吸速率而言，施用40 t/hm2生物炭時其值最高.

b) 施用生物炭顯著提高了土壤w(TOC)、w(POC)和w(AOC)，并且與生物炭施用量呈極顯著正相關(guān).

c) 施用生物炭對土壤w(WSOC)具有降低作用，但是這種降低作用在生物炭施入土壤后前兩年顯著，從第三年開始，其對土壤w(WSOC)的抑制作用明顯減弱.

[1] GREONIGEN K J,QI XUAN,OSENBERG C W,etal.Faster decomposition under increased atmospheric CO2limits soil carbon storage[J].Sciece,2014,344(6183):508- 509.

[2] JENKISON D S,ADAMS D E,WILD A.Model estimates of CO2emissions from soil in response to global warming[J].Nature,1991,351(6324):304- 306.

[3] GONG Jirui,WANG Yihui,LIU Min,etal.Effects of land use on soil respiration in the temperate steppe of Inner Mongolia,China[J].Soil and Tillage Research,2014,144(4):20- 31.

[4] MATOVIC D.Biochar as a viable carbon sequestration option:Global and Canadian perspective[J].Energy,2011,36(4):2011- 2016.

[5] 顏永毫,王丹丹,鄭紀(jì)勇.生物炭對土壤N2O和CH4排放影響的研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2013,29(8):140- 146. YAN Yonghao,WANG Dandan,ZHENG Jiyong.Advances in effects of biochar on the soil N2O and CH4emissions[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2013,29(8):140- 146.

[6] LIANG Biqing,LEHMANN J,SOHI S P,etal.Black carbon affects the cycling of non-black carbon in soil[J].Organic Geochemistry,2010,41:206- 213.

[7] 張婷,王旭東,逄萌雯,等.生物質(zhì)炭和秸稈配合施用對土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的影響[J].環(huán)境科學(xué),2016,37(6):2298- 2303. ZHANG Ting,WANG Xudong,PANG Mengwen,etal.Impacts of biochar and straw application on soil organic carbon transformation[J].Environmental Science,2016,37(6):2298- 2303.

[8] YUAN Jinhua,XU Renkou,ZHANG Hong.The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures[J].Bioresource Technology,2011,102(3):3488- 3497.

[9] LIU Shuwei,ZHANG Yaojun,ZONG Yajie,etal.Response of soil carbon dioxide fluxes,soil organic carbon and microbial biomass carbon to biochar amendment:a meta-analysis[J].Global Change Biology Bioenergy,2016,8(2):392- 406.

[10] ZIMMERMAN A R,GAO Bin,AHN M Y.Positive and negative carbon mineralization priming effects among a variety of biochar-amended soils[J].Soil Biology and Biochemistry,2011,43(6):1169- 1179.

[11] BRUUN S,CLAUSON-KAAS S,BOBULSKA L,etal.Carbon dioxide emissions from biochar in soil:role of clay,microorganisms and carbonates[J].European Journal of Soil Science,2014,65(1):52- 59.

[12] SPOKAS K A,REICOSKY D C.Impacts of sixteen different biochars on soil greenhouse gas production[J].Annals of Environmental Science,2009,3:179- 193.

[13] SMITH J L,COLLINS H P,BAILEY V L.The effect of young biochar on soil respiration[J].Soil Biology and Biochemistry,2010,42(12):2345- 2347.

[14] SUBEDI R,TAUPE N,PELISSETTI S,etal.Greenhouse gas emissions and soil properties following amendment with manure-derived biochars:Influence of pyrolysis temperature and feedstock type[J].Journal of Environmental Management,2016,166:73- 83.

[15] 郭艷亮,王丹丹,鄭紀(jì)勇,等.生物炭添加對半干旱地區(qū)土壤溫室氣體排放的影響[J].環(huán)境科學(xué),2015,36(9):3393- 3400. GUO Yanliang,WANG Dandan,ZHENG Jiyong,etal.Effect of biochar on greenhouse gas emissions in semi-arid region[J].Environmental Science,2015,36(9):3393- 3400.

[16] 沈宏,曹志洪,胡正義.土壤活性有機(jī)碳的表征及其生態(tài)效應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)雜志,1999,18(3):32- 38. SHEN Hong,CAO Zhihong,HU Zhengyi.Characteristics and ecological effects of the active organic carbon in soil[J].Chinese Journal of Ecology,1999,18(3):32- 38.

[17] 吳建富,曾研華,潘曉華,等.稻草還田方式對雙季水稻產(chǎn)量和土壤碳庫管理指數(shù)的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2013,24(6):1572- 1578. WU Jianfu,ZENG Yanhua,PAN Xiaohua,etal.Effects of rice straw returning mode on rice grain yield and soil carbon pool management index in double rice-cropping system[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2013,24(6):1572- 1578.

[18] 李森,張世熔,羅洪華,等.不同施肥處理土壤水溶性有機(jī)碳含量特征及動態(tài)變化[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2013,32(2):314- 319. LI Sen,ZHANG Shirong,LUO Honghua,etal.Concentration characteristics and dynamic changes of water soluble organic carbon in soil under different fertilization treatments[J].Journal of Agro-EnviromentSience,2013,32(2):314- 319.

[19] 王月玲,耿增超,王強(qiáng),等.生物炭對塿土土壤溫室氣體及土壤理化性質(zhì)的影響[J].環(huán)境科學(xué),2016,37(9):3634- 3641. WANG Yueling,GENG Zengchao,WANG Qiang,etal.Influence of biochar on greenhouse gases emissions and physical and chemical properties of Loess soil[J].Environmental Science,2016,37(9):3634- 3641.

[20] BELYAEVA O N,HAYNES R J.Comparison of the effects of conventional organic amendments and biochar on the chemical,physical and microbial properties of coal fly ash as a plant growth medium[J].Environmental Earth Sciences,2012,66(7):1987- 1997.

[21] WARDLE D A,NILSSON M C,ZACKRISSON O.Fire-derived charcoal causes Loss of forest humus[J].Science,2008,320(5876):629- 629.

[22] LIU Xiaoyu,ZHENG Jufeng,ZHANG Dengxiao,etal.Biochar has no effect on soil respiration across Chinese agricultural soils[J].Science of the Total Environment,2016,554555:259- 265.

[23] 張西超,葉旭紅,韓冰,等.灌溉方式對設(shè)施土壤溫室氣體排放的影響[J].環(huán)境科學(xué)研究,2016,29(10):1487- 1496. ZHANG Xichao,YE Xuhong,HAN Bing,etal.Effects of irrigation methods on emissions of greenhouse gases from facilities soil[J].Research of Environmental Sciences,2016,29(10):1487- 1496.

[24] LIN Qiang,VRIEZE J D,LI Jiabao,etal.Temperature affects microbial abundance,activity and interactions in anaerobic digestion[J].Bioresource Technology,2016,209:228- 236.

[25] KAMMANN C,RATERING S,ECKHARD C,etal.Biochar and Hydrochar Effects on Greenhouse Gas(Carbon Dioxide,Nitrous Oxide,and Methane)Fluxes from Soils[J].Journal of Environmental Quality,2012,41(4):1052- 1066.

[26] MAJOR J,LEHMANN J,RONDON M,etal.Fate of soil-applied black carbon:downward migration,leaching and soil respiration[J].Global Change Biology,2010,16(4):1366- 1379.

[27] VARHEGYI G,SZABO P,TILL F,etal.TG,TG-MS,and FTIR characterization of high-yield biomass charcoals[J].Energy Fuels,1998,12(5):969- 974.

[28] 閻素紅,楊兆生,王俊娟,等.不同類型小麥品種根系生長特性研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2002,35(8):906- 910. YAN Suhong,YANG Zhaosheng,WANG Junjuan,etal.Study on characteristics of root growth in different type of winter wheat cultivar[J].Scientia Agricultura Sinica,2002,35(8):906- 910.

[29] PRABHAV S,PADMAKUMAR B,THOMAS A P.A study of the fertility and carbon sequestration potential of rice soil with respect to the application of biochar and selected amendments[J].Annals of Environmental Science,2013,7:17- 30.

[30] GLASER B,LEHMANN J,ZECH W.Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal:a review[J].Biology and Fertility of Soils,2002,35(4):219- 230.

[31] 李有兵,把余玲,李碩,等.作物殘體與其生物炭配施對土壤有機(jī)碳及其自身礦化率的提升[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報,2015,21(4):943- 950. LI Youbing,BA Yuling,LI Shou,etal.Combined addition of crop residues and their biochar increase soil organic C content and mineralization rate[J].Journal of Plant Nutrition and Fertilizer,2015,21(4):943- 950.

[32] 尚杰,耿增超,陳心想,等.施用生物炭對旱作農(nóng)田土壤有機(jī)碳、氮及其組分的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2015,34(3):509- 517. SHANG Jie,GENG Zengchao,CHEN Xinxiang,etal.Effects of biochar on soil organic carbon and nitrogen and their fractions in a rainfed farmland[J].Journal of Agro-Enviroment Science,2015,34(3):509- 517.

[33] STEINBEISS S,GLEIXNER G,ANTONIETTI M.Effect of biochar amendment on soil carbon balance and soil microbial activity[J].Soil Biology and Biochemistry,2009,41(6):1301- 1310.

[34] OBIA A,MULDER J,MARTINSEN V,etal.In situ effects of biochar on aggregation,water retention and porosity in light-textured tropical soils[J].Soil and Tillage Research,2016,155:35- 44.

[35] 周運來,張振華,范如芹,等.秸稈還田方式對水稻田土壤理化性質(zhì)及水稻產(chǎn)量的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報,2016,32(4):786- 790. ZHOU Yunlai,ZHANG Zhenhua,FAN Ruqin,etal.Effects of straw-returning modes on paddy soil properties and rice yield[J].Jiangsu Journal of Agriculture Science,2016,32(4):786- 790.

[36] 王琳,李玲玲,高立峰,等.長期保護(hù)性耕作對黃綿土總有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳動態(tài)的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2013,21(9):1057- 1063. WANG Lin,LI Lingling,GAO Lifeng,etal.Effect of long-term conservation tillage on total organic carbon and readily oxidizable organic carbon in loess soils[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2013,21(9):1057- 1063.

[37] 王月玲,耿增超,尚杰,等.施用生物炭后塿土土壤有機(jī)碳、氮及碳庫管理指數(shù)的變化[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2016,35(3):532- 539. WANG Yueling,GENG Zengchao,SHANG Jie,etal.Soil organic carbon and nitrogen and carbon pool management index in Loess soil as influenced by biochar[J].Journal of Agro-Enviroment Science,2016,35(3):532- 539.

[38] CAO Xinde,HARRIS W.Properties of dairy-manure-derived biochar pertinent to its potential use in remediation[J].Bioresource Technology,2010,101(14):5222- 5228.

[39] R?MKENSP F,BRIL J,SALOMONS W.Interaction between Ca2+and dissolved organic carbon:implications for metal mobilization[J].Applied Geochemistry,1996,11(12):109- 115.

Influence of Biochar on Soil Respiration and Soil Organic Carbon Fractions

WANG Yueling1, ZHOU Feng1, ZHANG Fan2, MA Wugong2, WANG Qiang1, CAO Shenglei1, GENG Zengchao1*

1.Key Laboratory of Plant Nutrition and Agri-Environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China 2.Forestry Bureau of Xinjiashan, Baoji, Shaanxi, Baoji 721700, China

Biochar addition to soil has been widely accepted as a soil conditioner to improve soil physical and biochemical properties, increase crop yields and enhance fertilizer use efficiency. However, there has always been a dispute about whether biochar inhibits soil respiration. Five levels of branches-derived biochar from apple tree (0, 20, 40, 60 and 80 t/hm2) were used. The effects of biochar on ecosystem respiration (Re), soil respiration (Rs), plant respiration (Rp), total soil organic carbon (TOC), soil particulate organic carbon (POC), soil active organic carbon (AOC) and water-soluble organic carbon (WSOC) were investigated in a plot trial. The results showed that, compared to the control treatment, ecosystem respiration, soil respiration and plant respirationwere increased by 9.98%-27.57%, 9.33%-19.47% and 10.18%-30.14%, respectively. Soil respiration was higher at biochar levels of 20 and 40 t/hm2than that in the biochar levels of 60 and 80 t/hm2, while ecosystem respiration and plant respiration reached the maximum at 40 t/hm2. Biochar amendment significantly increased the contents of TOC, POC and AOC in the 0-20 cm soil layer, and the contents of TOC and POC were positively correlated with the biochar dosage. The contents of WSOC significantly decreased at biochar levels of 60 and 80 t/hm2, and it decreased respectively by 21.82%-28.37%, 35.88%-36.58% and 32.28%-44.07% in 0-10, >10-20 and >20-30 cm soil layers compared to the control. The results indicated that as a long-term mechanism of carbon sequestration, biochar improved the total soil organic carbon. In addition, soil respiration could be improved by biochar amendment.

ecosystem respiration; plant respiration; soil particulate organic carbon; water-soluble organic carbon

2016-10-08

2016-12-27

國家農(nóng)業(yè)部“948”項目(2010-Z19)；楊凌示范區(qū)科技計劃項目(2015SF-03)

王月玲(1990-)，女，甘肅通渭人，wangyueling1103@163.com.

*責(zé)任作者，耿增超(1963-)，男，陜西韓城人，教授，碩士，博導(dǎo)，主要從事森林土壤、植物營養(yǎng)及農(nóng)林廢棄物資源轉(zhuǎn)化利用研究，gengzengchao@126.com

X144

1001- 6929(2017)06- 0920- 09

A

10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.01.89

王月玲,周鳳,張帆,等.施用生物炭對土壤呼吸以及土壤有機(jī)碳組分的影響[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(6):920- 928.

WANG Yueling,ZHOU Feng,ZHANG Fan,etal.Influence of biochar on soil respiration and soil organic carbon fractions[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(6):920- 928.