張明江，龍 健*，李 娟，廖洪凱，劉靈飛，趙 暢，華 健

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生物質(zhì)炭對茂蘭喀斯特森林土壤呼吸與有機碳的影響①

張明江1，龍 健1*，李 娟2，廖洪凱1，劉靈飛1，趙 暢1，華 健1

(1 貴州師范大學(xué)貴州省山地環(huán)境重點實驗室，貴陽 550001；2 貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴陽 550001)

以貴州茂蘭喀斯特國家自然保護區(qū)原始森林中的優(yōu)勢種青岡()凋落物(L)和對應(yīng)的森林土壤(S)為研究對象，在兩種不同溫度(400 ℃、600 ℃)下將凋落物制成生物質(zhì)炭(BC400、BC600)，設(shè)置土壤(S)、土壤+凋落物(S+L)、土壤+BC400(S+BC400)、土壤+BC600(S+BC600)4個處理進行室內(nèi)培養(yǎng)(1 kg土中加12.5 g生物質(zhì)炭)，在培養(yǎng)過程中動態(tài)監(jiān)測土壤呼吸、土壤有機碳、碳氮比和pH，分析青岡凋落物與其生物質(zhì)炭對森林土壤呼吸和有機碳含量等變化的影響。結(jié)果表明：在添加量為12.5 g/kg的條件下，25 ℃培養(yǎng)180 d后，與對照組相比，3組添加不同物質(zhì)的處理S+L、S+BC400、S+BC600中碳的凈釋放量分別增加了34.98%、42.45%、9.83%，青岡凋落物與其生物質(zhì)炭的添加均對土壤呼吸起到了明顯的促進作用(<0.05)；對培養(yǎng)前后土壤有機碳含量對比發(fā)現(xiàn)，低溫生物質(zhì)炭(BC400)的添加促進了微生物對土壤有機碳的轉(zhuǎn)化，而高溫生物質(zhì)炭(BC600)作用相反，從短期來看，具有一定的固碳作用，為生物質(zhì)炭在喀斯特森林土壤碳固定應(yīng)用方面提供了參考依據(jù)。

生物質(zhì)炭；原始森林土壤；土壤呼吸；有機碳；茂蘭喀斯特地區(qū)

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)在低氧或缺氧(O2<5%)條件下，經(jīng)高溫(300 ~ 700 ℃)熱解產(chǎn)生的一種性質(zhì)穩(wěn)定、含碳量極其豐富的固態(tài)物質(zhì)[1]。生物質(zhì)炭空隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、容重小、比表面積大、帶負電荷多[2]，具有羧基、羥基、酚羥基等官能團[3]，會對微生物生長所需的土壤環(huán)境和養(yǎng)分產(chǎn)生影響[4-5]，是近年土壤學(xué)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。土壤有機碳是微生物新陳代謝直接利用的主要組分[6]，有研究指出施加生物質(zhì)炭可以增加土壤有機碳抵抗微生物降解的穩(wěn)定性，降低其礦化速率，具有良好的固碳潛力[7-8]；而一些研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭的添加能夠提高土壤中微生物群落活性或pH，促進土壤呼吸[6,9]；雷海迪等[10]將生物質(zhì)炭施加到土壤中發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭輸入在培養(yǎng)前期促進了土壤呼吸作用，后期則產(chǎn)生了抑制作用，也有研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭對土壤CO2-的排放無顯著影響[11]。

隨著全球變暖，大氣溫室氣體濃度的增加，土壤碳庫成為全球碳循環(huán)研究關(guān)注的重要熱點。森林土壤有機碳庫是陸生系統(tǒng)中最重要的碳庫之一，對溫室氣體濃度和全球氣候變化具有顯著的調(diào)控作用[12]。土壤呼吸作為森林生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳循環(huán)過程，在全球碳平衡和調(diào)節(jié)氣候變化中有著非常重要的作用[13]。目前關(guān)于生物質(zhì)炭在森林土壤方面的應(yīng)用主要集中在受到砍伐或火災(zāi)等明顯干擾后恢復(fù)的森林類型中[14]，而生物質(zhì)炭在原生林土壤呼吸的研究也較為少見[15-16]，即使一些關(guān)于此方面的研究成果，也由于研究方法的差異性、空間異質(zhì)性及潛在機制的復(fù)雜性還存在著爭議，關(guān)于生物質(zhì)炭在對陸地森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤呼吸的影響機理也尚不清楚[17]。這也阻礙了人們充分認識生物質(zhì)炭在森林系統(tǒng)氣候變化和碳循環(huán)中的作用。

茂蘭喀斯特森林是世界上亞熱帶同緯度地區(qū)殘存下來的一片相對集中、原生性強、相對穩(wěn)定的喀斯特森林系統(tǒng)，也是巖溶區(qū)原生性森林分布面積最大的地區(qū)[18]。區(qū)內(nèi)巖石類型為純質(zhì)石灰?guī)r及白云巖，土壤以黑色石灰土為主，有機質(zhì)含量較高[19]，具有一定的代表性和典型性。生物質(zhì)炭是否會對這種有機質(zhì)較高的森林土壤產(chǎn)生影響，目前還未見到相關(guān)的研究報道，我們猜想生物質(zhì)炭的施用可能會增加土壤呼吸強度，提高土壤有機碳含量。

為此，本文以此森林土壤作為研究對象，選取典型優(yōu)勢種青岡()凋落物制成生物質(zhì)炭后，分別添加到土壤中進行室內(nèi)培養(yǎng)，從凋落物與其生物質(zhì)炭的理化特性來對比分析其對森林土壤基礎(chǔ)呼吸與碳、氮含量的影響，初步探討生物質(zhì)炭特性對亞熱帶喀斯特地區(qū)森林土壤呼吸的響應(yīng)機理，為生物質(zhì)炭在森林生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和碳固定應(yīng)用方面提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗土壤采自貴州荔波茂蘭喀斯特國家自然保護區(qū)(108°0′E，25°12′N)內(nèi)。該區(qū)年均溫18.3 ℃，全年降水量1 320.5 mm，集中分布于4—10月，年均相對濕度80%，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候。區(qū)內(nèi)主要出露巖石為純質(zhì)石灰?guī)r和白云巖，屬裸露型喀斯特地貌，地表水缺乏，土體持水量低，土壤以黑色石灰土為主，土層淺薄且不連續(xù)，土壤富鈣和富鹽基化，pH 6.5 ~ 8.0，有機質(zhì)含量高[18]。

1.2 試驗材料

保護區(qū)內(nèi)多數(shù)地段為中亞熱帶原生性喀斯特森林，其頂級群落為常綠落葉混交林[20]，根據(jù)已有的研究結(jié)果及對樣地的實際考察情況，于典型的混交林型下選取4個樣地(間隔50 ~ 100 m，單個樣地面積約200 m2)，采取隨機不定點方式在樣地內(nèi)采集0 ~ 20 cm表層土壤，每個樣地取3 ~ 5個點。樣品帶回實驗室混合均勻，風(fēng)干后過2 mm篩。

添加的凋落物選自保護區(qū)內(nèi)的典型常綠闊葉樹種—青岡[20]()，于2016年5月常綠落葉樹種凋謝高峰期采集當(dāng)年凋落的完整葉片，帶回實驗室后洗凈，干燥，粉碎后過1 mm篩備用。采用限氧控溫法制備生物質(zhì)炭[2]，將處理后的凋落物放入反應(yīng)器中，填壓密實，擰上蓋子密封，置于馬弗爐內(nèi)進行炭化，選取兩種較為常見的熱解溫度400、600 ℃[21]，升溫速率控制在20 ℃/min，達到既定溫度后炭化2 h，炭化完成后冷卻至室溫取出，相應(yīng)的生物質(zhì)炭記為：BC400、BC600。樣品混勻過1 mm篩備用。供試材料的基本性質(zhì)詳見表1。

表1 供試材料基本性質(zhì)

1.3 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置4個處理：土壤(S)、土壤+凋落物(S+L)、土壤+BC400(S+BC400)、土壤+BC600(S+ BC600)。分別在30、60、90、120、150、180 d測定相關(guān)指標(biāo)，另外設(shè)定1組相同處理用于土壤呼吸的測定，每個處理設(shè)定3個平行。具體操作如下：稱取200 g干土于500 ml密封培養(yǎng)瓶中，將粉碎后的凋落物與其生物質(zhì)炭添加至土壤中混勻加去離子水調(diào)節(jié)含水量至土壤持水量的60%，記錄每個樣品重量后放入恒溫培養(yǎng)箱，設(shè)定培養(yǎng)溫度25 ℃。在培養(yǎng)期內(nèi)每隔10 d打開蓋子添加去離子水至最初重量以保持含水量恒定，維持打開蓋子的時間至30 min，保證微生物活動所需氧氣。

為了模擬樣地凋落物的輸入情況，根據(jù)已測算出的土壤容重BD (表1)和現(xiàn)有文獻資料中研究區(qū)年凋落物量取3 844 kg/hm2[22]、分解時間[23-24](分解80% 約2 a)、采集土壤的深度(20 cm)、單位面積上落葉占凋落物的比例取0.7[22]及土壤占地表比例取0.5(據(jù)樣地實際情況估算)計算單位質(zhì)量土壤中的年凋落物量，即為凋落物的添加量，得出凋落物的添加量為12.5 g/kg(以干土計)，生物質(zhì)炭的添加量與凋落物相等。

=2·/BD××××102(1)

1.4 分析方法

土壤呼吸的測定采用堿液吸收法[25]，分別在培養(yǎng)期間第1、4、11、20、30、40、60、80、100、120、150、180 天進行測定；土壤有機碳(SOC)測定采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法[25]；用半微量元素分析儀(Elementar，Vario micro cube)測定土壤總碳(TC)與全氮(TN)；pH測定采用電極電位法，土壤固液比取1︰2.5，凋落物與生物質(zhì)炭固液比取1︰10；采用FT-IR光譜儀(布魯克TENSOR 27)對凋落物與其生物質(zhì)炭的表面官能團進行分析。

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2016和SPSS 16.0軟件進行處理，差異顯著性檢驗用Duncan法分析，運用Oringin 8.5進行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 凋落物與生物質(zhì)炭FT-IR圖譜特征分析

生物質(zhì)炭的表面官能團會影響其化學(xué)吸附性能[26]。由圖1可知，凋落物和BC400的吸收特征峰相差不大，在3 420 cm–1處的吸收峰主要由醇或酚的 -OH的伸縮振動產(chǎn)生，2 920 cm–1附近的吸收峰為脂肪烴或環(huán)烷烴-CH3和-CH2的對稱與非對稱伸縮引起[1](BC400對應(yīng)特征峰略有減弱)，在1 620 cm–1處出現(xiàn)芳香烴類物質(zhì)中的C=C雙鍵振動吸收峰[27]，在1 320 cm–1處是由酚類物質(zhì)中C-O官能團產(chǎn)生的吸收峰，700 ~ 900 cm–1之間的凸出峰出現(xiàn)在782 cm–1處，這是由脂肪烴中的C-H鍵變形振動產(chǎn)生。與BC400不同的是，凋落物在1 060 cm–1處出現(xiàn)了纖維素和半纖維素的特征峰，這是因為碳化過程破壞了生物質(zhì)中纖維素的微晶結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了由糖單元中的C-O伸縮振動和O-H平面內(nèi)彎曲振動產(chǎn)生的特征峰[2]。而隨著碳化溫度的升高，生物質(zhì)炭也會趨向無定型結(jié)構(gòu)或者更為穩(wěn)定的石墨化結(jié)構(gòu)[2]，因此BC600僅在1 434 cm–1和874 cm–1處出現(xiàn)最強吸收峰，主要有芳香烴中的C=C骨架振動和C-H面外歪曲振動產(chǎn)生，在3 420 cm–1處吸收峰幾乎消失。

圖 1 青岡凋落物與其生物質(zhì)炭FTIR圖譜

2.2 不同處理中土壤呼吸與土壤有機碳的變化

圖2表明了土壤呼吸累積排放的CO2隨時間的變化關(guān)系。從圖2可知，添加了青岡與生物質(zhì)炭后，不同處理組中的土壤呼吸作用在培養(yǎng)第1 周內(nèi)無明顯差異，原因可能是選用的森林土壤中有機碳含量背景值較高，在短期內(nèi)可以滿足微生物的生長代謝；1 周后不同處理組中土壤呼吸累積量開始逐漸增強，表現(xiàn)為S+BC400 > S+L > S+BC6000 > S并一直持續(xù)到培養(yǎng)結(jié)束；在培養(yǎng)前40 d期間，不同處理中土壤呼吸累積量增速較快，主要是土壤在風(fēng)干過程釋放了一定數(shù)量的氨基酸等，將其再加濕會引起呼吸作用突然增加[13]；在培養(yǎng)第40 天后，CO2釋放速率逐漸降低，并出現(xiàn)了明顯的緩滯過程直到培養(yǎng)結(jié)束。

圖 2 土壤CO2累計排放量隨時間變化

經(jīng)過180 d的恒溫培養(yǎng)，S、S+L、S+BC400、S+BC600的CO2總累積量分別達到了13.2、17.9、18.8、14.5 g/kg，土壤基礎(chǔ)呼吸平均速率分別為73.5、99.2、104.7、80.7 mg/(kg·d)；S+BC400中的CO2釋放累積量達到最高，S+BC400與S+BC600中CO2累積排放量相對于S+L組分別增加了5.5%和減少了18.6%，這也說明，不同溫度下的生物質(zhì)炭對土壤呼吸的作用效果不同。

由圖3可知，在整個培養(yǎng)過程中，不同處理中土壤有機碳(SOC)含量的關(guān)系表現(xiàn)為S+BC400 > S+L > S+BC6000 > S，平均含量分別為90.3、85.6、83.2、79.4 g/kg，這種大小關(guān)系與添加物中SOC相對含量的關(guān)系(表1)表現(xiàn)一致。對照組S中SOC含量在培養(yǎng)過程中波動范圍較小，無明顯變化，在S+L組中其變化趨勢為先上升，后下降，且在培養(yǎng)60、90、120、150 d與對照組S達到顯著性差異(< 0.05)，在S+BC400中SOC含量在培養(yǎng)期間顯著性高于對照組S(<0.05，圖中僅顯示部分)，而在S+BC600組中僅在第90、120 天顯著高于對照組S，3種不同處理都在培養(yǎng)第120天達到峰值。值得注意的是，添加兩種不同溫度生物質(zhì)炭的處理組中SOC含量在培養(yǎng)過程中的變化趨勢表現(xiàn)較為相似，對兩組數(shù)據(jù)作相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)值達到0.952(<0.01)，說明不同溫度下的青岡葉生物質(zhì)炭對土壤中有機碳變化的影響表現(xiàn)一致。

表2中列出了不同處理組中培養(yǎng)前后SOC添加量與土壤CO2-釋放量之間的關(guān)系，在培養(yǎng)前，S、S+L、S+BC400、S+BC600組中SOC的凈添加量分別為0、5.34、6.63、4.26 g/kg，與對照組S中的最初含量相比，S+L、S+BC400、S+BC600組中SOC相對添加量分別為7.32%、9.08%、5.84%；培養(yǎng)180 d后，SOC含量分別相對增加5.62%、13.92%、4.13%。對培養(yǎng)期間不同處理中SOC平均含量和土壤呼吸累積量進行回歸分析發(fā)現(xiàn)，回歸系數(shù)2= 0.89，說明土壤基礎(chǔ)呼吸強度與土壤有機碳含量呈線性相關(guān)。最終3組不同處理中CO2釋放量相對增加34.98%、42.45%、9.83%，與添加生物質(zhì)原料相比，CO2釋放量的變化趨勢相反，這表明生物質(zhì)炭的制備溫度對土壤呼吸的影響差異顯著。

(箭頭表示不同處理與對照組中SOC含量達到顯著性差異)

圖 3 不同處理的SOC含量隨時間變化

Fig. 3 SOC contents under different treatments during the incubation

表2 不同處理SOC含量和CO2排放

2.3 不同處理中土壤總碳、全氮及C/N的變化

由表3可知，3種不同的添加物均顯著增加(<0.05)了土壤中的TC含量。在不同培養(yǎng)時間段下，各處理組中TC含量的變化相對較小，S、S+L、S+BC400、S+BC600組中TC含量分別為79.8 ~ 86.1、84.6 ~ 94.3、88.4 ~ 101.0、90.2 ~ 102.1 g/kg，與SOC含量的變化趨勢一致。不同處理中TC含量均在培養(yǎng)120 d達到了最大值，而不同處理之間TC含量的關(guān)系為S+BC6000>S+BC400>S+L>S，并達到顯著性差異(<0.05)。在其他階段，不同處理中TC含量也均明顯高于對照組S(<0.05)，且S+BC400、S+BC600兩組在培養(yǎng)30、60、90及180 d顯著高于S+L組(<0.05)，但在培養(yǎng)第150 天無明顯差異。

表3 不同處理土壤中全碳含量(g/kg)

注：表中數(shù)據(jù)大寫字母不同表示同一處理不同培養(yǎng)時間差異顯著(= 3，0.05)，小寫字母不同表示同一時間不同處理間差異顯著(= 3，0.05)，下同。

表4表示的是不同處理組在培養(yǎng)過程中的TN含量，在培養(yǎng)期間，S、S+L、S+BC400、S+BC600處理中TN含量分別為7.8 ~ 8.5、8.2 ~ 9.0、8.0 ~ 8.9、8.3 ~ 9.0 g/kg；S+L、S+BC400及S+BC600組中TN含量分別在培養(yǎng)150、180、120 d達到最大值，其他培養(yǎng)階段無明顯差異，對照組S中無明顯變化；不同添加處理中，S+BC400與S+BC600在培養(yǎng)期間與對照組S及S+L均產(chǎn)生顯著性差異，S+L組在培養(yǎng)30、60、120、150 d與對照組S產(chǎn)生顯著性差異(<0.05)。

表4 不同處理土壤中全氮含量(g/kg)

如圖4所示，不同處理組之間的C/N在不同培養(yǎng)時間表現(xiàn)為S+BC600>S+BC400>S+L>S，其平均值分別為11.02、10.98、10.46、10.10。其中S+BC600與S+BC400處理中的C/N相對于對照組S及S+L明顯升高(<0.05)，在添加量相同的情況下，土壤C/N隨添加物中C/N而變化，雖然隨著炭化溫度的升高，生物質(zhì)炭中TC含量升高，而TN含量下降(表1)，但是兩種溫度下產(chǎn)生的生物質(zhì)炭在培養(yǎng)過程中對土壤中的C/N并未產(chǎn)生顯著性差異，主要是由于森林土壤本身有機質(zhì)含量較高，含碳量也相對較高，雖然兩種不同的生物質(zhì)炭中的碳氮比差異明顯，但當(dāng)生物質(zhì)炭的添加量較少時(12.5 g/kg)不易對此土壤中的C/N的變化產(chǎn)生顯著性影響。在不同培養(yǎng)階段，S+BC400與S+BC600中C/N在培養(yǎng)90、120 d明顯高于培養(yǎng)30 d(<0.05)，其余階段無顯著性變化。

圖 4 不同處理土壤C/N隨時間變化

Fig. 4 Soil C/N ratios under different treatments during incubation

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭對土壤呼吸和有機碳的影響

土壤的呼吸作用是一個生物化學(xué)過程，其控制因子包括底物供應(yīng)、溫度、濕度、氧氣、氮(碳氮比)、土壤質(zhì)地和土壤pH。當(dāng)土壤濕度保持在持水量的60% 不變時，土壤呼吸主要受土壤有機質(zhì)數(shù)量和pH的控制[13]。在本試驗中，溫度、濕度及氧氣相對保持不變，改變土壤有機碳含量(可能會對土壤pH產(chǎn)生影響)，主要展開生物質(zhì)炭特性在此條件下對土壤呼吸作用和有機碳含量的影響機理探討。

圖2表明，不同的添加物均對土壤呼吸產(chǎn)生了促進作用，且這種作用維持在培養(yǎng)始終，最終表現(xiàn)為：S+BC400 > S+L > S+BC600 > S(對照組)，由FTIR分析結(jié)果已知。與凋落物相比，BC400中纖維素及半纖維素的特征峰已基本消失，隨著炭化溫度的升高，纖維素等有機物被分解，其表面烷基基團逐漸缺失，生成氣態(tài)烴如CH4、C2H4和C2H6等[2]，其吸收峰均呈減弱或消失趨勢，如 -OH、-CH3與 -CH2、C=O及纖維素等，同時芳香族基團吸收峰逐漸增強，說明生物質(zhì)炭的芳香化程度逐漸升高。根據(jù)辛善志等[28]研究表明，300 ~ 460 ℃的炭化以脫氧反應(yīng)為主，焦炭中脂肪烴的含量逐漸降低，而芳香環(huán)含量增加，最終導(dǎo)致BC400中C/N增加[29]，有機碳含量相對增加，為微生物提供了更為充足的碳源，但因其他有機物質(zhì)變化并不顯著，所以S+BC400中的土壤呼吸強度略高于S+L。

在較高溫度下(600 ℃)制備的生物質(zhì)炭，已達到高度芳香化，殘留于其碳結(jié)構(gòu)上的官能團屬于一種更為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形式[2]，降低了土壤微生物對其中含碳物質(zhì)的可利用性，此外在熱解過程中產(chǎn)生的多環(huán)芳烴等有機物以及殘留的油類物質(zhì)也可能會對微生物產(chǎn)生毒害或掩蔽微生物的活性[8,30]，導(dǎo)致了土壤呼吸速率下降。在培養(yǎng)結(jié)束后，S、S+L、S+BC400、S+BC600中C凈釋放量分為3.61、4.87、5.14、3.96 g/kg，兩種不同溫度生物質(zhì)炭的處理中土壤呼吸累計量(以C計)相差1.18 g/kg，差異達到了24.2%(相對于S+L組)，這表明低溫制備的生物質(zhì)炭對土壤呼吸的促進作用更大，這也與Ouyang等[31]、Luo等[27]的研究結(jié)果一致。

從表2可知，凋落物與其生物質(zhì)炭的添加，有效地增加了土壤中有機碳組分的含量。Zimmerman等[7]研究發(fā)現(xiàn)，向土壤中施加低溫?zé)峤庵苽涞纳镔|(zhì)炭易對土壤本身的SOC產(chǎn)生正激發(fā)效應(yīng)，而對應(yīng)的溫度較高時則易產(chǎn)生負激發(fā)效應(yīng)?？赡艿脑蚴遣煌瑴囟认律镔|(zhì)炭孔隙大小、營養(yǎng)物質(zhì)與可溶性碳組分的濃度以及解吸溶解能力等的不同，導(dǎo)致了對微生物的生長環(huán)境產(chǎn)生差異，影響其對土壤中碳的轉(zhuǎn)化利用[32]。

本試驗結(jié)果中，在培養(yǎng)前S、S+L、S+BC400、S+BC600中SOC的凈添加量分別為0(對照組)、5.34、6.63、4.26 g/kg，與對照組S相比，相對添加量分別為7.32%、9.08%、5.84%；培養(yǎng)180 d后，相對于對照組S，SOC的平均含量分別增加5.62%、13.92%、4.13%(表2)。顯然在培養(yǎng)過程中，S+BC400處理組中的添加物促進了原土壤中有機碳的轉(zhuǎn)化和生成，即產(chǎn)生了正激發(fā)效應(yīng)，為微生物的生長和新陳代謝提供有效碳源，加快了土壤中C的礦化速率[33]；而在S+L和S+BC600中卻恰好相反，在S+L中，主要是由于青岡葉生物質(zhì)中存在纖維素等大分子物質(zhì)，在短時間內(nèi)難以被微生物降解利用；在S+BC600中，由于在高溫條件下，會揮發(fā)更多的水分和有機物質(zhì)而產(chǎn)生較大的孔隙，會對水分和部分可溶性物質(zhì)產(chǎn)生較強的吸附能力[21]，從而抑制了土壤中有機碳的產(chǎn)生，降低SOC含量。Stewart等[34]的研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭中的可揮發(fā)組分，由于其更低的分子量(相對于生物質(zhì)炭中的可溶性碳組分)，在微生物生長初期更容易被作為碳源，本試驗中不同溫度的生物質(zhì)炭對土壤有機碳含量的影響作用也進一步說明了這一點。由此看來，青岡葉生物質(zhì)炭(600 ℃)可以顯著降低土壤有機碳含量，可以作為生物質(zhì)原料制備(高溫)生物質(zhì)炭并用于森林土壤碳固定。

3.2 生物質(zhì)炭對土壤C/N和pH的影響

土壤中的總碳(TC)包括有機碳(SOC)和無機碳，土壤有機碳、氮也是土壤質(zhì)量表征的核心，對土壤性質(zhì)和驅(qū)動養(yǎng)分循環(huán)作用顯著，土壤C/N也是C、N轉(zhuǎn)移過程中的關(guān)鍵影響因子，本研究中兩種不同溫度的生物質(zhì)炭顯著提高了土壤中的C/N，這也與Sui等[33]、Song等[35]的研究結(jié)果相一致。生物質(zhì)炭具有較高的C/N(一般>25︰1)也為其改善土壤碳氮結(jié)構(gòu)提供了可能，一般來說，微生物需要有機質(zhì)的C/N值為25︰1，如果C/N值小于25︰1，土壤有機質(zhì)分解會加快，如果C/N值大于25︰1，C多N少，微生物缺乏N素營養(yǎng)活動就會減弱，造成有機質(zhì)分解降低[16]。從圖2和圖3的結(jié)果對比來看，不同處理組中，土壤中C/N值均低于25︰1，土壤呼吸強度和C/N并未呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性(2= 0.44)，可能是因為生物質(zhì)炭中含有的其他形式的碳難以被微生物降解，因此即使生物質(zhì)炭C/N較高，而其中易氧化有機碳組分含量較低。

已知相同生物質(zhì)原料制備生物質(zhì)炭的pH隨炭化溫度的升高而增大，這是因為熱解過程中，生物質(zhì)炭中酸性揮發(fā)物的含量隨溫度的升高而逐漸減小所致[16,36]。本研究結(jié)果也驗證了上述結(jié)論，與前文中SOC含量變化趨勢相似，不同處理土壤的pH也是隨著添加物中pH的高低而變化，在培養(yǎng)過程中，不同處理中的平均pH的關(guān)系表現(xiàn)為S+BC600 > S+ BC400>S+L > S，均值分別為7.61、7.82、7.86、8.04。在添加量為12.5 g/kg(以干土計)的情況下，S+L、S+BC400、S+BC600中pH相比對照組S分別平均增加了2.68%、3.26%、4.67%，與不同處理中的C/N相同，各組中pH與土壤呼吸及SOC含量并沒有產(chǎn)生一定的相關(guān)性，可能是在添加物對土壤pH的影響水平較低，并未達到對微生物活動產(chǎn)生顯著影響的閾值，或是土壤pH與SOC變量對土壤呼吸產(chǎn)生耦合作用時，SOC變化對土壤呼吸的影響占主導(dǎo)作用。對4組不同處理在培養(yǎng)期間的pH和C/N進行Pearson相關(guān)性分析，其相關(guān)性系數(shù)為0.901，兩者之間有一定的相關(guān)性。值得注意的是青岡凋落物的pH顯著低于供試土壤(表2)，但是添加至土壤中培養(yǎng)的過程中，其pH并未下降，可能是由于生物質(zhì)為微生物的生長提供了營養(yǎng)物質(zhì)，而其產(chǎn)生代謝物有效地提高了土壤的pH[36]。

4 結(jié)論

在生物質(zhì)炭添加量與研究區(qū)森林凋落物輸入量相當(dāng)?shù)那闆r下，青岡()凋落物與其生物質(zhì)炭可以明顯提高喀斯特森林土壤呼吸強度、SOC和C/N，且SOC平均含量和土壤呼吸碳累積釋放量呈顯著正相關(guān)(= 0.943)，雖然各添加物對土壤pH的增加作用不顯著，但土壤C/N和pH之間存在良好的相關(guān)性(= 0.901)。與土壤pH相比，SOC變化對土壤呼吸的影響更大。

培養(yǎng)結(jié)束后，相對于對照組S，3組不同處理S+L、S+BC400、S+BC600中C的凈釋放量分別增加34.98%、42.45%、9.83%，SOC的含量分別增加5.62%、13.92%、4.13%。其中，以BC400的作用最為顯著，BC600的施用雖然也促進了土壤的呼吸強度，但由于其具有更為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形式和較強的吸附能力等特性，降低了微生物對SOC的轉(zhuǎn)換能力，并能有效地補償正激發(fā)效應(yīng)帶來的C損失量，從短期來看，實現(xiàn)了碳固定功能，可以為喀斯特森林土壤碳固定提供一定的理論依據(jù)和參考意義。在今后的研究中，可考慮其他種類的生物質(zhì)原料和更長時間的野外模擬試驗等，完善生物質(zhì)炭在森林碳匯中的應(yīng)用研究。

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Effects of Biochars on Soil Respiration and SOC Content of Origin Forest Soil in Maolan Karst Area of Guizhou, China

ZHANG Mingjiang1, LONG Jian1*, LI Juan2, LIAO Hongkai1, LIU Lingfei1, ZHAO Chang1, HUA Jian1

(1 Guizhou Key Laboratory of Mountain Environment, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China; 2 Department of Geography and Environmental Science, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China)

The litters (L) of the dominant speciesand soil (S) under the virgin forest in the National Nature Reserve of Maolan karst area of Guizhou were used as the study materials. Biochars (BC400 and BC600) were made from L under 400 ℃ and 600 ℃, respectively. Four kinds of treatments were designed including S, S+L, S+BC400 and S+BC600 for a lab incubation (biochar 12.5 g/kg soil). Soil respiration, organic carbon (SOC), C/N ratio and pH were monitored dynamically during the incubation. The results showed that carbon net release rates of S+L, S+BC400 and S+BC600 increased by 34.98%, 42.45% and 9.83% compared with S in 180 d under 25 ℃, respectively, indicating the litters and biochars both significantly accelerated soil respiration (<0.05). SOC content changes before and after incubation proved that BC400 promoted microbe transformation in SOC, but BC600 showed an inversive trend which can provide a reference for biochar applying for carbon sequestration in karst forest soil.

Biochar; Original forest soil; Soil respiration; Organic carbon; Maolan karst area

10.13758/j.cnki.tr.2018.02.016

國家自然科學(xué)基金項目(414601072，41661045，41601249，31360121)資助。

(longjian22@163.com)

張明江(1993—)，男，甘肅古浪人，碩士研究生，主要從事土壤環(huán)境化學(xué)方面研究。E-mail: zhangmj0216@163.com

S153.6

A