邵滿嬌，竇 森*，謝祖彬

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長春 130118；2.吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點實驗室，長春 130118；3.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008）

我國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量巨大，是世界上秸稈資源總量最豐富的國家之一[1]，并且秸稈種類繁多，其中秸稈數(shù)量以水稻、小麥和玉米最多，作物秸稈中含有大量的氮、磷、鉀等養(yǎng)分，三大作物秸稈氮、磷、鉀養(yǎng)分?jǐn)?shù)量分別占到總量的68.8%、74.0%、73.9%，總養(yǎng)分占到總量的72.3%[2]。但是秸稈利用率不足，大量秸稈被焚燒或閑置。因此，農(nóng)作物秸稈的利用和秸稈焚燒問題受到了國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-5]。秸稈還田可以有效解決秸稈利用問題，同時改善土壤性質(zhì)[6]。

秸稈中含有大量的新鮮有機物料，在歸還農(nóng)田以后，經(jīng)過腐解會轉(zhuǎn)化成有機質(zhì)和速效養(yǎng)分。研究表明，微生物是土壤有機質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動力[7]，秸稈還田可以刺激微生物增殖，提高土壤有機碳含量[8-9]，同時可以提高土壤有效含水量、孔隙度和土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[10]，降低土壤容重，改善土壤理化性質(zhì)，提高作物產(chǎn)量[11]。朱青藤等[12]研究結(jié)果表明，施有機肥和秸稈還田處理的土壤胡敏酸（HA）的脂族性增強，芳香度下降。

玉米秸稈在堆腐過程中，木質(zhì)素以及一些分解的中間產(chǎn)物在微生物和酶的作用下合成了胡敏酸和富里酸，有利于土壤有機質(zhì)的增加。研究表明，施用堆肥可以提高土壤有機質(zhì)、氮、磷、鉀含量及土壤含水量[13]，降低土壤容重[14]，提高土壤肥力和作物產(chǎn)量[15]。

玉米秸稈生物質(zhì)炭是玉米秸稈在高溫?zé)o氧或少氧條件下熱裂解而成的。生物質(zhì)炭作為土壤改良劑不僅可以顯著增加土壤有機碳含量和pH值[16]、提高土壤質(zhì)量、減少養(yǎng)分浸出[17]、提高土壤肥力[18]、促進(jìn)作物生長、提高產(chǎn)量[19]，而且有很好的固碳作用，減少溫室氣體排放[20-21]，在農(nóng)田施用生物質(zhì)炭作為一種有效的碳封存技術(shù)更是得到了廣泛應(yīng)用。

雖然國內(nèi)外學(xué)者對玉米秸稈直接還田、腐熟秸稈還田和生物質(zhì)炭還田都做了大量試驗，但是具體哪一種還田方式對改善土壤性質(zhì)的效果更好，還沒有在同一試驗、同等條件下進(jìn)行對比研究。因此，本文通過盆栽試驗，將等碳量的玉米秸稈、腐熟秸稈和玉米秸稈生物質(zhì)炭施入盆栽土壤中，研究其對土壤腐殖質(zhì)組成和胡敏酸結(jié)構(gòu)的影響。以期為提高土壤固碳能力，解決秸稈利用問題提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗所用土壤于2016年5月采自吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米試驗田（43°49′5″N，125°24′8″E），采樣深度為0～20 cm，土壤類型為半濕溫半淋溶土亞綱黑土類，相當(dāng)于美國系統(tǒng)分類的粘淀濕潤軟土（Argi?udolls）。該土壤基本性質(zhì)如下：有機質(zhì)含量為26.43 g·kg-1、全氮含量為 1.42 g·kg-1、全磷含量為 0.51 g·kg-1、堿解氮 79.84 mg·kg-1、有效磷含量為 24.12 mg·kg-1、速效鉀88.73 mg·kg-1、pH為6.72、C/N為10.8。

供試玉米秸稈（Corn Straw，CS）來自吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田，經(jīng)60℃烘干后粉碎過100目篩備用。

供試腐熟秸稈（Humified Corn Straw，HCS）2016年由吉林省農(nóng)科院公主嶺肥料廠提供，將樣品經(jīng)60℃烘干后，粉碎過100目篩備用。

供試玉米秸稈生物質(zhì)炭（Biochar，Bc）2016年由長春市萬合木炭開發(fā)有限公司在450℃高溫?zé)o氧條件下制備而成。在生產(chǎn)生物炭之前，先將準(zhǔn)備好的玉米秸稈放入80℃的烘箱內(nèi)烘12 h，以減少其水分含量，之后再放入高溫炭化爐內(nèi)，抽到真空無氧條件后充入高純氮氣3次（氮氣流量控制在230～260 L·h-1之間），接著將高溫炭化爐溫度緩慢升溫至450℃，對玉米秸稈進(jìn)行高溫煅燒持續(xù)12 h后，即得到生物質(zhì)炭。待其自然冷卻降溫后，取出研磨過0.15 mm篩備用。

供試玉米秸稈、腐熟秸稈和玉米秸稈生物質(zhì)炭的原材料均是來自吉林省中部典型黑土區(qū)的玉米秸稈，差別不大，其微小差異要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于腐解和炭化之后的差異。供試玉米秸稈、腐熟秸稈和玉米秸稈生物質(zhì)炭的基本性質(zhì)見表1。

表1 供試材料的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of the materials in the experiment

1.2 試驗設(shè)計

選用高型PE塑料桶進(jìn)行盆栽試驗，桶底直徑為28 cm，桶口直徑39 cm，桶高44 cm。試驗共設(shè)4個處理，分別是不施加有機物料的對照（CK）、施加玉米秸稈（CS）、施加腐熟玉米秸稈（HCS）和施加玉米秸稈生物質(zhì)炭（Bc）。每個處理3次重復(fù)，共12桶。玉米秸稈施用量按年產(chǎn)量12 000 kg·hm-2全量還田進(jìn)行計算，每桶施用267 g，相當(dāng)于每公斤土施入5.33 g玉米秸稈，相當(dāng)于每桶116.8 g碳量。腐熟秸稈和生物質(zhì)炭施用量按等碳量每桶116.8 g計算，腐熟秸稈每桶施用656 g，相當(dāng)于每公斤土施用13.12 g腐熟秸稈；生物質(zhì)炭每桶施用214 g，相當(dāng)于每公斤土施用4.28 g生物質(zhì)炭。分別于2016年5月和2017年5月施加有機物料，將黑土過2 cm篩以除去石塊等雜質(zhì)，每桶裝25 kg土，將有機物料與土混勻后裝桶，由于HCS的C/N比已接近20∶1，固未作調(diào)整，而CS和Bc處理用尿素調(diào)秸稈C/N為20∶1。種植玉米種子3粒，品種為翔玉998（吉林省鴻翔農(nóng)業(yè)集團(tuán)鴻翔種業(yè)有限公司）。每桶施尿素18.71 g，磷酸二銨22.00 g，氯化鉀8.20 g，盆栽露天放置，出苗后選取長勢較好的保留。于2017年10月1日采集0～20 cm土層土壤，選取三點取樣，取出后混勻，進(jìn)行分析化驗。

1.3 分析方法

1.3.1 腐殖質(zhì)組成的測定

采用腐殖質(zhì)組成修改法[22-23]，對土壤樣品進(jìn)行腐殖質(zhì)定量分組，提取水溶性物質(zhì)（WSS）、腐殖物質(zhì)（HE）、富里酸（FA）、胡敏酸（HA）和胡敏素（HM）。WSS、HE、HA含碳量采用重鉻酸鉀氧化法測定，F(xiàn)A含碳量采用差減法得到，即FA含碳量=HE含碳量-HA含碳量。PQ值=HA含碳量/HE含碳量。

1.3.2 HA樣品的提取與純化

采用IHSS國際腐殖質(zhì)協(xié)會推薦的方法[24]，對土壤HA進(jìn)行定性分離，稱取過2 mm篩風(fēng)干土樣100 g，按土水比1∶10加入0.1 mol·L-1的 HCl，低速離心后棄掉上清液。在氮氣條件下加0.1 mol·L-1NaOH調(diào)至土水比1∶10，用1 mol·L-1NaOH調(diào)至pH=13～14提取HE溶液，用6 mol·L-1的HCl將HE酸化（pH=1.0），沉淀用0.1 mol·L-1的KOH溶解，之后用適量1 mol·L-1的KOH調(diào)節(jié)pH=13～14，溶液高速離心，保留上清液。用6 mol·L-1的HCl調(diào)節(jié)上清液pH=1.0，放置12～16 h后高速離心，棄掉上清液。用30 mL的HCl（0.1 mol·L-1）+HF（0.3 mol·L-1）浸泡HA，室溫下振蕩過夜后高速離心，棄掉上清液。電滲析除去氯離子，最后再用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)、凍干去其水分后即得提純好的胡敏酸樣品。

1.3.3 HA的結(jié)構(gòu)表征方法

元素組成測定：

稱取 1～1.5 mg HA樣品，應(yīng)用 Vario-EL-III（Hanau，Germany）元素分析儀進(jìn)行C、H、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定，O+S質(zhì)量分?jǐn)?shù)用差減法計算，即：（O+S）%=100%-（C%+H%+N%）。

紅外光譜分析：

采用KBr壓片法，在美國Nicolet-AV360紅外光譜儀上測定，波數(shù)范圍為4000～400 cm-1，通過OMN?IC軟件對紅外譜圖進(jìn)行特征峰選取，并采用半定量分析方法對不同波數(shù)的特征吸收峰進(jìn)行峰面積計算，用某一峰面積占各峰總面積的百分比表示其峰強度，并采用Origin將紅外光譜進(jìn)行疊圖。

差熱和熱重分析及灰分測定：

HA差熱和熱重分析應(yīng)用德國耐馳熱重同步分析儀（德國NETZSCH STA 2500 Regulus），稱取3～10 mg HA樣品，設(shè)置溫度范圍在35～750℃，升溫速率15℃·min-1，在空氣作為保護(hù)氣的條件下，把樣品放入Al2O3坩堝內(nèi)進(jìn)行測定。用儀器自帶的Proteus Thermal Analysis軟件分析各樣品的差熱和熱重曲線，測量峰面積，計算反應(yīng)熱，進(jìn)行半定量分析，并采用Origin軟件進(jìn)行疊圖。同時，利用熱失重計算HA樣品的灰分含量。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Microsoft Office Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，采用SPSS Statistics17.0進(jìn)行統(tǒng)計分析和差異顯著性檢驗（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機碳含量及腐殖質(zhì)組成

玉米秸稈及其腐解、炭化材料對土壤腐殖質(zhì)各組分有機碳含量的影響如表2所示。各處理土壤總有機碳含量表現(xiàn)為：Bc＞HCS＞CS＞CK，與CK 相比，Bc、HCS和CS處理下土壤總有機碳（SOC）分別增加了18.20%、17.36%和1.45%；WSS含碳量分別增加36.36%、36.36%、18.18%；HM 含 碳 量 分 別 增 加28.91%、24.69%、1.25%；HA含碳量分別增加21.64%、19.65%、8.46%；FA含量顯著減少。

PQ值是HA在可提取腐殖物質(zhì)中所占的比例，是反映土壤有機質(zhì)腐殖化程度的重要指標(biāo)。從表2可以看出，Bc、HCS和CS 3種處理的土壤PQ值顯著增加，從CK的62.86%分別增加到74.16%、69.86%和67.47 %。說明Bc、HCS和CS 3種處理有利于增加土壤有機質(zhì)腐殖化程度，其中Bc處理最顯著。

2.2 HA元素組成分析

腐殖物質(zhì)主要由C、H、O、N、S等元素組成，土壤HA元素組成見表3。與CK相比，Bc、HCS和CS 3種處理土壤HA的C和H元素含量均增加，C含量分別增加24.7、18.8 g·kg-1和14.2 g·kg-1；H含量分別增加0.76、3.93 g·kg-1和2.09 g·kg-1；O+S含量和（O+S）/C比均減少。CS和HCS處理N含量分別增加0.50 g·kg-1和1.24 g·kg-1，H/C比顯著增大；Bc處理N含量減少0.47 g·kg-1，H/C比顯著減小。一般認(rèn)為O/C與HA氧化度呈正相關(guān)，H/C比與縮合度呈反相關(guān)。因此Bc、HCS和CS 3種處理土壤HA氧化度下降，大小表現(xiàn)為CK＞CS＞HCS＞Bc。H/C大小表現(xiàn)為HCS＞CS＞CK＞Bc，說明CS和HCS處理HA縮合度下降，而Bc處理HA縮合度增強。

2.3 HA紅外光譜分析

使用紅外光譜測定HA結(jié)構(gòu)，可以反映HA官能團(tuán)組成等特點。HA的紅外光譜（IR）如圖1所示。HA 的主要特征峰出現(xiàn)在 2920、2850、1720、1620、1400 cm-1和1050 cm-1處。2920 cm-1代表不對稱脂族C-H伸縮振動，2850 cm-1代表-CH2-對稱脂族C-H伸縮振動，1720 cm-1代表羧基的C=O伸縮振動，1620cm-1代表芳香C=C伸縮振動，1400 cm-1代表脂族C-H變形，鄰位取代芳香環(huán)的伸縮振動，1050 cm-1代表硅酸鹽雜質(zhì)和脂族C-O伸縮振動。

表2 施加玉米秸稈及其腐解、炭化材料對土壤腐殖質(zhì)各組分含碳量的影響Table 2 Effects of applied corn straw and its humified and carbonized materials on SOC and TOC of every component of soil humic substance

表3 施加玉米秸稈及其腐解、炭化材料對土壤HA的元素組成的影響（無水無灰基）Table 3 Effects of applied corn straw and its humified and carbonized materials on elemental composition of HA（moisture and ash free basis）

半定量分析HA的IR光譜主要吸收峰相對強度見表4。與CK相比，Bc、HCS和CS 3種處理在1720 cm-1處HA吸收峰的相對強度均減小，說明3種有機物料處理的土壤HA氧化度下降；CS和HCS處理在2920、2850、1400 cm-1和1050 cm-1處HA吸收峰的相對強度均增大，在1620 cm-1處減小，Bc處理反之。由于HA的灰分含量僅為1%左右，所以Si-O幾乎不起作用，因此CS和HCS處理在1050 cm-1處HA吸收峰的相對強度增大，是脂族C-O振動增強的結(jié)果，這與CS和HCS處理在2920 cm-1和2850 cm-1處HA吸收峰的相對強度增大一致，表明了CS和HCS處理使得土壤HA分子脂族性增強。2920/1620比值可以反映HA脂族性和芳香性的強弱。與CK相比，CS和HCS處理均使得HA分子2920/1620比增大，說明施加玉米秸稈和腐熟秸稈使得土壤HA分子脂族性增強，芳香性下降，分子結(jié)構(gòu)簡單化，且HCS處理效果更顯著。而Bc處理HA分子2920/1620比值減小，說明施加生物質(zhì)炭使得HA分子芳香性增強，脂族性下降。

圖1 施加玉米秸稈及其腐解、炭化材料對HA的IR譜圖的影響Figure 1 Effects of applied corn straw and its humified and carbonized materials on FTIR spectra of soil HA

2.4 HA差熱和熱重分析

差熱分析是熱分析技術(shù)中最成熟和應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。在逐步的程序升溫過程中，HA結(jié)構(gòu)被破壞，釋放出中間產(chǎn)物，從而對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性研究。中溫放熱和失重代表HA分子中脂族化合物的分解和外圍官能團(tuán)的脫羧等放熱反應(yīng)；高溫放熱和失重是HA完全氧化和分子內(nèi)部芳香化合物分解的結(jié)果。高溫放熱峰峰溫越高，代表其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越強。

各處理HA的差熱（DTA）和熱重分析曲線（TG）見圖2和圖3。如圖2所示，樣品在受熱分解過程中主要有兩個放熱峰：中溫放熱峰（331～347℃）和高溫放熱峰（469～520℃）。CK處理下HA的中溫峰溫為331℃，均低于其他處理。高溫峰溫的大小順序為Bc（520℃）＞HCS（506℃）＞CS（490℃）＞CK（469℃）。

圖2 施加玉米秸稈及其腐解、炭化材料對HA的DTA曲線的影響Figure 2 Effects of applied corn straw and its humified and carbonized materials on DTA curve of HA

表4 施加玉米秸稈及其腐解、炭化材料對HA的IR光譜主要吸收峰相對強度的影響Table 4 Effects of applied corn straw and its humified and carbonized materials on relative intensity of the main peaks of IR spectrum of HA in dark soil

圖3 施加玉米秸稈及其腐解、炭化材料對HA的TG曲線的影響Figure 3 Effects of applied corn straw and its humified and carbonized materials on TG curve of HA

半定量積分結(jié)果（表5）表明，與CK相比，CS和HCS處理中溫放熱量和失重有所增加，高溫放熱量和失重減少，且高溫/中溫放熱比和失重比顯著降低。而Bc處理中溫放熱量和失重減少，高溫放熱量和失重增加，且高溫/中溫放熱比和失重比顯著增加。說明施加玉米秸稈和腐熟秸稈使得土壤HA分子脂族性增強，芳香性下降，分子結(jié)構(gòu)簡單化，而施加生物質(zhì)炭使得HA分子芳香性增強，脂族性下降。

與CK相比，CS和HCS處理的高溫放熱峰峰溫相對降低，說明施加玉米秸稈和腐熟秸稈的土壤HA活性增強，而Bc處理的高溫放熱峰峰溫增高，達(dá)到了520℃，說明施加生物質(zhì)炭后HA穩(wěn)定性增強。

3 討論

3.1 在增加土壤有機碳含量，改善腐殖質(zhì)組成方面的作用

本文研究結(jié)果表明，與CK相比，Bc、HCS和CS處理均有利于提高土壤和腐殖質(zhì)各組分有機碳含量以及腐殖化程度（PQ），且Bc＞HCS＞CS＞CK。這是由于玉米秸稈中含有大量的有機物料，還田后秸稈有機碳的礦化和腐殖化作用增強，促進(jìn)了HA的形成，從而提高了土壤腐殖化程度[25]；同時為微生物提供了豐富的碳源，刺激了土壤微生物的增殖[26]，從而促進(jìn)土壤的腐殖化，有利于土壤HA的合成，且FA有向HA轉(zhuǎn)化的可能[27]。玉米秸稈經(jīng)堆腐后各組分發(fā)生極其復(fù)雜的變化，在微生物及酶的作用下木質(zhì)素以及分解的中間產(chǎn)物如多元酚、多元醌可與蛋白質(zhì)、氨基酸等縮合成為高分子的腐殖質(zhì)，如胡敏酸和富里酸，這些新合成的腐殖質(zhì)進(jìn)入土壤后，對更新土壤有機質(zhì)具有重要作用[28]。

Bc、HCS、CS 3種處理相比，Bc處理對于提高土壤有機碳含量，改善腐殖質(zhì)組成的效果最顯著，這是因為生物質(zhì)炭作為外源有機質(zhì)，本身含有大量的C元素，可以直接增加土壤有機碳含量；同時，生物質(zhì)炭進(jìn)入土壤后，其脂族碳部分容易礦化，轉(zhuǎn)化為HA等物質(zhì)[29]，從而改善了土壤腐殖質(zhì)組分，提高土壤的PQ值。因此，施加生物質(zhì)炭更有利于土壤的固碳能力，改善腐殖質(zhì)組成。

3.2 不同還田材料對HA結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響

本研究表明，施加玉米秸稈和腐熟秸稈使得土壤HA分子脂族性增強，芳香性和縮合度下降，分子結(jié)構(gòu)簡單化，活性增強。這可能是因為秸稈本身含有豐富的脂族化合物，秸稈在分解的過程中脂族性碳向腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化，使得土壤HA結(jié)構(gòu)中含有較多的脂族鏈烴。吳景貴等[30]研究表明，玉米秸稈腐解形成的胡敏酸的碳組成可分成三個部分：脂肪族碳、芳香族碳和羧基碳，它們的含量分別為59.62%、26.94%和13.44%。因此腐熟秸稈施入土壤后，土壤HA脂肪族碳比例增多。

而生物質(zhì)炭的施用使得土壤HA分子芳香性和縮合度增強，脂族性下降，穩(wěn)定性增強。一方面這可能是由于試驗所用生物質(zhì)炭的H/C比要比玉米秸稈和腐熟秸稈小得多（表1）。Fuertes等[31]研究也表明，生物質(zhì)炭的H/C比要明顯小于玉米秸稈。另一方面，由于脂族性分子結(jié)構(gòu)較小，容易被生物質(zhì)炭吸附，而芳香性分子結(jié)構(gòu)較大不易被生物質(zhì)炭吸附，所以生物質(zhì)炭的施用可以增加土壤中溶解性有機質(zhì)結(jié)構(gòu)的芳香性[32]。研究表明，生物質(zhì)炭本身化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有豐富的芳香結(jié)構(gòu)，使得其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較強[33-34]。Raya-Moreno等[35]通過馬弗爐測量不同溫度下施加生物質(zhì)炭的土壤和對照土壤的有機質(zhì)含量，也表明了施加生物質(zhì)炭的土壤熱穩(wěn)定性顯著增加。

表5 施加玉米秸稈及其腐解、炭化材料對土壤HA放熱和失重的影響Table 5 Effects of applied corn straw and its humified and carbonized materials on exothermic heat and mass loss of HA

因此，秸稈和腐熟秸稈還田有利于增強HA的活性，而生物質(zhì)炭還田更有利于增強HA穩(wěn)定性，提高土壤固碳能力。

4 結(jié)論

（1）3種有機物料處理均有利于增加土壤有機碳含量，改善腐殖質(zhì)組成。生物質(zhì)炭、腐熟秸稈和玉米秸稈處理下SOC分別增加了18.20%、17.36%和1.45%；WSS含碳量分別增加 36.36%、36.36%、18.18%；HM含碳量分別增加28.91%、24.69%、1.25%；HA含碳量分別增加21.64%、19.65%、8.46%；FA含碳量顯著減少；PQ值從對照處理的62.86%分別增加到74.16%、69.86%和67.47%。

（2）不同材料對HA分子結(jié)構(gòu)的影響不同，玉米秸稈和腐熟秸稈處理的HA分子H/C和2920/1620比值增大，高溫/中溫放熱比和失重比顯著降低，說明施加秸稈和腐熟秸稈使得HA分子縮合度和芳香性下降，脂族性增強，有利于HA分子向簡單化方向發(fā)展；而生物質(zhì)炭處理的HA分子H/C和2920/1620比值減小，高溫/中溫放熱比和失重比增加，說明施加生物質(zhì)炭使得HA分子脂族與芳香碳比例下降，縮合度和芳香性增強，更有利于HA分子的穩(wěn)定。