關(guān)連珠, 姜雪楠, 張廣才, 潘林林, 張 婷, 趙 雅, 葉 超, 張雅楠, 李 麗

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添加稻草生物質(zhì)炭對(duì)濱海水稻土有機(jī)質(zhì)活性的影響①

關(guān)連珠, 姜雪楠, 張廣才*, 潘林林, 張 婷, 趙 雅, 葉 超, 張雅楠, 李 麗

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部東北耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110866)

為明確腐熟稻草、直還稻草與稻草生物質(zhì)炭3種不同的稻草還田方式對(duì)濱海鹽漬型水稻土中碳組分的影響，采用為期270 d的室內(nèi)恒溫培養(yǎng)試驗(yàn)，研究了施用等碳量的腐熟稻草、直還稻草(指稻草直接還田)與稻草生物質(zhì)炭對(duì)水稻土有機(jī)碳累積及其氧化穩(wěn)定性、土壤水溶性有機(jī)碳和微生物生物量碳含量的影響。稻草生物質(zhì)炭處理顯著提高了土壤有機(jī)碳累積量及其氧化穩(wěn)定性，并增加了土壤微生物生物量碳含量，但對(duì)水稻土水溶性有機(jī)碳含量并無(wú)影響。腐熟稻草與直還稻草處理皆可在短時(shí)間內(nèi)提高土壤水溶性有機(jī)碳及微生物生物量碳含量，但對(duì)土壤碳累積影響較小，腐熟稻草處理甚至?xí)档屯寥揽寡趸芰?。稻草生物質(zhì)炭的施用會(huì)增加土壤碳的積累，但若長(zhǎng)期施用會(huì)降低土壤碳庫(kù)活性，其可與腐熟稻草或直還稻草配施來(lái)減少這一問(wèn)題。

稻草生物質(zhì)炭；濱海鹽漬型水稻土；活性有機(jī)質(zhì)；有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性

濱海鹽漬型水稻土是遼寧省優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)水稻的重要生產(chǎn)基地，由于多年來(lái)的粗放管理，雖然鹽分含量有所減少，但整體肥力狀況卻有所惡化。有調(diào)查表明，高產(chǎn)濱海鹽漬型水稻土最適的有機(jī)質(zhì)含量為 20 ~ 30 g/kg，而實(shí)際土壤平均有機(jī)質(zhì)含量?jī)H為 13.6 g/kg[1]。農(nóng)作物秸稈合理施用能有效改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤有機(jī)碳和微生物生物量碳含量，并能明顯提高作物產(chǎn)量[2-3]，但我國(guó)北方大部分秸稈尚未得到充分利用。土壤活性有機(jī)碳庫(kù)是土壤圈中一種十分活躍、周轉(zhuǎn)速度較快的組分，是對(duì)土壤擾動(dòng)和土壤管理措施最為敏感的有機(jī)碳組分。它將土壤礦物質(zhì)、有機(jī)碳與生物成分聯(lián)系在一起[4-5]，指示土壤的綜合性活力水平[6]。近年來(lái)隨著秸稈還田成為新研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)秸稈還田培肥土壤及提升土壤有機(jī)質(zhì)含量等方面也進(jìn)行了許多研究[7-10]。秸稈直接還田可以使農(nóng)田生態(tài)環(huán)境得到改善，提高作物產(chǎn)量，但也帶來(lái)病蟲(chóng)害加重、整地質(zhì)量差等負(fù)面效應(yīng)；秸稈腐熟還田能克服直接還田的缺點(diǎn)，不利條件是耗費(fèi)勞動(dòng)力和時(shí)間；秸稈炭化還田對(duì)土壤改良有多方面積極影響，但其對(duì)土壤功能影響的機(jī)理目前還不完全清楚，秸稈生物質(zhì)炭還田對(duì)土壤活性有機(jī)質(zhì)影響方面的研究還有待深入。目前，關(guān)于秸稈還田方面的研究主要集中于旱地土壤，而在水田土壤(特別是濱海鹽漬型水稻土)方面相關(guān)研究不多，不同處理方式的稻草施入，鹽漬型水稻土有機(jī)碳活性變化的規(guī)律及影響效果缺乏相關(guān)研究數(shù)據(jù)。本文旨在通過(guò)探討3種不同方法處理的稻草對(duì)濱海鹽漬型水稻土有機(jī)質(zhì)活性的影響，找出北方水田稻草適宜的還田方式，以為推廣水稻秸稈還田、充分利用秸稈資源提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)土壤取自遼寧盤(pán)錦市大洼縣(40°56′9″ N，122°3′51″ E)，為典型濱海鹽漬型水稻土。用多點(diǎn)混合取樣法采集0 ~ 20 cm耕層土壤樣品，風(fēng)干后過(guò)2 mm篩，用于恒溫淹水培養(yǎng)試驗(yàn)。供試土壤的有機(jī)碳含量為11.92 g/kg，全氮含量為1.31 g/kg，全磷含量為0.42 g/kg，全鉀含量為25.31 g/kg，土壤pH為7.87。

施用的稻草分為3種處理：直還稻草處理(Z)，指稻草直接還田，將稻草粉碎至1.5 mm；腐熟稻草處理(F)，將粉碎后的稻草加水至含水率為50% 后裝入容器中，置于30℃培養(yǎng)箱恒溫培養(yǎng)至變?yōu)楹谏勰┎⒂型料阄?，時(shí)間為6個(gè)月；稻草生物質(zhì)炭處理(S)，由粉碎后的稻草在450℃高溫?zé)o氧條件下制備而成。供試稻草處理后的基本性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試稻草處理后的基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本培養(yǎng)試驗(yàn)為室內(nèi)暗室恒溫?zé)o作物淹水培養(yǎng)，共設(shè)置4個(gè)處理，分別為腐熟稻草(F)、直還稻草(Z)、稻草生物質(zhì)炭(S)和對(duì)照(CK)，3次重復(fù)。直還稻草施入量根據(jù)目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水稻留高茬和稻草直接還田的常用量(9 000 kg/hm2)的2.5倍進(jìn)行換算，在室內(nèi)培養(yǎng)過(guò)程中按照土壤質(zhì)量的1% 施用，并對(duì)其施入土壤中的碳量進(jìn)行等碳換算，計(jì)算出腐熟稻草與稻草生物質(zhì)炭的施入量。每一處理的用土量為3 kg，加不同稻草處理后的土壤充分混勻后置于6 L的塑料桶中培養(yǎng)，加水至高于土壤15 cm左右。培養(yǎng)時(shí)間為270 d(2016年6月至2017年3月)，培養(yǎng)期間為恒溫25℃，按當(dāng)?shù)卮筇飳?shí)際耕種情況(遼寧濱海水稻土地勢(shì)低洼，排水設(shè)施不完善，大部分長(zhǎng)期淹水)進(jìn)行全程淹水培養(yǎng)，并定期攪拌、補(bǔ)水。分別于培養(yǎng)后的90、180、270 d進(jìn)行采樣，取出適量土樣進(jìn)行測(cè)定。

1.3 試驗(yàn)方法

土壤和3種稻草材料的有機(jī)碳含量采用VARIO EL III元素分析儀進(jìn)行測(cè)定。原始土壤和培養(yǎng)后土壤的易氧化有機(jī)碳(EOC)含量參考文獻(xiàn)[11-12]方法測(cè)定[11-12]，并計(jì)算有機(jī)碳氧化穩(wěn)定系數(shù)(Kos)，Kos=(總有機(jī)碳-易氧化有機(jī)碳)/易氧化有機(jī)碳；微生物生物量碳(MBC)含量采用氯仿熏蒸-硫酸鉀提取法測(cè)定；水溶性有機(jī)碳(DOC)含量采用純水浸提，TOC自動(dòng)分析儀測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均采用 MS Office Excel 2010 進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)分析采用 SPSS 20.0 軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳累積的變化

圖1顯示了添加3種不同稻草對(duì)土壤有機(jī)碳累積的影響。從圖1可以看出，不同處理稻草的施入都增加了土壤有機(jī)碳總量。隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，累積在土壤中的有機(jī)碳因降解而逐漸降低，但下降幅度卻因處理的不同而有很大差異。對(duì)照土壤(CK)在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中有機(jī)碳總量有少量的下降，培養(yǎng)至270 d時(shí)，下降的幅度為15.3%；其次為稻草生物質(zhì)炭(S)處理，土壤有機(jī)碳總量的下降幅度為25.1%，而直還稻草(Z)與腐熟稻草(F)處理土壤有機(jī)碳總量下降最明顯，下降幅度分別為39.8% 與37.4%。總體來(lái)說(shuō)，施用不同處理的稻草均會(huì)增加濱海鹽漬型水稻土土壤有機(jī)碳的降解速率，其中直還稻草處理對(duì)土壤有機(jī)碳的降解速率影響最為明顯，若以不同稻草施用處理與對(duì)照之間的有機(jī)碳差異來(lái)說(shuō)明施入土壤中的有機(jī)碳的表觀殘余碳量，那么至培養(yǎng)270 d時(shí)，腐熟稻草處理土壤有機(jī)碳的殘余率為8.33%，稻草生物質(zhì)炭處理為23.20%，直還稻草處理為5.47%。

圖1 不同稻草添加對(duì)濱海鹽漬型水稻土有機(jī)碳累積的影響

2.2 土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定性的變化

氧化穩(wěn)定性是土壤有機(jī)碳的一個(gè)重要基本屬性，關(guān)系到土壤有機(jī)碳抗氧化能力的強(qiáng)弱，反映了土壤有機(jī)質(zhì)分解的難易。土壤有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性可用氧化穩(wěn)定系數(shù)(Kos)來(lái)衡量，Kos值越大，活性越低，反之，則越高[11]。由圖2可知，培養(yǎng)至270 d時(shí)，所有處理土壤的Kos值都有所上升，但上升幅度則因處理不同而有所差異。施入稻草生物質(zhì)炭(S)的土壤Kos增幅最大，至270 d時(shí)與對(duì)照土壤(CK)相比增加42.31%；施入直還稻草(Z)的土壤Kos與對(duì)照土壤(CK)則并沒(méi)有顯著差異，比之對(duì)照土壤(CK)僅降低3.48%。施入腐熟稻草(F)的土壤Kos增幅最小，并顯著小于對(duì)照土壤(CK)，與其相比降低12.99%。這一結(jié)果表明，稻草生物質(zhì)炭的施用會(huì)顯著降低土壤有機(jī)碳的活性，而腐熟稻草的施用則會(huì)增加土壤有機(jī)碳的活性，直還稻草的施用對(duì)有機(jī)碳的活性影響較小。

圖2 不同稻草添加對(duì)濱海鹽漬型水稻土有機(jī)碳氧化穩(wěn)定系數(shù)(Kos)的影響

2.3 土壤水溶性有機(jī)碳和微生物生物量碳含量的變化

土壤水溶性有機(jī)碳是指能溶解于土壤水的那部分活性較高的土壤有機(jī)碳組分[13-14]。由圖3可以看出，在270 d的培養(yǎng)過(guò)程中，除腐熟稻草處理土壤水溶性有機(jī)碳含量呈現(xiàn)下降外，其余各處理的變化幅度較小，并隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。至270 d時(shí)，直還稻草和腐熟稻草處理土壤水溶性有機(jī)碳含量顯著高于對(duì)照，但直還稻草與腐熟稻草處理間并無(wú)差異；而稻草生物質(zhì)炭處理對(duì)土壤水溶性有機(jī)碳含量無(wú)顯著影響。

圖3 不同稻草添加對(duì)濱海鹽漬型水稻土水溶性有機(jī)碳的影響

不同稻草處理對(duì)土壤微生物生物量碳的影響見(jiàn)圖4。由圖4可知，不同處理稻草的施入都增加了土壤微生物生物量碳含量。在培養(yǎng)90 d時(shí)，3種處理方式(腐熟稻草、稻草生物質(zhì)炭、直還稻草)土壤微生物生物量碳均高于對(duì)照土壤，其中腐熟稻草處理含量最高，而直還稻草與稻草生物質(zhì)炭處理含量較為接近；隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，直還稻草處理土壤微生物生物量碳含量上升幅度增加，至培養(yǎng)270 d時(shí)，3種稻草處理的含量均高于對(duì)照，其中腐熟稻草處理與直還稻草處理含量較高，分別高于對(duì)照 59.50% 和56.48%，而稻草生物質(zhì)炭處理僅高于對(duì)照 16.70%。

圖4 不同稻草添加對(duì)濱海鹽漬型水稻土微生物生物量碳的影響

3 討論

3.1 不同稻草處理對(duì)濱海鹽漬型水稻土有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響

本研究表明，3種稻草處理均增加土壤有機(jī)碳含量，但同時(shí)也會(huì)加速土壤有機(jī)質(zhì)的分解。其中，稻草生物質(zhì)炭處理的分解速率遠(yuǎn)低于其他處理，同時(shí)其土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定系數(shù)也顯著高于直還稻草與腐熟稻草處理。這與前人研究結(jié)果一致。如Bruun等[15]使用14C標(biāo)記生物質(zhì)炭及作物秸稈進(jìn)行2年土壤培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭低溫和高溫碳損失分別為9.3%、3.1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于秸稈(56%)的碳損失；Kimetu和Lehmann[16]報(bào)道生物質(zhì)炭的穩(wěn)定性及穩(wěn)定化作用大于其他綠肥類易分解有機(jī)物，致使生物質(zhì)炭的碳損失遠(yuǎn)低于綠肥；Kuazyakov等[17]使用14C標(biāo)記的黑麥草生物質(zhì)炭培養(yǎng)60 d后僅1.8% ~ 2.1% 的生物質(zhì)炭被分解。

目前，對(duì)于生物質(zhì)炭在土壤中的分解機(jī)理還沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)論，大多認(rèn)為是微生物降解與無(wú)機(jī)降解過(guò)程相結(jié)合。Hame和Marschner[18]用橡樹(shù)干和玉米秸稈生物質(zhì)炭加14C標(biāo)記葡萄糖、營(yíng)養(yǎng)液，接種微生物，在20℃的條件下培養(yǎng)60 d發(fā)現(xiàn)，葡萄糖的加入促進(jìn)了生物質(zhì)炭的分解。無(wú)機(jī)降解過(guò)程可能是一個(gè)表面氧化過(guò)程。由于生物質(zhì)炭中硅(Si)和碳(C)的保護(hù)機(jī)制和芳香碳的聚合程度及其完整度使生物質(zhì)炭較為穩(wěn)定，這可能是其長(zhǎng)時(shí)間殘留在土壤中的原因[19]。

3.2 不同稻草處理對(duì)濱海鹽漬型水稻土有機(jī)碳活性的影響

土壤水溶性碳和微生物生物量碳皆為土壤有機(jī)碳的活性指標(biāo)，與土壤中養(yǎng)分流轉(zhuǎn)、土壤碳循環(huán)密切相關(guān)，其能在土壤總碳變化之前反映出土壤碳發(fā)生的細(xì)微變化。本研究表明，直還稻草與腐熟稻草處理都顯著增加土壤水溶性有機(jī)碳和微生物生物量碳含量，而稻草生物質(zhì)炭處理也會(huì)增加土壤微生物生物量碳含量，但對(duì)土壤水溶性碳含量無(wú)顯著影響，這與前人研究結(jié)果一致[20]。3種有機(jī)物質(zhì)的施用均顯著增加土壤微生物生物量碳含量的原因是這些有機(jī)物質(zhì)均能為土壤微生物提供能源，但是，由于3種有機(jī)物質(zhì)的組分及其穩(wěn)定性不同，腐熟稻草較低的碳氮比更利于微生物利用，使得腐熟稻草處理土壤水溶性有機(jī)碳和微生物生物量碳含量顯著高于直還稻草處理；而隨著直還稻草在培養(yǎng)過(guò)程中逐漸腐解，土壤中碳氮比向著有利于微生物活動(dòng)的方向發(fā)展，水溶性有機(jī)碳和微生物生物量碳含量隨之增加；而稻草生物質(zhì)炭組分具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，相對(duì)于直還稻草與腐熟稻草處理并不易于被微生物分解，雖然顯著增加了微生物生物量碳，而對(duì)水溶性有機(jī)碳含量無(wú)明顯影響，另外，還可能與生物質(zhì)炭較大的比表面積對(duì)水溶性有機(jī)碳的吸附有關(guān)。

4 結(jié)論

1)腐熟稻草、直還稻草和稻草生物質(zhì)炭的施用都可增加濱海鹽漬型水稻土中土壤有機(jī)碳含量，稻草生物質(zhì)炭對(duì)土壤有機(jī)碳含量的增加最為顯著(<0.05)，且施用稻草生物質(zhì)炭的土壤有機(jī)碳氧化穩(wěn)定系數(shù)顯著高于其他兩種處理和對(duì)照(<0.05)，表明其抗氧化能力最強(qiáng)，有助于土壤有機(jī)碳的累積。因此，本研究3種稻草處理皆可增加濱海鹽漬型水稻土中有機(jī)碳的累積，而稻草生物質(zhì)炭處理效果最佳。

2)與施用稻草生物質(zhì)炭和對(duì)照相比，腐熟稻草、直還稻草的施用顯著增加了濱海鹽漬型水稻土水溶性有機(jī)碳和微生物生物量碳含量(<0.05)，表明二者均有增加土壤活性有機(jī)質(zhì)的作用，長(zhǎng)期施用可提高農(nóng)業(yè)土壤質(zhì)量。

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Effects of Rice Straw-derived Biochar on Organic Carbon Activity in Coastal Saline Paddy Soil

GUAN Lianzhu, JIANG Xuenan, ZHANG Guangcai*, PAN Linlin, ZHANG Ting, ZHAO Ya, YE Chao, ZHANG Yanan, LI Li

(College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University / National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources /Northeast Key Laboratory of Arable Land Conservation and Improvement, Ministry of Agriculture, Shenyang 110866, China)

In order to clarify the effects of three different rice straw returning modes (rotted rice straw, direct return of rice straw, rice straw-derived biochar) on organic carbon activity in the coastal saline paddy soil, an indoor incubation experiment (at 25℃ and 270 days) was designed and conducted to study the potential effect of their equivalent carbon application on accumulation and stability of soil organic carbon, the contents of microbial biomass carbon and dissolved organic carbon. Results showed that application of rice straw-derived biochar increased significantly the accumulation and stability of soil organic carbon, and improved the content of microbial biomass carbon. However, it had no effect on the content of dissolved organic carbon. The rotted rice straw and direct return of rice straw treatments increased significantly the contents of soil dissolved organic carbon and microbial biomass at the beginning of incubation experiment, while they had no effects on the accumulation of carbon. Application of rotted rice straw decreased the stability of organic carbon. In conclusion, application of rice straw-derived biochar could increase the accumulation of organic carbon in soil, but it might also decrease activity of soil organic matter after a long-term application without any application of other organic materials. However, its application combined application with rotted rice straw or direct return of rice straw can reduce this negative effect.

Rice straw-derived biochar; Coastal saline paddy soil; Organic carbon activity; Oxidation stability of soil carbon

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201503118-10)資助。

通訊作者(guangcaizhang@163.com)

關(guān)連珠(1960—)，男，遼寧沈陽(yáng)人，博士，教授，主要從事土壤肥力與耕地保育、土壤化學(xué)和農(nóng)業(yè)環(huán)境與生態(tài)研究。E-mail: guanlianzhu@126.com

S158

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.01.027