張 曾，宋成芳，單勝道，鄭華寶，張 成

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué) 浙江省土壤污染生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311300；2. 浙江科技學(xué)院 浙江省生物質(zhì)循環(huán)利用與生態(tài)處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023）

土壤有機(jī)碳礦化是土壤中有機(jī)碳周轉(zhuǎn)的重要過程，是在微生物參與下分解和利用土壤中活性有機(jī)組分并釋放出二氧化碳的過程，直接關(guān)系到養(yǎng)分元素的釋放與供應(yīng)、溫室氣體的形成與排放及土壤質(zhì)量的保持等[1?2]。土壤有機(jī)碳的礦化過程受多種因素的影響，如土壤有機(jī)碳及其組分[3]、土壤理化性質(zhì)[4]等。近年來，學(xué)術(shù)界對(duì)土壤有機(jī)碳礦化及其影響因素進(jìn)行了大量的研究，如GALANTINI等[5]和CAYUELA等[6]研究認(rèn)為：土壤有機(jī)碳含量越高，土壤礦化速率和累計(jì)礦化量就越高；FANG等[7]的分析結(jié)果表明：土壤有機(jī)碳的礦化程度隨土壤深度、培養(yǎng)時(shí)間及培養(yǎng)溫度的增加而減少。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)熱解生物質(zhì)炭的土壤修復(fù)性能已經(jīng)開展了廣泛而深入的研究。熱解生物質(zhì)炭可以增加土壤有機(jī)碳和有效性營(yíng)養(yǎng)元素的含量[8]。熱解炭還被認(rèn)為是一種在土壤中相對(duì)穩(wěn)定的物質(zhì)，主要原因是其與土壤混合后會(huì)降低土壤中的有機(jī)碳礦化速率[9]。水熱炭是一種以生物質(zhì)為原料，在有水、中等溫度(180～260 ℃)和自生壓力下通過熱化學(xué)反應(yīng)得到的生物質(zhì)炭[10]。與熱解炭制備過程相比，水熱炭化省去了耗能且繁復(fù)的預(yù)干燥過程，具有使廢棄生物質(zhì)以快速有效的方式持續(xù)轉(zhuǎn)化為資源的潛力。SONG等[11]研究認(rèn)為：水熱炭化對(duì)豬糞的快速處理減少了鹽分和重金屬元素的危害，并有效地回收了豬糞中的養(yǎng)分。比較豬糞水熱炭和熱解炭中可溶性有機(jī)物的特性表明：水熱炭中可溶性有機(jī)物具有更好的適用性，因?yàn)槠浜扛?，芳香性更低，有機(jī)官能團(tuán)種類更多[12]。目前，已有水熱炭用于農(nóng)業(yè)環(huán)境和提高養(yǎng)分釋放的研究報(bào)道，如MAU等[13]發(fā)現(xiàn)：低濃度的水熱炭施入土壤后可改善植物生長(zhǎng)，同時(shí)減少硝酸鹽的浸出；CHU等[14]將3種不同水熱炭施入水稻土后發(fā)現(xiàn)：水熱炭能減少氨氣的揮發(fā)，增加土壤氮保留的同時(shí)還增加了谷物的氮含量和產(chǎn)量。BENTO等[15]發(fā)現(xiàn)：水熱炭可以增強(qiáng)土壤肥力，提升有機(jī)碳含量，但具體效果取決于水熱炭原料、土壤類型和水熱炭的施用比。BREULMANN等[16]分析評(píng)估了不同工藝條件下制備的水熱炭及熱解炭后指出：熱解炭更適合改善長(zhǎng)期的碳固存，而水熱炭更適合于提升土壤養(yǎng)分含量。因此，與熱解炭相比，水熱炭在土壤修復(fù)以及提升土壤肥力等應(yīng)用中顯示出更大的應(yīng)用前景。目前，水熱炭研究所采用的原料主要為甘蔗渣、稻殼秸稈等農(nóng)林廢棄物和城市污泥及藻類等，有關(guān)畜禽糞便水熱炭化的研究也逐漸增多，但國(guó)內(nèi)尚無研究豬糞水熱炭對(duì)土壤影響的研究報(bào)道。本研究通過礦化試驗(yàn)以及土壤培養(yǎng)試驗(yàn)，研究了單施不同水平豬糞水熱炭[質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0(對(duì)照)、1%、2%和4%]對(duì)土壤有機(jī)碳礦化、土壤營(yíng)養(yǎng)成分以及pH和電導(dǎo)率的影響，以期為豬糞水熱炭的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 水熱炭和供試土壤

制備水熱炭的原料來自杭州市某養(yǎng)殖場(chǎng)干濕分離后的豬糞，采集到實(shí)驗(yàn)室后放入冰柜中冷凍保存，水熱炭化前解凍，然后加入反應(yīng)釜內(nèi)。豬糞固水質(zhì)量比為3.5∶6.5，在180 ℃、自生壓力1.8 MPa條件下炭化1 h。炭化結(jié)束后打開泄壓閥閃蒸排氣，等反應(yīng)釜自然降溫到室溫后，取出水熱炭。再將水熱炭在105 ℃烘箱內(nèi)干燥至恒量，磨細(xì)過2 mm篩后裝于密封袋中封存待用。

供試土樣取自浙江農(nóng)林大學(xué)東湖校區(qū)后山表層土壤(0～15 cm)。土壤風(fēng)干，挑去細(xì)根后磨細(xì)過2 mm篩備用。水熱炭和土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 樣品的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of the samples

1.2 土壤礦化試驗(yàn)

將50 g風(fēng)干土樣分別平鋪于3個(gè)小燒杯中，并加水至最大持水量的60%，在25 ℃下預(yù)培養(yǎng)2 d后進(jìn)行添加水熱炭處理。水熱炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0(ck)、1%、2%和4%，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。將水熱炭與50 g土壤混勻，調(diào)節(jié)水分達(dá)到田間飽和持水量的60%，于25 ℃下放入小桶中進(jìn)行室內(nèi)密閉培養(yǎng)。小桶中同時(shí)放入裝有適量氫氧化鈉的容器，以僅裝堿液容器的小桶做空白對(duì)照。培養(yǎng)1、2、4、7、11、16、25、40、60 d時(shí)取出堿液，再放入新的堿液(60 d不用)。在培養(yǎng)過程中，定期適量噴水，維持土壤濕潤(rùn)狀態(tài)。

取出的堿液加入 2 mL 濃度為 1.0 mol·L?1的氯化鋇溶液，以 2滴酚酞為指示劑，用 0.1 mol·L?1鹽酸進(jìn)行滴定，計(jì)算二氧化碳的釋放量。

1.3 土壤培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

選用 160 mm×120 mm(上口徑×高)塑料盆，裝 500 g·盆?1風(fēng)干土壤。將稱好的風(fēng)干土壤與水熱炭按設(shè)定用量混合均勻，然后裝入底部鋪有濾網(wǎng)的塑料盆中。按田間最大持水量60%澆透水。試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，定期進(jìn)行日常的澆水管理。從培養(yǎng)開始到結(jié)束共80 d。培養(yǎng)期間在1、2、5、10、15、25、50、80 d取樣測(cè)定土壤的理化性質(zhì)。

1.4 分析方法與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

水溶性有機(jī)碳的測(cè)定：將樣品用水浸提，震蕩離心后過45 μm濾膜，使用總有機(jī)碳分析儀進(jìn)行測(cè)定。樣品pH與電導(dǎo)率的測(cè)定：用5∶1水土比(質(zhì)量比)浸提后，用pH電位法及電導(dǎo)率儀測(cè)定。

采用SPSS 19對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和顯著性檢驗(yàn)，其中顯著性水平為P＜0.05。采用Origin 2018作圖。采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程模擬分析土壤有機(jī)碳礦化動(dòng)態(tài)：Cm=Cp(1?e?kt)。其中：Cm為t時(shí)刻土壤有機(jī)碳累計(jì)礦化量，Cp為土壤潛在礦化碳庫(kù)，t為培養(yǎng)天數(shù)，k為有機(jī)碳礦化常數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水熱炭在土壤中的礦化特征

由圖1A可見：各處理的土壤有機(jī)碳礦化速率呈相似的變化特征，即培養(yǎng)的前11 d土壤有機(jī)碳礦化速率從最高點(diǎn)迅速下降，之后緩慢下降并最終趨于穩(wěn)定。同時(shí)，水熱炭添加量越多礦化速率越高。土壤有機(jī)碳礦化速率(y)與培養(yǎng)時(shí)間(x)的變化呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系：y=a+blnx，a、b為模型系數(shù)且擬合效果很好 (表 2)。

表2 土壤中有機(jī)碳礦化速率的回歸方程Table 2 Regression equations of organic carbon mineralization rate in soil

由圖1B可見：各處理不同時(shí)間段的土壤有機(jī)碳礦化釋放量有明顯不同。培養(yǎng)前期釋放量大，后期釋放量小。其中培養(yǎng)的前11 d二氧化碳釋放量占60 d總累積礦化量的41.9%～57.1%。同時(shí)，水熱炭施量越高，累積礦化量越大。另外，不同處理60 d的土壤有機(jī)碳累積礦化量差異顯著，各處理從大到小依次為4%、2%、1%、0(ck)，與對(duì)照相比，培養(yǎng)結(jié)束后處理組的土壤累積礦化量顯著增加了42.1%、97.0%和152.1%。

圖1 水熱炭對(duì)土壤有機(jī)碳礦化速率(A)和累積礦化量(B)的影響Figure 1 Influence of hydrochar on the mineralization rate(A) and cumulative mineralization(B) of soil organic carbon

通過一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)4種處理土壤的有機(jī)碳累積礦化量與培養(yǎng)天數(shù)進(jìn)行擬合(表3)，決定系數(shù)均達(dá)到了顯著水平(P＜0.05)。這表明一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程可以很好地描述不同處理土壤有機(jī)碳累積礦化量的動(dòng)態(tài)變化特征。動(dòng)力學(xué)方程的模擬結(jié)果顯示：不同處理的土壤潛在礦化碳庫(kù)(Cp)存在顯著差異(P＜0.05)，范圍為 436.86～1029.80 mg·kg?1，1%、2%和4%處理組的Cp較對(duì)照分別提高了41.2%、79.9%和135.7%。k表示有機(jī)碳礦化速率常數(shù)，其范圍為0.045～0.094 d?1。同時(shí)隨著水熱炭添加量的增加，Cp和k均呈增加趨勢(shì)。

表3 土壤中有機(jī)碳礦化的動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 3 Kinetic parameters of organic carbon mineralization in soil

2.2 水熱炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

2.2.1 水熱炭對(duì)土壤中總有機(jī)碳和水溶性有機(jī)碳的影響 通過測(cè)定不同水熱炭處理的土壤中的總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)合單因素方差分析可以看出(圖2A)：與對(duì)照組相比，添加水熱炭顯著提高了土壤總有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P＜0.05)，同時(shí)在培養(yǎng)第10天后不同處理之間也存在著顯著差異(P＜0.05)，4%處理組在培養(yǎng)全過程與其他組之間均存在顯著差異(P＜0.05)。培養(yǎng)結(jié)束后，1%、2%、4%處理組的總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對(duì)照組相比分別提高了7.0%、22.8%和54.3%，并且土壤中水熱炭的添加量越多土壤有機(jī)碳總量就越大。由圖2A可知：水熱炭的添加減緩了土壤總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下降；在對(duì)照處理中，培養(yǎng)結(jié)束后總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)比培養(yǎng)開始時(shí)降低了5.7 g·kg?1，而1%、2%和4%處理的土壤中，培養(yǎng)結(jié)束后各組總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與培養(yǎng)開始時(shí)相比分別降低了 4.8、2.3和 2.1 g·kg?1。

通過測(cè)定各處理土壤中的水溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)合單因素方差分析結(jié)果可以看出(圖2B)：培養(yǎng)前期(1～10 d)各處理比對(duì)照顯著提高了土壤中可溶性有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P＜0.05)，培養(yǎng)結(jié)束后，1%、2%、4%處理組的水溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對(duì)照組相比分別提高了12.6%、49.6%和146.4%，但只有較高添加量的處理組(2%和4%)與對(duì)照相比仍然呈顯著增加的態(tài)勢(shì)(P＜0.05)。由此可見，水熱炭的添加顯著增加了土壤水溶性有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由圖2B可知：培養(yǎng)初期各處理土壤水溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，對(duì)照土壤水溶性有機(jī)碳呈現(xiàn)了緩慢下降的趨勢(shì)，而處理組在培養(yǎng)的前15 d內(nèi)快速下降，隨后趨于平緩。

2．2 患兒TSH水平分布 在確診的107例患兒中，以初篩TSH濃度值在10～20mU／L、20～30 mU／L及＞100mU／L三個(gè)組段所占的比例最大，分別達(dá)到29．91%，24．30%，11．21%。107例 CH及高TSH患兒TSH水平分布及各組段確診率見表2。

圖2 水熱炭對(duì)土壤中總有機(jī)碳(A)和水溶性有機(jī)碳(B)的影響Figure 2 Influence of hydrochar on total organic carbon contents (A) and water-soluble organic carbon contents (B) in the soil

2.2.2 水熱炭對(duì)土壤中堿解氮的影響 通過測(cè)定各處理土壤中的堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，單因素方差分析結(jié)果可以看出(圖3)：與對(duì)照組相比，添加水熱炭在培養(yǎng)第1天及第15天之后均顯著提高了土壤堿解氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P＜0.05)，第2～15天1%處理組與對(duì)照組無顯著差異(P＞0.05)，2%與4%處理組在培養(yǎng)全過程與其他組之間均存在顯著差異(P＜0.05)，同時(shí)不同水熱炭處理之間也存在著顯著差異(P＜0.05)，第80天培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，1%、2%、4%處理相較于對(duì)照組土壤的堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加了12.9%、21.3%、27.4%。在80 d的培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)，各處理土壤中堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)前期下降，在第10天達(dá)到最低點(diǎn)后開始上升，對(duì)照組的土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)無較大變化。

圖3 水熱炭對(duì)土壤中堿解氮的影響Figure 3 Influence of hydrochar on available nitrogen contents in the soil

2.2.3 水熱炭對(duì)土壤中速效磷的影響 通過測(cè)定各處理土壤中的速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)合單因素方差分析可以看出(圖4)：除第1天1%處理組的速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對(duì)照組無顯著差異(P＞0.05)外，其余整個(gè)培養(yǎng)過程中的處理組與對(duì)照相比均顯著提高了土壤速效磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P＜0.05)，同時(shí)不同水熱炭處理之間也存在著顯著差異(P＜0.05)，80 d培養(yǎng)結(jié)束后，1%、2%、4%處理組比對(duì)照土壤的速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加了119.6%、287.3%、591.2%。在80 d的培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)，各處理土壤中速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)前期上升，在第10天開始下降，第15天降至最低點(diǎn)后開始回升。對(duì)照組的土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不大。

圖4 水熱炭對(duì)土壤中速效磷的影響Figure 4 Influence of hydrochar on available phosphorus contents in the soil

2.2.4 水熱炭對(duì)土壤中速效鉀的影響 通過測(cè)定各處理土壤中的速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)合單因素方差分析可以看出(圖5)：與對(duì)照組相比，添加水熱炭顯著提高了土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)(P＜0.05)，同時(shí)不同水熱炭處理之間也有著顯著性差異(P＜0.05)。80 d培養(yǎng)結(jié)束后，1%、2%、4%處理組相較于對(duì)照組土壤的速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別增加了30.0%、50.0%、88.6%。在80 d的培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)，各處理土壤中速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)前期略有上升，在第10天后趨于穩(wěn)定。對(duì)照組的土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)無較大變化。

圖5 水熱炭對(duì)土壤中速效鉀的影響Figure 5 Influence of hydrochar on available potassium contents in the soil

2.2.5 水熱炭對(duì)土壤 pH 和電導(dǎo)率的影響 施加水熱炭后土壤pH隨培養(yǎng)時(shí)間的變化情況如圖6A所示。施加水熱炭后，土壤的pH隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈先降后升的趨勢(shì)。1%、2%、4%處理組土樣的pH從添加后開始下降，在第15天達(dá)到最低，最低值分別為6.83、6.78和6.67，且土壤pH的下降程度隨水熱炭添加量的增加而增加。至第80天時(shí)，1%、2%、4%處理土壤的pH分別達(dá)6.98、6.95和6.93，但依然低于對(duì)照組。整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)，對(duì)照組的土壤pH無較大變化。

通過分析測(cè)定各處理土壤電導(dǎo)率，結(jié)合單因素方差分析結(jié)果可以看出(圖6B)：與對(duì)照組相比，添加水熱炭顯著提高了土壤電導(dǎo)率(P＜0.05)，同時(shí)不同處理之間也存在著顯著性差異(P＜0.05)。培養(yǎng)結(jié)束后，1%、2%和4%處理土壤電導(dǎo)率與比對(duì)照分別提高了24.1%、39.2%和58.9%。隨著培養(yǎng)時(shí)間的增長(zhǎng)，處理組土壤電導(dǎo)率呈緩慢上升的趨勢(shì)。

圖6 水熱炭對(duì)土壤 pH (A)和電導(dǎo)率 (B)的影響Figure 6 Influence of hydrochar on soil pH(A) and conductivity (B)

3 討論

3.1 水熱炭在土壤中的礦化特征

已有研究表明：土壤有機(jī)碳含量越高，土壤礦化速率和累積礦化量就越高[6, 18]。由表1可知：本研究所采用的水熱炭含有大量的有機(jī)碳和不穩(wěn)定性有機(jī)碳，因此水熱炭的添加增加了土壤中總有機(jī)碳和不穩(wěn)定性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而提高了土壤的礦化速率和累積礦化量。KHALIL等[19]在擬合90 d恒河地區(qū)0～15 cm土壤碳礦化過程的研究中得出：土壤快速礦化階段為2～9 d，這與本研究的結(jié)果較為符合。在培養(yǎng)初期水熱炭中大量易分解組分被快速分解釋放，為微生物提供大量的易分解碳源，表現(xiàn)為培養(yǎng)初期的有機(jī)碳迅速礦化。隨著易分解有機(jī)碳的礦化完成，土壤中水溶性有機(jī)碳減少，土壤微生物活性減弱，礦化速率降低并最終趨于穩(wěn)定。本研究對(duì)不同培養(yǎng)時(shí)間土壤水溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定為這種結(jié)果提供了支持。培養(yǎng)后期主要是穩(wěn)定性好的有機(jī)碳組分發(fā)生了緩慢降解。與SCHIMMELPFENNIG等[20]使用熱解生物質(zhì)炭進(jìn)行土培試驗(yàn)的結(jié)果相比，含有大量不穩(wěn)定碳組分(以水溶性有機(jī)碳表示)的水熱炭在土壤中的礦化速度明顯高于熱解碳。

Cp是土壤中可被分解的總有機(jī)碳，可用來表征土壤中生物有效性碳庫(kù)的大小。土壤養(yǎng)分含量是微生物礦化的限制因素，水熱炭本身含有較高的有機(jī)碳及養(yǎng)分，施用水熱炭保證了微生物所需的營(yíng)養(yǎng)元素供應(yīng)，促進(jìn)了微生物活性及數(shù)量，從而使Cp增加。k是由土壤類型、顆粒組成、營(yíng)養(yǎng)元素、有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等因子綜合作用的結(jié)果[21]。本研究中，處理組的有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率高于對(duì)照組，表明施用水熱炭可調(diào)高土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率，減少土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)時(shí)間，這可能是由于水熱炭影響了土壤結(jié)構(gòu)及化學(xué)性質(zhì)。k的增加說明水熱炭的添加有利于土壤碳氮轉(zhuǎn)化以及提高肥力。

3.2 水熱炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

3.2.1 水熱炭對(duì)土壤總有機(jī)碳和水溶性有機(jī)碳的影響 土壤總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著水熱炭的施入明顯升高，與BENTO等[15]的研究結(jié)果類似。這是因?yàn)樗疅崽渴歉咛疾牧?，將水熱炭施入土壤相?dāng)于向土壤中輸入了大量外源有機(jī)碳，從而提高了土壤的總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。土壤培養(yǎng)過程中，對(duì)照及處理組土壤中總有機(jī)碳會(huì)下降，這是由土壤及水熱炭中不穩(wěn)定組分的礦化作用所導(dǎo)致。水熱炭的添加減緩了土壤總有機(jī)碳的下降，可能是因?yàn)樗疅崽勘砻嬗筛叨葷饪s的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)組成，含有較高的芳構(gòu)化結(jié)構(gòu)[22]，這種結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的生物穩(wěn)定性。水熱炭施入土壤后，其中活性有機(jī)碳在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)作為碳源被微生物分解，而惰性碳在試驗(yàn)的80 d內(nèi)表現(xiàn)了較好的穩(wěn)定性[23?24]。

水熱炭含有較高的水溶性有機(jī)碳，加入土壤后可作為土壤有機(jī)碳的一部分增加土壤水溶性有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。此外，水熱炭本身含有部分脂肪族和氧化態(tài)碳[10]，可迅速被土壤微生物分解并轉(zhuǎn)化為小分子可溶性有機(jī)物。處理組土壤水溶性有機(jī)碳降幅大于對(duì)照組的原因可能是水熱炭中含有大量可被微生物直接分解利用的物質(zhì)，施入土壤后促進(jìn)了土壤呼吸作用[25]，從而增加了水溶性有機(jī)碳的消耗。

3.2.2 水熱炭對(duì)土壤堿解氮的影響 有研究表明：水熱炭可以釋放出包括氮、磷、鉀、鈣、鎂等在內(nèi)的大量養(yǎng)分[26]。YU等[27]在土柱實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：將水熱炭添加到土壤中會(huì)增加土壤可溶性氮的含量，這與本研究結(jié)果相符。MELO等[28]通過盆栽實(shí)驗(yàn)分析土壤特性也證實(shí)：水熱炭具有通過礦化作用將有效氮釋放到土壤中的能力。培養(yǎng)前期檢測(cè)到的處理組堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均先下降。BARGMANN等[25]與SUBEDI等[29]均認(rèn)為：微生物固氮作用可能是向土壤中添加水熱炭后土壤溶液中礦質(zhì)氮濃度降低的主要原因。BENTO等[15]則認(rèn)為：除了微生物的消耗之外還有可能是水熱炭對(duì)硝酸鹽的吸附。PRATIWI等[30]也觀察到了類似的現(xiàn)象，他將其歸因于氧官能團(tuán)(傅里葉紅外光譜中1 576 cm?1處的1個(gè)譜帶)的存在，該官能團(tuán)具有吸附硝酸鹽的能力。后期出現(xiàn)上升趨勢(shì)表明這時(shí)候發(fā)生的是礦化而不是固定化，MELO等[28]在第2次盆栽實(shí)驗(yàn)中也觀察到類似現(xiàn)象。這可能是因?yàn)檎娴募ぐl(fā)效應(yīng)使得施加水熱炭增加了原生土壤氮的礦化，同時(shí)改變了有機(jī)物的分解速率。

3.2.3 水熱炭對(duì)土壤速效磷的影響 DAI等[31]在水熱炭化對(duì)牛糞中磷元素的固定化研究發(fā)現(xiàn)：水熱炭化可能是一種將磷固定在牛糞中的有效措施，磷元素偏向于更穩(wěn)定的狀態(tài)固存于水熱炭中。盡管如此，仍有相當(dāng)一部分磷以有效態(tài)的形式保留在水熱炭中。還有研究發(fā)現(xiàn)：水熱炭的添加量與土壤中速效磷的含量成正比[27]，這與本研究結(jié)果一致。培養(yǎng)初期處理組速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升的原因可能是，原土壤中速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，從而使處理組的土壤速效磷在水熱炭施入初期有一個(gè)較為直觀的提升。有許多生物與非生物機(jī)制可以導(dǎo)致培養(yǎng)中段土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。已有的研究[32?33]中，描述的最主要的原因是①土壤顆粒的吸附、解吸以及阻塞，②沉淀以及溶解，③通過土壤微生物遷移或固定化。CHRISTEL等[34]在將生物質(zhì)炭施加到土壤中后觀察到了類似的現(xiàn)象，他認(rèn)為：由于一開始的磷利用率低，水熱炭不適合用作起始磷肥料，但可能是有價(jià)值的緩釋肥料，與常規(guī)礦物磷肥料相比，磷損失到水生環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)較低。

3.2.4 水熱炭對(duì)土壤速效鉀的影響 處理組土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)較對(duì)照組有顯著增加，原因是水熱炭本身就含有較高的速效鉀，并且在培養(yǎng)過程中穩(wěn)定存在。FEI等[35]將水熱炭與熱解炭及原料就碳含量和元素組成等方面進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：盡管炭化處理后可利用的無機(jī)養(yǎng)分(即氮、磷和鉀)減少了，但可利用的養(yǎng)分含量仍遠(yuǎn)高于土壤需求，同時(shí)與熱解炭相比，水熱炭的速效鉀含量較高。BENTO等[15]通過添加水熱炭的土柱實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)：添加水熱炭后土壤中鉀含量顯著增加，且增量與水熱炭添加量呈正比。

3.2.5 水熱炭對(duì)土壤pH和電導(dǎo)率的影響 施加水熱炭后，處理組土壤pH在培養(yǎng)前期表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，首先因?yàn)樗疅崽勘旧沓仕嵝浴ELO等[36]通過傅立葉紅外光譜發(fā)現(xiàn)水熱炭表面存在羧酸基團(tuán)。另外，水熱炭施入土壤促進(jìn)了物質(zhì)轉(zhuǎn)化，一些化學(xué)反應(yīng)可能會(huì)生成酸性物質(zhì)，微生物代謝活動(dòng)產(chǎn)生二氧化碳等酸性氣體也部分殘留在土壤中，導(dǎo)致土壤pH下降[37]。與GEORGE等[38]觀察到的水熱炭會(huì)導(dǎo)致土壤pH顯著降低的結(jié)果不同，本研究處理組在培養(yǎng)第15天后土壤pH開始回升，這一現(xiàn)象與RILLING等[37]及BUSCH等[39]的研究結(jié)果一致。pH回升可能是由于水熱炭中的灰分元素(例如鉀、鈣和鎂)可溶，可以改善土壤中鹽基飽和度，從而提高pH。pH升高的另一個(gè)可能解釋是添加水熱炭促進(jìn)了土壤微生物還原反應(yīng)，導(dǎo)致微生物活性增加[37]，到了培養(yǎng)后期土壤生態(tài)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，酸性氣體揮發(fā)，土壤系統(tǒng)自身的酸堿調(diào)節(jié)使得土壤pH向?qū)φ盏闹行詐H靠攏。本研究表明：豬糞水熱炭對(duì)土壤pH的影響與時(shí)間有關(guān)。

往土壤中添加水熱炭可顯著增土壤電導(dǎo)率，這種影響程度與時(shí)間及添加量有關(guān)。水熱炭本身具有較高的電導(dǎo)率，施入土壤后可以較為直接地提高土壤電導(dǎo)率。研究發(fā)現(xiàn)：較高的灰分元素含量可以提高土壤的電導(dǎo)率[40]。同時(shí)，水熱炭含有較多的可溶性鹽，有機(jī)質(zhì)分解時(shí)也會(huì)釋放出礦質(zhì)鹽分，這些都可能是土壤電導(dǎo)率升高的原因。

4 結(jié)論

總體而言，豬糞水熱炭施入土壤后可顯著增加土壤電導(dǎo)率，顯著提升總有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、堿解氮、速效磷和速效鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。在培養(yǎng)過程中，土壤pH有先降后升的現(xiàn)象，同時(shí)豬糞水熱炭可導(dǎo)致土壤堿解氮及速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)先降后升，建議可作緩釋肥添加或加入土壤時(shí)配施氮磷肥。

添加豬糞水熱炭提升了土壤礦化速率，顯著增加了土壤累積礦化量。同時(shí)調(diào)高土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率，降低土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)時(shí)間。這說明水熱炭的添加有利于土壤碳氮轉(zhuǎn)化以及肥力提高。

綜上所述，豬糞水熱炭在加速土壤有機(jī)碳礦化的同時(shí)，能顯著提高土壤養(yǎng)分，是一種較為合適的土壤改良劑。