透過模擬實驗研究稻草及製備的生物質炭對土壤團聚體有機碳的影響論文
近年來，隨著對巴西亞馬遜流域土壤中大量黑碳的發現及探究，眾多學者越來越關注人工製備生物質炭（biochar）的利用。研究表明，生物質炭在改善土壤質量、提高養分有效性、增加作物產量、減緩溫室氣體排放等方面具有積極作用。向土壤中施入生物質炭，已被認為是減緩氣候變暖的一個有效途徑。目前圍繞生物質炭新增對土壤有機碳分解的影響研究，已成為土壤碳迴圈領域的熱點，但研究還存在爭議，促進、抑制或無影響均有報道。
在農業生態系統中，生物質炭主要來源於農作物秸稈焚燒。據統計，全球每年農作物秸稈量大約為3.8Gt.一種傳統而廣泛的秸稈管理方式就是將其原地直接燃燒或搬移他處做燃料，這不僅導致空氣汙染、養分流失，並且也會威脅人類健康。Haefele等提出將不完全燃燒炭化的稻草和燒焦的稻草混合新增到稻田土壤裡，與野外露天燃燒相比，這種處理措施具有燃燒過程可產生可利用能源、減少溫室氣體排放、減少土壤養分流失等諸多優勢。據估算，2009年中國作物秸稈產量約8.07億Mg,其中31%的作物秸稈擱置在農田，31%的作物秸稈被牲畜食用，僅僅有19%的作物秸稈用於產生生物能。近來生物質炭的農業利用越來越受到國內的廣泛關注。然而，對於有限的秸稈資源，選擇將秸稈直接施入土壤中，還是將其轉變為生物質炭再施入土壤中，施入後對土壤碳庫組分有何影響，何種措施更有利土壤固碳，尚缺乏深入研究。團聚體是土壤有機碳的重要儲存場所，其分組方法已被廣泛用於土壤有機碳組分研究中。目前秸稈施入對土壤團聚體有機碳的影響已有較多研究，但生物質炭新增對土壤團聚體有機碳的影響還鮮見報道。為此，本文利用δ13C技術，對比研究稻草及其製備的生物質炭新增對土壤團聚體有機碳的影響，為深入認識和評價生物質炭在土壤碳迴圈中的作用和貢獻提供科學依據。材料與方法供試材料供試土壤採自福建師範大學旗山校區甘蔗實驗地。土壤為普通紅壤，連續種植甘蔗多年，土壤有機碳含量為8.28gkg-1、δ13C值為-22.49‰、pH5.65.採集的新鮮土壤樣品去除植物殘體和碎屑，過4mm篩備用。
生物質炭製備方法參照文獻。將13C標記的稻草（過1mm篩）置於烘箱中，70℃烘至恆重，冷卻後準確稱取2~3g秸稈於坩堝中，用坩堝蓋蓋好放入馬弗爐中，關閉爐門，達到預設的溫度時開始計時燃燒2h,之後開啟爐門，將坩鍋移至爐口處冷卻至200℃左右，移入乾燥器中冷卻至室溫，準確稱重。熱解溫度分別設定為250℃（B250）和350℃（B350），每個處理重複15次，樣品製備完畢後備用。供試稻草（R）和生物質炭（B250和B350）的基本性質見表1.
培養方法以不加稻草或生物質炭的土壤作為對照，向土壤中分別新增稻草和生物質炭（均過1mm篩），實驗設定4個處理，分別為土壤（CK）、土壤+稻草（SR）、土壤+B250（SB250）、土壤+B350（SB350），每個處理重複4次。具體步驟如下，將稻草或生物質炭與新鮮土樣（相當於烘乾土50g）混合均勻，稻草新增量為1.00g,生物質炭新增量為1.00g稻草在250℃和350℃下熱解的質量剩餘量，分別為0.52g和0.34g,然後裝入玻璃瓶中進行培養，培養溫度為25℃，培養時間為112d.培養過程中定期補充水分，保持土壤持水量（WHC）為60%.培養結束後，取出土壤樣品，用於團聚體分組。
土壤團聚體採用幹篩法。利用篩分儀（EML200digitalplusT,德國）將土壤全土分成大團聚體（250~2000μm）、中團聚體（50~250μm）和微團聚體（<50μm），分級後將250~2000μm和50~250μm粒級的團聚體研磨過0.149mm,以供測定有機碳含量和同位素丰度。
分析方法土壤有機碳、稻草和生物質炭的碳含量採用元素分析儀（ElementarVarioELIII,Elementar,德國）測定；土壤pH（水土比2.5∶1）採用電位法測定；樣品δ13C值採用同位素比質譜分析儀（MAT253,ThermoFisher,德國）測定；稻草和生物質炭的化學結構採用13C-NMR核磁共振儀（Bruker200,德國）測定。
資料處理分析資料採用Excel2003進行分析，用SPSS16.0進行單因素方差分析，採用LSD檢驗，顯著性水平為p<0.05.
結果土壤團聚體有機碳同位素丰度變化與CK處理相比，稻草處理（SR）和生物質炭處理（SB250和SB350）的全土δ13C值均顯著提高（表2）。對於SR處理，土壤團聚體有機碳的δ13C值遞減順序為中團聚體（50~250μm）、微團聚體（<50μm）和大團聚體（250~2000μm），而SB250和SB350處理的δ13C值則呈現了粒級越細，δ13C值越高的趨勢。方差分析表明，對於中團聚體和微團聚體，不同處理間的δ13C值差異均達顯著水平（p<0.05），但對於大團聚體，SB250和SB350處理的土壤δ13C值則無顯著差異。稻草及其製備的生物質炭對土壤團聚體有機碳的影響。
土壤團聚體有機碳含量變化與CK處理相比，稻草或生物質炭處理的全土有機碳濃度明顯增加，其中SB250處理的最高，而SR和SB350處理間的差異並不顯著（表3）。除CK處理外，其他三種處理的不同粒級團聚體，呈現了粒級越細，有機碳濃度越高的規律。根據不同粒級團聚體佔全土的質量分數，以及有機碳濃度資料，將其換算成全土有機碳含量，單位統一為Cgkg-1全土。由表4可見，有機碳回收率介於99%~107%之間。與CK處理相比，稻草或生物質炭新增對大團聚體有機碳的影響並不顯著，但顯著提高了微團聚體和中團聚體有機碳含量（p<0.05）。
土壤團聚體有機碳的來源培養結束後的'土壤團聚體有機碳可分為新進入的外源新碳（稻草或生物質炭）以及原有有機碳。
由表5可知，稻草和生物質炭新增對不同粒級團聚體新碳及原有機碳的影響截然不同。SR處理的新碳分配遞減順序為中團聚體、大團聚體和微團聚體，而SB250和SB350處理的新碳分配遞減順序為中團聚體、微團聚體、大團聚體，表明新碳主要進入到中團聚體裡。方差分析進一步表明，與CK處理相比，稻草新增顯著促進了大團聚體原有機碳的分解，但對中團聚體和微團聚體原有機碳的影響並不顯著；而生物質炭新增則不同，SB250和SB350處理對大團聚體和中團聚體原有機碳的影響均不顯著，但SB250處理顯著抑制了微團聚體原有機碳的分解，而SB350處理的則無顯著影響。
討論黑碳作為土壤惰性碳庫重要組成部分，不僅是大氣中CO2的主要碳匯，而且是全球碳迴圈中“迷失碳”的重要組成部分。以往研究更多關注自然生態系統土壤黑碳的來源、分配規律以及影響因素等諸多方面。而近年來向農業土壤中施入人工製備生物質炭的報道逐漸增多。向土壤中施入生物質炭可以增強土壤碳匯能力，減少溫室氣體排放，從而減緩氣候變化。研究表明，施入生物質炭后土壤碳庫明顯提高，這與本文的結果一致。本研究表明，土壤中新增生物質炭後有機碳含量顯著提高，其中SB250處理的最高，顯著高於稻草處理的，而SB350處理的則與稻草處理的有機碳含量相當（表3）。並且，當稻草轉變為生物質炭後，芳基碳和羧基碳含量增加，化學結構更趨於穩定（表1）。因此，從土壤固碳的角度，將部分稻草低溫熱解制成生物質炭後新增到土壤中，較稻草直接施用更有利。
秸稈還田是保持土壤肥力，提高土壤有機碳含量的重要措施。目前國內有關秸稈還田對土壤團聚體有機碳的影響研究亦有諸多報道。如徐江兵等認為，各種有機肥處理均對土壤團聚體中有機碳含量的增加表現出不同程度的促進作用，與CK處理相比，各粒級中新增秸稈的有機碳含量增加了10%~30%,而本研究發現稻草處理的土壤各粒級有機碳含量較對照土壤增加2%~57%,生物質炭處理的土壤各粒級有機碳含量較對照土壤增加2%~79%.並且，三種處理的土壤新增加的碳主要分配在中團聚體（50~250μm）中，這與Ver-chot等的研究結果類似。但也有研究表明外源新碳在土壤團聚體中的分配是隨機的，並沒有分配到特定的某一類團聚體中。本研究也進一步表明，稻草及其製備的生物質炭新增後，大團聚體（250~2000μm）有機碳含量沒有明顯提高，但微團聚體（<50μm）與中團聚體有機碳含量顯著提高，說明稻草或生物質炭新增對大團聚體土壤有機碳的影響並不大，而對微團聚體有機碳的影響較大。
一般而言，秸稈施入會促進土壤原有機碳的分解，其原因在於秸稈中含有較多的新鮮易分解有機碳，刺激了微生物的增長，從而促進了原有機碳的分解。但生物質炭施入對土壤原有機碳的影響卻不一致，促進、抑制、無影響均有報道。Wardle等報道，火燒產生的黑碳促進了土壤腐殖類物質的分解，但這一研究已引起很多爭議。Zimmerman等利用室內培養實驗發現短期內生物質炭新增也促進了土壤原有機碳的分解。但Jones等卻發現生物質炭新增抑制了土壤原有機碳的分解，而Smith等利用13C自然丰度方法發現生物質炭新增對土壤有機碳分解幾乎沒有影響。導致這種截然不同結論的主要原因在於研究者採用的生物質炭型別、製備條件、新增量、培養條件以及土壤型別不同所致。本研究利用團聚體分組，進一步表明稻草及其製備的生物質炭新增對土壤團聚體新碳和原有機碳的影響明顯不同，對於同一粒級團聚體，稻草和生物質炭新增的差異主要體現在新碳的分配上，而對土壤原有機碳的影響差別並不大。
結論：透過對比分析，發現將等量的稻草低溫熱解制成生物質炭後新增到土壤中，較稻草直接施用更有利於提高土壤碳庫。而增加的新碳主要進入到中團聚體（50~250μm）中，比例達70%以上。並且，稻草與生物質炭施入土壤中最大的區別主要體現在新碳分配上，而對原有機碳的影響並不顯著。當然，稻草及其製備的生物質炭施入對土壤碳庫的影響，還需野外長期試驗的進一步驗證。
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