环境科学研究  2017, Vol. 30 Issue (6): 920-928  DOI: 10.13198/j.issn.1001-6929.2017.01.89

引用本文  

王月玲, 周凤, 张帆, 等. 施用生物炭对土壤呼吸以及土壤有机碳组分的影响[J]. 环境科学研究, 2017, 30(6): 920-928.
WANG Yueling, ZHOU Feng, ZHANG Fan, et al. Influence of Biochar on Soil Respiration and Soil Organic Carbon Fractions[J]. Research of Environmental Sciences, 2017, 30(6): 920-928.

基金项目

国家农业部“948”项目(2010-Z19);杨凌示范区科技计划项目(2015SF-03)

责任作者

耿增超(1963-), 男, 陕西韩城人, 教授, 硕士, 博导, 主要从事森林土壤、植物营养及农林废弃物资源转化利用研究, gengzengchao@126.com

作者简介

王月玲(1990-), 女, 甘肃通渭人, wangyueling1103@163.com

文章历史

收稿日期:2016-10-08
修订日期:2016-12-27
施用生物炭对土壤呼吸以及土壤有机碳组分的影响
王月玲1 , 周凤1 , 张帆2 , 马武功2 , 王强1 , 曹胜磊1 , 耿增超1     
1. 西北农林科技大学资源环境学院, 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室, 陕西 杨凌 712100;
2. 陕西省宝鸡市辛家山林业局, 陕西 宝鸡 721700
摘要:为确定生物炭对土壤呼吸速率以及土壤碳组分的影响,采用田间小区试验,以苹果果树枝条生物炭为试验材料,研究了添加0、20、40、60、80 t/hm2的苹果果树枝条生物炭后,小麦生态系统呼吸(Re)、土壤呼吸(Rs)、植物呼吸(Rp)、土壤TOC(总有机碳)、土壤POC(颗粒有机碳)、WSOC(土壤水溶性有机碳)和土壤AOC(易氧化有机碳)的变化以及各指标之间的相关性.结果表明,添加生物炭显著提高了小麦生态系统呼吸速率、土壤呼吸速率和植物呼吸速率,与对照相比分别增加了9.98%~27.57%、9.33%~19.47%和10.18%~30.14%,并且生物炭施用量为20和40 t/hm2时土壤呼吸速率显著高于其他两个处理,而对于小麦生态系统呼吸速率和植物呼吸速率来说,施用40 t/hm2生物炭时其值最高.对于土壤碳组分,施用生物炭显著提高了0~20 cm土层中土壤w(TOC)、w(POC)和w(AOC),并且土壤w(TOC)和w(POC)与生物炭施用量呈极显著正相关.对于WSOC而言,当生物炭施用量高于40 t/hm2时其值显著降低,与对照相比,0~10、>10~20和>20~30 cm三个土层中w(WSOC)分别降低了21.82%~28.37%、35.88%~36.58%和32.28%~44.07%.研究显示,适量施用生物炭能够提高土壤w(TOC)、w(POC)和w(AOC)而降低了w(WSOC),但同时也增加了小麦生态系统呼吸速率.
关键词生态系统呼吸    植物呼吸    土壤颗粒有机碳    土壤水溶性有机碳    
Influence of Biochar on Soil Respiration and Soil Organic Carbon Fractions
WANG Yueling1 , ZHOU Feng1 , ZHANG Fan2 , MA Wugong2 , WANG Qiang1 , CAO Shenglei1 , GENG Zengchao1     
1. Key Laboratory of Plant Nutrition and Agri-Environment in Northwest China, Ministry of Agriculture, College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100, China;
2. Forestry Bureau of Xinjiashan, Baoji, Shaanxi, Baoji 721700, China
Abstract: Biochar addition to soil has been widely accepted as a soil conditioner to improve soil physical and biochemical properties, increase crop yields and enhance fertilizer use efficiency. However, there has always been a dispute about whether biochar inhibits soil respiration. Five levels of branches-derived biochar from apple tree (0, 20, 40, 60 and 80 t/hm2) were used. The effects of biochar on ecosystem respiration (Re), soil respiration (Rs), plant respiration (Rp), total soil organic carbon (TOC), soil particulate organic carbon (POC), soil active organic carbon (AOC) and water-soluble organic carbon (WSOC) were investigated in a plot trial. The results showed that, compared to the control treatment, ecosystem respiration, soil respiration and plant respiration were increased by 9.98%-27.57%, 9.33%-19.47% and 10.18%-30.14%, respectively. Soil respiration was higher at biochar levels of 20 and 40 t/hm2 than that in the biochar levels of 60 and 80 t/hm2, while ecosystem respiration and plant respiration reached the maximum at 40 t/hm2. Biochar amendment significantly increased the contents of TOC, POC and AOC in the 0-20 cm soil layer, and the contents of TOC and POC were positively correlated with the biochar dosage. The contents of WSOC significantly decreased at biochar levels of 60 and 80 t/hm2, and it decreased respectively by 21.82%-28.37%, 35.88%-36.58% and 32.28%-44.07% in 0-10, >10-20 and >20-30 cm soil layers compared to the control. The results indicated that as a long-term mechanism of carbon sequestration, biochar improved the total soil organic carbon. In addition, soil respiration could be improved by biochar amendment.
Keywords: ecosystem respiration    plant respiration    soil particulate organic carbon    water-soluble organic carbon    

全球气候变暖是人类当今所面临的最为严峻的挑战,与其密切相关的碳循环机制已成为科学界相关领域的研究热点.土壤呼吸是土壤碳以CO2的形式向外释放的过程,也是陆地碳循环的重要环节[1].据统计,全球陆地土壤碳库碳储量为1 300~2 000 Pg(以C计),占全球总碳储存量的67%[2].而全球范围内每年通过土壤呼吸向大气中释放的碳含量大约为98 Pg并且每年以2%~7%的速度增长[3].因此,如何控制土壤呼吸速率将成为降低土壤温室气体排放的一个突破点.

生物炭(也称黑炭)是农林废弃物在低氧或厌氧条件下热裂解产生的富碳有机物质,因其在土壤中可以存留上千年而被认为是一种永久的碳固存机制[4].绿色植物以光合作用的方式把大气中的CO2固定在有机物中,而有机物通过呼吸作用向大气中释放CO2,生物炭则间接地阻止了有机碳的分解过程,使碳素以一种稳定的形态贮存起来,阻止了碳向大气的释放,形成“负碳”效应[5].研究表明,生物炭能够吸附土壤中的酶和有机物,增加土壤总有机碳含量[6-7],降低土壤CO2排放量[6, 8-9].但也有研究结果表明,生物炭施入土壤后能在短期内激发原土壤有机质的分解[10-11],增强土壤有机碳的矿化作用,再加上生物炭本身的矿化作用,增加了土壤CO2排放量[12-13],因此否认了生物炭固碳的说法.导致研究结果不同的原因可能与生物炭性质、土壤类型、作物种类、环境因素以及生物炭施入土壤的时间长短等有关[9, 14].

目前关于生物炭对土壤呼吸影响的研究有很多,但多数研究是室内模拟试验和短期田间试验[13, 15],而关于生物炭施入土壤多年后其对土壤呼吸影响的研究比较少.另外,土壤碳库中的活性组分由于其较强的移动性、不稳定性和易矿化性等特点,是土壤呼吸的主要贡献者[16].鉴于此,该研究分析了将苹果树枝条生物炭施入土壤3 a后,其对土壤呼吸和土壤碳组分的影响以及土壤呼吸与各碳组分之间的相关性,以期为生物炭在土壤温室气体减排方面提供参考.

1 材料与方法 1.1 试验材料

试验地位于陕西省杨凌示范区西北农林科技大学试验田(34°16′N、108°04′E),海拔458.6 m.该地区属温带大陆性易旱气候区,年均日照时数2 196 h,年均气温11~13 ℃,无霜期210 d,年均降水量500~700 mm.土壤类型为褐土类,塿土亚类,红油土属,黄土母质,系统分类为土垫旱耕人为土,属石灰性土壤.研究所用生物炭为陕西亿鑫生物能源科技开发有限公司在裂解炉、限氧环境下(450 ℃)由废弃果树树干、枝条热裂解所得,磨细过1 mm筛,备用.供试作物选用西北农林科技大学选育小麦(西农509),播种量为150 kg/hm2,在作物生长期间根据天气及作物生长状况适量灌水,以满足作物正常生长发育所需.

试验开始时土壤基础理化性质:w(TOC)为12.64 g/kg,w(TN)为0.71 g/kg,w(TP)为0.43 g/kg,w(TK)为19.64 g/kg,w(NO3--N)为18.20 mg/kg,w(NH4+-N)为15.90 mg/kg,w(AP)为12.38 mg/kg,w(AK)为193.00 mg/kg,pH为7.33(土水比为1: 2.5),容重1.30 g/cm3.生物炭基础理化性质:w(C)为72.38%,w(N)为1.19%,w(O)为23.81%,w(H)为2.62%,w(NO3--N)为0.52 mg/kg,w(NH4+-N)为1.86 mg/kg,比表面积86.70 m2/g,pH为10.43(土水比为1: 10).

1.2 试验设计

生物炭于2012年4月27日一次性撒施于土壤表层并与耕层(0~20 cm)土壤混匀,其用量设5个水平:B0(0 t/hm2,对照)、B20(20 t/hm2)、B40(40 t/hm2)、B60(60 t/hm2)、B80(80 t/hm2),采用随机区组设计,3次重复,小区面积为1.35 m×3.50 m,小区之间设0.5 m的隔离保护带.除生物炭用量不同外,氮、磷、钾肥(分别为尿素、磷酸二铵、硫酸钾)均作基肥于每次种植前施入,用量分别为225 kg/hm2(以N计)、180 kg/hm2 (以P2O5计)、150 kg/hm2(以K2O计).试验从2012年4月开始已进行了四年七季,于2012年4月—2014年10月进行夏玉米和冬小麦的轮作,2015年4月—2015年10月种植辣椒,2015年10月15日—2016年6月3日种植冬小麦.

1.3 土壤样品的采集与测定

在第七季作物(冬小麦)种植前(2015年10月15日)与收获后(2016年6月3日)在每个小区采用随机布点的方法用土钻(直径5 cm)采集0~10、>10~20、>20~30 cm的土壤样品,每个处理3个重复,将所采集的土样带回实验室风干过1 mm筛备用.土壤TOC(total organic carbon,总有机碳)是衡量土壤肥力水平的重要指标,其含量采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定;AOC(active organic carbon,土壤易氧化有机碳)是易被土壤微生物分解矿化的有机碳,其含量采用333 mmol/L高锰酸钾氧化法测定[17];WSOC(water-soluble organic carbon,土壤水溶性有机碳)对环境变化比较敏感,可以被微生物直接利用的有机碳,采用冷水浸提后,用TOC仪测定法[18]测定其含量;POC(particulate organic carbon,土壤颗粒有机碳)是指示土壤TOC动态对短期农业管理措施响应的理想指标,采用六偏磷酸钠分散后,用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定其含量.

1.4 气体样品的采集与测定

从2015年10月15日冬小麦种植开始到2016年6月3日冬小麦收获期间进行土壤温室气体的采集与测定.气体样品采用静态暗箱法采集并于当天用Agilent7890A气相色谱仪〔安捷伦科技(中国)有限公司〕进行测定,在375 ℃下通入H2先经过Ni将CO2催化转化为CH4后再进入检测器分析[13].采气箱由底座(50 cm×50 cm×20 cm)和顶箱(50 cm×50 cm×50 cm)两部分组成,底座在整个观测期间都固定在采样点上,每个小区固定两个,一个底座种植小麦,一个不种小麦.采样时间为08:00—11:00,采样频率为每10 d一次,下雨天除外.采气前1 min盖上箱体并用水密封,打开风扇电源,风扇运行使箱内气体混合均匀,以此为0时刻,在0、10、20、30 min时用50 mL医用注射器连续采样4次,然后带回实验室测定.另外,在采气的同时测定箱温、气温和土温.

1.5 数据处理

种植小麦处理的CO2排放通量为小麦生态系统呼吸速率,不种植小麦处理的CO2排放通量为土壤呼吸速率,植物呼吸速率则为生态系统呼吸速率与土壤呼吸速率之差:

$ {R_{\text{p}}}{\text{ = }}{{R}_{\text{e}}}{\text{ - }}{{R}_{\text{s}}} $

式中:Rp为植物呼吸速率,mg/(m2 · h);Re为生态系统呼吸速率,mg/(m2 · h);Rs为土壤呼吸速率,mg/(m2 · h).

试验数据的整理采用Microsoft Excel 2007,图形的绘制采用Origin 9.0,单因素方差分析和多重比较(采用最小显著差法)采用SPSS 18.0.

2 结果与分析 2.1 生物炭对生态系统呼吸、土壤呼吸以及植物呼吸的影响

小麦生态系统呼吸速率呈现明显的季节性变化规律,在整个小麦生长期,生态系统呼吸速率呈单峰态势(见图 1).小麦返青期之前,各处理下小麦生态系统呼吸速率均比较低,平均值为31.35~41.44 mg/(m2 · h),并且各处理之间差异不显著(P>0.05);返青期之后,随着温度上升以及小麦的生长,各处理下小麦生态系统呼吸速率开始增大,在抽穗期达到最大值.整个试验期内,施生物炭处理的小麦生态系统呼吸速率平均值为136.74~158.62 mg/(m2 · h),与对照(B0) 相比,增加了9.98%~27.57%,并且B40显著高于其他各处理(P < 0.05).

图 1 图 1施用生物炭对小麦生态系统呼吸速率、土壤呼吸速率和植物呼吸速率的影响 Figure 1 Effects of biochar addition on wheat ecosystem respiration, soil respiration and plant respiration

土壤呼吸速率作为一个复杂的生物学过程,受到很多因素的影响,其中最主要的是温度的影响.由图 1可见,在小麦抽穗期之前土壤呼吸速率曲线与日平均气温的变化曲线基本一致,小麦越冬期,日平均气温最低,土壤呼吸速率也最弱,从1月30号开始,日平均气温开始上升,土壤呼吸速率也呈增加的趋势.在整个小麦生长期内,施生物炭处理土壤呼吸速率平均值为32.67~35.32 mg/(m2 · h),比对照增加了9.33%~19.47%,并且B20和B40显著高于其他各处理(P < 0.05).

图 1可见,植物呼吸速率与生态系统呼吸速率的变化趋势基本一致,均随生育期呈先增加后降低的趋势.在小麦返青期之前,植物呼吸速率较弱且变幅很小,生物炭处理与对照之间没有显著差异(P>0.05).返青期之后,随着温度的升高,小麦开始生长,植物呼吸速率迅速增大,并且在植物抽穗期达到最大值,抽穗期之后又呈下降趋势,整个试验期内,B20、B40、B60和B80处理下植物呼吸速率平均值分别为118.32、122.92、117.36和104.07 mg/(m2 · h),与对照相比,分别增加了25.27%、30.14%、24.25%和10.18%,其中,B40显著高于其他各处理(P < 0.05).

2.2 生物炭对土壤有机碳和颗粒碳的影响

图 2可知,生物炭施用量在0~80 t/hm2范围内,小麦种植前与收获后土壤w(TOC)均随生物炭施用量的增加而显著增加(P < 0.05).在0~10 cm和>10~20 cm土层内,小麦种植前与收获后生物炭处理土壤w(TOC)分别比对照显著(P < 0.05) 增加了65.70%~181.10%、43.12%~155.36%和26.12%~ 119.63%、42.85%~201.06%.小麦种植前,土壤w(TOC)存在明显的剖面变化特征,即随着土层的加深,土壤w(TOC)明显降低,而小麦收获后,0~10 cm和>10~20 cm土层内w(TOC)没有显著差异(P>0.05),甚至B40和B80处理下>10~20 cm土层内w(TOC)高于0~10 cm土层.另外,小麦收获后各土层内土壤w(TOC)普遍高于小麦种植前.

注:不同小写字母表示不同处理间差异达到显著水平(P < 0.05).下同. 图 2 施用生物炭对土壤w(TOC)的影响 Figure 2 Effects of biochar addition on the contents of soil TOC

与土壤w(TOC)相似,生物炭施用量在0~80 t/hm2范围内,土壤w(POC)随生物炭施用量的增加而显著增加(P < 0.05).小麦种植前,土壤w(POC)呈现明显的剖面变化特征.在0~10 cm和>10~20 cm土层内,与对照相比,施生物炭处理下w(POC)分别增加了4.34~27.20 g/kg和0.30~19.85 g/kg,而在>20~30 cm土层内,除B20处理外,其他3个生物炭处理下w(POC)分别增加了0.66、4.35和2.55 g/kg.小麦收获后,在0~10 cm和>10~20 cm土层内,施生物炭处理下w(POC)分别比对照增加了2.74~ 12.49 g/kg和1.82~11.65 g/kg,而在>20~30 cm土层内只有B80处理下w(POC)增加了1.50 g/kg.在垂直方向上,0~10 cm和>10~20 cm土层内,各处理w(POC)差异不显著(P>0.05).

2.3 生物炭对易氧化有机碳和土壤水溶性有机碳的影响

图 4可知,施用生物炭能够显著(P < 0.05) 提高0~10 cm土层土壤w(AOC),与对照相比,小麦种植前与收获后,施生物炭处理下土壤w(AOC)分别增加了32.76%~48.34%和44.83%~140.33%,小麦种植前各生物炭处理之间没有显著差异(P>0.05),而小麦收获后,B80处理下土壤w(AOC)显著(P < 0.05) 高于对照处理,而各生物炭处理之间差异不显著(P>0.05).在>10~20 cm土层中,小麦种植前与收获后施生物炭的处理土壤w(AOC)分别比对照增加了27.47%~92.85%和62.09%~135.10%,小麦种植前,只有B60达到了显著水平(P < 0.05),而小麦收获后,B60和B80达到了显著水平(P < 0.05).在>20~30 cm土层中,小麦种植前各处理之间差异不显著(P>0.05),小麦收获后只有B60和B80比对照显著(P < 0.05) 增加了113.66%和144.08%,其余处理较对照也有所增加,但差异不显著(P>0.05).

图 3 施用生物炭对土壤w(POC)的影响 Figure 3 Effects of biochar addition on the contents of soil POC

图 4 施用生物炭对土壤w(AOC)的影响 Figure 4 Effects of biochar addition on the contents of soil AOC

添加不同量生物炭后土壤w(WSOC)的变化特征如图 5所示.由图 5可见,在0~10 cm土层内,不管是小麦种植前还是小麦收获后,B20处理下土壤w(WSOC)均为最高.小麦种植前,B0、B20和B40处理下土壤w(WSOC)显著(P < 0.05) 高于B60和B80,而小麦收获后只有B0和B20显著(P < 0.05) 高于其他各处理.在>10~20 cm土层内,小麦种植前表现为B40处理下土壤w(WSOC)最高,而小麦收获后,与0~10 cm土层相似,表现为B0和B20显著(P < 0.05) 高于其他各处理.在>20~30 cm土层内,小麦种植前与收获后均表现为B0、B20和B40显著(P < 0.05) 高于B60和B80.综合来看,当生物炭施用量高于40 t/hm2时其值显著降低,与对照相比,0~10 cm、>10~20 cm和>20~30 cm三个土层中w(WSOC)分别降低了21.82%~28.37%、35.88%~ 36.58%和32.28%~44.07%.可见施用生物炭对土壤WSOC具有降低的效果.

图 5 施用生物炭对土壤w(WSOC)的影响 Figure 5 Effects of biochar addition on the contents of soil WSOC
2.4 各指标之间的相关性

通过各指标之间的相关性分析(见表 1)可以看出,土壤w(TOC)、w(POC)和w(AOC)与生物炭施用量之间呈极显著正相关(P < 0.01). w(WSOC)与生物炭施用量、土壤w(TOC)以及w(POC)之间呈极显著负相关(P < 0.01),而与w(AOC)呈显著负相关关系(P < 0.05).这说明碳库各组分之间存在密切的转化关系.小麦生态系统呼吸速率、土壤呼吸速率和植物呼吸速率与其他各指标之间的相关性均没有达到显著水平(P>0.05),但是,3个呼吸速率指标之间均呈极显著正相关(P < 0.01).

表 1 不同呼吸速率与各有机碳组分各指标之间的相关性 Table 1 Correlation coefficients of different respiration and soil organic carbon fractions
3 讨论 3.1 生物炭对生态系统呼吸、土壤呼吸以及植物呼吸的影响

该研究结果表明,施用生物炭提高了土壤呼吸速率,并且B20和B40处理显著高于其他各处理,这与王月玲等[19]得出的结论存在差异.王月玲等[19]于2015年的研究表明,施用生物炭显著提高了土壤CO2排放量且与生物炭施用量呈正相关关系.连续两年的研究结果之所以出现这种差异,原因可能是生物炭中有一部分碳是非惰性的、能够在相对较短的一段时间内作为微生物的能源和碳源而被分解掉[13],生物炭施用量越大,这部分碳的可利用性就越高,微生物活动所产生的CO2就越多.但是,生物炭中的活性碳含量有限,该研究中土壤呼吸速率与生物炭施用量相关性不显著,原因可能就是生物炭中的那部分活性碳已被微生物分解完,而生物炭之所以还能够提高土壤呼吸速率是因为其特殊结构改善了土壤理化性质、增加了土壤w(AOC)、增强了土壤微生物活性[20],并且生物炭能够促进原土壤有机碳的分解[21].但是,当生物炭施用量超过60 t/hm2时导致土壤C/N明显增大,作物与微生物之间对养分的竞争性增强,从而使土壤中微生物的活性较生物炭施用量为20和40 t/hm2有所降低,最终导致土壤呼吸速率降低.也有研究结果表明生物炭抑制了土壤呼吸速率[10]或者对土壤呼吸速率没有任何影响[22],这种差异可能是由生物炭裂解原材料、裂解温度、土壤类型、作物种类、生物炭粒径大小以及生物炭施入土壤的时间长短等不同导致的[15].另外,小麦越冬期土壤呼吸速率明显降低,张西超等[23]的研究结果表明,在不受土壤湿度限制的情况下,土壤CO2排放通量与土壤温度呈显著相关,这可能是由于低温对土壤微生物及酶活性的影响[24]所致.

生态系统呼吸速率主要由土壤呼吸速率和植物呼吸速率组成.从表 1可以看出,生态系统呼吸速率与土壤呼吸速率和植物呼吸速率呈极显著正相关关系.该研究结果表明,施用生物炭提高了小麦生态系统呼吸速率,这与Kammann等[25]的研究结果一致.一方面,生物炭通过改善土壤理化性质和土壤生物学性质提高了土壤呼吸速率;另一方面,生物炭能够促进植物及其根系的生长,加快根生物质的周转[26],从而增加了植物呼吸速率.但是土壤中较高的C/N会导致作物与微生物之间对养分的竞争,导致二者的呼吸速率均有所降低,因此,较大的生物炭施用量并不利于植物的生长.

3.2 生物炭对土壤有机碳及土壤颗粒有机碳的影响

生物炭提高了土壤w(TOC)且与生物炭施用量呈正相关关系,这与已有研究结果[7]一致.生物炭之所以能够提高土壤w(TOC),一方面,生物炭本身是一种富碳材料,该试验中所施用的生物炭含碳量为72.38%,将其施入土壤相当于直接向土壤中输入了外源有机碳;另一方面,生物炭主要由高度浓缩的芳香环结构组成[27],这种结构具有很强的生物稳定性.生物炭施入土壤后,其中的活性有机碳在相对较短的时间内作为碳源被微生物所分解,而惰性碳则以土壤碳库的方式长期封存在土壤中[13],因此,施用生物炭能够显著提高土壤w(TOC),提高土壤的固碳能力.另外,小麦收获后土壤w(TOC)较种植前有所提高,尤其是0~20 cm土层,这可能和前后两季种植的作物种类不同有关.小麦的前茬作物为辣椒,而辣椒属于浅根性植物,根系发育较弱,木栓化程度较高,且辣椒移栽过程中对根的损失较大,再生能力差,根量少,因此辣椒收获后根系凋落物较少.与辣椒相比,小麦根系较发达,根量多,主要分布在0~30 cm土层范围内,占总根量的60%[28],因此小麦收获后0~30 cm土层内w(TOC)较种植前有所增加.

土壤POC作为土壤活性碳与稳态碳的过渡碳组分容易受外界活动的影响[29],对土壤团聚体形成和土壤碳素循环与转化具有重要的意义.该研究结果表明,施用生物炭显著提高了土壤w(POC)并且与生物炭施用量和土壤w(TOC)呈极显著正相关关系.生物炭之所以能够提高土壤w(POC),一方面,生物炭具有与土壤颗粒形成土壤团聚体和有机无机复合体的功能[30],使其结构得到改善;另一方面,生物炭能够促进土壤大团聚体的形成并增加其稳定性[31],而土壤团聚体的结构特性使土壤碳素长期固持形成土壤POC,从而增加了土壤w(POC).

3.3 生物炭对土壤活性有机碳的影响

该研究结果表明,施用生物炭显著提高了土壤w(AOC),这与已有研究结果[32]一致.生物炭之所以能够降低土壤w(AOC),究其原因:① 生物炭疏松多孔的结构特性使其施入土壤后能够增加土壤的孔隙度和土壤含氧量,促进植物根系生长,增加根系分泌物和凋落物;② 生物炭的特殊结构为土壤真菌菌丝的生长以及微生物的生长繁殖提供了良好的生境[33-34],从而使土壤w(AOC)增加.另外也有研究[35]表明生物炭对土壤AOC没有增加作用.土壤AOC容易受环境因素和耕作措施等的影响,因此,导致研究结果不同的原因可能有生物炭本身的性质、农业耕作措施、土壤类型和环境因素等[36].

土壤WSOC作为土壤碳素生物有效性的指示剂,是能够被土壤微生物直接利用的碳源,其含量的大小可以在一定程度上作为土壤肥力的参考值.该研究结果表明,施用生物炭对土壤w(WSOC)具有降低的作用,但是降低作用不显著.笔者所在课题组的前期研究结果表明,在生物炭输入土壤后前三季作物种植期内,生物炭显著降低了土壤w(WSOC),而在第四季作物收获后,生物炭对土壤w(WSOC)的影响已不显著[37],这说明生物炭对土壤WSOC的影响是有时间限制的.生物炭之所以能够降低土壤w(WSOC),究其原因:① 生物炭具有较强的吸附作用,能够吸附土壤中的有机分子,从而降低土壤溶液中的有机碳含量;② 生物炭中含有大量的钙离子[38],能够络合土壤WSOC[39],导致土壤w(WSOC)降低.而生物炭对土壤WSOC影响在时间上的变化可能与生物炭自身的变化有关,也可能是生物炭对土壤性质的影响而间接引起,因此,关于生物炭对土壤WSOC的影响在时间上的变化还应该做进一步研究.

生物炭对土壤温室气体排放的影响与被施加土壤的类型以及生物炭本身的性质有关.目前,关于生物炭还田对土壤温室气体排放的影响还没有达成共识.大规模生物炭还田要根据土壤类型,生物炭性质等综合因素考虑制定具体实施方案.因此,该研究结果对果树枝条生物炭在关中塿土中的进一步研究以及应用提供了理论基础.

4 结论

a) 施用生物炭可显著提高小麦生态系统呼吸速率、土壤呼吸速率和植物呼吸速率,与对照相比分别增加了9.98%~27.57%、9.33%~19.47%和10.18%~30.14%;与施用量60 t/hm2和80 t/hm2相比,20 t/hm2和40 t/hm2的生物炭施用量可显著增加土壤呼吸速率,而对于小麦生态系统呼吸速率和植物呼吸速率而言,施用40 t/hm2生物炭时其值最高.

b) 施用生物炭显著提高了土壤w(TOC)、w(POC)和w(AOC),并且与生物炭施用量呈极显著正相关.

c) 施用生物炭对土壤w(WSOC)具有降低作用,但是这种降低作用在生物炭施入土壤后前两年显著,从第三年开始,其对土壤w(WSOC)的抑制作用明显减弱.

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