Biochar Amounts Effect on Soil Physicochemical Properties and Dissolved Organic Matter Characteristics of Black Soil in Northeastern China
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摘要: 以典型东北黑土为研究对象，连续3年（2016—2018）开展田间定点试验，研究生物炭施用量0、10、30和50 t hm−2（分别简称为B0、B10、B30和B50）对黑土理化性质和溶解有机质（DOM）含量及其光谱特性的影响。结果表明：与B0处理相比，施用生物炭显著提高玉米产量、土壤饱和导水率和DOM的生物利用度，显著降低土壤DOM的腐殖化指数；B10处理显著降低激发波长为355 nm时，发射波长为440 ~ 470 nm范围内最大荧光强度（Fn（355））和有色溶解有机质，降幅分别达18.7%和33.1%；而B30处理显著增加活性有机碳含量、碳库管理指数以及速效磷含量，增幅分别达35.6%、36.5%和39.9%。此外，B50处理显著提高土壤电导率、亮氨酸氨基肽酶（LAP）活性以及（LAP + N-1，4-乙酰葡糖胺糖苷酶）/碱性磷酸酶比值，增幅分别为21.7%、22.7%和27.3%。总之，适当施用生物炭（即在本研究区域施用10 ~ 30 t hm−2）可以通过改善土壤透水性和碳有效性，提高作物产量和土壤质量，并且降低DOM芳香度和腐殖化程度，提高DOM活性；而过量施用生物炭（即在本研究区域施用50 t hm−2）则可能增加土壤盐分含量，促进氮素转化和限制土壤磷矿化。Abstract: A three-year (2016—2018) field trial on black soil in northeast China was carried on to investigate the effects of biochar application of 0 (B0), 10 (B10), 30 (B30) and 50 (B50) t hm−2 on physicochemical properties and dissolved organic matter (DOM) characteristics of black soil. The results showed that the biochar application significantly increased the maize yield, saturated hydraulic conductivity and bioavailability of DOM, whereas it significantly decreased the humification index compared with the control. Compared with the control, the B10 treatment significantly decreased the humic-like substance and chromophoric DOM by 18.7% and 33.1%, respectively. However, the B30 treatment significantly increased the KMnO4-oxidizable C content, the C management index and the available P content by 35.6%, 36.5% and 39.9%, respectively. Moreover, the B50 treatment significantly increased the electrical conductivity, the leucine amino peptidase (LAP) activity and the ratio of LAP and N-1,4-acetylglucosamine glycosidase to alkaline phosphatase by 21.7%, 22.7% and 27.3%, respectively. In short, an appropriate biochar application (i.e. 30 t hm−2 in this study area) could enhance both crop yield and soil quality by improving soil water permeability and nutrient availability. While excessive biochar application (i.e. 50 t hm-2 in this study area) might increase the soil salt content and promote nitrogen transformation and microbial competition for P.
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Keywords:
- Biochar /
- Soil properties /
- Ecological stoichiometry /
- Humification index /
- C management index
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黑土由于其具备良好的理化特性和较高的有机质含量，被认为是最肥沃、最珍贵的土壤资源[1]，东北黑土地是我国重要的粮仓，由于长期高强度的开发利用和不适当的农艺措施导致黑土严重退化[2]，进而影响东北地区粮食生产与农业绿色发展。生物炭是作物秸秆等有机物料热降解的产物[3]，其具有高比表面积、高孔隙率、高pH值和高C/N[4]等理化性质，可以调节土壤pH值，增加土壤养分含量，因此被认为是提高土壤质量的有效调理剂[3]。大量研究表明，生物炭能改善土壤理化性质，对作物生产具有重要意义[5]。施用生物炭会降低土壤容重，增加孔隙度，减少水分蒸腾，从而提高土壤通气性和保水能力[6-7]。并且，施用生物炭还可以增加土壤中大团聚体含量，增加团聚体的平均重量直径和几何平均直径[8]，从而提高土壤团聚体稳定性。此外，由于生物炭含有大量的矿质元素，如N、P、K、Ca和Mg，并且具有特殊的微孔结构和强大的吸附能力，因此能吸收和固定土壤中植物生长所必需的矿质元素，有效调节土壤养分元素的循环[9]。此外，有研究表明随着生物炭施用量的增加，土壤pH值、土壤有机碳（SOC）和全氮（TN）含量均有所增加[10-11]。
施用生物炭不仅影响土壤理化性质，而且会改变土壤酶活性。生物炭施用对磷酸酶、脲酶、脱氢酶和β-N-乙酰氨基葡糖苷酶活性均有显著影响[12-13]。研究表明，施用生物炭可以提高与C和N循环相关的土壤酶活性[14-15]。到目前为止，大田试验中施用生物炭对土壤碳、氮、磷循环酶活性影响的研究较少[13, 16]。此外，溶解有机质（DOM）是土壤溶液经过0.45 μm滤膜过滤后的部分有机质，一般认为其流动性和生物有效性更强[17]。黄土高原地区的研究表明，生物炭添加量越高，溶解有机碳（DOC）浓度和DOM生物指数（BIX）越高[18]。Smebye等[19]也指出，施用生物炭可以增加中性棕壤土中DOM总量和生物利用度。但不同生物炭施用量对东北黑土DOM特性的影响尚不十分清楚。本研究通过3年田间定点试验，研究生物炭施用对东北黑土理化性质、酶活性和DOM特性的影响，为确定适宜的生物炭施用量以及探讨改良、培肥土壤的机理提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 供试材料
本研究于2016年4月至2018年10月在吉林省中部的中国科学院东北地理与农业生态研究所长春综合农业实验站（43°59′N，125°41′E）进行。研究区域为温带大陆性季风气候，属于半湿润地区，年平均降水量582 mm，年平均气温5.5 ℃。本研究地点土壤为典型黑土，根据美国农业部土壤分类系统划分为薄层软土（Mollisol）。2016年4月试验开始前，耕层土壤基本理化性质为：pH 6.92，电导率（EC）23.6 μS cm−1，SOC 7.36 g kg−1，全氮（TN）1.07 g kg−1，全磷（TP）0.5 g kg−1，速效磷（AP）16.58 mg kg−1和速效钾（AK）113 mg kg−1。试验所用玉米秸秆生物炭购于辽宁金和福农业科技有限公司，为玉米秸秆在缺氧条件下高温（450 ℃）热解所得。生物炭的基本理化性质为：> 2 mm的颗粒大小占60%以上，密度大约为0.596 g cm−3，pH 8.78，EC 1240 μS cm−1，总碳72.21%，总氮1.08%，总磷0.72%和总钾1.64%。
1.2 试验设计
试验共设四个处理，分别为施用生物炭0、10、30和50 t hm−2（B0、B10、B30和B50），三次重复，采用随机区组设计，小区面积为25 m2。生物炭在试验开始前一次性施入，均匀撒施于小区地表，随后人工翻耕于0 ~ 20 cm土层。各小区肥料用量一致，氮肥（尿素）、磷肥（过磷酸钙）、钾肥（硫酸钾）用量分别为N 225 kg hm−2，P2O5 100 kg hm−2和K2O 100 kg hm−2。氮肥按照基追比2∶3的比例在播种前和拔节期分两次施用，磷、钾肥作为基肥一次性施入。玉米品种为“良玉99”，播种密度65000株 hm−2，分别于2016年、2017年和2018年5月初播种，10月初收获，田间杂草人工清除。
1.3 样品采集与分析方法
2016—2018年，在玉米成熟期取每个小区10 m2内的所有植株，测定玉米产量和生物量。2018年玉米收获后，使用4 cm直径的“T”形采样器在每个小区内随机采集0 ~ 20 cm土壤样品，5个样品混合为1个土样。在深度10 cm处垂直土壤剖面，用直径5 cm、高度5 cm的环刀挖取土壤，每个小区挖取2个。土样放置在冰上运到实验室，从土壤样品中去除所有可见的石块和根系。将土样分为3部分：一部分在−20 ℃保存用于碳、氮、磷循环酶分析以及测定矿质氮（MN，铵态氮和硝态氮）含量；一部分在4 ℃保存用于DOM特性分析；其余部分风干后通过2 mm筛测定EC、pH和AP含量，部分 < 2 mm的土壤样品通过0.15 mm筛后测定活性有机碳（KMnO4-C）、SOC、TN和TP含量。
用环刀法测定土壤饱和导水率（SHC）[20]。按水土比5∶1分别用电导率仪和pH计测定土壤EC和pH[21]。SOC用重铬酸钾－外加热法[21]测定。土壤铵态氮和硝态氮使用KCl浸提[21]，流动分析仪测定。土壤TN用硫酸－催化剂消煮[21]，流动分析仪测定。土壤TP用硫酸－高氯酸消煮，钼锑抗比色法[21]测定。土壤KMnO4-C用高锰酸钾氧化法[21]测定。土壤AP采用NaHCO3浸提，钼锑抗比色法[21]测定。根据样品与对照土壤有机碳的含量，计算出碳库指数（CPI）= 样品SOC/对照SOC；基于C不稳定性的变化（L）= KMnO4-C /（SOC-KMnO4-C），不稳定性指数（LI）= 样品L/对照土壤L；利用这两个指标计算碳库管理指数（CMI）= CPI × LI × 100；本研究以B0处理的土壤为对照土壤[22]。根据酶联免疫吸附测定法（ELISA），选用对应的试剂盒（江苏酶免实业有限公司）测定β-1，4-葡萄糖苷酶（βG）、N-1，4-乙酰葡糖胺糖苷酶（NAG）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）和碱性磷酸酶（ALP）这4种酶的活性。
离心管中放入4 g土壤与40 mL水混合，在25 ℃下，以250 r min−1的转速振荡30 min，随后在4 ℃下，以8000 r min−1的转速离心10 min，然后通过0.45 μm孔径的微孔过滤器，提取得到DOM滤液在冰箱（4 ℃黑暗中）保存，以便进行后续分析。用总有机碳分析仪（TOC-VCPH，日本岛津公司）[23]测定DOM滤液中溶解性总氮（DTN）和DOC含量。DOM滤液的三维荧光光谱由酶标仪（Synergy H1，BioTek，America）测定，以纯水为空白，激发波长（Ex）范围为200 ~ 500 nm，增量5 nm，发射波长（Em）范围为250 ~ 550 nm，增量1 nm。Fn（355）是Ex = 355 nm时，Em范围为440 ~ 470 nm的最大荧光强度[24]。荧光指数（FI）是Ex=370 nm 时，Em在470 nm与520 nm处荧光强度比值[25]；腐殖化指数（HIX）是Ex=254 nm下，Em在435 ~ 480 nm区域荧光强度积分值除以300 ~ 345 nm 区域荧光强度积分值[25]；BIX是Ex=310 nm时，Em在380 nm与430 nm处荧光强度比值[25]。同样使用酶标仪（Synergy H1，BioTek，America）在250 ~ 400 nm波长范围进行DOM滤液的紫外吸收光谱扫描。特征紫外吸光度值（SUVA254）为254 nm处的吸光度值与DOC浓度的比值[26]。有色溶解有机质（CDOM）为DOM在355 nm处的吸光度值[27]。
1.4 数据处理
玉米产量和生物量为2016—2018 年3年平均值，其余土壤性质数据为2018年收获后测定值。用SPSS 20.0对数据进行单因素方差分析，以P < 0.05为差异显著；并用Sigma Plot 12.5制作图。
2. 结果与分析
2.1 施用生物炭对玉米产量与生物量的影响
不同生物炭施用量下的玉米产量和生物量（2016—2018年3年平均值）如图1大图所示，2016—2018年3年各处理三次重复值趋势线拟合如图1小图所示。与B0处理相比，B10、B30和B50处理分别提高玉米产量12.8%，15.8%和14.7%，分别提高地上生物量7.7%，9.8%和11.1%（图1a、b），差异均到达显著水平。可见，施用生物炭能显著提高玉米产量和生物量。此外，由趋势线拟合图可以看出，在各处理中，B30处理的产量趋于最大值。
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图 1 不同生物炭用量对玉米产量（a）和生物量（b）的影响Figure 1. Effects of different biochar application amounts on maize yield (a) and biomass (b）2.2 施用生物炭对土壤理化性质的影响
不同生物炭施用量下的土壤理化性质如图2所示。其中，与B0处理相比，B10、B30和B50处理分别提高SHC 139%、182%和134%，差异均到达显著水平（图2a）。在本研究中，与其他处理相比，B50处理显著增加EC（图2b）。与B0处理相比，B30和B50处理显著提高SOC含量，增幅分别为34.2%和45.8%（图2d）；并且显著提高 SOC/TN，增幅分别为19.3%和16.7%（图2j）。此外，与B0处理相比，B30处理显著提高KMnO4-C含量、CMI以及AP含量，增幅分别为35.6%、36.5%和39.9%（图2e，f，i）。与B0处理相比，B50处理显著增加TN、MN含量以及SOC/TP和TN/TP，增幅分别为24.9%、45.1%、44.4%和23.6%（图2g，h，k，l）。不同生物炭施用量下的土壤C、N和P循环转化酶活性及比值如图3所示。其中，LAP和NAG为氮循环转化酶，βG和ALP分别为碳循环和磷循环转化酶。与其他处理相比，B50处理显著提高了LAP活性和（LAP+NAG）/ALP（图3b，g）。
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图 2 不同生物炭用量对土壤理化性质的影响Figure 2. Effects of different biochar application amounts on soil physicochemical properties![]()
图 3 不同生物炭用量对土壤酶活性的影响Figure 3. Effects of different biochar application amounts on soil enzyme activities2.3 施用生物炭对土壤DOM含量及其光谱特性的影响
各生物炭处理下土壤DOM含量及其光谱特性如图4所示，与B0处理相比，B10、B30和B50处理对DOC和DTN含量无显著影响（图4a，b），而B10和B50处理显著降低DOC/DTN，降幅分别为28.6%和23.2%（图4c）。与B0处理相比，B10处理显著降低Fn（355）和CDOM，降幅分别为15.8%和33.2%（图4d，h），B30和B50处理显著提高BIX，增幅分别为7.8%和13.7%（图4f）。此外，与B0处理相比，B10和B30处理显著降低HIX，降幅分别为8.7%和11.0%（图4g）；并且显著降低SUVA254，降幅分别为36.4%和36.4%（图4i）。
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图 4 不同生物炭用量对土壤DOM含量及其光谱特性的影响Figure 4. Effects of different biochar application amounts on soil DOM content and spectral characteristics3. 讨论
3.1 施用生物炭对玉米产量以及土壤理化性质的影响
已有研究表明，施用生物炭对作物产量的影响与施用时间和土壤类型有关[28-29]。由于生物炭的优良特性，在水田和旱地中添加生物炭通常可以促进作物生长，提高作物产量[30, 31]。在本研究中，施用30 t hm−2生物炭玉米产量最高。因此，我们认为在本研究区域内，玉米秸秆生物炭施用量不宜超过30 t hm−2。由于施用10 t hm−2和30 t hm−2生物炭处理间的产量没有显著差异，而施用10 t hm−2生物炭的成本投入更少，从获得最大经济效益角度考虑，推荐玉米秸秆生物炭施用量为10 t hm−2。
生物炭对不同质地土壤SHC的影响不一致。一般来说，生物炭会降低砂壤土的SHC[32]，会增加黏性土壤的SHC[33]。在本研究中，土壤质地较黏，生物炭疏松多孔的性质能够导致黏性土壤变得相对疏松，因此施用生物炭显著提高土壤SHC。此外，施用50 t hm−2生物炭显著提高土壤EC，这可能是由于生物炭中的碱基阳离子（K、Ca、Mg等）被释放并溶解在土壤水分中，从而导致土壤盐分增加。Chintala等[34]研究表明，玉米秸秆和柳枝稷生物炭可以显著增加酸性溶液中的EC，这与我们的研究结果一致。在本研究中，施用30 t hm−2生物炭显著提高SOC和KMnO4-C含量以及CMI，这与Luo等[22]在黄土高原地区的研究结果一致。并且，随着生物炭施用量的增加，KMnO4-C含量以及CMI呈现先增加后减少的趋势，并且在30 t hm−2处达到最大值。CMI可用于随土壤管理变化的土壤质量评价。因此，施用30 t hm−2生物炭能够更好地提高土壤质量。SOC/TN常用于评价土壤中的N矿化或固定能力[35]。在本研究中，施用生物炭显著提高SOC/TN，这会减少土壤氮素反硝化，增加矿质氮素的保留[36]。SOC/TP常用于表征土壤P矿化能力，较高的SOC/TP说明土壤P有效性可能较低[37]。在本研究中，施用50 t hm−2生物炭显著提高SOC/TP，限制土壤P矿化，进而导致土壤P有效性低。然而，施用30 t hm−2生物炭显著提高土壤AP含量，这与其他施用生物炭提高土壤P有效性[38]的研究结果一致。TN/TP可作为预测土壤养分限制的指标之一[35]，可用来判断土壤养分是否会受到N或P素的限制。本研究中TN/TP值介于1.50 ~ 2.11之间，低于我国土壤TN/TP均值[39]，表明本研究区土壤处于N限制状态。此外，施用50 t hm−2生物炭显著提高TN/TP，这可能由于本研究中施用50 t hm−2生物炭后土壤TN含量显著增加，而土壤TP含量没有变化。
3.2 施用生物炭对土壤C、N和P循环酶活性的影响
土壤酶活性控制着土壤有机质矿化速率和养分循环过程[40]。已有研究表明，施用生物炭可以降低与土壤C矿化[3]等生态过程相关的土壤酶活性。而在本研究中，施用生物炭对与C循环相关的土壤酶活性没有影响。此结果可能由于施用生物炭后土壤KMnO4-C含量增加，满足微生物对碳的充分需求，使得βG活性不发生改变[41]。研究表明，土壤pH值升高会导致碱性磷酸酶活性增加，而酸性磷酸酶活性降低[42]。在本研究中，施用生物炭对ALP活性没有影响，这可能是由于土壤pH值近似中性并且较为稳定（图2c）。此外，B50处理显著提高LAP活性（图3b），这与Bailey等[12]的研究结果相似，即在土壤中添加生物炭可以提高与N循环相关的一系列酶的活性。酶的化学计量数可直接反映微生物利用营养物质的能力[43]。研究表明，土壤胞外酶活性和酶化学计量数常受土壤养分状况的影响，土壤养分状况会改变土壤有效底物和C、N、P的化学计量数[44]。在本研究中，施用50 t hm−2生物炭显著增加（LAP+NAG）/ALP，表明土壤微生物具有更高的N转化能力。
3.3 施用生物炭对土壤DOM含量及其光谱特性的影响
为了定量评价土壤中DOM含量，测定了DOC和DTN作为监测DOM含量的指标。在本研究中，施用生物炭对DOC和DTN浓度没有显著影响。然而，当施用10和50 t hm−2生物炭时，DOC/DTN显著降低。这可能是由于B10处理中DTN含量增加，而B50处理中DOC含量减少（图4a，b，c）。此外，施用生物炭0、10和30 t hm−2时，DOC浓度随生物炭施用量的增加呈现上升趋势，但施用50 t hm−2生物炭时DOC浓度显著低于30 t hm−2。该结果表明，在一定浓度范围内，生物炭施用量越高，DOC浓度越高，这与Zhang等[18]的研究结果相似。研究表明，施用生物炭可增加土壤无机碳含量或碳稳定性，这将有助于提高土壤DOC含量[45]。
FI反映芳香族和非芳香族氨基酸对CDOM荧光强度的相对贡献。在FI < 1.4时，DOM主要来源于外源输入，而在FI > 1.9时，DOM主要由微生物过程产生[25]。在本研究中，FI范围为1.16 ~ 1.21，说明DOM主要来源于陆地输入。BIX反映DOM的生物利用度，BIX值越高表示DOM的生物利用度越高[46]。在本研究中，BIX随生物炭施用量的增加而增加。说明施用生物炭可以提高DOM的生物利用度。HIX代表DOM的腐殖化程度，HIX值越高，腐殖化程度越高，DOM的芳香度也越高[26]。在本研究中，与对照相比，施用生物炭显著降低HIX。随着生物炭施用量的增加，HIX值先减小后增大，在施用30 t hm−2生物炭时为最小值。说明施用30 t hm−2生物炭后，DOM的腐殖化程度最低，复杂度最低，芳香度最低，活性最高。Fn（355）值反映土壤中类腐殖质物质的浓度[23]，SUVA254代表DOM的腐殖化程度[26]，CDOM代表DOM的芳香度[47]。SUVA254值越高，DOM的腐殖化程度越高。CDOM越高，DOM的芳香度越高。在本研究中，SUVA254随生物炭施用量的增加先下降后上升，这与HIX的总体趋势一致。此外，随着生物炭用量的增加，Fn（355）和CDOM先下降后上升，在施用10 t hm−2生物炭时为最小值，并逐渐恢复到与对照相同的水平。上述结果表明，适宜的生物炭施用量（例如，在本研究区域施用10 ~ 30 t hm−2）可以降低DOM芳香度和腐殖化程度，提高活性。
4. 结论
施用生物炭显著提高玉米产量、地上生物量、土壤透水性和溶解有机质（DOM）的生物利用度，显著降低DOM的腐殖化程度。其中，施用生物炭通过改善土壤透水性和碳有效性进而提高作物产量，考虑经济效益，推荐施用10 t hm−2生物炭。同时，施用10 t hm−2生物炭可以降低DOM芳香度和腐殖化程度，提高DOM活性。此外，施用30 t hm−2生物炭可以改善土壤C库稳定性和P养分有效性，也可以降低DOM芳香度和腐殖化程度，提高DOM活性。而施用过量生物炭（例如，在本研究区域施用50 t hm−2）可能会增加土壤盐分含量，并且限制P矿化。
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图 1 不同生物炭用量对玉米产量（a）和生物量（b）的影响
Figure 1. Effects of different biochar application amounts on maize yield (a) and biomass (b）
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图 2 不同生物炭用量对土壤理化性质的影响
Figure 2. Effects of different biochar application amounts on soil physicochemical properties
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图 3 不同生物炭用量对土壤酶活性的影响
Figure 3. Effects of different biochar application amounts on soil enzyme activities
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