秸秆生物质炭对土壤结构体与活性碳分布、转化酶动力学参数及小麦生长的影响

姬 强,马媛媛,刘永刚,王 锐,孙 权,*

1 宁夏大学农学院,银川 750021 2 宁夏农村科技发展中心,银川 750001

我国秸秆资源丰富,每年产生秸秆约6.5亿t,占世界秸秆总量的30%左右[1-3]。秸秆还田作为改善土壤肥力与物理化学性状的一种有效途径被示范推广。然而在实际的应用过程中,秸秆还田措施也暴露出了诸如病虫害严重、温室气体排放增加、作物播种质量下降等问题[4-6]。

生物质炭因其特殊的理化及生物学性质,有望在土壤质量改良、减少温室气体排放、农业废弃生物质资源化利用等方面发挥重要作用。广义地来讲,生物质炭是指植物生物质在少氧的情况下,经高温热解产生的一类具有高度稳定性的芳香化固态物质。在生物质炭输入条件下,土壤有机质的变化存在着不同的研究结果。Wardle等人的研究表明,生物质炭添加会导致土壤中有机质的流失[7],而Schmidt和Noack的研究则发现,生物质炭对碳素的固定能力远远高于秸秆和绿肥等有机质[8]。生物质炭自身的稳定性和惰性并不意味着其是生物学惰性材料。生物质炭能够为微生物生长提供充足的反应表面积,改善土壤强度、容重、土壤持水性等[9-10]。同时,酶的产生也可以促进生物质炭自身芳香族结构的降解,例如转化酶、过氧化氢酶、木质素氧化酶等,作为微生物的碳源利用,从而在土壤中形成有益微循环[11]。生物质炭比表面积巨大、孔隙结构繁多、阳离子交换量高等自身特性,使得生物质炭颗粒输入土壤后易于吸附在土壤粘粒表面,改善土壤结构[12]。生物质炭输入土壤后与土壤结构体的吸附聚合规律还有待进一步研究,这对于土壤结构的改良和土壤肥力的提高具有重要意义。

本试验中,通过电镜扫描与酶动力学方程等方法,研究生物质炭颗粒输入土壤后,土壤团聚体分布及与之相互作用、酶活性与酶动力学、作物生长的变化,探明生物质炭输入后与土壤结构体的吸附聚合机理及对土壤碳素转化和微生物活性的影响,以期为研究区域土壤结构改良和秸秆资源的资源化利用提供理论支持。

1 研究地区与研究方法

1.1 试验区概况

试验点位于西北农林科技大学南校区数控温室试验区(34°15′39.17″N, 108°04′0.55″E),该地区半干旱气候,年平均气温13℃,蒸散量1200 mm,年均降雨量550—650 mm。土壤质地为粘壤,土壤容重1.32 g/cm3,SOC 7.25 g/kg,土壤全氮0.89 g/kg,速效磷8.5 mg/kg,速效钾160 mg/kg,CaCO358 g/kg,pH 8.17。

1.2 试验设计

试验所用小麦秸秆采集于西北农林科技大学农作一站,秸秆基本理化性为：C,40.4%；N, 1.5%；H,6.3%。试验生物质炭委托河南商丘市三利息能源有限公司利用收集的小麦秸秆在700℃下快速热解2 h制备。生物质炭理化性质为：C,51.1%；N,1.7%；H,3.1%；K,0.16%；Ca,1%；Mg,0.62%；比表面积,139.7 m2/g。盆栽试验土壤在试验前过2 mm筛,生物质炭与秸秆粉末过0.15 mm筛,两种碳源材料与土壤充分混匀后装盆。试验共包含7个处理：其中,秸秆添加水平包括：1%,3%,10%(Str1.0,Str3.0,Str10.0),为保证相同C量添加,生物质炭添加水平为：0.8%,2.4%,8%(BC0.8,BC2.4,BC8.0),CK为无外源碳添加处理。试验为完全随机区组设计,各处理重复3次。

试验用盆规格：直径25 cm,高17 cm,每盆土重3.5 kg(干土)。播种量为每盆20粒种子,发芽后定苗10株。试验过程中定期浇水管理以防止水分胁迫。盆栽施肥情况为：尿素 0.53 g、磷酸二氢钙 0.35 g、氯化钾 0.35 g。

1.3 样品采集

采样时间依据Lancashire的 BBCH作物模型[13]选定小麦4个不同生育期：抽叶期(leaf development)、拔节期(stem elongation)、开花期(flowering)、成熟期(ripening)。在小麦的4个生育期采集土壤鲜样,过2 mm筛后保存于4℃冰箱中待测。小麦收获后采集土壤水稳性团聚体分级所用原状土,土壤略潮湿时,倒置花盆于铺好的塑料纸上,轻拍盆地,土块即可完整脱落,随后用手掰取土块内部无扰动的心土,装于木质盒中,避免碰撞带回实验室等待测定。

1.4 测定方法与数据处理

土壤不同粒级水稳性团聚体,采用Six的湿筛法[14]进行分级。粒级包括WSA >2,0.25—2,0.05—0.25,<0.05 mm 4个粒级。称取100 g风干原状土样,首先放于2 mm筛上浸湿10分钟,随后通过团聚体分析仪进行分级,分级频率为30 冲程/min,分级时间5 min。湿筛后,收集不同粒级团聚体并在50℃下烘干,称重。

生物质炭与不同粒级土壤水稳性团聚体WSA相互作用情况采用电镜扫描观察(JSM-6360LV Scanning Electron Microscope,JEOL Ltd., Japan),射束能量为30 kV。

溶解性有机碳(DOC)采用Ghani的方法测定[15]：秤取10 g 土壤鲜样于100 mL超纯水中震荡30 min,随后于10000转速下离心15 min。离心后的土壤上清液在6 kPa压力下过0.45 μm微孔滤膜抽滤。微生物量碳(MBC)采用熏蒸法测定：MBC含量通过熏蒸与未熏蒸土壤中的溶解有机碳差值计算(除以0.45系数)。DOC与MBC分离的土壤浸提液上TOC仪(TOC-VCPH,Shimadzu Scientific Instruments, Tokyo, Japan)测定有机碳含量。

土壤转化酶活性测定采用磷酸二氢钠-钼溶液比色法测定；土壤酶动力学利用以Michaelis-Menten方程为基础的经典稳态动力学拟合。

式中,V为酶活性,S为底物浓度,Km为反应常数,Vmax为反应速率。土壤转化酶动力学,采用小麦收获期根际土样测定,测定条件同于酶活性测定方法,底物浓度包含不同梯度,分别为：0.005、0.01、0.05、0.1 mol/L 的蔗糖溶液。

小麦不同生育期净光合速率通过LI-6400XT光合仪(Protable Photosynthesis System,美国LI-COR)进行测定；小麦产量(13.5%谷物含水量)在小麦自然风干后称重统计。

试验数据采用Excel 2007初步分析,数据经正态分布检验后的方差分析、多重比较(LSD法)相关性分析采用SAS 8.1软件,相关图形绘制采用Origin 9.0与Excel软件。

2 结果与分析

2.1 外源碳输入下土壤团聚体(WSA)分布及与之相互作用

图1 外源碳输入下土壤各粒级水稳性团聚体分布Fig.1 Water-stable aggregates distribution as affected by exogenous carbon applicationsBC0.8、BC2.4、BC8.0分别为生物质炭在0.8%、2.4%、8.0%水平下添加; Str1.0、Str3.0、Str10.0分别为秸秆在1.0%、3.0%、10.0%水平下添加;CK为对照处理;不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

外源碳输入条件下,土壤各粒级水稳性团聚体分布情况如图1所示。生物质炭(BC)输入处理下,土壤大颗粒团聚体(>0.25 mm)相对于对照都有所增加,而小颗粒团聚体(<0.25 mm)则呈现相反规律。生物质炭在较大添加水平下(BC2.4和BC8.0),大颗粒团聚体含量分别显著增加了16.9%和45.8%；与之相反,生物质炭的大量输入(BC8.0)降低了土壤小颗粒团聚体的分布,降幅为13.5%。秸秆碳的输入则显著增加了土壤中大颗粒团聚体的形成与累积,土壤大颗粒团聚体含量相对于对照依次显著增加了65.1%—208%；小颗粒团聚体含量则显著降低了19.2%—61.5%,且变化幅度皆呈现出Str1.0

高温裂解生物质炭材料的结构电镜扫描如图2所示,孔隙结构丰富,蕴涵巨大比表面积。本研究中生物质炭经粉碎并过0.15 mm筛后输入土壤,从而使得生物质炭可以在土壤大颗粒(>0.25 mm)和小颗粒(<0.25 mm)团聚体中自由结合分布。在本研究的前期工作中,虽然揭示出生物质炭的输入促进了土壤中大颗粒水稳性团聚体组分的形成,而小颗粒团聚体组分与生物炭的吸附聚合较少[16]。然而并未对其与各粒级土壤结构体的作用强弱进一步分析。因此,在前期研究的基础上,对湿筛过程水流破碎作用后的土壤结构体进行电镜扫描观测发现,仅在>0.25mm的大颗粒团聚体电镜扫面图中可捕捉到生物质炭与土壤颗粒的结合(图3),而在小颗粒团聚体中则无法捕捉到两者的吸附,表明生物质炭与土壤>0.25mm大颗粒团聚体的吸附聚合作用强于其他粒级的土壤结构体。

图2 生物质炭电镜扫描图[16] Fig.2 Scanning electron microscope picture of biochar particles[16]

图3 土壤大颗粒团聚体组分中生物质炭与土壤颗粒的吸附聚合作用Fig.3 Adsorption-chelation between soil aggregate and biochar particle in soil macro-aggregates fraction

2.2 外源碳输入下土壤微生物量碳(MBC)和溶解性有机碳(DOC)的变化

相对于对照,生物质炭较低添加水平下(BC0.8和BC2.4),土壤MBC含量显著增加了9.7%—33.6%(图4),且MBC增幅与生物质炭输入量成反比。生物炭过量添加条件下(BC8.0),土壤MBC含量则下降了15.6%,表明生物质炭较低量添加可以提高土壤中微生物量碳的累积,然而当较高热解温度制备的生物炭质炭过量添加时,其自身理化性状则会对微生物代谢繁殖产生较强抑制作用。

在生物质炭较低添加水平下(BC0.8和BC2.4),土壤DOC含量平均下降了12.6%—27.5%,且下降幅度与生物质炭添加水平成反比。生物炭过量添加条件下(BC8.0),土壤DOC含量则增加了24.9%,这与相同处理下土壤MBC含量变化规律相反,但其表征的意义相同, DOC作为土壤微生物可以直接利用的碳源,其含量的显著增加,表明微生物活性在生物质炭过量输入时受到了显著的抑制。

在秸秆碳输入条件下,土壤DOC与MBC含量变化规律相同,当秸秆碳在较低输入水平时(BC0.8和BC2.4),土壤DOC与MBC平均含量相对于对照显著增加了21.7%—48.6%,表明较低秸秆添加量促进了土壤微生物对碳源的利用效率；然而当秸秆碳过量添加时(BC8.0),土壤DOC与MBC平均含量相对于对照则增加了约4倍以上,土壤中秸秆碳源的分解潜力依然较大。

图4 外源碳输入下小麦不同生育期土壤微生物量碳和溶解性有机碳含量Fig.4 Microbial biomass carbon and dissolved organic carbon contents affected by exogenous carbon applications in different wheat growth stages

2.3 外源碳输入对土壤转化酶活性及其动力学参数的影响

外源碳输入下,小麦各生育期土壤转化酶活性变化如表1所示。在小麦生育期初期,土壤转化酶活性相对于对照显著增加了6.9%—41.5%,且增加幅度随生物质炭添加量的增加而增大(BC0.8

不同外源碳输入后土壤转化酶动力学参数的变化进一步验证了以上试验结果(表2)。相对于对照,不同生物质炭添加水平下Km下降了15.3%—19.7%(BC2.4

表1 外源碳输入下小麦不同生育期土壤转化酶活性/(μg g-1 h-1)

BC0.8、BC2.4、BC8.0分别为生物质炭在0.8%、2.4%、8.0%水平下添加;Str1.0、Str3.0、Str10.0分别为秸秆在1.0%、3.0%、10.0%水平下添加;CK为对照处理

表2 外源碳输入下土壤转化酶动力学参数

Km、Vmax、k分别为米氏常数、最大反应速率、速率常数

2.4 外源碳输入对小麦光合作用与产量的影响

生物质炭或秸秆碳添加下小麦的净光合速率,与外源碳类型紧密相关(图5)。生物质炭输入显著提高了小麦净光合速率(18.9%—66.1%),且增幅随生物质炭添加量的增加而增大。生物质炭适量输入条件下(BC0.8和BC2.4),相对于对照,小麦产量分别显著增加了14.9%和19.1%,而生物质炭过量输入条件下,小麦产量变化则不显著。

秸秆碳源输入条件下,随秸秆添加量的增加,小麦净光合速率显著低于生物质炭添加处理,且随着秸秆输入量的增加,小麦净光合速率逐渐降低(图5)。秸秆的适量输入条件下(Str1和Str3),小麦净光合速率分别显著增加了26.0%—29.9%和18.7%—22.4%,而秸秆的过量输入(Str10)则显著降低了小麦的净光合速率(20.4%)。秸秆碳源仅在较低量输入条件下(Str1),显著提高了小麦产量(6.0%),而随着秸秆添加量的逐渐增大,小麦产量则显著降低了(37.3%—90.1%),表明秸秆仅在1%的少量输入时可以有效增加小麦产量,而其较大量添加则会抑制小麦生长和产量的增长。

图5 外源碳输入对小麦产量及不同生育期净光合速率的影响Fig.5 Wheat yield and net photosynthetic rate in different wheat growth stages affected by exogenous carbon applications

2.5 外源碳输入下土壤结构体分布与作物生长指标间相关性

生物质炭和秸秆碳输入条件下,土壤水稳性团聚体、MBC、DOC与土壤转化酶活性、小麦净光和速率、小麦产量间相关性如表3所示。其中,生物质炭添加条件下,土壤WSA>2 mm与土壤转化酶活性极显著正相关；土壤MBC与小麦产量极显著正相关；土壤WSA 0.25—2 mm与小麦产量呈显著正相关关系。秸秆碳添加条件下,土壤MBC、DOC与小麦产量呈极显著负相关关系；土壤WSA>2 mm与小麦产量极显著负相关；小麦净光和速率与土壤WSA 0.05—0.25 mm呈显著负相关关系。

表3 外源碳输入下土壤结构体与作物生长指标间相关系数(n=9)

Table 3 Correlation coefficients between soil water-stable aggregate distribution and crop growth indicators in exogenous carbon applied treatments (n=9)

生物质炭输入处理 Biochar applied treatments>2 mm土壤水稳性团聚体0.25—2 mm土壤水稳性团聚体0.05—0.25 mm土壤水稳性团聚体<0.05 mm土壤水稳性团聚体微生物量碳溶解性有机碳土壤转化酶活性Soil invertase activity 0.7961∗∗0.5634-0.41620.57820.3126 0.2487净光合速率Net photosynthetic rate-0.59840.26380.3155-0.23610.1277-0.3357小麦产量Wheat yield0.16390.7448∗0.10250.5422 0.8169∗∗ 0.5418秸秆碳输入处理 Straw applied treatments>2 mm土壤水稳性团聚体0.25—2 mm土壤水稳性团聚体0.05—0.25 mm土壤水稳性团聚体<0.05 mm土壤水稳性团聚体微生物量碳溶解性有机碳土壤转化酶活性Soil invertase 0.18850.45570.42100.24870.26170.4551净光合速率Net photosynthetic rate0.13520.4267-0.6797∗0.2231-0.1146-0.3458小麦产量Wheat yield-0.9407∗∗0.22710.61650.7246∗-0.8697∗∗-0.8697∗∗

*P<0.05; **P<0.01

3 讨论

生物质炭相对于秸秆等传统有机物,具有更高的物理化学稳定性,对土壤结构性状的影响也更加持久[17-18]。本研究中,生物质炭和秸秆的输入都显著增加了土壤中>0.25 mm的大颗粒土壤团聚体的形成,但生物质炭对土壤结构的影响更加“温和”,即时在生物质炭较大量输入时,土壤中也未产生>2 mm的较大颗粒土壤团聚体,而是形成以>0.25 mm大颗粒团聚体为主的土壤结构体。生物质炭输入下土壤结构体的电镜扫描结果表明,生物质炭所具有的丰富孔隙结构导致其与土壤颗粒的相互作用也是稳定的,这种相互作用即使在湿筛过程水流的破碎作用下,依然可以捕捉到两者的结合。除此之外,本研究相关性分析结果表明生物质炭输入条件下,土壤0.25—2 mm大颗粒团聚体的产生有助于土壤结构的改善与小麦产量的增加；而秸秆的过量添加则会产生过大土壤团聚体的累积,导致土壤结构恶化与小麦产量的降低,这也进一步验证了上面的推论。秸秆碳源的输入则导致土壤结构体主要形成以>2 mm的较大颗粒土壤团聚体为主,土壤孔隙变大；另一方面,有机物质具有疏水性,使得产生的土壤结构体更加不易破碎,在灌溉或降雨条件下,极易产生土壤水分和养分的淋失现象,在连年秸秆输入量较大的土壤上甚至会造成黄苗或死苗的现象。土壤团聚体是由矿物质与有机质在电荷和范德瓦尔斯力作用下凝聚而成,其形成过程受土壤中有机物质的影响较大[19]。生物质炭由于自身所蕴含的高阳离子换量与芳香族物质,在添加进土壤后,可以有效促进土壤矿质颗粒与生物质炭颗粒的吸附聚合。Lin等人的研究发现,这种凝聚作用是由生物质炭表面芳香族物质形成的“阳离子桥”产生[20]。通过电境扫描的进一步观测发现,在>0.25 mm的大颗粒团聚体中,即使在湿筛水流的冲刷下,也无法完全破坏生物质炭与土壤矿质颗粒的吸附聚合作用,而其他粒级的土壤团聚体中则无法观测到以上现象。这表明生物质炭对土壤结构的改变,主要通过形成>0.25 mm的大颗粒团聚体而实现,该形态是生物质炭与土壤矿质颗粒形成的稳定态,更有助于土壤中有机物质的固定。而秸秆碳源的大量有机质添加带来的疏水性,使得团聚体的可湿性降低,更难被矿化[21-22],形成了>2mm粒级更大的土壤结构体。

本研究表明生物质炭较低量添加可以提高土壤中微生物碳源的累积,然而当较高热解温度制备的生物炭质炭过量添加时,其自身理化性状则会对微生物活性产生较强抑制作用。这与Demisie等的研究结果相一致,该研究发现当生物质炭在低量添加条件下,土壤中MBC的含量却为最大[23]。与之不同,在秸秆碳输入条件下,较低的秸秆添加量促进了土壤微生物对碳源的利用效率；当秸秆碳过量添加时,土壤中秸秆碳源的分解潜力较大,会产生秸秆自身降解与微生物代谢活动之间的显著竞争作用。为了进一步验证以上结论,本研究通过对不同外源碳输入后土壤转化酶活性及其动力学参数的变化规律研究发现：在小麦生长前期,生物质炭添加会产生对土壤转化酶活性的激发作用。这归因于生物质炭自身的多孔隙结构成为了微生物繁殖代谢的有利小环境,有益于土壤微生物活性的提高。而在生物质炭输入后期随着可被微生物直接利用碳源的逐步消耗,高热解温度制备的生物质炭所蕴含的芳香族等有害物质则会对微生物活性产生显著的抑制[24-25]。另一方面,由土壤转化酶动力学参数的变化规律可知,生物质炭输入降低了土壤转化酶-酶促反应速率,有机物质转化循环变缓,碳素在土壤中的存留时间变长。而生物质炭的过量添加则会造成转化酶催化能力(Vmax/Km)降低。相对于生物质炭,秸秆碳源的低量输入,使得土壤转化酶与底物的亲和能力大幅增加,这归因于秸秆碳相对于生物质炭,其分解过程可以产生更多的脂肪族易降解物质,增强了转化酶与底物的结合。

生物质炭对小麦光合与产量的影响规律可以看出,生物质炭在2.4%水平的适量输入,对小麦生长及产量的促进作用最强；而其过量添加则会造成生物质资源的大量浪费。这是由于生物质炭在少量输入时,其化学结构特性有利于提高土壤对水分与养分的保持能力,尤其以氧化后的生物质炭更为突出[26]。当生物质炭过量添加时,土壤中N素供应与C输入的高度不对称,造成土壤有机物质转化缓慢,作物生长受到抑制。秸秆碳适量输入条件下,小麦的光合作用受到显著促进,而过量输入则会对作物生长造成显著的抑制作用。这是由于在秸秆大量添加时,秸秆在分解过程中产生的腐殖酸物质,将尚未分解的有机物质牢牢束缚在了更大粒级的大颗粒团聚体中,土壤水分与养分向下流失严重,作物受干旱胁迫的风险加大,生长受到抑制。王法宏等人研究表明,过量的秸秆输入,会加剧土壤中养分的消耗,降低养分的作物有效性[27]。土壤结构指标与小麦生长指标间的相关性分析结果进一步表明,生物质炭输入会促进土壤转化酶活性及>0.25 mm大颗粒团聚体的分布,从而改善土壤结构性状与作物的生长。而秸秆碳输入条件下,则会导致>2 mm粒级的大颗粒团聚体的形成,土壤结构性状恶化,易造成土壤养分淋失现象,从而抑制作物生长和产量的提高。

4 结论

(1) 生物质炭对土壤结构的改善效果强于秸秆碳源。生物质炭输入土壤后通过增加土壤>0.25 mm粒级的大颗粒团聚体改善土壤结构,而秸秆碳源的大量输入则易促进土壤>2 mm的更大颗粒团聚体形成,使得土壤孔隙增大,造成土壤养分和水分的淋失,不利于土壤结构改善。

(2) 生物质炭添加初期对土壤转化酶活性存在激发效应,而输入后期降低了土壤转化酶-酶促反应速率,有机物质转化循环变缓,碳素在土壤中的存留时间变长；秸秆碳源在输入土壤初期会呈现出自身降解与微生物活性之间的竞争关系,且不利于土壤中复杂有机物质的产生。

(3) 生物质炭和秸秆碳源的过量添加都会造成对作物生长的抑制作用。其中生物质炭过量输入是基于对土壤有机质转化过程的抑制,而秸秆碳源的过量输入则是基于土壤结构的恶化和秸秆自身降解与微生物代谢之间的竞争关系。