基于不同施肥模式添加生物炭后菜地土壤CO2释放特征及不同形态碳含量变化

魏雪勤，孙　楠，张旭博，张崇玉，王道龙，申华平

（1贵州大学生命科学学院，贵阳 550025；2中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部作物营养与施肥重点开放实验室，北京 100081）

基于不同施肥模式添加生物炭后菜地土壤CO2释放特征及不同形态碳含量变化

魏雪勤1，2，孙楠2，张旭博2，张崇玉1，王道龙2，申华平2

（1贵州大学生命科学学院，贵阳 550025；2中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部作物营养与施肥重点开放实验室，北京 100081）

【目的】研究4种常规施肥模式下，添加生物炭后菜地土壤（褐潮土）CO2释放量、可溶性有机碳（DOC）和微生物生物量碳（SMBC）含量的变化，阐明添加生物炭对土壤CO2释放及不同形态碳的影响。【方法】采用室内恒温好氧培养-气象色谱测定方法，在不施肥（CK）、施有机肥（M）、施化肥（F）、有机无机混施（M+F）4种模式下投入2%和4%（质量比：生物炭/土壤干重）生物炭，定期采集气样和土样，分析土壤CO2的释放量及DOC、SMBC含量的动态变化，并分析DOC、SMBC含量变化与CO2释放量变化之间的相关关系。【结果】在F和M+F基础上，添加生物炭处理的土壤CO2释放速率在培养前期（2—8 d）显著高于未添加生物炭处理，而在10—60 d，二者CO2释放速率无显著差异；在CK和M基础上，添加与未添加生物炭处理在整个培养期间CO2释放速率没有显著差异。在CK基础上，添加2%和4%生物炭后CO2累积释放量分别为2 839和3 272 mg·kg-1，与CK（3 134 mg·kg-1）相比均无显著差异；而在F和M+F基础上，添加2%和4%生物炭后CO2累积释放量均显著提高，分别提高20.6%和19.8%、29.9%和40.7%。相关分析表明，未添加生物炭处理DOC、SMBC含量与CO2释放量之间无相关关系，而添加生物炭处理DOC、SMBC含量与CO2释放量极显著相关。【结论】将生物炭单独投入未施肥土壤中，土壤CO2排放量未出现明显增加或降低；在有机肥基础上添加生物炭，土壤CO2排放量随着生物炭投入量的增加而增加；在化肥、有机无机配施基础上添加生物炭后，土壤CO2排放增加比例最高。

施肥模式；生物炭；CO2；可溶性有机碳；微生物生物量碳

0　引言

【研究意义】气候变暖已经成为全球普遍关注的热点问题，CO2作为最重要的温室气体，对全球温室效应的贡献率达到50%—60%。据估计，大气中CO2约有20%来自农业活动及其相关过程［1］。因此，通过采取适当措施减缓农业生产活动中CO2的释放迫在眉睫。【前人研究进展】将农林废弃物经高温厌氧裂解进行资源化再利用成为缓解能源压力和改善环境的有利措施［2］，在该过程中的固体产物—生物炭，施用于土壤生态系统后在改良土壤性质［3］、提高土壤碳汇［4］和控制农田温室气体［5］方面具有巨大应用潜力，近几年来一直是土壤学和环境科学的研究热点［6］。然而，关于生物炭输入土壤生态系统对农田温室气体排放的影响仍然存在许多争议，而这种争议主要是与制备生物炭的原材料、生产工艺以及土壤类型等因素有关［2］。目前关于生物炭与农田土壤温室气体排放的研究重点主要围绕在哪些生产工艺（制备温度、持续时间等）［7-8］、原材料［9］制备的生物炭最适合施用在土壤生态系统，或某种土壤适合哪些类型的生物炭［7］。目前已有学者开展了关于有机肥混施生物炭的研究，但研究内容主要集中在添加生物炭对堆肥过程、效果以及养分释放的影响［10-11］等方面。此外，目前少有的研究结果中，生物炭配施有机物料对土壤CO2释放量影响的结果存在较大争议。如NOVAK等［12］通过单施生物炭以及配施柳枝稷研究对土壤CO2释放量的影响，结果发现单施生物炭降低砂土中CO2的排放，而配施柳枝稷提高土壤CO2的排放；而EL-NAGGAR等［13］研究结果发现与有机肥相比，生物炭与有机肥混施对CO2释放没有显著影响。【本研究切入点】目前对于生物炭添加到土壤中是否增加CO2排放存在很大的不确定性，甚至有相反的结论，而对于不同施肥模式下添加生物炭后土壤系统CO2的释放更是鲜有研究。【拟解决的关键问题】通过室内培养试验研究不施肥（CK）、施有机肥（M）、施化肥（F）、有机无机混施（M+F）模式下添加不同用量生物炭后，土壤微生物生物量碳（SMBC）、可溶性有机碳（DOC）及CO2释放特征，旨在为不同施肥模式下通过合理添加生物炭，减少CO2排放提供科学依据。

1　材料与方法

1.1供试材料

试验所用土样于2014年9月采自于北京市顺义区北务镇康鑫源生态农业观光园（东经116°49′52″，北纬40°12′03″）大棚内的土壤（0—20 cm）。试验区土壤属褐潮土，土壤基本理化性质如下：有机质23.58 g·kg-1，全氮1.44 g·kg-1，全磷1.90 g·kg-1，全钾14.07 g·kg-1，pH 7.22。所取土壤除去杂物，自然风干后，研磨过2 mm筛备用。本试验所用的商品有机肥由北京市美施美生物科技有限公司生产；尿素，中国国药集团；生物炭，辽宁省金和福农业开发有限公司生产的商业生物炭。商品有机肥和生物炭风干后均过2 mm筛备用，各有机物料的基本性质见表1。

1.2试验设计

试验设12个处理：（1）CK；（2）3%（质量比：有机肥/土壤干重）商品有机肥（M，参照大田施用量）；（3）尿素（F，等氮量）；（4）商品有机肥混施尿素（M+F）；（5）2%（质量比：生物炭/土壤干重）生物炭（B1，参照大田施用量）；（6）4%（质量比：生物炭/土壤干重）生物炭（B2）；（7）M混施2%生物炭（M+B1）；（8）M混施4%生物炭（biochar）（M+B2）；（9）F混施2% biochar（F+B1）；（10）F混施4% biochar（F+B2）；（11）M+F混施2% biochar（M+F+B1）；（12）M+F混施4% biochar（M+F+B2）。

表1　添加物料的基本性质Table 1　Basic properties of materials used

培养试验于2015年8—10月在中国农业科学院农业资源与农业区划研究所农业部作物营养与施肥重点实验室进行。试验首先进行预培养，具体操作如下：称取过2 mm筛的风干土边加入蒸馏水边搅拌，调节土壤含水量约为田间持水量的60%，混合搅拌均匀后放入培养箱，调节培养箱的温度和相对湿度分别为25℃和60%，黑暗条件下培养7 d。

预培养结束后，称取71.3 g鲜土置于300 mL培养瓶中，于不同处理的培养瓶中依次加入不同量的物料，不同物料的碳投入量见表2。添加物料后用玻璃棒充分搅拌混匀，盖紧带有三通阀的橡皮塞，于25℃恒温培养箱中进行培养并计时，培养周期为60 d。定期称取培养瓶的质量，向培养瓶中加入适量蒸馏水，以保证土壤的含水量。

每个处理设16个重复，4个用于气体的采集，其余12个在培养12、24、36和60 d后采用破坏式取样法分析测定土壤可溶性有机碳（DOC）、土壤微生物量碳（SMBC）。

1.3样品测定方法

1.3.1气体收集与测定培养试验开始后第1天间隔12 h取样，第2—7天每天取样，第8—20天间隔2 d样，第20—30天间隔3 d取样，第30—60天间隔5 d取样，累积取样25次。气体取样方法、测定等操作参照张旭博等［14］；所取气体样品均在24 h内用气相色谱（Agilent 7890）测定CO2浓度。气象色谱工作条件如下：CO2测定检测器为FID，温度250℃，柱箱温度60℃，辅助区（镍触媒催化转化器）温度375℃，H2流量60 mL·min-1，空气流量500 mL·min-1，N2流量为2 mL·min-1。

表2　试验不同施肥处理C投入量Table 2　The C inputs in different treatments

1.3.2土壤性质的测定土壤有机碳采用重铬酸钾容量法［15］；土壤全氮采用半微量开氏法［15］；TP采用NaOH熔融-钼蓝比色法［16］；TK采用原子吸收分光光度法［16］；pH采用电极电位法，水土比为2.5∶1。土壤SMBC测定采用氯仿熏蒸，0.5 mol·L-1K2SO4直接提取法［17］，计算方法参照张旭博等［14］。可溶性有机碳（DOC）的测定采用K2SO4提取法［18］。

1.4数据处理与统计分析

CO2产生速率用公式如下［14］：

式中，F为CO2产生速率（mg·kg-1·h-1），V为培养容器中气体体积（L），m为土壤样品干重（kg），Qt和Q0为室温下气象色谱法检测CO2浓度（CO2/Air，×10-6mol·mol-1），t为培养时间（h），M0为CO2-C摩尔质量（g·mol-1），T为培养温度（℃）。

2　结果

2.1不同施肥模式下添加不同用量生物炭土壤中CO2释放特征

如图1所示，在整个培养期内，各处理的CO2释放速率动态变化不同，但总体趋势是前期速率较快，中后期速率缓慢。比较4种施肥模式下添加生物炭对土壤CO2释放速率的影响发现，在培养前期（2—8 d），F和M+F处理CO2释放速率分别为1.93—5.13 mg·kg-1·h-1和1.91—5.56 mg·kg-1·h-1，而添加生物炭后CO2释放速率分别为2.10—8.86 mg·kg-1·h-1和2.80—11.37 mg·kg-1·h-1，说明在F和M+F模式下添加生物炭显著提高土壤CO2释放速率；而在CK和M处理添加生物炭后，CO2释放速率并没有显著变化。值得注意的是M、F和M+F 3种处理下，0—0.5 d CO2平均释放速率分别为6.37、20.50和20.11 mg·kg-1·h-1，添加生物炭后CO2释放速率分别为6.15、12.93和17.07 mg·kg-1·h-1，显著低于各自对照处理土壤的CO2释放。在10—60 d，4种施肥模式下添加生物炭与未施生物炭相比，未显著影响土壤CO2释放速率。

比较不同施肥模式下生物炭添加量对CO2释放速率的影响发现，只有在F和M+F两种施肥模式下的培养前期（2—8 d），2%和4%生物炭添加量土壤CO2释放速率之间具有显著差异，表现为随着生物炭添加量的增加，CO2释放速率显著增加。

图1　不同施肥模式下添加不同用量生物炭土壤CO2-C释放速率Fig. 1　The evolved rates of CO2-C released in different treatments with different applied biochar rates

如图2所示，培养60 d结束后，比较4种施肥模式下添加2%和4%生物炭土壤CO2累积释放量，可看出添加生物炭对土壤CO2累积释放量影响与施肥模式有关。F和M+F处理在培养结束后CO2累积释放量分别为2 660和3 099 mg·kg-1，添加2%生物炭后CO2累积释放量显著提高了20.6%和29.9%；添加4%生物炭后CO2累积释放量分别提高19.8%和40.7%，且2%和4%生物炭添加量之间CO2累积释放量无显著差异。CK和M模式下，添加2%生物炭CO2累积释放量分别为2 839和4 531 mg·kg-1，与各自对照（3 134和4 196 mg·kg-1）相比没有显著差异；添加4%生物炭后CO2累积释放量分别为3 272和4 875 mg·kg-1，仅M模式下显著提高了CO2释放量，且添加2%和4%生物炭土壤CO2累积释放量随着生物炭添加量的增加而显著增加。

图2　培养期间不同处理CO2-C累积释放量Fig. 2　The accumulative rate of CO2-C released under different treatments in the incubation period

2.2不同施肥模式下添加不同用量生物炭土壤不同形态碳变化特征

随着培养时间的延长，土壤DOC含量呈现逐渐下降的趋势（图3）。比较不同施肥模式下添加生物炭后DOC含量变化，结果显示，CK和M模式下添加4%生物炭后，除在第24天时显著提高M模式中DOC含量外，其他时间不同生物炭添加量对土壤DOC含量与各自对照相比均没有影响；在F和M+F模式下，添加4%生物炭处理培养24、36和60 d土壤DOC含量分别为116.3—156.7 mg·kg-1和159.8—215.9 mg·kg-1，与各自对照130.1—175.2 mg·kg-1和168.9—225.3 mg·kg-1相比显著降低土壤DOC含量，而2%生物炭添加量对DOC含量没有影响。

由图4可知，添加生物炭对SMBC含量的影响随培养时间的变化而变化。CK和M模式下，添加2%和4%生物炭在培养24 d时，土壤SMBC含量分别为452.3和450.1 mg·kg-1、550.7和449.2.0 mg·kg-1，与未添加生物炭（153.4和277.0 mg·kg-1）相比，极显著提高SMBC含量；培养结束时，添加2%生物炭降低了SMBC含量，添加4%生物炭对SMBC含量无影响。F和M+F模式下，添加2%和4%生物炭在培养24 d时，对SMBC没有影响；在培养结束时，添加2%和4%生物炭土壤SMBC含量分别为156.8和152.4 mg·kg-1、242.4和257.2 mg·kg-1，与未添加生物炭处理（109.8和211.1 mg·kg-1）相比，均显著增加SMBC含量。

2.3不同处理土壤DOC、SMBC含量变化与CO2累积释放量的相关性分析

相关分析表明，施肥处理中DOC和SMBC含量与CO2累积释放量之间没有相关性（R2＜0.160），即4种施肥模式下土壤系统中DOC、SMBC含量的变化并不能反映CO2释放量也发生相应变化；添加生物炭处理中DOC和SMBC含量与CO2累积释放量之间极显著相关（R2＞0.254）（图5），说明添加生物炭改变了DOC和SMBC的含量，可能对土壤CO2释放量产生一定的影响。

图3　培养期间不同处理DOC含量动态变化Fig. 3　The dynamics of DOC content in different treatments during incubation

图4　培养期间不同处理土壤SMBC含量动态变化Fig. 4　The dynamic changes of SMBC in different treatments during incubation

图5　不同处理土壤DOC、SMBC含量与CO2累积释放量之间的相关性分析Fig. 5　The correlation among DOC， SMBC and CO2emissions in different treatments

3　讨论

不同施肥模式下，添加生物炭对CO2释放速率的影响随培养时间的变化而变化。培养最初0—0.5 d，M、F和M+F模式下添加生物炭处理降低土壤系统中CO2释放速率，可能是由于在各个施肥模式下添加生物炭后经充分混匀，打破原系统的稳定，生物炭丰富的多级孔隙结构和巨大比表面积［19］有利于暂时吸附土壤和有机肥中易分解的有机碳，因此，土壤CO2的释放速率暂时低于不施生物炭处理。随着培养时间的延长（2—8 d），混合的土壤系统逐渐趋于稳定，不同施肥模式下生物炭的输入为系统带来易分解有机碳［20-21］和大量复杂的芳香族化合物［22-24］，丰富了土壤有机碳库，改变了土壤碳库组分的比例，可能是影响土壤有机碳矿化速率变化的原因［25］。在F和M+F模式下，由于化肥氮的添加，为微生物提供了充足的氮源，促进了微生物的活性，微生物为维持自身C/N，对土壤原有易分解碳以及生物炭所带入的易分解组分，通过“共代谢途径”进行分解［26-28］；10—60 d，在F和F+M中添加生物炭对土壤CO2释放速率与未添加生物炭没有显著差异，一方面可能是因为随着培养时间延长，“共代谢途径”减弱，土壤系统趋于平衡；另一方面可能因为生物炭在进入土壤系统中发生的“老化”现象［25］，表面官能团［29-30］、孔隙度［31］等特性发生变化，降低了生物炭的活性。BRUUN等［32］报道了黑炭在5 d内发生迅速降解，随后一段时期内表现出缓慢的CO2产生速率，HILSCHER等［33］的短期培养试验显示，黑麦草和松木制备的生物炭在施入土壤后，生物炭自身易降解组分有80%的降解发生在最初的3周，剩余20%的组分在其后的4周内逐渐降解。本研究结果表明添加生物炭土壤系统中CO2释放速率特征，与上述研究一致。

4种施肥模式下，添加4%生物炭处理均增加土壤系统中CO2累积释放量，其中F和M+F模式下，CO2累积释放量增加最多，其原因可能是生物炭本身少量易分解有机碳的矿化和氮素的添加产生“共代谢途径”促进生物炭中碳组分的分解，从而促进CO2释放量的增加；对于CK和M模式来说，添加4%生物炭导致CO2累积释放量的增加可归因于生物炭本身所携带的易分解有机碳的分解［34］。在CK和M模式下，2%生物炭添加量对CO2释放速率及累积释放量均没有显著影响，可能是因为添加少量生物炭中易分解有机碳矿化导致CO2释放量的增加与土壤系统中CO2释放量相差非常小［22］，故影响不显著。YIN［24］等认为生物炭施用量的不同会导致土壤矿化碳的不同。而在F和M+F模式下，添加2%生物炭显著提高CO2累积释放量，表明在这两种施肥模式下即使添加少量生物炭，微生物和酶对生物炭的的共代谢作用产生CO2释放量的增加与对照相比已达到显著差异。

相关性分析结果表明，未添加生物炭时DOC和CO2释放量两者并没有相关关系，即未添加生物炭时各处理中DOC含量的变化不足以改变CO2释放量，也就是说DOC含量的变化并不能完全解释施肥处理间CO2释放量的差异；而添加生物炭的各处理中，DOC含量与CO2释放量相关性极显著，表明生物炭中所含DOC含量的改变，可改变CO2的累积释放量，增加的DOC含量成为影响CO2排放的因子之一。

生物炭本身的物理、化学和生物学特性以及施入土壤对土壤理化性质的影响均会影响CO2气体的释放［6，22，35］，本文仅是从添加生物炭后土壤DOC、SMBC含量的变化方面阐述对CO2释放量的影响，从相关分析结果可知，生物炭添加后DOC、SMBC含量的变化可能是CO2释放量发生变化的原因之一，今后的研究中应加强对具体机制更深层次的研究。另外，不同施肥模式下生物炭的最优投入量也需要进一步探讨。

4　结论

将生物炭单独投入未施肥菜地土壤中，土壤CO2排放量未出现明显增加或降低；在有机肥基础上添加生物炭，土壤CO2排放量随生物炭投入量的增加而增加；在化肥、有机无机配施基础上添加生物炭后，土壤CO2排放增加比例最高。因此，在施肥和生物炭的共同作用下，土壤碳的分解和转化速率可能发生了变化。

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（责任编辑赵伶俐）

Characteristics of CO2Emissions and Changes in Carbon Fractions after Application of Biochar Under Various Fertilization Regimes in Vegetable Soil

WEI Xue-qin1，2，SUN Nan2，ZHANG Xu-bo2，ZHANG Chong-yu1，WANG Dao-long2，SHEN Hua-ping2
（1College of Life Sciences， Guizhou University， Guiyang 550025；2Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，
Chinese Academy of Agricultural Sciences/Ministry of Agriculture Key Laboratory of Crop Nutrition and Fertilization，Beijing 100081）

【Objective】In order to clarify the effects of application of biochar on soil CO2emissions and changes in different forms of organic carbon， soil CO2emissions and dynamics of dissolved organic carbon （DOC） and microbial biomass carbon（SMBC） were measured after application of biochar under various fertilization regimes.【Method】An incubation was designed to investigate the CO2emission and dynamics of DOC and SMBC after application of 2% （biochar/dry soil） and 4% biochar under various fertilization regimes （no fertilizer （CK）， organic manure （M）， inorganic fertilizer （F）， M+F）. The correlation among DOC，SMBC and CO2were analyzed.【Result】 In the F and M+F treatments added with biochar， soil CO2emission rates in the earlyperiod （2-8 d） was significantly higher than those without adding biochar， while during the 10-60 d， CO2release rates in both treatments were no significant differences. In the CK and M treatments， the CO2emission rates were no significant differences between the treatments with or without adding biochar throughout the incubation. In CK treatment， the cumulative CO2emission with application of biochar was not differed with that without biochar. In the F and M+F treatments， the cumulative CO2emissions were significantly increased after application of 2% and 4% biochar （20.6% and 19.8%， 29.9% and 40.7%，respectively）. The correlation showed that there was no relationship between DOC/SMBC and CO2emissions without adding biochar， however， there was an obvious correlation when biochar was applied. 【Conclusion】Soil CO2emissions did not change when biochar was applied to the unfertilized soil. However， the cumulative CO2emission increased by application of biochar into the soil with manure application. Furthermore， the increment of CO2emission was dramatically increased when biochar was applied into the soil with inorganic fertilizers plus manure.

fertilization regimes； biochar； CO2； DOC； SMBC

2016-03-31；接受日期：2016-06-02

国家科技支撑计划（2014BAD14B03，2012BAD14B04）

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