黑碳对杉木林土壤有机碳矿化及养分的影响

　　0 引 言

　　人类活动引起大气温室气体浓度不断上升，全球气候持续变暖[1].如何解决好温室效应是当前人类面临的一个重点挑战。全球土壤碳库约2. 5 ×1015kg,是大气碳库的 3. 3 倍和全球生物体碳库的 4. 5 倍[2].土壤碳库的细微变化就会对大气 CO2浓度造成很大的影响，而土壤有机碳矿化是土壤释放 CO2的主要途径，因此控制土壤有机碳的矿化作用能够有效降低大气中 CO2的水平[3].黑碳是生物质不完全燃烧所形成的产物，高度的芳香构化使其具有很高的稳定性[4],这为黑碳能在土壤中保留很长的时间与碳封存能力提供了可能，也为减缓温室效应提供了理论依据[5].当前，利用施入黑碳减少温室气体排放有一定的研究，其影响机制： ①黑碳的吸附作用，对 N2O 的吸附，对 NH+4的吸附[6],对土壤中酶和有机物的吸附，由于黑碳具有较大的表面积，有机物和酶进入黑碳的孔隙中而不被微生物利用，从而抑制土壤有机碳的矿化，减少 CO2的排放[7]; ②黑碳对土壤孔隙度[8]和土壤含水量[9]的改善，从而减少温室气体（ 尤其指 CH4） 的排放； ③黑碳对甲烷氧化菌结构的多样性与活性的影响[10],导致温室气体排放减少。

　　目前，国内外对黑碳的研究主要针对农田生态系统，而森林生态系统的研究还不多见。杉木作为亚热带特有优良速生乡土用材树种，是许多人工林的首选树种，而杉木林是我国南方集体林区的主要森林类型之一[11].因此本文选择以杉木林凋落物为生物质，以杉木林土壤作为供试土壤。制备黑碳的原材料和制备条件如温度、氧气含量和时间等对黑碳的物理和化学性质有明显的影响[12].如 Kwang 等[13]实验表明，随着制备温度的升高，生物炭的产量下降，且碳化程度增加； Lee等[14]实验表明，制备温度升高，黑碳的 CEC 降低； 吴成等[15]也发现，制备温度的升高，孔结构及复杂性降低，从而比表面积增大。目前国内已有黑碳添加量对土壤碳矿化及有效养分的影响方面研究，但研究结果不尽一致[16].周桂玉等[17]发现，随着黑碳的添加量上升，有效养分也增加，对有效磷、钙、镁具有显着性差异，而对氮和钾差异不显着。曾爱等[18]也发现，有机碳和速效钾的含量随黑碳的施用量而增多，而碱解氮与有效磷表现为先增加而后降低。目前，在制备温度方面的研究则较少。因此，研究不同温度制备的黑碳对杉木林土壤有机碳矿化以及土壤养分的影响，对今后如何更好地利用黑碳减少森林土壤温室气体排放及提高土壤肥力有指导性意义。

　　1 材料与方法

　　1. 1 黑碳的制备

　　黑碳的制备方法参照文献[19].将杉木凋落物洗净，置于 60℃ 的烘箱中，烘至恒重。烘干后的凋落物用粉碎机粉碎。称取 2 ~3 g 凋落物于坩埚中，坩埚置于马弗炉中，关闭炉门，待温度达到预定温度后开始计时。2 h 后，打开炉门，待炉内温度下降至约 200 ℃后，取出坩埚置于干燥器内。待温度与室温接近，取出称重。样品制备完毕后将坩埚内的黑碳过 0. 25 mm筛备用。其中，热解温度为 300 ~700 ℃。

　　1. 2 供试土壤

　　土壤采自福建师范大学旗山校区马保后山的杉木林中，海拔约 50 m,林下凋落物、动植物残体偏多。土壤为红壤，采集深度为 0 ~15 cm.将采集的土壤样品风干，去除植物残体，过 2 mm 筛备用。供试土壤基本性质如下： pH 4. 76,有机碳 2. 07%,碱解氮 153. 98mg / kg,速效磷 1. 48 mg / kg,速效钾 8. 00 mg / kg.

　　1. 3 实验设计

　　分别将不同温度制备的黑碳加入土壤中，加上对照（ 土壤，不加黑碳） 共 10 个处理，每个处理有 4 个重复。实验处理分别为： ①CK; ②300BC; ③350BC; ④400BC; ⑤ 450BC; ⑥ 500BC; ⑦ 550BC; ⑧ 600BC; ⑨650BC; ⑩700BC.以 1 L 的广口瓶为培养容器，每个瓶中加入风干土 50 g,黑碳添加量 1 g,然后加入蒸馏水，土壤质量含水量 25%.在广口瓶内放置 2 个小烧杯，一个装有 10 mL 的 0. 5 mol/L 的 NaOH; 另一个装有蒸馏水。最后，用瓶塞塞紧，放入 25 ℃的培养箱中黑暗培养 28 d.分别在第 3、7、14、21、28 d 更换装有NaOH 的小烧杯，并对 CO2释放量进行测定。在培养过程中定期调节水分，保持土壤含水量不变。培养结束后，取出土壤风干，过筛备用。

　　1. 4 实验方法

　　1. 4. 1 土壤释放 CO2量的测定土壤释放 CO2量的测定参照文献[20],在培养的第 3、7、14、21、28 d 取出装有碱液的小烧杯，加入过量的 BaCl2,并以酚酞作为指示剂，用 HCl 滴定至终点，记录 HCl 的用量。通过下式计算土壤 CO2释放量（ mg） :

　　CO2= 0. 5N（ V2- V1） ×44

　　式中： V1为滴定处理过样品中 NaOH 溶液所用的 HCl溶液的体积（ mL） ; V2为滴定空白实验中 NaOH 溶液所用的 HCl 溶液体积（ mL） ; N 为 HCl 溶液物质的量溶度（ mol/L） ; 44 为 CO2摩尔质量（ g/mol） .

　　1. 4. 2 土壤性质测定

    （ 1） pH 值测定。采用电位法测定；

    （ 2） 有机碳测定。采用重铬酸钾氧化法；

    （ 3） 土壤碱解氮测定。采用碱解-扩散法；

    （ 4） 速效磷测定。采用钼锑抗比色法；

    （ 5） 速效钾测定。采用火焰光度计法测定。

　　1. 5 数据分析

    用 Excel 和 SPSS17 软件对数据进行处理。采用单因素方差分析（ one-way ANOVA） 和 LSD 对均值进行多重比较，对数据进行显着性检验。