黑碳对杉木林土壤有机碳矿化及养分的影响(2)

　　2 结果与分析

　　2. 1 制备温度对黑碳产率的影响

　　从图 1 可以看出，随着制备温度的升高，黑碳产率越低。尤其是在 300 ~400 ℃内凋落物质量损失最大，产率从 42% 降至 28%; 而在 400 ~ 700 ℃，产率仅从28% 降至 18% .热解温度与黑碳产率之间呈现显着的负相关（ P < 0. 01） .制备温度越高，黑碳的产率越低。

　　2. 2 不同黑碳添加对土壤有机碳矿化速率影响

　　添加不同温度制备的黑碳，尽管土壤有机碳矿化速率的大小有所不同，但总体趋势是前期的矿化速率快，后期的矿化率慢，整体呈下降趋势，仅在 7 ~ 14 d内，土壤矿化率有所上升，但很快在后期又处于下降趋势。而对于矿化率变化的幅度来说，前期（ 0 ~7 d） 变化幅度很大； 而在中后期（ 7 ~28 d） 虽然变化的趋势并不是一致的，但是变化幅度不大，相对缓和（ 见图 2） .

　　在添加不同黑碳的处理下，其平均矿化速率的大小为650BC > 700BC > 600BC > 550BC > 500BC > 450BC> 400BC > 350BC > 300BC > CK.最大值出现在700 BC 处理的土壤第3 d ,为424. 54 mg / （ kg · d ） ,是CK 的 4. 25 倍。

　　2. 3 不同黑碳添加对土壤 CO2

　　-C 累积量的影响在培养前 7 d,土壤 CO2-C 累积量最多； 与前 7 d相比，后 14 d 累积量 CO2-C 相对较少。CO2-C 累积量都有一定的增加趋势，但各个处理之间趋势不一（ 见图 3） .在添加不同黑碳处理下，CK 的 CO2-C 累计量显着低于 650BC 与 700BC （ P < 0. 01） ,而 400BC、450BC、500BC、550BC、600BC 处理之间的差异性并不显着。但总体来说，制备黑碳温度越高，CO2-C 累计量越多。在前 7 d,CO2-C 累计量多，与 7 ~ 14 d,14 ~ 21d,21 ~ 28 d 这 4 个时间段具有极显着的差异性，这可能因为一开始土壤中易分解的有机质多，分解速率快，随着时间的推移，易分解有机质变少，微生物开始利用难分解的有机质，这使得分解速率降低，CO2-C 累计量趋于平缓。

　　2. 3 不同黑碳添加对土壤化学性质的影响

　　从表 1 中可以看出，不同温度制备的黑碳添加均可以显着地提高土壤有机碳含量（ P <0. 01） .土壤有机碳含量介于 2. 77% ~3. 56%,其中 B350C 处理的有机碳含量最高。此外，土壤有机碳含量与制备黑碳的温度之间并未呈现明显的相关性。

　　培养结束时，与未施黑碳的对照土壤相比，黑碳添加处理的土壤碱解氮的含量均有所降低，但统计上未达显着水平（ 表 1） .土壤碱解氮的含量变化与制备黑碳的温度并未呈现较好的关系。同对照相比，添加黑碳后土壤速效磷和速效钾含量均有显着的提高（ P <0. 01） .随着黑碳制备温度的升高（ 300 ~ 700 ℃ ） ,土壤速效磷含量基本呈现增加的趋势，而土壤速效钾含量在 300 ~650 ℃ 范围内呈现这一趋势，而 700BC 处理有所下降（ 表 1） .

　　添加黑碳后土壤 pH 具有显着的提高（ P <0. 01） ,增加幅度为 12% ~61%.随着黑碳制备温度的升高，土壤 pH 基本呈增加趋势。

　　3 讨 论

　　3. 1 黑碳的产率

　　制备温度是影响黑碳产率的主要因素，制备的温度越高黑碳的产率越低，黑碳制备温度与产率成负相关，这与 Kuzyakov 等[22-23]的研究基本一致。而本研究发现，在 300 ~400 ℃，生物质损失量最高，其原因可能是制备温度在 300 ~ 400 ℃ 时，生物质内的化学键断裂，生成难以降解与高沸点的芳香类化合物，此时的产率急剧下降，而当温度升高时，这类化合物分解缓慢，导致产率下降有所缓和[24].

　　3. 2 不同黑碳的添加与土壤的矿化量

　　不同黑碳添加后的土壤都表现出一个共同的趋势： 在第3 d,土壤的矿化速率达到最大值，且在3 ~7 d内，矿化速率急剧下降，在接下来的7 ~28 d,矿化速率呈现出较平缓的趋势，这与陆海楠等[25-26]的研究一致，矿化速率有这样的规律，可能因为前期土壤中易分解的有机质较多，但在微生物作用下，易分解有机质减少，微生物只能利用难分解的有机质，这就导致中期矿化速率的下降与后期矿化速率的平缓。

　　本研究表明： 黑碳的添加使 CO2-C 累积量增大，然而匡崇婷等[26]以小麦秸秆为生物质制备的黑碳添加于红壤水稻土中，发现黑碳的添加减少了土壤的矿化量。黑碳的制备原料不同，制备的条件不一，制成的黑碳性质上也有很大的差异。周凌云等[27]研究表明，土壤类型对黑碳矿化也有明显的影响。Knoblach等[28]在其他条件一致的情况下，施入 2 种不同的土壤类型与 4 种不同的土地利用方式，发现其矿化量不同。

　　制备黑碳的温度越高，土壤的矿化速率越快，其CO2-C 累积量也越大。陆海楠等[29]研究表明，随着黑碳制备温度提高，黑碳的性质趋于更加地稳定。Singh等[30]认为，随着温度的升高，黑碳中的灰分含量增加，而灰分与营养盐类是作为黑碳中不稳定的成分，容易被分解。Zhang 等[8]研究表明，黑碳的施入能降低土壤的容重，提高土壤的孔隙度。黑碳的孔隙结构可以很好地为微生物提供一个生存与繁殖的场所[31],微生物的呼吸量、微生物生物量等也会随着孔隙度而提高[32].ábrego 等[33]表示在 300 ~900 ℃范围内，孔隙度随温度的升高而加强。Fu 等[34]以玉米秸秆为生物质制备黑碳也有类似的结果。

　　3. 3 不同黑碳的添加对土壤化学性质的影响

　　黑碳的元素组成主要包括碳、氢、氧[35],黑碳的元素组成与制备温度有关，随着温度升高，其呈含碳量增加，氢和氧含量降低，灰分含量增加的趋势[36].这与本文的制备温度越高，其土壤有机碳含量增加具有一致性。然而土壤有机碳含量在350 ℃达到最高而后呈现出平缓的趋势。黑碳不仅因为自身的含碳量高，还因为其芳香构化具有极大的稳定性，从而改变了土壤有机碳的组成，增加了土壤有机碳稳定性，从而提高了土壤有机碳含量。黑碳的添加对土壤碱解氮无显着地提高，且碱解氮含量与制备温度无规律性。张千丰等[23]以玉米棒芯、大豆秸秆和水稻颖壳 3 种作物原料制备黑碳，发现3 种黑碳的氮含量均无规律性。黑碳的添加能提高土壤的 CEC,能吸附土壤中的铵根离子与硝酸盐，减少了土壤的氮素淋洗。磷元素在酸性土壤中的有效性低[37].其原因是酸性土壤中磷常与铁、铝形成难溶性的化合物，甚至是闭蓄态的磷。而黑碳本身具有碱性，且碱性随着制备温度升高而增加，这就使得制备温度升高土壤速效磷含量极显着地提高。而且黑碳中本身就具有很高的磷含量，因此黑碳添加能极显着地提高了土壤速效磷含量。随着制备的温度升高，黑碳中的灰分增加，钾离子作为灰分中的一种也随之增加。钾离子的有效性与土壤 pH 有关，酸性土中，氢离子占阳离子的大部，钾离子的吸附点位减少，而黑碳具有碱性可以提高土壤 pH,从而间接提高了钾离子的含量。黑碳具有较高的 CEC,且随着制备温度的升高，CEC 增加，这使得土壤能吸附更多的钾离子。这与本文的结果一致。

　　土壤中加入高温热解制备的黑碳，制备的温度越高，土壤 pH 提高的越明显。这与袁金华等[38]的研究结果相似。Lehmann 等[39]认为，生物质具有较多的植物酸，而当温度升高时，植物酸分解，从而提高了碱性。Braadbaart 等[40]表明，生物质中具有部分的灰分，而当温度升高，生物质质量急剧下降，相对来说灰分的比重便升高，这导致了碱性的增强。土壤 pH 的提高有利于改善微生物的生存环境，减少铝毒的危害，提高 K、Ca、Mg 等灰分元素的含量，是对酸性土壤改良的有效手段之一。

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