秸秆还田与生物炭施用影响黑土有机质并缓解土壤酸化_耿明昕.pdf

http:/Email:jlndxb 吉林农业大学学报 2023，45（2）：178-187Journal of Jilin Agricultural University秸秆还田与生物炭施用影响黑土有机质并缓解土壤酸化*耿明昕，关松*，孟维山，王曦若吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118摘 要：针对黑土“变瘦”、土壤有机质（SOM）下降和酸化问题，通过2年田间原位模拟试验，采用13C-核磁共振及差热与热重分析技术，研究了模拟秸秆还田与生物炭施用对SOM量、质以及缓解酸化的影响。基于连续2年秸秆全量还田，设8个处理：无秸秆和生物炭添加为对照（ck）；015 cm土层土壤与秸秆混合（SI15，模拟秸秆浅旋还田）；035 cm土层土壤与秸秆混合（SI35，模拟秸秆深混还田）；2535 cm土层4倍量秸秆埋置（SEDI，模拟秸秆富集深还）；515 cm土层秸秆埋置（SE15，模拟秸秆浅翻压还田局部区域与土壤不混合）；2535 cm土层秸秆埋置（SE35，模拟秸秆深翻压还田局部区域与土壤不混合）；015 cm土层土壤与4 t/hm2生物炭混合（BC4）以及与12 t/hm2生物炭混合（BC12，模拟生物炭还田）。结果表明：与ck相比，SI15、BC4和BC12处理显著提高SOM含量16.26%30.35%。SI15、SI35、SEDI、BC4和BC12处理显著增加土壤pH 0.120.28，施用生物炭对缓解土壤酸化作用最大。添加秸秆和生物炭对SOM结构特征影响不同，SI15和SI35使SOM的脂族性和亲水性得到发展，有利于提高SOM活性，发挥土壤肥力，而BC4和BC12提高SOM的芳香性和疏水性，有利于碳封存。SOM提升对缓解土壤酸化具有显著效应。关键词：秸秆；生物炭；土壤有机质；13C核磁共振；土壤酸化中图分类号：S153 文献标志码：A 文章编号：1000-5684（2023）02-0178-10DOI：10.13327/j.jjlau.2021.1759引用格式：耿明昕，关松，孟维山，等.秸秆还田与生物炭施用影响黑土有机质并缓解土壤酸化 J.吉林农业大学学报，2023，45（2）：178-187.Effects of Straw Returning and Biochar Application on Soil Organic Matter and Mitigate Soil Acidification of Black Soil*GENG Mingxin，GUAN Song*，MENG Weishan，WANG XiruoCollege of Resources and Environment，Jilin Agricultural University，Changchun 130118，ChinaAbstract：In order to solve the problems of black soil thinning,soil organic matter(SOM)decline and acidification,the influencing mechanism of simulated straw returning and biochar application on SOM quantity,quality and acidification alleviation was studied by using 13C-cross-polarization-magic angle rotation NMR(13C-CP/MAS NMR)and differential thermal and thermogravimetric analysis technology through a 2-year field in-situ simulation tests.Based on the full amount of straw returning to soil for 2 consecutive years,eight treatments were set up:no addition of straw and biochar(ck),mixing of soil and straw in 0-15 cm soil layer(SI15,simulation of straw shallow rotation returning),mixing of soil and straw in 0-35 cm soil layer(SI35,simulation of straw deep-mixing returning);burying of the quadruple amount of straw in 25-35 cm soil layer(SEDI,simulation of straw en*基金项目：国家自然科学基金项目（42077022），吉林农业大学科技创新基金项目（202010193079）作者简介：耿明昕，女，硕士研究生，研究方向：土壤环境与生物化学研究。收稿日期：2022-05-02*通信作者：关松，E-mail：耿明昕，等：秸秆还田与生物炭施用影响黑土有机质并缓解土壤酸化吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural Universityrichment and deep returning),burying of straw in 5-15 cm soil layer(SE15,simulation of straw shallow tilling and pressing without mixing with soil in some local areas),burying of straw in 25-35 cm soil layer(SE35,simulation of straw deep tilling and pressing without mixing with soil in some local areas),mixing of 0-15 cm soil layer with 4 t/hm2 biochar(BC4)and 12 t/hm2 biochar(BC12,simulation of biochar returning).The results showed that SI15,BC4 and BC12 treatments significantly increased SOM content by 16.29%-30.38%,compared with ck.Moreover,SI15,SI35,SEDI,BC4 and BC12 treatments significantly increased soil pH by 0.12-0.28 units.Biochar addition had the greatest effect on soil acidification mitigation.The addition of straw and biochar had different effects on the structural characteristics of SOM.SI15 and SI35 developed the aliphatic and hydrophilic nature of SOM,which was conducive to improving SOM activity and enhancing soil fertility,while BC4 and BC12 improved the aromatic and hydrophobic nature of SOM,which was conducive to carbon sequestration.The improvement of SOM has a significant ameliorative effect on mitigating soil acidification.Key words：straw；biochar；soil organic matter；13C NMR；soil acidification黑土是稀有珍贵的自然资源，我国东北黑土面积约为30万km2 1，物理化学性状好，土壤肥力高，是中国主要的粮食作物和商品粮供应基地。近年来，由于黑土高强度农业集约化利用，黑土质量发生退化，土壤有机质（SOM）下降。主要表现为黑土层“变薄”、黑土“变瘦”“变硬”等问题。另外，由于自然因素和人为不合理的种植结构与过量施用化肥，黑土酸化问题也日益突出，也是黑土肥力退化的重要表现之一。黑龙江省土壤调查显示，在 19792006 年近 30 年时间，黑土 pH 由7.22降为5.71，下降1.512；从19922012年20年吉林省黑土区长期施用氮磷钾化肥使草甸黑土pH由6.51降至6.0，下降了0.513；吉林省农业科学院黑土肥力监测长期定位试验表明，19902015 年 25 年时间施用氮磷钾化肥使黑土 pH 由7.6降至6.2，下降了1.44。黑土区土壤酸化问题已经凸显，制约了黑土区农业的可持续发展，对黑土区粮食生产安全产生威胁。因此，急需采取有效措施阻控黑土酸化。大量研究已经表明，秸秆还田会有效增加SOM5-9。目前，秸秆还田方式有秸秆覆盖还田10-12、浅旋还田7，13-14、秸秆翻压还田15-17、秸秆深埋还田等18-21，但不同秸秆还田方式因与土壤的混合程度和还田深度等不同而影响秸秆有机质化。目前，关于不同秸秆还田方式对SOM数量与质量影响效应的横向对比研究较少。秸秆等有机物料因富含碱性物质能够提高土壤pH和交换性盐基离子含量、降低土壤交换性铝含量22-23，但植物残体对土壤 pH 的影响也存在矛盾结果24-26。因此，有必要阐明不同秸秆还田方式对土壤酸度的影响机制。生物炭是由农作物秸秆、木材、禽类粪便等在低温或缺氧环境下，通过高温热解制备而成。生物炭富含芳香碳，具有高热稳定性、低可溶性、大比表面积和高孔隙度以及高吸附性能27-29，可有效提升SOM30-31。而且，制备生物炭的原料中阳离子如Ca、K、Mg、Na和Si在热解过程中形成碳酸盐或氧化物32，具有较强碱性，在改善土壤酸性应用上具有潜力。因此，研究秸秆与生物炭对黑土SOM数量与质量及缓解酸化的影响机制，对于保护黑土资源、提升黑土质量、有效保护黑土地这一“耕地中的大熊猫”、实现黑土区粮食生产安全以及农业废弃物资源再利用具有重要的意义。1材料与方法1.1研究地概况试验地位于吉林农业大学教学科研基地（北纬4348 40，东经12523 38）。试验地所处气候条件为温带半湿润大陆性季风气候，年降水量500650 mm，年均温度 06.7。土壤类型为发育于黄土母质上的中层黑土，壤质黏土。土壤基本性质：土壤有机质 17.91 g/kg，全氮 1.08 g/kg，碱 解 氮 68.66 mg/kg，全 磷 0.53 g/kg，全 钾 24.32 g/kg，有 效 磷 20.31 mg/kg，速 效 钾 130.20 mg/kg。179吉林农业大学学报 2023 年 4 月Journal of Jilin Agricultural University 2023，April1.2供试有机物生物炭由辽宁金和福农业发展有限公司提供。生物炭基本性质：pH 10.53，碱解氮 704.42 mg/kg，有机碳 471.86 g/kg，全氮8.75 g/kg，H 21.14 g/kg，O 和 S 498.25 g/kg，由 VARIO EL-元素分析仪（Elementar Analysensysteme GmbH Inc，Germany）测定。1.3试验设计试验采用田间原位模拟试验，地面不种植作物，无化肥施入。基于12 t/hm2秸秆全量还田，将一定数量的粉碎秸秆或生物炭与土壤混合/不混合，装入0.15 mm（100目）尼龙袋内，埋入相应土层。试验设8个处理：（1）无秸秆和生物炭添加为对照（ck）；（2）015 cm土层土壤与秸秆混合以模拟秸秆浅旋还田（SI15，0.70%秸秆添加量）；（3）035 cm土层土壤与秸秆混合以模拟秸秆深混还田（SI35，0.30%秸秆添加量）；（4）2535 cm 土 层 4 倍 量 秸 秆 埋 置 以 模 拟 秸 秆 富 集 深 还（SEDI）；（5）515 cm土层秸秆埋置以模拟秸秆浅翻压还田，局部区域与土壤不混合（SE15）；（6）2535 cm土层秸秆埋置以模拟秸秆深翻压还田，局部区域与土壤不混合（SE35）；（7）015 cm土层土壤与4 t/hm2生物炭混合以模拟生物炭还田（BC4，0.23%生物炭添加量）；（8）015 cm 土层土壤与12 t/hm2生物炭混合以模拟生物炭还田（BC12，0.68%生物炭添加量）。其中，BC4处理生物炭添加量是基于12 t/hm2的全量秸秆制备获得33%的生物炭全部还田，BC12处理生物炭添加量是基于与SI15处理中秸秆添加量以等碳量（约5 500 kg/hm2）添加。每个处理3次重复。试验始于2019年7月20日，2020年7月20日除ck和SEDI处理外，其他处理均进行第2次秸秆与生物炭添加处理，以模拟农田连年秸秆及生物炭还田。土壤样品采集时间为2021年7月20日，样品采集于015 cm土层。1.4测定项目及方法土壤有机质测定。采用重铬酸钾外加热法测定。土壤酸度指标。土壤交换性酸采用1 mol/L KCl交换-中和滴定法，阳离子交换量采用中性乙酸铵交换法，钙镁离子采用原子吸收分光光度法，钾钠采用火焰光度法测定33。土壤有机质化学结构特征指标。因土壤中无机黏粒矿物的存在会影响 SOM 的固态13C-CP/MAS NMR 波谱，因此土壤样品需要采用体积分数10%的 HCl-HF 溶液进行脱矿前处理，其方法见文献 31。采用 MestReNova 12.0 软件（Mestrelab Research S L，Santiago de Compostela，Spain）对SOM各官能团所属化学位移区域的峰面积进行积分和半定量分析，采用Origin 2021软件进行叠图。差热分析（DTA）和热重分析（TGA）采用德国热重同步分析仪（德国 NETZSCH STA 2500 Regulus），用 仪 器 自 带 的 Proteus Thermal Analysis软件分析差热和热重曲线，测量峰面积，计 算 反 应 热，并 采 用 Origin 2021 软 件 进 行叠图34。1.5数据处理采用 Excel 2017 和 SPSS 17.0 软件进行数据分析处理，采用单因素方差分析 LSD方法，进行5%水平的差异显著性分析；采用Origin 2021软件进行Pearson相关性分析并进行可视化。2结果与分析2.1土壤有机质含量由图 1 可见，各处理 SOM 含量由大到小依次为 BC12、SI15、BC4、SI35、SEDI、SE15、SE35、ck 处理，各处理分别比 ck 处理提高了 30.35%，23.35%，16.26%，10.21%，4.88%，4.38%和2.10%，其中，BC12、SI15和BC4处理均与ck处理间差异显著（P0.05）。对于添加生物炭处理而言，随着生物炭施量的增加 SOM 含量提高，且 BC4 与BC12处理间差异显著（P0.05）。不同小写字母表示不同处理之间差异显著（P0.05）。下图同图1土壤有机质含量Fig.1Content of soil organic matter180耿明昕，等：秸秆还田与生物炭施用影响黑土有机质并缓解土壤酸化吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University2.2土壤有机质化学结构特征2.2.1土壤有机质的固态13C-交叉极化-魔角旋转核磁共振(13C-CP/MAS NMR)添加秸秆与生物炭各处理SOM各官能团的化学位移区域以及相对含量见图2和表1。主要研究了4个常见官能团归属的化学位移区域，烷基碳（Alkyl C，：045）、烷氧碳（O-Alkyl C，：45110）、芳香碳（Aromatic C，：110160）和羰基碳（Carbonyl C，：160220）35，以及烷基碳与烷氧碳的比值、脂族碳与芳香碳的比值和疏水碳与亲水碳的比值。其中，烷氧碳化学位移区域中包括甲氧基和含氮烷基碳（methoxyl 和 N-Alkyl，：4560）和含氧烷基碳（O-Alkyl C，：60110），芳香碳化学位移区域包括芳基碳（Aryl C，：110140）和酚基碳（含氧芳基碳，O-Aryl C，：40160），羰基碳化学位移区域包括羧基碳（Carboxy C，：160185）和羰基碳（Carbonyl C，：185220，：185230）35-36。由表1可知，各处理SOM分子结构组成中，烷基碳、烷氧碳、芳香碳和羰基碳分别占 12.29%17.19%、21.69%35.60%、36.46%60.62%和5.39%10.75%。SI15、SI35、SEDI、SE15、SE35 添加秸秆各处理土壤SOM烷基碳相对含量比ck处理 增 加 了 2.77%8.31%，烷 氧 碳 增 加 1.53%13.48%（SE35 处理除外），羰基碳增加 1.23%9.92%，均以SI15处理增加幅度最大；而添加秸秆生物炭后，BC4 和 BC12 处理土壤 SOM 烷基碳则减少了 12.67%和 22.56%，烷氧碳减少 27.83%和30.86%，羰基碳减少12.27%和44.89%。相反，对于芳香碳，添加秸秆处理与ck相比下降了1.16%15.19%，也以 SI15 处理下降幅度最大，其次为SI35；而添加秸秆生物炭处理BC4和BC12则增加了27.72%和41.00%。与ck相比，添加秸秆各处理中，SOM的脂族碳/芳香碳比值均增加，增加1.82%31.82%，疏水碳/亲水碳比值减少了 2.80%18.89%，其中 SI15处理变化最大，其次为SI35处理。与此相反，添加秸秆生物炭处理BC4和BC12的脂族碳/芳香碳比值下降了40.00%和49.09%，疏水碳/亲水碳比值增加了53.85%和88.11%。表明模拟秸秆与生物炭还田可改变SOM的分子结构，秸秆还田增加了SOM的脂族性和亲水性，而秸秆转化为生物炭后还田则可提高SOM的芳香性和疏水性。图2土壤有机质的13C-CP/MAS NMR谱图Fig.213C-CP/MAS NMR spectra of soil organic matter表113C-CP/MAS NMR波谱土壤有机质各官能团的相对含量Table 1Relative content of the functional group of soil organic matter in 13C-CP/MAS NMR spectra处理ckSI15SI35SEDISE15SE35BC4BC12相对含量/%烷基碳15.8717.1916.5616.5116.3116.4013.8612.29烷氧碳31.3735.6033.3331.9031.8531.2022.6421.69芳香碳42.9936.4639.4542.3341.7842.4954.9160.62羰基碳9.7810.7510.659.2610.059.908.585.39比值烷基碳/烷氧碳0.510.480.500.520.510.530.610.57脂族碳/芳香碳1.101.451.261.141.151.120.660.56疏水碳/亲水碳1.431.161.271.431.391.432.202.69注：脂族碳/芳香碳=（烷基碳+烷氧碳）/芳香碳；疏水碳/亲水碳=（烷基碳+芳香碳）/（烷氧碳+羰基碳）181吉林农业大学学报 2023 年 4 月Journal of Jilin Agricultural University 2023，April2.2.2土壤有机质热性质由图3中SOM的差热分析（DTA）可见，样品存在2个放热峰，分别是中温放热峰（340344）和高温放热峰（518524）。中温放热峰区域是SOM中脂族化合物受热裂解和外围官能团脱羧，高温放热峰区域是SOM完全氧化、芳香族化合物受热裂解37。图3为SOM的热重分析（TGA）曲线，20110 低温阶段为SOM中束缚水分损失区域，260350 中温阶段为 SOM 中脂肪族侧键与羧基的裂解区域，350 以上高温阶段为芳香核裂解区域37。因此，采用热量高/中比值和失重高/中比值反映SOM的芳香性/脂族性比值，比值越高，表明热稳定性越高37。与ck相比，BC12处理DTA和TGA曲线的变化幅度最大（图3）。对 SOM 的 DTA 和 TGA 曲线（图 3）进行峰面积积分计算见表2，添加秸秆各处理SOM在中温放 热 量 增 加 了 81.96%193.30%，BC4 增 加64.51%，BC12 减少 13.13%，除 SI35 外，其他处理在高温放热量均增加，其中，添加秸秆处理增加15.21%42.20%，而添加生物炭处理BC4和BC12分别增加 92.97%和 149.86%。热重分析中在中温和高温区域失重量的变化趋势与差热分析相近。添加秸秆处理热量高/中比值及失重高/中比值几乎均表现为大幅度下降（SEDI和 SE15处理除外），而添加生物炭的 BC4 和 BC12 处理均大幅度增加。表明秸秆还田可减少SOM分子的芳香性/脂族性比值，SOM脂族性提高，而秸秆生物炭还田则提高 SOM 分子的芳香性/脂族性比值，芳香性增强。与表 1 中13 C-NMR 研究结果一致。2.3土壤酸度特征2.3.1土壤pH和交换性酸含量由表3可知，添加秸秆与生物炭土壤pH为6.116.37，与ck相比，均有升高趋势。各处理 pH由小到大依次为图3土壤有机质DTA和TGA曲线Fig.3DTA and TGA curve of soil organic matter表2土壤有机质DTA放热量与TGA失重Table 2Released heat in DTA and mass loss in TGA for soil organic matter处理ckSI15SI35SEDISE15SE35BC4BC12放热量/(kJg-1)中温0.224 00.657 00.475 40.407 60.414 40.492 90.368 50.194 6高温1.7492.3491.5662.0152.4872.1023.3754.370放热量（高温）/放热量（中温）7.8083.5753.2944.9446.0014.2659.15922.456失重/(mgg-1)中温314.4406.8323.3298.7309.4326.8277.2230.4高温550.9529.2558.1566.8568.9537.3613.2653.1失重（高温）/失重（低温）1.7521.3011.7261.8981.8391.6442.2122.835182耿明昕，等：秸秆还田与生物炭施用影响黑土有机质并缓解土壤酸化吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural Universityck，SE35，SE15，SEDI，SI35，SI15，BC4，BC12，其中，SEDI，SI35，SI15，BC4和 BC12处理与 ck差异显著（P0.05），分别提高 0.12，0.14，0.22，0.26，0.28。与ck相比，添加秸秆与生物炭显著降低了土壤交换性酸含量（表 3）。其中，BC12、BC4 和SI15 处理分别使土壤交换性酸降低 68.75%、62.50%和50.00%，降幅较大。对于秸秆与生物炭还田对土壤交换性H+和交换性Al3+影响而言，除了SE15和SE35处理外，其他处理显著降低了土壤交换性H+（P0.05）；BC12和BC4处理显著减少了土壤交换性Al3+（P0.05），其他处理与ck相比，差异均不显著。2.3.2土壤阳离子交换量和盐基离子含量由表4可知，添加秸秆与生物炭各处理比ck显著增加了土壤交换性盐基离子总量7.62%38.02%，除了SE15和SE35处理外，其他处理显著提高了土壤阳离子交换量（CEC）7.42%15.12%（P0.05）。而且，除了 SE35 处理外，添加秸秆与生物炭各处理均显著增加土壤交换性 Ca2+、Mg2+、K+、Na+盐基离子。各处理之间相比，BC12，BC4，SI15，SI35 处理对 CEC 和交换性盐基离子提升效应较大。2.4土壤有机质与土壤酸度特征的相关性分析图4是SOM与土壤酸度特征的 Pearson相关性分析，SOM与H+以外的其他指标均呈极显著相关，具体表现为SOM与pH、CEC、盐基离子总量、Ca2+、Mg2+、K+和Na+呈极显著正相关，但与交换性酸总量和 Al3+呈极显著负相关（P0.001）。而土壤pH与SOM、CEC、盐基离子总量、Ca2+、Mg2+、K+和Na+呈极显著正相关，与交换性酸总量、交换性H+和Al3+呈极显著负相关（P0.001）。另外，CEC与盐基离子总量、Ca2+、Mg2+、K+、Na+、SOM和pH之间呈极显著正相关（P0.001）。表3土壤pH和交换性酸含量Table 3Soil pH value and exchangeable acid content处理ckSI15SI35SEDISE15SE35BC4BC12pH6.090.02d6.310.02b6.230.02c6.210.06c6.130.04d6.110.01d6.350.02ab6.370.02a交换性酸/(cmolkg-1)0.160.01a0.080.01cd0.090.02c0.120.01b0.120.01b0.140.01ab0.060.01d0.050.01d交换性H+/(cmolkg-1)0.070.01a0.010.01c0.030.01bc0.030.01bc0.070.03a0.050.01ab0.030.01bc0.020.01bc交换性Al3+/(cmolkg-1)0.090.02a0.070.02ab0.060.02abc0.080.01a0.060.02abc0.090.02a0.040.01bc0.030.01c表4土壤阳离子交换量和盐基离子含量Table 4Soil cation exchange capacity（CEC）and salt-based ion contentcmol/kg处理ckSI15SI35SEDISE15SE35BC4BC12阳离子交换量30.430.08d33.960.21ab33.520.85bc32.690.32bc31.471.26cd31.331.37cd34.250.70ab35.030.22a交换性盐基离子总量19.580.23e24.700.66b23.420.51c21.900.29d22.140.27d21.070.86d25.920.99a27.021.08a交换性钙11.950.33e13.690.54c13.250.30c12.530.15d12.340.07de12.220.23de14.630.22b15.150.32a交换性镁5.300.04e5.800.04c5.740.01c5.470.06d5.490.04d5.340.01e6.110.04b6.500.06a交换性钾1.160.22e2.280.22b2.160.00bc1.910.21cd2.160.00bc1.780.00d2.400.21ab2.650.22a交换性钠1.190.34e2.560.34ab2.170.00bc1.770.34cd1.970.34cd1.580.00de2.750.00a2.950.34a183吉林农业大学学报 2023 年 4 月Journal of Jilin Agricultural University 2023，April3讨论与结论3.1模拟秸秆还田与生物炭施用对土壤有机质及其化学结构的影响土壤添加秸秆与生物炭因其与土壤的混合程度、还田深度以及还田数量的不同对土壤SOM影响不同。与 ck 相比，模拟生物炭还田的 BC4、BC12处理以及秸秆与模拟秸秆浅旋还田的SI15处理显著提高了SOM含量（P0.05），这与刘思佳等5研究结果一致。因秸秆自身含有较高的有机碳，与土壤混合后能够腐解，促进土壤微生物繁殖，进而推动秸秆碳转化为SOM 38-39，而生物炭自身含有丰富的芳香碳，抗分解，有利于土壤固碳40，较多研究表明，生物炭还田使 SOM 提高6，41-42。但模拟秸秆富集深还的SEDI处理以及模拟秸秆翻压还田的SE15和SE35处理对SOM含量差异不显著，这归因于秸秆未与土壤混合，土壤微生物分解秸秆受限，从而影响埋置秸秆的有机质化，与李硕等43研究结果一致。SOM 的形成及其化学结构特征是评价 SOM质量的重要指标44-45，高烷基碳比例和低烷氧碳比例，反映 SOM 腐殖化程度高，SOM 更稳定46。此外，疏水性和芳香度是评价SOM质量的重要指标47。添加秸秆与生物炭改变了SOM分子结构。添加秸秆增加了SOM的脂族性和亲水性，使SOM兼具稳定性和发挥土壤肥力的活性。其中，以模拟秸秆浅旋和深混还田的SI15和SI35处理效应最大。Zhang 等48模拟玉米秸秆覆盖还田、玉米秸秆与土壤混合还田（010 cm）、玉米秸秆埋置于10 cm土层的培养试验表明，在玉米秸秆分解前期（0180 d），SOM组分胡敏酸（HA）分子脂肪族特征突出，270 d后，脂肪族特征弱化，芳香族结构增加，但玉米秸秆与土壤混合还田更有利于增加HA的脂族性，与本研究结果相一致。Zheng等20在秸秆富集深还（SEDI，秸秆埋置于2040 cm土层）田间试验中发现，SEDI显著增加了2040 cm土层HA的烷基碳比例和脂族碳/芳香碳的比值。秸秆转化为生物炭后还田则提高了SOM的芳香性和疏水性，SOM 更稳定，更有利于固碳。主要归因于生物炭的“骨架”结构是由稳定的芳香族化合物和矿物组成49，所富含的芳香族碳是“*”P0.05,“*”P0.01，“*”P0.001图4土壤有机质与土壤酸度特征的Pearson相关性分析Fig.4Pearson correlation analysis of soil organic matter and soil acidity characteristics184耿明昕，等：秸秆还田与生物炭施用影响黑土有机质并缓解土壤酸化吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural UniversitySOM 芳香族结构的主要来源，Haumaier 和 Zech等 50通过核磁共振对HA和黑炭进行了13C核磁共振的研究，发现二者的波谱特性十分相似。此外，生物质炭通过生物化学降解，转变为腐殖质，并参与到SOM的腐殖化过程。生物炭中含有大量的芳烃，且呈不规则的芳香环，因此其抗分解性和稳定性极强49。微生物将生物炭完全矿化（生成 H2O 和 CO2）可 能 需 要 数 百 到 数 千 年 的 时间51-52。但生物质炭还含有未完全炭化的生物质和脂肪酸、醇、酚和酯类化合物49，生物炭输入土壤后，在微生物的定殖和降解作用下，脂肪族化合物的分解会导致芳香族基团的断开和断裂点处发生氧化53。真菌会降解土壤中的难分解碳，特别是腐生真菌（例如白腐真菌）可分解生物炭、木质素等高度浓缩的芳香结构和多环芳烃（PAHs）54，可能将脂肪族碳55和芳香族碳转化为土壤腐殖物质，促进土壤的腐殖化程度，提高SOM芳香性。已有研究表明，土壤添加生物炭使SOM的烷基碳、烷氧碳等官能团含量显著减少，而芳香碳显著增加36。对于秸秆及其秸秆生物炭还田而言，刘瑞雪等31研究也已表明，秸秆还田处理中SI15 和SI35 处理增强了SOM的脂族性，而BC4 和BC12 秸秆生物炭还田处理增强了SOM的芳香性和疏水性，与本研究结果一致。Zhang 等565 年的田间试验也表明，秸秆还田土壤有机碳烷基碳小幅增加，芳香碳小幅减少，脂族碳/芳香碳比值提高，疏水碳/亲水碳比值有所下降，秸秆还田SOM芳香性有下降趋势，脂族性和亲水性有增加趋势。而秸秆生物炭还田的SOM烷基碳、烷氧碳大幅减少，芳香碳大幅提高，脂族碳/芳香碳比值大幅下降，疏水碳/亲水碳大幅增加，秸秆生物炭还田的SOM脂族性明显降低，疏水性和芳香性显著提高，本研究结果与其一致。3.2模拟秸秆还田与生物炭施用对土壤酸度特征的影响土壤添加秸秆与生物炭因其与土壤的混合程度、还田深度以及还田数量的不同对土壤pH影响存在差异。除了模拟秸秆翻压还田的 SE15 和SE35处理外，模拟秸秆浅旋和深混还田的SI15和SI35处理、模拟秸秆富集深还的SEDI以及模拟生物炭还田的 BC4 和 BC12 处理显著提高了土壤pH，而添加秸秆与生物炭各处理均显著降低了土壤交换性酸含量并增加交换性盐基离子总量，与Yuan等57研究结果一致。这主要是由于秸秆和生物炭中含有钙、镁等多种碱性盐基离子，进入土壤后会释放盐基离子26，58，这些碱性物质可与土壤中的活性酸H+、Al3+和CO2等发生反应，降低土壤交换性H+和Al3+含量并提高土壤pH59。另外，秸秆中有机阴离子的脱羧作用60-61和生物炭表面羧基的质子化62也是提高土壤pH、缓解酸化的机制。Pearson相关性分析表明，SOM与土壤盐基离子、pH和交换性钾、钙、钠、镁离子等多项土壤酸化指标呈极显著正相关，研究表明，有机物料和SOM富含多种官能团如羧基、羟基等，可有效减缓土壤pH下降63。而且，SOM组分胡敏酸对于不同金属元素有选择吸附性，且对二价金属离子有极强的亲和性64，并对Al3+具有强络合作用，随SOM含量增加，土壤交换性铝含量显著降低，有机络合态铝增加65，本研究结果与其一致。因此，提高SOM数量对缓解土壤酸化具有显著效应。另外，SOM上的弱酸性官能团（如羧基和酚羟基）通过质子化/去质子化可形成强大的缓冲系统，是SOM引起土壤 pH 缓冲性升高和土壤对酸化阻抗的主要机制66。在本研究中，模拟秸秆浅旋和深混还田的SI15和SI35处理增加了烷氧碳和羰基碳等含氧官能团，而模拟生物炭还田的BC4和BC12处理大幅减少了含氧官能团，表明秸秆还田土壤SOM分子结构特征的改变对缓解土壤酸化具有积极作用，而对于生物炭施用而言，生物炭的碱度及其表面官能团羧基的质子化应是缓解酸化的重要机制57，62，66。秸秆的利用方式、秸秆与土壤的混合程度、还田数量与深度影响秸秆有机质化。2年试验期的秸秆埋置处理对SOM无显著影响，而秸秆和生物炭与土壤混合处理可显著提高SOM数量、增加土壤pH，添加生物炭对缓解土壤酸化作用最大。土壤施用秸秆增加SOM的脂族性和亲水性，有利于提高SOM活性，发挥土壤肥力，施用生物炭提高SOM的芳香性和疏水性，有利于碳封存。SOM提升对缓解土壤酸化具有显著效应。参考文献：1 窦森，郭聃.吉林省土壤类型分布与黑土地保护 J.吉林农业大学学报，2018，40（4）：449-456.2 乔彦娇.不同酸化强度的黑土氮素转化的研究 D.大连：大连交通大学，2011.3 林涵.长期不同施肥对黑土酸度变化的影响 D.长春：吉林农业大学，2014.185吉林农业大学学报 2023 年 4 月Journal of Jilin Agricultural University 2023，April4 金修宽.农田水氮碳调控土壤酸化及其作用效应研究 D.保定：河北农业大学，2018.5 刘思佳，关松，张晋京，等.秸秆还田对黑土团聚体有机碳含量的影响：基于多级团聚体结构的物理和化学保护作用J.吉林农业大学学报，2019，41（1）：61-70.6 林欣欣，刘思佳，关松，等.不同秸秆利用方式对黑土团聚体及其腐殖物质的影响 J/OL.吉林农业大学学报：1-12