土壤中的有机碳是大气层中的3倍，它的微小变化将会显著导致大气二氧化碳浓度的变化，并且土壤有机碳是决定土壤肥力的重要因素之一^[1-2]。土壤有机碳可以改善土壤的理化性质（通气性、保水性、阳离子交换量）和生物学性质（微生物多样性）^[3]，而且土壤有机碳含量的变化直接影响农业生产力和粮食需求^[4]。活性有机碳是指具有高活性的组分，因此对植物和微生物敏感，极易被氧化和分解^[5]。活性有机碳主要有易氧化有机碳（ROOC）、可溶性有机碳（DOC） 和微生物量碳（MBC）， ROOC是土壤有机碳的主要组成部分，它的变化在不同程度上反映了土壤有机碳的有效性和时效性^[6]；DOC是微生物重要的能量来源，并且可以作为有机碳矿化的指示指标^[7]。MBC虽然仅占有机碳的很小比例，但却是最活跃的部分，可以及时准确地反应土壤质量^[8]。

近年来，作为土壤改良剂的生物炭得到了科学界的广泛关注^[9]。生物炭是生物质在高温缺氧条件下热解的固体残基，富含碳、孔隙、氧官能团和芳香族结构^[10]。已有研究表明，生物炭可以改变土壤理化性质^[11]、pH^[12]、毒性^[13]和提供碳源^[14] 等。叶协锋等^[15]指出施用花生壳生物炭提高了植烟土壤总有机碳（TOC）、ROOC、DOC含量。生物炭对土壤有机碳库的研究^[1，6，16]表明，施用生物炭有助于土壤碳固存，但其影响幅度可能与生物炭性质及其用量等密切相关。

烟草是世界上主要的经济作物之一^[17]，我国烟草总种植面积为160万hm²，占世界总产量的40%^[18]。不合理的烟草废弃物处理方式可能增加病毒迁移到土壤中的风险，最终对来年的作物健康造成负面影响。不合理的烟秆处理方式不仅污染环境，而且还浪费了资源，因此对其进行合理化利用具有十分重要的现实意义。将烟草秸秆炭化并还田处理，不仅能够改善土壤性质，还可以为烟秆合理利用寻找一条生态环保之路^[19]。烟秆生物炭的元素组成主要受热解温度影响，通常其钾（K）、铝（Al）、钙（Ca）元素含量较高^[20]。已有研究表明，施用烟秆生物炭可以显著增加红壤pH值，并且在Cd胁迫下，烟秆生物炭能明显提高烟草干物质含量，减少Cd在中上部叶片中的积累，从而减少经济损失^[21]。此外，施用生物炭显著增加了植烟土壤的总C、N、P、K含量，以及C/N^[22]。尽管目前对烟秆生质炭施入到烟田土壤中的效果有一定的研究^[21-22]，但对于不同类型植烟土壤中有机碳及其活性组分对生物炭施用的响应是否一致还不清楚。

生物炭本身富含碳，加入到土壤中后，会直接影响土壤有机碳含量，同时生物质炭独特的性质也会间接影响有机碳各组分的变化。基于以上假设本文通过大田试验，研究烟秆生物炭对两种类型土壤根际与非根际土中活性有机碳组分的影响，旨在探究在典型植烟土壤中施用生物炭后，有机碳及其活性组分是否受土壤类型及根系的影响，从而为提高植烟土壤有机碳含量及质量、综合利用烟秆提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域选在我国烟草主产地贵州省毕节市黄壤区（东部的黔西林泉科技示范园）和黄棕壤区（西部的威宁黑石科技示范园）两个土壤类型。威宁县黑石镇（104.00°E，26.76°N）和黔西县林泉乡（106.04°E，27.02°N）分别属于亚热带季风湿润气候区和温暖湿润气候区，海拔高度分别为2120和1319m，年均温分别为12.3和14.2℃，年降水量分别为926和1087mm。两种土壤类型基本理化性质见表1。

注：TOC：土壤总有机碳；DOC：可溶性有机碳；ROOC：易氧化有机碳；AK：有效钾；TN：全氮；TP：全磷。表中同一行不同小写字母表示两种土壤之间有显著差异（P<0.05）。

1.2 供试材料

供试生物炭来自贵州金叶丰农业科技有限公司，原材料为就地取材的烟秆。烟秆在380℃下裂解2h制备成烟秆生物炭，其基本性质见表2。

1.3 试验处理

于2018年5月分别在黄壤（黔西）和黄棕壤 （黑石）两个土壤类型的样地设置不同生物炭用量试验，在烟草移栽前分别将0、5、20、40t·hm^-2 （分别标记为B0、B5、B20、B40）的烟秆生物炭均匀撒施在土壤中，并与耕层土壤旋耕混匀起垄。每个处理设3次重复，随机区组设计。每个样地共12个小区。其中黔西试验地小区面积为67m² （长8.7m × 宽7.7m），黑石试验地小区面积为74.8m² （长11m × 宽6.8m）。

1.4 烟草种植及田间管理

供试烟草（Nicotiana tabacum L.）品种为云87，烤烟采用单垄移栽，施肥及田间管理参照当地优质烤烟实施。施肥情况为：黔西施用酒糟有机肥750kg·hm^-2，水溶肥：提苗肥（氮磷钾比例为22∶14∶10）37.5kg·hm^-2，第1次追肥（氮磷钾比例为14∶19∶20）150kg·hm^-2，第2次追肥（ 氮磷钾比例为10.5∶2.5∶37.5）150kg·hm^-2；黑石施用酒糟有机肥1800kg·hm^-2，复合肥（氮磷钾比例为9∶13∶22）525kg·hm^-2，提苗肥（氮磷钾比例为15∶8∶7）37.5kg·hm^-2，追肥（氮磷钾比例为13∶0∶26）330kg·hm^-2。

1.5 土样采集及处理

生物炭撒施前采集基础土样，于2018年烟草收获期用土钻（直径35mm）采集各处理0~20cm土层土样，同时用抖根法采集相应的根际土。每个小区进行五点采样，各小区根际与非根际土壤样品分别混匀后分为两份，一份直接运回，风干过筛后密封保存；另一份与冰袋一起放入冰盒运回实验室，过筛后存于4℃冰箱，用于土壤微生物量碳 （MBC）测定。

1.6 测定项目与方法

DOC用去离子水（1∶2土水比）浸提－ TOC仪（Elementar Vario TOC，德国）测定^[23]；ROOC用0.333mol·L^-1 高锰酸钾氧化—比色法测定^[1]； 微生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸—K₂SO₄ 浸提法^[1]，浸提液中的碳含量用TOC仪（Elementar Vario TOC，德国）测定，MBC含量为熏蒸和未熏蒸土壤的碳含量之差除以转换系数得到，即MBC=Ec/0.45，其中0.45为微生物量碳的转换系数，Ec为熏蒸和未熏蒸土壤K₂SO₄ 提取液中碳含量的差值。TOC采用重铬酸钾容量法—外加热法测定。

1.7 数据处理

所有数据用Excel 2016和SPSS 20.0进行作图和统计分析。采用单因素方差分析不同生物质炭用量对植烟土壤各有机碳组分含量的影响，采用Duncan新复极差法进行多重比较，不同字母表示显著性差异（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同用量生物炭对土壤总有机碳的影响

在两种土壤类型中，生物炭对根际土壤TOC的影响一致，B40处理显著提高了TOC含量，黔西黄壤和黑石黄棕壤分别比B0处理提高了212.58%和132.91%，而B5和B20处理对根际土壤TOC含量没有显著影响（图1）。而在非根际土壤中，B20和B40处理TOC含量显著增加，黄壤中TOC含量的峰值出现在B20处理，而黄棕壤的TOC含量峰值则在B40处理中，分别比B0处理提高了256.74%和340.18%（P<0.05）。而在同一种土壤类型中，黄壤和黄棕壤B20处理与B0处理相比，非根际土壤TOC含量分别显著增加了256.74%和184.01%，而根际土壤没有显著变化；其余处理TOC含量在同一种土壤类型的根际与非根际土壤表现一致。

注：不同小写和大写字母分别代表非根际和根际土不同处理之间差异显著。下同。

2.2 不同用量生物炭对土壤易氧化有机碳的影响

不论是黄壤还是黄棕壤，施用生物炭后，根际土壤的表现一致（图2）：B5、B20与B0处理之间没有显著差异；而B40处理中ROOC含量分别显著提高了114.06%（黄壤）和123.73%（黄棕壤）。而两种土壤的非根际土中，B5处理均与B0处理之间没有显著差异，而B20和B40显著提高了ROOC含量，但黔西黄壤在B20处理达到峰值，黑石黄棕壤在B40处理达到峰值，分别比B0处理显著提高了329.14%和630.41%（P<0.05）。在同一土壤中的根际与非根际土中，不论是黄壤还是黄棕壤，B20处理与B0处理相比，非根际土壤ROOC含量分别显著增加了329.14%和233.45%，但根际土壤没有显著变化；其它处理在同一种土壤类型中，根际与非根际土壤表现一致。

2.3 不同用量生物炭对土壤可溶性有机碳的影响

由图3可知，在两种土壤类型的根际土壤中， B5对DOC含量没有显著影响；B20处理显著提高了DOC含量并达到峰值，分别比B0显著增加了78.15%（黄壤）和768.48%（黄棕壤）；但B40处理在黄壤中显著降低了DOC含量（37.24%），而在黄棕壤中显著增加了DOC含量（637.93%）。在两种类型的非根际土中，施用生物炭后DOC含量均显著增加，且均在B20达到峰值，分别比B0显著增加了129.84%（黄壤）和471.23%（黄棕壤）。在同一土壤中的根际与非根际土中，黄壤B5处理非根际土壤DOC含量显著增加了30.14%，而根际土壤没有显著变化；B40处理非根际土壤DOC含量显著增加了88.63%，但根际土壤显著降低了37.24%。而在黄棕壤中B5处理显著增加了非根际土壤DOC含量 （296.79%），但根际土壤没有显著变化。

2.4 不同用量生物炭对土壤微生物量碳的影响

无论在根际土还是非根际土中，施用生物炭后两种土壤微生物量碳含量的响应均不一致。在根际土壤中，仅B20处理黄壤MBC含量显著增加了42.71%（P<0.05），其余处理与B0之间均无显著差异（图4）。而非根际土壤中，B5处理黄壤MBC含量降低了20%，而B20和B40处理黄棕壤MBC含量分别显著增加了53.98%和145.80%（P<0.05），其余处理与B0之间没有显著差异。在同一土壤中的根际与非根际土中，黄壤中B5处理非根际土壤该组分含量显著降低，而根际土壤没有显著变化； B20处理则是非根际土壤没有显著变化，根际土壤显著增加。而对黄棕壤来说，B20和B40处理非根际土壤MBC含量均显著增加，但根际土壤该组分含量没有显著变化。

2.5 不同用量生物炭对土壤活性有机碳占总有机碳比例的影响

ROOC占TOC比例相对较高，为15.28%～29.63%；其次为MBC，其占比为0.48%～3.97%； DOC占比最低（表3）。施用生物炭后，ROOC占TOC的百分比除了B40处理黄棕壤非根际土壤中显著增加外（P<0.05），其余处理均未达到差异显著水平。DOC占TOC的比例对生物炭用量的响应受土壤类型的影响，但不受根系的影响，其中B40处理显著降低了黄壤根际与非根际土壤中的这一比例，而B5处理显著增加了黄棕壤根际与非根际土壤中的这一比例（P<0.05）。在非根际土壤中，除黄棕壤B5处理外，施用生物炭显著降低了MBC占TOC的比例；在根际土壤中，B40显著降低了两种土壤MBC占TOC的比例（P<0.05），其余处理均与B0之间没有显著差异。

注：同一列中同一土壤不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。

3 讨论

3.1 生物炭对土壤总有机碳的影响

在本研究中，施用大量生物炭（B40）可以显著提高土壤TOC含量，这与前人的研究结果一致^[1，24-26]。吉贵锋等^[27]在植烟土壤的研究中也有相似结果。生物炭对土壤TOC的提升作用可能是由于外源有机碳的直接输入，而且生物炭制备时形成的芳香化结构的有机碳具有较高的稳定性^[28]，生物炭稳定的内部结构使其有机碳表面不易被氧化，在土壤中抗微生物分解能力较强，从而可以长时间残留在土壤中^[29-30]。此外，Zhao等^[31]也指出生物炭可以提高土壤总有机碳含量，而且生物炭的固碳效果优于秸秆。

3.2 生物炭对土壤活性有机碳的影响

DOC、ROOC和MBC是土壤中的活性有机碳，尽管活性有机碳占土壤总有机碳的比例不高，但这些组分具有不同的周转率和稳定性，可以用来初步检测土壤有机碳的变化^[1]。本研究结果表明，施用生物炭总体上可以显著提高植烟土壤ROOC含量，这与前人的研究结果一致^[1]。李影等^[32]指出，生物炭和生物炭菌肥处理与其他处理相比显著提高了烤烟旺长期土壤DOC含量。本研究结果表明，施用生物炭可以增加植烟土壤DOC含量，但因生物炭施用量多少及土壤类型而异。总体趋势为当施用量过少时对DOC含量没有影响，而施用量过高时DOC含量有降低的趋势，尤其是在黔西黄壤根际土中达到显著水平（图3）。目前的研究中生物炭施用后对土壤活性有机碳的影响不一致可能是由于生物炭原材料、裂解温度及土壤类型不同导致的。本研究中所用生物炭为380℃裂解而成，炭化温度相对较低，因此生物炭中有一定数量的活性有机碳^[33]，所以施用生物炭直接增加了土壤活性有机碳含量，这与赵世翔等^[34]的研究一致。此外，施用生物炭后，增加了微生物的碳源，促进了微生物的生长，微生物活性提高，可能会促进微生物对土壤中原有有机物质的分解，从而提高了土壤DOC含量^[35]。

樊鹏飞等^[36] 指出滴灌条件下，生物炭处理烟株生长中后期土壤MBC含量显著增加了24.68%~111.62%。这可能是因为生物炭疏松多孔的性质能够为微生物提供适应的生境，提高了土壤中微生物的活性，增加了微生物对养分的同化作用^[36]。但吉贵锋等^[27]研究表明，生物炭对植烟土壤MBC的影响因土壤类型而异，施用生物炭可以显著增加红壤和褐土的MBC含量，但对黄棕壤和褐棕土却没有显著影响。在本研究中也有部分处理施用生物炭后，MBC升高不明显或降低，其原因可能是由于生物炭的吸附特性使得微生物被吸附在生物炭的孔隙中，减少了微生物与土壤有机质的接触，因此抑制了土壤有机质转化成土壤MBC^[37]。

3.3 生物炭对活性有机碳占总有机碳比例的影响

活性有机碳占总有机碳的比例能够消除由于土壤本身TOC含量差异带来的影响^[38]。本研究中施用生物炭后，土壤ROOC含量占TOC含量的比例不变或提高，这与郭军玲等^[38]的研究结果相似。这是因为生物炭中的碳具有较高稳定性，施入土壤中对TOC的提升作用大于ROOC。在本研究中，B40处理降低了DOC和MBC占TOC的比例，说明施用高量生物炭对土壤TOC的提升幅度显著大于DOC和MBC，这与付琳琳等^[16]的研究结果一致。这可能与生物炭稳定的结构^[28]和生物炭对DOC的吸附固定作用有关^[16]，当生物炭施用量大时，进入土壤的稳定性有机碳量显著增加，导致TOC含量大幅度提升。此外，生物炭的强吸附性还可以把土壤中部分微生物吸附固定在生物炭孔隙中^[25]。章明奎等^[29]研究表明，在添加生物炭后，培养前期（2个月）可以提高土壤MBC，但随着培养时间的延长，MBC含量逐渐降低，最后低于对照处理；试验初期土壤MBC的提高可能与生物质炭带入的速效养分促进了微生物的活动、增加了微生物活性有关；但是随着时间增加，生物炭中这部分易利用的有机碳逐渐被分解完，重新达到了有机碳的分解平衡。加上生物炭对土壤总有机碳的提升作用，从而表现出MBC和DOC占TOC的比例降低。但这只是生物炭对两个土壤类型活性有机碳所占比例的短期（一个生长季）试验结果，其长期影响是否与短期响应一致还有待田间试验的进一步验证，生物炭对土壤有机碳的长期影响可能以总有机碳的提升为主。

4 结论

本研究的结果表明，施用生物炭对不同土壤有机碳的影响并不一致。但不论是黄壤还是黄棕壤， 施用生物炭后整体上可以提高土壤TOC、ROOC及DOC含量；施用生物炭后土壤MBC降低（黄壤非根际土B5处理）、增加（黄壤根际土B20处理、 黄棕壤非根际土B20及B40处理）或没有显著变化。而活性有机碳占总有机碳比例的变化也不一致，其中DOC占总有机碳含量的比例变化受土壤类型的影响更大，但不受根系的影响。因此，本研究的结果表明，生物炭对活性有机碳含量及其占总有机碳比例的影响与土壤类型、样地及根系环境等因素有关。在施用生物炭时应综合考虑施用生物炭的用量、土壤类型、根系影响等因素，合理高效利用生物炭。此外，本研究结果只是施用生物炭在两种不同土壤类型上一个生长季的短期影响，还需要进行更多的工作来验证其长期效果及广适性。

致谢：本研究得到贵州省烟草公司毕节市公司科技项目“生物炭烟田土壤保肥及养分生物增效的机理研究”（2018520500240065）；中国烟草总公司重点项目“基于烟田土壤碳氮平衡的有机碳作用机制及调控技术研究”（110201902004）的资助。同时，全体作者对黔西林泉科技示范园和威宁黑石科技示范园在本研究中的大力支持表示衷心感谢。

参考文献