生物质炭（Biochar Carbon，BcC）是黑碳（Black Carbon，BC）的一部分（不区分时可以统称BC），与腐殖质碳（Humus Carbon，HC）同为土壤有机碳（Soil Organic Carbon，SOC）稳定性碳库的组成部分，但BC通常较HC 更为稳定^[1]。目前，关于BcC或BC 尚未有统一的定义，二者均是高温热解产生的富含碳且性质稳定的物质，但BcC 较BC 的范围窄些，不包括化石燃料产物或地球成因形成的碳^[2]。土壤有机质是泛指以各种形态和状态存在于土壤中的各种含碳有机化合物，其含量决定了土壤有机碳的含量^[3]。土壤有机碳主要来源于动物、植物、根系分泌物和微生物残体，并处于一个不断分解和形成的动态变化过程中，是生态系统在特定条件下的动态平衡值^[4]。相关研究结果表明，土壤黑碳具有较强的稳定性，在土壤中可存在成百上千年，在全球碳循环、温室气体排放和环境污染修复^{[5, 6]}中发挥着重要作用。李丽等^[7]发现通过固定化改性生物质炭后，可增加其对硝态氮的吸附能力，在20 mg·L^-1的硝态氮溶液中，改性生物质炭对硝态氮的去除比例可达80%。目前关于施用生物质炭对土壤基本理化性质和作物产量的影响已经开展了大量的研究，有研究表明：添加生物质炭后，可以增加土壤含碳量^[8]、改善土壤性质、促进土壤团聚体的形成、增加土壤养分^[9]、促进植物生长、增加产量^[10]和刺激微生物活动。这些研究多在较短的试验时间内探讨生物质炭对土壤和植物生长的影响，通常忽视了施用生物质炭对土壤和植物影响效果持续性的问题，但土壤黑碳会通过与矿物、微生物、植物等发生相互作用而不断发生物理化学特性变化。仅有部分研究者开展了生物质炭施用效果持续性方面的研究，Knoblauch等^[11]认为向稻田中施用炭化稻壳后，第1年CH₄释放量显著增加，第2年CH₄释放量却不显著变化；Zhang等^[12]通过连续2年大田试验研究发现，向稻田中施用生物炭之后，作物产量及土壤pH、土壤有机碳和全氮含量增加，而土壤容重降低。此外，由于土壤黑碳的化学复杂性及其固有的化学惰性，同时也由于缺乏统一的界定、鉴别和测定技术标准，对不同类型土壤中黑碳的提取和定量分析及结构鉴定十分困难^[13]，致使研究施用生物质炭对土壤黑碳数量和结构的影响几乎没有。

本研究以添加400 ℃的玉米秸秆生物质炭的表层水稻土为研究对象，采用化学氧化修改法对土壤黑碳进行提取和纯化，并采用重铬酸钾外加热法、元素组成和红外光谱分析一次施用生物质炭添加后连续3年对土壤有机碳和黑碳数量和结构特征的影响，以期深入研究添加生物质炭对土壤黑碳的持续作用，为土壤黑碳在土壤固碳、环境保护和农业生产上应用提供理论依据。

供试土壤采自江苏省江都市小记镇宗村（32°35′5′′N，119°42′0′′ E）生物炭实验基地。该地位于亚热带湿润气候带，海拔5 m，年平均降雨量980 mm，年平均蒸发量1100 mm，年平均气温 14.9 ℃，年日照时间 2100 h，年无霜期220 d，土壤类型为中层砂浆水稻土，试验前其基本理化性状如下：pH 8.0，有机碳7.00 g·kg^-1、全氮0.821 g·kg^-1、全磷0.259 g·kg^-1、C/N 8.53。

供试生物质炭采用低温热解法，首先将玉米秸秆在烘箱内80 ℃ 烘干12 h，然后将玉米秸秆放入炭化炉（中国科学院南京土壤研究所研制ZBX1 型），之后设定初始炉温为200 ℃，抽真空，充氮气，反复3 次（保证无氧环境）程序升温至400 ℃，保持1.5 h，直至无烟冒出。冷却研磨，过0.25 mm筛，制得的生物质炭（编号为Bc），理化性状为：pH 9.20、有机碳519.6 g·kg^-1、全氮7.10 g·kg^-1、全磷0.900 g·kg^-1、C/N比为73.2。

试验设置2个处理：对照处理，土壤样品采自不添加生物质炭的小区，采集时间为2012春季，编号为CK；施用生物质炭处理，采自生物质炭添加量为48 t·hm^-2的小区，该小区添加玉米秸秆生物质炭的时间为2011-06-20，即种水稻前一次性人工均匀施入，深度约15 cm，然后开始水稻-小麦轮作，每年2季。每个处理重复3次，小区面积10 m²。

土壤样品分3年采集，每个小区用土钻采集5点混合样品，自然风干备用，其中：第1年采集时间为2012春季，编号为BC1（经过了1个稻季，1个麦季，处于第2个麦季生长期），采集深度为0~15 cm；第2年采集时间为2013-07-10，编号为BC2（经过了2个稻季，2个麦季，处于第3个稻季苗期），采集深度为0~20 cm；第3年采集时间为2014-12-24，编号为BC3（经过了3个稻季，3个麦季，处于第4个稻季生长期），采集深度为0~15 cm。

土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法^[14]测定。

参照化学氧化法^[15]，但在混酸（10 mol·L^-1的HF和1 mol·L^-1 HCl）处理残渣后，增加3次混酸处理步骤，即：向残渣中加入混酸后放入恒温（25 ℃）水浴振荡器中振荡24 h，再用低速离心机以4000 r·min^-1的速度离心20 min，弃去上清液，用蒸馏水洗残渣至pH为4~5为止，重复3次。

本试验中提取的土壤黑碳包括添加生物质炭。

应用德国VARIO EL Ⅲ型元素分析仪进行土壤黑碳的C、H、N质量分数测定，O质量分数用差减法计算，即：O%=100%-（C%+H%+N%），利用差热分析的灰分和含水量数据对元素分析数据进行校正。

采用KBr压片法^[16]在美国Nicolet-AV360红外光谱仪上测定，波数范围4000~400 cm^-1。以3740、1820、860 cm^-1处作为零吸收点，将通过该3 点的直线作为基线，进行吸收强度的测定并加以比较。

数据经Excel2007整理，用SPSS软件分析，采用LSD法进行差异显著性比较，并用Original软件作图。

施用生物质炭对不同时间内土壤有机碳和黑碳含量的影响结果见表 1。可以看出，施用生物质炭后，与表层CK相比，BC1、BC2、BC3土壤有机碳的含量分别增加了97.8%、66.3%和100.2%；BC1、BC2、BC3土壤黑碳的含量分别增加了177.0%、304.3%和434.2%；BC1、BC2、BC3土壤黑碳占土壤有机碳的比例分别增加了40.2%、143.5%和167.3%。可见，施用生物质炭后，随时间的延长，表层土壤有机碳和黑碳含量，以及土壤黑碳占土壤有机碳的比例都有不同程度的增加，说明随时间的延长，生物质炭的施用有利于土壤有机碳，特别是土壤黑碳的积累。

表 1 施用生物质炭对土壤SOC和BC含量的影响 Table 1 Effect of biochar application on content of SOC and BC

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此外，通过单因素方差分析可知，不同处理的土壤有机碳和土壤黑碳的含量差异显著，波动较大。

表 2表明了施用生物质炭对不同时间内土壤黑碳元素组成的影响。试验结果表明，土壤黑碳的C元素含量为613.7~779.4 g·kg^-1，O元素含量为139.3~313.1 g·kg^-1，说明土壤黑碳的元素组成以C元素和O元素为主。与CK相比，施用生物质炭后，BC1、BC2、BC3土壤黑碳的C元素含量分别增加了7.01%、10.9%和27.0%；BC1、BC2、BC3土壤黑碳的H元素含量分别增加了3.97%、5.35%和12.3%；BC1、BC2、BC3土壤黑碳的N元素含量分别增加了2.85%、4.17%和8.72%；但BC1、BC2、BC3土壤黑碳的O元素含量分别减少了14.6%、22.5%和55.5%。这说明，随着时间的延长，生物质炭的施用使土壤黑碳的C、H、N元素含量增加，O元素含量减少。

表 2 施用生物质炭对土壤黑碳元素组成的影响 Table 2 Effect of biochar application on elemental composition of BC

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表 2还表明施用生物质炭对土壤黑碳缩合度（C/H）和氧化度（O/C）的影响。土壤黑碳的H/C和O/C的比值范围分别为0.833~0.942、0.134~0.383。施用生物质炭后，与CK相比，BC1、BC2、BC3土壤黑碳的H/C比值分别降低了2.64%、4.79%和11.4%；BC1、BC2、BC3土壤黑碳的O/C比值分别降低了19.6%、29.6%和64.7%。这说明，施用生物质炭后，随时间的延长，土壤黑碳的缩合度增加，氧化度降低。

施入生物质炭后不同时间土壤黑碳的红外光谱如图 1所示。可观察到较明显的吸收峰及其归属分别为：3400 cm^-1（羧酸、酚类、醇类等的-OH伸缩振动和酰胺类官能团的N-H振动）；2920～2850 cm^-1（脂族结构中-CH₂和-CH₃的C-H的伸缩振动）；1720 cm^-1（羧酸的C=O伸缩振动）；1620 cm^-1（酰胺I类化合物的C-O伸展振动）；1440 cm^-1（脂族结构中甲基和亚甲基的变形振动）；1260 cm^-1（羧基中-OH的变形振动和C-O伸缩振动）；1060 cm^-1（碳水化合物或多糖结构中C-O伸缩振动和无机物的Si-O伸缩振动）以及630 cm^-1（无机矿物的Si-O变形振动）。

图 1 施用生物质炭对土壤黑碳的红外光谱影响 Figure 1 Effect of biochar application on infrared spectroscopy of BC

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尽管所有土壤黑碳的红外光谱的谱形相似，但不同处理土壤黑碳的红外光谱的某些特征峰吸收强度有一定的差异，反映施用生物质炭对土壤黑碳结构单元和官能团数量有一定的影响。为了比较施用生物质炭的效果，重点比较2920 cm^-1、2850 cm^-1、1720 cm^-1和1620 cm^-1吸收峰强度的变化。

从表 3可以看出，施入生物质炭后，与CK相比，土壤黑碳在2920 cm^-1、2850 cm^-1和1720 cm^-1处的吸收强度降低，在1620 cm^-1处的吸收强度增加。这说明，施用生物质炭使土壤黑碳的脂族链烃和羧基含量降低，而促进了芳香碳数量的增加。I2920/I1620表示土壤黑碳的脂族链烃与芳香族C的比值，可以反应土壤黑碳的芳香性和脂族性强弱^[17]。从表 3可以看出，施用生物质炭后，随时间的延长，I2920/I1620比值降低，表明施用生物质炭后，随时间的延长，土壤黑碳的芳香性增加，脂族性降低。

表 3 施用生物质炭对土壤BC的红外光谱主要吸收峰的相对强度的影响（半定量） Table 3 Effect of biochar application on relative intensity of main absorption peaks of infrared spectroscopy of BC（Semi-quantitative result）

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由于生物质炭具有高度的芳香化结构和多孔特性，许多研究表明向农田施用生物质炭，可以增加土壤有机碳的含量。已有研究表明，施用生物质炭不仅会明显提高土壤有机碳的含量，且可长时间持续进行碳的补充^[10]；在相同施肥条件下，向土壤中分别添加0、5、10、20 g·kg^-1的生物质炭，发现土壤有机碳含量随生物质炭添加量的增加而增加^[18]。本研究结果也表明，添加生物质炭后，土壤有机碳的含量增加，说明施入生物质炭有利于提高土壤腐殖质碳含量。导致土壤有机碳含量增加的原因可能是生物质炭转化为腐殖质碳^[19]，直接增加了土壤有机碳的含量；也可能是因为生物质炭改变了土壤有机碳的组分，形成了更稳定的土壤有机碳^[17]。

土壤中黑碳的来源有人为源和自然源两种^[20]，其中自然源是指自然火灾，人为源是指人类农业活动。雷雨雨等^[21]通过对大兴安岭重度火烧迹地土壤黑碳的研究得出，重度火烧后，各层土壤黑碳均有不同程度的提高。张履勤等^[22]对原生林地、次生林地、茶园和旱地土壤有机碳、碳黑和颗粒有机碳的含量进行比较，发现黑碳占总有机碳的比例为旱地、茶园＞次生林地＞原生林地，说明在林地垦为农业用地过程中，碳黑（即土壤黑碳）的增加可能与施用有机肥有关。本研究结果表明，施用生物质炭后，土壤黑碳的含量和土壤黑碳占土壤有机碳的比例持续增加，其原因可能是施用的生物质炭转化成了土壤黑碳，直接增加了土壤黑碳的含量，也可能是因为土壤微生物作用的结果^[23]。已有研究报道，BC/SOC比值可以反映土壤中BC的来源，该比值在0.5左右表明BC主要来自化石燃料燃烧，而在0.1左右表明BC主要来自生物质燃烧^[24]。本文中BC/SOC在0.08～0.22范围内，表明土壤BC主要来源为生物质燃烧。

土壤黑碳是土壤稳定性碳库的组成部分，元素组成分析仪、红外光谱仪、差热分析仪和核磁共振分析仪等现代分析仪器被广泛应用于土壤黑碳结构特征的研究工作中，成为科学工作者们研究的重点内容之一。杨敏^[25]通过生物质炭还田试验分析了秸秆炭还田3.5年间的变化，结果表明还田秸秆炭的碳含量呈先增加后降低的趋势（但比刚还田时高），还田后以脂肪族碳降解为主；Liang等^[26]报道，BC 含量高与含量低的相邻土壤相比，芳香性、羧基和酚羟基官能团均较高，其中芳香碳占总碳的比例为30%～42%，较邻近土壤高66%～81%，同时认为生物质炭含量丰富的土壤其芳香化程度也相对较高；花莉等^[27]利用红外光谱和扫描电镜研究生物质炭对土壤腐殖质结构的作用发现，生物质炭的添加促进了碳水化合物、酯族、芳烃等有机大分子的形成。本研究结果表明，施入生物质炭后，表层土壤黑碳的C元素含量、I2920/I1720比值升高，I2920/I1620、H/C和O/C比值均降低，说明1次施用生物质炭后连续3年间，土壤黑碳中的碳元素含量和缩合程度增加，脂肪族链烃和氧化度减少。

导致上述结果的原因包括：一方面可能是化学氧化反应选择性地将脂肪族官能团氧化成CO官能团或者水溶性有机酸和CO₂的结果^{[28, 29]}；另一方面可能是生物质炭具有较高的吸附能力，抑制了土壤微生物的降解作用^[30]，使得土壤黑碳的缩合度增加。

对于供试水稻土而言，施用玉米秸秆生物质炭后，表层土壤黑碳含量和其占土壤有机碳的比例随时间的延长而增加。从元素分析和红外光谱来看，施用小麦秸秆生物质炭后，表层土壤黑碳的C元素含量增加，缩合度和芳香性增加，氧化度和脂族性降低，上述规律性随玉米秸秆生物质炭施用年限的延长表现得更加明显。说明施用玉米秸秆生物质炭后，土壤黑碳的芳香性增加，脂族链烃含量减少。