腐殖质是土壤有机质的主要部分，是土壤中所特有的一类有机物，土壤腐殖质与作物产量之间有密切的关系^[1]。腐殖质作为组成土壤的主体，是影响全球碳平衡的重要碳库，其组成和结构变化直接影响土壤性质与肥力的改变^{[2, 3]}。胡敏酸（HA）是土壤腐殖质的重要组成部分，其结构性质一直受到国内外学者的广泛关注。HA具有疏松多孔的网状结构，并含有羧基、羟基、甲氧基、氨基等官能团，在改善土壤团聚体组成，提高和保持土壤肥力等方面有显著作用^[4]。

生物质炭孔隙结构发达，比表面积大^[5]，一般呈碱性，具有较强的吸附性。研究表明，生物质炭结构中含有大量的烷基和芳香结构^[6]，能在土壤中稳定存在，是土壤稳定碳库的重要组成部分^[7]。近年来，向土壤中添加生物质炭已成为农业上改善土壤质量的重要途径。刘玉学等^[8]的研究表明，生物质炭具有较强的吸附特性，可有效降低农田氨的挥发，减少土壤养分淋失。同时，其发达的比表面积也能有效地促进水分流向根际下方，增加植物对水分和养分的利用率，从而提高作物产量^[9]。生物炭施入土壤后，增加了土壤的表面积，提高了土壤整体的吸附能力和保水性^[10]。Chintala等^[11]的研究结果表明，施加生物质炭有助于提高酸性土壤pH值。柯跃进等^[12]通过培养试验证明，施加生物质炭有利于土壤有机质的积累，提高土壤易氧化态碳的含量。周桂玉等^[13]通过向土壤中添加秸秆生物质炭和松枝生物质炭的培养试验证明，生物质炭能提高土壤有机碳（SOC）、HA含量，降低HA的色调系数ΔlgK。然而，关于施加生物质炭对土壤腐殖质组成和HA结构影响的研究还比较少，生物质炭进入土壤后，除了通过其自身性质改变土壤结构、腐殖质碳组成和增加作物产量，其结构中所具有的-COOH、-COH、-OH等含氧官能团和芳香基团也能对土壤HA结构产生影响。因此，本文采用元素组成法和红外光谱法，探究添加不同用量玉米秸秆生物质炭第3年后对土壤腐殖质组成和HA结构特征的影响，以期为生物质炭在改善土壤腐殖质组成、提高土壤肥力和农业生产上的应用提供理论依据。

供试土壤（吉林农业大学试验站黑土）于2012年春季采自吉林农业大学教学试验田（N 43°48′46"，E125°23′28"） 0~20 cm土层，土壤类型为草甸黑土。当地年平均气温5.6 ℃，年无霜期140~150 d，年降雨量500~600 mm，日照2600 h，年积温3200 ℃，海拔高度213 m。该试验田长期种植玉米。土壤基本性质如下：有机质26.43 g·kg^-1、全N 1.42 g·kg^-1、全P 0.51 g·kg^-1、有效P 24.3 mg·kg^-1、pH 6.72、C/N为29.21。

供试生物质炭（Bc）由玉米秸秆在400 ℃无氧条件下制成，在制备生物炭之前，玉米秸秆先在80 ℃的烘箱内烘干12 h。玉米秸秆放入炭化炉（专利批准号：200920232191.9中国科学院南京土壤研究所研制ZBX1型），抽真空后充入氮气，反复3次。在无氧状态下（充入高纯氮气）缓慢升温至400 ℃（炭化炉起始设定温度为200 ℃，每3 h升高100 ℃）。其生物质炭基本性质如下：含碳量810.97 g·kg^-1、全N 7.1 g·kg^-1、全P 0.90 g·kg^-1、pH 9.2。

试验设置如下，（1）对照处理CK：供试土壤风干后，过2 cm筛以除去石块等杂质，取10 kg黑土加入花盆（直径28 cm，高28 cm）中，种植玉米种子3粒，施加复合肥（N:P:K=12:18:15），出苗后选取长势较好的1棵保留。（2）施加生物质炭处理：根据玉米秸秆12 t·hm^-2的产量，分别增设半量（6 t·hm^-2）和倍量（24 t·hm^-2）两个施用量，于2012年春季一次性施用生物质炭，其中：P6（6 t·hm^-2）为向10 kg风干黑土中添加2.70 g·kg^-1生物质炭，P12（12 t·hm^-2）为向10 kg风干黑土中添加5.30 g·kg^-1，P24（24 t·hm^-2）为向10 kg风干黑土中添加10.60 g·kg^-1生物质炭。混合均匀后置于花盆（直径28 cm，高28 cm）中，其余处理同CK。

盆栽露天置于吉林农业大学资源与环境学院围区，仅2012年施加生物质炭，此后不再施加生物质炭。每年春季松土，秋季玉米成熟后，去除玉米根系，将土混匀，取土200 g分析化验。本次试验于2014年春季松土之后种植玉米，并于2014年秋收后取土分析化验，采样时间为2014-10-04。花盆其他处理与CK相同。共4个处理，每个处理3次重复。

采用腐殖质组成修改法^{[14, 15]}提取水溶性物质（WSS）、HA、富里酸（FA）和胡敏素（Hu），并测其有机碳含量。HA的提取和纯化：将过60目的干土100 g按土:液=1:10的比例，用0.1 mol·L^-1 NaOH在室温下提取，向上述溶液中加入 2.5 mol·L^-1 HCl酸化至 pH=1.5，将酸化了的混合液置于低速离心管中离心，离心所得沉淀即为粗HA。粗HA处理具体步骤见文献[16]。

土壤及Hu有机碳的测定均采用重铬酸钾外加热法^[17]；HA、FA 等水溶性有机碳含量采用岛津TOC-VCPH 仪测定。

元素组成采用德国产VARIO EL Ⅲ型元素分析仪（Vario EL analyzer）进行测定，应用CHN模式，O+S含量用差减法计算，依据样品中各元素的大致含量确定称样量（各样品称样量均为2～3 mg），并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。

红外光谱分析（Infrared spectrometry，IR）应用美国NICOLET-EZ360红外光谱仪，扫描模式为4000～400 cm^-1，采用KBr压片法测定。通过OMNIC（Thermo Fisher，美国）软件对谱线选取特征峰，并采用Origin 7.5（Origin Lab，美国）对官能团的振动峰进行半定量分析。

所有数据经 Excel 2010（Microsoft，美国）进行预整理，然后利用 SPSS 21（Statistical Product and Service Solution，美国）进行单因素方差分析（LSD-t检验，P=0.05），不同字母代表差异显著。红外光谱使用OMNIC软件进行分析，Origin 7.5软件作图。

施用玉米秸秆生物质炭对SOC含量及腐殖质各组分有机碳含量的影响如表 1所示。随着外源生物质炭量的增加，总SOC含量逐渐上升，相比于CK，P6、P12和P24处理土壤的SOC含量分别上升3.61%、13.40%和30.64%；P6、P12和P24处理土壤的WSS中有机碳含量分别上升30.88%、86.29%和116.18%；P6、P12和P24处理土壤的Hu中有机碳含量分别上升5.44%、19.46%和51.16%；P6、P12和P24处理土壤的HA中有机碳含量分别上升7.89%、13.60%和25%；P6、P12和P24处理土壤的FA中有机碳含量则分别降低13.11%、24.60%和45.90%。试验结果表明：施加生物质炭有利于土壤中SOC的积累，有利于提高Hu、HA中有机碳含量，降低FA中有机碳含量。

表 1 施用玉米秸秆生物质炭对土壤腐殖质各组分含碳量的影响 Table 1 Effects of maize stalk biochar on TOC of every component of soil humic substance

表选项

生物质炭对腐殖质各组分占SOC含量比例的影响见表 2，施加生物质炭能有效改善腐殖质组分。P6、P12和P24处理WSS占总SOC比例较CK分别上升1.39%、3.37%和3.44%；P6、P12和P24处理Hu占总SOC比例较CK分别上升1.02%、3.08%和8.69%，P6、P12和P24处理FA占总SOC比例分别较CK下降3.08%、6.40%和11.24%。就HA占有机碳比例来说，P6处理时，土壤中HA占总SOC比例最高，为18.61%，较CK上升0.74%；P12处理时，HA占总SOC比例为17.90%，仅比CK多0.03%；P24处理时，HA占总SOC比例为17.00％，较CK降低0.87%。

表 2 施用生物质炭对土壤腐殖质组分有机碳相对含量的影响 Table 2 Relative content of each component of soil humic substance

表选项

PQ值为HA在腐植酸中的比例，是反应有机质腐殖化程度的指标。从表 2可以看出，随着生物质炭施用量的不断增加，土壤PQ值从CK的48.30%分别增加为P6的53.72%、P12的58.43%和P24的68.26%，说明生物质炭的施加有利于土壤的腐殖化程度提高，有利于土壤中HA的积累。

元素组成是判断复杂有机化合物结构的有效方法之一。通过对土壤HA样品元素组成的分析，可以简单地判断HA的结构特征。表 3为施加生物质炭后土壤中HA的元素组成变化。随着生物质炭施加量的提升，相对于空白，HA中的C、H、N元素含量均有不同程度的增加，O元素含量则减少，表明施加生物质炭有利于HA中C、H及N元素的累积，促进了O元素的消耗。O/C摩尔比值同HA的氧化度呈正比，H/C摩尔比值同HA的缩合度呈反比。表 3数据结果显示，O/C摩尔比值下降，H/C摩尔比值亦下降，表明施加生物质炭降低了HA的氧化程度，提高了HA的缩合程度。

表 3 施入玉米秸秆生物质炭对土壤中HA元素组成的影响 Table 3 Effects of maize stalk biochar applications on elemental composition of humic acid in black soil

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图 1为施用生物质炭后土壤中HA的红外光谱变化。3400 cm^-1处为-OH键的伸缩振动和N-H伸缩振动，2920 cm^-1及2850 cm^-1处代表脂族碳的伸缩振动，1720 cm^-1处代表C=O双键的伸缩振动，1620 cm^-1处为芳香族C=C的伸缩振动，1250 cm^-1处为羧基上C=O不对称伸缩振动。

CK为未施加生物质炭，P6、P12和P24表示生物质炭施加量 相当于6、12 t·hm-2和24 t·hm-2。 CK represents no biochar application，P6，P12，and P24 represent biochar application rates at 6 t·hm-2，12 t·hm-2，and 24 t·hm-2，respectively 图 1 不同生物质炭施用量对盆栽土壤HA红外光谱的影响 Figure 1 Effects of maize stalk biochar applications on FTIR spectra of HA in black soil

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由图 1可以看出，随着生物质炭施加量的增加，相比于CK，HA在2920、2850 cm^-1处振动增强，而在1720 cm^-1处振动幅度明显降低，说明施加生物质炭能够促进HA结构中形成脂族链烃，减少HA结构中的羧基官能团。

表 4为胡敏酸红外光谱吸收峰相对强度的半定量分析结果，能够反映施用生物质炭对土壤HA结构单元和官能团数量的影响。由Origin 7.5拟合得出结果，其中I₂₉₂₀/I₁₇₂₀比值为I_{（2920+2850）}/I₁₇₂₀，用于反映土壤HA结构的氧化程度。I₂₉₂₀/I₁₆₂₀比值为I_{（2920+2850）}/I₁₆₂₀，用于反映土壤HA结构的芳香性的强弱。结果表明，施用生物质炭后，土壤HA的I₂₉₂₀/I₁₇₂₀ 和I₂₉₂₀/I₁₆₂₀比值升高，且1620 cm^-1处吸收峰相对强度（%）增强，说明施用生物质炭使HA的氧化度降低，脂族链烃和芳香碳相对数量增加。

表 4 施加生物质炭对盆栽土壤HA的FTIR光谱主要吸收峰相对强度的影响 Table 4 Relative intensity of main absorption peaks of FTIR spectra of HA in black soil under different biochar rates

表选项

土壤腐殖质是全球碳平衡过程中重要的碳库，在SOC的循环和转化中起到重要作用^[18]。腐殖质在土壤中的分解和积累很大程度上关系着土壤肥力，因而它是评价土壤肥力水平的重要指标之一^[19]。

根据本试验结果分析，就有机碳含量来说，随着生物质炭施入量的增加，总SOC含量及腐殖质组分中的WSS、Hu、HA呈上升趋势，FA含量降低，且均与CK呈显著性差异。这与肖春波等^[20]的研究结果相符合。

造成SOC含量上升的原因可能如下：一方面，生物质炭作为外源有机质，其本身含有大量的C元素^[21]，是土壤有机碳库的重要组成部分，对提高SOC含量起到直接作用。另一方面，生物质炭具有较大的比表面积和较强的吸附性，进入土壤以后会吸附土壤中小的有机分子，并在其表面聚集成碳水化合物、酯族、芳烃等难以被微生物利用的大分子有机质^[22]。大量证据显示，生物质炭能通过微生物转变成腐殖质碳^[23]，Zimmerman^[24]等的培养实验表明，生物质炭的分解是微生物降解和非微生物降解结合的结果。非生物降解包括自然降解、光化学氧化等，生物降解主要指微生物降解^[25]。生物质炭进入土壤后，在培养过程中会部分地自然降解，为微生物提供新的碳源，促进特定微生物的生长^[26]和改变土壤中微生物群落结构^[27]，进而促进土壤中微生物的活动，微生物活动的增加又反过来促进生物质炭向腐殖质碳的转换^[28]，从而提高了组分中有机碳的含量。除此以外，生物质炭的加入，促进了土壤物理性质的改变^{[8, 9, 10]}，从而使微生物与动、植物残体有了更大的接触面积，这可能加速动、植物残体向腐殖质碳的转化，造成土壤腐殖质组分发生变化。王英惠^[29]等的研究结果表明，添加低温（<400 ℃）制备生物质炭的土壤腐植酸含量显著高于对照土壤。本试验中FA 的含量降低，则可能是由于生物质炭具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积，对 FA 的相对较小分子物质起到吸附保护作用，使其不容易被提取，从而导致测得的组分含量偏低^[30]。

试验结果表明，施入生物质炭后，土壤PQ值上升。生物质炭进入土壤后，其脂族碳部分容易矿化、分解，转化为HA等物质^[31]，从而改善了土壤腐殖质组分，提高土壤的PQ值。就腐殖质不同组分来说，WSS、Hu占有机碳比例呈上升趋势，FA含量随生物质炭施入量的增加而呈下降趋势，HA则呈先上升后下降的趋势。黄超等^[32]的研究表明，土壤中生物质炭施用量的增加，会造成土壤中活性组分（HA和FA）的比例逐渐下降，而Hu的组分比例上升，其原因可能是生物质炭更多地转移到Hu和WSS当中，造成HA占有机碳比例下降。

胡敏酸是土壤腐殖质中的活跃物质，其组成结构和性质的变化与土壤的保肥和供肥能力相关^[31]。胡敏酸主要由C、H、O、N、S等元素组成，主体则是由-COOH和-OH取代的芳香族结构，烷烃、脂肪酸、碳水化合物和含氮化合物结合于芳香结构上。Haumaier等^[34]利用NMR（核磁共振）对HA以及人工氧化形成的焦化物进行分析，结果表明：生物质炭和高芳香性土壤HA的波谱特征具有明显的相似性。Kwapinski^[23]等的研究结果表明，生物质炭能通过微生物作用转变成腐殖质碳。

结合元素分析和红外光谱分析，施加生物质炭后，土壤HA的缩合程度升高，氧化程度降低，同时HA的脂族碳链结构有所增加，芳香性增强，氧化程度减弱。Cheng等^[31]的研究结果表明，生物质炭的脂肪族碳结构极易通过矿化分解等方式，转变为土壤中的HA。Pessenda等^[35]的研究结果表明，生物质炭能增加土壤HA的芳香碳含量，施加生物质炭后，生物质炭的结构特性决定其能够为微生物提供良好的生存条件，大量的微生物活动促使一部分生物质炭分解进入土壤，重新组成形成HA中的链状结构，其结构中部分的C=C双键得以保留，增加了HA结构的稳定性。I₂₉₂₀/I₁₆₂₀和I₂₉₂₀/I₂₈₅₀比值升高，也说明生物质炭能促进HA结构中脂族碳的形成，促进其结构复杂化。

（1）施用生物质炭第3年，能够提高SOC含量，改善土壤腐殖质组成，提高土壤PQ值。当生物质炭施用量为24 t·hm^-2时，土壤PQ值最高，SOC增量最多，腐殖质组分WSS、Hu中有机碳含量最高，占SOC比例最高；HA中有机碳含量最高，占SOC比例最低。

（2）施用生物质炭3年，能够提高黑土中HA的缩合度，降低其氧化度，有利于HA脂族链烃的形成，提高HA结构中芳香环的比例，使HA结构复杂化。施用生物质炭量为24 t·hm^-2时，效果最明显。