Marris 2006年在《Nature》的呼吁以及国际生物炭联盟（IBI）的成立为生物炭在缓解全球气候变化以及增汇减排方面的研究拉开了序幕^{[1, 2, 3]}。生物炭俗称黑炭，是生物质在高温厌氧条件下热裂解生成的富碳产物，由于原材料和裂解条件的不同，其性质有所差异^[4]。生物炭具有良好的物理性状，施入土壤后可以起到改土培肥的作用^[5]。近年来，利用生物炭实现碳封存和减缓全球气候变暖的策略引起了科学界的高度关注。生物废弃物的广泛存在加上生物炭较低的生产成本，使生物炭固碳技术成为一种非常有前景的、对生态友好安全的、可大面积推广的碳减排技术^[6]。

研究土壤有机碳和氮的变化规律为合理施肥，维持和提高土壤质量，促进农业可持续发展提供了重要依据。在全球气候变化的影响下，碳、氮循环尤其是和温室气体产生相关的碳氮组分的变化成为研究的热点之一。Lefroy等^[7] 在测定不同活性的土壤活性有机质的基础上提出了土壤碳库管理指数（CPMI）的概念。大部分学者认为CPMI是全面、灵敏监测和反映土壤碳库质量变化和更新程度以及评价土壤管理的有效指标^[8]，其值越大，表示有机碳越易于被微生物分解和被植物吸收利用^{[9, 10]}，碳库活度和质量也就越高。目前关于土壤总有机碳、全氮和碳库管理指数变化的研究大多集中在不同农艺措施下^{[11, 12, 13]}，而关于生物炭不同用量条件下土壤有机碳、氮储量和碳库管理指数的变化鲜见报道，尤其在陕西关中塿土上的研究未见报道。因此，开展这方面的研究对于优化土壤管理措施、废弃生物质资源化利用及农业可持续发展具有重要的理论意义和实践价值。本文采用田间定位试验，研究了两年内生物炭对陕西塿土土壤碳、氮和土壤碳库管理指数的影响，以期为北方土壤资源有效利用和土壤养分提升提供理论基础。

试验地位于陕西省杨凌示范区西北农林科技大学试验田，北纬34°16′、东经108°04′，海拔458.6 m。该地区属温带大陆性易旱气候区，年均日照时数2196 h，年均气温11~13 ℃，无霜期210 d，年均降雨量500~700 mm。土壤类型为褐土类，塿土亚类，红油土属，黄土母质，系统分类为土垫旱耕人为土，属石灰性土壤。研究所用生物炭为陕西亿鑫生物能源科技开发有限公司在裂解炉、限氧环境下由废弃果树树干、枝条热裂解（450 ℃）所得，磨细过1 mm筛，备用。供试作物选用西北农林科技大学选育小麦（小偃22号）和杂交玉米种（“正大12”）。

试验开始时土壤基础理化性质为：总有机质12.64 g·kg^-1，全氮0.71 g·kg^-1，全磷0.43 g·kg^-1，全钾19.64 g·kg^-1，硝态氮18.20 mg·kg^-1，铵态氮15.90 mg·kg^-1，速效磷12.38 mg·kg^-1，速效钾193.00 mg·kg^-1，pH 7.33（土水比为1∶2.5），容重1.30 g·cm^-3。生物炭基础理化性质为：C 72.38%，N 1.19%，O 23.81%，H 2.62%，硝态氮0.52 mg·kg^-1，铵态氮1.86 mg·kg^-1，比表面积86.70 m²·g^-1，pH 10.43（土水比为1∶10）。

生物炭于2012年4月一次性撒施于土壤表层并与耕层（0~20 cm）土壤混匀，其用量为5个水平：对照B0（0 t·hm^-2）、B20（20 t·hm^-2）、B40（40 t·hm^-2）、B60（60 t·hm^-2）、B80（80 t·hm^-2）。采用随机区组设计，3次重复，小区面积为1.35 m×3.50 m，小区之间设0.5 m的隔离保护带。除生物炭用量不同外，氮、磷、钾肥（分别为尿素、磷酸二铵、硫酸钾）均作基肥于每次种植前施入，用量为225 kg N·hm^-2、180 kg P₂O₅·hm^-2、150 kg K₂O·hm^-2。

试验目前共进行了两年四季。于2012年4月至2014年6月进行夏玉米和冬小麦的轮作，玉米播种量为52 500株·hm^-2，冬小麦播种量为150 kg·hm^-2。在作物生长期间根据天气及作物生长状况适量灌水，以满足作物正常生长发育所需。分别于2012年10月、2013年6月、2013年10月、2014年6月作物收获后采集表层（0~20 cm）土样测定相关指标。以试验开始前土壤为参考土壤，其总有机碳质量分数（TOC_参考）为7.33 g·kg^-1，活性有机碳质量分数（AOC_参考）为2.03 g·kg^-1。

土壤和生物炭的基本理化性质参照《土壤农化分析》常规方法测定^[14]，其中：土壤总有机碳（Total organic carbon，TOC）采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法；土壤全氮（Total nitrogen，TN）采用混合催化剂-流动分析仪法；土壤活性有机碳（Active organic carbon，AOC）、中活性有机碳（Middle active organic carbon，MAOC）和高活性有机碳（High active organic carbon，HAOC）分别采用333、167、33 mmol·L^-1高锰酸钾氧化法测定^{[12, 15]}；土壤水溶性有机碳（Water-soluble organic carbon，WSOC）采用Ghani等^[16]的方法；土壤容重（Bulk density，BD）采用环刀法；土壤pH采用pH计测定（水土比为2.5∶1）。

土壤活性有机碳库及碳库管理指数计算方法如下^{[12, 15, 17]}：

SC（Stable carbon，稳态碳）=TOC（g·kg^-1）-AOC（g·kg^-1）

AC（Availability of active carbon，活性碳有效率）=AOC（g·kg^-1）/TOC（g·kg^-1）×100%

CPI（Carbon pool index，碳库指数）=TOC（g·kg^-1）/TOC_参考（g·kg^-1）

A（Activity，碳库活度）=AOC（g·kg^-1）/SC（g·kg^-1）

AI（Activity index，碳库活度指数）=A/A_参考

CPMI（Carbon pool management index，碳库管理指数）=CPI×AI×100

试验数据的整理以及图表的绘制采用Microsoft Excel 2003，单因素方差分析和多重比较（最小显著差法）采用SPSS 18.0。

由图 1可以看出，土壤TOC在四季作物收获后呈现出一致的规律，均是随生物炭施用量的增加而显著增加。施炭处理的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ季作物收获后，土壤TOC含量分别比对照B0显著增加53.82%~198.97%、30.19%~132.90%、40.63%~179.00%、59.80%~180.52%，且随时间的延长，TOC含量基本保持不变。说明一次性施入生物炭对土壤TOC具有直接的增加作用，而且这种作用比较稳定。

不同大写字母表示同一时期不同处理间差异极显著（P＜0.01）；不同小写字母表示同一时期不同处理间差异显著（P＜0.05）。下同 Different uppercase letters mean significant difference between treatments within a period at 0.01 level. Different lowercase letters mean significant difference between treatments within a period at 0.05 level. The same as below 图 1 施用生物炭对土壤总有机碳、氮含量及pH的影响 Figure 1 Effects of biochar on total soil organic carbon，total nitrogen and pH value

图选项

施用生物炭对土壤TN的增加不显著，但整体而言，施用生物炭也提高了土壤TN含量。第Ⅰ季B80处理比对照B0显著增加23.35%，其余处理与对照相比没有达到显著差异；第Ⅱ季施炭处理与对照之间没有显著差异；第Ⅲ季B60处理比对照显著增加了14.59%；第Ⅳ季施炭处理与对照相比均达到了显著差异，比B0显著增加13.22%~20.92%，其中B40和B60处理增加最显著。这说明施用生物炭对土壤TN有增加作用，但增加作用不稳定，有待进一步深入研究。

由于生物炭具有较高的pH，施用后会直接造成土壤pH的上升。在南方酸性土壤区，提高土壤pH可以缓解土壤酸化，改良土壤性状，但在北方地区，土壤pH升高会影响土壤质量，尤其是在石灰性土壤区。由图 1可以看出，施用生物炭的确造成土壤pH的升高，与对照相比达到了显著性差异，但整体而言，从第Ⅰ季到第Ⅳ季，土壤pH呈下降趋势。这说明在短期内生物炭的施用会造成土壤pH的升高，但随时间的延长，受耕作、施肥、灌溉等农业措施和人为活动的影响，土壤pH可能会降低到原来的水平。

如图 2所示，施用生物炭后，不同活性有机碳均有不同程度变化，其中AOC在小麦季，施生物炭的处理显著高于对照B0。与对照相比，B20、B40、B60和B80在整个试验期内AOC分别增加了13.6%~37.%、37.7%~121.8%、9.8%~75.1%和7.1%~61.3%，且在前两季内，B40处理显著高于其他各处理，而后两季B60处理含量最高。MAOC在小麦第一季B40显著高于B0，其他处理之间无显著差异，在另三季各处理之间均无显著差异。HAOC在连续四季内施炭处理均显著高于对照B0，与对照相比，B20、B40、B60和B80在整个试验期内分别增加了23.6%~37.4%、17.9%~52.9%、35.9%~70.4%和18.8%~70%，且B60处理HAOC含量最高。这说明生物炭能够提高土壤AOC的含量，且主要增加的是HAOC的含量，MAOC的增加不显著。原因可能是生物炭施入土壤后使土壤土质变松、通气性变好、微生物活性增强，因此AOC含量增加。但由于生物炭的主要成分为稳定的芳香环结构的碳，不易被微生物分解利用，因此增加的主要为结构简单的高活性有机碳的量。

图 2 施用生物炭对不同土壤活性有机碳含量的影响 Figure 2 Effect of biochar on active organic carbon

图选项

如图 3所示，在连续四季内，WSOC含量总体呈下降趋势。前三季内，施用生物炭的处理WSOC含量显著低于对照处理，B20、B40、B60和B80分别比对照低8%~11.2%、25.2%~33%、26.8%~35.1%和31.9%~42.8%，且与生物炭施用量呈反比关系，而第四季各处理之间差异不显著。这说明施用生物炭降低了土壤中WSOC含量，但是随着种植年限的增加，生物炭对土壤WSOC含量的影响逐渐减小。另外，从图中可以看出，土壤WSOC含量呈下降趋势，这可能与作物的连续吸收利用有关。

图 3 施用生物炭对土壤水溶性有机碳含量的影响 Figure 3 Effect of biochar on soil water-soluble organic carbon

图选项

土壤中AOC占TOC的百分比可以反映土壤有机碳质量，AOC所占的比例越高，表示土壤质量越好^[15]。由表 1可以看出，各施炭处理土壤AOC含量均高于对照，玉米季和小麦季分别比对照高13.60%~46.37%和18.47%~73.42%，均为生物炭用量60 t·hm^-2的含量最高。相关分析表明（表 2），土壤AOC与生物炭用量呈极显著相关（R²=0.520，n=30，P＜0.01）。随生物炭施用量的增加，土壤AC显著降低，玉米季和小麦季施炭处理分别比对照低19.22%~47.60%和26.15%~42.70%，且对照B0显著高于施炭处理；土壤SC含量随生物炭施用量的增加显著增加，各处理间均达到显著性差异；CPI和SC变化规律一致；在不同作物种植下，土壤A和AI均表现为B0>B20>B40>B60>B80，且对照B0显著高于施炭处理；CPMI在玉米季表现为B60>B40>B80>B20>B0，在小麦季表现为B60>B80>B40>B20>B0，其与生物炭用量呈显著相关（R²=0.272，n=30，P＜0.05）。这说明生物炭还田不仅可以提高土壤活性有机碳，增加碳库管理指数，而且能储存更多的稳态碳，增加土壤碳储量。

表 1 各指标之间的Pearson相关系数 Table 1 Pearson correlation coefficients between indexes

表选项

表 2 不同生物炭用量对土壤碳库管理指数的影响 Table 2 Carbon pool management index under different rates of biochar

表选项

如表 2所示，施用生物炭条件下，MAOC与所有指标均不相关；pH除了与生物炭施用量呈极显著相关、与TN呈显著负相关、与HAOC呈显著正相关外，与其余各指标之间均不相关；WSOC除了与AOC之间呈显著负相关外，与其余各指标之间均呈极显著负相关；CPMI与生物炭施用量、TOC和TN之间呈显著正相关，与AOC和HAOC之间呈极显著正相关；其余各指标之间均呈极显著正相关。这说明随着生物炭施用量的增加，土壤TOC、TN、pH、AOC、HAOC及CPMI均有显著的增加，而WSOC显著降低。

直接向土壤中输入有机物质是提高土壤有机碳含量的主要途径之一^{[18, 19]}。施用生物炭向土壤中直接输入了外源有机物质，因此能够显著增加土壤有机碳含量。生物炭主要由高度浓缩的芳香环结构组成，表面含有羟基、羧基、羰基等官能团以及内酯结构^[20]，这种结构可以在很大程度上抵抗来自外界的物理、化学以及生物作用的影响，具有很强的稳定性。Swift等^[21]研究结果表明，生物炭在土壤中一般可以停留1000年，甚至长达10 000年，进一步表明了生物炭的稳定性。本研究中生物炭对土壤有机碳含量具有显著增加作用，并且这种增加作用比较稳定。这是由于生物炭具有含碳量高和生物化学稳定性较强的特征，施入土壤后难以被微生物所降解，因而长期存留于土壤并成为土壤有机碳的组成部分。

生物炭能够防止养分流失^[22]，因此可以降低氮素的淋失，提高氮肥利用率^[23]。这主要归功于生物炭具有巨大的比表面积等结构特性和很强的离子吸附交换能力、较高的电荷密度等功能特性^[3]。生物炭还增大了土壤C/N，抑制了微生物对土壤氮素的分解利用。另外，生物炭本身含有一部分氮素，施用量越大，对土壤氮素的贡献越大。本研究发现施加高水平的生物炭后土壤全氮含量增加了，与郭伟等的^[24]研究结果一致。Laird等^[25]的研究结果表明，向典型农业土壤中施加20 g·kg^-1生物炭后土壤氮素淋失量减少了11%。这主要是由于生物炭的强吸附性将氮素吸附到土壤表面，使得土壤溶液中的无机氮减少。另外，生物炭的孔隙能为土壤微生物提供适宜的生存环境^[26]，从而促进固氮细菌活性，提高固氮菌的固氮功效。

土壤pH值是影响土壤养分有效率的重要因素。生物炭本身呈碱性，添加到土壤后对其周围局域环境的pH产生了一定程度的影响，因此农田土壤pH值随着生物炭施用量的增加而升高。本研究还发现，随种植次数的增加，生物炭对土壤pH的增加程度降低。这可能与土壤本身的缓冲性以及作物生长过程中分泌的有机酸有关。张祥等^[27]研究表明在酸性土壤中施用生物炭可显著提高土壤pH；Zwieten等^[28]、陈心想等^[29]的研究表明碱性或弱碱性土壤施用生物炭对pH影响不显著；张雯等^[30]对盐土的研究表明，由于生物质炭本身偏碱性，对盐碱土的改良效应与自身的碱性效应相当，反而使pH较原土略有降低。

AOC是易受环境影响的土壤有机质组分，易被土壤微生物分解矿化，对土壤养分、土壤理化性质、植物生长以及全球气候变化都有重要影响。生物炭由于疏松多孔，施入土壤后能疏松土壤质地，促进植物根系生长。有研究表明，在沙土和沙壤土中施用生物炭不仅可以增加根生物质量，而且还可以改良根系结构^[31]，使根系分泌物增多、微生物活性增大，从而使土壤AOC含量增加。本研究所施用的生物炭由于氧化不完全，本身含有部分活性有机碳，对土壤AOC含量的增加有一定的贡献。本研究结果与马莉等^[32]的研究结果一致，均表明生物炭对土壤AOC有提高作用。但张杰等^[33]在潮土上的研究表明，施用生物炭后土壤AOC含量无明显变化，可能和生物炭原材料、裂解条件以及土壤类型有关。

WSOC是一种非常活跃的有机碳组分，主要来源于土壤腐殖质的淋滤和微生物的分解^[34]，虽然含量较少，但是可以被微生物直接利用，由于其对环境变化比较敏感，在一定程度上可以作为检测土壤肥力的重要指标。生物炭的特殊结构使其具有较强的吸附能力，施入土壤后增加了土壤对有机碳分子的吸附作用，而且这种吸附作用与生物炭施用量之间具有正比关系，导致了土壤WSOC含量的下降。另外，生物炭中含有大量的钙离子^[35]，能够络合土壤WSOC^[36]，也是土壤溶液中WSOC含量下降的一个重要原因。邢英等^[37]、章明奎等^[38]的研究结果与该研究结果一致，但马莉等^[32]的研究结果表明，生物炭低施用量能够显著提高土壤WSOC含量，而高施用量与对照之间差别不大。这种结果的不一致性可能和生物炭原材料、裂解条件以及土壤类型有关。因此，关于生物炭对土壤WSOC含量的影响还需要进一步研究。

Lefroy等^[7]提出的土壤碳库管理指数可以作为评价土壤有机碳质量的指标，反映有机碳被微生物和植物利用的难易程度，其值越大表示越容易被利用，同时，碳库活度和质量也就越高^{[9, 10]}。杨旭等^[39]在沈阳黄土母质上发育的棕壤上的研究表明，秸秆炭化还田可以有效提高土壤碳库管理指数，与本研究结果一致。这可能是秸秆生物炭中含有较多活性有机碳的原故^[40]。本研究表明，施用生物炭显著提高了土壤有机碳含量以及碳库管理指数，且在本研究所施用的生物炭含量范围内，其与生物炭施用量呈显著正相关关系。一方面，说明施用生物炭能够提高塿土土壤肥力；另一方面，对生物炭在固碳减排、减缓温室效应、提高肥料利用率等方面的研究具有一定的启示意义。另外，在小麦季和玉米季，生物炭对土壤碳库管理指数的影响有所差异。有研究表明^[41]，种植作物不同，免耕以及秸秆还田对土壤碳库管理指数的影响不同，说明作物类型对土壤碳库管理指数具有重要的影响，但关于生物炭还田下作物类型对土壤碳库管理指数影响的研究尚未见报道。这可能与作物根系结构、根系分布状况以及生物炭对不同作物根系生长的影响有关，具体原因将在以后的研究中深入探究。本研究通过两年连续种植作物的田间试验研究了生物炭对塿土土壤碳氮含量、碳库管理指数以及碳氮组分的影响，但农田土壤碳、氮的变化及其效应是一个长期的过程，对其影响机理及其效应还需要进一步深入研究。

（1）施用生物炭可以显著提高土壤总有机碳含量，且与生物炭施用量呈正相关关系；在整个实验期内，生物炭对土壤全氮含量具有一定增加作用，但是在第二季内增加作用不显著。

（2）北方石灰性土壤上施用生物炭可以提高土壤pH，但是随着种植年限的增加，土壤pH有恢复到施炭前水平的趋势。

（3）生物炭可以提高土壤活性有机碳含量，且小麦季效果最显著；生物炭对于高活性有机碳，在连续四季内均为施用量60 t·hm^-2效果最好。另外，生物炭的施用显著降低了土壤水溶性有机碳含量，且这种降低程度与生物炭施用量呈正相关关系。