土壤腐殖质是土壤肥力的物质基础，胡敏酸(HA)是土壤腐殖质中的活跃物质，其组成、结构和性质的变化直接与土壤的保肥和供肥性质相关(Shindo et al., 2005)，并对作物的生长发育产生影响(Sharif et al., 2002；Ferrara et al., 2004).近年来，向土壤中添加生物质炭变为一种农业增汇减排技术途径，已成为人类应对全球气候变化的一条重要途径(Lehmann et al., 2005)，作为土壤腐殖质中的高度芳香化结构组分的可能来源，不仅可以增加土壤碳量(张阿凤等，2011)、改善土壤性质、促进土壤团聚体的形成、增加土壤养分(Barrow，2012)、促进植物生长、增加产量(Knoblauch et al., 2011；Novak et al., 2009)和刺激微生物活动，而且在全球碳循环、温室气体排放和环境污染修复(Richard et al., 2012；Tsai et al., 2012)中发挥重要作用，在农田施用生物质炭作为一种有效的碳封存技术更是得到广泛应用.少量研究表明，生物质炭能通过微生物转变成腐殖质碳(Kwapinski et al., 2010).周桂玉等(2011)认为向土壤中添加秸秆生物质炭和松枝生物质炭培养45 d 后，土壤有机碳含量、胡敏酸和富里酸含量都有不同程度的增加，胡敏酸的色调系数ΔlgK降低.花莉等(2012)利用扫描电镜及红外光谱观测其微域发现，生物质炭添加后可促进土壤腐殖质的形成，同时腐植酸、富里酸和胡敏酸含量均有所增加，且低温热解(400~500 ℃)为生产生物炭的适宜条件(Lehmann，2007).但是，研究生物质炭对土壤腐殖质各组成和结构特征的影响还甚少.土壤中生物质炭会通过与矿物、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(付琳琳等，2013)，并通过本身含有的芳香基团、羰基等，影响土壤腐殖质碳组成和土壤胡敏酸结构变化，这些变化是复杂连续的.因此，本文以添加400 ℃的玉米秸秆生物质炭的水稻土和对照(未添加生物质炭)水稻土为研究对象，采用元素组成法，红外光谱法分析生物质炭添加2 年后对土壤腐殖质组成和胡敏酸结构特征的影响，以期进一步深入研究添加生物质炭对土壤腐殖质的作用，为生物质炭在土壤固碳、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，相当于美国系统分类制中的始成土(Inceptisol)，其中：砂粒占20%(1~0.05 mm)，粉粒占58%(0.05~0.001 mm)，黏粒占22%(＜0.001 mm).其基本理化性状如下：pH 8.0，有机碳7.0 g · kg^-1，全氮0.821 g · kg^-1，全磷0.259 g · kg^-1，C/N 8.53，阳离子交换量(CEC)12.4 cmol · kg^-1，土壤容重 1.12 g · cm^-3、孔隙度为 57%.

供试生物质炭采用低温热解法，首先将玉米秸秆在80 ℃ 的烘箱内烘干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，制得的生物质炭理化性状为：pH 9.2、有机碳519.6 g · kg^-1、全氮7.1 g · kg^-1、全磷0.90 g · kg^-1、C/N比值为73.2.

试验设置2个处理：①CK，采自不添加生物炭的小区；②Bc，采自生物炭添加量为48 t · hm^-2的小区，该小区添加麦秸生物炭的时间为2011-06-20，即种水稻前一次性人工均匀施入，深度约有15 cm.然后开始水稻-玉米轮作体系，每年2 季.每个处理重复3 次，小区面积：10 m².

水稻种植时间从6 月中旬至10 月下旬，将25 d苗龄的水稻苗(南京40)按照24 穴· m^-2，3 株·穴^-1的种植方式移植到试验田，施用肥料比例为：氮肥(尿素)200 kg · hm^-2(分3 个时期施入，其中：基肥占50%、分蘖肥占10%、穗肥占40%)，磷肥(P₂O₅)70.0 kg · hm^-2，钾肥(K₂O)70.0 kg · hm^-2；小麦种植时间从11 月上旬至6 月上旬，小麦种子按照320 粒· m^-2的密度种植，施肥比例为氮肥(尿素)180 kg · hm^-2(分3 个时期施入，其中：播种期占10%、拔节期占10%、抽穗期占40%)，磷肥(P₂O₅)50.0 kg · hm^-2，钾肥(K₂O)50.0 kg · hm^-2.收获后秸秆打捆，秸秆残茬移出；而根部残茬则留存在土壤中.施用生物质炭前，2011 年水稻产量为7.01 t · hm^-2，2012 年小麦和水稻产量分别为5.44 t · hm^-2和7.72 t · hm^-2，2013 年小麦产量为4.62 t · hm^-2；施用生物质炭后，2011 年水稻产量为7.95 t · hm^-2，2012 年小麦和水稻产量分别为5.95 t · hm^-2和7.46 t · hm^-2，2013 年小麦产量为4.99 t · hm^-2.

土壤样品于2013-07-10采集(经过了2 个稻季，2 个麦季，处于第3 个稻季苗期)，每个小区用土钻采集5 点混合样品，分别0~20 cm和20~40 cm土层.样品自然风干备用.

采用腐殖质组成修改法(Kumada et al., 1967；于水强等，2005)提取水溶性物质(WSS)、富里酸(FA)、胡敏酸(HA)和胡敏素(Hu).

土壤和Hu有机碳采用重铬酸钾外加热法(劳家柽，1988)测定.WSS、HA和FA有机碳采用岛津TOC-VCPH分析仪测定.

采用国际腐殖质协会推荐的方法(Kuwatsuka et al., 1992)进行HA的提取和纯化.

应用德国VARIO EL Ⅲ型元素分析仪进行HA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(文启孝，1984)在美国Nicolet-AV360红外光谱仪上测定，波数范围为4000~400 cm^-1.

数据经Excel2007整理，用SPSS软件分析，采用LSD法进行显著性差异比较.

施用生物质炭对土壤及其腐殖质组分有机碳含量的影响结果见表 1.从表 1可以看出，与CK相比，BC表层中土壤、WSS、FA、HA和Hu有机碳含量分别增加了83.61%、112.50%、89.63%、91.78%和89.82%；亚表层中土壤、WSS、FA、HA和Hu有机碳含量分别增加了17.83%、33.33%、54.97%、56.39%和63.49%.可见，施用生物质炭后，表层(0~20 cm)和亚表层(20~40 cm)土壤及其各腐殖质组分有机碳含量有不同程度的增加，说明生物质炭的施用有利于土壤及其各腐殖质组分有机碳的积累.此外，不同处理土壤及其腐殖质组分的有机碳绝对含量均表现为：表层＞亚表层.通过单因素方差分析可知，不同处理不同土层深度的土壤及其各腐殖质组分有机碳含量差异显著，波动较大.

表1(Table 1)

表1 施用生物质炭对土壤及其腐殖质组分有机碳含量的影响 Table 1 Effect of application of biochar on organic carbon contents in the soil and various fraction of soil humus

表1 施用生物质炭对土壤及其腐殖质组分有机碳含量的影响 Table 1 Effect of application of biochar on organic carbon contents in the soil and various fraction of soil humus 土层 处理 土壤有机碳 /(g · kg-1) 水溶性物质WSS /(g · kg-1) 富里酸FA /(g · kg-1) 胡敏酸HA /(g · kg-1) 胡敏素Hu /(g · kg-1) PQ值 0~20 cm CK 17.63±0.55b 0.08±0.01b 3.28±0.34b 4.21±0.28b 8.51±0.43b 56.29%±1.06%a Bc 32.37±0.13a 0.17±0.03a 6.22±0.42a 8.07±0.21a 16.15±0.41a 56.50%±1.21%a 平均差异 14.74 0.09 2.94 3.86 7.64 0.21 20~40 cm CK 10.21±0.27d 0.06±0.04b 1.51±0.18d 1.72±0.36d 3.79±0.80d 53.02%±2.63%b Bc 12.03±0.43c 0.08±0.04b 2.34±0.28c 2.69±0.34c 6.20±0.78c 53.52%±0.37%ab 平均差异 1.82 0.02 0.83 0.97 2.41 0.50%  注: CK为不施用生物质炭的对照，Bc为施用生物质炭处理；同一列中小写字母代表显著水平p＜0.05; 平均差异=Bc处理(平均值)指标数值-CK处理(平均值)指标数值，其中正值代表增加，负值代表减少.

PQ值为可提取腐殖物质中HA的比例，是有机质腐殖化程度的指标.从表 1还可以看出，施用生物质炭后，表层和亚表层土壤的PQ值略有增加，且表层土壤的PQ值大于亚表层土壤的PQ值，说明土壤的腐殖化程度略有提高，有利于胡敏酸的积累和土壤腐殖质品质的提高，表层的腐殖化程度高于亚表层土壤.通过单因素方差分析可知，不同处理的土壤PQ值均表现出随土层深度的增加而显著性减少.

表 2为施用生物质炭对土壤腐殖质组分有机碳相对含量的影响.可知，与表层CK相比，WSS、FA、HA和Hu有机碳相对含量分别增加了6.92%、5.36%、3.25%和0.35%；与亚表层CK相比，WSS、FA、HA和Hu有机碳含量分别增加了32.63%、35.46%、2.80%、41.62%.可见，施用生物质炭后，表层和亚表层土壤各腐殖质组分有机碳相对含量有不同程度的增加，表现出与有机碳含量一致的规律.此外，不同处理土壤腐殖质组分有机碳相对含量也表现为：表层＞亚表层.且通过单因素方差分析可知，不同处理不同土层深度的FA、HA和Hu有机碳相对含量差异较显著，而WSS有机碳的相对含量无明显差异.

表2(Table 2)

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 Effect of application of biochar on relative contents of the components of soil humus

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 Effect of application of biochar on relative contents of the components of soil humus 土层 处理 水溶性物质WSS 富里酸FA 胡敏酸HA 胡敏素Hu 0~20 cm CK 0.48%±0.03%a 18.63%±2.37%ab 23.92%±2.19%a 48.27%±2.29%ab Bc 0.51%±0.09%a 19.23%±1.35%ab 24.94%±0.65%a 49.88%±1.29%a 平均差异 0.03% 0.60% 1.02% 1.61% 20~40 cm CK 0.54%±0.36%a 14.81%±1.99%b 16.93%±3.84%b 37.25%±8.45%b Bc 0.70%±0.36%a 19.52%±3.03%a 22.48%±3.57%a 51.70%±8.20%a 平均差异 0.16% 4.71% 5.55% 14.45%   注: 土壤腐殖质组分碳的相对含量为各组分碳占总碳的百分数(%).

施用生物质炭后土壤HA元素结果见表 3.试验结果表明，HA的C元素含量为538.04~704.16 g · kg^-1，O元素含量为172.75~355.71 g · kg^-1，说明HA的元素组成以C元素和O元素为主.与表层CK相比，施用生物质炭后，HA的C、H、N含量分别升高了15.21%、1.14%、12.00%，HA的O含量降低了36.68%；与亚表层CK相比，施用生物质炭后，HA的C、H、N含量分别升高了22.30%、8.86%、2.01%，HA的O含量降低了35.39%.说明，生物质炭的施用有利于土壤HA的C、H、N含量增加，促进了O元素含量减少.

表3(Table 3)

表3 施用生物质炭对土壤HA元素组成的影响 Table 3 Effect of application of biochar on elemental composition of soil humic acids

表3 施用生物质炭对土壤HA元素组成的影响 Table 3 Effect of application of biochar on elemental composition of soil humic acids 土层 处理 C/(g · kg-1) H/(g · kg-1) N/(g · kg-1) O/(g · kg-1) C/N H/C O /C 0~20 cm CK 611.21 62.42 53.53 272.83 13.32 1.23 0.33 Bc 704.16 63.13 59.96 172.75 13.70 1.08 0.18 平均差异 92.95 0.71 6.43 -100.08 0.38 -0.15 -0.15 20~40 cm CK 538.04 54.97 51.28 355.71 12.24 1.23 0.50 Bc 658.03 59.84 52.31 229.82 14.68 1.09 0.26 平均差异 119.99 4.87 1.03 -125.89 2.44 -0.14 -0.24

表 3还表明了施用生物质炭对土壤缩合度(C/H)和氧化度(O/C)的影响.土壤HA的H/C和O/C的比值范围分别为1.08~1.23，0.18~0.50.施用生物质炭后，与表层CK相比，土壤HA的H/C和O/C比值分别降低了12.21%和45.04%；与亚表层CK相比，土壤HA的H/C和O/C分别降低了19.89%和10.99%.这说明，施用生物质炭后，土壤HA的缩合度增加，氧化度降低.

施入生物质炭后不同土层土壤HA的红外光谱如图 1所示.由图 1可观察到几个较明显的吸收峰及其归属分别为：3340 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)；1630 cm^-1(酰胺I类化合物的C—O伸展振动)；1520 cm^-1(酰胺类化合物的N—H 变形振动)；1230 cm^-1(羧基中—OH的变形振动和C—O伸缩振动)及1030 cm^-1(碳水化合物或多糖结构中C—O伸缩振动及无机物的Si—O伸缩振动).

图1(Fig.1)

图1 施用生物质炭对土壤HA的IR光谱影响 Fig.1 Effect of application of biochar on IR spectra of soil humic acids

尽管所有HA的红外光谱的谱形相似，但不同处理HA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HA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1630 cm^-1吸收峰强度的变化.

从表 4可以看出，施入生物质炭后，与CK相比，土壤HA在2920 cm^-1、2850 cm^-1和1720 cm^-1的吸收强度降低，在1630 cm^-1的吸收强度增加，这说明，施用生物质炭使HA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/I1720比值和I2920/I1630比值用于反映土壤HA的芳香性和脂族性强弱.从表 4还可以看出，施用生物质炭后，土壤HA的I2920/I1720比值升高、I2920/I1630比值降低，表明，施用生物质炭后土壤的芳香性增加，脂族性降低.

表4(Table 4)

表4 施用生物质炭对土壤HA的IR光谱主要吸收峰的相对强度的影响(半定量) Table 4 Effect of application of biochar on relative intensity of the main absorption peaks of IR spectrum of soil humic acids(Semi-quantitive)

表4 施用生物质炭对土壤HA的IR光谱主要吸收峰的相对强度的影响(半定量) Table 4 Effect of application of biochar on relative intensity of the main absorption peaks of IR spectrum of soil humic acids(Semi-quantitive) 土层 处理 相对强度 比值 2920 cm-1 2850 cm-1 1720 cm-1 1630 cm-1 I2920/ I1720 I2920/I1630 0~20 cm CK 7.06% 3.80% 16.17% 12.39% 1.18 0.88 Bc 6.00% 2.91% 11.07% 13.36% 1.26 0.67 平均差异 -1.06% -0.89% -5.1% 0.97% 0.08 -0.21 20~40 cm CK 12.27% 5.56% 15.02% 14.26% 1.19 1.25 Bc 9.42% 4.40% 10.96% 15.08% 1.26 0.92 平均差异 -2.85% -1.16% -4.06% 0.82% 0.07 -0.33  注： I2920/I1720比值为I(2920+2850)/I1720，I2920/I1630比值为I(2920+2850)/I1630.

土壤有机碳的含量及其动态平衡是反映土壤质量的一个重要指标，并对土壤肥力和土地生产力的可持续性有重要影响.而生物质炭是土壤碳库中惰性部分的重要组成部分，是土壤腐殖质的重要来源(邱敬等，2009).已有研究表明，施用生物质炭74 d后，胡敏酸有机碳含量增加16.9%(Wang et al., 2014)；施用生物质炭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(Novak et al., 2009)；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(Laird et al., 2010)；由于生物质炭的脂肪族碳形态在土壤中能被快速矿化(Cheng et al., 2006)，促进生物质炭降解，易转化成土壤有机碳库中的HA等物质，施用生物质炭后土壤的PQ值略有增加.本研究结果也表明，添加生物质炭后，不仅增加了土壤表层和亚表层中土壤有机碳的含量，也增加了土壤腐殖质各组分碳的含量，同时土壤腐殖质的PQ也略有升高，说明施入生物质炭后有利于提高土壤腐殖质碳含量，促进了土壤腐殖化程度的升高.而导致表层土壤的有机碳含量较亚表层高的原因可能是生物质炭转化成了腐殖质碳(Kwapinski et al., 2010)，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(周桂玉等，2011)，表层土壤的肥力一般较高.这与Smith等(2010)认为施用生物质炭对土壤有机碳影响不大和黑碳添加量为1%时抑制了土壤原有机碳的分解，而添加量为2%、3%、4%和5%时却促进了土壤原有机碳的分解(李淑香等，2013)是不一致的.

土壤HA是土壤腐殖质的重要组成部分，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HA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.已有研究表明，生物质炭能增加土壤HA的芳香碳含量(Pessenda et al., 2005)；Haumaier和Zech(1995)利用NMR分析了胡敏酸以及人工氧化形成的焦化物，结果表明，生物质炭和高芳香性土壤胡敏酸的波谱特征具有明显的相似性，说明生物质炭有可能转化为腐殖质碳，而并非仅仅来源于天然植物材料；Liang等(2008)报道，生物质炭含量高的与含量低的相邻土壤相比，其芳香性、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%，比邻近土壤高66%~81%.花莉等(2012)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.本研究试验分析结果表明，施入生物质炭后，表层和亚表层土壤HA的H/C和O/C均降低，说明生物质炭使土壤HA的缩合程度升高，氧化程度降低，各处理的土壤HA波谱特征具有明显的相似性，说明生物质炭有可能转化为腐殖质碳；且施入生物质炭后，表层和亚表层土壤HA的I2920/I1720升高、I2920/I1630降低，说明生物质炭使土壤HA的芳香性增强，脂族性减弱.

对于供试水稻土而言，随土层深度的增加土壤及其各腐殖质组分有机碳含量降低.施用玉米秸秆生物质炭后，表层和亚表层土壤及其各腐殖质组分有机碳含量显著提高，但土壤胡敏酸(HA)和富里酸(FA)的相对比例(PQ值)没有显著变化.从元素分析和红外光谱来看，施用玉米秸秆生物质炭后，表层和亚表层土壤HA的芳香结构含量和缩合度提高，但脂族链烃结构减少，氧化度降低.