黑碳(Black Carbon)是生物物质或化石燃料不完全燃烧形成的一种含碳物质(Quénéa et al., 2006)，近年来的研究表明，黑碳对土壤固碳、土壤肥力和环境解毒有重要作用(窦森等，2012).黑碳在大气、海洋及土壤碳储存中都有重要影响，与土壤腐殖质碳一样，均是土壤有机碳(Soil Organic Carbon，SOC)，是土壤稳定性碳库的组成部分(史明等，2011)，因此，研究土壤黑碳的含量及结构稳定性对土壤固碳，以及肥力水平起着重要作用.

生物质炭(Biochar，Bc)属于黑碳的一种类型，是由植物生物质在完全或部分缺氧情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化的难熔性固态物质(史明等，2011)，一般呈碱性，其本质是无序排列的六碳环芳香族化合物组成的非晶体化合物.Titirici等(2007)和Schmidt等(2007)的研究表明，生物质炭不仅具有稳定芳香化结构组成，而且含有许多羟基、酚羟基、羧基、脂族双键和氧化态碳结构，具有较大的比表面积和良好的热稳定性及吸附性.Liang等(2006)和Cheng等(2008)的研究表明，由于在热解过程中，原材料中大部分钙、镁、钾、磷微量元素及几乎一半的氮、硫已经进入到生物质炭中，因此，其作为土壤改良剂可以返还大部分养分到土壤中，提高土壤生产力.生物质碳的使用能改变土壤容重，同时伴随着土壤水分关系、植物根系格局、土壤动物群落等的变化(Major et al., 2010);生物质炭可以提高酸性土壤的pH，增加土壤的阳离子交换量等(刘志坤等，2007)，使其成为一种优良的土壤理化性质改良剂，更能提高土壤孔隙度(Steiner et al., 2007)和表面积(Yanai et al., 2007).除此以外，生物质炭较大的比表面积可为微生物的生长提供温床，微生物量的增加带动土壤养分循环，其疏松多孔的结构同样有利于养分的贮藏，提高土壤肥力(Lehann et al., 2006).

土壤黑碳的数量和结构对土壤固碳、有机质数量、养分含量及土壤理化性质都有重要作用.当前关于施加生物质炭对土壤黑碳含量和结构的影响的研究尚属空白，为了探究这一问题，本文采用盆栽试验的方法，探究不同施加量的生物质炭对土壤中黑碳含量和结构的影响，以期为黑碳在土壤固碳、环境保护及维护农业可持续发展等方面提供科学依据.

本实验所用黑土采自吉林农业大学教学试验田(43°48′46′N，125°23′28′E)，土壤类型为草甸黑土，样区年均气温5.6 ℃，年无霜期为140~150 d，当地年降雨量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.土壤取自0~20 cm土层，采样时间为2012年4月.该土壤基本性质如下：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=10.5.

供试生物质炭(Bc)由玉米秸秆在400 ℃且无氧条件下制成，在生产生物炭之前，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)后，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：有机质519.6 g · kg^-1、全N 7.1 g · kg^-1、全P 0.90 g · kg^-1、pH=9.21、C/N=29.21.

对照处理：将吉林农业大学试验田黑土过2 cm筛以除去石块等杂质，取10 kg黑土加入花盆中，设置为对照(CK)，种植玉米种子3粒，施加复合肥，出苗后选取长势较好的保留；施加生物质炭处理：分别设置3个施加量的生物质炭，T1(6 t · hm^-2)以2.70 g · kg^-1比例向10 kg黑土中添加生物质炭；T2(12 t · hm^-2)以5.30 g · kg^-1比例向10 kg黑土中添加生物质炭；T3(24 t · hm^-2)以10.60 g · kg^-1比例向10 kg黑土中添加生物质炭，搅拌均匀，放置于花盆中.共4个处理，每个处理3次重复.试验开始于2012年，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.

运用改进过的Wolbach-Anders(Wolbach et al., 1989)法进行黑碳提取：取自然风干土过100目筛，用3 mol · L^-1盐酸去除土壤中的碳酸盐，10 mol · L^-1氢氟酸和1 mol · L^-1盐酸去除硅酸盐包裹的碳酸盐，采用10 mol · L^-1盐酸去除副产物CaF₂和可能残留的碳酸盐，在55 ℃下用0.1 mol · L^-1重铬酸钾和2 mol · L^-1硫酸混合液洗去有机碳，离心管中剩余样品即为提取的土壤黑碳样品.

土壤碱解氮采用碱解扩散法测定，有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，pH和电导采用电位法测定(鲍世旦，2008). 2.2.4 黑碳结构的测定方法 元素组成分析(Elemental Analysis)：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(各样品称样量约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)：红外光谱(IR)分析应用美国NICOLET-EZ360红外光谱仪，扫描范围为4000~400 cm^-1，采用KBr压片法测定.通过OMNIC软件对谱线选取特征峰，并对相应的官能团进行半定量分析和相对含量的比较.

热重分析(Thermo Gravimetric Analysis，TGA)：运用SDT Q600(美国)热重分析仪进行测定，称取样品量为10~20 mg，在100 mL · min^-1的氮气流量条件下，以10 ℃ · min^-1的升温速度由25 ℃升至600 ℃，用α-Al₂O₃做参比进行校正.

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，选取0.05的显著水平，p<0.05代表有显著性差异，p>0.05代表没有显著性差异.红外光谱和差热分析使用 Origin7.5(OriginLab，美国)软件和OMNIC(Thermo Fisher，美国)软件分析结果并作图.

由表 1可知，随着生物质炭施入量的增加，盆栽土壤的pH值和电导率(EC)值均有不同程度的提升，速效养分含量呈上升趋势，表明施用生物质炭能够提高土壤的pH和电导率，提高土壤的速效养分含量.

表1(Table 1)

表1 不同生物炭水平下的土壤化学性质的变化 Table 1 Changes in soil chemical properties as a result of biochar amendment

表1 不同生物炭水平下的土壤化学性质的变化 Table 1 Changes in soil chemical properties as a result of biochar amendment 处理 pH EC/(μS · cm-1) 碱解N/(mg · kg-1) 有效P/(mg · kg-1) CK 5.37 100.6 89.51±1.19d 11.43±0.13d T1 5.69 105.30 97.42±1.90c 13.37±0.11c T2 6.00 118.50 108.98±0.84b 16.99±0.99b T3 6.44 134.50 126.30±3.86a 18.02±1.79a  注: CK为未施加生物质炭，T1、T2和T3表示施加生物质炭量施加比例为2.70、5.30和10.60 g · kg-1，分别为相当于6、12和24 t · hm-2.

施加玉米秸秆生物质炭对土壤黑碳含量的影响见表 2.不同处理土壤中黑碳含量表现为CK< T1< T2 < T3.T1、T2和T3处理土壤中黑碳含量分别较空白上升7.04%、22.96%和46.90%，回收率能够反映生物质炭在土壤中的施用效率，从表 2中可以看出，随着生物质炭施入量的增加，回收率呈递增趋势.

表2(Table 2)

表2 施用玉米秸秆生物质炭对土壤中黑碳含量及生物质炭回收率的影响 Table 2 Effects of Bc application on the BC extraction rate and Bc recovery rate

表2 施用玉米秸秆生物质炭对土壤中黑碳含量及生物质炭回收率的影响 Table 2 Effects of Bc application on the BC extraction rate and Bc recovery rate 处理 黑碳含量/(g · kg-1) 黑碳增量/(g · kg-1) 生物质炭回收率 CK 7.10±0.65c - - T1 7.60±0.10c 0. 50 18. 52% T2 8.73±0.17b 1.63 30.75% T3 10.43±0.53a 3.33 31.42%  注：黑碳增量为施用生物质处理与CK之间土壤黑碳含量之差；回收率=黑碳增量/生物质炭施入量×100%.

元素组成是判断复杂有机化合物结构的最有效方法之一.通过对土壤黑碳样品元素组成的分析，可以简单的判断黑碳的结构特征.其中，H/C摩尔比和(O+S)/C摩尔比能够分别表征其结构的分子缩合度和氧化度.H/C摩尔比与黑碳结构中的C C数量呈反比，(O+S)/C摩尔比与黑碳结构中的氧化程度呈正比.

施入生物质炭后土壤中黑碳的元素组成见表 3，随着外源生物质炭的施入，黑碳中的C、H和N含量逐次升高；而(O+S)含量减少.H/C摩尔比逐渐降低，分子缩合度升高，说明外源生物质炭能够增加黑碳的固碳能力.而O/C摩尔比下降则表明黑碳的氧化程度逐渐降低.

施入外源生物质炭后，土壤中黑碳的红外光谱(FTIR)如图 1所示.根据红外光谱可知，不同处理的土壤黑碳红外谱图具有相似性，说明不同处理的结果有一定的规律性，差别主要表现在不同波数的振动强度有所变化，说明不同处理对黑碳样品官能团数量有一定影响.其中，2920 cm^-1(不对称脂族C—H伸缩振动)、2850 cm^-1(—CH₂—对称脂族C—H伸缩振动)、1720 cm^-1(羧基的C O伸缩振动)处振动均有不同程度的减弱，表明随着生物质炭施入量的增加，黑碳样品脂族性逐渐减弱，1600 cm^-1处(芳香C C伸缩振动)吸收峰振动有微小增强，说明C C双键结构逐渐增多，黑碳分子结构逐渐稳定.

表3(Table 3)

表3 施入玉米秸秆生物质炭对土壤中黑碳元素组成的影响(去灰分) Table 3 Effect of maize straw Bc application on elemental composition of BC in soil(ash-free)

表3 施入玉米秸秆生物质炭对土壤中黑碳元素组成的影响(去灰分) Table 3 Effect of maize straw Bc application on elemental composition of BC in soil(ash-free) 处理 各元素含量/(g · kg-1) 摩尔比 C H N O+S O/C H/C C/N CK 505.98±3.71d 32.78±0.63d 24.32±0.15c 436.93±4.56a 0.65±0.14a 0.78±0.02a 24.27±0.65c T1 584.38±9.01c 34.22±0.08c 27.63±0.12b 353.77±9.26b 0.45±0.16ab 0.74±0.04ab 24.68±1.47bc T2 654.01±10.54b 36.82±0.15b 28.63±0.09b 280.54±13.93c 0.32±0.24b 0.71±0.02bc 26.65±1.64b T3 766.32±8.38a 40.36±0.44a 30.96±0.68a 162.36±8.23d 0.16±0.13b 0.68±0.003c 28.88±3.59a Bc 810.97 42.05 32.39 114.59 0.11 0.62 29.21  注：Bc代表玉米秸秆生物质炭.

图1(Fig.1)

图1 不同处理土壤中黑碳的红外光谱 Fig.1 Effects of maize straw Bc application on FTIR spectra of BC in soil

表 4为各处理特征峰吸收振动的相对强度，能够反映施用生物质炭对土壤黑碳结构单元和官能团数量的影响，采用Origin7.5软件拟合峰面积.I_2920/1720和I_2920/1600用于反映土壤黑碳结构的脂族性、氧化程度和芳香性的强弱.从表 4可以看出，随着生物质炭的施入而增强，2920、2850及1720 cm^-1处吸收峰相对强度逐渐降低，1600 cm^-1处吸收峰相对强度提升，I_2920/1720和I_2920/1600降低，说明施加生物质炭降低了黑碳结构中脂族链烃比例与含氧官能团的比例，提高了C C双键的结构比例.

表4(Table 4)

表4 施加生物质炭对土壤黑碳FTIR光谱主要吸收峰相对强度的影响 Table 4 Effects of Bc application on relative intensity of the main absorption peaks of FTIR spectra of BC in soil

表4 施加生物质炭对土壤黑碳FTIR光谱主要吸收峰相对强度的影响 Table 4 Effects of Bc application on relative intensity of the main absorption peaks of FTIR spectra of BC in soil 处理 相对强度 I2920/1720 I2920/1600 1600 cm-1 1720 cm-1 2850 cm-1 2920 cm-1 CK 39.44%±1.64%b 12.25%±0.72%a 5.25%±0.65%a 16.38%±0.70%a 1.34±0.13a 0.42±0.004a T1 41.31%±1.07%ab 11.11%±0.46%ab 3.56%±0.69%b 13.97%±0.68%b 1.26±0.02ab 0.34±0.01b T2 42.52%±2.30%ab 10.09%±0.64%bc 2.44%±0.17%c 10.72%±0.42%c 1.08±0.13bc 0.26±0.03c T3 43.30%±0.98%a 9.44%±0.79%c 2.28%±0.31%c 9.41%±1.25%c 1.05±0.05c 0.22±0.03c Bc 62.4% 6.41% 1.03% 2.29% 0.36 0.04

对玉米生物质炭样品和黑碳样品进行热重和微热重分析，图 2为黑碳样品的热重曲线(TGA)，能够反映在差热分析中黑碳样品随着时间和温度上升的失重百分比.图 3为微商热重曲线(DTG)，是TGA曲线对温度的积分，反映热重分析时质量随温度的变化，DTG曲线的峰数对应TGA曲线的台阶数，反映失重的不同阶段，峰位对应失重速率最大值.对生物质炭和不同处理中提取的黑碳的TGA和DTG曲线进行分析可知，黑碳样品的失重主要分为3个部分，这3个失重温度分别是在59~70 ℃的低温失重峰，在290~320 ℃左右的中温失重峰，在430~470 ℃左右的高温失重峰.

图2(Fig.2)

图2 不同施加量生物质炭对土壤中黑碳的失重曲线(TGA曲线)(N2中) Fig.2 Effects of different Bc applications on TGA curve of soil black carbon(N2 flow)

图3(Fig.3)

图3 为不同施加量生物质炭对土壤中黑碳的DTG曲线的影响(N2中) Fig.3 Effects of different Bc applications on DTA curve of soil black carbon(N2 flow)

表 5为随着温度增长，生物质炭和黑碳不同温度的失重量，其中，高温失重与中温失重的比值(即表 5中最后一列失重高/中比值)越高，说明黑碳的热稳定性越高.由表 5可知，待测生物质炭样品失重主要为低温失重和高温失重，随着生物质炭施入量的增加，土壤黑碳的中温失重明显降低，高温失重有所上升，失重高/中比值也逐渐增大.

表5(Table 5)

表5 施加玉米秸秆生物质炭对土壤中的黑碳在差热分析中失重的影响(去灰分) Table 5 Effect of maize straw Bc application on mass loss in thermal analysis of BC in soil(ash-free)

表5 施加玉米秸秆生物质炭对土壤中的黑碳在差热分析中失重的影响(去灰分) Table 5 Effect of maize straw Bc application on mass loss in thermal analysis of BC in soil(ash-free) 处理 低温失重/ (mg · g-1) 中温失重/ (mg · g-1) 高温失重/ (mg · g-1) 失重高/中比值 CK 166.49 392.41 440.63 1.12 T1 151.13 387.66 461.12 1.19 T2 141.21 361.62 497.07 1.37 T3 145.14 336.29 518.61 1.54 Bc 198.61 — 801.39 —

由表 1可知，随着生物质炭施入量的增加，土壤的速效N和速效P含量均而有不同程度的提高，这表明施入玉米秸秆生物质炭能提高土壤的速效养分含量，提高土壤的pH值和电导率.这一结果与Spokas等(2012)的研究结果相符.

Taghizadeh等(2012)的标记实验结果表明，生物质炭能提高土壤中N的含量，原因是生物质炭能通过吸附NH₃降低土壤中的N素损失，并且提高了N的利用率.Chintala等(2014)研究也发现，生物炭加入酸性土壤中能降低土壤中P元素的吸附，提高土壤P的的有效性.Deluca等(2006)研究结果则认为，生物炭能够提高土壤pH和CEC，从而减少铁和铝的交换量，增加 P 的活性.生物质炭提高土壤速效养分含量的原因可能是生物质炭疏松多孔的表面和吸附性对土壤中养分进行吸附，这样不仅可以抑制土壤养分的淋失，还能延长养分的有效性.另一方面，生物质炭进入土壤后，其本身的孔隙能够为微生物的成长提供温床，提高了土壤中的微生物的丰度及活性(Spokas et al., 2012)，间接促进硝化作用(DeLuca et al., 2006)，从而增加N的有效性.此外，还有研究表明，生物质炭能够促进土壤中的NH₄⁺向NO₃-N转换，从而增加了土壤中N的有效性(Ball et al., 2010).

随着生物质炭施用量的增加，土壤的pH值和电导率也均有不同程度的上升，这也与Chintala等(2014)的研究相符.Yuan等(2011)的研究指出，低温制备的生物质炭其碱度主要来源于—COO^-和—OH等官能团，因此，生物质炭进入土壤后通过表面的—COO^-和—OH官能团对土壤中的H⁺进行吸附，导致土壤的pH上升.Gaskin等(2008)的研究表明，生物质炭提高土壤的pH不仅与其自身的碱性有关，还与生物炭形成过程中形成的有机酸根(—COO^-)有关.低温制备的生物质炭含有较多量的有机酸根，进入土壤中能提高土壤的pH值.本试验采用的生物质炭是在400 ℃烧制而成，属于低温制备，因此，能够有效地提高土壤的pH.而关于生物质炭电导率和其对土壤EC值影响的相关文献则较少，黄超等(2011)研究表明，生物质炭的灰分元素如K、Ca和Mg等呈可溶性形态，能促进酸性土壤的盐基饱和度.这可能是生物质炭提高土壤EC值的一个原因;另一方面，生物质炭表面含有较多的负电荷官能团，促进了土壤中阴阳离子的流动，从而提高了土壤的EC值.

根据表 2不同处理土壤中黑碳含量可知，土壤中黑碳含量随生物质碳的施入量增加而逐渐提高，生物质炭回收率也呈递增趋势，这也与Kuzyakov等(2009)的研究结果符合，说明施用生物质炭能提高土壤黑碳的含量.

由生物质炭回收率可知，生物质炭进入土壤后，并未完全转变为土壤黑碳，有一部分生物质炭在土壤中被分解.Cheng等(2006)的研究结果表明，生物质碳的脂族碳在土壤中可以被快速氧矿化，被分解的生物质炭可以通过生化作用转变为土壤有机碳库和胡敏酸、胡敏素等物质.Yoshizaw(2008)的研究表明，生物质炭的加入对土壤的理化性质会有改善，促进微生物活动.土壤中微生物数量和活动的增多，能够使生物质炭被分解成比较小的颗粒，随降水而流失；还有一部分被转变为土壤黑碳和腐殖碳(Bird et al., 1997; Haumaier，1993)，这也可能是本试验中土壤黑碳含量提高的原因.

由元素分析和红外光谱可知，施用生物质炭后，土壤黑碳结构中的脂族性降低，氧化度降低，缩合度上升，结构更加稳定.研究表明，生物质炭主要由单环和多环的芳香族化合物组成，这种结构特点决定了它比其来源的母体碳具有更高的化学和生物学稳定性(Pessendal et al., 2001)，而其结构的稳定性受脂族碳和芳香成分相对含量的影响(Steiner et al., 2008).

根据红外谱图与半定量分析结果可知，土壤黑碳本身在2920 cm^-1和2850 cm^-1处振动比较强，表明其自身具有一定的脂族性，而脂族性正是土壤黑碳自身不稳定的控制因素(Zimmerman，2010).随着生物质炭施入量的不断增加，黑碳结构中氧元素的数量逐渐减少，土壤黑碳的I_2920/1600逐渐降低，研究表明，I_2920/1600反映了腐殖物质的复杂程度，该值降低，表明腐殖分子结构中芳香环比例升高，脂肪族侧链减少，缩合度上升(张晋京等，2009)，结构趋于稳定.造成这一结果可能有两方面原因：一是生物质炭本身具有高度芳香化的结构特征，自身C C双键含量多于土壤黑碳，生物质炭被分解并重组成黑碳后，C C双键得以保留，增加了黑碳结构中双键结构的比例；二是生物质炭较大的比表面积为微生物提供了良好的生存环境，有利于微生物的生长(Solaiman，2010)，在大量微生物的代谢作用下，黑碳结构中的脂族C—C被分解矿化，其中一部分被氧化为CO₂和水溶性有机酸(Cody et al., 2005；Nguyen et al., 2009)，流失于土壤和空气中，另一部分则被重新组合成更稳定的芳香族C C.

随着生物质炭的加入，土壤中黑碳的热稳定性有明显提升，由图 4黑碳样品的DTG曲线可知，在50~70 ℃左右，土壤黑碳有一个明显的失重峰，此过程主要是丢失掉表面吸附的水和自由态的氧(吴明铂，2003);中温 290~300 ℃左右的失重峰为分子中脂族化合物的分解和外围官能团的脱羧等放热反应(窦森等，1989)； 430~460 ℃左右的失重峰是腐殖质分子完全氧化、内部结构分解的结果(窦森等，1992；朱燕等，2005).

从表 5的结果分析可知，随着生物质炭施加量的增加，中温290~300 ℃左右，黑碳的失重量逐渐降低，表明其脂族分子量在整个黑碳结构中所占的比例逐渐降低.而430~460 ℃左右的高温失重则逐渐增加，说明黑碳结构中的芳香环数量逐渐增多，表明黑碳中稳定的双键结构逐渐增多，热稳定性有所提升.造成黑碳热稳定性提升的原因可能如下：随着生物质炭的加入，土壤中微生物量增加，通过微生物活动，黑碳结构中不稳定的脂族碳逐渐被分解，芳香族生物质炭的比例上升，提高了土壤黑碳结构的相对稳定性，热稳定性上升.这与红外光谱图的分析结果一致，施加生物质炭后，分子中芳香环数量明显上升，结构更加稳定.

1)施用玉米秸秆生物质炭能明显增加黑土中黑碳的含量，当生物质炭施入量为24 t · hm^-2(即10.60 g · kg^-1)时，土壤中黑碳增量最多(46.90%).

2)施用玉米秸秆生物质炭能提高黑碳的缩合度、芳化度，降低黑碳的脂族性和氧化度，提高土壤黑碳结构的稳定性，能提高土壤黑碳的热稳定性.

3)施加玉米秸秆生物质炭能够明显提升黑土的pH值和电导率，提高土壤中速效养分含量.