摘 要

近年来，随着对生物炭的进一步研究，其在土壤改良、温室气体减排以及受污染环境修复方面都展现出应用潜力，这为一些环境问题提供了新的解决思路。生物炭是有机物原料在完全或者部分缺氧条件下，经过高温热裂解(通常低于700℃)产生的一类富碳、高度芳香化和高稳定性的有机物。其多孔隙和比表面积大的特性有利于土壤聚集水分、提高孔隙度、降低容重，从而为植物生长发育提供良好的环境。同时，生物炭也是一种酸性土壤理想的改良剂。但是，目前有关添加生物炭对土壤微生物生物量及其化学计量特征影响还缺乏系统和深入的了解。生物炭由于受原材料和制备条件的影响，各研究结论也不一致。本文通过设置三种不同浓度生物炭添加处理，即低浓度T₁（40 t·hm^-2）、中浓度T₂（80 t·hm^-2）和高浓度T₃（120 t·hm^-2），同时设置对照样地CK（0 t·hm^-2），采用熏蒸提取法，探究了生物炭对苏北沿海地区杨树人工林土壤微生物生物量C、N、P的影响。主要研究结果如下：

（1）施用生物炭与对照组相比，增加了土壤pH值、土壤微生物生物量P和MBC/MBN比值；（2）施用生物炭显著减小了土壤含水率、土壤微生物生物量量N、MBC/MBP和MBN/MBP比值；（3）施用生物炭对土壤容重和土壤微生物生物量C没有产生显著影响。本研究结果可以为进一步了解生物炭影响土壤生态系统C、N、P元素循环的机制，以及为生物炭的林地应用生态安全性提供科学依据，并对生物炭的应用和推广提供一定的方法和思路。

关键词：生物炭；土壤微生物生物量；杨树人工林

Impacts of biochar addition on soil microbial biomass C, N, P in poplar plantation

Abstract

With the further study, biochar shows the potential of application in soil amelioration, greenhouse gas emission reduction and remediation of contaminated environment, which provides a new solution for some environmental problems in recent years. Biochar is a kind of carbon-rich, highly aromatic and high stability organic matter produced by high-temperature pyrolysis (usually less than 700 ℃) under completely or partially anoxic conditions. The properties of porous and specific surface area are favorable for soil aggregation, increasing porosity and reducing bulk density, thus providing a good environment for plant growth and development. Biochar is also an ideal modifier for acidic soils. However, there is a lack of systematic and in-depth understanding of the effects of biological carbon on soil microbial biomass and its stoichiometric characteristics. Because of the influence of raw materials and preparation conditions, the results of the study are inconsistent. In this paper, three different concentrations of bio-carbon were added, i.e. low concentration T₁（40 t·hm^-2）, medium concentration T₂（80 t·hm^-2） and high concentration T₃（120 t·hm^-2）were also set to CK (0 t·hm^-2), and the effect of bio-carbon on soil microbial biomass C, N and P of Poplar plantation in the coastal area of northern Jiangsu was studied by fumigation extraction. The main findings are as follows:

(1) Compared with the control group, the soil pH value, soil microbial biomass P and MBC/MBN were increased. (2) The application of biochar significantly reduced soil moisture content, soil microbial biomass N, MBC/MBP and MBN/MBP. (3) No significant effect of adding biochar on soil bulk density and microbial biomass C of soil. The analysis of the experimental results can be used to understand the mechanism of biochar affecting the cycling of C, N and P elements in soil ecosystem, and to provide scientific basis for ecological safety of biochar, also some methods and ideas for the application and popularization of biochar.

Key words：Biochar; Soil microbial biomass; Poplar plantation

目 录

1.前言 1

1.1研究背景 1

1.2研究目的及意义 1

2.国内外研究进展 3

2.1生物炭研究概况 3

2.2土壤微生物量研究概况 3

3.研究方法 5

3.1研究区概况 5

3.2样地设置 5

3.3土壤样品采集 5

3.4土壤样品测定 6

3.5数据处理 6

4.结果与分析 8

4.1添加生物炭对杨树人工林土壤理化性质的影响 8

4.2添加生物炭对杨树人工林土壤微生物生物量C的影响 9

4.3添加生物炭对杨树人工林土壤微生物生物量N的影响 10

4.4添加生物炭对杨树人工林土壤微生物生物量P的影响 11

4.5添加生物炭对杨树人工林土壤微生物生物量C:N:P化学计量比的影响 12

5. 讨论与结论 15

致谢 17

参考文献 17

1. 前言

1.1研究背景

近些年来，生物炭作为一种新型的环境功能材料引起了学者的高度重视。生物炭是植物在缺乏氧气的条件下低温（低于700℃）加热裂解所得到的黑色富碳产物，具有较强的稳定性和一定的吸附性，其降解速率十分缓慢，施入土壤后可以起到一定的固碳作用。2006年Marris在Nature上发表了一篇题为“Putting the carbon back: Black is the new green”的文章，呼吁人们利用生物炭技术增加碳截留以应对全球气候变化。据 Lehmann 估算，若能最大限度利用生物炭技术，到2100年可减排 5.5-9.5 Pg C yr^-1，很大程度上可以抵消化石燃料燃烧所引起的碳排放^[1]。因此，生物炭作为应对全球气候变暖的一种潜在措施，逐渐引起了人们的广泛关注。生物炭在改良土壤性状、减少温室气体排放以及修复环境污染方面都展现出巨大的应用潜力，也为解决全球粮食危机、气候变化等环境问题提供了新的思路。此外，生物炭在获取生物质能、废弃生物质资源化以及碳排放贸易等方面有着重要地位。生物炭为全球气候变化、粮食危机和生态污染修复等提供了综合的解决方案^[2]。许多研究表明生物炭对土壤物理和化学性质具有明显的改良作用。有研究发现生物炭不仅可以改良土壤理化性质，并且能够帮助土壤固碳从而减缓气候变化，因此备受关注。添加生物炭不仅可以影响土壤微生物生物量及微生物群落区系组成，还会对土壤微生物生物量的化学计量特征产生影响，而目前对此还缺乏系统深入的了解。本课题拟以江苏省东台林场杨树人工林为实验对象，探讨分析不同生物炭添加量对杨树人工林土壤微生物生物量C、N、P化学计量特征的影响，为深入研究生物炭对杨树人工林土壤理化性质和C、N、P养分循环的影响提供理论基础。

1.2 研究目的及意义

生物炭是植物体在缺乏氧气的条件下发生不完全燃烧热裂解后所形成的产物，它与黑炭的不同之处在于其主要作为土壤改良剂。生物炭在炭化以后，大多保留了原来生物质的良好多孔隙结构，即具有较高的孔隙度和较大的比表面积。这些基本性质使生物炭具有强吸附力、强抗氧化能力等特性。作为一种惰性碳，生物炭一般情况下会发生物理迁移，但不会发生明显的化学变化。生物炭的基本性质与特性决定了其难以在自然条件下短时间内转化为其它有机或无机物质，因此可以在土壤中长时间存在而不易分解^[3]。

土壤微生物是土壤有机质和土壤养分（C、N、P等）转化和循环的原动力，它参与土壤中有机物质分解、腐殖质形成、土壤养分转化和循环等各个生化过程。土壤微生物量（土壤有机质的活性部分）是土壤养分的储存库和植物生长可利用养分的一个重要来源。作为土壤肥力水平的活指标，土壤微生物量已逐渐受到土壤科学工作者的关注。研究结果表明，作物产量与土壤微生物量C呈正相关，土壤中的N、P含量也与之呈显著正相关^[4]。因此，探究土壤微生物量对了解土壤养分的转化和循环具有重要的意义。