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　　摘要:为探讨不同类型的生物炭对杉木人工林土壤碳氮的影响，选择3种发育阶段(成熟林、中龄林、幼龄林)的杉木人工林设立样地，设计施生物炭(木炭、竹炭)及不施炭3种处理，比较不同施炭处理对杉木人工林土壤微生物量碳氮及可溶性有机碳氮的影响。结果表明:由于生物炭的性质以及杉木人工林发育阶段的不同，施用生物炭4a后，木炭处理下，成熟林、中龄林微生物量碳氮及可溶性有机碳氮含量以及幼龄林微生物量碳氮含量均低于对照组，幼龄林可溶性有机碳氮含量高于对照组;竹炭处理下，成熟林、幼龄林土壤微生物量碳氮含量以及中龄林可溶性有机碳氮含量低于对照组，中龄林土壤微生物量碳氮含量以及成熟林和幼龄林可溶性有机碳氮含量高于对照组。

　　关键词:生物炭,杉木,微生物量碳氮,可溶性有机碳氮

　　杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.]在我国南方分布广，主要作为用材树种，具有生长快、产量高、材质好的特点，在我国亚热带森林生态系统中占有十分重要的地位[1]。研究发现杉木连栽地力衰退日趋突出[2]，2代林比1代林产量下降10%～15%，3代林比1代林产量下降40%～50%[3]。

　　土壤微生物量碳氮及可溶性有机碳氮作为植被所需碳氮的重要来源，只占土壤碳氮总量很少的一部分，但是影响植物生长必需养分的释放与供应[4-5]，并且对有机质分解转化、土壤中微量元素与有机污染物的吸附与迁移、矿物分化、土壤形成等都产生重要影响[6]。

　　生物炭或生物质炭作为一种新型的环境功能材料[7-8]，受到国内外科研工作者的重视，研究表明[9]生物炭能提高地力以及生产力，显著提高土壤全氮、有机碳质量分数，并可有效降低农田土壤氨的挥发，从而减少氮、磷等营养元素的流失，生物炭的添加还可以影响土壤酶活性[10-11]。关于土壤微生物量碳氮及可溶性有机碳氮的研究多集中在森林不同林分[12-14]、盐碱地不同造林模式[15-16]、农田生态系统不同施肥措施[17-18]及草地生态系统[19]等方面，这些研究几乎是在生物炭加入土壤后立即进行，生物炭施用多年后对土壤微生物量碳氮及可溶性有机碳氮是否依然有影响尚不清楚，并且这些研究均是在室内开展，无法反映野外环境下的真实情况。

　　关于不同林龄杉木人工林施用生物炭后对土壤微生物量碳氮及可溶性有机碳氮的影响鲜见报道。鉴于此，2012年12月，在福建农林大学莘口教学林场选择3种不同林龄杉木人工林，施用不同种类的生物炭，研究生物炭对不同林龄杉木人工林土壤微生物量碳氮及可溶性有机碳氮的影响，为合理处理农林废弃物、研究生物炭对土壤的作用提供依据，探讨施用生物炭对恢复杉木人工林地力是否有作用。

　　1研究方法

　　1.1研究区概况

　　试验样地设在福建省三明市福建农林大学莘口教学林场洋顶工区，北纬26°09'，东经117°28'，距离三明市区约30km，属中亚热带季风气候，年平均气温19.4℃，年平均降水量1700mm，年平均日照时间1872h，海拔210～1500m，地形多为山地丘陵，土壤类型为粉砂岩发育的山地红壤。2012年试验地土壤基本情况如表1所示。

　　1.2试验设计

　　2012年12月7日，选择立地条件、土壤条件相近，但发育阶段不同的杉木人工林设立样地，分别为2005年造林的幼龄林、1995年造林的中龄林、1978年造林的成熟林。每种林分分别设计施木炭、竹炭及不施炭3种处理，按照12t·hm-2的标准，施过2mm筛的木炭和竹炭，每个处理重复3次，共设27块样地，每块样地大小为20m×20m[20]，施炭方式为人工撒施于土壤表面。试验采用的生物炭以杉木和毛竹(杉木与毛竹为南方部分林场主要产品，生产过程中废弃物较多)为原料，传统土窑生产的木炭和竹炭，其基本性质如表2所示。

　　1.3土壤取样与测定

　　在施用生物炭后4a，即2016年12月，分别在成熟林、中龄林、幼龄林中采用“S”形布点(5点)，用直径5cm的土钻取样，分别在0～10cm、10～20cm、20～40cm、40～60cm土层进行取样，相同层次的土壤等比例混合后，取100g土样放入-4℃冰箱贮存。土壤微生物量碳、氮的含量测定采用氯仿熏蒸法[21]，可溶性有机碳、氮含量测定采用氯化钾浸提法[22]，然后均使用TOC-L总有机碳分析仪(日本岛津公司生产)测定，其他土壤指标根据国标方法测定。

　　1.4数据处理

　　利用Excel2010和SPSS19.0软件进行数据处理及作图(P<0.05)。

         2 结果与分析

         2.1生物炭对杉木人工林土壤微生物量碳的影响施用生物炭4a后，生物炭对杉木人工林土壤微生物量碳(microbialbiomassC，MBC)的影响如图1所示。

　　成熟林土壤微生物量碳平均含量为对照组>竹炭处理>木炭处理，中龄林土壤微生物量碳平均含量为竹炭处理>对照组>木炭处理，幼龄林土壤微生物量碳平均含量为对照组>木炭处理>竹炭处理。施用木炭后，除成熟林10～20cm、40～60cm，中龄林0～10cm的土壤微生物量碳含量与对照组比未达显著水平外，其余均达到显著水平。施用竹炭后，除成熟林4个层次，中龄林0～10cm、20～40cm的土壤微生物量碳含量与对照组比未达显著水平外，其余均达到显著水平。

　　施用生物炭后，降低了成熟林和幼龄林的土壤微生物量碳含量，施用竹炭可以提高中龄林的微生物量碳含量，施用木炭降低了中龄林的微生物量碳含量。成熟林对照组土壤微生物量碳含量随着土层深度增加而递减，且4个土层之间均达到显著差异;竹炭处理0～10cm土层土壤微生物量碳含量最高，随着土层深度增加而递减;木炭处理10～20cm土层土壤微生物量碳含量最高，且与其它土层均达到显著差异。中龄林对照组和竹炭处理土壤微生物量碳含量均是10～20cm土层最高，木炭处理0～10cm土层含量最高。

　　幼龄林对照组微生物量碳含量随着土层深度增加而递减，且4个土层之间均达到显著差异，竹炭处理与木炭处理微生物量碳含量均是10～20cm土层最高，木炭处理10～20cm土层与其他土层均达显著差异。

　　2.2生物炭对杉木人工林土壤微生物量氮的影响

　　施用生物炭4a后，生物炭对杉木人工林土壤微生物量氮(microbialbiomassN，MBN)的影响如图2所示。施用生物炭4a后，成熟林土壤微生物量氮平均含量为对照组>竹炭处理>木炭处理，中龄林土壤微生物量氮平均含量为竹炭处理>木炭处理>对照组，幼龄林土壤微生物量氮平均含量为对照组>木炭处理>竹炭处理。施用木炭4a后，除成熟林10～20cm、20～40cm、40～60cm，幼龄林40～60cm的微生物量氮含量与对照组比未达显著水平外，其余均达到显著水平。

　　施用竹炭4a后，除成熟林0～10cm、10～20cm、20～40cm，中龄林20～40cm的微生物量氮含量与对照组比未达显著水平外，其余均达到显著水平。施用生物炭后可降低成熟林、幼龄林土壤微生物量氮含量，提高中龄林土壤微生物量氮含量。

　　成熟林对照组土壤微生物量氮含量随着土层深度增加而递减，且4个层次之间均达到显著差异，竹炭处理0～10cm土层土壤微生物量氮含量最高，与20～40cm、40～60cm土层相比达到显著差异，木炭处理10～20cm含量最高，且与其他土层相比均达显著差异。中龄林对照组和竹炭处理土壤微生物量氮含量10～20cm土层最高，竹炭处理10～20cm土层与其余土层相比均达显著差异，木炭处理0～10cm土层土壤微生物量氮含量最高，与10～20cm、20～40cm土层相比均达显著差异。幼龄林对照组和竹炭处理土壤微生物量氮含量随着土层深度增加而递减，且4个层次之间均达到显著差异，木炭处理微生物量氮含量随着土层深度增加而递减，0～10cm土层较20～40cm、40～60cm土层均达到显著差异。

　　3讨论与结论

　　土壤微生物量碳氮能很好地表征土壤微生物状况，被视为衡量土壤质量变化的重要生物学指标[23]，土壤可溶性有机碳氮是土壤活性碳氮库的重要组成部分，在生态系统中流动和周转构成了生态系统碳、氮循环的基本组成部分[24]。

　　成熟林、幼龄林施用生物炭后微生物量碳氮含量、中龄林的可溶性有机碳氮含量低于对照组，而有研究表明，生物炭的高吸附性能使植物生长所需养分能在土壤中连续缓慢地释放[25]，使微生物得到持续的养分供应，改善微生物生存的环境，促进了微生物的繁殖和生长，生物炭表面携带大量高电荷密度的负电荷，能够抑制对微生物生长有害的物质生长，从而提高微生物生长的种类和数量[26]，但是DEMPSTERetal[27]发现生物炭添加后在增加微生物的生物量的同时，还会抑制硝化作用，影响土壤有机质的分解，这与本试验结果类似。

　　木炭和竹炭这两种生物炭在不同林龄不同土层对微生物量碳氮及可溶性有机碳氮的作用不同。生物炭对土壤中微生物量碳氮及可溶性有机碳氮的影响受生物炭基本性质、土壤理化性质和植被生物学属性等诸多因素影响，生物炭的制备温度、材料来源等均对生物炭的性质有一定的影响[8]，不同原料的生物炭施入土壤后对土壤的影响存在差异[28]。

　　由于微生物量碳氮及可溶性有机碳氮含量是在施用生物炭后4a测定，影响研究结果的原因也可能是生物炭的吸附性在短时间内已经达到平衡，对可溶性有机碳氮的长期吸附效果基本可以忽略，生物炭中的可溶性部分含量非常低，不稳定有机碳氮几乎被微生物利用完，因而对土壤中的溶解性碳氮含量几乎没有影响，因此生物炭可能是通过影响土壤的含水量、pH值、容重等物理性质，改变土壤环境，从而影响微生物量碳氮及可溶性有机碳氮的含量。

　　施用生物炭4a后，在土壤垂直层次上，木炭处理和竹炭处理土壤微生物量碳氮及可溶性有机碳氮含量随土层深度的增加而递减，表层土壤显著高于下层土壤(P<0.05)，但是部分下层土壤高于表层土壤，这主要由于表层土壤通气性较好，养分、水分含量较高，土壤容重较小，利于土壤微生物量碳氮的积累，溶解性碳氮主要来源于土壤有机物矿化、凋落物分解、植物根系及土壤微生物的分泌物[29]，表层土壤微生物含量较多，淋溶下来的可溶性有机碳氮过多地被微生物吸收利用了，导致可溶性有机碳氮含量在垂直方向呈递减分布。

　　有研究证明，将生物炭施入土壤后，可以降低土壤容重，提高土壤孔隙度、饱和导水率[30-31]，生物炭虽然抛施在土壤表层，土壤孔隙度的提高加速了淋溶作用，生物炭被淋溶到下层土壤，并改变了下层土壤的理化性质，从而影响土壤营养元素的垂直分布规律。

　　不同发育阶段的杉木人工林土壤pH值不同，碳、氮、磷、钾等营养元素分布规律不同，人工林间伐后密度不同，不同发育阶段的杉木对养分的需求也不同，施入生物炭后会有不同的响应，这也正是本课题组选取不同林龄的杉木人工林进行试验的原因。然而，施入生物炭后，对土壤微生物量碳氮及可溶性有机碳氮的影响机制，还有待于进一步从微观方面深入研究。

　　综上所述，施用生物炭4a后，木炭处理成熟林、中龄林的微生物量碳氮及可溶性有机碳氮以及幼龄林的微生物量碳氮含量均低于对照组，幼龄林可溶性有机碳氮含量高于对照组;竹炭处理成熟林、幼龄林的微生物量碳氮含量以及中龄林的可溶性有机碳氮含量低于对照组，中龄林的微生物量碳氮含量以及成熟林、幼龄林的可溶性有机碳氮含量高于对照组。

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