木灰施用对砂壤土团聚体结构的有限影响及其对土壤碳稳定的启示

《Canadian Journal of Soil Science》：Limited effects of wood ash application on soil aggregate structure in a sandy loam textured soil

本研究针对生物能源生产副产品木灰的土壤改良潜力，探讨了高碳(HC)和低碳(LC)木灰对砂壤质土壤团聚体分布及碳稳定性的影响。通过湿筛法分离不同粒径团聚体，发现木灰施用虽未显著改变团聚体质量分布，但使土壤总碳含量提升25%，且>C2000μm组分碳含量增加64%。研究证实木灰可安全用于粗质地森林土壤改良，为废弃木灰资源化利用提供科学依据。

　　

随着全球对可再生能源需求的持续增长，生物能源生产规模不断扩大，其中木质生物质燃烧产生的木灰如何处理成为亟待解决的问题。目前大量木灰被直接填埋，不仅占用土地资源，其含有的碱性物质和营养元素也未能有效利用。与此同时，北方森林地区广泛分布的粗质地布鲁尼索尔土（Dystric Brunisol）因其黏土含量低（<20%）、结构脆弱、团聚体形成能力差等特点，面临土壤有机碳（SOC）稳定性挑战。这类酸性土壤（pH 3.5-7.1）能否通过木灰改良提升团聚体稳定性，进而增强碳固存能力，成为研究者关注的重点。

为此，悉尼-林·伯纳迪（Sydney-lyn Bernardi）等人在《Canadian Journal of Soil Science》发表研究，系统探讨了两种不同碳含量的木灰（高碳HC灰：58.1%有机碳；低碳LC灰：28.1%有机碳）对砂壤质土壤团聚体结构的影响。研究团队在加拿大安大略省雷湾的前树苗圃基地建立田间试验，采用随机区组设计，分别施用HC灰与LC灰（剂量0/1000/10000 kg·ha^?1），并于2023年采集0-10 cm土层样品，通过经典湿筛法分离出>2000μm（大宏团聚体）、250-2000μm（小宏团聚体）、53-250μm（微团聚体）及<53μm（粉黏粒）四个粒径组分。

关键技术方法包括：1）基于Kemper和Rosenau（1986）的湿筛法进行水稳性团聚体分级；2）采用盐酸滴加法检测碳酸盐胶结物；3）通过元素分析仪测定各组分总碳、氮含量；4）应用钠六偏磷酸盐分散法进行沙粒校正，精确计算真实团聚体质量。

质量回收与组分特征

土壤质量回收率达98.9%，其中250-2000μm组分占比最高（53.4%），而<53μm组分仅占2.4%。碳浓度呈现“大颗粒富集”特征：>2000μm组分碳浓度高达7.7%，显著高于粉黏粒组分（6.6%），这一现象与传统认知中细颗粒组分碳浓度最高的规律相反。

处理对质量分布的影响

沙粒校正后数据显示，真实团聚体质量仅占土壤总质量的2.5%，表明该土壤中团聚体结构发育微弱。木灰处理仅对53-250μm组分质量产生显著影响，且LC灰处理组质量（0.32 g·g^?1）高于HC灰组（0.25 g·g^?1），可能与灰分颗粒粒径差异有关。

碳分布格局响应

木灰施用使土壤总碳含量提升25%，其中>2000μm组分碳含量增幅达64%。然而，碳在各组分的分配比例未发生显著改变，说明木灰仅增加了碳库总量，未引发碳在团聚体中的重新分布。值得注意的是，HC灰处理的>2000μm组分碳浓度显著高于LC灰，与其自身较高的有机碳含量（57.4%）直接相关。

C:N比变化特征

木灰施用使全土及各级团聚体C:N比显著拓宽，但两种灰分处理间无差异。这是由于燃烧过程中氮素挥发导致木灰本身C:N比极高，输入后直接抬升了土壤C:N比。

研究结论表明，木灰施用并未如预期般促进团聚体形成，碳酸盐胶结作用（通过盐酸滴加无气泡产生证实）和钙桥效应均未显现。两种灰分对团聚体结构的有限影响，可能与土壤中粉黏粒含量过低、铁铝氧化物主导的有机-矿物复合机制（organo-mineral complexes）比钙离子更重要有关。尽管未提升团聚体稳定性，但木灰也未破坏现有结构，且碳分布模式与天然土壤一致，证实其可作为粗质地森林土壤的安全改良剂。

该研究的科学意义在于揭示了木灰在低黏粒森林土壤中的独特作用机制：不同于农业土壤中团聚体主导的碳保护模式，北方森林土壤碳稳定性更依赖化学保护机制。这一发现为优化木灰土壤应用策略、预测全球变化背景下森林土壤碳循环响应提供了关键理论依据。