木灰施加对砂壤土团聚体结构的有限效应：对土壤碳稳定性的启示

本研究探讨了在砂壤质土壤中施加高碳（HC）与低碳（LC）木灰对水稳性团聚体分布及碳稳定性的影响。结果表明，木灰施用虽提高了土壤总碳含量（25%）和C:N比（5），但未显著改变碳在各粒径组分中的分布模式，且对团聚体结构无显著促进或破坏作用。研究强调了在缺乏结构的粗质地森林土壤中，有机碳可能主要通过非团聚机制（如矿物结合）实现稳定，而非传统认为的团聚体物理保护。这一发现对评估木灰作为土壤改良剂在 boreal 森林生态系统中的碳封存潜力具有重要意义。

　　

引言

随着全球对可靠可再生能源需求的增长，生物能源生产日益增加。木质生物质燃烧产生木灰，其通常被填埋处理。木灰具有高pH值（7.5–13.8）和丰富的营养元素（如P、K、Ca），使其具备作为土壤改良剂的潜力。北美安大略西北部常见的粗质地布鲁尼索利土（Brunisolic soils）通常粘土含量低（<20%），缺乏结构，团聚能力弱，且呈酸性（pH 3.5–7.1）。施加木灰可提高土壤pH值，可能通过创造更适宜微生物产生有机“胶水”的环境间接影响土壤结构，促进团聚。先前研究多关注农业土壤，木灰对非农业土壤团聚体结构和稳定性的影响研究有限。本研究旨在探究木灰施加对砂壤质土壤中水稳性团聚体分布的影响，并检验碳酸钙（CaCO₃）沉淀作为胶结剂的可能性。研究假设木灰施加会促进水稳性团聚体形成，且不同碳含量的木灰（高碳HC与低碳LC）效果存在差异。

方法

研究地点与实验设计

研究在加拿大安大略省桑德贝树苗圃（北纬48°22′，西经89°23′）进行。土壤为砂壤土（74%沙粒，20%粉粒，6%粘粒）质的不饱和布鲁尼索利土（Dystric Brunisol）。实验采用随机区组设计，包含5个区组，9个木灰处理组合（HC与LC灰，施用量为0, 1000, 和10000 kg ha^?1）。本研究选取了其中三个处理进行分析：无灰对照、10000 kg ha^?1 LC灰、10000 kg ha^?1 HC灰，每个处理5个重复。

土壤采样与团聚体分级

于2023年10月从各处理小区中心采集0–10 cm表层土壤样品。样品在实验室风干两周（20°C）。采用湿筛法分离水稳性团聚体，使用一套嵌套筛（2000, 250, 和53 μm）将土壤分为四个粒径组：>2000 μm（大宏团聚体）、250–2000 μm（小宏团聚体）、53–250 μm（微团聚体）和<53 μm（粉粒和粘粒）。对>53 μm的组分进行沙粒校正，以准确比较与团聚体相关的土壤质量。通过添加10% HCl观察是否产生气泡来检测碳酸盐，结果均无 effervescence 现象。使用元素分析仪（Elementar Vario EL CHNS）测定总碳（Total C）和氮（N）浓度。

统计分析

采用单因素方差分析（ANOVA）评估木灰处理对不同粒径组土壤团聚的影响。事后检验使用正交对比（orthogonal contrasts）进行：(1) 施加木灰（LC与HC合并）与无灰对照的差异；(2) LC灰与HC灰处理间的差异。统计分析使用SPSS软件完成。

结果

质量回收与组分基本特征

平均质量回收率为98.9% ± 0.2。250–2000 μm组分贡献了最多的土壤质量（53.4% ± 1.0），其次是53–250 μm组分（28.4% ± 1.1）、2000–8000 μm组分（14.7% ± 1.5）和<53 μm组分（2.4% ± 0.2）。碳回收率也较高（90.8% ± 2.7）。250–2000 μm组分碳浓度最低（2.1% ± 0.1），2000–8000 μm组分碳浓度最高（近8%），53–250 μm和<53 μm组分的碳浓度分别为1.9% ± 0.1和6.6% ± 0.3。

处理对质量分布的影响

木灰处理对53–250 μm微团聚体组分的质量有显著影响，但这种影响取决于灰分类型。与对照相比，施加木灰整体上对该组分质量无显著影响（C₁; F = 0.066, p = 0.801），但LC灰处理显著增加了其质量，高于HC灰处理（C₂; F = 11.609, p = 0.005）。经沙粒校正后，各>53 μm组分的校正质量均很低，合计仅占土壤总质量的2.5% ± 0.2。这表明在该土壤中，团聚体形成可能不是有机质保护的重要机制。

碳分布与C:N比

木灰处理对全土、2000–8000 μm、250–2000 μm和53–250 μm组分的碳浓度（g C kg soil^?1）有显著提升效应，其增加量与灰分中添加的碳量一致。HC灰处理在2000–8000 μm组分的碳浓度显著高于LC灰处理（p = 0.036），而在53–250 μm组分则显著低于LC灰处理（p = 0.05）。<53 μm组分的碳浓度未受处理影响。尽管各>53 μm组分的碳浓度因处理而异，但碳在全土各组分中的相对分布（百分比）并未发生显著改变。木灰施用显著提高了全土及各团聚体组分的C:N比，但两种灰分（HC vs. LC）之间无显著差异。

讨论

木灰施加的有限效应

与假设相反，两种木灰（HC与LC）的施加均未显著促进或破坏该砂壤土的团聚体结构。木灰中高含量的Ca²⁺及其他多价阳离子未能通过钙桥或碳酸盐沉淀有效促进团聚。未检测到碳酸盐的存在，表明其并非重要的胶结剂。在酸性矿质森林土壤中，铁（Fe）、铝（Al）阳离子的相互作用及有机-矿物复合物（organo-mineral complexes）的形成对团聚和有机质稳定可能比Ca²⁺更为重要。

碳稳定性与分布的含义

本研究观察到大部分土壤有机碳（SOC）存在于>250 μm的宏团聚体组分中，这与通常认为最稳定碳库存在于<53 μm细粒组分中的观点形成对比。粗质地土壤中粉粒和粘粒含量低，<53 μm组分可能对碳的吸附已达饱和状态。木灰施用虽提高了土壤总碳量和C:N比，但未改变碳在土壤中的分布模式。这表明碳的增加主要来自于外源木灰碳的输入，而非通过团聚体形成机制实现了内源碳的重新稳定。

环境意义与应用前景

团聚体的形成和稳定性长期以来被认为是农业土壤中SOC物理保护的重要机制，但在缺乏结构的北方森林粗质地土壤中，其重要性可能有限。这些土壤储存了全球 significant 比例的陆地碳库，但有限的保护机制（如低团聚化）使其碳库在面对气候变化（如温度升高、湿度变化）时更易被分解，可能存在正反馈风险。木灰施用虽未促进团聚，但也未显示负面效应，且有益于植物生长。本研究结果支持将木灰从填埋场转移并施用于森林土壤的操作规模应用，可作为一种低成本的土壤改良剂。

结论

木灰施加未促进或破坏任何粒径级别的土壤团聚体。未观察到次生碳酸盐沉淀的形成，不同灰分化学性质对团聚作用的影响无显著差异。该土壤中的大部分SOC存在于>250 μm的宏团聚体组分中，表明其稳定性可能低于先前认知，易受环境变化影响。研究结果支持木灰在森林土壤中的规模化应用，因其对土壤结构无负面影响，且有助于废弃物资源化利用。未来研究需进一步探究Fe、Al氧化物、有机-矿物复合物、pH值及粘土矿物学在粗质地 boreal 土壤碳稳定机制中的作用。