生物炭及炭基硝酸銨對(duì)土壤微生物量碳、氮及酶活性的影響

趙　軍 , 耿增超, 尚　杰 , 耿　榮 , 王月玲 , 王　森 , 趙宏飛

西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌　712100

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生物炭及炭基硝酸銨對(duì)土壤微生物量碳、氮及酶活性的影響

趙軍 , 耿增超*, 尚杰 , 耿榮 , 王月玲 , 王森 , 趙宏飛

西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌712100

摘要:以小麥-玉米輪作交替種植下的田間試驗(yàn)為平臺(tái)，探討施用生物炭及3種炭基硝酸銨氮肥對(duì)土壤主要化學(xué)肥力因子、土壤微生物量碳、氮和酶活性的影響。田間試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理，依次為：對(duì)照(施磷、鉀肥，CK)；生物炭(BC)；硝酸銨氮肥(AN)；摻混型生物炭基氮肥(CH)；固-液吸附型生物炭基氮肥(XF)；化學(xué)反應(yīng)型生物炭基氮肥(FY)。結(jié)果表明，生物炭及3種生物炭基氮肥均顯著提高土壤有機(jī)碳含量，并有效降低了有效磷和速效鉀的含量。與CK處理相比較，CH、BC處理的土壤微生物量碳含量分別增加了22.10%、17.45%，而AN、XF、FY 3個(gè)處理則分別減少了9.09%、10.86%、1.46%；不同施肥處理土壤微生物量氮較CK均有增加，且BC、XF處理差異達(dá)顯著水平，BC處理的增幅最大，達(dá)66.53%，XF處理的增幅次之，達(dá)到了62.78%，AN處理的增幅最小，為24.86%。與CK處理比較而言，F(xiàn)Y、XF、CH均增加土壤蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶活性，且增加效應(yīng)均依次減弱，F(xiàn)Y、XF處理均增加堿性磷酸酶活性，而CH處理降低了堿性磷酸酶活性。FY、XF、CH較CK處理均可顯著增加小麥產(chǎn)量，增產(chǎn)率分別為36.61%、22.58%、20.72%，且增產(chǎn)效果依次減弱。

關(guān)鍵詞：生物炭；生物炭基氮肥；土壤微生物量碳；土壤微生物量氮；酶活性

土壤微生物是土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力，它在土壤中起著極其重要的作用，參與許多重要的過程，如參與土壤有機(jī)質(zhì)的分解和腐殖質(zhì)的形成、促進(jìn)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和循環(huán)等過程[1]。土壤微生物量碳(Microbial Biomass Carbon，MBC)在土壤全碳中所占比例很小，其含量變化較大，我國土壤微生物量碳的變幅為42.0—2064.0 kg/hm2,僅占土壤總碳量的2%—4%[2]，但它是土壤有機(jī)碳中最活躍的部分；土壤微生物量氮(Microbial Biomass Nitrogen，MBN)一般只占土壤全氮含量的1.0%—5.0%[2]。土壤微生物量碳、氮可以綜合反映土壤的肥力和生物活性。

土壤酶是土壤中動(dòng)植物殘?bào)w分解、植物根系分泌和土壤微生物代謝等的產(chǎn)物，是一類具有生物化學(xué)催化活性的特殊物質(zhì)，它既是土壤有機(jī)物轉(zhuǎn)化的執(zhí)行者，又是植物營養(yǎng)元素的活性庫[3]，其活性的高低代表了土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度，是衡量土壤理化性質(zhì)、微生物學(xué)特征、養(yǎng)分含量水平和吸收利用以及土壤污染狀況等的重要靈敏指標(biāo)[4- 10]。大量研究表明，土壤微生物和土壤酶活性極易受到施肥制度、作物根系分泌物、耕作措施等土壤環(huán)境因子和土地利用方式的影響[11- 16]。

生物質(zhì)炭是生物有機(jī)材料(或生物質(zhì))在缺氧或低氧環(huán)境中經(jīng)熱裂解后產(chǎn)生的固體產(chǎn)物，多為粉狀顆粒[17- 18]。生物質(zhì)炭擁有較大的孔隙度和比表面積[19]，通氣、透水性特別好，有利于保水保肥，還含有多種礦質(zhì)元素，可以提供作物所需的營養(yǎng)元素，提高土壤肥力，同時(shí)可以改善微生物的生存環(huán)境，為多種重要微生物的生長和繁殖提供了有利的條件[20]。近年來，將生物質(zhì)炭農(nóng)用作為肥料的緩釋載體備受關(guān)注，應(yīng)用前景非常廣闊。因此，將生物質(zhì)炭與硝酸銨復(fù)合制備成生物炭基氮肥是一個(gè)新的發(fā)展方向，本研究在實(shí)驗(yàn)室采用小試工藝制備了三種生物炭基氮肥，通過田間試驗(yàn)分析其對(duì)土壤微生物量碳、氮和酶活性的影響，以期為不同生物炭基氮肥的生產(chǎn)及應(yīng)用提供理論參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況及試驗(yàn)設(shè)計(jì)1.1.1試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)地設(shè)在陜西省楊凌示范區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗(yàn)田，該地區(qū)年均日照時(shí)數(shù)2150 h，年平均氣溫12—14 ℃，年平均降雨量為621 mm，雨量主要集中在7—9月份，春季降水偏少，屬于暖溫帶半濕潤性氣候，無霜期為200—220 d。試驗(yàn)開始時(shí)土壤的基本性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)14.69 g/kg, pH值為7.53，全氮0.83 g/kg,全磷1.01 g/kg,全鉀21.23 g/kg,有效磷24.50 mg/kg，速效鉀211.03 mg/kg。

1.1.2試驗(yàn)材料

供試生物炭：供試生物炭材料來自于陜西省億鑫生物能源科技開發(fā)有限公司，由廢棄的果樹枝條、樹干在裂解爐、限氧環(huán)境下(450 ℃)熱裂解制成，其pH值為9.99，比重為1.11 g/cm3，比表面積為86.70 m2/g，灰分含量為13.98%，含氮量為1.19%，含碳量為72.38%。

供試肥料：(1)分析純硝酸銨試劑(簡稱AN)，含氮量為35%。(2)摻混型生物炭基氮肥：將65份上述過1mm 篩的生物炭與35份分析純的硝酸銨置于攪拌器中充分?jǐn)嚢杌靹颍吹煤繛?2%的目標(biāo)生物炭基氮肥。(3)固-液吸附型生物炭基氮肥：將35份分析純硝酸銨充分溶解于100份蒸餾水中，再傾入65份過1 mm篩的供試生物炭，邊加邊攪拌30 min，攪拌完成后再平衡24 h，然后將已吸附好硝酸銨的生物炭自然風(fēng)干或置于烘箱(60 ℃)內(nèi)烘干，即得含氮量為12%的目標(biāo)生物炭基氮肥。(4)化學(xué)反應(yīng)型生物炭基硝酸銨氮肥：向反應(yīng)釜中加入9.5份30%的硝酸溶液，隨后加入6.5份生物炭，邊加邊攪拌15 min；再向上述反應(yīng)釜中加入7份15%的氨水溶液，繼續(xù)攪拌30 min；攪拌完成后平衡24 h后調(diào)節(jié)收集產(chǎn)物的pH值為中性，將反應(yīng)產(chǎn)物自然風(fēng)干或置于烘箱(60 ℃)內(nèi)烘干，即得含氮量為12%的目標(biāo)生物炭基氮肥。

1.1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013年10月至2014年6月進(jìn)行，共設(shè)置6個(gè)處理，分別為：(1)對(duì)照(施磷、鉀肥，CK)；(2)BC(施磷、鉀肥和生物炭)；(3)AN(施磷、鉀肥和硝酸銨)；(4)CH(施磷、鉀肥和摻混型生物炭基氮肥)；(5)XF(施磷、鉀肥和固-液吸附型生物炭基氮肥)；(6)FY(施磷、鉀肥和反應(yīng)型生物炭基氮肥)，每個(gè)處理4次重復(fù)，試驗(yàn)小區(qū)面積為1.2m×3.5m，采用一年兩熟輪作方式(小麥-玉米)。所有處理均施用磷、鉀肥(磷酸二氫鈣，含P2O556%；硫酸鉀，含K2O 54%)，且施用量相同，生物炭用量為1232 kg/hm2，3種炭基氮肥的施用量相同，所有肥料均作為基肥一次性施入，氮、磷、鉀肥料施用量折合成純養(yǎng)分N-P2O5-K2O為225-150-180 kg/hm2。

1.2土樣采集與測(cè)定方法

1.2.1供試土壤

于冬小麥成熟收獲后(2014年6月8日)采集0—20 cm 土層土樣，每個(gè)小區(qū)采用土鉆5點(diǎn)取樣混合作為一個(gè)樣品。樣品采集后帶回實(shí)驗(yàn)室撿去植物殘?bào)w及小麥根系等雜物，過2 mm 篩，一部分新鮮土樣保存于4 ℃冰箱中用于土壤微生物量碳、氮的測(cè)定，其余土壤自然風(fēng)干后磨細(xì)、過篩、混勻、裝瓶備用。

1.2.2樣品測(cè)定方法

土壤基本化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定： 土壤基本化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定參照土壤農(nóng)化分析的常規(guī)方法[21]，有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法(180 ℃油浴)；全氮(TN)采用半微量凱氏定氮法測(cè)定；土壤速效磷(AP)含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀(AK)含量采用NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定。

土壤微生物量碳、氮的測(cè)定： 參照Vance等的方法[22]，采用氯仿熏蒸浸提法，其含量計(jì)算用熏蒸和未熏蒸土樣之差除以系數(shù)KC=0.38和KN=0.54。

土壤酶活性的測(cè)定：參照關(guān)松蔭[6]的方法。土壤蔗糖酶活性用3, 5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定,以每克土24 h產(chǎn)生的葡萄糖(Glucose)毫克數(shù)表示；脲酶活性用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定,以每克土24 h產(chǎn)生的NH3-N的質(zhì)量(mg)表示；堿性磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定,以每克土24 h產(chǎn)生的酚(PhOH)毫克數(shù)表示；過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測(cè)定,以每克土消耗0.02 mol/L KMnO4溶液毫升數(shù)表示。

1.3數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007和DPS 7.05統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，多重比較采用最小顯著差異法(LSD)，顯著性水平設(shè)定為0.05。

2結(jié)果與分析

2.1土壤養(yǎng)分

由表1可見，施用生物炭及生物炭基氮肥顯著影響土壤有機(jī)碳的含量。其中，BC處理的有機(jī)碳含量最高，F(xiàn)Y處理有機(jī)碳含量次之，且BC和FY處理的有機(jī)碳含量顯著高于其他施肥處理，AN、CH、XF處理的有機(jī)碳含量相似，但均與CK處理差異顯著；AN處理全氮含量最高，但僅與CK處理差異達(dá)顯著水平，與其他處理差異均不顯著；CK、BC、FY處理有效磷含量均顯著高于AN、XF處理；各處理速效鉀含量差異均不顯著；CK處理碳氮比除與BC處理差異不顯著，與其他處理均具顯著性差異，其他各處理碳氮比差異均不顯著。

表1　不同處理土壤養(yǎng)分含量的差異

CK：對(duì)照(不施氮肥)；BC：生物炭 Biochar；AN：硝酸銨 Ammonium nitrate；CH：摻混型生物炭基氮肥 Simple mixed type of biochar-based nitrogen；XF：固-液吸附型生物炭基氮肥 Solid-liquid adsorption type biochar-based nitrogen；FY：反應(yīng)型生物炭基氮肥 Chemical reaction type biochar-based nitrogen; SOC：有機(jī)碳 Soil organic carbon；TN：全氮 Total nitrogen；AP：有效磷 Available phosphorus；AK：速效鉀 Available potassium，同列數(shù)字后面的不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05); Values followed by different letters in the same column mean significant at 5% level

2.2土壤微生物量碳、氮

2.2.1土壤微生物量碳

圖1　不同施肥處理微生物量碳含量　Fig. 1　Content of microbial biomass C of different fertilization treatments　CK：對(duì)照(不施氮肥)；BC：生物炭 Biochar；AN：硝酸銨 Ammonium nitrate；CH：摻混型生物炭基氮肥 Simple mixed type of biochar-based nitrogen；XF：固-液吸附型生物炭基氮肥 Solid-liquid adsorption type biochar-based nitrogen；FY：反應(yīng)型生物炭基氮肥 Chemical reaction type biochar-based nitrogen；不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

由圖1 可見，不同施肥處理微生物量碳含量大小順序?yàn)镃H>BC>CK>FY>AN>XF。與CK處理比較而言，CH、BC處理分別增加22.10%、17.45%，而FY、AN、XF處理分別減少1.46%、9.09%、10.86%，產(chǎn)生這一差異的主要原因可能是投入的不同肥料的養(yǎng)分組成差異較大。CH處理除與BC處理差異不顯著外，與其他處理均具顯著性差異,其他處理間差異均不顯著。從圖2 可知，不同施肥處理土壤微生物量碳占土壤有機(jī)碳的比例(MBC/SOC)的變化范圍為1.75%—2.40%，其中CH的MBC/SOC顯著高于其他處理，BC的MBC/SOC與AN、XF、FY處理差異顯著，XF、FY、CK、AN等4個(gè)處理的MBC/SOC差異均不顯著。

2.2.2土壤微生物量氮

土壤微生物量氮含量可以綜合反映土壤微生物對(duì)氮素的礦化和固持作用[23]，土壤中大部分的礦化氮來自于微生物量氮，故微生物量氮是植物吸收利用氮素的主要來源。由圖3 可知，各施肥處理微生物量氮含量較CK處理均有不同程度的提高，其中BC處理的增幅最大，為66.53%，XF處理的增幅次之，達(dá)到了62.78%，AN處理的增幅最小，為24.86%。BC處理MBN除與XF、FY處理差異不顯著，與其他處理均具顯著性差異。由圖4 可知，各施肥處理微生物量氮占土壤全氮比例(MBN/TN)的變化范圍為1.00%—1.93%。其中BC處理的MBN/TN比例最大，達(dá)到了1.93%，顯著高于AN、CH、FY 3個(gè)處理。各施肥處理間土壤MBC/MBN比率差異見圖5，CK處理的MBC/MBN最大，除與CH處理差異不顯著外，與其他處理均具有顯著性差異，XF處理的MBC/MBN最小。CH處理的MBC/MBN與BC、XF、FY處理均具顯著性差異，而BC、AN、XF、FY處理的MBC/MBN差異不顯著。

圖2　不同施肥處理MBC/SOC值Fig. 2　MBC/SOC of different fertilization treatments

圖3　不同施肥處理微生物量氮含量　Fig. 3　Content of microbial biomass N of different fertilization treatments

圖4　不同施肥處理MBN/TN值Fig. 4　MBN/TN of different fertilization treatments

圖5　不同施肥處理MBC/MBN值Fig. 5　Value of MBC/MBN of different fertilization treatments

2.3土壤酶活性

由圖6可知，3種炭基氮肥FY、XF、CH處理蔗糖酶活性均顯著高于AN處理的蔗糖酶活性，F(xiàn)Y處理的蔗糖酶活性顯著高于BC、AN處理，而其他處理間差異均不顯著。各處理間蔗糖酶活性的總體趨勢(shì)表現(xiàn)為FY>XF>CH>CK>BC>AN。FY、XF和CH處理脲酶活性顯著高于其他處理，BC處理脲酶活性顯著高于AN和CK處理。各處理間脲酶活性的大小順序依次為FY>XF>CH>BC>CK>AN。不同施肥處理對(duì)土壤堿性磷酸酶活性的影響不大，F(xiàn)Y處理堿性磷酸酶活性與其他處理均達(dá)到顯著性差異，各處理的影響效應(yīng)依次為FY>XF>CK>AN>CH>BC。BC處理的堿性磷酸酶活性最低，產(chǎn)生上述效應(yīng)的原因可能是由于生物炭具有極強(qiáng)的保水性，BC的施入相比其他處理增加了耕層土壤含水量，導(dǎo)致土壤濕度過大、透氣性差，進(jìn)而造成土壤堿性磷酸酶活性較低。FY處理過氧化氫酶活性顯著高于其他處理，除XF處理外，AN處理與其他處理均達(dá)到顯著性差異，各處理過氧化氫酶活性的影響效應(yīng)依次為FY>AN>XF>BC>CH>CK。

圖6　不同施肥處理對(duì)土壤酶活性的影響Fig. 6　Enzymatic activities of soils under different fertilization treatments

圖7　不同施肥處理對(duì)小麥產(chǎn)量的影響Fig. 7　Yield of different fertilizer treatments

2.4作物產(chǎn)量

由圖7可知，AN和3種生物炭基氮肥處理小麥產(chǎn)量均顯著高于CK、BC處理，其中FY、XF、CH、AN、BC 5個(gè)處理小麥產(chǎn)量較CK的增產(chǎn)率分別為36.61%、22.58%、20.72%、10.49%、6.03%，F(xiàn)Y、XF、CH 3個(gè)處理較BC的增產(chǎn)范圍為660.71—1375.16 kg/hm2,這主要是因?yàn)殡m然生物炭可以改良土壤，但因其自身含有較少的礦質(zhì)元素，故其增產(chǎn)效果不明顯，而將生物炭與硝酸銨制備成炭基氮肥恰好彌補(bǔ)了這一缺陷，表現(xiàn)出了更好的增產(chǎn)效果；3種炭基氮肥處理的小麥產(chǎn)量均顯著高于AN處理，增產(chǎn)率分別為FY 23.64%，XF 10.94%，CH 9.26%，這主要是因?yàn)樯锾炕士梢匝泳徫皆谏锾靠紫吨械酿B(yǎng)分釋放，延長養(yǎng)分有效期，甚至可能與作物對(duì)養(yǎng)分的吸收基本同步；FY處理小麥產(chǎn)量顯著高于XF、CH處理。

3討論

土壤微生物是土壤養(yǎng)分循環(huán)的主要推動(dòng)力，調(diào)控著土壤有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)化和利用以及養(yǎng)分的吸持和釋放，且土壤中的一系列過程均以碳、氮循環(huán)為中心，宋秋華等[24]和李東坡等[25]人研究發(fā)現(xiàn)微生物量碳對(duì)不同培肥措施非常敏感。李芳芳等[26]研究表明，黑碳的添加在一定程度上緩解了土壤MBC和MBN含量的減少，并隨黑碳添加量的增加二者的含量呈增加趨勢(shì)。Wardle等[27]對(duì)瑞典北部的森林土壤研究發(fā)現(xiàn)，添加黑碳后土壤腐殖質(zhì)的損失量增加，認(rèn)為黑碳能夠促進(jìn)微生物的生長。但也有研究表明[28]黑碳的添加減少了土壤MBC和MBN的含量，并認(rèn)為產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是黑碳對(duì)某些有機(jī)碳、氮化合物的吸附作用所導(dǎo)致。產(chǎn)生上述差異可能與供試土壤質(zhì)地、原有微生物生物量和養(yǎng)分以及黑碳的種類等因素密切相關(guān)。本研究結(jié)果顯示，生物炭和生物炭基氮肥的施用不僅可以增加微生物生物量，而且還可以增強(qiáng)土壤酶活性，這一方面是因?yàn)樯锾繐碛械亩嗫捉Y(jié)構(gòu)為微生物提供了良好的生存條件，另一方面可能是因?yàn)樯锾孔陨砀缓伎梢詾槲⑸锾峁┏渥愕奶荚?，同時(shí)生物炭基氮肥所吸附的硝酸銨也可以適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)充氮源，施肥可以直接增加根系生物量及根系分泌物，從而促進(jìn)微生物的生長[29]。本研究結(jié)果表明，不同施肥處理對(duì)土壤微生物量碳含量均有不同的影響效應(yīng)，其中AN處理的微生物量碳含量顯著低于CH和BC處理，而與XF、FY處理相近，這可能是因?yàn)樯锾烤哂袠O大的孔隙度、巨大的表面積和極強(qiáng)的吸附性能，可以儲(chǔ)存水分和養(yǎng)分，為微生物提供了很好的棲息場所，而XF、FY 2種生物炭基氮肥對(duì)硝酸銨的吸附較CH強(qiáng)，致使生物炭的孔隙大多被所吸附的硝酸銨占據(jù)，從而影響了微生物的棲息生活空間，進(jìn)而阻礙了微生物的生長，其具體作用機(jī)理還有待進(jìn)一步的研究。本研究中MBC/SOC的變異范圍為1.75%—2.40%，這與金發(fā)會(huì)等[30]人對(duì)黃土高原石灰性土壤的研究結(jié)果相近。

本研究結(jié)果顯示，各施肥處理對(duì)土壤微生物量氮含量和微生物量碳含量的影響效應(yīng)不同，各施肥處理微生物量氮含量較CK處理均有不同程度的提高，其中BC處理的增幅最大，AN處理最小。究其原因可能是由于生物炭具有多孔性和極強(qiáng)的吸附特性，一方面生物炭吸附了一部分有機(jī)物質(zhì)[28]，另一方面可能是有些微生物附著在生物炭的孔隙中[31]，隨著時(shí)間的延長，部分微生物代謝死亡的產(chǎn)物可作為剩余微生物的有效養(yǎng)分，從而使微生物數(shù)量增加，另外還可能是由于生物炭的添加在一定程度上刺激了部分微生物的活性[28]，從而使微生物的活動(dòng)和生長繁殖均相對(duì)旺盛。各施肥處理MBN/TN的變化范圍為1.00%—1.93%，這與周建斌等[32]和汪文霞等[33]人在3類土壤(紅油土、黑壚土、淋溶褐土)的研究結(jié)果近似，但遠(yuǎn)低于Anderson等[34]和Azam等[35]人的研究結(jié)果，這可能與供試土壤類型、肥力特性和種植的作物種類不同有關(guān)。

土壤微生物主要參與土壤當(dāng)中的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程，而土壤酶主要參與土壤中許多重要的生物化學(xué)過程，二者共同完成土壤中的代謝過程。土壤轉(zhuǎn)化酶又名蔗糖酶，是一種能夠催化蔗糖水解為葡萄糖的酶，可以加速土壤碳素循環(huán)，脲酶與土壤中N的轉(zhuǎn)化密切相關(guān)，堿性磷酸酶與P轉(zhuǎn)化密切相關(guān)，可以促進(jìn)有機(jī)磷化合物的分解，過氧化氫酶能酶促過氧化氫分解為水和氧，有利于解除過氧化氫的毒害作用[6]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各施肥處理對(duì)土壤酶活性的影響具有顯著性差異。各處理對(duì)蔗糖酶、脲酶活性的影響效應(yīng)均為三種炭基氮肥酶活性最強(qiáng)，且FY>XF>CH，堿性磷酸酶和過氧化氫酶僅FY的影響效應(yīng)最強(qiáng)，而XF和CH的作用比較復(fù)雜，施用生物炭及炭基氮肥對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生的這種復(fù)雜多變的效應(yīng)，主要可能是因?yàn)橐环矫嫔锾烤哂袠O強(qiáng)的吸附性能，可以吸附酶促反應(yīng)的反應(yīng)底物，進(jìn)而促進(jìn)酶促反應(yīng)而提高土壤酶活性，另一方面生物炭還可以吸附保護(hù)酶促反應(yīng)的結(jié)合位點(diǎn)，從而抑制了酶促反應(yīng)的進(jìn)行[36]。

4結(jié)論

(1)生物炭和摻混型生物炭基氮肥顯著增加土壤微生物量碳含量，且后者的增加效果優(yōu)于前者，而化學(xué)反應(yīng)型和固-液吸附型的生物炭基氮肥降低土壤微生物量碳含量，但作用不顯著。生物炭和3種生物炭基氮肥均顯著增加土壤微生物量氮的含量，且生物炭的增加效果最強(qiáng)。

(2)生物炭和3種生物炭基氮肥均可以增加土壤蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶的活性，但對(duì)堿性磷酸酶僅化學(xué)反應(yīng)型和固-液吸附型的生物炭基氮肥可以增加其活性。但總體來看，3種生物炭基氮肥對(duì)4種土壤酶活性的影響效應(yīng)均為FY最強(qiáng)，XF次之，CH最弱。

(3)3種生物炭基硝酸銨氮肥CH、XF、FY均能顯著增加小麥產(chǎn)量，且增產(chǎn)效果依次增強(qiáng)。

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Effects of biochar and biochar-based ammonium nitrate fertilizers on soil microbial biomass carbon and nitrogen and enzyme activities

ZHAO Jun, GENG Zengchao*, SHANG Jie, GENG Rong, WANG Yueling, WANG Sen, ZHAO Hongfei

CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity，KeyLaboratoryforPlantNutrientandAgriculturalEnvironmentinNorthwestChina,MinistryofAgriculture,Yangling712100,China

Abstract：An experiment with a winter wheat-summer maize rotation system was carried out to explore the effects of biochar and biochar-based ammonium nitrate fertilizers on soil chemical fertility, soil microbial biomass carbon and nitrogen,and enzyme activity of soil invertase, urease, catalase, and alkaline phosphatase. Six treatments were used in this study: control(CK), biochar(BC), ammonium nitrate control(AN), simple mixed type of biochar-based nitrogen(CH), solid-liquid adsorption type biochar-based nitrogen(XF), and chemical reaction type biochar-based nitrogen(FY). The results showed that the content of soil organic carbon significantly increased and the values of available phosphorus and available potassium decreased in biochar and biochar-based nitrogen treatments, CH, XF, FY. Compared to the CK, microbial biomass carbon content increased by 22.10% and 17.45% in CH and BC treatments , respectively, but decreased by 9.09%、10.86%、1.46% in AN、XF and FY treatments, respectively.Microbial biomass nitrogen content was positively affected by all fertilization treatments. In BC and XF treatments, microbial biomass nitrogen significantly (P < 0.05) increased by 66.53% and 62.78%, respectively, compared to that in the CK. The increase in the nitrogen content was the lowest in AN treatment and only reached 24.86%, compared to that in the CK. In biochar-based nitrogen treatments, FY, XF, and CH, the enzyme activity of soil invertase, urease and catalase was increased. The effect of FY treatment was the strongest, followed by XF treatment, while the effect of CH treatment was the weakest. Both FY and XF treatments increased the enzyme activity of alkaline phosphatase activity, but its activity decreased in the CH treatment, compared to the CK. Wheat yield in biochar-based nitrogen treatments, FY, XF, CH, significantly increased by 36.61%, 22.58% and 20.72%, respectively, compared to that in the CK. Thus, the biochar-based ammonium nitrate fertilizers, which prepared with biochar and chemical fertilizer can get a good application prospect in agricultural sector.

Key Words:biochar; biochar-based ammonium nitrate fertilizers; soil microbial biomass carbon; soil microbial biomass nitrogen; enzyme activity

基金項(xiàng)目:農(nóng)業(yè)部“948”項(xiàng)目“生物炭技術(shù)引進(jìn)及消化”(2010- Z19); 陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2010JM5004); 國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“生物炭基氮肥的氮素利用率及對(duì)微生物活性影響研究”; 西北農(nóng)林科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“生物炭對(duì)塿土物理性質(zhì)和生物活性的影響”

收稿日期:2014- 10- 23; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 08- 18

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: gengzengchao@126.com

DOI:10.5846/stxb201410232083

趙軍, 耿增超, 尚杰, 耿榮, 王月玲, 王森, 趙宏飛.生物炭及炭基硝酸銨對(duì)土壤微生物量碳、氮及酶活性的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(8):2355- 2362.

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