生物炭對山西雨養(yǎng)旱地土壤肥力與酶活性的影響

王玲，賈俊香﹡，張毅，韓陽

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801； 2.太谷縣氣象局，山西 太谷 030800)

生物炭對山西雨養(yǎng)旱地土壤肥力與酶活性的影響

王玲1，賈俊香1﹡，張毅2，韓陽1

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801； 2.太谷縣氣象局，山西 太谷 030800)

[目的]為促進生物炭在旱地農(nóng)業(yè)上的研究及應(yīng)用。[方法]本研究采用夏玉米(ZeamaysL.)大田試驗，設(shè)置4個處理:1)對照(CK)；2)常規(guī)施肥(N)；3)常規(guī)施肥+秸稈炭(5 t·hm-2) (B1)；4)常規(guī)施肥+生物炭(10 t·hm-2)(B2)，以探究不同用量生物炭對山西雨養(yǎng)旱地土壤肥力與酶活性的影響。[結(jié)果]生物炭顯著提高了有機碳、速效氮、速效磷、速效鉀的養(yǎng)分含量及蔗糖酶、脲酶的活性，且土壤有機碳及速效養(yǎng)分含量隨著生物炭用量的增加而增加。與對照相比，生物炭處理(B1、B2)分別顯著提高山西雨養(yǎng)旱地土壤有機碳、速效氮、速效磷與速效鉀含量52.76%～105.52%、37.79%～75.54%、76.10%～122.67%、40.27%～82.55%。與對照相比，生物炭處理(B1、B2)分別提高了蔗糖酶和脲酶活性56.72%～90.96%、170.59%～182.35%。對于蔗糖酶活性而言，B2提高效果更顯著，但對于脲酶活性，B1和B2處理間無顯著差異。與對照相比，雖然生物炭處理(B1、B2)分別提高過氧化氫酶和堿性磷酸酶活性2.83%～4.25%和45.10%～50.98%，但這兩種酶活性與對照差異并不顯著。添加生物炭后夏玉米株高、葉長有一定增加的趨勢，百粒重在5 t·hm-2生物炭用量時顯著增加了14.82%，莖粗和葉寬在10 t·hm-2生物炭用量時分別顯著增加了21.81%、34.04%。[結(jié)論]總的來說，生物炭對旱地土壤肥力、酶活性及作物生長有一定的積極作用。

生物炭用量； 雨養(yǎng)旱地； 土壤養(yǎng)分； 酶活性

近年來，生物炭引起很多研究者的關(guān)注，不僅因為它在土壤中的應(yīng)用效果，更因為其原料的來源[1]。制備生物炭來源越來越廣泛，如農(nóng)業(yè)和森林生物量、污水污泥及動物生產(chǎn)和加工的副產(chǎn)品，包括家禽飼養(yǎng)和屠宰。這些有機廢棄物在供氧不足和溫度低于700 ℃條件下熱解生產(chǎn)出生物炭[2]。生物炭主要通過改善土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)特性等方面對土壤產(chǎn)生影響，而這些性質(zhì)隨著時間的推移影響土壤肥力和生產(chǎn)力。生物炭含碳量高，具有芳香族化合物結(jié)構(gòu)，并且灰分含量高，礦質(zhì)營養(yǎng)豐富，能提高土壤速效養(yǎng)分含量[3]。把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生物炭能有效利用生物質(zhì)中存在的營養(yǎng)物質(zhì)，這不僅可以改善土壤質(zhì)量，也可以給農(nóng)林廢棄物的回收管理提供解決方案。

生物炭引入土壤可以為微生物創(chuàng)造有利的生境，主要由于生物炭表面孔隙分布形成了大量微孔，微生物能生存在其孔隙的微環(huán)境中[4]。而Spokas等[5]發(fā)現(xiàn)，生物炭施用到土壤中也可能對微生物的產(chǎn)生負面效應(yīng)，因為其C/N和O/C不利于微生物生存。如果不是土壤微生物產(chǎn)生的特異性的生物催化劑—酶，微生物分解引入像生物炭之類的土壤外源有機物的過程不會發(fā)生。有研究報道，生物炭通常會提高與土壤氮磷循環(huán)有關(guān)的酶的活性，降低參與土壤碳循環(huán)的酶活性[6]。然而，Lammirato等[7]和Paz-Ferreiro等[8]的研究結(jié)果與其不一致，對于不同的土壤，不同的酶和不同的試驗，生物炭的效果也不同。

目前生物炭應(yīng)用逐漸發(fā)展到溫帶、干旱-半干旱地區(qū)，但是對這些地區(qū)土壤肥力與酶活性的影響研究仍然相對不多。本研究以山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗站夏玉米為研究對象，通過田間種植試驗初步探究了高量和低量生物炭分別與氮肥配施對山西雨養(yǎng)旱地土壤肥力與酶活性影響，為進一步研究生物炭在旱地土壤中的合理利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西省太谷縣山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗站。該縣境內(nèi)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫5～10 ℃，多年平均降水量約450～500 mm左右，多集中在6、7、8 三個月份。土壤類型為石灰性褐土，表層0～20 cm土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本理化性狀Table 1 Chemical Properties of soil tested

1.2 供試秸稈炭

秸稈炭購自河南省商丘三利新能源有限公司，為小麥秸稈經(jīng)450 ℃熱解而成，生物炭基本理化性質(zhì)見表2。

表2 供試生物炭基本理化性狀Table 2 Chemical Properties of the biochar

1.3 試驗設(shè)計

大田試驗共設(shè)4個處理，包括只施磷鉀肥(CK)；只施氮肥(N)；氮肥+ 5 t·hm-2生物炭(B1)；氮肥+10 t·hm-2生物炭(B2)。采用完全隨機設(shè)計，每個處理3次重復(fù)，共12個試驗小區(qū)，小區(qū)面積為4.5 m×1 m=4.5 m2。4個處理磷肥(P2O5150 kg ·hm-2)與鉀肥(K2O 90 kg·hm-2)用量均相同，除對照外，其它3個處理的氮肥用量均為210 kg N·hm-2，其中氮肥為尿素(含氮46%)、磷肥為過磷酸鈣(含P2O512%)，鉀肥為硫酸鉀(含K2O 60%)，同時B1和B2處理所用生物炭為同一類型，僅在用量上有差別。各小區(qū)均在播種前將肥料與生物炭作為基肥一次性施入土壤。試驗玉米品種為甜粘糯F1，于2016年6月23日播種，2016年10月10日收獲。玉米收獲后采用五點采樣法采集每個試驗小區(qū)的0～20 cm的耕層土壤樣品，風(fēng)干后除去植物根系及石礫并充分混勻，過篩之后保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 指標測定

土壤速效氮、速效磷與速效鉀均采用常規(guī)方法測定[9]。蔗糖酶采用3，5 -二硝基水楊酸比色法；堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法；脲酶采用靛酚藍比色法；過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法[10]。

在玉米成熟期每個處理隨機選取選取長勢相同的5株，測定株高、莖粗及最大葉片長與寬及玉米百粒重。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用 SPSS 22.0 軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析(One-way ANOVA)，采用Ducan新復(fù)極差法進行多重比較(α=0.05),結(jié)果以“算術(shù)平均值±標準誤”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對旱地土壤土壤肥力的影響

分析表3可知，不同處理下CK的土壤有機碳含量最低，B2最高，各處理有機碳含量的順序為：B2>B1>NBA>N>CK，范圍是6.70～3.26 g·kg-1。B2、B1處理的有機碳含量分別比CK處理高105.52%、52.76%，均與CK處理形成顯著性差異。與CK相比，N、B1與B2速效氮含量分別增高了26.67%、37.79%與75.54%，其中施用10 t·hm-2生物炭處理B2增幅最高。N、B1與B2的速效氮含量呈現(xiàn)遞增趨勢，B2顯著高于B1與N，盡管B1速效氮含量在數(shù)值上高于N處理，但二者在統(tǒng)計意義上未表現(xiàn)出差異顯著性，表明低用量生物炭施用對旱地土壤速效氮影響不明顯。與CK相比，N、B1與B2速效磷含量分別增加了1.64、14.23與22.94 mg·kg-1，其中B2較CK顯著提高了122.67%，兩者之間差異顯著；B1較CK提高了76.10%，兩者之間差異不顯著。而且兩種不同用量生物炭處理相比較，速效磷含量在不同用量之間差異不顯著。試驗土壤速效鉀含量表現(xiàn)為B2>B1>N>CK，與CK相比，B1、B2均顯著提高了旱地土壤速效鉀含量，增幅分別為40.27%、82.55%，且二者在統(tǒng)計意義上表現(xiàn)出差異顯著性，表明高用量生物炭對旱地土壤速效鉀含量的增加效果更好。

表3 不同處理土壤速效養(yǎng)分含量Table 3 Soil Available nutrient under different treatments

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different small letters indicate significant difference in the same column,P<0.05. The same as follow.

2.2 生物炭對旱地土壤酶活性的影響

分析表4可知，蔗糖酶活性范圍16.82～32.12 mg·g-1，B2最高，CK最低，且B2分別比CK、N、B1處理高90.96%、53.54%、和21.85%，但B2只與CK形成顯著差異，與其余均無顯著差異，這說明高量生物炭有利于提高旱地土壤蔗糖酶活性。當生物炭施加量達5 t·hm-2，脲酶活性顯著提高。B2、B1分別比CK顯著高182.35%、170.59%，比N處理顯著高77.78%、70.37%，但CK與N、 B2與B1間差異均不顯著。B1、B2過氧化氫酶活性分別比對照CK高4.25%、2.83%，但四個處理間無顯著差異。堿性磷酸酶活性表現(xiàn)為CK、N、B1、B2逐漸遞增，B2比CK、N高50.98%、18.46%，B1比CK、N高45.10%、13.85%，但各處理間均無顯著差異。

表4 不同處理土壤酶活性Table 4 Soil enzyme activities under different treatments

2.3 生物炭對旱地土壤作物生長的影響

施用不同用量的生物炭后，玉米株高、莖粗、最大葉片長與寬及百粒重性狀見表5。株高和葉長均隨著生物炭用量的提高而增大，但B2、B1處理與CK未達到顯著性差異。B2處理的莖粗、葉寬與CK相比達到差異顯著水平，分別提高了21.82%、34.04%；B1處理與CK相比未達差異顯著水平，但也分別提高了15.76%、16.05%。百粒重B2處理最為明顯，較CK提高了19.14%，其次是B1處理，較CK提高了14.82%，而N處理較CK僅提高了5.92%。說明生物炭的施用總體上促進了夏玉米的生長，對夏玉米產(chǎn)量增加具有一定的積極作用。

表5 不同處理玉米生長指標Table 5 Growth index of corn under different treatments

3 討論

3.1 生物炭對旱地土壤肥力的影響

本試驗研究表明，5 t·hm-2與10 t·hm-2生物炭處理均能提高土壤有機碳含量，且10 t·hm-2處理對有機碳的提升效果更顯著，該試驗結(jié)果李明等[3]研究一致。造成這種結(jié)果的原因可能是:一方面本試驗所用生物炭含碳量高為771.00 g·kg-1，同時具有強的抗生物分解能力，本身的降解速率以及氧化速率也非常的慢，可以增加土壤有機碳的積累[11]，另一方面這種增長可能是由于生物炭將其不穩(wěn)定的碳素釋放到土壤中。

在土壤中添加生物炭不僅能改善土壤氮素循環(huán)，同時還能提高土壤磷素的有效性。本研究表明，施用生物炭對旱地土壤磷鉀養(yǎng)分含量也有不同程度的提高，且10 t·hm-2用量增幅最高，這與周貴玉等[15]研究結(jié)果一致。生物炭中的磷素含量與生物炭的原材料種類和熱解溫度、停留時間等制備條件等有關(guān)。在秸稈熱解炭化過程中，當熱解溫度約100 ℃時碳素揮發(fā)，而本試驗所用秸稈炭的熱解溫度為450 ℃，磷素還未揮發(fā)(約700 ℃時揮發(fā))，同時有機磷化學(xué)鍵的斷裂，生物炭中可溶性磷酸鹽濃度增加,添加生物炭到土壤中引起土壤有效磷含量的增加[16]。也有研究者認為，生物炭提高土壤有效磷含量是由于其表面離子交換能力強，增加土壤對磷素的固定。

本研究表明生物炭對土壤速效鉀的提升作用比較明顯，高達40.27%以上。一部分的原因可能是生物炭可以直接添加鉀營養(yǎng)元素，而本試驗所用秸稈炭中鉀含量高達18.4 g·kg-1，其本身富含較多可溶性鉀。Liu等[17]研究表明，生物炭的原料和熱解條件影響土壤的養(yǎng)分含量，水稻秸稈炭比竹炭磷、鉀元素豐富，可能更適合為冷浸田土壤補充養(yǎng)分。另一部分原因是徑流和淋溶的減少，生物炭的內(nèi)部微孔豐富，保水能力高，減少了溶液中移動性強的營養(yǎng)離子的溶解遷移，避免營養(yǎng)元素的淋失。

3.2 生物炭對旱地土壤酶活性的影響

影響土壤酶活性的因素非常復(fù)雜，特別是在田間試驗條件。蔗糖酶能增加土壤中被生物體所吸收利用的易溶性物質(zhì)，比其它酶更能反映土壤質(zhì)量和肥力的水平。本研究表明在5 t·hm-2生物炭處理下，蔗糖酶活性和對照之間差異不顯著，而10 t·hm-2生物炭則顯著提高了蔗糖酶的活性90.96%，說明施用10 t·hm-2生物炭對旱地土壤蔗糖酶活性作用更顯著。當生物炭用量提高時，脲酶活性也隨之提高，與Bailey等[6]的研究結(jié)果一致，說明添加生物炭可提高一系列與氮循環(huán)有關(guān)的酶的活性。尚杰等[18]認為生物炭的施用對土壤有很好的改良作用，能為微生物的生長提供充足的碳源，有利于微生物的種類和活性增加，刺激了酶活性提高。

本研究中生物炭對過氧化氫酶影響未達統(tǒng)計意義上的顯著水平，可能是由于生物炭相對較低劑量引起的[4]。尚杰等[19]研究發(fā)現(xiàn)過氧化氫酶活性在鹽土和砂土中并無顯著變化，馮愛青等[20]通過對棕壤酶活性研究也表明，生物炭與控釋肥配施對玉米季過氧化氫酶活性無顯著影響，本試驗研究結(jié)果與其一致。

雖然本試驗中5 t·hm-2和10 t·hm-2生物炭處理的堿性磷酸酶活性分別比空白處理高45.10%、50.98%，但添加生物炭處理對堿性磷酸酶活性影響不明顯。這可能是由于本試驗作物為夏玉米，其全生育期時間比較短，而且生物炭理化性質(zhì)穩(wěn)定，并不能立即被堿性磷酸酶并立即水解生物炭所含的有機磷[21]。有研究發(fā)現(xiàn)生物炭降低了磷酸酶活性，不論是添加水稻秸稈炭還是玉米秸稈炭的有效磷都顯著高于對照，而有效磷含量增加會反饋抑制磷酸酶活性[22]。另外，Ameloot[23]結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅生物炭的類型不同就可以產(chǎn)生對土壤酶活性的產(chǎn)生顯著影響，本試驗酶活性的研究結(jié)果并不與前人全部一致，生物炭類型不同可能是其中一個原因。

3.3 生物炭對旱地土壤作物生長的影響

研究表明，添加生物炭后夏玉米株高、葉長有一定增加的趨勢，百粒重在5 t·hm-2生物炭用量時顯著增加，莖粗和葉寬在10 t·hm-2生物炭用量時顯著增加，這說明生物炭對于夏玉米生長具有一定的積極作用。蔣健等[24]田間試驗也得出了類似的結(jié)果。生物炭對夏玉米生長的促進作用，主要歸因于將其與無機肥料配合施用，可以延緩肥料養(yǎng)分的釋放[25]，提高土壤有效養(yǎng)分含量，增加了土壤的酶活性[26]。Major等[27]研究發(fā)現(xiàn)生物炭施用對土壤鈣與鎂含量水平的的提高可能也會促進作物生長。但生物炭對作物生長的影響是多方面的，復(fù)雜的交互作用及其過程也會使試驗結(jié)果產(chǎn)生不一致[28]。因此，生物炭對農(nóng)田土壤性質(zhì)和作物產(chǎn)量的提升作用是否具有持續(xù)效應(yīng)還應(yīng)結(jié)合不同作物、不同地區(qū)及生物炭的性質(zhì)長期深入研究。

4 結(jié)論

(1)本試驗研究條件下，生物炭能顯著提高山西雨養(yǎng)旱地有機碳、速效氮、速效磷與速效鉀含量,且隨著生物炭用量的增加而增加。與對照相比，分別提高了52.76%～105.52%、37.79%～75.54%、76.10%～122.67%、40.27%～82.55%，且高量效果優(yōu)于低量?？傮w上，施加生物炭能提高山西雨養(yǎng)旱地土壤氮磷鉀元素的有效性及有機碳含量。

(2)生物炭顯著提高了蔗糖酶和脲酶活性。與對照相比，生物炭處理分別提高了蔗糖酶和脲酶活性56.72%～90.96%、170.59%～182.35%。對于蔗糖酶活性而言，B2提高效果更顯著，但對于脲酶活性，B1和B2處理間無顯著差異。與對照相比，雖然生物炭處理分別提高過氧化氫酶和堿性磷酸酶活性2.83%～4.25%和45.10%～50.98%，但這兩種酶活性與對照差異并不顯著。

(3)本試驗研究條件下，添加生物炭后夏玉米株高、葉長有一定增加的趨勢，百粒重在5 t·hm-2生物炭用量時顯著增加了14.82%，莖粗和葉寬在10 t·hm-2生物炭用量時分別顯著增加了21.81%、34.04%，這說明生物炭對于夏玉米生長具有一定的積極作用。

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Effectsofbiocharonsoilnutrientandenzymeactivitiesinrain-feddrylandinShanxi

WangLing1,JiaJunxiang1﹡,ZhangYi2,HanYang1

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China； 2.Taiguweatherbureauy,Taigu030800,China)

[Objective]This paper aimed to promote the research and utilization of biochar in rain-fed dry land.[Methods]A field experiment was carried out to study the effects of biochar on soil nutrients and enzyme activities. Four treatments were set: control (CK), urea (N), urea plus 5 t·hm-2biochar (B1) and urea plus 10 t·hm-2biochar (B2).[Result]Compared to CK, biochar application (B1、B2) significantly enhanced the contents of organic carbon,soil available nitrogen, available phosphorus and available potassium by 37.79%～75.54%,76.10%～122.67% and 40.27%～82.55%,respectively. Furthermore,above soil nutrient contents increased as the biochar application increased. Compared to CK, sucrase and urease activitivies were improved by 56.72%～90.96% and 182.35%～170.59% with biochar amendment(B1、B2). In addition, the sucrase activity was improved significantly under B2 treatment, while the urease activity did not show significant difference between B1 and B2 treatment. While biochar had no significant effect on catalase and alkaline phosphatase activityies, the catalase and alkaline phosphatase activities with biochar amendment were improved by 56.72%～90.96% and 45.10%～50.98%, compared to CK, respectively. Plant height and leaf length increased with the higher biochar content, 100-grain weight were achieved significant difference when the content of 5 t·hm-2compared with CK, stem diameter and leaf width were achieved significant difference when the content of 10 t·hm-2.[Conclusion]In general, biochar plays an active role on soil fertility, enzyme activities and maize growth in dry land.

Biochar application rate, Rain-fed dry land, Nutrient, Enzyme activities

S156.2

A

1671-8151(2017)12-0884-06

2017-07-07

2017-09-06

王玲(1992-)，女(漢)，山西太原人，碩士研究生，研究方向：土壤養(yǎng)分循環(huán)

*通信作者：賈俊香，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，Tel：13663645288；E-mail: junxiangjia@163.com

國家自然科學(xué)基金青年基金項目(41401342)；山西農(nóng)業(yè)大學(xué)博士科研啟動基金(2013YJ25)

(編輯：梁文俊)