生物炭對(duì)東北大豆不同生育期根際黑土環(huán)境的影響

丁俊男 王慧 李鑫 來(lái)永才 劉明

摘要?為探討施用生物炭對(duì)東北大豆不同生育期內(nèi)黑土理化性質(zhì)和土壤微生物數(shù)量的影響，研究不同用量生物炭T0（0?kg/hm2）、T1（350?kg/hm2）、T2（750?kg/hm2）、T3（1?500?kg/hm2）對(duì)東北黑土土壤有機(jī)質(zhì)、pH、堿解氮、有效磷、速效鉀、土壤酶（脲酶、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶和磷酸酶）、土壤團(tuán)聚體、有機(jī)碳（總有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、微生物量碳和易氧化碳）和微生物量的影響。結(jié)果表明，土壤施加生物炭可提高大豆不同生育期土壤有機(jī)質(zhì)的含量，其中T3處理提高土壤有機(jī)質(zhì)含量29.32%;生物炭對(duì)大豆成熟期土壤pH有一定改良作用;堿解氮在大豆生育期內(nèi)逐漸下降，且含量均大于對(duì)照;生物炭對(duì)大豆開(kāi)花期和成熟期土壤有效磷的提高有顯著作用;生物炭對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶、脲酶、蔗糖轉(zhuǎn)化酶和磷酸酶活性影響較大，整體上提高了這4種土壤酶的活性;生物炭可提高黑土土壤聚團(tuán)體的穩(wěn)定性及積累黑土土壤中總有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、微生物量碳和易氧化碳，且土壤中細(xì)菌和真菌總數(shù)顯著增加。綜上所述，生物炭施用后對(duì)東北黑土土壤的理化性質(zhì)有顯著影響，這些環(huán)境因子的改變驅(qū)動(dòng)了土壤中微生物數(shù)量的變化。

關(guān)鍵詞?生物炭;黑土土壤;酶活性;土壤團(tuán)聚體;土壤微生物

中圖分類號(hào)?S565.1?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A

文章編號(hào)?0517-6611（2021）03-0170-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.03.046

Abstract?In?order?to?discuss?the?effects?of?biochar?application?on?physicochemical?properties?and?microbial?populations?of?black?soil?in?Northeast?China?at?different?soybean?growth?stages，the?effects?of?biochar?on?the?change?of?soybean?biomass?and?soil?organic?matter，pH?value，available?nitrogen，available?phosphorus，rapidly?available?potassium，soil?enzymes?（urease，catalase，invertase，and?phosphatase），soil?aggregates，organic?carbon?（total?organic?carbon，watersoluble?organic?carbon，microbial?carbon，oxidizable?carbon），and?microbial?biomass?of?black?soil?in?northeastern?China?were?studied.Black?soil?with?different?amounts?of?biochar?were?used?including?T0?（0?kg/hm2），T1?（350?kg/hm2），T2?（750?kg/hm2），and?T3?（1?500?kg/hm2）.The?results?showed?that?the?application?of?biochar?in?black?soil?could?increase?the?content?of?organic?matter?at?different?soybean?growth?stages，of?which?the?T3?treatment?improve?the?organic?matter?content?by?29.32%，and?the?biochar?had?an?improved?effect?on?the?pH?value?of?soil?at?the?harvest?time;the?available?nitrogen?decreased?gradually?during?the?soybean?growth?period，and?the?contents?of?which?were?larger?than?those?in?the?control?group.The?biochar?also?significantly?increased?the?available?soil?phosphorus?in?the?flowering?and?harvesting?periods?of?soybean.In?addition，the?biochar?greatly?influenced?the?activity?of?catalase，urease，invertase，and?phosphatase?in?soil，and?the?activity?of?these?four?enzymes?improved.The?biochar?could?improve?the?stability?of?black?soil?aggregates，accumulation?of?total?organic?carbon，watersoluble?organic?carbon，microbial?carbon?and?oxidizable?carbon?in?black?soil，and?also?increase?the?total?number?of?bacteria?and?fungi?in?the?soil.Higher?application?of?biochar?significantly?increased?soybean?yields.In?summary，the?application?of?biochar?had?a?significant?influence?on?the?physicochemical?properties?of?black?soil?in?northeastern?China，and?the?changes?of?the?above?environmental?factors?also?caused?changes?in?the?number?of?the?microorganisms?in?the?soil.

Key?words?Biochar;Black?soil;Enzyme?activities;Soil?aggregate;Soil?microbiology

生物炭（biochar）是農(nóng)作物秸稈、枯枝落葉和其他材料等在高溫缺氧條件下熱裂解形成的穩(wěn)定富碳產(chǎn)物[1-2]。其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用引起廣泛關(guān)注，由于具有較高pH、較大比表面積、高度多孔性和較強(qiáng)陽(yáng)離子交換吸附能力等優(yōu)良特性，其在土壤耕性改良、肥力提升及污染修復(fù)等方面具有很大潛力。生物炭可有效改善土壤的物理結(jié)構(gòu)和肥力水平，對(duì)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高起到良好的促進(jìn)作用[3]。研究表明生物炭可促進(jìn)東北地區(qū)酸性和堿性土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效磷和速效鉀等生物學(xué)活性從而提高土壤養(yǎng)分[4-5]。土壤團(tuán)聚體是土壤基本結(jié)構(gòu)單元，可在一定程度上用來(lái)反映土壤養(yǎng)分存儲(chǔ)、通透性能[6];其可作為土壤有機(jī)碳重要的載體。土壤有機(jī)碳具有貯存植物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分、提供土壤微生物合成有機(jī)質(zhì)活動(dòng)能量和維持團(tuán)聚體穩(wěn)定等重要作用[7]，目前對(duì)于生物炭對(duì)黑土土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及有機(jī)碳積累影響的研究較少。筆者研究生物炭對(duì)大豆不同生育期內(nèi)土壤性質(zhì)的持續(xù)性影響，旨在為東北黑土改良提供理論支持。

1?材料與方法

1.1?試驗(yàn)材料

供試生物炭：生物炭是將秸稈、花生殼等農(nóng)林廢棄生物質(zhì)在亞高溫和缺氧條件下熱解得到的穩(wěn)定富碳產(chǎn)物，圓柱狀顆粒，購(gòu)于遼寧金和福農(nóng)業(yè)科技有限公司，pH?8.69。

供試大豆：所選品種為綏農(nóng)35，由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所大豆室提供。

供試土壤：土壤為典型黑土類型，其基本理化性質(zhì)為pH?6.62、全氮1.6?g/kg、堿解氮0.42?g/kg、有效磷?0.03?g/kg、速效鉀?0.22?g/kg和有機(jī)質(zhì)?31.2?g/kg。2018年6月8日至10月2日，分別于豆苗期、開(kāi)花期和成熟期采集長(zhǎng)期定位的生物炭各處理大豆根際土。首先獲得整株植物，輕輕抖落根系，去掉表土（0～5?cm），再用清潔的毛刷輕輕刷取附著在根表面的土壤，此為根際土。用無(wú)菌的封口袋密封，置于冰盒中帶回實(shí)驗(yàn)室，研磨過(guò)1?mm篩后備用。

1.2?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年6月在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈爾濱國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園大豆種植試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行，環(huán)境平均溫度為22.7?℃，相對(duì)濕度為60%。采用小區(qū)試驗(yàn)，每個(gè)小區(qū)面積100?m2（10?m×10?m），施加生物炭參照谷思玉等[8]的試驗(yàn)方法并略加修改，試驗(yàn)設(shè)不添加生物炭對(duì)照組（T0）、生物炭施入量350?kg/hm2?（T1）、生物炭施入量750?kg/hm2?（T2）、生物炭施入量1?500?kg/hm2（T3），每個(gè)處理3次重復(fù)?，各處理小區(qū)隨機(jī)排列組合。生物炭與土壤充分混勻后人工施入，人工點(diǎn)播大豆種子，株距0.2?m，行距0.5?m。田間常規(guī)施肥管理，氮肥（尿素40?kg/hm2）、磷肥（磷酸二銨76?kg/hm2）、鉀肥（氯化鉀28?kg/hm2），定期澆水，病蟲(chóng)害管理按常規(guī)進(jìn)行。

2018年6—10月，分別于豆苗期、開(kāi)花期和成熟期采集各處理根際土。首先獲得整株植物，輕輕抖落根系，去掉表土（0～5?cm），再用清潔的毛刷輕輕刷取附著在根表面的土壤，此為根際土。用無(wú)菌的封口袋密封，置于冰盒中帶回實(shí)驗(yàn)室，研磨后過(guò)1?mm篩，用于土壤理化性質(zhì)和酶活性測(cè)定。

1.3?測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1?土壤理化性質(zhì)。

土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法;土壤pH測(cè)定采用水土比（2.5∶1.0）浸提，用臺(tái)式pH計(jì)（上海雷磁PHSJ-3F）測(cè)定;土壤速效氮的測(cè)定采用堿解-擴(kuò)散法;土壤速效磷的測(cè)定用NaHCO3-鉬銻抗比色法;土壤速效鉀的測(cè)定采用NaOH熔融，火焰光度法;脲酶測(cè)定采用苯酚鈉比色法[9]。

1.3.2?酶活性。

脲酶測(cè)定采用苯酚鈉比色法;過(guò)氧化氫酶測(cè)定采用高錳酸鉀滴定法;蔗糖酶測(cè)定采用3，5-二硝基水楊酸比色法;磷酸酶測(cè)定采用磷酸苯二鈉比色法[10]。

1.3.3?土壤微生物數(shù)量。土壤微生物培養(yǎng)基的制備，細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基（牛肉膏5?g、蛋白胨10?g、NaCl?5?g、瓊脂18?g、加蒸餾水至1?000?mL，pH?7.0～7.2），真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基（蛋白胨5.0?g、KH2PO4?3.0?g、MgSO4·7H2O?1.5?g、葡萄糖20.0?g、瓊脂18.5?g、孟加拉紅33?mg、氯霉素0.1?g、蒸餾水1?000?mL），放線菌采用改良高氏1號(hào)培養(yǎng)基（KNO3?1.0?g、FeSO4·7H2O?10?mg、K2HPO4?0.5?g、可溶性淀粉20.0?g、MgSO4·7H2O?0.5?g、NaCl?0.5?g、瓊脂18.0?g、3%重鉻酸鉀溶液3.3?mL、加蒸餾水至1?000?mL，pH?7.2～7.4）。所有培養(yǎng)基均需在高壓滅菌鍋121?℃下滅菌20～30?min。

無(wú)菌環(huán)境下取根際土壤10?g，放入裝有90?mL高溫滅菌的蒸餾水的三角瓶中，28?℃恒溫振蕩（120?r/min）20～25?min，以便土壤中微生物細(xì)胞充分分離，該溶液為10-1土壤懸液;取上述土壤懸液體1?mL，加9?mL無(wú)菌水，此為10-2土壤懸液，以此類推，制成10-4、10-5、10-6、10-7和10-8等一系列土壤懸液供涂布平板用。采用平板涂布法分離土壤中的細(xì)菌、真菌、放線菌，平板培養(yǎng)結(jié)束后，選取細(xì)菌和放線菌的菌落在20～200的培養(yǎng)皿、真菌的菌落在10～100的培養(yǎng)皿進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算3次重復(fù)的平均值。

1.3.4?土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體及有機(jī)碳。土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的測(cè)定采用濕篩法，將不同生物炭處理的原狀土壤過(guò)8?mm篩，然后放入孔徑自上而下分別為?5、2、1?和?0.25?mm?的套篩中進(jìn)行篩分，將水緩慢地沿桶壁加入潤(rùn)濕、浸泡20?min后豎直振蕩30?min，振蕩完畢后收集每級(jí)篩層的土壤團(tuán)聚體，每級(jí)團(tuán)聚體分別轉(zhuǎn)移至鋁盒中，烘干后至恒重，每次篩分200?g左右的土樣，將獲得粒級(jí)為>5.00、>2.00～5.00、>1.00～2.00、0.25～1.00?和<0.25?mm?的團(tuán)聚體分別稱重[11]，最后計(jì)算每級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。按Van?Bavel[12]的方法計(jì)算團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）。土壤總有機(jī)碳含量、水溶性碳含量和微生物量碳含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀-外加熱法[10，13];易氧化碳含量的測(cè)定采用高錳酸鉀氧化法[14]。

1.4?數(shù)據(jù)分析

采用?Duncan檢驗(yàn)?（P<0.05）分析差異顯著性，統(tǒng)計(jì)軟件為?SPSS?17.0。

2?結(jié)果與分析

2.1?生物炭對(duì)黑土土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分，是土壤肥力的重要指標(biāo)。生物炭對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響見(jiàn)圖1。由圖1可知，生物炭對(duì)大豆不同生育期內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量均有明顯的影響，大豆整個(gè)生育期內(nèi)處理組土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于對(duì)照組。土壤有機(jī)質(zhì)含量T1、T2和T3處理分別比對(duì)照組T0提高了14.14%、21.99%和29.32%，可見(jiàn)生物炭處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的積累具有一定的促進(jìn)作用，改善了土壤的養(yǎng)分環(huán)境，對(duì)大豆的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)也起到了積極作用。

2.2?生物炭對(duì)黑土土壤pH的影響?生物炭對(duì)土壤pH的影響見(jiàn)圖2。由圖2可知，施加生物炭對(duì)大豆各生育期有明顯的影響，其中大豆苗期土壤pH的變化表現(xiàn)為T(mén)3>T2>T0>T1，T2和T3處理pH分別比處理組T0提高了1.69%和2.03%;開(kāi)花期時(shí)隨著生物炭施加量的增加土壤pH也隨之增大，土壤pH變化表現(xiàn)為T(mén)3>T2>T1>T0，處理組T1、T2和T3的pH分別比處理組T0提高了0.5%、1.67%和5.69%，可見(jiàn)施加生物炭能夠提高土壤pH;生物炭的施加能夠明顯增加土壤pH，T3處理組與T0處理組差異顯著，土壤pH提高了11.6%，由此可見(jiàn)較高施炭量50?t/hm2水平對(duì)大豆成熟期的土壤pH有一定的改良作用。

2.3?生物炭對(duì)黑土土壤堿解氮含量的影響

土壤堿解氮能反映土壤一段時(shí)期內(nèi)氮素的供應(yīng)情況，與作物生長(zhǎng)關(guān)系密切。生物炭施用對(duì)大豆不同生育期內(nèi)土壤堿解氮含量的影響見(jiàn)圖3。由圖3可知，土壤堿解氮含量在大豆生育期內(nèi)呈逐漸下降趨勢(shì)。大豆苗期時(shí)，土壤堿解氮含量隨著生物炭施加量的增加而隨之增大，變化趨勢(shì)為T(mén)3>T2>T1>T0;開(kāi)花期和成熟期時(shí)土壤堿解氮變化趨勢(shì)相同，均為T(mén)2>T3>T1>T0，各生物炭處理組堿解氮含量均大于對(duì)照組，可見(jiàn)生物炭處理對(duì)黑土土壤堿解氮水平有促進(jìn)作用。

2.4?生物炭對(duì)黑土土壤有效磷含量的影響?生物炭對(duì)黑土土壤有效磷含量的影響見(jiàn)圖4。由圖4可知，生物炭處理組土壤有效磷含量在大豆各生育期內(nèi)均高于對(duì)照組。大豆苗期生物炭處理組土壤有效磷含量較對(duì)照組分別提高了4.1%、19.83%和32.08%，且T3處理組與對(duì)照組T0差異顯著;開(kāi)花期和成熟期生物炭對(duì)土壤有效磷含量的提高作用顯著，生育后期，生物炭能夠使土壤有效磷保持在一個(gè)較高的水平，可見(jiàn)生物炭的施加可以改善作物土壤的磷素營(yíng)養(yǎng)狀況。

2.5?生物炭對(duì)黑土土壤速效鉀含量的影響

生物炭對(duì)大豆生育期內(nèi)土壤速效鉀含量的影響見(jiàn)圖5。由圖5可知，總體來(lái)看施加生物炭對(duì)土壤速效鉀含量的積累具有促進(jìn)作用，大豆苗期時(shí)生物炭處理對(duì)土壤速效鉀含量的變化表現(xiàn)為T(mén)3>T2>T0>T1，較低生物炭的施加土壤速效鉀含量略有下降;大豆開(kāi)花期時(shí)隨著生物炭量的增加速效鉀含量隨之增大;成熟期時(shí)生物炭T3處理分別比T0、T1和T2處理速效鉀含量增加了18.63%、16.91%和6.14%，可見(jiàn)較高的生物炭施入對(duì)土壤速效鉀有明顯的積累作用。

2.6?生物炭對(duì)土壤酶活性的影響

研究表明生物炭能在一定程度提高土壤中養(yǎng)分的有效性，而養(yǎng)分有效性的提高與土壤中酶活性密切相關(guān)[15]，土壤酶是表征土壤生產(chǎn)力和土壤質(zhì)量水平的一個(gè)重要生物指標(biāo)[16]。由表1可知，生物炭處理的大豆根際土壤中脲酶和磷酸酶活性均顯著高于對(duì)照組處理;生物炭T1、T2和T3處理組脲酶活性分別高于T0對(duì)照組14.29%、36.59%和74.31%，T2和T3與其他處理差異顯著（P<0.05），較高生物炭施加后的脲酶活性增強(qiáng)說(shuō)明植物不能利用的復(fù)雜含氮化合物轉(zhuǎn)化為可利用無(wú)機(jī)氮化合物增多，提高了土壤中氮肥利用率[17]。生物炭處理的土壤過(guò)氧化氫酶活性變化與脲酶相同，其中，T3處理組過(guò)氧化氫酶活性較對(duì)照T0處理組高66.75%，2組處理差異達(dá)顯著水平（P<0.05），說(shuō)明生物炭施入方式促進(jìn)了土壤過(guò)氧化氫酶活性的提高，氧化作用增強(qiáng)，促進(jìn)了過(guò)氧化氫的分解，減少了對(duì)植物根系的毒害作用。隨著施炭量的增加蔗糖酶活性也隨之增大，但蔗糖酶活性在施炭與不施炭處理間差異不顯著（P>0.05）。

2.7?生物炭對(duì)黑土土壤團(tuán)聚體組成機(jī)械穩(wěn)定性的影響?生物炭對(duì)土壤團(tuán)聚體組成機(jī)械穩(wěn)定性的影響見(jiàn)圖6。由圖6可知，生物炭改變了試驗(yàn)區(qū)黑土土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成，T1和T3處理下黑土土壤<0.25?mm的小團(tuán)聚體明顯增加;T0和T1生物炭處理組黑土土壤相對(duì)較大的團(tuán)聚體較T2和T3處理組土壤明顯降低，其中T0處理組>5.00?mm的團(tuán)聚體較T3處理組降低了16.39%，而<2.00?mm的各級(jí)團(tuán)聚體隨著生物炭量的增加均有不同程度的減小;T2和T3處理組黑土土壤>5.00?mm?和>2.00～5.00?mm團(tuán)聚體明顯增加，且其比例也明顯高于T1和T0處理組。T3處理顯著增加平均重量直徑（MWD），與各處理組相比分別提高了1.12、1.09和1.08倍，表明施入生物炭量50?t/hm2能夠在一定程度上提高黑土團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

2.8?生物炭對(duì)黑土土壤有機(jī)碳變化的影響

由圖7可知，隨著施入生物炭量的增大黑土土壤總有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、微生物量碳和易氧化碳各活性有機(jī)碳組分的含量均明顯增大。生物炭T3處理組總有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳、微生物量碳和易氧化碳含量明顯高于其他處理，其含量分別為T(mén)0處理組的1.30、1.39、1.42和1.09倍，可見(jiàn)生物炭對(duì)黑土土壤有機(jī)碳具有貯存積累作用。

2.9?生物炭對(duì)土壤微生物量的影響

生物炭處理對(duì)土壤微生物量的影響見(jiàn)表2。由表2可知，生物炭對(duì)土壤微生物量的積累具有明顯作用，這與土壤中微生物數(shù)量有較大的關(guān)系。施加生物炭后土壤中微生物總量顯著增加。其中，土壤細(xì)菌受生物炭的影響最大，根際土壤中細(xì)菌數(shù)量占微生物總量的92.42%～95.53%，放線菌數(shù)量次之，真菌數(shù)量最少。生物炭T1和T2處理組根際土壤中細(xì)菌所占比例降低，但放線菌和真菌的比例增加，放線菌比例分別比對(duì)照提高46.98%和41.37%，真菌比例分別比對(duì)照提高了49.02%和33.33%;T3處理組中細(xì)菌和真菌的數(shù)量最大，但放線菌數(shù)量較T2降低，微生物總數(shù)分別較T2、T1和T0處理組提高了35.57%、124.14%和156.76%，細(xì)菌所占的比例最大，但放線菌和真菌的比例略有降低，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)高施用量生物炭（6?000?kg/hm2）處理過(guò)的棕壤土大豆田，在大豆成熟期細(xì)菌數(shù)量增長(zhǎng)94.9%，真菌數(shù)量減少1.26倍[18]。土壤中細(xì)菌與真菌數(shù)量比值越大，土壤中有機(jī)物質(zhì)向無(wú)機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的越多。生物炭處理根際細(xì)菌數(shù)量能加速對(duì)氮素的分解和轉(zhuǎn)移，說(shuō)明大豆生育期內(nèi)施加生物炭處理增加了土壤可利用的氮素營(yíng)養(yǎng)。

3?討論

生物炭具有吸附水分和儲(chǔ)存養(yǎng)分的功能，可有效增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量，同時(shí)其顆粒表面具有巨大的表面積及多孔性也可顯著提高土壤微生物的數(shù)量和活性，進(jìn)而能夠調(diào)節(jié)多種元素在土壤中的循環(huán)[19]。土壤有機(jī)質(zhì)由復(fù)雜的微生物和土壤物理化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程而來(lái)，其數(shù)量和質(zhì)量是表征土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，是供應(yīng)植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的重要養(yǎng)分物質(zhì)[20-21]。該研究表明生物炭在大豆生育期內(nèi)可有效增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，生物炭具有吸附并緩慢釋放土壤中養(yǎng)分的作用，從而促進(jìn)大豆生育期內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng);較高生物炭的施入50?t/hm2對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量具有明顯的促進(jìn)作用。研究表明生物炭對(duì)不同地區(qū)、質(zhì)地的土壤有機(jī)質(zhì)含量具有較大影響，郭大勇等[22]通過(guò)0.1?mol/L鹽酸浸泡、淋洗等方式對(duì)生物炭改良，在堿性土壤中施用負(fù)載鐵鹽的生物炭后增強(qiáng)了玉米對(duì)養(yǎng)分吸收利用，增加了玉米的生物量和農(nóng)藝性狀等指標(biāo)，同時(shí)堿性土壤有機(jī)質(zhì)也顯著提高;曾愛(ài)等[23]在小麥分蘗期、返青期、拔節(jié)期和抽穗期施用生物炭，土壤有機(jī)碳含量和相關(guān)肥力指標(biāo)隨生物炭量增加而顯著提高。土壤中施入生物炭會(huì)增加土壤中復(fù)雜的芳香族化合物，這些化合物是土壤有機(jī)質(zhì)形成的主要物質(zhì)，同時(shí)生物炭顆粒具有復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)能夠吸附養(yǎng)分，在土壤中充分作用后其表面鈍化產(chǎn)生保護(hù)基質(zhì)，增加土壤有機(jī)質(zhì)的氧化穩(wěn)定性，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的積累[24-25]。氮、磷和鉀素是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的元素，生物炭可提高土壤對(duì)硝態(tài)氮、銨態(tài)氮?、磷、鉀等養(yǎng)分的吸附[26-27]。該試驗(yàn)結(jié)果表明生物炭對(duì)大豆苗期和開(kāi)花期土壤堿解氮、有效磷和速效鉀的影響顯著;大豆成熟期時(shí)較高生物炭能夠保持土壤堿解氮、有效磷和速效鉀在一個(gè)較高的水平，可見(jiàn)生物炭的施加可以改善作物土壤的營(yíng)養(yǎng)狀況。

該研究結(jié)果表明生物炭的施入可明顯增加大豆生育期內(nèi)黑土土壤的pH。研究顯示生物炭的施入會(huì)影響土壤的pH[28]，Nocak等[29]指出采用高溫?zé)o氧條件較低溫條件產(chǎn)生的生物炭能更好地提高土壤pH。生物炭具有多孔性質(zhì)，能夠吸持如鉀、鈉、鈣、鎂等鹽基離子，從而降低土壤的交換性氫離子和鋁離子水平;土壤酸堿度是由鹽基離子所支配的，而生物炭具有更高的鹽基離子，可作為酸性土壤理想的改良劑[30]。

該研究結(jié)果表明生物炭顯著增強(qiáng)了土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶和磷酸酶活性，但對(duì)蔗糖酶活性無(wú)顯著影響。土壤酶可起到催化土壤中生物化學(xué)反應(yīng)，其活性反映了土壤中各種生物化學(xué)過(guò)程的強(qiáng)度和方向，對(duì)改善土壤理化性質(zhì)和維持生態(tài)平衡具有重要作用[31]。土壤動(dòng)物、植物根系和微生物的分泌物都是土壤酶的主要來(lái)源，生物炭可影響生物化學(xué)過(guò)程中反應(yīng)底物的吸附，有助于酶促反應(yīng)的進(jìn)行而提高土壤酶活性，也可通過(guò)對(duì)酶分子的吸附對(duì)酶促反應(yīng)結(jié)合位點(diǎn)形成保護(hù)從而阻止酶促反應(yīng)的進(jìn)行[32-33]。周震峰等[34]研究施用不同水平的生物炭對(duì)土壤酶活性的影響，結(jié)果表明，生物炭和酶本身具有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)性可使過(guò)氧化氫酶活性呈先抑后揚(yáng)的趨勢(shì)。土壤中脲酶活性的增強(qiáng)可能是由于大豆根瘤菌對(duì)氮素的固定作用引起的，脲酶是參與土壤氮素循環(huán)的重要水解酶，其主要功能是催化土壤中尿素的水解，可表征土壤氮素供應(yīng)強(qiáng)度;過(guò)氧化氫酶活性的升高可能是因?yàn)樘砑由锾扛纳屏送寥拉h(huán)境，為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供了良好的條件，有利于土壤微生物代謝，從而提高了土壤酶活性[35];土壤pH隨生物炭施用顯著升高，可能間接地導(dǎo)致了蔗糖酶活性的增強(qiáng);磷酸酶可促進(jìn)有機(jī)磷化合物的分解，影響土壤磷的礦化和利用，磷酸酶活性是評(píng)價(jià)土壤磷素生物轉(zhuǎn)化方向與強(qiáng)度的指標(biāo)，Lu等[36]通過(guò)研究華中平原鹽堿土中土壤酶活性，發(fā)現(xiàn)生物炭促進(jìn)了土壤堿性磷酸酶活性，與該研究結(jié)果相一致。在大豆不同生育期內(nèi)，生物炭添加后土壤酶活性變化也不一致，這可能與不同時(shí)期內(nèi)土壤微生物和養(yǎng)分變化有關(guān)。

該研究結(jié)果表明長(zhǎng)期定位試驗(yàn)生物炭改變了試驗(yàn)區(qū)黑土土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成，提高黑土土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，其中T3處理的團(tuán)聚體平均重量直徑均顯著高于其他處理。生物炭可提高不同質(zhì)地土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，研究結(jié)果顯示生物炭高施入量200?g/kg和30?t/hm2可提高南方紅壤和磚紅壤土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[37-38];生物炭和秸稈配施化肥可提高黃褐土團(tuán)聚體穩(wěn)定性并逐年促進(jìn)有機(jī)碳積累[39]?;侯曉娜等[40]采用生物炭和秸稈混施后可提高砂姜黑土土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，其中單施生物炭后粒級(jí)在0.053～0.250?mm團(tuán)聚體含量顯著增加，分析原因可能與生物炭制備原料采用源白木屑、工藝或培養(yǎng)時(shí)間等因素有關(guān)，土壤粒級(jí)變化分布呈“V”字型。研究表明生物炭可提高黑土中土壤有機(jī)碳的含量，但有機(jī)碳含量的增幅與土壤中的有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)，孟雨田等[41]研究表明施加玉米秸稈生物炭可增加低有機(jī)質(zhì)黑土土壤（TOC?10.92?g/kg）中有機(jī)碳的含量，且施用2.5%的生物炭可顯著增加土壤中有機(jī)碳和水溶性碳的含量，易氧化碳和微生物碳含量隨著時(shí)間的延續(xù)和施碳量增加呈先增加后逐漸減少的趨勢(shì)，表明生物炭本身的多空性質(zhì)促進(jìn)了土壤有機(jī)碳和易氧化碳的含量，但在試驗(yàn)施加后期生物炭加快了微生物的分解速度并具有一定的殺菌功效抑制了微生物碳含量的增長(zhǎng)。該試驗(yàn)中黑土土壤中的總有機(jī)碳、易氧化碳、微生物量碳和水溶性碳含量隨著施碳量的增加而增加，與前人研究結(jié)果相一致[42-43]。

該研究中真菌占微生物總數(shù)比例顯著降低，土壤中細(xì)菌與真菌數(shù)量比值越大，土壤中有機(jī)物質(zhì)向無(wú)機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的越多。根際細(xì)菌數(shù)量能加速對(duì)氮素的分解和轉(zhuǎn)移，說(shuō)明生物炭增加了土壤可利用的氮素營(yíng)養(yǎng)。生物炭能夠吸附土壤中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)其多孔的特性可為土壤中的微生物提供棲息場(chǎng)所，這是生物炭初期能夠提高土壤微生物數(shù)量和活性的原因[44-45]。豆科作物的生物固氮作用增加了土壤中的氮營(yíng)養(yǎng)，能夠?yàn)橥寥牢⑸锾峁└嗟牡碵46]。

4?結(jié)論

在該試驗(yàn)濃度設(shè)置范圍內(nèi)，生物炭有效提高黑土土壤中有機(jī)質(zhì)含量29.32%;對(duì)土壤?pH?有一定的改良作用;同時(shí)對(duì)土壤中堿解氮、有效磷、速效鉀的含量有顯著提高作用，整體上增強(qiáng)了土壤過(guò)氧化氫酶、脲酶、蔗糖轉(zhuǎn)化酶和磷酸酶的活性，這些環(huán)境因子的改變驅(qū)動(dòng)了土壤中微生物數(shù)量的變化。該試驗(yàn)結(jié)果表明生物炭對(duì)東北黑土土壤具有明顯的改良效果。

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