不同質(zhì)地潮土施用小麥和玉米秸稈生物質(zhì)炭對(duì)玉米養(yǎng)分吸收和根際土壤胞外酶活性的影響

高 雅，饒 偉，介紅彬，張文靜，牛亞茹，袁依林，徐國(guó)蓮，張?chǎng)?，張登?，王代長(zhǎng)

（1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450002；2 河南省地質(zhì)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，河南鄭州 450000）

玉米是我國(guó)重要的糧食作物，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)玉米種植面積在2020年達(dá)4128萬(wàn)hm2，產(chǎn)量達(dá)2.61億t[1]。黃淮海地區(qū)為我國(guó)主要糧食生產(chǎn)區(qū)，2020年僅河南省玉米產(chǎn)量達(dá)到2342萬(wàn)t，占我國(guó)玉米總產(chǎn)量的9.0%[1]。因此，保障黃淮海地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)對(duì)我國(guó)的糧食安全具有重要意義。然而目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化學(xué)肥料的過量施用，特別是氮磷肥料的不合理施用威脅農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。一方面，化肥的過量施用造成肥料利用率降低[3]；另一方面，大量養(yǎng)分元素進(jìn)入環(huán)境中帶來一系列的生態(tài)環(huán)境問題，例如氮磷養(yǎng)分進(jìn)入水體中造成水體富營(yíng)養(yǎng)化[4]，地下水的硝酸鹽污染[5]，土壤酸化[6-7]、產(chǎn)生大量溫室氣體等[8]。長(zhǎng)期過量施用化肥會(huì)導(dǎo)致土壤肥力的降低。與傳統(tǒng)有機(jī)肥施用相比，長(zhǎng)期大量施用化肥能夠降低土壤中與養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)的酶活性，導(dǎo)致土壤自身對(duì)養(yǎng)分的調(diào)控和緩沖能力下降，降低土壤肥力[9]。同時(shí)有研究指出，單施化肥與有機(jī)肥或秸稈還田相比，不利于土壤大團(tuán)聚體的形成[10-11]，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)的退化以及保水保肥能力的降低。因此，促進(jìn)土壤活性，增強(qiáng)土壤養(yǎng)分調(diào)控能力，提高土壤肥力和作物產(chǎn)量，成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中亟需解決的關(guān)鍵問題。

目前研究認(rèn)為，生物質(zhì)炭施用于農(nóng)田土壤中具有提高土壤肥力，包括促進(jìn)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成，提高土壤保肥和保水性能，提高肥料利用率等作用[12]。Liu等[13]和Jeffery等[14]通過整合分析發(fā)現(xiàn)，與不施生物質(zhì)炭相比，生物質(zhì)炭平均提高作物產(chǎn)量達(dá)11%，但是在不同的土壤條件下生物質(zhì)炭對(duì)作物生產(chǎn)力的效應(yīng)表現(xiàn)出很大的差異。例如在肥力相對(duì)較低的鹽堿土或者較干旱地區(qū)的土壤中施用生物質(zhì)炭對(duì)產(chǎn)量具有更好的效應(yīng)[15-16]，而在肥力相對(duì)較高的土壤中影響較小[17]。生物質(zhì)炭對(duì)作物生產(chǎn)力的提高可能與其對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和水分養(yǎng)分的調(diào)控有關(guān)。生物質(zhì)炭在農(nóng)田土壤中施用能夠提高大團(tuán)聚體的比例，改善土壤結(jié)構(gòu)[18]。土壤結(jié)構(gòu)的改善一方面有利于作物根系的生長(zhǎng)。另一方面也有利于改善土壤通氣性和保水性能。特別是在旱地土壤中，生物質(zhì)炭對(duì)土壤水分的保持對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)具有重要意義[19]。另外，生物質(zhì)炭施用于土壤中能夠調(diào)節(jié)土壤氮磷等養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化。研究指出，生物質(zhì)炭對(duì)土壤的改善為土壤微生物提供了良好的棲息條件，改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和增加其活性也會(huì)促進(jìn)土壤養(yǎng)分的運(yùn)轉(zhuǎn)，特別是與碳氮磷循環(huán)相關(guān)胞外酶活性的增加[20-21]，對(duì)提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)和養(yǎng)分保持具有重要作用。然而生物質(zhì)炭對(duì)作物產(chǎn)量以及對(duì)土壤肥力的調(diào)控，在不同土壤和生物質(zhì)炭條件下均表現(xiàn)出較大差異，尤其是土壤質(zhì)地、pH及生物質(zhì)炭原料、生產(chǎn)溫度等的差異。因此，針對(duì)不同土壤條件探究適合的生物質(zhì)炭利用方式，對(duì)促進(jìn)生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用具有重要意義。

本研究選用黃淮海地區(qū)廣泛存在的潮土類型為研究對(duì)象，采用盆栽試驗(yàn)，通過在兩種不同質(zhì)地的潮土上施用不同類型的生物質(zhì)炭，研究生物質(zhì)炭對(duì)苗期玉米生長(zhǎng)及抗性的影響，及其與土壤條件和生物質(zhì)炭條件之間的關(guān)系，并通過對(duì)根際土壤理化性狀和胞外酶活性的分析，探索不同來源生物質(zhì)炭對(duì)根際養(yǎng)分的調(diào)控機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究選用土壤類型為潮土，分別采自河南省鶴壁市?？h小灘村 (N35°48′0″，E114°34′9″)和河南省商丘市夏邑縣楊洼村 (N34°15′56″，E116°13′23″)。所采集土壤均為耕層土(0—20 cm)，土壤質(zhì)地分別為粘質(zhì)潮土(砂粒38.1%、粉粒30.6%、粘粒31.3%)和壤質(zhì)潮土(砂粒 64.1%，粉粒 20.2%，粘粒15.7%)。土壤采集地點(diǎn)農(nóng)業(yè)種植模式均為冬小麥-夏玉米輪作。土壤采回后，挑出肉眼可見的植物碎屑、小石塊和蚯蚓等大中型土壤動(dòng)物等，過2 mm篩，備用。土壤基本理化性質(zhì)按照魯如坤[22]方法測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見表1。

表1 土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)Table 1 Basic soil physicochemical properties

試驗(yàn)用生物質(zhì)炭分別為小麥秸稈炭(WBC)和玉米秸稈炭(MBC)，由河南省三利新能源有限公司提供。炭化溫度為350℃～550℃，滯留時(shí)間為1 h。2種生物質(zhì)炭分別經(jīng)粉碎并過1 mm篩，備用。生物質(zhì)炭全碳和全氮含量采用C、N元素分析儀測(cè)定[AOAC 990/03，艾力蒙塔貿(mào)易(上海)有限公司]，其他性質(zhì)的測(cè)定按照魯如坤[22]方法進(jìn)行。其中，玉米秸稈炭pH為9.65、全碳507.4 g/kg、全氮2.10 g/kg、全磷8.37 g/kg、全鉀9.33 g/kg；小麥秸稈炭pH為9.51、全碳476.6 g/kg、全氮4.34 g/kg、全磷2.47 g/kg、全鉀10.00 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)通過盆栽方法，采用兩因素(土壤類型和生物質(zhì)炭類型)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。生物質(zhì)炭(WBC和MBC)分別以1%的施入量分別與兩種土壤(壤質(zhì)潮土和粘質(zhì)潮土)混勻，其中壤質(zhì)潮土中小麥秸稈炭和玉米秸稈炭處理分別用L-WBC、L-MBC表示；粘質(zhì)潮土中小麥秸稈炭和玉米秸稈炭處理分別用C-WBC、CMBC表示，并分別設(shè)置不施炭作為對(duì)照(L-CK和CCK)，共6個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。盆栽試驗(yàn)每盆裝土2 kg (干重計(jì))，施肥量設(shè)置為N 150 mg/kg和P2O533 mg/kg，分別以尿素和過磷酸鈣作為基肥一次性施入。將土壤與生物質(zhì)炭、肥料充分混勻，每盆土壤容重均控制在1.1 g/cm3。沿盆壁緩慢注入去離子水，充分潤(rùn)濕土壤并達(dá)到田間持水量水平。靜置一周后進(jìn)行玉米播種。本研究所選玉米品種為鄭單958。玉米種子經(jīng)雙氧水消毒后，每盆播種10粒種子。出苗一周后間苗，保留長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的玉米植株，每盆保留3株。

本試驗(yàn)在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)第三生活區(qū)溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，于2019年5月18日播種，每天早晚根據(jù)每盆重量調(diào)節(jié)土壤含水量，使之保持在田間持水量的65%左右。每天隨機(jī)調(diào)換盆栽擺放位置，保證每盆植株生長(zhǎng)條件一致。日常記錄玉米生長(zhǎng)狀況。出苗40天后，采集土壤和玉米植株樣品用于理化性質(zhì)及生理生化指標(biāo)測(cè)定。

1.3 樣品采集

根際土壤樣品的采集采用抖根法。每盆土壤樣品采集后，挑去其中的根系和植株殘?bào)w并過1 mm篩，采用四分法分成兩部分，一部分存放于4℃冰箱，進(jìn)行土壤酶活性、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的測(cè)定。另一部分自然風(fēng)干，用于其他土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。

苗期植株樣品采集時(shí)，將地上部和地下部剪開，用蒸餾水沖洗根系和葉面的土壤顆粒等雜質(zhì)。剪下每株玉米的最新完全展開葉，用錫紙包裹后置于液氮中冷凍，取出后置于－80℃保存，用于植株抗性酶活性的測(cè)定。其余地上部和根系樣品分別置于烘箱，105℃殺青0.5 h后，75℃烘干至恒重，然后稱重，分別得到地上部和地下部干重。烘干樣品粉碎后，用于養(yǎng)分含量的測(cè)定。

1.4 分析項(xiàng)目和測(cè)定方法

生物量的測(cè)定：烘干法。

根系構(gòu)型：采用根系掃描儀(Perfectioon v700 Photo，Epson)測(cè)定。

葉綠素含量：采用SPAD儀測(cè)定。

超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量：葉片組織上清液的制備按照李合生[23]的方法，采用試劑盒法測(cè)定，根據(jù)試劑盒使用說明書(上海晶抗生物工程有限公司)進(jìn)行操作。

植株養(yǎng)分含量：參照魯如坤[22]的方法，采用H2SO4-H2O2消煮，其中，植株氮含量采用半微量開氏法測(cè)定，植株磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定，植株鉀含量采用火焰光度法測(cè)定。

土壤理化性質(zhì)的測(cè)定：參照魯如坤[22]的方法，其中，土壤pH采用水土比為2.5∶1；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱容量法測(cè)定；土壤全氮采用半微量開氏法測(cè)定；土壤NH4+-N采用2 mol/L KCl溶液浸提—靛酚藍(lán)比色法測(cè)定；土壤NO3--N采用2 mol/L KCl溶液浸提—雙波長(zhǎng)比色法測(cè)定；土壤速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3溶液浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀采用1 mol/L NH4Ac浸提—火焰光度法測(cè)定。

土壤酶活性測(cè)定：β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase activity)、木糖苷酶 (β-1,4-xylosidase activity)、β-纖維二糖水解酶(β-cellobiohydrolase activity)、乙酰氨基葡萄糖苷酶 (β-1,4-N-acetylglucosaminidase activity)、亮氨酸氨基肽酶(leucine amino peptidase activity)和磷酸單酯酶(phosphomionoesterase activity)活性采用抗體夾心法測(cè)定，根據(jù)試劑盒使用說明書(上海晶抗生物工程有限公司)進(jìn)行操作。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

歸一化酶活性的計(jì)算采用多屬性決策法，對(duì)本研究中測(cè)定的6種土壤酶活性按照以下公式分別進(jìn)行歸一化處理，然后將每個(gè)處理歸一化的6種酶活性值相加求算術(shù)平均數(shù)，得到每個(gè)處理的歸一化酶活性值。

式中，X代表不同酶活性值，i代表酶種類，Xi′代表歸一化酶活性值。

使用Microsoft Excel 2019 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和圖表制作。用SPSS 23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。方差分析(ANOVA)采用單因素方差分析，采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，P<0.05為顯著。本研究中所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式呈現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭對(duì)苗期玉米生物量的影響

生物質(zhì)炭對(duì)苗期玉米生物量的影響在不同質(zhì)地潮土中的表現(xiàn)不同(表2)，且在不同類型生物質(zhì)炭之間差異顯著。在粘質(zhì)潮土中，與對(duì)照相比，施用WBC和MBC均對(duì)苗期玉米地上部和地下部生物量沒有顯著影響。在壤質(zhì)潮土中，WBC處理下地上部生物量比對(duì)照顯著增加了43.7%，而MBC處理沒有表現(xiàn)出顯著影響，且WBC處理顯著高于MBC處理。同時(shí)，在壤質(zhì)潮土中，苗期玉米根系生物量WBC處理比MBC處理顯著增加了45.1%。因此，在壤質(zhì)潮土中生物質(zhì)炭能夠促進(jìn)苗期玉米生物量的增加，且WBC效果優(yōu)于MBC，而在粘質(zhì)潮土中沒有顯著影響。

表2 不同處理玉米地上部和地下部生物量Table 2 Shoot and root biomass of maize under different treatments

2.2 生物質(zhì)炭對(duì)苗期玉米根系構(gòu)型的影響

從玉米根系構(gòu)型(表3)上看，在壤質(zhì)潮土中，WBC處理改善了苗期玉米根系構(gòu)型，其中，總根長(zhǎng)與對(duì)照相比顯著增加了34.3%，根表面積增加了34.3%，根體積增加了34.8%，而根平均直徑和根尖數(shù)與對(duì)照相比沒有顯著性差異。MBC處理在壤質(zhì)潮土中與對(duì)照之間各指標(biāo)均沒有顯著差異。在粘質(zhì)潮土中生物質(zhì)炭對(duì)玉米根系構(gòu)型的影響較小，只有MBC處理比對(duì)照顯著增加了根體積和根尖數(shù)，WBC和對(duì)照之間沒有顯著差異。從兩種炭處理來看，在壤質(zhì)潮土中WBC處理比MBC顯著提高了總根長(zhǎng)、根表面積、根體積和根尖數(shù)，而在粘質(zhì)潮土中兩種炭處理之間沒有顯著性差異。因此，在粘質(zhì)潮土中兩種生物質(zhì)炭對(duì)玉米根系構(gòu)型沒有顯著影響，而在壤質(zhì)潮土中施用WBC能夠改善苗期玉米根系構(gòu)型。

表3 不同處理玉米根系構(gòu)型Table 3 Root architecture of maize under different treatments

2.3 生物質(zhì)炭對(duì)苗期玉米地上部養(yǎng)分含量的影響

表4顯示了不同生物質(zhì)炭處理對(duì)苗期玉米地上部養(yǎng)分含量的影響。對(duì)于壤質(zhì)潮土來說，與對(duì)照相比，生物質(zhì)炭的施用對(duì)玉米地上部全氮含量沒有顯著影響，而顯著影響全磷和全鉀含量，其中，WBC處理使玉米全磷含量顯著增加23.5%，WBC和MBC處理顯著增加全鉀含量，增加幅度分別為28.7%～21.44%，且與MBC處理相比，WBC處理下玉米全磷含量顯著增加了40.0%，全鉀含量顯著增加了6.0%；對(duì)于粘質(zhì)潮土來說，與CK相比，2種生物質(zhì)炭的施用對(duì)玉米全氮和全磷含量均沒有表現(xiàn)出顯著影響，但MBC處理顯著增加了玉米全鉀的含量，增加幅度為10.8%，且MBC處理顯著高于WBC。表明生物質(zhì)炭在壤質(zhì)潮土中能夠有效促進(jìn)作物對(duì)磷、鉀養(yǎng)分的吸收。

表4 不同處理玉米苗期地上部養(yǎng)分含量Table 4 Shoot nutrient content of maize seedling under different treatments

2.4 生物質(zhì)炭對(duì)苗期玉米葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量的影響

潮土中施用生物質(zhì)炭能夠影響玉米苗期葉片SOD活性和MDA含量(圖1)。在壤質(zhì)潮土中，與CK相比，生物質(zhì)炭的施用顯著降低了玉米葉片中MDA含量，其中WBC和MBC處理分別降低53.8%和46.6%，且MBC和WBC處理之間沒有顯著性差異。在粘質(zhì)潮土中，MBC和WBC處理的MDA含量降低幅度分別為55.3%和32.7%，同樣，兩種生物質(zhì)炭處理之間沒有顯著差異。壤質(zhì)潮土中施用生物質(zhì)炭對(duì)SOD活性沒有顯著影響，而在粘質(zhì)潮土中MBC處理比CK顯著提高SOD活性達(dá)66.4%。

圖1 不同處理玉米地上部MDA含量和SOD活性的影響Fig. 1 MDA contents and SOD activity in maize shoot under different treatments

2.5 生物質(zhì)炭對(duì)根際土壤理化性質(zhì)的影響

生物質(zhì)炭在壤質(zhì)潮土和粘質(zhì)潮土中均能改善土壤理化性質(zhì)(表5)。其中，pH在2種土壤中各處理間沒有顯著差異。與對(duì)照相比，2種生物質(zhì)炭均顯著增加了壤質(zhì)潮土中土壤有機(jī)碳(SOC)含量，而在粘質(zhì)潮土中只有玉米秸稈炭處理下SOC含量顯著增加。全氮含量在壤質(zhì)潮土中各處理間沒有顯著差異，而粘質(zhì)潮土中MBC比對(duì)照增加了0.26 g/kg。銨態(tài)氮含量在兩種潮土中均較低，且與對(duì)照相比，生物質(zhì)炭處理均沒有顯著性差異，而在粘質(zhì)潮土中，WBC比MBC處理下銨態(tài)氮含量提高1.53 mg/kg。生物質(zhì)炭處理下2種土壤中硝態(tài)氮含量均比對(duì)照表現(xiàn)出降低趨勢(shì)，其中壤質(zhì)潮土中降低幅度為34.7%～45.9%，粘質(zhì)潮土比對(duì)照降低44.0%～53.3%，且兩種生物質(zhì)炭之間沒有顯著差異。速效磷含量在生物質(zhì)炭處理下表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，在壤質(zhì)潮土中MBC處理比對(duì)照顯著增加25.4%，WBC處理沒有顯著性差異。在粘質(zhì)潮土中，2種炭處理下速效磷含量比對(duì)照顯著增加15.03%。而速效鉀的含量只有壤質(zhì)潮土中MBC比對(duì)照表現(xiàn)出顯著增加趨勢(shì)，與WBC相比，MBC處理下速效鉀含量顯著增加35.1%，WBC與CK差異并不顯著，在粘質(zhì)潮土中各處理間沒有顯著差異。另外，生物質(zhì)炭在粘質(zhì)潮土中顯著增加了土壤CEC，且MBC處理比WBC顯著增加了7.5%，而在壤質(zhì)潮土中各處理間沒有顯著差異。

表5 不同處理玉米根際土壤理化性質(zhì)Table 5 The physical and chemical properties of maize rhizosphere soil under different treatments

2.6 生物質(zhì)炭施用對(duì)根際土壤胞外酶活性的影響

2.6.1 碳循環(huán)相關(guān)酶活性 圖2表明，在粘質(zhì)潮土中，與不施炭相比，MBC顯著增加了β-葡萄糖苷酶、木糖苷酶和β-纖維二糖水解酶活性，增加幅度分別為12.3%、21.5%和22.1%；WBC對(duì)木糖苷酶和β-纖維二糖水解酶活性表現(xiàn)出顯著增加效應(yīng)，增加幅度分別為22.2%和17.2%，而對(duì)β-葡萄糖苷酶沒有顯著影響。在壤質(zhì)潮土中，β-葡萄糖苷酶活性在不同處理間沒有顯著性差異，而WBC處理比對(duì)照顯著增加了木糖苷酶的活性，而且WBC和MBC均顯著提高了β-纖維二糖水解酶活性，提高幅度分別為17.7%和17.5%。然而在不同質(zhì)地潮土中，對(duì)3種酶活性的影響在兩種生物質(zhì)炭之間均沒有顯著性差異。研究結(jié)果表明，生物質(zhì)炭施用于潮土中能夠促進(jìn)根際土壤碳循環(huán)相關(guān)酶活性的提高，促進(jìn)碳周轉(zhuǎn)，且在粘質(zhì)潮土中促進(jìn)的效應(yīng)高于壤質(zhì)潮土，而兩種類型炭處理之間沒有顯著差異。

圖2 不同處理玉米根際土壤β-葡萄糖苷酶、木糖苷酶和纖維二糖水解酶活性Fig. 2 The activities of β-glucosidase, xylosidase and β-cellobiosehydrolase in maize rhizosphere soil under different treatments

2.6.2 氮循環(huán)相關(guān)酶活性 生物質(zhì)炭對(duì)潮土中氮循環(huán)相關(guān)酶活性的影響在壤質(zhì)潮土中明顯大于粘質(zhì)潮土(圖3)。其中，與不施炭相比，WBC施用于壤質(zhì)潮土中顯著增加了亮氨酸氨基肽酶和乙酰-氨基葡萄糖苷酶活性，增加幅度分別為20.3%和12.6%，MBC沒有表現(xiàn)出顯著差異，且WBC處理下亮氨酸氨基肽酶活性顯著高于MBC處理。在粘質(zhì)潮土中，2種生物質(zhì)炭施用對(duì)亮氨酸氨基肽酶活性均沒有顯著影響，而WBC顯著提高了乙酰-氨基葡萄糖苷酶活性達(dá)15.1%，MBC沒有顯著影響。因此，總體上來看，在壤質(zhì)和粘質(zhì)潮土中添加WBC能夠促進(jìn)根際土壤氮素周轉(zhuǎn)，而MBC沒有顯著影響。

圖3 不同處理玉米根際土壤亮氨酸氨基肽酶和乙酰-氨基葡萄糖苷酶活性Fig. 3 The activities of leucine aminopeptidase and acety-lglucosaminidase in maize rhizosphere soil under different treatments

2.6.3 磷酸單酯酶活性 生物質(zhì)炭在潮土中施用具有促進(jìn)磷素轉(zhuǎn)化的作用(圖4)。在粘質(zhì)潮土中，WBC和MBC處理均顯著增加磷酸單酯酶活性，分別比對(duì)照增加了15.6%和24.4%，而2種生物質(zhì)炭處理之間沒有顯著性差異。在壤質(zhì)潮土中，小麥秸稈炭處理比不施炭顯著提高磷酸單酯酶活性14.4%，而MBC處理未表現(xiàn)出顯著性差異。因此，生物質(zhì)炭在兩種質(zhì)地潮土中施用對(duì)根際土壤磷素的周轉(zhuǎn)具有促進(jìn)作用，在粘質(zhì)潮土中2種炭處理均具有促進(jìn)效應(yīng)，而壤質(zhì)潮土中小麥秸稈炭促進(jìn)效果較好。

圖4 不同處理玉米根際土壤磷酸單酯酶活性Fig. 4 The phosphomonesterase activity in maize rhizosphere soil under different treatments

2.6.4 歸一化酶活性 生物質(zhì)炭施入能夠顯著增加根際土壤歸一化酶活性，促進(jìn)土壤養(yǎng)分周轉(zhuǎn)(圖5)。在粘質(zhì)潮土中，MBC和WBC處理下歸一化酶活性均比對(duì)照顯著提高了14.1%，且2種生物質(zhì)炭之間沒有顯著性差異。而在壤質(zhì)潮土中，MBC和WBC處理下歸一化酶活性分別比對(duì)照顯著提高了7.0%和13.7%，且WBC處理顯著高于MBC處理。

圖5 不同處理玉米根際土壤歸一化酶活性Fig. 5 The normalized enzyme activity in maize rhizosphere soil under different treatments

3 討論

生物質(zhì)炭施用對(duì)作物生長(zhǎng)的影響目前已有大量文獻(xiàn)報(bào)道[24-26]。很多文獻(xiàn)指出，生物質(zhì)炭能夠增加玉米對(duì)養(yǎng)分的吸收，促進(jìn)玉米的生長(zhǎng)[19,27-28]。Liu等[13]通過整合分析發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭施用于土壤后作物產(chǎn)量比對(duì)照平均增加11%，同時(shí)該研究指出，生物質(zhì)炭對(duì)作物生長(zhǎng)的影響在不同土壤和生物質(zhì)炭條件下具有很大的變異性，與土壤質(zhì)地、pH、有機(jī)質(zhì)含量、生物質(zhì)炭類型及用量等因素相關(guān)。本研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭在潮土中施用具有增加苗期玉米生長(zhǎng)的效應(yīng)，然而在不同土壤條件和生物質(zhì)炭類型之間表現(xiàn)出差異。其中，在壤質(zhì)潮土中施用小麥秸稈炭顯著增加玉米生物量，而玉米秸稈炭處理差異不顯著，且在粘質(zhì)潮土中兩種炭對(duì)玉米生長(zhǎng)均沒有顯著影響。這與Chen等[12]的觀點(diǎn)一致，即生物質(zhì)炭施用于農(nóng)田土壤中，對(duì)作物生長(zhǎng)的影響與生物質(zhì)炭的性質(zhì)(原料和裂解溫度等)和土壤條件(土壤有機(jī)碳含量、pH和質(zhì)地等)等因素有關(guān)。Major等[27]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭在粘質(zhì)土壤中第一年對(duì)玉米產(chǎn)量沒有顯著影響，而在第二年之后大幅度提高玉米產(chǎn)量，然而Niu等[29]研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭施用于砂壤土中對(duì)玉米生長(zhǎng)沒有顯著性影響。本研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭在壤質(zhì)潮土中對(duì)苗期玉米生物量具有增加的效應(yīng)，而在粘質(zhì)潮土中沒有顯著影響。生物質(zhì)炭對(duì)作物生長(zhǎng)的影響在不同土壤條件下的差異一方面可能與土壤肥力的高低相關(guān)。在不同土壤肥力之間，El-Naggar等[30]研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭對(duì)作物產(chǎn)量的促進(jìn)效應(yīng)具有普遍性，然而在肥力偏低或退化土壤中的效果優(yōu)于肥力較高或者健康的土壤。Liu等[13]和Jeffery等[14]的研究也證實(shí)，生物質(zhì)炭在偏砂及有機(jī)質(zhì)含量較低的土壤對(duì)作物生長(zhǎng)具有更好的促進(jìn)效果。而在本研究中，粘質(zhì)潮土的養(yǎng)分含量均較壤質(zhì)潮土高。另一方面，生物質(zhì)炭的用量、原料等因素的不同也會(huì)在不同土壤條件下對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生不同的效應(yīng)。當(dāng)然，該效應(yīng)與生物質(zhì)炭的性質(zhì)密切相關(guān)。本研究結(jié)果表明，在壤質(zhì)潮土中，小麥秸稈炭顯著影響苗期玉米地上部和地下部生物量，而玉米秸稈炭影響很小。由于不同原料或不同生產(chǎn)條件下得到的生物質(zhì)炭性質(zhì)具有很大的不同，包括生物質(zhì)炭自身的養(yǎng)分含量、含氧官能團(tuán)數(shù)量和吸附性能等[31]，所以對(duì)土壤的調(diào)控和對(duì)作物生長(zhǎng)的影響也具有很大的差異。因此，在不同的土壤條件下，應(yīng)該探索適宜的生物質(zhì)炭農(nóng)田應(yīng)用方式。

本研究結(jié)果表明，兩種土壤中生物質(zhì)炭施用在促進(jìn)苗期玉米生長(zhǎng)的同時(shí)能夠提高作物抗性，包括能夠降低葉片MDA含量，并提高超氧化物歧化酶(SOD)活性。該結(jié)果與Farhangi-Abriz等[32]和Liu等[33]研究結(jié)果一致，即生物質(zhì)炭在豆科和玉米等作物生產(chǎn)中能夠提高作物的抗脅迫性能。生物質(zhì)炭通過改善土壤養(yǎng)分供給、微生物活性和土壤物理?xiàng)l件等，為作物生長(zhǎng)提供良好的生存條件，提高作物對(duì)養(yǎng)分的吸收，提高光合效率[34]。因此，能夠保障作物的健康生長(zhǎng)，從而提高其生理抗性。這可能是生物質(zhì)炭施用于農(nóng)田土壤中能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)的原因之一。

生物質(zhì)炭對(duì)作物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用也與土壤肥力的提高有關(guān)。其中包括改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤養(yǎng)分有效性、改善微生物群落結(jié)構(gòu)并提高微生物活性等。Blanco-Canqui[35]研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭施用于土壤中能夠降低土壤緊實(shí)度，并提高土壤保水性。然而本研究是在水分充足的盆栽試驗(yàn)中進(jìn)行的，并且土壤容重保持一致。因此，土壤含水量和容重不是影響作物生長(zhǎng)的因子。而生物質(zhì)炭對(duì)土壤養(yǎng)分有效性的影響可能是主要因素。因?yàn)楸狙芯拷Y(jié)果表明，生物質(zhì)炭對(duì)土壤速效磷和速效鉀均具有增加效應(yīng)，而且生物質(zhì)炭處理下植株磷鉀養(yǎng)分含量也比對(duì)照顯著提高。土壤磷鉀等養(yǎng)分有效性的提高保障了作物生長(zhǎng)過程中對(duì)養(yǎng)分的需求，從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)。生物質(zhì)炭對(duì)土壤磷鉀養(yǎng)分的提高一方面與其自身含有大量養(yǎng)分有關(guān)，特別是在生物質(zhì)炭施入土壤后的短期之內(nèi)，部分養(yǎng)分能夠直接釋放到土壤溶液中被作物吸收利用[36-39]。另一方面，生物質(zhì)炭施用于土壤中能夠增加土壤微生物量和微生物活性[40]，特別是與土壤養(yǎng)分循環(huán)相關(guān)的微生物和酶活性的提高，能夠促進(jìn)養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)，持續(xù)保障土壤養(yǎng)分供給。本研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭處理下，土壤中與碳氮磷循環(huán)相關(guān)的酶活性均表現(xiàn)出增加效應(yīng)。這與Zhang等[20]和Pokharel等[21]的研究結(jié)果一致。生物質(zhì)炭中含有的易分解態(tài)有機(jī)質(zhì)以及溶解態(tài)養(yǎng)分能夠供給微生物的代謝利用，提高土壤微生物的活性[41-42]，促進(jìn)土壤中有機(jī)物質(zhì)的分解和養(yǎng)分的釋放。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭處理與對(duì)照相比顯著降低了土壤中硝態(tài)氮含量。這與Nguyen等[43]的研究結(jié)果一致。硝態(tài)氮含量的降低表明生物質(zhì)炭能夠降低土壤中氮素的淋失，特別是在土壤肥力較高的土壤中能夠在保障作物生長(zhǎng)的條件下提高氮素利用效率?？傊?，生物質(zhì)炭施用于潮土能夠提高土壤微生物和酶活性，保障土壤養(yǎng)分供給。

生物質(zhì)炭施用于土壤中可能通過對(duì)作物根系構(gòu)型的改善而促進(jìn)作物生長(zhǎng)。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在粘質(zhì)潮土中生物質(zhì)炭對(duì)玉米根系構(gòu)型影響較小，而在壤質(zhì)潮土中通過施用小麥秸稈炭能夠改善苗期玉米根系構(gòu)型，特別是總根長(zhǎng)、根體積和根表面積顯著高于對(duì)照。Xiang等[44]通過整合分析研究也發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭處理比對(duì)照顯著提高作物根系生物量，并且改善根系構(gòu)型，特別是總根長(zhǎng)、根表面積和根尖數(shù)大幅度提高。Liu等[45]也發(fā)現(xiàn)，在玉米生產(chǎn)中施用生物質(zhì)炭能夠改善玉米根系構(gòu)型，促進(jìn)根系生長(zhǎng)。生物質(zhì)炭自身含有的多種養(yǎng)分元素，以及其中的有機(jī)活性成分對(duì)作物根系生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用[46]。另外，生物質(zhì)炭施用于土壤能夠影響作物根系和土壤之間的交互作用。首先，研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭處理能夠增加根系分泌物如氨基酸、植物生長(zhǎng)素和脫落酸等的釋放[47]。這些促生物質(zhì)一方面能夠進(jìn)一步促進(jìn)根系的生長(zhǎng)，另一方面有機(jī)酸類物質(zhì)進(jìn)入土壤中，通過改變根際土壤pH和影響根際微生物群落結(jié)構(gòu)和活性而改變土壤養(yǎng)分有效性[48]，從而促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收和作物生長(zhǎng)。其次，生物質(zhì)炭與肥料配施能夠增加土壤氧化還原電位和土壤與根細(xì)胞膜之間的電位差，這可能是生物質(zhì)炭促進(jìn)作物根系吸收養(yǎng)分的原因之一[49]。同時(shí)，生物質(zhì)炭對(duì)作物根系的影響也存在很大的變異性，在不同土壤條件、生物質(zhì)炭類型等因素之間具有很大差別。因此，生物質(zhì)炭對(duì)作物生長(zhǎng)的影響應(yīng)該通過研究生物質(zhì)炭-根際-根系之間的交互作用，從根際土壤微生物活性和養(yǎng)分調(diào)控過程等角度進(jìn)一步探索其影響機(jī)制，同時(shí)，基于田間試驗(yàn)，進(jìn)行作物全生育期的生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)，探索生物質(zhì)炭對(duì)農(nóng)田作物生長(zhǎng)的長(zhǎng)期效應(yīng)及其作用機(jī)制。

4 結(jié)論

生物質(zhì)炭施入不同質(zhì)地潮土中對(duì)玉米苗期生長(zhǎng)以及根際土壤養(yǎng)分的影響不同。在壤質(zhì)潮土中小麥秸稈炭對(duì)玉米的生長(zhǎng)，包括生物量和根系構(gòu)型等，均具有顯著促進(jìn)作用，且小麥秸稈炭比玉米秸稈炭具有更好的促進(jìn)效應(yīng)。在粘質(zhì)潮土中，生物質(zhì)炭對(duì)玉米生長(zhǎng)沒有顯著性影響。生物質(zhì)炭在潮土中能夠降低苗期玉米葉片MDA含量并提高超氧化物歧化酶(SOD)活性，提高苗期玉米的抗性。兩種生物質(zhì)炭施用于壤質(zhì)潮土中均對(duì)作物地上部鉀磷養(yǎng)分積累有促進(jìn)作用，而在粘質(zhì)潮土中沒有顯著影響。在兩種潮土中施用生物質(zhì)炭均能改善根際土壤理化性質(zhì)，并提高根際土壤中與碳氮磷循環(huán)相關(guān)的胞外酶活性，促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)。因此，在潮土中施用生物質(zhì)炭能夠提高作物生產(chǎn)力和抗性，提高土壤肥力并調(diào)控土壤養(yǎng)分循環(huán)，但該效應(yīng)與土壤條件和生物質(zhì)炭類型相關(guān)。