高學(xué)振，張叢志，張佳寶*，丁寧寧（ 封丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家實(shí)驗(yàn)站，土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所）， 南京 20008；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 00049）

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生物炭、秸稈和有機(jī)肥對(duì)砂姜黑土改性效果的對(duì)比研究①

高學(xué)振1，2，張叢志1，張佳寶1*，丁寧寧1
（1 封丘農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家實(shí)驗(yàn)站，土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所）， 南京 210008；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

摘 要：砂姜黑土是廣泛分布于我國(guó)黃淮海平原、具有多種障礙因子的典型中低產(chǎn)土壤。本研究通過(guò)小麥和玉米輪作盆栽試驗(yàn)，研究了生物炭、秸稈和有機(jī)肥3種有機(jī)物料對(duì)砂姜黑土性質(zhì)的改良效果。結(jié)果表明：添加秸稈能顯著提高土壤微生物生物量碳（MBC）和可溶性有機(jī)碳（DOC）含量，減小土壤線性延展系數(shù)（COLE）；添加生物炭對(duì)砂姜黑土MBC和DOC影響不顯著，但顯著減小土壤COLE。對(duì)土壤磷脂脂肪酸（PLFA）含量的分析發(fā)現(xiàn)，添加秸稈顯著提高了小麥灌漿期和玉米抽雄期土壤總磷脂脂肪酸、細(xì)菌、真菌、放線菌和腐生真菌的含量，而添加生物炭和有機(jī)肥對(duì)土壤總磷脂脂肪酸、細(xì)菌、真菌、放線菌、腐生真菌和真菌/細(xì)菌影響不顯著。綜上，生產(chǎn)實(shí)踐中3種有機(jī)物料添加應(yīng)根據(jù)各地砂姜黑土主要障礙因子不同而靈活選擇。

關(guān)鍵詞：生物炭；秸稈；有機(jī)肥；砂姜黑土；改性效果

砂姜黑土是廣泛分布于我國(guó)黃淮海平原的中低產(chǎn)土壤，其主要原因是土壤過(guò)于黏重，土壤黏土礦物以2︰1型的膨脹性蒙脫石為主，從而引起一系列的不良物理、化學(xué)性狀，表現(xiàn)為干收縮土壤堅(jiān)實(shí)，濕膨脹土壤粘閉，適耕期短耕性差，土壤結(jié)構(gòu)性能?chē)?yán)重不良［1］。加之土壤有機(jī)質(zhì)含量低，土壤養(yǎng)分供給能力不高，導(dǎo)致土壤極其貧瘠［2-3］。根據(jù)對(duì)第二次全國(guó)土壤普查數(shù)據(jù)分析，伴有上述不良障礙因子的砂姜黑土在安徽、河南、山東和江蘇 4省的分布總面積約 228 萬(wàn)hm2，如果能有效消減這些障礙因子，增產(chǎn)潛力巨大。目前見(jiàn)諸報(bào)道的砂姜黑土改良措施主要有改進(jìn)耕作方式，如在適耕期耕作，輔之少免耕、起壟種植等，以避免土壤結(jié)構(gòu)惡化。另一方面通過(guò)外源物質(zhì)進(jìn)行改良，也具有一定的效果［4-6］。

外源物質(zhì)包括秸稈、有機(jī)肥等，已有研究表明，施用秸稈和有機(jī)肥能改善土壤團(tuán)聚程度、容重、保水保肥能力、養(yǎng)分狀況等理化性質(zhì)以及生物學(xué)性質(zhì)［1，7-11］。生物炭是近年來(lái)廣泛測(cè)試的一類(lèi)新的外源物質(zhì)，由于具有大比表面積、多孔性等特性，在土壤不良性狀改良中得到廣泛應(yīng)用［12-15］。砂姜黑土因極為黏重，改良難度大，選擇最有效的外源物質(zhì)非常重要，但添加生物炭、有機(jī)肥和秸稈3種物質(zhì)對(duì)砂姜黑土不良性狀的改良效果鮮有報(bào)道，需要通過(guò)對(duì)比研究進(jìn)行指導(dǎo)。因此，本研究以砂姜黑土為對(duì)象，通過(guò)冬小麥-夏玉米輪作盆栽試驗(yàn)，對(duì)比研究有機(jī)肥、秸稈和生物炭 3種有機(jī)物料單施與配施對(duì)砂姜黑土土壤性狀的影響，以期為砂姜黑土地區(qū)土壤障礙因子的消減以及土壤肥力的培育提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試小麥和玉米品種分別為鄭麥 9023、鄭單958，有機(jī)肥為商品造粒雞糞，生物炭為小麥秸稈或玉米秸稈與花生殼混合在500℃高溫下?tīng)F燒制成，秸稈取自前季作物，即播種冬小麥時(shí)施用玉米秸稈，播種夏玉米時(shí)施用小麥秸稈。供試土壤采集于河南省周口市鄲城縣丁村鄉(xiāng)高小廟村（33°38′N(xiāo)，115°23′E，海拔23 m）典型砂姜黑土0 ～ 20 cm 表層，其基本性質(zhì)為：pH 7.6，陽(yáng)離子交換量（CEC）209.9 mmol/kg，全氮 1.1 g/kg，全磷 1.0 g/kg，全鉀15.3 g/kg，有機(jī)碳（OC）11.5 g/kg。土樣經(jīng)自然風(fēng)干，過(guò)2 cm粗篩備用。試驗(yàn)用盆缽為高52.0 cm、上部?jī)?nèi)徑44.6 cm、下部?jī)?nèi)徑30.2 cm、底部有一出水孔的陶瓷盆。供試有機(jī)肥、生物炭和秸稈的基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試生物炭、有機(jī)肥和秸稈的基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physicochemical properties of tested biochar， manure and crop stalks

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

小麥盆栽試驗(yàn)時(shí)間為2012年10月20日到2013 年6月30日。設(shè)計(jì)為8個(gè)處理，即CK（對(duì)照，不添加改良物料），S（加秸稈），M（加有機(jī)肥），SM（加秸稈和有機(jī)肥），C（加生物炭），CS（加生物炭和秸稈），CM（加生物炭和有機(jī)肥），CSM（加生物炭、有機(jī)肥和秸稈）；每個(gè)處理3次重復(fù)。每盆裝土70 kg，添加改良物料的處理中，生物炭施用量為30 g/kg土，有機(jī)肥為1.04 g/kg土，玉米秸稈為10 g/kg土，這一添加比例是根據(jù)生產(chǎn)中每公頃實(shí)際生物炭、有機(jī)肥和秸稈用量計(jì)算而得。每個(gè)處理的化肥用量為：N 6.72 g/盆、P2O53.36 g/盆、K2O 3.36 g/盆，其中50% 的氮與全部磷鉀肥以基肥施入，剩余氮用于小麥返青期追施。每盆播種小麥200粒，試驗(yàn)期間保持土壤濕度在田間持水量的65% 左右。

小麥?zhǔn)斋@后，將每個(gè)處理的土從盆中取出過(guò)篩，由于生物炭具有惰性，基本不分解，對(duì)生物炭處理的盆不再添加。而對(duì)于有機(jī)肥和秸稈處理的盆分別按1.04 g/kg土和10 g/kg土再次添加，重新裝盆后用于玉米盆栽試驗(yàn)。每個(gè)處理的化肥用量為：N 13.44 g/盆、P2O56.72 g/盆、K2O 6.72 g /盆，其中50% 氮與全部磷鉀肥以基肥施入，剩余氮肥于拔節(jié)期追施。每盆玉米播種 8粒，三葉期定植為 4棵。玉米試驗(yàn)時(shí)間為2013年7月20日到2013年10月29日，整個(gè)生育期間保持土壤濕度在田間持水量的65%左右。

1.3 樣品采集與指標(biāo)測(cè)定方法

選用微生物生物量碳（MBC）、可溶性碳（DOC）、磷脂脂肪酸（PLFAs）、土壤線性脹縮系數(shù)（COLE）、作物地上和地下生物量等指標(biāo)，評(píng)價(jià)添加物對(duì)土壤微生物、理化性質(zhì)以及作物生長(zhǎng)的影響。具體方法如下：每盆分別用20 cm土鉆于均勻分布的5點(diǎn)采集小麥返青、拔節(jié)、灌漿和成熟期，以及玉米拔節(jié)、抽雄、灌漿和成熟期的土壤，過(guò)2 mm濕篩用于MBC和DOC的測(cè)定。其中小麥灌漿期和玉米抽雄期分出部分土樣冷凍干燥后用于測(cè)定PLFAs。

土壤MBC采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提-重鉻酸鉀容量法進(jìn)行測(cè)定；土壤 DOC采用 0.5 mol/L K2SO4浸提，0.45 μm水系濾膜過(guò)濾，重鉻酸鉀容量法進(jìn)行測(cè)定［16］。土壤微生物 PLFAs提取方法采用修正的Bligh&Dyer方法［17］，基本步驟如下：首先取2 g冷凍干燥后土樣于干凈的 Teflon試管內(nèi)，用氯仿-甲醇-檸檬酸緩沖液（1︰0.2︰0.8，v/v/v）振蕩提取脂類(lèi)，通過(guò)SPE柱層析法分離得到 PLFAs，用 Frosteg?rd等［18］的方法進(jìn)行PLFAs系統(tǒng)命名。分離得到的PLFAs經(jīng)堿性甲酯化后用氣相色譜（Agilent6890）分析各種脂肪酸含量，用nmol/g來(lái)表示。COLE的測(cè)定是在玉米收獲后，用100 mm（直徑）×63.7（高）mm的環(huán)刀取土樣，每盆重復(fù)5次，將所有環(huán)刀樣在水中浸潤(rùn)36 h充分膨脹后，削平環(huán)刀樣的上下土面，以 105℃烘干收縮，再用數(shù)顯游標(biāo)卡尺沿土柱圓周測(cè)量7個(gè)點(diǎn)高度進(jìn)行平均，按公式計(jì)算COLE：COLE=L0/L105-1，其中，L0為環(huán)刀樣初始高度（63.7 mm），L105：烘干樣高度。

作物地上和地下生物量測(cè)定：小麥和玉米收獲時(shí)，分別采集地上和地下部分，洗凈后以80℃烘干，稱(chēng)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

測(cè)定數(shù)據(jù)用SPSS17.0進(jìn)行分析。不同處理間的差異采用LSD法進(jìn)行多重比較檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同處理作物生物量的變化

由表2可看出，各處理小麥地上生物量在238.4 ～266.2 g/盆。CM、CS、CSM處理小麥生物量比其他處理的生物量顯著提高，而其他處理間沒(méi)有顯著性差異；地下生物量各處理間無(wú)明顯差異。玉米地上生物量各處理間差異不顯著，而地下生物量以添加生物炭處理（C、CS、CM、CSM）大于其他處理，且差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。

表2 小麥和玉米生物量（g/盆）Table 2 Biomasses of wheat and corn

2.2 不同處理土壤微生物生物量碳和可溶性有機(jī)碳含量的變化

2.2.1 小麥各生育期土壤 MBC和 DOC的含量變化 從表3可以看出，不同處理間小麥各生育期土壤的MBC含量有顯著差異。在小麥返青期、拔節(jié)期和灌漿期，各添加秸稈和有機(jī)肥的處理均高于對(duì)照處理，添加秸稈的處理提高最顯著。在返青期，與 CK相比，S、SM、CS、CSM處理MBC含量較高，其中在秸稈和有機(jī)肥配施下（SM）達(dá)到最大值174.9 mg/kg。拔節(jié)期時(shí)，各處理土壤MBC含量有所增加，其中處理CS、CSM、S和SM增加較為顯著。到了小麥灌漿期時(shí)，所有處理MBC含量達(dá)到最大值，而后急劇下降。到成熟期時(shí)，除 SM處理外，其他處理土壤MBC含量均比返青期時(shí)低。由此可見(jiàn)，在小麥灌漿期時(shí)，土壤微生物活性最強(qiáng)。

土壤中DOC含量的變化與MBC含量的變化趨勢(shì)類(lèi)似。如表3所示，各處理土壤DOC含量在返青和拔節(jié)期呈增加趨勢(shì)，灌漿或成熟期開(kāi)始減小。處理間，返青期和拔節(jié)期，S、SM、CS、CSM處理高于其他處理，而在灌漿期，與除CK外的其他3個(gè)處理相比，DOC含量差異趨小。

小麥不同生育期土壤MBC和DOC含量的變化受溫度、水分、作物生長(zhǎng)和土壤生物活動(dòng)等因素影響［19-23］。小麥返青之后，土壤溫度逐步升高，小麥生命活動(dòng)漸趨旺盛，根系分泌物增多等，都有利于土壤MBC和DOC含量增加；成熟期小麥生長(zhǎng)停止，土壤含水量降低，MBC和DOC含量下降。不同處理間，加秸稈的4個(gè)處理，由于秸稈分解過(guò)程中，產(chǎn)生大量的活性有機(jī)碳［11］，進(jìn)入土壤后，使土壤DOC含量增加，從而給土壤微生物提供了充足的可直接利用的底物，促進(jìn)土壤微生物生長(zhǎng)和繁殖，因此土壤MBC含量也增加；而灌漿期土壤微生物活動(dòng)強(qiáng)烈，消耗大量的DOC，從而使添加秸稈的4個(gè)處理DOC含量出現(xiàn)下降，而其他處理土壤微生物活動(dòng)相對(duì)較弱，對(duì)DOC消耗相對(duì)較少；成熟期作物根部生命活動(dòng)微弱，根系分泌物大量減少，土壤微生物活性減弱，對(duì)土壤有機(jī)物質(zhì)中大分子有機(jī)物的降解減弱［24］，因此各處理DOC均下降。

表3 小麥各生育期土壤MBC和DOC含量（mg/kg）Table 3 MBC and DOC contents in different wheat growth periods

2.2.2 玉米各生育期土壤 MBC與 DOC的含量變化 表4給出了玉米不同生育期土壤MBC及DOC含量的動(dòng)態(tài)變化。由表4可看出，玉米各生育期土壤MBC含量的變化規(guī)律總體上與小麥各生育期的變化規(guī)律相同，基本都是隨時(shí)間增加MBC含量升高，到灌漿期時(shí)達(dá)到最大，成熟期降低。與CK相比，加有秸稈的處理（CS、CSM、S、SM），其土壤MBC在各生育期均顯著升高。而處理C、CM、M處理與CK相比無(wú)顯著差異。

玉米各生育期土壤DOC含量的變化如表4所示。各處理土壤DOC含量在不同的生育期幾乎都先升高后降低，并在灌漿期達(dá)到最大值。添加秸稈的4個(gè)處理S、SM、CS和CSM，在玉米各生育期土壤DOC含量均顯著大于CK處理（S處理拔節(jié)期除外），尤其是在作物生長(zhǎng)最旺盛的灌漿期，提高最為明顯，分別比CK提高了41.0%、47.9%、57.1% 和48.0%。

表4 玉米各生育期土壤MBC和DOC含量（mg/kg）Table 4 MBC and DOC contents in different corn growth periods

玉米不同生育期土壤MBC和DOC含量的變化與作物的生命活動(dòng)規(guī)律基本一致，說(shuō)明玉米生育期內(nèi)土壤MBC和DOC含量可能主要受作物生命活動(dòng)的影響。不同處理間，添加秸稈的4個(gè)處理土壤MBC和DOC含量顯著高于其他處理，原因可能與小麥季類(lèi)似。

2.3 不同處理土壤磷脂脂肪酸的變化

磷脂脂肪酸（PLFAs）是活體微生物細(xì)胞的重要組分，可以作為微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)變化的特征微生物“標(biāo)記物”［25］。不同種類(lèi)微生物PLFAs組成和含量差異大，可用來(lái)直接估價(jià)其微生物的生物量及群落結(jié)構(gòu)［32］和定量地反映可繁殖或有潛在繁殖能力的不同類(lèi)群微生物生物量和總生物量［33］。本試驗(yàn)分別測(cè)定了土壤微生物較為活躍的小麥灌漿期和玉米生長(zhǎng)抽雄期土壤PLFAs，以14:0、i14:0、i15:0、a15:0、16:0、i16:0、16:1ω7c、16:1ω9c、17:0、i17:0、a17:0、cy17:0、17:1ω8c、18:0、18:1ω5c、18:1ω7c、cy19:0ω8c表征細(xì)菌［26-31］；以16:1 ω5c、18:1 ω9c、18:2 ω6，9c表征真菌［26，29，31］；以10Me16:0、10Me17:0、10Me18:0表征放線菌［30］；以18:1 ω9c、18:2 ω6，9c表征腐生真菌［27］。不同處理下微生物生物量如表 5和表 6所示。

表5 小麥灌漿期土壤PLFAs含量（nmol/g）Table 5 Soil PLFAs contents at wheat grain-filling stage

表6 玉米抽雄期土壤磷脂脂肪酸含量（nmol/g）Table 6 Soil PLFAs contents at corn tasseling stage

小麥和玉米各處理中，添加秸稈均顯著提高了供試土壤總磷脂脂肪酸、細(xì)菌、真菌、放線菌和腐生真菌含量。與CK相比，添加秸稈4個(gè)處理總磷脂脂肪酸含量小麥灌漿期和玉米抽雄期分別增加 28.1% ～38.2% 和 48.0% ～ 72.3%；土壤細(xì)菌含量分別增加24.8% ～ 36.7% 和72.7% ～ 104.2%，真菌含量增加44.2% ～ 53.2% 和97.5% ～ 105.7%，放線菌含量增加24.0% ～ 30.0% 和10.9% ～ 23.6%，腐生真菌含量增加23.4% ～ 37.6% 和128.5% ～ 150.4%。各添加秸稈處理真菌/細(xì)菌比均高于 CK處理，其中玉米抽雄期CSM處理與CK差異達(dá)顯著水平。添加生物炭和有機(jī)肥對(duì)土壤總磷脂脂肪酸、細(xì)菌、真菌、放線菌、腐生真菌和真菌/細(xì)菌比影響不顯著。

添加秸稈能夠顯著提高土壤總磷脂脂肪酸、細(xì)菌、真菌、腐生真菌和放線菌可能由于秸稈施入后，為微生物活動(dòng)提供了大量的底物，促進(jìn)相應(yīng)處理土壤微生物繁殖［34］。真菌/細(xì)菌比可以反映兩個(gè)微生物種群的相對(duì)豐度，是土壤生態(tài)系統(tǒng)緩沖能力的重要指標(biāo)［35］，該值越高則生態(tài)緩沖能力越高。添加秸稈的4個(gè)處理真菌/細(xì)菌比較其他處理均有所提高，說(shuō)明秸稈改善了微生物棲息環(huán)境［36］，提高了土壤生態(tài)緩沖能力。

2.4 不同處理土壤線性延展系數(shù)的變化

線性延展系數(shù)（COLE）用于表征土壤脹縮性，其值越大說(shuō)明土壤脹縮性越強(qiáng)。如圖1所示，與CK相比，單加生物炭的處理，COLE下降幅度最大，降至0.044；單加秸稈的處理COLE下降到0.050；單加有機(jī)肥處理則降至 0.058。添加生物炭顯著減小土壤COLE，可能因?yàn)樯锾康募尤敫纳屏送寥澜Y(jié)構(gòu)［37-40］，或是生物炭改變了黏土礦物脹縮性質(zhì)［13］。

圖1 不同處理對(duì)玉米收獲后土壤延展系數(shù)的影響Fig.1 Effects of different treatments on soil COLE after corn was harvested

3 結(jié)論

生物炭對(duì)砂姜黑土土壤MBC和DOC含量影響不顯著，但顯著減小砂姜黑土脹縮性；添加秸稈能顯著提高土壤MBC和DOC含量，減小土壤線性延展系數(shù)（COLE）。此外添加秸稈的處理顯著提高了供試土壤總磷脂脂肪酸、細(xì)菌、真菌、放線菌和腐生真菌，其中腐生真菌含量增加最大。而添加生物炭和有機(jī)肥對(duì)土壤總磷脂脂肪酸、細(xì)菌、真菌、放線菌、腐生真菌和真菌/細(xì)菌影響不顯著。

本研究中添加有機(jī)肥對(duì)土壤性質(zhì)影響不顯著，考慮在今后試驗(yàn)中增大有機(jī)肥用量；3種有機(jī)物料配施，土壤各性質(zhì)均有較顯著改善。綜上，生產(chǎn)實(shí)踐中3種有機(jī)物料添加應(yīng)根據(jù)各地砂姜黑土主要障礙因子不同而靈活選擇。

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中圖分類(lèi)號(hào)：S156.2

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.03.008

基金項(xiàng)目：①國(guó)家小麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目（CARS-03-02A，07B，08B）、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng) （XDB15030302，XDA0505050203）、國(guó)家自然科學(xué)基金面上基金項(xiàng)目（41471182）、中國(guó)科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃項(xiàng)目（KFJ-EW-STS-055-4）和中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程項(xiàng)目（ISSASIP1118）資助。

* 通訊作者（jbzhang@issas.ac.cn）

作者簡(jiǎn)介：高學(xué)振（1987—），男，山東煙臺(tái)人，碩士研究生，主要從事土壤改良等方面的研究。E-mail: xzgao@issas.ac.cn

Comparison of Biochar， Straw and Manure in Improving Shajiang Black Soil

GAO Xuezhen1，2， ZHANG Congzhi1， ZHANG Jiabao1*， DING Ningning1
（1 State Experimental Station of Agro-Ecosystem in Fengqiu， State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture （Institute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences）， Nanjing 210008， China； 2 University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract:With various barrier factor， Shajiang black soil is a typical agricultural low-yield soil widely distributed in the in the Huanghuaihai Plain of China.A pot experiment was conducted to study the improvement of different organic materials （biochar， straw and manure） on Shajiang black soil.The results showed that straw addition significantly increased the contents of soil microbial carbon （MBC）， dissolved organic carbon （DOC） and decreased the coefficients of linear extensibility （COLE）.Straw addition increased soil microbial biomass phospholipid fatty acids （PLFAs）， bacteria， fungi， saprophytic fungi and actinomycetes contents， and fungi/bacteria.Biochar and straw addition had no obvious influences on soil MBC， DOC， soil microbial biomass phospholipid fatty acids， bacteria， fungi， saprophytic fungi and actinomycetes contents， fungi/bacteria， but had significant negative influences on COLE.So the three organic materials should be selected according to the actual barrier factors in Shajiang black soil to be improved.

Key words:Biochar； Straw； Manure； Shajiang black soil； Improving effect