袁晶晶，同延安*，盧紹輝，袁國軍

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100；2 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，陜西楊凌 712100；3 河南省林業(yè)科學(xué)研究院，河南鄭州 450003）

棗樹因其具有防風(fēng)固沙、調(diào)節(jié)氣溫、防止和減輕干熱風(fēng)的作用[1]，已成為中國發(fā)展節(jié)水型林果業(yè)的首選樹種。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國2014年棗樹的種植面積已達(dá)280萬hm2，居世界第一位。然而大量化肥和農(nóng)藥的施用及其他不合理的農(nóng)業(yè)管理措施，使得棗區(qū)地力衰退問題日趨嚴(yán)重，影響了紅棗的經(jīng)濟(jì)效益和品質(zhì)，嚴(yán)重制約了紅棗產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。合理培肥是提高土壤肥力、維持棗區(qū)長期生產(chǎn)力的重要措施之一。

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，與土壤相互作用形成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)[3]。土壤酶活性作為衡量土壤質(zhì)量變化的敏感指標(biāo)，反映了土壤中各種生物化學(xué)過程的強(qiáng)度和方向[4]。微生物數(shù)量及群落比例通常被看作是衡量農(nóng)田質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[5]。因此，土壤微生物能全面指示土壤環(huán)境變化[6–7]。研究土壤肥力的維持機(jī)制，必須重視土壤微生物在土壤養(yǎng)分循環(huán)過程中的作用及其對不同培肥措施的響應(yīng)。生物炭因其具有疏松多孔結(jié)構(gòu)、吸附性強(qiáng)、表面積大等特點(diǎn)[8–10]，近年來被作為土壤改良劑得到廣泛的關(guān)注。研究表明，施入生物炭可提高土壤微生物生物量[11–12]，改善土壤微生物的生存環(huán)境，進(jìn)而為土壤微生物生長提供良好的棲息環(huán)境，促進(jìn)微生物活動(dòng)，增加土壤生物多樣性[13–16]。但因生物炭性質(zhì)、施用量及土壤類型等因素的差異，有關(guān)生物炭對土壤微生物學(xué)性質(zhì)影響的研究結(jié)果并不一致[17–19]。目前，有關(guān)生物炭的研究多集中在紅壤性水稻土[20]、風(fēng)化土[21]等農(nóng)田土壤上，而對林地土壤改良效應(yīng)的研究較少。且以往研究多為1年的短期試驗(yàn)，限制了生物炭施入相對較長時(shí)間時(shí)對土壤的改良功能的理解，而有關(guān)生物炭與氮肥配施對棗區(qū)土壤微生物學(xué)特性的影響尚不清楚。迄今為止，已有較多關(guān)于水稻、玉米、小麥秸稈等生物炭方面的研究[5,22]，因此，本研究針對以花生殼為原料的生物炭與氮肥在不同配比條件下，對華北平原棗區(qū)土壤微生物學(xué)性質(zhì)影響這一問題，通過3年田間試驗(yàn)，研究配施對棗區(qū)土壤微生物生物量、土壤酶活性以及微生物數(shù)量的影響，從土壤微生物學(xué)角度揭示其對土壤質(zhì)量的改良狀況，為生物炭在農(nóng)田果園地區(qū)的科學(xué)應(yīng)用和合理施肥提供可靠依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2013年4月―2015年10月在河南省濮陽市王助鄉(xiāng)潘莊 (114°52′ E，35°20′ N) 進(jìn)行。該區(qū)地處暖溫帶，年平均氣溫13.4℃，年平均降水量為502.3～601.3 mm，年平均日照時(shí)數(shù)為 2454.5 h，無霜期一般為205 d。土壤類型為砂壤性潮土，試驗(yàn)前0—20 cm耕層土壤基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)10.61 g/kg、全氮 0.68 g/kg、有效磷 11.67 mg/kg、速效鉀95.61 mg/kg、pH 值 8.47、容重 1.42 g/cm3。

1.2 供試材料

供試紅棗品種為扁核酸 (Ziziphus jujube Mill.)，樹齡15年 (到2013年)。選擇長勢基本一致無病蟲害的試驗(yàn)樹，栽植密度為 2 m × 3 m，每公頃約1650棵，設(shè)置保護(hù)行。

研究所用生物炭原料為花生殼秸稈，購自于河南商丘三利新能源有限公司，生產(chǎn)設(shè)備采用連續(xù)豎式生物質(zhì)炭化爐，炭化溫度為350～500℃。生產(chǎn)的生物黑炭磨細(xì)過1 mm篩備用，測定其理化性質(zhì)，其pH 10.35、有機(jī)碳含量為467.20 g/kg、全氮5.90 g/kg、全鉀 11.5 g/kg、CEC 21.7 cmol/kg、容重 0.45 g/cm3。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013年4月開始，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，試驗(yàn)采用4 × 3完全方案設(shè)計(jì)，即設(shè)生物炭用量4個(gè)水平 (0、2.5、5 和 10 t/hm2，分別用 C0、C1、C2和C3表示)，氮肥用量3個(gè)水平 (300、450和600 kg/hm2，分別用N1、N2和N3表示)，加上一個(gè)完全空白處理CK (不施生物炭和氮肥)。小區(qū)面積為30 m2，每個(gè)處理重復(fù)5次。施肥方式：在樹冠下兩側(cè)0.5 m左右挖深20—30 cm的條狀，于2013年4月一次性施入各用量生物炭，使生物炭與土混勻后覆土填平，此后的兩年不再施入?；史N類為尿素 (N 46%)，其中70 %作為基肥施入，30%在7月中旬作為追肥施入。過磷酸鈣 (P2O516%) 300 kg/hm2、硫酸鉀 (K2O 45%) 300 kg/hm2，每季一次性隨氮肥用以上相同方式施入。在作物生長期間根據(jù)天氣及作物不同生育期，適量灌水，以滿足作物正常生長發(fā)育所需。

1.4 樣品采集及測定

于2015年10月紅棗采收后，避開生物炭等施肥區(qū)域，按照“S”形，用直徑2 cm的土鉆采集0—20 cm耕層土壤樣品，剔除其中的石塊、根系等雜物后，過直徑2 mm篩混勻，于4℃冰箱保存，盡快進(jìn)行土壤微生物生物量、酶活性和微生物數(shù)量的測定。

土壤微生物生物量碳 (MBC) 和生物量氮 (MBN)采取氯仿熏蒸—K2SO4浸提法測定[23]；土壤微生物生物量碳、氮含量均以熏蒸和未熏蒸土壤的有機(jī)碳、氮之差除以 KE (0.45) 得到。

土壤脲酶活性采用靛酚比色法[24]，以干土在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的NH3-N的毫克數(shù)來表示；堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法[25]，以單位時(shí)間內(nèi)釋放的酚的毫克數(shù)來表示；蔗糖酶活性采用3,5–二硝基水楊酸比色法測定[26]，用單位質(zhì)量烘干土在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的葡萄糖的毫克數(shù)表示。

土壤微生物的數(shù)量通過平板計(jì)數(shù)法計(jì)算[27]：細(xì)菌數(shù)量采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、真菌數(shù)量采用馬丁氏培養(yǎng)基、放線菌數(shù)量采用高氏一號培養(yǎng)基。

1.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Excel 2016、SPSS22.0 (IBM corporation，Aromonk，New York) 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和多重比較 (LSD法)，顯著性水平設(shè)定為P ＜0.05，結(jié)果以平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭與氮肥配施對土壤微生物生物量的影響

由圖1A可知，土壤MBC含量總體上隨生物炭與氮肥用量的增加呈增加趨勢。與CK處理相比，MBC含量的增加幅度為45.1%～208.6%。其中，C3N2處理的MBC含量最高，C3N3處理次之，分別較對照提高了208.6%和60.2%。C0和C1水平下，增加施氮量沒有顯著增加土壤MBC含量；C2和C3水平下，增加氮肥用量，土壤MBC含量間差異顯著。

圖1 生物炭與氮肥配施對土壤微生物生物量的影響Fig.1 Effect of biochar and nitrogen fertilizer amendments on soil microbial biomass[注（Note）：柱上不同字母表示處理間差異達(dá)5%顯著水平Different letters above the bars mean significant among the treatments at the 5% level.]

同一氮肥用量下，土壤MBN含量隨生物炭用量的增加而增加；同一生物炭用量下不同施氮處理間差異不顯著 (圖1B)。其中，C3N3處理的MBN含量最高，其次為C3N2和C3N1處理，分別較對照提高了159.4%、139.6%和118.4%。

生物炭、氮肥及其交互作用對土壤MBC/MBN均無顯著影響，所有處理中以C3N2處理的MBC/MBN的比值最大，為5.80 (圖1C)。生物炭用量、施氮水平及其交互作用對土壤微生物生物量碳 (MBC) 含量具有極顯著影響 (表 1，P＜0.01)，添加生物炭對土壤微生物生物量氮 (MBN) 含量有極顯著影響 (P ＜0.01)，而施氮及其與生物炭的交互作用對MBN含量無顯著影響。

表1 生物炭與氮肥交互條件下對土壤微生物生物量影響的方差分析表Table1 ANOVA analysis for the effects of biochar and nitrogen fertilizer on soil microbial biomass

2.2 生物炭與氮肥配施對土壤酶活性的影響

表2表明，經(jīng)過3年的田間試驗(yàn)，添加生物炭和氮肥均對棗區(qū)土壤脲酶活性有顯著影響 (P＜0.05)。同一氮肥用量水平下，土壤脲酶活性隨生物炭用量的增加而增加；同一生物炭用量下，土壤脲酶活性總體上隨氮肥用量的增加而增加。其中C3N3處理的脲酶活性最高，C3N2處理次之，分別較對照提高了91.7%和66.1%。土壤堿性磷酸酶活性較低，其變化范圍為0.12～0.25 mg/(g·d)。添加生物炭對土壤堿性磷酸酶活性有極顯著影響 (P＜0.01)，而施氮及其與生物炭的交互作用對堿性磷酸酶活性無顯著影響。同一生物炭用量下，不同氮肥處理間差異不顯著。生物炭與氮肥不同配比下，土壤蔗糖酶活性的變化趨勢總體與堿性磷酸酶活性相似，施用生物炭對土壤蔗糖酶活性有極顯著影響，而施氮及其與生物炭的交互作用對蔗糖酶活性無顯著影響，所有施肥處理中，以C2N3處理的土壤蔗糖酶活性最高，為12.72 mg/(g·d)。

表2 生物炭與氮肥配施對土壤酶活性的影響[mg/(g·d)]Table2 Effect of biochar and nitrogen fertilizer amendments on soil enzyme activities

2.3 生物炭與氮肥配施對土壤微生物數(shù)量的影響

從表3可知，土壤微生物組成中細(xì)菌數(shù)量占絕對優(yōu)勢，放線菌次之，真菌數(shù)量最低。生物炭用量、施氮水平及其交互作用對土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量均有極顯著影響 (P＜0.01)。不管是同一生物炭用量下增加氮水平，還是同一施氮水平下增加生物炭用量，土壤細(xì)菌的數(shù)量呈現(xiàn)出先增后降的趨勢，但各處理仍顯著高于對照 (P＜0.05)，土壤細(xì)菌的增加幅度為10.9%～80.4%。

同一氮肥用量下，真菌數(shù)量隨生物炭用量的增加而顯著增加 (P＜0.05)，其中 C2N1處理的土壤真菌數(shù)量最多，較對照提高143.1%。中、低生物炭用量下，不同氮肥用量對土壤放線菌的數(shù)量影響較小，不同施氮水平間差異不顯著。而高生物炭用量下，放線菌數(shù)量隨施氮水平的增加而顯著降低 (P＜0.05)。同一氮肥用量下，放線菌數(shù)量隨生物炭用量的增加而增加。其中C3N1處理的放線菌數(shù)量最高，較對照顯著提高115.2%。

表3 不同生物炭與氮肥配施處理的土壤微生物數(shù)量 (cfu/g)Table3 Soil microbial population affected by biochar and nitrogen fertilizer amendments

2.4 土壤微生物量、酶活性及微生物數(shù)量之間的相關(guān)性分析

由表4可知，土壤微生物生物量碳與微生物生物量氮呈顯著正相關(guān) (r為 0.827*，P＜0.05)，土壤微生物生物量碳與土壤脲酶、蔗糖酶呈極顯著正相關(guān) (r分別為 0.878**和 0.593**，P＜0.01)。土壤微生物生物量氮與脲酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶呈顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系 (r分別為0.754*、0.094*和0.559**)。土壤脲酶和蔗糖酶與土壤細(xì)菌、真菌及放線菌數(shù)量呈顯著或極顯著正相關(guān)，堿性磷酸酶與蔗糖酶、細(xì)菌數(shù)量呈顯著正相關(guān) (r分別為0.209*和0.394*，P＜0.05)。相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤微生物生物量、酶活性和微生物數(shù)量之間相互依存，三者共同構(gòu)成評價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)。

3 討論

3.1 生物炭與氮肥配施對土壤微生物生物量的影響

土壤微生物生物量碳 (MBC) 是土壤碳庫中最活躍的部分，也是土壤生物肥力的重要標(biāo)志[28]。本試驗(yàn)中，生物炭用量、施氮水平及其交互作用對土壤微生物生物量碳 (MBC) 含量具有極顯著影響 (表 2，P ＜0.01)，且MBC含量總體上隨生物炭和氮肥用量的增加而顯著增加，與對照相比，土壤MBC含量的增加幅度為45.1%～208.6%。Xu等[29]研究發(fā)現(xiàn)，2%和4%的低用量玉米秸稈生物炭與氮肥配施對潮土土壤微生物生物量碳沒有顯著影響，但8%的生物炭用量顯著提高其含量。這可能與生物炭的原料、施用量以及田間試驗(yàn)等其他不可控因素有關(guān)[30]。

表4 土壤微生物生物量、酶活性及微生物數(shù)量之間的相關(guān)性Table4 Correlation among soil microbial biomass, enzyme activities and microbial population

土壤微生物生物量氮 (MBN) 作為土壤氮素養(yǎng)分循環(huán)過程中重要的“源”和“庫”，直接調(diào)節(jié)土壤氮的供給[31]。本研究條件下，添加生物炭對土壤微生物生物量氮含量有極顯著影響，且含量隨生物炭用量的增加而增加，這與宋大利等[19]的研究結(jié)果土壤微生物生物量氮隨生物炭用量的增加 (0、7.5和22.5 t/hm2) 而呈先增后降的趨勢不一致，原因可能是由于本試驗(yàn)生物炭施用量相對較低 (0、2.5、5和10 t/hm2)。生物炭本身具有大的比表面積和孔隙度，可以為土壤微生物提供良好的棲息場所[32–33]。同時(shí)我們之前的研究[34–35]表明，生物炭與氮肥配施顯著降低了土壤容重，提高了土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷及有效養(yǎng)分含量，且土壤微生物生物量與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮及速效氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤理化性質(zhì)的改善加速了土壤中有機(jī)物質(zhì)的分解和生物炭本身養(yǎng)分的釋放，提高了土壤微生物活性，從而利于土壤微生物生物量的增加。土壤MBC/MBN比值在本研究中總體上與對照無顯著差異。陳心想等[36]研究發(fā)現(xiàn)，果樹枝條熱裂解制成的生物炭，施入土婁土后顯著降低了土壤的微生物量碳氮比。生物炭施入土壤后，可不同程度地影響土壤中碳、氮的分解，土壤微生物組成發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致不同的土壤微生物量碳氮比[36–37]。

3.2 生物炭與氮肥配施對土壤微生物酶活性的影響

脲酶是參與土壤氮素循環(huán)的重要水解酶，在一定程度上反映了土壤氮素的供應(yīng)能力[38]。本研究中，生物炭與氮肥均不同程度地提高了棗區(qū)土壤脲酶活性，總體上脲酶活性隨生物炭 (0、2.5、5和10 t/hm2)和氮肥用量 (300、450、600 kg/hm2) 的增加而顯著增加，所有處理中以C3N3處理的脲酶活性最高，較對照提高了91.7%，這與陳心想等[36]研究結(jié)果類似。生物炭具有吸附性，減少了氮素的淋失和揮發(fā)[39–40]，本研究的氮肥用量也相對較高，為土壤微生物提供了豐富的氮源。生物炭和氮肥的施入，顯著提高了棗區(qū)土壤全氮和速效氮含量，且土壤脲酶與全氮、速效氮呈顯著正相關(guān)關(guān)系，增強(qiáng)了土壤氮素的有效性，提高了土壤脲酶的活性[34–35]。磷酸酶是土壤磷循環(huán)中的關(guān)鍵酶，表征土壤磷素營養(yǎng)狀況[41]。蔗糖酶能促進(jìn)糖類的分解，加速土壤碳素循環(huán)，其活性可以反映土壤有機(jī)質(zhì)積累和轉(zhuǎn)化的狀況[42]。本試驗(yàn)條件下，生物炭與氮肥配施總體上對土壤堿性磷酸酶活性和蔗糖酶活性無顯著影響，這可能是因?yàn)樯锾渴┤胪寥篮螅崽敲覆荒芰⒓此馍锾恐兴妮^難分解的碳物質(zhì)而造成的[36]。另一方面，生物炭具有穩(wěn)定性，決定了它在土壤中是一個(gè)不斷累積、變化的過程。由于本試驗(yàn)周期有限，生物炭與氮肥配施對土壤酶活性的影響，需要長期監(jiān)測研究。

3.3 生物炭與氮肥配施對土壤微生物數(shù)量的影響

細(xì)菌在土壤有機(jī)物和無機(jī)物轉(zhuǎn)化過程中起著重要作用，而真菌在土壤碳素和能源循環(huán)過程中發(fā)揮著巨大作用[43–44]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，生物炭用量、施氮水平及其交互作用對土壤細(xì)菌、真菌和放線菌均有極顯著影響 (P＜0.01)。與對照相比，土壤細(xì)菌、真菌和放線菌的增幅分別為10.9%～80.4%、6.6%～143.1%和50.6%～115.2%。但在本試驗(yàn)中，中、高用量的生物炭與氮肥配施對土壤真菌的數(shù)量有明顯抑制作用，這與周玉祥等[5]的盆栽試驗(yàn)研究，中、高用量 (3%和5%土壤干重) 的水稻和玉米秸稈生物炭顯著提高了露天煤礦排土場土壤真菌的數(shù)量結(jié)果不同。這可能與土壤的pH有關(guān)，本研究的棗區(qū)潮土為堿性 (pH值8.47)，所用花生殼生物炭對該研究區(qū)土壤pH值無顯著影響[34]，而真菌最適宜生長在酸性土壤中。同一種類的微生物數(shù)量在不同植被以及不同質(zhì)地土壤中會(huì)有所差異。研究表明，土壤微生物總量增加有利于土壤肥力的提高，土壤微生物類群及比例的變化對土壤肥力的形成及養(yǎng)分的供應(yīng)有良好的調(diào)節(jié)作用[45–47]。生物炭與氮肥配施顯著提高了棗區(qū)土壤微生物數(shù)量，這可能是因?yàn)樯锾烤哂休^強(qiáng)的吸附性和較大的孔隙度，可吸附土壤中的養(yǎng)分和水分，減少棗區(qū)土壤中的養(yǎng)分淋失，為土壤細(xì)菌、真菌和放線菌的生長繁殖創(chuàng)造了良好的條件[12]。同時(shí)，生物炭與氮肥配施提高了棗區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀以及速效氮、磷等養(yǎng)分含量，降低了土壤團(tuán)聚體破壞率，提高了土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量，改善了土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)[34–35,48]。棗區(qū)土壤理化性質(zhì)的改善，有利于微生物數(shù)量的增加。綜合以上試驗(yàn)結(jié)果且考慮到實(shí)際生產(chǎn)成本，10 t/hm2的生物炭配施N 300 kg /hm2的氮肥最利于該棗區(qū)土壤微生態(tài)系統(tǒng)的維持或改良。

相關(guān)性分析表明，土壤微生物生物量、土壤酶活性以及微生物數(shù)量之間存在多種顯著或極顯著關(guān)系 (表4)，說明三者之間相互依存，共同促進(jìn)了棗區(qū)土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)的改良。與傳統(tǒng)的土壤施肥方式相比，生物炭施入后明顯改善了土壤生物環(huán)境，但影響土壤微生物性質(zhì)變化的因素有很多，是否與棗樹根系分泌物對不同肥料的響應(yīng)或是生物炭在土壤中存留的時(shí)間有關(guān)，仍需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1) 通過3年田間定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物炭對棗區(qū)土壤微生物生物量碳氮有極顯著影響，且微生物生物量含量總體上隨生物炭與氮肥用量的增加而增加。

2) 施用生物炭和氮肥均對土壤脲酶活性有顯著影響，土壤脲酶活性隨生物炭和氮肥用量的增加而增加，但配合施肥總體上對土壤堿性磷酸酶和蔗糖酶活性無顯著影響。

3) 生物炭、氮肥及其交互作用可不同程度地提高土壤細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量。但中、高用量的生物炭與氮肥配施對土壤真菌的數(shù)量有明顯的抑制作用。

4) 生物炭與氮肥配施對改善棗區(qū)土壤微生物性質(zhì)有積極作用，可作為提高本地區(qū)土壤質(zhì)量的有效措施之一。綜合試驗(yàn)結(jié)果及實(shí)際生產(chǎn)成本，10 t/hm2生物炭配施 N 300 kg /hm2的氮肥為該地區(qū)最佳施肥量，但兩者配施的作用機(jī)理仍需長期的深入研究。