鄭子喬, 祝經(jīng)倫

(1.中國農(nóng)業(yè)大學 煙臺研究院, 山東 煙臺 264000; 2.同濟大學 建筑設(shè)計研究院, 上海 200000)

土壤是生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，土壤養(yǎng)分在有機物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化過程中起主導作用，影響著土壤生態(tài)系統(tǒng)中能量流動和物質(zhì)循環(huán)，能夠反映土壤質(zhì)量和健康狀況[1-2]；土壤微生物量能反映參與調(diào)控土壤中能量和養(yǎng)分循環(huán)以及有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化，被認為是土壤活性養(yǎng)分的儲庫，也是植物生長可利用養(yǎng)分的重要來源，在評價土壤肥力、環(huán)境監(jiān)測、評價土地利用等方面有廣泛的作用[3]；土壤微生物是催化土壤有機物質(zhì)分解的蛋白質(zhì)，主要來源于植物根系及動物的分泌釋放[4-5]；它參與土壤中有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化的全過程，直接或間接影響著土壤一系列的生物化學反應，對生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)產(chǎn)生重要影響[6]。土壤呼吸作為土壤碳通量和陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的關(guān)鍵成分，土壤呼吸的微小變化將對大氣碳熱平衡產(chǎn)生巨大影響[6]。

土壤養(yǎng)分和微生物特性是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)中農(nóng)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，對農(nóng)作物生長、發(fā)育及其產(chǎn)量有著直接影響[7-8]；土壤微生物和養(yǎng)分在有機物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化和植物生長過程中過程中起主導作用，同時也影響著植物體內(nèi)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)，土壤酶活性能參與多種反應(如礦化—同化、氧化—還原等)，是植物生長過程中養(yǎng)分吸收的主要驅(qū)動力[9]；在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為了提高植物對土壤養(yǎng)分的可利用性，往往認為的添加特定的對于土壤生態(tài)系統(tǒng)具有良好作用的物質(zhì)或者肥料，其中生物質(zhì)炭作為一種綠色肥料，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應[10]。生物質(zhì)炭是由植物生物質(zhì)在缺氧條件下經(jīng)熱裂解、炭化而形成的一類高度芳香化、難溶性的固態(tài)物質(zhì)[1-3]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，我國每年將產(chǎn)生7億多噸生物秸稈，其中約23%被焚燒，不僅帶來了嚴重的環(huán)境污染，同時也造成了資源的極大浪費[7]。農(nóng)業(yè)秸稈的合理利用成為協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)資源、環(huán)境以及可持續(xù)發(fā)展的重大問題。大量研究表明，施用生物質(zhì)炭可提高土壤持水容量、養(yǎng)分吸持容量、陽離子交換量(CEC)和土壤微生物活性，促進土壤穩(wěn)定性團聚體形成，提高土壤養(yǎng)分含量等[11-12]。因此，生物質(zhì)炭可作為改良和培肥土壤、提高農(nóng)作物的生產(chǎn)效率、促進農(nóng)作物增產(chǎn)的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有效措施，將農(nóng)業(yè)生物質(zhì)廢棄物低溫熱裂解制成生物質(zhì)炭用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到了廣泛的關(guān)注[13]。目前生物質(zhì)炭對土壤肥力影響的研究較多，我國學者也已著重研究生物質(zhì)炭對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的作用，但多數(shù)研究都集中在生物質(zhì)炭的理化特性和環(huán)境功能等方面，對于小麥土壤上施用生物質(zhì)炭對植物生長過程中根區(qū)土壤養(yǎng)分和微生物特性的影響尚不多見。有鑒于此，本研究采用室內(nèi)大田試驗，對施用生物質(zhì)炭后小麥植株生長狀況、根區(qū)土壤性質(zhì)、植株體內(nèi)養(yǎng)分含量及根區(qū)土壤養(yǎng)分和微生物特性等進行研究，以期為生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)推廣上的應用，提高土壤生產(chǎn)力，促進我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，提供重要的科學依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2013—2017年在中國農(nóng)業(yè)大學煙臺研究院的日光溫室內(nèi)進行，供試土壤為北方典型土壤(主要為棕壤)，供試小麥品種為印度小麥，小麥品種和生物質(zhì)炭均購于中國農(nóng)科院，種子安全貯存半年度過休眠期，挑選籽粒飽滿、無病蟲害、大小均勻、色澤一致的種子，80%乙醇消毒20～30 min，蒸餾水反復沖洗4℃保存以備用。供試生物質(zhì)炭來源中國農(nóng)業(yè)大學煙臺研究院，其基本特性見表1。

表1 試供土壤及生物質(zhì)炭的基本特性

1.2 研究方法

設(shè)置4個處理，即生物質(zhì)炭當季施用量分別為CK(對照，0 t/hm2)、LB(低濃度生物質(zhì)炭，10 t/hm2)、MB(中濃度生物質(zhì)炭，20 t/hm2)、HB(高濃度生物質(zhì)炭，40 t/hm2)，每個處理設(shè)置5次重復(共20個小區(qū))，采用裂區(qū)試驗設(shè)計，每個小區(qū)面積2 m×3 m=6 m2，小區(qū)與小區(qū)之間留20 cm緩沖帶，株距為10 cm，行距為10 cm，播種深度2～5 cm，播種量20～30 kg/hm2，在小麥種子播種前施入生物質(zhì)炭，翻耕使生物質(zhì)炭與土壤充分混合。除生物質(zhì)炭用量不同外，各處理氮、磷、鉀肥作基肥，用量為0.217 kg/m2NH3HCO3，0.108 kg/m2P2O5，0.036 kg/m2K2O，以滿足小麥正常生長發(fā)育所需。2013年4月20日種植，試驗期間采取同樣的管理措施(大田管理措施)，分別在播種后、苗期、初花期灌水3次，自然條件生長，試驗期間不追肥，定期除草，最大程度上保證其長勢一致，10月20日收獲，連續(xù)5 a重復上述試驗。

1.3 采樣方法

為了測定土壤微生物量等相關(guān)指標，需要進行土樣采集，在本試驗中采取抖落法進行試驗小區(qū)的土樣采集。為了獲取完整的根系土壤，首先在試驗小區(qū)中將帶有完整根系的土體挖出，然后通過抖落的方式去除大塊土壤，之后取下根系周圍的土壤，并去除雜質(zhì)，這樣就獲取到了根系土。之后將根系土分為三份：第一份用來測定含水量，因此快速將鮮土裝入聚乙烯封袋；第二份，風干后過1 mm篩，以備用酶活性測定；第三份土樣用來測定微生物量及土壤容重[10]，4℃保存。

1.4 測定方法

土壤理化性質(zhì)及養(yǎng)分含量的測定：pH采用電極電位法(1∶2.5土水比)；全鹽采用電導法(%)；土壤有機碳(g/kg)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法；土壤全氮(g/kg)用全自動凱氏定氮法；土壤全磷(g/kg)用NaOH熔融—鉬銻抗比色法；全鉀(g/kg)采用火焰分光光度法[11]。土壤微生物數(shù)量測定采用平板梯度稀釋法，其中細菌培養(yǎng)基為牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，真菌培養(yǎng)基為馬丁氏培養(yǎng)基，放線菌培養(yǎng)基為高氏一號瓊脂培養(yǎng)基[11]。

土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法，其中氯仿熏蒸殺死的微生物體中的碳、氮被浸提出來的比例分別為0.38，0.45[12]。

土壤微生物的周轉(zhuǎn)按照高云超的方法進行估算[13]：

β=ΣA/N

式中：β為庫容值；A為微生物量總和；N為采樣次數(shù)。

rb=ΣB/β

式中：rb為周轉(zhuǎn)率；B為轉(zhuǎn)移量。

T=1/rb

式中：T為周轉(zhuǎn)周期。

F=β×ρ×h/T

式中：F為流通量；ρ為土壤密度；h為采樣深度。

對微生物活度的測定采取改進的FDA法進行[13]。Excel 2013和SPSS 21.0軟件包進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和方差分析，單因素方差分析(One-way ANOVA)，多重比較采用LSD法(最小顯著性差異法)(p<0.05和p<0.01)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭對小麥根區(qū)土壤理化性質(zhì)的影響

由圖1可知，生物質(zhì)炭對小麥根區(qū)土壤理化性質(zhì)具有明顯的影響，小麥根區(qū)土壤含水量變化范圍為8.12%～14.14%，基本表現(xiàn)為HB>MB>LB>CK，生物質(zhì)炭處理下土壤含水量均顯著高于對照(p<0.05)，并且不同處理下土壤含水量差異均顯著(p<0.05)，與對照相比，LB，MB和HB處理下土壤含水量分別提高了13.92%，60.34%和74.14%；土壤pH變化范圍為6.58～7.86，基本表現(xiàn)為HB0.05)，MB和HB顯著低于對照(p<0.05)，與對照相比，LB，MB和HB處理下土壤pH分別降低了6.61%，16.53%和23.97%；土壤容重變化范圍0.92～1.21 g/cm3，基本表現(xiàn)為HB0.05)，MB和HB顯著低于對照(p<0.05)，與對照相比，LB，MB和HB處理下土壤容重分別降低了6.36%，10.81%和16.28%；土壤電導率變化范圍為78.36～113.58 μm/cm，基本表現(xiàn)為HB

2.2 生物質(zhì)炭對小麥植物根區(qū)土壤養(yǎng)分的影響

由圖2可知，生物質(zhì)炭對小麥根區(qū)土壤養(yǎng)分具有明顯的影響，土壤有機碳變化范圍為7.36～11.37 g/kg，基本表現(xiàn)為MB>HB>LB>CK，其中HB，MB與LB之間差異均顯著(p<0.05)，并且不同處理下土壤有機碳與對照差異均顯著(p<0.05)，與對照相比，LB，MB和HB處理下土壤有機碳分別提高了25.41%，70.92%和54.48%；土壤全氮變化范圍為0.98～1.98 g/kg，基本表現(xiàn)為MB>HB>LB>CK，其中HB，MB與LB之間差異均顯著(p<0.05)，并且不同處理下土壤全氮與對照差異均顯著(p<0.05)，與對照相比，LB，MB和HB處理下土壤全氮分別提高了25.51%，102.04%和68.37%；土壤全磷變化范圍為0.84～0.91 g/kg，基本表現(xiàn)為MB>HB>LB>CK，其中不同處理下土壤全磷與對照差異均不顯著(p<0.05)；土壤全鉀變化范圍為12.23～25.74 g/kg，基本表現(xiàn)為MB>HB>LB>CK，其中HB，MB與LB之間差異均顯著(p<0.05)，并且不同處理下土壤全鉀與對照差異均顯著(p<0.05)，與對照相比，LB，MB和HB處理下土壤全鉀分別提高了33.20%，108.26%和78.17%。

2.3 生物質(zhì)炭對小麥根區(qū)土壤微生物數(shù)量的影響

生物質(zhì)炭對小麥根區(qū)土壤微生物數(shù)量的影響如圖3所示，生物質(zhì)炭根區(qū)土壤微生物數(shù)量以細菌最多，其次是放線菌，真菌最少。不同生物質(zhì)炭處理下小麥根區(qū)土壤細菌數(shù)量變化范圍為15.3～23.6萬，基本表現(xiàn)為MB>HB>LB>CK，其中HB，MB與LB之間差異均顯著(p<0.05)，并且不同處理下土壤細菌數(shù)量與對照差異均顯著(p<0.05)，與對照相比，LB，MB和HB處理下土壤細菌分別提高了23.53%，54.25%和41.43%；土壤真菌數(shù)量變化范圍在8.3×102～1.32×103之間，基本表現(xiàn)為MBHB>LB>CK，其中HB，MB與LB之間差異均顯著(p<0.05)，并且不同處理下土壤真菌數(shù)量與對照差異均顯著(p<0.05)，與對照相比，LB，MB和HB處理下土壤真菌分別提高了17.74%，53.23%和30.65%；土壤微生物總數(shù)量變化范圍在5.2×105～1.21×106之間，基本表現(xiàn)為MB>HB>LB>CK，其中HB，MB與LB之間差異均顯著(p<0.05)，并且不同處理下土壤微生物總數(shù)量與對照差異均顯著(p<0.05)，與對照相比，LB，MB和HB處理下微生物總數(shù)量分別提高了59.62%，132.69%和126.92%。

注：不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。

圖1 生物質(zhì)炭對小麥根區(qū)土壤理化性質(zhì)的影響

圖2 生物質(zhì)炭對小麥植物根區(qū)土壤養(yǎng)分的影響

圖3 生物質(zhì)炭對小麥根區(qū)土壤微生物數(shù)量的影響

2.4 生物質(zhì)炭對小麥根區(qū)土壤呼吸及微生物代謝熵的影響

表2顯示了生物質(zhì)炭對小麥根區(qū)土壤呼吸及微生物代謝熵的影響，5 a內(nèi)土壤微生量碳、微生物量氮、微生物呼吸和微生物代謝熵平均值基本表現(xiàn)為MB>HB>LB>CK。小麥根區(qū)土壤微生物量碳變化范圍在463.2～580.7 mg/kg之間，基本表現(xiàn)為MB>HB>LB>CK，其中HB，MB與LB之間差異均顯著(p<0.05)，并且不同處理下土壤微生物量碳與對照差異均顯著(p<0.05)，與對照相比，LB，MB和HB處理下土壤微生物量碳分別提高了8.57%，27.31%和21.70%；土壤微生物量氮變化范圍在95.6～198.5 mg/kg之間，基本表現(xiàn)為MB>HB>LB>CK，其中HB，MB與LB之間差異均顯著(p<0.05)，并且不同處理下土壤微生物量氮與對照差異均顯著(p<0.05)，與對照相比，LB，MB和HB處理下土壤微生物量氮分別提高了17.78%，107.64%和91.63%；土壤微生物量磷變化范圍在16.3～20.7 mg/kg之間，基本表現(xiàn)為MB>HB>LB>CK，其中不同處理下土壤微生物量磷與對照差異均不顯著(p>0.05)；土壤微生物呼吸變化范圍在2.01～2.68 μg/(g·h)之間，基本表現(xiàn)為MB>HB>LB>CK，其中HB，MB與LB之間差異均顯著(p<0.05)，并且不同處理下土壤微生物呼吸與對照差異均顯著(p<0.05)，與對照相比，LB，MB和HB處理下土壤微生物呼吸分別提高了7.46%，33.33%和30.35%；土壤微生物代謝熵變化范圍在5.03～6.87 μg/(g·h)之間，基本表現(xiàn)為MB>HB>LB>CK，其中HB，MB與LB之間差異均顯著(p<0.05)，并且不同處理下土壤微生物代謝熵與對照差異均顯著(p<0.05)，與對照相比，LB，MB和HB處理下土壤微生物代謝熵分別提高了18.49%，36.58%和29.62%。

表2 生物質(zhì)炭對小麥根區(qū)土壤呼吸及微生物代謝熵的影響

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

2.5 生物質(zhì)炭對小麥根區(qū)土壤微生物周轉(zhuǎn)的影響

土壤微生物周轉(zhuǎn)對土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分循環(huán)起著決定作用，對了解土壤養(yǎng)分供應潛力和植物養(yǎng)分的有效性有非常重要的意義。由表2可知，CK土壤微生物周轉(zhuǎn)率最低，微生物量碳周轉(zhuǎn)率為0.75 a-1，周轉(zhuǎn)周期為1.26 a，說明CK土壤微生物量碳在1.26 a更新1次；CK微生物量氮周轉(zhuǎn)率為0.53 a-1，周轉(zhuǎn)周期為2.13 a，土壤微生物量氮在2.13 a更新1次；土壤微生物量碳周轉(zhuǎn)率高于氮周轉(zhuǎn)率，說明微生物量碳更新比微生物量氮快。生物質(zhì)加快了土壤微生物碳和氮的周轉(zhuǎn)，主要表現(xiàn)為增加了微生物量碳含量和周轉(zhuǎn)率。

表3 生物質(zhì)炭對小麥根區(qū)土壤微生物周轉(zhuǎn)的影響

2.6 生物質(zhì)炭對小麥根區(qū)土壤微生物活度的影響

由圖4可知，土壤微生物活度的變化范圍0.46～0.79，基本表現(xiàn)為MB>HB>LB>CK，其中HB，MB與LB之間差異均顯著(p<0.05)，并且不同處理下土壤微生物活度與對照差異均顯著(p<0.05)，與對照相比，LB，MB和HB處理下土壤微生物活度分別提高了26.09%，71.74%和58.70%。主要是由于較高的生物質(zhì)炭造成土壤肥力降低，導致了LB土壤微生物數(shù)量和酶活性的降低，從而導致土壤微生物活度顯著較低。

圖4 生物質(zhì)炭對小麥根區(qū)土壤微生物活度的影響

3 討論與結(jié)論

隨著研究的深入，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭在增強土壤吸附能力方面作用顯著，尤其是陽離子方面，其表面容易被輕度氧化，加之生物及非生物作用參與下，其能夠形成酚基等，從而提升電荷量，在增強土壤電導率方面作用顯著[13]。通過研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭與根系土壤含水量之間存在正相關(guān)，且在0.05檢驗水平下達到顯著；但是在生物質(zhì)炭作用下，土壤容重及pH值被降低，全鹽含量隨之下降，土壤總孔隙度降低，因此產(chǎn)生了較多的可溶性離子，在這種情況下導致土壤的電導率被提升；土壤酸堿性在作物生長方面起著至關(guān)重要的作用，土壤pH值過高或過低都不利于微生物的新陳代謝，進而影響作物對養(yǎng)分的吸收利用。雖然土壤中生物質(zhì)濃度不同，但是與對照組相比，根區(qū)土壤容重及水分都較低，土壤pH值也出現(xiàn)了明顯下降，主要原因在于在生物質(zhì)炭作用下根系具有了更強的穿插性和擴展能力，降低了土壤板結(jié)可能性，對于土壤結(jié)構(gòu)起到了顯著的改善作用，陰陽離子的溶解度被提升，從而電導率及水分均得以明顯上升[14-15]，這大大有利于小麥對養(yǎng)分的吸收。

土壤養(yǎng)分不僅能反映土壤“營養(yǎng)庫”中養(yǎng)分的貯量水平，而且在一定程度上能影響有效養(yǎng)分的供應能力[16]；土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的主要驅(qū)動力，對土壤有機質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成、養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化及循環(huán)等過程具有重要作用[17-18]；土壤微生物通過分泌酶的方式參與土壤生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)循環(huán)等，土壤酶活性動力學的變化可反映出土壤中各種生化過程的強度及其方向，土壤酶活性、微生物量和微生物數(shù)量在植物生長過程中起著重要作用[19]。本研究中生物質(zhì)炭促進了小麥與土壤之間的平衡共生關(guān)系，在小麥植株生長過程中提高了土壤肥力，而土壤肥力的改變會對植物的入侵做出進一步的反饋調(diào)節(jié)。本研究在相同生境條件下，施用生物質(zhì)炭后，小麥植物根區(qū)土壤養(yǎng)分、土壤微生物量、酶活性及微生物數(shù)量均隨生物質(zhì)炭濃度的增加呈先增加后降低趨勢，MB處理下，小麥植物根區(qū)土壤養(yǎng)分、土壤微生物量、酶活性及微生物數(shù)量達到最大，不同濃度生物質(zhì)炭處理下的小麥植物根區(qū)土壤養(yǎng)分、土壤微生物量、酶活性及微生物數(shù)量均顯著高于對照(p<0.05)，但生物質(zhì)炭在高用量時可能會產(chǎn)生輕微抑制作用，具體表現(xiàn)為小麥根區(qū)土壤養(yǎng)分含量隨生物質(zhì)炭濃度的增加呈先增加后降低趨勢。由此表明了生物質(zhì)炭對小麥根區(qū)土壤養(yǎng)分、土壤微生物量、酶活性及微生物數(shù)量均表現(xiàn)為一定程度的增加效應，并且生物質(zhì)炭處理下小麥根區(qū)土壤養(yǎng)分、土壤微生物量、酶活性及微生物數(shù)量均顯著高于對照(p<0.05)，與前人的研究結(jié)果相一致[20-22]。一方面，生物質(zhì)炭具有較大的比表面積，通過表面催化活性促進小的有機分子聚合形成土壤有機質(zhì)，同時也能夠吸附多種離子，提高土壤的保肥性能，通過激發(fā)效應促進土壤有機質(zhì)的分解，養(yǎng)分含量迅速提高[23]；另一方面，生物質(zhì)炭的穩(wěn)定性較高，隨著生物質(zhì)炭的施入，土壤中累積的生物質(zhì)炭增多，一些極細小的生物質(zhì)炭顆?？赡芨街谕寥辣砻鎇24]；此外，生物質(zhì)炭具有多芳香環(huán)和非芳香環(huán)的復雜結(jié)構(gòu)，使其表現(xiàn)出高度的化學和微生物惰性，施入土壤后難以被微生物利用[25-26]。由此表明生物質(zhì)炭的施用有利于植被—土壤系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)、腐殖質(zhì)的形成和土壤有效養(yǎng)分的提高，同時小麥根區(qū)較低的pH增加了根區(qū)土壤養(yǎng)分的有效吸收和利用，這也是多種環(huán)境因素共同引起的，但從生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性而言，生物質(zhì)炭對土壤養(yǎng)分影響的過程比較復雜，與施用量、施用時間、生境、土壤本身特性、物候等生理生態(tài)特性的差異有關(guān)。而不同濃度的生物質(zhì)炭對小麥根區(qū)土壤特性的影響效果并不均勻一致，總體來看，生物質(zhì)炭對小麥生長過程中根區(qū)土壤養(yǎng)分、土壤微生物量、酶活性及微生物數(shù)量起到一定的促進作用，造成這種情況的主要原因可能是由于生物質(zhì)炭的根系釋放不同的化學物質(zhì)，釋放的物質(zhì)通過化感作用影響土壤理化性質(zhì)及營養(yǎng)循環(huán)等，對其根區(qū)土壤微生物的數(shù)量及分布造成不同的影響。由此可知，生物質(zhì)炭施用技術(shù)是改善土壤肥力、提高土壤生產(chǎn)力的重要措施，而在小麥的高產(chǎn)栽培過程中需合理控制生物質(zhì)炭濃度。而對于小麥栽培過程中土壤本身的肥力特性也是影響生物質(zhì)炭效應的重要因素，生物質(zhì)炭對小麥生長的效應需從土壤肥力、小麥類型、施炭水平以及管理措施等多方面因素加以綜合考慮。