鄭慧芬，吳紅慧，翁伯琦，葉 菁，曾玉榮，王義祥*

（1．福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/福建省紅壤山地農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350013；2．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；3．福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與科技信息研究所，福建 福州 350003）

茶樹是熱帶及亞熱帶地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)作物，中國是地球上最早發(fā)現(xiàn)和利用茶樹的國家，截至2016年，全球茶葉種植面積增長至406.68×104hm2，其中中國茶葉種植面積達(dá) 224.06×104hm2，占全球種植面積的55.09%［1］。然而，在茶葉產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，由于長期不合理的施肥、茶樹的自身物質(zhì)循環(huán)特性、大氣酸沉降等因素的影響［2］，我國茶園土壤酸化程度已經(jīng)日趨嚴(yán)重，土壤pH值適宜的茶園比例在急速下降。以產(chǎn)茶大省福建為例，土壤pH值在4.5以下的不適宜茶園占86.9%（其中pH值低于4.0的占28%）［3］。土壤酸化造成Ca2+、Mg2+、K+等鹽基離子大量淋失，土壤中磷和微量元素鉬和硼有效性降低，導(dǎo)致土壤肥力下降［2-3］；土壤酸化促進(jìn)鋁、錳等毒性元素以及重金屬元素的活化，從而抑制植物的正常生長［4］。而且，土壤酸化會(huì)減少土壤中有益微生物的數(shù)量和活性，改變土壤的碳、氮、磷、硫的循環(huán)［4］，影響茶樹根系發(fā)育和養(yǎng)分吸收，導(dǎo)致茶樹生長和茶葉品質(zhì)嚴(yán)重下降［5］。因此，采取有效措施減緩茶園土壤酸化進(jìn)程，并對(duì)嚴(yán)重酸化的茶園土壤進(jìn)行改良和修復(fù)，是保障茶園可持續(xù)發(fā)展所面臨的重要課題。

近幾年，生物炭作為一種土壤改良劑在農(nóng)業(yè)上得到了廣泛重視［6-8］。生物炭是指生物質(zhì)原料在完全或部分缺氧條件下經(jīng)高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的一類高度芳香化、穩(wěn)定性高的富碳有機(jī)物質(zhì)［9］。生物炭所具有的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、富含堿性基團(tuán)、比表面積大、吸附能力強(qiáng)、富含養(yǎng)分等特性，可有效降低土壤容重和酸度，提高土壤保水保肥能力，有利于土壤理化性質(zhì)的改善［10-12］。已有研究證明，施用生物炭可以改良酸化土壤，增加酸化土壤養(yǎng)分含量［7-8］。因此，生物炭在酸化茶園土壤改良方面也應(yīng)具有一定的應(yīng)用潛力。

土壤微生物在土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、有機(jī)質(zhì)分解等方面起到重要作用［9］，很多研究已發(fā)現(xiàn)施用生物炭會(huì)影響土壤微生物的特性［8，11］，從而對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生深刻效應(yīng)［13-14］。然而，當(dāng)前關(guān)于生物炭對(duì)土壤改良研究多集中于對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響方面［15-17］，對(duì)生物炭施入后土壤微生物和酶活的變化及其與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化間作用關(guān)系的研究還很缺乏。因此，本文利用生物炭田間試驗(yàn)，研究不同生物炭施用量對(duì)紅壤茶園土壤化學(xué)性狀、土壤微生物量和土壤酶活性的影響，分析土壤理化性狀與微生物和相關(guān)酶活性間的相關(guān)關(guān)系，旨在為生物炭在紅壤茶園土壤改良上的應(yīng)用研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)茶園位于福建省安溪縣感德鎮(zhèn)槐植，北緯25°26′，東經(jīng)117°86′，該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年均氣溫為15～18.5℃，年均無霜期長達(dá)292 d，年降水量 1 700 ～ 1 900 mm。茶園種植年限在 7 年以上，茶樹品種為鐵觀音。土壤為花崗巖風(fēng)化殼殘積坡積的粘壤質(zhì)紅壤。供試生物炭由小麥秸稈在500℃下厭氧燒制，小麥秸稈生物炭的基本性質(zhì)如下：有機(jī)碳含量47%，全氮含量0.6%，堿解氮24.38 mg/kg，有 效 磷254.16 mg/kg， 灰 分20.1%，pH值9.52。 試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)4個(gè)處理，即生物炭的田間施用量分別為0（C0）、10（C1）、20（C2）、40（C3）t/hm2，每個(gè)處理4次重復(fù)，小區(qū)面積為15 m2。生物炭施用時(shí)間為2014年3月下旬，將生物炭均勻撒在供試小區(qū)地表，翻土20 cm，使其與土壤充分混勻。茶園按常規(guī)管理，每年施肥量為每公頃 N 300 kg、P2O575 kg、K2O 112.5 kg，以尿素、重過磷酸鈣、硫酸鉀進(jìn)行春季、夏季和秋季施肥，春、夏、秋3季施肥量分別占全年總量的40%、30%和30%。

1.2 樣品采集

施肥2年后，在各處理小區(qū)分別以“S”型多點(diǎn)混合法采集土壤0～15 cm層土樣，去除植物碎屑和碎石，混合樣品后裝于保鮮箱內(nèi)迅速帶回實(shí)驗(yàn)室分析測定。所有土壤樣品過2 mm篩，保存于4℃冰箱。部分土樣放于陰涼處自然風(fēng)干，用于土壤理化性狀的測定。

1.3 測定內(nèi)容與方法

土壤化學(xué)特性測定［18］：pH值用水浸提法（水∶土=2.5∶1）；有機(jī)碳用重鉻酸鉀外熱氧化法；全氮用半微量凱氏法；堿解氮用堿解擴(kuò)散法；有效磷用碳酸氫鈉浸提比色法；速效鉀用醋酸銨浸提火焰光度法。

土壤微生物數(shù)量測定：細(xì)菌、真菌、放線菌分別用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基、馬丁氏培養(yǎng)基、改良高氏1號(hào)培養(yǎng)基稀釋平板法計(jì)數(shù)。解無機(jī)磷細(xì)菌、解鉀細(xì)菌分別用磷酸三鈣無磷培養(yǎng)基、硅酸鹽培養(yǎng)基稀釋平板法計(jì)數(shù)［19］。土壤微生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸浸提法測定，KEC=0.45［20］。

土壤酶活性測定：β-葡萄糖苷酶采用對(duì)硝基苯酚法［20］，土壤脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法測定［21］，酸性、堿性磷酸酶采用對(duì)硝基苯磷酸二鈉法［21］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用 Excel 2003 和 SPSS 19.0 軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)分析，用新復(fù)極差法進(jìn)行平均數(shù)的顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05），作圖采用Sigmaplot 12.5。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對(duì)茶園土壤理化性質(zhì)的影響

施用生物炭顯著影響茶園土壤結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì)。施用生物炭顯著降低茶園土壤容重，各處理土壤容重下降0.10～0.23 g/cm3。土壤的pH值隨生物炭的施用量增加而上升，各處理土壤pH值提高了0.33～0.88個(gè)單位。茶園土壤施用生物炭后，土壤有機(jī)碳含量顯著提高，當(dāng)施用量分別為20 和40 t/hm2時(shí)，可分別使土壤有機(jī)碳含量提高24.7%和62.1%；施用生物炭沒有顯著影響土壤全氮含量，但明顯降低了茶園土壤堿解氮含量，與對(duì)照組相比，施用生物炭各處理土壤堿解氮含量下降9.1%～29.2%。施用生物炭可以顯著增加土壤有效磷和速效鉀含量。從表1可見，安溪茶園土壤有效磷和速效鉀含量均隨生物炭施用量的增加而增大。C1、C2和C3處理土壤有效磷分別提高了61%、85.4%和153.9%，速效鉀分別增加了10.1%、102.9%和173.6%。

表1 施用生物炭對(duì)紅壤茶園土壤理化性質(zhì)的影響

2.2 生物炭對(duì)土壤微生物量碳的影響

圖1 不同生物炭施用量處理的微生物量碳含量

土壤微生物量碳（MBC）能在很大程度上表征土壤微生物數(shù)量，是評(píng)價(jià)土壤生物學(xué)性狀及土壤肥力的重要指標(biāo)。施用生物炭對(duì)紅壤茶園土壤MBC的影響如圖1所示，結(jié)果表明，生物炭施用能顯著增加土壤MBC含量，C1、C2和C3處理土壤MBC分別提高了28.3%、63.4%和46.9%，其中C2、C3處理與C0均達(dá)到顯著性差異（P＜0.05），C2處理土壤MBC達(dá)到最高值（402.75 mg/kg），結(jié)合生物炭的施用成本，在福建安溪紅壤茶園更適宜采用20 t/hm2的生物炭施用量。

2.3 生物炭對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

從表2可知，細(xì)菌是安溪茶園土壤微生物中數(shù)量最多的微生物。施用生物炭顯著提高茶園土壤微生物的數(shù)量，其增幅隨施用量的增加而增大，與C0處理相比，施用生物炭處理土壤細(xì)菌、放線菌和真菌增幅分別為28.5%～104.4%、27.2%～123.4%和17.0%～35.9%。解無機(jī)磷細(xì)菌、解鉀細(xì)菌有促進(jìn)土壤中P、K的釋放與植物生長的作用，茶園施用生物炭后土壤解鉀細(xì)菌以及解無機(jī)磷細(xì)菌的增幅分別為109.2%～208.2%和150.0%～337.3%。

表2 施用生物炭下紅壤茶園微生物數(shù)量

2.4 生物炭對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶能催化土壤中的生物化學(xué)反應(yīng)，因而土壤酶活性可以表征土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程和土壤肥力。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施用生物炭顯著影響了紅壤茶園土壤與碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)的土壤酶活性。如圖2（a）和（b）所示，土壤β-葡萄糖苷酶以及脲酶活性均隨生物炭添加量的增加而提高，與對(duì)照相比，C3處理土壤β-葡萄糖苷酶與脲酶活性分別增加了114.7%和21.5%，達(dá)到顯著性差異（P＜0.05）。同時(shí)，本試驗(yàn)顯示施用生物炭明顯降低土壤酸性磷酸酶活性，與對(duì)照相比，C1、C2、C3處理分別下降了4.0%、8.5%、15.6%，差異均達(dá)到顯著性水平（P＜0.05）。而堿性磷酸酶活性卻隨著生物炭的施用量增加而顯著提高，與對(duì)照相比，C1、C2、C3處理分別上升了26.7%、30.8%、186.6%。從圖2（c）和（d）可以看出，所有處理中土壤酸性磷酸酶活性都顯著高于堿性磷酸酶，可見，酸性磷酸酶在紅壤茶園土壤中占主要地位。

2.5 土壤微生物、酶活性、有機(jī)質(zhì)、pH值及土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析

表3是土壤微生物、酶活性、有機(jī)質(zhì)、pH值和土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性分析結(jié)果，結(jié)果顯示pH值與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀顯著正相關(guān)，與土壤堿解氮含量顯著負(fù)相關(guān)，表明酸性茶園土壤pH值狀況與土壤養(yǎng)分狀況之間的密切關(guān)系。而且，pH值與土壤β-葡萄糖苷酶、土壤脲酶、土壤堿性磷酸酶活性之間有顯著正相關(guān)性，與土壤酸性磷酸酶之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明施用生物炭引起土壤pH值變化，從而也影響了茶園土壤中生物化學(xué)過程。相關(guān)分析結(jié)果還顯示，解無機(jī)磷細(xì)菌數(shù)量與微生物量碳、有效磷含量、堿性磷酸酶活性之間均存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，解鉀細(xì)菌數(shù)量與微生物量碳、速效鉀含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。此外，土壤β-葡萄糖苷與解無機(jī)磷細(xì)菌數(shù)量、解鉀細(xì)菌數(shù)量以及MBC之間呈顯著正相關(guān)性，以及土壤脲酶也與解鉀細(xì)菌數(shù)量顯著正相關(guān)，說明本試驗(yàn)土壤酶活性與土壤微生物數(shù)量息息相關(guān)，能在一定程度表征土壤微生物的活性。

圖2 不同生物炭施用量處理下土壤β-葡萄糖苷酶、土壤脲酶、土壤酸性磷酸酶和土壤堿性磷酸酶活性

表3 土壤微生物、酶活性、有機(jī)質(zhì)、pH值和土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析

3 討論

長期的茶園種植導(dǎo)致了土壤酸化，不僅不利于茶樹生長，而且易引起土壤養(yǎng)分流失［2-3］。本研究發(fā)現(xiàn)添加麥稈生物炭提高了紅壤茶園土壤pH值，對(duì)土壤酸度有顯著的改良效果，這與很多酸性土壤施用生物炭的研究結(jié)果相一致［7-8］。生物炭能改善土壤酸性是因?yàn)槠浜幸欢康膲A性基團(tuán)，能對(duì)土壤酸度起到直接中和作用［7，22］。生物炭還含有可溶態(tài)的灰分元素如K、Ca、Mg等，可提高酸性土壤的鹽基飽和度，并通過吸持作用來降低土壤氫離子和交換性鋁的含量，降低土壤酸度［23］。本研究還發(fā)現(xiàn)，施用生物炭顯著提高紅壤茶園土壤中有效磷和速效鉀的含量，前人研究也發(fā)現(xiàn)施用生物炭可增加土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分含量［7-8，17］。紅壤茶園土壤中絕大部分磷為固定態(tài)，不能為植物所吸收利用，有效磷含量很低。添加生物炭后土壤有效磷和速效鉀增加可能有3個(gè)方面的原因：一是生物炭材料本身攜帶有一定磷、鉀養(yǎng)分［8］；二是施用生物炭可以通過改變土壤理化性質(zhì)（如pH值、CEC、吸附能力等），間接提高土壤礦質(zhì)養(yǎng)分的有效性［8，24］；三是施用生物炭增加了與磷、鉀代謝相關(guān)的功能微生物的數(shù)量和活性［25-26］。然而，van Zwieten 等［23］的研究指出，低灰分含量生物炭的添加，會(huì)降低黃壤有效磷含量。所以，生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分性質(zhì)的效應(yīng)，受其本身特性及土壤類型的影響［24］。

影響土壤肥力的主要因素之一是土壤微生物群落數(shù)量與活性［27］，而酸化茶園低產(chǎn)、減產(chǎn)的重要原因之一，是土壤中絕大多數(shù)適宜于中性環(huán)境的有益微生物大量減少，不利于茶園土壤中有機(jī)質(zhì)的礦化和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化［28］。本研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭顯著增加了茶園土壤細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量，與以往多數(shù)的研究結(jié)果一致［29-31］。生物炭不僅影響土壤微生物的數(shù)量，還深刻影響了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和活性［11，24］，且不同的土壤微生物群體對(duì)生物炭的利用程度有差異［24］。有研究發(fā)現(xiàn)某些微生物把生物炭作為唯一的碳源［32］，而且生物炭引起的土壤理化性質(zhì)變化也會(huì)間接影響土壤微生物群落，因而施用生物炭后可能會(huì)促進(jìn)某些土壤微生物類群的生長［24，30］。解鉀菌能促進(jìn)難溶性的鉀、磷、硅、鎂等養(yǎng)分元素轉(zhuǎn)化成可溶性養(yǎng)分，增加土壤中速效養(yǎng)分的含量。解無機(jī)磷細(xì)菌能把土壤中的難溶性或不溶性磷素轉(zhuǎn)化為根系能利用的可溶性磷。本研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭顯著提高了紅壤茶園土壤解鉀細(xì)菌和解無機(jī)磷細(xì)菌數(shù)量。與本研究的結(jié)果類似，F(xiàn)ox 等［25］報(bào)道了生物炭能促進(jìn)土壤細(xì)菌活化磷酸鹽；Liu等［26］研究發(fā)現(xiàn)稻殼生物炭增加了紅壤中土壤解磷細(xì)菌Pseudomonas（假單胞菌屬）和Flavobacterium（黃桿菌屬）的豐富度；陳敏等［33］也發(fā)現(xiàn)生物炭的施用導(dǎo)致煙田土壤解磷菌和解鉀菌的數(shù)量分別提高了35.7%和16.1%。由于土壤微生物在土壤養(yǎng)分循環(huán)中起到關(guān)鍵作用，因而生物炭引起的功能微生物數(shù)量的變化，將深刻影響土壤的養(yǎng)分供應(yīng)狀況［14］。下一步還須采用能更準(zhǔn)確反映土壤微生物群落變化的技術(shù)手段，例如高通量測序，將有助于揭示和預(yù)測生物炭對(duì)土壤肥力的影響。

土壤酶參與土壤養(yǎng)分的物質(zhì)循環(huán)，其活性大小可以表征土壤中物質(zhì)代謝程度，是土壤質(zhì)量水平的一個(gè)重要指標(biāo)。本研究表明，土壤β-葡萄糖苷酶和土壤脲酶活性均隨生物炭用量的增加而顯著提高，這與黃劍［34］和陳心想等［35］的研究結(jié)果一致，說明施用生物炭會(huì)促進(jìn)土壤的生物化學(xué)反應(yīng)，加速土壤養(yǎng)分元素的循環(huán)，提高土壤養(yǎng)分的可利用性［14，36］。此外，土壤磷酸酶催化土壤有機(jī)磷化合物的礦化，其活性直接影響土壤中有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化及其生物有效性。酸性磷酸酶是誘導(dǎo)酶，其主要來自于植物根系分泌物［37］。本研究發(fā)現(xiàn)茶園土壤酸性磷酸酶活性隨著生物炭的施用量增加而下降，而且酸性磷酸酶活性與土壤pH值、有效磷含量顯著負(fù)相關(guān)，因而酸性磷酸酶活性下降可能是由于施用生物炭提高了pH值和土壤有效磷含量所致。與酸性磷酸酶活性不同，茶園土壤堿性磷酸酶活性隨生物炭的施用量增加而增加。與本研究結(jié)果一致，Du等［38］報(bào)道在小麥玉米輪作的砂壤土施用生物炭后表層土壤的堿性磷酸酶活性增加了2～3倍。土壤堿性磷酸酶源自土壤細(xì)菌、真菌和其它的土壤動(dòng)物［37］，并且Yoo等［39］認(rèn)為土壤磷酸酶活性增加是因?yàn)槲⑸镌鲋吃斐傻?。本研究發(fā)現(xiàn)，解磷細(xì)菌數(shù)量與土壤堿性磷酸酶活性、土壤有效磷含量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，說明紅壤茶園施用生物炭引起土壤微生物群落和酶活性的變化，有利于土壤磷的轉(zhuǎn)化［14］。

4 結(jié)論

施用生物炭可以顯著提高茶園土壤pH值以及土壤有機(jī)碳、有效磷和速效鉀的含量，且隨著生物炭施用量的增加，土壤有效磷和速效鉀等養(yǎng)分含量亦顯著增加。酸性茶園生物炭的施入改善了土壤微生物的生存環(huán)境，提高了土壤微生物量和β-葡萄糖苷酶、脲酶以及堿性磷酸酶的活性，尤其是解磷細(xì)菌、解鉀細(xì)菌的數(shù)量顯著增加，說明生物炭添加促進(jìn)了與土壤磷、鉀轉(zhuǎn)化相關(guān)的解磷細(xì)菌、解鉀細(xì)菌類群生物量和功能的增加，有利于土壤磷、鉀元素的循環(huán)。