邱麗麗，李增強(qiáng)，徐基勝，李 慧，趙炳梓*，張佳寶

生物質(zhì)炭和秸稈施用對(duì)黃褐土生化性質(zhì)及小麥產(chǎn)量的影響①

邱麗麗1,2,3，李增強(qiáng)1，徐基勝1，李 慧4，趙炳梓1*，張佳寶1

(1 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 楚雄師范學(xué)院地理科學(xué)與旅游管理學(xué)院，云南楚雄 675000；3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450002)

以位于河南省方城縣的黃褐土田間定位試驗(yàn)為平臺(tái)，監(jiān)測(cè)生物質(zhì)炭和秸稈連續(xù)施用4 a后小麥拔節(jié)期和成熟期土壤性質(zhì)變化及其與成熟期籽粒產(chǎn)量的關(guān)系，明確影響小麥產(chǎn)量的主要土壤生化因子。試驗(yàn)包含6個(gè)處理，即分別在不施用生物質(zhì)炭(–B)和施用生物質(zhì)炭(+B)條件下各設(shè)置3個(gè)處理：①對(duì)照(CK)，②單施化肥(NPK)，③秸稈還田配施化肥(NPK+S)。結(jié)果表明：生物質(zhì)炭和秸稈施用對(duì)土壤生化性質(zhì)和籽粒產(chǎn)量的影響基本上不存在交互作用。連續(xù)4 a施用生物質(zhì)炭后，小麥產(chǎn)量平均降低了17.4%。盡管NPK+S與NPK處理間平均產(chǎn)量沒(méi)有顯著差異，但它們比CK處理產(chǎn)量分別增加了33.8% 和37.4%。采用偏最小二乘法路徑模型(PLS–PM)分別分析了拔節(jié)期和成熟期的土壤速效養(yǎng)分、活性有機(jī)質(zhì)和酶活性對(duì)產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)小麥拔節(jié)期的土壤速效養(yǎng)分含量，特別是氮素的供應(yīng)是直接影響產(chǎn)量的最為重要因子；而成熟期土壤生化性質(zhì)對(duì)作物產(chǎn)量的影響比較小。因此，為防止黃褐土上施用生物質(zhì)炭和秸稈后小麥產(chǎn)量降低，需要特別注意小麥拔節(jié)期土壤氮素的補(bǔ)充。

生物質(zhì)炭；秸稈還田；速效養(yǎng)分；活性有機(jī)質(zhì)；酶活性；小麥產(chǎn)量

生物質(zhì)炭是生物質(zhì)原料在無(wú)氧或限氧條件下經(jīng)高溫?zé)峤獾漠a(chǎn)物，因其在碳封存、減少溫室氣體排放、提高土壤質(zhì)量和作物生產(chǎn)力等方面的潛力而被廣泛用于改良農(nóng)田土壤[1]。施用生物質(zhì)炭可改善土壤結(jié)構(gòu)、降低土壤養(yǎng)分浸出、增強(qiáng)土壤酶活性、增加土壤中作物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)、刺激作物根系生長(zhǎng)，從而促進(jìn)作物產(chǎn)量提升[1-2]。全球371個(gè)獨(dú)立試驗(yàn)結(jié)果表明，施用生物質(zhì)炭后作物地上生物量和產(chǎn)量平均提高26% 和17%[3]。少數(shù)研究表明生物質(zhì)炭可導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低4% ～ 24%[4]。然而，施用生物質(zhì)炭對(duì)土壤生化性質(zhì)的影響隨作物生育期而異。竇露等[5]發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭處理與化肥處理相比，其脲酶活性僅在拔節(jié)期增加，過(guò)氧化氫酶活性僅在返青期降低，而堿性磷酸酶活性卻在拔節(jié)至揚(yáng)花期升高。劉露等[6]報(bào)道，塿土上施用高量生物質(zhì)炭提高了小麥拔節(jié)期和成熟期的土壤NO– 3-N和有機(jī)碳含量。

秸稈還田是提升土壤質(zhì)量的常用措施，其不僅可平衡作物營(yíng)養(yǎng)，顯著改善土壤結(jié)構(gòu)和水熱條件，而且可提升土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分，促進(jìn)作物穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)[7]。相對(duì)于單施化肥，秸稈還田配施化肥明顯提高了作物產(chǎn)量[8]，增加了土壤總有機(jī)碳及其組分[9]以及速效養(yǎng)分含量，對(duì)土壤酶活性也有明顯的活躍作用[10]。秸稈施用不當(dāng)也會(huì)對(duì)土壤環(huán)境和作物生產(chǎn)力產(chǎn)生負(fù)面影響。王曉娟等[11]曾發(fā)現(xiàn)高比例的秸稈還田會(huì)降低玉米產(chǎn)量。秸稈還田對(duì)土壤的改良同樣受到作物生育期的影響。研究表明，秸稈還田降低了冬小麥返青期土壤 NO– 3-N 含量，但卻有利于成熟期 NO– 3-N 的積累[12]。李秀等[13]發(fā)現(xiàn)秸稈還田后土壤微生物生物量碳氮在小麥整個(gè)生育期呈現(xiàn)先增加再降低的趨勢(shì)，在拔節(jié)期達(dá)到最大值。

雖然學(xué)者針對(duì)生物質(zhì)炭和秸稈還田導(dǎo)致的作物產(chǎn)量升高或降低及其影響因子方面開(kāi)展了大量研究，并從土壤性質(zhì)變化角度做出解釋，但絕大多數(shù)結(jié)果都是基于成熟期或收獲后土壤性質(zhì)變化與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)[2,7-10]，而涉及生物質(zhì)炭和秸稈施用后土壤性質(zhì)隨作物生育期的動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)產(chǎn)量的作用研究仍較少。不同生育期內(nèi)土壤性質(zhì)的變化會(huì)顯著影響該時(shí)期作物生長(zhǎng)進(jìn)而影響最終產(chǎn)量。因此，明確不同生育期土壤性質(zhì)對(duì)作物產(chǎn)量的作用，對(duì)在最佳時(shí)期采取有效措施提高當(dāng)季作物生產(chǎn)力至關(guān)重要。

黃褐土是黃淮海平原重要的耕作土壤之一，其土質(zhì)黏重，耕性和通透性差，是該地區(qū)主要的障礙土壤。本研究以田間定位試驗(yàn)為平臺(tái)，監(jiān)測(cè)生物質(zhì)炭和秸稈連續(xù)施用4 a后的土壤生化性質(zhì)和小麥產(chǎn)量。研究目的包括：①明確生物質(zhì)炭及秸稈連續(xù)施用對(duì)小麥拔節(jié)期和成熟期黃褐土生化性質(zhì)的影響；②評(píng)估不同生育期土壤生化性質(zhì)對(duì)小麥產(chǎn)量的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

田間定位試驗(yàn)位于河南省方城縣趙河鎮(zhèn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園區(qū)(33°08′ N，112°58′ E)，始建于2012年10月的小麥季。該區(qū)域氣候?qū)賮啛釒Т箨懶詺夂?，年平均氣?5 ℃，年均降水量800 ～ 1 200 mm。供試土壤為黃褐土，質(zhì)地為黏壤土。試驗(yàn)開(kāi)始前耕層(0 ～ 20 cm)土壤理化性質(zhì)為：容重1.5 g/cm3，pH 5.9，有機(jī)質(zhì)22.8 g/kg，堿解氮191.0 mg/kg，有效磷46.6 mg/kg，速效鉀99.0 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)包括不施用生物質(zhì)炭(–B)和施用生物質(zhì)炭(+B)兩種方式，每種方式均設(shè)置對(duì)照(CK)、單施化肥(NPK)和秸稈還田配施化肥(NPK+S)3個(gè)施肥措施，共計(jì)6個(gè)處理。每個(gè)處理均設(shè)3個(gè)重復(fù)小區(qū)，小區(qū)采用隨機(jī)區(qū)組排列，每個(gè)小區(qū)面積為40 m2。生物質(zhì)炭購(gòu)自河南商丘三利新能源有限公司，為小麥秸稈于約400 ℃限氧熱解制備所得，其含碳量489.6 g/kg，含氮量18.4 g/kg，含磷量2.5 g/kg，含鉀量34.7 g/kg。供試秸稈為玉米秸稈，來(lái)自試驗(yàn)小區(qū)周邊肥力均勻的田塊，其含碳量429.7 g/kg，含氮量7.0 g/kg，含磷量1.09 g/kg，含鉀量14.7 g/kg。供試化肥為尿素、過(guò)磷酸鈣和氯化鉀。

試驗(yàn)地種植方式為冬小麥–夏玉米輪作。在小麥季，當(dāng)季所用磷肥、鉀肥、玉米秸稈(長(zhǎng)3 ～ 5 cm)和生物質(zhì)炭均一次基施，50% 的氮肥作為基肥，剩余50% 氮肥在小麥拔節(jié)期開(kāi)溝追施。小麥季具體化肥施用量見(jiàn)表1，確保各施肥處理間總施氮量相同。在玉米季，各施肥處理僅施用化肥，施用量均為N 210 kg/hm2、P2O575 kg/hm2和K2O 90 kg/hm2，其中50% 氮肥、全部磷肥和鉀肥在玉米五葉期溝施，剩余50% 氮肥于抽雄期穴施。小麥和玉米收獲后其秸稈全部移出小區(qū)，其他田間管理方式與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理方式相同。

表1 小麥季生物質(zhì)炭、秸稈和化肥施用量

1.3 樣品采集與測(cè)定

在小麥拔節(jié)期(追肥前，2016 年3 月6 日)和成熟期(2016 年6 月2 日)采集耕層(0 ～ 15 cm)土樣。每個(gè)小區(qū)均用多點(diǎn)混合法采集土樣，置于冰盒中運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將樣品中石礫及動(dòng)植物殘?bào)w等挑出，一部分土樣過(guò)2 mm 篩，然后保存在–20 ℃ 冰箱中，用于測(cè)定土壤中NH4+-N，NO– 3-N，水溶性有機(jī)碳、氮(DOC、DON)，熱水提取態(tài)有機(jī)碳、氮(HWC、HWN)，微生物生物量碳、氮 (MBC、MBN)以及土壤酶活性。另一部分土樣風(fēng)干后研磨過(guò)2 mm 篩用于測(cè)定土壤中有效磷(AP)和速效鉀(AK)含量。

NH4+-N、NO– 3-N、有效磷和速效鉀含量分別采用靛酚藍(lán)比色法、雙波長(zhǎng)比色法、鉬銻抗比色法和火焰光度法測(cè)定[14]。DOC 和DON 含量采用Jones 和Willett[15]的方法測(cè)定。HWC 和HWN 含量采用Ghani 等[16]的方法測(cè)定。MBC 和MBN 含量采用氯仿熏蒸–硫酸鉀浸提法測(cè)定[17]。采用3, 5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定土壤淀粉酶(AMY)和轉(zhuǎn)化酶(INV)活性；苯酚鈉–次氯酸鈉比色法和三苯基四唑氯化物比色法分別測(cè)定脲酶(URE)和脫氫酶(DEH)活性；磷酸苯二鈉比色法測(cè)定酸性磷酸酶(ACP)活性[18]。在小麥?zhǔn)斋@期，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取 3個(gè)1 m2樣方的麥穗，待風(fēng)干后脫粒測(cè)定小麥籽粒重并用來(lái)表征產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因素方差分析并采用LSD方法進(jìn)行多重比較。采用偏最小二乘路徑模型(partial least squares path modeling，PLS-PM)分析土壤生化性質(zhì)之間的作用及其對(duì)產(chǎn)量的影響。統(tǒng)計(jì)分析采用軟件SPSS 24.0和R4.0.1中的PLSPM程序包完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 成熟期小麥籽粒產(chǎn)量與不同生育期土壤速效養(yǎng)分

表2表明，除了拔節(jié)期的速效鉀，生物質(zhì)炭與秸稈配施化肥對(duì)成熟期小麥籽粒產(chǎn)量和生育期內(nèi)速效養(yǎng)分均沒(méi)有交互作用。連續(xù)4 a施用生物質(zhì)炭顯著降低了小麥籽粒產(chǎn)量，平均產(chǎn)量降幅達(dá)17.4%。相反，生物質(zhì)炭施用顯著提升了拔節(jié)期有效磷和速效鉀含量及成熟期速效鉀含量，其平均含量增幅分別達(dá)9.0%、19.5% 和12.4%，但對(duì)NH4+-N和NO– 3-N沒(méi)有顯著影響(表2)。

表2 生物質(zhì)炭和秸稈配施化肥對(duì)成熟期小麥產(chǎn)量和不同生育期土壤速效養(yǎng)分的影響

注：NH4+-N：銨態(tài)氮，NO– 3-N：硝態(tài)氮，AP：有效磷，AK：速效鉀。B：生物質(zhì)炭處理，S：秸稈配施化肥處理，B×S：交互作用；同列小寫(xiě)字母不同表示同一生育期不同秸稈配施化肥處理間差異顯著(<0.05)；*、** 表示影響達(dá)<0.05、<0.01顯著水平，NS表示沒(méi)有顯著影響；下表同。

秸稈配施化肥處理顯著影響籽粒產(chǎn)量及生育期內(nèi)速效養(yǎng)分含量。NPK+S與NPK處理間籽粒平均產(chǎn)量沒(méi)有顯著差異，但它們比CK處理的平均產(chǎn)量增加了33.8% 和37.4%(表2)。拔節(jié)期的NO– 3-N和有效磷的平均含量在NPK+S和NPK處理間沒(méi)有顯著差異，但它們比CK處理的平均含量分別高195.7%、187.0% 和37.4%、32.2%；速效鉀平均含量按秸稈配施化肥處理間的排列順序?yàn)镹PK+S>NPK>CK(表2)。成熟期的NO– 3-N平均含量在NPK處理中最高，NPK+S處理次之，CK處理最低；有效磷和速效鉀平均含量在NPK+S和NPK處理間沒(méi)有顯著差異，但它們比CK處理中其平均含量分別高32.4%、27.6% 和21.8%、18.1%(表2)。

2.2 不同生育期土壤活性有機(jī)質(zhì)含量

生物質(zhì)炭與秸稈配施化肥對(duì)不同生育期活性有機(jī)質(zhì)含量基本上沒(méi)有交互作用(表3)。施用生物質(zhì)炭顯著增加拔節(jié)期的DON和HWN(平均含量增幅分別為19.0% 和11.4%)和成熟期的HWN(平均含量增幅為11.6%)。

秸稈配施化肥處理顯著影響拔節(jié)期的DON、HWC、HWN、MBN，它們的平均含量在NPK+S和NPK處理間沒(méi)有顯著差異(表3)，但分別比CK處理的平均含量增加46.9%、66.7%，7.8%、5.7%，9.7%、20.3% 和50.4%、63.3%。秸稈配施化肥處理顯著影響成熟期的DOC、DON、MBN，其中DOC含量在處理間的顯著差異主要表現(xiàn)在NPK處理的DOC平均含量比CK處理高11.4%；NPK+S處理的DON平均含量比NPK處理低31.8%，而比CK處理高65.5%；NPK+S與CK處理的MBN平均含量沒(méi)有顯著性差異，但它們比NPK處理低28.4% ～ 41.6%(表3)。

表3 生物質(zhì)炭和秸稈配施化肥對(duì)不同生育期土壤活性有機(jī)質(zhì)的影響

注：DOC、DON：水溶性有機(jī)碳、氮；HWC、HWN：熱水提取態(tài)有機(jī)碳、氮；MBC、MBN：微生物生物量碳、氮。

2.3 不同生育期土壤酶活性

與上述結(jié)果類似，生物質(zhì)炭與秸稈配施化肥對(duì)不同生育期酶活性沒(méi)有交互作用(表4)。施用生物質(zhì)炭顯著增加拔節(jié)期和成熟期的脲酶和脫氫酶活性，其平均活性的增幅分別為10.4%、8.6% 和8.7%、6.7%。秸稈配施化肥顯著影響拔節(jié)期和成熟期的所有測(cè)定的酶活性，NPK+S處理的酶活性平均比CK高12.1% ～ 40.9%，而NPK與CK處理間酶活性基本沒(méi)有顯著差異(表4)。

2.4 土壤生化性質(zhì)對(duì)作物產(chǎn)量的影響

利用PLS-PM分析了小麥產(chǎn)量與兩個(gè)生育期土壤生化性質(zhì)的關(guān)系(圖1)。圖1A表明，本研究測(cè)定的拔節(jié)期土壤速效養(yǎng)分、活性有機(jī)質(zhì)、酶活性總共解釋產(chǎn)量變異的33%，其中土壤速效養(yǎng)分(直接路徑系數(shù)=0.94)的直接影響顯著高于活性有機(jī)質(zhì)和酶活性(直接路徑系數(shù)分別是–0.27和–0.23)。在土壤養(yǎng)分變量中，NH4+-N、NO– 3-N、有效磷、速效鉀的解釋方差均大于0.70(圖1C)。

然而在成熟期，土壤速效養(yǎng)分、活性有機(jī)質(zhì)、酶活性總共解釋產(chǎn)量變異的16%，并且決定小麥產(chǎn)量的直接路徑系數(shù)都小于0.20(圖1B)，表明成熟期土壤速效養(yǎng)分、活性有機(jī)質(zhì)、酶活性對(duì)產(chǎn)量的影響不如拔節(jié)期顯著，盡管其中脲酶、淀粉酶活性與速效鉀含量具有較高的解釋方差(圖1D)。

3 討論

3.1 生物質(zhì)炭和秸稈施用對(duì)土壤生化性質(zhì)的影響

3.1.1 速效養(yǎng)分 表2表明連續(xù)4 a施用生物質(zhì)炭顯著提升了拔節(jié)期和成熟期土壤速效鉀含量和拔節(jié)期有效磷含量。這與陳心想等[19]的研究結(jié)果一致，他們發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭提高了新積土有效磷和速效鉀含量。其原因可能與生物質(zhì)炭中所含的磷、鉀元素釋放到土壤有關(guān)。此外，施用生物質(zhì)炭可減少土壤中氮、磷、鎂等養(yǎng)分淋失[20]，從而利于土壤有效磷含量的增加。然而，活性磷在土壤中極易發(fā)生固定作用，這可能導(dǎo)致了小麥成熟期生物質(zhì)炭對(duì)土壤有效磷含量無(wú)顯著影響。

表4 生物質(zhì)炭和秸稈配施化肥對(duì)不同生育期土壤酶活性影響

注：AMY：淀粉酶，INV：轉(zhuǎn)化酶，URE：脲酶，ACP：酸性磷酸酶，DEH：脫氫酶。

NPK+S比NPK處理的拔節(jié)期速效鉀含量高，成熟期NO– 3-N含量低(表2)，表明秸稈還田有助于提升拔節(jié)期的速效鉀含量，降低成熟期的NO– 3-N含量。馮愛(ài)青等[21]在棕壤上進(jìn)行的盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，秸稈配施氮肥比單施氮肥提高了小麥整個(gè)生育期NO– 3-N含量，但生育期內(nèi)兩個(gè)處理間速效鉀含量沒(méi)有顯著差異?？梢?jiàn)，該研究結(jié)果與馮愛(ài)青等的結(jié)果不一致，這可能與試驗(yàn)條件和土壤類型不同有關(guān)。秸稈中的鉀元素主要以離子狀態(tài)存在，秸稈進(jìn)入土壤后鉀離子能夠快速釋放到土壤中，從而提高了拔節(jié)期速效鉀含量。鉀離子的淋溶損失可能是導(dǎo)致秸稈還田配施化肥與單施化肥處理間土壤速效鉀在成熟期無(wú)顯著差異的原因。成熟期小麥對(duì)NO– 3-N的吸收利用程度降低，但有研究表明，秸稈還田配施氮肥比單純施氮肥更能提高作物的氮素利用效率[22]，因此，作物對(duì)土壤中NO– 3-N的吸收消耗差異可能是造成成熟期NPK+S處理NO– 3-N含量相對(duì)于NPK處理降低的原因。

3.1.2 活性有機(jī)質(zhì) 活性有機(jī)碳、氮是土壤有機(jī)碳、氮中最活躍和最易變化的部分，對(duì)土壤管理措施響應(yīng)敏感。表3表明施用生物質(zhì)炭顯著提高了小麥拔節(jié)期土壤DON、HWN含量及成熟期HWN含量。Gundale和DeLuca[23]也曾發(fā)現(xiàn)，施入生物質(zhì)炭的土壤中氮循環(huán)加快，可溶性氮含量提高。土壤活性有機(jī)碳、氮主要來(lái)自于外源有機(jī)物料、根系及其分泌物和土壤自身有機(jī)質(zhì)的分解過(guò)程。生物質(zhì)炭對(duì)活性有機(jī)氮含量的影響一方面可能是由于生物質(zhì)炭自身所含有的有機(jī)氮組分通過(guò)淋溶作用直接進(jìn)入土壤所造成的。另一方面，生物質(zhì)炭進(jìn)入土壤后會(huì)導(dǎo)致微生物將更多的無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮維持自身的生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)[24]，微生物死亡后這些有機(jī)氮釋放到土壤中，從而提高了土壤活性有機(jī)氮含量。

在拔節(jié)期，NPK+S與NPK處理間的活性有機(jī)質(zhì)含量沒(méi)有顯著差異，但在成熟期則是NPK+S處理的DON和MBN含量顯著低于NPK處理(表3)；表明秸稈施用對(duì)活性有機(jī)氮的影響隨著作物生育期不同而異。秸稈還田后其自身含有的部分含氮物質(zhì)先溶出，但很快會(huì)被土壤微生物吸收同化[25]。土壤中可溶性氮或因微生物的吸收同化而消耗；或因土壤中有機(jī)質(zhì)和秸稈的分解而增加。在小麥成熟期，秸稈腐解的養(yǎng)分釋放緩慢，當(dāng)土壤中礦質(zhì)氮含量較低時(shí)，微生物則以可溶性有機(jī)氮作為氮源，其同化作用可能造成了成熟期土壤可溶性有機(jī)氮的降低。此外，已有研究表明秸稈還田在冬小麥生育前期對(duì)土壤溫度表現(xiàn)出明顯的增溫效應(yīng)，在生育后期卻表現(xiàn)為降溫效應(yīng)[13]。而在一定范圍內(nèi)，溫度與微生物活性與數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系[26]。因此，秸稈還田的降溫效應(yīng)可能導(dǎo)致了成熟期秸稈還田配施化肥處理較單施化肥處理的微生物生物量氮的下降。李秀等[13]研究也發(fā)現(xiàn)，秸稈還田較無(wú)秸稈還田處理能增加冬小麥生育前期的MBC、MBN含量，之后緩緩降低，在灌漿期甚至降低土壤MBC、MBN的含量。

3.1.3 酶活性 土壤酶大部分是由微生物釋放，并推動(dòng)著土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程。連續(xù)施用生物質(zhì)炭顯著提高了兩個(gè)生育期的脲酶、脫氫酶活性和成熟期淀粉酶活性(表4)。這與王智慧等[2]的研究結(jié)果一致。土壤中酶活性主要受酶促反應(yīng)底物濃度以及環(huán)境條件的影響[18]。生物質(zhì)炭對(duì)土壤酶活性的提高主要是因?yàn)閇24]：生物質(zhì)炭具有巨大的比表面積，能夠吸附胞外酶分子和底物，提高酶與底物的表面親和力；生物質(zhì)炭通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)而提高酶活性；生物質(zhì)炭可能釋放一些小分子物質(zhì)作為一些特定酶的調(diào)節(jié)劑(比如乙烯可導(dǎo)致β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性上調(diào))。

連續(xù)施用秸稈顯著提高了拔節(jié)期和成熟期土壤轉(zhuǎn)化酶、脲酶、酸性磷酸酶和脫氫酶活性(表4)，表明秸稈還田是增加與碳氮磷轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性的重要因素。李臘梅等[27]也發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期秸稈還田能夠顯著增加土壤中脲酶、酸性磷酸酶和脫氫酶活性。這可能是由于秸稈中含有較高的碳水化合物及豐富的有機(jī)態(tài)氮磷等物質(zhì)，為相關(guān)酶提供了充足的反應(yīng)底物，從而有效地提高了酶活性[18]。

3.2 不同生育期土壤性質(zhì)與作物產(chǎn)量

施用生物質(zhì)炭后，當(dāng)季小麥產(chǎn)量顯著降低(表2)。Kishimoto和Sugiura[28]曾報(bào)道在火山灰土上施用5 t/hm2和15.25 t/hm2生物質(zhì)炭導(dǎo)致大豆產(chǎn)量分別降低了37% 和71%，究其原因是生物質(zhì)炭添加提高了土壤pH，導(dǎo)致土壤中微量元素缺乏。另一項(xiàng)研究報(bào)道，在酸性土壤上單施4、8和16 t/hm2生物質(zhì)炭(未配施氮肥)后，水稻籽粒產(chǎn)量分別降低了23%、10% 和26%，而配施氮肥后其產(chǎn)量沒(méi)有顯著性變化[29]。本研究中PLS-PM分析表明小麥拔節(jié)期的土壤速效養(yǎng)分含量是直接影響黃褐土上當(dāng)季小麥產(chǎn)量的重要因素(圖1A)。其中NH4+-N、NO– 3-N、有效磷、速效鉀的解釋方差均大于0.70(圖1C)，表明這4個(gè)參數(shù)是影響小麥產(chǎn)量的重要參數(shù)。施用生物質(zhì)炭顯著提升了拔節(jié)期的有效磷和速效鉀含量，而對(duì)NH4+-N和NO– 3-N沒(méi)有顯著影響，進(jìn)一步表明NH4+-N和NO– 3-N可能是影響小麥產(chǎn)量降低的最為重要因子。NH4+-N和NO– 3-N在土壤中的凈變化量取決于多個(gè)微生物過(guò)程的綜合作用。以尿素等NH4+-N形式施入的氮肥一般在2 ～ 3周內(nèi)即可通過(guò)硝化作用迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿?dòng)性較強(qiáng)的NO– 3-N，而生物質(zhì)炭的氧化表面也可以催化一定數(shù)量的NH4+-N氧化[30]。生物質(zhì)炭添加到農(nóng)田土壤中，NH4+-N濃度的降低可能是揮發(fā)或被生物質(zhì)炭強(qiáng)化固定的結(jié)果。由于微生物利用NO– 3-N需要消耗更多的能量，因此其優(yōu)先選擇NH4+-N作為氮源，但當(dāng)NH4+-N含量不足以滿足微生物需求時(shí)，NO– 3-N的微生物同化作用就有可能發(fā)生[31]。Dail等[32]研究表明，當(dāng)NO– 3-N施入土壤之后，在15 min之內(nèi)其無(wú)機(jī)氮庫(kù)便減少了30% ～ 60%，這其中只有不到5% 轉(zhuǎn)化為難溶性有機(jī)氮，而其余絕大多數(shù)轉(zhuǎn)化為可溶性有機(jī)氮。而土壤中有效態(tài)碳的數(shù)量亦是限制微生物對(duì)氮源利用的關(guān)鍵因子，當(dāng)土壤中加入足夠數(shù)量的碳源后完全可以刺激NO– 3-N同化[33]。生物質(zhì)炭含碳量高，施入土壤后一方面刺激了微生物的數(shù)量和活性，另一方面也增加了土壤有效碳源，提高土壤C/N，會(huì)激發(fā)異氧微生物吸收更多的外源氮來(lái)滿足自身生長(zhǎng)對(duì)氮的需求；但這同時(shí)也降低了土壤氮素的有效性。本研究中拔節(jié)期生物質(zhì)炭施用后，土壤中NH4+-N和NO– 3-N含量有降低趨勢(shì)(表2)，微生物將無(wú)機(jī)氮轉(zhuǎn)化為DON和HWN等有機(jī)氮(表3)，不利于小麥對(duì)無(wú)機(jī)氮的吸收，造成作物產(chǎn)量下降。已有的研究也表明施用生物質(zhì)炭容易導(dǎo)致土壤氮素被固定，不利于作物產(chǎn)量的提高[34]。因此，在黃褐土上施用生物質(zhì)炭，可考慮適當(dāng)增加作物拔節(jié)期氮肥施用比例，以緩解微生物與作物競(jìng)爭(zhēng)氮素現(xiàn)象，滿足作物生長(zhǎng)氮素的需要。

圖1B表明本研究測(cè)定的小麥成熟期的土壤速效養(yǎng)分、活性有機(jī)質(zhì)和酶活性對(duì)作物產(chǎn)量的直接影響都很小。小麥從播種到返青期，根系生長(zhǎng)量很小，對(duì)養(yǎng)分需求少；返青期到拔節(jié)期根系迅速生長(zhǎng)，對(duì)養(yǎng)分需求也迅速增加；開(kāi)花以后，對(duì)養(yǎng)分的吸收率逐漸下降[35]。劉興海等[36]認(rèn)為，拔節(jié)期是冬小麥的“N 素最大效益期”，也稱“N 素不足敏感期”，在拔節(jié)期重施氮肥，不僅不會(huì)引起貪青、倒伏，而且能大大提高小麥后期的光合生產(chǎn)率，達(dá)到成穗率高、提高粒重的明顯效果。因此，相對(duì)于拔節(jié)期，成熟期的土壤生化性質(zhì)對(duì)產(chǎn)量的調(diào)節(jié)效應(yīng)可能較弱。

NPK+S 與NPK處理間的小麥籽粒平均產(chǎn)量沒(méi)有顯著差異(表 2)，表明連續(xù) 4 a 施用秸稈對(duì)小麥產(chǎn)量無(wú)顯著性影響。秸稈中的氮磷等養(yǎng)分元素主要以有機(jī)形態(tài)存在，進(jìn)入土壤后短時(shí)間內(nèi)并未完全被微生物分解釋放，從而造成拔節(jié)期土壤中速效氮和有效磷含量并沒(méi)有顯著提高。在拔節(jié)期，NPK+S 與 NPK 的處理間礦質(zhì)態(tài)氮和活性有機(jī)氮均沒(méi)有顯著差異(表3)，這一方面說(shuō)明了秸稈還田配施化肥避免了微生物與作物爭(zhēng)氮現(xiàn)象的發(fā)生，另一方面也可能是施用秸稈處理小麥產(chǎn)量沒(méi)有顯著變化的原因。李曉等[12]連續(xù) 3 a 的研究曾表明，秸稈還田增產(chǎn)或減產(chǎn)與施氮量有關(guān)，秸稈還田處理施氮量較低時(shí)小麥減產(chǎn)，施氮量較高時(shí)小麥增產(chǎn)。因此，今后仍需要評(píng)估秸稈與化肥的不同配比對(duì)不同生育期土壤養(yǎng)分的影響及生產(chǎn)效應(yīng)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐提供最合理的秸稈施用方案。

4 結(jié)論

1)黃褐土上連續(xù)4 a施用生物質(zhì)炭提高了小麥拔節(jié)期有效磷、速效鉀、DON、HWN含量以及脲酶和脫氫酶活性；提高了成熟期速效鉀、HWN含量以及淀粉酶、脲酶和脫氫酶活性。連續(xù)施用秸稈提高了拔節(jié)期速效鉀含量和兩個(gè)生育期的轉(zhuǎn)化酶、脲酶、酸性磷酸酶和脫氫酶活性，降低了成熟期NO– 3-N、DON和MBN含量。

2)黃褐土上連續(xù)4 a施用生物質(zhì)炭后，當(dāng)季小麥減產(chǎn)；而連續(xù)秸稈還田對(duì)產(chǎn)量卻沒(méi)有顯著影響。小麥拔節(jié)期的土壤速效養(yǎng)分含量，特別是氮素的供應(yīng)是直接影響當(dāng)季作物產(chǎn)量的最重要因子。因此在黃褐土施用生物質(zhì)炭和秸稈，應(yīng)考慮適當(dāng)增加作物拔節(jié)期氮肥施用比例，從而提高作物生產(chǎn)力。

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Effects of Biochar and Straw Application on Soil Biochemical Properties and Wheat Yield in Yellow-cinnamon Soil

QIU Lili1, 2, 3, LI Zengqiang1, XU Jisheng1, LI Hui4, ZHAO Bingzi1*, ZHANG Jiabao1

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 School of Geographic Science and Tourism Management, Chuxiong Normal University, Chuxiong, Yunnan 675000, China; 3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4 College of Resources and Environment, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

A four-year field experiment was conducted in Fangcheng County of Henan Province to disclose the relation between crop yield and soil properties at jointing and maturity stages of winter wheat planted with biochar application (+B) or not (–B), and both contained three treatments of chemical fertilizers (NPK), chemical fertilizers plus straw (NPK+S), and an amended control (CK). The results showed that biochar and straw had no interaction effect on wheat yield. The average wheat yield was reduced by 17.4% following continuous application of biochar for 4 a. Compared to CK, wheat yield of NPK+S and NPK treatments increased by 33.8% and 37.4%, respectively, while no significant differences in wheat yield existed between NPK+S and NPK treatments. Relationships between wheat yield and soil properties at jointing or maturity stages were obtained using PLS-PM model, and it was found that wheat yield was affected mostly by N supply at jointing stage, while soil properties had less effect on wheat yield at maturity stage. In conclusion, more attentions should be paid to N supply at jointing stage of wheat in the yellow-cinnamon soil to prevent yield decrease after biochar and straw are applied.

Biochar; Straw returning; Available nutrient; Active organic matter; Enzyme activity; Wheat yield

S154.3

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.03.005

邱麗麗, 李增強(qiáng), 徐基勝, 等. 生物質(zhì)炭和秸稈施用對(duì)黃褐土生化性質(zhì)及小麥產(chǎn)量的影響. 土壤, 2021, 53(3): 475–482.

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41271311)資助。

(bzhao@issas.ac.cn)

邱麗麗(1979—)，女，吉林通榆人，副教授，博士研究生，主要從事土壤生態(tài)學(xué)研究。E-mail: 125870372@qq.com