摘要：農(nóng)田施用生物炭是改善土壤質(zhì)量、提升土壤生產(chǎn)力、提高作物產(chǎn)量的重要途徑之一。為了明確不同生物炭用量對鹽化潮土土壤養(yǎng)分含量、微生物群落結(jié)構(gòu)與玉米生長的影響，解析影響玉米生物量提高的關(guān)鍵土壤因子，本試驗(yàn)以鹽化潮土為供試土壤，采用盆栽方式，在常規(guī)施用氮磷鉀肥水平基礎(chǔ)上設(shè)置不施用生物炭（B0）、施用1%生物炭（B1）、施用3%生物炭（B3）、施用5%生物炭（B5）4個(gè)處理對其開展研究。結(jié)果表明，與BO相比，施用生物炭能夠顯著提高土壤有機(jī)碳（SOC）含量，且隨著施用量增加而增加，平均增幅為284.02%（91.79%～431.99%o）。施用生物炭能夠顯著增加土壤全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量和pH值、細(xì)菌豐富度、細(xì)菌多樣性、真菌豐富度、真菌多樣性，3個(gè)施用生物炭處理的平均增幅分別為102. 25%、31. 81%、33.32%、63. 89%、3.89%、60. 07%、12.21%、96.13%和22.42%；同時(shí)，玉米苗期株高、莖粗、葉面積、SPAD值、生物量及氮磷鉀吸收量均得到顯著提高。相關(guān)性分析結(jié)果表明，玉米生物量的提高主要得益于土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、pH、細(xì)菌豐富度、真菌豐富度、真菌多樣性的調(diào)控作用。綜上所述，盡管不同生物炭用量對土壤質(zhì)量與玉米生長的調(diào)控效果存在差異，但施用生物炭處理較不施用均能夠顯著提高SOC含量，改善土壤養(yǎng)分供應(yīng)與微生物群落結(jié)構(gòu)，促進(jìn)玉米生長。該研究結(jié)果可為鹽化潮土農(nóng)田生物炭施用策略和改善土壤質(zhì)量、提升土壤生產(chǎn)力提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：施用生物炭；土壤質(zhì)量；玉米生長；養(yǎng)分吸收；鹽化潮土

中圖分類號(hào)：S156.99：S513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2025） 03-0125-08

土壤是作物生產(chǎn)的基礎(chǔ)，作物產(chǎn)量潛力和水肥調(diào)控作用的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)揮依賴于良好的土壤條件。近年來，我國農(nóng)田土壤有機(jī)碳（SOC）含量得到一定的提升，土壤生產(chǎn)力顯著改善，這對保障糧食安全發(fā)揮了重要作用。然而，目前我國的農(nóng)田仍以中、低產(chǎn)田為主，且由于長期的集約化作物生產(chǎn)和不合理的耕作措施與輪作制度，土壤質(zhì)量面臨著一系列問題，諸如：農(nóng)田耕作層變淺、SOC含量整體仍然偏低。同時(shí)，我國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)源有機(jī)物料的產(chǎn)生量持續(xù)增加，但作物秸稈、畜禽糞便、城市生活垃圾等有機(jī)物料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的循環(huán)利用率不足。因此，通過增加有機(jī)物料還田來改善土壤質(zhì)量對提高土壤生產(chǎn)力和作物產(chǎn)量具有重要意義。

有機(jī)物料能夠部分或完全替代化肥，用于提升土壤的生產(chǎn)能力與生態(tài)功能，協(xié)同實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)、資源高效和環(huán)境友好的目標(biāo)。生物炭作為新興的有機(jī)物料，是生物質(zhì)（包括作物秸稈、木屑、糞肥以及城市生活垃圾等）經(jīng)過厭氧高溫裂解形成的副產(chǎn)物，具有碳含量高且穩(wěn)定和pH、CEC高等特點(diǎn)，其作為有效的土壤改良劑和重要的農(nóng)業(yè)減排措施投入農(nóng)田引起了人們的廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭能夠顯著增加SOC的固定，表現(xiàn)為：一方面生物炭極慢的周轉(zhuǎn)速率（0.004 6%/d）直接增加農(nóng)田碳輸入——一般作物秸稈直接還田，5～10年生物降解后土壤中能保持約10%～20%的碳，而焚燒還田僅為3%，但生物炭還田能夠保持50%以上：另一方面施用生物炭可能降低SOC的分解速率，并通過吸附土壤中游離的有機(jī)物質(zhì)促進(jìn)植物生長，增加根系碳輸入量。因此，農(nóng)田施用生物炭為陸地生態(tài)系統(tǒng)的“固碳減排”提供了一個(gè)全新的思路與研究方法。目前，普遍認(rèn)為施用生物炭能夠有效提高作物產(chǎn)量，顯著增加SOC累積，改善土壤結(jié)構(gòu)與團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)，提升土壤保水與保肥能力，同時(shí)，施用生物炭還能夠減少氮肥使用，增加養(yǎng)分的固持，減少氮素的淋洗和徑流損失，并改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與微生物活性，提高養(yǎng)分的生物有效性。此外，施用生物炭還可以減少N2O的排放，減緩生態(tài)環(huán)境壓力。

然而，當(dāng)前關(guān)于生物炭農(nóng)田使用效果的研究大多分布在熱帶或亞熱帶地區(qū)，其土壤多為酸性或養(yǎng)分缺乏的砂土和砂壤土，產(chǎn)生的效果通?？梢杂猛寥纏H值、CEC和土壤保水性的改善來解釋．而不同生物炭用量在溫帶地區(qū)鹽化潮土上使用的效果評價(jià)相關(guān)研究報(bào)道較少，其對作物生長指標(biāo)和土壤質(zhì)量等的影響仍不清晰。為此，本試驗(yàn)采用盆栽方式開展研究，旨在明確不同生物炭用量對玉米生長、養(yǎng)分吸收以及土壤養(yǎng)分狀況、土壤微生物群落豐富度與多樣性的影響，探明不同生物炭用量條件下土壤質(zhì)量與玉米生長的相關(guān)關(guān)系，為鹽化潮土上施用生物炭提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)為青島農(nóng)業(yè)大學(xué)智能溫室，該智能溫室可實(shí)現(xiàn)不同的環(huán)境條件控制，可以較為準(zhǔn)確地控制植物生長過程中的光、熱、水等條件，滿足試驗(yàn)過程中玉米生長對這些條件的需求。研究采用室內(nèi)盆栽試驗(yàn)。樹脂盆上下口徑分別為23、22cm，高為21.5 cm。供試土壤為鹽化潮土，全鹽含量2.06 g/kg，含有機(jī)碳（SOC）9.85 g/kg、全氮（TN） 0.70 g/kg、堿解氮84.28 mg/kg、有效磷9.92mg/kg、速效鉀57.36 mg/kg，pH值（水土比2.5：1）為7.46（表1）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2022年10月19日開始玉米種子催芽，Sd后播種，至1 1月25日玉米六葉期進(jìn)行試驗(yàn)指標(biāo)測定。試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理：不施用生物炭（BO）、施用1%生物炭（B1）、施用3%生物炭（B3）、施用5%生物炭（B5），每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共12盆。每盆裝土2 kg，種植1株。各處理化肥施用量相同，每盆施尿素（N，46%）4.35 g、過磷酸鈣（P2O5，16%）3.13g、氯化鉀（K2O，50%）1.00 g。所施商品生物炭由70%的玉米秸稈和30%秸稈粉塵在450-500℃下熱解形成，其有機(jī)碳含量為683.12 g/kg，全氮12.33 g/kg，全磷1.31g/kg，全鉀4.04 g/kg，pH值為8.35，如表1所示。供試玉米品種為鄭單958。各處理所施化肥、生物炭均在裝盆前與土壤混合均勻，除施肥外，其他管理措施相同。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 植株樣品

2022年11月25日玉米六葉期測定株高、莖粗、葉面積、葉綠素含量（SPAD值）等。株高用直尺測量，莖粗用游標(biāo)卡尺測量，最新完全展開葉的SPAD值用SPAD-502Plus便攜式葉綠素測定儀測定。用長度系數(shù)法計(jì)算最新完全展開葉的葉面積，葉面積=長×寬×0.75。

玉米六葉期收取植株裝入信封，置于烘箱中105℃下殺青30 min、75℃下烘干至恒重稱干重，計(jì)算玉米干物質(zhì)累積量。之后，取部分樣品粉碎，用H2SO4 -H2O2法進(jìn)行樣品消煮，繼而采用半微量蒸餾法測定全氮含量，釩鉬黃吸光光度法測定全磷含量，火焰光度法測定全鉀含量，計(jì)算氮磷鉀吸收量。

1.3.2 土壤樣品

2022年11月25日玉米六葉期，收取地上部后去除根系，采集0- 20 cm土層土壤樣品并混勻，自然風(fēng)干后分別過1 mm和0.25 mm篩，用于土壤各指標(biāo)的測定。土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀容量法測定，全氮含量采用半微量凱氏法測定，堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定，有效磷含量采用碳酸氫鈉法測定，速效鉀含量采用醋酸銨—火焰光度法測定，pH值（土水比為1：2.5）采用電位法測定。同時(shí)，測定土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)：使用DNA試劑盒（美國MO BIO實(shí)驗(yàn)室）從土壤樣品中提取DNA，利用引物338F（5＇- ACTCCTACGGGAGGCAGCAG -3’）禾口806R（5＇- GGACTACHVGGGTWTCTAAT -3＇）進(jìn)行細(xì)菌16S rRNA基因V4區(qū)域特異性擴(kuò)增，利用引物ITSIF（5＇- CTTGGTCATTTAGAGGAAG-TAA -3＇）和ITS2R （5＇- GCTGCGTTCTTCATCGATGC -3＇）進(jìn)行真菌ITS1區(qū)域特異性擴(kuò)增，采用Illumina MiSeq測序方法測定細(xì)菌、真菌多樣性和群落結(jié)構(gòu)，每個(gè)樣品重復(fù)測定3次。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，采用Mi-crosoft Excel 2013、SAS（version 8.2;SAS InstituteInc.，Cary，NC，USA）軟件和Sigma Plot（version12.0; SysTest Software Inc.，San Jose，CA， USA）軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計(jì)分析和作圖，差異顯著性分析采用LSD法（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物炭用量對土壤養(yǎng)分含量和pH值的影響

由表2可以看出，不同生物炭用量對土壤養(yǎng)分含量的影響存在較大差異，整體表現(xiàn)為B5＞B3＞B1＞B0。與BO相比，B1、B3、B5處理均顯著增加有機(jī)碳（SOC）、全氮、速效鉀含量和土壤pH值，SOC增幅分別為91.89%、328.54%和432.30%，全氮增幅分別為44.29%、108.57%和158.57%，速效鉀增幅分別為35.90%、60. 25%和95. 52%，pH增幅分別為1.46%、4.66%和5.46%。與BO相比，B3、B5處理均顯著增加土壤堿解氮和有效磷含量，土壤堿解氮含量增幅分別為30. 98%和58.27%，有效磷含量增幅分別為27.40%和62.10%，但B1與BO處理間無顯著差異。

由表3可以看出，與BO相比，B1、B3、B5處理均顯著增加土壤細(xì)菌群落、真菌群落的豐富度和多樣性，其中細(xì)菌豐富度分別增加65. 07070、54. 54%和60.60%，B1處理顯著高于B3，但B1與B5、B3與B5間無顯著差異：細(xì)菌多樣性分別增加13.60%、11.69%和11.35%，B1、B3和B5處理間無顯著差異；真菌豐富度分別增加86.20%、86.28%和115.91%，B5處理顯著高于B1、B3，但B1與B3間無顯著差異；真菌多樣性分別增加12.72%、24. 10%和30.44%，B5處理顯著高于B1，但B1與B3、B3與B5間無顯著差異。

2.2 不同生物炭用量對玉米苗期生長的影響

由表4可以看出，不同生物炭用量對玉米苗期生長的影響有所差異。與BO相比，B1、B3、B5處理均顯著增加玉米株高、莖粗和葉面積。其中，與BO相比，B1、B3、B5處理株高增幅分別為45. 18%、54.85%和67.90%，B5顯著高于B1和B3，B1與B3間無顯著差異；莖粗增幅分別為10. 00%、18. 46%和15.38%，B3和B5顯著高于B1，B3與B5間無顯著差異；葉面積增幅分別為14. 24%、25.52%和20.43%，B1、B3、B5處理間無顯著差異。與BO相比，B1、B3處理均顯著增加玉米葉綠素含量，增幅分別為1 2.79%和18.34%，且B1與B3、B5與BO間均無顯著差異。

與BO相比，B1、B3、B5處理均顯著增加玉米地上部生物量，增幅分別為5.22%、8.81%和9.17%，但B1、B3、B5處理相互間無顯著差異（圖1）。

2.3 不同生物炭用量對玉米苗期養(yǎng)分吸收的影響

圖2顯示，不同生物炭用量對玉米地上部養(yǎng)分濃度的影響有所差異。與B0相比，B3、B5處理均顯著增加玉米地上部氮濃度，增幅分別為9. 17%和16.43%，且B3與B5、B1與B0間無顯著差異；B1、B5處理均顯著增加玉米地上部磷濃度，增幅分別為11.78%和14.20%，且B1與B5、B3與BO間無顯著差異；B1、B3、B5處理均顯著增加玉米地上部鉀濃度，增幅分別為8. 78%、67. 23%和87. 60%，且B1、B3、B5處理相互間均差異顯著。

圖3顯示，玉米地上部養(yǎng)分吸收量與養(yǎng)分濃度表現(xiàn)出類似趨勢。與B0相比，B3、B5處理均顯著增加玉米地上部氮吸收量，增幅分別為18. 89%和27. 12%，且B3與B5、B1與B0間無顯著差異；B1、B3、B5處理均顯著增加玉米地上部磷吸收量，增幅分別為17. 63%、20. 46%和24.68%，且B1、B3、B5處理相互間無顯著差異：B1、B3、B5處理均顯著增加玉米地上部鉀吸收量，增幅分別為14. 55%、81.90%和104. 80%，且B1、B3、B5處理間均差異顯著。

2.4 不同生物炭用量條件下土壤質(zhì)量與玉米生長指標(biāo)的相關(guān)性分析

由圖4可知，玉米株高、莖粗與土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量和pH值、細(xì)菌豐富度、細(xì)菌多樣性、真菌豐富度、真菌多樣性均表現(xiàn)為顯著或極顯著正相關(guān)：玉米葉面積與土壤有機(jī)碳、全氮、有效磷、速效鉀含量和pH值、細(xì)菌豐富度、細(xì)菌多樣性、真菌豐富度、真菌多樣性表現(xiàn)為顯著或極顯著正相關(guān)，但與堿解氮含量未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性；玉米SPAD值僅與細(xì)菌豐富度、真菌豐富度表現(xiàn)為顯著正相關(guān)：玉米生物量與土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量和pH值、細(xì)菌豐富度、真菌豐富度、真菌多樣性均表現(xiàn)為顯著或極顯著正相關(guān)，但與細(xì)菌多樣性未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。

3 討論

提高農(nóng)田SOC是提升土壤生產(chǎn)力、維持生態(tài)系統(tǒng)碳平衡、應(yīng)對全球氣候變化的重要措施。第21屆聯(lián)合國氣候變化大會(huì)期間，法國農(nóng)業(yè)部長提出了“千分之四計(jì)劃：服務(wù)于糧食安全和氣候的土壤”（4/1000 Initiative： Soils for Food Security and Climate）的國際行動(dòng)，其依據(jù)是，全球2m深土壤的有機(jī)碳儲(chǔ)量每年增加0.4%就可以抵消當(dāng)年全球礦物燃燒的碳排放總量。然而，由于中國當(dāng)前土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量較低而碳排放量高，導(dǎo)致我國實(shí)現(xiàn)土壤固碳與化石燃料燃燒排放平衡的年均固碳速率達(dá)2.99 t/hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前全球平均固碳水平（0.24 t/hm2）和4‰的土壤固碳目標(biāo)。增加農(nóng)田碳投入是提高SOC含量的有效途徑之一。

有研究表明，生物炭的土壤固碳效果顯著優(yōu)于作物秸稈、糞肥、堆肥等有機(jī)物料，且僅有施用生物炭處理的土壤固碳速率達(dá)到了目標(biāo)值。本研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭顯著提高土壤SOC含量，且提高幅度隨施用量增加而增加，B5處理較BO增幅達(dá)432. 30%。這與以往研究結(jié)果類似。究其原因，一方面是生物炭的碳含量高（683.12 g/kg），可以直接增加土壤碳投入量，且生物炭的碳氮比高（55：1），導(dǎo)致微生物對其分解率低，穩(wěn)定性好：另一方面是施用生物炭能夠促進(jìn)植物生長，增加根系生物量，同時(shí)促進(jìn)根際淀積物歸還量的增加。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH值隨生物炭施用量增加而增加，這主要是由于生物炭自身為堿性（pH值為8.35），其施用直接帶來土壤pH值的增加；同時(shí)，NH+4-N通過硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)镹O-3 -N導(dǎo)致土壤pH值下降，而施用生物炭后，由于其對NH+4的吸附作用，土壤NH+4-N濃度顯著提高。此外，施用生物炭由于其自身的養(yǎng)分投入，吸附減少了養(yǎng)分損失，影響到土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與活性，增加土壤養(yǎng)分釋放，而致土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量有所提高。

本研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭能夠促進(jìn)玉米苗期生長，其株高、莖粗、葉面積、葉綠素含量（SPAD值）、生物量和養(yǎng)分吸收量較不施生物炭處理（BO）均顯著提高，這主要得益于土壤養(yǎng)分和微生物群落結(jié)構(gòu)的改善。這與Wei等的研究結(jié)果類似，他們的研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭能夠改善土壤質(zhì)量、增加作物地上部生物量與養(yǎng)分吸收量以及籽粒產(chǎn)量，施用生物炭后小麥—玉米周年產(chǎn)量增加0.96 t/hm2。這一方面是由于施用生物炭直接增加養(yǎng)分供應(yīng)量，使土壤容重降低，而土壤水熱緩沖能力的改善成為另一影響因素，尤其是在酸性土或者養(yǎng)分貧瘠的砂質(zhì)土上。但是，也有研究發(fā)現(xiàn)，在肥沃的堿性／缺氮土壤中，生物炭對作物產(chǎn)量或營養(yǎng)生長沒有影響或表現(xiàn)出負(fù)面影響，這可能是由于生物炭高碳氮比的特性帶來土壤速效氮含量的短期減少所導(dǎo)致。

施用生物炭能夠激發(fā)土壤微生物活動(dòng)，改善微生物（特別是真菌）的群落結(jié)構(gòu)。本研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭顯著增加細(xì)菌的豐富度與多樣性，以及真菌的豐富度與多樣性，3個(gè)處理的平均增幅分別為60. 07%、12.21%和96. 13%、22.42%。施用生物炭還能夠促進(jìn)作物根系生長，降低土壤容重，增加土壤的保水與保肥能力，有利于促進(jìn)作物生長和增加產(chǎn)量。但是，目前關(guān)于生物炭農(nóng)田施用的研究大多數(shù)集中在作物施用效果與環(huán)境響應(yīng)上，關(guān)于其改變作物生產(chǎn)與環(huán)境效應(yīng)的機(jī)理性研究較少，尤其是生物學(xué)機(jī)制，需要依托長期的田間試驗(yàn)開展進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

與不施用生物炭相比，施用生物炭能夠顯著提高土壤養(yǎng)分含量，并且其效果隨生物炭施用量的增加而增加，同時(shí)還能夠增加土壤細(xì)菌和真菌群落的豐富度和多樣性，促進(jìn)玉米苗期生長。施用生物炭帶來的土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量和pH值、細(xì)菌豐富度、真菌豐富度、真菌多樣性的增加是玉米生物量提高的重要驅(qū)動(dòng)因子。綜上所述，施用生物炭是提高土壤SOC含量、改善土壤養(yǎng)分供應(yīng)與微生物群落結(jié)構(gòu)、促進(jìn)作物生長的重要調(diào)控措施。但是，考慮到生物炭在生產(chǎn)實(shí)踐中的生產(chǎn)、運(yùn)輸成本等經(jīng)濟(jì)因素，以及在非脅迫土壤中的應(yīng)用效果局限性，其大面積推廣仍需要進(jìn)一步研究。

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023YFD2001402）；山東省高等學(xué)校優(yōu)秀青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目（2023KJ169）