生物炭對新疆沙土微生物區系及土壤酶活性的影響

顧美英，葛春輝，馬海剛，唐光木，張志東，徐萬里

(1.新疆農業科學院微生物應用研究所 新疆特殊環境微生物實驗室 綠洲養分與水土資源高效利用重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所， 新疆 烏魯木齊 830091)

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生物炭對新疆沙土微生物區系及土壤酶活性的影響

顧美英1，葛春輝2，馬海剛2，唐光木2，張志東1，徐萬里2

(1.新疆農業科學院微生物應用研究所 新疆特殊環境微生物實驗室 綠洲養分與水土資源高效利用重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所， 新疆 烏魯木齊 830091)

為評估生物炭在新疆改良沙土的潛力，在新疆和田設生物炭施用量為0(CK)、22 500、67 500、112 500 kg·hm-2和225 000 kg·hm-25個處理的微區試驗，輪作方式為綠豆-冬小麥。通過對試驗結束后小區土壤可培養微生物和生理菌群計數、土壤酶活性測定，研究不同用量生物炭對沙土土壤微生物區系及土壤酶活性影響。結果表明：施用生物炭對沙土土壤養分含量、微生物區系和土壤酶產生顯著影響。22 500～67 500 kg·hm-2生物炭施用量能顯著提高沙土土壤有機碳、速效磷和速效鉀含量。生物炭影響沙土中可培養細菌、真菌及放線菌數量，在生物炭施用量為67 500 kg·hm-2下細菌數量最高，比CK增加了63.83%；施用量為22 500 kg·hm-2放線菌數量最高，增加了250.00%；施用量為67 500 kg·hm-2真菌數量最少，降低了71.43%。生物炭影響沙土中纖維素分解菌和自生固氮菌數量，隨著施用量增加，其數量呈先增加后降低趨勢，其中施用量為112 500 kg·hm-2纖維素分解菌和自生固氮菌數量最多，分別比CK增加了211.11%和1 057.89%。土壤中添加67 500～112 500 kg·hm-2的生物炭土壤中蔗糖酶、過氧化氫酶和蛋白酶活性最高。相關分析表明，不同生物炭施用量條件下，土壤養分與細菌、亞硝化細菌、反硝化細菌、土壤酶(磷酸酶除外)關系密切。因此，適量施用生物炭能提高沙土土壤養分、增加微生物菌群數量和土壤酶活性，在本試驗點最適生物炭用量為67 500 kg·hm-2。

生物炭；微生物區系；土壤酶；沙土

我國農業糧食產量已達9億噸，作物生產的經濟系數決定了有同樣規模的秸稈資源總量。隨著工業化和城鎮化的快速發展，農村勞動力不斷減少，導致農田秸稈多被廢棄。據調查統計，當前中國秸稈露天焚燒約占40%，達到每年3億多噸，這不僅造成了資源的浪費，還帶來了嚴重的環境污染[1]。因此農業秸稈的合理利用已成為農業資源合理利用與環境保護亟待解決的重大問題。

生物炭是秸稈、稻殼、竹木和動物糞便等有機廢棄物料在限氧或絕氧條件下，通過300℃～500℃高溫裂解形成的一種理化性質穩定、富含高度羧酸酯化和芳香化結構的固體產物[2]。近些年來，由于生物炭生產原料來源廣，施入土壤改良效果顯著而被人們所關注。秸稈炭化后具有較大的孔隙度和比表面積，有較強的離子交換性能，且富含化學反應性官能團，能夠改善土壤理化性質，提高肥料利用效率，進而增加作物產量[3-6]。

土壤微生物作為土壤中活的生物體，對環境變化敏感，能夠較早地指示出生態系統功能的變化[7]。生物炭由于自身特性(材料來源、熱解溫度和時間等)、不同施用量、土壤質地肥力、不同作物等因素的差異導致對土壤微生物的影響差異較大[8]，其中不同生物炭的添加量對土壤微生物有一定的影響。陳心想等[9]研究表明，隨著廢棄果樹枝干條制成的生物炭施用量增加，土壤三大類微生物的數量、土壤脲酶和過氧化氫酶活性顯著增加。谷思玉等[10]研究表明玉米秸稈生物炭處理提高了成熟期大豆根際土壤中細菌和放線菌數量，真菌數量減少；且促進了土壤中蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶的活性，尤其生物炭用量在900～1 200 kg·hm-2時，酶的活性最高。添加不同量木炭(0、5 000、25 000 kg·hm-2，600℃)的室內培養試驗表明[11]，高用量生物炭處理較對照顯著降低了微生物量碳。因此，適量的生物炭可增加土壤酶活性，進而提高土壤肥力和肥料利用率。

沙土是典型的干旱荒漠地帶土壤，是新疆主要農業耕作土壤之一。由于土壤顆粒粗大、土質松散、水肥易流失，潛在養分含量低，因此這類土壤宜多施有機肥、秸稈還田或綠肥，逐步改善土壤性狀[12]。目前，國內外已有關于生物炭對風沙土微域土壤環境影響的研究[13-16]，但尚無生物炭對新疆南疆沙土中土壤微生物的影響研究報道。

本文以小麥秸稈生物炭為材料，初步研究了施用不同量生物炭對新疆和田地區沙土土壤養分、微生物數量及土壤酶活性的影響。旨在確定適合沙土土壤改良的最佳生物炭施用量，為深入研究生物炭對風沙土土壤微生態環境、土壤質量提升和維持其可持續生產力提供理論依據。

1　材料與方法

1.1供試土壤與施肥處理

試驗于2011—2012年在和田地區農科所試驗田中進行。土壤類型為風沙土，砂粒、粉粒和粘粒含量分別為39.06%、54.00%和6.94%。土壤基本理化性質：pH 8.28，有機質13.49 g·kg-1，全氮0.76 g·kg-1，速效氮58.24 g·kg-1，速效磷8.28 mg·kg-1，速效鉀134.00 mg·kg-1。生物炭為河南三利新能源有限公司提供的小麥秸稈炭，特性如下：有機碳670 g·kg-1、速效磷82.2 mg·kg-1、速效鉀1 590 mg·kg-1、pH 9.9；熱解溫度350℃～550℃，裂解時間4～8 h。將生物炭磨碎并通過2 mm篩，使其混合均勻后施入大田。

按耕層土重150 000 kg·667m-2計算加入生物炭的量，試驗共設5個處理：0 kg·hm-2生物炭(CK)；22500 kg·hm-2生物炭(T1)；67 500 kg·hm-2生物炭(T2)；112 500 kg·hm-2生物炭(T3)；225 000 kg·hm-2生物炭(T4)。5個處理化肥施用量相同。每個微區面積2.0 m2，不設重復，種植模式為綠豆-冬小麥輪作。

1.2土樣的采集及測定方法

1.2.1土樣的采集于2012年8月綠豆收獲期采集以上5個土壤樣品。將每個微區分成3塊區域，每塊區域采用5點法采集耕層0～20 cm土壤樣品，混合均勻后分成兩份，一份鮮樣于4℃保存，用于測定微生物和細菌生理類群數量。另一份風干過篩后用于測定土壤養分含量和土壤酶。

1.2.2土壤pH值和養分測定待采集的土壤樣品自然風干后過2 mm篩，按照常規方法[17]進行土壤pH值和養分的測定。pH值測定采用電位法，有機碳測定采用重鉻酸鉀容量法，全氮測定采用半微量開氏法，速效氮測定采用堿解擴散法，速效磷測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀測定采用醋酸銨浸提-火焰光度法。

1.2.3土壤微生物數量測定細菌、放線菌和真菌采用稀釋平板涂抹培養計數法分析[18]。細菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基，放線菌采用改良高氏一號培養基(每300 mL培養基中加30 g·kg-1重鉻酸鉀1 mL)，真菌采用PDA培養基(每100 mL培養基加10 g·kg-1鏈霉素溶液0.3 mL)。微生物生理菌群數量均采用最大或然數法(MPN法)計數[18]。好氧性自生固氮菌采用阿須貝無氮培養基，纖維素分解菌采用赫奇遜氏培養基，氨化細菌用蛋白胨氨化培養基，亞硝化細菌用銨鹽培養基，反硝化細菌采用檸檬酸鈉培養基。

1.2.4土壤酶活性測定參照關松蔭的方法[19]：磷酸酶采用磷酸苯二鈉法；蔗糖酶采用3、5-二硝基水楊酸比色法；脲酶采用苯酚-次氯酸鈉比色法；過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法；蛋白酶采用茚三酮比色法。

1.2.5數據處理及統計分析數據采用DPS v9.50版軟件進行方差分析和相關性分析等。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)、最小顯著差數法(LSD)進行多重比較差異顯著性檢驗(P<0.05)。

2　結果與分析

2.1生物炭對沙質土壤養分含量的影響

從表1可以看出，不同生物炭施用量對沙土土壤養分含量有一定的影響。施用生物炭能顯著提高沙土土壤有機碳、速效磷(在一定施用量范圍內)和速效鉀含量。沙土土壤的pH值隨著生物炭施用量的增加而升高，但差異不顯著；其中T4處理pH值最高，為8.42。隨著生物炭施用量的增加，土壤有機碳和速效鉀含量逐漸增加，與不施生物炭的處理相比差異顯著，增幅分別為8.15%～208.75%和19.49%～55.93%；速效磷含量T1處理最大，與不施生物炭的處理相比增加了7.68%，之后隨著施用量的增加而降低，T4處理降低了10.52%。全氮含量T1處理最大，但與不施生物炭的處理相比差異不顯著，之后隨著施用量的增加而降低，T4處理降低了88.10%。速效氮含量與對照相比差異顯著，不施生物炭的土壤最高，施生物炭后呈先增加后降低趨勢，在施用量為T3處理時達到最大值63.58 mg·kg-1。可見土壤施用生物炭量在22 500～67 500 kg·hm-2范圍內，對改善沙土土壤環境，提高土壤的養分含量作用較大。

表1　不同施炭量下沙土養分含量變化

注：同列不同小寫字母為5%顯著水平。下同。

Note： Different small letters in same column represented significant differences atP<0.05. The same below.

2.2生物炭對沙質土壤微生物數量的影響

從圖1可以看出不同生物炭施用量對土壤三大類群微生物數量有一定的影響。與不施生物炭的處理相比，施用生物炭增加了土壤中細菌和放線菌數量。土壤細菌數量隨著生物炭施入量的增加呈現先上升后下降的趨勢，T2處理細菌數量最高，達到7.70×106cfu·g-1，比CK增加了63.83%。土壤放線菌數量隨著生物炭施入量的增加呈逐漸降低的趨勢，T1處理放線菌數量最高，達到4.90×105cfu·g-1，比CK提升了250.00%。土壤真菌數量隨生物炭施用量的增加呈先下降后上升的趨勢，T2處理真菌數量最少，顯著低于對照，為2.00×103cfu·g-1，降低了71.43%；T4處理真菌數量最多，為10.00×103cfu·g-1，比CK提高了42.86%。

圖1生物炭處理對沙土土壤微生物數量的影響

Fig.1Effects of biochar on populations of microorganisms in sandy soils

從圖2可以看出，不同生物炭施用量對沙土中不同微生物生理類群數量有不同影響。其中纖維素分解菌與自生固氮菌數量的變化規律相似，在一定施用量范圍內高于不施生物炭的處理，隨著生物炭施用量的增加，這兩類生理菌群數量呈現先增加后降低的趨勢，其中T3處理這兩類生理菌群數量最多， 分別比CK增加了211.11%和1 057.89%。 隨著生物炭施用量的增加， 氨化細菌、亞硝化細菌和反硝化細菌數量均呈先上升后下降再上升的波浪式起伏趨勢， 其中T4處理這3類菌群數量最高， 分別比不施生物炭的處理高837.50%、900.00%和1 900.00%。

圖2生物炭對沙土土壤生理菌群數量的影響

Fig.2Effects of biochar on bacterial physiological gropes in sandy soils

2.3生物炭對沙質土壤酶活性的影響

不同生物炭施用量對沙土土壤酶活性也有一定的影響(表2)。施用生物炭明顯增加了蔗糖酶活性，且隨著施用量的增加呈先上升后下降趨勢，T3處理蔗糖酶活性最大，比對照顯著增加了80.04%；蛋白酶活性除T2處理低于不施生物炭的對照外，其余均顯著高于對照，且呈先下降再上升的趨勢，T4處理比對照增加了15.12%；過氧化氫酶活性隨生物炭施用量的增加，呈先上升后下降趨勢，但僅T2處理過氧化氫酶活性比對照增加了4.76%，其余均低于對照；脲酶活性與對照差異不顯著；磷酸酶活性呈下降-上升-下降趨勢，且與對照差異不顯著。因此土壤中添加生物炭能促進土壤中蔗糖酶、過氧化氫酶和蛋白酶的活性，尤其以添加67 500～112 500 kg·hm-2的生物炭酶活性最高。因此適量的生物炭可增加土壤酶活性，進而提高土壤肥力和肥料利用率。

2.4土壤養分與土壤微生物及酶活性的相關性

表3表明，向沙土中加入生物炭后土壤養分與土壤微生物及土壤酶活性間仍存在一定的相關性。其中，pH值與細菌、氨化細菌、過氧化氫酶、脲酶、蛋白酶和過氧化氫酶呈顯著負相關；有機質與亞硝化細菌呈極顯著正相關，與脲酶呈顯著負相關；全氮與蔗糖酶呈顯著負相關；速效氮與細菌、放線菌呈顯著負相關；速效磷與脲酶呈極顯著正相關，與細菌、反硝化細菌、過氧化氫酶呈顯著正相關，與亞硝化細菌呈顯著負相關；速效鉀與亞硝化細菌、反硝化細菌呈顯著正相關。由此可以看出不同生物炭施用量條件下，土壤養分對細菌、亞硝化細菌、反硝化細菌、土壤酶(磷酸酶除外)的影響明顯。

表2　生物炭對沙土土壤酶活性的影響

表3　土壤微生物、酶活性與養分相關性分析

注：**代表相關性達到極顯著性水平，P<0.01；*代表相關性達到顯著性水平，P<0.05。

Note：** significant atP<0.01；* significant atP<0.05.

3　結論與討論

生物炭可以通過對營養物質的吸附改善土壤環境[20]；改變土壤中生物群落的組成和豐度[21]，影響營養物質的循環以及土壤結構，進而間接影響作物產量[22]。

生物炭可以提高土壤養分含量。一方面生物炭的組成元素主要為碳、氫、氧、氮等，此外P、K、Na、Ca、Mg等離子的含量也較高[23]，這些營養成分進入土壤后可提高土壤中養分的含量；同時由于生物炭較小的密度，較大的比表面積及含有大量的含氧官能團等，加入土壤中可以減少土壤的容重、增加土壤的pH值、孔隙度和田間持水量，這些特性與生物炭改善土壤理化性質有一定的聯系，可提高對養分的吸附能力和生物有效性[24-25]。本研究表明生物炭的施用提高了沙土土壤pH值，且隨著施用量的增加，pH值逐漸升高。Tammeorg等[26]研究表明，生物炭明顯增加了沙土中碳和鉀的含量，但沒有提高產量和氮含量。本研究顯示隨著生物炭施用量的增加，土壤有機碳和速效鉀含量逐漸增加，但全氮和速效磷含量則呈現先增加后下降的趨勢。

土壤中的特殊功能菌如根瘤菌、硝化細菌等對生物炭的施加更敏感。韓光明的研究表明，添加生物炭處理菠菜根際氨化細菌、好氧自生固氮菌和反硝化細菌數量得到顯著提高，但不同生物炭用量，其數量有所差異，這說明適量的生物質炭對促進氮代謝微生物的活性，提高根部的生物固氮能力，降低土壤中亞硝酸鹽的含量可能具有一定作用[29]。本研究表明生物炭的施用總體上改變了土壤中不同生理菌群的數量，但作用效果隨著施用量的增加纖維素分解菌和自生固氮菌數量呈先升后降的趨勢，其余沒有明顯的規律性。

綜上所述，生物炭可以有效改善沙土土壤微生態環境，使其向有利于植株生長的方向轉化。當土壤中生物炭用量在67 500 kg·hm-2時，對土壤中養分含量、微生物數量和土壤酶活性有較好的促進作用。但由于生物炭偏堿性，在酸性土壤上有較好的改良效果，但新疆的土壤多為堿性土壤，已有研究表明，即使在干旱區堿性土壤上，生物炭在短期也有顯著效果[16,32]。同時生物炭對土壤微生態的影響還與原材料、加工工藝、施用量以及土壤性質等有關，沙土土壤微生物區系和土壤酶對生物炭的響應機制還有待進一步研究。

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Effects of biochar application amount on microbial flora and soil enzyme activities in sandy soil of Xinjiang

GU Mei-ying1, GE Chun-hui2, MA Hai-gang2, TANG Guang-mu2, ZHANG Zhi-dong1, XU Wan-li2

(1.InstituteofMicrobiology,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences/XinjiangLaboratoryofSpecialEnvironmentalMicrobiologyKeyLaboratoryofNutrientandWaterResourcesEfficientUtilizationofOasis,Urumqi,Xinjiang830091China;2.InstituteofSoilandFertilizerandAgriculturalSparingWater,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi,Xinjiang830091,China)

In order to assess the potential of biochar application to sandy soil, a two-year bean-wheat rotation plot field experiment was conducted in Hetian, Xinjiang Province. Through analyzing the amount of soil culturable microorganisms, the number of bacterial physiological groups and soil enzyme activities, and the influence of difference biochar application amount on sandy soil microbial flora and soil enzyme were studied. The experiment was designed to have five treatments in biochar application rates, including 0 kg·hm-2(CK), 22 500 kg·hm-2, 67 500 kg·hm-2, 112 500 kg·hm-2and 225 000 kg·hm-2of biochar application. Results showed that application of 22 500～67 500 kg·hm-2biochar could significantly improve content of OM, available P, and available K. In addition, the number of bacteria and actinomycetes by applications of different amounts of biochar soils were increased first and then became decreased. The number of bacteria with application of 67 500 kg·hm-2biochar was increased by 63.83%. The number of actinomycetes with application of 22 500 kg·hm-2biochar was increased by 250.00%. The number of fungi was decreased first and then increased. The number of fungi with application of 67 500 kg·hm-2biochar was decreased by 71.43%. Furthermore, the numbers of cytophaga and azotobacter with applications of different amounts of biochar soils were increased first and then decreased. The number of bacteria with application of 112500 kg·hm-2biochar was increased by 211.11% and 1 057.89%, respectively. Also, invertase, catalase and protease activities with applications of 67 500～112 500 kg·hm-2biochar were the highest. Correlation analysis also showed that soil nutrition and bacteria, nitrifying bacteria, denitrifying bacteria, soil enzyme activities (except for phosphatase) were related closely. The results showed that biochar at 67 500 kg·hm-2caused the greatest effects in increasing soil nutrient contents, improving the number of microbial community and enhancing soil enzyme activities supply in sandy soil.

biochar; microbial flora; soil enzyme; sandy soil

1000-7601(2016)04-0225-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.04.34

2015-07-10

國家自然科學基金(31460148, 41161055, 41261059)；新疆維吾爾自治區科技支撐計劃項目(201431108)；自治區公益性科研院所基本科研業務經費(ky2012059)

顧美英(1974—)，女，江蘇無錫人，副研究員，主要從事土壤微生物生態方面的研究。E-mail：gmyxj2008@163.com。

徐萬里(1971—)，男，陜西寶雞人，研究員，主要從事農業廢棄物資源化利用方面的研究。E-mail：wlxu2005@163.com。

X172；S182

A