生物質碳對設施西芹根際微生物及土壤酶活性的影響

楊冬艷，王學梅，馮海萍，謝 華

（寧夏農林科學院種質資源研究所，寧夏 銀川 750002）

生物質碳對設施西芹根際微生物及土壤酶活性的影響

楊冬艷，王學梅，馮海萍，謝 華

（寧夏農林科學院種質資源研究所，寧夏 銀川 750002）

施用生物質炭是提高作物產量和改善土壤質量的有效措施。研究了不同用量的生物質炭對寧夏設施土壤微生物環境及酶活性的影響，結果表明：生物質炭能增加土壤中細菌、真菌和放線菌、微生物量N、C的含量，且在西芹定植期反應敏感，比較定植時期各指標隸屬函數發現，TR2生物炭用量在西芹定植時期優化土壤環境效果最佳，利于西芹的生長，因而產量最高；西芹收獲時，各處理的隸屬函數值均高于對照，以TR5土壤綜合理化性狀更優，但TR5在苗期綜合表現不佳，產量較低，說明高用量的生物炭在使用初期或有抑制作用，因此在寧夏設施中使用生物質炭建議用量為4 500～6 750 kg/hm2。

生物質炭；設施土壤；土壤微生物；土壤酶

生物質炭（biochar）是生物有機材料在無氧或者限氧狀態下高溫裂解分離可燃氣后剩余炭化的含碳豐富的固態產品［1］。近年來，生物質炭作為土壤改良劑、肥料緩釋載體及碳封存劑備受重視，研究表明，生物質炭富含有機碳，可以增加土壤有機碳［2］、土壤有機質［3］或腐殖質含量，從而可提高土壤的養分吸持容量及持水容量［4-5］；生物炭具有離子吸附交換能力及一定吸附容量，其可改善土壤的陽離子或陰離子交換量，提高土壤的保肥能力［6］；生物炭具有高的吸附能力、陽離子交換量（CEC）及化學反應性，可作為肥料緩釋載體，延緩肥料養分在土壤中的釋放，降低肥料養分的淋失及固定等損失，提高肥料養分利用率［7-8］；生物炭的孔隙結構及水肥吸附作用使其成為土壤微生物的良好棲息環境，為土壤有益微生物提供保護，特別是菌根真菌，促進有益微生物繁殖及活性，增強泡囊叢枝菌根菌（VAM）對植物的侵染［9-11］；生物炭可作為微生物肥料接種菌的載體，增加接種菌在土壤中存活率及對植物的侵染［8，12-13］。由于生物質炭具有高度穩定性和較強的吸附性能，被視為增加土壤碳截留、改善土壤質量和提高氮肥利用效率的潛在有效措施。

近年來，隨著寧夏設施農業的發展和栽培年限的延長，設施內特殊的環境特點、周年密集多茬次的栽培，水肥的過量投入，尤其是茄果類、瓜類蔬菜的長期連作，使得土壤得不到有效的休整和恢復，出現土壤次生鹽漬化加重、土壤與地下水硝態氮明顯累積、養分不平衡、土傳病蟲害加重、土壤生物學性質變劣、連作障礙明顯等問題［14］，影響到寧夏設施蔬菜產業的健康和可持續發展，導致設施土壤連作障礙的因素中，因連作導致的土壤中微生物區系及酶活性改變［15］，是造成作物生育障礙的重要因素之一，因此本研究通過在種植5年（連作11茬）的日光溫室內，添加不同用量的生物質炭，探討生物炭對設施土壤中酶活性、西芹根際微生物數量的影響，以期為生物炭在設施土壤中的合理運用提供參考，并為農業廢棄物資源化利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用的生物質炭以稻殼制備而成，其理化性質為：pH7.78，電導率847 ms/cm，有機質52.09 g/kg，全氮4.88 g/kg，全磷0.83 g/kg，全鉀15.98 g/kg，速效氮4.6 g/kg，速效磷162 g/kg，速效鉀9 600 g/kg。供試作物品種為皇后”西芹，由寧夏嘉禾源種苗有限公司提供。

1.2 試驗方法

試驗在寧夏吳忠國家農業科技園區內進行，日光溫室建于2009年，已種植5年11茬，試驗設生物質炭用量2 250 kg/hm2（TR1）、4 500 kg/hm2（TR2）、6 750 kg/hm2（TR3）、9 000 kg/hm2（TR4）、13 500 kg/hm2（TR5）及空白對照6個處理，3次重復，隨機排列，小區面積20 m2，每個小區均施尿素0.9 kg、過磷酸鈣1 kg、硫酸鉀0.4 kg，生物炭、過磷酸鈣和硫酸鉀均勻撒到地面，翻勻作底肥，每隔2 m起小壟。西芹于2014年10月20日定植，株行距為15 cm×25 cm，全生育期澆水6次。

1.3 土樣采集與分析

分別于西芹定植10 d后（2014年10月30日）、收獲后（2015年2月20日）按多點法采集西芹根際0～20 cm的土樣，混勻后過2 mm篩，保存于4℃冰箱，進行細菌、真菌、放線菌、微生物量碳氮的測定；待土樣風干后過1 mm篩，用于土壤全氮、全炭和酶活性的測定。

細菌培養采用牛肉膏蛋白胨選擇性培養基，真菌培養采用馬丁孟加拉紅-鏈霉素選擇性培養基，放線菌培養采用改良高氏一號培養基，稀釋平板法計數［16］；土壤全氮采用半微量凱氏定氮法測量，有機質采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定，微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提-容量分析法測定，微生物量氮采用氯仿熏蒸-茚三酮比色法測定［17］。土壤脲酶采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定；土壤蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定；土壤纖維素酶采用1%羧甲基纖維素鈉浸提，3，5-二硝基水楊酸比色法測定［18-19］。

1.4 數據處理

試驗數據采用DPS軟件進行Duncan’s多重比較差異顯著性。隸屬函數值X（μ）=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin），X為指標測定值，Xmax 為所有處理該指標的最大值，Xmin 為所有處理該指標的最小值。指標有細菌、真菌、放線菌數量、微生物量C、微生物量N、土壤C、土壤N、脲酶、蔗糖酶和纖維素酶活性。變異系數=（標準差 /平均值）×100。

2 結果與分析

2.1 不同用量生物炭對土壤微生物數量的影響

由圖1可知，在西芹定植初期和收獲期，TR1、TR2、TR3、TR4的土壤細菌數量顯著高于對照，其中TR4最多，而TR5的土壤細菌數量則低于（定植期）或與對照沒有顯著差異（收獲期）；生物炭的一些物理特性會對微生物豐度有影響，細菌能夠吸附到生物炭的表面，使它們不易受土壤淋洗的影響［20］，從而增加了土壤中細菌的數量，但試驗發現，用量超過9 000 kg/hm2（TR4）時，會降低土壤細菌的數量；在西芹定植初期，TR1、TR2、TR3的土壤真菌數量顯著增加，放線菌數量與對照相比顯著下降，而TR4、TR5則相反，說明TR3用量（6 750 kg/hm2）對于定植初期土壤真菌和放線菌的影響是一個節點，到收獲時土壤真菌與細菌的數量變化幅度較小，以TR5真菌、細菌均較高。

圖1 不同用量生物質炭對土壤細菌、真菌、放線菌數量的影響

2.2 不同用量生物質炭對土壤微生物量C、N的影響

圖2 不同用量生物質碳對設施土壤微生物量碳氮的影響

土壤微生物生物量C在土壤有機質中僅占很小一部分，但所起的作用較大，通常被視為土壤活性有機質部分，是表征土壤肥力特征和土壤生態系統中物質和能量流動的一個重要參數［21］。由圖2可知，在生物炭使用初期（緩苗期），處理的土壤微生物量C均高于對照，其中TR1、TR2、TR3的土壤微生物量C顯著高于TR4、TR5，但在收獲期TR4和TR5的土壤微生物量N顯著高于TR1、TR2、TR3，說明添加超過TR3用量的生物質炭引起設施西芹土壤的微生物量C含量不同的反應； TR1、TR2的土壤微生物量N在西芹定植和收獲時期與對照均沒有顯著差異，當生物質炭添加量達到TR3（6 750 kg/hm2）用量時，土壤微生物量N在西芹定植和收獲時期顯著高于對照，且在定植期升高幅度更大。TR1、TR2、TR3的土壤微生物量C/N在添加初期（西芹定植期）顯著高于對照，TR4、TR5的土壤微生物量C/N與對照沒有顯著差異，到西芹收獲時，不同處理的土壤微生物量C/N與定植期時期的反應相反，TR4、TR5的土壤微生物量C/N顯著高于對照。

2.3 不同用量生物質炭對土壤全碳、全氮的影響

由圖3可知，在西芹定植初期，添加生物炭處理能夠顯著增加土壤全碳含量，其中以TR2土壤全碳含量最高，達到15.26 g/kg，比對照高19.28%，差異顯著；而對于土壤全氮的影響只有TR2增高顯著，因此，其他處理的土壤C/N在西芹定植期均顯著高于對照，TR2的土壤C/N則與對照沒有顯著差異，到西芹收獲時，只有TR1、TR2顯著增加了土壤全碳的含量，TR3、TR4與對照沒有差異，TR5甚至降低了土壤全碳的含量，同時，TR1、TR2提高了土壤全氮的含量，其他處理與對照沒有差異，反應到土壤C/N時，與定植時期相反，只有TR2顯著增加了土壤C/N，其他處理與對照沒有顯著差異。

圖3 不同用量生物質碳對設施土壤全氮、全碳、C/N的影響

2.4 不同用量生物炭對土壤酶活性的影響

在西芹定植期，TR1、TR2、TR3、TR4的脲酶、蔗糖酶活性均與對照沒有顯著差異，TR5則分別比對照低1.16%、10.05%；到西芹收獲時，除TR3脲酶活性比對照高14.35%外，其他處理與對照沒有顯著差異，此時各處理的蔗糖酶活性則顯著高于對照，且生物炭用量越多，蔗糖酶活性越高，說明添加超過TR4用量生物炭時，會降低定植時期土壤脲酶活性，但會增加收獲時期的蔗糖酶的活性。不同處理的纖維素酶在西芹定植和收獲時沒有顯著差異，除TR2和TR3的纖維素酶分別比對照低5.7%和14.95%外，其他處理與對照沒有顯著差異。

2.5 不同用量生物質炭對西芹產量的影響

圖4 不同用量生物質炭對設施土壤脲酶、蔗糖酶和纖維素酶活性的影響

從西芹單株產量來看，TR1與對照沒有顯著差異，TR2～TR5顯著高于對照，但處理間沒有顯著差異；從小區產量來看，TR1～TR5均高于對照，其中以TR2產量最高，比對照高14.21%，差異顯著，其他處理增產幅度在10%以下。

表1 不同用量生物質炭對西芹產量的影響

3 結論與討論

韓光明等［22］研究表明，設施土壤中添加生物炭能夠極顯著提高土壤細菌、真菌和放線菌的數量及微生物量C；特別是細菌中的氨化細菌、好氧自生固氮菌 和反硝化細菌的數量得到顯著提高。王曉輝等［23］發現添加生物炭還可以顯著增加土壤中氨氧化古菌與氨氧化細菌和nirK 基因型反硝化細菌的豐度，提高土壤的硝化潛勢。本試驗中，使用生物炭后對于微生物數量的影響與調查時期顯著相關，生物炭施用10 d和110 d后，微生物數量差異顯著，計算變異系數發現，在生物炭使用初期，土壤中放線菌對生物炭的用量反應敏感，而到西芹收獲期，細菌的變化幅度更大一些。施用生物炭能夠顯著增加土壤微生物量C，其中施用初期以TR3土壤微生物量C含量最高，西芹收獲時TR5最高，超過TR3用量時，土壤微生物量N在西芹生育期均增加。在西芹定植初期，添加生物炭處理能夠顯著增加土壤全碳含量，其中以TR2土壤全碳含量最高，而對于土壤全氮的影響只有TR2達到顯著增高，因此，其他處理的土壤C/N在西芹定植期均顯著高于對照，TR2的土壤C/N則與對照沒有顯著差異，到西芹收獲時，只有TR1、TR2顯著增加了土壤全碳的含量。

本試驗結果表明，施用生物質炭對設施西芹生長期間的土壤纖維素酶活性影響幅度較小，蔗糖酶和脲酶的活性在西芹定植期均顯著高于收獲期，生物炭用量在2 250～9 000 kg/hm2之間，土壤脲酶與對照沒有顯著差異，用量超過9 000 kg/hm2（TR4）時，土壤脲酶活性顯著下降，蔗糖酶則是隨生物炭用量的增加，活性顯著上升。

生物炭對于設施土壤微生物環境有顯著的影響，在西芹定植期，西芹根系開始生長，土壤環境對于作物的影響有重要的作用，直接影響西芹的生長發育，比較定植時期各指標隸屬函數發現，TR2生物炭用量對西芹定植時期優化土壤生物環境效果最佳，有助于西芹的生長，產量最高，到西芹收獲時，雖然TR5的土壤綜合理化性狀更優，但定植前期或有抑制作用可能不利于西芹生長，因而產量較低，表明生物炭的使用并非越多越好。潘杰等［24］使用棉花秸稈燒制成的生物質炭在設施土壤施用研究結果表明，生物炭能夠降低土壤容重，增加土壤含鹽量，提高土壤有機碳和速效鉀含量，低量（7.5 t/hm2）生物黑炭，對蔬菜產量影響不大或有提高作用，但高量生物黑炭會造成蔬菜減產；張萬杰等［25］研究表明施用生物炭與氮肥配施可以提高菠菜產量，明顯增加氮肥當季利用效率。本試驗條件下，施用生物炭4.5 t/hm2時西芹產量最高，超過4.5 t/hm2對西芹產量影響不大。生物炭對于設施蔬菜產量的影響因試驗土壤特征、環境條件的不盡一致，生物炭適宜用量有所差異，但不同作物試驗結果表明，生物炭的使用量不宜過高。

［1］ 潘根興，張阿鳳，鄒建文，等. 農業廢棄物生物黑炭轉化還田作為低碳農業途徑的探討［J］.生態與農村環境學報，2010，26（4）：394-400.

［2］ Zwieten L Van，Kimber S，Morris S，et al. Effects of biocharfrom slow pyrolysis of papermill waste on agronomicperformance and soil fertility［J］. Plant and Soil，2010，327（1/2）：235-246.

［3］ Kimetu J M，Lehmann J. Stability and stabilisation of biocharand green manure insoil with different organic carboncontents［J］. Australian Journal of Soil Research，2010，48（7）：577-585.

［4］ Lehmann J，Gaunt J，Rondon M. Bio-char sequestration interrestrial ecosystems-a review［J］. Mitigation and AdaptationStrategies for Global Change，2006，11：403-427.

［5］ Steiner C，Glaser B，Teixeira W G，et al. Nitrogen retentionand plant uptake on a highly weathered central Amazonian Ferrasol amended with compost and charcoal［J］. J Plant NutrSoilSci，2008，171（6）：893-899.

［6］ Liang B，Lehmann J，Solomon D，et al. Black carbonincreasescation exchange capacity in soils［J］. Soil SciSocAm J，2006，70（5）：1719-1730.

［7］ 鐘雪梅，朱義年，劉杰，等. 竹炭包膜對肥料氮淋溶和有效性的影響［J］. 農業環境科學學報，2006，25（S）：154-157.

［8］ Magrini-Bair K A，Czernik S，Pilath H M，et al. Biomassderived，carbon sequestering，designed fertilizers［J］. Annals of Environmental Science，2009，3：217-225.

［9］ Steinbeiss S，Gleixner G，Antonietti M. Effect of biocharamendment on soil carbon balance and soil microbial activity［J］. Soil Biology & Biochemistry，2009，41（6）：1301-1310.

［10］ Yoshizawa S，Tanaka S. Acceleration of composting of foodgarbage and livestock waste by addition of biomass charcoalpowder［R］. Asian Environmental Research，2008，1：45-50.

［11］ Ogawa M. Symbiosis of people and nature in the tropics［J］. Farming Japan，1994，28（5）：10-34.

［12］ Singh B，Kaur R，Singh K. Characterization of rhizobiumstrain isolated from the roots of Trigonellafoenumgraecum（fenugreek）［J］. African Journal of Biotechnology，2008，7（20）：3671-3676.

［13］ Solaiman M Z，Blackwell P，Storer P，et al. Use of briochemineral fertilizers and microbes for sustainable cropproduction［R］. Western Mineral Fertilizer，Update，2008：12.

［14］ 楊冬艷，郭文忠，張麗娟，等. 寧夏設施蔬菜土壤環境生物調控的實踐與理論［J］. 寧夏農林科技，2014了，55（12）：33-35.

［15］ Yin B，Crowley D，Sparovek G，et al. Bacterial functional redundancy along a soil reclamation gradient. Applied and Environmental Microbiology，2000，66：4361-4365.

［16］ 李阜棣，喻子牛，何紹江. 農業微生物學實驗技術［M］. 北京：中國農業出版社，1996.

［17］ 鮑士旦. 土壤農化分析［M］. 北京：中國農業出版社，1999.

［18］ 關松蔭. 土壤酶及其研究方法［M］. 北京：農業出版社，1986.

［19］ 周禮愷. 土壤酶學［M］. 北京：科學出版社，1987.

［20］ Pietikinen J，Kiikkil O，Fritze H. Charcoal as a habitatfor microbes and its effect on the microbial communityof the underlying humus［J］. Oikos，2000，89：231-242.

［21］ 黎榮彬. 土壤微生物生物量碳研究進展［J］. 廣東林業科技，2008，24（6）：65-69.

［22］ 韓光明，孟軍，曹婷，等. 生物炭對菠菜根際微生物及土壤理化性質的影響［J］. 沈陽農業大學學報，2012，43（5）：515-520.

［23］ 王曉輝，郭光霞，鄭瑞倫，等. 生物炭對設施退化土壤氮相關功能微生物 群落豐度的影響［J］. 土壤學報，2013，50（3）：624-631.

［24］ 潘潔，肖輝，程文娟，等. 生物黑炭對設施土壤理化性質及蔬菜產量的影響［J］. 中國農學通報，2013，29（31）：174-178.

［25］ 張萬杰，李志芳，張慶忠，等. 生物質炭和氮肥配施對菠菜產量和硝酸鹽含量的影響［J］. 農業環境科學學報，2011，30（10）：1946-1952.

（責任編輯 鄒移光）

Effect of biochar on rhizosphere microorganisms and soil enzyme activity of western celery in greenhouse

YANG Dong-yan，WANG Xue-mei，FENG Hai-ping，XIE Hua
（Institute of Germplasm Resources，Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Science，Yinchuan 750002，China）

Application of biochar has an important role in improvement of crop yield and soil quality. The effects of biochar on soil microorganisms environment and soil enzyme in Ningxia greenhouse were investigated by appling different amounts of biochar，for providing a scientific basis for the addition of biochar in greenhouse soil. Results showed that the bacteria，fungi and actinomycetes，the content of microbial biomass N and microbial biomass C in soil increased by biochar. Different indicators were affected by the amount of biochar，which were sensitive during the transplanting date of western celery. The membership functions of different indicators were compared. In TR2 treatment，the optimization results of soil environment were the best，and the production of western celery were the highest. The membership functions of different conducts were higher than that of the control， when the western celery were harvested. The comprehensive physical and chemical characters of soil were better in TR5 treatment，but the comprehensive representation was not good enough and the production increase were lower. The high amount of biochar might have hibitory effect of cope at the beginning，so the recommended amount of biochar was 4 500 kg/hm2-6 750 kg/hm2in Ningxia greenhouse.

biochar；greenhouse soil；soil microorganisms；soil enzyme

S154

A

1004-874X（2017）01-0082-06

2016-11-05

寧夏對外合作項目（2013ZYH075）；國家大宗蔬菜產業技術體系（CARS-22-02）

楊冬艷（1977-），女，碩士，副研究員，E-mail：yangdongyan2000@163.com

楊冬艷，王學梅，馮海萍，等.生物質碳對設施西芹根際微生物及土壤酶活性的影響［J］.廣東農業科學，2017，44（1）：82-87.