生物炭與氮肥配比對土壤微生物特性和紅棗產量的影響

江 立

（南陽市河口灌區管理局，河南 南陽473012）

0 引 言

【研究意義】紅棗是華北平原特色產業之一，產量約占全國的60%左右，對華北地區經濟和生態效益意義重大[1]。紅棗產業的快速發展，過量施用化肥或少施有機肥等導致土壤肥力下降，土壤板結，造成了作物產量下降及紅棗甜度降低口感不佳等品質問題，影響了紅棗產業的發展[2]。如何提高肥料利用率，尋求經濟有效的施肥措施，是紅棗生產中亟待解決的主要問題。

中國每年因焚燒小麥、玉米、水稻、花生等作物秸稈造成的資源浪費約2 億t，不僅造成了資源浪費且引起了嚴重的環境污染（其釋放氣體是最重要的污染源之一）[2]。因此，利用農業廢棄物制成生物炭技術，在避免資源浪費、減少環境污染的同時，成了土壤質量改良和提升作物生產力方面的一種有效、可靠的途徑[3-4]?！狙芯窟M展】生物炭與化學肥料配施不但可以提高土壤有機質、有效磷等土壤養分量，還能減少養分淋失，延緩養分的釋放。同時，生物炭的施入優化了微生物的生長環境，使土壤酶的活性（如脲酶、蔗糖酶）增強且一定程度上改變了土壤微生物群落結構[4-5]。生物炭通過提供和貯存營養元素及改變土壤的理化及微生物性質來間接影響作物生長發育，提高土壤肥力[5-8]。生物炭的施入降低了土壤肥力、碳庫存潛力等[9-10]，這些結果的差異與土壤類型、生物炭原材料、施用量等密切相關。【切入點】生物炭技術的發展為農林廢棄物高效利用提供了有效途徑和可靠技術，因此如何因地制宜確定具體措施，尋求最佳培肥模式，仍需要在不同地區結合當地農業生產實際開展深入研究。

研究土壤肥力的維持機制，必須重視土壤微生物在土壤養分循環過程中的作用及其對不同培肥的響應。土壤微生物能指示土壤環境變化[11-12]。土壤酶對土壤物質循環和能量代謝起著重要的催化作用，其活性可作為衡量土壤質量變化的敏感指標[13-14]。微生物數量及群落比例通常也被看作衡量農田質量的重要指標之一[15]。【擬解決的關鍵問題】因此，本試驗研究了生物炭與氮肥不同配比對土壤微生物學性質及作物產量的影響，尋求合理的配比施肥量，以期為紅棗高效、優質栽培和合理施肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年5月―2018年10月在河南省安陽市內黃縣后河鎮（114°45′ E，35°47′ N）進行。氣候屬典型的溫帶大陸性氣候，四季分明。年平均日照時間為2 188.8 h，年平均氣溫13.7 ℃，年平均降水596.7 mm，無霜期為200 d。供試土壤類型為砂壤性潮土，0～20 cm土層土壤pH值為8.25、有機質量為11.81 mg/kg、全氮量為0.76 mg/kg、速效磷量為21.87 mg/kg、速效鉀量為101.41 mg/kg。

1.2 供試材料

選取樹齡為10 a的扁核酸（Ziziphus jujube Mill.）為供試品種。栽植密度為2 m×3 m，設置保護行。研究所用生物炭原料為小麥秸稈，購于河南商丘三利新能源有限公司，生產設備采用連續豎式生物質炭化爐，炭化溫度為500 ℃。生產的生物黑炭磨細過1 mm 篩備用，總碳、總氮、總磷、總鉀質量分數分別為625.84、5.24、0.89、44.24 g/kg，陽離子交換量為33.60 cmol/kg。

1.3 試驗設計

采用隨機區組設計，設生物炭用量10、20 和30 t/hm23 個水平（即B10、B20和B30）、氮肥用量300和400 kg/hm22 個水平（N300和N400），加上CK、單施氮肥或生物炭共計12 個處理。每個小區6 棵樹，面積為36 m2，每個處理重復3 次，具體施肥量詳見表1。施肥方式：沿棗樹四周開溝施入，深度大約30 cm。于2017 年4 月一次性施入各用量生物炭，第2年不再施入。化肥種類為N（尿素 46%），其中75%作為基肥施入，25%在7 月中旬作為追肥施入。每個處理肥料施用量P（過磷酸鈣，P2O5量為16%）300 kg/hm2，K（硫酸鉀，K2O 量為45%）300 kg/hm2每季一次性隨氮肥用相同方式施入。

表1 試驗設計 Table 1 Treatment design

1.4 樣品采集及測定

于2018 年10 月紅棗采收后，避開施肥點采集0～20 cm 耕層土壤樣品，每個處理取6 個采樣點混為一個土樣。剔除其中的石塊、根系等雜物，過直徑2 mm 篩混勻，放于4 ℃冰箱保存，1 周內進行酶活性和微生物數量的測定。

土壤酶活的方法參照關松蔭[16]相關方法：過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定，以單位土質量消耗的0.1 mol/L KMNO4體積數表示；脲酶采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定，以干土在單位時間內產生的NH3-N 的毫克數來表示；蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，以單位質量烘干土在單位時間內產生的葡萄糖的毫克數表示。

土壤微生物的數量通過平板計數法計算[17]：細菌數量采用牛肉膏蛋白胨培養基、真菌數量采用馬丁氏培養基、放線菌數量采用高氏一號培養基。

紅棗產量分別于2017 年10 月和2018 年10 月初紅棗成熟后采收，采用單株單收，計算單株產量換算為總產量。

1.5 試驗數據處理

試驗數據 SPSS17.0（SPSS Inc.,Chicago,IL, Version 17）統計軟件進行方差分析和多重比較LSD法（Least significant difference）。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤酶活性的影響

由表2 可知，生物炭與氮肥不同配比對土壤酶活性有不同程度的影響。生物炭用量、施氮水平及二者交互作用均對土壤酶活性有極顯著影響（P<0.01）。隨著生物炭和氮肥的施入，過氧化氫酶活性顯著高于CK（P<0.05），其中以B30N400處理的土壤過氧化氫酶活性最高，比CK 顯著提高93.9%。

在低用量生物炭條件下（10 t/hm2），隨著氮肥的增加，脲酶活性與CK 無顯著差異。中、高用量生物炭條件下，土壤脲酶活性顯著高于CK。B30N400處理的土壤脲酶活性最高，較CK 顯著提高71.4%。與CK 相比，生物炭和氮肥的配合施用，提高了土壤蔗糖酶活性，且各處理間差異顯著（P<0.05）。同一生物炭用量情況下，蔗糖酶活性隨氮肥用量的增加而降低但仍顯著高于CK。其中以B30N300處理的土壤蔗糖酶活性最高，B20N300處理次之，分別較CK 顯著提高42.7%和39.1%。

2.2 不同處理對土壤微生物數量的影響

生物炭和氮肥不同配比條件下，土壤微生物數量的變化如表2 所示。由表2 可知，生物炭用量、施氮水平及二者的交互作用均對土壤微生物數量有極顯著影響（P<0.01）。與CK 相比，除B30N300處理外，細菌數量隨生物炭和氮肥用量的增加而增加，各處理間差異顯著（P<0.05）。其中以B30N400處理的土壤細菌數量最多，較CK 顯著提高了254.1%。

表2 生物炭（BC）與氮（N）肥不同處理下土壤酶活性和微生物數量 Table 2 Soil enzyme activities and microbial population under different biochar and nitrogen fertilizer amendments

各施肥處理條件下，土壤放線菌數量均高于CK，處理間差異顯著（P<0.05），且土壤放線菌隨著生物炭和氮肥用量的增加而增加。土壤放線菌數量較CK顯著提高了49.5%～97.5%。中、高生物炭用量下，真菌數量隨氮肥用量的增加而增加，其中以B30N400處理中真菌數量最多，B30N300處理次之，分別較CK顯著提高了54.1%和34.2%。

2.3 不同處理對紅棗產量的影響

生物炭與氮肥不同配比條件對紅棗產量的影響如表3 所示。由表3 可知，生物炭和氮肥施入對扁核酸紅棗的產量均有不同程度的影響。2017 年，與CK相比，生物炭用量、施氮水平以及生物炭與氮肥的交互作用均對扁核酸紅棗產量無極顯著影響（P<0.01）。

所有施肥處理中，以B30N300處理的扁核酸紅棗產量最高，較CK 顯著提高27.5%（P<0.05）。2018年與CK 相比，生物炭用量、施氮水平以及生物炭與氮肥的交互作用均對扁核酸紅棗產量有極顯著影響。隨著生物炭和氮肥的配合施用，紅棗產量總體上表現出隨生物炭和氮肥用量的增加而增加的趨勢。其中以B30N300處理的扁核酸紅棗產量最高，B30N400處理次之，二者分別較CK 顯著提高了29.5%和25.5%。經過2 a 配合施肥，扁核酸紅棗產量較CK 均有不同程度提高，其中以B30N300處理的扁核酸紅棗平均產量最高，B30N400處理次之，二者分別較CK 顯著提高了28.5%和25.9%。

表3 生物炭與氮肥不同配比條件下紅棗產量 Table 3 Jujube yields under different biochar and nitrogen fertilizer amendments

2.4 土壤酶活性與微生物數量的相關性分析

表4 為土壤酶活性與微生物數量的相關性分析結果。從表4 可以看出，土壤酶活性與微生物數量呈極顯著正相關（P<0.01）。過氧化氫酶與土壤細菌呈極顯著正相關（r 為0.953，P<0.01），與放線菌、真菌數量極顯著正相關（r 分別為0.917、0.899，P<0.01）。土壤脲酶和蔗糖酶活性也均與土壤細菌、放線菌、真菌數量極顯著正相關。

表4 土壤酶活性與微生物數量的相關性 Table 4 Correlation between soil enzyme activities and microbial population

3 討 論

3.1 生物炭與氮肥不同處理對土壤酶活性的影響

土壤酶能靈敏、準確地反映土壤質量的變化狀況[18]，同時與土壤理化性狀、養分量以及土壤的施肥方式也密切相關[19]。過氧化氫酶的活性一方面受土壤微生物數量及其活躍度影響，另一方面受土壤有機質、植物根系影響。在一定程度上反映了土壤微生物學過程的強度，其強度可表征土壤腐殖化程度和有機質積累程度[20-21]。陳心想等[14]研究表明，在20 t/hm2和40 t/hm2生物炭處理下，過氧化氫酶活性在玉米季較CK無顯著性差異，而在60 t/hm2和80 t/hm2處理下，隨著生物炭用量的增加，土壤過氧化氫酶活性顯著提高（P<0.05）。本試驗表明，隨著生物炭和氮肥用量的增加，各處理土壤過氧化氫酶活性變化明顯，總體表現出提高的趨勢，且處理間差異顯著。過氧化氫酶與有機質循環密切相關，本試驗中施入的小麥秸稈生物炭總碳量為625.84 g/kg，生物炭的加入增加了土壤有機質質量分數，一定程度上增強了過氧化氫酶的活性。氮肥的施入有利于調節棗區土壤C/N，改善了土壤理化性質，使更多的酶隨著根系活動和土壤動物、微生物活動進入土壤；氮肥的分期施入在補充氮素消耗的同時也促進了土壤微生物的繁殖，從而提高了土壤過氧化氫酶的活性。脲酶在一定程度上可以表征土壤氮素供應強度[14]，本試驗中，隨著生物炭用量的變化，對脲酶活性的影響也不同。在低用量生物炭（10 t/hm2）情況下，與CK 相比，生物炭對脲酶活性的影響無顯著差異。在20 t/hm2和30 t/hm2用量情況下，土壤脲酶活性較CK 顯著提高31.5%～71.4%，這與袁晶晶等[22]研究結果相似。本試驗條件下，土壤脲酶活性的提高與生物炭本身的吸附性有關，可減少氮素的淋失和揮發，增強氮素的有效性[23-25]。此外，添加生物炭能顯著提高土壤全氮和速效氮量，且土壤脲酶與氮素呈顯著正相關。

土壤蔗糖酶反映了土壤有機質積累和轉化的狀況[26]，在中、高用量生物炭條件下，土壤蔗糖酶活性隨氮肥用量的增加而降低，但仍顯著高于CK（P<0.05），這與袁晶晶等[27]研究生物炭（2.5～10 t/hm2）與氮肥的施入對土壤蔗糖酶活性并無顯著差異的結果不同，這可能與二者的生物炭和氮肥施用量不同有關。生物炭和氮肥在適量條件下有利于土壤中蔗糖酶活性，但如果肥料用量超過臨界范圍，酶活性將會降低[16]。本研究中的生物炭用量為10～30 t/hm2，遠高于其花生殼生物炭施用量。同一生物炭用量情況下，蔗糖酶活性隨氮肥用量的增加而降低，說明氮肥用量在300 kg/hm2時，有利于本試驗區土壤蔗糖酶活性的提高。生物炭能延緩養分的釋放，生物炭的性質也會隨著施入時間的延長而改變，對土壤酶活性的影響也會隨之變化，因此需要長期監測來探明其作用機理。

3.2 生物炭與氮肥不同處理對土壤微生物的影響

土壤微生物量的變化反映土壤微生物的總體數量變化，微生物數量可用來指示農田質量的好壞[21]。研究表明[22]，10 t/hm2生物炭用量情況下，土壤細菌、放線菌、真菌數量較CK 有顯著影響。本研究表明，生物炭和氮肥配合施用條件下，除B30N300處理外，土壤細菌、真菌數量隨二者用量的增加而增加，且各處理間差異顯著（P<0.05）。放線菌數量在各施肥處理條件下，表現出不斷上升的趨勢，除B0N300處理外，各處理間差異顯著（P<0.05）。與CK 相比，各配施處理條件下，土壤細菌數量的增幅為25.4%～254.1%，放線菌和真菌的增幅分別為49.5%～97.5%和7.3%～54.1%。生物炭為土壤微生物提供了豐富的碳源和氮源，一定程度上改善了土壤微生態環境。生物炭較強的吸附性和孔隙度，為土壤微生物數量的生長繁殖創造了良好的條件，有利于土壤微生物的生長和繁殖，從而使土壤微生物數量發生變化[11,27]。

3.3 生物炭與氮肥不同處理對紅棗產量的影響

由于生物炭原材料、土壤質地、施肥量及作物種類等因素的影響，關于生物炭對農作物生長和產量的報道也不盡相同。隨著生物炭和氮肥的施入，紅棗產量表現出逐年上升的趨勢[22]。本研究表明，經過2 a田間試驗，以B30N300處理的扁核酸紅棗年平均產量最高，B30N400處理次之，分別較CK 顯著提高28.5%和25.9%。生物炭對作物產量的促進作用，主要歸因于其改善了土壤的理化性質，提高了土壤養分的有效性[27]。本研究中，添加生物炭顯著提高了土壤過氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶的活性，對土壤微生物數量也有明顯提高。相關性分析表明，土壤酶活性與土壤微生物數量之間均呈極顯著正相關關系（表4），說明二者相互依存。在一定程度上改善了土壤微生物環境，這些條件的改善，對紅棗增產有積極作用?；谠囼灲Y果及科學施肥的原則，30 t/hm2的生物炭施用量，配施300 kg/hm2的氮肥對本地區提升土壤肥力和作物產量的效果最佳，是較為理想的施肥方式。

4 結 論

1）與CK 相比，生物炭用量、施氮水平及二者的交互作用均對土壤酶活性有顯著影響。中、高生物炭用量條件下，土壤過氧化氫酶和脲酶活性總體表現出隨氮肥用量的增加而增加的趨勢。同一生物炭用量條件下，土壤蔗糖酶活性隨氮肥用量的增加而降低，但仍顯著高于CK。

2）施用生物炭和氮肥可不同程度地提高土壤細菌、放線菌和真菌的數量，總體表現出隨生物炭和氮肥用量的增加而增加的趨勢。與CK 相比，三者的增幅分別為25.4%～254.1%、49.5%～97.5%和7.3%～54.1%。

3）生物炭與氮肥的施入，對紅棗增產有積極作用。30 t/hm2的生物炭施用量，配施300 kg/hm2的氮肥用量為此試驗地區的最佳施用量。