生物炭連續還田后效對鹽堿土稻田養分、酶活性和腐殖質組分的影響

李紅宇，林 添，王志君，趙海成，鄭桂萍，呂艷東,錢永德，范名宇

(黑龍江八一農墾大學農學院，黑龍江省現代農業栽培技術與作物種質改良重點實驗室，黑龍江 大慶 163319)

目前，全球鹽堿地總面積約 1.10×109hm2，其中中國鹽堿地總面積為 3.69×107hm2[1-2]。鹽堿化耕地是中國最主要的中低產田類型之一，提升鹽堿耕地質量對提高糧食產量意義重大。同時，鹽堿地的開發利用為我國提供了重要的后備耕地資源[3]。鹽堿地改良和治理的核心措施是增加土壤有機質含量，有機質含量的提高利于改善土壤物理性質、加速土體脫鹽、提高養分含量。生物炭是一種具有高碳含量、有機物和無機礦物的新型碳質復合材料，孔隙結構豐富、比表面積巨大、吸附能力強，可明顯改善土壤微觀結構，促進團聚體形成，固存礦質養分，提高土壤通透性和肥力，增加有機碳含量[4]。生物炭對蘇打鹽堿土改良效果顯著。李少朋等[5]對天津濱海鹽堿土的研究表明，施用生物炭后土壤有機碳、速效養分含量以及酶活性明顯增加，是鹽堿地復墾和生態重建的改良劑。孔祥清等[6]改良松嫩平原蘇打鹽堿地的實踐顯示，生物炭還田增加鹽堿土水分滲透性能，提高鹽堿地的有機質、速效磷、速效鉀、全氮、全磷和全鉀含量。屈忠義等[7]研究內蒙古硫酸鹽—氯化物型鹽土發現施用生物炭22.5 t·hm-2可以顯著降低中度鹽堿地土壤EC和pH值，促進土壤微生物的生長繁殖。韓劍宏等[8]研究認為生物炭和腐殖酸都具有改良土壤鹽堿性、提高土壤肥力的作用，二者聯合配施對降低土壤pH值、電導率(EC)、堿化度(ESP)及提高土壤養分的效果更明顯。郭琴波等[9]對生物炭等量代換氮肥的研究顯示，減氮30%同時配施生物炭可顯著提高土壤肥力，減少土壤有機碳(SCO)礦化，增加土壤固碳，提高土壤酶活性及水稻產量。雖然生物炭對鹽堿地培肥改良的機理和效果方面已有部分研究，但是關于生物炭連續還田對蘇打鹽堿地影響的長期定位試驗報道較少。本試驗研究了生物炭連續還田對蘇打鹽堿土稻田養分含量、酶活性和腐殖質組分的影響，以期為蘇打鹽堿地的生物炭改良提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設計

參試水稻品種為墾鑒稻5號。生物炭為水稻秸稈炭(遼寧金和福農業開發有限公司)，其碳含量為56.61%，氮含量為13.60%，灰分含量為21.07%，pH值9.04。盆栽試驗，盆缽高30.5 cm，直徑30 cm。單因素完全隨機試驗設計，生物炭每年還田量分別為0 t·hm-2(BC0)、3.0 t·hm-2(BC3.0)、7.5 t·hm-2(BC7.5)、12.0 t·hm-2(BC12.0)和16.5 t·hm-2(BC16.5)，每個處理種植12盆。

試驗于2014—2019年在黑龍江八一農墾大學進行。參試土壤取自黑龍江八一農墾大學校內的未開墾原生蘇打鹽堿土(OS)。參試土壤的基礎值為全鹽含量5 g·kg-1，pH 8.71，堿解氮含量89.52 mg·kg-1，有效磷含量17.23 mg·kg-1，速效鉀含量233.88 mg·kg-1，有機質含量16.92 g·kg-1。每盆裝風干、粉碎、混勻的鹽堿土12.00 kg，將生物炭和基肥埋在盆缽中間，之后向盆缽內加水至水層穩定，采用電動攪漿機攪漿。攪漿后5 d插秧，插秧規格為4穴·盆-1，3苗·穴-1。參試肥料為尿素、硫酸銨、磷酸二銨和硫酸鉀，基肥N、P、K施用量按照39.6、69.0、42.0 kg·hm-2計算，分蘗肥和調節肥N施用量分別為28.35、9.35 kg·hm-2，穗肥N和K施用量分別為14.39 kg·hm-2和28.50 kg·hm-2。其他栽培管理措施按當地常規生產進行。

水稻收獲后，土壤原位保留至下一年春季。每年春季將同一處理各盆土壤粉碎后重新混合均勻，之后等分為12盆，用于試驗。各處理每年采用相同的方法添加與第一年等量的生物炭。

1.2 土壤取樣及指標測定方法

生物炭連續還田第6年(2019年)的10月中旬(水稻收獲后)，每處理使用土壤取樣器采集0～10 cm土壤樣品，每盆取1個樣點，4個樣點混合為一個樣品，每處理3個重復。土壤樣品置于避光通風處風干，挑去肉眼可見細根和雜質，過2 mm篩，備用。參照魯如坤[10]方法測定土壤化學性質。采用重鉻酸鉀法測定土壤有機質含量，采用凱氏定氮法測定全氮含量,采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測定土壤全磷含量,采用原子吸收分光光度法測定土壤全鉀含量、速效鉀含量,土壤堿解氮含量采用擴散法測定，采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定土壤速效磷含量，采用pH計(電位法)測定土壤pH值，采用電導率儀(電極法)測定土壤電導率。采用重鉻酸鉀氧化法測定土壤腐殖質組成[11-12]。土壤酶活性測定參照關松蔭[13]相關方法：土壤過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法，蔗糖酶活性的測定采用 3，5-二硝基水楊酸比色法，脲酶活性的測定采用苯酚-次氯酸鈉比色法，土壤酸性磷酸酶用磷酸苯二鈉法測定。

1.3 數據分析

采用EXCEL 2010和SPSS 23.0進行數據的統計和分析。采用SSR法檢驗處理間的差異顯著性，以P<0.05作為顯著性差異水平。

2 結果與分析

2.1 生物炭連續還田對土壤氮磷鉀含量的影響

由表1可見，連續種植水稻6 a后，BC0的土壤全氮、全磷、有效磷和速效鉀含量顯著低于OS，而全鉀、堿解氮和有效磷差異不顯著。除全鉀處理間無顯著差異外，全氮、全磷、堿解氮、有效磷和速效鉀均隨生物炭還田量增大呈增加趨勢。其中BC7.5、BC12.0、BC16.5的土壤全氮含量較BC0分別提高19.09%、25.45%、30.00%(P<0.05)，BC7.5、BC12.0、BC16.5的全磷含量分別提高34.58%、36.78%、45.37%(P<0.05)，BC12.0和BC16.5的堿解氮分別提高5.34%、6.87%(P<0.05)，BC3.0，BC7.5、BC12.0、BC16.5的有效磷含量分別提高13.61%、19.04%、26.39%、39.16%(P<0.05)，BC7.5、BC12.0、BC16.5的速效鉀含量分別提高38.66%、53.32%、63.12%(P<0.05)。

表1 不同生物炭處理土壤氮磷鉀含量Table 1 Contents of soil nitrogen, phosphorus and potassium under different biochar treatments

2.2 生物炭連續還田對土壤pH值和電導率的影響

由圖1可看出，連續種植6 a水稻后， BC0、BC3.0、BC7.5、BC12.0和BC16.5土壤pH值由OS的8.71下降至6.65、6.93、7.04、7.11、7.14，差異顯著。土壤pH值隨著生物炭還田量的增加呈增加趨勢，BC3.0與BC0差異不顯著，BC7.5、BC12.0、BC16.5的pH值分別提高5.76%、6.91%、7.27%(P<0.05)。土壤電導率也大幅度降低，BC0、BC3.0、BC7.5、BC12.0和BC16.5由OS的758.8 μs·cm-1下降至315.7、330.8、375.1、345.0、345.6 μs·cm-1。土壤電導率隨著生物炭還田量的增加呈先增后降的趨勢，其中BC7.5電導率較BC0和BC3.0分別提高18.79%和13.38%(P<0.05)。

圖1 不同生物炭處理土壤pH值和電導率的比較Fig.1 Comparison of soil pH and electrical conductivity under different biochar treatments

2.3 生物炭連續還田對土壤腐殖質組分的影響

表2顯示，連續種植6 a水稻后，各處理的土壤有機質及腐殖質各組分均較OS大幅增加，有機質含量、腐殖質全碳量、腐殖酸總碳量、胡敏酸碳量、富里酸碳量和胡敏素碳量增幅分別為21.81%～146.74%、29.85%～161.75%、57.27%～127.27%、122.50%～125%、295.24%～695.24%、9.21%～159.91%。

表2 不同生物炭處理土壤腐殖質組分的比較/(g·kg-1)Table 2 Comparison of soil humus components under different biochar treatments

土壤有機質含量、腐殖質全碳量和胡敏素碳量隨生物炭還田量增加呈增加趨勢， BC7.5、BC12.0、BC16.5的有機質含量分別較BC0提高48.47%、70.51%和102.57%(P<0.05)，腐殖質全碳量分別較BC0提高47.40%、69.96%和101.58%(P<0.05)，胡敏素碳量分別較BC0提高69.99%、96.52%和137.97%(P<0.05)，BC3.0的有機質含量、腐殖質全碳量和胡敏酸碳量與BC0差異均不顯著。

生物炭還田處理的腐殖酸總碳量和富里酸碳量均較BC0顯著下降，BC3.0、BC7.5、BC12.0和BC16.5的腐殖酸總碳量分別下降36.00%、30.40%、26.00%、30.80%，富里酸碳量分別下降27.54%、50.30%、52.09%、50.30%。BC12.0胡敏酸碳量較BC0提高16.85%(P<0.05)，BC3.0、BC7.5和BC16.5與BC0差異不顯著。

由圖2可以看出，連續種植6 a水稻后各處理的HA/FA和PQ顯著降低，其中HA/FA的降低幅度為32.65%～72.47%，PQ的降低幅度為14.42%～47.19%。HA/FA和PQ隨生物炭還田量增大均呈先增后降的趨勢，且以BC12.0最高。BC7.5、BC12.0、BC16.5的HA/FA分別較BC0提高108.00%、144.63%、103.00%(P<0.05)，BC3.0與BC0差異不顯著。BC3.0、BC7.5、BC12.0、BC16.5的PQ分別較BC0提高16.58%、51.15%、62.07%、49.43%(P<0.05)。

注：HA/FA-胡敏酸碳與富里酸碳的比；PQ-胡敏酸在可提取腐殖質(HA+FA)中所占的比例。Note: HA/FA-the ratio of humic acid carbon and fulvic acid carbon; PQ-the ratio of humic acid proportion in ex-tractable humus (HA+FA).圖2 不同生物炭處理土壤HA/FA和PQ的比較Fig.2 Comparison of soil HA/FA and PQ under different biochar treatments

2.4 生物炭連續還田對土壤酶活性的影響

由圖3可以看出，連續種植6 a水稻后，BC0的脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性較OS無顯著變化。脲酶活性隨生物炭還田量增大呈先增后降的趨勢，其中以BC7.5脲酶活性最高，較OS和BC0提高102.25%和89.03%(P<0.05)，其次為BC12.0，較OS和BC0提高64.05%和53.33%(P<0.05)。BC3.0和BC7.5堿性磷酸酶活性顯著低于BC0，分別降低36.06%、41.27%；BC12.0和BC16.5的堿性磷酸酶活性顯著高于BC3.0和BC7.5，與BC0差異不顯著。過氧化氫酶活性和蔗糖酶活性均隨生物炭還田量增大呈先增后降。過氧化氫酶活性以BC7.5活性最高，其與BC16.5差異顯著，與其他處理差異不顯著。蔗糖酶活性以BC12.0最強，與BC7.5差異不顯著，較BC0、BC3.0和BC16.5分別提高41.84%、32.02%、20.59%(P<0.05)。

圖3 不同生物炭處理土壤酶活性的比較Fig.3 Comparison of soil enzyme activities under different biochar treatments

2.5 生物炭還田量與養分含量、腐殖酸組分及酶活性的相關分析

由表3可以看出，生物炭還田量與全氮、全磷、堿解氮、有效磷和速效鉀含量呈極顯著正相關，與全鉀含量呈顯著負相關；與pH值顯著正相關，與電導率無顯著相關性；與有機質含量、腐殖質全碳量和胡敏素碳量呈極顯著正相關，與富里酸碳量呈顯著負相關，與腐殖酸總碳量和胡敏酸碳量相關不顯著；與過氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶活性相關不顯著。

表3 生物炭還田量與養分含量、腐殖酸組分及酶活性的相關系數Table 3 Correlation coefficients between biochar returning amount and nutrient content, humic acid composition and enzyme activity

3 討 論

鹽堿土由于理化性質惡劣導致離子拮抗和滲透脅迫，直接影響根際微生物的組成和活動、養分轉化及其有效性，降低有效氮、磷、鉀含量[14-15]。前人研究表明，生物炭還田可以增加鹽堿土壤全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀含量和有效性[16]，并且生物炭本身具有大量的營養元素，較大的表面積和極強的吸附能力，增強了對土壤中養分的吸附能力，減少了養分的損失[17]。本研究顯示，土壤全氮、全磷、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均與生物炭還田量呈極顯著正相關。生物炭還田量7.5～16.5 t·hm-2時，全氮、全磷和速效鉀含量分別提高19.09%～30.00%、34.58%～45.37%、38.65%～63.12%(P<0.05)；12.0～16.5 t·hm-2時，堿解氮含量提高5.34%～6.87%(P<0.05)；3.0%～16.5 t·hm-2時，有效磷含量提高13.61%～39.16%(P<0.05)。可見，生物炭還田量大于7.5 t·hm-2時，除全鉀外其他養分含量均顯著增加。綜合分析，生物炭提高了鹽堿土壤養分含量的原因主要有：(1)生物炭能夠產生正、負電荷，能夠有效吸附鹽土中的養分，降低鹽土的淋溶損失[18]；(2)生物炭本身含有大量營養元素，可顯著增加鹽堿土壤養分含量[19]；(3)生物炭可促進營養物質轉化，提高養分有效性[20]。

土壤腐殖質是有機物經過微生物新陳代謝降解后合成的一類非均質的呈黑色或黑褐色的有機高分子化合物[21]，一般占有機質總量的50%～70%，具有吸收、交換等多種功能，對土壤的物理、化學及生物學性質均有重要影響[22]，經常作為反映土壤肥力狀況的重要指標[23]。生物質炭是土壤碳庫中惰性部分的重要組成部分，是土壤腐殖質的重要來源[24]。本研究結果表明，鹽堿土有機質含量和腐殖質全碳量與生物炭還田量呈極顯著正相關，還田量>7.5 t·hm-2時有機質含量和腐殖質全碳量與空白對照差異顯著。前人研究多認為添加生物質炭會明顯提高土壤有機碳的含量，且可長時間持續進行碳的補充[25-26]，但也有研究者認為添加生物質炭對土壤有機碳影響較小[27]，不同研究結果的差異也反映出土壤有機質形成的復雜性。同時，影響有機質及組成的因素也十分復雜，比如氣候、土地類型、土壤層次、有機物料等。

根據腐殖質在酸堿中的溶解度分為胡敏酸、富里酸和胡敏素，其中胡敏酸最活躍，富里酸碳經氧化縮合形成胡敏酸碳，在胡敏酸碳的積累過程中起重要作用[28-29]。胡敏酸碳(HA)/富里酸碳(FA)和PQ值常用來評價腐殖質品質，可以用來表征土壤的腐殖化程度，其比值越大說明腐殖質品質越好。本研究結果表明，胡敏酸碳量與生物炭還田量無顯著相關關系，并且以生物炭還田量12 t·hm-2處理胡敏酸碳量最高；富里酸碳量與生物炭還田量呈顯著負相關；HA/FA和PQ隨生物炭還田量增大呈先增后降的趨勢，以還田量12 t·hm-2處理最高；當還田量大于7.5 t·hm-2時HA/FA大于1，即胡敏酸碳量大于富里酸碳量。因此，生物炭年還田量7.5～12.0 t·hm-2時土壤熟化程度較高。

土壤酶是土壤有機質分解與養分轉化和循環的驅動力[30]，反映土壤微生物的活性[31]，與土壤理化特征、養分含量和有機質轉化有密切關系，是評價土壤供肥水平的關鍵因素[32]。過氧化氫酶可反映土壤中氧化還原的能力[33]，蔗糖酶是土壤碳循環轉化的關鍵酶[34]，脲酶直接參與土壤有機氮的轉化[35]，堿性磷酸酶可以促進土壤中無機磷酸鹽或有機磷酸化合物轉化為無機態磷更好地被植物利用[36]。生物炭具有疏松多孔結構，可以改善土壤的通氣性，保持土壤的水分，而土壤含水量、有機質等因素對土壤酶活性有很大影響，利于增加土壤蔗糖酶、脲酶活性和土壤微生物量碳含量，減少氮素流失[37-38]。本研究結果表明，蘇打鹽堿土連續種植水稻6 a后，未添加生物炭處理的土壤脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶和蔗糖磷酸酶活性變化不顯著。生物炭連續還田處理的脲酶、過氧化氫酶和蔗糖磷酸酶活性隨生物炭還田量呈先升后降的趨勢，說明雖然適宜的生物炭還田量能夠提高耕作層土壤酶活性，而當生物炭投入量超過一定臨界值，酶活性反而下降，這與張澤慧[39]的研究結果一致。生物炭還田7.5～12.0 kg·hm-2，脲酶、過氧化氫酶和蔗糖磷酸酶活性高，盡管堿性磷酸酶活性較低，但仍能維持較高的有效磷含量，可以作為生物炭還田的適宜施用量。

4 結 論

原生蘇打鹽堿土連續種植6 a水稻后，土壤全氮含量、全磷含量、速效鉀含量、電導率、pH值、HA/FA和PQ顯著降低，有機質含量、腐殖質全碳量、腐殖酸總碳量、胡敏酸碳量、富里酸碳量顯著提高。生物炭連續還田能夠顯著影響蘇打鹽堿土養分相關指標(全氮、全磷、堿解氮、有效磷及速效鉀)含量、鹽堿脅迫強度相關指標(電導率和pH值)、土壤有機碳相關指標(有機質含量、腐殖質全碳量、腐殖酸總碳量、胡敏酸碳量、富里酸碳量、胡敏素碳量、HA/FA和PQ，土壤脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶及蔗糖酶活性)，并且多為正向影響。綜合考量，認為生物炭7.5～12.0 t·hm-2是降低鹽堿土壤脅迫強度，提高土壤養分含量，增加腐殖酸碳量，改善酶活性的適宜還田量。