不同生物炭用量對鹽化潮土土壤質量與玉米生長的影響

摘要：農田施用生物炭是改善土壤質量、提升土壤生產力、提高作物產量的重要途徑之一。為了明確不同生物炭用量對鹽化潮土土壤養分含量、微生物群落結構與玉米生長的影響，解析影響玉米生物量提高的關鍵土壤因子，本試驗以鹽化潮土為供試土壤，采用盆栽方式，在常規施用氮磷鉀肥水平基礎上設置不施用生物炭（B0）、施用1%生物炭（B1）、施用3%生物炭（B3）、施用5%生物炭（B5）4個處理對其開展研究。結果表明，與BO相比，施用生物炭能夠顯著提高土壤有機碳（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、細菌豐富度、細菌多樣性、真菌豐富度、真菌多樣性，3個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，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。相關性分析結果表明，玉米生物量的提高主要得益于土壤有機碳、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、pH、細菌豐富度、真菌豐富度、真菌多樣性的調控作用。綜上所述，盡管不同生物炭用量對土壤質量與玉米生長的調控效果存在差異，但施用生物炭處理較不施用均能夠顯著提高SOC含量，改善土壤養分供應與微生物群落結構，促進玉米生長。該研究結果可為鹽化潮土農田生物炭施用策略和改善土壤質量、提升土壤生產力提供理論支撐。

關鍵詞：施用生物炭；土壤質量；玉米生長；養分吸收；鹽化潮土

中圖分類號：S156.99：S513 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2025） 03-0125-08

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

有機物料能夠部分或完全替代化肥，用于提升土壤的生產能力與生態功能，協同實現作物高產、資源高效和環境友好的目標。生物炭作為新興的有機物料，是生物質（包括作物秸稈、木屑、糞肥以及城市生活垃圾等）經過厭氧高溫裂解形成的副產物，具有碳含量高且穩定和pH、CEC高等特點，其作為有效的土壤改良劑和重要的農業減排措施投入農田引起了人們的廣泛關注。研究發現，施用生物炭能夠顯著增加SOC的固定，表現為：一方面生物炭極慢的周轉速率（0.004 6%/d）直接增加農田碳輸入——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物質促進植物生長，增加根系碳輸入量。因此，農田施用生物炭為陸地生態系統的“固碳減排”提供了一個全新的思路與研究方法。目前，普遍認為施用生物炭能夠有效提高作物產量，顯著增加SOC累積，改善土壤結構與團聚體周轉，提升土壤保水與保肥能力，同時，施用生物炭還能夠減少氮肥使用，增加養分的固持，減少氮素的淋洗和徑流損失，并改變土壤微生物群落結構與微生物活性，提高養分的生物有效性。此外，施用生物炭還可以減少N2O的排放，減緩生態環境壓力。

然而，當前關于生物炭農田使用效果的研究大多分布在熱帶或亞熱帶地區，其土壤多為酸性或養分缺乏的砂土和砂壤土，產生的效果通?？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鹽化潮土上使用的效果評價相關研究報道較少，其對作物生長指標和土壤質量等的影響仍不清晰。為此，本試驗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、養分吸收以及土壤養分狀況、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量與玉米生長的相關關系，為鹽化潮土上施用生物炭提供理論依據與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗地點為青島農業大學智能溫室，該智能溫室可實現不同的環境條件控制，可以較為準確地控制植物生長過程中的光、熱、水等條件，滿足試驗過程中玉米生長對這些條件的需求。研究采用室內盆栽試驗。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 試驗設計

試驗于2022年10月19日開始玉米種子催芽，Sd后播種，至1 1月25日玉米六葉期進行試驗指標測定。試驗共設置4個處理：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），每個處理設3個重復，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。用長度系數法計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，計算玉米干物質累積量。之后，取部分樣品粉碎，用H2SO4 -H2O2法進行樣品消煮，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，自然風干后分別過1 mm和0.25 mm篩，用于土壤各指標的測定。土壤有機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，測定土壤微生物多樣性和群落結構：使用DNA試劑盒（美國MO BIO實驗室）從土壤樣品中提取DNA，利用引物338F（5＇- ACTCCTACGGGAGGCAGCAG -3’）禾口806R（5＇- GGACTACHVGGGTWTCTAAT -3＇）進行細菌16S rRNA基因V4區域特異性擴增，利用引物ITSIF（5＇- CTTGGTCATTTAGAGGAAG-TAA -3＇）和ITS2R （5＇- GCTGCGTTCTTCATCGATGC -3＇）進行真菌ITS1區域特異性擴增，采用Illumina MiSeq測序方法測定細菌、真菌多樣性和群落結構，每個樣品重復測定3次。

1.4 數據處理與分析

試驗數據表示為平均值±標準差，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）軟件進行數據整理、統計分析和作圖，差異顯著性分析采用LSD法（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同生物炭用量對土壤養分含量和pH值的影響

由表2可以看出，不同生物炭用量對土壤養分含量的影響存在較大差異，整體表現為B5＞B3＞B1＞B0。與BO相比，B1、B3、B5處理均顯著增加有機碳（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菌群落、真菌群落的豐富度和多樣性，其中細菌豐富度分別增加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分吸收的影響

圖2顯示，不同生物炭用量對玉米地上部養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，玉米地上部養分吸收量與養分濃度表現出類似趨勢。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量與玉米生長指標的相關性分析

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

3 討論

提高農田SOC是提升土壤生產力、維持生態系統碳平衡、應對全球氣候變化的重要措施。第21屆聯合國氣候變化大會期間，法國農業部長提出了“千分之四計劃：服務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，其依據是，全球2m深土壤的有機碳儲量每年增加0.4%就可以抵消當年全球礦物燃燒的碳排放總量。然而，由于中國當前土壤有機碳儲量較低而碳排放量高，導致我國實現土壤固碳與化石燃料燃燒排放平衡的年均固碳速率達2.99 t/hm2，遠遠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。增加農田碳投入是提高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于作物秸稈、糞肥、堆肥等有機物料，且僅有施用生物炭處理的土壤固碳速率達到了目標值。本研究發現，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432. 30%。這與以往研究結果類似。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），導致微生物對其分解率低，穩定性好：另一方面是施用生物炭能夠促進植物生長，增加根系生物量，同時促進根際淀積物歸還量的增加。本研究發現，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，NH+4-N通過硝化作用轉變為NO-3 -N導致土壤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分投入，吸附減少了養分損失，影響到土壤微生物群落結構與活性，增加土壤養分釋放，而致土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量有所提高。

本研究發現，施用生物炭能夠促進玉米苗期生長，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分和微生物群落結構的改善。這與Wei等的研究結果類似，他們的研究發現，施用生物炭能夠改善土壤質量、增加作物地上部生物量與養分吸收量以及籽粒產量，施用生物炭后小麥—玉米周年產量增加0.96 t/hm2。這一方面是由于施用生物炭直接增加養分供應量，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分貧瘠的砂質土上。但是，也有研究發現，在肥沃的堿性／缺氮土壤中，生物炭對作物產量或營養生長沒有影響或表現出負面影響，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致。

施用生物炭能夠激發土壤微生物活動，改善微生物（特別是真菌）的群落結構。本研究發現，施用生物炭顯著增加細菌的豐富度與多樣性，以及真菌的豐富度與多樣性，3個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，有利于促進作物生長和增加產量。但是，目前關于生物炭農田施用的研究大多數集中在作物施用效果與環境響應上，關于其改變作物生產與環境效應的機理性研究較少，尤其是生物學機制，需要依托長期的田間試驗開展進一步研究。

4 結論

與不施用生物炭相比，施用生物炭能夠顯著提高土壤養分含量，并且其效果隨生物炭施用量的增加而增加，同時還能夠增加土壤細菌和真菌群落的豐富度和多樣性，促進玉米苗期生長。施用生物炭帶來的土壤有機碳、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量和pH值、細菌豐富度、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動因子。綜上所述，施用生物炭是提高土壤SOC含量、改善土壤養分供應與微生物群落結構、促進作物生長的重要調控措施。但是，考慮到生物炭在生產實踐中的生產、運輸成本等經濟因素，以及在非脅迫土壤中的應用效果局限性，其大面積推廣仍需要進一步研究。

基金項目：國家重點研發計劃項目（2023YFD2001402）；山東省高等學校優秀青年創新團隊計劃項目（2023KJ169）