生物炭對東北酸性土養(yǎng)分含量、酶活性及大豆產(chǎn)量的影響

代舟，孟軍，田曉翠，祝敬宜，李紅宇，丁國華，鄭桂萍，殷大偉，

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院，大慶163319；2.遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所）

生物炭對東北酸性土養(yǎng)分含量、酶活性及大豆產(chǎn)量的影響

代舟1，孟軍2，田曉翠1，祝敬宜1，李紅宇1，丁國華3，鄭桂萍1，殷大偉1，2

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院，大慶163319；2.遼寧省生物炭工程技術(shù)研究中心；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所）

我國東北地區(qū)存在大面積的酸化土壤，其不良的化學(xué)性質(zhì)嚴(yán)重地制約了作物產(chǎn)量的提升，生物炭可有效調(diào)控土壤的養(yǎng)分含量、增加作物產(chǎn)量已得到廣泛認(rèn)同。試驗研究了不同用量的生物炭對酸性土化學(xué)性質(zhì)、酶活性、大豆干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，生物炭可增加酸性土的全P、全S、全K、全C和C/N，降低Na含量，還可增加蔗糖酶、纖維素酶、蛋白酶和脲酶含量。生物炭增加了大豆干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量，并在15 t·hm-2時達(dá)到最大值。

生物炭；酸性土；養(yǎng)分；酶活性；大豆

土壤酸化將引起一系列物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的變化，導(dǎo)致營養(yǎng)元素的淋失和有毒元素的釋放，從而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量。我國土壤由于長期的高負(fù)荷生產(chǎn)，土壤酸化現(xiàn)象嚴(yán)重，因此改良酸性土壤對穩(wěn)定發(fā)展糧食生產(chǎn)意義重大。

生物炭是指生物質(zhì)在缺氧條件下不完全燃燒所產(chǎn)生的穩(wěn)定的富碳產(chǎn)物［1］。研究結(jié)果表明生物質(zhì)炭化還田可以提高土壤有機碳含量水平［2-5］，其灰分含有大量的鹽基離子，如鈣，鎂，鉀、鈉等鹽基離子，通過離子交換進(jìn)而降低土壤氫離子及鋁離子水平［6-7］，還可對作物的生長起到良好的促進(jìn)作用［8-10］。國內(nèi)外已展開生物炭改良障礙性低產(chǎn)土壤的相關(guān)研究，但生物炭針對東北酸性土進(jìn)行改良報道少見。因此，研究擬以東北酸性土為試驗材料，研究不同用量的生物炭對酸性土養(yǎng)分含量、酶活性、大豆干物質(zhì)積累量及產(chǎn)量的影響，為生物炭改良酸性土提供理論支持。

1 材料和方法

1.1 供試土壤

試驗在黑龍江省農(nóng)墾總局850農(nóng)場（132°28′0″E，45°44′5″N）進(jìn)行。該地屬于溫帶半濕潤氣候帶，海拔89 m，年降雨量540.6 mm，蒸發(fā)量1 172.3 mm，年平均氣溫3.2℃，年日照時間2 305 h，年無霜期142 d，積溫2 571.1℃，干燥指數(shù)1.2，土壤類型為草甸白漿土，供試土壤取自5～25 cm酸化黑土層，土壤的化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 土壤與生物炭的基本化學(xué)性質(zhì)Table 1Chemical properties of albic soil and biochar

1.2 生物炭

生物炭由遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司提供，制備方法參見中國發(fā)明專利（ZL200710086505.4），過80目篩備用，生物炭的化學(xué)性質(zhì)見表1。

1.3 供試作物

選擇大豆作為供試作物，品種為黑河19。

1.4 試驗設(shè)計

采用盆栽試驗，盆的頂部直徑為30 cm，底部直徑為25 cm。試驗設(shè)為4個處理，三次重復(fù)，每個處理設(shè)置50盆，4個處理的生物炭用量分別為0、5、15、25 t·hm-2。將生物炭與肥料充分混勻，肥料的用量為磷酸二銨：35.0 kg·hm-2，尿素：30.0 kg·hm-2，氯化鉀：60 kg·hm-2，每盆裝過篩混勻的酸性土10 kg。將生物炭與肥料混合后，1/3放入土層9 cm處，2/3放入土層16 cm處。于2014年5月15日播種，2014年9月30日收獲，生長期為120天。每盆種植三顆大豆。

1.5 測定項目與方法

于大豆成熟期測定土壤化學(xué)性質(zhì)及酶活性。土壤全C、全N、全S、C/N采用元素分析儀（Vario MAX. CN，Elementar，德國）測定，全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法，全鉀、Ca、Na采用火焰光度計法，pH1∶2.5（H2O）、pH1∶2.5（CaCl2）采用pH計測定，EC采用DDS-307數(shù)字電導(dǎo)儀（上海雷磁儀器廠）測定［11-12］。脲酶采用苯酚鈉比色法，以每克土中NH4+-N的毫克數(shù)表示（24 h后），過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法（以每克土消耗的0.1 mol·L-1高錳酸鉀的毫升數(shù)表示），蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法（以24 h后每克土中葡萄糖的毫克數(shù)表示），纖維素酶采用二硝基水楊酸比色法測定（以72 h每克土生成葡萄糖毫克數(shù)表示），蛋白酶加勒斯江法測定（以24 h后每克土含有甘氨酸的毫克數(shù)表示）［13］。

于大豆苗期、分枝期、成熟期分別測定大豆根、莖、葉、柄的干物質(zhì)積累量，并計算各器官的干物質(zhì)分配比例（各器官干物質(zhì)分配比例=各器官干物質(zhì)重/整株干物質(zhì)重），于成熟期測定大豆產(chǎn)量。

1.6 統(tǒng)計分析

使用SPSS19.0進(jìn)行單因素方差分析，Tukey多重比較判斷處理間的差異顯著性（P≤0.05），用Microsoft Excel 2007作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對酸性土化學(xué)性質(zhì)的作用

生物炭可增加酸性土的全K量，并在15 t·hm-2時達(dá)到最大值12.50 g·kg-1，較CK增加9.38%，并達(dá)顯著差異（P＜0.05）。生物炭降低了全Na量，并在25 t·hm-2時達(dá)到最小值為1.68 g·kg-1，較CK降低45.63%。生物炭對Ca含量和全氮量沒有顯著的影響。生物炭增加了全P量，并在25 t·hm-2時達(dá)到最大值為1.10 g·kg-1。生物炭顯著提高了酸性土的全C量、全S量和C/N。生物炭增加了酸性土的pH1∶2.5（H2O）、pH1∶2.5（CaCl2）和EC值，并在25 t·hm-2時達(dá)到最大值。

表2 生物炭對酸性土化學(xué)性質(zhì)的作用Table 2The effect of biochar on chemical properties of acid soil

2.2 生物炭對酸性土壤酶活性的作用

生物炭可增加酸性土的蔗糖酶和纖維素酶含量并在5 t·hm-2時達(dá)到最大值，分別較CK增加12.71%、35.18%。隨著生物炭用量的增加，過氧化氫酶呈先增加后降低的趨勢。生物炭增加了酸性土的蛋白酶含量，并在15、25 t·hm-2時達(dá)到最大值0.09 mg·g-1。生物炭增加了酸性土脲酶的含量并在25 t·hm-2時達(dá)到最大值，較CK增加81.33%。

2.3 生物炭對大豆干物質(zhì)積累量的影響

生物炭可增加大豆各時期的葉片重并在15 t·hm-2時達(dá)到最大值，但降低了葉片重比率。生物炭可增加大豆各時期的莖重，成熟期的莖重在15 t·hm-2時達(dá)到最大值，并增加了苗期、分枝期的莖重比例。生物炭可增加大豆各時期的柄重，并在15 t·hm-2時達(dá)到最大值。生物炭增加了各時期的根重，并在25 t·hm-2時達(dá)到最大值。

圖1 生物炭對土壤酶活性的影響Fig.1The effect of biochar on enzymatic activity of acid soil

表3 生物炭對大豆各時期干物質(zhì)分配的作用Table 3Changes of soybean dry matter accumulation in different periods as result of biochar appliment

續(xù)表3生物炭對大豆各時期干物質(zhì)分配的作用Continued table 3Changes of soybean dry matter accumulation in different periods as result of biochar appliment

2.4 生物炭對大豆產(chǎn)量的作用

生物炭可增加大豆的產(chǎn)量，當(dāng)生物炭用量為15 t·hm-2時，大豆的產(chǎn)量（每盆）達(dá)到最大值為98.67 g，較對照增加37.21%。

圖2 生物炭對大豆產(chǎn)量的影響Fig.2The effect of biochar on soybean yield of acid soil

3 討論

生物炭增加了酸性土的全N、C、S、P、K、C/N、EC和pH值。土壤養(yǎng)分含量的增加是因為生物炭含有一定數(shù)量的養(yǎng)分，而且生物炭具備正、負(fù)兩種電荷，有利于吸附酸性土中的養(yǎng)分離子［7］。生物炭增加了酸性土的pH值，這也會抑制H+對酸性土陽離子養(yǎng)分的置換，進(jìn)而抑制了養(yǎng)分隨水流失。生物炭降低了酸性土的Na含量，可能是因為生物炭增加了大豆植株生長量，Na元素被作物吸收，具體原因有待于進(jìn)一步研究。

生物炭增加了酸性土的蔗糖酶、脲酶、纖維素酶、蛋白酶的活性。酶含有微量的順磁性過渡金屬原子或離子，它們在脲酶中起著輔基、輔酶或活性中心等作用。這些原子或離子受到洛倫茲力的作用，使其電荷運動方向不同而導(dǎo)致分子構(gòu)相得變形和扭曲，改變酶的結(jié)構(gòu)、活性的變化。此外酶促反應(yīng)中存在著未配對電子，可通過影響反應(yīng)中間產(chǎn)物的電子自旋狀態(tài)進(jìn)而影響化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行［14］。因此生物炭是否會改變作用于酶的洛倫茲力，有待于進(jìn)一步研究。生物炭在高用量時降低了過氧化氫酶的活性，具體原因也尚待研究。

生物炭可增加大豆的子粒產(chǎn)量。這是因為施用生物炭能顯著增加酸性土pH，由此可能降低了Al、Cu、Fe等重金屬可交換態(tài)的含量，進(jìn)而緩解了對大豆的毒害作用。生物炭含有大量的灰分元素，增加了酸性土中的養(yǎng)分含量，同時生物炭具備極強的吸附能力，可以有效的吸附酸性土壤中的養(yǎng)分離子，還可促進(jìn)土壤中微生物的繁殖、提高多種酶活性。

4 結(jié)論

試驗研究了不同用量的生物炭對酸性土化學(xué)性質(zhì)、酶活性、大豆干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，生物炭可增加酸性土的全P、全S、全K、全C和C/N，降低Na含量，還可增加蔗糖酶、纖維素酶、蛋白酶和脲酶含量。生物炭增加了大豆干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量，當(dāng)生物炭用量為15 t·hm-2時，每盆大豆的產(chǎn)量達(dá)到最大值為98.67 g，較對照增加37.21%。

［1］Lehmann J，Silva J R，Rondon M，et al.Slash and char-afeasible alternative for soil fertility management in the central Amazon［M］.Thailand：17th World Congress of Soil Science Bangkok，2002.

［2］Zwieten L V，Kimber S，Morris S，et al.Effects of biochar from slow pyrolysis of papermill waste on agronomic performance and soil fertility［J］.Plant and Soil，2010，327（1）：235-246.

［3］Simone E K，Kevin J F，Mathew E D.Effect of charcoal quantity on microbial biomass and activity in temperate soils［J］.Soil Science Society of America Joumal，2009，73（4）：1173-1181.

［4］Robertso F A，ThorbumP J.Management of sugarcane harvest residues：consequences for soil carbon and nitrogen［J］.Australian Joumal of Soil Research，2006，45（1）：13-23.

［5］Uzoma K C，Inoue M，Andry H，et al.Effect of cow manurebiochar on maize productivity undersandysoil condition［J］.Soil Use and Management，2011，27（2）：205-212.

［6］Novak J M，Lima I，Xing B S，et al.Characterization of designer biochar produced at different temperatures and their effects on a loamy sand［J］.Annals of Environmental Science，2009（3）：195-206.

［7］Kimetu J M，Lehmann J.Stability and stabilisation of biochar and green manure in soil with different organic carbon contents［J］.Aust J Soil Res，2010，48（7）：577-585.

［8］Masulili A，Utomo W H，Syechfani M S.Rice husk biochar for rice based cropping system in acid soil 1.The characteristics of rice husk biochar and Its Influence on the properties of acid sulfate soils and rice growth in west Kalimantan，Indonesia［J］.Journal of Agricultural Science. 2010（1）：39-47.

［9］Yuan J H，Xu R K，Zhang H.The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures［J］.Bioresource Technology，2011，102（3）：3488-3497.

［10］Gaskin J W，Steiner C，Harris K，et al.Effect of low-temperature pyrolysis conditions on biochar for agricultural use［J］.Transactions of the American Society of Agricultural and Biological Engineers，2008，51（6）：2061-2069.

［11］依艷麗.土壤物理研究法［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2008.

［12］郝莘政，李振國，王長虹，等.堆肥化過程中無機態(tài)氮磷鉀養(yǎng)分的有機態(tài)轉(zhuǎn)化［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報，2014，26（6）：68-73.

［13］關(guān)松蔭.土壤酶及其研究法［M］.北京：農(nóng)業(yè)出版社，1986.

［14］Liu X Y，Yi Y L.Effect of magnetic field on enzyme activities in main soils of Northeast China［J］.Pedosphere，1996（4）：341-348.

Effects of Biochar on Acid Soil Nutrient Content，Enzyme Activity and the Soybean Yield in Northeast China

Dai Zhou1，Meng Jun2，Tian Xiaocui1，Zhu Jingyi1，Li Hongyu1，Ding Guohua3，Zheng Guiping1，Yin Dawei1，2

（1.College of Agronomy，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.Biochar Engineering Technology Research Center of Liaoning Province；3.Institute of Crop Tillage and Cultivation，Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences）

There was a large area of acid soil in northeast China，which bad chemical property seriously restricted the crop yield.The biochar could effectively control the soil nutrient content and increase the crop yield.The effect of different dosage of biochar on the acid soil nutrient content，enzyme activity，soybean dry matter accumulation and yield was studied.The results showed that the biochar could increase the total P，total S，total K，total C and C/N of soil，but reduce the Na content，increase the content of sucrase，cellulose enzyme，proteinase and urease.The biochar increased the accumulation of soybean dry matter and yield，and reached maximum at 15 t·hm-2.

biochar；acid soil；nutrient；enzymatic activity；soybean

S529

A

1002-2090（2016）04-0001-05

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.04.001

2015-08-17

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)博士科研啟動基金（2041030012）。

代舟（1995-），男，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院種子工程與科學(xué)專業(yè)2013級本科生。

殷大偉，男，講師，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)，E-mail：yindazhiyindawei@126.com。