生物質(zhì)炭對(duì)盆栽黑麥草生長(zhǎng)的影響及機(jī)理*

吳 濤 馮歌林 曾 珍 陳俊輝徐秋芳 梁辰飛

（浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江臨安 311300）

生物質(zhì)炭對(duì)盆栽黑麥草生長(zhǎng)的影響及機(jī)理*

吳 濤 馮歌林 曾 珍 陳俊輝?徐秋芳 梁辰飛

（浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江省森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與固碳減排重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江臨安 311300）

通過(guò)盆栽試驗(yàn)，采用實(shí)時(shí)定量PCR和微孔板熒光法，分別研究了生物質(zhì)炭添加對(duì)太湖地區(qū)農(nóng)田土壤黑麥草生長(zhǎng)、微生物群落豐度和酶活性的影響。結(jié)果表明：生物質(zhì)炭添加量為4%（炭/土質(zhì)量比）處理顯著提高了土壤pH、有機(jī)碳、全氮、碳氮比、速效鉀含量及黑麥草生物量；提高了土壤細(xì)菌、古菌和固氮菌nifH基因拷貝數(shù)，而對(duì)真菌無(wú)影響；提高了β-葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶、木糖苷酶、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶的活性。微生物豐度（除真菌外）與多數(shù)土壤酶活性（除亮氨酸氨基肽酶）均成顯著正相關(guān)。因此，生物質(zhì)炭可增加土壤礦質(zhì)養(yǎng)分，提高主要微生物類群和功能菌的豐度及土壤碳、氮和磷轉(zhuǎn)化酶活性，這可能是施用生物質(zhì)炭提升農(nóng)田土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化功能和生產(chǎn)力的主要原因。

生物質(zhì)炭；定量PCR；土壤酶；微孔板熒光法；土壤微生物

大氣溫室氣體濃度升高導(dǎo)致的全球變暖日益威脅人類社會(huì)。農(nóng)田土壤固碳減排是應(yīng)對(duì)全球變化的重要措施之一。在促進(jìn)土壤固碳的同時(shí)，如何有效保持和提升土壤功能，尤其是提高土壤生產(chǎn)力和生物活性，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，也是固碳土壤學(xué)研究的新問(wèn)題［1］。將生物質(zhì)廢棄物熱解成生物質(zhì)炭應(yīng)用于土壤較好地解決了上述問(wèn)題，盡管還存在一些爭(zhēng)議［2］。

國(guó)內(nèi)外較多研究表明，生物質(zhì)炭施用土壤后增加了土壤碳庫(kù)，一定程度上提高了作物的生產(chǎn)力（產(chǎn)量和生物量）。據(jù)Kimetu和Lehmann［3］報(bào)道，在貧瘠土壤中添加7 t hm-2生物質(zhì)炭，2年內(nèi)連續(xù)施用3次后玉米產(chǎn)量翻倍增長(zhǎng)。施用氮肥的同時(shí)添加生物質(zhì)炭可使小白菜產(chǎn)量較單獨(dú)施氮肥時(shí)增加70%以上［4］。Major等［5］在熱帶草原氧化土中連續(xù)4年施加生物質(zhì)炭，發(fā)現(xiàn)施用生物質(zhì)炭第一年未增加玉米產(chǎn)量，而后續(xù)3年分別增產(chǎn)8%、30%和 140%。然而，在作物增產(chǎn)方面還存在一些不同的觀點(diǎn)：將生物質(zhì)炭施加到酸性土壤中能夠顯著增加小麥和蘿卜產(chǎn)量，而在堿性土壤中卻降低了其產(chǎn)量［6］。黃超等［7］研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭有效改善了低肥力酸性紅壤，促進(jìn)黑麥草的生長(zhǎng)，但在高肥力土壤上出現(xiàn)抑制作用。劉園等［8］報(bào)道低用量生物質(zhì)炭對(duì)潮土作物產(chǎn)量無(wú)影響，中、高用量處理可以提高小麥、玉米和四季總產(chǎn)量4.54%～4.92%。學(xué)者認(rèn)為出現(xiàn)相反結(jié)果可能與不同植物對(duì)生物質(zhì)炭引起的pH敏感性不同，抑或高水平生物質(zhì)炭可能引發(fā)氮固定，導(dǎo)致作物減產(chǎn)［6］。由此可見，生物質(zhì)炭對(duì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)效果還存在分歧，這種分歧取決于土壤肥力和性質(zhì)、作物類型以及生物炭的特性和施用量等因素［9］，有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

生物質(zhì)炭對(duì)植物生長(zhǎng)促進(jìn)作用主要?dú)w結(jié)為其改善了土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分供應(yīng)能力［5，9］。例如，生物質(zhì)炭施用增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高了土壤肥力，提高土壤pH，直接促進(jìn)磷（P）、鉀（K）、鎂（Mg）和鈣（Ca）的生物有效性［7］；改善了土壤質(zhì)地，提高土壤持水性能和養(yǎng)分截留［8-9］。土壤微生物和土壤酶調(diào)控土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)，是土壤質(zhì)量的重要生物指標(biāo)［10］。研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭增加了土壤中菌根真菌侵染，使得作物對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收加強(qiáng)［11］；有利于促進(jìn)植物根際促生菌，提高辣椒病害抵抗力［12］；提高紅壤性水稻土微生物數(shù)量［13］和濱海鹽堿土固氮功能微生物的豐度［14］；提高蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶等活性，促進(jìn)糜子產(chǎn)量提高［15］。由此，推測(cè)生物質(zhì)炭促進(jìn)作物增產(chǎn)的潛在動(dòng)力可能是土壤微生物與酶活性介導(dǎo)下的土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力的提高。生物質(zhì)炭施用一方面增加土壤養(yǎng)分含量和生物有效性，另一方面可能通過(guò)提高土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性改善土壤養(yǎng)分供給能力，從而間接促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

為驗(yàn)證以上科學(xué)假設(shè)，本研究通過(guò)采集太湖地區(qū)典型稻/麥輪作農(nóng)田土壤，以小麥秸稈生物質(zhì)炭為材料，通過(guò)盆栽試驗(yàn)，采用定量PCR技術(shù)和微孔板熒光法，研究生物質(zhì)炭添加對(duì)黑麥草生長(zhǎng)和土壤微生物數(shù)量及相關(guān)土壤酶活性的影響，探討潛在的微生物學(xué)機(jī)理，以期為太湖地區(qū)農(nóng)田土壤增匯減排和稻/麥輪作系統(tǒng)地力提升提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自江蘇省宜興市宜豐鎮(zhèn)鯨塘村（31°24′10″ N，119°41′28″ E），土壤類型屬于太湖地區(qū)第四紀(jì)湖積物發(fā)育的脫潛型水稻土。該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，為典型的稻麥輪作區(qū)，年平均氣溫15.7℃，年平均降水量1177 mm。0～20cm土壤基本理化性質(zhì)為：pH（H2O）6.80，有機(jī)碳23.5 g kg-1，全氮2.33 g kg-1，有效磷12.36 mg kg-1，速效鉀71.62 mg kg-1。于小麥季采集土壤樣品，風(fēng)干后過(guò)2mm篩備用。

1.2 盆栽試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理，分別為C0（不添加生物質(zhì)炭）、C1（生物質(zhì)炭添加量2%，炭/土質(zhì)量比）和C2（生物質(zhì)炭添加量4%，炭/土質(zhì)量比），每處理3個(gè)重復(fù)。將土壤樣品與生物質(zhì)炭充分混合后裝盆，每盆重量500 g。每盆播種20粒大小均勻飽滿的種子，等黑麥草種子萌發(fā)一周后，每盆間苗至10株，整個(gè)培養(yǎng)期間均保持無(wú)雜草生長(zhǎng)。調(diào)節(jié)土壤含水量至田間最大持水量的65%。試驗(yàn)在溫室內(nèi)進(jìn)行，培養(yǎng)期間不添加肥料，盆的位置隨機(jī)擺放，定期補(bǔ)充去離子水。盆栽90 d后剪取黑麥草地上部分，置于60℃烘箱中烘干至恒重，稱重。

盆栽結(jié)束后進(jìn)行破壞性取樣，土壤過(guò)2 mm篩，混勻，分成2份。一份自然風(fēng)干，用于土壤基本性質(zhì)測(cè)定；另一份冷凍干燥后保存至-70℃冰箱，備用。

1.3 土壤化學(xué)分析

土壤化學(xué)性質(zhì)分析參照文獻(xiàn)［16］進(jìn)行。土壤pH用無(wú)CO2蒸餾水浸提（土水比為1∶2.5），pH計(jì)測(cè)定。有機(jī)碳和全氮（土壤過(guò)0.25 mm篩）分別采用重鉻酸鉀容量法和凱氏定氮法測(cè)定。堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有效磷采用鹽酸-氟化銨溶液浸提，鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀采用醋酸銨提取，火焰光度計(jì)（FP6410，上海）測(cè)定。

1.4 土壤總DNA提取

采用MATLAB對(duì)本文算法進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證,并與ADM+CGA算法結(jié)果進(jìn)行比較。兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)布置在鉆井井筒中固定位置,傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)散布在裂縫中,裂縫內(nèi)部沒有錨節(jié)點(diǎn)。如前所述水力壓裂工藝產(chǎn)生的裂縫寬度很小,混在攜砂液(起支撐裂縫作用)進(jìn)入裂縫內(nèi)部的傳感器節(jié)點(diǎn)定位問(wèn)題等效為平面內(nèi)節(jié)點(diǎn)定位問(wèn)題。為了研究噪聲引起的磁場(chǎng)測(cè)量誤差對(duì)定位的影響,利用距離測(cè)量誤差取代磁場(chǎng)測(cè)量誤差,觀察相對(duì)定位誤差隨距離測(cè)量誤差的變化。引入噪聲因子nf∈[0,1]反映距離測(cè)量噪聲方差大小,包含測(cè)量誤差的距離估計(jì)可表示為

稱取0.25 g冷凍干燥后的土壤樣品，采用MOBIO公司生產(chǎn)的土壤DNA提取試劑盒（Power-Soil DNA Isolation Kit，美國(guó)），按試劑盒說(shuō)明書進(jìn)行土壤總DNA提取。提取后的DNA經(jīng) 1.0%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)，并用微量分光光度計(jì)（ND-1000，NanoDrop Technologies，美國(guó)）測(cè)定其濃度和純度。提取后的DNA 樣品保存于-20℃。

1.5 熒光定量PCR

本試驗(yàn)選用細(xì)菌和古菌的16S rRNA基因、真菌18S rRNA基因和固氮微生物nifH基因進(jìn)行定量分析。質(zhì)粒及標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作參照文獻(xiàn)［17］進(jìn)行。以10倍梯度將獲得的質(zhì)粒進(jìn)行梯度稀釋，得到10-2～10-76個(gè)梯度備用。反應(yīng)在實(shí)時(shí)定量PCR 儀CFX96TMReal-Time System （Bio-Rad，美國(guó)）上進(jìn)行，反應(yīng)體系組成如下：2 × 預(yù)混反應(yīng)液SYBR Premix Ex Taq 10 μl（TaKaRa，日本），10 μmolL-1上游和下游引物各0.5 μl，模板DNA1.0 μl，無(wú)菌雙蒸水8 μl。標(biāo)準(zhǔn)曲線及每個(gè)樣品3次重復(fù)，同時(shí)設(shè)置空白。熒光定量PCR反應(yīng)所用的引物和反應(yīng)條件見表1。

表1 定量PCR擴(kuò)增引物和反應(yīng)條件Table 1 Primers for quantitative real time PCR and reaction conditions

1.6 土壤酶活性測(cè)定方法

土壤酶活性分析采用微孔板熒光法，其原理為利用底物與酶水解釋放4-甲基傘形酮酰（4-MUB）或7-氨基-4-甲基香豆素（MUC）進(jìn)行熒光檢測(cè)，通過(guò)熒光強(qiáng)度的變化反映酶活性。選取的6種胞外酶分別為：β-葡萄糖苷酶（3.2.1.21，4-MUB-β-D-葡萄糖苷）、纖維二糖水解酶（3.2.1.91，4-MUB-纖維二糖苷）、木糖苷酶（3.2.1.37，4-MUB-β-D-木糖苷）、β-N-乙?；被咸烟擒彰福?.2.1.30，4-MUB-β-D-乙?；被咸烟擒眨⑺嵝粤姿崦福?.1.3.2，4-MUB-磷酸酯）和亮氨酸氨基肽酶（3.4.11.1，L-亮氨酸-7-氨基-4-甲基香豆素鹽酸）。括號(hào)中的文字分別表示酶學(xué)委員會(huì)編碼和底物。微孔板熒光法分析參考文獻(xiàn)［22］，并作了少量修改：稱取2 g冷凍干燥后的土壤樣品加入盛有40 ml 50 mmol L-1醋酸緩沖液（pH 5.0）的100 ml離心管中，置于搖床上25℃，200 r min-1震蕩 20 min，使土壤樣品充分破碎。用60 ml的50 mmol L-1醋酸緩沖液少量多次地將土壤懸液全部洗入1 L的燒杯中，制成土壤均質(zhì)懸濁液。試驗(yàn)每個(gè)樣品測(cè)定3次重復(fù)，同時(shí)設(shè)置不加標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的對(duì)照。用多功能酶標(biāo)儀（SynergyTMH1，Biotek，美國(guó)）在熒光激發(fā)光365 nm和檢測(cè)光波長(zhǎng)450 nm下測(cè)定反應(yīng)液熒光值。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線濃度梯度，本試驗(yàn)所有樣品的標(biāo)準(zhǔn)曲線R2值均大于0.98。

1.7 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用SPSS 18.0（IBM Co.，Armonk，NY，美國(guó)）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和鄧肯（Duncan）法多重比較檢驗(yàn)各處理間的差異顯著性（p＜ 0.05）。相關(guān)性分析采用皮爾遜（Pearson）相關(guān)分析法進(jìn)行雙尾檢驗(yàn)確定顯著性。

2 結(jié) 果

2.1 生物質(zhì)炭對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)和黑麥草生物量的影響

如表2所示，與對(duì)照土壤相比，添加2% （C1）生物質(zhì)炭的土壤，pH、有機(jī)碳（SOC）、全氮（TN）、碳氮比（C/N）和速效鉀分別提高了9%、45%、19%、20%和104%（均達(dá)顯著水平）；添加4%（C2）生物質(zhì)炭的土壤，上述指標(biāo)分別提高了13%、99%、32%、50%和187%；但2%和4%生物質(zhì)炭處理下堿解氮分別減少了17%和18%，而對(duì)有效磷含量無(wú)影響。添加低量生物質(zhì)炭對(duì)黑麥草生物量無(wú)影響，而添加高量生物質(zhì)炭（4%），黑麥草生物量提高了68%。

表2 培養(yǎng)結(jié)束后不同處理的土壤性質(zhì)和黑麥草生物量Table 2 Properties of the soils after incubation relative to treatment and biomass of ryegrass

2.2 生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物豐度的影響

與對(duì)照相比，C1處理使細(xì)菌、古菌和固氮菌基因豐度分別提高了30%、36%和72%，而對(duì)真菌基因豐度無(wú)影響（圖1）；C2處理使上述指標(biāo)分別提高了50%、83%和116%。生物質(zhì)炭處理顯著降低了真菌/細(xì)菌比（F/B），提高了古菌/細(xì)菌比（A/B）。C2處理對(duì)細(xì)菌、古菌和固氮菌基因豐度的影響較C1更大。

2.3 生物質(zhì)炭對(duì)土壤酶活性的影響

由圖2可知，C1處理下β-葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶、木糖苷酶、β-N-乙?；被咸烟擒彰负退嵝粤姿崦傅幕钚苑謩e較對(duì)照提高了25%、118%、123%、112%和14%。C2處理下上述指標(biāo)分別較對(duì)照提高了61%、215%、148%、114%和20%。生物質(zhì)炭處理對(duì)亮氨酸氨基肽酶無(wú)影響。C2處理下的β-葡萄糖苷酶和纖維二糖水解酶活性顯著高于C1，而其他酶活性在C1和C2處理之間均無(wú)顯著差異。

2.4 微生物豐度與土壤化學(xué)性質(zhì)、酶活性間的相關(guān)性

依據(jù)變量之間的內(nèi)在聯(lián)系，選擇性地提取了若干變量進(jìn)行了相關(guān)性分析。土壤微生物豐度與土壤化學(xué)性質(zhì)（pH、SOC、TN和C/N）及6種酶活性的相關(guān)性表明，細(xì)菌和固氮菌豐度均與pH、SOC、TN、C/N、β-葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶、木糖苷酶、β-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶呈顯著正相關(guān)，而與亮氨酸氨基肽酶無(wú)相關(guān)性（表3）。古菌除了與木糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶無(wú)相關(guān)性外，其余相關(guān)性均與細(xì)菌一致。真菌豐度與土壤化學(xué)性質(zhì)和所測(cè)酶均無(wú)相關(guān)性。

3 討 論

圖1 生物質(zhì)炭添加處理下土壤微生物豐度Fig. 1 Soil microbial abundances relative to treatment of biochar addition

本試驗(yàn)結(jié)果表明，高用量（4%）的小麥秸稈生物質(zhì)炭添加至太湖地區(qū)農(nóng)田土壤中可以顯著提高黑麥草生物量，與Zhang等［23］報(bào)道的田間試驗(yàn)下生物質(zhì)炭提高該地區(qū)水稻產(chǎn)量相一致。無(wú)疑，黑麥草生物量提高與土壤pH、有機(jī)碳、全氮和速效鉀含量提高有密切關(guān)系。如前所述，特別是在酸性土壤中，pH的提高可以直接促進(jìn)P、K、Mg和Ca等養(yǎng)分的生物有效性，降低活性鋁和重金屬元素對(duì)植物生長(zhǎng)的抑制作用［7］。盡管本研究所用土壤為中性土，生物質(zhì)炭添加仍然提高了土壤pH 0.62～0.89個(gè)單位，土壤有機(jī)碳和全氮含量也得到了成倍提高。這主要是因?yàn)楸狙芯克蒙镔|(zhì)炭具有較高的pH（10.4）、有機(jī)碳、全氮和灰分含量，與土壤充分混勻后能短期內(nèi)迅速中和土壤酸性物質(zhì)，提高土壤pH和碳氮含量。生物質(zhì)炭添加顯著提高了土壤速效鉀含量，與黃超等［7］和李松昊等［24］報(bào)道的結(jié)果相似。顯然，速效鉀含量的提高對(duì)促進(jìn)植物光合作用、多糖合成和增加植物抗逆性等均有積極作用。堿解氮含量降低可能與生物質(zhì)炭具有較強(qiáng)的有機(jī)物和礦質(zhì)態(tài)氮吸附能力有關(guān)［25］。Taghizadeh-Toosi等［25］研究表明，生物質(zhì)炭能吸附土壤中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，且吸附的這些氮素是生物可利用的。低用量（2%）的生物質(zhì)炭添加未顯著提高黑麥草生物量，可能是因?yàn)樯镔|(zhì)炭對(duì)土壤養(yǎng)分等的改善作用還不夠充分。

圖2 生物質(zhì)炭添加處理下的土壤酶活性Fig. 2 Soil enzyme activities relative to treatment of biochar addition

表3 微生物豐度與土壤化學(xué)性質(zhì)、酶活性的相關(guān)性Table 3 Correlations between soil microbial abundances，soil properties and enzyme activities

土壤養(yǎng)分含量和生物有效性提高對(duì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)有著重要作用。保持土壤具有較高的養(yǎng)分水平有賴于微生物和土壤酶介導(dǎo)的有機(jī)質(zhì)礦化過(guò)程，在土壤環(huán)境適宜的條件下，土壤微生物群落數(shù)量、活性和土壤酶功能的提高可以調(diào)控養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和釋放，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)礦質(zhì)化。本研究表明，生物質(zhì)炭添加可以不同程度地提高細(xì)菌和古菌豐度，與Chen等［17］報(bào)道的生物質(zhì)炭施用提高稻田土壤細(xì)菌16S rRNA基因豐度較為一致。細(xì)菌在土壤中數(shù)量最大，類群最多，參與土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)等多種重要功能。古菌也是土壤中一類重要的類群，且其數(shù)量和活性受土壤可利用有機(jī)質(zhì)影響［26］。生物質(zhì)炭對(duì)土壤細(xì)菌豐度的提高可能與土壤微生物可利用碳增加有關(guān)，生物質(zhì)炭為土壤微生物的繁殖創(chuàng)造了有利的生境［27］。Luo等［27］運(yùn)用13C穩(wěn)定同位素技術(shù)表明草本植物生物質(zhì)炭較大一部分可以作為底物被微生物利用，從而促進(jìn)微生物生長(zhǎng)。生物質(zhì)炭巨大比表面積和多孔特性有利于減少微生物被天敵（如食細(xì)菌線蟲）捕食的機(jī)會(huì)，為土壤微生物生存提供了充足的水分和養(yǎng)分［28］。因此，生物質(zhì)炭添加所營(yíng)造的優(yōu)良微環(huán)境，有利于細(xì)菌和古菌豐度的提高，從而促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)和生物質(zhì)炭礦化、養(yǎng)分釋放，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。本研究中細(xì)菌和古菌豐度與土壤有機(jī)碳和全氮均呈顯著正相關(guān)，也說(shuō)明土壤細(xì)菌和古菌與土壤養(yǎng)分之間具有密切聯(lián)系。添加生物質(zhì)炭未改變真菌群落豐度，降低了真菌/細(xì)菌比，這可能由于真菌具有較大的土壤pH變異耐性，能適應(yīng)較大的酸堿變化范圍［17］。固氮菌通過(guò)自身固氮酶系統(tǒng)將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨，對(duì)土壤生物固氮具有重要貢獻(xiàn)，也是農(nóng)田土壤中重要的功能微生物類群［29］。本研究結(jié)果與宋延靜等［14］報(bào)道的添加生物質(zhì)炭顯著促進(jìn)濱海鹽堿土固氮菌豐度較為一致。固氮菌豐度的顯著提高暗示著土壤生物固氮作用的增強(qiáng)，可能是生物質(zhì)炭極高的C/N和土壤中較低的堿解氮含量促進(jìn)了土壤依靠固氮菌來(lái)補(bǔ)償?shù)毓?yīng)的不足。因此，作為土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)的核心驅(qū)動(dòng)力，土壤微生物在生物質(zhì)炭的促進(jìn)作用下，對(duì)增進(jìn)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和物質(zhì)循環(huán)具有積極意義。

土壤酶源于植物、動(dòng)物和微生物及其分泌物，但主要來(lái)源于微生物，一定程度上反映了微生物的活性及其在土壤養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程中的作用［30］。本研究土壤微生物豐度與多數(shù)土壤酶活性具有較好的正相關(guān)性印證了兩者之間的聯(lián)系。多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，土壤酶活性與作物產(chǎn)量具有密切的相關(guān)性，是衡量土壤生產(chǎn)力的良好指標(biāo)［31］。本研究中所檢測(cè)的6種酶與土壤C、N、P循環(huán)密切相關(guān)，其活性隨著生物質(zhì)炭添加量的提高而提高（除了亮氨酸氨基肽酶），表明生物質(zhì)炭促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的礦化和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的周轉(zhuǎn)速率。因此，生物質(zhì)炭提高土壤相關(guān)酶活性可能是促進(jìn)黑麥草生長(zhǎng)的另一個(gè)重要因素。盡管如此，生物質(zhì)炭添加對(duì)酶活性影響變異較大，既可增加也可抑制相關(guān)土壤酶活性。Wang等［32］通過(guò)微孔板熒光法發(fā)現(xiàn)低濃度（0.5%質(zhì)量比）的生物質(zhì)炭添加量可以促進(jìn)β-葡萄糖苷酶、α-葡萄糖苷酶和纖維二糖水解酶活性，而高濃度（2.5%和5%質(zhì)量比）反而抑制其活性。尚杰等［15］發(fā)現(xiàn)低用量生物質(zhì)炭可以提高蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶等活性，促進(jìn)糜子產(chǎn)量，而高用量生物質(zhì)炭卻降低了其活性。Chen等［17］研究發(fā)現(xiàn)秸稈生物質(zhì)炭可以提高土壤脫氫酶和堿性磷酸酶活性，但降低了β-葡萄糖苷酶活性。Bailey等［33］認(rèn)為酶活性變異取決于生物質(zhì)炭的孔隙結(jié)構(gòu)和活性表面對(duì)酶和底物的吸附能力，并受土壤和生物質(zhì)炭顆粒類型影響，酶活性測(cè)定方法差異也會(huì)導(dǎo)致截然不同的結(jié)果。因此，在以后的研究中有必要綜合考慮生物質(zhì)炭特征、土壤類型和測(cè)定方法，開展更多此類研究。

4 結(jié) 論

盆栽實(shí)驗(yàn)中，短期的小麥秸稈生物質(zhì)炭添加提高了黑麥草生物量，主要?dú)w因于生物質(zhì)炭改善了土壤養(yǎng)分水平，并顯著增加了細(xì)菌、古菌和固氮菌等土壤主要類群功能菌的豐度，增強(qiáng)了與土壤C、N 和P轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶活性。然而，這種改善效果的持續(xù)性和土壤微生物變化的機(jī)制還不明確，在開展大規(guī)模生物質(zhì)炭農(nóng)田施用之前迫切需要開展更多長(zhǎng)期定位試驗(yàn)。

致 謝感謝浙江農(nóng)林大學(xué)動(dòng)物與科技學(xué)院楊夢(mèng)華教授和南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所李子川博士生對(duì)微孔板熒光分析法的技術(shù)指導(dǎo)。

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Effect of Biochar Addition on Ryegrass Growth in a Pot Experiment and Its Mechanism

WU Tao FENG Gelin ZENG Zhen CHEN Junhui?XU Qiufang LIANG Chenfei
（Zhejiang Provincial Key Laboratory of Carbon Cycling in Forest Ecosystems and Carbon Sequestration，School of Environmental and Resources，Zhejiang Agriculture and Forestry University，Lin’an，Zhejiang 311300，China）

【Objective】Biochar amendment to soil has recently been considered as a promising strategy to improve soil carbon sequestration and soil fertility. The aim of this work was to investigate effect of biochar on plant growth and its potential mechanism behind，so as to provide a theoretical reference for the use of biochar as a soil amendment in agricultural soils to improve soil fertility and enhance soil carbon sequestration. 【Method】For this study a pot experiment was performed to investigate changes in ryegrass growth，soil microbial community abundance and soil enzyme activities involved in C，N and P recycling as affected by biochar addition. The biochar used in the pot experiment was prepared out of wheat straw through pyrolysis at 350～550℃ with limited oxygen，and the soil in the pots was collected from farmlands in the Tai Lake Region. Biochar was amended into the pots，separately，at a rate of 0% for Treatment C0 or control（biochar / soil in weight），2% for Treatment C1（low rate）and 4% for Treatment C2（high rate）and each treatment had 3 replicates. Ryegrass（Loliump erenne）was planted in each pot and let grow for 90 days. At the end of the period of growth，ryegrass was analyzed for biomass and soils for properties，microbial community abundances and soil enzyme activities with the quantitative real-time PCR and microplate fluorimetric assay，respectively. 【Result】Results show that biochar at a low rate did not increase ryegrass biomass，but at a high rate it did significantly or by 68%. Biochar addition，low and high significantly increased soil pH，soil organic carbon（SOC），total nitrogen（TN），C/N ratio and available K content by 9%，45% ，19%，20%，and 104% and by 13%，99%，32%，50%，and 187%，respectively，as compared with the control，whereas it decreased available N content by 17% and 18%，respectively.Besides，biochar addition，low and high also increased bacterial and archaeal 16S rRNAand nifH gene copies by 30%，36%，and 72%，and by 50%，83%，and 116%，respectively，and also significantly increased β-glucosidase（BG），β-D-cellobiosidase（CB），β-xylosidase（XYL），N-acetyl-β-glucosaminidase（NAG）andphosphatase （PHOS）by 25%，118%，123%，112% and 14%，andby 61%，215%，148%，114%，and 20%，respectively，but had no effect on leucine aminopeptidase. In most cases，no significant differences were observed in chemical and biological properties between the treatments high and low in addition rate. Correlation analysis demonstrates that abundances of all soil microbes（except for fungi）were positively related to pH，SOC，TN，C/N and activities of most soil enzyme（except for leucine aminopeptidase）. 【Conclusion】In summary，all the findings in this study suggest that biochar addition can improve soil fertility，key microbial communities in abundances and enzymes in activity，which may be the major causes of biochar enhancing soil nutrient transformation functions and plant productivity.

Biochar；Quantitative PCR；Soil enzyme；Microplate fluorimetric assay；Soil microorganisms

S154

A

10.11766/trxb201606030204

（責(zé)任編輯：陳榮府）

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41401318）、浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)生科研訓(xùn)練項(xiàng)目（112-2013200018）和浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院大學(xué)生科研訓(xùn)練項(xiàng)目（20150117）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 41401318），Students Research Trainingsof Zhejiang A&F University（No. 112-2013200018）and of School of Environmental and Resource Sciences of Zhejiang A&F University（No. 20150117）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：junhui5@126.com

吳 濤（1997—），男，安徽歙縣人，農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境專業(yè)。E-mail：17816897546@163.com

2016-06-03；

2016-09-28；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2016-10-27