生物炭配施氮肥改善表層土壤生物化學(xué)性狀研究

孟繁昊，高聚林，于曉芳，王志剛，胡樹平，青格爾，孫繼穎，屈佳偉

（1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019；2 內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古通遼 028000）

生物炭 (biochar) 通常指農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)在缺氧條件下不完全燃燒產(chǎn)生的富碳產(chǎn)物[1]，炭化后具有多微孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積[2]，施入土壤后能夠降低土壤容重，改善土壤結(jié)構(gòu)性。生物炭的高度羧酸酯化、芳香化結(jié)構(gòu)特征還使其具備了極強(qiáng)的吸附能力[3]，可增加土壤中的有效水分、養(yǎng)分，提升肥料利用率，成為農(nóng)業(yè)中改善土壤狀況、節(jié)本增效的理想材料[4–5]。

近年來，生物炭作為農(nóng)業(yè)廢棄物的再利用資源，因能夠改善土壤水肥狀況、增產(chǎn)增效受到廣泛關(guān)注[6–7]。由于土壤類型和氣候環(huán)境的不同，生物炭對(duì)土壤和作物的影響也不盡相同，但生物炭改善土壤狀況、促進(jìn)作物生長(zhǎng)方面的正向效應(yīng)已受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍認(rèn)可[8–9]。生物炭施入土壤后可增加土壤有機(jī)碳庫存[10–11]，提高土壤供氮能力[12–13]，增加微生物數(shù)量及活性[14]，改善根際土壤環(huán)境，促進(jìn)作物生長(zhǎng)。戰(zhàn)秀梅等[15]通過4年連續(xù)定位試驗(yàn)，研究生物炭對(duì)棕壤理化性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳和全氮分別增加了27.6%和75.6%。Uzoma等[16]通過研究生物炭對(duì)沙質(zhì)土壤上玉米產(chǎn)量的影響表明，施入15 t/hm2和20 t/hm2生物炭時(shí)，產(chǎn)量分別提高150%和98%。

但眾多研究表明，生物炭的過量施用降低土壤微生物量、酶活性[14]，甚至導(dǎo)致減產(chǎn)[17]。通過土壤微生物碳氮平衡原理可知[18]，維持微生物正?；顒?dòng)的碳氮源存在固定比例，過量施炭有可能打破這種比例進(jìn)而抑制微生物數(shù)量，本研究以此為切入點(diǎn)，探究生物炭配施氮肥后，土壤碳氮儲(chǔ)量、微生物量及酶活性的變化規(guī)律，旨在為改善土壤微生態(tài)環(huán)境以及春玉米的增產(chǎn)增效提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究利用內(nèi)蒙古自治區(qū)東部和西部不同的氣候環(huán)境及土壤條件，于2017年在內(nèi)蒙古東部 (通遼市開魯縣小街基鎮(zhèn)范家窯村) 和西部 (包頭市土默特右旗溝門鎮(zhèn)北只圖村) 進(jìn)行試驗(yàn)。2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)位置和春玉米生育期 (4—10月) 內(nèi)氣候情況以及0—20cm土壤基本理化性質(zhì)見表 1和表 2。

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用生物炭為玉米秸稈在缺氧條件下300～350℃燒制而成，由沈陽卡力瑪生物炭科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)，其pH為10.08，含碳71.23%、氮1.51%、磷 (P) 0.78%、鉀 (K) 1.68%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)設(shè)3個(gè)氮肥水平，副區(qū)設(shè)4個(gè)生物炭水平，3次重復(fù)，共36個(gè)小區(qū)，每小區(qū)長(zhǎng)5 m、寬6 m。生物炭于播前撒于地表，同底肥 (P2O590 kg/hm2、K2O 45 kg/hm2) 一起均勻旋耕入土于耕層15 cm左右，氮肥按3∶7分別于拔節(jié)期、大口期追施尿素。本試驗(yàn)供試品種為先玉335，種植密度為75000株/hm2。包頭于2017年4月20日統(tǒng)一機(jī)播，9月30日收獲；通遼于2017年4月27日人工點(diǎn)播，10月3日收獲。全生育期間灌水4次，每次灌水定額均為750 m3/hm2。其他管理同大田生產(chǎn)。各處理組合生物炭和氮用量見表 3。

1.4 樣品采集及指標(biāo)測(cè)定方法

1.4.1 樣品的采集 于玉米播種前采集0—20 cm土壤樣品，于收獲時(shí)按每個(gè)小區(qū)0—10 cm、10—20 cm和20—40 cm分層取100 g左右保存于4℃冰箱中，用于土壤微生物量碳、氮的測(cè)定，其余50 g土樣于陰涼處風(fēng)干，供土壤有機(jī)碳、全氮和土壤酶活性的測(cè)定。1.4.2 測(cè)定指標(biāo)及方法 土壤基本生物化學(xué)性質(zhì)采用鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》中的方法[19]測(cè)試；土壤有機(jī)碳采用K2Cr2O7氧化外加熱法測(cè)定；土壤全氮采用全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定；微生物量碳、氮用氯仿熏蒸滅菌—K2SO4浸提法測(cè)定[20]；脲酶采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定；過氧化氫酶和蔗糖酶采用比色法測(cè)定[21]。

用同一土層整個(gè)供試土樣酶活性的平均值為參比，分別計(jì)算各土樣酶活性的相對(duì)值，然后累加即為各土樣的總體酶活參數(shù)。

總體酶活參數(shù) (Et) = ∑Xi/X

式中：Xi為供試樣品第i種酶活性實(shí)測(cè)值；X為同種酶活性平均值[22]。

于玉米生理成熟期，田間每小區(qū)選取無缺苗斷壟且長(zhǎng)勢(shì)整齊的兩行實(shí)收，待果穗風(fēng)干后考種，逐穗測(cè)定穗粒數(shù)后全部脫粒，測(cè)定百粒重，并計(jì)算籽粒理論產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行兩因素方差分析，LSD法進(jìn)行多重比較 (P = 0.05) ，采用Sigma Plot 12.0進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭配施氮對(duì)土壤有機(jī)碳、全氮及碳氮比的影響

對(duì)2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)相同處理的有機(jī)碳 (SOC)、全氮(TN)和碳氮比(C/N)取均值進(jìn)行兩因素方差分析，由表 4可知，生物炭和氮用量對(duì)0—10 cm、10—20 cm和20—40 cm土層的有機(jī)碳和碳氮比均有極顯著影響 (P ＜ 0.01) ，且二者間交互作用極顯著；僅生物炭對(duì)0—10 cm和10—20 cm土層全氮有極顯著影響。2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)3個(gè)土層土壤有機(jī)碳在各施氮水平下，隨生物炭施用量的增加而增加，包頭和通遼2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均以C24為最大值，3個(gè)土層分別較C0顯著增加25.21%～31.12%、24.03%～29.87%和19.33%～49.42% (P ＜ 0.05) 。2 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn) 0—10 cm和10—20 cm土層土壤全氮在各施氮水平下隨生物炭用量的增加而增加，包頭和通遼2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均以C24為最大值，分別較C0處理顯著增加3.39%～21.17%和11.36%～39.07%；20—40 cm土層，各施炭水平，包頭施氮處理 (N150、N300) 較不施氮處理 (N0) 顯著增加2.16%～13.40%，通遼各施氮處理間差異不顯著。包頭的0—10 cm和20—40 cm土層，通遼的3個(gè)土層，同一施氮水平，施炭處理 (C8、C16、C24) 均顯著增加了土壤碳氮比；同一施生物炭水平下，各施氮處理間差異不顯著。

表1 試驗(yàn)地經(jīng)緯度和春玉米生育期內(nèi)的氣候條件Table 1 The geodetic latitude and climatic conditions in spring corn growth period of experimental sites

表2 試驗(yàn)地土壤基礎(chǔ)肥力Table 2 Soil basic fertility of the experimental sites

表3 各處理生物炭和氮用量Table 3 Biochar and nitrogen input in different treatments

表4 生物炭配施氮肥對(duì)土壤有機(jī)碳 (SOC) 、全氮 (TN) 和碳氮比 (C/N) 的影響Table 4 Effects of combined application of biochar and nitrogen on soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN)and carbon/nitrogen (C/N)

2.2 生物炭配施氮對(duì)土壤微生物量及微生物商的影響

對(duì)2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)相同處理的微生物量碳 (SMBC) 、微生物量氮 (SMBN) 和土壤微生物商 (SMQ) 取均值進(jìn)行兩因素方差分析，由表 5可知，生物炭和氮對(duì)0—10 cm、10—20 cm和20—40 cm土層的SMBC、SMBN和SMQ均有極顯著影響 (P ＜ 0.01)，且二者間交互作用極顯著。2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)3個(gè)土層SMBC在同一施氮水平，隨生物炭施用量的增加呈先增后減的趨勢(shì)。0—10 cm和10—20 cm土層，各施氮水平下，包頭施炭處理 (C8、C16、C24) 較不施炭處理 (C0)顯著增加9.10%～32.78%和22.35%～128.82% (P ＜0.05) ，通遼僅C8處理較C0處理顯著增加了20.04%～107.03%和1.61%～34.59%；各施炭水平下，僅N150處理較N0處理顯著增加2.70%～58.20%和7.03%～58.29%。2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)3個(gè)土層SMBN在同一施氮水平，隨生物炭量增加呈先增后減趨勢(shì)，施炭處理(C8、C16、C24) 均顯著大于不施炭處理 (C0) 。0—10 cm和10—20 cm土層，僅C8在各施氮水平較C0顯著增加20.00%～175.70%和28.84%～102.34%；各施炭水平，N150處理和N300處理較N0處理顯著增加2.70%～58.20%和7.03%～58.29%。SMQ是指SMBC與SOC的比值，用來表征土壤碳庫的活性特征。2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)0—10 cm和10—20 cm的SMQ在各施氮水平，僅C8處理較C0處理顯著增加了12.98%～54.08%和15.52%～97.93%；各施炭水平，僅N150處理較N0處理顯著增加了6.75%～51.39%和3.43%～57.33%。

表5 生物炭配施氮對(duì)土壤微生物量碳 (SMBC) 、微生物量氮 (SMBN) 和微生物商 (SMQ) 的影響Table 5 Effects of combined application of biochar and nitrogen on soil microbial biomass carbon (SMBC), soil microbial biomass nitrogen (SMBN), soil microbial quotient (SMQ)

各炭氮處理組合的SMBC和SMQ，包頭10—20 cm土層顯著大于20—40 cm土層，通遼0—10 cm和10—20 cm土層顯著大于20—40 cm土層；各炭氮處理組合的SMBN，2個(gè)試點(diǎn)0—10 cm和10—20 cm土層均顯著大于20—40 cm。

2.3 生物炭配施氮對(duì)土壤酶活性的影響

對(duì)2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)相同處理的蔗糖酶 (Su) 、脲酶(Ur) 和過氧化氫酶 (Cat) 取均值進(jìn)行兩因素方差分析，由表 6可知，生物炭和氮肥對(duì)0—10 cm、10—20 cm和20—40 cm土層的三種酶活性均有極顯著影響 (P ＜ 0.01) ，且二者交互影響極顯著。

2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)3個(gè)土層蔗糖酶活性在各施氮水平下，隨著施炭量的增加呈先增后減的趨勢(shì)，C8和C16處理均顯著大于C0處理(P ＜ 0.05) ；各施炭水平，N150和N300處理均顯著大于N0處理，2個(gè)施氮量間差異不顯著。包頭3個(gè)土層分別以N150C16、N150C24、N150C8配施為最大值，通遼3個(gè)土層均以N150C8為最大值，較不施肥處理 (N0C0) 分別增加76.19%、77.90%、30.21%和75.06%、45.62%、164.79%。

2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)0—10 cm和10—20 cm土層脲酶活性在各施氮水平，隨著施炭量的增加呈先增后減的趨勢(shì)，施加生物炭處理 (C8、C16、C24) 的脲酶活性較不施炭處理 (C0) 顯著增加3.10%～118.78%和9.43%～141.58%；各施炭水平，隨著施氮量的增加呈先增后減趨勢(shì)，均以N150為最大值，較N0顯著增加8.06%～104.13%和4.08%～67.11%。20—40 cm土層，僅通遼在C8和C16處理，施氮處理 (N150和N300) 顯著大于不施氮 (N0) 。2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)0—20 cm (將0—10 cm和10—20 cm取均值) 和20—40 cm土層，各炭氮配施處理均以N150C8土壤脲酶活性為最大值，包頭較不施肥 (N0C0) 顯著增加188.14%、117.31%，通遼顯著增加80.44%、153.45%。

2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)0—10 cm土層過氧化氫酶活性在施加生物炭處理 (C8、C16、C24) 時(shí)，施氮處理 (N150和N300) 較不施氮處理 (N0) 顯著增加24.07%～141.67%。10—20 cm和20—40 cm土層在各施氮水平，隨著生物炭用量的增加呈先增后減趨勢(shì)，均以C8處理為最大值，C8較C0處理顯著增加52.53%～145.31%和9.33%～51.80%；各施炭水平，包頭N150和N300處理均小于N0處理。

土壤總體酶活參數(shù) (Et) 用來表征供試土壤中土壤總體酶活性的大小，通過將實(shí)測(cè)值轉(zhuǎn)化為相對(duì)值，綜合評(píng)價(jià)了不同量綱酶活性的總體變化規(guī)律[23]。由圖 1可知，2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)0—10cm、10—20cm和20—40cm土層土壤總體酶活參數(shù)在同一施氮水平，隨生物炭量的增加呈先增后減趨勢(shì)，施加生物炭處理 (C8、C16、C24) 較不施炭處理 (C0) (P ＜ 0.05) 顯著增加5.80%～94.30%、2.69%～59.91%和6.11%～64.33%。0—10cm和10—20cm土層，包頭的各施炭水平，N150較N0顯著增加28.28%～84.53%和19.36%～29.27%；通遼僅在C8水平，N150較N0處理顯著增加85.46%和38.68%；20—40cm土層隨炭氮用量變化不一致。

2.4 土壤碳氮與生物學(xué)性質(zhì)的相關(guān)分析

由表 7可知，SOC與TN、C/N、SMBC、SMBN、Su、Ur呈極顯著正相關(guān) (P ＜ 0.01) ；C/N 與 SMBC、SMBN、Su、Ur呈極顯著正相關(guān)；SMBC與SMBN、SMQ、Su、Ur、Et極顯著正相關(guān)；SMBN與SMQ、Su、Ur、Cat、Et極顯著正相關(guān)；SMQ與Su、Ur、Et極顯著正相關(guān) ；Su與Ur極顯著正相關(guān)，與Et顯著正相關(guān)(P ＜ 0.05)；Ur與Et極顯著正相關(guān)，與Cat顯著正相關(guān)；Cat與Et極顯著正相關(guān)。

2.5 生物炭配施氮肥對(duì)春玉米產(chǎn)量的影響以及產(chǎn)量與土壤生物化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)分析

由表 8可知，生物炭配施氮肥可顯著增加春玉米穗粒數(shù)、百粒重及產(chǎn)量 (P ＜ 0.05) ，且兩者的交互作用達(dá)到顯著水平。2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)穗粒數(shù)在各施氮水平，施炭處理 (C8、C16、C24) 較不施炭處理 (C0) 顯著增加1.01%～5.17%；在各施炭水平，施氮處理 (N150、N300) 較不施氮處理 (N0) 顯著增加7.15%～12.64%，但兩個(gè)施氮水平間差異不顯著。包頭百粒重在各施氮水平，施炭處理較不施炭處理顯著增加1.60%～5.52%，通遼僅在N150，施炭處理顯著大于不施炭處理。2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)產(chǎn)量均以N150C8為最大值，包頭和通遼分別較不施肥處理 (N0C0) 顯著增加26.06%和22.48%，較單獨(dú)施氮處理 (N150C0) 顯著增加20.07%和15.59%。同一施氮水平，產(chǎn)量隨生物炭用量的增加先增后減，以C8處理為最大值，3個(gè)氮水平 (N0、N150、N300) ，包頭和通遼分別較C0處理增加4.99%、10.31%、4.99%和5.96%、7.83%、2.79%；同一施炭水平，施氮處理 (N150、N300) 產(chǎn)量均顯著大于不施氮 (N0) ，且均以N150處理為最大值，包頭和通遼分別較N0處理顯著增加14.28%～20.86%和13.58%～15.59%。

表6 生物炭配施氮對(duì)土壤酶活性的影響Table 6 Effects of combined application of biochar and nitrogen on soil enzyme activities

由表 9可知，產(chǎn)量與0—10 cm土層的SMBC、SMBN、Su、Cat、Et極顯著正相關(guān) (P ＜ 0.01) ，與SMQ、Ur顯著相關(guān) (P ＜ 0.05) ；產(chǎn)量與 10—20 cm土層的SMBN、Su極顯著正相關(guān)，與SMBC、Ur顯著相關(guān)；產(chǎn)量與20—40 cm土層的Su極顯著正相關(guān)，與SMBN顯著相關(guān)。

3 討論

3.1 生物炭配施氮肥對(duì)土壤碳、氮的影響

生物炭和氮肥均可顯著增加SOC含量，其中生物炭起主導(dǎo)作用。生物炭一般含有60%以上的碳元素[2]，且具有穩(wěn)定的芳香烴結(jié)構(gòu)，施入土壤后成為土壤中最難分解的SOC[23]，在短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生明顯的化學(xué)變化，起到碳封存的作用[24–26]。生物炭顯著增加TN含量主要因?yàn)槎嗫捉Y(jié)構(gòu)和較大的比表面積使其具備了極強(qiáng)的吸附力[27]，可吸附大量的銨離子，降低氮素?fù)p失，進(jìn)而提高土壤全氮含量[15]。高德才等[28]通過大田試驗(yàn)表明，生物炭配施氮肥較單獨(dú)施氮顯著降低了各種形式的氮素徑流流失，并且通過土柱試驗(yàn)[29]證明，生物炭可推遲NO3–和總氮淋失達(dá)到高峰的時(shí)間，起到緩釋氮肥的作用，這對(duì)提高氮肥利用效率具有重要意義。本試驗(yàn)中，在0—10 cm和10—20 cm施炭土層，生物炭顯著增加了C/N，是由于生物炭性質(zhì)穩(wěn)定一般不發(fā)生垂直方向的遷移，施入后直接提高了0—20 cm土層SOC含量，而生物炭對(duì)氮素的吸附作用小于對(duì)SOC的直接補(bǔ)充，對(duì)全氮提升幅度小于SOC導(dǎo)致C/N的增加。

3.2 生物炭配施氮肥對(duì)土壤生物學(xué)性質(zhì)的影響

生物炭和氮肥在增加土壤碳氮儲(chǔ)量的同時(shí)，也提供了微生物生存和繁殖所需的碳氮養(yǎng)分來源，但碳氮源單一過量會(huì)使微生物的碳氮比例失衡，因一方的缺失而不能滿足微生物正?；顒?dòng)，抑制了微生物的數(shù)量和活性。研究表明[18]，維持微生物正常活動(dòng)需要消耗20～25份碳和1份氮，當(dāng)碳源過剩而氮源相對(duì)不足，土壤固有的碳氮比例失衡時(shí)，微生物只能根據(jù)氮的數(shù)量來形成細(xì)胞物質(zhì)，微生物數(shù)量達(dá)不到最高值，有機(jī)質(zhì)的分解也受到影響，如果此時(shí)向土壤加入無機(jī)氮以補(bǔ)充氮的不足，則微生物數(shù)量可有所增加。在本研究中，單獨(dú)施加生物炭可顯著提高SMBC和SMBN。這是由于生物炭較大的表面積和極強(qiáng)的吸附力能夠保存更多可供微生物利用的能量物質(zhì)[30–31]；生物炭的多孔結(jié)構(gòu)為微生物提供了物理保護(hù)[32]。但生物炭過量時(shí)C/N比過大，SMBC和SMBN有所下降 (圖 2) ，這是由于碳源過量打破了微生物碳氮平衡。根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果，在配施150 kg/hm2氮肥后，SMBC和SMBN均顯著大于單獨(dú)施炭，說明補(bǔ)充的氮源重新滿足了微生物活動(dòng)所需的碳氮比例，同時(shí)碳氮源數(shù)量的增多顯著提高了微生物數(shù)量。另外，施用16 t/hm2和24 t/hm2生物炭降低了0—10 cm和10—20 cm土層SMQ，是因?yàn)樯锾靠梢灾苯犹岣逽OC，而SMBC是SOC中可以被微生物利用的少數(shù)活性有機(jī)碳，當(dāng)SMBC增幅小于SOC增幅時(shí)，它們的比值SMQ開始下降。

表8 生物炭配施氮肥對(duì)包頭和通遼春玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響Table 8 Effects of combined application of biochar and nitrogen on grain yield and component factor of Baotou and Tongliao

土壤酶是微生物的主要產(chǎn)物，也是土壤微生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，其活性能夠反映土壤中各種生物化學(xué)過程的強(qiáng)度和方向，被認(rèn)為是可以表征土壤肥力的重要指標(biāo)。當(dāng)前，生物炭和氮肥對(duì)于土壤酶活性的研究主要集中在與土壤碳、氮循環(huán)以及微生物活性有關(guān)的幾種酶上。Su參與SOC循環(huán)，且能夠促進(jìn)糖類的水解；Ur催化尿素水解成氨，可表征土壤的供氮強(qiáng)度；Cat通過酶促反應(yīng)水解過氧化氫，一定程度上可以反映土壤生物氧化過程的強(qiáng)弱以及土壤腐質(zhì)化強(qiáng)度。陳心想等[33]研究指出，生物炭可顯著提高小麥–玉米輪作兩季作物土壤Ur和Cat活性，但對(duì)Su影響不顯著。顧美英等[34]通過生物炭對(duì)新疆沙土土壤酶活性的研究表明，添加67.5～112.5 t/hm2生物炭能夠顯著提高沙土土壤Su和Cat活性，但對(duì)Ur影響不明顯。也有研究表明，玉米秸稈生物炭對(duì)提高Ur活性影響顯著[35]。前人研究結(jié)果不盡相同，這主要由于生物炭對(duì)土壤酶活性的影響受其制備過程、土壤類型以及生物活性因子等眾多因素共同決定。

本研究結(jié)果表明，2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)施加生物炭和氮肥均可顯著提高土壤Su、Ur活性以及Et。這是由于生物炭顯著增加了土壤的活性有機(jī)碳含量[36–37]，碳源的增加加快了微生物的繁殖，加速了有機(jī)質(zhì)分解，進(jìn)而為土壤酶提供了更多底物；施加氮肥使Ur水解的氮源增加進(jìn)一步提高了Ur活性。炭氮配施提高了0—10 cm土層Cat活性是由于表層土壤是微生物最活躍的地方，Cat是表征生物活性的關(guān)鍵酶，微生物活動(dòng)增加影響了Cat活性。炭氮配施較單獨(dú)施炭或氮對(duì)土壤酶活性的提升更明顯，這是由于碳氮源的增加促進(jìn)了微生物數(shù)量和活性，且合理的炭氮配施使土壤碳氮比滿足了微生物生長(zhǎng)和繁殖的需求，從而提高了作為微生物產(chǎn)物的土壤酶活性。另外，本研究中Su和Ur活性隨著土層的加深逐漸減少是因?yàn)楸驹囼?yàn)生物炭主要存在于0—20 cm土層，且一般不發(fā)生垂直方向的移動(dòng)，而20—40 cm土層土壤養(yǎng)分較少，水分和較大的容重也不利于微生物的生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致土壤酶活性下降。近年來的研究主要集中在單獨(dú)施炭對(duì)土壤酶活性的影響，而炭氮配施的研究鮮有報(bào)道，本試驗(yàn)中，生物炭在配施氮肥后，Su、Ur活性以及Et均大于單獨(dú)施炭處理，這說明過量施炭而氮源不足打破了微生物的碳氮平衡，當(dāng)配施氮肥補(bǔ)充了土壤氮素，重新達(dá)到平衡，微生物數(shù)量顯著增加，土壤酶活性也隨之增加。通過對(duì)土壤碳氮與微生物量和酶活性的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，由于生物炭配施氮肥直接提高了SOC和TN含量，進(jìn)而影響了土壤C/N，C/N與多數(shù)土壤生物化學(xué)性質(zhì)極顯著正相關(guān)，說明生物炭配施氮肥通過直接影響土壤C/N，從而間接增加了土壤微生物量及酶活性，這與上述結(jié)論基本一致。

3.3 生物炭配施氮肥對(duì)春玉米產(chǎn)量的影響

當(dāng)前研究普遍認(rèn)為，生物炭配施氮肥對(duì)作物產(chǎn)量表現(xiàn)為正效應(yīng)，適量生物炭配施氮肥可提高作物產(chǎn)量，但其最佳施用量因生物炭的制備過程以及試驗(yàn)土壤性質(zhì)不同而有所差異[38–40]。本研究表明，生物炭和氮肥均能夠顯著提高春玉米穗粒數(shù)、百粒重及產(chǎn)量，但N150和N300間差異不顯著。春玉米產(chǎn)量隨生物炭和氮肥施用量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均以8 t/hm2生物炭配施150 kg/hm2氮對(duì)產(chǎn)量提升最為明顯，高量施炭會(huì)導(dǎo)致減產(chǎn)是因?yàn)樯锾亢剂扛?，施入后土壤中的C/N過高，降低了土壤氮素的有效性，進(jìn)而導(dǎo)致了作物減產(chǎn)[41]；另外，生物炭過多會(huì)導(dǎo)致SOC增加，微生物活性增加與作物根系競(jìng)爭(zhēng)土壤氮[42]。通過產(chǎn)量與各土層的相關(guān)分析表明，產(chǎn)量與0—10 cm和10—20 cm施炭土層的多數(shù)生物性質(zhì)極顯著正相關(guān)，說明，生物炭配施氮肥主要通過提高0—20 cm土層微生物量及酶活性而影響春玉米產(chǎn)量。另有研究表明，生物炭對(duì)作物產(chǎn)量的提升隨時(shí)間的延長(zhǎng)有一定的累加效果，Major等[43]通過生物炭施加對(duì)玉米大豆輪作的多年試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，20 t/hm2生物炭在第1年對(duì)產(chǎn)量影響并不顯著，但在第2～4年產(chǎn)量逐年提升，在第4年提升了140%，本研究為一年兩點(diǎn)試驗(yàn)，僅考慮了地域差異，而對(duì)于生物炭配施氮肥是否具有累加效應(yīng)有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

生物炭和氮肥配施可顯著提高土壤碳氮儲(chǔ)量，進(jìn)而改變土壤碳氮比；生物炭配施氮肥可顯著增加土壤微生物量、微生物商、蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶活性以及土壤總體酶活，但炭或氮過量會(huì)使微生物數(shù)量及土壤酶活性降低；炭氮配施可顯著增加春玉米穗粒數(shù)、百粒重及產(chǎn)量，以8 t/hm2生物炭配施150 kg/hm2氮肥增產(chǎn)效果最明顯。生物炭和氮肥合理配施是提升土壤肥力、增加春玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵。