生物炭與氮肥配比對(duì)土壤微生物特性和紅棗產(chǎn)量的影響

江 立

（南陽(yáng)市河口灌區(qū)管理局，河南 南陽(yáng)473012）

0 引 言

【研究意義】紅棗是華北平原特色產(chǎn)業(yè)之一，產(chǎn)量約占全國(guó)的60%左右，對(duì)華北地區(qū)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益意義重大[1]。紅棗產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，過(guò)量施用化肥或少施有機(jī)肥等導(dǎo)致土壤肥力下降，土壤板結(jié)，造成了作物產(chǎn)量下降及紅棗甜度降低口感不佳等品質(zhì)問(wèn)題，影響了紅棗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。如何提高肥料利用率，尋求經(jīng)濟(jì)有效的施肥措施，是紅棗生產(chǎn)中亟待解決的主要問(wèn)題。

中國(guó)每年因焚燒小麥、玉米、水稻、花生等作物秸稈造成的資源浪費(fèi)約2 億t，不僅造成了資源浪費(fèi)且引起了嚴(yán)重的環(huán)境污染（其釋放氣體是最重要的污染源之一）[2]。因此，利用農(nóng)業(yè)廢棄物制成生物炭技術(shù)，在避免資源浪費(fèi)、減少環(huán)境污染的同時(shí)，成了土壤質(zhì)量改良和提升作物生產(chǎn)力方面的一種有效、可靠的途徑[3-4]?！狙芯窟M(jìn)展】生物炭與化學(xué)肥料配施不但可以提高土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷等土壤養(yǎng)分量，還能減少養(yǎng)分淋失，延緩養(yǎng)分的釋放。同時(shí)，生物炭的施入優(yōu)化了微生物的生長(zhǎng)環(huán)境，使土壤酶的活性（如脲酶、蔗糖酶）增強(qiáng)且一定程度上改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[4-5]。生物炭通過(guò)提供和貯存營(yíng)養(yǎng)元素及改變土壤的理化及微生物性質(zhì)來(lái)間接影響作物生長(zhǎng)發(fā)育，提高土壤肥力[5-8]。生物炭的施入降低了土壤肥力、碳庫(kù)存潛力等[9-10]，這些結(jié)果的差異與土壤類型、生物炭原材料、施用量等密切相關(guān)。【切入點(diǎn)】生物炭技術(shù)的發(fā)展為農(nóng)林廢棄物高效利用提供了有效途徑和可靠技術(shù)，因此如何因地制宜確定具體措施，尋求最佳培肥模式，仍需要在不同地區(qū)結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際開(kāi)展深入研究。

研究土壤肥力的維持機(jī)制，必須重視土壤微生物在土壤養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程中的作用及其對(duì)不同培肥的響應(yīng)。土壤微生物能指示土壤環(huán)境變化[11-12]。土壤酶對(duì)土壤物質(zhì)循環(huán)和能量代謝起著重要的催化作用，其活性可作為衡量土壤質(zhì)量變化的敏感指標(biāo)[13-14]。微生物數(shù)量及群落比例通常也被看作衡量農(nóng)田質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[15]?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】因此，本試驗(yàn)研究了生物炭與氮肥不同配比對(duì)土壤微生物學(xué)性質(zhì)及作物產(chǎn)量的影響，尋求合理的配比施肥量，以期為紅棗高效、優(yōu)質(zhì)栽培和合理施肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017年5月―2018年10月在河南省安陽(yáng)市內(nèi)黃縣后河鎮(zhèn)（114°45′ E，35°47′ N）進(jìn)行。氣候?qū)俚湫偷臏貛Т箨懶詺夂?，四季分明。年平均日照時(shí)間為2 188.8 h，年平均氣溫13.7 ℃，年平均降水596.7 mm，無(wú)霜期為200 d。供試土壤類型為砂壤性潮土，0～20 cm土層土壤pH值為8.25、有機(jī)質(zhì)量為11.81 mg/kg、全氮量為0.76 mg/kg、速效磷量為21.87 mg/kg、速效鉀量為101.41 mg/kg。

1.2 供試材料

選取樹(shù)齡為10 a的扁核酸（Ziziphus jujube Mill.）為供試品種。栽植密度為2 m×3 m，設(shè)置保護(hù)行。研究所用生物炭原料為小麥秸稈，購(gòu)于河南商丘三利新能源有限公司，生產(chǎn)設(shè)備采用連續(xù)豎式生物質(zhì)炭化爐，炭化溫度為500 ℃。生產(chǎn)的生物黑炭磨細(xì)過(guò)1 mm 篩備用，總碳、總氮、總磷、總鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為625.84、5.24、0.89、44.24 g/kg，陽(yáng)離子交換量為33.60 cmol/kg。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)生物炭用量10、20 和30 t/hm23 個(gè)水平（即B10、B20和B30）、氮肥用量300和400 kg/hm22 個(gè)水平（N300和N400），加上CK、單施氮肥或生物炭共計(jì)12 個(gè)處理。每個(gè)小區(qū)6 棵樹(shù)，面積為36 m2，每個(gè)處理重復(fù)3 次，具體施肥量詳見(jiàn)表1。施肥方式：沿棗樹(shù)四周開(kāi)溝施入，深度大約30 cm。于2017 年4 月一次性施入各用量生物炭，第2年不再施入?；史N類為N（尿素 46%），其中75%作為基肥施入，25%在7 月中旬作為追肥施入。每個(gè)處理肥料施用量P（過(guò)磷酸鈣，P2O5量為16%）300 kg/hm2，K（硫酸鉀，K2O 量為45%）300 kg/hm2每季一次性隨氮肥用相同方式施入。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) Table 1 Treatment design

1.4 樣品采集及測(cè)定

于2018 年10 月紅棗采收后，避開(kāi)施肥點(diǎn)采集0～20 cm 耕層土壤樣品，每個(gè)處理取6 個(gè)采樣點(diǎn)混為一個(gè)土樣。剔除其中的石塊、根系等雜物，過(guò)直徑2 mm 篩混勻，放于4 ℃冰箱保存，1 周內(nèi)進(jìn)行酶活性和微生物數(shù)量的測(cè)定。

土壤酶活的方法參照關(guān)松蔭[16]相關(guān)方法：過(guò)氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定，以單位土質(zhì)量消耗的0.1 mol/L KMNO4體積數(shù)表示；脲酶采用苯酚-次氯酸鈉比色法測(cè)定，以干土在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的NH3-N 的毫克數(shù)來(lái)表示；蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定，以單位質(zhì)量烘干土在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的葡萄糖的毫克數(shù)表示。

土壤微生物的數(shù)量通過(guò)平板計(jì)數(shù)法計(jì)算[17]：細(xì)菌數(shù)量采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、真菌數(shù)量采用馬丁氏培養(yǎng)基、放線菌數(shù)量采用高氏一號(hào)培養(yǎng)基。

紅棗產(chǎn)量分別于2017 年10 月和2018 年10 月初紅棗成熟后采收，采用單株單收，計(jì)算單株產(chǎn)量換算為總產(chǎn)量。

1.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù) SPSS17.0（SPSS Inc.,Chicago,IL, Version 17）統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和多重比較LSD法（Least significant difference）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤酶活性的影響

由表2 可知，生物炭與氮肥不同配比對(duì)土壤酶活性有不同程度的影響。生物炭用量、施氮水平及二者交互作用均對(duì)土壤酶活性有極顯著影響（P<0.01）。隨著生物炭和氮肥的施入，過(guò)氧化氫酶活性顯著高于CK（P<0.05），其中以B30N400處理的土壤過(guò)氧化氫酶活性最高，比CK 顯著提高93.9%。

在低用量生物炭條件下（10 t/hm2），隨著氮肥的增加，脲酶活性與CK 無(wú)顯著差異。中、高用量生物炭條件下，土壤脲酶活性顯著高于CK。B30N400處理的土壤脲酶活性最高，較CK 顯著提高71.4%。與CK 相比，生物炭和氮肥的配合施用，提高了土壤蔗糖酶活性，且各處理間差異顯著（P<0.05）。同一生物炭用量情況下，蔗糖酶活性隨氮肥用量的增加而降低但仍顯著高于CK。其中以B30N300處理的土壤蔗糖酶活性最高，B20N300處理次之，分別較CK 顯著提高42.7%和39.1%。

2.2 不同處理對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響

生物炭和氮肥不同配比條件下，土壤微生物數(shù)量的變化如表2 所示。由表2 可知，生物炭用量、施氮水平及二者的交互作用均對(duì)土壤微生物數(shù)量有極顯著影響（P<0.01）。與CK 相比，除B30N300處理外，細(xì)菌數(shù)量隨生物炭和氮肥用量的增加而增加，各處理間差異顯著（P<0.05）。其中以B30N400處理的土壤細(xì)菌數(shù)量最多，較CK 顯著提高了254.1%。

表2 生物炭（BC）與氮（N）肥不同處理下土壤酶活性和微生物數(shù)量 Table 2 Soil enzyme activities and microbial population under different biochar and nitrogen fertilizer amendments

各施肥處理?xiàng)l件下，土壤放線菌數(shù)量均高于CK，處理間差異顯著（P<0.05），且土壤放線菌隨著生物炭和氮肥用量的增加而增加。土壤放線菌數(shù)量較CK顯著提高了49.5%～97.5%。中、高生物炭用量下，真菌數(shù)量隨氮肥用量的增加而增加，其中以B30N400處理中真菌數(shù)量最多，B30N300處理次之，分別較CK顯著提高了54.1%和34.2%。

2.3 不同處理對(duì)紅棗產(chǎn)量的影響

生物炭與氮肥不同配比條件對(duì)紅棗產(chǎn)量的影響如表3 所示。由表3 可知，生物炭和氮肥施入對(duì)扁核酸紅棗的產(chǎn)量均有不同程度的影響。2017 年，與CK相比，生物炭用量、施氮水平以及生物炭與氮肥的交互作用均對(duì)扁核酸紅棗產(chǎn)量無(wú)極顯著影響（P<0.01）。

所有施肥處理中，以B30N300處理的扁核酸紅棗產(chǎn)量最高，較CK 顯著提高27.5%（P<0.05）。2018年與CK 相比，生物炭用量、施氮水平以及生物炭與氮肥的交互作用均對(duì)扁核酸紅棗產(chǎn)量有極顯著影響。隨著生物炭和氮肥的配合施用，紅棗產(chǎn)量總體上表現(xiàn)出隨生物炭和氮肥用量的增加而增加的趨勢(shì)。其中以B30N300處理的扁核酸紅棗產(chǎn)量最高，B30N400處理次之，二者分別較CK 顯著提高了29.5%和25.5%。經(jīng)過(guò)2 a 配合施肥，扁核酸紅棗產(chǎn)量較CK 均有不同程度提高，其中以B30N300處理的扁核酸紅棗平均產(chǎn)量最高，B30N400處理次之，二者分別較CK 顯著提高了28.5%和25.9%。

表3 生物炭與氮肥不同配比條件下紅棗產(chǎn)量 Table 3 Jujube yields under different biochar and nitrogen fertilizer amendments

2.4 土壤酶活性與微生物數(shù)量的相關(guān)性分析

表4 為土壤酶活性與微生物數(shù)量的相關(guān)性分析結(jié)果。從表4 可以看出，土壤酶活性與微生物數(shù)量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。過(guò)氧化氫酶與土壤細(xì)菌呈極顯著正相關(guān)（r 為0.953，P<0.01），與放線菌、真菌數(shù)量極顯著正相關(guān)（r 分別為0.917、0.899，P<0.01）。土壤脲酶和蔗糖酶活性也均與土壤細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量極顯著正相關(guān)。

表4 土壤酶活性與微生物數(shù)量的相關(guān)性 Table 4 Correlation between soil enzyme activities and microbial population

3 討 論

3.1 生物炭與氮肥不同處理對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶能靈敏、準(zhǔn)確地反映土壤質(zhì)量的變化狀況[18]，同時(shí)與土壤理化性狀、養(yǎng)分量以及土壤的施肥方式也密切相關(guān)[19]。過(guò)氧化氫酶的活性一方面受土壤微生物數(shù)量及其活躍度影響，另一方面受土壤有機(jī)質(zhì)、植物根系影響。在一定程度上反映了土壤微生物學(xué)過(guò)程的強(qiáng)度，其強(qiáng)度可表征土壤腐殖化程度和有機(jī)質(zhì)積累程度[20-21]。陳心想等[14]研究表明，在20 t/hm2和40 t/hm2生物炭處理下，過(guò)氧化氫酶活性在玉米季較CK無(wú)顯著性差異，而在60 t/hm2和80 t/hm2處理下，隨著生物炭用量的增加，土壤過(guò)氧化氫酶活性顯著提高（P<0.05）。本試驗(yàn)表明，隨著生物炭和氮肥用量的增加，各處理土壤過(guò)氧化氫酶活性變化明顯，總體表現(xiàn)出提高的趨勢(shì)，且處理間差異顯著。過(guò)氧化氫酶與有機(jī)質(zhì)循環(huán)密切相關(guān)，本試驗(yàn)中施入的小麥秸稈生物炭總碳量為625.84 g/kg，生物炭的加入增加了土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，一定程度上增強(qiáng)了過(guò)氧化氫酶的活性。氮肥的施入有利于調(diào)節(jié)棗區(qū)土壤C/N，改善了土壤理化性質(zhì)，使更多的酶隨著根系活動(dòng)和土壤動(dòng)物、微生物活動(dòng)進(jìn)入土壤；氮肥的分期施入在補(bǔ)充氮素消耗的同時(shí)也促進(jìn)了土壤微生物的繁殖，從而提高了土壤過(guò)氧化氫酶的活性。脲酶在一定程度上可以表征土壤氮素供應(yīng)強(qiáng)度[14]，本試驗(yàn)中，隨著生物炭用量的變化，對(duì)脲酶活性的影響也不同。在低用量生物炭（10 t/hm2）情況下，與CK 相比，生物炭對(duì)脲酶活性的影響無(wú)顯著差異。在20 t/hm2和30 t/hm2用量情況下，土壤脲酶活性較CK 顯著提高31.5%～71.4%，這與袁晶晶等[22]研究結(jié)果相似。本試驗(yàn)條件下，土壤脲酶活性的提高與生物炭本身的吸附性有關(guān)，可減少氮素的淋失和揮發(fā)，增強(qiáng)氮素的有效性[23-25]。此外，添加生物炭能顯著提高土壤全氮和速效氮量，且土壤脲酶與氮素呈顯著正相關(guān)。

土壤蔗糖酶反映了土壤有機(jī)質(zhì)積累和轉(zhuǎn)化的狀況[26]，在中、高用量生物炭條件下，土壤蔗糖酶活性隨氮肥用量的增加而降低，但仍顯著高于CK（P<0.05），這與袁晶晶等[27]研究生物炭（2.5～10 t/hm2）與氮肥的施入對(duì)土壤蔗糖酶活性并無(wú)顯著差異的結(jié)果不同，這可能與二者的生物炭和氮肥施用量不同有關(guān)。生物炭和氮肥在適量條件下有利于土壤中蔗糖酶活性，但如果肥料用量超過(guò)臨界范圍，酶活性將會(huì)降低[16]。本研究中的生物炭用量為10～30 t/hm2，遠(yuǎn)高于其花生殼生物炭施用量。同一生物炭用量情況下，蔗糖酶活性隨氮肥用量的增加而降低，說(shuō)明氮肥用量在300 kg/hm2時(shí)，有利于本試驗(yàn)區(qū)土壤蔗糖酶活性的提高。生物炭能延緩養(yǎng)分的釋放，生物炭的性質(zhì)也會(huì)隨著施入時(shí)間的延長(zhǎng)而改變，對(duì)土壤酶活性的影響也會(huì)隨之變化，因此需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)來(lái)探明其作用機(jī)理。

3.2 生物炭與氮肥不同處理對(duì)土壤微生物的影響

土壤微生物量的變化反映土壤微生物的總體數(shù)量變化，微生物數(shù)量可用來(lái)指示農(nóng)田質(zhì)量的好壞[21]。研究表明[22]，10 t/hm2生物炭用量情況下，土壤細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量較CK 有顯著影響。本研究表明，生物炭和氮肥配合施用條件下，除B30N300處理外，土壤細(xì)菌、真菌數(shù)量隨二者用量的增加而增加，且各處理間差異顯著（P<0.05）。放線菌數(shù)量在各施肥處理?xiàng)l件下，表現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)，除B0N300處理外，各處理間差異顯著（P<0.05）。與CK 相比，各配施處理?xiàng)l件下，土壤細(xì)菌數(shù)量的增幅為25.4%～254.1%，放線菌和真菌的增幅分別為49.5%～97.5%和7.3%～54.1%。生物炭為土壤微生物提供了豐富的碳源和氮源，一定程度上改善了土壤微生態(tài)環(huán)境。生物炭較強(qiáng)的吸附性和孔隙度，為土壤微生物數(shù)量的生長(zhǎng)繁殖創(chuàng)造了良好的條件，有利于土壤微生物的生長(zhǎng)和繁殖，從而使土壤微生物數(shù)量發(fā)生變化[11,27]。

3.3 生物炭與氮肥不同處理對(duì)紅棗產(chǎn)量的影響

由于生物炭原材料、土壤質(zhì)地、施肥量及作物種類等因素的影響，關(guān)于生物炭對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的報(bào)道也不盡相同。隨著生物炭和氮肥的施入，紅棗產(chǎn)量表現(xiàn)出逐年上升的趨勢(shì)[22]。本研究表明，經(jīng)過(guò)2 a田間試驗(yàn)，以B30N300處理的扁核酸紅棗年平均產(chǎn)量最高，B30N400處理次之，分別較CK 顯著提高28.5%和25.9%。生物炭對(duì)作物產(chǎn)量的促進(jìn)作用，主要?dú)w因于其改善了土壤的理化性質(zhì)，提高了土壤養(yǎng)分的有效性[27]。本研究中，添加生物炭顯著提高了土壤過(guò)氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶的活性，對(duì)土壤微生物數(shù)量也有明顯提高。相關(guān)性分析表明，土壤酶活性與土壤微生物數(shù)量之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（表4），說(shuō)明二者相互依存。在一定程度上改善了土壤微生物環(huán)境，這些條件的改善，對(duì)紅棗增產(chǎn)有積極作用?；谠囼?yàn)結(jié)果及科學(xué)施肥的原則，30 t/hm2的生物炭施用量，配施300 kg/hm2的氮肥對(duì)本地區(qū)提升土壤肥力和作物產(chǎn)量的效果最佳，是較為理想的施肥方式。

4 結(jié) 論

1）與CK 相比，生物炭用量、施氮水平及二者的交互作用均對(duì)土壤酶活性有顯著影響。中、高生物炭用量條件下，土壤過(guò)氧化氫酶和脲酶活性總體表現(xiàn)出隨氮肥用量的增加而增加的趨勢(shì)。同一生物炭用量條件下，土壤蔗糖酶活性隨氮肥用量的增加而降低，但仍顯著高于CK。

2）施用生物炭和氮肥可不同程度地提高土壤細(xì)菌、放線菌和真菌的數(shù)量，總體表現(xiàn)出隨生物炭和氮肥用量的增加而增加的趨勢(shì)。與CK 相比，三者的增幅分別為25.4%～254.1%、49.5%～97.5%和7.3%～54.1%。

3）生物炭與氮肥的施入，對(duì)紅棗增產(chǎn)有積極作用。30 t/hm2的生物炭施用量，配施300 kg/hm2的氮肥用量為此試驗(yàn)地區(qū)的最佳施用量。