增溫和生物炭添加對(duì)麥田土壤養(yǎng)分和微生物生物量的影響

郭萬(wàn)慶，徐小遜，魯 蘭，扈茹靜，楊占彪

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，四川 成都 611130)

全球氣溫升高將很大程度上影響陸地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)過程和功能[1]。土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要組成部分，對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化具有重要作用[2]。通常，溫度升高能促進(jìn)有機(jī)質(zhì)分解，促進(jìn)土壤磷的釋放，降低土壤銨態(tài)氮含量，增加土壤微生物活性和微生物生物量[3-4]。同時(shí)，溫度升高能加快土壤呼吸速率，進(jìn)而影響土壤固碳潛力，從而增加土壤與大氣之間的碳凈轉(zhuǎn)化量和溫室氣體排放[5-7]。

生物炭是生物質(zhì)在無(wú)氧或低氧條件下高溫裂解炭化而成的產(chǎn)物[8]，是開展固碳減排、環(huán)境污染修復(fù)、土壤改良和農(nóng)林廢棄物處理的有效途徑，故成為環(huán)境科學(xué)和農(nóng)林科學(xué)的研究熱點(diǎn)。生物炭能起到增加土壤碳匯、減少土壤溫室氣體排放的作用。在對(duì)浙江水稻土等的研究中發(fā)現(xiàn)，生物炭均能抑制土壤有機(jī)碳礦化，將碳固存在土壤中[9-10]。相關(guān)研究[11-13]也表明，生物炭因其特殊的理化性質(zhì)，能夠提高土壤含水量，增加土壤有機(jī)質(zhì)及有效養(yǎng)分含量，改善土壤保肥持水性能，為微生物提供適宜的微環(huán)境，能提高微生物活性，有利于增加土壤微生物生物量，加速土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)[14]。然而在全球氣候變暖背景下，生物炭對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能調(diào)節(jié)機(jī)制尚不明確。因此，研究土壤微生物生物量對(duì)增溫和添加生物炭的響應(yīng)具有十分重要的意義。

以成都平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，采取模擬增溫方法，從土壤生態(tài)系統(tǒng)元素循環(huán)角度，探討生物炭對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)微生物生物量的影響，研究微生物生物量與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系，以期為全球氣候變暖背景下，生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

該研究在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研發(fā)基地進(jìn)行，基地位于四川省崇州市(30°33′24″ N、103°38′33″ E)。基地氣候類型屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，平均氣溫為16.1 ℃，平均降水量為1 011.3 mm，5—9月降水量占全年降水量的81.6%，年平均日照時(shí)數(shù)僅為994.9 h。樣地土壤類型為水稻土，母質(zhì)為近代河流灰色沉積物，基本理化性質(zhì)：pH值為8.27，有機(jī)質(zhì)(SOM)含量為10.19 g·kg-1，全氮(TN)含量為0.54 g·kg-1，全磷(TP)含量為0.63 g·kg-1，全鉀(TK)含量為16.08 g·kg-1，堿解氮(AN)含量為30.43 mg·kg-1，速效磷(AP)含量為9.36 mg·kg-1，速效鉀(AK)含量為324.79 mg·kg-1。前茬作物為玉米，播種密度為200萬(wàn)株·hm-2，管理措施同大田生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2016年4月設(shè)置開頂式氣室(open-top chamber，OTC)模擬增溫，OTC規(guī)格：長(zhǎng)×寬×高為2 m×2 m×2 m。設(shè)置T1、T2和T3 3個(gè)增溫梯度，開頂面積分別為1.96、1.44和1 m2，以未增溫處理為對(duì)照(CK)。每個(gè)處理重復(fù)3次。每個(gè)OTC室內(nèi)設(shè)置裂區(qū)處理，在室內(nèi)采用PC板分隔成2個(gè)等面積2 m2小樣方，分別設(shè)為不添加(BC0)和添加竹質(zhì)生物炭20 t·hm-2(BC1)處理，生物炭采用毛竹為原料，在500 ℃條件下熱解2 h制備。

于2017年11月播種小麥，在播種前施用基肥〔w(N)、w(P2O5)和w(K2O)均為17%的復(fù)合肥〕374.81 kg·hm-2。所有處理采用相同的田間管理措施。由于小麥在揚(yáng)花期對(duì)土壤環(huán)境更為敏感[15]，在小麥揚(yáng)花期采用土鉆取表層0～20 cm土壤樣品，采集土壤時(shí)各樣方內(nèi)隨機(jī)取4個(gè)點(diǎn)，混合制樣。將一部分鮮土過2.00 mm孔徑網(wǎng)篩，存于4 ℃冰箱，待測(cè)；另一部分土壤風(fēng)干、研磨過0.85和0.15 mm孔徑網(wǎng)篩，待測(cè)。

1.3 指標(biāo)測(cè)定方法

小麥生長(zhǎng)期間在每個(gè)OTC內(nèi)放置自動(dòng)溫度記錄儀(Elitech RC-4HA)對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)定。各土壤養(yǎng)分測(cè)定方法[16]：SOM含量采用K2Cr2O7-濃硫酸外加熱法，TN含量采用半微量開氏法，TP含量采用NaOH熔融-鉬銻抗顯色-紫外分光光度法，TK含量采用NaOH熔融-原子吸收法，AN含量采用擴(kuò)散吸收法，AP含量采用NaHCO3提取-鉬銻抗顯色-紫外分光光度法，AK含量采用NH4OAc浸提-原子吸收法。土壤pH值采用電極電位法，按m(土)∶V(水)=1∶2.5測(cè)定[17]；微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)含量采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法測(cè)定[18]，微生物生物量磷(MBP)含量采用氯仿熏蒸-NaHCO3浸提法測(cè)定[19]，總C含量采用TOC自動(dòng)分析儀測(cè)定，總N和磷酸鹽含量采用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定。MBC、MBN和MBP含量計(jì)算公式分別為

wMBC=ΔEC/KC，

(1)

wMBN=ΔEN/KN，

(2)

wMBP=ΔEP/KP。

(3)

式(1)～(3)中，ΔEC、ΔEN和ΔEP分別為熏蒸與未熏蒸土壤總C、總N和總P含量的差值，mg·kg-1；KC、KN和KP分別為MBC、MBN和MBP的浸提系數(shù)，分別為0.45、0.54和0.40。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因素方差分析(two-way ANOVA)、多重比較(Tukey HSD test)和相關(guān)分析；采用Origin 2020b和Canoco 5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 增溫處理溫度變化

不同OTC處理增溫裝置均達(dá)到增溫效果。小麥生長(zhǎng)期間，CK、T1、T2和T3處理溫度變化范圍分別為5.8～17.5、6.3～18.6、6.9～19.0和7.5～19.4 ℃。各處理平均溫度由高到低為T3>T2>T1>CK，T1、T2和T3處理平均氣溫較CK分別增加0.5、1.0和1.6 ℃。

2.2 增溫和生物炭添加對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

2.2.1增溫和生物炭添加對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

如表1所示，增溫對(duì)土壤SOM、TN、TK、AN、AP和AK含量影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.001)，對(duì)pH和TP含量影響不顯著。如表1～2所示，在增溫作用下，AN含量隨著溫度的升高極顯著增加(P<0.01)，同時(shí)不添加生物炭單獨(dú)增溫條件下各增溫處理AP含量均高于CK，但增加幅度隨溫度升高而減緩。添加生物炭對(duì)SOM、TN、TK和AK含量影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，但對(duì)pH以及TP、AN和AP含量影響不顯著；在增溫作用下，添加生物炭后各處理SOM增幅有所放緩(P<0.05)。生物炭和增溫共同作用對(duì)pH、TN、AN和AP含量影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，對(duì)SOM含量影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)，但對(duì)TP、TK和AK含量的影響不顯著(表1)。增溫與生物炭交互作用下，土壤pH顯著降低(P<0.05)，而SOM和AN含量呈顯著增加趨勢(shì)(P<0.05)，隨溫度升高AN含量增幅減緩(表2)。增溫與生物炭共同作用下，T1、T2和T3處理AP和AK含量均顯著高于CK(P<0.05)。

表1 增溫和生物炭添加對(duì)土壤理化性質(zhì)影響的雙因素方差分析

表2 增溫和生物炭添加對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

2.2.2增溫和生物炭添加對(duì)土壤MBN/TN和MBP/TP的影響

土壤微生物生物量與土壤養(yǎng)分的比值受環(huán)境因子的影響更敏感，可以反映土壤養(yǎng)分向微生物生物量的轉(zhuǎn)化效率，在標(biāo)記土壤過程或土壤健康變化時(shí)要比單獨(dú)使用微生物生物量或土壤養(yǎng)分更有效。如表3所示，增溫對(duì)MBN/TN的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)，對(duì)MBP/TP的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。生物炭添加對(duì)MBN/TN的影響不顯著，但對(duì)MBP/TP的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)。增溫與生物炭共同作用對(duì)MBN/TN的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，但對(duì)MBN/TN的影響不顯著。如表4所示，增溫作用下，T1、T2和T3處理MBN/TN均高于CK，T3處理MBN/TN增幅小于T1和T2處理，但在增溫與生物炭共同作用下，MBN/TN隨溫度升高呈逐漸增加趨勢(shì)。增溫以及增溫與生物炭共同作用下，MBP/TP隨溫度升高呈逐漸增加趨勢(shì)。

表3 增溫和生物炭添加對(duì)土壤MBN/TN和MBP/TP的雙因素方差分析

表4 增溫和生物炭添加對(duì)土壤MBN/TN和MBP/TP的影響

2.3 增溫和生物炭添加對(duì)土壤MBC、MBN和MBP的影響

2.3.1增溫和生物炭添加對(duì)土壤MBC、MBN和MBP含量的影響

如表5所示，雙因素方差分析結(jié)果表明增溫和添加生物炭處理均顯著影響土壤MBC、MBN和MBP含量(P<0.05)。如圖1所示，土壤MBC、MBN和MBP含量均隨溫度上升而增加。不添加生物炭條件下，T1、T2和T3處理MBC、MBN和MBP含量最大值分別為CK的2.14、1.72和3.03倍。添加生物炭條件下，隨著溫度升高，T1、T2和T3處理土壤MBC、MBN和MBP含量最大值分別為CK的1.78、1.36和2.79倍。相同增溫處理添加生物炭的土壤MBC、MBN和MBP含量均高于不添加生物炭。

表5 增溫和生物炭添加對(duì)土壤微生物生物量碳、氮和磷含量的雙因素方差分析

2.3.2增溫和生物炭添加對(duì)土壤MBC、MBN和MBP比值的影響

土壤MBC、MBN和MBP之間比值能反映微生物對(duì)土壤碳、氮和磷的利用程度。如表6所示，增溫能顯著影響土壤MBC、MBN和MBP之間比值，而生物炭添加的影響不顯著。這表明增溫是影響土壤MBC、MBN和MBP之間比值的主要因素。如表7所示，土壤MBC、MBN和MBP之間比值對(duì)增溫及生物炭添加處理的響應(yīng)不同。增溫處理MBC/MBN隨溫度增加呈增加趨勢(shì)，T3處理最大，并顯著高于CK(P<0.05)。隨著溫度增加，MBC/MBP和MBN/MBP整體呈下降趨勢(shì)(P<0.05)，T3處理MBC/MBP和MBN/MBP分別為CK的69.46%(BC0)和63.81(BC1)以及53.90%(BC0)和49.19%(BC1)。

2.4 土壤微生物生物量與環(huán)境因子之間的關(guān)系

冗余分析中，增溫和添加生物炭處理中土壤微生物生物量為響應(yīng)變量，土壤理化指標(biāo)為解釋變量。結(jié)果表明土壤SOM正相關(guān)作用效果最明顯，能解釋土壤微生物生物量含量變化的64.2%。

表6 增溫與生物炭添加對(duì)土壤微生物生物量比值的雙因素方差分析

表7 增溫與生物炭添加對(duì)土壤微生物生物量比值的影響

圖2顯示，土壤環(huán)境因子共解釋微生物生物量變化的95.4%，各因子影響由高到低為SOM>AP>AK>AN>TK>PH>TP>TN。其中，第1軸解釋了91.68%，第2軸解釋了2.61%。表8顯示，MBC與土壤SOM、TN、TK和AN之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與TP、AP和AK之間呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；MBN與土壤SOM、TN、TK、AN、AP和AK之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；MBP與土壤SOM、TN、TK、AN、AP和AK之間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與土壤pH呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

3 討論

3.1 增溫和生物炭添加對(duì)土壤環(huán)境因子的影響

土壤微生物參與土壤礦物質(zhì)分解與轉(zhuǎn)化，是影響土壤肥力的重要因素。生態(tài)系統(tǒng)中土壤理化性質(zhì)變化能影響微生物活動(dòng)，進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分循環(huán)和轉(zhuǎn)化。就T3處理而言，添加生物炭處理AN較未添加生物炭處理差異不顯著，且有所降低，這與俞映倞等[20]研究結(jié)果一致。這是由于生物炭獨(dú)特的多孔特性及其異質(zhì)性表面官能團(tuán)，可通過表面絡(luò)合和配體交換反應(yīng)等，擴(kuò)散和吸附土壤養(yǎng)分，最終控制土壤中植物可用的養(yǎng)分，溫度上升導(dǎo)致小麥植株根系活動(dòng)增強(qiáng)，促進(jìn)了其對(duì)土壤中N的吸收[21]。相關(guān)研究[22]表明，土壤微生物生物量與相應(yīng)土壤養(yǎng)分的比值受環(huán)境因子影響的變化較敏感，可以用來(lái)反映土壤養(yǎng)分向微生物生物量的轉(zhuǎn)化效率，并且在標(biāo)記土壤過程或土壤健康變化時(shí)比單獨(dú)使用微生物生物量或土壤養(yǎng)分更有效。增溫和生物炭添加條件下，MBP/TP顯著升高，這表明增溫和生物炭添加處理土壤微生物對(duì)磷的利用和代謝增強(qiáng)[23]。筆者研究中，T1、T2和T3處理MBN/TN均高于CK，T3處理MBN/TN增幅小于T1和T2處理；但增溫與生物炭添加共同作用下，MBN/TN隨著溫度升高呈逐漸增加趨勢(shì)，這可能是由于微生物對(duì)T1和T2處理具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。就T3處理而言，相較于未添加生物炭，添加生物炭處理MBN/TN顯著升高，這可能是由于生物炭的特殊結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了微生物對(duì)溫度變化的適應(yīng)能力，土壤微生物對(duì)氮的利用和代謝也隨之增強(qiáng)。

3.2 增溫和生物炭添加對(duì)土壤微生物生物量的影響

微生物生物量是土壤SOM組分中最活躍的部分。筆者研究發(fā)現(xiàn)，在農(nóng)田土壤中加入生物炭之后，土壤MBC、MBN和MBP含量均顯著上升(P<0.05)，這與尚杰等[24]和張星等[25]的研究結(jié)果一致。生物炭具有的高含碳量、巨大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，能保持土壤養(yǎng)分，改善土壤環(huán)境，對(duì)土壤微生物進(jìn)行物理保護(hù)，這都有利于土壤微生物生物量增加。單獨(dú)增溫處理能顯著提升土壤MBC、MBN和MBP含量(P<0.01)，這與權(quán)國(guó)玲等[26]的研究結(jié)果基本一致，這可能是由于適當(dāng)增溫能提升微生物活性。土壤MBC/MBN、MBN/MBP和MBC/MBP能夠反映土壤微生物的變化和微生物群落結(jié)構(gòu)信息[27]，MBC/MBN和MBC/MBP已被用于指示真菌相對(duì)于細(xì)菌的相對(duì)豐度[28]。筆者研究中，在增溫作用下，土壤MBC/MBN和MBC/MBP都呈顯著上升趨勢(shì)，這與XU等[29]的研究結(jié)果基本一致，由于真菌比細(xì)菌更耐受高溫，增溫處理真菌比未增溫處理更豐富。筆者研究中，增溫與生物炭添加共同作用時(shí)，土壤MBC/MBN和MBC/MBP呈顯著上升趨勢(shì)，表明真菌在微生物群落中所占比例上升，這與HARTLEY等[30]的研究結(jié)果基本一致，這是由于生物炭能促進(jìn)微生物生長(zhǎng)。就T3處理而言，相較于未添加生物炭處理，添加生物炭處理MBC/MBN和MBC/MBP增幅不顯著，MBP差異不顯著，且有所降低，這可能是由于增溫幅度較大時(shí)，添加生物炭改變了細(xì)菌生物量及細(xì)菌功能群結(jié)構(gòu)[31]。

3.3 增溫和生物炭添加條件下土壤微生物生物量與環(huán)境因子之間的關(guān)聯(lián)性特征

微生物生物量是土壤SOM的重要組成成分，是土壤肥力表征的重要因素[32]。土壤微生物生物量與土壤環(huán)境因子之間的相互作用對(duì)維持土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要意義。筆者研究結(jié)果表明，土壤MBC和MBN都與土壤養(yǎng)分之間主要呈正相關(guān)，這與付美云等[33]的研究結(jié)果一致。冗余分析結(jié)果表明，環(huán)境因子對(duì)微生物生物量的影響由高到低為SOM>AP>AK>AN>TK>PH>TP>TN，其中土壤養(yǎng)分中SOM、AP和AK是影響土壤微生物生物量的主要因素。相關(guān)分析結(jié)果表明，TN、TP和AK主要影響MBC和MBN，而TN、TK和AK作為耕地土壤質(zhì)量重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)[34]，均與微生物生物量有較強(qiáng)的相互作用。

4 結(jié)論

(1)與對(duì)照相比，增溫和生物炭添加處理MBC、MBN和MBP含量均呈上升趨勢(shì)，且達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。

(2)土壤微生物生物量與土壤環(huán)境因子的相關(guān)分析和冗余分析結(jié)果表明，環(huán)境因子對(duì)微生物生物量變化的影響由高到低為SOM>AP>AK>AN>TK>PH>TP>TN，其中土壤養(yǎng)分中SOM、AP和AK是影響土壤微生物生物量的主要因素。與未增溫未添加生物炭處理相比，增溫與生物炭共同作用處理土壤MBC、MBN和MBP含量均有所增加，最大增加量分別達(dá)到154.34%、87.85%和197.60%。增溫和添加生物炭共同作用能使土壤微生物生物量提高，進(jìn)而促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)分解與轉(zhuǎn)化，有利于土壤養(yǎng)分循環(huán)與利用。