生物炭施用下土壤微生物量碳氮的動態(tài)變化

朱利霞, 陳居田, 徐思薇, 陳如冰, 李俐俐

(周口師范學(xué)院生命科學(xué)與農(nóng)學(xué)學(xué)院，河南 周口 466001)

生物炭是在完全或部分缺氧條件下，以及相對較低的溫度(≤700 ℃)經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一種含碳量豐富、性質(zhì)穩(wěn)定的物質(zhì)[1]，其表面的孔隙結(jié)構(gòu)有利于土壤微生物的生長。生物炭本身特殊的理化性質(zhì)使其在土壤中表現(xiàn)出特有的土壤效應(yīng)。向土壤中添加生物炭可以提高作物產(chǎn)量[2-4]，改善土壤質(zhì)量[5]。生物炭本身的孔隙結(jié)構(gòu)和高pH特性可有效改善土壤理化性質(zhì)，對土壤微生物產(chǎn)生重要影響[6]。一般而言，生物炭可以增加土壤有機(jī)碳含量，改善微生物細(xì)胞附著性能、促進(jìn)特定類群土壤微生物棲息生長[7-8]。

土壤微生物參與土壤養(yǎng)分循環(huán)與平衡，能夠反映土壤生態(tài)系統(tǒng)的變化。因此，土壤微生物量是反映土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化循環(huán)和能量流動的重要指標(biāo)，其大小可以反映微生物新陳代謝的強(qiáng)弱，土壤微生物量碳是土壤有機(jī)碳的有效指示因子，土壤微生物量氮是土壤氮礦化勢的重要組成部分。生物炭的施用會直接或間接影響土壤微生物的生長代謝，提高或降低土壤微生物量，改變土壤微生物的群落組成。研究表明，長期施用生物炭可改善土壤微生物的生存環(huán)境，顯著提高土壤微生物量，促進(jìn)微生物活動，增加土壤微生物多樣性[8]。在室內(nèi)培養(yǎng)條件下添加不同量源自木材生物炭的研究表明，土壤微生物量碳和活性隨生物炭量的增加而降低[9]。Zhang等[10]通過華北長期定位試驗研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭較常規(guī)施肥顯著增加土壤微生物量碳。Castaldia等[11]基于野外試驗發(fā)現(xiàn)，施用生物炭3個月和14個月后土壤微生物量無顯著變化。由此可見，生物炭對土壤微生物量的影響可能與土壤類型及生物炭的特性等有關(guān)。目前，生物炭對土壤微生物影響的研究主要集中在生物炭對酶活性、特定功能菌群的研究及短期田間試驗上，對長期生物炭施用條件下玉米生育期土壤微生物量碳氮的季節(jié)動態(tài)研究較少，而研究微生物量的季節(jié)動態(tài)變化對理解微生物在生態(tài)系統(tǒng)中的功能作用具有重要意義。

鑒于生物炭含有大量惰性碳，對土壤影響需要一段時間，本研究以長期施用生物炭的農(nóng)田土壤為研究對象，研究不同生物炭施用水平下土壤微生物量碳、氮和微生物量碳氮比的動態(tài)變化，及生物炭對玉米籽粒產(chǎn)量的影響，以期為維持旱作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤生態(tài)平衡及提高作物產(chǎn)量提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗在中國科學(xué)院水土保持研究所長武試驗站(N 35°12′，E 107°40′，海拔1 200 m)進(jìn)行。該區(qū)氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，年均降水584 mm，年均氣溫9.1 ℃，無霜期171 d，地下水埋深50～80 m，屬典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)；地貌為高原溝壑區(qū)的典型代表，塬面和溝壑兩大地貌單元分別占35%和65%，地帶性土壤為黑壚土，質(zhì)地均勻疏松。供試玉米品種為先玉335，每年4月20日左右播種，播種方式為寬窄行平作，播種密度65 000株·hm-2。

1.2 試驗設(shè)計

田間定位試驗開始于2012年，生物炭用量分別為0、10、20和30 t·hm-2，依次記作BC0、BC1、BC2和BC3，共4個處理，每個處理3次重復(fù)，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，試驗小區(qū)面積56 m2。各處理均施入等量化肥，施入的純氮量、純磷量和純鉀量分別為225、40和80 kg·hm-2。氮肥分三次按照4∶3∶3的比例分別于播種前、拔節(jié)期和抽雄期施用。其中，氮肥選用含氮量46%的尿素；磷肥選用過磷酸鈣(12% P2O5)；鉀肥選用硫酸鉀(45% K2O)。磷肥和鉀肥在玉米播種前一次性施入。

1.3 樣品采集

于2018年玉米播種前(PT)、拔節(jié)期(V6)、吐絲期(R1)、成熟期(R6)和收獲后(AH)按照五點(diǎn)取樣法采集不同處理0—10、10—20及20—30 cm的土壤樣品，去除石礫、植物根系等可見雜物，混勻后帶回實(shí)驗室。取一部分土樣4 ℃保存，于一周內(nèi)進(jìn)行土壤微生物量碳、氮的測定；另一部分自然風(fēng)干，用于土壤有機(jī)碳的測定。

在玉米成熟期，對每個小區(qū)進(jìn)行測產(chǎn)，每個小區(qū)收獲區(qū)域中10 m2內(nèi)的所有玉米植株，調(diào)查穗粒數(shù)和千粒重。籽粒產(chǎn)量以含水量為15.5%計算。各處理籽粒產(chǎn)量為三個重復(fù)的平均值。

1.4 樣品測定

土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定[15]。土壤微生物量碳、微生物量氮的測定采用氯仿熏蒸-浸提法[16]。土壤微生物量碳和土壤微生物量氮按以下公式計算。

土壤微生物量碳 =(氯仿熏蒸處理后土壤提取液中的總碳-未熏蒸土壤提取液中的總碳)/KEC

(1)

土壤微生物量氮 =(氯仿熏蒸處理后土壤提取液中的總氮-未熏蒸土壤提取液中的總氮)/KEN

(2)

式中，KEC=0.45；KEN=0.54。

土壤微生物商采用土壤微生物量碳含量與有機(jī)碳含量的比值表示。

土壤微生物商 = 土壤微生物量碳/土壤有機(jī)碳×100%

(3)

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2007整理后，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，采用最小顯著差法(LSD)進(jìn)行多重比較。生物炭施用水平與玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成之間的相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭對玉米生育期土壤微生物量碳的影響

不同玉米生育期土壤微生物量碳的變化基本一致(表1)。播種前土壤微生物量碳含量顯著低于其他時期；玉米生育期內(nèi)土壤微生物量碳表現(xiàn)出拔節(jié)期迅速升高，吐絲期稍微降低，到成熟期緩慢增加并保持相對穩(wěn)定。

表1 不同生物炭施用量下玉米不同生育期的土壤微生物量碳含量Table 1 Carbon content of soil microbial biomass under different biochar application treatments at different growing stages

生物炭施用顯著影響土壤微生物量碳含量。0—10 cm土層中，播種前BC1、BC2和BC3的土壤微生物量碳含量分別較BC0增加13.3%、89.2%和103.2%；拔節(jié)期較BC0增加15.2%、15.4%和16.4%；吐絲期較BC0增加71.8%、44.3%和57.1%；收獲后較BC0增加17.9%、29.6%和33.8%；而在成熟期僅BC2和BC3處理較BC0顯著增加。10—20和20—30 cm土層，與BC0相比，生物炭處理均顯著增加土壤微生物量碳含量，且播種前、拔節(jié)期、成熟期和收獲后土壤微生物量碳含量均隨生物炭施用量的增加而增加。

2.2 生物炭對玉米生育期土壤微生物量氮的影響

不同處理土壤微生物量氮含量在整個生育期表現(xiàn)為先迅速上升至拔節(jié)期達(dá)到最大值，之后緩慢下降漸趨平穩(wěn)(表2)。播種前土壤微生物量氮含量最低，拔節(jié)期土壤微生物量氮含量達(dá)到峰值。

生物炭顯著影響土壤微生物量氮含量(表2)。在0—10 cm土層，與BC0相比，BC1、BC2和BC3在播種前、吐絲期和收獲后的土壤微生物量氮含量均顯著增加；BC1顯著增加拔節(jié)期土壤微生物量氮含量；BC1和BC2顯著增加成熟期土壤微生物量氮含量。在10—20 cm土層，與BC0相比，生物炭顯著增加播種前和收獲后的土壤微生物量氮含量；BC1和BC2顯著增加拔節(jié)期土壤微生物量氮含量； BC1和BC3顯著降低吐絲期土壤微生物量氮含量，降幅為14.6%和13.6%；BC2顯著降低成熟期土壤微生物量氮含量，BC3則顯著增加該時期土壤微生物量氮含量。在20—30 cm土層，生物炭顯著增加播種前土壤微生物量氮含量；而顯著降低吐絲期和收獲后土壤微生物量氮含量；在拔節(jié)期和成熟期土壤微生物量氮含量有所降低。

表2 不同生物炭施用量下玉米不同生育期的土壤微生物量氮含量Table 2 Nitrogen content of soil microbial biomass under different biochar application at different growing stages

2.3 生物炭對土壤微生物量碳氮比的影響

土壤微生物量碳氮比的高低能夠反映土壤氮素的供應(yīng)能力，微生物量碳氮比較低時土壤氮素有較高的生物有效性，從而使土壤氮素利用效率提高[16]。由表3可知，生物炭顯著影響土壤微生物量碳氮比。0—10 cm土層，與B0相比生物炭顯著增加播種前、拔節(jié)期和吐絲期的土壤微生物量碳氮比，但成熟期和收獲后的微生物量碳氮比顯著降低。10—20 cm土層，生物炭顯著增加播種前和吐絲期的微生物量碳氮比，對拔節(jié)期、成熟期和收獲后的土壤微生物量碳氮比的影響隨生物炭施用量的不同而不同。在20—30 cm土層，生物炭顯著增加拔節(jié)期、吐絲期、成熟期和收獲后土壤微生物量碳氮比。整體而言，播種前土壤的微生物量碳氮比較高，到拔節(jié)期降低并保持相對穩(wěn)定，收獲后有所增加。

表3 不同生物炭施用量下玉米不同生育期土壤微生物量碳氮比Table 3 C/N ratio of soil microbial biomass under different biochar application at different growing stages

2.4 生物炭施用土壤微生物商的變化

微生物商反映了土壤微生物的固碳效益及土壤有機(jī)碳的變化方向[17]。一般而言，微生物商值增加，表明土壤有機(jī)碳逐漸積累；反之，土壤有機(jī)碳則處于消耗狀態(tài)。從玉米整個生育期來看，播種前土壤微生物商較低，拔節(jié)期略有增加并保持相對穩(wěn)定。隨著玉米的生長發(fā)育，土壤微生物商在2.0%～4.0%范圍內(nèi)波動。生物炭對玉米不同生育期土壤微生物商的影響不同(表4)。在播種前，各土層土壤微生物商隨生物炭施用量的增加而升高，BC3處理在0—10、10—20和20—30 cm土層的土壤微生物商較BC0顯著增加(40.0%、44.2%和59.5%)。在拔節(jié)期，BC1顯著降低0—10 cm土層土壤微生物商；而BC2和BC3處理的土壤微生物商與BC0無顯著差異。在吐絲期，BC3處理顯著降低0—10 cm土層的土壤微生物商；而BC1和BC2處理的土壤微生物商與BC0無顯著差異。成熟期和收獲后，生物炭對各土層土壤的微生物商均無顯著影響。

表4 不同生物炭施用量下玉米不同生育期土壤微生物商Table 4 Soil microbial quotient of different biochar application at different growth stages

2.5 生物炭對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

生物炭顯著增加玉米籽粒產(chǎn)量和穗粒數(shù)，隨生物炭施用量的增加，玉米籽粒產(chǎn)量和穗粒數(shù)逐漸增加(表5)。BC2和BC3處理的籽粒產(chǎn)量較BC0顯著增加(11.2%和14.1%)。對籽粒產(chǎn)量構(gòu)成而言，與BC0相比，BC2和BC3處理的穗粒數(shù)顯著增加，增幅分別為6.3%和8.7%；但生物炭施用對千粒重影響不顯著。

表5 不同處理下玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因子Table 5 The maize yield and yield components under different treatments

不同處理下土壤微生物量碳、籽粒產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因子的相關(guān)性如表6所示。穗粒數(shù)和千粒重均與玉米籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其中穗粒數(shù)與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.902；千粒重與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)為0.669。穗粒數(shù)與千粒重之間也達(dá)到顯著正相關(guān)(r=0.787)。且0—30 cm土壤微生物量碳含量也與玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因子呈顯著正相關(guān)。其中，土壤微生物量碳含量與穗粒數(shù)和產(chǎn)量呈極顯著相關(guān)；與千粒重顯著相關(guān)。

表6 土壤微生物量碳、玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因子的相關(guān)分析Table 6 Correlation analysis between soil microbial biomass, yield and yield components of maize

3 討論

3.1 生物炭對土壤微生物量的影響

土壤微生物量是植物可利用養(yǎng)分的重要來源，其大小與土壤肥力水平呈正相關(guān)[12-13]。土壤微生物量的動態(tài)變化決定著土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和有效性。因此，研究土壤微生物量的動態(tài)變化有助于及時準(zhǔn)確地了解土壤肥力水平的變化趨勢及土壤養(yǎng)分的循環(huán)和轉(zhuǎn)化過程。

本研究中不同生育期不同土層土壤微生物量氮對生物炭的響應(yīng)明顯不同。生物炭可以增加土壤微生物量碳，且土壤微生物量碳含量隨生物炭用量的增加而增加，與張星等[14]的研究結(jié)果相一致。但也有施用生物炭降低土壤微生物量的報道，如Spokas和Reicosky[18]在培養(yǎng)試驗中發(fā)現(xiàn),施用生物炭在開始階段會降低土壤微生物的活性，降低土壤微生物量碳。另外，蓋霞普等[19]研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)過41 d的好氣培養(yǎng)后，生物炭明顯降低紅壤中土壤微生物量碳氮的含量，卻顯著提高黑土中土壤微生物量碳氮的含量。這可能與土壤類型、試驗條件和養(yǎng)分管理等不同有關(guān)，也可能是由于生物炭本身的復(fù)雜性質(zhì)造成的[6]?？傮w來看，土壤微生物量碳氮表現(xiàn)出先迅速上升，在玉米生育高峰期達(dá)到峰值，然后逐漸下降形成一個低谷，之后又有所升高的規(guī)律。這可能是玉米生育前期，水熱條件的適宜和玉米根系活動的增加促進(jìn)了土壤微生物生長和代謝活動，增加土壤微生物量，并在玉米生育高峰期達(dá)到最大，之后玉米對養(yǎng)分的大量需求影響土壤微生物的活動，隨著玉米進(jìn)入成熟期，根系的殘體及凋落物為微生物的生長提供營養(yǎng)物質(zhì)，使土壤微生物活性有所增加。本研究結(jié)果顯示，生物炭在一定程度上增加土壤微生物量碳氮比，這與盧焱焱等[20]研究中施用少量生物炭對土壤微生物量碳氮比有刺激作用的結(jié)果一致。但也有報道發(fā)現(xiàn)生物炭會顯著降低土壤微生物量碳氮比[21]。土壤微生物的不同可導(dǎo)致土壤微生物量碳氮比的變化，如向土壤中施用生物炭后，土壤中的細(xì)菌、真菌和古菌群落都有所變化[22-23]。本研究中土壤微生物量碳氮比的增加可能是由于生物炭改變了土壤微生物的群落組成，對此仍需進(jìn)一步研究。

本研究中土壤微生物商在玉米整個生育期內(nèi)變化不明顯，這主要是引起土壤微生物量碳變化的因素與引起有機(jī)碳變化的因素基本一致，隨著時間的變化規(guī)律也比較相似，使得微生物商在玉米生育進(jìn)程中維持在一定的范圍內(nèi)。在播種前生物炭的施用增加土壤微生物商，而其他生育期生物炭對土壤微生物商無顯著影響，這可能是由于播種前溫度的增加和水分狀況的適宜刺激了土壤微生物活動，由于生物炭引起的土壤微生物量碳含量的增加程度高于對土壤有機(jī)碳的增加，導(dǎo)致該時期微生物商的增加，這與該時期土壤微生物量碳含量隨生物炭施用量的增加而增加相一致。由于稀釋效應(yīng)的存在，即土壤微生物量的增加被土壤有機(jī)碳的增加所掩蓋[24]，導(dǎo)致其他采樣時期生物炭施用條件下土壤微生物商無顯著變化。生物炭對土壤微生物的影響是一個復(fù)雜的過程，由于生物炭原材料、裂解溫度、試驗條件及土壤狀況的不同，土壤微生物對生物炭的響應(yīng)也不同。本研究分析了生物炭對土壤微生物量的影響，而土壤微生物多樣性及特定類群土壤微生物對生物炭的響應(yīng)還需進(jìn)一步研究。

3.2 生物炭對作物產(chǎn)量的影響

相關(guān)分析表明，穗粒數(shù)和千粒重均與籽粒產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系，說明提高穗粒數(shù)、增加千粒重對于玉米籽粒產(chǎn)量的提高有關(guān)鍵性作用。土壤微生物量碳與玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子之間均有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，印證了土壤微生物量碳在土壤養(yǎng)分有效性中的作用[16]，而土壤養(yǎng)分有效性的增加提高了土壤肥力，進(jìn)而增加了玉米籽粒產(chǎn)量。目前研究表明，生物炭的施用可促進(jìn)作物生長，提高作物產(chǎn)量，一般而言，施用生物炭后作物產(chǎn)量平均可提高10%[25]。然而Tammeorg等[26]研究表明，添加生物炭對春小麥產(chǎn)量無明顯影響。本研究結(jié)果表明，隨生物炭施用量的增加，玉米籽粒產(chǎn)量逐漸增加。BC1對籽粒產(chǎn)量無顯著影響，而BC2和BC3均顯著增加籽粒產(chǎn)量，表明生物炭對作物產(chǎn)量的影響與其施用量有關(guān)。王建超等[2]研究表明，添加0.5%、1.0%和5.0%生物炭時，花生產(chǎn)量分別增加34.8%、67.4%和73.5%。本研究中穗粒數(shù)隨生物炭施用量的增加呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，但千粒重不受生物炭添加的影響。陳慶華等[3]采用測筒試驗發(fā)現(xiàn)，添加生物炭后，油菜最高可增產(chǎn)64%左右，主要表現(xiàn)為油菜一次有效分支數(shù)、單株有效角果數(shù)和每果粒數(shù)顯著增加。李偉等[4]研究發(fā)現(xiàn)，5和10 t·hm-2的生物炭施用量均可顯著增加冬小麥和夏玉米的產(chǎn)量，且作物產(chǎn)量隨生物炭施用量的增加而增加。由此可知，生物炭對作物產(chǎn)量構(gòu)成的影響有很大不同，這可能是由于土壤狀況、氣候條件及生物炭自身性質(zhì)的復(fù)雜性造成的。因此，關(guān)于生物炭對作物產(chǎn)量的影響還需進(jìn)一步研究。