不同生物炭用量對(duì)鹽化潮土土壤質(zhì)量與玉米生長(zhǎng)的影響

摘要：農(nóng)田施用生物炭是改善土壤質(zhì)量、提升土壤生產(chǎn)力、提高作物產(chǎn)量的重要途徑之一。為了明確不同生物炭用量對(duì)鹽化潮土土壤養(yǎng)分含量、微生物群落結(jié)構(gòu)與玉米生長(zhǎng)的影響，解析影響玉米生物量提高的關(guān)鍵土壤因子，本試驗(yàn)以鹽化潮土為供試土壤，采用盆栽方式，在常規(guī)施用氮磷鉀肥水平基礎(chǔ)上設(shè)置不施用生物炭（B0）、施用1%生物炭（B1）、施用3%生物炭（B3）、施用5%生物炭（B5）4個(gè)處理對(duì)其開(kāi)展研究。結(jié)果表明，與BO相比，施用生物炭能夠顯著提高土壤有機(jī)碳（SOC）含量，且隨著施用量增加而增加，平均增幅為284.02%（91.79%～431.99%o）。施用生物炭能夠顯著增加土壤全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量和pH值、細(xì)菌豐富度、細(xì)菌多樣性、真菌豐富度、真菌多樣性，3個(gè)施用生物炭處理的平均增幅分別為102. 25%、31. 81%、33.32%、63. 89%、3.89%、60. 07%、12.21%、96.13%和22.42%；同時(shí)，玉米苗期株高、莖粗、葉面積、SPAD值、生物量及氮磷鉀吸收量均得到顯著提高。相關(guān)性分析結(jié)果表明，玉米生物量的提高主要得益于土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、pH、細(xì)菌豐富度、真菌豐富度、真菌多樣性的調(diào)控作用。綜上所述，盡管不同生物炭用量對(duì)土壤質(zhì)量與玉米生長(zhǎng)的調(diào)控效果存在差異，但施用生物炭處理較不施用均能夠顯著提高SOC含量，改善土壤養(yǎng)分供應(yīng)與微生物群落結(jié)構(gòu)，促進(jìn)玉米生長(zhǎng)。該研究結(jié)果可為鹽化潮土農(nóng)田生物炭施用策略和改善土壤質(zhì)量、提升土壤生產(chǎn)力提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：施用生物炭；土壤質(zhì)量；玉米生長(zhǎng)；養(yǎng)分吸收；鹽化潮土

中圖分類號(hào)：S156.99：S513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2025） 03-0125-08

土壤是作物生產(chǎn)的基礎(chǔ)，作物產(chǎn)量潛力和水肥調(diào)控作用的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)揮依賴于良好的土壤條件。近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)田土壤有機(jī)碳（SOC）含量得到一定的提升，土壤生產(chǎn)力顯著改善，這對(duì)保障糧食安全發(fā)揮了重要作用。然而，目前我國(guó)的農(nóng)田仍以中、低產(chǎn)田為主，且由于長(zhǎng)期的集約化作物生產(chǎn)和不合理的耕作措施與輪作制度，土壤質(zhì)量面臨著一系列問(wèn)題，諸如：農(nóng)田耕作層變淺、SOC含量整體仍然偏低。同時(shí)，我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)源有機(jī)物料的產(chǎn)生量持續(xù)增加，但作物秸稈、畜禽糞便、城市生活垃圾等有機(jī)物料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的循環(huán)利用率不足。因此，通過(guò)增加有機(jī)物料還田來(lái)改善土壤質(zhì)量對(duì)提高土壤生產(chǎn)力和作物產(chǎn)量具有重要意義。

有機(jī)物料能夠部分或完全替代化肥，用于提升土壤的生產(chǎn)能力與生態(tài)功能，協(xié)同實(shí)現(xiàn)作物高產(chǎn)、資源高效和環(huán)境友好的目標(biāo)。生物炭作為新興的有機(jī)物料，是生物質(zhì)（包括作物秸稈、木屑、糞肥以及城市生活垃圾等）經(jīng)過(guò)厭氧高溫裂解形成的副產(chǎn)物，具有碳含量高且穩(wěn)定和pH、CEC高等特點(diǎn)，其作為有效的土壤改良劑和重要的農(nóng)業(yè)減排措施投入農(nóng)田引起了人們的廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭能夠顯著增加SOC的固定，表現(xiàn)為：一方面生物炭極慢的周轉(zhuǎn)速率（0.004 6%/d）直接增加農(nóng)田碳輸入——一般作物秸稈直接還田，5～10年生物降解后土壤中能保持約10%～20%的碳，而焚燒還田僅為3%，但生物炭還田能夠保持50%以上：另一方面施用生物炭可能降低SOC的分解速率，并通過(guò)吸附土壤中游離的有機(jī)物質(zhì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增加根系碳輸入量。因此，農(nóng)田施用生物炭為陸地生態(tài)系統(tǒng)的“固碳減排”提供了一個(gè)全新的思路與研究方法。目前，普遍認(rèn)為施用生物炭能夠有效提高作物產(chǎn)量，顯著增加SOC累積，改善土壤結(jié)構(gòu)與團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)，提升土壤保水與保肥能力，同時(shí)，施用生物炭還能夠減少氮肥使用，增加養(yǎng)分的固持，減少氮素的淋洗和徑流損失，并改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與微生物活性，提高養(yǎng)分的生物有效性。此外，施用生物炭還可以減少N2O的排放，減緩生態(tài)環(huán)境壓力。

然而，當(dāng)前關(guān)于生物炭農(nóng)田使用效果的研究大多分布在熱帶或亞熱帶地區(qū)，其土壤多為酸性或養(yǎng)分缺乏的砂土和砂壤土，產(chǎn)生的效果通?？梢杂猛寥纏H值、CEC和土壤保水性的改善來(lái)解釋．而不同生物炭用量在溫帶地區(qū)鹽化潮土上使用的效果評(píng)價(jià)相關(guān)研究報(bào)道較少，其對(duì)作物生長(zhǎng)指標(biāo)和土壤質(zhì)量等的影響仍不清晰。為此，本試驗(yàn)采用盆栽方式開(kāi)展研究，旨在明確不同生物炭用量對(duì)玉米生長(zhǎng)、養(yǎng)分吸收以及土壤養(yǎng)分狀況、土壤微生物群落豐富度與多樣性的影響，探明不同生物炭用量條件下土壤質(zhì)量與玉米生長(zhǎng)的相關(guān)關(guān)系，為鹽化潮土上施用生物炭提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)為青島農(nóng)業(yè)大學(xué)智能溫室，該智能溫室可實(shí)現(xiàn)不同的環(huán)境條件控制，可以較為準(zhǔn)確地控制植物生長(zhǎng)過(guò)程中的光、熱、水等條件，滿足試驗(yàn)過(guò)程中玉米生長(zhǎng)對(duì)這些條件的需求。研究采用室內(nèi)盆栽試驗(yàn)。樹(shù)脂盆上下口徑分別為23、22cm，高為21.5 cm。供試土壤為鹽化潮土，全鹽含量2.06 g/kg，含有機(jī)碳（SOC）9.85 g/kg、全氮（TN） 0.70 g/kg、堿解氮84.28 mg/kg、有效磷9.92mg/kg、速效鉀57.36 mg/kg，pH值（水土比2.5：1）為7.46（表1）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2022年10月19日開(kāi)始玉米種子催芽，Sd后播種，至1 1月25日玉米六葉期進(jìn)行試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定。試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理：不施用生物炭（BO）、施用1%生物炭（B1）、施用3%生物炭（B3）、施用5%生物炭（B5），每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共12盆。每盆裝土2 kg，種植1株。各處理化肥施用量相同，每盆施尿素（N，46%）4.35 g、過(guò)磷酸鈣（P2O5，16%）3.13g、氯化鉀（K2O，50%）1.00 g。所施商品生物炭由70%的玉米秸稈和30%秸稈粉塵在450-500℃下熱解形成，其有機(jī)碳含量為683.12 g/kg，全氮12.33 g/kg，全磷1.31g/kg，全鉀4.04 g/kg，pH值為8.35，如表1所示。供試玉米品種為鄭單958。各處理所施化肥、生物炭均在裝盆前與土壤混合均勻，除施肥外，其他管理措施相同。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 植株樣品

2022年11月25日玉米六葉期測(cè)定株高、莖粗、葉面積、葉綠素含量（SPAD值）等。株高用直尺測(cè)量，莖粗用游標(biāo)卡尺測(cè)量，最新完全展開(kāi)葉的SPAD值用SPAD-502Plus便攜式葉綠素測(cè)定儀測(cè)定。用長(zhǎng)度系數(shù)法計(jì)算最新完全展開(kāi)葉的葉面積，葉面積=長(zhǎng)×寬×0.75。

玉米六葉期收取植株裝入信封，置于烘箱中105℃下殺青30 min、75℃下烘干至恒重稱干重，計(jì)算玉米干物質(zhì)累積量。之后，取部分樣品粉碎，用H2SO4 -H2O2法進(jìn)行樣品消煮，繼而采用半微量蒸餾法測(cè)定全氮含量，釩鉬黃吸光光度法測(cè)定全磷含量，火焰光度法測(cè)定全鉀含量，計(jì)算氮磷鉀吸收量。

1.3.2 土壤樣品

2022年11月25日玉米六葉期，收取地上部后去除根系，采集0- 20 cm土層土壤樣品并混勻，自然風(fēng)干后分別過(guò)1 mm和0.25 mm篩，用于土壤各指標(biāo)的測(cè)定。土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定，全氮含量采用半微量凱氏法測(cè)定，堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，有效磷含量采用碳酸氫鈉法測(cè)定，速效鉀含量采用醋酸銨—火焰光度法測(cè)定，pH值（土水比為1：2.5）采用電位法測(cè)定。同時(shí)，測(cè)定土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)：使用DNA試劑盒（美國(guó)MO BIO實(shí)驗(yàn)室）從土壤樣品中提取DNA，利用引物338F（5＇- ACTCCTACGGGAGGCAGCAG -3’）禾口806R（5＇- GGACTACHVGGGTWTCTAAT -3＇）進(jìn)行細(xì)菌16S rRNA基因V4區(qū)域特異性擴(kuò)增，利用引物ITSIF（5＇- CTTGGTCATTTAGAGGAAG-TAA -3＇）和ITS2R （5＇- GCTGCGTTCTTCATCGATGC -3＇）進(jìn)行真菌ITS1區(qū)域特異性擴(kuò)增，采用Illumina MiSeq測(cè)序方法測(cè)定細(xì)菌、真菌多樣性和群落結(jié)構(gòu)，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，采用Mi-crosoft Excel 2013、SAS（version 8.2;SAS InstituteInc.，Cary，NC，USA）軟件和Sigma Plot（version12.0; SysTest Software Inc.，San Jose，CA， USA）軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計(jì)分析和作圖，差異顯著性分析采用LSD法（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物炭用量對(duì)土壤養(yǎng)分含量和pH值的影響

由表2可以看出，不同生物炭用量對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響存在較大差異，整體表現(xiàn)為B5＞B3＞B1＞B0。與BO相比，B1、B3、B5處理均顯著增加有機(jī)碳（SOC）、全氮、速效鉀含量和土壤pH值，SOC增幅分別為91.89%、328.54%和432.30%，全氮增幅分別為44.29%、108.57%和158.57%，速效鉀增幅分別為35.90%、60. 25%和95. 52%，pH增幅分別為1.46%、4.66%和5.46%。與BO相比，B3、B5處理均顯著增加土壤堿解氮和有效磷含量，土壤堿解氮含量增幅分別為30. 98%和58.27%，有效磷含量增幅分別為27.40%和62.10%，但B1與BO處理間無(wú)顯著差異。

由表3可以看出，與BO相比，B1、B3、B5處理均顯著增加土壤細(xì)菌群落、真菌群落的豐富度和多樣性，其中細(xì)菌豐富度分別增加65. 07070、54. 54%和60.60%，B1處理顯著高于B3，但B1與B5、B3與B5間無(wú)顯著差異：細(xì)菌多樣性分別增加13.60%、11.69%和11.35%，B1、B3和B5處理間無(wú)顯著差異；真菌豐富度分別增加86.20%、86.28%和115.91%，B5處理顯著高于B1、B3，但B1與B3間無(wú)顯著差異；真菌多樣性分別增加12.72%、24. 10%和30.44%，B5處理顯著高于B1，但B1與B3、B3與B5間無(wú)顯著差異。

2.2 不同生物炭用量對(duì)玉米苗期生長(zhǎng)的影響

由表4可以看出，不同生物炭用量對(duì)玉米苗期生長(zhǎng)的影響有所差異。與BO相比，B1、B3、B5處理均顯著增加玉米株高、莖粗和葉面積。其中，與BO相比，B1、B3、B5處理株高增幅分別為45. 18%、54.85%和67.90%，B5顯著高于B1和B3，B1與B3間無(wú)顯著差異；莖粗增幅分別為10. 00%、18. 46%和15.38%，B3和B5顯著高于B1，B3與B5間無(wú)顯著差異；葉面積增幅分別為14. 24%、25.52%和20.43%，B1、B3、B5處理間無(wú)顯著差異。與BO相比，B1、B3處理均顯著增加玉米葉綠素含量，增幅分別為1 2.79%和18.34%，且B1與B3、B5與BO間均無(wú)顯著差異。

與BO相比，B1、B3、B5處理均顯著增加玉米地上部生物量，增幅分別為5.22%、8.81%和9.17%，但B1、B3、B5處理相互間無(wú)顯著差異（圖1）。

2.3 不同生物炭用量對(duì)玉米苗期養(yǎng)分吸收的影響

圖2顯示，不同生物炭用量對(duì)玉米地上部養(yǎng)分濃度的影響有所差異。與B0相比，B3、B5處理均顯著增加玉米地上部氮濃度，增幅分別為9. 17%和16.43%，且B3與B5、B1與B0間無(wú)顯著差異；B1、B5處理均顯著增加玉米地上部磷濃度，增幅分別為11.78%和14.20%，且B1與B5、B3與BO間無(wú)顯著差異；B1、B3、B5處理均顯著增加玉米地上部鉀濃度，增幅分別為8. 78%、67. 23%和87. 60%，且B1、B3、B5處理相互間均差異顯著。

圖3顯示，玉米地上部養(yǎng)分吸收量與養(yǎng)分濃度表現(xiàn)出類似趨勢(shì)。與B0相比，B3、B5處理均顯著增加玉米地上部氮吸收量，增幅分別為18. 89%和27. 12%，且B3與B5、B1與B0間無(wú)顯著差異；B1、B3、B5處理均顯著增加玉米地上部磷吸收量，增幅分別為17. 63%、20. 46%和24.68%，且B1、B3、B5處理相互間無(wú)顯著差異：B1、B3、B5處理均顯著增加玉米地上部鉀吸收量，增幅分別為14. 55%、81.90%和104. 80%，且B1、B3、B5處理間均差異顯著。

2.4 不同生物炭用量條件下土壤質(zhì)量與玉米生長(zhǎng)指標(biāo)的相關(guān)性分析

由圖4可知，玉米株高、莖粗與土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量和pH值、細(xì)菌豐富度、細(xì)菌多樣性、真菌豐富度、真菌多樣性均表現(xiàn)為顯著或極顯著正相關(guān)：玉米葉面積與土壤有機(jī)碳、全氮、有效磷、速效鉀含量和pH值、細(xì)菌豐富度、細(xì)菌多樣性、真菌豐富度、真菌多樣性表現(xiàn)為顯著或極顯著正相關(guān)，但與堿解氮含量未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性；玉米SPAD值僅與細(xì)菌豐富度、真菌豐富度表現(xiàn)為顯著正相關(guān)：玉米生物量與土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量和pH值、細(xì)菌豐富度、真菌豐富度、真菌多樣性均表現(xiàn)為顯著或極顯著正相關(guān)，但與細(xì)菌多樣性未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。

3 討論

提高農(nóng)田SOC是提升土壤生產(chǎn)力、維持生態(tài)系統(tǒng)碳平衡、應(yīng)對(duì)全球氣候變化的重要措施。第21屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)期間，法國(guó)農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)提出了“千分之四計(jì)劃：服務(wù)于糧食安全和氣候的土壤”（4/1000 Initiative： Soils for Food Security and Climate）的國(guó)際行動(dòng)，其依據(jù)是，全球2m深土壤的有機(jī)碳儲(chǔ)量每年增加0.4%就可以抵消當(dāng)年全球礦物燃燒的碳排放總量。然而，由于中國(guó)當(dāng)前土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量較低而碳排放量高，導(dǎo)致我國(guó)實(shí)現(xiàn)土壤固碳與化石燃料燃燒排放平衡的年均固碳速率達(dá)2.99 t/hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前全球平均固碳水平（0.24 t/hm2）和4‰的土壤固碳目標(biāo)。增加農(nóng)田碳投入是提高SOC含量的有效途徑之一。

有研究表明，生物炭的土壤固碳效果顯著優(yōu)于作物秸稈、糞肥、堆肥等有機(jī)物料，且僅有施用生物炭處理的土壤固碳速率達(dá)到了目標(biāo)值。本研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭顯著提高土壤SOC含量，且提高幅度隨施用量增加而增加，B5處理較BO增幅達(dá)432. 30%。這與以往研究結(jié)果類似。究其原因，一方面是生物炭的碳含量高（683.12 g/kg），可以直接增加土壤碳投入量，且生物炭的碳氮比高（55：1），導(dǎo)致微生物對(duì)其分解率低，穩(wěn)定性好：另一方面是施用生物炭能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增加根系生物量，同時(shí)促進(jìn)根際淀積物歸還量的增加。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH值隨生物炭施用量增加而增加，這主要是由于生物炭自身為堿性（pH值為8.35），其施用直接帶來(lái)土壤pH值的增加；同時(shí)，NH+4-N通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)镹O-3 -N導(dǎo)致土壤pH值下降，而施用生物炭后，由于其對(duì)NH+4的吸附作用，土壤NH+4-N濃度顯著提高。此外，施用生物炭由于其自身的養(yǎng)分投入，吸附減少了養(yǎng)分損失，影響到土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與活性，增加土壤養(yǎng)分釋放，而致土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量有所提高。

本研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭能夠促進(jìn)玉米苗期生長(zhǎng)，其株高、莖粗、葉面積、葉綠素含量（SPAD值）、生物量和養(yǎng)分吸收量較不施生物炭處理（BO）均顯著提高，這主要得益于土壤養(yǎng)分和微生物群落結(jié)構(gòu)的改善。這與Wei等的研究結(jié)果類似，他們的研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭能夠改善土壤質(zhì)量、增加作物地上部生物量與養(yǎng)分吸收量以及籽粒產(chǎn)量，施用生物炭后小麥—玉米周年產(chǎn)量增加0.96 t/hm2。這一方面是由于施用生物炭直接增加養(yǎng)分供應(yīng)量，使土壤容重降低，而土壤水熱緩沖能力的改善成為另一影響因素，尤其是在酸性土或者養(yǎng)分貧瘠的砂質(zhì)土上。但是，也有研究發(fā)現(xiàn)，在肥沃的堿性／缺氮土壤中，生物炭對(duì)作物產(chǎn)量或營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)沒(méi)有影響或表現(xiàn)出負(fù)面影響，這可能是由于生物炭高碳氮比的特性帶來(lái)土壤速效氮含量的短期減少所導(dǎo)致。

施用生物炭能夠激發(fā)土壤微生物活動(dòng)，改善微生物（特別是真菌）的群落結(jié)構(gòu)。本研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭顯著增加細(xì)菌的豐富度與多樣性，以及真菌的豐富度與多樣性，3個(gè)處理的平均增幅分別為60. 07%、12.21%和96. 13%、22.42%。施用生物炭還能夠促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)，降低土壤容重，增加土壤的保水與保肥能力，有利于促進(jìn)作物生長(zhǎng)和增加產(chǎn)量。但是，目前關(guān)于生物炭農(nóng)田施用的研究大多數(shù)集中在作物施用效果與環(huán)境響應(yīng)上，關(guān)于其改變作物生產(chǎn)與環(huán)境效應(yīng)的機(jī)理性研究較少，尤其是生物學(xué)機(jī)制，需要依托長(zhǎng)期的田間試驗(yàn)開(kāi)展進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

與不施用生物炭相比，施用生物炭能夠顯著提高土壤養(yǎng)分含量，并且其效果隨生物炭施用量的增加而增加，同時(shí)還能夠增加土壤細(xì)菌和真菌群落的豐富度和多樣性，促進(jìn)玉米苗期生長(zhǎng)。施用生物炭帶來(lái)的土壤有機(jī)碳、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量和pH值、細(xì)菌豐富度、真菌豐富度、真菌多樣性的增加是玉米生物量提高的重要驅(qū)動(dòng)因子。綜上所述，施用生物炭是提高土壤SOC含量、改善土壤養(yǎng)分供應(yīng)與微生物群落結(jié)構(gòu)、促進(jìn)作物生長(zhǎng)的重要調(diào)控措施。但是，考慮到生物炭在生產(chǎn)實(shí)踐中的生產(chǎn)、運(yùn)輸成本等經(jīng)濟(jì)因素，以及在非脅迫土壤中的應(yīng)用效果局限性，其大面積推廣仍需要進(jìn)一步研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023YFD2001402）；山東省高等學(xué)校優(yōu)秀青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目（2023KJ169）