生物黑炭与化肥配施对大豆根际氮素转化相关功能菌的影响

刘志华，李晓梅，姜振峰，张少良，王嘉翼，刘航，王宏燕*

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京 210008；3.东北农业大学农学院，哈尔滨 150030）

生物黑炭与化肥配施对大豆根际氮素转化相关功能菌的影响

刘志华1,2，李晓梅1，姜振峰3，张少良1，王嘉翼1，刘航1，王宏燕1*

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京 210008；3.东北农业大学农学院，哈尔滨 150030）

研究以玉米秸秆源450℃无氧条件制备的生物黑炭为试验材料，设5个处理，即对照（CK，0%）、化肥处理（F，0%生物黑炭+常规施肥，N 100 mg·kg-1、P 100 mg·kg-1、K 150 mg·kg-1）、低量生物黑炭与化肥配施（1%BF，1%生物黑炭+常规施肥）、中等生物黑炭与化肥配施（5%BF，5%生物黑炭+常规施肥）和高量生物黑炭与化肥配施（10%BF，10%生物黑炭+常规施肥）（质量分数）等，研究生物黑炭与化肥配施对大豆根际氮素转化过程中相关功能菌数量、pH及速效氮含量的影响。结果表明，生物黑炭与化肥配施显著增加大豆根际pH；生物黑炭与化肥配施对根际固氮菌数量、氨化细菌数量和硝化细菌数量的影响具有一定剂量效应，5%BF处理对大豆根际氮素转化相关细菌数量、速效氮含量的提升最为有利。为揭示生物黑炭影响养分过程中的微生物机制提供理论依据。

生物黑炭；大豆；剂量效应；细菌

我国农作物秸秆资源丰富，但资源利用问题突出。据统计，我国每年各类作物秸秆生产量达到6.5×109t以上[1]，随着种植结构的调整，大量秸秆资源未被利用，经常发生就地焚烧秸秆现象。如何处理及利用秸秆受到广泛关注。近年来，利用农作物秸秆进行高温无氧条件制备生物黑炭技术因其产品的环境友好、具有良好特性日益受到重视，成为秸秆资源化利用新途径[2-4]。

研究表明，利用作物秸秆、畜禽粪便等农业废弃物在高温无氧条件下制备生物黑炭具有将大气CO2转化成更稳定碳库的潜力[5-6]。生物黑炭除拥有固碳减排潜力外，具备农用价值，机理研究表明，生物黑炭的农用价值主要来自其肥料价值、对土壤物理条件的改善[7-8]，对土壤养分转化过程产生影响，包括影响土壤酸碱性[9-10]、阳离子交换量[11]及土壤持水性[12]等，影响作物产量[13]。Zwieten等研究表明，生物质炭能促进茶树和紫荆树等生长，提高菜豆、高羊茅草、玉米、水稻、萝卜等作物生物量，并使菜豆、玉米、水稻等作物增产[14]。

氮是植物生长的必需元素[15]，土壤氮素可利用性受到作物品种、肥料施用等影响[16]。Zhao等通过室内土柱模拟试验研究表明生物黑炭对铵态氮有较强吸附能力，促进酸性土壤硝化过程并减少氮的淋失[11]。但生物黑炭对土壤微生物影响的相关研究表明，短期施用生物黑炭可促进土壤固氮菌和纤维素降解菌数量[17]，说明生物黑炭土壤添加对与土壤氮素转化有关的微生物存在影响，但仍缺乏全生育期的系统研究报道。因此，本试验通过研究生物黑炭与化肥配施对大豆根际土壤氮素转化相关功能菌数量及氮素形态的影响，探讨生物黑炭对土壤氮素转化功能菌群的影响，为揭示生物黑炭对土壤微生物的影响机制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验采用的是东北黑土，生物黑炭为玉米秸秆炭，经450℃无氧条件热裂解而成，由辽宁金和福农业开发有限公司生产。供试作物为大豆（东农47），供试土壤与生物黑炭理化性质见表1。

1.2 试验设计

试验为盆栽试验，在东北农业大学香坊实验实习基地进行。试验设5个处理，具体处理代号及施用量见表2。每个处理15盆，每盆装土10 kg，将不同比例生物黑炭与化肥混合均匀后稳定1周，然后播种。待出苗大豆一对真叶展开后，每盆保留4株长势一致幼苗，定期定量浇水。在大豆苗期、花期、结荚期、鼓粒期和成熟期进行取样，采用抖落取根际土每次取样3次重复。

1.3 试验方法

1.3.1 土壤pH测定

采用1∶1水土比浸提，pH计测定。

1.3.2 氮素转化相关细菌测定

测定参照林先贵方法[18]，具体如下：

氨化细菌采用蛋白胨-琼脂培养基，将灭菌后蛋白胨-琼脂培养基分装于试管中，每管装5 mL，从土壤悬浊液的四个稀释度（10-6、10-7、10-8、10-9）中吸取1 mL加入培养基中，重复3次，于28℃下培养7 d，培养结束后，滴加奈氏试剂，记录出现棕红色或浅棕色沉淀的数量，采用最大或然法计算土壤样品中氨氧化细菌数。

硝化细菌采用改良的斯蒂芬逊（Stephenson）培养基，将灭菌后改良的Stephenson培养基分装于试管中，每管装5 mL，从土壤悬浊液的四个稀释度（10-1、10-2、10-3、10-4）中吸取1 mL加入培养基中，重复3次，于25～30℃下培养14 d，培养结束后，滴加格里斯试剂第一、第二液，记录出现红色的数量，采用最大或然法计算土壤样品中硝化细菌数。

表1 供试黑炭与土壤的理化性质Table 1 Physics characteristics of the biochar and soil

表2 各处理代号及施用量Table 2 Treatment,code and application rate

固氮菌采用阿须贝培养基，稀释平板法测定。

1.3.3 土壤速效氮含量测定

铵态氮、硝态氮采用2 mol·L-1KCl浸提，流动分析仪测定，参照鲁如坤方法[19]。

1.3.4 数据分析

所有数据统计分析及柱状图的绘制采用Excel 2003软件。试验数据差异显著性分析采用SPSS Statistics 19.0统计软件，采用单因素方差分析法，多个均数间的差异性比较采用Duncan's新复极差法。

2 结果与分析

2.1 生物黑炭与化肥配施对大豆根际pH的影响

生物黑炭与化肥配施对不同大豆生育时期根际pH的影响如表3所示。从表中可以看出，与CK和F处理相比较，生物黑炭与化肥配施对大豆根际pH具有显著促进作用，且存在剂量效应，根际pH呈现随生物黑炭施用量增加而增加的趋势，仅在大豆花期10%BF处理与5%BF处理之间、5%BF处理与1%BF处理之间差异未达到显著性水平。不同施用数量生物黑炭与化肥配施间比较，高量生物黑炭与化肥配施（10%BF处理）处理大豆根际pH在各生育时期中为最高（见表3），这可能与生物黑炭本身pH较高有关。

2.2 生物黑炭与化肥配施对大豆根际固氮菌数量的影响

图1是生物黑炭与化肥配施对大豆不同生育时期根际固氮菌数量的影响。从图中可以看出，生物黑炭与化肥配施对大豆根际固氮菌数量存在一定影响，生物黑炭施用量不同对根际固氮菌数量的影响存在一定差异（见图1）。

与CK相比，低量生物黑炭与化肥配施（1%BF处理）除对大豆花期根际固氮菌数量无显著影响外，显著促进其余生育时期大豆根际固氮菌数量（P＜0.05），根际固氮菌数量增加15.7%～36.7%；中量生物黑炭与化肥配施（5%BF处理）对各个生育时期大豆根际固氮菌数量有显著促进作用（P＜0.05），根际固氮菌数量增加52.8%～166.0%；高量生物黑炭与化肥配施（10%BF处理）对根际固氮菌的影响因大豆生育时期不同存在差异：对大豆苗期根际固氮菌数量有显著抑制作用（P＜0.05），对大豆结荚期根际固氮菌数量有显著促进作用，对大豆花期、鼓粒期和成熟期根际固氮菌数量无显著性影响（P＞0.05）。

与F处理相比，低量生物黑炭与化肥配施（1% BF处理）除对大豆花期根际固氮菌数量无显著性影响外，显著促进苗期、结荚期、鼓粒期和成熟期根际固氮菌数量（P＜0.05），根际固氮菌数量增加13.3%～31.4%；中量生物黑炭与化肥配施（5%BF处理）对各个生育时期大豆的根际固氮菌数量有显著促进作用（P＜0.05），根际固氮菌数量增加41.9%～75.0%；除对大豆苗期根际固氮菌数量有显著抑制作用外，高量生物黑炭与化肥配施（10%BF处理）对其余生育时期大豆根际固氮菌数量无显著性影响（P＞0.05）。

表3 生物黑炭与化肥配施对大豆根际pH的影响Table 3 Effects of biochar plus fertilizer on pH for soybean rhizospheric soil

图1 生物黑炭与化肥配施对大豆根际固氮菌数量的影响Fig.1 Effects of biochar plus fertilizer on the rhizospheric nitrogen-fixing bacteria contents in soybean

生物黑炭不同施用量之间比较，在大豆各生育时期表现相对一致，根际固氮菌数量呈现5% BF＞1%BF＞10%BF的趋势，处理间达到显著性差异（P＜0.05）。上述结果说明生物黑炭与化肥配施对根际固氮菌数量的影响具有一定剂量效应，本研究条件下，5%生物黑炭施用量与化肥配施对大豆根际固氮菌数量提升最为有利；过少施用（1%BF处理）对大豆旺盛生长时期（花期、鼓粒期和结荚期）根际固氮菌数量的增加呈现延迟效应，即大豆花期呈现影响不显著至结荚期、鼓粒期才表现出显著促进作用；过高施用（如10%BF处理）对大豆根际固氮菌数量的增加不利（见图1）。

2.3 生物黑炭与化肥配施对大豆根际氨化细菌数量的影响

图2是生物黑炭与化肥配施对大豆根际氨化细菌数量的影响。从图中可以看出，生物黑炭添加对大豆根际氨化细菌随生育时期的变化规律无显著性影响，根际氨化细菌数量随生育时期呈现先升高后降低的变化规律（见图2）。

与CK相比，低量生物黑炭与化肥配施（1%BF处理）对大豆花期根际氨化细菌数量无显著性影响外，对其余各生育时期大豆根际氨化细菌数量有显著促进作用（P＜0.05），根际氨化细菌增加6.5%～61.9%；中量生物黑炭与化肥配施（5%BF处理）显著促进大豆根际氨化细菌数量（P＜0.05），根际氨化细菌增加9.8%～135.1%；高量生物黑炭与化肥配施（10%BF处理）显著抑制大豆生育前期（苗期、花期和结荚期）大豆根际氨化细菌数量（P＜0.05），根际氨化细菌减少幅度为3.5%～9.7%，对其余生育时期根际氨化细菌数量影响未达到显著性水平。

与F处理相比，低量生物黑炭与化肥配施（1% BF处理）对大豆各生育时期根际氨化细菌数量均有显著促进作用（P＜0.05），根际氨化细菌增加3.9%～39.5%；中量生物黑炭与化肥配施（5%BF处理）显著促进大豆根际氨化细菌数量（P＜0.05），根际氨化细菌增加12.6%～102.7%；高量生物黑炭与化肥配施对大豆花期根际氨化细菌数量无显著性影响，对其余生育时期大豆根际氨化细菌数量存在显著抑制作用（P＜0.05），根际氨化细菌减少5.2%～19.4%。

图2 生物黑炭与化肥配施对大豆根际氨化细菌数量的影响Fig.2 Effects of biochar plus fertilizer on the rhizospheric ammonifying bacteria contents in soybean

生物黑炭不同添加数量之间比较，不同大豆生育时期表现较为一致（大豆结荚期除外），不同生物黑炭施用量对根际氨化细菌数量的影响呈现5%BF＞1%BF＞10%BF的趋势，这与根际固氮菌的表现一致（见图1），说明生物黑炭与化肥配施对土壤氨化细菌数量的影响存在一定剂量效应，本研究条件下，1%生物黑炭与化肥配施对氨化细菌数量表现出促进作用的趋势（花期除外），5%生物黑炭与化肥配施对根际氨化细菌数量的提升最为有利，10%生物黑炭与化肥配施对根际氨化细菌数量的提升最为不利（见图2）。

2.4 生物黑炭与化肥配施对大豆根际硝化细菌数量的影响

生物黑炭与化肥配施对根际硝化细菌的影响与生物黑炭施用量有关，大豆各生育时期表现较为一致（见图3）。由图3可以看出，与CK和F处理相比，低量生物黑炭与化肥配施（1%BF处理）和中量生物黑炭与化肥配施（5%BF处理）对各生育时期大豆根际硝化细菌有显著促进作用（P＜0.05），根际硝化细菌较CK分别增加8.0%～80.9%和42.0%～123.3%，较F处理分别增加7.4%～100.0%（平均38.9%）和36.1%～146.9%（平均89.0%）；其中，中量生物黑炭与化肥配施（5%BF）处理根际硝化细菌数量在所有处理中为最高，表现出显著促进作用；高量生物黑炭与化肥配施（10%BF处理）显著抑制除成熟期外各生育时期根际硝化细菌数量（P＜0.05），根际硝化细菌较CK和F处理分别减少5.0%～17.8%和8.2%～15.3%（平均11.0%）。

生物黑炭不同施用数量之间比较可以看出，高量生物黑炭与化肥配施（10%BF处理）对大豆根际硝化细菌数量提升不利，较少生物黑炭添加（1%或5%）对大豆根际硝化细菌数量提升有利，在本研究范围内，中量生物黑炭与化肥配施（5% BF处理）对根际硝化细菌具有显著促进作用。

2.5 生物黑炭与化肥配施对大豆根际速效氮含量的影响

2.5.1 生物黑炭与化肥配施对大豆根际铵态氮含量的影响

生物黑炭与化肥配施对大豆根际铵态氮含量的影响与大豆生育时期有关，且不同生物黑炭施用数量间存在差异（见图4）。

与CK相比，低量生物黑炭与化肥配施（1%BF处理）显著促进大豆苗期和花期根际铵态氮含量（P＜0.05），对大豆结荚期和鼓粒期根际铵态氮含量无显著性影响，对成熟期大豆根际铵态氮含量存在显著抑制作用；中量生物黑炭与化肥配施（5% BF处理）显著促进大豆苗期、花期和结荚期根际铵态氮数量（P＜0.05），对鼓粒期和成熟期大豆根际铵态氮含量无显著性影响（P＞0.05）；高量生物黑炭与化肥配施（10%BF处理）对大豆苗期和鼓粒期根际铵态氮数量无显著性影响，对花期大豆根际铵态氮数量具有显著促进作用，对结荚期和成熟期大豆根际铵态氮含量有显著抑制作用（P＜0.05）。

图3 生物黑炭与化肥配施对大豆根际硝化细菌数量的影响Fig.3 Effects of biochar plus fertilizer on the rhizospheric nitrifying bacteria contents in soybean

图4 生物黑炭与化肥配施对大豆根际铵态氮含量的影响Fig.4 Effects of biochar plus fertilizer on the rhizospheric ammonium nitrogen contents in soybean

与F相比，低量生物黑炭与化肥配施（1%BF处理）显著促进大豆苗期和花期根际铵态氮含量（P＜0.05），对大豆结荚期根际铵态氮含量无显著性影响，对成熟期大豆根际铵态氮含量存在显著抑制作用；中量生物黑炭与化肥配施（5%BF处理）显著促进大豆苗期、花期和结荚期根际铵态氮数量（P＜0.05），鼓粒期大豆根际铵态氮含量无显著性影响，但显著抑制成熟期大豆根际铵态氮含量（P＜0.05）；高量生物黑炭与化肥配施对苗期大豆根际铵态氮含量无显著性影响，对花期大豆根际铵态氮含量有显著促进作用，对结荚期、鼓粒期和成熟期大豆根际铵态氮含量有显著抑制作用（P＜0.05）。

上述结果说明，生物黑炭与化肥配施对大豆根际铵态氮含量的影响因生育时期不同而不同，从全生育时期平均水平上来看，低量生物黑炭与化肥配施（1%BF处理）、中量生物黑炭与化肥配施（5% BF处理）对大豆根际铵态氮含量有一定促进作用，高量生物黑炭与化肥配施（10%BF处理）对大豆根际铵态氮含量有抑制作用，说明生物黑炭与化肥配施对大豆根际铵态氮含量的影响存在剂量效应，低量生物黑炭添加对大豆根际铵态氮的活化有利，本研究条件下，5%生物黑炭与化肥配施对铵态氮的提升最为有利。

2.5.2 生物黑炭与化肥配施对大豆根际硝态氮含量的影响

图5是生物黑炭与化肥配施对不同生育时期大豆根际硝态氮含量的影响，从图中可以看出，生物黑炭与化肥配施对大豆根际硝态氮含量存在影响，不同生育时期略有不同（见图5）。

与CK相比，低量生物黑炭与化肥配施（1%BF处理）对苗期、结荚期和成熟期大豆根际硝态氮含量无显著性影响，显著促进大豆花期和鼓粒期根际硝态氮含量；中量生物黑炭与化肥配施（5%BF处理）对大豆苗期、花期、结荚期和鼓粒期根际硝态氮含量有显著促进作用（P＜0.05），对成熟期大豆根际硝态氮含量无显著性影响；高量生物黑炭与化肥配施（10%BF处理）对大豆苗期、结荚期根际硝态氮含量无显著性影响，对花期、鼓粒期大豆根际硝态氮含量有显著促进作用，显著抑制成熟期大豆根际硝态氮含量（P＜0.05）。

与F处理相比，低量生物黑炭与化肥配施（1% BF处理）对苗期和成熟期大豆根际硝态氮含量无显著性影响，显著促进大豆花期、结荚期和鼓粒期根际硝态氮含量（P＜0.05）；中量生物黑炭与化肥配施（5%BF处理）对大豆苗期、花期、结荚期和鼓粒期根际硝态氮含量有显著促进作用，对成熟期大豆根际硝态氮含量无显著性影响；高量生物黑炭与化肥配施（10%BF处理）对大豆苗期、结荚期根际硝态氮含量无显著性影响，对花期、鼓粒期大豆根际硝态氮含量有显著促进作用，显著抑制成熟期大豆根际硝态氮含量（P＜0.05）。从全生育时期平均水平上看，生物黑炭与化肥配施对大豆根际硝态氮含量的影响存在一定剂量效应，过低或过高施用生物黑炭对大豆根际硝态氮含量的提升不利，本研究条件下，5%生物黑炭与化肥配施对大豆根际硝态氮含量的提升最为有利（见图5）。

图5 生物黑炭与化肥配施对大豆根际硝态氮含量的影响Fig.5 Effects of biochar plus fertilizer on the rhizospheric nitrate nitrogen contents in soybean

2.6 氮素转化功能菌与速效氮含量之间的相关分析

氮素转化功能菌与速效氮含量之间的相关分析结果表明，土壤硝化细菌数量与硝态氮含量之间呈极显著正相关（r=0.6938**），说明土壤硝化细菌数量增加土壤硝态氮含量呈增加趋势；土壤铵态氮含量与土壤氨化细菌之间呈极显著正相关关系（r=0.7850**），说明土壤氨化细菌数量增加土壤铵态氮含量呈增加趋势（见图6）。

图6 土壤氮素转化功能菌与速效氮含量之间的相关分析(n=90)Fig.6 Correlation analysis between available nitrogen contents and the functional bacteria contents correlated the nitrogen transformation

3 讨论

生物黑炭是有机质高温无氧下生成的富碳产物[20]。生物黑炭施入土壤后不易降解、能有效固碳，减少人为的CO2排放量[21]。生物黑炭添加对土壤的其他有益影响包括增加作物生产力、减少养分流失。生物黑炭的影响具有可变性，不同来源、不同数量的生物黑炭对土壤的影响存在差异[22-23]，其影响机制尚不明确。

生物黑炭具有表面积大、结构疏松等特点，因此对土壤理化性状，特别是土壤pH产生影响。本研究中，生物黑炭与化肥配施显著增加大豆根际pH，其中10%BF处理增加土壤pH最为显著，这与Yuan等结果[24]一致。Zwieten等研究报道指出，施入10 t·hm-2生物黑炭可显著增加土壤pH[14]。其机理在于生物黑炭表面的-COO-和-O-等有机官能团和生物黑炭中的碳酸盐主要存在形态为碱[24]，导致土壤pH升高。

除具有固碳减排的潜力外，生物黑炭是农业友好型产品，影响土壤氮素转化[25]。研究表明，生物黑炭在减少土壤无机氮的淋溶、N2O排放等方面影响氮素转化。但氮素转化过程中关键菌群数量影响研究较少[22,26]。Anderson和Kolton等报道盆栽试验表明生物黑炭土壤添加使养分循环过程的相关细菌组成发生变化[22,26]。本研究结果表明，生物黑炭与化肥配施影响氮素转化过程中的固氮菌、氨化细菌和硝化细菌数量，影响程度与生物黑炭施用量、微生物种类及大豆生育期有关，中量生物黑炭与化肥配施（5%BF处理）显著促进大豆根际固氮菌数量、氨化细菌数量和硝化细菌数量。孟颖等研究表明，生物黑炭显著促进土壤固氮菌数量[17]，这与本研究结果一致。在森林土壤中也有类似结果，硝化细菌数量随着生物黑炭的添加而增加，原因在于生物黑炭成分中酚醛树脂的吸附作用能抑制硝化作用；同时氨氧化细菌也增加，并可能影响土壤氨氧化群落组成[27-28]。但Dempster等以0、5和25 t·hm-1添加量研究生物黑炭与不同形态氮肥配施对微生物菌群的影响时发现，生物黑炭添加抑制微生物菌群的活性，微生物量碳含量显著下降，造成这种差异原因主要在于生物黑炭的制备条件及来源不同[29]。

生物黑炭可以影响土壤微生物生物量、活性及群落组成[5]，但其机制尚不明确。李芳芳等研究表明，生物黑炭添加对土壤微生物活性存在一定浓度效应[30]，向杉木人工林土壤中分别添加不同用量黑碳，以0、1%和5%添加量时发现，除培养1 d之外，土壤微生物量氮和微生物量碳含量呈现5%＞1%＞0的变化。本研究结果表明，不同施用量生物黑炭与化肥配施对土壤微生物及速效氮含量的影响不同，即生物黑炭对土壤与氮素有关的微生物数量的影响具有一定剂量效应，生物黑炭对土壤固氮菌数量、氨化细菌数量均存在5%BF＞1%BF＞10%BF的变化趋势，Anderson和Chen等研究也发现生物黑炭对土壤氮转化相关功能菌群的影响因功能菌类型的不同而出现正效应或负效应[22-23]，这与本研究结果一致。Chen等采用T-RFLP、DGGE和qPCR技术研究生物黑炭对水稻土细菌和真菌的影响，结果表明生物黑炭显著增加细菌丰富度但减少真菌丰富度，改变微生物群落结构[23]。

生物黑炭对土壤氮素含量影响研究结果不一致[17,31-33]。郭伟等研究结果表明，施用生物黑炭提高土壤全氮含量但降低土壤碱解氮含量，即生物黑炭增强对土壤氮固持的同时，也减少土壤可利用氮的含量[31]。Dempster研究认为，施用生物黑炭对土壤微生物量氮的影响不大，但可促进土壤有机氮的矿化[32]。Ding等通过实验室试验研究发现，以竹子为原料生产的生物炭，施入砂质粉土后能影响土壤的氮贮存[33]。孟颖等研究结果表明，短期生物黑炭的施入对铵态氮含量无显著性影响，但显著增加土壤全氮和硝态氮含量，且增加程度随生物黑炭施入量的增加而增加[17]。本研究结果表明，不同比例生物黑炭与化肥配施对大豆根际铵态氮和硝态氮的影响存在剂量效应，5%BF处理对土壤速效氮含量提升更为有利；生物黑炭与化肥配施对土壤速效氮含量的影响因大豆生育时期不同存在差异：对大豆花期根际铵态氮和硝态氮含量均有显著促进作用，对其余时期大豆根际铵态氮含量和硝态氮含量影响较为复杂，说明生物黑炭与化肥配施可提高大豆旺盛生长时期土壤速效氮含量。

4 结论

a.生物黑炭与化肥配施显著增加大豆根际pH，10%BF处理根际pH最高。

b.生物黑炭与化肥配施对土壤氮素转化功能菌数量影响存在剂量效应，5%BF生物黑炭与化肥配施对大豆根际固氮菌、氨化细菌和硝化细菌数量的提升最为有利。

c.生物黑炭与化肥配施对大豆根际速效氮含量的影响因大豆生育时期不同存在差异，显著促进大豆花期根际铵态氮和硝态氮含量。

[1]Hua L,Wu W X,Liu Y X,et al.Reduction of nitrogen loss and Cu and Zn mobility during sludge composting with bamboo charcoal amendment[J].Environmental Science and Pollution Research, 2009,16:1-9.

[2]潘根兴,张阿凤,邹建文,等.农业废弃物生物黑炭转化还田作为低碳农业途径的探讨[J].生态与农村环境学报,2010,26(4): 394-400.

[3]陈温福,张伟明,孟军,等.生物炭应用技术研究[J].中国工程科学,2011,13(2):83-89.

[4]Luo Y,Durenkamp M,Nobili M De L,et al.Microbial biomass growth,following incorporation of biochars produced at 350℃or 700℃,in a silty-clay loam soil of high and low pH[J].Soil Biology&Biochemistry,2013,57:513-523

[5]Lehman J,Rillig M C,Thies J,et al.Biochar effects on soil biota-a review[J].Soil Biology and Biochemistry,2011,43:1912-1836.

[6]Zimmerman A R.Abiotic and microbial oxidation of laboratoryproduced black carbon(biochar)[J].Environmental Science and Technology,2010,44(4):1295-1301.

[7]Herath H M S K,Marta C A,Mike H.Effect of biochar on soil physical properties in two contrasting soils:An Alfisol and an Andisol[J].Geoderma,2013,209-210:188-197.

[8]Biederman L A,Harpole S.Biochar and its effects on plant productivity and nutrient cycling:a meta-analysis[J].GCB Bioenergy, 2013,5:202-214.

[9]刘志华,李晓梅,盖兆雪,等.生物黑炭对马铃薯块茎形成期根际物理性状及速效养分的影响[J].中国马铃薯,2014(3):1-14.

[10]Topoliantz S,Ponge J F,Arrouays D,et al.Effect of organic manure and endogeic earthworm Pontoscolex corethrurus(Oligochaeta:Glossoscolecidae)on soil fertility and bean production[J]. Biol.Fertil.Soils,2002,36:313-319.

[11]Zhao X,Wang S Q,Xing G X.Nitrification,acidification,and nitrogen leaching from subtropical cropland soils as affected by rice straw-based biochar:Laboratory incubation and column leaching studies[J].J Soils Sediments,2014,14:471-482.

[12]Wang P,Zhou J,Zhang J,et al.Soil-water interfacial adsorption of phenanthrene along a Chinese climatic gradient of soils with and without the addition of black carbon[J].Science of the Total Environment,2013,444:543-551.

[13]任少勇,王姣,黄美华,等.炭基肥对马铃薯品质和产量的影响[J].中国农学通报,2014,30(6):233-237.

[14]Zwieten L V,Kimber S,Morris S,et al.Effects of biochar from slow paralysis of peppermill waste on agronomic performance and soil fertility[J].Plant and Soil,2010,327:235-246.

[15]赵宏伟,沙汉景.我国稻田氮肥利用率的研究进展[J].东北农业大学学报,2014,45(2):116-122.

[16]蔡延江,王小丹,丁维新,等.冻融对土壤氮素转化和N2O排放的影响研究进展[J].土壤学报,2013,50(5):1032-1042.

[17]孟颖,王宏燕,于崧,等.生物黑炭对玉米苗期根际土壤氮素形态及相关微生物的影响[J].中国生态农业学报,2014,22(3): 270-276.

[18]林先贵.土壤微生物研究原理与方法[M].北京:高等教育出版社,2010.

[19]鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京:中国农业科技出版社,2000.

[20]Iederman L B,Haprole W S.Biochar and its effects on plant productivity and nutrient cycling:A meta-analysis[J].GCB Bioenergy,2013(5):202-214.

[21]孙彦坤,杨帆,张立友,等.温度、氮输入对洪河湿地CO2通量的影响[J].东北农业大学学报,2013,44(2):71-76.

[22]Anderson C R,Condron L M,Clough T J,et al.Biochar induced soil microbial community change:Implications for biogeochemical cycling of carbon,nitrogen and phosphorus[J].Pedobiologia, 2011,54(5-6):309-320.

[23]Chen J H,Liu X Y,Zheng J W,et al.Biochar soil amendment increased bacterial but decreased fungal gene abundance with shifts in community structure in a slightly acid rice paddy from Southwest China[J].Applied Soil Ecology,2013,71:33-44.

[24]Yuan J H,Xu R K,Zhang H.The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures[J].Bioresource Technology,2011,102:3488-3497.

[25]Clough T J,Condron L M,Kammann C,et al.A Review of biochar and soil nitrogen dynamics[J].Agronomy,2013(3):275-293.

[26]Kolton M,Harel M Y,Pasternak Z,et al.Impact of biochar application to soil on the root-associated bacterial community structure of fully developed greenhouse pepper plants[J].Appl Environ Microbiol,2011,77:4924-4930.

[27]DeLuca T H,MacKenzie M D,Gundale M J,et al.Wildfire-produced charcoal directly influences nitrogen cycling in ponderosapine forests[J].Soil Science Society of America Journal,2006,70: 448-453.

[28]Ball P N,MacKenzie M D,DeLuca T H,et al.Wildfire and charcoal enhance nitrification and ammonium-oxidizing bacteria abundance in dry montane forest soils[J].Journal of Environmental Quality,2010,39:1243-1253.

[29]Dempster D N,Jones D L,Murphy D V.Organic nitrogen mineralisation in two contrasting agro-ecosystems is unchanged by biochar addition[J].Soil Biology&Biochemistry,2012,48:47-50.

[30]李芳芳,高人,尹云锋,等.黑碳添加对杉木人工林土壤微生物量碳氮的影响[J].亚热带资源与环境学报,2011,6(4):49-54.

[31]郭伟,陈红霞,张庆忠,等.华北高产农田施用生物炭对耕层土壤总氮和碱解氮含量的影响[J].生态环境学报,2011,20(3):425-428.

[32]Dempster D N,Gleeson D B,Solaiman Z M,et al.Decreased soil microbial biomass and nitrogen mineralisation with Eucalyptus biochar addition to a coarse textured soil[J].Plant and Soil,2011, 354(1-2):311-324.

[33]Ding Y,Liu Y X,Wu W X,et a1.Evaluation of biochar effects on nitrogen retention and leaching in multi-layered soil columns[J]. Water,Air and Soil Pollution,2010,213:47-55.

Effect of biochar plus fertilizer on the rhizospheric functional bacteria related to the nitrogen transformation in soybean

LIU Zhihua1,2,LI Xiaomei1, JIANG Zhenfeng3,ZHANG Shaoliang1,WANG Jiayi1,LIU Hang1,WANG Hongyan1(1.School of Resources and Environmental Sciences,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China; 2.State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture,Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China;3.School of Agriculture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Biochar made by maize straw at 450℃insulated from oxygen was set as materials. Five experimental treatments were as follows:Control with no fertilizer and biochar application,fertilizer treatment(N 100 mg·kg-1,P 100 mg·kg-1,K 150 mg·kg-1with no biochar application),fertilizer with few biochar(N 100 mg·kg-1,P 100 mg·kg-1,K 150 mg·kg-1with 1%biochar),fertilizer with moderate biochar(N 100 mg·kg-1,P 100 mg·kg-1,K 150 mg·kg-1with 5%biochar)and fertilizer with mass biochar(N 100 mg·kg-1,P 100 mg·kg-1,K 150 mg·kg-1with 10%biochar).The present study was proceeded to analyze the amounts of the functional bacteria,pH and available nitrogen related to nitrogen transformation of rhizosphere in soybean.The results showed that pH of rhizosphere increased significantly,and dosage effect was observed in amount of azotobacteria,ammonification bacteria and nitrobacteria when fertilizer plus biochar was applied.Moreover,5%biochar application was favorable to increase the amount of bacteria related to nitrogen transformation in soybean rhizosphere.The results above can offer the evidence to reveal the microbial mechanism of biochar effect on the nutritive substance in soybean rhizosphere.

biochar;soybean;dose effect;bacteria

S513

A

1005-9369（2014）08-0011-09

2014-02-06

国家自然基金（41301316）；黑龙江省博士后科研启动金（LBH-Q13028）；土壤与农业可持续发展重点实验室开放基金（Y412 201418）

刘志华（1979-），女，讲师，博士，研究方向为土壤生态与秸秆资源利用。E-mail:zhihua79@126.com

*通讯作者：王宏燕，教授，博士生导师，研究方向为农业生态。E-mail:why220@126.com

时间2014-7-18 15:03:54[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140718.1503.012.html

刘志华,李晓梅,姜振峰,等.生物黑炭与化肥配施对大豆根际氮素转化相关功能菌的影响[J].东北农业大学学报,2014,45(8): 11-19.

Liu Zhihua,Li Xiaomei,Jiang Zhenfeng,et al.Effect of biochar plus fertilizer on the rhizospheric functional bacteria related to the nitrogen transformation in soybean[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(8):11-19.(in Chinese with English abstract)