生物炭对新疆沙土微生物区系及土壤酶活性的影响

顾美英，葛春辉，马海刚，唐光木，张志东，徐万里

(1.新疆农业科学院微生物应用研究所 新疆特殊环境微生物实验室 绿洲养分与水土资源高效利用重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830091；2.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所， 新疆 乌鲁木齐 830091)



生物炭对新疆沙土微生物区系及土壤酶活性的影响

顾美英1，葛春辉2，马海刚2，唐光木2，张志东1，徐万里2

(1.新疆农业科学院微生物应用研究所 新疆特殊环境微生物实验室 绿洲养分与水土资源高效利用重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830091；2.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所， 新疆 乌鲁木齐 830091)

为评估生物炭在新疆改良沙土的潜力，在新疆和田设生物炭施用量为0(CK)、22 500、67 500、112 500 kg·hm-2和225 000 kg·hm-25个处理的微区试验，轮作方式为绿豆-冬小麦。通过对试验结束后小区土壤可培养微生物和生理菌群计数、土壤酶活性测定，研究不同用量生物炭对沙土土壤微生物区系及土壤酶活性影响。结果表明：施用生物炭对沙土土壤养分含量、微生物区系和土壤酶产生显著影响。22 500～67 500 kg·hm-2生物炭施用量能显著提高沙土土壤有机碳、速效磷和速效钾含量。生物炭影响沙土中可培养细菌、真菌及放线菌数量，在生物炭施用量为67 500 kg·hm-2下细菌数量最高，比CK增加了63.83%；施用量为22 500 kg·hm-2放线菌数量最高，增加了250.00%；施用量为67 500 kg·hm-2真菌数量最少，降低了71.43%。生物炭影响沙土中纤维素分解菌和自生固氮菌数量，随着施用量增加，其数量呈先增加后降低趋势，其中施用量为112 500 kg·hm-2纤维素分解菌和自生固氮菌数量最多，分别比CK增加了211.11%和1 057.89%。土壤中添加67 500～112 500 kg·hm-2的生物炭土壤中蔗糖酶、过氧化氢酶和蛋白酶活性最高。相关分析表明，不同生物炭施用量条件下，土壤养分与细菌、亚硝化细菌、反硝化细菌、土壤酶(磷酸酶除外)关系密切。因此，适量施用生物炭能提高沙土土壤养分、增加微生物菌群数量和土壤酶活性，在本试验点最适生物炭用量为67 500 kg·hm-2。

生物炭；微生物区系；土壤酶；沙土

我国农业粮食产量已达9亿吨，作物生产的经济系数决定了有同样规模的秸秆资源总量。随着工业化和城镇化的快速发展，农村劳动力不断减少，导致农田秸秆多被废弃。据调查统计，当前中国秸秆露天焚烧约占40%，达到每年3亿多吨，这不仅造成了资源的浪费，还带来了严重的环境污染[1]。因此农业秸秆的合理利用已成为农业资源合理利用与环境保护亟待解决的重大问题。

生物炭是秸秆、稻壳、竹木和动物粪便等有机废弃物料在限氧或绝氧条件下，通过300℃～500℃高温裂解形成的一种理化性质稳定、富含高度羧酸酯化和芳香化结构的固体产物[2]。近些年来，由于生物炭生产原料来源广，施入土壤改良效果显著而被人们所关注。秸秆炭化后具有较大的孔隙度和比表面积，有较强的离子交换性能，且富含化学反应性官能团，能够改善土壤理化性质，提高肥料利用效率，进而增加作物产量[3-6]。

土壤微生物作为土壤中活的生物体，对环境变化敏感，能够较早地指示出生态系统功能的变化[7]。生物炭由于自身特性(材料来源、热解温度和时间等)、不同施用量、土壤质地肥力、不同作物等因素的差异导致对土壤微生物的影响差异较大[8]，其中不同生物炭的添加量对土壤微生物有一定的影响。陈心想等[9]研究表明，随着废弃果树枝干条制成的生物炭施用量增加，土壤三大类微生物的数量、土壤脲酶和过氧化氢酶活性显著增加。谷思玉等[10]研究表明玉米秸秆生物炭处理提高了成熟期大豆根际土壤中细菌和放线菌数量，真菌数量减少；且促进了土壤中蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶的活性，尤其生物炭用量在900～1 200 kg·hm-2时，酶的活性最高。添加不同量木炭(0、5 000、25 000 kg·hm-2，600℃)的室内培养试验表明[11]，高用量生物炭处理较对照显著降低了微生物量碳。因此，适量的生物炭可增加土壤酶活性，进而提高土壤肥力和肥料利用率。

沙土是典型的干旱荒漠地带土壤，是新疆主要农业耕作土壤之一。由于土壤颗粒粗大、土质松散、水肥易流失，潜在养分含量低，因此这类土壤宜多施有机肥、秸秆还田或绿肥，逐步改善土壤性状[12]。目前，国内外已有关于生物炭对风沙土微域土壤环境影响的研究[13-16]，但尚无生物炭对新疆南疆沙土中土壤微生物的影响研究报道。

本文以小麦秸秆生物炭为材料，初步研究了施用不同量生物炭对新疆和田地区沙土土壤养分、微生物数量及土壤酶活性的影响。旨在确定适合沙土土壤改良的最佳生物炭施用量，为深入研究生物炭对风沙土土壤微生态环境、土壤质量提升和维持其可持续生产力提供理论依据。

1　材料与方法

1.1供试土壤与施肥处理

试验于2011—2012年在和田地区农科所试验田中进行。土壤类型为风沙土，砂粒、粉粒和粘粒含量分别为39.06%、54.00%和6.94%。土壤基本理化性质：pH 8.28，有机质13.49 g·kg-1，全氮0.76 g·kg-1，速效氮58.24 g·kg-1，速效磷8.28 mg·kg-1，速效钾134.00 mg·kg-1。生物炭为河南三利新能源有限公司提供的小麦秸秆炭，特性如下：有机碳670 g·kg-1、速效磷82.2 mg·kg-1、速效钾1 590 mg·kg-1、pH 9.9；热解温度350℃～550℃，裂解时间4～8 h。将生物炭磨碎并通过2 mm筛，使其混合均匀后施入大田。

按耕层土重150 000 kg·667m-2计算加入生物炭的量，试验共设5个处理：0 kg·hm-2生物炭(CK)；22500 kg·hm-2生物炭(T1)；67 500 kg·hm-2生物炭(T2)；112 500 kg·hm-2生物炭(T3)；225 000 kg·hm-2生物炭(T4)。5个处理化肥施用量相同。每个微区面积2.0 m2，不设重复，种植模式为绿豆-冬小麦轮作。

1.2土样的采集及测定方法

1.2.1土样的采集于2012年8月绿豆收获期采集以上5个土壤样品。将每个微区分成3块区域，每块区域采用5点法采集耕层0～20 cm土壤样品，混合均匀后分成两份，一份鲜样于4℃保存，用于测定微生物和细菌生理类群数量。另一份风干过筛后用于测定土壤养分含量和土壤酶。

1.2.2土壤pH值和养分测定待采集的土壤样品自然风干后过2 mm筛，按照常规方法[17]进行土壤pH值和养分的测定。pH值测定采用电位法，有机碳测定采用重铬酸钾容量法，全氮测定采用半微量开氏法，速效氮测定采用碱解扩散法，速效磷测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，速效钾测定采用醋酸铵浸提-火焰光度法。

1.2.3土壤微生物数量测定细菌、放线菌和真菌采用稀释平板涂抹培养计数法分析[18]。细菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，放线菌采用改良高氏一号培养基(每300 mL培养基中加30 g·kg-1重铬酸钾1 mL)，真菌采用PDA培养基(每100 mL培养基加10 g·kg-1链霉素溶液0.3 mL)。微生物生理菌群数量均采用最大或然数法(MPN法)计数[18]。好氧性自生固氮菌采用阿须贝无氮培养基，纤维素分解菌采用赫奇逊氏培养基，氨化细菌用蛋白胨氨化培养基，亚硝化细菌用铵盐培养基，反硝化细菌采用柠檬酸钠培养基。

1.2.4土壤酶活性测定参照关松荫的方法[19]：磷酸酶采用磷酸苯二钠法；蔗糖酶采用3、5-二硝基水杨酸比色法；脲酶采用苯酚-次氯酸钠比色法；过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法；蛋白酶采用茚三酮比色法。

1.2.5数据处理及统计分析数据采用DPS v9.50版软件进行方差分析和相关性分析等。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)、最小显著差数法(LSD)进行多重比较差异显著性检验(P<0.05)。

2　结果与分析

2.1生物炭对沙质土壤养分含量的影响

从表1可以看出，不同生物炭施用量对沙土土壤养分含量有一定的影响。施用生物炭能显著提高沙土土壤有机碳、速效磷(在一定施用量范围内)和速效钾含量。沙土土壤的pH值随着生物炭施用量的增加而升高，但差异不显著；其中T4处理pH值最高，为8.42。随着生物炭施用量的增加，土壤有机碳和速效钾含量逐渐增加，与不施生物炭的处理相比差异显著，增幅分别为8.15%～208.75%和19.49%～55.93%；速效磷含量T1处理最大，与不施生物炭的处理相比增加了7.68%，之后随着施用量的增加而降低，T4处理降低了10.52%。全氮含量T1处理最大，但与不施生物炭的处理相比差异不显著，之后随着施用量的增加而降低，T4处理降低了88.10%。速效氮含量与对照相比差异显著，不施生物炭的土壤最高，施生物炭后呈先增加后降低趋势，在施用量为T3处理时达到最大值63.58 mg·kg-1。可见土壤施用生物炭量在22 500～67 500 kg·hm-2范围内，对改善沙土土壤环境，提高土壤的养分含量作用较大。

表1　不同施炭量下沙土养分含量变化

注：同列不同小写字母为5%显著水平。下同。

Note： Different small letters in same column represented significant differences atP<0.05. The same below.

2.2生物炭对沙质土壤微生物数量的影响

从图1可以看出不同生物炭施用量对土壤三大类群微生物数量有一定的影响。与不施生物炭的处理相比，施用生物炭增加了土壤中细菌和放线菌数量。土壤细菌数量随着生物炭施入量的增加呈现先上升后下降的趋势，T2处理细菌数量最高，达到7.70×106cfu·g-1，比CK增加了63.83%。土壤放线菌数量随着生物炭施入量的增加呈逐渐降低的趋势，T1处理放线菌数量最高，达到4.90×105cfu·g-1，比CK提升了250.00%。土壤真菌数量随生物炭施用量的增加呈先下降后上升的趋势，T2处理真菌数量最少，显著低于对照，为2.00×103cfu·g-1，降低了71.43%；T4处理真菌数量最多，为10.00×103cfu·g-1，比CK提高了42.86%。

图1生物炭处理对沙土土壤微生物数量的影响

Fig.1Effects of biochar on populations of microorganisms in sandy soils

从图2可以看出，不同生物炭施用量对沙土中不同微生物生理类群数量有不同影响。其中纤维素分解菌与自生固氮菌数量的变化规律相似，在一定施用量范围内高于不施生物炭的处理，随着生物炭施用量的增加，这两类生理菌群数量呈现先增加后降低的趋势，其中T3处理这两类生理菌群数量最多， 分别比CK增加了211.11%和1 057.89%。 随着生物炭施用量的增加， 氨化细菌、亚硝化细菌和反硝化细菌数量均呈先上升后下降再上升的波浪式起伏趋势， 其中T4处理这3类菌群数量最高， 分别比不施生物炭的处理高837.50%、900.00%和1 900.00%。

图2生物炭对沙土土壤生理菌群数量的影响

Fig.2Effects of biochar on bacterial physiological gropes in sandy soils

2.3生物炭对沙质土壤酶活性的影响

不同生物炭施用量对沙土土壤酶活性也有一定的影响(表2)。施用生物炭明显增加了蔗糖酶活性，且随着施用量的增加呈先上升后下降趋势，T3处理蔗糖酶活性最大，比对照显著增加了80.04%；蛋白酶活性除T2处理低于不施生物炭的对照外，其余均显著高于对照，且呈先下降再上升的趋势，T4处理比对照增加了15.12%；过氧化氢酶活性随生物炭施用量的增加，呈先上升后下降趋势，但仅T2处理过氧化氢酶活性比对照增加了4.76%，其余均低于对照；脲酶活性与对照差异不显著；磷酸酶活性呈下降-上升-下降趋势，且与对照差异不显著。因此土壤中添加生物炭能促进土壤中蔗糖酶、过氧化氢酶和蛋白酶的活性，尤其以添加67 500～112 500 kg·hm-2的生物炭酶活性最高。因此适量的生物炭可增加土壤酶活性，进而提高土壤肥力和肥料利用率。

2.4土壤养分与土壤微生物及酶活性的相关性

表3表明，向沙土中加入生物炭后土壤养分与土壤微生物及土壤酶活性间仍存在一定的相关性。其中，pH值与细菌、氨化细菌、过氧化氢酶、脲酶、蛋白酶和过氧化氢酶呈显著负相关；有机质与亚硝化细菌呈极显著正相关，与脲酶呈显著负相关；全氮与蔗糖酶呈显著负相关；速效氮与细菌、放线菌呈显著负相关；速效磷与脲酶呈极显著正相关，与细菌、反硝化细菌、过氧化氢酶呈显著正相关，与亚硝化细菌呈显著负相关；速效钾与亚硝化细菌、反硝化细菌呈显著正相关。由此可以看出不同生物炭施用量条件下，土壤养分对细菌、亚硝化细菌、反硝化细菌、土壤酶(磷酸酶除外)的影响明显。

表2　生物炭对沙土土壤酶活性的影响

表3　土壤微生物、酶活性与养分相关性分析

注：**代表相关性达到极显著性水平，P<0.01；*代表相关性达到显著性水平，P<0.05。

Note：** significant atP<0.01；* significant atP<0.05.

3　结论与讨论

生物炭可以通过对营养物质的吸附改善土壤环境[20]；改变土壤中生物群落的组成和丰度[21]，影响营养物质的循环以及土壤结构，进而间接影响作物产量[22]。

生物炭可以提高土壤养分含量。一方面生物炭的组成元素主要为碳、氢、氧、氮等，此外P、K、Na、Ca、Mg等离子的含量也较高[23]，这些营养成分进入土壤后可提高土壤中养分的含量；同时由于生物炭较小的密度，较大的比表面积及含有大量的含氧官能团等，加入土壤中可以减少土壤的容重、增加土壤的pH值、孔隙度和田间持水量，这些特性与生物炭改善土壤理化性质有一定的联系，可提高对养分的吸附能力和生物有效性[24-25]。本研究表明生物炭的施用提高了沙土土壤pH值，且随着施用量的增加，pH值逐渐升高。Tammeorg等[26]研究表明，生物炭明显增加了沙土中碳和钾的含量，但没有提高产量和氮含量。本研究显示随着生物炭施用量的增加，土壤有机碳和速效钾含量逐渐增加，但全氮和速效磷含量则呈现先增加后下降的趋势。

土壤中的特殊功能菌如根瘤菌、硝化细菌等对生物炭的施加更敏感。韩光明的研究表明，添加生物炭处理菠菜根际氨化细菌、好氧自生固氮菌和反硝化细菌数量得到显著提高，但不同生物炭用量，其数量有所差异，这说明适量的生物质炭对促进氮代谢微生物的活性，提高根部的生物固氮能力，降低土壤中亚硝酸盐的含量可能具有一定作用[29]。本研究表明生物炭的施用总体上改变了土壤中不同生理菌群的数量，但作用效果随着施用量的增加纤维素分解菌和自生固氮菌数量呈先升后降的趋势，其余没有明显的规律性。

综上所述，生物炭可以有效改善沙土土壤微生态环境，使其向有利于植株生长的方向转化。当土壤中生物炭用量在67 500 kg·hm-2时，对土壤中养分含量、微生物数量和土壤酶活性有较好的促进作用。但由于生物炭偏碱性，在酸性土壤上有较好的改良效果，但新疆的土壤多为碱性土壤，已有研究表明，即使在干旱区碱性土壤上，生物炭在短期也有显著效果[16,32]。同时生物炭对土壤微生态的影响还与原材料、加工工艺、施用量以及土壤性质等有关，沙土土壤微生物区系和土壤酶对生物炭的响应机制还有待进一步研究。

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Effects of biochar application amount on microbial flora and soil enzyme activities in sandy soil of Xinjiang

GU Mei-ying1, GE Chun-hui2, MA Hai-gang2, TANG Guang-mu2, ZHANG Zhi-dong1, XU Wan-li2

(1.InstituteofMicrobiology,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences/XinjiangLaboratoryofSpecialEnvironmentalMicrobiologyKeyLaboratoryofNutrientandWaterResourcesEfficientUtilizationofOasis,Urumqi,Xinjiang830091China;2.InstituteofSoilandFertilizerandAgriculturalSparingWater,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi,Xinjiang830091,China)

In order to assess the potential of biochar application to sandy soil, a two-year bean-wheat rotation plot field experiment was conducted in Hetian, Xinjiang Province. Through analyzing the amount of soil culturable microorganisms, the number of bacterial physiological groups and soil enzyme activities, and the influence of difference biochar application amount on sandy soil microbial flora and soil enzyme were studied. The experiment was designed to have five treatments in biochar application rates, including 0 kg·hm-2(CK), 22 500 kg·hm-2, 67 500 kg·hm-2, 112 500 kg·hm-2and 225 000 kg·hm-2of biochar application. Results showed that application of 22 500～67 500 kg·hm-2biochar could significantly improve content of OM, available P, and available K. In addition, the number of bacteria and actinomycetes by applications of different amounts of biochar soils were increased first and then became decreased. The number of bacteria with application of 67 500 kg·hm-2biochar was increased by 63.83%. The number of actinomycetes with application of 22 500 kg·hm-2biochar was increased by 250.00%. The number of fungi was decreased first and then increased. The number of fungi with application of 67 500 kg·hm-2biochar was decreased by 71.43%. Furthermore, the numbers of cytophaga and azotobacter with applications of different amounts of biochar soils were increased first and then decreased. The number of bacteria with application of 112500 kg·hm-2biochar was increased by 211.11% and 1 057.89%, respectively. Also, invertase, catalase and protease activities with applications of 67 500～112 500 kg·hm-2biochar were the highest. Correlation analysis also showed that soil nutrition and bacteria, nitrifying bacteria, denitrifying bacteria, soil enzyme activities (except for phosphatase) were related closely. The results showed that biochar at 67 500 kg·hm-2caused the greatest effects in increasing soil nutrient contents, improving the number of microbial community and enhancing soil enzyme activities supply in sandy soil.

biochar; microbial flora; soil enzyme; sandy soil

1000-7601(2016)04-0225-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.04.34

2015-07-10

国家自然科学基金(31460148, 41161055, 41261059)；新疆维吾尔自治区科技支撑计划项目(201431108)；自治区公益性科研院所基本科研业务经费(ky2012059)

顾美英(1974—)，女，江苏无锡人，副研究员，主要从事土壤微生物生态方面的研究。E-mail：gmyxj2008@163.com。

徐万里(1971—)，男，陕西宝鸡人，研究员，主要从事农业废弃物资源化利用方面的研究。E-mail：wlxu2005@163.com。

X172；S182

A