生物质炭对荠菜生长过程中根区土壤特性和微生物特性的影响

2017-10-27许泽宏程晓丹周明罗

江苏农业科学 2017年16期

许泽宏　程晓丹　周明罗

摘要：利用控制性的大田试验栽培技术，研究不同浓度生物质炭[对照（CK，0）、低生物质炭（LB，10 t/hm2）、中生物质炭（MB，20 t/hm2）、高生物质炭（HB，30 t/hm2）]对荠菜生长过程中根区土壤特性和微生物特性的影响。结果表明：荠菜根区土壤pH值、容重和全盐含量随生物质炭浓度的增加呈逐渐降低趋势，不同浓度生物质炭处理下的荠菜根区土壤pH值、容重和全盐含量均显著低于对照（P<005）。荠菜根区土壤养分和植株养分含量均随生物质炭浓度的增加呈先增加后降低的趋势，MB浓度处理下，荠菜根区土壤养分和植株养分含量达到最大，不同浓度生物质炭处理下的荠菜土壤养分和植株养分含量均显著高于对照（P<005）。荠菜根区土壤微生物数量以细菌最多（占微生物总数的90%以上），其次是放线菌，真菌最少，荠菜根区土壤细菌数量和放线菌数量随生物质炭浓度的增加呈先增加后降低的趋势，MB浓度处理下，荠菜根區土壤细菌数量和放线菌数量最大且显著高于对照，而生物质炭却显著降低了荠菜根区土壤真菌数量，但总的来说，生物质炭显著增加了荠菜根区土壤微生物总数。荠菜根区土壤酶活性和微生物量均随生物质炭浓度的增加呈先增加后降低趋势，MB浓度处理下，荠菜根区土壤养分和植株养分含量达到最大，不同浓度生物质炭处理下的荠菜土壤酶活性和微生物量均显著高于对照（P<005）。以上研究结果表明，生物质炭的施用促进了荠菜根区土壤养分、微生物特性和酶活性的累积作用和改良土壤肥力作用，以中水平生物质炭（MB）处理下效果最好，而高水平生物质炭（HB）可能会有一定的抑制作用，这还与土壤类型、土壤肥力、植物种类和生态环境等密切相关。

关键词：生物质炭；荠菜；土壤；微生物；特性；根区；pH值；容重；全盐；植株养分；培肥；土壤改良

中图分类号： S156；S158文献标志码：

文章编号：1002-1302（2017）16-0104-06

收稿日期：2016-04-20

基金项目：四川省宜宾市重点科技计划（编号：2014SF044）。

作者简介：许泽宏（1966—），男，四川泸州人，副教授，研究方向为环境生物学。E-mail：xuzhe_hong@163com。

植物的生长与土壤有着密切的相关性，土壤微生物和养分对有机物质的分解转化在植物生长过程中起主导作用，同时也影响着植物体内的能量流动和物质循环，土壤酶活性能参与多种反应（如矿化-同化、氧化-还原等），是植物生长过程中养分吸收的主要驱动力[1-3]；在现代农业生产中，为了提高植物对土壤养分的可利用性，往往认为添加特定的对于土壤生态系统具有良好作用的物质或者肥料，其中生物质炭作为一种绿色肥料，在现代农业生产中得到了广泛的应用[4-5]。生物质炭是由植物生物质在缺氧条件下经热裂解、炭化而形成的一类高度芳香化、难溶性的固态物质。在农业生产中，我国每年产生7亿多t生物秸秆，其中约23%被焚烧，不仅带来了严重的环境污染，同时也造成了资源的极大浪费。农业秸秆的合理利用成为协调农业资源、环境以及可持续发展的重大问题。大量研究表明，施用生物质炭可提高土壤持水容量、养分吸持容量、阳离子交换量（CEC）和土壤微生物活性，促进土壤稳定性团聚体形成，提高土壤养分含量等[8]。因此，生物质炭可作为改良和培肥土壤、提高农作物的生产效率、促进农作物增产的农业可持续发展有效措施，将农业生物质废弃物低温热裂解制成生物质炭用于农业生产受到了广泛的关注[9-10]。目前在农业上进行生物质炭对土壤肥力影响的研究较多，我国学者着重研究了生物质炭对于农业生产的作用，但多数研究都集中在生物质炭的理化特性和环境功能等方面，对于典型的土壤上施用生物质炭对植物生长过程中根区土壤养分和微生物特性的影响尚不多见。因此，本研究以典型土壤为基质，采用室内大田试验，对施用生物质炭后荠菜植株生长状况、根区土壤性质、植株体内养分含量及根区土壤养分和微生物特性等进行研究，以期为生物质炭在农业推广上的应用、提高土壤生产力、促进我国农业的可持续发展提供重要的科学依据和理论基础。

1材料与方法

11试验设计

试验于2016年在宜宾学院资源与环境工程学院的日光温室内进行，供试土壤为四川省典型土壤，供试荠菜品种为印度荠菜，荠菜品种和生物质炭均购于四川省农业科学院，种子安全贮存半年度过休眠期，挑选籽粒饱满、无病虫害、大小均匀、色泽一致的种子，80%乙醇消毒20～30 min，蒸馏水反复冲洗 4 ℃ 保存以备用。供试生物质炭的基本特性见表1。

12研究方法

设置3个处理，即生物质炭当季施用量分别为CK（对照，0）、 LB（低浓度生物质炭，5 t/hm2）、MB（中浓度生物质炭，

10 t/hm2）、HB（高浓度生物质炭，20 t/hm2），每个处理设置5次重复，共20个小区，采用裂区试验设计，每个小区面积 2 m×3 m=6 m2，小区与小区之间留20 cm缓冲带，株行距均为 10 cm，播种深度2～5 cm，播种量20～30 kg/hm2，在荠菜种子播种前施入生物质炭，翻耕使生物质炭与土壤充分混合。除生物质炭用量不同外，各处理氮肥（NH3HCO3）、磷肥（P2O5）、钾肥（K2O）作基肥，用量分别为0217、0108、0036 kg/m2，以满足荠菜正常生长发育所需。2015年4月20日种植，试验期间采取同样的管理措施（大田管理措施），分别在播种后、苗期、初花期灌水3次，自然条件生长，试验期间不追肥，定期除草，最大程度上保证其长势一致，10月20日收获。

13采样方法

根区土采用Riley和Barber的抖落法，挖取每个小区具有完整根系的土体（根系主要分布的范围），先轻轻抖落大块不含根系的土壤，小刀刮下附在根系周围的土壤（非根区土），然后用刷子刷下黏附在根围的土壤（距离根围0～5 mm）作为根区土，尽量减少损害植物根系，对于混杂于根区土中的根系要彻底去除，混合每种植物采集的根区土，将新鲜土样分为3份，第1份迅速置于聚乙烯速封袋中以测定土壤含水量，第2份带回实验室风干后（过1 mm筛）用于土壤酶活性及理化性质的测定，第3份4 ℃冰箱保存，用于土壤微生物量及微生物数量的测定，并在同一区域用环刀测定土壤容重[11]。

14测定方法

（1）土壤理化性质及养分含量的测定。pH值，电极电位法（1 ∶25土水体积比）；全盐含量（%），电导法；土壤有机碳含量（g/kg），重铬酸钾氧化-外加热法；土壤全氮含量（g/kg），全自动凯氏定氮法；土壤全磷含量（g/kg），NaOH熔融-钼锑抗比色法；全钾含量（g/kg），火焰分光光度法[11]。（2）土壤微生物数量的测定。[JP+1]采用平板梯度稀释法，其中细菌培养基为牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，真菌培养基为马丁氏培养基，放线菌培养基为高氏一号琼脂培养基[11]。（3）土壤微生物量碳、氮含量。采用三氯甲烷熏蒸-K2SO4浸提法，其中三氯甲烷熏蒸杀死的微生物体中的碳、氮被浸提出来的比例分别为038、045[11]。（4）根区土壤酶活的测定。采用分光光度计进行比色法，测定酶的种类为纤维素酶（1 g土样 30 min 内分解产生1 mg葡萄糖所需的酶量）、转化酶（1 g土樣1 d内分解产生1 mg葡萄糖所需的酶量）、硝酸还原酶（1 g土样1min内分解产生1 μg NO2-所需的酶量）、脲酶（1 g土样1 d内分解产生1mg氨基氮所需的酶量）和酸性磷酸酶（1 g 土样1 d内分解产生1 mg P2O5所需的酶量）[11]。

Excel 2013、SPSS 21软件包进行数据统计和方差分析，单因素方差分析（One-way ANOVA），LSD法比较各处理间差异显著性（α水平为005、001）。

2结果与分析

21生物质炭对荠菜根区土壤理化性质的影响

由图1可知，生物质炭对荠菜根区土壤理化性质具有明显的影响。荠菜根区土壤含水量在952%～1512%之间变化，基本表现为HB>MB>LB>CK，其中MB与HB、LB差异不显著（P>005），生物质炭处理下荠菜根区土壤含水量显著高于对照1954%、4863%、5882%（P<005）；荠菜根区土壤容重在094～123 g/cm3之间，基本表现为HB005），生物质炭处理下荠菜根区土壤容重显著低于对照894%、1626%、2358%（P<005）；荠菜根区土壤pH值在543～714之间，基本表现为HB005），生物质炭处理下荠菜根区土壤pH值显著低于对照1204%、1359%、2395%（P<005）；荠菜根区土壤全盐含量在109～139 g/kg之间，基本表现为HB005），生物质炭处理下荠菜根区土壤全盐含量显著低于对照1871%、1727%、2159%（P<005）。

22生物质炭对荠菜土壤和植株养分含量的影响

221生物质炭对荠菜植物根区土壤养分含量的影响

由图2可知，生物质炭对荠菜根区土壤养分含量具有明显的影响。荠菜根区土壤有机碳含量变化范围在852～1695 g/kg之间，基本表现为MB>HB>LB>CK，其中HB、MB与LB两两之间的差异均显著（P<005），生物质炭处理下荠菜根区土壤有机碳含量显著高于对照4531%、9894%、7359%（P<005）；荠菜根区土壤全氮含量变化范围在123～168 g/kg 之间，基本表现为MB>HB>LB>CK，其中HB、MB与LB两两之间的差异均显著（P<005），生物质炭处理下荠菜根区土壤全氮含量显著高于对照1545%、3659%、3252%（P<005）；荠菜根区土壤全磷含量变化范围在 098～198 g/kg之间，基本表现为MB>HB>LB>CK，其中HB与MB、LB之间差异不显著（P>005），生物质炭处理下荠菜根区土壤全磷含量显著高于对照2551%、7143%、6633%（P<005）；荠菜根区土壤全钾含量变化范围在1698～2654 g/kg之间，基本表现为MB>HB>LB>CK，其中HB与LB之间差异不显著（P>005），生物质炭处理下荠菜根区土壤全钾含量显著高于对照2833%、5630%、4152%（P<005）。

222生物质炭对荠菜植株内养分含量的影响

由图3可知，生物质炭对荠菜植物体内养分含量具有明显的影响。荠菜植株全碳含量变化范围在2156～3564 g/kg之间，基本表现为MB>HB>LB>CK，其中HB与MB之间差异不显著（P>005），生物质炭处理下荠菜植株全碳含量显著高于对照1916%、6531%、5895%（P<005）；荠菜植株全氮含量变化范围在153～194 g/kg之间，基本表现为MB>LB>HB>CK，其中HB与LB之间差异不显著（P>005），生物质

炭处理下荠菜植株全氮含量显著高于对照1307%、2680%、654%（P<005）；荠菜植株全磷含量变化范围在13～24 g/kg之间，基本表现为MB>HB>LB>CK，其中HB与LB之间差异不显著（P>005），生物质炭处理下荠菜植株全磷含量显著高于对照4615%、8462%、5385%（P<005）；荠菜植株全钾含量变化范围在132～196 g/kg之间，基本表现为MB>HB>LB>CK，其中HB与MB之间差异不显著（P>005），生物质炭处理下荠菜植株全钾含量显著高于对照1970%、4848%、4318%（P<005）。

23生物质炭对荠菜根区土壤微生物数量的影响

图4表明，生物质炭根区土壤微生物数量以细菌最多，其次是放线菌，真菌最少。荠菜根区土壤细菌数量变化范围在156万～257万个/g之间，基本表现为MB>HB>LB>CK，其中MB与HB之间差异不显著（P>005），生物质炭处理下荠菜根区土壤细菌数量显著高于对照1731%、6474%、5449%（P<005）；荠菜根区土壤真菌数量变化范围在630～1 520个/g之间，基本表现为MB005），生物质炭处理下荠菜根区土壤真菌数量显著低于对照3750%、5855%、4868%（P<005）；荠菜根区土壤放线菌数量变化范围在065万～102万个/g之间，基本表现为HB>LB>MB>CK，其中LB、MB与HB两两之间差异均不显著（P>005），生物质炭处理下荠菜根区土壤放线菌数量显著高于对照4308%、3385%、5692%（P<005）；荠菜根区土壤微生物总数量变

化范围在352万～817万个/g之间，基本表现为MB>HB>LB>CK，其中MB与HB之间差异不显著（P>005），生物质炭处理下荠菜根区土壤微生物总数显著高于对照8523%、13210%、12670%（P<005）。

24生物质炭对荠菜根区土壤酶活性的影响

图5表明，荠菜根区土壤硝酸还原酶活性变化范围在 137～265 mg/（g·min）之间，基本表现为MB>HB>LB>CK，其中MB与HB之间差异不显著（P>005），生物质炭处理下荠菜根区土壤硝酸还原酶活性显著高于对照4453%、9343%、9051%（P<005）；荠菜根区土壤酸性磷酸酶活性变化范围在114～253 mg/（g·d）之间，基本表现为MB>HB>LB>CK，其中LB与HB之间差异不显著（P>005），生物质炭处理下荠菜根区土壤酸性磷酸酶活性显著高于对照4825%、12193%、5000%（P<005）；荠菜根区土壤纤维素酶活性变化范围在368～713 mg/（g·d）之间，基本表现为HB>MB>LB>CK，其中MB与HB之间差异不显著（P>005），生物质炭处理下荠菜根区土壤纤维素酶活性显著高于对照4239%、8967%、9375%（P<005）；荠菜根区土壤脲酶活性变化范围在269～685 mg/（g·d）之间，基本表现为MB>HB>LB>CK，其中LB与HB之间差异不显著（P>005），生物质炭处理下荠菜根区土壤脲酶活性显著高于对照9219%、15465%、9442%（P<005）；荠菜根区土壤转化酶活性变化范围在145～627 mg/（g·d）之间，基本表现为MB>HB>LB>CK，其中LB、MB与HB两两之间差异均显著（P<005），生物质炭处理下荠菜根区土壤转化酶活性显著高于对照14552%、33241%、25103%（P<005）；荠菜根区土壤蔗糖酶活性变化范围在189～244 mg/（g·d）之间，基本表现为MB>HB>LB>CK，其中LB、MB与HB两两之间差异均不显著（P>005），生物质炭处理下荠菜根区土壤蔗糖酶活性显著高于对照2487%、2910%、2645%（P<005）。

25生物质炭对荠菜根区土壤微生物量的影响

图6表明，荠菜根区土壤微生物量碳含量变化范围在1598～3239 mg/kg之间，基本表现为MB>HB>LB>CK，其中MB与HB之间差异不显著（P>005），生物质炭处理下荠菜根区土壤微生物量碳含量显著高于对照6602%、10269%、9756%（P<005）；荠菜根区土壤微生物量氮含量变化范围在653～1237 mg/kg之间，基本表现为MB>HB>LB>CK，其中MB、HB和LB两两之间差异均显著（P<005），生物质炭处理下荠菜根区土壤微生物量氮含量显著高于对照3660%、8943%、6141%（P<005）；荠菜根区土壤微生物量磷含量变化范围在237～782 mg/kg之间，基本表现为MB>HB>LB>CK，其中MB、HB和LB两两之间差异均显著（P<005），生物质炭处理下荠菜根区土壤微生物量磷含量显著高于对照16793%、22996%、2008%（P<005）。

3讨论与结论

生物质炭在农业生产上的应用效应已经引起越来越多的关注，生物质炭比表面积大，可以增强土壤对阳离子的吸附能力，在生物或非生物作用下，生物质炭表面可部分被轻度氧化形成羰基、酚基和醌基等官能团，其电荷量增大，从而增大土壤电导率和全盐含量[12]。本研究中生物质炭显著增加了荠菜根区土壤含水量（P<005），显著降低了土壤容重、pH值和全盐含量（P<005），生物质炭造成土壤总孔隙度和容重较小、含水量增加、可溶性離子数量增多，导致土壤电导率较高；pH值是土壤的重要指标之一，适宜的pH值有利于土壤微生物活动和植物生长，pH值的降低致使根区酸化，从而增加土壤养分的吸收和利用、土壤酶活性及微生物的繁殖。不同生物质处理下荠菜根区土壤容重、pH值和全盐含量显著低于对照，这主要是由于生物质炭增加了根系对土壤的穿插和扩展，改善了土壤结构，同时也促进了土壤养分的吸收和利用，阴阳离子溶解度增加，从而导致电导率和全盐含量增加[13-14]。

土壤养分不仅能反映土壤“营养库”中养分的贮量水平，而且在一定程度上能影响有效养分的供应能力[15]；土壤微生物是土壤生态系统物质循环和能量流动的主要驱动力，对土壤有机质的分解、腐殖质的形成、养分的转化及循环等过程具有重要作用[16]；土壤微生物通过分泌酶的方式参与土壤生态系统营养循环等，土壤酶活性动力学的变化可反映出土壤中各种生化过程的强度及其方向，土壤酶活性、微生物量和微生物数量在植物生长过程中起着重要的作用[17]。本研究中生物质炭促进了荠菜与土壤之间的平衡共生关系，在荠菜植株生长过程中提高了土壤肥力，而土壤肥力的改变会对植物的入侵作出进一步的反馈调节。本研究在相同生境条件下，施用生物质炭后，荠菜植物根区土壤养分含量、土壤微生物量、酶活性及微生物数量均随生物质炭浓度的增加呈先增加后降低趋势。在MB浓度处理下，荠菜植物根区土壤养分含量、土壤微生物量、酶活性及微生物数量达到最大，不同浓度生物质炭处理下的荠菜植物根区土壤养分、土壤微生物量、酶活性及微生物数量均显著高于对照（P<005），但生物质炭在高用量时可能会产生轻微的抑制作用，具体表现为荠菜植株体内养分含量随生物质炭浓度的增加呈先增加后降低的趋势。由此表明，生物质炭对荠菜根区土壤养分含量、土壤微生物量、酶活性及微生物数量均表现为一定程度的增加效应，且生物质炭处理下荠菜根区土壤养分含量、土壤微生物量、酶活性及微生物数量均显著高于对照（P<005），与前人的研究结果[18-20]相一致。一方面，生物质炭具有较大的比表面积，通过表面催化活性促进小的有机分子聚合形成土壤有机质，同时吸附多种离子，提高土壤的保肥性能，通过激发效应促进土壤有机质的分解，迅速提高养分含量[9]；另一方面，生物质炭的稳定性较高，随着生物质炭的施入，土壤中累积的生物质炭增多，一些极细小的生物质炭颗粒可能附着于土壤表面[21]；此外，生物质炭具有多芳香环和非芳香环的复杂结构，使其表现出高度的化学和微生物惰性，施入土壤后难以被微生物利用[21]。由此表明，生物质炭的施用有利于植被-土壤系统营养物质的循环、腐殖质的形成和土壤有效养分的提高，同时荠菜根区较低的pH值增加了根区土壤养分的有效吸收和利用，这也是多种环境因素共同引起的，但从生态系统结构稳定性而言，生物质炭对土壤养分影响的过程比较复杂，与施用量、施用时间、生境、土壤本身特性、物候等生理生态特性的差异有关。而不同浓度的生物质炭对荠菜根区土壤特性的影响效果并不均匀一致，总体来看，生物质炭对荠菜生长过程中根区土壤养分含量、土壤微生物量、酶活性及微生物数量起一定的促进作用，造成这种情况主要可能是由于生物质炭根系释放的化学物质不一致，释放的物质通过化感作用影响土壤理化性质及营养循环等对其根区土壤微生物的数量及分布造成不同的影响。由此可知，生物质炭施用技术是改善土壤肥力、提高土壤生产力的重要措施，而在荠菜的高产栽培过程中须合理控制生物质炭浓度。而荠菜栽培过程中土壤本身的肥力特性也是影响生物质炭效应的重要因素，生物质炭对荠菜生长的效应须从土壤肥力、荠菜类型、施炭水平以及管理措施等多方面因素加以综合考虑。

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