生物炭与微生物菌剂配施对土壤生物和化学特性的影响

赵晓军　李丽　张璇

摘要[目的]研究生物炭和微生物菌剂配施对土壤生物特性以及土壤有机碳组分的影响。[方法]研究添加生物炭、生物炭和微生物菌剂配施后土壤总有机碳含量、活性有机碳含量、土壤酶活性、微生物数量以及微生物功能多样性的变化。[结果]单施生物炭能够显著增加土壤总有机碳含量，较单施化肥增加了32.9%。生物炭和微生物菌剂配施对土壤活性有机碳含量、酶活性、微生物数量以及微生物功能多样性的提高效果最好，可溶性有机碳、易氧化有机碳和微生物量碳分别较单施化肥增加了43.0%、74.3%和99.8%；脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶和过氧化氢酶活性分别较单施化肥增加了56.2%、20.8%、14.6%和13.1%；细菌、真菌和放线菌数量分别较单施化肥提高了190%、21.1%和72.7%。[结论]该研究为提高植烟土壤有机养分含量和微生物活性提供理论依据。

关键词生物炭；微生物菌剂；土壤总有机碳；土壤活性有机碳；土壤生物特性

中图分类号S153文献标识码A文章编号0517-6611（2018）25-0109-04

Effect of Microbial Agents with Biochar Application on Biological and Chemistry Characteristics of Soil

ZHAO Xiaojun， LI Li， ZHANG Xuan et al

（Kunming Branch of Yunnan Tobacco Company， Kunming， Yunnan 651700）

Abstract[Objective]To study effect of microbial agents with biochar application on biological characteristics and organic carbon component of soil. [Method]The content of soil organic carbon and active organic carbon， soil enzyme activity， the number of microorganisms and microbial functional diversity were researched under the condition of adding biochar， biochar and microbial agents. [Result]The content of soil organic carbon increased significantly after adding biochar， compared with single application of chemical fertilizers， it was increased by 32.9%. The content of active organic carbon， soil enzyme activity， the number of microorganisms and microbial functional diversity increased significantly after adding biochar and microbial agents. Compared with single application of chemical fertilizers， dissoluble organic carbon， easily oxidized organic carbon and microbial carbon were increased respectively by 43.0%， 74.3% and 99.8%；urease， sucrose， polyphenol oxidase and catalase activity were increased respectively by 56.2%， 20.8%， 14.6% and 13.1%；the number of bacteria， fungi and actinomycetes were increased respectively by 190%， 21.1% and 72.7%.[Conclusion]The study provides a theoretical basis for improving the content of organic nutrients and microbial activity in tobaccogrowing soil.

Key wordsBiochar；Microbial agents；Soil total organic carbon；Soil active organic carbon；Soil biological characteristics

土壤質量退化已成为制约烟叶质量提升的关键性因素。近年来，烟草种植的集中化导致烟草轮作难度的增加。复种指数的增加以及化肥的大量施用造成了植烟土壤中有机营养的大量使用，有机碳含量降低，土壤碳库质量下降，土壤微生物多样性以及活性降低，土壤酶活性降低。因此，如何提高土壤有机养分含量以及生物特性已成为目前研究的热点。

生物炭是由生物废弃物在限氧条件下高温热解形成的富含碳、具有高度芳香化的固体颗粒[1]，已成为科研工作者关注的焦点和研究热点[2]。生物炭大多呈碱性，可以提高酸性土壤pH。生物炭具有大的比表面积和高孔隙度，可以保持土壤水分以及为土壤微生物提供良好的栖息场所[3]。微生物菌剂是以单个或多种有益微生物发酵而成的新型绿色生物肥料，能够改善土壤质量，协调植株对养分的吸收[4]。前人的研究主要集中在单一的施用生物炭或微生物菌剂对土壤质量的影响[5-8]，对生物炭和微生物配施对土壤质量提升效果的研究较少。笔者通过田间试验比较单施化肥、生物炭以及生物炭和微生物菌剂配施对土壤有机碳、活性有机碳、土壤酶、微生物数量以及微生物功能多样性的影响，以期为提高植烟土壤有机养分含量和微生物活性提供理论依据。

2.4不同处理对微生物功能多样性的影响

平均颜色变化率（AWCD）用来表征土壤微生物对总碳源的利用能力。不同微生物功能多样性指数代表土壤微生物多样性的不同侧面。其中，Shannon指数用来表征土壤微生物的均匀度以及丰富度；Simpson指数用来表征土壤中最常见微生物物种优势度；Mcintosh指数用来表征土壤微生物的物种均一性。由表4可知，添加生物炭和有机物料显著增加了微生物对总碳源的利用能力以及微生物功能多样性指数。AWCD、Shannon指数和Simpson指数具体表现为T2>T1>CK，T1和T2处理的Mcintosh指数无显著差异。

选取培养120 h的土壤微生物吸光度数据进行主成分分析，共提取4个主成分。4个主成分的累积方差贡献率为93.00%。PC1～PC4的方差贡献率分别为48.58%、33.41%、6.36%和4.65%。PC1和PC2的累积贡献率达81.98%，能较为全面地概括微生物对31种碳源的利用特征。通过对各处理碳源利用能力的得分计算可知，CK的得分为10.68，T1处理的得分为14.41%，T2处理的得分为16.57。

主成分分析结果中的相关系数越高，表明该种碳源对主成分的影响越大。对主成分分析结果中相关系数大于0.7的碳源做进一步分析，结果见表5。由表5可知，影响PC1的碳源有15种，其中碳水化合物类4种，氨基酸类4种，羧酸类3种，胺类2种，酚酸类1种，多聚物类1种；影响PC2的碳源有8种，其中多聚物类3种，碳水化合物类2种，羧酸类2种，氨基酸类1种。综合分析，碳水化合物类、羧酸类、氨基酸类和多聚物类为该土壤微生物利用的主要碳源。

3结论与讨论

土壤有机碳主要来源于凋落物、根系分泌物以及根系周围的细碎根屑[9]，是土壤质量和功能的核心，是影响土壤肥力的决定性因子。土壤微生物生物量碳、可溶性有机碳和易氧化有机碳是土壤活性有机碳库的组分[10]，三者之间密切联系，可溶性有机碳和易氧化有机碳易被微生物利用转化为土壤微生物生物量碳，而土壤微生物量碳是可溶性有机碳以及易氧化有机碳潜在的重要来源[11]。李莹等[12]研究表明，单独添加生物炭增加了土壤有机碳含量，抑制了土壤有机碳的矿化。李喜凤等[13]研究表明，单施生物炭显著增加0～40 cm土壤总有机碳、易氧化有机碳、可溶性有机碳以及可溶性有机碳质量分数。魏赛金等[14]研究表明，稻草还田和微生物菌剂配施显著提高了土壤活性有机碳含量。该研究结果表明，添加生物炭和微生物菌剂生物炭配施显著增加了土壤有机碳含量以及活性有机碳库组分含量，其中单施生物炭处理土壤中有机碳含量最高，微生物菌剂生物炭配施处理土壤活性有机碳库组分提高幅度最大。

土壤酶是土壤營养代谢的驱动力，可以直观地反映土壤中养分代谢的强度[15]。脲酶是土壤中的水解酶，也是最活跃的一类，用来表征土壤氮的供应能力[16]。蔗糖酶活性用来表征土壤的肥力水平和熟化程度[17]。多酚氧化酶能够促进土壤中芳香类化合物生成腐殖质[18]。过氧化氢酶可以分解土壤中的过氧化氢，消除其对土壤生物的毒害[19]。该研究结果表明，添加生物炭和微生物菌剂生物炭配施显著增加了土壤脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶和过氧化氢酶活性，其中以生物炭和微生物菌剂配施增加幅度最大。这与冯爱青等[20]、龚丝雨等[21]研究结果略不一致，冯爱青等[20]研究结果显示，添加秸秆黑炭显著提高了土壤脲酶活性，但抑制了过氧化氢酶活性。龚丝雨等[21]研究结果表明，增施生物炭显著提高了土壤过氧化氢酶和脲酶活性，但对土壤多酚氧化酶和转化酶活性影响不显著。这可能是由于施用生物炭的种类和土壤类型不同引起的。闫新伟等[22]研究表明，添加生物炭显著提高了花生成熟期脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性；朱金峰等[23]研究表明，施用微生物菌剂显著提高了土壤脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶的活性，与该研究结果一致。

土壤微生物数量的变化能够敏感反映出土壤环境的变化，体现微生物活性变化[24]。凌天孝等[25]研究表明，施用生物炭能够提升土壤细菌和放线菌含量，对真菌含量表现为前期抑制后期促进的规律。魏赛金等[14]研究表明，稻草还田配施菌剂可以有效地提高细菌、真菌、放线菌的数量。该研究结果表明，添加生物炭和微生物菌剂生物炭配施显著提高了土壤微生物数量，其中微生物生物炭配施提高最明显。土壤微生物功能多样性是表征土壤质量的重要生物指标。张雅坤等[26]研究表明，添加生物炭改变了土壤微生物群落结构，增加了土壤微生物整体活性和对碳源的利用能力。马锋敏等[27]研究表明，施用微生物菌剂的土壤微生物对碳源的利用能力，Shannon指数，丰富度指数显著高于对照。该研究结果表明，添加生物炭和微生物菌剂生物炭配施显著增加了土壤微生物群落对碳源总的利用能力和土壤微生物群落的均匀度、丰富度以及常见物种的优势度。施加生物炭的基础上配施微生物菌剂未改变土壤微生物群落的均一性。主成分分析结果表明，该试验地土壤微生物利用的主要碳源是碳水化合物类、羧酸类、氨基酸类和多聚物类。添加生物炭以及生物炭与微生物菌剂配施显著改变了土壤微生物对碳源的利用能力，主成分上的得分与微生物对碳源的利用能力有关。综合各处理在主成分上的得分，生物炭和微生物菌剂配施得分最高，说明该处理对土壤微生物功能的影响最大。

生物炭本身含有较多的有机碳，施入土壤后会直接增加土壤中有机碳含量，另外施用生物炭会促进根系发育、增加烟株根系分泌物以及增强植物的代谢速率，从而增加有机碳含量。施用生物炭为微生物提供了充足的碳源，改善土壤结构，为微生物创造良好的生存条件，促进微生物的生长繁殖，增加微生物的数量、活性以及物种丰度。微生物数量和活性的增加会降低土壤有机碳的氧化稳定性，从而增加易氧化有机碳的含量；微生物在周转过程中会分解生物炭中可利用组分再加上其本身的新陈代谢作用增加了土壤可溶性有机碳的含量，另外生物炭在热解过程中会产生吸附在生物炭表面的小分子有机物质直接增加了土壤可溶性有机碳含量；由于微生物生物量碳是指活的微生物中含有的碳，微生物数量的增加直接增加了土壤微生物生物量碳的含量。根系分泌物的增加会提高土壤酶活性，另外由于土壤酶是微生物生长代谢的产物，微生物数量的增加会进一步提高土壤酶活性。配施微生物菌剂后直接增加了土壤中的微生物数量，促进了有机碳的矿化，因此有机碳的积累量小于单施生物炭，但土壤活性有机碳含量、微生物数量和功能多样性以及土壤酶活性高于单施生物炭处理。

综合分析，单施生物炭有利于有机碳的积累，生物炭和微生物菌剂配施提高了土壤活性有机碳库质量、增强了土壤酶活性、提高了微生物活性以及功能多样性。因此生物炭和微生物菌剂配施是提高当季植烟土壤质量的最佳施用方案。

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