生物炭施用下土壤微生物量碳氮的动态变化

朱利霞, 陈居田, 徐思薇, 陈如冰, 李俐俐

(周口师范学院生命科学与农学学院，河南 周口 466001)

生物炭是在完全或部分缺氧条件下，以及相对较低的温度(≤700 ℃)经热解炭化产生的一种含碳量丰富、性质稳定的物质[1]，其表面的孔隙结构有利于土壤微生物的生长。生物炭本身特殊的理化性质使其在土壤中表现出特有的土壤效应。向土壤中添加生物炭可以提高作物产量[2-4]，改善土壤质量[5]。生物炭本身的孔隙结构和高pH特性可有效改善土壤理化性质，对土壤微生物产生重要影响[6]。一般而言，生物炭可以增加土壤有机碳含量，改善微生物细胞附着性能、促进特定类群土壤微生物栖息生长[7-8]。

土壤微生物参与土壤养分循环与平衡，能够反映土壤生态系统的变化。因此，土壤微生物量是反映土壤养分转化循环和能量流动的重要指标，其大小可以反映微生物新陈代谢的强弱，土壤微生物量碳是土壤有机碳的有效指示因子，土壤微生物量氮是土壤氮矿化势的重要组成部分。生物炭的施用会直接或间接影响土壤微生物的生长代谢，提高或降低土壤微生物量，改变土壤微生物的群落组成。研究表明，长期施用生物炭可改善土壤微生物的生存环境，显著提高土壤微生物量，促进微生物活动，增加土壤微生物多样性[8]。在室内培养条件下添加不同量源自木材生物炭的研究表明，土壤微生物量碳和活性随生物炭量的增加而降低[9]。Zhang等[10]通过华北长期定位试验研究发现，施用生物炭较常规施肥显著增加土壤微生物量碳。Castaldia等[11]基于野外试验发现，施用生物炭3个月和14个月后土壤微生物量无显著变化。由此可见，生物炭对土壤微生物量的影响可能与土壤类型及生物炭的特性等有关。目前，生物炭对土壤微生物影响的研究主要集中在生物炭对酶活性、特定功能菌群的研究及短期田间试验上，对长期生物炭施用条件下玉米生育期土壤微生物量碳氮的季节动态研究较少，而研究微生物量的季节动态变化对理解微生物在生态系统中的功能作用具有重要意义。

鉴于生物炭含有大量惰性碳，对土壤影响需要一段时间，本研究以长期施用生物炭的农田土壤为研究对象，研究不同生物炭施用水平下土壤微生物量碳、氮和微生物量碳氮比的动态变化，及生物炭对玉米籽粒产量的影响，以期为维持旱作农田生态系统土壤生态平衡及提高作物产量提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验在中国科学院水土保持研究所长武试验站(N 35°12′，E 107°40′，海拔1 200 m)进行。该区气候属暖温带半湿润大陆性季风气候，年均降水584 mm，年均气温9.1 ℃，无霜期171 d，地下水埋深50～80 m，属典型的旱作农业区；地貌为高原沟壑区的典型代表，塬面和沟壑两大地貌单元分别占35%和65%，地带性土壤为黑垆土，质地均匀疏松。供试玉米品种为先玉335，每年4月20日左右播种，播种方式为宽窄行平作，播种密度65 000株·hm-2。

1.2 试验设计

田间定位试验开始于2012年，生物炭用量分别为0、10、20和30 t·hm-2，依次记作BC0、BC1、BC2和BC3，共4个处理，每个处理3次重复，采用完全随机区组设计，试验小区面积56 m2。各处理均施入等量化肥，施入的纯氮量、纯磷量和纯钾量分别为225、40和80 kg·hm-2。氮肥分三次按照4∶3∶3的比例分别于播种前、拔节期和抽雄期施用。其中，氮肥选用含氮量46%的尿素；磷肥选用过磷酸钙(12% P2O5)；钾肥选用硫酸钾(45% K2O)。磷肥和钾肥在玉米播种前一次性施入。

1.3 样品采集

于2018年玉米播种前(PT)、拔节期(V6)、吐丝期(R1)、成熟期(R6)和收获后(AH)按照五点取样法采集不同处理0—10、10—20及20—30 cm的土壤样品，去除石砾、植物根系等可见杂物，混匀后带回实验室。取一部分土样4 ℃保存，于一周内进行土壤微生物量碳、氮的测定；另一部分自然风干，用于土壤有机碳的测定。

在玉米成熟期，对每个小区进行测产，每个小区收获区域中10 m2内的所有玉米植株，调查穗粒数和千粒重。籽粒产量以含水量为15.5%计算。各处理籽粒产量为三个重复的平均值。

1.4 样品测定

土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定[15]。土壤微生物量碳、微生物量氮的测定采用氯仿熏蒸-浸提法[16]。土壤微生物量碳和土壤微生物量氮按以下公式计算。

土壤微生物量碳 =(氯仿熏蒸处理后土壤提取液中的总碳-未熏蒸土壤提取液中的总碳)/KEC

(1)

土壤微生物量氮 =(氯仿熏蒸处理后土壤提取液中的总氮-未熏蒸土壤提取液中的总氮)/KEN

(2)

式中，KEC=0.45；KEN=0.54。

土壤微生物商采用土壤微生物量碳含量与有机碳含量的比值表示。

土壤微生物商 = 土壤微生物量碳/土壤有机碳×100%

(3)

1.5 数据处理

数据经Excel 2007整理后，采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，采用最小显著差法(LSD)进行多重比较。生物炭施用水平与玉米产量和产量构成之间的相关性采用Pearson相关分析。

2 结果与分析

2.1 生物炭对玉米生育期土壤微生物量碳的影响

不同玉米生育期土壤微生物量碳的变化基本一致(表1)。播种前土壤微生物量碳含量显著低于其他时期；玉米生育期内土壤微生物量碳表现出拔节期迅速升高，吐丝期稍微降低，到成熟期缓慢增加并保持相对稳定。

表1 不同生物炭施用量下玉米不同生育期的土壤微生物量碳含量Table 1 Carbon content of soil microbial biomass under different biochar application treatments at different growing stages

生物炭施用显著影响土壤微生物量碳含量。0—10 cm土层中，播种前BC1、BC2和BC3的土壤微生物量碳含量分别较BC0增加13.3%、89.2%和103.2%；拔节期较BC0增加15.2%、15.4%和16.4%；吐丝期较BC0增加71.8%、44.3%和57.1%；收获后较BC0增加17.9%、29.6%和33.8%；而在成熟期仅BC2和BC3处理较BC0显著增加。10—20和20—30 cm土层，与BC0相比，生物炭处理均显著增加土壤微生物量碳含量，且播种前、拔节期、成熟期和收获后土壤微生物量碳含量均随生物炭施用量的增加而增加。

2.2 生物炭对玉米生育期土壤微生物量氮的影响

不同处理土壤微生物量氮含量在整个生育期表现为先迅速上升至拔节期达到最大值，之后缓慢下降渐趋平稳(表2)。播种前土壤微生物量氮含量最低，拔节期土壤微生物量氮含量达到峰值。

生物炭显著影响土壤微生物量氮含量(表2)。在0—10 cm土层，与BC0相比，BC1、BC2和BC3在播种前、吐丝期和收获后的土壤微生物量氮含量均显著增加；BC1显著增加拔节期土壤微生物量氮含量；BC1和BC2显著增加成熟期土壤微生物量氮含量。在10—20 cm土层，与BC0相比，生物炭显著增加播种前和收获后的土壤微生物量氮含量；BC1和BC2显著增加拔节期土壤微生物量氮含量； BC1和BC3显著降低吐丝期土壤微生物量氮含量，降幅为14.6%和13.6%；BC2显著降低成熟期土壤微生物量氮含量，BC3则显著增加该时期土壤微生物量氮含量。在20—30 cm土层，生物炭显著增加播种前土壤微生物量氮含量；而显著降低吐丝期和收获后土壤微生物量氮含量；在拔节期和成熟期土壤微生物量氮含量有所降低。

表2 不同生物炭施用量下玉米不同生育期的土壤微生物量氮含量Table 2 Nitrogen content of soil microbial biomass under different biochar application at different growing stages

2.3 生物炭对土壤微生物量碳氮比的影响

土壤微生物量碳氮比的高低能够反映土壤氮素的供应能力，微生物量碳氮比较低时土壤氮素有较高的生物有效性，从而使土壤氮素利用效率提高[16]。由表3可知，生物炭显著影响土壤微生物量碳氮比。0—10 cm土层，与B0相比生物炭显著增加播种前、拔节期和吐丝期的土壤微生物量碳氮比，但成熟期和收获后的微生物量碳氮比显著降低。10—20 cm土层，生物炭显著增加播种前和吐丝期的微生物量碳氮比，对拔节期、成熟期和收获后的土壤微生物量碳氮比的影响随生物炭施用量的不同而不同。在20—30 cm土层，生物炭显著增加拔节期、吐丝期、成熟期和收获后土壤微生物量碳氮比。整体而言，播种前土壤的微生物量碳氮比较高，到拔节期降低并保持相对稳定，收获后有所增加。

表3 不同生物炭施用量下玉米不同生育期土壤微生物量碳氮比Table 3 C/N ratio of soil microbial biomass under different biochar application at different growing stages

2.4 生物炭施用土壤微生物商的变化

微生物商反映了土壤微生物的固碳效益及土壤有机碳的变化方向[17]。一般而言，微生物商值增加，表明土壤有机碳逐渐积累；反之，土壤有机碳则处于消耗状态。从玉米整个生育期来看，播种前土壤微生物商较低，拔节期略有增加并保持相对稳定。随着玉米的生长发育，土壤微生物商在2.0%～4.0%范围内波动。生物炭对玉米不同生育期土壤微生物商的影响不同(表4)。在播种前，各土层土壤微生物商随生物炭施用量的增加而升高，BC3处理在0—10、10—20和20—30 cm土层的土壤微生物商较BC0显著增加(40.0%、44.2%和59.5%)。在拔节期，BC1显著降低0—10 cm土层土壤微生物商；而BC2和BC3处理的土壤微生物商与BC0无显著差异。在吐丝期，BC3处理显著降低0—10 cm土层的土壤微生物商；而BC1和BC2处理的土壤微生物商与BC0无显著差异。成熟期和收获后，生物炭对各土层土壤的微生物商均无显著影响。

表4 不同生物炭施用量下玉米不同生育期土壤微生物商Table 4 Soil microbial quotient of different biochar application at different growth stages

2.5 生物炭对玉米产量及产量构成的影响

生物炭显著增加玉米籽粒产量和穗粒数，随生物炭施用量的增加，玉米籽粒产量和穗粒数逐渐增加(表5)。BC2和BC3处理的籽粒产量较BC0显著增加(11.2%和14.1%)。对籽粒产量构成而言，与BC0相比，BC2和BC3处理的穗粒数显著增加，增幅分别为6.3%和8.7%；但生物炭施用对千粒重影响不显著。

表5 不同处理下玉米产量和产量构成因子Table 5 The maize yield and yield components under different treatments

不同处理下土壤微生物量碳、籽粒产量与产量构成因子的相关性如表6所示。穗粒数和千粒重均与玉米籽粒产量呈显著正相关关系，其中穗粒数与产量的相关系数达到0.902；千粒重与产量的相关系数为0.669。穗粒数与千粒重之间也达到显著正相关(r=0.787)。且0—30 cm土壤微生物量碳含量也与玉米产量及构成因子呈显著正相关。其中，土壤微生物量碳含量与穗粒数和产量呈极显著相关；与千粒重显著相关。

表6 土壤微生物量碳、玉米产量和产量构成因子的相关分析Table 6 Correlation analysis between soil microbial biomass, yield and yield components of maize

3 讨论

3.1 生物炭对土壤微生物量的影响

土壤微生物量是植物可利用养分的重要来源，其大小与土壤肥力水平呈正相关[12-13]。土壤微生物量的动态变化决定着土壤养分的转化和有效性。因此，研究土壤微生物量的动态变化有助于及时准确地了解土壤肥力水平的变化趋势及土壤养分的循环和转化过程。

本研究中不同生育期不同土层土壤微生物量氮对生物炭的响应明显不同。生物炭可以增加土壤微生物量碳，且土壤微生物量碳含量随生物炭用量的增加而增加，与张星等[14]的研究结果相一致。但也有施用生物炭降低土壤微生物量的报道，如Spokas和Reicosky[18]在培养试验中发现,施用生物炭在开始阶段会降低土壤微生物的活性，降低土壤微生物量碳。另外，盖霞普等[19]研究发现,经过41 d的好气培养后，生物炭明显降低红壤中土壤微生物量碳氮的含量，却显著提高黑土中土壤微生物量碳氮的含量。这可能与土壤类型、试验条件和养分管理等不同有关，也可能是由于生物炭本身的复杂性质造成的[6]。总体来看，土壤微生物量碳氮表现出先迅速上升，在玉米生育高峰期达到峰值，然后逐渐下降形成一个低谷，之后又有所升高的规律。这可能是玉米生育前期，水热条件的适宜和玉米根系活动的增加促进了土壤微生物生长和代谢活动，增加土壤微生物量，并在玉米生育高峰期达到最大，之后玉米对养分的大量需求影响土壤微生物的活动，随着玉米进入成熟期，根系的残体及凋落物为微生物的生长提供营养物质，使土壤微生物活性有所增加。本研究结果显示，生物炭在一定程度上增加土壤微生物量碳氮比，这与卢焱焱等[20]研究中施用少量生物炭对土壤微生物量碳氮比有刺激作用的结果一致。但也有报道发现生物炭会显著降低土壤微生物量碳氮比[21]。土壤微生物的不同可导致土壤微生物量碳氮比的变化，如向土壤中施用生物炭后，土壤中的细菌、真菌和古菌群落都有所变化[22-23]。本研究中土壤微生物量碳氮比的增加可能是由于生物炭改变了土壤微生物的群落组成，对此仍需进一步研究。

本研究中土壤微生物商在玉米整个生育期内变化不明显，这主要是引起土壤微生物量碳变化的因素与引起有机碳变化的因素基本一致，随着时间的变化规律也比较相似，使得微生物商在玉米生育进程中维持在一定的范围内。在播种前生物炭的施用增加土壤微生物商，而其他生育期生物炭对土壤微生物商无显著影响，这可能是由于播种前温度的增加和水分状况的适宜刺激了土壤微生物活动，由于生物炭引起的土壤微生物量碳含量的增加程度高于对土壤有机碳的增加，导致该时期微生物商的增加，这与该时期土壤微生物量碳含量随生物炭施用量的增加而增加相一致。由于稀释效应的存在，即土壤微生物量的增加被土壤有机碳的增加所掩盖[24]，导致其他采样时期生物炭施用条件下土壤微生物商无显著变化。生物炭对土壤微生物的影响是一个复杂的过程，由于生物炭原材料、裂解温度、试验条件及土壤状况的不同，土壤微生物对生物炭的响应也不同。本研究分析了生物炭对土壤微生物量的影响，而土壤微生物多样性及特定类群土壤微生物对生物炭的响应还需进一步研究。

3.2 生物炭对作物产量的影响

相关分析表明，穗粒数和千粒重均与籽粒产量呈正相关关系，说明提高穗粒数、增加千粒重对于玉米籽粒产量的提高有关键性作用。土壤微生物量碳与玉米产量及产量构成因子之间均有较强的正相关关系，印证了土壤微生物量碳在土壤养分有效性中的作用[16]，而土壤养分有效性的增加提高了土壤肥力，进而增加了玉米籽粒产量。目前研究表明，生物炭的施用可促进作物生长，提高作物产量，一般而言，施用生物炭后作物产量平均可提高10%[25]。然而Tammeorg等[26]研究表明，添加生物炭对春小麦产量无明显影响。本研究结果表明，随生物炭施用量的增加，玉米籽粒产量逐渐增加。BC1对籽粒产量无显著影响，而BC2和BC3均显著增加籽粒产量，表明生物炭对作物产量的影响与其施用量有关。王建超等[2]研究表明，添加0.5%、1.0%和5.0%生物炭时，花生产量分别增加34.8%、67.4%和73.5%。本研究中穗粒数随生物炭施用量的增加呈现出逐渐增加的趋势，但千粒重不受生物炭添加的影响。陈庆华等[3]采用测筒试验发现，添加生物炭后，油菜最高可增产64%左右，主要表现为油菜一次有效分支数、单株有效角果数和每果粒数显著增加。李伟等[4]研究发现，5和10 t·hm-2的生物炭施用量均可显著增加冬小麦和夏玉米的产量，且作物产量随生物炭施用量的增加而增加。由此可知，生物炭对作物产量构成的影响有很大不同，这可能是由于土壤状况、气候条件及生物炭自身性质的复杂性造成的。因此，关于生物炭对作物产量的影响还需进一步研究。