張旭輝，李治玲，李勇*，王洋清(.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶40075；.中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶40074)

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施用生物炭對(duì)西南地區(qū)紫色土和黃壤的作用效果

張旭輝1，李治玲1，李勇1*，王洋清2
(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶400715；2.中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶400714)

探究施用生物炭對(duì)紫色土和黃壤的養(yǎng)分含量、酶活性、微生物數(shù)量、pH和作物生長(zhǎng)狀況的影響，為西南地區(qū)紫色土和黃壤的改良提供理論依據(jù)和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)。以紫色土和黃壤為研究對(duì)象，分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0(CK)、0.8%(CT1)、2.0%(CT2)和4.0%(CT3)的稻殼生物炭，通過(guò)180 d溫室油菜盆栽試驗(yàn)，測(cè)定土壤性質(zhì)、土壤微生物數(shù)量、酶活性及植株生物量。結(jié)果表明，生物炭顯著改善了兩種土壤的性狀，且CT3效果最佳。添加生物炭后CT3黃壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別是CK的1.3、1.2、4.0、1.1、0.9、33.1和18.0倍，而紫色土中則分別是CK的1.4、1.0、1.5、1.1、0.9、3.8和6.0倍；CT3顯著提高了土壤pH值，黃壤和紫色土分別提高了1.5和0.9個(gè)單位。生物炭顯著增加了兩種土壤細(xì)菌、放線菌的數(shù)量，促進(jìn)了紫色土真菌數(shù)量增長(zhǎng)，CT3黃壤的細(xì)菌、放線菌數(shù)量分別較CK增加了677%、395%；CT3紫色土的細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量較CK分別提高了20%、88%、82%。CT3紫色土的蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性分別較CK提高了106%和30%，對(duì)脲酶活性無(wú)顯著影響；黃壤脲酶活性和過(guò)氧化氫酶活性較CK平均分別提高約150%和130%，但蔗糖酶活性平均降低了約40%。CT1對(duì)油菜的株高和生物量均有促進(jìn)作用，黃壤中分別增加了4.6和11.4倍，紫色土中分別增加了17%和8%，而其他處理均表現(xiàn)為抑制作用。施用適宜比例的稻殼生物炭可以改良紫色土和黃壤的酸度，提高土壤養(yǎng)分含量，改變微生物數(shù)量并改善作物生長(zhǎng)狀況，可作為紫色土和黃壤的改良劑。

生物炭; 土壤養(yǎng)分; 土壤微生物; 土壤酶活性; 作物生長(zhǎng)

生物炭是以作物稻稈(殼)、木屑、動(dòng)物糞便等為原材料在完全或部分缺氧條件下，經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一種含碳量極豐富的、性質(zhì)穩(wěn)定的有機(jī)物質(zhì)[1]。研究表明，生物炭可以增加土壤微生物數(shù)量和生物量[2-4]，改善土壤生物活性，增加土壤微生物量碳、氮含量和土壤酶活性[5-7]。生物炭呈堿性，施用生物炭可以提高土壤堿基飽和度、降低可交換鋁水平和消耗土壤質(zhì)子等作用，進(jìn)而調(diào)節(jié)酸性土壤pH[8]；生物炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)及大量羥基、羧基基團(tuán)[9]，可提高土壤持水能力[10]和陽(yáng)離子交換量(CEC)[11]；生物炭富含有機(jī)碳且含有一定的礦質(zhì)養(yǎng)分，能提高土壤有機(jī)碳含量[12]以及礦質(zhì)養(yǎng)分的有效性[13]等。因此，施加生物炭可以有效改善土壤性質(zhì)及微生物群落結(jié)構(gòu)、協(xié)調(diào)水肥氣熱，促進(jìn)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的增加。近年來(lái)，將生物炭作為肥料的緩釋載體也倍受關(guān)注[14]。

利用生物炭改良土壤的酸度及肥力衰退等已有嘗試。強(qiáng)酸性紅壤施用2.0%的花生殼生物炭后pH值增加了0.61個(gè)單位，弱酸性黃棕壤pH值提高了0.55個(gè)單位[15]。紅壤性水稻土施用水稻(Oryzasativa)和玉米(Zeamays)秸稈裂解而成的生物炭可降低酸度，提高土壤養(yǎng)分含量和微生物量水平，并改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[2]?；页蓖潦┯蒙锾磕芴岣呒?xì)菌和放線菌數(shù)量[16]。草甸黑土添加玉米秸稈炭可以提高有機(jī)碳和有效養(yǎng)分含量[17]。土施用果樹(shù)樹(shù)干、枝條熱裂解所得生物炭提高了土壤微生物量，土壤酶活性，改善了土壤生物環(huán)境[18]。

紫色土和黃壤是西南地區(qū)主要的農(nóng)耕區(qū)土壤類型，由于西南地區(qū)熱量豐富、濕度大、多降酸雨，人口密度大、坡地高強(qiáng)度利用[2]，均存在土壤侵蝕的現(xiàn)象，呈現(xiàn)明顯粘化、酸化和黃化以及土壤養(yǎng)分貧瘠化的問(wèn)題，華中和華南的紅壤地帶和四川、貴州、云貴高原的黃壤地帶土壤酸化程度及面積仍在增加[19]，而這又會(huì)加速土壤結(jié)構(gòu)退化以及土壤養(yǎng)分流失。因此有效的土壤改良技術(shù)對(duì)緩解土壤退化、改善土壤生態(tài)和農(nóng)業(yè)環(huán)境以及提高可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用潛力具有重要的理論和實(shí)踐意義。但是就生物炭對(duì)西南地區(qū)紫色土、黃壤土的微生物活性，酶活性等研究并未見(jiàn)廣泛報(bào)道；而且生物炭對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響與生物炭的特性及土壤的基本性質(zhì)有關(guān)[14]，生物炭對(duì)不同類型土壤的作用差異尚不清楚，其影響機(jī)制也有待進(jìn)一步揭示。因此本研究擬通過(guò)溫室盆栽試驗(yàn)初步分析生物炭對(duì)西南地區(qū)代表性土壤中微生物數(shù)量、酶活性和土壤養(yǎng)分的影響，以評(píng)估生物炭在西南地區(qū)酸化土壤改良中的應(yīng)用潛力。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)所用紫色土采自重慶市國(guó)家紫色土肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)基地(E 106°24′33″，N 29°48′36″)的水稻土，是由沙溪廟組灰棕紫色沙泥巖母質(zhì)發(fā)育形成的紫色土；黃壤采自重慶市北碚區(qū)縉云山國(guó)家森林公園(E 106°19′43″，N 29°44′08″)，土壤屬于三迭紀(jì)須家河組(T3x i)厚層石英砂巖風(fēng)化發(fā)育的酸性黃壤。以“多點(diǎn)混合”采樣法[20]在每種土壤的各個(gè)樣點(diǎn)5～20 cm土層取土樣5 kg并混勻。其基本理化性狀見(jiàn)表1。

表1 供試土壤理化性狀Table 1 Physicochemical properties of the experimental soil

1.2 供試生物炭的基本性質(zhì)

試驗(yàn)選用的生物炭購(gòu)于重慶力宏科技有限公司，原料為廢棄稻殼，在高溫500 ℃、部分缺氧條件下熱解6 h而成，其有機(jī)碳含量為239.7 g/kg，全磷10.6 g/kg，全鉀35.6 g/kg，有效鈣2.63 g/kg，有效鎂0.38 g/kg，SiO2470 g/kg，有效銅、鐵、錳、鋅分別為10、27、40、18 mg/kg，pH 10.4(水土比10∶1)。

2)加入特征點(diǎn)的TIN優(yōu)化法：本方法是對(duì)離散等值線直接生成法的優(yōu)化，采用加入特征點(diǎn)的方法來(lái)消除“平三角形”。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2014年11月至2015年4月在西南大學(xué)進(jìn)行。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)生物炭與土樣質(zhì)量比例處理：0(CK)、0.8%(CT1)、2%(CT2)和4%(CT3)，每個(gè)處理3盆，每盆裝土1.9 kg，將生物炭與過(guò)篩土壤充分混勻后裝入塑料盆，加水，培養(yǎng)1個(gè)月后，進(jìn)行油菜播種，每盆播6粒，每盆留3株幼苗，不施肥。

1.4 樣品采集及預(yù)處理

于油菜植株收獲后采樣，一部分土樣置于4 ℃保存，用作微生物培養(yǎng)、計(jì)數(shù)，另一部分風(fēng)干后研磨過(guò)篩備用，測(cè)定土壤酶活性和養(yǎng)分含量。在保留整體完整的前提下移出植株，并輕微抖落附帶土粒，先用蒸餾水沖洗根部，然后盡快用吸水紙擦干，以測(cè)定植物株高及生物量。

1.5 測(cè)定指標(biāo)與方法

土壤基本化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定：主要參照楊劍虹等[20]編著的《土壤農(nóng)化分析與環(huán)境監(jiān)測(cè)》中有關(guān)土壤樣品養(yǎng)分含量測(cè)定的常用方法。有機(jī)質(zhì)(organic matter, OM)：重鉻酸鉀容量法-丘林法；全氮(total nitrogen, TN)：半微量凱氏定氮法；堿解氮(available nitrogen, AN)：堿解擴(kuò)散法；全磷(total phosphorus, TP)：氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法；有效磷(available phosphorus, AP)：碳酸氫鈉浸提-分光光度法；全鉀(total potassium, TK)：氫氧化鈉熔融-火焰光度計(jì)法；速效鉀(available potassium, AK)：NH4OAc浸提-火焰光度法；土壤pH值：采用梅特勒-托利多便攜式pH計(jì)進(jìn)行測(cè)定，水土比為5∶1。

土壤微生物數(shù)量測(cè)定：采用梯度稀釋平板涂布法[21]對(duì)土壤中可培養(yǎng)細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)。根據(jù)微生物對(duì)培養(yǎng)基選擇特性，選取適合的培養(yǎng)基。細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基、放線菌采用改良的高氏1號(hào)培養(yǎng)基。

土壤酶活性的測(cè)定：參照關(guān)松蔭等[22]編著的《土壤酶及其方法研究》中有關(guān)土壤酶的常規(guī)測(cè)定方法。蔗糖酶：二硝基水楊酸比色法；脲酶：苯酚鈉比色法；過(guò)氧化氫酶：高錳酸鉀滴定法。

植株生物量：收獲后的油菜樣品分為地上部和地下部，置烘箱在105 ℃下烘30 min殺青，然后于72 ℃下烘干至恒重，冷卻后稱量其干重。

1.6 數(shù)據(jù)處理

使用IBM SPSS Statistics 21統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析進(jìn)行均值顯著性檢驗(yàn)，Duncan法進(jìn)行多重比較；應(yīng)用Microsoft Excel 2007進(jìn)行圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分和pH值

如表2所示，隨生物炭含量增加，兩類土壤的有機(jī)質(zhì)、全磷、有效磷和速效鉀的含量顯著增加，并顯著提高了土壤pH值。黃壤CT3處理有機(jī)質(zhì)、全磷、有效磷和速效鉀含量分別是對(duì)照(CK)的1.3、4.0、33.0和18.0倍；pH值提高了1.5個(gè)單位。紫色土CT3的有機(jī)質(zhì)、全磷、有效磷和速效鉀含量，分別為對(duì)照的1.4、1.5、3.8和6.0倍；pH值則提高了0.9個(gè)單位。黃壤各處理的全氮含量差異均不顯著(P>0.05)；紫色土CK的全氮含量最高，但僅與CT2間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。黃壤CT1處理的全鉀含量最高，僅與CK具有顯著性差異(P<0.05)；紫色土CT3處理全鉀含量顯著高于CK，與其他處理均無(wú)顯著性差異(P>0.05)。生物炭處理紫色土和黃壤堿解氮的含量有所減少，黃壤CK的堿解氮除與CT2差異不顯著，與其他處理均具有顯著性差異(P<0.05)；紫色土CK的堿解氮除與CT1差異不顯著，與其他處理間均具有顯著性差異(P<0.05)。

表2 不同處理土壤化學(xué)性質(zhì)的差異Table 2 Effects of different treatments on nutrient and chemical properties

均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3). 不同小寫(xiě)字母表示同一土壤不同處理間差異顯著(P<0.05), 不同大寫(xiě)字母表處理間差異極顯著(P<0.01). Mean±SD(n=3).
Different lowercase letters represent the existence of significant differences atP<0.05, different uppercase letters represent the existence of significant differences atP<0.01.OM: Organic matter; TN: Total nitrogen; TP: Total phosphorus; TK: Total potassium; AN: Available nitrogen; AP: Available phosphorus; AK: Available potassium.

2.2 土壤微生物數(shù)量

圖1 不同生物炭添加量對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響Fig.1 Effects of biochar adding on the quantity of microorganism in soils 不同小寫(xiě)字母表示差異顯著，下同。The different letters mean significant differences, the same below (P<0.05).

由圖1可見(jiàn)，隨生物炭量的增加，黃壤中細(xì)菌數(shù)量有明顯變化，呈CT3>CT2>CT1>CK；與CK相比，CT3、CT2和CT1分別增加了7.8、2.6和1.7倍，且各處理間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。而紫色土中，CT3的細(xì)菌數(shù)量達(dá)到4.3×106CFU/g干土，比CK增加了20%，與CT1、CT2之間差異不顯著(P<0.05)。

黃壤中真菌數(shù)量呈現(xiàn)出隨生物炭添加量增加而減少的趨勢(shì)(圖1)，與CK相比，CT3、CT2均顯著減少(P<0.05)，其中CT3減少了89%；紫色土中CT3、CT2和CT1處理的真菌數(shù)量較CK增加了1.8、2.1和0.8倍；CT2和CT3處理間無(wú)顯著性差異(P>0.05)，其余各處理間差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

圖1顯示，兩類土壤的放線菌數(shù)量均隨著生物炭添加量增加而增加。黃壤中CT3、CT2和CT1的放線菌數(shù)量較CK分別增加了5.0、2.7和1.0倍，各處理之間差異顯著(P<0.05)。紫色土中CT3、CT2和CT1放線菌數(shù)量較CK增加了1.9、1.1和0.5倍，各處理間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

2.3 土壤酶活性

圖2 不同生物炭添加量對(duì)土壤酶活性的影響Fig.2 Effects of biochar adding on soil enzyme activity

圖3 不同生物炭添加量對(duì)油菜株高的影響Fig.3 Effects of biochar adding on the height of rapeseed

如圖2所示，添加生物炭后，紫色土的蔗糖酶活性呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，其中CT3和CT2的蔗糖酶活性顯著高于CK(P<0.05)；黃壤的蔗糖酶活性呈下降趨勢(shì)，表現(xiàn)為CK>CT3>CT1>CT2，不同處理間差異顯著(P<0.05)。黃壤的脲酶活性呈升高趨勢(shì)，其中CT3、CT1與CK均達(dá)到顯著性差異(P<0.05)；紫色土不同處理的脲酶活性均無(wú)顯著性差異(P>0.05)。紫色土和黃壤CT3的過(guò)氧化氫酶活性較CK均顯著增加(P>0.05)。

2.4 作物株高及生物量

2.4.1 作物株高 由圖3可以看出，黃壤CT1、CT2和CT3株高均顯著高于CK(P<0.05)，油菜株高增加了4.0～4.6倍，但CT1、CT2、CT3之間差異不顯著。紫色土中油菜株高表現(xiàn)為CT1>CK=CT2>CT3的趨勢(shì)，CT1處理株高較CK增加了17%，除CK和CT2之間無(wú)顯著性差異，其余各處理間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

2.4.2 作物生物量 由圖4可知，黃壤CT1處理油菜生物量積累最多，CT2和CT3油菜生物量積累差異不顯著，較CK而言，所有添加量處理均顯著增加了油菜根系和地上部生物量(以干重計(jì))(P<0.05)，油菜地上部生物量增加了5.0～7.2倍，根系生物量增加了11.2～14.7倍。紫色土不同生物炭比例處理下油菜生物量的大小表現(xiàn)為：CT1>CK>CT2>CT3，與CK相比，CT1的油菜地上部生物量增加了10%，根系生物量增加了8%，兩處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

圖4 不同生物炭添加量對(duì)油菜干重的影響Fig.4 Effects of biochar adding on the dry biomass of rapeseed

3 討論

本研究表明，施用生物炭后，紫色土和黃壤的pH明顯升高，這與生物炭在其他酸性土壤方面的研究結(jié)果一致[23-24]。因?yàn)?，生物炭本身為堿性(pH 10.4)，并且可以通過(guò)提高土壤堿基飽和、降低可交換鋁水平和消耗土壤質(zhì)子等作用提高酸性土壤pH值[23]。生物炭還能夠有效改善土壤通透性、CEC、持水能力等理化性質(zhì)，從而有利于土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的保持和吸收效率[25]。紫色土和黃壤的有機(jī)質(zhì)、有效磷和速效鉀含量不同程度的增加，土壤堿解氮含量有所降低，與顧美英等[3]施用22.5和45.0 t/hm2小麥秸稈炭對(duì)新疆風(fēng)沙土、灰漠土的研究結(jié)果一致；也與張祥等[15]添加0.5%、1.0%和2.0%花生殼炭對(duì)黃棕壤的研究結(jié)果相近。表明生物炭對(duì)不同類型土壤均有不同程度的改良效果，不同條件下其改良效果可能不同，但改善土壤性狀、提升土壤肥力的趨勢(shì)是一致的。堿解氮含量降低可能是由于土壤pH值升高，促進(jìn)銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致土壤有效N降低[26]。本研究結(jié)果顯示，生物炭對(duì)兩種土壤全氮含量無(wú)顯著影響，這與郭俊娒等[27]研究結(jié)果一致。本實(shí)驗(yàn)中，添加生物炭后土壤全磷含量顯著增加，全鉀含量略有提高，但不顯著，與韓光明[28]對(duì)灰漠土的研究結(jié)果一致，而與張晗芝[29]添加生物炭對(duì)土壤全磷沒(méi)有顯著影響的研究結(jié)果存在差異。生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分的影響可以總結(jié)為兩方面：一是生物炭本身富含礦質(zhì)養(yǎng)分，施用后一部分養(yǎng)分可以返還給土壤；二是生物炭的吸附性可減少養(yǎng)分流失，提高土壤養(yǎng)分的有效性，從而提高土壤肥力。物料類型和裂解溫度可以決定生物炭的組分及特性，隨著裂解溫度升高，碳氮元素富集，生物炭的脂肪性減弱，芳構(gòu)化增強(qiáng)，表面吸附特性及孔度也發(fā)生變化[30]。生物炭中的碳主要由無(wú)定型碳和芳香族碳組成[31]，高溫條件下，生物質(zhì)中的碳形成穩(wěn)定的芳香族碳存在。生物炭中損失的碳主要來(lái)自于炭化過(guò)程，這部分碳隨著熱解溫度升高和熱解時(shí)間延長(zhǎng)而增加[32]。本研究所用的生物炭為稻殼高溫500 ℃條件下熱解6 h而成，其含碳量及化學(xué)性質(zhì)與其他材料生物炭或不同條件制成的稻殼炭略有差異，這也會(huì)影響其對(duì)土壤養(yǎng)分狀況的改變程度。而且不同土壤類型和不同生物炭種類對(duì)不同礦質(zhì)元素的吸附能力可能存在差異，不同植物對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)元素的利用率也略有不同，因此生物炭對(duì)不同類型土壤中養(yǎng)分含量的影響也不盡相同。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，生物炭顯著增加了紫色土中細(xì)菌、真菌、放線菌的數(shù)量。陳偉等[33]對(duì)茶園土壤的研究也表明，生物炭的添加改善了土壤的水分、營(yíng)養(yǎng)、通氣等環(huán)境條件，可以增加土壤細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量。但生物炭對(duì)黃壤的研究結(jié)果顯示，土壤細(xì)菌數(shù)量和放線菌數(shù)量隨生物炭含量的增加而增加，而真菌數(shù)量則隨生物炭含量的增加而降低，這與韓光明[28]對(duì)白漿土和潮土施用生物炭的研究結(jié)果一致。添加生物炭后真菌數(shù)量減少，可能因?yàn)檎婢m宜在弱酸環(huán)境中生長(zhǎng)，細(xì)菌和放線菌則在中性或接近中性環(huán)境生長(zhǎng)良好，添加生物炭后土壤pH值提高，從而不利于真菌生長(zhǎng)和繁殖，但有利于細(xì)菌和放線菌生長(zhǎng)和繁殖，使得土壤中細(xì)菌和放線菌能夠快速、大量的繁殖生長(zhǎng)，進(jìn)而會(huì)抑制真菌的繁殖。生物炭本身含有較多易分解態(tài)有機(jī)質(zhì)，提供微生物更多可利用原料，從而提高土壤微生物活性[4]。也有研究表明，生物炭提高土壤中P，Ca，Mg，K的利用率，會(huì)抑制土壤真菌生長(zhǎng)[34]。生物炭對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響與生物炭自身性質(zhì)、土壤質(zhì)地及肥力水平有關(guān)。一方面，生物炭添加可以通過(guò)土壤pH和養(yǎng)分特性(速效磷、有機(jī)碳、速效鉀)，間接影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的分布[2]，而且生物炭含有部分微生物可直接利用養(yǎng)分，有利于微生物生長(zhǎng)。另一方面，生物炭的多孔性和巨大表面積。能為微生物提供良好的棲息地，有效吸附微生物[35]。試驗(yàn)結(jié)果表明，添加生物炭改變了土壤中的微生物類群分布，增加了微生物數(shù)量，但由于微生物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)有一定局限性，生物炭對(duì)紫色土和黃壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響的變化規(guī)律還需要進(jìn)一步探討。

對(duì)兩種土壤蔗糖酶、脲酶和過(guò)氧化氫酶活性的研究結(jié)果表明，施用生物炭后黃壤的脲酶和過(guò)氧化氫酶活性均有所提高，但蔗糖酶活性受到不同程度的抑制；紫色土蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性顯著提高，但對(duì)脲酶活性無(wú)顯著影響。馮愛(ài)青等[36]研究表明，添加0.5%小麥秸稈生物炭可增加20%土壤脲酶活性，降低11%土壤脫氫酶并抑制中性磷酸酶活性，對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性沒(méi)有顯著影響。陳心想等[37]研究表明，施用80 t/hm2生物炭可將土壤脲酶活性提高約25%、過(guò)氧化氫酶活性提高20%左右，但對(duì)蔗糖酶活性影響不顯著。生物炭的特殊結(jié)構(gòu)及其吸附性能決定了其對(duì)土壤酶作用的復(fù)雜性，一方面生物炭對(duì)反應(yīng)底物的吸附，有利于酶促反應(yīng)，提高土壤酶活性；另一方面，由于生物炭對(duì)酶分子的吸附，保護(hù)了酶促反應(yīng)的結(jié)合位點(diǎn)，從而有可能抑制了酶促反應(yīng)的進(jìn)行。還有研究[21]表明，生物炭通過(guò)土壤中碳、氮、pH、陽(yáng)離子交換量影響這些指標(biāo)間接對(duì)土壤酶起作用。因此，生物炭對(duì)土壤酶活性的影響因生物炭和土壤類型、生物炭施用量及土壤酶種類的不同而有差異。

本研究發(fā)現(xiàn)，在黃壤中，不同生物炭添加量均顯著增加了油菜(Brassicacampestris)植株的株高和生物量，且0.8%的比例效果最佳；而在紫色土中，僅0.8%的添加量增加了油菜的株高和植株生物量。由于作物、生物炭和土壤類型眾多，生物炭對(duì)作物生長(zhǎng)的影響并不一致，有很多研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭能不同程度的促進(jìn)作物的生長(zhǎng)狀況，但也有相反的研究結(jié)論[38]。報(bào)道顯示生物炭能夠促進(jìn)煙草(Nicotianatabacum)[39]、水稻[40]、黑麥草(Loliumperenne)[41]、小白菜(Brassicachinensis)[42]、番茄(Solanumlycopersicum)[43]等作物的生長(zhǎng)。但是Zwieten等[38]將造紙污泥熱解得到2種生物炭單施或與化肥配施在紅壤和鈣質(zhì)土上，結(jié)果表明，紅壤上單施生物炭對(duì)小麥(Triticumaestivum)生物量無(wú)顯著影響，與化肥配施則顯著提高小麥生物量；而鈣質(zhì)土中，生物炭1無(wú)論單施還是與化肥配施均顯著降低小麥生物量，而生物炭2對(duì)小麥生物量則無(wú)顯著影響。生物炭可以顯著提高低肥力土壤的作物產(chǎn)量，對(duì)高肥力土壤增產(chǎn)效應(yīng)較低甚至減產(chǎn)，黃超等[44]研究表明,施用200 g/kg生物炭時(shí)對(duì)黑麥草生長(zhǎng)產(chǎn)生輕微的抑制作用，產(chǎn)量有一定的下降；Kishimoto等[45]試驗(yàn)表明，分別施用5和15 t/hm2生物黑炭時(shí)，大豆(Glycinemax)和玉米表現(xiàn)為減產(chǎn)。吳鵬豹等[46]研究發(fā)現(xiàn),添加0.1%、0.5%、1.0%生物炭對(duì)王草(Pennisetumpurpureum)產(chǎn)量和品質(zhì)均有降低趨勢(shì)；鄧萬(wàn)剛等[47]同樣發(fā)現(xiàn)低量生物炭對(duì)王草和柱花草(Stylosanthesguianensias)生長(zhǎng)及產(chǎn)量無(wú)正面影響。國(guó)內(nèi)外有關(guān)生物炭對(duì)作物產(chǎn)量的影響基本為短期試驗(yàn)，結(jié)果不一，主要是由于生物炭除本身含有一定的養(yǎng)分可被作物直接利用外，還具有很大的內(nèi)表面積，為吸附養(yǎng)分和微生物群落的生存提供了較大空間，從而改善土壤理化性狀和微生物、土壤酶活性等環(huán)境條件，促進(jìn)了作物的生長(zhǎng)[48]，但施加不適比例的生物炭就可能使土壤中的C/N升高，影響土壤氮素的利用，提高土壤pH值，降低某些微量元素的有效性，這都會(huì)出現(xiàn)生物炭抑制作物生長(zhǎng)的現(xiàn)象[13]。生物炭對(duì)作物的增產(chǎn)效應(yīng)會(huì)受到土壤性質(zhì)、生物炭特性與用量以及作物類型、氣候區(qū)域、配施底肥等多方面的綜合影響，土壤理化性質(zhì)的改良、土壤微生物數(shù)量、多樣性和土壤酶活性的提高可能會(huì)引起地上植物多樣性、覆蓋度和豐富度的提高，反之，地上部分高的生物多樣性可能會(huì)引起作為地下生物資源的凋落物質(zhì)量、數(shù)量和類型的多樣性，而資源的差異性也可能會(huì)引起微生物的多樣性，這能在很大程度上改良土壤[49]，因此，生物炭對(duì)土壤改良效果、微生物群落結(jié)構(gòu)以及作物產(chǎn)量的影響值得進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

1)施用不同比例生物炭對(duì)紫色土和黃壤的養(yǎng)分含量、微生物數(shù)量、土壤酶活性均有較明顯影響，且CT3(4%生物炭)效果最佳，而在兩種土壤類型中的作用效果存在差異。

2)在紫色土中，生物炭提高了土壤細(xì)菌，真菌和放線菌的數(shù)量，并促進(jìn)蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶活性；而在黃壤中的生物炭只提高了細(xì)菌和放線菌數(shù)量，促進(jìn)了脲酶和過(guò)氧化氫酶活性。

3)施用4%生物炭可以改良紫色土和黃壤的酸度，提高土壤養(yǎng)分含量，改變微生物數(shù)量，在黃壤中，4%生物炭能夠促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，但是在紫色土中不利于作物生長(zhǎng)；添加0.8%生物炭雖然顯著提高了黃壤和紫色土的作物生長(zhǎng)，但不是土壤改良的最佳比例。

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Effect of biochar amendment on purple and yellow soil

ZHANG Xu-Hui1, LI Zhi-Ling1, LI Yong1*, WANG Yang-Qing2

1.CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400715,China; 2.ChongqingInstituteofGreenandIntelligentTechnology,ChineseAcademyofSciences,Chongqing400714,China

Purple soil was collected from the National Monitoring Base for Purple Soil Fertility and Fertilizer Efficiency in Beibei, Chongqing and yellow soil from Jinyunshan National Forest Park and used in a greenhouse pot experiment with rapeseed (Brassicanapus). Rice husk biochar was applied at 0, 0.8%, 2.0% and 4.0% of the soil weight in each pot; CK, CT1, CT2and CT3respectively. The soil nutrient content, soil enzyme activity, microorganism density and plant growth indices were measured after 180 days. The results indicated that both soils were significantly improved by the addition of biochar, the best treatment being CT3. The organic matter content, total N, P, K, available N, P, K in CT3were 1.3, 1.2, 4.0, 1.1, 0.9, 33.1 and 18.0 times those of the CK for yellow soil respectively and 1.4, 1.0, 1.5, 1.1, 0.9, 3.8 and 6.0 times the CK in the purple soil respectively. Compared with the CK, the application of biochar significantly increased the pH in both the purple and yellow soil. Biochar significantly increased the number of two species of soil bacteria, including actinomycetes, and promoted the growth of fungi in the purple soil. The numbers of bacteria and actinomycetes in the CT3treatment were increased by 677% and 395% in the yellow soil, while the numbers of bacteria, actinomycetes and fungi in the purple soil were increased by 20%, 88% and 82%, respectively. Invertase and catalase activity were significantly increased by 106% and 30% in the CT3treatment, respectively. Similarly, urease and catalase activity were increased by 150% and 130% respectively. Plant heights and biomass of rapeseed in the CT1treatment were 4.6 times and 11.4 times of those of the CK in the yellow soil respectively, and 17% and 8% higher than those in CK in the purple soil respectively; other treatments suppressed growth. It was concluded that rice husk biochar could be used as amendment for yellow soil and purple soil in southwest region of China at appropriate application rates.

biochar; soil nutrient; microorganism; enzyme activity; crop growth

10.11686/cyxb2016367

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-10-08；改回日期：2016-12-23

科技部農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(2013GB2F100396)，西南大學(xué)博士基金項(xiàng)目(SWU113018)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金 (XDJK2012C035)資助。

張旭輝(1990-)，男，河南洛陽(yáng)人，在讀碩士。 E-mail: nanmulinsenZXH@126.com*通信作者Corresponding author. E-mail: Liyongwf@swu.edu.cn

張旭輝, 李治玲, 李勇, 王洋清. 施用生物炭對(duì)西南地區(qū)紫色土和黃壤的作用效果. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 26(4): 63-72.

ZHANG Xu-Hui, LI Zhi-Ling, LI Yong, WANG Yang-Qing. Effect of biochar amendment on purple and yellow soil. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(4): 63-72.