侯建偉，邢存芳，鄧曉梅，索全義，盧志宏，陳 芬，余 高，譚杰斌

(1 銅仁學(xué)院 a 農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院，b人事處 ，貴州 銅仁 554300；2 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019;3 寧鄉(xiāng)豐裕生物科技有限公司，湖南 寧鄉(xiāng) 410600)

黃壤是貴州省喀斯特地區(qū)主要的農(nóng)業(yè)土壤類型，面積共738.43萬(wàn)hm2，分別占貴州省土壤面積和全國(guó)黃壤面積的46.4%和25.3%，pH小于5.5的強(qiáng)酸性黃壤面積占貴州省黃壤總面積的41.2%[1]。由于黃壤具有質(zhì)地黏重、比水容量小、養(yǎng)分含量低和酸性強(qiáng)等特點(diǎn)，從而限制了該地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]?；凇顿F州統(tǒng)計(jì)年鑒》(2004-2013年)可知，貴州省水稻、玉米和油菜秸稈產(chǎn)量均較高，分別為300萬(wàn)～480萬(wàn)、260萬(wàn)～382.2萬(wàn)和200萬(wàn)～260萬(wàn)t[3]。近年來，秸稈廢棄物轉(zhuǎn)化生物炭還田提升土壤肥力改良酸性土壤，一直以來都是備受關(guān)注的焦點(diǎn)問題[4]。有研究指出，生物炭可減少土壤氮素淋失，施用100 t/hm2的生物炭后黑鈣土、紫色土的氮素淋失分別降低74%和78%。在酸性土壤和砂質(zhì)土壤上，生物炭能吸附N、P養(yǎng)分、避免肥料流失，進(jìn)而延長(zhǎng)供肥期而有利于作物生長(zhǎng)[5-6]。周桂玉等[7]研究發(fā)現(xiàn)，添加玉米秸稈生物炭可以提高草甸黑土有機(jī)碳和有效養(yǎng)分含量；但張晗芝等[8]則報(bào)道，秸稈生物炭的添加對(duì)砂漿水稻土有效P和pH無顯著影響。生物炭類型和炭化溫度決定了生物炭的組分及特性[9]，隨著裂解溫度的升高，C、N元素富集，生物炭表面吸附特性及孔隙度均會(huì)發(fā)生變化[9]，從而影響其對(duì)土壤養(yǎng)分狀況的改變程度。但截止目前，關(guān)于不同秸稈生物炭對(duì)酸性黃壤肥力影響的綜合評(píng)價(jià)尚鮮見報(bào)道。為此，本研究以玉米、水稻和油菜秸稈500 ℃炭化得到的3 種生物炭為添加材料，以貴州省地帶性黃壤為改良對(duì)象，通過室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，比較生物炭添加量分別為0%(CK)，1%，2%和4%時(shí)，黃壤的體積質(zhì)量、pH、養(yǎng)分含量和酶活性的變化情況，并通過相關(guān)性分析和模糊數(shù)學(xué)原理數(shù)值化綜合評(píng)價(jià)黃壤肥力的不同，以期為黃壤改良和秸稈資源的合理利用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

生物炭：玉米秸稈生物炭、水稻秸稈生物炭和油菜秸稈生物炭，由遼寧金和福有限公司生產(chǎn)(炭化溫度500 ℃，炭化時(shí)間6 h)。

土壤：取自貴州銅仁學(xué)院試驗(yàn)田耕層土壤(0～20 cm土層)，土樣在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干并過孔徑2 mm的土壤篩。供試土壤和生物炭的理化性質(zhì)見表1。

注：測(cè)定生物炭pH時(shí)，V(水)∶m(生物炭)=10∶1；測(cè)定土壤 pH時(shí)，V(水)∶m(土)=5∶1；全碳含量一行數(shù)據(jù)中：秸稈生物炭中的是全碳含量，土壤中的是有機(jī)碳含量。

Note:The pH value of biochar was determined under water and carbon ratio of 10∶1,and pH value of soil was determined under water and carbon ratio of 5∶1.Carbon content was total carbon content in straw biochar and organic carbon content in soil.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

試驗(yàn)于2017年5-12月在室內(nèi)進(jìn)行。稱取4 kg土樣風(fēng)干，將玉米秸稈生物炭(BC1)、水稻秸稈生物炭(BC2)和油菜秸稈生物炭(BC3)，分別按照1%，2%，4%的添加量與土壤充分混勻裝入塑料培養(yǎng)盆(直徑20 cm，高22 cm)中，各處理名稱分別為BC1-1、BC1-2、BC1-4、BC2-1、BC2-2、BC2-4、BC3-1、BC3-2、BC3-4。補(bǔ)加蒸餾水至田間飽和持水量的 60%，同時(shí)以未添加生物炭處理作為空白對(duì)照(CK)，無菌膜封口，保持一定的透氣性，培養(yǎng)盆底部中心打直徑1 cm小孔，置于(25±1) ℃培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)。每個(gè)處理3次重復(fù)，每隔5 d用稱重法補(bǔ)水1次。培養(yǎng)186 d后，于培養(yǎng)盆中均勻、分散選取3點(diǎn)(培養(yǎng)盆半徑中點(diǎn))用土鉆直通盆底取樣(土層厚度20 cm)、混勻，即為該處理的1個(gè)樣品，分別過2 mm篩和0.15 mm篩，用于測(cè)定土壤pH、養(yǎng)分含量和酶活性。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目與方法

土壤pH用復(fù)合電極電位法測(cè)定[10]，有效磷含量用分光光度計(jì)法測(cè)定，速效鉀含量用火焰光度法測(cè)定。土壤體積質(zhì)量采用烘干法測(cè)定，堿解N含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，全氮含量采用開氏定氮法測(cè)定，全磷含量采用鉬銻抗比色法測(cè)定，全鉀含量采用火焰光度法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)含量采用外加熱法測(cè)定[11]。土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法[12]測(cè)定，土壤蔗糖酶活性采用 3,5-二硝基水楊酸比色法[12]測(cè)定，土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法[12]測(cè)定，土壤中性磷酸酶活性采用苯磷酸二鈉法[13]測(cè)定。

1.4 土壤肥力評(píng)價(jià)

采用模糊數(shù)學(xué)法[14]評(píng)價(jià)土壤肥力，具體步驟如下。

1.4.1 肥力指標(biāo)選取 選取有代表性的且能反映土壤肥力水平的肥力指標(biāo)，如土壤的物理、化學(xué)性質(zhì)及微生物特性等均能反映出土壤的肥力水平。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，本研究選取土壤體積質(zhì)量、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮、全磷、全鉀、過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶和中性磷酸酶11個(gè)指標(biāo)對(duì)土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1.4.2 各肥力指標(biāo)隸屬度值的計(jì)算 根據(jù)各肥力指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，計(jì)算各肥力指標(biāo)的隸屬度值。

(1)體積質(zhì)量。首先對(duì)土壤體積質(zhì)量進(jìn)行分級(jí)，其標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 土壤體積質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15]

根據(jù)土壤體積質(zhì)量的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，采用如下函數(shù)計(jì)算隸屬度值[15]：

(1)

式中：x為土壤體積質(zhì)量。

(2)土壤養(yǎng)分和酶活性 。根據(jù)全國(guó)第2次土壤普查的養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表3)，確定隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的取值[14](表4)，計(jì)算各肥力指標(biāo)的隸屬度值[15]。隸屬度值一般在0.1和1.0之間，當(dāng)隸屬度最大值為1.0時(shí)，表示土壤養(yǎng)分含量或酶活性最高，適宜作物生長(zhǎng)；當(dāng)隸屬度最低值為0.1時(shí)，表示土壤養(yǎng)分含量或酶活性較低。由于土壤中不可能無某種養(yǎng)分，為符合生產(chǎn)實(shí)際，同時(shí)消除各參數(shù)指標(biāo)間的量綱差異，因此將隸屬度最小值定為0.1[15]。由于土壤酶活性目前尚無統(tǒng)一的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，為便于比較和分析，在本研究中，土壤酶活性的S型隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的取值根據(jù)文獻(xiàn)[15]方法由式(2)確定，將本試驗(yàn)中10個(gè)處理3次重復(fù)的所有酶活性數(shù)據(jù)的最小值和最大值確定為相應(yīng)的x1和x2(表5)。

(2)

式中：x為土壤某一養(yǎng)分元素含量或酶活性值，x1和x2分別為土壤中某養(yǎng)分元素含量或酶活性的最小值和最大值。

表3 全國(guó)第2次土壤普查中不同養(yǎng)分含量的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[15]

表4 土壤養(yǎng)分隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值

注：x1和x2分別為土壤某養(yǎng)分元素含量的最小值和最大值。

Note:x1andx2are the minimum and maximum of soil nutrient element contents, respectively.

表5 土壤酶活性隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)取值

注：x1和x2分別為土壤某種酶活性的最小值和最大值。

Note:x1andx2are the minimum and maximum of soil enzymatic activities, respectively.

1.4.3 確定單項(xiàng)肥力權(quán)重系數(shù) 由于各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)不同，故對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)給予一定的權(quán)重。確定權(quán)重系數(shù)是肥力綜合評(píng)價(jià)中的關(guān)鍵問題之一，為避免人為的主觀影響，應(yīng)根據(jù)土壤肥力各要素之間的相關(guān)系數(shù)來確定權(quán)重系數(shù)[16]。計(jì)算步驟為：

(1)求單項(xiàng)肥力指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)。

(2)求某項(xiàng)肥力指標(biāo)與其他肥力指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)的平均值，若相關(guān)系數(shù)為負(fù)值則取絕對(duì)值，并將該平均值占所有肥力指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平均值總和的百分比(權(quán)重系數(shù))，作為該單項(xiàng)肥力指標(biāo)在表征土壤肥力中的貢獻(xiàn)。

1.4.4 計(jì)算土壤肥力綜合指標(biāo)值(Integrated fertility index， IFI)[15]根據(jù)加法法則，在相互交叉的同類指標(biāo)間采用加法合成，計(jì)算土壤肥力綜合指標(biāo)值(IFI)，IFI值越大，表明土壤的綜合肥力水平越高。其計(jì)算公式為：

IFI=∑Wi×Ni。

(3)

式中：Ni和Wi分別表示第i種養(yǎng)分指標(biāo)的隸屬度值和權(quán)重系數(shù)。

計(jì)算得到的各處理土壤肥力指標(biāo)的IFI,并用軟件SAS 9.0在P=0.05水平下進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。根據(jù)IFI值對(duì)不同處理土壤肥力水平進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2007整理后，用SAS 9.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，在符合正態(tài)分布的情況下進(jìn)行one way ANOVA單因素方差分析，采用多重比較法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，采用Correlate進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加生物炭對(duì)黃壤體積質(zhì)量的影響

表6顯示，供試土壤0～5 cm和5～10 cm土層的土壤體積質(zhì)量分別為1.30和1.34 g/cm3，根據(jù)全國(guó)第2次土壤普查的養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表3)可知，本研究土壤體積質(zhì)量達(dá)偏緊等級(jí)。添加不同秸稈生物炭后，0～5 cm和5～10 cm土層的土壤體積質(zhì)量較對(duì)照分別降低了1.54%～8.46%和1.49%～5.97%，降幅平均值分別為4.19%和3.65%。說明添加生物炭能夠降低土壤體積質(zhì)量，且對(duì)0～5 cm土層影響較大。

表6 不同添加量玉米、水稻和油菜秸稈生物炭對(duì)黃壤體積質(zhì)量的影響

注：同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下表同。

Note:Different letters indicate significant difference atP<0.05 level,the same below.

由表6還可以看出，所有處理土壤的體積質(zhì)量均表現(xiàn)為5～10 cm土層高于0～5 cm土層，生物炭類型及添加量均未改變這種整體趨勢(shì)。生物炭添加量為1%或2%時(shí)，不同秸稈生物炭均未顯著改變土壤體積質(zhì)量，而添加4%的不同秸稈生物炭可以顯著降低土壤體積質(zhì)量。土壤體積質(zhì)量隨著生物炭添加量的增加而降低，添加 4%的生物炭后，0～5 cm土層的土壤體積質(zhì)量為1.19～1.22 g/cm3，已使土壤體積質(zhì)量達(dá)適宜等級(jí)(1.00～1.25 g/cm3)，而5～10 cm土層的土壤體積質(zhì)量雖有所降低,但仍處于偏緊等級(jí)。

2.2 添加生物炭對(duì)黃壤pH和養(yǎng)分含量的影響

2.2.1 土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量 表7顯示，生物炭處理土壤pH和有機(jī)質(zhì)含量較對(duì)照分別增加3.38%～18.04%和146.80%～445.63%，可知添加一定量的生物炭可以提高土壤的pH和有機(jī)質(zhì)含量，說明生物炭具有提高酸性土壤pH值和增加土壤碳庫(kù)的作用。

表7表明，對(duì)土壤pH值而言， BC2-1、BC3-4處理與其他各處理間的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，而其余處理間差異均未達(dá)顯著水平，但與CK相比pH均顯著升高(P>0.05)。說明與CK相比，添加生物炭均可以顯著提高土壤pH，其中以添加1%水稻秸稈生物炭(BC2-1)處理的土壤pH最低，以添加4%油菜秸稈生物炭(BC3-4)處理的土壤pH最高。

表7還表明，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量而言，除添加2%和4%不同生物炭處理間的差異均未達(dá)顯著水平外，其余處理間的差異均達(dá)顯著水平，且均與CK相比差異顯著(P<0.05)。說明當(dāng)添加量為1%時(shí)生物炭類型對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量有顯著影響，而當(dāng)添加量為2%和4%時(shí)生物炭類型并未顯著改變土壤的有機(jī)質(zhì)含量。

表7 不同添加量玉米、水稻和油菜秸稈生物炭對(duì)黃壤pH值和有機(jī)質(zhì)含量的影響

2.2.2 土壤氮磷鉀含量 表8顯示，土壤氮磷鉀含量對(duì)生物炭類型及添加量的響應(yīng)不同。與對(duì)照相比，BC1-2和BC3-1處理顯著降低了土壤堿解N含量，降幅分別為26.58%和32.84%；而BC3-4處理顯著提高了土壤堿解N含量，增幅為 31.23%；其他生物炭處理對(duì)土壤堿解N含量影響不顯著。與對(duì)照相比，添加生物炭可以顯著增加土壤的有效P和速效K含量，增幅分別為28.04%～134.58%(平均為72.48%)和19.76%～162.48%(平均為88.58%)，其中BC2-4處理土壤的有效P含量最高，增幅為134.58%；而BC1-1和BC3-1處理土壤有效P含量最小，增幅均值為20.04%。同一生物炭的不同添加量處理之間，土壤有效P含量差異均達(dá)顯著水平；而同一添加量下不同生物炭處理間的土壤有效P含量差異均不顯著。土壤速效K含量隨著生物炭添加量的增加而增大，在同一添加量下，不同生物炭類型間土壤的速效K含量表現(xiàn)為BC3>BC2>BC1。說明生物炭類型和添加量均是影響土壤有效養(yǎng)分含量的主控因子。

表8 不同添加量玉米、水稻和油菜秸稈生物炭對(duì)黃壤氮、磷、鉀含量的影響

表8還顯示，添加生物炭可以顯著增加土壤的全N、全P、全K含量，且土壤全N、全P、全K含量均隨著生物炭添加量的增加而增大，添加1%～4%生物炭處理黃壤的全N、全P和全K含量較對(duì)照分別增加了13.85%～112.31%(平均為54.19%)，6.25%～43.75%(平均為21.53%)和10.53%～31.58%(平均為21.05%)。多重均值檢驗(yàn)結(jié)果表明，不同處理的土壤全N含量差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)；全P和全K含量均表現(xiàn)為同一生物炭類型的不同添加量處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，而同一添加量下不同生物炭類型處理間均無顯著差異。這一方面說明，生物炭對(duì)土壤全N、全P、全K含量均有較好的提升效果，提升效果依次表現(xiàn)為全N>全K>全P；另一方面說明，土壤全量養(yǎng)分含量對(duì)生物炭類型及添加量的響應(yīng)不同，生物炭添加量對(duì)土壤全P和全K含量影響更大。

2.3 添加生物炭對(duì)黃壤酶活性的影響

表9顯示，與對(duì)照相比，添加生物炭顯著降低了土壤的過氧化氫酶活性，降幅為5.0%～30.0%(平均12.78%)，同時(shí)顯著提升了脲酶、蔗糖酶和中性磷酸酶活性，其增幅分別為26.6%～341.0%(平均12.78%)，5.5%～104.3%(平均56.9%)和33.3%～433.3%(平均144.4%)。 與對(duì)照相比，BC3-1處理土壤過氧化氫酶活性降幅最大，為30.0%；BC1-1、BC1-4、BC2-2和BC3-2處理的降幅最小，均為5.0%。說明添加生物炭可以明顯影響土壤的過氧化氫酶活性，其中以添加1%油菜秸稈生物炭(BC3-1)處理的抑制作用最為顯著。對(duì)土壤脲酶活性而言，不同類型生物炭均表現(xiàn)為添加量4%時(shí)最大，添加量2%時(shí)最小。相同添加量下，BC3處理的脲酶活性最大，其平均值分別是BC1和BC2處理的2.65和2.32倍，說明油菜秸稈生物炭(BC3)最有利于提高土壤脲酶活性。對(duì)土壤蔗糖酶活性而言，不同類型生物炭均表現(xiàn)為添加量2%時(shí)最大，添加量4%時(shí)最小，其中BC2-2處理土壤的蔗糖酶活性最高。對(duì)土壤中性磷酸酶活性而言，相同添加量下，不同生物炭類型間差異顯著，其中BC3處理的土壤中性磷酸酶活性均最大，為0.12～0.16 mg/(g·d)，較對(duì)照提高了300.0%～433.3%；而相同生物炭類型的不同添加量處理之間，只有BC3-1與BC3-2、BC3-4處理間的差異達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。由此可知，生物炭類型是影響土壤中性磷酸酶活性的主效因子，添加1%的油菜秸稈生物炭(BC3)即可明顯提高土壤的中性磷酸酶活性。

表9 不同添加量玉米、水稻和油菜秸稈生物炭對(duì)土壤酶活性的影響

2.4 添加生物炭對(duì)黃壤肥力的影響

根據(jù)土壤肥力評(píng)價(jià)的具體步驟，首先運(yùn)用公式(1)計(jì)算土壤體積質(zhì)量，再用公式(2)計(jì)算土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮、全磷、全鉀、過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶和中性磷酸酶11個(gè)土壤肥力指標(biāo)的隸屬度值，結(jié)果見表10，然后用SAS 9.0進(jìn)行相關(guān)性分析(Correlate)并計(jì)算添加不同生物炭后土壤肥力指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)和權(quán)重系數(shù)，結(jié)果見表11。最后用公式(3)計(jì)算IFI值，結(jié)果見表12。

表10 不同生物炭處理下黃壤肥力指標(biāo)的隸屬度值

表10(續(xù)) Continued table 10

表11 不同生物炭處理下黃壤肥力指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)及權(quán)重系數(shù)

表12 不同生物炭處理黃壤的綜合肥力指標(biāo)(IFI)值

由表12可知，與對(duì)照比較，不同生物炭處理均有效提高了土壤肥力，且生物炭添加量越大，IFI值越高，增幅為18.30%～48.47%。不同生物炭處理的IFI值由高到低的順序依次為BC3-4(IFI 59.55)> BC1-4(IFI 57.74)> BC3-2(IFI 57.04)> BC2-4(IFI 55.50)> BC2-2(IFI 52.83)> BC1-2(IFI 49.36)> BC3-1(IFI 47.51)> BC1-1(IFI 47.45)> BC2-1(IFI 46.09)> CK(IFI 40.11)。說明生物炭類型和添加量均是土壤肥力的主要影響因子，相同添加量下，油菜秸稈生物炭(BC3)較玉米(BC1)和水稻秸稈生物炭(BC2)更能提高土壤肥力水平，其中添加4%的油菜秸稈生物炭是提高土壤肥力的最優(yōu)選擇。

3 討 論

本研究結(jié)果表明，施用生物炭可以提高土壤的pH，這與前人在其他酸性土壤方面的研究結(jié)果[17-18]一致。研究表明，生物炭自身呈堿性(pH 8～12)，并且可以通過提高土壤堿基飽和、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的pH[17]。本研究中的生物炭均呈堿性，pH為8.23～9.59，生物炭處理土壤pH較對(duì)照增加0.21～1.12，其中以添加4%油菜秸稈生物炭處理的pH最大(pH 7.33)。張旭輝等[19]通過180 d 溫室油菜盆栽試驗(yàn)表明，將0.8%～4%的稻殼生物炭添加到土壤中，黃壤和紫色土pH分別提高了1.0～1.6和0.5～1.0，其中以添加4%稻殼生物炭處理的pH值最大。說明生物炭自身的堿性是顯著提高土壤pH值的主要因子，此外土壤pH變化還與生物炭來源、添加量和土壤類型有關(guān)。

本研究中，添加生物炭不同程度地增加了黃壤的有效P、速效K、有機(jī)質(zhì)、全N、全P和全K含量，這與顧美英等[20]施用小麥秸稈生物炭對(duì)新疆風(fēng)沙土、灰漠土影響的研究結(jié)果及張祥等[21]添加花生殼生物炭對(duì)黃棕壤影響的研究結(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，雖然其改良效果不盡相同，但改善土壤性狀、提升土壤養(yǎng)分含量的趨勢(shì)是一致的。生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分含量的提高作用可以概括為兩個(gè)方面：一方面是因?yàn)樯锾勘旧砭秃?N、P、K 、Ca、Mg、S 等礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，施用后返還到土壤中即可以直接提高土壤的養(yǎng)分含量[22]。Lehmann等[23]研究表明，生物炭顯著增加了土壤的K、Mg、Ca、Mn、Zn、Cu 等主要陽(yáng)離子的可給態(tài)含量，提高了土壤養(yǎng)分的有效性，為植物生長(zhǎng)提供必需的營(yíng)養(yǎng)元素。另一方面，生物炭施入后可以提高土壤養(yǎng)分的有效性，降低養(yǎng)分淋溶損失。鄭浩[24]的研究表明，生物炭可以降低N的淋溶損失，對(duì)土壤中的N具有持留作用，從而增強(qiáng)了氮的有效性。本研究結(jié)果顯示，土壤堿解N含量對(duì)不同生物炭處理的響應(yīng)有一定差異，如添加2%玉米秸稈生物炭(BC1-2)和1%油菜秸稈生物炭(BC3-1)后土壤堿解N含量顯著降低，而添加4%油菜秸稈生物炭(BC3-4)處理土壤的堿解N含量顯著升高，其他處理與對(duì)照無顯著差異，這與前人的一些研究結(jié)果[20-21]相近。堿解N含量降低可能是由于土壤 pH值升高，促進(jìn)了銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致土壤有效N降低[25]。本研究結(jié)果還表明，不同生物炭處理均可以顯著提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量，這與前人研究結(jié)果[15]相近。以往研究表明，生物炭富含性質(zhì)穩(wěn)定的非活性有機(jī)碳(惰性碳)，可以直接提高土壤的全C含量[26]。本研究所用生物炭含碳24.8%～53.5%，這可能是生物炭處理明顯提高土壤有機(jī)質(zhì)含量的主要原因。

周志紅等[27]以50和100 t/hm2的施用量將生物炭分別施入黑鈣土、紫色土后，氮素淋失分別降低29%和74%及41%和78%。Angst等[28]研究表明，生物炭具有很強(qiáng)的吸附作用，可以吸附土壤中的水溶性離子，減少營(yíng)養(yǎng)離子的溶解遷移，使其緩慢持續(xù)釋放，避免營(yíng)養(yǎng)元素的淋失，從而提高土壤的有效養(yǎng)分含量。說明生物炭結(jié)構(gòu)特性在持留土壤養(yǎng)分和提高養(yǎng)分有效性等方面具有重要作用，生物炭類型及其添加量的變化只會(huì)影響其肥力效果，但不能改變生物炭具有的培肥土壤作用。

本研究中，添加生物炭提高了土壤的脲酶、蔗糖酶和中性磷酸酶活性，降低了過氧化氫酶活性，與前人研究結(jié)果[29-30]類似。黃劍[29]將小麥秸稈生物炭施入砂姜黑土，進(jìn)行了為期 4 年的定位試驗(yàn)，結(jié)果表明，生物炭能夠大幅度提高土壤中的轉(zhuǎn)化酶、脲酶和中性磷酸酶活性。Jin[30]研究證明，施用生活垃圾生物炭能一定程度上增加土壤中性磷酸酶活性；Jones等[31]連續(xù)3年將淤泥生物炭以50 t/hm2的施用量施入農(nóng)田，發(fā)現(xiàn)土壤反硝化酶活性顯著增高。張旭輝等[19]將不同比例生物炭施入黃壤和紫色土，結(jié)果表明黃壤蔗糖酶活性下降，紫色土蔗糖酶活性升高,黃壤脲酶活性隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而增加，培養(yǎng)時(shí)間對(duì)紫色土脲酶活性無顯著影響。說明生物炭對(duì)土壤脲酶、蔗糖酶和中性磷酸酶活性的影響規(guī)律大致相同，但是土壤類型、生物炭來源及其添加量和培養(yǎng)時(shí)間對(duì)土壤酶活性的影響存在一定差異。馮愛青等[32]研究表明，添加0.5%小麥秸稈生物炭可使土壤脲酶活性增加20%，土壤脫氫酶活性降低11%，并會(huì)抑制中性磷酸酶活性，但對(duì)土壤過氧化氫酶活性無顯著影響。李治玲[33]研究指出，施用稻殼生物炭，培養(yǎng)30～60 d后黃壤和紫色土過氧化氫酶活性無顯著變化，培養(yǎng)180 d后過氧化氫酶活性顯著增加，且添加4%稻殼生物炭處理的過氧化氫酶活性最高，這與本研究結(jié)果并不一致。本研究結(jié)果表明，添加生物炭抑制了土壤過氧化氫酶活性，其中添加1%油菜秸稈生物炭(BC3-1)處理土壤的過氧化氫酶活性降幅最大，為30.0%；添加1%玉米秸稈生物炭(BC1-1)、4%玉米秸稈生物炭(BC1-4)、2%水稻秸稈生物炭(BC2-2)和2%油菜秸稈生物炭(BC3-2)處理土壤的過氧化氫酶活性均較低且無顯著差異。因此，生物炭對(duì)土壤過氧化氫酶活性的影響不僅與其來源和添加量有關(guān)，而且還與土壤類型及培養(yǎng)時(shí)間關(guān)系密切。

本研究結(jié)果顯示，添加生物炭對(duì)土壤的物理、化學(xué)及生物性質(zhì)都有影響，不同生物炭處理的土壤肥力水平不同，其中添加4%油菜秸稈生物炭為培肥黃壤的最優(yōu)處理。研究表明，土壤肥力受多方面因素的影響，某單一指標(biāo)并不能表征不同生物炭的培肥效果，對(duì)添加生物炭的土壤肥力進(jìn)行數(shù)值化綜合評(píng)價(jià)，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)更能發(fā)揮應(yīng)有的作用[34]。本研究根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)供試土壤的體積質(zhì)量、養(yǎng)分指標(biāo)和酶活性的隸屬度進(jìn)行了計(jì)算，但在確定隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的取值時(shí)，因?yàn)橥寥烂富钚陨袩o統(tǒng)一的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，所以本研究按照張麗瓊等[15]的研究方法，通過試驗(yàn)樣本測(cè)定中酶活性的最大值及最小值確定隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的取值，這與實(shí)際可能存在出入。因此在對(duì)土壤肥力進(jìn)行數(shù)值化綜合評(píng)價(jià)時(shí)，對(duì)于酶活性的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，還需進(jìn)一步研究和探索。

4 結(jié) 論

生物炭能夠明顯提高酸性黃壤的肥力水平，具有較好的培肥效果，生物炭類型及添加量對(duì)黃壤理化性質(zhì)和生物活性的影響有差異。生物炭添加量越大越有利于降低黃壤體積質(zhì)量，添加4%的生物炭可使0～5 cm土層的黃壤體積質(zhì)量達(dá)適宜等級(jí)。添加量為1%～4%時(shí)，隨著生物炭添加量增加，土壤pH、有機(jī)質(zhì)、有效P、速效K、全N、全P、全K含量均相應(yīng)增大。3種生物炭中，油菜秸稈生物炭最有利于土壤脲酶、蔗糖酶和中性磷酸酶活性的提高及過氧化氫酶活性的降低。因此，添加4%油菜秸稈生物炭是提高酸性黃壤肥力水平的最優(yōu)選擇。