秸秆生物炭及秸秆对大豆生长及土壤微生物活性的影响

杨 倩，李登科，王永斌，李宗兰，李海伟，杜珊珊，沈禹颖

(兰州大学草地农业科技学院，草地农业生态系统国家重点实验室，甘肃 兰州 730020)

秸秆生物炭及秸秆对大豆生长及土壤微生物活性的影响

杨 倩，李登科，王永斌，李宗兰，李海伟，杜珊珊，沈禹颖

(兰州大学草地农业科技学院，草地农业生态系统国家重点实验室，甘肃 兰州 730020)

为了明确不同秸秆利用方式对作物生长及土壤微生物的影响，采用盆栽试验，研究秸秆直接添加和秸秆生物炭添加对大豆生长状况、根际土壤有机碳及微生物群落功能多样性的影响.结果表明:秸秆生物炭添加(MB和WB)能有效提高大豆盛花期地下生物量.秸秆直接添加(M和W)能显著增加大豆花期根际土壤有机碳的含量，玉米秸秆直接添加处理(M)下的有机碳含量最高，为21.15 mg/g.大豆成熟期，秸秆生物炭添加处理(MB和WB)下土壤有机碳含量较空白处理(CK)显著增加，玉米秸秆添加处理(M)下根际土壤有机碳含量显著高于小麦秸秆添加处理(W).不同秸秆利用方式下大豆根际土壤平均颜色变化率(AWCD)随时间延长而增加，MB和WB处理较M和W处理能显著提高成熟期大豆根际土壤AWCD值.因此，可利用秸秆生物炭添加改善大豆根际土壤微生物活性，提高土壤碳贮量.

作物秸秆；生物炭；大豆生长；土壤有机碳；土壤微生物

作物秸秆是农作物生产过程中产生的一种生物质资源.中国秸秆资源丰富，约占世界秸秆总量的25%左右[1].但是长期以来秸秆作为一类资源没有得到充分合理的利用，在我国黄土高原雨养农业区，玉米和小麦作为主要的农作物，其秸秆常常被丢弃、焚烧，少部分被用来饲喂牲畜，不仅造成资源浪费，同时在焚烧过程中产生的大量CO2和黑炭气溶胶污染环境，进一步加剧温室效应[2].因此，随着环境、能源和粮食危机的日益加剧，合理利用秸秆资源，建立起可持续发展的“循环农业”系统是当前研究的热点问题，生物炭作为一种秸秆的多级利用方式也就成为学术界研究的热点课题之一.

生物炭(biochar)也称生物质炭，一般是指生物质材料(如农作物秸杆、木材、动物翼便、污泥、树叶等)在完全或部分缺氧的条件下，经一定温度热解产生的一种含炭素的固态物质，通常温度控制在700℃以下[3].生物炭由于其较强的吸附性、吸湿性、稳定性以及碳负性[4]等，已被广泛应用于污水处理、空气净化以及土壤改良等领域.尤其在土壤改良方面，众多研究发现生物炭可以有效改善土壤物理结构，增加土壤水分，减少土壤的抗张力强度，有利于植物种子萌发、根系生长[5].生物炭本身含有一定量的营养元素，其微孔结构能很好的吸附土壤中的矿质营养，提高土壤有机碳累积[6]，减少氮素等营养元素的淋溶损失.生物炭已经被证实能够改变土壤的微生物数量及群落结构[7]，其对土壤微生物多样性的影响与生物炭的特征及土壤的基本性质有关[8].不同用量的生物炭使豌豆根系的固氮量由对照的50%提高到72%，并使作物根部真菌的繁殖能力增强[7].近年来，秸秆废弃物转化生物炭还田，改良贫瘠土壤质量，提高土壤微生物活性的相关研究已有开展[9].但是，就生物炭对黄土高原土壤微生物群落功能多样性的影响，并未见广泛报道.不同类型生物炭对土壤、植物、微生物的作用差异及其影响土壤碳封存的微生物学机制还尚不清楚.

因此，本研究以盆栽大豆作为研究对象，以黄土高原典型土壤(黑垆土)作为供试土壤，采用温室可控试验，对施用生物炭后土壤有机碳、根际微生物群落功能多样性和大豆生长特性的变化等进行研究，试图探明生物炭对植物生长、土壤有机碳含量以及微生物活性的影响以及三者之间的关系，为进一步大田试验提供依据，并为秸秆生物炭在农业特别是在黄土高原地区的应用提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试土壤

供试土壤采用兰州大学庆阳黄土高原试验站内多年撂荒地，土壤为黑垆土，机械组成中粉粒含量70%，有机质含量1%左右，土壤全氮含量低于0.1%，pH值为8.0-8.5.

1.1.2 供试作物

供试作物选取陇东黄土高原地区普遍种植的大豆品种“丰收12号”.

1.1.3 供试秸秆

供试秸秆选取兰州大学庆阳黄土高原试验站实施13年保护性耕作的玉米-小麦-大豆轮作系统内产生的玉米和小麦秸秆.

1.1.4 生物炭制备

将供试的玉米和小麦秸秆切成2 cm左右的小段，粉碎后过2 mm筛；然后将过筛后的秸秆粉末装入直径10 cm的铝盒中压实盖紧；放入马弗炉，升温至450℃，保持5 min；用坩埚钳取出铝盒即刻放入真空干燥器中，抽真空防止盒内高温材料与氧气接触继续燃烧，待铝盒完全冷却，倒出生物炭备用.

1.2 盆栽试验设计

试验采用土培法，试验所用的PVC花盆，高50 cm，直径32 cm.每盆装入10 kg供试土壤.每盆播种处理好的种子10粒，共计120盆，于兰州大学草地农业科技学院环境可控智能温室中进行25℃恒温栽培，每日6:00-22:00给予补光.

实验共设5个处理，玉米秸秆直接添加(M)；玉米秸秆生物炭添加(MB)；小麦秸秆直接添加(W)；小麦秸秆生物炭添加(WB)；对照(不添加)(CK).每个处理6个重复，完全随机区组排列.

每盆均施入尿素(100 mg N/kg土)作为底肥，秸秆及生物炭的添加量均为10 g/kg土的比例混入土壤[10].培养期间确保土壤的田间持水量为75%左右，以利于种子整齐健壮出苗，待出苗整齐后进行间苗，每盆定苗5株.

1.3 测定指标及方法

在大豆盛花期及成熟期进行植物样品采集，分别测量大豆的株高、地上地下生物量、单株结荚数、每荚粒数、单株粒重等.

在大豆盛花期及成熟期通过采用挖掘法和抖根法[11]进行根际土样采集.所有新鲜土样带回实验室后，人工除去植物残体、根系.部分土样在36℃下烘干，用于土壤有机碳的测定，测定方法为改进的Walkley-Black法.其余鲜土保存于4℃冰箱中，于一周内用Biolog方法进行微生物群落功能多样性的测定.

1.4 数据处理

土壤微生物群落功能多样性采用平均颜色变化率(average well color development，AWCD)进行数据分析.

式中，Ci为各反应孔在590 nm下的光密度值；R为ECO板对照孔的光密度值；n为培养基碳源种类数.

采用最小显著差异法(LSD)进行多重比较(Genstat Discovery Edition 2)，显著性水平设定为0.05，用Excel 2010作图.

2 结果与分析

2.1 不同秸秆利用方式对大豆生长的影响

2.1.1 不同秸秆利用方式对花期大豆生长特性的影响

大豆在10月8日播种，于播种后42天达到盛花期.大豆在花期的生长状况如表1所示，不同秸秆及秸秆生物炭添加后大豆株高较无添加处理(CK)均有不同程度的提高，其中添加玉米秸秆处理(M)下大豆的株高最高，达到24.3 cm，是无添加处理(CK)的1.38倍，但各处理间的差异均未达到显著性水平(P＞0.05).花期大豆根长表现为无添加处理(CK)最短，玉米秸秆添加处理(M)下最长，但各处理间没有显著性差异(P＞0.05).不同秸秆利用方式对花期大豆地上生物量的影响不同，秸秆及生物炭添加能促进玉米地上生物量积累，玉米秸秆生物炭添加(MB)后地上生物量较无添加处理(CK)显著提高96.4%(P＜0.05)，其他处理间无明显差异.不同处理下大豆地下生物量的变化趋势与地上生物量基本一致，MB处理下最高，为2.10 g/盆，显著高于CK处理61.5%(P＜0.05).

表1 不同秸秆利用方式对花期大豆生长特性的影响Table 1 Effect of different utilization of residue on soybean growth characteristics in flowering stage

2.1.2 不同秸秆利用方式对成熟期大豆生长特性的影响

大豆于播种后84天达到成熟期.不同秸秆利用方式对成熟期大豆生长状况的影响有所不同，如表2所示.大豆成熟期株高表现为M处理最高，显著高于其他各处理，是CK处理的1.31倍(P＜0.05).大豆成熟期根长依次表现为W＞WB＞M＞MB＞CK，但未达到显著性水平(P＞0.05).大豆成熟期地上、地下生物量均表现为在WB处理下最高，分别比CK处理显著提高了29.0%和29.1%(P＜0.05).不同秸秆利用方式对大豆单株结荚数及每荚粒数没有显著影响，但是不同处理下单株粒重的变化趋势与地上生物量一致，也表现为WB处理显著高于CK和M处理，分别提高了25.0%和43.8%(P＜0.05)，其他各处理间没有显著性差异.

2.2 不同秸秆利用方式对大豆根际土壤有机碳的影响

大豆花期根际土壤有机碳含量如图1所示，不同处理下有机碳由高到低依次表现为:M＞W＞MB＞WB＞CK.无添加处理(CK)下土壤有机碳含量显著低于两个秸秆添加处理，分别比M及W处理显著降低10.5%和7.8%(P＜0.05).两个秸秆生物炭添加处理土壤有机碳含量虽较无添加处理(CK)略有升高，但均未达到显著性水平.玉米秸秆添加处理(M)和小麦秸秆添加处理(W)下根际土壤有机碳含量显著高于施用小麦秸秆生物炭处理(WB)，分别提高了11.8%和8.6%(P＜0.05).总体表明，直接施用秸秆对大豆花期根际土壤有机碳含量的提升效果更明显，尤其是玉米秸秆的施用.

表2 不同秸秆利用方式对大豆成熟期生长特性的影响Table 2 Effect of different utilization of residue on soybean growth characteristics in maturity stage

图1 不同秸秆利用方式对大豆花期根际土壤有机碳的影响Fig.1 Effect of different utilization of residue on the rhizosphere soil organic carbon in soybean flowering stage

如图2所示，大豆成熟期根际土壤有机碳含量在不同处理下有所不同，仍表现为无添加处理(CK)最低，为18.98 mg/g.大豆成熟期不同秸秆利用方式对根际土壤有机碳的影响与大豆花期相比存在差异，主要表现为成熟期施用秸秆生物炭后土壤有机碳含量显著增加，小麦生物炭处理(WB)下土壤有机碳含量高达21.90 mg/g.MB和WB处理下土壤有机碳含量较CK处理显著增加了10.6%和15.3%(P＜0.05).同时M处理下土壤有机碳含量在大豆成熟期显著高于W处理，是其的1.22倍.小麦秸秆添加较无添加处理土壤有机碳含量没有显著差异(P＞0.05).

图2 不同秸秆利用方式对大豆成熟期根际土壤有机碳的影响Fig.2 Effect of different utilization of residue on the rhizosphere soil organic carbon in soybean maturity stage

2.3 不同秸秆利用方式对大豆根际土壤微生物群落功能多样性的影响

由图3可见，大豆花期不同秸秆利用方式下根际土壤前24 h AWCD值较低，表明碳源基本未被利用，48 h后各处理间AWCD值的差异随培养时间的延长而增大，微生物碳源利用量均呈逐渐增加的趋势.大豆花期根际土壤微生物利用单一碳源能力的大小顺序为:W＞M＞WB＞MB＞CK，在240 h下各处理的AWCD值达到峰值，玉米秸秆添加处理(M)最高，为1.74，是无添加处理(CK)的1.57倍(P＜0.05).小麦秸秆添加处理(W)下AWCD值是无添加处理(CK)的1.56倍(P＜0.05)，但两种秸秆对AWCD值的影响没有显著差异.两种秸秆生物炭添加(MB和WB)后AWCD值分别较CK处理显著提高了33.3%和36.4%(P＜0.05).

图3 不同秸秆利用方式下大豆花期根际土壤AWCD值的变化规律Fig.3 Effect of different utilization of residue on the AWCD variation trends in soybean flowering stage

从图4可知，不同秸秆利用方式下大豆成熟期根际土壤AWCD值变化趋势与大豆花期一致，随时间延长而增加，在培养24 h内无明显变化，48 h后表现出快速增长的趋势，240 h达到峰值，与无添加处理(CK)相比，其他4个处理(M、MB、W、WB)下大豆根际土壤AWCD值显著增加.与花期土壤AWCD值表现不同，两个秸秆生物炭添加处理(MB和WB)的AWCD值显著高于两个秸秆直接添加的处理(M和W).MB和WB处理下AWCD值较CK处理分别显著提高了29.0%和26.6%(P＜0.05)，而M和W处理较CK处理仅显著提高了19.4%和14.5%(P＜0.05).说明施用秸秆和秸秆生物炭对大豆根际土壤微生物碳源利用能力显著提升，且秸秆生物炭作用效果好于秸秆直接添加.

图4 不同秸秆利用方式下大豆成熟期根际土壤AWCD值的变化规律Fig.4 Effect of different utilization of residue on the AWCD variation trends in soybean maturity stage

3 讨论

不同处理下的秸秆添加均有利于大豆生长，尤其表现在秸秆生物炭能显著促进大豆植株地上及地下生物量的积累，这与Chan等向萝卜施用以农业残余物为原料制得的生物炭所得的结果一致[12].但是本研究发现在大豆花期，玉米秸秆生物炭能显著增加大豆地上及地下生物量，而在大豆成熟期生物量的显著增加主要出现在施用小麦秸秆生物炭的处理，这与不同生物炭自身理化性质以及分解和养分释放过程的不同有关，例如不同秸秆生物炭在分解过程中C/N的变化导致植物可吸收氮含量的降低，具体原因还需要进一步深入的研究.土壤有机碳含量是土壤微生物、水分、温度、土壤质地等各种因素综合影响下有机碳输入与输出之间动态平衡的结果[13].目前的研究普遍认为秸秆中富含纤维素、半纤维素和木质素、蛋白质等物质，其还田后通过微生物的发酵、腐解过程能显著增加土壤有机质含量[14-15]，这与本研究不同秸秆利用方式下根际土壤有机碳含量的结果一致.但是在大豆不同生育期土壤有机碳对不同秸秆利用方式的响应差异明显，在大豆花期，秸秆直接添加后土壤有机碳明显高于秸秆生物炭添加的处理；而在大豆成熟期，生物炭添加后的土壤有机碳迅速增加，显著高于秸秆直接添加的土壤，这可能与生物炭相比秸秆分解速度较慢，且施用于土壤表层有关，因此根际土壤有机质含量增加在大豆生长后期表现更为明显.这同时也证明秸秆生物炭相对稳定，能持续、有效的增加土壤有机碳含量，可以作为固碳减排和提升土壤碳库的有效途径[16].土壤微生物群落多样性反映了微生物群落总体的动态变化，而研究土壤微生物对不同碳源利用能力的差异，可深入了解微生物群落的功能群组成.以BIOLOG微孔板碳源利用为基础的定量分析为描述微生物群落功能多样性提供了一种更为简单和快速的方法[17].平均颜色变化率(AWCD)是反映微生物活性和功能多样性的一个最为重要的指标[18].微生物活性增加能促进生物炭在土壤中的氧化降解，有利于土壤团聚体的形成，从而有效改善微生物生活的微环境，进一步增加微生物活性[19]，这与本研究得到的结果一致.且不同秸秆利用方式对微生物群落功能多样性的影响与土壤有机碳含量的表现一致，也表现出明显的时间差异，这是由于秸秆能在短时间内迅速释放营养物质，而当其制备成生物炭后，可在土壤中保持数百年至数千年，缓慢释放营养物质[20]有关.但是秸秆及秸秆生物炭和作物及土壤环境间的相互影响是复杂的、多方面的，其机理还有待于进一步长期的研究.

4 结论

不同秸秆及秸秆生物炭添加对不同时期盆栽大豆生长的影响有所不同.施加秸秆生物炭和秸秆直接添加均可显著提高大豆不同生育期内根际土壤有机碳含量及微生物群落功能多样性.不同生育期，根际土壤有机碳含量及微生物群落功能多样性对不同秸秆利用方式的响应明显不同，花期秸秆直接添加对根际土壤有机碳含量及微生物群落功能多样性的提升效果优于秸秆生物炭添加处理，而成熟期施用秸秆生物炭的处理有机碳含量及微生物群落功能多样性显著高于其他处理.说明生物炭较秸秆具有更高的稳定性，有利于土壤有机碳积累.

[1]LAL R.World crop residues production and implications of its use as a biofuel[J].Environment International，2005，31(4):575-584.

[2]许黎，王亚强，罗勇，等.黑炭气溶胶的气候效应和拓展的研究领域[J].气候变化研究进展，2007，3(6):328-333.

[3]LEHMANN J，SOHI S.Comment on“Fire-derived charcoal causes loss of forest humus”[J].Science，2008，321:1295.

[4]GLASER B，PARR M，BRAUN C，et al.Biochar is carbon negative[J]. Nature Geoscience，2009，2(1):2-2.

[5]WANARNOCK D D，LEHMANN J，KUYPER T W，et al.Mycorrhizal responses to biochar in soil-concepts and mechanisms[J].Plant and Soil，2007，300(1-2):9-20.

[6]WARDLED A，NILSSON M C，ZACKRISSON O.fire-derived charcoal causes loss of forest humus[J].Science，2008，320(5876):629.

[7]LEHMANN J，ELLENBERGER C，HOFFMANN C.Morpho-functional studies regarding the fertility prognosis of mares suffering from equine endometrosis[J].Theriogenology，2011，76(7):1326-1336.

[8]RONDON M，LEHMANN J，RAMÍREZ J，et al.Biological nitrogen fixation by common beans(Phaseolus vulgaris L.)increases with biochar additions[J].Biology and Fertility of Soils，2007，43:699-708.

[9]颜永毫，郑纪勇，张兴昌，等.生物炭添加对黄土高原典型土壤田间持水量的影响[J].水土保持学报，2013，27(4):120-124.

[10]李明，李忠佩，刘明，等.不同秸秆生物炭对红壤性水稻土养分及微生物群落结构的影响[J].中国农业科学，2015，48(7):1361-1369.

[11]MARSCHNER P，NEUMANN G，KANLA A，et al.Spatial and temporal dynamics of the microbial community structure in the rhizosphere of cluster roots of white lupin(Lupinus albus L.)[J].Plant and Soil，2002，246:167-174.

[12]CHAN K Y，VANZWIETEN L，MESZAROS I，et al.Agronomic values of greenwaste biochar as a soil amendment[J].Australian Journal of Soil Research，2007，45:629-634.

[13]韩玮，申双和，谢祖彬，等.生物炭及秸秆对水稻土各密度组分有机碳及微生物的影响[J].生态学报，2016，36(18).

[14]刘定辉，蒲波，陈尚洪，等.秸秆还田循环利用对土壤碳库的影响研究[J].西南农业学报，2008，21(5):1316-1319.

[15]孙星，刘勤，王德建，等.长期秸秆还田对剖面土壤肥力质量的影响[J].中国生态农业学报，2008，16(3):587-592.

[16]Lehmann J，Gaunt J，Rondon M.Bio-char sequestration in terrestrial ecosystems-a review.Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change，2006，11:395-419.

[17]PRESTON M J，BODDY L，RANDERSON P F.Analysis of microbial community functional diversity using sole-carbon source utilization profiles-a critique[J].FEMS Microbiolog Ecology，2002，42:1-14.

[18]刘爱民，黄为一.铜尾矿复垦后土壤微生物活性及其群落功能多样性研究[J].生态环境，2005，14(6):876-879.

[19]刘祥宏.生物炭在黄土高原典型土壤中的改良作用[D].北京:中国科学院研究生院，2013.

[20]VAN ZWIETEN L，KIMBER S，MORRIS S，et al.Effects of biochar from slow pyrolysis of papermill waste on agronomic performance and soil fertility[J].Plant Soil，2010，327(1/2):235-246.

(责任编辑:李建忠，付强，张阳，罗敏；英文编辑:周序林，郑玉才)

Effect of different utilization of residue on soybean growth and soil microbial activity

YANG Qian，LI Deng-ke，WANG Yong-bin，LI Zong-lan，LI Hai-wei，SHEN Yu-ying
(State Key Laboratory of Agro-ecosystems，College of Pastoral and Agricultural Science and Technology，Lanzhou University，Lanzhou 730020，P.R.C.)

Potting experiment was conducted to study the influence of different residue utilization on soybean growth，rhizosphere soil organic carbon and soil microbial community functional diversity.The results showed that in the flowering stage，the under ground biomass of soybean were increased significantly under residue biochar adding treatment(MB and WB).Soil organic carbon was significantly increased under residue adding treatment(M，W).The organic carbon content of maize residue added treatment(M)was the highest，21.15 mg/g.While in maturity stage，the soil organic carbon of residue biochar adding treatment (MB，WB)was significantly increased compared to CK treatment.And the soil organic carbon of maize residue adding treatment (M)was higher than that of wheat residue adding treatment(W).The average well color development(AWCD)was increased with time，which was of no significant difference within 24h among five treatments.The AWCD value of residue biochar adding treatment(MB，WB)was significantly improved compared to residue adding treatment(M，W)in amturity stage.Therefore，residue biochar adding can improve soybean rhizosphere organic carbon and soil microbial activity.

residue；biochar；soybean growth；soil organic carbon；soil microorganism

S181；S812.29

A

2095-4271(2016)06-0591-07

10.11920/xnmdzk.2016.06.001

2016-09-26

杨倩(1985－)，女，汉族，甘肃兰州市人，实验师，博士.研究方向:草－田系统功能.E-mail:yangqian08＠lzu.edu.cn

沈禹颖(1965－)，女，汉族，上海人，教授.研究方向:草地－作物系统.E-mail:yy.shen＠lzu.edu.cn

中央高校基本科研业务费专项资金(lzujbky－2014－196)