生物炭对东北酸性土养分含量、酶活性及大豆产量的影响

代舟，孟军，田晓翠，祝敬宜，李红宇，丁国华，郑桂萍，殷大伟，

（1.黑龙江八一农垦大学农学院，大庆163319；2.辽宁省生物炭工程技术研究中心；3.黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所）

生物炭对东北酸性土养分含量、酶活性及大豆产量的影响

代舟1，孟军2，田晓翠1，祝敬宜1，李红宇1，丁国华3，郑桂萍1，殷大伟1，2

（1.黑龙江八一农垦大学农学院，大庆163319；2.辽宁省生物炭工程技术研究中心；3.黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所）

我国东北地区存在大面积的酸化土壤，其不良的化学性质严重地制约了作物产量的提升，生物炭可有效调控土壤的养分含量、增加作物产量已得到广泛认同。试验研究了不同用量的生物炭对酸性土化学性质、酶活性、大豆干物质积累及产量的影响。结果表明，生物炭可增加酸性土的全P、全S、全K、全C和C/N，降低Na含量，还可增加蔗糖酶、纤维素酶、蛋白酶和脲酶含量。生物炭增加了大豆干物质积累量和产量，并在15 t·hm-2时达到最大值。

生物炭；酸性土；养分；酶活性；大豆

土壤酸化将引起一系列物理、化学和生物学性质的变化，导致营养元素的淋失和有毒元素的释放，从而影响农业生产和生态环境的质量。我国土壤由于长期的高负荷生产，土壤酸化现象严重，因此改良酸性土壤对稳定发展粮食生产意义重大。

生物炭是指生物质在缺氧条件下不完全燃烧所产生的稳定的富碳产物［1］。研究结果表明生物质炭化还田可以提高土壤有机碳含量水平［2-5］，其灰分含有大量的盐基离子，如钙，镁，钾、钠等盐基离子，通过离子交换进而降低土壤氢离子及铝离子水平［6-7］，还可对作物的生长起到良好的促进作用［8-10］。国内外已展开生物炭改良障碍性低产土壤的相关研究，但生物炭针对东北酸性土进行改良报道少见。因此，研究拟以东北酸性土为试验材料，研究不同用量的生物炭对酸性土养分含量、酶活性、大豆干物质积累量及产量的影响，为生物炭改良酸性土提供理论支持。

1 材料和方法

1.1 供试土壤

试验在黑龙江省农垦总局850农场（132°28′0″E，45°44′5″N）进行。该地属于温带半湿润气候带，海拔89 m，年降雨量540.6 mm，蒸发量1 172.3 mm，年平均气温3.2℃，年日照时间2 305 h，年无霜期142 d，积温2 571.1℃，干燥指数1.2，土壤类型为草甸白浆土，供试土壤取自5～25 cm酸化黑土层，土壤的化学性质见表1。

表1 土壤与生物炭的基本化学性质Table 1Chemical properties of albic soil and biochar

1.2 生物炭

生物炭由辽宁金和福农业开发有限公司提供，制备方法参见中国发明专利（ZL200710086505.4），过80目筛备用，生物炭的化学性质见表1。

1.3 供试作物

选择大豆作为供试作物，品种为黑河19。

1.4 试验设计

采用盆栽试验，盆的顶部直径为30 cm，底部直径为25 cm。试验设为4个处理，三次重复，每个处理设置50盆，4个处理的生物炭用量分别为0、5、15、25 t·hm-2。将生物炭与肥料充分混匀，肥料的用量为磷酸二铵：35.0 kg·hm-2，尿素：30.0 kg·hm-2，氯化钾：60 kg·hm-2，每盆装过筛混匀的酸性土10 kg。将生物炭与肥料混合后，1/3放入土层9 cm处，2/3放入土层16 cm处。于2014年5月15日播种，2014年9月30日收获，生长期为120天。每盆种植三颗大豆。

1.5 测定项目与方法

于大豆成熟期测定土壤化学性质及酶活性。土壤全C、全N、全S、C/N采用元素分析仪（Vario MAX. CN，Elementar，德国）测定，全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法，全钾、Ca、Na采用火焰光度计法，pH1∶2.5（H2O）、pH1∶2.5（CaCl2）采用pH计测定，EC采用DDS-307数字电导仪（上海雷磁仪器厂）测定［11-12］。脲酶采用苯酚钠比色法，以每克土中NH4+-N的毫克数表示（24 h后），过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法（以每克土消耗的0.1 mol·L-1高锰酸钾的毫升数表示），蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法（以24 h后每克土中葡萄糖的毫克数表示），纤维素酶采用二硝基水杨酸比色法测定（以72 h每克土生成葡萄糖毫克数表示），蛋白酶加勒斯江法测定（以24 h后每克土含有甘氨酸的毫克数表示）［13］。

于大豆苗期、分枝期、成熟期分别测定大豆根、茎、叶、柄的干物质积累量，并计算各器官的干物质分配比例（各器官干物质分配比例=各器官干物质重/整株干物质重），于成熟期测定大豆产量。

1.6 统计分析

使用SPSS19.0进行单因素方差分析，Tukey多重比较判断处理间的差异显著性（P≤0.05），用Microsoft Excel 2007作图。

2 结果与分析

2.1 生物炭对酸性土化学性质的作用

生物炭可增加酸性土的全K量，并在15 t·hm-2时达到最大值12.50 g·kg-1，较CK增加9.38%，并达显著差异（P＜0.05）。生物炭降低了全Na量，并在25 t·hm-2时达到最小值为1.68 g·kg-1，较CK降低45.63%。生物炭对Ca含量和全氮量没有显著的影响。生物炭增加了全P量，并在25 t·hm-2时达到最大值为1.10 g·kg-1。生物炭显著提高了酸性土的全C量、全S量和C/N。生物炭增加了酸性土的pH1∶2.5（H2O）、pH1∶2.5（CaCl2）和EC值，并在25 t·hm-2时达到最大值。

表2 生物炭对酸性土化学性质的作用Table 2The effect of biochar on chemical properties of acid soil

2.2 生物炭对酸性土壤酶活性的作用

生物炭可增加酸性土的蔗糖酶和纤维素酶含量并在5 t·hm-2时达到最大值，分别较CK增加12.71%、35.18%。随着生物炭用量的增加，过氧化氢酶呈先增加后降低的趋势。生物炭增加了酸性土的蛋白酶含量，并在15、25 t·hm-2时达到最大值0.09 mg·g-1。生物炭增加了酸性土脲酶的含量并在25 t·hm-2时达到最大值，较CK增加81.33%。

2.3 生物炭对大豆干物质积累量的影响

生物炭可增加大豆各时期的叶片重并在15 t·hm-2时达到最大值，但降低了叶片重比率。生物炭可增加大豆各时期的茎重，成熟期的茎重在15 t·hm-2时达到最大值，并增加了苗期、分枝期的茎重比例。生物炭可增加大豆各时期的柄重，并在15 t·hm-2时达到最大值。生物炭增加了各时期的根重，并在25 t·hm-2时达到最大值。

图1 生物炭对土壤酶活性的影响Fig.1The effect of biochar on enzymatic activity of acid soil

表3 生物炭对大豆各时期干物质分配的作用Table 3Changes of soybean dry matter accumulation in different periods as result of biochar appliment

续表3生物炭对大豆各时期干物质分配的作用Continued table 3Changes of soybean dry matter accumulation in different periods as result of biochar appliment

2.4 生物炭对大豆产量的作用

生物炭可增加大豆的产量，当生物炭用量为15 t·hm-2时，大豆的产量（每盆）达到最大值为98.67 g，较对照增加37.21%。

图2 生物炭对大豆产量的影响Fig.2The effect of biochar on soybean yield of acid soil

3 讨论

生物炭增加了酸性土的全N、C、S、P、K、C/N、EC和pH值。土壤养分含量的增加是因为生物炭含有一定数量的养分，而且生物炭具备正、负两种电荷，有利于吸附酸性土中的养分离子［7］。生物炭增加了酸性土的pH值，这也会抑制H+对酸性土阳离子养分的置换，进而抑制了养分随水流失。生物炭降低了酸性土的Na含量，可能是因为生物炭增加了大豆植株生长量，Na元素被作物吸收，具体原因有待于进一步研究。

生物炭增加了酸性土的蔗糖酶、脲酶、纤维素酶、蛋白酶的活性。酶含有微量的顺磁性过渡金属原子或离子，它们在脲酶中起着辅基、辅酶或活性中心等作用。这些原子或离子受到洛伦兹力的作用，使其电荷运动方向不同而导致分子构相得变形和扭曲，改变酶的结构、活性的变化。此外酶促反应中存在着未配对电子，可通过影响反应中间产物的电子自旋状态进而影响化学反应的进行［14］。因此生物炭是否会改变作用于酶的洛伦兹力，有待于进一步研究。生物炭在高用量时降低了过氧化氢酶的活性，具体原因也尚待研究。

生物炭可增加大豆的子粒产量。这是因为施用生物炭能显著增加酸性土pH，由此可能降低了Al、Cu、Fe等重金属可交换态的含量，进而缓解了对大豆的毒害作用。生物炭含有大量的灰分元素，增加了酸性土中的养分含量，同时生物炭具备极强的吸附能力，可以有效的吸附酸性土壤中的养分离子，还可促进土壤中微生物的繁殖、提高多种酶活性。

4 结论

试验研究了不同用量的生物炭对酸性土化学性质、酶活性、大豆干物质积累及产量的影响。结果表明，生物炭可增加酸性土的全P、全S、全K、全C和C/N，降低Na含量，还可增加蔗糖酶、纤维素酶、蛋白酶和脲酶含量。生物炭增加了大豆干物质积累量和产量，当生物炭用量为15 t·hm-2时，每盆大豆的产量达到最大值为98.67 g，较对照增加37.21%。

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Effects of Biochar on Acid Soil Nutrient Content，Enzyme Activity and the Soybean Yield in Northeast China

Dai Zhou1，Meng Jun2，Tian Xiaocui1，Zhu Jingyi1，Li Hongyu1，Ding Guohua3，Zheng Guiping1，Yin Dawei1，2

（1.College of Agronomy，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319；2.Biochar Engineering Technology Research Center of Liaoning Province；3.Institute of Crop Tillage and Cultivation，Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences）

There was a large area of acid soil in northeast China，which bad chemical property seriously restricted the crop yield.The biochar could effectively control the soil nutrient content and increase the crop yield.The effect of different dosage of biochar on the acid soil nutrient content，enzyme activity，soybean dry matter accumulation and yield was studied.The results showed that the biochar could increase the total P，total S，total K，total C and C/N of soil，but reduce the Na content，increase the content of sucrase，cellulose enzyme，proteinase and urease.The biochar increased the accumulation of soybean dry matter and yield，and reached maximum at 15 t·hm-2.

biochar；acid soil；nutrient；enzymatic activity；soybean

S529

A

1002-2090（2016）04-0001-05

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.04.001

2015-08-17

黑龙江八一农垦大学博士科研启动基金（2041030012）。

代舟（1995-），男，黑龙江八一农垦大学农学院种子工程与科学专业2013级本科生。

殷大伟，男，讲师，沈阳农业大学毕业，E-mail：yindazhiyindawei@126.com。