生物质碳对设施西芹根际微生物及土壤酶活性的影响

杨冬艳，王学梅，冯海萍，谢 华

（宁夏农林科学院种质资源研究所，宁夏 银川 750002）

生物质碳对设施西芹根际微生物及土壤酶活性的影响

杨冬艳，王学梅，冯海萍，谢 华

（宁夏农林科学院种质资源研究所，宁夏 银川 750002）

施用生物质炭是提高作物产量和改善土壤质量的有效措施。研究了不同用量的生物质炭对宁夏设施土壤微生物环境及酶活性的影响，结果表明：生物质炭能增加土壤中细菌、真菌和放线菌、微生物量N、C的含量，且在西芹定植期反应敏感，比较定植时期各指标隶属函数发现，TR2生物炭用量在西芹定植时期优化土壤环境效果最佳，利于西芹的生长，因而产量最高；西芹收获时，各处理的隶属函数值均高于对照，以TR5土壤综合理化性状更优，但TR5在苗期综合表现不佳，产量较低，说明高用量的生物炭在使用初期或有抑制作用，因此在宁夏设施中使用生物质炭建议用量为4 500～6 750 kg/hm2。

生物质炭；设施土壤；土壤微生物；土壤酶

生物质炭（biochar）是生物有机材料在无氧或者限氧状态下高温裂解分离可燃气后剩余炭化的含碳丰富的固态产品［1］。近年来，生物质炭作为土壤改良剂、肥料缓释载体及碳封存剂备受重视，研究表明，生物质炭富含有机碳，可以增加土壤有机碳［2］、土壤有机质［3］或腐殖质含量，从而可提高土壤的养分吸持容量及持水容量［4-5］；生物炭具有离子吸附交换能力及一定吸附容量，其可改善土壤的阳离子或阴离子交换量，提高土壤的保肥能力［6］；生物炭具有高的吸附能力、阳离子交换量（CEC）及化学反应性，可作为肥料缓释载体，延缓肥料养分在土壤中的释放，降低肥料养分的淋失及固定等损失，提高肥料养分利用率［7-8］；生物炭的孔隙结构及水肥吸附作用使其成为土壤微生物的良好栖息环境，为土壤有益微生物提供保护，特别是菌根真菌，促进有益微生物繁殖及活性，增强泡囊丛枝菌根菌（VAM）对植物的侵染［9-11］；生物炭可作为微生物肥料接种菌的载体，增加接种菌在土壤中存活率及对植物的侵染［8，12-13］。由于生物质炭具有高度稳定性和较强的吸附性能，被视为增加土壤碳截留、改善土壤质量和提高氮肥利用效率的潜在有效措施。

近年来，随着宁夏设施农业的发展和栽培年限的延长，设施内特殊的环境特点、周年密集多茬次的栽培，水肥的过量投入，尤其是茄果类、瓜类蔬菜的长期连作，使得土壤得不到有效的休整和恢复，出现土壤次生盐渍化加重、土壤与地下水硝态氮明显累积、养分不平衡、土传病虫害加重、土壤生物学性质变劣、连作障碍明显等问题［14］，影响到宁夏设施蔬菜产业的健康和可持续发展，导致设施土壤连作障碍的因素中，因连作导致的土壤中微生物区系及酶活性改变［15］，是造成作物生育障碍的重要因素之一，因此本研究通过在种植5年（连作11茬）的日光温室内，添加不同用量的生物质炭，探讨生物炭对设施土壤中酶活性、西芹根际微生物数量的影响，以期为生物炭在设施土壤中的合理运用提供参考，并为农业废弃物资源化利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验采用的生物质炭以稻壳制备而成，其理化性质为：pH7.78，电导率847 ms/cm，有机质52.09 g/kg，全氮4.88 g/kg，全磷0.83 g/kg，全钾15.98 g/kg，速效氮4.6 g/kg，速效磷162 g/kg，速效钾9 600 g/kg。供试作物品种为皇后”西芹，由宁夏嘉禾源种苗有限公司提供。

1.2 试验方法

试验在宁夏吴忠国家农业科技园区内进行，日光温室建于2009年，已种植5年11茬，试验设生物质炭用量2 250 kg/hm2（TR1）、4 500 kg/hm2（TR2）、6 750 kg/hm2（TR3）、9 000 kg/hm2（TR4）、13 500 kg/hm2（TR5）及空白对照6个处理，3次重复，随机排列，小区面积20 m2，每个小区均施尿素0.9 kg、过磷酸钙1 kg、硫酸钾0.4 kg，生物炭、过磷酸钙和硫酸钾均匀撒到地面，翻匀作底肥，每隔2 m起小垄。西芹于2014年10月20日定植，株行距为15 cm×25 cm，全生育期浇水6次。

1.3 土样采集与分析

分别于西芹定植10 d后（2014年10月30日）、收获后（2015年2月20日）按多点法采集西芹根际0～20 cm的土样，混匀后过2 mm筛，保存于4℃冰箱，进行细菌、真菌、放线菌、微生物量碳氮的测定；待土样风干后过1 mm筛，用于土壤全氮、全炭和酶活性的测定。

细菌培养采用牛肉膏蛋白胨选择性培养基，真菌培养采用马丁孟加拉红-链霉素选择性培养基，放线菌培养采用改良高氏一号培养基，稀释平板法计数［16］；土壤全氮采用半微量凯氏定氮法测量，有机质采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定，微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提-容量分析法测定，微生物量氮采用氯仿熏蒸-茚三酮比色法测定［17］。土壤脲酶采用苯酚-次氯酸钠比色法测定；土壤蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定；土壤纤维素酶采用1%羧甲基纤维素钠浸提，3，5-二硝基水杨酸比色法测定［18-19］。

1.4 数据处理

试验数据采用DPS软件进行Duncan’s多重比较差异显著性。隶属函数值X（μ）=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin），X为指标测定值，Xmax 为所有处理该指标的最大值，Xmin 为所有处理该指标的最小值。指标有细菌、真菌、放线菌数量、微生物量C、微生物量N、土壤C、土壤N、脲酶、蔗糖酶和纤维素酶活性。变异系数=（标准差 /平均值）×100。

2 结果与分析

2.1 不同用量生物炭对土壤微生物数量的影响

由图1可知，在西芹定植初期和收获期，TR1、TR2、TR3、TR4的土壤细菌数量显著高于对照，其中TR4最多，而TR5的土壤细菌数量则低于（定植期）或与对照没有显著差异（收获期）；生物炭的一些物理特性会对微生物丰度有影响，细菌能够吸附到生物炭的表面，使它们不易受土壤淋洗的影响［20］，从而增加了土壤中细菌的数量，但试验发现，用量超过9 000 kg/hm2（TR4）时，会降低土壤细菌的数量；在西芹定植初期，TR1、TR2、TR3的土壤真菌数量显著增加，放线菌数量与对照相比显著下降，而TR4、TR5则相反，说明TR3用量（6 750 kg/hm2）对于定植初期土壤真菌和放线菌的影响是一个节点，到收获时土壤真菌与细菌的数量变化幅度较小，以TR5真菌、细菌均较高。

图1 不同用量生物质炭对土壤细菌、真菌、放线菌数量的影响

2.2 不同用量生物质炭对土壤微生物量C、N的影响

图2 不同用量生物质碳对设施土壤微生物量碳氮的影响

土壤微生物生物量C在土壤有机质中仅占很小一部分，但所起的作用较大，通常被视为土壤活性有机质部分，是表征土壤肥力特征和土壤生态系统中物质和能量流动的一个重要参数［21］。由图2可知，在生物炭使用初期（缓苗期），处理的土壤微生物量C均高于对照，其中TR1、TR2、TR3的土壤微生物量C显著高于TR4、TR5，但在收获期TR4和TR5的土壤微生物量N显著高于TR1、TR2、TR3，说明添加超过TR3用量的生物质炭引起设施西芹土壤的微生物量C含量不同的反应； TR1、TR2的土壤微生物量N在西芹定植和收获时期与对照均没有显著差异，当生物质炭添加量达到TR3（6 750 kg/hm2）用量时，土壤微生物量N在西芹定植和收获时期显著高于对照，且在定植期升高幅度更大。TR1、TR2、TR3的土壤微生物量C/N在添加初期（西芹定植期）显著高于对照，TR4、TR5的土壤微生物量C/N与对照没有显著差异，到西芹收获时，不同处理的土壤微生物量C/N与定植期时期的反应相反，TR4、TR5的土壤微生物量C/N显著高于对照。

2.3 不同用量生物质炭对土壤全碳、全氮的影响

由图3可知，在西芹定植初期，添加生物炭处理能够显著增加土壤全碳含量，其中以TR2土壤全碳含量最高，达到15.26 g/kg，比对照高19.28%，差异显著；而对于土壤全氮的影响只有TR2增高显著，因此，其他处理的土壤C/N在西芹定植期均显著高于对照，TR2的土壤C/N则与对照没有显著差异，到西芹收获时，只有TR1、TR2显著增加了土壤全碳的含量，TR3、TR4与对照没有差异，TR5甚至降低了土壤全碳的含量，同时，TR1、TR2提高了土壤全氮的含量，其他处理与对照没有差异，反应到土壤C/N时，与定植时期相反，只有TR2显著增加了土壤C/N，其他处理与对照没有显著差异。

图3 不同用量生物质碳对设施土壤全氮、全碳、C/N的影响

2.4 不同用量生物炭对土壤酶活性的影响

在西芹定植期，TR1、TR2、TR3、TR4的脲酶、蔗糖酶活性均与对照没有显著差异，TR5则分别比对照低1.16%、10.05%；到西芹收获时，除TR3脲酶活性比对照高14.35%外，其他处理与对照没有显著差异，此时各处理的蔗糖酶活性则显著高于对照，且生物炭用量越多，蔗糖酶活性越高，说明添加超过TR4用量生物炭时，会降低定植时期土壤脲酶活性，但会增加收获时期的蔗糖酶的活性。不同处理的纤维素酶在西芹定植和收获时没有显著差异，除TR2和TR3的纤维素酶分别比对照低5.7%和14.95%外，其他处理与对照没有显著差异。

2.5 不同用量生物质炭对西芹产量的影响

图4 不同用量生物质炭对设施土壤脲酶、蔗糖酶和纤维素酶活性的影响

从西芹单株产量来看，TR1与对照没有显著差异，TR2～TR5显著高于对照，但处理间没有显著差异；从小区产量来看，TR1～TR5均高于对照，其中以TR2产量最高，比对照高14.21%，差异显著，其他处理增产幅度在10%以下。

表1 不同用量生物质炭对西芹产量的影响

3 结论与讨论

韩光明等［22］研究表明，设施土壤中添加生物炭能够极显著提高土壤细菌、真菌和放线菌的数量及微生物量C；特别是细菌中的氨化细菌、好氧自生固氮菌 和反硝化细菌的数量得到显著提高。王晓辉等［23］发现添加生物炭还可以显著增加土壤中氨氧化古菌与氨氧化细菌和nirK 基因型反硝化细菌的丰度，提高土壤的硝化潜势。本试验中，使用生物炭后对于微生物数量的影响与调查时期显著相关，生物炭施用10 d和110 d后，微生物数量差异显著，计算变异系数发现，在生物炭使用初期，土壤中放线菌对生物炭的用量反应敏感，而到西芹收获期，细菌的变化幅度更大一些。施用生物炭能够显著增加土壤微生物量C，其中施用初期以TR3土壤微生物量C含量最高，西芹收获时TR5最高，超过TR3用量时，土壤微生物量N在西芹生育期均增加。在西芹定植初期，添加生物炭处理能够显著增加土壤全碳含量，其中以TR2土壤全碳含量最高，而对于土壤全氮的影响只有TR2达到显著增高，因此，其他处理的土壤C/N在西芹定植期均显著高于对照，TR2的土壤C/N则与对照没有显著差异，到西芹收获时，只有TR1、TR2显著增加了土壤全碳的含量。

本试验结果表明，施用生物质炭对设施西芹生长期间的土壤纤维素酶活性影响幅度较小，蔗糖酶和脲酶的活性在西芹定植期均显著高于收获期，生物炭用量在2 250～9 000 kg/hm2之间，土壤脲酶与对照没有显著差异，用量超过9 000 kg/hm2（TR4）时，土壤脲酶活性显著下降，蔗糖酶则是随生物炭用量的增加，活性显著上升。

生物炭对于设施土壤微生物环境有显著的影响，在西芹定植期，西芹根系开始生长，土壤环境对于作物的影响有重要的作用，直接影响西芹的生长发育，比较定植时期各指标隶属函数发现，TR2生物炭用量对西芹定植时期优化土壤生物环境效果最佳，有助于西芹的生长，产量最高，到西芹收获时，虽然TR5的土壤综合理化性状更优，但定植前期或有抑制作用可能不利于西芹生长，因而产量较低，表明生物炭的使用并非越多越好。潘杰等［24］使用棉花秸秆烧制成的生物质炭在设施土壤施用研究结果表明，生物炭能够降低土壤容重，增加土壤含盐量，提高土壤有机碳和速效钾含量，低量（7.5 t/hm2）生物黑炭，对蔬菜产量影响不大或有提高作用，但高量生物黑炭会造成蔬菜减产；张万杰等［25］研究表明施用生物炭与氮肥配施可以提高菠菜产量，明显增加氮肥当季利用效率。本试验条件下，施用生物炭4.5 t/hm2时西芹产量最高，超过4.5 t/hm2对西芹产量影响不大。生物炭对于设施蔬菜产量的影响因试验土壤特征、环境条件的不尽一致，生物炭适宜用量有所差异，但不同作物试验结果表明，生物炭的使用量不宜过高。

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（责任编辑 邹移光）

Effect of biochar on rhizosphere microorganisms and soil enzyme activity of western celery in greenhouse

YANG Dong-yan，WANG Xue-mei，FENG Hai-ping，XIE Hua
（Institute of Germplasm Resources，Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Science，Yinchuan 750002，China）

Application of biochar has an important role in improvement of crop yield and soil quality. The effects of biochar on soil microorganisms environment and soil enzyme in Ningxia greenhouse were investigated by appling different amounts of biochar，for providing a scientific basis for the addition of biochar in greenhouse soil. Results showed that the bacteria，fungi and actinomycetes，the content of microbial biomass N and microbial biomass C in soil increased by biochar. Different indicators were affected by the amount of biochar，which were sensitive during the transplanting date of western celery. The membership functions of different indicators were compared. In TR2 treatment，the optimization results of soil environment were the best，and the production of western celery were the highest. The membership functions of different conducts were higher than that of the control， when the western celery were harvested. The comprehensive physical and chemical characters of soil were better in TR5 treatment，but the comprehensive representation was not good enough and the production increase were lower. The high amount of biochar might have hibitory effect of cope at the beginning，so the recommended amount of biochar was 4 500 kg/hm2-6 750 kg/hm2in Ningxia greenhouse.

biochar；greenhouse soil；soil microorganisms；soil enzyme

S154

A

1004-874X（2017）01-0082-06

2016-11-05

宁夏对外合作项目（2013ZYH075）；国家大宗蔬菜产业技术体系（CARS-22-02）

杨冬艳（1977-），女，硕士，副研究员，E-mail：yangdongyan2000@163.com

杨冬艳，王学梅，冯海萍，等.生物质碳对设施西芹根际微生物及土壤酶活性的影响［J］.广东农业科学，2017，44（1）：82-87.