施用生物炭提高酸性红壤茶园土壤的微生物特征及酶活性

郑慧芬，吴红慧，翁伯琦，叶 菁，曾玉荣，王义祥*

（1．福建省农业科学院农业生态研究所/福建省红壤山地农业生态过程重点实验室，福建 福州 350013；2．中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；3．福建省农业科学院农业经济与科技信息研究所，福建 福州 350003）

茶树是热带及亚热带地区重要的经济作物，中国是地球上最早发现和利用茶树的国家，截至2016年，全球茶叶种植面积增长至406.68×104hm2，其中中国茶叶种植面积达 224.06×104hm2，占全球种植面积的55.09%［1］。然而，在茶叶产业蓬勃发展的同时，由于长期不合理的施肥、茶树的自身物质循环特性、大气酸沉降等因素的影响［2］，我国茶园土壤酸化程度已经日趋严重，土壤pH值适宜的茶园比例在急速下降。以产茶大省福建为例，土壤pH值在4.5以下的不适宜茶园占86.9%（其中pH值低于4.0的占28%）［3］。土壤酸化造成Ca2+、Mg2+、K+等盐基离子大量淋失，土壤中磷和微量元素钼和硼有效性降低，导致土壤肥力下降［2-3］；土壤酸化促进铝、锰等毒性元素以及重金属元素的活化，从而抑制植物的正常生长［4］。而且，土壤酸化会减少土壤中有益微生物的数量和活性，改变土壤的碳、氮、磷、硫的循环［4］，影响茶树根系发育和养分吸收，导致茶树生长和茶叶品质严重下降［5］。因此，采取有效措施减缓茶园土壤酸化进程，并对严重酸化的茶园土壤进行改良和修复，是保障茶园可持续发展所面临的重要课题。

近几年，生物炭作为一种土壤改良剂在农业上得到了广泛重视［6-8］。生物炭是指生物质原料在完全或部分缺氧条件下经高温热解产生的一类高度芳香化、稳定性高的富碳有机物质［9］。生物炭所具有的孔隙结构发达、富含碱性基团、比表面积大、吸附能力强、富含养分等特性，可有效降低土壤容重和酸度，提高土壤保水保肥能力，有利于土壤理化性质的改善［10-12］。已有研究证明，施用生物炭可以改良酸化土壤，增加酸化土壤养分含量［7-8］。因此，生物炭在酸化茶园土壤改良方面也应具有一定的应用潜力。

土壤微生物在土壤养分转化、有机质分解等方面起到重要作用［9］，很多研究已发现施用生物炭会影响土壤微生物的特性［8，11］，从而对土壤生态系统的养分循环产生深刻效应［13-14］。然而，当前关于生物炭对土壤改良研究多集中于对土壤理化性质的影响方面［15-17］，对生物炭施入后土壤微生物和酶活的变化及其与土壤养分转化间作用关系的研究还很缺乏。因此，本文利用生物炭田间试验，研究不同生物炭施用量对红壤茶园土壤化学性状、土壤微生物量和土壤酶活性的影响，分析土壤理化性状与微生物和相关酶活性间的相关关系，旨在为生物炭在红壤茶园土壤改良上的应用研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验茶园位于福建省安溪县感德镇槐植，北纬25°26′，东经117°86′，该区域属亚热带季风气候，年均气温为15～18.5℃，年均无霜期长达292 d，年降水量 1 700 ～ 1 900 mm。茶园种植年限在 7 年以上，茶树品种为铁观音。土壤为花岗岩风化壳残积坡积的粘壤质红壤。供试生物炭由小麦秸秆在500℃下厌氧烧制，小麦秸秆生物炭的基本性质如下：有机碳含量47%，全氮含量0.6%，碱解氮24.38 mg/kg，有 效 磷254.16 mg/kg， 灰 分20.1%，pH值9.52。 试验采用单因素随机区组设计，共设4个处理，即生物炭的田间施用量分别为0（C0）、10（C1）、20（C2）、40（C3）t/hm2，每个处理4次重复，小区面积为15 m2。生物炭施用时间为2014年3月下旬，将生物炭均匀撒在供试小区地表，翻土20 cm，使其与土壤充分混匀。茶园按常规管理，每年施肥量为每公顷 N 300 kg、P2O575 kg、K2O 112.5 kg，以尿素、重过磷酸钙、硫酸钾进行春季、夏季和秋季施肥，春、夏、秋3季施肥量分别占全年总量的40%、30%和30%。

1.2 样品采集

施肥2年后，在各处理小区分别以“S”型多点混合法采集土壤0～15 cm层土样，去除植物碎屑和碎石，混合样品后装于保鲜箱内迅速带回实验室分析测定。所有土壤样品过2 mm筛，保存于4℃冰箱。部分土样放于阴凉处自然风干，用于土壤理化性状的测定。

1.3 测定内容与方法

土壤化学特性测定［18］：pH值用水浸提法（水∶土=2.5∶1）；有机碳用重铬酸钾外热氧化法；全氮用半微量凯氏法；碱解氮用碱解扩散法；有效磷用碳酸氢钠浸提比色法；速效钾用醋酸铵浸提火焰光度法。

土壤微生物数量测定：细菌、真菌、放线菌分别用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基、马丁氏培养基、改良高氏1号培养基稀释平板法计数。解无机磷细菌、解钾细菌分别用磷酸三钙无磷培养基、硅酸盐培养基稀释平板法计数［19］。土壤微生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸浸提法测定，KEC=0.45［20］。

土壤酶活性测定：β-葡萄糖苷酶采用对硝基苯酚法［20］，土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定［21］，酸性、碱性磷酸酶采用对硝基苯磷酸二钠法［21］。

1.4 数据分析

试验所得数据采用 Excel 2003 和 SPSS 19.0 软件进行方差分析和相关分析，用新复极差法进行平均数的显著性检验（P＜0.05），作图采用Sigmaplot 12.5。

2 结果与分析

2.1 生物炭对茶园土壤理化性质的影响

施用生物炭显著影响茶园土壤结构和土壤理化性质。施用生物炭显著降低茶园土壤容重，各处理土壤容重下降0.10～0.23 g/cm3。土壤的pH值随生物炭的施用量增加而上升，各处理土壤pH值提高了0.33～0.88个单位。茶园土壤施用生物炭后，土壤有机碳含量显著提高，当施用量分别为20 和40 t/hm2时，可分别使土壤有机碳含量提高24.7%和62.1%；施用生物炭没有显著影响土壤全氮含量，但明显降低了茶园土壤碱解氮含量，与对照组相比，施用生物炭各处理土壤碱解氮含量下降9.1%～29.2%。施用生物炭可以显著增加土壤有效磷和速效钾含量。从表1可见，安溪茶园土壤有效磷和速效钾含量均随生物炭施用量的增加而增大。C1、C2和C3处理土壤有效磷分别提高了61%、85.4%和153.9%，速效钾分别增加了10.1%、102.9%和173.6%。

表1 施用生物炭对红壤茶园土壤理化性质的影响

2.2 生物炭对土壤微生物量碳的影响

图1 不同生物炭施用量处理的微生物量碳含量

土壤微生物量碳（MBC）能在很大程度上表征土壤微生物数量，是评价土壤生物学性状及土壤肥力的重要指标。施用生物炭对红壤茶园土壤MBC的影响如图1所示，结果表明，生物炭施用能显著增加土壤MBC含量，C1、C2和C3处理土壤MBC分别提高了28.3%、63.4%和46.9%，其中C2、C3处理与C0均达到显著性差异（P＜0.05），C2处理土壤MBC达到最高值（402.75 mg/kg），结合生物炭的施用成本，在福建安溪红壤茶园更适宜采用20 t/hm2的生物炭施用量。

2.3 生物炭对土壤微生物数量的影响

从表2可知，细菌是安溪茶园土壤微生物中数量最多的微生物。施用生物炭显著提高茶园土壤微生物的数量，其增幅随施用量的增加而增大，与C0处理相比，施用生物炭处理土壤细菌、放线菌和真菌增幅分别为28.5%～104.4%、27.2%～123.4%和17.0%～35.9%。解无机磷细菌、解钾细菌有促进土壤中P、K的释放与植物生长的作用，茶园施用生物炭后土壤解钾细菌以及解无机磷细菌的增幅分别为109.2%～208.2%和150.0%～337.3%。

表2 施用生物炭下红壤茶园微生物数量

2.4 生物炭对土壤酶活性的影响

土壤酶能催化土壤中的生物化学反应，因而土壤酶活性可以表征土壤养分转化过程和土壤肥力。本试验发现施用生物炭显著影响了红壤茶园土壤与碳、氮、磷循环相关的土壤酶活性。如图2（a）和（b）所示，土壤β-葡萄糖苷酶以及脲酶活性均随生物炭添加量的增加而提高，与对照相比，C3处理土壤β-葡萄糖苷酶与脲酶活性分别增加了114.7%和21.5%，达到显著性差异（P＜0.05）。同时，本试验显示施用生物炭明显降低土壤酸性磷酸酶活性，与对照相比，C1、C2、C3处理分别下降了4.0%、8.5%、15.6%，差异均达到显著性水平（P＜0.05）。而碱性磷酸酶活性却随着生物炭的施用量增加而显著提高，与对照相比，C1、C2、C3处理分别上升了26.7%、30.8%、186.6%。从图2（c）和（d）可以看出，所有处理中土壤酸性磷酸酶活性都显著高于碱性磷酸酶，可见，酸性磷酸酶在红壤茶园土壤中占主要地位。

2.5 土壤微生物、酶活性、有机质、pH值及土壤养分的相关性分析

表3是土壤微生物、酶活性、有机质、pH值和土壤养分之间的相关性分析结果，结果显示pH值与土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾显著正相关，与土壤碱解氮含量显著负相关，表明酸性茶园土壤pH值状况与土壤养分状况之间的密切关系。而且，pH值与土壤β-葡萄糖苷酶、土壤脲酶、土壤碱性磷酸酶活性之间有显著正相关性，与土壤酸性磷酸酶之间存在显著负相关关系，说明施用生物炭引起土壤pH值变化，从而也影响了茶园土壤中生物化学过程。相关分析结果还显示，解无机磷细菌数量与微生物量碳、有效磷含量、碱性磷酸酶活性之间均存在显著的正相关关系，解钾细菌数量与微生物量碳、速效钾含量存在显著的正相关关系。此外，土壤β-葡萄糖苷与解无机磷细菌数量、解钾细菌数量以及MBC之间呈显著正相关性，以及土壤脲酶也与解钾细菌数量显著正相关，说明本试验土壤酶活性与土壤微生物数量息息相关，能在一定程度表征土壤微生物的活性。

图2 不同生物炭施用量处理下土壤β-葡萄糖苷酶、土壤脲酶、土壤酸性磷酸酶和土壤碱性磷酸酶活性

表3 土壤微生物、酶活性、有机质、pH值和土壤养分的相关性分析

3 讨论

长期的茶园种植导致了土壤酸化，不仅不利于茶树生长，而且易引起土壤养分流失［2-3］。本研究发现添加麦秆生物炭提高了红壤茶园土壤pH值，对土壤酸度有显著的改良效果，这与很多酸性土壤施用生物炭的研究结果相一致［7-8］。生物炭能改善土壤酸性是因为其含有一定量的碱性基团，能对土壤酸度起到直接中和作用［7，22］。生物炭还含有可溶态的灰分元素如K、Ca、Mg等，可提高酸性土壤的盐基饱和度，并通过吸持作用来降低土壤氢离子和交换性铝的含量，降低土壤酸度［23］。本研究还发现，施用生物炭显著提高红壤茶园土壤中有效磷和速效钾的含量，前人研究也发现施用生物炭可增加土壤中矿质养分含量［7-8，17］。红壤茶园土壤中绝大部分磷为固定态，不能为植物所吸收利用，有效磷含量很低。添加生物炭后土壤有效磷和速效钾增加可能有3个方面的原因：一是生物炭材料本身携带有一定磷、钾养分［8］；二是施用生物炭可以通过改变土壤理化性质（如pH值、CEC、吸附能力等），间接提高土壤矿质养分的有效性［8，24］；三是施用生物炭增加了与磷、钾代谢相关的功能微生物的数量和活性［25-26］。然而，van Zwieten 等［23］的研究指出，低灰分含量生物炭的添加，会降低黄壤有效磷含量。所以，生物炭对土壤养分性质的效应，受其本身特性及土壤类型的影响［24］。

影响土壤肥力的主要因素之一是土壤微生物群落数量与活性［27］，而酸化茶园低产、减产的重要原因之一，是土壤中绝大多数适宜于中性环境的有益微生物大量减少，不利于茶园土壤中有机质的矿化和养分的转化［28］。本研究发现施用生物炭显著增加了茶园土壤细菌、真菌和放线菌的数量，与以往多数的研究结果一致［29-31］。生物炭不仅影响土壤微生物的数量，还深刻影响了土壤微生物的群落结构和活性［11，24］，且不同的土壤微生物群体对生物炭的利用程度有差异［24］。有研究发现某些微生物把生物炭作为唯一的碳源［32］，而且生物炭引起的土壤理化性质变化也会间接影响土壤微生物群落，因而施用生物炭后可能会促进某些土壤微生物类群的生长［24，30］。解钾菌能促进难溶性的钾、磷、硅、镁等养分元素转化成可溶性养分，增加土壤中速效养分的含量。解无机磷细菌能把土壤中的难溶性或不溶性磷素转化为根系能利用的可溶性磷。本研究发现施用生物炭显著提高了红壤茶园土壤解钾细菌和解无机磷细菌数量。与本研究的结果类似，Fox 等［25］报道了生物炭能促进土壤细菌活化磷酸盐；Liu等［26］研究发现稻壳生物炭增加了红壤中土壤解磷细菌Pseudomonas（假单胞菌属）和Flavobacterium（黄杆菌属）的丰富度；陈敏等［33］也发现生物炭的施用导致烟田土壤解磷菌和解钾菌的数量分别提高了35.7%和16.1%。由于土壤微生物在土壤养分循环中起到关键作用，因而生物炭引起的功能微生物数量的变化，将深刻影响土壤的养分供应状况［14］。下一步还须采用能更准确反映土壤微生物群落变化的技术手段，例如高通量测序，将有助于揭示和预测生物炭对土壤肥力的影响。

土壤酶参与土壤养分的物质循环，其活性大小可以表征土壤中物质代谢程度，是土壤质量水平的一个重要指标。本研究表明，土壤β-葡萄糖苷酶和土壤脲酶活性均随生物炭用量的增加而显著提高，这与黄剑［34］和陈心想等［35］的研究结果一致，说明施用生物炭会促进土壤的生物化学反应，加速土壤养分元素的循环，提高土壤养分的可利用性［14，36］。此外，土壤磷酸酶催化土壤有机磷化合物的矿化，其活性直接影响土壤中有机磷的分解转化及其生物有效性。酸性磷酸酶是诱导酶，其主要来自于植物根系分泌物［37］。本研究发现茶园土壤酸性磷酸酶活性随着生物炭的施用量增加而下降，而且酸性磷酸酶活性与土壤pH值、有效磷含量显著负相关，因而酸性磷酸酶活性下降可能是由于施用生物炭提高了pH值和土壤有效磷含量所致。与酸性磷酸酶活性不同，茶园土壤碱性磷酸酶活性随生物炭的施用量增加而增加。与本研究结果一致，Du等［38］报道在小麦玉米轮作的砂壤土施用生物炭后表层土壤的碱性磷酸酶活性增加了2～3倍。土壤碱性磷酸酶源自土壤细菌、真菌和其它的土壤动物［37］，并且Yoo等［39］认为土壤磷酸酶活性增加是因为微生物增殖造成的。本研究发现，解磷细菌数量与土壤碱性磷酸酶活性、土壤有效磷含量之间存在显著正相关关系，说明红壤茶园施用生物炭引起土壤微生物群落和酶活性的变化，有利于土壤磷的转化［14］。

4 结论

施用生物炭可以显著提高茶园土壤pH值以及土壤有机碳、有效磷和速效钾的含量，且随着生物炭施用量的增加，土壤有效磷和速效钾等养分含量亦显著增加。酸性茶园生物炭的施入改善了土壤微生物的生存环境，提高了土壤微生物量和β-葡萄糖苷酶、脲酶以及碱性磷酸酶的活性，尤其是解磷细菌、解钾细菌的数量显著增加，说明生物炭添加促进了与土壤磷、钾转化相关的解磷细菌、解钾细菌类群生物量和功能的增加，有利于土壤磷、钾元素的循环。