有机肥与生物炭互作对城市底土肥力及生菜生长的影响

贺丽群 张庆金 吴培栋 余晓玲 冯曾威 姚青

摘要：【目的】比较施用有机肥和/或生物炭及二者互作对城市底土肥力及生菜生长的影响，为利用有机肥和生物炭对城市底土进行改良提供理论依据。【方法】以典型的城市底土为试验对象、生菜为供试作物，设有机肥和生物炭均不施用（-C-B，对照）、施有机肥不施生物炭（+C-B）、不施有机肥施生物炭（-C+B）、同时施用有机肥和生物炭（+C+B） 4个处理，测定生菜植株叶片的叶绿素相对含量（SPAD值）和地上部生物量、土壤的化学性状和酶活性，研究有机肥和生物炭及其互作对生菜生长和底土肥力的影响。【结果】与对照（-C-B）相比，同时施用有机肥和生物炭（+C+B）的处理效果最好，生菜植株生物量增长4.27倍，显著提高底土中有机质、有效磷、有效钾和NO3-的含量（P<0.05，下同），显著增强底土中碳循环、磷循环和氮循环相关的酶活性。此外，有机肥和生物炭在增强纤维素二糖水解酶、磷酸单脂酶、丙氨酸氨肽酶和亮氨酸氨肽酶的活性上存在正向互作效应。方差分解分析结果揭示有机肥的促进作用（93.3%）远大于生物炭（4.6%），多元线性回归分析结果表明土壤中有效磷和NO3-含量的提高是生物量增加的决定性因子。【结论】同时施用有机肥和生物炭能有效提高城市底土的肥力，两者存在正向协同效应，有机肥是生物炭发挥作用的前提。

关键词： 城市底土;生菜;有机肥;生物炭;土壤改良;土壤肥力

中图分类号： S158;S636               文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2019）08-1701-08

Effects of compost and biochar interaction on urban subsoil fertility and plant growth of lettuce

HE Li-qun， ZHANG Qing-jin， WU Pei-dong， YU Xiao-ling，

FENG Zeng-wei， YAO Qing*

（College of Horticulture， South China Agricultural University， Guangzhou  510642， China）

Abstract：【Objective】The effects of compost and/or biochar application and the interaction between the two on the fertility of urban subsoil and the plant growth of lettuce（Lactuca sativa L.） were compared，in order to provide the theoreti-cal basis for the improvement of urban subsoil with compost and biochar. 【Method】With typical urban subsoil as target and lettuce as tested crop，four treatments were set up， including no application of compost or biochar（?C‒B， control）， application of compost but no biochar（+C‒B）， application of biochar but no compost（‒C+B）， application of both compost and biochar（+C+B）. The relative chlorophyll content（SPAD value） in leaves of lettuce plants，shoot biomass， soil chemical properties and soil enzyme activities were measured to study the effects of compost and biochar as well as their interaction on the subsoil fertility and lettuce growth. 【Result】Compared to the control（‒C‒B），the treatment of application of both compost and biochar（+C+B） showed the best effects，with lettuce plant biomass increasing by 4.27 times. App-lication of both compost and biochar（+C+B） significantly increased the contents of organic matter，available phosphorus，available potassium and NO3- in subsoil（P<0.05，the same below），and significantly enhanced the enzyme activities involved in carbon cycling，phosphorus cycling and nitrogen cycling. In addition， compost and biochar positively interacted in the enhancement of cellobiosidase，phosphomonoesterase，alanine aminopeptidase and leucine aminopeptidase activities. Variance partitioning analysis revealed the far greater effect of compost（93.3%） than that of biochar（4.6%）. Multiple linear regression analysis indicated that the increase in available phosphorus and NO3- contents was the determinant of plant biomass enhancement. 【Conclusion】The application of both compost and biochar can effectively increase the urban subsoil fertility with positive synergistic effect，and application of compost is the precondition for biochar effect.

Key words： urban subsoil; lettuce; compost; biochar; soil improvement; soil fertility

0 引言

【研究意义】底土是分布在表土下面的土壤，通常有机质含量低、土壤结构差、养分含量低、微生物活性低，限制作物的生长和产量（Kautz et al.，2013;马欣等，2016;魏亮等，2016;盛浩等，2017;Getahun et al.，2018）。在过去的40年间，伴随着华南地区经济社会的高速发展，道路、桥梁、建筑等基础设施建设对土壤剖面造成强烈扰动，导致大面积的底土裸露或搬移至地表，且这一现象在城乡均有分布。过去人们对土壤的研究多局限于耕层土壤，而忽视了底土这个潜在的养分资源库（申建波等，2001;Kautz et al.，2013），因此，如何培肥这些外露的底土，提高其生态服务功能，是实现城市环境可持续发展和提升城市底土生产力的必要前提。有机质是土壤基础肥力和生产力的重要指标，而土壤微生物参与许多土壤生化过程，是养分循环和活化的主要驱动因子（蒋婧和宋明华，2010;沈仁芳和赵学强，2015）。只有提高底土的有机质含量、促进底土中微生物的活性，才有可能实现底土的快速熟化和培肥，达到改良底土的目标。【前人研究进展】有机肥和生物炭是目前常用的农业土壤改良资材（丁思年，2007;Zhu et al.，2017）。有机肥在我国传统农业发展中始终发挥着重要作用，近年来随着人们对生态环境的重视，有机肥料再度受到关注。生物炭是一种在限氧、高温条件下裂解而成的稳定碳基材料，其有机碳含量高达60%（王瑞峰等，2015），而中华人民共和国农业行业标准NY 525—2012《有机肥料》规定商品有机肥的有机质含量须大于45%，高有机质含量的特性是这两种材料适用于底土改良的基础。研究表明，在有機质含量低的退化土壤中增施有机肥能改善土壤的物理结构、化学性质，提供生物有效性养分，改善土壤微生态系统，有效改良设施蔬菜退化地的土壤（付丽军等，2017）。关于生物炭对底土改良的报道较少，但退化土壤与底土具有相似性质，如有机质含量低、土壤容重大等。钟哲科等（2015）研究发现，在退化的林地土壤施加生物炭可显著提高其持水量及有效养分含量，同时降低土壤容重;王军等（2016）研究指出，在退化设施蔬菜地土壤中施用5%生物炭可有效降低其强还原修复过程中的N2O排放;王桂君等（2017）报道，生物炭可通过调节土壤理化性质、改善土壤养分条件及影响微生物生态环境来改良退化土壤。在有机肥和生物炭的联合施用方面，陈伟等（2013）研究发现，施用有机肥与生物炭均可增加平邑甜茶的细吸收根量、细吸收根面积、土壤和根际可培养微生物量，提高土壤荧光素二乙酸酶活性和土壤微生物多样性，两者联合施用效果最佳;Sadegh-Zadeh等（2018）研究表明，有机肥与生物炭的配合施用可提高土壤总氮和可利用磷含量，作物产量同样显著提高。【本研究切入点】目前，有关有机肥与生物炭联合施用的研究主要集中在农田土壤上，而在改良城市底土方面的研究几乎是空白，这一现象不利于推动城市底土的科学利用。【拟解决的关键问题】以来源于建筑工地的典型城市底土为研究对象，比较施用生物炭、有机肥及两者联合施用对城市底土肥力（化学特性和生物学特性）的影响，并分析其对生菜生长的影响，以期为利用生物炭和有机肥进行城市底土改良提供依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

本研究所用城市底土来源于广东省广州市内的建筑工地，底土在使用前风干，过2 mm筛;生物炭为市售稻壳生物炭;有机肥为市售的以菇渣和羽毛为原料的有机堆肥。底土、生物炭和有机肥的主要化学性状见表1。选用具有生育期短、耐热、耐寒和耐抽薹特点的生菜（Lactuca sativa L. var. Ramosa Hort.）为供试作物。

1. 2 试验方法

采用温室盆栽试验，双因素完全随机设计，双因素分别为有机肥（C）和生物炭（B），设4个处理：有机肥和生物炭均不施用（‒C‒B，对照）、施有机肥不施生物炭（+C‒B）、不施有机肥施生物炭（‒C+B）及同时施用有机肥和生物炭（+C+B）。每处理设5个生物学重复。有机肥和生物炭的用量分别为土壤干重的5%和2%。其中，5%有机肥用量是集约化生产的菜地常用量;2%生物炭用量依据前人研究结果设定，此用量对植物生长表现出较好的促生效果（王军等，2016;吴敏等，2017）。

过筛的风干底土按照比例分别与有机肥和/或生物炭按比例混匀，每个塑料盆（上径×下径×高=10 cm×8 cm×8 cm）装1.2 kg混合基质。生菜种子催芽后直播于基质中，每盆10粒，覆土1～2 mm;播种2周后间苗，每盆选择长势一致的生菜苗留苗1株。幼苗长出1片真叶后施用化肥（尿素、磷酸二氢钾和硫酸钾），氮、磷、钾用量分别为100、50和100 mg/kg;播种40 d后追肥1次，氮、磷、钾用量分别为50、25和50 mg/kg。塑料盆置于温室中，自然光照，每2 d进行一次称重浇水，保持土壤水含量20%。生菜播种55 d后采样，植株取地上部分称重;土壤弃去1 cm厚的表层，剩余土壤过2 mm筛，部分4 ℃保存用于土壤酶活性测定，部分风干后用于化学性状测定。

1. 3 指标测定及方法

植株性状测定：植株取样前，选择充分伸展的2片叶，使用便携式叶绿素仪（Minolta，SPAD-502）测定相对叶绿素含量（SPAD值）;然后将植株地上部分剪下，清水洗净擦干后测定鲜重。

土壤化学性状测定：参照《土壤调查实验室分析方法》（张甘霖和龚子同，2012）进行。采用电极电位法测定土壤pH，水土比为2.5∶1（w/v）;采用电导率仪测定土壤阳离子交换量（CEC）;采用H2SO4和K2Cr2O7湿法氧化后滴定分析测定土壤有机质含量;分别采用碱解扩散法、盐酸氟化铵浸提—钼锑抗比色法和乙酸铵浸提—火焰光度法测定土壤有效氮、有效磷和有效钾含量。

根据常规分光光度法（Shimazu UV2450/2550），采用试剂盒（苏州科铭生物技术有限公司）测定土壤脲酶和硝酸还原酶活性;根据荧光微孔板法（ISO/TS 22939—2010），以带有MUF或AMC基团的7种化合物（Sigma-Aldrich）为底物，利用荧光分光光度计（BioTek FIx800，355 nm激发光、460 nm发射光）分别测定土壤α-葡萄糖苷酶、纤维二糖水解酶、β-木葡糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、磷酸单酯酶、亮氨酸氨肽酶和丙氨酸氨肽酶活性。

1. 4 统计分析

试验数据利用Excel 2010进行整理并计算均值和标准误差;利用SPSS v25进行Duncan’s多重比较（P<0.05）、双因素方差分析（Two-way ANOVA）和多元线性回归分析;采用R语言的vegan包进行方差分解分析（Variance partitioning analysis，VPA）;以Origin 8.5进行相关分析与制图。

2 结果与分析

2. 1 有机肥和生物炭对植株生长的影响

综合表2和表3可知，植株叶片的SPAD值为26.28～34.26，地上部生物量为12.39～52.94 g;单施有机肥或生物炭对SPAD值均无显著影响（P>0.05，下同），但二者联合施用可显著增加植株叶片的SPAD值（P<0.05，下同）。相反，有机肥和生物炭均显著提高了植株的地上部生物量，且两者间存在显著互作，表现为在不施有机肥的处理中生物炭无显著作用（‒C+B处理地上部生物量较对照增加15.3%），而在施用有机肥的处理中，生物炭有显著促进作用（+C+B处理地上部生物量较+C‒B处理增加33.5%）。总体来看，有机肥对生物量的促进效应远大于生物炭的促进效应，两者存在正的协同效应。

2. 2 有机肥和生物炭对土壤化学性状的影响

土壤有机质含量在一定程度上可表征土壤的肥力水平。由圖1可知，有机肥和生物炭均显著提高了城市底土中的有机质含量，且具有加合效应。联合施用有机肥和生物炭的处理有机质含量达54.70 g/kg，显著高于单独施用有机质或生物炭的处理，而对照的有机质含量仅为4.49 g/kg。城市底土的起始pH为6.67，4个处理的土壤pH达7.32～7.90，其中对照处理的pH增加到7.57，表明生菜根系对底土产生生物风化作用;双因素方差分析结果表明有机肥显著提高土壤pH，生物炭显著降低土壤pH，从而导致单施生物炭的处理土壤pH最低（7.32）、单施有机肥的处理土壤pH最高（7.90）。土壤CEC为7.59～8.36 mmol/kg，有机肥和生物炭均对其无显著影响。

综合表4和表5可知，有机肥和生物炭对土壤有效氮含量无显著影响，4个处理间差异不显著;但有机肥和生物炭均可显著增加土壤的有效磷和有效钾含量，且两者在有效磷含量上还表现出显著互作效应。尽管有机肥和生物炭对土壤有效氮含量无显著影响，但有机肥显著提高了NO3-含量、显著降低了NH4+含量，而生物炭无显著影响。说明有机肥可显著影响土壤的有效磷、有效钾、NO3-和NH4+含量，而生物炭仅显著影响有效磷和有效钾含量。

2. 3 有机肥和生物炭对参与养分循环的土壤酶活性的影响

本研究测定4种参与碳循环的土壤酶（β-葡萄糖苷酶、α-葡萄糖苷酶、β-木葡糖苷酶、纤维素二糖水解酶）活性、1种参与磷循环的土壤酶（磷酸单脂酶）活性和4种参与氮循环的土壤酶（脲酶、硝酸还原酶、亮氨酸氨肽酶、丙胺酸酶）活性，结果（表6和表7）表明，有机肥显著提高了9种土壤酶的活性，而生物炭仅显著提高了a-葡萄糖苷酶（P=0.040）、磷酸单脂酶（P=0.034）、亮氨酸氨肽酶（P=0.015）和丙氨酸氨肽酶（P<0.001）的活性。此外，有机肥和生物炭在纤维二糖糖苷酶（P<0.001）、磷酸单脂酶（P=0.023）、亮氨酸氨肽酶（P=0.017）和丙氨酸氨肽酶（P=0.009）存在显著互作效应，主要表现为不施有机肥时生物炭有显著促进作用，施有机肥时无促进作用甚至降低活性。表明有机肥对土壤养分循环有全面促进作用，而生物炭仅在土壤有机质含量低的条件下发挥有限促进作用。

2. 4 有机肥和生物炭促进植株生长的综合分析结果

为量化有机肥和生物炭对植株生物量的影响，本研究还进行方差分解分析，结果（图2）表明，对于生菜地上部生物量的变化，有机肥和生物炭可解释92.8%，仅有7.2%是由未知因素引起;其中，有机肥能解释93.3%（P=0.001），而生物炭仅能解释4.6%。说明在本研究条件下，有机肥是影响植物生长的最重要因素，生物炭的影响是次要因素。

引起植株生物量变化的直接因素包括土壤养分在内的土壤化学性状，进一步利用多元线性回归分析探讨决定植株生物量的土壤化学性状。由表8可知，有效磷含量（P<0.001）和NO3-含量（P=0.008）是植株生物量的决定性因子，而其他6个土壤化学性状对植株生物量的影响均不显著。土壤酶活性等生物学特性是导致土壤化学性状（尤其是养分有效性）变化的重要驱动因子，本研究对土壤酶活性与地上部生物量进行相关分析（表9），结果发现9种土壤酶活性与地上部生物量均存在显著正相关，即随着土壤酶活性提高，生菜的地上部生物量增加;其中，相关系数最大的前3种分别是脲酶（R=0.908，P<0.001）、丙氨酸氨肽酶（R=0.811，P<0.001）和磷酸单酯酶（R=0.763，P<0.001），这3种酶与地上部生物量的相关性最强。综合分析表明，有机肥和生物炭可能是通过影响脲酶（氮循环）、丙氨酸氨肽酶（氮循环）和磷酸单酯酶（磷循环）的活性而调控土壤NO3-含量和有效磷含量，进而导致植株生物量的差异。

3 讨论

随着我国城镇化进度不断加快，城镇建设面积持续增加，导致越来越多的城市底土被暴露在地面上，亟待解决。近年来，将城市底土用于园林绿化建设是有效的解决途径之一，但底土具有养分缺乏、有机质含量低及微生物活性低等缺点（Kautz et al.，2013），需要进行改良以提高土壤肥力。本研究采用有机肥和生物炭两种常用的有机物料作为城市底土改良剂，发现具有较好的改良效果，供试作物生菜的生物量得到极大提高，但有机肥和生物炭的作用存在明显差异，值得深入探讨。

本研究发现，在促进植株生物量上，有机肥的贡献高达93.3%，不施有机肥的两个处理中植株生物量平均值为13.34 g，而施有机肥的两个处理中植株生物量平均值为46.31 g，后者为前者的3.47倍。有机肥的巨大作用首先与其高含量的有效养分有关，导致施用有机肥的两个处理土壤中有效氮、有效磷和有效钾含量别在990、1200和12000 mg/kg以上，这些有效养分促进了植株的初期生长。进一步的多元线性回归分析结果表明，植株生物量的决定因子是有效磷含量和NO3-含量，尽管有机肥具有高含量的有效钾，但有效钾对生物量的贡献并不显著（P=0.367），说明有效钾不是植株生长的限制因子。从本研究的整个试验期来看，有机肥的巨大作用还可能与城市底土中有机质含量很低（5.39 g/kg）有关，因为有机肥显著促进了磷循环和氮循环相关土壤酶的活性。关于有机肥对磷酸酶活性的影响，张向前等（2016）研究发现，施用有机肥可显著提高砂姜黑土中可培养微生物数量，进而增加土壤中酸性磷酸酶和中性磷酸酶的活性，且有机肥与化肥混施效果更明显;Chen等（2017）研究指出，施用鸡粪可显著提高红壤中碱性磷酸酶的活性，且与碱性磷酸酶编码基因的丰度相关。可见，有机肥是通过增加产磷酸酶的微生物来提高磷酸酶活性，从而提高有效磷含量。本研究以尿素为氮肥，发现有机肥提高了脲酶活性;尽管脲酶能催化尿素产生氨，但本研究中有机肥显著降低了NH4+含量、提高了NO3-含量，可能与微生物驱动的氨氧化有关。因此，推测有机肥增加了底土中氨氧化细菌或氨氧化古菌的丰度和多样性。Levičnik-Höfferle等（2012）研究指出，有机质来源的氨能促进酸性土壤中氨氧化的进程，但无机氮肥来源的氨无促进作用。此外，本研究发现丙氨酸氨肽酶和亮氨酸氨肽酶还与生物量显著相关。丙氨酸氨肽酶和亮氨酸氨肽酶参与有机氮（蛋白质、多肽等）矿化，形成NH4+（Ladd and Butler，1972）。说明有机肥提高这两种土壤酶活性，进而在氨单加氧酶（氨氧化过程）的参与下增加NO3-含量，提高植株生物量。事实上，本研究中有机肥对底土中养分循环产生了全面影响，提高了9种土壤酶的活性，凸显了有机肥在改良城市底土、提高土壤肥力方面的重要价值。综合来看，有机肥提升土壤肥力的机制可能较复杂，其中所含的有效养分在植株生长早期能起到关键作用，而通过微生物作用活化土壤养分是在植株生长中后期发挥作用。

关于生物炭的土壤改良效果及其作用机制已有较多报道。但本研究结果表明，生物炭在改良城市底土方面的作用并不明显，对植株生物量的贡献仅为4.6%，可能与本研究中的用量（2%）较低有关。Chen等（2017）指出，生物炭的用量影响其对微生物群落结构与功能的调控效果。尽管如此，许多试验中<2%的生物炭用量也能表现出显著生物学效应（刘遵奇等，2015;王军等，2016;吴敏等，2017）。本研究所用的生物炭中有效钾含量较高，但并未体现出明显的促生效应，進一步证实有效钾不是植株生长的限制因素。值得关注的是，本研究中生物炭降低了土壤pH，与大多数报道不同（吴敏等，2017;郑钰铟等，2018;Oladele et al.，2019）。尽管本研究所用的生物炭pH为9.28，但有研究认为生物炭的添加使得微生物活动增强，微生物在分解有机质的过程中释放一些有机酸，导致其pH降低（Abujabhah et al.，2016）。因此，生物炭降低土壤pH的现象值得进一步研究。另外，生物炭在施用有机肥时的生长促进效果（33.5%）大于不施有机肥时的效果（15.3%），证实了生物炭与有机肥联合施用的必要性。与陈伟等（2013）在平邑甜茶上、Sadegh-Zadeh等（2018）在水稻上的研究结果一致，说明在城市底土改良中，施用有机肥是发挥生物炭作用的必要前提。

生物学性状是土壤肥力的重要指标，Adetunji 等（2017）认为β-葡萄糖苷酶、磷酸酶和脲酶能表征土壤质量水平。本研究发现在联合施用有机肥和生物炭的城市底土中，除纤维二糖糖苷酶外的8种土壤酶活性均最高，这些参与碳循环、磷循环和氮循环的土壤酶驱动了有机质中养分的释放，尤其是施有机肥的处理。虽然施生物炭的底土中有机质含量（34.22 g/kg）与施有机肥的底土中有机质含量（33.24 g/kg）基本一致，但生物炭中的有机质主要是顽拗型有机碳（腐殖质）（Cybulak et al.，2019），对微生物群落的调控作用较小，而微生物是土壤酶的重要来源。这可能是生物炭含有高水平的有机质，但对微生物的调控作用不明显的原因之一。

4 结论

本研究比较了施用5%有机肥和2%生物炭对城市底土土壤肥力和作物生长的影响，发现有机肥对土壤肥力的提高作用远高于生物炭，两者联合施用效果最佳，可能与有机肥中有效养分含量较高有关，也可能与有机肥通过提高底土中参与养分循环的土壤酶活性，进而提高有效磷含量和NO3-含量有关;此外，施用有机肥是生物炭发挥作用的必要前提。

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（责任编辑 王 晖）