生物炭与氮肥配比对土壤微生物特性和红枣产量的影响

江 立

（南阳市河口灌区管理局，河南 南阳473012）

0 引 言

【研究意义】红枣是华北平原特色产业之一，产量约占全国的60%左右，对华北地区经济和生态效益意义重大[1]。红枣产业的快速发展，过量施用化肥或少施有机肥等导致土壤肥力下降，土壤板结，造成了作物产量下降及红枣甜度降低口感不佳等品质问题，影响了红枣产业的发展[2]。如何提高肥料利用率，寻求经济有效的施肥措施，是红枣生产中亟待解决的主要问题。

中国每年因焚烧小麦、玉米、水稻、花生等作物秸秆造成的资源浪费约2 亿t，不仅造成了资源浪费且引起了严重的环境污染（其释放气体是最重要的污染源之一）[2]。因此，利用农业废弃物制成生物炭技术，在避免资源浪费、减少环境污染的同时，成了土壤质量改良和提升作物生产力方面的一种有效、可靠的途径[3-4]。【研究进展】生物炭与化学肥料配施不但可以提高土壤有机质、有效磷等土壤养分量，还能减少养分淋失，延缓养分的释放。同时，生物炭的施入优化了微生物的生长环境，使土壤酶的活性（如脲酶、蔗糖酶）增强且一定程度上改变了土壤微生物群落结构[4-5]。生物炭通过提供和贮存营养元素及改变土壤的理化及微生物性质来间接影响作物生长发育，提高土壤肥力[5-8]。生物炭的施入降低了土壤肥力、碳库存潜力等[9-10]，这些结果的差异与土壤类型、生物炭原材料、施用量等密切相关。【切入点】生物炭技术的发展为农林废弃物高效利用提供了有效途径和可靠技术，因此如何因地制宜确定具体措施，寻求最佳培肥模式，仍需要在不同地区结合当地农业生产实际开展深入研究。

研究土壤肥力的维持机制，必须重视土壤微生物在土壤养分循环过程中的作用及其对不同培肥的响应。土壤微生物能指示土壤环境变化[11-12]。土壤酶对土壤物质循环和能量代谢起着重要的催化作用，其活性可作为衡量土壤质量变化的敏感指标[13-14]。微生物数量及群落比例通常也被看作衡量农田质量的重要指标之一[15]。【拟解决的关键问题】因此，本试验研究了生物炭与氮肥不同配比对土壤微生物学性质及作物产量的影响，寻求合理的配比施肥量，以期为红枣高效、优质栽培和合理施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年5月―2018年10月在河南省安阳市内黄县后河镇（114°45′ E，35°47′ N）进行。气候属典型的温带大陆性气候，四季分明。年平均日照时间为2 188.8 h，年平均气温13.7 ℃，年平均降水596.7 mm，无霜期为200 d。供试土壤类型为砂壤性潮土，0～20 cm土层土壤pH值为8.25、有机质量为11.81 mg/kg、全氮量为0.76 mg/kg、速效磷量为21.87 mg/kg、速效钾量为101.41 mg/kg。

1.2 供试材料

选取树龄为10 a的扁核酸（Ziziphus jujube Mill.）为供试品种。栽植密度为2 m×3 m，设置保护行。研究所用生物炭原料为小麦秸秆，购于河南商丘三利新能源有限公司，生产设备采用连续竖式生物质炭化炉，炭化温度为500 ℃。生产的生物黑炭磨细过1 mm 筛备用，总碳、总氮、总磷、总钾质量分数分别为625.84、5.24、0.89、44.24 g/kg，阳离子交换量为33.60 cmol/kg。

1.3 试验设计

采用随机区组设计，设生物炭用量10、20 和30 t/hm23 个水平（即B10、B20和B30）、氮肥用量300和400 kg/hm22 个水平（N300和N400），加上CK、单施氮肥或生物炭共计12 个处理。每个小区6 棵树，面积为36 m2，每个处理重复3 次，具体施肥量详见表1。施肥方式：沿枣树四周开沟施入，深度大约30 cm。于2017 年4 月一次性施入各用量生物炭，第2年不再施入。化肥种类为N（尿素 46%），其中75%作为基肥施入，25%在7 月中旬作为追肥施入。每个处理肥料施用量P（过磷酸钙，P2O5量为16%）300 kg/hm2，K（硫酸钾，K2O 量为45%）300 kg/hm2每季一次性随氮肥用相同方式施入。

表1 试验设计 Table 1 Treatment design

1.4 样品采集及测定

于2018 年10 月红枣采收后，避开施肥点采集0～20 cm 耕层土壤样品，每个处理取6 个采样点混为一个土样。剔除其中的石块、根系等杂物，过直径2 mm 筛混匀，放于4 ℃冰箱保存，1 周内进行酶活性和微生物数量的测定。

土壤酶活的方法参照关松荫[16]相关方法：过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定，以单位土质量消耗的0.1 mol/L KMNO4体积数表示；脲酶采用苯酚-次氯酸钠比色法测定，以干土在单位时间内产生的NH3-N 的毫克数来表示；蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，以单位质量烘干土在单位时间内产生的葡萄糖的毫克数表示。

土壤微生物的数量通过平板计数法计算[17]：细菌数量采用牛肉膏蛋白胨培养基、真菌数量采用马丁氏培养基、放线菌数量采用高氏一号培养基。

红枣产量分别于2017 年10 月和2018 年10 月初红枣成熟后采收，采用单株单收，计算单株产量换算为总产量。

1.5 试验数据处理

试验数据 SPSS17.0（SPSS Inc.,Chicago,IL, Version 17）统计软件进行方差分析和多重比较LSD法（Least significant difference）。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤酶活性的影响

由表2 可知，生物炭与氮肥不同配比对土壤酶活性有不同程度的影响。生物炭用量、施氮水平及二者交互作用均对土壤酶活性有极显著影响（P<0.01）。随着生物炭和氮肥的施入，过氧化氢酶活性显著高于CK（P<0.05），其中以B30N400处理的土壤过氧化氢酶活性最高，比CK 显著提高93.9%。

在低用量生物炭条件下（10 t/hm2），随着氮肥的增加，脲酶活性与CK 无显著差异。中、高用量生物炭条件下，土壤脲酶活性显著高于CK。B30N400处理的土壤脲酶活性最高，较CK 显著提高71.4%。与CK 相比，生物炭和氮肥的配合施用，提高了土壤蔗糖酶活性，且各处理间差异显著（P<0.05）。同一生物炭用量情况下，蔗糖酶活性随氮肥用量的增加而降低但仍显著高于CK。其中以B30N300处理的土壤蔗糖酶活性最高，B20N300处理次之，分别较CK 显著提高42.7%和39.1%。

2.2 不同处理对土壤微生物数量的影响

生物炭和氮肥不同配比条件下，土壤微生物数量的变化如表2 所示。由表2 可知，生物炭用量、施氮水平及二者的交互作用均对土壤微生物数量有极显著影响（P<0.01）。与CK 相比，除B30N300处理外，细菌数量随生物炭和氮肥用量的增加而增加，各处理间差异显著（P<0.05）。其中以B30N400处理的土壤细菌数量最多，较CK 显著提高了254.1%。

表2 生物炭（BC）与氮（N）肥不同处理下土壤酶活性和微生物数量 Table 2 Soil enzyme activities and microbial population under different biochar and nitrogen fertilizer amendments

各施肥处理条件下，土壤放线菌数量均高于CK，处理间差异显著（P<0.05），且土壤放线菌随着生物炭和氮肥用量的增加而增加。土壤放线菌数量较CK显著提高了49.5%～97.5%。中、高生物炭用量下，真菌数量随氮肥用量的增加而增加，其中以B30N400处理中真菌数量最多，B30N300处理次之，分别较CK显著提高了54.1%和34.2%。

2.3 不同处理对红枣产量的影响

生物炭与氮肥不同配比条件对红枣产量的影响如表3 所示。由表3 可知，生物炭和氮肥施入对扁核酸红枣的产量均有不同程度的影响。2017 年，与CK相比，生物炭用量、施氮水平以及生物炭与氮肥的交互作用均对扁核酸红枣产量无极显著影响（P<0.01）。

所有施肥处理中，以B30N300处理的扁核酸红枣产量最高，较CK 显著提高27.5%（P<0.05）。2018年与CK 相比，生物炭用量、施氮水平以及生物炭与氮肥的交互作用均对扁核酸红枣产量有极显著影响。随着生物炭和氮肥的配合施用，红枣产量总体上表现出随生物炭和氮肥用量的增加而增加的趋势。其中以B30N300处理的扁核酸红枣产量最高，B30N400处理次之，二者分别较CK 显著提高了29.5%和25.5%。经过2 a 配合施肥，扁核酸红枣产量较CK 均有不同程度提高，其中以B30N300处理的扁核酸红枣平均产量最高，B30N400处理次之，二者分别较CK 显著提高了28.5%和25.9%。

表3 生物炭与氮肥不同配比条件下红枣产量 Table 3 Jujube yields under different biochar and nitrogen fertilizer amendments

2.4 土壤酶活性与微生物数量的相关性分析

表4 为土壤酶活性与微生物数量的相关性分析结果。从表4 可以看出，土壤酶活性与微生物数量呈极显著正相关（P<0.01）。过氧化氢酶与土壤细菌呈极显著正相关（r 为0.953，P<0.01），与放线菌、真菌数量极显著正相关（r 分别为0.917、0.899，P<0.01）。土壤脲酶和蔗糖酶活性也均与土壤细菌、放线菌、真菌数量极显著正相关。

表4 土壤酶活性与微生物数量的相关性 Table 4 Correlation between soil enzyme activities and microbial population

3 讨 论

3.1 生物炭与氮肥不同处理对土壤酶活性的影响

土壤酶能灵敏、准确地反映土壤质量的变化状况[18]，同时与土壤理化性状、养分量以及土壤的施肥方式也密切相关[19]。过氧化氢酶的活性一方面受土壤微生物数量及其活跃度影响，另一方面受土壤有机质、植物根系影响。在一定程度上反映了土壤微生物学过程的强度，其强度可表征土壤腐殖化程度和有机质积累程度[20-21]。陈心想等[14]研究表明，在20 t/hm2和40 t/hm2生物炭处理下，过氧化氢酶活性在玉米季较CK无显著性差异，而在60 t/hm2和80 t/hm2处理下，随着生物炭用量的增加，土壤过氧化氢酶活性显著提高（P<0.05）。本试验表明，随着生物炭和氮肥用量的增加，各处理土壤过氧化氢酶活性变化明显，总体表现出提高的趋势，且处理间差异显著。过氧化氢酶与有机质循环密切相关，本试验中施入的小麦秸秆生物炭总碳量为625.84 g/kg，生物炭的加入增加了土壤有机质质量分数，一定程度上增强了过氧化氢酶的活性。氮肥的施入有利于调节枣区土壤C/N，改善了土壤理化性质，使更多的酶随着根系活动和土壤动物、微生物活动进入土壤；氮肥的分期施入在补充氮素消耗的同时也促进了土壤微生物的繁殖，从而提高了土壤过氧化氢酶的活性。脲酶在一定程度上可以表征土壤氮素供应强度[14]，本试验中，随着生物炭用量的变化，对脲酶活性的影响也不同。在低用量生物炭（10 t/hm2）情况下，与CK 相比，生物炭对脲酶活性的影响无显著差异。在20 t/hm2和30 t/hm2用量情况下，土壤脲酶活性较CK 显著提高31.5%～71.4%，这与袁晶晶等[22]研究结果相似。本试验条件下，土壤脲酶活性的提高与生物炭本身的吸附性有关，可减少氮素的淋失和挥发，增强氮素的有效性[23-25]。此外，添加生物炭能显著提高土壤全氮和速效氮量，且土壤脲酶与氮素呈显著正相关。

土壤蔗糖酶反映了土壤有机质积累和转化的状况[26]，在中、高用量生物炭条件下，土壤蔗糖酶活性随氮肥用量的增加而降低，但仍显著高于CK（P<0.05），这与袁晶晶等[27]研究生物炭（2.5～10 t/hm2）与氮肥的施入对土壤蔗糖酶活性并无显著差异的结果不同，这可能与二者的生物炭和氮肥施用量不同有关。生物炭和氮肥在适量条件下有利于土壤中蔗糖酶活性，但如果肥料用量超过临界范围，酶活性将会降低[16]。本研究中的生物炭用量为10～30 t/hm2，远高于其花生壳生物炭施用量。同一生物炭用量情况下，蔗糖酶活性随氮肥用量的增加而降低，说明氮肥用量在300 kg/hm2时，有利于本试验区土壤蔗糖酶活性的提高。生物炭能延缓养分的释放，生物炭的性质也会随着施入时间的延长而改变，对土壤酶活性的影响也会随之变化，因此需要长期监测来探明其作用机理。

3.2 生物炭与氮肥不同处理对土壤微生物的影响

土壤微生物量的变化反映土壤微生物的总体数量变化，微生物数量可用来指示农田质量的好坏[21]。研究表明[22]，10 t/hm2生物炭用量情况下，土壤细菌、放线菌、真菌数量较CK 有显著影响。本研究表明，生物炭和氮肥配合施用条件下，除B30N300处理外，土壤细菌、真菌数量随二者用量的增加而增加，且各处理间差异显著（P<0.05）。放线菌数量在各施肥处理条件下，表现出不断上升的趋势，除B0N300处理外，各处理间差异显著（P<0.05）。与CK 相比，各配施处理条件下，土壤细菌数量的增幅为25.4%～254.1%，放线菌和真菌的增幅分别为49.5%～97.5%和7.3%～54.1%。生物炭为土壤微生物提供了丰富的碳源和氮源，一定程度上改善了土壤微生态环境。生物炭较强的吸附性和孔隙度，为土壤微生物数量的生长繁殖创造了良好的条件，有利于土壤微生物的生长和繁殖，从而使土壤微生物数量发生变化[11,27]。

3.3 生物炭与氮肥不同处理对红枣产量的影响

由于生物炭原材料、土壤质地、施肥量及作物种类等因素的影响，关于生物炭对农作物生长和产量的报道也不尽相同。随着生物炭和氮肥的施入，红枣产量表现出逐年上升的趋势[22]。本研究表明，经过2 a田间试验，以B30N300处理的扁核酸红枣年平均产量最高，B30N400处理次之，分别较CK 显著提高28.5%和25.9%。生物炭对作物产量的促进作用，主要归因于其改善了土壤的理化性质，提高了土壤养分的有效性[27]。本研究中，添加生物炭显著提高了土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶的活性，对土壤微生物数量也有明显提高。相关性分析表明，土壤酶活性与土壤微生物数量之间均呈极显著正相关关系（表4），说明二者相互依存。在一定程度上改善了土壤微生物环境，这些条件的改善，对红枣增产有积极作用。基于试验结果及科学施肥的原则，30 t/hm2的生物炭施用量，配施300 kg/hm2的氮肥对本地区提升土壤肥力和作物产量的效果最佳，是较为理想的施肥方式。

4 结 论

1）与CK 相比，生物炭用量、施氮水平及二者的交互作用均对土壤酶活性有显著影响。中、高生物炭用量条件下，土壤过氧化氢酶和脲酶活性总体表现出随氮肥用量的增加而增加的趋势。同一生物炭用量条件下，土壤蔗糖酶活性随氮肥用量的增加而降低，但仍显著高于CK。

2）施用生物炭和氮肥可不同程度地提高土壤细菌、放线菌和真菌的数量，总体表现出随生物炭和氮肥用量的增加而增加的趋势。与CK 相比，三者的增幅分别为25.4%～254.1%、49.5%～97.5%和7.3%～54.1%。

3）生物炭与氮肥的施入，对红枣增产有积极作用。30 t/hm2的生物炭施用量，配施300 kg/hm2的氮肥用量为此试验地区的最佳施用量。