增温和生物炭添加对麦田土壤养分和微生物生物量的影响

郭万庆，徐小逊，鲁 兰，扈茹静，杨占彪

(四川农业大学环境学院，四川 成都 611130)

全球气温升高将很大程度上影响陆地生态系统生态过程和功能[1]。土壤微生物是陆地生态系统物质循环和能量流动的重要组成部分，对土壤中有机质分解和养分转化具有重要作用[2]。通常，温度升高能促进有机质分解，促进土壤磷的释放，降低土壤铵态氮含量，增加土壤微生物活性和微生物生物量[3-4]。同时，温度升高能加快土壤呼吸速率，进而影响土壤固碳潜力，从而增加土壤与大气之间的碳净转化量和温室气体排放[5-7]。

生物炭是生物质在无氧或低氧条件下高温裂解炭化而成的产物[8]，是开展固碳减排、环境污染修复、土壤改良和农林废弃物处理的有效途径，故成为环境科学和农林科学的研究热点。生物炭能起到增加土壤碳汇、减少土壤温室气体排放的作用。在对浙江水稻土等的研究中发现，生物炭均能抑制土壤有机碳矿化，将碳固存在土壤中[9-10]。相关研究[11-13]也表明，生物炭因其特殊的理化性质，能够提高土壤含水量，增加土壤有机质及有效养分含量，改善土壤保肥持水性能，为微生物提供适宜的微环境，能提高微生物活性，有利于增加土壤微生物生物量，加速土壤养分转化与循环[14]。然而在全球气候变暖背景下，生物炭对土壤生态系统的生态功能调节机制尚不明确。因此，研究土壤微生物生物量对增温和添加生物炭的响应具有十分重要的意义。

以成都平原农田生态系统为研究对象，采取模拟增温方法，从土壤生态系统元素循环角度，探讨生物炭对土壤生态系统微生物生物量的影响，研究微生物生物量与土壤养分之间的关系，以期为全球气候变暖背景下，生物炭在农业生产中的推广应用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

该研究在四川农业大学现代农业研发基地进行，基地位于四川省崇州市(30°33′24″ N、103°38′33″ E)。基地气候类型属亚热带湿润季风气候区，平均气温为16.1 ℃，平均降水量为1 011.3 mm，5—9月降水量占全年降水量的81.6%，年平均日照时数仅为994.9 h。样地土壤类型为水稻土，母质为近代河流灰色沉积物，基本理化性质：pH值为8.27，有机质(SOM)含量为10.19 g·kg-1，全氮(TN)含量为0.54 g·kg-1，全磷(TP)含量为0.63 g·kg-1，全钾(TK)含量为16.08 g·kg-1，碱解氮(AN)含量为30.43 mg·kg-1，速效磷(AP)含量为9.36 mg·kg-1，速效钾(AK)含量为324.79 mg·kg-1。前茬作物为玉米，播种密度为200万株·hm-2，管理措施同大田生产。

1.2 试验设计

于2016年4月设置开顶式气室(open-top chamber，OTC)模拟增温，OTC规格：长×宽×高为2 m×2 m×2 m。设置T1、T2和T3 3个增温梯度，开顶面积分别为1.96、1.44和1 m2，以未增温处理为对照(CK)。每个处理重复3次。每个OTC室内设置裂区处理，在室内采用PC板分隔成2个等面积2 m2小样方，分别设为不添加(BC0)和添加竹质生物炭20 t·hm-2(BC1)处理，生物炭采用毛竹为原料，在500 ℃条件下热解2 h制备。

于2017年11月播种小麦，在播种前施用基肥〔w(N)、w(P2O5)和w(K2O)均为17%的复合肥〕374.81 kg·hm-2。所有处理采用相同的田间管理措施。由于小麦在扬花期对土壤环境更为敏感[15]，在小麦扬花期采用土钻取表层0～20 cm土壤样品，采集土壤时各样方内随机取4个点，混合制样。将一部分鲜土过2.00 mm孔径网筛，存于4 ℃冰箱，待测；另一部分土壤风干、研磨过0.85和0.15 mm孔径网筛，待测。

1.3 指标测定方法

小麦生长期间在每个OTC内放置自动温度记录仪(Elitech RC-4HA)对温度进行测定。各土壤养分测定方法[16]：SOM含量采用K2Cr2O7-浓硫酸外加热法，TN含量采用半微量开氏法，TP含量采用NaOH熔融-钼锑抗显色-紫外分光光度法，TK含量采用NaOH熔融-原子吸收法，AN含量采用扩散吸收法，AP含量采用NaHCO3提取-钼锑抗显色-紫外分光光度法，AK含量采用NH4OAc浸提-原子吸收法。土壤pH值采用电极电位法，按m(土)∶V(水)=1∶2.5测定[17]；微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)含量采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法测定[18]，微生物生物量磷(MBP)含量采用氯仿熏蒸-NaHCO3浸提法测定[19]，总C含量采用TOC自动分析仪测定，总N和磷酸盐含量采用连续流动分析仪测定。MBC、MBN和MBP含量计算公式分别为

wMBC=ΔEC/KC，

(1)

wMBN=ΔEN/KN，

(2)

wMBP=ΔEP/KP。

(3)

式(1)～(3)中，ΔEC、ΔEN和ΔEP分别为熏蒸与未熏蒸土壤总C、总N和总P含量的差值，mg·kg-1；KC、KN和KP分别为MBC、MBN和MBP的浸提系数，分别为0.45、0.54和0.40。

1.4 数据处理

采用SPSS 22对实验数据进行双因素方差分析(two-way ANOVA)、多重比较(Tukey HSD test)和相关分析；采用Origin 2020b和Canoco 5作图。

2 结果与分析

2.1 增温处理温度变化

不同OTC处理增温装置均达到增温效果。小麦生长期间，CK、T1、T2和T3处理温度变化范围分别为5.8～17.5、6.3～18.6、6.9～19.0和7.5～19.4 ℃。各处理平均温度由高到低为T3>T2>T1>CK，T1、T2和T3处理平均气温较CK分别增加0.5、1.0和1.6 ℃。

2.2 增温和生物炭添加对土壤理化性质的影响

2.2.1增温和生物炭添加对土壤理化性质的影响

如表1所示，增温对土壤SOM、TN、TK、AN、AP和AK含量影响均达到极显著水平(P<0.001)，对pH和TP含量影响不显著。如表1～2所示，在增温作用下，AN含量随着温度的升高极显著增加(P<0.01)，同时不添加生物炭单独增温条件下各增温处理AP含量均高于CK，但增加幅度随温度升高而减缓。添加生物炭对SOM、TN、TK和AK含量影响均达到极显著水平(P<0.01)，但对pH以及TP、AN和AP含量影响不显著；在增温作用下，添加生物炭后各处理SOM增幅有所放缓(P<0.05)。生物炭和增温共同作用对pH、TN、AN和AP含量影响均达到极显著水平(P<0.01)，对SOM含量影响达到显著水平(P<0.05)，但对TP、TK和AK含量的影响不显著(表1)。增温与生物炭交互作用下，土壤pH显著降低(P<0.05)，而SOM和AN含量呈显著增加趋势(P<0.05)，随温度升高AN含量增幅减缓(表2)。增温与生物炭共同作用下，T1、T2和T3处理AP和AK含量均显著高于CK(P<0.05)。

表1 增温和生物炭添加对土壤理化性质影响的双因素方差分析

表2 增温和生物炭添加对土壤理化性质的影响

2.2.2增温和生物炭添加对土壤MBN/TN和MBP/TP的影响

土壤微生物生物量与土壤养分的比值受环境因子的影响更敏感，可以反映土壤养分向微生物生物量的转化效率，在标记土壤过程或土壤健康变化时要比单独使用微生物生物量或土壤养分更有效。如表3所示，增温对MBN/TN的影响达到显著水平(P<0.05)，对MBP/TP的影响达到极显著水平(P<0.01)。生物炭添加对MBN/TN的影响不显著，但对MBP/TP的影响达到显著水平(P<0.05)。增温与生物炭共同作用对MBN/TN的影响达到极显著水平(P<0.01)，但对MBN/TN的影响不显著。如表4所示，增温作用下，T1、T2和T3处理MBN/TN均高于CK，T3处理MBN/TN增幅小于T1和T2处理，但在增温与生物炭共同作用下，MBN/TN随温度升高呈逐渐增加趋势。增温以及增温与生物炭共同作用下，MBP/TP随温度升高呈逐渐增加趋势。

表3 增温和生物炭添加对土壤MBN/TN和MBP/TP的双因素方差分析

表4 增温和生物炭添加对土壤MBN/TN和MBP/TP的影响

2.3 增温和生物炭添加对土壤MBC、MBN和MBP的影响

2.3.1增温和生物炭添加对土壤MBC、MBN和MBP含量的影响

如表5所示，双因素方差分析结果表明增温和添加生物炭处理均显著影响土壤MBC、MBN和MBP含量(P<0.05)。如图1所示，土壤MBC、MBN和MBP含量均随温度上升而增加。不添加生物炭条件下，T1、T2和T3处理MBC、MBN和MBP含量最大值分别为CK的2.14、1.72和3.03倍。添加生物炭条件下，随着温度升高，T1、T2和T3处理土壤MBC、MBN和MBP含量最大值分别为CK的1.78、1.36和2.79倍。相同增温处理添加生物炭的土壤MBC、MBN和MBP含量均高于不添加生物炭。

表5 增温和生物炭添加对土壤微生物生物量碳、氮和磷含量的双因素方差分析

2.3.2增温和生物炭添加对土壤MBC、MBN和MBP比值的影响

土壤MBC、MBN和MBP之间比值能反映微生物对土壤碳、氮和磷的利用程度。如表6所示，增温能显著影响土壤MBC、MBN和MBP之间比值，而生物炭添加的影响不显著。这表明增温是影响土壤MBC、MBN和MBP之间比值的主要因素。如表7所示，土壤MBC、MBN和MBP之间比值对增温及生物炭添加处理的响应不同。增温处理MBC/MBN随温度增加呈增加趋势，T3处理最大，并显著高于CK(P<0.05)。随着温度增加，MBC/MBP和MBN/MBP整体呈下降趋势(P<0.05)，T3处理MBC/MBP和MBN/MBP分别为CK的69.46%(BC0)和63.81(BC1)以及53.90%(BC0)和49.19%(BC1)。

2.4 土壤微生物生物量与环境因子之间的关系

冗余分析中，增温和添加生物炭处理中土壤微生物生物量为响应变量，土壤理化指标为解释变量。结果表明土壤SOM正相关作用效果最明显，能解释土壤微生物生物量含量变化的64.2%。

表6 增温与生物炭添加对土壤微生物生物量比值的双因素方差分析

表7 增温与生物炭添加对土壤微生物生物量比值的影响

图2显示，土壤环境因子共解释微生物生物量变化的95.4%，各因子影响由高到低为SOM>AP>AK>AN>TK>PH>TP>TN。其中，第1轴解释了91.68%，第2轴解释了2.61%。表8显示，MBC与土壤SOM、TN、TK和AN之间呈极显著正相关(P<0.01)，与TP、AP和AK之间呈显著正相关(P<0.05)；MBN与土壤SOM、TN、TK、AN、AP和AK之间呈极显著正相关(P<0.01)；MBP与土壤SOM、TN、TK、AN、AP和AK之间呈极显著正相关(P<0.01)，与土壤pH呈极显著负相关(P<0.01)。

3 讨论

3.1 增温和生物炭添加对土壤环境因子的影响

土壤微生物参与土壤矿物质分解与转化，是影响土壤肥力的重要因素。生态系统中土壤理化性质变化能影响微生物活动，进而影响土壤养分循环和转化。就T3处理而言，添加生物炭处理AN较未添加生物炭处理差异不显著，且有所降低，这与俞映倞等[20]研究结果一致。这是由于生物炭独特的多孔特性及其异质性表面官能团，可通过表面络合和配体交换反应等，扩散和吸附土壤养分，最终控制土壤中植物可用的养分，温度上升导致小麦植株根系活动增强，促进了其对土壤中N的吸收[21]。相关研究[22]表明，土壤微生物生物量与相应土壤养分的比值受环境因子影响的变化较敏感，可以用来反映土壤养分向微生物生物量的转化效率，并且在标记土壤过程或土壤健康变化时比单独使用微生物生物量或土壤养分更有效。增温和生物炭添加条件下，MBP/TP显著升高，这表明增温和生物炭添加处理土壤微生物对磷的利用和代谢增强[23]。笔者研究中，T1、T2和T3处理MBN/TN均高于CK，T3处理MBN/TN增幅小于T1和T2处理；但增温与生物炭添加共同作用下，MBN/TN随着温度升高呈逐渐增加趋势，这可能是由于微生物对T1和T2处理具有更强的适应性。就T3处理而言，相较于未添加生物炭，添加生物炭处理MBN/TN显著升高，这可能是由于生物炭的特殊结构增强了微生物对温度变化的适应能力，土壤微生物对氮的利用和代谢也随之增强。

3.2 增温和生物炭添加对土壤微生物生物量的影响

微生物生物量是土壤SOM组分中最活跃的部分。笔者研究发现，在农田土壤中加入生物炭之后，土壤MBC、MBN和MBP含量均显著上升(P<0.05)，这与尚杰等[24]和张星等[25]的研究结果一致。生物炭具有的高含碳量、巨大的比表面积和丰富的孔隙结构，能保持土壤养分，改善土壤环境，对土壤微生物进行物理保护，这都有利于土壤微生物生物量增加。单独增温处理能显著提升土壤MBC、MBN和MBP含量(P<0.01)，这与权国玲等[26]的研究结果基本一致，这可能是由于适当增温能提升微生物活性。土壤MBC/MBN、MBN/MBP和MBC/MBP能够反映土壤微生物的变化和微生物群落结构信息[27]，MBC/MBN和MBC/MBP已被用于指示真菌相对于细菌的相对丰度[28]。笔者研究中，在增温作用下，土壤MBC/MBN和MBC/MBP都呈显著上升趋势，这与XU等[29]的研究结果基本一致，由于真菌比细菌更耐受高温，增温处理真菌比未增温处理更丰富。笔者研究中，增温与生物炭添加共同作用时，土壤MBC/MBN和MBC/MBP呈显著上升趋势，表明真菌在微生物群落中所占比例上升，这与HARTLEY等[30]的研究结果基本一致，这是由于生物炭能促进微生物生长。就T3处理而言，相较于未添加生物炭处理，添加生物炭处理MBC/MBN和MBC/MBP增幅不显著，MBP差异不显著，且有所降低，这可能是由于增温幅度较大时，添加生物炭改变了细菌生物量及细菌功能群结构[31]。

3.3 增温和生物炭添加条件下土壤微生物生物量与环境因子之间的关联性特征

微生物生物量是土壤SOM的重要组成成分，是土壤肥力表征的重要因素[32]。土壤微生物生物量与土壤环境因子之间的相互作用对维持土壤生态系统平衡具有重要意义。笔者研究结果表明，土壤MBC和MBN都与土壤养分之间主要呈正相关，这与付美云等[33]的研究结果一致。冗余分析结果表明，环境因子对微生物生物量的影响由高到低为SOM>AP>AK>AN>TK>PH>TP>TN，其中土壤养分中SOM、AP和AK是影响土壤微生物生物量的主要因素。相关分析结果表明，TN、TP和AK主要影响MBC和MBN，而TN、TK和AK作为耕地土壤质量重要的评价指标[34]，均与微生物生物量有较强的相互作用。

4 结论

(1)与对照相比，增温和生物炭添加处理MBC、MBN和MBP含量均呈上升趋势，且达到极显著水平(P<0.01)。

(2)土壤微生物生物量与土壤环境因子的相关分析和冗余分析结果表明，环境因子对微生物生物量变化的影响由高到低为SOM>AP>AK>AN>TK>PH>TP>TN，其中土壤养分中SOM、AP和AK是影响土壤微生物生物量的主要因素。与未增温未添加生物炭处理相比，增温与生物炭共同作用处理土壤MBC、MBN和MBP含量均有所增加，最大增加量分别达到154.34%、87.85%和197.60%。增温和添加生物炭共同作用能使土壤微生物生物量提高，进而促进土壤有机质分解与转化，有利于土壤养分循环与利用。