生物炭连续还田后效对盐碱土稻田养分、酶活性和腐殖质组分的影响

李红宇，林 添，王志君，赵海成，郑桂萍，吕艳东,钱永德，范名宇

(黑龙江八一农垦大学农学院，黑龙江省现代农业栽培技术与作物种质改良重点实验室，黑龙江 大庆 163319)

目前，全球盐碱地总面积约 1.10×109hm2，其中中国盐碱地总面积为 3.69×107hm2[1-2]。盐碱化耕地是中国最主要的中低产田类型之一，提升盐碱耕地质量对提高粮食产量意义重大。同时，盐碱地的开发利用为我国提供了重要的后备耕地资源[3]。盐碱地改良和治理的核心措施是增加土壤有机质含量，有机质含量的提高利于改善土壤物理性质、加速土体脱盐、提高养分含量。生物炭是一种具有高碳含量、有机物和无机矿物的新型碳质复合材料，孔隙结构丰富、比表面积巨大、吸附能力强，可明显改善土壤微观结构，促进团聚体形成，固存矿质养分，提高土壤通透性和肥力，增加有机碳含量[4]。生物炭对苏打盐碱土改良效果显著。李少朋等[5]对天津滨海盐碱土的研究表明，施用生物炭后土壤有机碳、速效养分含量以及酶活性明显增加，是盐碱地复垦和生态重建的改良剂。孔祥清等[6]改良松嫩平原苏打盐碱地的实践显示，生物炭还田增加盐碱土水分渗透性能，提高盐碱地的有机质、速效磷、速效钾、全氮、全磷和全钾含量。屈忠义等[7]研究内蒙古硫酸盐—氯化物型盐土发现施用生物炭22.5 t·hm-2可以显著降低中度盐碱地土壤EC和pH值，促进土壤微生物的生长繁殖。韩剑宏等[8]研究认为生物炭和腐殖酸都具有改良土壤盐碱性、提高土壤肥力的作用，二者联合配施对降低土壤pH值、电导率(EC)、碱化度(ESP)及提高土壤养分的效果更明显。郭琴波等[9]对生物炭等量代换氮肥的研究显示，减氮30%同时配施生物炭可显著提高土壤肥力，减少土壤有机碳(SCO)矿化，增加土壤固碳，提高土壤酶活性及水稻产量。虽然生物炭对盐碱地培肥改良的机理和效果方面已有部分研究，但是关于生物炭连续还田对苏打盐碱地影响的长期定位试验报道较少。本试验研究了生物炭连续还田对苏打盐碱土稻田养分含量、酶活性和腐殖质组分的影响，以期为苏打盐碱地的生物炭改良提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验设计

参试水稻品种为垦鉴稻5号。生物炭为水稻秸秆炭(辽宁金和福农业开发有限公司)，其碳含量为56.61%，氮含量为13.60%，灰分含量为21.07%，pH值9.04。盆栽试验，盆钵高30.5 cm，直径30 cm。单因素完全随机试验设计，生物炭每年还田量分别为0 t·hm-2(BC0)、3.0 t·hm-2(BC3.0)、7.5 t·hm-2(BC7.5)、12.0 t·hm-2(BC12.0)和16.5 t·hm-2(BC16.5)，每个处理种植12盆。

试验于2014—2019年在黑龙江八一农垦大学进行。参试土壤取自黑龙江八一农垦大学校内的未开垦原生苏打盐碱土(OS)。参试土壤的基础值为全盐含量5 g·kg-1，pH 8.71，碱解氮含量89.52 mg·kg-1，有效磷含量17.23 mg·kg-1，速效钾含量233.88 mg·kg-1，有机质含量16.92 g·kg-1。每盆装风干、粉碎、混匀的盐碱土12.00 kg，将生物炭和基肥埋在盆钵中间，之后向盆钵内加水至水层稳定，采用电动搅浆机搅浆。搅浆后5 d插秧，插秧规格为4穴·盆-1，3苗·穴-1。参试肥料为尿素、硫酸铵、磷酸二铵和硫酸钾，基肥N、P、K施用量按照39.6、69.0、42.0 kg·hm-2计算，分蘖肥和调节肥N施用量分别为28.35、9.35 kg·hm-2，穗肥N和K施用量分别为14.39 kg·hm-2和28.50 kg·hm-2。其他栽培管理措施按当地常规生产进行。

水稻收获后，土壤原位保留至下一年春季。每年春季将同一处理各盆土壤粉碎后重新混合均匀，之后等分为12盆，用于试验。各处理每年采用相同的方法添加与第一年等量的生物炭。

1.2 土壤取样及指标测定方法

生物炭连续还田第6年(2019年)的10月中旬(水稻收获后)，每处理使用土壤取样器采集0～10 cm土壤样品，每盆取1个样点，4个样点混合为一个样品，每处理3个重复。土壤样品置于避光通风处风干，挑去肉眼可见细根和杂质，过2 mm筛，备用。参照鲁如坤[10]方法测定土壤化学性质。采用重铬酸钾法测定土壤有机质含量，采用凯氏定氮法测定全氮含量,采用氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法测定土壤全磷含量,采用原子吸收分光光度法测定土壤全钾含量、速效钾含量,土壤碱解氮含量采用扩散法测定，采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定土壤速效磷含量，采用pH计(电位法)测定土壤pH值，采用电导率仪(电极法)测定土壤电导率。采用重铬酸钾氧化法测定土壤腐殖质组成[11-12]。土壤酶活性测定参照关松荫[13]相关方法：土壤过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法，蔗糖酶活性的测定采用 3，5-二硝基水杨酸比色法，脲酶活性的测定采用苯酚-次氯酸钠比色法，土壤酸性磷酸酶用磷酸苯二钠法测定。

1.3 数据分析

采用EXCEL 2010和SPSS 23.0进行数据的统计和分析。采用SSR法检验处理间的差异显著性，以P<0.05作为显著性差异水平。

2 结果与分析

2.1 生物炭连续还田对土壤氮磷钾含量的影响

由表1可见，连续种植水稻6 a后，BC0的土壤全氮、全磷、有效磷和速效钾含量显著低于OS，而全钾、碱解氮和有效磷差异不显著。除全钾处理间无显著差异外，全氮、全磷、碱解氮、有效磷和速效钾均随生物炭还田量增大呈增加趋势。其中BC7.5、BC12.0、BC16.5的土壤全氮含量较BC0分别提高19.09%、25.45%、30.00%(P<0.05)，BC7.5、BC12.0、BC16.5的全磷含量分别提高34.58%、36.78%、45.37%(P<0.05)，BC12.0和BC16.5的碱解氮分别提高5.34%、6.87%(P<0.05)，BC3.0，BC7.5、BC12.0、BC16.5的有效磷含量分别提高13.61%、19.04%、26.39%、39.16%(P<0.05)，BC7.5、BC12.0、BC16.5的速效钾含量分别提高38.66%、53.32%、63.12%(P<0.05)。

表1 不同生物炭处理土壤氮磷钾含量Table 1 Contents of soil nitrogen, phosphorus and potassium under different biochar treatments

2.2 生物炭连续还田对土壤pH值和电导率的影响

由图1可看出，连续种植6 a水稻后， BC0、BC3.0、BC7.5、BC12.0和BC16.5土壤pH值由OS的8.71下降至6.65、6.93、7.04、7.11、7.14，差异显著。土壤pH值随着生物炭还田量的增加呈增加趋势，BC3.0与BC0差异不显著，BC7.5、BC12.0、BC16.5的pH值分别提高5.76%、6.91%、7.27%(P<0.05)。土壤电导率也大幅度降低，BC0、BC3.0、BC7.5、BC12.0和BC16.5由OS的758.8 μs·cm-1下降至315.7、330.8、375.1、345.0、345.6 μs·cm-1。土壤电导率随着生物炭还田量的增加呈先增后降的趋势，其中BC7.5电导率较BC0和BC3.0分别提高18.79%和13.38%(P<0.05)。

图1 不同生物炭处理土壤pH值和电导率的比较Fig.1 Comparison of soil pH and electrical conductivity under different biochar treatments

2.3 生物炭连续还田对土壤腐殖质组分的影响

表2显示，连续种植6 a水稻后，各处理的土壤有机质及腐殖质各组分均较OS大幅增加，有机质含量、腐殖质全碳量、腐殖酸总碳量、胡敏酸碳量、富里酸碳量和胡敏素碳量增幅分别为21.81%～146.74%、29.85%～161.75%、57.27%～127.27%、122.50%～125%、295.24%～695.24%、9.21%～159.91%。

表2 不同生物炭处理土壤腐殖质组分的比较/(g·kg-1)Table 2 Comparison of soil humus components under different biochar treatments

土壤有机质含量、腐殖质全碳量和胡敏素碳量随生物炭还田量增加呈增加趋势， BC7.5、BC12.0、BC16.5的有机质含量分别较BC0提高48.47%、70.51%和102.57%(P<0.05)，腐殖质全碳量分别较BC0提高47.40%、69.96%和101.58%(P<0.05)，胡敏素碳量分别较BC0提高69.99%、96.52%和137.97%(P<0.05)，BC3.0的有机质含量、腐殖质全碳量和胡敏酸碳量与BC0差异均不显著。

生物炭还田处理的腐殖酸总碳量和富里酸碳量均较BC0显著下降，BC3.0、BC7.5、BC12.0和BC16.5的腐殖酸总碳量分别下降36.00%、30.40%、26.00%、30.80%，富里酸碳量分别下降27.54%、50.30%、52.09%、50.30%。BC12.0胡敏酸碳量较BC0提高16.85%(P<0.05)，BC3.0、BC7.5和BC16.5与BC0差异不显著。

由图2可以看出，连续种植6 a水稻后各处理的HA/FA和PQ显著降低，其中HA/FA的降低幅度为32.65%～72.47%，PQ的降低幅度为14.42%～47.19%。HA/FA和PQ随生物炭还田量增大均呈先增后降的趋势，且以BC12.0最高。BC7.5、BC12.0、BC16.5的HA/FA分别较BC0提高108.00%、144.63%、103.00%(P<0.05)，BC3.0与BC0差异不显著。BC3.0、BC7.5、BC12.0、BC16.5的PQ分别较BC0提高16.58%、51.15%、62.07%、49.43%(P<0.05)。

注：HA/FA-胡敏酸碳与富里酸碳的比；PQ-胡敏酸在可提取腐殖质(HA+FA)中所占的比例。Note: HA/FA-the ratio of humic acid carbon and fulvic acid carbon; PQ-the ratio of humic acid proportion in ex-tractable humus (HA+FA).图2 不同生物炭处理土壤HA/FA和PQ的比较Fig.2 Comparison of soil HA/FA and PQ under different biochar treatments

2.4 生物炭连续还田对土壤酶活性的影响

由图3可以看出，连续种植6 a水稻后，BC0的脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性较OS无显著变化。脲酶活性随生物炭还田量增大呈先增后降的趋势，其中以BC7.5脲酶活性最高，较OS和BC0提高102.25%和89.03%(P<0.05)，其次为BC12.0，较OS和BC0提高64.05%和53.33%(P<0.05)。BC3.0和BC7.5碱性磷酸酶活性显著低于BC0，分别降低36.06%、41.27%；BC12.0和BC16.5的碱性磷酸酶活性显著高于BC3.0和BC7.5，与BC0差异不显著。过氧化氢酶活性和蔗糖酶活性均随生物炭还田量增大呈先增后降。过氧化氢酶活性以BC7.5活性最高，其与BC16.5差异显著，与其他处理差异不显著。蔗糖酶活性以BC12.0最强，与BC7.5差异不显著，较BC0、BC3.0和BC16.5分别提高41.84%、32.02%、20.59%(P<0.05)。

图3 不同生物炭处理土壤酶活性的比较Fig.3 Comparison of soil enzyme activities under different biochar treatments

2.5 生物炭还田量与养分含量、腐殖酸组分及酶活性的相关分析

由表3可以看出，生物炭还田量与全氮、全磷、碱解氮、有效磷和速效钾含量呈极显著正相关，与全钾含量呈显著负相关；与pH值显著正相关，与电导率无显著相关性；与有机质含量、腐殖质全碳量和胡敏素碳量呈极显著正相关，与富里酸碳量呈显著负相关，与腐殖酸总碳量和胡敏酸碳量相关不显著；与过氧化氢酶、脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性相关不显著。

表3 生物炭还田量与养分含量、腐殖酸组分及酶活性的相关系数Table 3 Correlation coefficients between biochar returning amount and nutrient content, humic acid composition and enzyme activity

3 讨 论

盐碱土由于理化性质恶劣导致离子拮抗和渗透胁迫，直接影响根际微生物的组成和活动、养分转化及其有效性，降低有效氮、磷、钾含量[14-15]。前人研究表明，生物炭还田可以增加盐碱土壤全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾含量和有效性[16]，并且生物炭本身具有大量的营养元素，较大的表面积和极强的吸附能力，增强了对土壤中养分的吸附能力，减少了养分的损失[17]。本研究显示，土壤全氮、全磷、碱解氮、有效磷和速效钾含量均与生物炭还田量呈极显著正相关。生物炭还田量7.5～16.5 t·hm-2时，全氮、全磷和速效钾含量分别提高19.09%～30.00%、34.58%～45.37%、38.65%～63.12%(P<0.05)；12.0～16.5 t·hm-2时，碱解氮含量提高5.34%～6.87%(P<0.05)；3.0%～16.5 t·hm-2时，有效磷含量提高13.61%～39.16%(P<0.05)。可见，生物炭还田量大于7.5 t·hm-2时，除全钾外其他养分含量均显著增加。综合分析，生物炭提高了盐碱土壤养分含量的原因主要有：(1)生物炭能够产生正、负电荷，能够有效吸附盐土中的养分，降低盐土的淋溶损失[18]；(2)生物炭本身含有大量营养元素，可显著增加盐碱土壤养分含量[19]；(3)生物炭可促进营养物质转化，提高养分有效性[20]。

土壤腐殖质是有机物经过微生物新陈代谢降解后合成的一类非均质的呈黑色或黑褐色的有机高分子化合物[21]，一般占有机质总量的50%～70%，具有吸收、交换等多种功能，对土壤的物理、化学及生物学性质均有重要影响[22]，经常作为反映土壤肥力状况的重要指标[23]。生物质炭是土壤碳库中惰性部分的重要组成部分，是土壤腐殖质的重要来源[24]。本研究结果表明，盐碱土有机质含量和腐殖质全碳量与生物炭还田量呈极显著正相关，还田量>7.5 t·hm-2时有机质含量和腐殖质全碳量与空白对照差异显著。前人研究多认为添加生物质炭会明显提高土壤有机碳的含量，且可长时间持续进行碳的补充[25-26]，但也有研究者认为添加生物质炭对土壤有机碳影响较小[27]，不同研究结果的差异也反映出土壤有机质形成的复杂性。同时，影响有机质及组成的因素也十分复杂，比如气候、土地类型、土壤层次、有机物料等。

根据腐殖质在酸碱中的溶解度分为胡敏酸、富里酸和胡敏素，其中胡敏酸最活跃，富里酸碳经氧化缩合形成胡敏酸碳，在胡敏酸碳的积累过程中起重要作用[28-29]。胡敏酸碳(HA)/富里酸碳(FA)和PQ值常用来评价腐殖质品质，可以用来表征土壤的腐殖化程度，其比值越大说明腐殖质品质越好。本研究结果表明，胡敏酸碳量与生物炭还田量无显著相关关系，并且以生物炭还田量12 t·hm-2处理胡敏酸碳量最高；富里酸碳量与生物炭还田量呈显著负相关；HA/FA和PQ随生物炭还田量增大呈先增后降的趋势，以还田量12 t·hm-2处理最高；当还田量大于7.5 t·hm-2时HA/FA大于1，即胡敏酸碳量大于富里酸碳量。因此，生物炭年还田量7.5～12.0 t·hm-2时土壤熟化程度较高。

土壤酶是土壤有机质分解与养分转化和循环的驱动力[30]，反映土壤微生物的活性[31]，与土壤理化特征、养分含量和有机质转化有密切关系，是评价土壤供肥水平的关键因素[32]。过氧化氢酶可反映土壤中氧化还原的能力[33]，蔗糖酶是土壤碳循环转化的关键酶[34]，脲酶直接参与土壤有机氮的转化[35]，碱性磷酸酶可以促进土壤中无机磷酸盐或有机磷酸化合物转化为无机态磷更好地被植物利用[36]。生物炭具有疏松多孔结构，可以改善土壤的通气性，保持土壤的水分，而土壤含水量、有机质等因素对土壤酶活性有很大影响，利于增加土壤蔗糖酶、脲酶活性和土壤微生物量碳含量，减少氮素流失[37-38]。本研究结果表明，苏打盐碱土连续种植水稻6 a后，未添加生物炭处理的土壤脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和蔗糖磷酸酶活性变化不显著。生物炭连续还田处理的脲酶、过氧化氢酶和蔗糖磷酸酶活性随生物炭还田量呈先升后降的趋势，说明虽然适宜的生物炭还田量能够提高耕作层土壤酶活性，而当生物炭投入量超过一定临界值，酶活性反而下降，这与张泽慧[39]的研究结果一致。生物炭还田7.5～12.0 kg·hm-2，脲酶、过氧化氢酶和蔗糖磷酸酶活性高，尽管碱性磷酸酶活性较低，但仍能维持较高的有效磷含量，可以作为生物炭还田的适宜施用量。

4 结 论

原生苏打盐碱土连续种植6 a水稻后，土壤全氮含量、全磷含量、速效钾含量、电导率、pH值、HA/FA和PQ显著降低，有机质含量、腐殖质全碳量、腐殖酸总碳量、胡敏酸碳量、富里酸碳量显著提高。生物炭连续还田能够显著影响苏打盐碱土养分相关指标(全氮、全磷、碱解氮、有效磷及速效钾)含量、盐碱胁迫强度相关指标(电导率和pH值)、土壤有机碳相关指标(有机质含量、腐殖质全碳量、腐殖酸总碳量、胡敏酸碳量、富里酸碳量、胡敏素碳量、HA/FA和PQ，土壤脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶及蔗糖酶活性)，并且多为正向影响。综合考量，认为生物炭7.5～12.0 t·hm-2是降低盐碱土壤胁迫强度，提高土壤养分含量，增加腐殖酸碳量，改善酶活性的适宜还田量。