生物炭施用五年后对土壤生物化学特性及夏玉米产量的影响

郭书亚,尚赏,张艳,汤其宁,卢广远

(商丘市农林科学院，河南 商丘 476000)

生物炭具有含碳量高、孔隙度高、吸附力强及营养丰富等特点[1-2]，其在提高作物产量和培肥土壤中已大量应用。张千丰等[3]研究指出，作物产量与生物炭施用量成正相关关系；
宋大利等[4]研究进一步证明了施用生物炭配施氮肥显著增加了小麦、玉米两季产量达17.2%～22.7%；
文献资料整合分析表明，生物炭合理施用下，作物平均增产 15.0%[5]。因此，施用生物炭对提高作物产量意义重大。

生物炭的添加为土壤微生物的生长和繁殖提供了丰富的营养物质和良好的生存条件，改善土壤微生物活性，增加了微生物生物量[6-7]。当季施加生物炭及连续多年施用生物炭均可显著增加土壤有机碳、全氮及速效养分的含量[8]，提高土壤脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性[8-10]，增加棕壤全磷、有效磷含量及磷活化系数[11]，提高了小麦[12]、大豆[13]和玉米[14-15]的产量。前人研究连续大量施加生物炭虽能提高作物产量，但是因投入量大，反而会造成综合经济效益的亏损，与对照相比亏损达2 980元·hm-2[12]。而生物炭一次性施用后效也较为明显，施用生物炭3年后，显著提高了稻田土壤pH值、有机碳、全氮含量及作物产量[16]。施用生物炭 6 年后，土壤有机碳、有效磷和速效钾含量显著增加，增幅分别为34.6%、12.4%和26.2%，土壤脲酶活性显著增加，土壤过氧化氢酶和酸性磷酸酶活性显著降低[17]。但也有试验表明，生物炭的施用不利于土壤养分含量的积累，同时还会导致酶活性的降低及作物的减产[18-20]。这主要是生物炭制备工艺、pH、施用方式和土壤性质等多种因素综合作用造成[7,21]。因此，研究生物炭一次施加的后效作用更具有实用价值。前人研究主要集中在东北黑土区[22]、西北塿土和沙土区[7,19,23-24]、南方稻田[16-17]，而对河南省商丘为代表的豫东平原潮土研究较少，并且多集中在短期效应和培养试验。因此，本研究设置一次性添加生物炭5年后，探讨其对潮土夏玉米产量、土壤养分、微生物量碳氮和酶活性的影响，为玉米田一次性施用生物炭的效果提供数据和理论支撑。

1.1 试验设计

试验于2016年在河南商丘市农林科学院薛庄试验基地(34°31 N，115°42 E)进行，该区一年两季，实施小麦-玉米轮作，土壤为潮土，土壤含有机碳10.9 g·kg-1、碱解氮81.6 mg·kg-1、速效磷10.0 mg·kg-1、速效钾123.4 mg·kg-1。

试验设5个处理：不施生物炭(CK)，生物炭10 t·hm-2(T1)，生物炭15 t·hm-2(T2)，生物炭20 t·hm-2(T3)，生物炭25 t·hm-2(T4)。不同用量生物炭在2016年10月小麦季一次性全部添加，采用旋耕机使土壤耕层(0～20 cm)与生物炭均匀混合。采用随机区组设计，每个处理3次重复，小区面积为6.67 m×6.0 m，每个小区之间设0.60 m隔离带。每年小麦季底施用史丹利第四元素复合肥(N∶P2O5∶K2O=26∶12∶9)525 kg·hm-2；
玉米季底施鄂中复合肥(N∶P2O5∶K2O=17∶17∶17) 600 kg·hm-2，大喇叭口期追施尿素300 kg·hm-2，栽培管理同当地大田措施。

试验所用生物炭购买自河南众信蓝天环保装备有限公司，采用玉米秸秆在厌氧环境中烧制，温度为450 ℃～500 ℃，烧制时间为2 h左右，其碳含量为437.8 g·kg-1、pH 9.0、全氮 16.3 g·kg-1、全磷8.2 g·kg-1、全钾27.6 g·kg-1。供试玉米品种为成玉788，种植密度为75 000株·hm-2。2020年玉米收获后，每个小区采用“S”形取样法取0～20 cm表层土壤样品，测定土壤养分、微生物量碳氮及酶活性。

1.2 测定项目和方法

土壤微生物量碳和微生物量氮含量采用氯仿熏蒸-硫酸钾提取法[25]；
土壤脲酶活性、过氧化氢酶活性、蔗糖酶活性和碱性磷酸酶的活性的测定参照关松荫的方法进行[26]。土壤有机炭、碱解氮、速效磷、速效钾测定参照鲍士旦的方法进行[27]。玉米成熟期，每个小区选择中间两行实收，测定玉米籽粒产量。

1.3 数据处理

使用SPSS 24.0软件进行方差分析，利用Excel软件进行数据处理及制图。

2.1 不同用量生物炭后效对土壤有机碳、速效养分含量的影响

与对照不施用生物炭相比，一次性施用生物炭5年后能够显著增加土壤有机碳含量，增幅为18.9%～32.1%(P<0.05)，其中T4处理的有机碳含量最高，达14.21 g·kg-1(表1)；
除T1处理对速效磷含量的增加效果不显著外，T2、T3和T4处理速效磷含量分别显著增加7.5%、17.0%和20.6%(P<0.05)，T1和T2、T3和T4处理间均未对速效磷含量产生显著影响；
随着生物炭施用量的增加，速效钾含量呈增加趋势，与对照相比，增幅达5.53%～14.9%(P<0.05)；
而土壤碱解氮含量并未受到生物炭施用的影响。

表1 不同处理对土壤有机碳及氮磷钾养分的影响Table 1 Effects of different treatments on soil nutrients

2.2 不同用量生物炭后效对土壤微生物碳、氮及微生物熵的影响

从图1可以看出，施加生物炭显著增加了土壤微生物量碳、氮的含量，并随着生物炭施用量的增加而呈增加趋势，增幅分别为26.6%～51.8%、7.9%～50.7%，且不同生物炭施用量处理之间差异显著(P<0.05)。生物炭处理能够提高微生物熵，T1、T2、T3、T4处理分别较CK增加6.54%、13.7%、21.8%、30.6%，T4处理微生物熵最高，显著高于T2、T1处理(P<0.05)，但与T3处理差异不显著。

注：CK、T1、T2、T3、T4处理分别代表添加生物炭0、10、15、20和25 t·hm-2。同一列不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05)。下同。Note:CK、T1、T2、T3、T4 indicate addition biochar by 0,10,15,20,25 t·hm-2,Different lowercase letters indicate significant differences between treatments at P<0.05.The same is as below.图1 不同处理对土壤微生物量碳、氮及微生物熵的影响Fig.1 Effects of different treatments on soil microbial biomass carbon,microbial biomass nitrogen and microbial quotient

2.3 不同用量生物炭后效对土壤酶活性的影响

从表2可以看出，生物炭处理对土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性有显著影响，并随着生物炭的增加酶活性呈增加的趋势。与CK相比，T1、T2、T3、T4处理的土壤脲酶活性分别显著增加13.6%、28.4%、47.0%和67.4%(P<0.05)；
土壤蔗糖酶活性增加9.6%、16.7%、25.1%和29.8%，其中T4和T3处理之间差异不显著，但均显著高于其他处理(P<0.05)；
土壤碱性磷酸酶活性分别显著增加9.7%、13.9%、20.8%和26.4%，T4和T3处理之间差异不显著，但均显著高于其他处理(P<0.05)；
土壤过氧化氢酶活性分别显著增加13.7%、34.5%、47.0%和78.4%(P<0.05)。

表2 不同处理对土壤酶活性的影响Table 2 Effects of different treatments on soil enzyme activities

2.4 不同用量生物炭后效对玉米产量的影响

从图2可以看出，施用生物炭5年后，与不施用生物炭相比，生物炭处理能够显著增加玉米产量(P<0.05)，且随着生物炭施用量的增加而增加，T1、T2、T3、T4分别较CK显著增加8.85%、14.5%、22.2%、30.1%(P<0.05)。

图2 不同处理对夏玉米产量的影响Fig.2 Effects of different treatments on summer maize yields

2.5 土壤理化指标与作物产量的相关分析

除土壤碱解氮外，不同用量生物炭应用5年后土壤生化指标与玉米产量均呈显著的正相关关系(P<0.05)，且均可以用线性方程进行拟合(表3)。其中，土壤速效磷、速效钾、微生物量碳、氮、微生物商、脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶与产量的相关系数R2﹥0.9，P<0.01。从斜率上看，土壤碱性磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶活性和土壤速效磷含量对玉米产量影响最大。

表3 土壤生化指标与产量的拟合方程参数Table 3 Parameters of fitting equation between soil biochemical indexes and yield

3.1 生物炭施用对土壤有机碳及氮、磷、钾养分的影响

本研究发现，施用生物炭5年后，显著提高了土壤有机碳的含量，生物炭施用量越高，增加越显著，增幅为18.9%～32.1%。这与前人研究的结果基本一致[28-30]。一方面与本试验所用生物炭本身含碳量高(437.8 g·kg-1)有关，另一方面，生物炭能够提供充足的碳源和养分，促进了微生物的繁殖和活动，并且有利于腐殖质和生物大分子形成，从而能够显著提高土壤有机碳含量。

生物炭施用5年后对土壤速效磷和速效钾含量的影响依然显著，与CK相比，不同处理土壤速效磷和速效钾含量显著增加，增幅分别为3.45%～20.6%、5.53%～14.9%，并随着生物炭施用量的增加而增加。这与许云翔等[17]研究生物炭一次性施入土壤6 年后，土壤有效磷、速效钾含量分别显著增加12.4%和26.2%一致；
张云舒等[31]研究生物炭施用5年后土壤速效钾含量显著增加8.9%～29.6%的结果基本一致。这主要是因为：一是因为生物炭具有很强的吸附作用，施入后能够吸附土壤养分，减少淋溶，进而增加土壤养分含量；
二是因为施入生物炭后能够改善土壤团粒结构、水、气条件，进而增加土壤养分的有效性。本研究还表明施用生物炭5年后，各个处理对土壤碱解氮含量无明显影响，T3、T4分别较CK增加0.96%和3.34%，而T1、T2较CK降低1.43%、0.82%，4个处理与CK差异均不显著。这是因为一是生物炭陈化后对土壤硝态氮和铵态氮的吸附效果变弱[32]，二是本研究土壤有机碳显著增加，使得土壤碳氮比提高，反而降低了土壤中微生物对有机氮的矿化速率[33]。

3.2 生物炭施用对土壤微生物特性的影响

施用生物炭能够提高微生物量碳、氮含量，生物炭本身含有大量的有机碳以及氮、磷、钾等元素，为微生物活动提供能量物质；
其次生物炭还能够提供改善微生物活动和繁殖的土壤条件，增加土壤的透性，有利于微生物的生存；
再次生物炭的性质相对稳定，为微生物提供稳定安全的活动场所。本试验研究表明，施用生物炭5年后能够使微生物量碳含量显著增加26.6%～51.8%、微生物量氮含量显著增加7.94%～50.7%，但处理之间差异并不显著。相关分析表明，土壤微生物碳、氮与土壤有机碳、速效磷、速效钾呈显著或极显著正相关关系。孟繁昊[9]和尚杰[23]等也曾得出施用生物炭能增加土壤微生物量碳、氮的相似结论。

本研究表明，施用生物炭5年后，能够显著提高土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性。王智慧[8]等研究表明：施用生物炭能够显著提高草甸土土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性；
陈心想等[7]和尚杰[23]等研究表明：生物炭可显著提高当季塿土土壤脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶活性。本研究结果一方面说明施用生物炭5年后，生物炭仍具有稳定的结构能够同时吸附土壤酶和底物，促进酶促反应的进行[34]，从而增强酶的活性。另一方面说明施用生物炭5年后，土壤有机碳、速效磷、速效钾的显著增加为土壤微生物繁殖生长提供较多营养，从而促进土壤微生物分泌土壤酶类。而许云翔[17]在稻田上研究发现，施用生物炭6年后土壤脲酶活性显著增加，土壤过氧化氢酶和酸性磷酸酶活性显著降低；
顾美英[24]在新疆沙土上研究表明，施用生物炭能够提高土壤蔗糖酶、蛋白酶活性，降低土壤脲酶、过氧化氢酶活性，对土壤磷酸酶影响不大。这些差异可能是由于土壤类型、生物炭种类及作物不同造成的。

3.3 生物炭施用对玉米产量的影响

本研究表明一次性施用生物炭5年后对夏玉米产量后效显著，玉米产量随着生物炭施用量的增加而增加，T1、T2、T3、T4分别较CK增加8.9%、14.5%、22.2%、30.1%，且处理之间差异显著。此结果与前人研究结果相似，如吴震[16]在稻麦轮作体系的研究表明，施用生物炭3年后可以使作物产量显著增加16.4%；
李秋霞[35]在旱地红壤冬油菜-夏红薯轮作体系中研究显示，施用生物质3年后，油菜和红薯产量分别增加2.8%～69.2%、39.3%～76.1%，且随施用时间的推移，增产效应越明显。这表明生物炭施用多年后，理化性质依然较为稳定，能够在土壤中长时间保存。结合本研究施用生物炭5年后，玉米产量的增加主要是与土壤有机碳、速效磷、钾、酶活性显著提高有关。因此，根据本研究结果，对于河南省商丘为代表的豫东平原潮土而言，生物炭一次施用后效显著，可以每隔几年施用一次生物炭。

施用生物炭后效显著，土壤有机碳、速效磷、速效钾、土壤微生物量碳、氮含量及酶活性均显著增加，且生物炭用量越大，后效越大。不同用量生物炭应用5年后玉米产量显著提高8.85%～30.1%。玉米产量的增加与土壤碱性磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶活性和土壤速效磷含量呈显著的正相关关系。