丁俊男 王慧 李鑫 来永才 刘明

摘要 為探讨施用生物炭对东北大豆不同生育期内黑土理化性质和土壤微生物数量的影响，研究不同用量生物炭T0（0 kg/hm2）、T1（350 kg/hm2）、T2（750 kg/hm2）、T3（1 500 kg/hm2）对东北黑土土壤有机质、pH、碱解氮、有效磷、速效钾、土壤酶（脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和磷酸酶）、土壤团聚体、有机碳（总有机碳、水溶性有机碳、微生物量碳和易氧化碳）和微生物量的影响。结果表明，土壤施加生物炭可提高大豆不同生育期土壤有机质的含量，其中T3处理提高土壤有机质含量29.32%;生物炭对大豆成熟期土壤pH有一定改良作用;碱解氮在大豆生育期内逐渐下降，且含量均大于对照;生物炭对大豆开花期和成熟期土壤有效磷的提高有显著作用;生物炭对土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖转化酶和磷酸酶活性影响较大，整体上提高了这4种土壤酶的活性;生物炭可提高黑土土壤聚团体的稳定性及积累黑土土壤中总有机碳、水溶性有机碳、微生物量碳和易氧化碳，且土壤中细菌和真菌总数显著增加。综上所述，生物炭施用后对东北黑土土壤的理化性质有显著影响，这些环境因子的改变驱动了土壤中微生物数量的变化。

关键词 生物炭;黑土土壤;酶活性;土壤团聚体;土壤微生物

中图分类号 S565.1 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）03-0170-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.03.046

Abstract In order to discuss the effects of biochar application on physicochemical properties and microbial populations of black soil in Northeast China at different soybean growth stages，the effects of biochar on the change of soybean biomass and soil organic matter，pH value，available nitrogen，available phosphorus，rapidly available potassium，soil enzymes （urease，catalase，invertase，and phosphatase），soil aggregates，organic carbon （total organic carbon，watersoluble organic carbon，microbial carbon，oxidizable carbon），and microbial biomass of black soil in northeastern China were studied.Black soil with different amounts of biochar were used including T0 （0 kg/hm2），T1 （350 kg/hm2），T2 （750 kg/hm2），and T3 （1 500 kg/hm2）.The results showed that the application of biochar in black soil could increase the content of organic matter at different soybean growth stages，of which the T3 treatment improve the organic matter content by 29.32%，and the biochar had an improved effect on the pH value of soil at the harvest time;the available nitrogen decreased gradually during the soybean growth period，and the contents of which were larger than those in the control group.The biochar also significantly increased the available soil phosphorus in the flowering and harvesting periods of soybean.In addition，the biochar greatly influenced the activity of catalase，urease，invertase，and phosphatase in soil，and the activity of these four enzymes improved.The biochar could improve the stability of black soil aggregates，accumulation of total organic carbon，watersoluble organic carbon，microbial carbon and oxidizable carbon in black soil，and also increase the total number of bacteria and fungi in the soil.Higher application of biochar significantly increased soybean yields.In summary，the application of biochar had a significant influence on the physicochemical properties of black soil in northeastern China，and the changes of the above environmental factors also caused changes in the number of the microorganisms in the soil.

Key words Biochar;Black soil;Enzyme activities;Soil aggregate;Soil microbiology

生物炭（biochar）是农作物秸秆、枯枝落叶和其他材料等在高温缺氧条件下热裂解形成的稳定富碳产物[1-2]。其在农业上的应用引起广泛关注，由于具有较高pH、较大比表面积、高度多孔性和较强阳离子交换吸附能力等优良特性，其在土壤耕性改良、肥力提升及污染修复等方面具有很大潜力。生物炭可有效改善土壤的物理结构和肥力水平，对作物的生长和产量的提高起到良好的促进作用[3]。研究表明生物炭可促进东北地区酸性和碱性土壤中有机质、全氮、全磷、全钾、速效磷和速效钾等生物学活性从而提高土壤养分[4-5]。土壤团聚体是土壤基本结构单元，可在一定程度上用来反映土壤养分存储、通透性能[6];其可作为土壤有机碳重要的载体。土壤有机碳具有贮存植物生长所需的养分、提供土壤微生物合成有机质活动能量和维持团聚体稳定等重要作用[7]，目前对于生物炭对黑土土壤团聚体稳定性及有机碳积累影响的研究较少。笔者研究生物炭对大豆不同生育期内土壤性质的持续性影响，旨在为东北黑土改良提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试生物炭：生物炭是将秸秆、花生壳等农林废弃生物质在亚高温和缺氧条件下热解得到的稳定富碳产物，圆柱状颗粒，购于辽宁金和福农业科技有限公司，pH 8.69。

供试大豆：所选品种为绥农35，由黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所大豆室提供。

供试土壤：土壤为典型黑土类型，其基本理化性质为pH 6.62、全氮1.6 g/kg、碱解氮0.42 g/kg、有效磷 0.03 g/kg、速效钾 0.22 g/kg和有机质 31.2 g/kg。2018年6月8日至10月2日，分别于豆苗期、开花期和成熟期采集长期定位的生物炭各处理大豆根際土。首先获得整株植物，轻轻抖落根系，去掉表土（0～5 cm），再用清洁的毛刷轻轻刷取附着在根表面的土壤，此为根际土。用无菌的封口袋密封，置于冰盒中带回实验室，研磨过1 mm筛后备用。

1.2 试验设计

试验于2018年6月在黑龙江省农业科学院哈尔滨国家农业科技园大豆种植试验区进行，环境平均温度为22.7 ℃，相对湿度为60%。采用小区试验，每个小区面积100 m2（10 m×10 m），施加生物炭参照谷思玉等[8]的试验方法并略加修改，试验设不添加生物炭对照组（T0）、生物炭施入量350 kg/hm2 （T1）、生物炭施入量750 kg/hm2 （T2）、生物炭施入量1 500 kg/hm2（T3），每个处理3次重复 ，各处理小区随机排列组合。生物炭与土壤充分混匀后人工施入，人工点播大豆种子，株距0.2 m，行距0.5 m。田间常规施肥管理，氮肥（尿素40 kg/hm2）、磷肥（磷酸二铵76 kg/hm2）、钾肥（氯化钾28 kg/hm2），定期浇水，病虫害管理按常规进行。

2018年6—10月，分别于豆苗期、开花期和成熟期采集各处理根际土。首先获得整株植物，轻轻抖落根系，去掉表土（0～5 cm），再用清洁的毛刷轻轻刷取附着在根表面的土壤，此为根际土。用无菌的封口袋密封，置于冰盒中带回实验室，研磨后过1 mm筛，用于土壤理化性质和酶活性测定。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤理化性质。

土壤有机质的测定采用重铬酸钾容量法-外加热法;土壤pH测定采用水土比（2.5∶1.0）浸提，用台式pH计（上海雷磁PHSJ-3F）测定;土壤速效氮的测定采用碱解-扩散法;土壤速效磷的测定用NaHCO3-钼锑抗比色法;土壤速效钾的测定采用NaOH熔融，火焰光度法;脲酶测定采用苯酚钠比色法[9]。

1.3.2 酶活性。

脲酶测定采用苯酚钠比色法;过氧化氢酶测定采用高锰酸钾滴定法;蔗糖酶测定采用3，5-二硝基水杨酸比色法;磷酸酶测定采用磷酸苯二钠比色法[10]。

1.3.3 土壤微生物数量。土壤微生物培养基的制备，细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基（牛肉膏5 g、蛋白胨10 g、NaCl 5 g、琼脂18 g、加蒸馏水至1 000 mL，pH 7.0～7.2），真菌采用马丁氏培养基（蛋白胨5.0 g、KH2PO4 3.0 g、MgSO4·7H2O 1.5 g、葡萄糖20.0 g、琼脂18.5 g、孟加拉红33 mg、氯霉素0.1 g、蒸馏水1 000 mL），放线菌采用改良高氏1号培养基（KNO3 1.0 g、FeSO4·7H2O 10 mg、K2HPO4 0.5 g、可溶性淀粉20.0 g、MgSO4·7H2O 0.5 g、NaCl 0.5 g、琼脂18.0 g、3%重铬酸钾溶液3.3 mL、加蒸馏水至1 000 mL，pH 7.2～7.4）。所有培养基均需在高压灭菌锅121 ℃下灭菌20～30 min。

无菌环境下取根际土壤10 g，放入装有90 mL高温灭菌的蒸馏水的三角瓶中，28 ℃恒温振荡（120 r/min）20～25 min，以便土壤中微生物细胞充分分离，该溶液为10-1土壤悬液;取上述土壤悬液体1 mL，加9 mL無菌水，此为10-2土壤悬液，以此类推，制成10-4、10-5、10-6、10-7和10-8等一系列土壤悬液供涂布平板用。采用平板涂布法分离土壤中的细菌、真菌、放线菌，平板培养结束后，选取细菌和放线菌的菌落在20～200的培养皿、真菌的菌落在10～100的培养皿进行计数，计算3次重复的平均值。

1.3.4 土壤机械稳定性团聚体及有机碳。土壤机械稳定性团聚体的测定采用湿筛法，将不同生物炭处理的原状土壤过8 mm筛，然后放入孔径自上而下分别为 5、2、1 和 0.25 mm 的套筛中进行筛分，将水缓慢地沿桶壁加入润湿、浸泡20 min后竖直振荡30 min，振荡完毕后收集每级筛层的土壤团聚体，每级团聚体分别转移至铝盒中，烘干后至恒重，每次筛分200 g左右的土样，将获得粒级为>5.00、>2.00～5.00、>1.00～2.00、0.25～1.00 和<0.25 mm 的团聚体分别称重[11]，最后计算每级团聚体的质量分数。按Van Bavel[12]的方法计算团聚体平均重量直径（MWD）。土壤总有机碳含量、水溶性碳含量和微生物量碳含量的测定采用重铬酸钾-外加热法[10，13];易氧化碳含量的测定采用高锰酸钾氧化法[14]。

1.4 数据分析

采用 Duncan检验 （P<0.05）分析差异显著性，统计软件为 SPSS 17.0。

2 结果与分析

2.1 生物炭对黑土土壤有机质含量的影响

土壤有机质是土壤的重要组成部分，是土壤肥力的重要指标。生物炭对土壤有机质含量的影响见图1。由图1可知，生物炭对大豆不同生育期内土壤有机质含量均有明显的影响，大豆整个生育期内处理组土壤有机质含量均高于对照组。土壤有机质含量T1、T2和T3处理分别比对照组T0提高了14.14%、21.99%和29.32%，可见生物炭处理对土壤有机质含量的积累具有一定的促进作用，改善了土壤的养分环境，对大豆的营养生长也起到了积极作用。

2.2 生物炭对黑土土壤pH的影响 生物炭对土壤pH的影响见图2。由图2可知，施加生物炭对大豆各生育期有明显的影响，其中大豆苗期土壤pH的变化表现为T3>T2>T0>T1，T2和T3处理pH分别比处理组T0提高了1.69%和2.03%;开花期时随着生物炭施加量的增加土壤pH也随之增大，土壤pH变化表现为T3>T2>T1>T0，处理组T1、T2和T3的pH分别比处理组T0提高了0.5%、1.67%和5.69%，可见施加生物炭能够提高土壤pH;生物炭的施加能够明显增加土壤pH，T3处理组与T0处理组差异显著，土壤pH提高了11.6%，由此可见较高施炭量50 t/hm2水平对大豆成熟期的土壤pH有一定的改良作用。

2.3 生物炭对黑土土壤碱解氮含量的影响

土壤碱解氮能反映土壤一段时期内氮素的供应情况，与作物生长关系密切。生物炭施用对大豆不同生育期内土壤碱解氮含量的影响见图3。由图3可知，土壤碱解氮含量在大豆生育期内呈逐渐下降趋势。大豆苗期时，土壤碱解氮含量随着生物炭施加量的增加而随之增大，变化趋势为T3>T2>T1>T0;开花期和成熟期时土壤碱解氮变化趋势相同，均为T2>T3>T1>T0，各生物炭处理组碱解氮含量均大于对照组，可见生物炭处理对黑土土壤碱解氮水平有促进作用。

2.4 生物炭对黑土土壤有效磷含量的影响 生物炭对黑土土壤有效磷含量的影响见图4。由图4可知，生物炭处理组土壤有效磷含量在大豆各生育期内均高于对照组。大豆苗期生物炭处理组土壤有效磷含量较对照组分别提高了4.1%、19.83%和32.08%，且T3处理组与对照组T0差异显著;开花期和成熟期生物炭对土壤有效磷含量的提高作用显著，生育后期，生物炭能够使土壤有效磷保持在一个较高的水平，可见生物炭的施加可以改善作物土壤的磷素营养状况。

2.5 生物炭对黑土土壤速效钾含量的影响

生物炭对大豆生育期内土壤速效钾含量的影响见图5。由图5可知，总体来看施加生物炭对土壤速效钾含量的积累具有促进作用，大豆苗期时生物炭处理对土壤速效钾含量的变化表现为T3>T2>T0>T1，较低生物炭的施加土壤速效钾含量略有下降;大豆开花期时随着生物炭量的增加速效钾含量随之增大;成熟期时生物炭T3处理分别比T0、T1和T2处理速效钾含量增加了18.63%、16.91%和6.14%，可见较高的生物炭施入对土壤速效钾有明显的积累作用。

2.6 生物炭对土壤酶活性的影响

研究表明生物炭能在一定程度提高土壤中养分的有效性，而养分有效性的提高与土壤中酶活性密切相关[15]，土壤酶是表征土壤生产力和土壤质量水平的一个重要生物指标[16]。由表1可知，生物炭处理的大豆根际土壤中脲酶和磷酸酶活性均显著高于对照组处理;生物炭T1、T2和T3处理组脲酶活性分别高于T0对照组14.29%、36.59%和74.31%，T2和T3与其他处理差异显著（P<0.05），较高生物炭施加后的脲酶活性增强说明植物不能利用的复杂含氮化合物转化为可利用无机氮化合物增多，提高了土壤中氮肥利用率[17]。生物炭处理的土壤过氧化氢酶活性变化与脲酶相同，其中，T3处理组过氧化氢酶活性较对照T0处理组高66.75%，2组处理差异达显著水平（P<0.05），说明生物炭施入方式促进了土壤过氧化氢酶活性的提高，氧化作用增强，促进了过氧化氢的分解，减少了对植物根系的毒害作用。随着施炭量的增加蔗糖酶活性也随之增大，但蔗糖酶活性在施炭与不施炭处理间差异不显著（P>0.05）。

2.7 生物炭对黑土土壤团聚体组成机械稳定性的影响 生物炭对土壤团聚体组成机械稳定性的影响见图6。由图6可知，生物炭改变了试验区黑土土壤机械稳定性团聚体组成，T1和T3处理下黑土土壤<0.25 mm的小团聚体明显增加;T0和T1生物炭处理组黑土土壤相对较大的团聚体较T2和T3处理组土壤明显降低，其中T0处理组>5.00 mm的团聚体较T3处理组降低了16.39%，而<2.00 mm的各级团聚体随着生物炭量的增加均有不同程度的减小;T2和T3处理组黑土土壤>5.00 mm 和>2.00～5.00 mm团聚体明显增加，且其比例也明显高于T1和T0处理组。T3处理显著增加平均重量直径（MWD），与各处理组相比分别提高了1.12、1.09和1.08倍，表明施入生物炭量50 t/hm2能够在一定程度上提高黑土团聚体稳定性。

2.8 生物炭对黑土土壤有机碳变化的影响

由图7可知，随着施入生物炭量的增大黑土土壤总有机碳、水溶性有机碳、微生物量碳和易氧化碳各活性有机碳组分的含量均明显增大。生物炭T3处理组总有机碳、水溶性有机碳、微生物量碳和易氧化碳含量明显高于其他处理，其含量分别为T0处理组的1.30、1.39、1.42和1.09倍，可见生物炭对黑土土壤有机碳具有贮存积累作用。

2.9 生物炭对土壤微生物量的影响

生物炭处理对土壤微生物量的影响见表2。由表2可知，生物炭对土壤微生物量的积累具有明显作用，这与土壤中微生物数量有较大的关系。施加生物炭后土壤中微生物总量显著增加。其中，土壤细菌受生物炭的影响最大，根际土壤中细菌数量占微生物总量的92.42%～95.53%，放线菌数量次之，真菌数量最少。生物炭T1和T2处理组根际土壤中细菌所占比例降低，但放线菌和真菌的比例增加，放线菌比例分别比对照提高46.98%和41.37%，真菌比例分别比对照提高了49.02%和33.33%;T3处理组中细菌和真菌的数量最大，但放线菌数量较T2降低，微生物总数分别较T2、T1和T0处理组提高了35.57%、124.14%和156.76%，细菌所占的比例最大，但放线菌和真菌的比例略有降低，研究发现经高施用量生物炭（6 000 kg/hm2）处理过的棕壤土大豆田，在大豆成熟期细菌数量增长94.9%，真菌数量减少1.26倍[18]。土壤中细菌与真菌数量比值越大，土壤中有机物质向无机物质转化的越多。生物炭处理根际细菌数量能加速对氮素的分解和转移，说明大豆生育期内施加生物炭处理增加了土壤可利用的氮素营养。

3 讨论

生物炭具有吸附水分和储存养分的功能，可有效增加土壤中有机质含量，同时其颗粒表面具有巨大的表面积及多孔性也可显著提高土壤微生物的数量和活性，进而能够调节多种元素在土壤中的循环[19]。土壤有机质由复杂的微生物和土壤物理化学转化过程而来，其数量和质量是表征土壤质量的重要指标，是供应植物营养生长的重要养分物质[20-21]。该研究表明生物炭在大豆生育期内可有效增加土壤有机质含量，生物炭具有吸附并缓慢释放土壤中养分的作用，从而促进大豆生育期内的营养生长;较高生物炭的施入50 t/hm2对土壤有机质含量具有明显的促进作用。研究表明生物炭对不同地区、质地的土壤有机质含量具有较大影响，郭大勇等[22]通过0.1 mol/L盐酸浸泡、淋洗等方式对生物炭改良，在碱性土壤中施用负载铁盐的生物炭后增强了玉米对养分吸收利用，增加了玉米的生物量和农艺性状等指标，同时碱性土壤有机质也显著提高;曾爱等[23]在小麦分蘖期、返青期、拔节期和抽穗期施用生物炭，土壤有机碳含量和相关肥力指标随生物炭量增加而显著提高。土壤中施入生物炭会增加土壤中复杂的芳香族化合物，这些化合物是土壤有机质形成的主要物质，同时生物炭颗粒具有复杂的表面结构能够吸附养分，在土壤中充分作用后其表面钝化产生保护基质，增加土壤有机质的氧化稳定性，促进土壤有机质的积累[24-25]。氮、磷和钾素是植物生长发育所必需的元素，生物炭可提高土壤对硝态氮、铵态氮 、磷、钾等养分的吸附[26-27]。该试验结果表明生物炭对大豆苗期和开花期土壤碱解氮、有效磷和速效钾的影响显著;大豆成熟期时较高生物炭能够保持土壤堿解氮、有效磷和速效钾在一个较高的水平，可见生物炭的施加可以改善作物土壤的营养状况。

该研究结果表明生物炭的施入可明显增加大豆生育期内黑土土壤的pH。研究显示生物炭的施入会影响土壤的pH[28]，Nocak等[29]指出采用高温无氧条件较低温条件产生的生物炭能更好地提高土壤pH。生物炭具有多孔性质，能够吸持如钾、钠、钙、镁等盐基离子，从而降低土壤的交换性氢离子和铝离子水平;土壤酸碱度是由盐基离子所支配的，而生物炭具有更高的盐基离子，可作为酸性土壤理想的改良剂[30]。

该研究结果表明生物炭显著增强了土壤脲酶、过氧化氢酶和磷酸酶活性，但对蔗糖酶活性无显著影响。土壤酶可起到催化土壤中生物化学反应，其活性反映了土壤中各种生物化学过程的强度和方向，对改善土壤理化性质和维持生态平衡具有重要作用[31]。土壤动物、植物根系和微生物的分泌物都是土壤酶的主要来源，生物炭可影响生物化学过程中反应底物的吸附，有助于酶促反应的进行而提高土壤酶活性，也可通过对酶分子的吸附对酶促反应结合位点形成保护从而阻止酶促反应的进行[32-33]。周震峰等[34]研究施用不同水平的生物炭对土壤酶活性的影响，结果表明，生物炭和酶本身具有的复杂结构性可使过氧化氢酶活性呈先抑后扬的趋势。土壤中脲酶活性的增强可能是由于大豆根瘤菌对氮素的固定作用引起的，脲酶是参与土壤氮素循环的重要水解酶，其主要功能是催化土壤中尿素的水解，可表征土壤氮素供应强度;过氧化氢酶活性的升高可能是因为添加生物炭改善了土壤环境，为微生物的生长繁殖提供了良好的条件，有利于土壤微生物代谢，从而提高了土壤酶活性[35];土壤pH随生物炭施用显著升高，可能间接地导致了蔗糖酶活性的增强;磷酸酶可促进有机磷化合物的分解，影响土壤磷的矿化和利用，磷酸酶活性是评价土壤磷素生物转化方向与强度的指标，Lu等[36]通过研究华中平原盐碱土中土壤酶活性，发现生物炭促进了土壤碱性磷酸酶活性，与该研究结果相一致。在大豆不同生育期内，生物炭添加后土壤酶活性变化也不一致，这可能与不同时期内土壤微生物和养分变化有关。

该研究结果表明长期定位试验生物炭改变了试验区黑土土壤机械稳定性团聚体组成，提高黑土土壤团聚体的稳定性，其中T3处理的团聚体平均重量直径均显著高于其他处理。生物炭可提高不同质地土壤团聚体的稳定性，研究结果显示生物炭高施入量200 g/kg和30 t/hm2可提高南方红壤和砖红壤土壤水稳性团聚体的稳定性[37-38];生物炭和秸秆配施化肥可提高黄褐土团聚体稳定性并逐年促进有机碳积累[39] ;侯晓娜等[40]采用生物炭和秸秆混施后可提高砂姜黑土土壤团聚体的稳定性，其中单施生物炭后粒级在0.053～0.250 mm团聚体含量显著增加，分析原因可能与生物炭制备原料采用源白木屑、工艺或培养时间等因素有关，土壤粒级变化分布呈“V”字型。研究表明生物炭可提高黑土中土壤有机碳的含量，但有机碳含量的增幅与土壤中的有机质含量有关，孟雨田等[41]研究表明施加玉米秸秆生物炭可增加低有机质黑土土壤（TOC 10.92 g/kg）中有机碳的含量，且施用2.5%的生物炭可显著增加土壤中有机碳和水溶性碳的含量，易氧化碳和微生物碳含量随着时间的延续和施碳量增加呈先增加后逐渐减少的趋势，表明生物炭本身的多空性质促进了土壤有机碳和易氧化碳的含量，但在试验施加后期生物炭加快了微生物的分解速度并具有一定的杀菌功效抑制了微生物碳含量的增长。该试验中黑土土壤中的总有机碳、易氧化碳、微生物量碳和水溶性碳含量随着施碳量的增加而增加，与前人研究结果相一致[42-43]。

该研究中真菌占微生物总数比例显著降低，土壤中细菌与真菌数量比值越大，土壤中有机物质向无机物质转化的越多。根际细菌数量能加速对氮素的分解和转移，说明生物炭增加了土壤可利用的氮素营养。生物炭能够吸附土壤中的营养物质，同时其多孔的特性可为土壤中的微生物提供栖息场所，这是生物炭初期能够提高土壤微生物数量和活性的原因[44-45]。豆科作物的生物固氮作用增加了土壤中的氮营养，能够为土壤微生物提供更多的氮源[46]。

4 结论

在该试验浓度设置范围内，生物炭有效提高黑土土壤中有机质含量29.32%;对土壤 pH 有一定的改良作用;同时对土壤中碱解氮、有效磷、速效钾的含量有显著提高作用，整体上增强了土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖转化酶和磷酸酶的活性，这些环境因子的改变驱动了土壤中微生物数量的变化。该试验结果表明生物炭对东北黑土土壤具有明显的改良效果。

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