王玲，贾俊香﹡，张毅，韩阳

(1.山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801； 2.太谷县气象局，山西 太谷 030800)

生物炭对山西雨养旱地土壤肥力与酶活性的影响

王玲1，贾俊香1﹡，张毅2，韩阳1

(1.山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801； 2.太谷县气象局，山西 太谷 030800)

[目的]为促进生物炭在旱地农业上的研究及应用。[方法]本研究采用夏玉米(ZeamaysL.)大田试验，设置4个处理:1)对照(CK)；2)常规施肥(N)；3)常规施肥+秸秆炭(5 t·hm-2) (B1)；4)常规施肥+生物炭(10 t·hm-2)(B2)，以探究不同用量生物炭对山西雨养旱地土壤肥力与酶活性的影响。[结果]生物炭显著提高了有机碳、速效氮、速效磷、速效钾的养分含量及蔗糖酶、脲酶的活性，且土壤有机碳及速效养分含量随着生物炭用量的增加而增加。与对照相比，生物炭处理(B1、B2)分别显著提高山西雨养旱地土壤有机碳、速效氮、速效磷与速效钾含量52.76%～105.52%、37.79%～75.54%、76.10%～122.67%、40.27%～82.55%。与对照相比，生物炭处理(B1、B2)分别提高了蔗糖酶和脲酶活性56.72%～90.96%、170.59%～182.35%。对于蔗糖酶活性而言，B2提高效果更显著，但对于脲酶活性，B1和B2处理间无显著差异。与对照相比，虽然生物炭处理(B1、B2)分别提高过氧化氢酶和碱性磷酸酶活性2.83%～4.25%和45.10%～50.98%，但这两种酶活性与对照差异并不显著。添加生物炭后夏玉米株高、叶长有一定增加的趋势，百粒重在5 t·hm-2生物炭用量时显著增加了14.82%，茎粗和叶宽在10 t·hm-2生物炭用量时分别显著增加了21.81%、34.04%。[结论]总的来说，生物炭对旱地土壤肥力、酶活性及作物生长有一定的积极作用。

生物炭用量； 雨养旱地； 土壤养分； 酶活性

近年来，生物炭引起很多研究者的关注，不仅因为它在土壤中的应用效果，更因为其原料的来源[1]。制备生物炭来源越来越广泛，如农业和森林生物量、污水污泥及动物生产和加工的副产品，包括家禽饲养和屠宰。这些有机废弃物在供氧不足和温度低于700 ℃条件下热解生产出生物炭[2]。生物炭主要通过改善土壤物理、化学和生物学特性等方面对土壤产生影响，而这些性质随着时间的推移影响土壤肥力和生产力。生物炭含碳量高，具有芳香族化合物结构，并且灰分含量高，矿质营养丰富，能提高土壤速效养分含量[3]。把生物质转化成生物炭能有效利用生物质中存在的营养物质，这不仅可以改善土壤质量，也可以给农林废弃物的回收管理提供解决方案。

生物炭引入土壤可以为微生物创造有利的生境，主要由于生物炭表面孔隙分布形成了大量微孔，微生物能生存在其孔隙的微环境中[4]。而Spokas等[5]发现，生物炭施用到土壤中也可能对微生物的产生负面效应，因为其C/N和O/C不利于微生物生存。如果不是土壤微生物产生的特异性的生物催化剂—酶，微生物分解引入像生物炭之类的土壤外源有机物的过程不会发生。有研究报道，生物炭通常会提高与土壤氮磷循环有关的酶的活性，降低参与土壤碳循环的酶活性[6]。然而，Lammirato等[7]和Paz-Ferreiro等[8]的研究结果与其不一致，对于不同的土壤，不同的酶和不同的试验，生物炭的效果也不同。

目前生物炭应用逐渐发展到温带、干旱-半干旱地区，但是对这些地区土壤肥力与酶活性的影响研究仍然相对不多。本研究以山西农业大学试验站夏玉米为研究对象，通过田间种植试验初步探究了高量和低量生物炭分别与氮肥配施对山西雨养旱地土壤肥力与酶活性影响，为进一步研究生物炭在旱地土壤中的合理利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于山西省太谷县山西农业大学试验站。该县境内属暖温带大陆性季风气候，年平均气温5～10 ℃，多年平均降水量约450～500 mm左右，多集中在6、7、8 三个月份。土壤类型为石灰性褐土，表层0～20 cm土壤基本理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性状Table 1 Chemical Properties of soil tested

1.2 供试秸秆炭

秸秆炭购自河南省商丘三利新能源有限公司，为小麦秸秆经450 ℃热解而成，生物炭基本理化性质见表2。

表2 供试生物炭基本理化性状Table 2 Chemical Properties of the biochar

1.3 试验设计

大田试验共设4个处理，包括只施磷钾肥(CK)；只施氮肥(N)；氮肥+ 5 t·hm-2生物炭(B1)；氮肥+10 t·hm-2生物炭(B2)。采用完全随机设计，每个处理3次重复，共12个试验小区，小区面积为4.5 m×1 m=4.5 m2。4个处理磷肥(P2O5150 kg ·hm-2)与钾肥(K2O 90 kg·hm-2)用量均相同，除对照外，其它3个处理的氮肥用量均为210 kg N·hm-2，其中氮肥为尿素(含氮46%)、磷肥为过磷酸钙(含P2O512%)，钾肥为硫酸钾(含K2O 60%)，同时B1和B2处理所用生物炭为同一类型，仅在用量上有差别。各小区均在播种前将肥料与生物炭作为基肥一次性施入土壤。试验玉米品种为甜粘糯F1，于2016年6月23日播种，2016年10月10日收获。玉米收获后采用五点采样法采集每个试验小区的0～20 cm的耕层土壤样品，风干后除去植物根系及石砾并充分混匀，过筛之后保存备用。

1.4 指标测定

土壤速效氮、速效磷与速效钾均采用常规方法测定[9]。蔗糖酶采用3，5 -二硝基水杨酸比色法；碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法；脲酶采用靛酚蓝比色法；过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法[10]。

在玉米成熟期每个处理随机选取选取长势相同的5株，测定株高、茎粗及最大叶片长与宽及玉米百粒重。

1.5 数据处理

数据采用 SPSS 22.0 软件对数据进行方差分析(One-way ANOVA)，采用Ducan新复极差法进行多重比较(α=0.05),结果以“算术平均值±标准误”表示。

2 结果与分析

2.1 生物炭对旱地土壤土壤肥力的影响

分析表3可知，不同处理下CK的土壤有机碳含量最低，B2最高，各处理有机碳含量的顺序为：B2>B1>NBA>N>CK，范围是6.70～3.26 g·kg-1。B2、B1处理的有机碳含量分别比CK处理高105.52%、52.76%，均与CK处理形成显著性差异。与CK相比，N、B1与B2速效氮含量分别增高了26.67%、37.79%与75.54%，其中施用10 t·hm-2生物炭处理B2增幅最高。N、B1与B2的速效氮含量呈现递增趋势，B2显著高于B1与N，尽管B1速效氮含量在数值上高于N处理，但二者在统计意义上未表现出差异显著性，表明低用量生物炭施用对旱地土壤速效氮影响不明显。与CK相比，N、B1与B2速效磷含量分别增加了1.64、14.23与22.94 mg·kg-1，其中B2较CK显著提高了122.67%，两者之间差异显著；B1较CK提高了76.10%，两者之间差异不显著。而且两种不同用量生物炭处理相比较，速效磷含量在不同用量之间差异不显著。试验土壤速效钾含量表现为B2>B1>N>CK，与CK相比，B1、B2均显著提高了旱地土壤速效钾含量，增幅分别为40.27%、82.55%，且二者在统计意义上表现出差异显著性，表明高用量生物炭对旱地土壤速效钾含量的增加效果更好。

表3 不同处理土壤速效养分含量Table 3 Soil Available nutrient under different treatments

注：同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Different small letters indicate significant difference in the same column,P<0.05. The same as follow.

2.2 生物炭对旱地土壤酶活性的影响

分析表4可知，蔗糖酶活性范围16.82～32.12 mg·g-1，B2最高，CK最低，且B2分别比CK、N、B1处理高90.96%、53.54%、和21.85%，但B2只与CK形成显著差异，与其余均无显著差异，这说明高量生物炭有利于提高旱地土壤蔗糖酶活性。当生物炭施加量达5 t·hm-2，脲酶活性显著提高。B2、B1分别比CK显著高182.35%、170.59%，比N处理显著高77.78%、70.37%，但CK与N、 B2与B1间差异均不显著。B1、B2过氧化氢酶活性分别比对照CK高4.25%、2.83%，但四个处理间无显著差异。碱性磷酸酶活性表现为CK、N、B1、B2逐渐递增，B2比CK、N高50.98%、18.46%，B1比CK、N高45.10%、13.85%，但各处理间均无显著差异。

表4 不同处理土壤酶活性Table 4 Soil enzyme activities under different treatments

2.3 生物炭对旱地土壤作物生长的影响

施用不同用量的生物炭后，玉米株高、茎粗、最大叶片长与宽及百粒重性状见表5。株高和叶长均随着生物炭用量的提高而增大，但B2、B1处理与CK未达到显著性差异。B2处理的茎粗、叶宽与CK相比达到差异显著水平，分别提高了21.82%、34.04%；B1处理与CK相比未达差异显著水平，但也分别提高了15.76%、16.05%。百粒重B2处理最为明显，较CK提高了19.14%，其次是B1处理，较CK提高了14.82%，而N处理较CK仅提高了5.92%。说明生物炭的施用总体上促进了夏玉米的生长，对夏玉米产量增加具有一定的积极作用。

表5 不同处理玉米生长指标Table 5 Growth index of corn under different treatments

3 讨论

3.1 生物炭对旱地土壤肥力的影响

本试验研究表明，5 t·hm-2与10 t·hm-2生物炭处理均能提高土壤有机碳含量，且10 t·hm-2处理对有机碳的提升效果更显著，该试验结果李明等[3]研究一致。造成这种结果的原因可能是:一方面本试验所用生物炭含碳量高为771.00 g·kg-1，同时具有强的抗生物分解能力，本身的降解速率以及氧化速率也非常的慢，可以增加土壤有机碳的积累[11]，另一方面这种增长可能是由于生物炭将其不稳定的碳素释放到土壤中。

在土壤中添加生物炭不仅能改善土壤氮素循环，同时还能提高土壤磷素的有效性。本研究表明，施用生物炭对旱地土壤磷钾养分含量也有不同程度的提高，且10 t·hm-2用量增幅最高，这与周贵玉等[15]研究结果一致。生物炭中的磷素含量与生物炭的原材料种类和热解温度、停留时间等制备条件等有关。在秸秆热解炭化过程中，当热解温度约100 ℃时碳素挥发，而本试验所用秸秆炭的热解温度为450 ℃，磷素还未挥发(约700 ℃时挥发)，同时有机磷化学键的断裂，生物炭中可溶性磷酸盐浓度增加,添加生物炭到土壤中引起土壤有效磷含量的增加[16]。也有研究者认为，生物炭提高土壤有效磷含量是由于其表面离子交换能力强，增加土壤对磷素的固定。

本研究表明生物炭对土壤速效钾的提升作用比较明显，高达40.27%以上。一部分的原因可能是生物炭可以直接添加钾营养元素，而本试验所用秸秆炭中钾含量高达18.4 g·kg-1，其本身富含较多可溶性钾。Liu等[17]研究表明，生物炭的原料和热解条件影响土壤的养分含量，水稻秸秆炭比竹炭磷、钾元素丰富，可能更适合为冷浸田土壤补充养分。另一部分原因是径流和淋溶的减少，生物炭的内部微孔丰富，保水能力高，减少了溶液中移动性强的营养离子的溶解迁移，避免营养元素的淋失。

3.2 生物炭对旱地土壤酶活性的影响

影响土壤酶活性的因素非常复杂，特别是在田间试验条件。蔗糖酶能增加土壤中被生物体所吸收利用的易溶性物质，比其它酶更能反映土壤质量和肥力的水平。本研究表明在5 t·hm-2生物炭处理下，蔗糖酶活性和对照之间差异不显著，而10 t·hm-2生物炭则显著提高了蔗糖酶的活性90.96%，说明施用10 t·hm-2生物炭对旱地土壤蔗糖酶活性作用更显著。当生物炭用量提高时，脲酶活性也随之提高，与Bailey等[6]的研究结果一致，说明添加生物炭可提高一系列与氮循环有关的酶的活性。尚杰等[18]认为生物炭的施用对土壤有很好的改良作用，能为微生物的生长提供充足的碳源，有利于微生物的种类和活性增加，刺激了酶活性提高。

本研究中生物炭对过氧化氢酶影响未达统计意义上的显著水平，可能是由于生物炭相对较低剂量引起的[4]。尚杰等[19]研究发现过氧化氢酶活性在盐土和砂土中并无显著变化，冯爱青等[20]通过对棕壤酶活性研究也表明，生物炭与控释肥配施对玉米季过氧化氢酶活性无显著影响，本试验研究结果与其一致。

虽然本试验中5 t·hm-2和10 t·hm-2生物炭处理的碱性磷酸酶活性分别比空白处理高45.10%、50.98%，但添加生物炭处理对碱性磷酸酶活性影响不明显。这可能是由于本试验作物为夏玉米，其全生育期时间比较短，而且生物炭理化性质稳定，并不能立即被碱性磷酸酶并立即水解生物炭所含的有机磷[21]。有研究发现生物炭降低了磷酸酶活性，不论是添加水稻秸秆炭还是玉米秸秆炭的有效磷都显著高于对照，而有效磷含量增加会反馈抑制磷酸酶活性[22]。另外，Ameloot[23]结果发现，仅生物炭的类型不同就可以产生对土壤酶活性的产生显著影响，本试验酶活性的研究结果并不与前人全部一致，生物炭类型不同可能是其中一个原因。

3.3 生物炭对旱地土壤作物生长的影响

研究表明，添加生物炭后夏玉米株高、叶长有一定增加的趋势，百粒重在5 t·hm-2生物炭用量时显著增加，茎粗和叶宽在10 t·hm-2生物炭用量时显著增加，这说明生物炭对于夏玉米生长具有一定的积极作用。蒋健等[24]田间试验也得出了类似的结果。生物炭对夏玉米生长的促进作用，主要归因于将其与无机肥料配合施用，可以延缓肥料养分的释放[25]，提高土壤有效养分含量，增加了土壤的酶活性[26]。Major等[27]研究发现生物炭施用对土壤钙与镁含量水平的的提高可能也会促进作物生长。但生物炭对作物生长的影响是多方面的，复杂的交互作用及其过程也会使试验结果产生不一致[28]。因此，生物炭对农田土壤性质和作物产量的提升作用是否具有持续效应还应结合不同作物、不同地区及生物炭的性质长期深入研究。

4 结论

(1)本试验研究条件下，生物炭能显著提高山西雨养旱地有机碳、速效氮、速效磷与速效钾含量,且随着生物炭用量的增加而增加。与对照相比，分别提高了52.76%～105.52%、37.79%～75.54%、76.10%～122.67%、40.27%～82.55%，且高量效果优于低量。总体上，施加生物炭能提高山西雨养旱地土壤氮磷钾元素的有效性及有机碳含量。

(2)生物炭显著提高了蔗糖酶和脲酶活性。与对照相比，生物炭处理分别提高了蔗糖酶和脲酶活性56.72%～90.96%、170.59%～182.35%。对于蔗糖酶活性而言，B2提高效果更显著，但对于脲酶活性，B1和B2处理间无显著差异。与对照相比，虽然生物炭处理分别提高过氧化氢酶和碱性磷酸酶活性2.83%～4.25%和45.10%～50.98%，但这两种酶活性与对照差异并不显著。

(3)本试验研究条件下，添加生物炭后夏玉米株高、叶长有一定增加的趋势，百粒重在5 t·hm-2生物炭用量时显著增加了14.82%，茎粗和叶宽在10 t·hm-2生物炭用量时分别显著增加了21.81%、34.04%，这说明生物炭对于夏玉米生长具有一定的积极作用。

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Effectsofbiocharonsoilnutrientandenzymeactivitiesinrain-feddrylandinShanxi

WangLing1,JiaJunxiang1﹡,ZhangYi2,HanYang1

(1.CollegeofResourcesandEnvironment,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China； 2.Taiguweatherbureauy,Taigu030800,China)

[Objective]This paper aimed to promote the research and utilization of biochar in rain-fed dry land.[Methods]A field experiment was carried out to study the effects of biochar on soil nutrients and enzyme activities. Four treatments were set: control (CK), urea (N), urea plus 5 t·hm-2biochar (B1) and urea plus 10 t·hm-2biochar (B2).[Result]Compared to CK, biochar application (B1、B2) significantly enhanced the contents of organic carbon,soil available nitrogen, available phosphorus and available potassium by 37.79%～75.54%,76.10%～122.67% and 40.27%～82.55%,respectively. Furthermore,above soil nutrient contents increased as the biochar application increased. Compared to CK, sucrase and urease activitivies were improved by 56.72%～90.96% and 182.35%～170.59% with biochar amendment(B1、B2). In addition, the sucrase activity was improved significantly under B2 treatment, while the urease activity did not show significant difference between B1 and B2 treatment. While biochar had no significant effect on catalase and alkaline phosphatase activityies, the catalase and alkaline phosphatase activities with biochar amendment were improved by 56.72%～90.96% and 45.10%～50.98%, compared to CK, respectively. Plant height and leaf length increased with the higher biochar content, 100-grain weight were achieved significant difference when the content of 5 t·hm-2compared with CK, stem diameter and leaf width were achieved significant difference when the content of 10 t·hm-2.[Conclusion]In general, biochar plays an active role on soil fertility, enzyme activities and maize growth in dry land.

Biochar application rate, Rain-fed dry land, Nutrient, Enzyme activities

S156.2

A

1671-8151(2017)12-0884-06

2017-07-07

2017-09-06

王玲(1992-)，女(汉)，山西太原人，硕士研究生，研究方向：土壤养分循环

*通信作者：贾俊香，博士，副教授，硕士生导师，Tel：13663645288；E-mail: junxiangjia@163.com

国家自然科学基金青年基金项目(41401342)；山西农业大学博士科研启动基金(2013YJ25)

(编辑：梁文俊)