李紅宇，林 添，王志君，趙海成，鄭桂萍，呂艷東,錢永德，范名宇

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)與作物種質(zhì)改良重點實驗室，黑龍江 大慶 163319)

目前，全球鹽堿地總面積約 1.10×109hm2，其中中國鹽堿地總面積為 3.69×107hm2[1-2]。鹽堿化耕地是中國最主要的中低產(chǎn)田類型之一，提升鹽堿耕地質(zhì)量對提高糧食產(chǎn)量意義重大。同時，鹽堿地的開發(fā)利用為我國提供了重要的后備耕地資源[3]。鹽堿地改良和治理的核心措施是增加土壤有機質(zhì)含量，有機質(zhì)含量的提高利于改善土壤物理性質(zhì)、加速土體脫鹽、提高養(yǎng)分含量。生物炭是一種具有高碳含量、有機物和無機礦物的新型碳質(zhì)復(fù)合材料，孔隙結(jié)構(gòu)豐富、比表面積巨大、吸附能力強，可明顯改善土壤微觀結(jié)構(gòu)，促進團聚體形成，固存礦質(zhì)養(yǎng)分，提高土壤通透性和肥力，增加有機碳含量[4]。生物炭對蘇打鹽堿土改良效果顯著。李少朋等[5]對天津濱海鹽堿土的研究表明，施用生物炭后土壤有機碳、速效養(yǎng)分含量以及酶活性明顯增加，是鹽堿地復(fù)墾和生態(tài)重建的改良劑?？紫榍宓萚6]改良松嫩平原蘇打鹽堿地的實踐顯示，生物炭還田增加鹽堿土水分滲透性能，提高鹽堿地的有機質(zhì)、速效磷、速效鉀、全氮、全磷和全鉀含量。屈忠義等[7]研究內(nèi)蒙古硫酸鹽—氯化物型鹽土發(fā)現(xiàn)施用生物炭22.5 t·hm-2可以顯著降低中度鹽堿地土壤EC和pH值，促進土壤微生物的生長繁殖。韓劍宏等[8]研究認為生物炭和腐殖酸都具有改良土壤鹽堿性、提高土壤肥力的作用，二者聯(lián)合配施對降低土壤pH值、電導(dǎo)率(EC)、堿化度(ESP)及提高土壤養(yǎng)分的效果更明顯。郭琴波等[9]對生物炭等量代換氮肥的研究顯示，減氮30%同時配施生物炭可顯著提高土壤肥力，減少土壤有機碳(SCO)礦化，增加土壤固碳，提高土壤酶活性及水稻產(chǎn)量。雖然生物炭對鹽堿地培肥改良的機理和效果方面已有部分研究，但是關(guān)于生物炭連續(xù)還田對蘇打鹽堿地影響的長期定位試驗報道較少。本試驗研究了生物炭連續(xù)還田對蘇打鹽堿土稻田養(yǎng)分含量、酶活性和腐殖質(zhì)組分的影響，以期為蘇打鹽堿地的生物炭改良提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設(shè)計

參試水稻品種為墾鑒稻5號。生物炭為水稻秸稈炭(遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司)，其碳含量為56.61%，氮含量為13.60%，灰分含量為21.07%，pH值9.04。盆栽試驗，盆缽高30.5 cm，直徑30 cm。單因素完全隨機試驗設(shè)計，生物炭每年還田量分別為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)，每個處理種植12盆。

試驗于2014—2019年在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)進行。參試土壤取自黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)校內(nèi)的未開墾原生蘇打鹽堿土(OS)。參試土壤的基礎(chǔ)值為全鹽含量5 g·kg-1，pH 8.71，堿解氮含量89.52 mg·kg-1，有效磷含量17.23 mg·kg-1，速效鉀含量233.88 mg·kg-1，有機質(zhì)含量16.92 g·kg-1。每盆裝風(fēng)干、粉碎、混勻的鹽堿土12.00 kg，將生物炭和基肥埋在盆缽中間，之后向盆缽內(nèi)加水至水層穩(wěn)定，采用電動攪漿機攪漿。攪漿后5 d插秧，插秧規(guī)格為4穴·盆-1，3苗·穴-1。參試肥料為尿素、硫酸銨、磷酸二銨和硫酸鉀，基肥N、P、K施用量按照39.6、69.0、42.0 kg·hm-2計算，分蘗肥和調(diào)節(jié)肥N施用量分別為28.35、9.35 kg·hm-2，穗肥N和K施用量分別為14.39 kg·hm-2和28.50 kg·hm-2。其他栽培管理措施按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)生產(chǎn)進行。

水稻收獲后，土壤原位保留至下一年春季。每年春季將同一處理各盆土壤粉碎后重新混合均勻，之后等分為12盆，用于試驗。各處理每年采用相同的方法添加與第一年等量的生物炭。

1.2 土壤取樣及指標(biāo)測定方法

生物炭連續(xù)還田第6年(2019年)的10月中旬(水稻收獲后)，每處理使用土壤取樣器采集0～10 cm土壤樣品，每盆取1個樣點，4個樣點混合為一個樣品，每處理3個重復(fù)。土壤樣品置于避光通風(fēng)處風(fēng)干，挑去肉眼可見細根和雜質(zhì)，過2 mm篩，備用。參照魯如坤[10]方法測定土壤化學(xué)性質(zhì)。采用重鉻酸鉀法測定土壤有機質(zhì)含量，采用凱氏定氮法測定全氮含量,采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測定土壤全磷含量,采用原子吸收分光光度法測定土壤全鉀含量、速效鉀含量,土壤堿解氮含量采用擴散法測定，采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定土壤速效磷含量，采用pH計(電位法)測定土壤pH值，采用電導(dǎo)率儀(電極法)測定土壤電導(dǎo)率。采用重鉻酸鉀氧化法測定土壤腐殖質(zhì)組成[11-12]。土壤酶活性測定參照關(guān)松蔭[13]相關(guān)方法：土壤過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法，蔗糖酶活性的測定采用 3，5-二硝基水楊酸比色法，脲酶活性的測定采用苯酚-次氯酸鈉比色法，土壤酸性磷酸酶用磷酸苯二鈉法測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用EXCEL 2010和SPSS 23.0進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析。采用SSR法檢驗處理間的差異顯著性，以P<0.05作為顯著性差異水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭連續(xù)還田對土壤氮磷鉀含量的影響

由表1可見，連續(xù)種植水稻6 a后，BC0的土壤全氮、全磷、有效磷和速效鉀含量顯著低于OS，而全鉀、堿解氮和有效磷差異不顯著。除全鉀處理間無顯著差異外，全氮、全磷、堿解氮、有效磷和速效鉀均隨生物炭還田量增大呈增加趨勢。其中BC7.5、BC12.0、BC16.5的土壤全氮含量較BC0分別提高19.09%、25.45%、30.00%(P<0.05)，BC7.5、BC12.0、BC16.5的全磷含量分別提高34.58%、36.78%、45.37%(P<0.05)，BC12.0和BC16.5的堿解氮分別提高5.34%、6.87%(P<0.05)，BC3.0，BC7.5、BC12.0、BC16.5的有效磷含量分別提高13.61%、19.04%、26.39%、39.16%(P<0.05)，BC7.5、BC12.0、BC16.5的速效鉀含量分別提高38.66%、53.32%、63.12%(P<0.05)。

表1 不同生物炭處理土壤氮磷鉀含量Table 1 Contents of soil nitrogen, phosphorus and potassium under different biochar treatments

2.2 生物炭連續(xù)還田對土壤pH值和電導(dǎo)率的影響

由圖1可看出，連續(xù)種植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，差異顯著。土壤pH值隨著生物炭還田量的增加呈增加趨勢，BC3.0與BC0差異不顯著，BC7.5、BC12.0、BC16.5的pH值分別提高5.76%、6.91%、7.27%(P<0.05)。土壤電導(dǎo)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。土壤電導(dǎo)率隨著生物炭還田量的增加呈先增后降的趨勢，其中BC7.5電導(dǎo)率較BC0和BC3.0分別提高18.79%和13.38%(P<0.05)。

圖1 不同生物炭處理土壤pH值和電導(dǎo)率的比較Fig.1 Comparison of soil pH and electrical conductivity under different biochar treatments

2.3 生物炭連續(xù)還田對土壤腐殖質(zhì)組分的影響

表2顯示，連續(xù)種植6 a水稻后，各處理的土壤有機質(zhì)及腐殖質(zhì)各組分均較OS大幅增加，有機質(zhì)含量、腐殖質(zhì)全碳量、腐殖酸總碳量、胡敏酸碳量、富里酸碳量和胡敏素碳量增幅分別為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 不同生物炭處理土壤腐殖質(zhì)組分的比較/(g·kg-1)Table 2 Comparison of soil humus components under different biochar treatments

土壤有機質(zhì)含量、腐殖質(zhì)全碳量和胡敏素碳量隨生物炭還田量增加呈增加趨勢， BC7.5、BC12.0、BC16.5的有機質(zhì)含量分別較BC0提高48.47%、70.51%和102.57%(P<0.05)，腐殖質(zhì)全碳量分別較BC0提高47.40%、69.96%和101.58%(P<0.05)，胡敏素碳量分別較BC0提高69.99%、96.52%和137.97%(P<0.05)，BC3.0的有機質(zhì)含量、腐殖質(zhì)全碳量和胡敏酸碳量與BC0差異均不顯著。

生物炭還田處理的腐殖酸總碳量和富里酸碳量均較BC0顯著下降，BC3.0、BC7.5、BC12.0和BC16.5的腐殖酸總碳量分別下降36.00%、30.40%、26.00%、30.80%，富里酸碳量分別下降27.54%、50.30%、52.09%、50.30%。BC12.0胡敏酸碳量較BC0提高16.85%(P<0.05)，BC3.0、BC7.5和BC16.5與BC0差異不顯著。

由圖2可以看出，連續(xù)種植6 a水稻后各處理的HA/FA和PQ顯著降低，其中HA/FA的降低幅度為32.65%～72.47%，PQ的降低幅度為14.42%～47.19%。HA/FA和PQ隨生物炭還田量增大均呈先增后降的趨勢，且以BC12.0最高。BC7.5、BC12.0、BC16.5的HA/FA分別較BC0提高108.00%、144.63%、103.00%(P<0.05)，BC3.0與BC0差異不顯著。BC3.0、BC7.5、BC12.0、BC16.5的PQ分別較BC0提高16.58%、51.15%、62.07%、49.43%(P<0.05)。

注：HA/FA-胡敏酸碳與富里酸碳的比；PQ-胡敏酸在可提取腐殖質(zhì)(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).圖2 不同生物炭處理土壤HA/FA和PQ的比較Fig.2 Comparison of soil HA/FA and PQ under different biochar treatments

2.4 生物炭連續(xù)還田對土壤酶活性的影響

由圖3可以看出，連續(xù)種植6 a水稻后，BC0的脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶和蔗糖酶活性較OS無顯著變化。脲酶活性隨生物炭還田量增大呈先增后降的趨勢，其中以BC7.5脲酶活性最高，較OS和BC0提高102.25%和89.03%(P<0.05)，其次為BC12.0，較OS和BC0提高64.05%和53.33%(P<0.05)。BC3.0和BC7.5堿性磷酸酶活性顯著低于BC0，分別降低36.06%、41.27%；BC12.0和BC16.5的堿性磷酸酶活性顯著高于BC3.0和BC7.5，與BC0差異不顯著。過氧化氫酶活性和蔗糖酶活性均隨生物炭還田量增大呈先增后降。過氧化氫酶活性以BC7.5活性最高，其與BC16.5差異顯著，與其他處理差異不顯著。蔗糖酶活性以BC12.0最強，與BC7.5差異不顯著，較BC0、BC3.0和BC16.5分別提高41.84%、32.02%、20.59%(P<0.05)。

圖3 不同生物炭處理土壤酶活性的比較Fig.3 Comparison of soil enzyme activities under different biochar treatments

2.5 生物炭還田量與養(yǎng)分含量、腐殖酸組分及酶活性的相關(guān)分析

由表3可以看出，生物炭還田量與全氮、全磷、堿解氮、有效磷和速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)，與全鉀含量呈顯著負相關(guān)；與pH值顯著正相關(guān)，與電導(dǎo)率無顯著相關(guān)性；與有機質(zhì)含量、腐殖質(zhì)全碳量和胡敏素碳量呈極顯著正相關(guān)，與富里酸碳量呈顯著負相關(guān)，與腐殖酸總碳量和胡敏酸碳量相關(guān)不顯著；與過氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶和蔗糖酶活性相關(guān)不顯著。

表3 生物炭還田量與養(yǎng)分含量、腐殖酸組分及酶活性的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between biochar returning amount and nutrient content, humic acid composition and enzyme activity

3 討 論

鹽堿土由于理化性質(zhì)惡劣導(dǎo)致離子拮抗和滲透脅迫，直接影響根際微生物的組成和活動、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化及其有效性，降低有效氮、磷、鉀含量[14-15]。前人研究表明，生物炭還田可以增加鹽堿土壤全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀含量和有效性[16]，并且生物炭本身具有大量的營養(yǎng)元素，較大的表面積和極強的吸附能力，增強了對土壤中養(yǎng)分的吸附能力，減少了養(yǎng)分的損失[17]。本研究顯示，土壤全氮、全磷、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均與生物炭還田量呈極顯著正相關(guān)。生物炭還田量7.5～16.5 t·hm-2時，全氮、全磷和速效鉀含量分別提高19.09%～30.00%、34.58%～45.37%、38.65%～63.12%(P<0.05)；12.0～16.5 t·hm-2時，堿解氮含量提高5.34%～6.87%(P<0.05)；3.0%～16.5 t·hm-2時，有效磷含量提高13.61%～39.16%(P<0.05)。可見，生物炭還田量大于7.5 t·hm-2時，除全鉀外其他養(yǎng)分含量均顯著增加。綜合分析，生物炭提高了鹽堿土壤養(yǎng)分含量的原因主要有：(1)生物炭能夠產(chǎn)生正、負電荷，能夠有效吸附鹽土中的養(yǎng)分，降低鹽土的淋溶損失[18]；(2)生物炭本身含有大量營養(yǎng)元素，可顯著增加鹽堿土壤養(yǎng)分含量[19]；(3)生物炭可促進營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，提高養(yǎng)分有效性[20]。

土壤腐殖質(zhì)是有機物經(jīng)過微生物新陳代謝降解后合成的一類非均質(zhì)的呈黑色或黑褐色的有機高分子化合物[21]，一般占有機質(zhì)總量的50%～70%，具有吸收、交換等多種功能，對土壤的物理、化學(xué)及生物學(xué)性質(zhì)均有重要影響[22]，經(jīng)常作為反映土壤肥力狀況的重要指標(biāo)[23]。生物質(zhì)炭是土壤碳庫中惰性部分的重要組成部分，是土壤腐殖質(zhì)的重要來源[24]。本研究結(jié)果表明，鹽堿土有機質(zhì)含量和腐殖質(zhì)全碳量與生物炭還田量呈極顯著正相關(guān)，還田量>7.5 t·hm-2時有機質(zhì)含量和腐殖質(zhì)全碳量與空白對照差異顯著。前人研究多認為添加生物質(zhì)炭會明顯提高土壤有機碳的含量，且可長時間持續(xù)進行碳的補充[25-26]，但也有研究者認為添加生物質(zhì)炭對土壤有機碳影響較小[27]，不同研究結(jié)果的差異也反映出土壤有機質(zhì)形成的復(fù)雜性。同時，影響有機質(zhì)及組成的因素也十分復(fù)雜，比如氣候、土地類型、土壤層次、有機物料等。

根據(jù)腐殖質(zhì)在酸堿中的溶解度分為胡敏酸、富里酸和胡敏素，其中胡敏酸最活躍，富里酸碳經(jīng)氧化縮合形成胡敏酸碳，在胡敏酸碳的積累過程中起重要作用[28-29]。胡敏酸碳(HA)/富里酸碳(FA)和PQ值常用來評價腐殖質(zhì)品質(zhì)，可以用來表征土壤的腐殖化程度，其比值越大說明腐殖質(zhì)品質(zhì)越好。本研究結(jié)果表明，胡敏酸碳量與生物炭還田量無顯著相關(guān)關(guān)系，并且以生物炭還田量12 t·hm-2處理胡敏酸碳量最高；富里酸碳量與生物炭還田量呈顯著負相關(guān)；HA/FA和PQ隨生物炭還田量增大呈先增后降的趨勢，以還田量12 t·hm-2處理最高；當(dāng)還田量大于7.5 t·hm-2時HA/FA大于1，即胡敏酸碳量大于富里酸碳量。因此，生物炭年還田量7.5～12.0 t·hm-2時土壤熟化程度較高。

土壤酶是土壤有機質(zhì)分解與養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的驅(qū)動力[30]，反映土壤微生物的活性[31]，與土壤理化特征、養(yǎng)分含量和有機質(zhì)轉(zhuǎn)化有密切關(guān)系，是評價土壤供肥水平的關(guān)鍵因素[32]。過氧化氫酶可反映土壤中氧化還原的能力[33]，蔗糖酶是土壤碳循環(huán)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶[34]，脲酶直接參與土壤有機氮的轉(zhuǎn)化[35]，堿性磷酸酶可以促進土壤中無機磷酸鹽或有機磷酸化合物轉(zhuǎn)化為無機態(tài)磷更好地被植物利用[36]。生物炭具有疏松多孔結(jié)構(gòu)，可以改善土壤的通氣性，保持土壤的水分，而土壤含水量、有機質(zhì)等因素對土壤酶活性有很大影響，利于增加土壤蔗糖酶、脲酶活性和土壤微生物量碳含量，減少氮素流失[37-38]。本研究結(jié)果表明，蘇打鹽堿土連續(xù)種植水稻6 a后，未添加生物炭處理的土壤脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶和蔗糖磷酸酶活性變化不顯著。生物炭連續(xù)還田處理的脲酶、過氧化氫酶和蔗糖磷酸酶活性隨生物炭還田量呈先升后降的趨勢，說明雖然適宜的生物炭還田量能夠提高耕作層土壤酶活性，而當(dāng)生物炭投入量超過一定臨界值，酶活性反而下降，這與張澤慧[39]的研究結(jié)果一致。生物炭還田7.5～12.0 kg·hm-2，脲酶、過氧化氫酶和蔗糖磷酸酶活性高，盡管堿性磷酸酶活性較低，但仍能維持較高的有效磷含量，可以作為生物炭還田的適宜施用量。

4 結(jié) 論

原生蘇打鹽堿土連續(xù)種植6 a水稻后，土壤全氮含量、全磷含量、速效鉀含量、電導(dǎo)率、pH值、HA/FA和PQ顯著降低，有機質(zhì)含量、腐殖質(zhì)全碳量、腐殖酸總碳量、胡敏酸碳量、富里酸碳量顯著提高。生物炭連續(xù)還田能夠顯著影響蘇打鹽堿土養(yǎng)分相關(guān)指標(biāo)(全氮、全磷、堿解氮、有效磷及速效鉀)含量、鹽堿脅迫強度相關(guān)指標(biāo)(電導(dǎo)率和pH值)、土壤有機碳相關(guān)指標(biāo)(有機質(zhì)含量、腐殖質(zhì)全碳量、腐殖酸總碳量、胡敏酸碳量、富里酸碳量、胡敏素碳量、HA/FA和PQ，土壤脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶及蔗糖酶活性)，并且多為正向影響。綜合考量，認為生物炭7.5～12.0 t·hm-2是降低鹽堿土壤脅迫強度，提高土壤養(yǎng)分含量，增加腐殖酸碳量，改善酶活性的適宜還田量。