生物炭與微生物菌劑配施對土壤生物和化學特性的影響

趙曉軍　李麗　張璇

摘要[目的]研究生物炭和微生物菌劑配施對土壤生物特性以及土壤有機碳組分的影響。[方法]研究添加生物炭、生物炭和微生物菌劑配施后土壤總有機碳含量、活性有機碳含量、土壤酶活性、微生物數量以及微生物功能多樣性的變化。[結果]單施生物炭能夠顯著增加土壤總有機碳含量，較單施化肥增加了32.9%。生物炭和微生物菌劑配施對土壤活性有機碳含量、酶活性、微生物數量以及微生物功能多樣性的提高效果最好，可溶性有機碳、易氧化有機碳和微生物量碳分別較單施化肥增加了43.0%、74.3%和99.8%；脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶和過氧化氫酶活性分別較單施化肥增加了56.2%、20.8%、14.6%和13.1%；細菌、真菌和放線菌數量分別較單施化肥提高了190%、21.1%和72.7%。[結論]該研究為提高植煙土壤有機養分含量和微生物活性提供理論依據。

關鍵詞生物炭；微生物菌劑；土壤總有機碳；土壤活性有機碳；土壤生物特性

中圖分類號S153文獻標識碼A文章編號0517-6611（2018）25-0109-04

Effect of Microbial Agents with Biochar Application on Biological and Chemistry Characteristics of Soil

ZHAO Xiaojun， LI Li， ZHANG Xuan et al

（Kunming Branch of Yunnan Tobacco Company， Kunming， Yunnan 651700）

Abstract[Objective]To study effect of microbial agents with biochar application on biological characteristics and organic carbon component of soil. [Method]The content of soil organic carbon and active organic carbon， soil enzyme activity， the number of microorganisms and microbial functional diversity were researched under the condition of adding biochar， biochar and microbial agents. [Result]The content of soil organic carbon increased significantly after adding biochar， compared with single application of chemical fertilizers， it was increased by 32.9%. The content of active organic carbon， soil enzyme activity， the number of microorganisms and microbial functional diversity increased significantly after adding biochar and microbial agents. Compared with single application of chemical fertilizers， dissoluble organic carbon， easily oxidized organic carbon and microbial carbon were increased respectively by 43.0%， 74.3% and 99.8%；urease， sucrose， polyphenol oxidase and catalase activity were increased respectively by 56.2%， 20.8%， 14.6% and 13.1%；the number of bacteria， fungi and actinomycetes were increased respectively by 190%， 21.1% and 72.7%.[Conclusion]The study provides a theoretical basis for improving the content of organic nutrients and microbial activity in tobaccogrowing soil.

Key wordsBiochar；Microbial agents；Soil total organic carbon；Soil active organic carbon；Soil biological characteristics

土壤質量退化已成為制約煙葉質量提升的關鍵性因素。近年來，煙草種植的集中化導致煙草輪作難度的增加。復種指數的增加以及化肥的大量施用造成了植煙土壤中有機營養的大量使用，有機碳含量降低，土壤碳庫質量下降，土壤微生物多樣性以及活性降低，土壤酶活性降低。因此，如何提高土壤有機養分含量以及生物特性已成為目前研究的熱點。

生物炭是由生物廢棄物在限氧條件下高溫熱解形成的富含碳、具有高度芳香化的固體顆粒[1]，已成為科研工作者關注的焦點和研究熱點[2]。生物炭大多呈堿性，可以提高酸性土壤pH。生物炭具有大的比表面積和高孔隙度，可以保持土壤水分以及為土壤微生物提供良好的棲息場所[3]。微生物菌劑是以單個或多種有益微生物發酵而成的新型綠色生物肥料，能夠改善土壤質量，協調植株對養分的吸收[4]。前人的研究主要集中在單一的施用生物炭或微生物菌劑對土壤質量的影響[5-8]，對生物炭和微生物配施對土壤質量提升效果的研究較少。筆者通過田間試驗比較單施化肥、生物炭以及生物炭和微生物菌劑配施對土壤有機碳、活性有機碳、土壤酶、微生物數量以及微生物功能多樣性的影響，以期為提高植煙土壤有機養分含量和微生物活性提供理論依據。

2.4不同處理對微生物功能多樣性的影響

平均顏色變化率（AWCD）用來表征土壤微生物對總碳源的利用能力。不同微生物功能多樣性指數代表土壤微生物多樣性的不同側面。其中，Shannon指數用來表征土壤微生物的均勻度以及豐富度；Simpson指數用來表征土壤中最常見微生物物種優勢度；Mcintosh指數用來表征土壤微生物的物種均一性。由表4可知，添加生物炭和有機物料顯著增加了微生物對總碳源的利用能力以及微生物功能多樣性指數。AWCD、Shannon指數和Simpson指數具體表現為T2>T1>CK，T1和T2處理的Mcintosh指數無顯著差異。

選取培養120 h的土壤微生物吸光度數據進行主成分分析，共提取4個主成分。4個主成分的累積方差貢獻率為93.00%。PC1～PC4的方差貢獻率分別為48.58%、33.41%、6.36%和4.65%。PC1和PC2的累積貢獻率達81.98%，能較為全面地概括微生物對31種碳源的利用特征。通過對各處理碳源利用能力的得分計算可知，CK的得分為10.68，T1處理的得分為14.41%，T2處理的得分為16.57。

主成分分析結果中的相關系數越高，表明該種碳源對主成分的影響越大。對主成分分析結果中相關系數大于0.7的碳源做進一步分析，結果見表5。由表5可知，影響PC1的碳源有15種，其中碳水化合物類4種，氨基酸類4種，羧酸類3種，胺類2種，酚酸類1種，多聚物類1種；影響PC2的碳源有8種，其中多聚物類3種，碳水化合物類2種，羧酸類2種，氨基酸類1種。綜合分析，碳水化合物類、羧酸類、氨基酸類和多聚物類為該土壤微生物利用的主要碳源。

3結論與討論

土壤有機碳主要來源于凋落物、根系分泌物以及根系周圍的細碎根屑[9]，是土壤質量和功能的核心，是影響土壤肥力的決定性因子。土壤微生物生物量碳、可溶性有機碳和易氧化有機碳是土壤活性有機碳庫的組分[10]，三者之間密切聯系，可溶性有機碳和易氧化有機碳易被微生物利用轉化為土壤微生物生物量碳，而土壤微生物量碳是可溶性有機碳以及易氧化有機碳潛在的重要來源[11]。李瑩等[12]研究表明，單獨添加生物炭增加了土壤有機碳含量，抑制了土壤有機碳的礦化。李喜鳳等[13]研究表明，單施生物炭顯著增加0～40 cm土壤總有機碳、易氧化有機碳、可溶性有機碳以及可溶性有機碳質量分數。魏賽金等[14]研究表明，稻草還田和微生物菌劑配施顯著提高了土壤活性有機碳含量。該研究結果表明，添加生物炭和微生物菌劑生物炭配施顯著增加了土壤有機碳含量以及活性有機碳庫組分含量，其中單施生物炭處理土壤中有機碳含量最高，微生物菌劑生物炭配施處理土壤活性有機碳庫組分提高幅度最大。

土壤酶是土壤營養代謝的驅動力，可以直觀地反映土壤中養分代謝的強度[15]。脲酶是土壤中的水解酶，也是最活躍的一類，用來表征土壤氮的供應能力[16]。蔗糖酶活性用來表征土壤的肥力水平和熟化程度[17]。多酚氧化酶能夠促進土壤中芳香類化合物生成腐殖質[18]。過氧化氫酶可以分解土壤中的過氧化氫，消除其對土壤生物的毒害[19]。該研究結果表明，添加生物炭和微生物菌劑生物炭配施顯著增加了土壤脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶和過氧化氫酶活性，其中以生物炭和微生物菌劑配施增加幅度最大。這與馮愛青等[20]、龔絲雨等[21]研究結果略不一致，馮愛青等[20]研究結果顯示，添加秸稈黑炭顯著提高了土壤脲酶活性，但抑制了過氧化氫酶活性。龔絲雨等[21]研究結果表明，增施生物炭顯著提高了土壤過氧化氫酶和脲酶活性，但對土壤多酚氧化酶和轉化酶活性影響不顯著。這可能是由于施用生物炭的種類和土壤類型不同引起的。閆新偉等[22]研究表明，添加生物炭顯著提高了花生成熟期脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性；朱金峰等[23]研究表明，施用微生物菌劑顯著提高了土壤脲酶、過氧化氫酶和蔗糖酶的活性，與該研究結果一致。

土壤微生物數量的變化能夠敏感反映出土壤環境的變化，體現微生物活性變化[24]。凌天孝等[25]研究表明，施用生物炭能夠提升土壤細菌和放線菌含量，對真菌含量表現為前期抑制后期促進的規律。魏賽金等[14]研究表明，稻草還田配施菌劑可以有效地提高細菌、真菌、放線菌的數量。該研究結果表明，添加生物炭和微生物菌劑生物炭配施顯著提高了土壤微生物數量，其中微生物生物炭配施提高最明顯。土壤微生物功能多樣性是表征土壤質量的重要生物指標。張雅坤等[26]研究表明，添加生物炭改變了土壤微生物群落結構，增加了土壤微生物整體活性和對碳源的利用能力。馬鋒敏等[27]研究表明，施用微生物菌劑的土壤微生物對碳源的利用能力，Shannon指數，豐富度指數顯著高于對照。該研究結果表明，添加生物炭和微生物菌劑生物炭配施顯著增加了土壤微生物群落對碳源總的利用能力和土壤微生物群落的均勻度、豐富度以及常見物種的優勢度。施加生物炭的基礎上配施微生物菌劑未改變土壤微生物群落的均一性。主成分分析結果表明，該試驗地土壤微生物利用的主要碳源是碳水化合物類、羧酸類、氨基酸類和多聚物類。添加生物炭以及生物炭與微生物菌劑配施顯著改變了土壤微生物對碳源的利用能力，主成分上的得分與微生物對碳源的利用能力有關。綜合各處理在主成分上的得分，生物炭和微生物菌劑配施得分最高，說明該處理對土壤微生物功能的影響最大。

生物炭本身含有較多的有機碳，施入土壤后會直接增加土壤中有機碳含量，另外施用生物炭會促進根系發育、增加煙株根系分泌物以及增強植物的代謝速率，從而增加有機碳含量。施用生物炭為微生物提供了充足的碳源，改善土壤結構，為微生物創造良好的生存條件，促進微生物的生長繁殖，增加微生物的數量、活性以及物種豐度。微生物數量和活性的增加會降低土壤有機碳的氧化穩定性，從而增加易氧化有機碳的含量；微生物在周轉過程中會分解生物炭中可利用組分再加上其本身的新陳代謝作用增加了土壤可溶性有機碳的含量，另外生物炭在熱解過程中會產生吸附在生物炭表面的小分子有機物質直接增加了土壤可溶性有機碳含量；由于微生物生物量碳是指活的微生物中含有的碳，微生物數量的增加直接增加了土壤微生物生物量碳的含量。根系分泌物的增加會提高土壤酶活性，另外由于土壤酶是微生物生長代謝的產物，微生物數量的增加會進一步提高土壤酶活性。配施微生物菌劑后直接增加了土壤中的微生物數量，促進了有機碳的礦化，因此有機碳的積累量小于單施生物炭，但土壤活性有機碳含量、微生物數量和功能多樣性以及土壤酶活性高于單施生物炭處理。

綜合分析，單施生物炭有利于有機碳的積累，生物炭和微生物菌劑配施提高了土壤活性有機碳庫質量、增強了土壤酶活性、提高了微生物活性以及功能多樣性。因此生物炭和微生物菌劑配施是提高當季植煙土壤質量的最佳施用方案。

參考文獻

[1] SOHI S P，KRULL E，LOPEZCAPEL E，et al.A review of biochar and its use and function in soil [J].Advances in agronomy，2010，105：47-82.

[2] SHRESTHA G，TRAINA S J，SWANSTON C W.Black carbons properties and role in the environment：A comprehensive review [J].Sustainability，2010，2（1）：294-320.

[3] 勾芒芒，屈忠義.生物炭對改善土壤理化性質及作物產量影響的研究進展[J].中國土壤與肥料，2013（5）：1-5.

[4] 羅鋒，杭中橋，焦玉霞，等.農用微生物菌劑在蔬菜上的應用試驗[J].中國園藝文摘，2009，25（8）：39-40.

[5] 張晗芝，黃云，劉鋼，等.生物炭對玉米苗期生長、養分吸收及土壤化學性狀的影響[J].生態環境學報，2010，19（11）：2713-2717.

[6] 陳心想，何緒生，耿增超，等.生物炭對不同土壤化學性質、小麥和糜子產量的影響[J].生態學報，2013，33（20）：6534-6542.

[7] 余佳斌，張曉強，文錦濤，等.微生物菌劑對修文煙區植煙土壤理化性狀及烤煙產質量的影響[J].浙江農業科學，2018，59（3）：382-387.

[8] 耿麗平，李小磊，趙全利，等.添加微生物菌劑對小麥產量及土壤生物學性狀的影響[J].江蘇農業科學，2017，45（5）：50-54.

[9] 張劍，汪思龍，王清奎，等.不同森林植被下土壤活性有機碳含量及其季節變化[J].中國生態農業學報，2009，17（1）：41-47.

[10] TAYLOR J P，WILSON B，MILLS M S，et al.Comparison of microbial numbers and enzymatic activities in surface soils and subsoils using various techniques[J].Soil biology and Biochemistry，2002，34（3）：387-401.

[11] BONKOWSKI M，GRIFFITHS B，SCRIMGEOUR C.Substrate heterogeneity and microfauna in soil organic ‘hotspots as determinants of nitrogen capture and growth of ryegrass[J].Applied soil ecology，2000，14（1）：37-53.

[12] 李瑩，魏志超，李惠通，等.生物炭對杉木人工林土壤碳氮礦化的影響[J].農業環境科學學報，2017，36（2）：314-321.

[13] 李喜鳳，楊小妮，羅艷君，等.生物炭及有機肥對蘋果園土壤有機碳組分及果樹生長的影響[J].西北農業學報，2017，26（4）：617-624.

[14] 魏賽金，李昆太，涂曉嶸，等.稻草還田配施化肥與腐稈菌劑下的土壤微生物及有機碳組分特征[J].核農學報，2012，26（9）：1317-1321.

[15] 鄭勇，高勇生，張麗梅，等.長期施肥對旱地紅壤微生物和酶活性的影響[J].植物營養與肥料學報，2008，14（2）：316-321.

[16] DE LA PAZ JIMENEZ M，DE LA HORRA A M，PRUZZO L，et al.Soil quality：A new index based on microbiological and biochemical parameters [J].Biology and fertility of soils，2002，35（4）：302-306.

[17] 常學秀，文傳浩，沈其榮，等.鋅廠Pb污染農田小麥根際與非根際土壤酶活性特征研究[J].生態學雜志，2001，20（4）：5-8.

[18] 陳強龍.秸稈還田與肥料配施對土壤氧化還原酶活性影響的研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2009.

[19] 王冬梅，王春枝，韓曉日，等.長期施肥對棕壤主要酶活性的影響[J].土壤通報，2006，37（2）：263-267.

[20] 馮愛青，張民，李成亮，等.秸稈及秸稈黑炭對小麥養分吸收及棕壤酶活性的影響[J].生態學報，2015，35（15）：5269-5277.

[21] 龔絲雨，聶亞平，張啟明，等.增施生物炭對烤煙成熟期根際土壤酶活性的影響[J].江西農業學報，2017，29（10）：54-57.

[22] 閆新偉，王艷芳，李繼偉，等.施用生物炭對旱作花生生長和產量構成及土壤酶活性的影響[J].河南科技大學學報（自然科學版），2018（3）：66-70.

[23] 朱金峰，王小東，郭傳濱，等.施用微生物菌劑對土壤關鍵酶活性和烤煙根系生長的影響[J].江西農業學報，2015，27（9）：31-35.

[24] 李亮，包耀賢，廖超英，等.烏蘭布和沙漠東北部沙區人工林土壤微生物及酶活性研究[J].西北植物學報，2010，30（5）：987-994.

[25] 凌天孝，于曉娜，李志鵬，等.生物炭與化肥配施對土壤特性及烤煙品質和經濟性狀的影響[J].土壤通報，2016，47（6）：1425-1432.

[26] 張雅坤，彭賽，宋倩云，等.不同施肥模式對楊樹人工林土壤微生物功能多樣性的影響[J].南京林業大學學報（自然科學版），2016，40（5）：1-8.

[27] 馬鋒敏，楊利民，肖春萍，等.施用微生物菌劑對參后地土壤微生物功能多樣性的影響[J].吉林農業大學學報，2015，37（3）：317-322.