50卷
收稿日期：2018-11-30
基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFD0800402）；天津市教委科研计划项目（2017KJ184）；农业部产地环境污染防控重点
实验室/天津市农业环境与农产品安全重点实验室开放课题（17nybcdhj-5）
作者简介：*为通讯作者，陈昢圳（1983-），博士，高级工程师，主要从事环境污染生物修复研究工作，E-mail ： 。李少朋（1982-），博士，主要从事土地复垦与环境微生物研究工作，E-mail ：
生物炭施用对滨海盐碱土速效养分
amor和酶活性的影响
李少朋1，陈昢圳2*，周艺艺1，王
婧1
（1天津农学院农学与资源环境学院，天津
300384；2农业农村部环境保护科研监测所，天津
300191）
摘要：【目的】探讨添加不同量生物炭对滨海盐碱土的改良效果，为滨海盐碱地土壤改良和培肥提供新思路。【方法】选取滨海轻度盐碱化土壤为供试基质，油菜为供试植物，通过温室大棚盆栽试验，研究不同生物炭施入量［0（对照）、5、10、20、30和40g/kg ］对土壤pH 、有机碳和速效养分含量及土壤酶活性的影响。【结果】土壤pH 、有机碳、碱解氮和速效钾含量均随生物炭施入量的增加而增加，生物炭施入量小于20g/kg 时，土壤有机碳和速效养分含量增速较快，当生物炭施入量大于20g/kg 时增速减缓；土壤速效磷含量在生物炭施入量为20g/kg 时达最大值，比对照高78.1%。土壤脲酶活性随生物炭施入量的增加而升高，在生物炭施入量为40g/kg 时达最大值；碱性磷酸酶和蔗糖酶活性随生物炭施入量的增加呈先升高后降低的变化趋势，在生物炭施入量为20g/kg 时达最大值，分别比对照高42.9%和142.8%；土壤蛋白酶活性在生物炭施入量为30g/kg 时达最大值，比对照高80.1%。【结论】生物炭施用可增加盐碱地土壤中有机碳和速效养分含量及酶活性，以施入量为20g/kg 的效果最佳，可作为一种改良剂用于盐碱地复垦和生态重建，但在施用过程中需注意其对土壤pH 的影响。
关键词：滨海盐碱土；生物炭；有机碳；速效养分；土壤酶活性中图分类号：S156.42
文献标志码：A
文章编号：2095-1191（2019）07-1460-06
Effects of biochar application on available nutrients and enzyme
activities in coastal saline-alkali soil
LI Shao-peng 1，CHEN Pei-zhen 2*，ZHOU Yi-yi 1，WANG Jing 1
（1College of Agronomy &Resources and Environment ，Tianjin Agricultural University ，Tianjin 300384，China ；
2
Agro-environmental Protection Institute ，Ministry of Agriculture and Rural Affairs ，Tianjin 300191，China ）Abstract ：【Objective 】In order to provide new ideas for coastal saline-alkali soil improvement and increasing fertili-zer ，the effects of biochar application with different amounts on the improvement of coastal saline-alkali soil were studied.
【Method 】Coastal mild saline-alkali soil was as the test substrate and rape as the test plant.A pot experiment in a green-hou was carried out.The effects of biochar with different application amounts ［0（control ），5，10，20，30and 40g/kg ］on soil pH ，organic carbon ，available nutrients and enzyme activity of soil were studied.【Result 】Results showed that the soil pH ，organic carbon ，alkali nitrogen and available potassium in soil incread with biochar application amount increa-sing.When the biochar application amount was less than 20g/kg ，the organic carbon and available nutrient content in-cread greatly in soil.However ，it incread slowly when biochar application amount was more than 20g/kg.Available phosphorus in soil could reached the maximum value with 20g/kg biochar application level ，and was 78.1%higher than the control.Urea activity in soil incread with the application of biochar.The urea activity reached the highest level when the biochar application amount was 40g/kg.The activities of alkaline phosphata and sucra incread ，decread ，and peaked in the treatment of 20g/kg biochar ，which were 42.9%and 142.8%higher than tho of the control ，respec-tively.Soil protea activity was the highest in 30g/kg treatment and 80.1%higher compared with the control.【Conclu-sion 】In general ，the application of biochar increas the contents of organic carbon and available nutrients and enzyme ac-tivity of saline-alkali soil.The best amount of biochar application is 20g/kg.Biochar can be ud as modifier in reclama-tion of saline-alkali land and ecology reconstruction.But its effects on soil pH during application should be concerned.
Key words ：coastal saline-alkali soil ；biochar ；organic carbon ；available nutrient ；soil enzyme activity
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0引言
【研究意义】土壤盐碱化是一个世界性问题，盐碱化过程会显著影响土壤的理化性质、微生物种类及植物生长。根据第二次全国普查资料统计（全国土壤普查办公室，1998），我国盐碱化土壤总面积约3600万ha，而滨海盐碱土面积约31万ha，占海岸带土地总面积的27.45%，在天津、江苏东部、黄河三角洲等地区，盐碱面积甚至与当地耕地面积相当。滨海盐碱土不仅表层积盐重，心土层的盐含量也很髙，土壤盐分组成与海水基本一致，氯化物占绝对优势（王合云等，2015）。天津地处渤海湾西岸，盐碱化土地总面积为49300ha，占天津市土地总面积的41.4%，己超过耕地面积（王秀丽等，2013）。生物炭作为一种有效的土壤改良材料，具有改善土壤理化性状、增加通气性、提高土壤持水力、固存矿质养分和促进植物对土壤养分吸收利用等功能。施用生物炭能通过吸附作用有效降低土壤养分淋溶（Feng et al.，2012），提高土壤肥力（陈温福等，2014）。因此，探讨生物炭施用对滨海盐碱土速效养分和酶活性的影响，对有效利用滨海盐碱土缓解日益紧张的土地资源缺乏问题、极大缓解农业用地压力及保障粮食安全具有重要现实意义。【前人研究进展】至今，国内外众多学者已针对
滨海盐碱地改良开展了一系列相关研究，主要采用物理、化学和生物修复3种改良措施。物理方法包括台地降水、开沟洗盐、地下隔离、地上覆盖等技术（张乐等，2017；田冬等，2018）；化学修复主要通过含钙物质、酸性物质、黄铁矿和脱硫石膏等物质来改良盐碱土（刘云和孙书洪，2014）。但物理和化学技术成本较高，且元素仍保留在土壤中，易形成二次污染再度危害植物，加之我国滨海地区积盐和脱盐具有反复性，使得物理和化学修复技术缺乏可持续性。Ferguson和Nowak（2011）研究发现，利用盐地碱蓬、滨黎、田菁和防护林等对滨海盐碱土进行生物修复，可改善盐碱土性状，降低土壤盐度，提高土壤肥力，达到压盐目的。生物炭对氮磷等矿质养分具有很强的吸附能力（Steiner et al.，2007），同时能通过解析作用缓慢释放养分提高养分利用效率（Zhang et al.，2015）。生物炭对贫瘠土壤的改良效果明显，主要得益于其本身富含有机碳和矿质元素，以及其独特的结构特征（Crane-Droesch et al.，2013）。生物炭的孔隙结构及水肥吸附作用可为土壤微生物提供良好的栖息环境，其中对菌根真菌作用较显著（何绪生等，2011）；生物炭还可通过激发效应加速土壤有机质分解释放，提高微生物活性，促进腐殖质分解，从而影响土壤微生物群落结构多样性（Rousk et al.，2013）和丰度（Gul et al.，2015）。此外，生物炭对重金属污染土壤（李洪达等，2018）、酸性土壤（逄玉万等，2018）、矿尾砂地（熊荟菁等，2018）和滩涂（张继宁等，2018）等均具有一定的修复功能。【本研究切入点】尽管生物炭在退化土壤改良和培肥中具有一定的应用潜力，但其在滨海盐碱地治理中的应用报道较少。【拟解决的关键问题】在前期研究的基础上，以油菜为供试植物，以玉米秸秆高温热解后产生的生物炭为碳源，通过盆栽试验，研究施加不同量生物炭对土壤速效养分和
土壤酶活性的影响，探讨生物炭对滨海盐碱地的改良效果，为滨海盐碱地土壤改良和培肥提供新思路。
1材料与方法
1.1试验材料
供试土壤采自天津市西青区某温室大棚，过筛去除杂质待用。供试土壤的基本理化性状：pH8.51，盐含量0.17%，有机碳16.8g/kg，凯氏氮43.2g/kg，速效磷15.6g/kg。油菜种子由天津市科润蔬菜研究所提供，生物炭由陕西亿鑫生物能源科技开发有限公司提供，生物炭在450℃下热裂解，其pH为9.01，比重0.85g/cm3，灰分含量12.76%，碳含量79.66%。1.2试验方法
试验于2017年9月在天津市农业科学院温室大棚内进行，大棚内日平均温度22℃，湿度维持在80%左右。采用盆栽土培试验，设6个处理，即分别施入0（对照）、5、10、20、30和40g/kg生物炭，每处理重复3次。栽种油菜的塑料盆规格：盆口直径×盆底直径×盆高=18cm×14cm×22cm，将3kg供试土壤和35g 有机肥充分混匀，装盆，种植油菜前，浇水至最大持水量，水分平衡1d后，将油菜种子均匀播种于土壤中，每盆播种15粒，出苗6d后间苗，使每处理保留大小一致的油菜5株，按照常规浇水灌溉，使水含率维持在75%左右，60d后分别采集油菜根际土壤，风干，研磨过1mm筛，用于测定土壤养分含量和酶活性。
1.3测定项目及方法
土壤pH采用土壤酸度pH计测定，土壤速效钾含量采用NH4OAc浸提—火焰光度法测定，速效磷含量采用NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定，碱解氮含量采用碱解扩散法测定，有机碳含量采用TOC分析仪测定，脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶活性采用酶联免疫试剂盒测定。
李少朋等：生物炭施用对滨海盐碱土速效养分和酶活性的影响
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南方农业学报·1462
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1.4
统计分析
采用SAS 17.0对试验数据进行统计分析，并采用Excel 2007制图。
2结果与分析
2.1
生物炭施用对土壤pH 和有机碳含量的影响土壤pH 随着生物炭施入量的增加而升高，生物炭施入量小于20g/kg 时，各处理土壤中pH 无显著差异（P >0.05，下同），生物炭施入量大于20g/kg 时，土壤pH 略有增长（图1）。由图2可知，土壤中有机碳含量随着生物炭施入量的增加而逐渐升高，且显著高于对照（P <0.05，下同）。施入生物炭5、10、20、30和40g/kg 处理的土壤有机碳含量分别比对照高22.7%、28.8%、67.8%、78.1%和86.0%。其中，施入生物炭5g/kg 与10g/kg 、30g/kg 与40g/kg 处理间无显著差异，当生物炭施入量大于20g/kg 时，土壤有机碳含量增加缓慢。
2.2
生物炭施用对土壤速效养分含量的影响
由图3-A 可知，施入生物炭可显著增加土壤碱解氮含量，油菜根际土壤的碱解氮含量随生物炭施入量的增加而升高，生物炭施入量大于20g/kg 后，土壤中碱解氮含量趋于稳定，施入量20、30和40g/kg 处
理的土壤碱解氮含量平均比对照高40.2%，但施入量
20、30和40g/kg 处理间差异不显著。土壤速效磷含量呈先升高后降低的变化趋势，生物炭施入量为5g/kg 时，土壤速效磷含量略有增加，但与对照间差异不显著；生物炭施入量为20g/kg 时，油菜根际土壤中速效磷含量达最大值，比对照高78.1%，但与生物炭施入量30和40g/kg 处理间无显著差异（图3-B ）。土壤速效钾含量随着生物炭施入量的增加而升高，施入较少的生物炭（5~10g/kg ）对土壤中速效钾含量无显著影响；生物炭施入量为20~40g/kg 时，3个处理的土壤速效钾含量均显著高于对照，且生物炭施入量为40g/kg 的土壤速效钾含量达最大值，比对照高23.0%（图3-C ）。
2.3生物炭施用对土壤酶活性的影响
由图4-A 可知，土壤脲酶活性随生物炭施入量的增加而升高，生物炭施入量达30g/kg 后，土壤脲酶生活大爆炸 第七季
图1施入生物炭对滨海盐碱土pH 的影响
Fig.1Effects of applying biochar on pH in saline-alkali soil
图柱上不同小写字母表示差异显著（P <0.05）。图2~图4同
Different lowerca letters on the bar reprented significant difference （P <0.05）.The same was applied in Fig.2-Fig.4图2施入生物炭对滨海盐碱土有机碳含量的影响
Fig.2Effects of applying biochar on organic carbon contents
in saline-alkali soil
p
H
生物炭施入量（g/kg ）Biochar applying amount 有机碳含量（g /k g ）
O r g a n i c c a r b o n c o n t e n
t
图3施入生物炭对滨海盐碱土速效养分含量的影响
Fig.3Effects of applying biochar on available nutrient con-tents in saline-alkali soil
碱解氮含量（m g /k g ）速效磷含量（m g /k g ）A v a i l a b l e p h o s p h o r u s c o n t e n
t
速效钾含量（m g /k g ）
A v a i l a b l e p o t a s s i u m c o n t e n t
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活性趋于稳定；与对照相比，施入量5、10、20、30和40g/kg 处理的土壤脲酶活性分别增加8.2%、21.2%、33.5%、48.0%和50.9%。由图4-B~图4-D 可知，土壤碱性磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶活性均随生物炭施入量增加呈先升高后降低的变化趋势，施入量为20g/kg 时，碱性磷酸酶和蔗糖酶活性达最大
值，此时碱性磷酸酶活性与施入量30和40g/kg 处理间无显著
差异，施入量20~40g/kg 3个处理的土壤平均碱性磷酸酶活性比对照高39.6%，而此时蔗糖酶活性显著高于其他处理和对照。生物炭施入量为30g/kg 时，土壤蛋白酶活性达最大值，显著高于其他处理和对照，添加5、10、20、30和40g/kg 处理的土壤蛋白酶活性分别比对照高19.3%、34.4%、41.7%、80.1%和64.6%。
opportunite
图4施入生物炭对滨海盐碱土酶活性的影响
Fig.4
Effects of applying biochar on enzyme activities insaline-alkali soil
脲酶活性（U /g ）U r e a s e a c t i v i t y
碱性磷酸酶活性（U /g ）A l k a l i n e p h o s p h t a s e a c t i v i t y
蔗糖酶活性（U /g ）S u c r a s e a c t i v i t y
蛋白酶活性（U /g ）P r o t e o l y t i c a l a c t i v i t y
一百以内加减法
3讨论
早期对生物炭的认识源自南美亚马逊盆地黑色土壤，其深色富碳土壤厚达35cm ，土质肥沃，具有非常强的恢复贫瘠土壤作物生产能力的特性（Ba-ker et al.，2009）。生物炭在土壤改良和培肥过程中具有重要的生态功能。本研究发现，随生物炭施入量的增加，土壤有机碳含量呈逐渐增加趋势，施入生物炭为40g/kg 的土壤有机碳含量比对照高86.0%。土壤有机碳的增加，一方面是由于在较低裂解温度下形成的生物炭具有较高含量的易氧化态碳等活性有机碳组分，另一方面，施入生物炭后土壤中微生物活性增加，加速有机碳累积（柯跃进等，2014）。对于滨海盐碱地土壤而言，生物炭在一定程度上能增加土壤碳库容量，稳定土壤有机碳库，维持土壤生态系统平衡。Laird 等（2009）的研究也表明，通过生物炭还田技术可实现物质和能量的循环利用，不仅可以补偿土壤有机质的损失，还能改良土壤和提高肥力。陈红霞等（2011）研究施用生物炭对华北平原农田土壤容重、阳离子交换量和颗粒有机质含量的影响发
现，施用生物炭可增加0~15.0cm 土层的阳离子交换
量，最大可增加24.5%，同时可增加0~7.5cm 土层有机质组分中的碳、氮浓度，且分别比对照高260%和120%，通过3年连续跟踪发现，土壤理化特性得到明显改善，且在碳增汇和温室减排方面具有潜在积极效应。生物炭的存在能形成土壤团聚体有机—无机复合体，加强团聚体的物理保护作用，从而达到对有机碳的长期固持，有效防止有机物质进一步腐解退化（Lehmann et al.，2011）。
施用生物炭可增加土壤中的氮、磷、钾和镁等矿质元素含量，牛政洋等（2017）研究生物炭对两种典型植烟土壤养分的影响发现，增施生物炭后，水稻土和紫色土的速效养分和有机碳含量均有所增加，两种土壤的烤烟分别最高增产52.94%和122.75%。生物炭与其他肥料配施也是目前研究的一个热点，生物炭与氮肥、菜籽饼和有机肥等配施可提高土壤中有效养分和有机碳含量，提高棉花（顾美英等，2014）、玉米（刘文秀，2016）和红枣（袁晶晶等，2017）等作物的产量。本研究发现，在滨海盐碱土中施入生物炭可提高土壤速效养分含量。生物炭改善盐碱
纳罕什么意思李少朋等：生物炭施用对滨海盐碱土速效养分和酶活性的影响
50卷
南方农业学报
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土的微环境，土壤微生物活动趋于频繁，增强土壤中脲酶和磷酸酶等活性，从而加速土壤矿质养分由结合态向游离态转变。同时生物炭含有植物生长所需的氮、磷、钾等元素，可在一定程度上补充土壤养分；此外，生物炭的吸附解析作用增加土壤养分持留，降低养分淋溶，还能缓慢释放养分供根系生长和吸收，为作物吸收提供更多机会。
土壤酶参与土壤的生化过程，已广泛用于评价土壤营养物质循环转化状况和肥料施用效果，也是土壤微生物群落活性表征指标之一。土壤酶主要来自微生物、植物和动物的活体或残体（刘红梅等，2018）。土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖酶等水解酶活性能表征土壤氮、磷、碳等养分的循环状。本研究发现，向盐碱土中添加生物炭可提高土壤脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶活性，在生物炭施入量小于20g/kg时，土壤酶活性升高较迅速，生物炭施入量大于20g/kg后，土壤酶活性提升较缓慢。张清梅等（2017）研究发现，施用生物炭可不同程度提高黄瓜根际20~40cm土壤酶活性；李司童等（2017）、郑钰铟等（2018）研究发现，在作物生产过程中，生物炭与其他肥料配施对土壤酶活性影响较显著。
滨海盐碱土盐含量高，质地黏重，透水性能差，不利于植物的生长发育。施入生物炭对土壤具有重要的改良作用，生物炭密集多孔结构能够改善土壤结构，增加土壤总孔隙度，降低土壤容重、扩张强度和紧实度，提高土壤持水能力（周劲松，2016）。生物炭的孔隙结构及对水肥的吸附作用可为微生物提供良好的栖息环境，其可利用组分还可直接被微生物生长所利用，对土壤微环境具有重要的改良作
用（Steinbeiss et al.，2009）。因此，结合室内试验结果，今后应继续开展施入生物炭对滨海盐碱地土壤微环境调控，尤其是生物炭对土壤功能性微生物多样性的影响研究，从而为盐碱土的改良和培肥提供理论指导和技术支持。
4结论
生物炭施用可增加盐碱地土壤中有机碳和速效养分含量及酶活性，以施入量20g/kg的效果最佳，可作为一种改良剂用于盐碱地复垦和生态重建，但在施用过程中需注意其对土壤酸碱性的影响。
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（责任编辑罗丽）
李少朋等：生物炭施用对滨海盐碱土速效养分和酶活性的影响
