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生物炭和有机肥施用提高了华北平原滨海盐土微生物量

石玉龙 高佩玲 刘杏认 张晴雯 张爱平 杨正礼

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生物炭和有机肥施用提高了华北平原滨海盐土微生物量

    作者简介: 石玉龙 E-mail:shiyulong1123@126.com;
    通讯作者: 高佩玲, E-mail:gaoplxj@163.com ; 刘杏认, E-mail:liuxr1976@126.com

Increased microbial biomass in coastal saline fields of North China Plain by application of biochar and organic manure

    Corresponding author: Pei-ling GAO, E-mail:gaoplxj@163.com ;Xing-ren LIU, E-mail:liuxr1976@126.com ;
  • 摘要: 【目的】研究施加不同量生物炭和有机肥对山东滨州滨海盐地土壤微生物量碳、氮 (MBC、MBN) 含量的影响,为改善盐地土壤环境质量和盐地的可持续利用提供科学依据。【方法】试验共设置6个处理:CK (无机肥)、C1[生物炭5 t/(hm2·a)]、C2[生物炭10 t/(hm2·a)]、C3[生物炭20 t/(hm2·a)]、M1[有机肥7.5 t/(hm2·a)]、M2[有机肥10 t/(hm2·a)]。各处理均施加等量的N[200 kg/(hm2·a)]和P2O5[120 kg/(hm2·a)],生物炭和有机肥处理不足部分由尿素和磷酸二铵补充。生物炭、有机肥和基肥均分为玉米、小麦两季人工施入,每个处理3次重复,小区随机排列。在玉米和小麦的不同生育期,取0—20 cm和20—40 cm土样,测定土壤MBC和MBN、土壤pH、土壤含水量、硝态氮和铵态氮含量。【结果】施加生物炭和有机肥均可增加土壤MBC和MBN。施用基肥5天后,生物炭和有机肥显著增加了土壤MBC和MBN含量,而追肥对土壤MBC和MBN的影响并不显著。生物炭处理土壤MBC变化范围在64.1~570.0 μg/g,有机肥处理变化范围在90.6~451.3 μg/g之间。C3、M1、M2处理均显著增加了0—40 cm土壤MBC (增幅在40.9%~118.4%之间) ,而C1、C2仅显著增加20—40 cm土层的MBC含量 (增幅分别为47.7%、60.0%) 。生物炭处理MBN含量在5.3~92.5 μg/g之间,与CK相比差异不显著;有机肥处理变化范围为4.2~163.9 μg/g,M1和M2显著增加了土壤MBN含量,增加幅度达56.4%~162.3%。生物炭和有机肥的施加对土壤pH影响显著,生物炭显著降低了20—40 cm的土壤pH,而有机肥显著降低了0—40 cm的土壤pH。相关分析表明,土壤pH与土壤MBC和MBN均呈极显著的负相关关系。土壤MBC和MBN均与土壤矿质氮表现出显著正相关关系。除M1处理玉米产量显著降低外,生物炭和有机肥的施加对玉米和小麦产量均没有产生显著影响。玉米季前期以细菌为主,后期则以真菌为主。小麦季MBC/MBN波动较大。【结论】施加生物炭和有机肥对土壤MBC和MBN含量影响显著,对盐地土壤MBC和MBN均具促进作用。土壤MBC和MBN与土壤pH具有显著的负相关关系,与土壤矿质氮呈显著正相关关系,说明生物炭和有机肥的施加能够降低盐地土壤pH,增加土壤矿质氮,有利于盐地土壤环境质量的改善。
  • 图 1  土壤微生物量碳的动态变化

    Figure 1.  Dynamics of soil microbial biomass carbon(MBC)

    图 2  施加生物炭和有机肥对土壤微生物量碳的影响

    Figure 2.  Effects of biochar and organic manure on soil MBC

    图 3  土壤微生物量氮的动态变化

    Figure 3.  Dynamics of soil microbial biomass nitrogen(MBN)

    图 4  施加生物炭和有机肥对土壤微生物量氮的影响

    Figure 4.  Effects of biochar and organic manure on soil MBN

    图 5  土壤MBC/MBN的动态变化

    Figure 5.  Dynamica of soil MBC/MBN

    图 6  施加生物炭和有机肥对土壤pH影响及相应时期温度变化

    Figure 6.  Effects of biochar and organic manure on soil pH and soil temperature

    图 7  土壤含水量的动态变化

    Figure 7.  Dynamics of soil water content

    图 8  施加生物炭和有机肥对土壤0—20 cm和20—40 cm含水量的影响

    Figure 8.  Water content in 0−20 cm and 20−40 cm soil layers affected by biochar and manure addition

    图 9  施加生物炭和有机肥对土壤铵态氮和硝态氮含量的影响

    Figure 9.  Effects of biochar and organic manure on soil NH4+-N and NO3-N contents

    图 10  施加生物炭和有机肥对作物产量的影响

    Figure 10.  Effects of biochar and organic fertilizer on crop yields

    表 1  试验前土壤基本理化性质

    Table 1.  Basic properties of the tested soil

    土层深度
    Soil depth
    (cm)
    有机质
    OM
    (g/kg)
    全氮
    Total N
    (g/kg)
    全钾
    Total K
    (g/kg)
    速效磷
    Avail. P
    (mg/kg)
    水解性氮
    Hydr. N
    (mg/kg)
    速效钾
    Avail. K
    (mg/kg)
    EC
    (mS/cm)
    全盐量
    Total salt
    (g/kg)
    pH 钠吸附比
    SAR
    0—20 13.7 0.90 21.0 70.6 83.4 227 0.90 2.10 8.30 6.55
    20—40 10.7 0.60 21.0 22.0 46.5 147 0.80 1.80 8.50 7.76
    注(Note):SAR—Sodium absorption ratio.
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    表 2  土壤微生物量碳氮与土壤pH、土壤温度和土壤含水量相关性分析

    Table 2.  Correlation analyses between soil microbial biomass and soil pH, temperature, and moisture

    微生物量Microbial biomass pH 土温Temperature 土壤含水量Misture NH4+-N NO3-N
    MBC −0.524** −0.319** −0.096 0.274** 0.287**
    MBN −0.423** 0.01 −0.029 0.151* 0.301**
    MBC/MBN −0.036 −0.230** −0.196** 0.114 0.032
    注(Note):**—P < 0.01;*—P < 0.05.
    下载: 导出CSV
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    [15] 刘玉学唐旭杨生茂吕豪豪汪玉瑛 . 生物炭对土壤磷素转化的影响及其机理研究进展. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(6): 1690-1695. doi: 10.11674/zwyf.14585
    [16] 袁晶晶同延安卢绍辉袁国军 . 生物炭与氮肥配施对土壤肥力及红枣产量、品质的影响. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(2): 468-475. doi: 10.11674/zwyf.16285
    [17] 李露周自强潘晓健李博熊正琴 . 氮肥与生物炭施用对稻麦轮作系统甲烷和氧化亚氮排放的影响. 植物营养与肥料学报, 2015, 23(5): 1095-1103. doi: 10.11674/zwyf.2015.0501
    [18] 李伟代镇张光鑫刘杨韩娟 . 生物炭和氮肥配施提高土团聚体稳定性及作物产量. 植物营养与肥料学报, 2019, 25(5): 782-791. doi: 10.11674/zwyf.18191
    [19] 董玉兵吴震李博许欣熊正琴 . 追施生物炭对稻麦轮作中麦季氨挥发和氮肥利用率的影响. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(5): 1258-1267. doi: 10.11674/zwyf.17060
    [20] 袁帅赵立欣孟海波沈玉君 . 生物炭主要类型、理化性质及其研究展望. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(5): 1402-1417. doi: 10.11674/zwyf.14539
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-06-07
  • 刊出日期:  2019-04-01

生物炭和有机肥施用提高了华北平原滨海盐土微生物量

    作者简介:石玉龙 E-mail:shiyulong1123@126.com
    通讯作者: 高佩玲, gaoplxj@163.com
    通讯作者: 刘杏认, liuxr1976@126.com
  • 1. 山东理工大学农业工程与食品科学学院,山东淄博 255000
  • 2. 山东理工大学资源与环境工程学院,山东淄博 255000
  • 3. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京 100081

摘要: 目的研究施加不同量生物炭和有机肥对山东滨州滨海盐地土壤微生物量碳、氮 (MBC、MBN) 含量的影响,为改善盐地土壤环境质量和盐地的可持续利用提供科学依据。方法试验共设置6个处理:CK (无机肥)、C1[生物炭5 t/(hm2·a)]、C2[生物炭10 t/(hm2·a)]、C3[生物炭20 t/(hm2·a)]、M1[有机肥7.5 t/(hm2·a)]、M2[有机肥10 t/(hm2·a)]。各处理均施加等量的N[200 kg/(hm2·a)]和P2O5[120 kg/(hm2·a)],生物炭和有机肥处理不足部分由尿素和磷酸二铵补充。生物炭、有机肥和基肥均分为玉米、小麦两季人工施入,每个处理3次重复,小区随机排列。在玉米和小麦的不同生育期,取0—20 cm和20—40 cm土样,测定土壤MBC和MBN、土壤pH、土壤含水量、硝态氮和铵态氮含量。结果施加生物炭和有机肥均可增加土壤MBC和MBN。施用基肥5天后,生物炭和有机肥显著增加了土壤MBC和MBN含量,而追肥对土壤MBC和MBN的影响并不显著。生物炭处理土壤MBC变化范围在64.1~570.0 μg/g,有机肥处理变化范围在90.6~451.3 μg/g之间。C3、M1、M2处理均显著增加了0—40 cm土壤MBC (增幅在40.9%~118.4%之间) ,而C1、C2仅显著增加20—40 cm土层的MBC含量 (增幅分别为47.7%、60.0%) 。生物炭处理MBN含量在5.3~92.5 μg/g之间,与CK相比差异不显著;有机肥处理变化范围为4.2~163.9 μg/g,M1和M2显著增加了土壤MBN含量,增加幅度达56.4%~162.3%。生物炭和有机肥的施加对土壤pH影响显著,生物炭显著降低了20—40 cm的土壤pH,而有机肥显著降低了0—40 cm的土壤pH。相关分析表明,土壤pH与土壤MBC和MBN均呈极显著的负相关关系。土壤MBC和MBN均与土壤矿质氮表现出显著正相关关系。除M1处理玉米产量显著降低外,生物炭和有机肥的施加对玉米和小麦产量均没有产生显著影响。玉米季前期以细菌为主,后期则以真菌为主。小麦季MBC/MBN波动较大。结论施加生物炭和有机肥对土壤MBC和MBN含量影响显著,对盐地土壤MBC和MBN均具促进作用。土壤MBC和MBN与土壤pH具有显著的负相关关系,与土壤矿质氮呈显著正相关关系,说明生物炭和有机肥的施加能够降低盐地土壤pH,增加土壤矿质氮,有利于盐地土壤环境质量的改善。

English Abstract

  • 我国具有农业利用潜力的盐碱地约占全国盐碱地的10%[1],盐碱地中高浓度的盐分可降低土壤微生物量[2],抑制土壤碳、氮的矿化和土壤酶的活性[3],限制作物的生长。因此改良盐碱地、实现盐碱地的可持续利用,对我国农业发展具有重要意义。近年来国内外对盐碱地的改良已取得显著成效[1, 4-5],这些研究主要以物理、化学和生物措施为主,如排水洗盐、添加石膏、种植耐盐植物等[1]。但不同程度地存在成本高、作用范围有限、二次污染和见效慢等问题。土壤改良剂的选择仍是今后研究的重点。

    土壤微生物量属于土壤中不稳定的少量有机质[6-7]。微生物是土壤生物化学活动的主要参与者[8],不仅参与土壤中有机质分解和腐殖质的形成[9],是土壤养分快速周转的重要库和源,也是土壤养分转化及循环的驱动因素[10],而且由于微生物量是土壤养分中最为活跃的部分,能够快速转化的微生物量碳 (MBC) 和微生物量氮 (MBN) 常被用作土壤质量的评价指标[11-12]。施肥是影响土壤MBC和MBN不可忽视的重要因素。徐一兰等[13]通过长期试验发现,有机肥和无机肥配施与单施化肥相比,单施化肥与不施肥相比,土壤MBC和MBN含量均明显提高。王文锋等[14]在温室蔬菜不同施肥模式定位试验中发现,同等养分投入量下,有机无机肥料配合施用提高土壤微生物量碳、氮的效果显著好于单施化肥,同时又以化肥配施秸秆效果更佳。陈欢等[15]利用长期定位试验研究砂姜黑土微生物特征对不同施肥模式的响应,发现施加有机肥可有效增加土壤MBC和MBN含量,有机无机配施处理尤为显著。微生物对土壤环境的变化非常敏感,土壤温度、土壤湿度和土壤pH等环境因素都是影响土壤微生物量的重要因素[16-19]

    生物炭作为一种新兴土壤调理剂,其在农田中的应用也成为当下的研究热点。生物炭是生物质在缺氧条件下通过高温热解得到的一种富碳固体[20]。有研究发现[21],土壤中添加生物炭不仅可以增加土壤含水量、电导率,还能增加土壤微生物量,促进土壤碳、氮的矿化。张瑞[4]基于室内试验发现,盐碱土中施加生物竹炭降低了土壤pH和电导率,增加了土壤有机质的含量。Zhang等[18]通过华北长期定位试验研究发现,施加生物炭较常规施肥显著增加了土壤微生物量碳。针对我国有机肥投入长期不足的状况,有机肥作为中国最为传统的农作物肥料,在稳产增产的基础上对农田土壤的改善作用日益凸显。Wu等[22]通过温室试验发现,土壤中施加有机肥能够增加盐碱土中的微生物数量和种类,提高土壤养分和有机质含量。Chu等[23]在长达16年的试验中发现,施加有机肥较单施无机肥显著增加了土壤MBC含量,同时也提高了土壤微生物的活性。

    目前大量研究表明,施肥对土壤MBC和MBN能够产生显著影响,但针对生物炭和有机肥的施加对华北平原滨海盐土中土壤微生物量影响的研究较少。本试验基于山东滨州冬小麦−夏玉米轮作系统,进行了生物炭和有机肥对盐碱土MBC和MBN影响的研究,试图明确添加生物炭和有机肥能够改善盐土的土壤环境,增加土壤MBC和MBN含量,为进行盐碱地的改良提供理论依据。

    • 试验在山东省滨州市滨城区滨北镇中裕农牧生态产业园区 (37.48°N、118.05°E) 进行,该地区属于温带大陆性季风气候,多年平均气温12.7℃,海拔高度7 m,平均地面温度14.7℃,平均日照时数2632.0 h,年平均降水量596.5 mm,降水多集中在7~8月。作物种植方式为冬小麦−夏玉米轮作,平均全盐量为2.2 g/kg,土壤质地为壤土,土壤类型为潮土,属于中度盐化土壤,2016年试验前土壤的基本理化性质见表1

      土层深度
      Soil depth
      (cm)
      有机质
      OM
      (g/kg)
      全氮
      Total N
      (g/kg)
      全钾
      Total K
      (g/kg)
      速效磷
      Avail. P
      (mg/kg)
      水解性氮
      Hydr. N
      (mg/kg)
      速效钾
      Avail. K
      (mg/kg)
      EC
      (mS/cm)
      全盐量
      Total salt
      (g/kg)
      pH 钠吸附比
      SAR
      0—20 13.7 0.90 21.0 70.6 83.4 227 0.90 2.10 8.30 6.55
      20—40 10.7 0.60 21.0 22.0 46.5 147 0.80 1.80 8.50 7.76
      注(Note):SAR—Sodium absorption ratio.

      表 1  试验前土壤基本理化性质

      Table 1.  Basic properties of the tested soil

    • 试验所用生物炭购于山东铭宸环卫设备有限公司,为棉花秸秆在800℃下经72 h不完全燃烧制成的黑色粉末。生物炭密度为0.3 g/cm3、pH值8.6、碳含量73%、氮含量0.9%、有效磷含量0.08%、有效钾含量1.6%,有机肥为免深耕有机肥,原料为牲畜粪便,黑色颗粒状,其中N + P2O5 + K2O ≥ 5%,有机质含量大于45%。

    • 试验设置CK (无机肥)、C1[生物炭5 t/(hm2·a)]、C2[生物炭10 t/(hm2·a)]、C3[生物炭20 t/(hm2·a))、M1[有机肥7.5 t/(hm2·a)]、M2[有机肥10 t/(hm2·a)],共6个处理,每个处理3次重复。所有处理氮、磷肥用量均为N 200 kg/(hm2·a)、P2O5 120 kg/(hm2·a),生物炭和有机肥处理氮、磷不足部分由尿素和磷酸二铵补充。因土壤钾含量较高,不施钾肥,生物炭、有机肥、磷肥作为基肥一次性施入,氮肥中1/3尿素作为基肥,2/3尿素追肥。

      试验以夏玉米−冬小麦轮作体系下的土壤为研究对象,进行了整个轮作周期的连续采样。夏玉米于2016年6月25日施肥播种,翻耕深度为15 cm,10月11日收获,冬小麦于10月20日播种,2017年6月10日收获。生物炭、有机肥及尿素、磷酸二铵由人工均匀撒施,分两季施入,比例为1∶1,并于7月28日追肥一次。夏季因雨量充沛,田间无灌溉措施。冬小麦其余管理措施与当地农田管理方式一致。

    • 玉米季土样半个月采集一次,小麦季为一个月采集一次。利用土钻采集0—20 cm及20—40 cm土层土样,每个小区随机采集5个点并进行混匀,过2 mm筛,拣去残留秸秆及石块等,一部分4℃下保存,用于测定土壤硝态氮、铵态氮、MBC、MBN以及土壤含水量,另一部分自然风干,测定土壤pH。

    • 土壤温度和土壤含水量测定:土壤温度利用手持式数字温度计 (JM 222) 进行原位监测,分别测量5 cm和10 cm深的土壤温度;在105℃下烘干24 h测定土壤含水量[24]

      pH的测定:称取10 g过2 mm筛的自然风干土样,置于50 mL烧杯中,加入25 mL蒸馏水,将容器密封后,用搅拌器搅拌5 min,静置1 h,然后用pH计测定[25]

      NH4+-N、NO3-N含量测定:利用0.01 mol/L CaCl2水土比5∶1浸提,采用AA3流动分析仪测定。

      MBC和MBN的测定:采用氯仿熏蒸进行提取[26],浸提液过滤后再使用multi N/C 2100/2100S TOC分析仪 (Jena,德国) 测定。每个处理不同土层各称取50 g鲜土于烧杯中,如果土壤过湿,应在室内适当风干,以手感湿润疏松但不结块为宜 (约为饱和持水量的40%)。如果土壤过于干燥,用蒸馏水调节至饱和持水量的40%。置于密闭容器中,同时放入装有NaOH溶液的烧杯,以吸收在土壤培养过程中产生的CO2,容器中导入少量蒸馏水,用于保持土壤湿度。将密闭容器置于25℃培养箱中培养7天。培养结束后,每个培养烧杯中分别称取两份10 g土样,其中一份在−0.07 Mpa压力下进行氯仿熏蒸,另一份除不熏蒸外,其他操作与熏蒸相同。避光放置24 h后用0.5 mol/L K2SO4进行浸提 (土∶水 = 1∶4),振荡0.5 h,过滤后放入离心管后测定。MBC (MBN) 计算公式[26]为:

      式中:C(N)熏蒸、C(N)未熏蒸分别表示氯仿熏蒸和未熏蒸土壤提取液中的全碳 (全氮) 浓度 (μg/g);KE为转换系数,取值为0.45。计算结果为每单位干土所含微生物量碳 (微生物量氮) 的量 (μg/g)。

      产量:玉米或小麦成熟后,每个小区随机划9 m2(3 m × 3 m) 的样方,将样方内的玉米或小麦全部收获测产。脱粒后,经105℃杀青30 min后,于80℃下烘干至恒重,计算产量,单位为kg/hm2

    • 利用Microsoft Office Excel 2003对数据进行初步整理,用Origin 8.5进行图形绘制,不同处理间土壤微生物量的差异性利用SPSS 19.0单因素方差分析和LSD法进行分析,利用Pearson相关系数检验分析土壤微生物量和土壤温度、土壤pH、土壤含水量、硝态氮和铵态氮之间的相关性,所有结果数据均以平均值 ± 标准差的形式表达。

    • 图1为2016—2017年夏玉米−冬小麦土壤MBC的动态变化。整个玉米生育期,0—20 cm土层MBC含量总体高于20—40 cm土层,两层土壤生物炭处理MBC变化范围在64.1~570.0 μg/g,有机肥处理变化范围在90.6~451.3 μg/g之间 (图1)。施肥播种5天后,生物炭和有机肥处理在0—20 cm土层均显著增加了土壤MBC (P < 0.05),增加幅度分别在57.8%~235%和246%~314%。在20—40 cm土层中,除了C2显著降低外,其余处理也均增加了土壤MBC含量,C3、M1、M2处理与CK之间均表现出显著性差异。播种后及整个7月份,各处理0—40 cm土层MBC变化均不稳定,但总体呈下降趋势。8月份各处理变化较为稳定,不同处理不同土层较CK而言,施加生物炭和有机肥均显著增加了土壤MBC含量 (P < 0.05)。9月份至玉米收获,0—20 cm土层中生物炭和有机肥处理的MBC依然高于CK处理,但在20—40 cm土层出现一定的波动。对于小麦季来说,土壤MBC的变化波动要弱于玉米季。小麦季0—20 cm土层中,生物炭和有机肥处理均不同程度地增加了土壤MBC含量,但仅M1和M2处理表现出显著差异 (P < 0.05)。在20—40 cm土层中,生物炭和有机肥均显著增加了土壤MBC含量,生物炭和有机肥对20—40 cm土层的MBC含量影响更为明显。从不同处理平均MBC含量来看 (图2),0—20 cm土层MBC平均含量要高于20—40 cm土层。0—20 cm土层中,不同处理平均MBC含量大小为:M2 > M1 > C3 > C2 > C1 > CK。与CK相比,C1、C2、C3、M1、M2处理中MBC含量分别增加了18.7%、20.2%、40.9%、40.9%、50.4%,其中C3、M1、M2处理与CK之间存在显著性差异 (P < 0.05)。在20—40 cm土层中,平均MBC含量与0—20 cm相比表现并不完全一致,其大小顺序为M1 > M2 > C1 > C3 > C2 > CK。各处理MBC含量均显著高于CK处理,C1、C2、C3、M1、M2处理分别显著增加了91.9%、47.7%、60.0%、118.4%、98.4%,且M1处理显著高于C2、C3处理 (P < 0.05)。

      图  1  土壤微生物量碳的动态变化

      Figure 1.  Dynamics of soil microbial biomass carbon(MBC)

      图  2  施加生物炭和有机肥对土壤微生物量碳的影响

      Figure 2.  Effects of biochar and organic manure on soil MBC

    • 图3所示,在整个玉米生育期土壤MBN含量变化总体较为一致,整体呈下降趋势波动,试验期间生物炭处理均在5.3~92.5 μg/g范围内变化,有机肥处理为4.2~163.9 μg/g。施肥播种5天后,生物炭和有机肥处理均显著增加了0—20 cm土层的MBN含量 (P < 0.05),而对20—40 cm土层MBN影响并不一致:仅有C3和M2处理显著增加了土壤MBN含量 (P < 0.05)。两层土壤中M2处理MBN含量最高,分别达到163.9、142.1 μg/g。7月28日追肥后,各处理0—20 cm土层MBN均出现下降趋势,但追肥对土壤MBN含量并无显著影响。在8月期间,与CK相比,不同处理同样增加了土壤MBN含量。从9月到玉米收获,各处理MBN含量变化逐渐趋于稳定。小麦季的M1和M2处理土壤MBN波动较大。在0—20 cm土层中,C1和C3处理土壤MBN含量有降低趋势,C2、M1和M2处理土壤MBN含量有增加趋势,但是均不具有显著性差异。对于20—40 cm土层MBN含量,仅M1和M2处理显著增加了土壤MBN含量 (P < 0.05)。总体来看 (图4),施用生物炭和有机肥对0—20 cm土层MBN含量的影响小于对20—40 cm土壤MBN含量的影响。0—20 cm土层中,施用生物炭和有机肥与对照相比均具有增加土壤MBN含量的趋势,并且随着生物炭和有机肥施加量的增加而增加,C1、C2、C3处理分别增加了0.19%、9.9%、18.1%。有机肥处理M1和M2均表现出显著性差异 (P < 0.05),M1处理增加56.4%,M2处理增加了78.1%。20—40 cm土层中,与0—20 cm土层类似,生物炭处理和有机肥处理均有增加土壤MBN的趋势。有机肥处理对土壤MBN的影响大于生物炭处理,M1和M2处理均显著增加了土壤MBN含量,增幅分别为136.9%和162.3%。整个夏玉米−冬小麦生育期中,生物炭和有机肥均可增加土壤MBN含量,并且生物炭对土壤MBN含量的影响小于有机肥。

      图  3  土壤微生物量氮的动态变化

      Figure 3.  Dynamics of soil microbial biomass nitrogen(MBN)

      图  4  施加生物炭和有机肥对土壤微生物量氮的影响

      Figure 4.  Effects of biochar and organic manure on soil MBN

    • 图5表明,整体来看,玉米季土壤MBC/MBN (两层土壤) 呈逐渐增加的趋势,但是小麦季MBC/MBN波动较大。玉米季,在0—20 cm土壤中,CK、C1、C2、C3、M1、M2变化范围分别为3.3~8.1、3.3~8.7、3.9~12.5、3.3~18.2、3.2~8.5、2.6~16.0;对于20—40 cm土壤的MBC/MBN,CK、C1、C2、C3、M1、M2处理中的变化范围为2.9~8.7、3.6~11.9、3.7~16.8、4.1~11.3、3.4~11.2、3.0~25.8。玉米季前期 (8月30日前),0—20 cm土层变化范围为2.6~6.5 (除8月16日M2处理为10.4);在20—40 cm土层中,MBC/MBN均在2.9~10.8之间,其中6月30日M1处理为7.2,7月16日M2处理中为10.8,8月16日M1和M2处理中分别为10.1和9.7。但是,玉米季前期各处理之间并不存在显著性差异。玉米季后期各处理0—40 cm土层MBC/MBN均在5.7~18.2之间和5.8~25.8之间。在小麦季,CK变化范围为4.3~10.4 (0—20 cm土层) 和3.9~14.6 (20—40 cm土层)。生物炭处理 (C1、C2、C3) 两层土壤MBC/MBN在3.7~32.8和3.6~24.2之间,大部分时期生物炭处理大于6。对于有机肥处理,两层土壤的MBC/MBN变化趋势均呈锯齿状,在0—20 cm土层中,M1、M2处理变化范围分别为2.6~16.5、2.6~11.1;20—40 cm土层中,M1、M2处理变化范围分别为0.8~14.8、2.5~23.9。施加生物炭和有机肥使土壤MBC/MBN波动更为明显,但是和对照相比并没有发生显著性变化。

      图  5  土壤MBC/MBN的动态变化

      Figure 5.  Dynamica of soil MBC/MBN

    • 整个夏玉米−冬小麦生育期的土壤pH值均呈现不规则的锯齿状 (图6),在0—20 cm土层中,变化范围在7.1~8.3之间,20—40 cm土层中则在7.5~8.5之间。通过均值比较发现,在玉米季中,生物炭和有机肥处理与对照相比均降低了土壤pH值 (P < 0.05),两层土壤中有机肥处理均表现出显著性差异,而生物炭处理中仅在20—40 cm土层中C1和C2处理表现出显著差异性。小麦季,0—20 cm土层与对照相比,除了C1处理,其余处理均显著降低了土壤pH,在20—40 cm土层中,各处理同样显著降低了土壤pH (P < 0.05)。

      图  6  施加生物炭和有机肥对土壤pH影响及相应时期温度变化

      Figure 6.  Effects of biochar and organic manure on soil pH and soil temperature

      土壤温度主要受季节变化的影响。试验结果表明,随着时间的推移,土壤温度先升高后降低,次年土壤温度逐渐升高 (图6),2016年7月30日达到最大值,同年12月降至最低值,春夏季中,10 cm土壤温度要低于5 cm土壤温度,而冬季则相反。

      图7表明,玉米季不同处理不同土层土壤含水量总体呈先增后减的趋势。两层土壤平均含水量变化范围分别在15.6%~24.6%和15.3%~25.1% (图8)。小麦季含水量总体呈现降低的趋势,20—40 cm土层 (7.5%~17.2%) 含水量波动小于0—20 cm土层 (6.7%~20.1%),小麦季含水量均低于玉米季含水量。总体来说,生物炭和有机肥对土壤含水量的影响并不一致,并且均没有产生显著性差异(图8)。

      图  7  土壤含水量的动态变化

      Figure 7.  Dynamics of soil water content

      图  8  施加生物炭和有机肥对土壤0—20 cm和20—40 cm含水量的影响

      Figure 8.  Water content in 0−20 cm and 20−40 cm soil layers affected by biochar and manure addition

      图9显示,玉米季,生物炭和有机肥处理中NH4+-N整体呈下降趋势,而在小麦季则是表现出先增后减的趋势 (图9A)。玉米季追肥后,各处理NH4+-N含量均表现出增加的趋势,但均不具有显著性差异。小麦季0—20 cm土层中,播种后至越冬期 (12月11日),对照中NH4+-N含量均高于其它处理。小麦季进入返青期后,各处理NH4+-N含量均明显升高,在0—20 cm土层中,生物炭和有机肥处理均显著增加了土壤NH4+-N含量;在20—40 cm土层中,除C3处理外,其余处理均显著增加了土壤NH4+-N含量 (P < 0.05)。在随后的时期,M1、M2处理中NH4+-N含量仍处于较高的水平。对于各处理年平均NH4+-N含量而言 (图9B),仅有机肥处理显著增加了土壤NH4+-N含量。

      图  9  施加生物炭和有机肥对土壤铵态氮和硝态氮含量的影响

      Figure 9.  Effects of biochar and organic manure on soil NH4+-N and NO3-N contents

      玉米季各处理NO3-N含量总体呈先减后增的趋势 (图9C),追肥后0—40 cm土层的NO3-N含量并没有发生明显的变化,玉米季后期,M2处理NO3-N含量一直处于较高水平。小麦季土壤NO3-N含量波动较大,在小麦返青期至成熟期之间最为明显,有机肥处理明显高于对照和生物炭处理 (图9C)。对于年平均含量来说 (图9D),施加生物炭和有机肥均显著增加了土壤NO3-N含量 (P < 0.05),C1、C2、C3、M1、M2处理分别增加了39.5%、37.9%、53.2%、193%、363%。

    • 施加生物炭和有机肥对玉米 (除M1) 和小麦 (除C2) 产量有增加的趋势 (图10)。在玉米季,C1、C2、C3、M2处理与CK相比,玉米产量有增加的趋势,但没有显著性差异,而M1处理玉米产量降低,降低效果显著。

      图  10  施加生物炭和有机肥对作物产量的影响

      Figure 10.  Effects of biochar and organic fertilizer on crop yields

      对小麦产量而言,仅C2处理出现产量降低的趋势,C1、C3、M1、M2处理的产量均有增加的趋势,但各处理间并无显著性差异。

    • 表2表明,土壤pH与土壤MBC和MBN均呈极显著负相关关系,而土壤温度仅与土壤MBC表现出极显著负相关关系,与土壤MBN并没有表现出显著相关性。虽然土壤含水量与土壤MBC和MBN均呈负相关关系,但是并没有表现出显著性。土壤NH4+-N含量与土壤MBC呈极显著正相关关系,与土壤MBN呈显著正相关关系。而土壤NO3-N含量与土壤MBC和MBN均表现出极显著正相关关系。土壤MBC/MBN则与土壤温度和含水量均呈极显著负相关关系。

      微生物量Microbial biomass pH 土温Temperature 土壤含水量Misture NH4+-N NO3-N
      MBC −0.524** −0.319** −0.096 0.274** 0.287**
      MBN −0.423** 0.01 −0.029 0.151* 0.301**
      MBC/MBN −0.036 −0.230** −0.196** 0.114 0.032
      注(Note):**—P < 0.01;*—P < 0.05.

      表 2  土壤微生物量碳氮与土壤pH、土壤温度和土壤含水量相关性分析

      Table 2.  Correlation analyses between soil microbial biomass and soil pH, temperature, and moisture

    • 土壤MBC和MBN虽然受季节变化影响较大,但施肥仍然是影响土壤MBC和MBN变化的主要因素。通过对碱土中施用生物炭和有机肥,整个夏玉米−冬小麦期间土壤微生物量变化较为明显。施肥播种后即2016年6月30日土壤MBC和MBN变化显著,特别是在0—20 cm土层,施加生物炭和有机肥处理均显著增加了土壤MBC和MBN含量。这可能是因为生物炭和有机肥的施加增加了土壤中碳含量,为土壤微生物提供大量的碳源[27],其有利于土壤微生物的生长和繁殖;播种后,玉米还未出苗,几乎不会与土壤微生物竞争土壤中的营养物质[28],而且在有机质含量较高和C/N比较大的土壤中,微生物可能会同化更多的无机氮[29],导致土壤微生物量显著增加。玉米季追肥后,各处理间土壤MBC和MBN含量并没有较大波动,可能是因为追肥后增加了土壤矿质氮的含量,为土壤微生物提供大量氮源,降低了土壤中的碳氮比,使土壤中碳含量成为这个时期微生物量增加的限制因素[30];同时也可能是因为大量的矿质氮被土壤中硝化和反硝化作用利用,刺激土壤N2O的大量排放[31],试验发现追肥后土壤NH4+-N和NO3-N含量变化并不显著。

      施用生物炭和有机肥均不同程度地增加了不同土层土壤MBC和MBN含量,这与Zhang等[18]在华北平原砂质壤土中连续施加4年生物炭,增加土壤微生物量碳氮的结果一致,同时也与李娟等[32]通过对褐潮土长期定位试验发现有机肥无机肥配施与CK相比土壤MBC和MBN均有明显提高的结果类似。由于滨海盐地盐分较高,不利于土壤微生物的生长繁殖[33],而生物炭的多孔性、巨大的比表面积可为土壤微生物提供充足的生长繁殖空间。同时生物炭的输入为土壤微生物提供了大量的碳源,而且生物炭的添加促进了氮素矿化,由于生物炭的吸附作用[21, 25],大量矿质氮会在土壤中累积,这不仅为植物生长提供肥力,同时为微生物自身生长繁殖提供氮源,这可能也是生物炭能够增加土壤微生物量的一个重要原因,本试验中施加生物炭显著增加了土壤NO3-N含量。有机肥的施入,不仅可以为土壤微生物提供大量的有机碳源和氮源,加快土壤微生物的分解速度,而且有机肥能够促进脱盐,抑制返盐[34],为土壤微生物创造良好的生存空间,从而增加土壤微生物量。除了肥料自身的特性外,土壤环境也是影响土壤MBC、MBN含量的关键因素。本试验发现土壤MBC和MBN与土壤pH呈极显著负相关关系,并且试验发现施用生物炭和有机肥均显著降低了土壤pH。

      施加生物炭能够降低土壤pH的结果与很多现有研究中向土壤施加生物炭可提高土壤pH的研究结果并不一致,如张星等[25]通过华北平原长期定位试验发现,连续多年施用生物炭能够显著提高土壤pH值。导致出现这种结果的可能原因:一,本试验地为盐碱地,土壤中存在大量的钙、镁阳离子,这些金属阳离子可能会与生物炭表面羧基官能团中的H+发生置换[35];二,施加生物炭可能会通过吸附作用或对土壤中反硝化作用产生抑制作用使土壤中大量NO3-N累积,从而导致土壤pH降低[36]

      试验还发现土壤温度与土壤MBC呈现极显著负相关关系,但与土壤MBN并没有表现出显著相关性。玉米季处于夏季,平均土壤温度在20℃以上,温度变化范围相比小麦季较小,而整个小麦季大部分生育期处于较低的温度环境中,低温抑制了土壤微生物的活性和土壤有机质的分解速率[14],小麦季后期温度升高,小麦生长与土壤微生物对土壤营养物质需求形成竞争关系,使土壤MBC含量降低。这可能是导致土壤MBC与土壤温度表现出极显著负相关关系的主要原因。同时试验发现土壤MBC和MBN均与土壤含水量表现出负相关关系,但是并未表现出显著相关性。

      有研究发现,细菌的碳氮比在3~5之间,放线菌为5~7之间,真菌碳氮比在7~12之间[37-38]。玉米季前期 (8月30日前) 以细菌为主,后期则以真菌为主,这可能是因为玉米季生长后期,大量凋落物进入土壤,导致大量真菌生长繁殖[39],也可能是后期土壤氮素供应不足,土壤MBN降低,导致MBC/MBN增大[40]。但是小麦季MBC/MBN季节性波动较大,这与黄剑[41]的研究结果一致。这可能和小麦季中温度和土壤含水量这两大关键因素有关。通过相关性分析发现,土壤MBC/MBN与土壤温度和含水量均呈极显著负相关关系。整个小麦季土壤温度波动较大,同时试验期间小麦长期处于较为干旱状态,这可能是导致小麦季MBC/MBN产生波动的关键原因。另一方面,通过相关性分析发现,土壤MBN与土壤矿质氮呈极显著正相关关系,而小麦季土壤矿质氮则表现出较大波动,这可能是导致小麦季MBC/MBN波动的直接原因。

    • 1) 在华北平原盐地整个夏玉米−冬小麦生育期内,施加生物炭能够增加土壤MBC和MBN含量,其中生物炭C3 [20 t/(hm2·a)] 处理表现最优,土壤平均MBC和MBN分别增加了40.9%~60.0%和18.1%~61.5%。

      2) 有机肥处理对土壤MBC和MBN的影响要优于生物炭处理。M1和M2处理均显著增加了土壤MBC和MBN含量,增幅分别为40.9%~118.4%和56.4%~162.3%,两个处理之间并无显著性差异。

      3) 玉米季前期以细菌为主,后期则以真菌为主,而小麦季MBC/MBN波动较大。

      4) 土壤pH和土壤矿质氮含量是影响土壤MBC和MBN的关键因素。

参考文献 (41)

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