Mitigative effect of biochar on saline-alkali stress in sugar beet under reduced nitrogen condition
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摘要:目的
通过模拟盐碱胁迫环境，在施用生物炭、减施氮肥的条件下，研究甜菜根际土壤微生物数量、甜菜氮代谢相关酶活性、块根产量和含糖率的变化，明确生物炭对盐碱胁迫的缓解作用，以及盐碱胁迫下施加生物炭后是否可减少氮肥的施用， 为今后盐碱地改良以及甜菜合理施肥提供理论依据和技术支撑。
方法试验于2018年在黑龙江哈尔滨东北农业大学试验站进行。以甜菜品种KWS0143为试验材料，在土壤中添加盐碱处理以中性盐 (Na2SO4、NaCl) 和碱性盐 (Na2CO3、NaHCO3) 模拟盐碱胁迫土壤 (Na+含量为3 g/kg)。采用桶栽试验，每桶装土10 kg，共设6个处理，以在盐碱胁迫土壤施N 180 kg/hm2为对照 (CK)，其余5个处理土壤中均加入生物炭30 g/kg, 施氮量依次为N180、162、144、126和108 kg/hm2。子叶完全展开后测定甜菜出苗率，3对真叶后每隔20天左右测定土壤微生物数量及叶片硝酸还原酶 (NR)、谷氨酰胺合成酶 (GS)、谷氨酸合成酶 (GOGAT) 活性，收获后测定块根产量和含糖率并计算产糖量。
结果盐碱胁迫下，施加生物炭显著提高了土壤真菌和细菌数量；BC+N180处理显著提升放线菌数量，在施BC基础上随着施氮量的降低，各时期土壤放线菌含量呈降低趋势。施加生物炭能够显著提高盐碱胁迫下甜菜出苗率，施氮量对出苗率的影响不大；施加生物炭后氮代谢相关酶活性显著提高，其中BC+N162和BC+N144各时期NR活性均高于CK，BC+N144除播种后第117天、第138天外，叶片GS活性均显著高于CK，BC+N144叶片GOGAT活性始终显著高于CK，BC+N126除播种后第53天和第138天外，GOGAT活性显著高于CK；施加生物炭后除BC+N108处理外, 各施加生物炭处理甜菜的块根产量、含糖率、产糖量均显著高于对照，减施氮肥10%～20%的甜菜产量与BC+N180相当，BC+N162的产糖量与BC+N180差异不显著，但显著高于其他处理；而BC+N126和BC+N108的产量与产糖量均显著低于BC+N180。
结论施加生物炭可有效缓解盐碱胁迫对土壤微生物数量及甜菜氮代谢相关酶活性的影响，提高甜菜产量、含糖率、产糖量。在本试验条件下，施加土壤风干质量3%的生物炭，可节约氮肥施用量的10%～20%，提高甜菜的产糖量。
Abstract:ObjectivesThe paper studied the effects of biochar on soil microbial population, the activities of enzymes related to nitrogen metabolism, yield and sugar content of sugar beet under saline-alkali stress, in order to clarify the mitigation effect of biochar on saline-alkali stress and the possibility of reducing nitrogen fertilizer input.
MethodsA pot experiment was conducted at the Experimental Station of Northeast Agricultural University in Harbin, Heilongjiang Province in 2018. The sugar beet cultivar of KWS0143 was used as the test material, and neutral and alkaline salts were added to make a saline-alkali stress soil for the experiment. There were total of six treatments, among them, saline-alkali soil applied with N 180 kg/hm2 was used as control (CK), and in the other five treatments, biochar were added in rate of 30 g/kg soil, and N were applied in rates of 180, 162, 144, 126 and 108 kg/hm2 in turn. The seedling emergence rate of sugar beet was measured when cotyledon was fully expanded. The population of soil bacteria and fungi were measured every 20 days since the six-leaf stage of sugar beet, and the activities of nitrate reductase (NR), glutamine synthetase (GS) and glutamate synthetase (GOGAT) in leaves were analyzed at the same time. Sugar content was analyzed after harvest.
ResultsThe population of soil fungi and bacteria were significantly increased by the application of biochar under saline-alkali stress. BC+N180 treatment significantly increased the amount of actinomycetes, BC+N126 treatment increased the amount of bacteria, but BC+N162 treatment was more suitable for the survival of fungi in the soil. After the application of biochar, the activities of enzymes were significantly improved, and the activities of NR in BC+N162 and BC+N144 treatments were higher than that in CK. Except the 117th and 138th day after sowing, the activity of GS in BC+N144 treatment was significantly higher than that in control, and the activity of GOGAT in BC+N144 treatment was always significantly higher than that in CK. Except the 53th and 138th day after sowing, the activity of GOGAT in BC+N126 treatment was significantly higher than that in CK. Applying biochar increased the sugar beet root yield and sugar content significantly, except that in BC+N108 treatment. At the base of applying biochar, BC+N162 treatment obtained similar root and sugar yield as BC+N180 treatment, and significantly higher root and sugar yield than BC+N144 and BC+N108 treatments.
ConclusionsThe application of biochar is effective to alleviate the saline-alkali stress on the population of soil microorganisms and increase the activities of enzymes related to the metabolism of beet nitrogen, and improve the yield and sugar content consequently. Under the condition of the experiment, the application of 3% biochar in soil can save 10%–20% of nitrogen fertilizer input.
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甜菜是我国主要糖料作物之一，原产于地中海沿岸，在系统发育过程中积累了较强的耐盐性，甜菜还是嫌酸性作物，适宜甜菜生长的pH范围为6.5～8.0，耐碱性在栽培作物中名列前茅[1]。我国的甜菜主要分布于西北、东北和华北等地区[2]，我国有约3460万hm2盐碱荒地，其中760万hm2为盐碱化耕地，约占耕地总面积的6%[3]。这些盐碱地主要集中在我国东北平原、西北干旱和半干旱地区、黄淮海平原及东部沿海地区。因此，甜菜作为我国盐碱地有种植潜力的农作物之一，对东北地区苏打盐碱土的修复和开发利用具有重要意义。
生物炭是指由生物质在低氧或缺氧条件下高温裂解得到的富含碳具有多孔性、碱性，且吸附能力强等的一种有机物质[4]。生物炭本身还含有丰富的营养元素，能改善土壤肥力提高作物产量[5]。生物炭在农业上的应用主要为在土壤中直接添加生物炭颗粒，以改良土壤营养状况，改善作物的生长环境；生物炭还能够增强作物抗逆性，提高作物根际土壤养分有效性[6]。农田施加生物炭，可有效改善土壤理化性质，提高土壤生产性能，如提高土壤温度[7]，增强土壤的保肥供肥能力，还可以通过为土壤微生物提供附着位点，影响和调控微生物的生长发育，提高土壤微生物数量，进而改善土壤肥力及缓解盐碱胁迫[8]；施加生物炭还能提高叶片氮代谢相关酶活性，如硝酸还原酶 (NR) 和谷氨酰胺合成酶 (GS) 活性[9]。
氮肥是世界化肥业生产和使用量最大的肥料品种，过量施用氮肥可能会造成环境污染和能源浪费，解决氮素面源污染问题的最有效方法就是将氮肥施用量降低至合理范围[10]。过量施用氮肥还会导致甜菜含糖率下降[11]。山东南四湖稻区在原有施氮水平降低30%后，水稻营养生长和生殖生长更加协调，且对水稻产量无不利影响[12]，研究表明适当减施化肥并配施生物肥既能保证花椰菜产量，还能够显著改善花椰菜品质[13]。目前对生物碳的研究主要集中在生物炭的肥料作用对作物生长的影响，作为改良剂改善农田土壤环境，利用生物炭的吸附作用治理农业污染等方面[14]，但在盐碱胁迫条件下探究生物炭和减施氮肥对土壤微生物和作物生长的影响鲜有报道。
因此本试验在前人研究的基础上，围绕盐碱胁迫下生物炭配施氮肥对土壤微生物数量、甜菜氮代谢相关酶活性、产量及含糖率的影响展开研究，在施加生物炭后按照10%的梯度减施氮肥，考虑到甜菜的耐盐碱性，将甜菜正常土壤下氮肥施用量150 kg/hm2增加20%作为盐碱胁迫下正常施氮处理，即180 kg/hm2[15]。以期筛选出在盐碱胁迫下施加生物炭条件下的合理施氮范围，并进一步为盐碱地甜菜优质、高产、高效栽培提供理论依据，也为盐碱地科学改良、绿色施肥提供技术支持。
1. 材料与方法
1.1 试验材料
供试甜菜品种为KWS0143，由德国KWS公司生产。生物炭由东北农业大学资源与环境学院提供。
1.2 试验设计
试验于哈尔滨 (126°63′E、130°10′N) 东北农业大学试验站进行。供试基础土壤 (0—20cm) 为本地自然黑钙土，基础土壤肥力为：碱解氮176.3 mg/kg、速效磷83.3 mg/kg、速效钾153.2 mg/kg、有机质35.7 g/kg、水溶性钠 28.85 mg/kg、可溶性盐总量0.08%、pH 7.65、水土比5∶1浸提液电导率 (EC5∶1) 为122 μS/cm。生物炭为玉米秸秆在500℃的高温低氧条件下制成，其理化性质如下：pH 9.29、含碳量 (碳元素) 67.08%、阳离子交换量18.40 cmol/kg、比表面积78.89 m2/g。处理后土壤碱化度 (ESP) 32.6%、土壤盐分0.39 g/kg、pH 9.15、EC5∶1为 781 μS/cm。
采用桶栽试验，模拟东北地区盐碱土主要成分，桶的直径为 30.0 cm、高为26.5 cm，每桶准确称量土壤10 kg。盐碱处理以碱性盐和中性盐按质量比 2∶1加入土壤，使Na+含量为3 g/kg，其中碱性盐中Na2CO3和NaHCO3物质的量比为1∶2；中性盐中NaCl和Na2SO4物质的量比为1∶2。共设置6个处理：不施生物炭施氮180 kg/hm2对照 (CK)；在施生物炭基础上，分别施N 180、162、144、126和108 kg/hm2，减少氮肥用量的梯度为10%、20%、30%和40%，分别用 BC+N180、BC+N162、BC+N144、BC+N126、BC+N108表示。除对照外，生物炭的施用量为土壤风干重量的3%，每桶300 g，将盐碱、化肥和生物炭分别称量好，与土壤混匀后装入桶中[16-17]。所有处理均施 P2O5 90 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，供试肥料分别为尿素、磷酸二铵和硫酸钾，一周后播种，每个处理重复40次。
4月30日播种，每桶播5穴，每穴播10粒种子。播种前每桶浇水2 L(浇透)。搭建防雨棚，叶丛快速生长期每 2天浇一次水，每次每桶500 mL，其他时期每周浇水一次，每次每桶浇1 L。甜菜第二对真叶完全展开后于5月25日间苗，每桶定苗1株；第三对真叶展开后，每隔20天左右在晴好天气 (播种后第53、72、97、117、138天) 每个处理各随机采集3株长势一致的甜菜植株，测定相应指标。整个生育期内共取样5次，9月29日收获测产，并测定糖含量。
1.3 测定指标及方法
1.3.1 土壤基础肥力的测定
土壤基础肥力测定参照鲍士旦的方法[18]，在装有未经处理土壤的桶内，采用环刀法取土样。土壤pH和土壤电导率的测定：将风干的土样按水土比5∶1混合，分别用校准过的pH计 (Cyber Scan1500，上海) 和电导率仪 (METTLER TOLED FE30-Five Easy PlusTM，上海) 测定；碱解氮的测定采用碱解扩散法，用1.0 mol/L的NaOH水解土壤后用标准酸滴定；速效磷的测定使用0.5 mol/L NaHCO3提取法；速效钾的测定采用NH4OAc浸提—火焰光度法；有机质的测定采用重铬酸钾容重法—外加热法；可溶性钠的测定采用火焰光度法；可溶性盐的测定采用水土比5∶1浸提法。
1.3.2 根际土壤微生物的测定
根际土的采集：播种后第53、72、97、117、138天分别采集甜菜样品的同时取土样，将桶内15 cm左右深度的细根和土壤挖掘出来，轻轻抖动使根系上附着的松散土掉落，然后用毛刷取下细根表面土壤即为根际土样品。将采集到的土样装入封口袋，放入冰盒中保存并迅速带回实验室进行处理。
土壤微生物数量测定参照林先贵[19]的方法，每处理取新鲜土壤各3份，制作土壤悬液，采用稀释涂布平板法将土壤悬液稀释至所需倍数，取0.05 mL于培养基上涂匀，倒置于恒温培养箱中培养。
放线菌使用改良高氏1号培养基，选择10–3和10–4两个稀释倍数，培养5 天，培养结束后选择含20～200菌落的培养基计数；细菌使用牛肉膏蛋白胨培养基，选择10–5和10–6两个稀释倍数，培养2天，培养结束后选择含20～200菌落的培养基计数；真菌使用马丁氏培养基，选择10–1和10–2两个稀释倍数，培养3 天，培养结束后选择含10～100菌落的培养基计数。
1.3.3 出苗率的测定
待甜菜子叶完全展开时统计幼苗出苗情况，计算出苗率。
出苗率 (%) = 出苗数 (株) /播种的种子数 (粒) × 100
1.3.4 氮代谢相关酶活性测定
选择各生育时期内的晴天 (播种后第53、72、97、117、138天)，在上午8:00—10:00点选取3株长势良好、无病虫害的植株放入冰盒带回实验室，选取长势良好的叶片进行酶活性测定。硝酸还原酶 (NR) 活性测定参照于海彬等[20]的方法，测定内源NR活力，酶活力单位用 NO2– μg/(g·h), FW表示。
谷氨酰胺合成酶 (GS) 和谷氨酸合成酶 (GOGAT) 活性的测定，酶提取液按照Zhang等[21]的方法并改进。取1 g叶片于研钵中，加 5 mL 50 mmol/L pH 8.0的咪唑–HCl提取缓冲液，液氮速冻研磨，4℃下6000 r/min离心20 min，取上清液备用。GS活性测定按照Lea等[22]的方法，用γ-谷胺酰基羟亏酸作标准曲线，根据标准曲线查得酶活性。GOGAT活性的测定参照Singh等[23]的方法，反应由L-谷氨酰胺启动，340 nm下每分钟使吸光值下降0.001作为一个酶活性单位。
1.3.5 产量、含糖率和产糖量的测定
收获后，每处理取长势均匀的5株甜菜测定块根质量，计算平均值即为块根产量 (g/株)，用便携式折光仪 (WYT，泉州) 测定上述5株甜菜块根含糖率，取平均数，并计算产糖量 (g/株)。
产糖量 (g/株) = 含糖率 (%) × 产量 (g/株)
1.4 数据处理与分析
采用Excel 2010数据分析软件进行数据整理，表中数据以平均值表示，采用SPSS 22.0软件的Duncan新复极差法在5%水平比较不同处理间差异显著性。
2. 结果与分析
2.1 盐碱胁迫下施用生物炭和减施氮肥对土壤微生物数量的影响
2.1.1 对土壤细菌数量的影响
由表1可知，在播种后第53、72、97和117天除BC+N108处理外，各生物炭和氮素配施处理土壤细菌数量均显著高于CK处理，BC+N180处理土壤细菌数量各时期比N180 (CK) 处理分别增加了39.4% (53天)、20.5% (72天)、34.7% (97天)、17.6% (117天) 和25.6% (138天)。随氮肥施用量的降低，土壤中细菌数量整体呈下降趋势。与CK处理相比，盐碱处理下施加生物炭，氮肥施用量降低30%时土壤中细菌数量仍为增加状态。
表 1 不同氮素水平下施用生物炭对根际土壤细菌数量的影响 (× 106 CFU/g)Table 1. Effects of biochar application at different nitrogen levels on bacterial population in rhizosphere soil处理Treatment 播种后天数 Days after sowing (d) 53 72 97 117 138 N180(CK) 19.33 c 20.34 d 13.93 c 15.35 c 7.16 b BC+N180 31.88 a 25.59 a 21.35 a 18.62 b 9.63 a BC+N162 31.37 a 25.20 a 22.04 a 19.44 ab 10.12 a BC+N144 28.80 b 23.01 b 17.51 b 20.25 a 7.56 b BC+N126 28.00 b 21.62 c 16.94 b 18.67 b 7.39 b BC+N108 17.54 d 16.14 e 12.56 c 16.38 c 6.37 b 注（Note）：同列数据后不同字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in the same column mean significant difference among treatments at the 0.05 level. 2.1.2 对土壤真菌数量的影响
由表2可知，随着生育进程的推进，各处理土壤真菌数量播种后第72天和第117天出现最高和次高。除BC+N108、BC+N126处理外，各生物炭和氮素配施处理土壤真菌数量分别在不同取样时期比CK增加。BC+N180处理各时期土壤真菌数量分别比CK处理高31.9% (53天)、18.3% (72天)、23.1% (97天)、10.6% (117天)、15.3% (138天)，且差异显著。BC+N162处理比BC+N180处理除播种后第72天降低外，其他生育期BC+N162处理比BC+N180处理分别高12.03% (53天)、5.05% (97天)、12.05% (117天)、6.95% (138天)，即施加生物炭后氮肥减施10%更有利于农田土壤真菌生存。
表 2 不同氮素水平下施用生物炭对根际土壤真菌数量的影响 (× 103 CFU/g)Table 2. Effects of biochar application at different nitrogen levels on fungi population in rhizosphere soil处理Treatment 播种后天数 Days after sowing (d) 53 72 97 117 138 N180(CK) 4.43 d 18.01 bc 11.84 b 14.29 cd 9.87 c BC+N180 6.50 ab 22.03 a 15.39 a 15.99 b 11.66 ab BC+N162 7.39 ab 22.00 a 16.21 a 18.18 a 12.53 a BC+N144 6.69 ab 21.13 a 13.09 b 15.73 bc 10.92 bc BC+N126 6.18 bc 18.76 bc 12.25 b 13.62 d 11.03 bc BC+N108 5.27 cd 16.81 c 7.59 c 10.25 e 6.98 d 注（Note）：同列数据后不同字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in the same column mean significant difference among treatments at the 0.05 level. 2.1.3 对土壤放线菌数量的影响
由表3可知，BC+N180处理土壤中的放线菌数量在各时期分别比N180 (CK) 处理高5.5% (53天)、23.8% (72天)、13.0% (97天)、11.8% (117天)、12.0% (138天)，且差异显著。减施氮肥10%后土壤放线菌数量在播种后第72天显著高于N180 (CK) 处理，其他时期差异不显著，随施氮量降低，各时期土壤放线菌含量呈降低趋势，减施氮肥20%后在播种后第53天、第117天和第138天土壤放线菌数量显著低于N180 (CK) 处理。
表 3 不同氮素水平下施用生物炭对根际土壤放线菌数量的影响 (× 105 CFU/g)Table 3. Effects of biochar application at different nitrogen levels on actinomycetes population in rhizosphere soil处理Treatment 播种后天数 Days after sowing (d) 53 72 97 117 138 N180(CK) 34.05 b 43.91 c 53.17 b 43.14 b 41.72 b BC+N180 35.93 a 54.38 a 60.06 a 48.21 a 46.72 a BC+N162 33.37 b 45.62 b 52.47 b 43.25 b 40.79 b BC+N144 27.17 c 43.39 c 52.76 b 37.95 c 37.70 c BC+N126 23.96 d 37.69 d 49.36 c 35.17 d 33.44 d BC+N108 20.04 e 27.28 e 47.64 d 34.02 d 30.37 e 注（Note）：同列数据后不同字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in the same column mean significant difference among treatments at the 0.05 level. 2.2 盐碱胁迫下施用生物炭和减施氮肥对甜菜出苗率的影响
图1表明，在施生物炭各处理间出苗率差异不显著，但比CK处理均显著增加了10%以上，即盐碱胁迫下施加生物炭后氮肥施用量为108 kg/hm2时仍能保证出苗率。
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图 1 不同氮素水平下施用生物炭对甜菜种子出苗率的影响[注（Note ）：柱上不同字母表示处理间在0.05差异水平显著 Different letters above the bars indicate significant difference between treatments at the 0.05 level.]Figure 1. Effects of biochar application at different nitrogen levels on the seedling emergence rate of sugar beet2.3 盐碱胁迫下施加生物炭减施氮肥对甜菜叶片氮代谢相关酶活性的影响
2.3.1 对甜菜叶片NR活性的影响
由表4可知，各处理甜菜叶片NR活性均在播种后第53天达到最大值，播种后第53天至播种后第97天处于快速下降阶段，播种后第97天至播种后第138天趋于稳定。施加生物炭后，BC+N180处理甜菜叶片NR活性在各时期均显著高于CK处理，减施氮肥10%和20%后各时期NR活性仍高于CK，且除播种后第117天和播种后第138天外差异均达显著水平。施加生物炭后氮肥施用量降至144 kg/hm2时仍能显著提高甜菜叶片NR活性。
表 4 不同氮素水平下施用生物炭对叶片NR活性的影响[NO2– μg/(g·h)，FW]Table 4. Effects of biochar application at different nitrogen levels on the NR activity in leaves处理Treatment 播种后天数 Days after sowing (d) 53 72 97 117 138 N180(CK) 2.46 c 2.33 c 2.16 c 2.03 bc 1.97 b BC+N180 2.65 a 2.50 a 2.26 a 2.07 a 2.05 a BC+N162 2.57 b 2.43 b 2.25 a 2.06 ab 2.05 a BC+N144 2.54 b 2.42 b 2.22 ab 2.04 bc 2.01 ab BC+N126 2.46 c 2.35 c 2.20 bc 2.02 c 1.98 b BC+N108 2.37 d 2.29 d 2.11 d 1.96 d 1.94 b 注（Note）：同列数据后不同字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in the same column mean significant difference among treatments at the 0.05 level. 2.3.2 对甜菜叶片GS活性的影响
由表5可知，各处理甜菜叶片GS活性随生育期的推进整体呈下降趋势，从播种后第53天至第117天为快速下降阶段，播种后第117天至第138天趋于稳定。随着施氮量的降低播种后不同天数GS活性均呈降低趋势，BC+N180处理各时期GS活性与CK相比分别提高了27.0% (53天)、29.1% (72天)、35.1% (97天)、33.8% 117天)、42.8% (138天)，BC+N162处理和BC+N144处理甜菜叶片GS活性除播种后第117天和第138天外均显著高于CK，即BC+144处理仍有增加叶片GS活性的作用。
表 5 不同氮素水平下施用生物炭对叶片GS活性影响[GHA μmol/(mg·min)]Table 5. Effects of biochar application at different nitrogen levels on the GS activity of leaves处理Treatment 播种后天数 Days after sowing (d) 53 72 97 117 138 N180(CK) 0.32 e 0.21 d 0.17 c 0.06 b 0.05 bc BC+N180 0.43 a 0.29 a 0.27 a 0.10 a 0.09 a BC+N162 0.41 b 0.28 b 0.26 a 0.07 ab 0.06 b BC+N144 0.39 c 0.26 c 0.23 b 0.06 b 0.05 bc BC+N126 0.34 d 0.21 d 0.18 c 0.06 b 0.04 cd BC+N108 0.31 e 0.17 e 0.16 c 0.02 c 0.02 d 注（Note）：同列数据后不同字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in the same column mean significant difference among treatments at the 0.05 level. 2.3.3 对甜菜叶片GOGAT活性的影响
由表6可知，各处理甜菜叶片GOGAT活性随生育期的推进，整体呈下降趋势，施加生物炭后BC+N180处理甜菜叶片GOGAT活性在各时期比N180 (CK) 处理分别提高了38.7% (53天)、27.1% (72天)、39.7% (97天)、40.8% (117天)、45.4% (138天)，BC+N162和BC+N144处理在各时期叶片GOGAT活性均显著高于N180 (CK) 处理。减施氮肥10%后GOGAT活性在播种后第72和117天显著高于BC+N180处理，减施氮肥20%后GOGAT活性在播种后第53和72天与BC+N180处理差异不显著，减施氮肥30%后GOGAT活性仍高于N180 (CK) 处理，且除播种后第53和138天外，差异均达显著水平，即施加生物炭后氮肥施用量在162～144 kg/hm2能够维持叶片GOGAT活性与BC+N180处理在相同水平，氮施用量为126 kg/hm2时仍能增加盐碱胁迫下甜菜叶片GOGAT活性。
表 6 不同氮素水平下施用生物炭对叶片GOGAT活性的影响 [Glu μmol/(mg·min)]Table 6. Effects of biochar application at different nitrogen levels on the GOGAT activity of leaves处理Treatment 播种后天数 Days after sowing (d) 53 72 97 117 138 N180(CK) 0.28 c 0.29 d 0.22 d 0.25 d 0.19 de BC+N180 0.45 ab 0.40 b 0.37 a 0.43 b 0.34 a BC+N162 0.52 a 0.42 a 0.33 b 0.46 a 0.31 b BC+N144 0.50 a 0.39 b 0.33 b 0.36 c 0.25 c BC+N126 0.33 bc 0.36 c 0.25 c 0.33 c 0.20 cd BC+N108 0.20 c 0.24 e 0.25 c 0.27 e 0.18 e 注（Note）：同列数据后不同字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in the same column mean significant difference among treatments at the 0.05 level. 2.4 盐碱胁迫下施用生物炭和减施氮肥对甜菜产量、含糖率和产糖量的影响
由表7可知，与N180 (CK) 处理相比，除BC+N108处理外各施加生物炭处理甜菜的产量、含糖率、产糖量均有显著增高。减施氮肥20%（BC+N144）后甜菜块根产量显著高出N180 (CK) 处理18.76%，与BC+N162处理差异不显著，减施氮肥30%后甜菜块根产量仍显著高于N180 (CK) 处理，但显著低于BC+N144处理；减施氮肥30%含糖率仍显著高于N180 (CK) 处理，含糖率最高的处理为BC+N162，比N180 (CK) 处理高0.96个百分点，比BC+N180处理高0.25个百分点；产糖量最高的处理为BC+N162，比N180 (CK) 处理高27.76%，比BC+N180处理高0.55%，与除BC+N180处理外的所有处理差异均达显著水平。施加生物炭后氮肥施用量降至144 kg/hm2时产糖量仍显著高于N180 (CK) 处理，且与BC+N180处理差异不显著。
表 7 不同氮素水平下施用生物炭对甜菜块根产量、含糖率和产糖量的影响Table 7. Effects of biochar application at different nitrogen levels on root yield, sugar content and sugar yield of sugar beet处理
Treatment块根产量 (g/plant)
Root yiled增产率 (%)
Broot yield increase含糖率 (%)
Sugar content产糖量 (g/plant)
Sugar yield产糖量增加率 (%)
Sugar yield increaseN180(CK) 185.00 c 13.20 c 24.42 d BC+N180 223.05 a 20.57 13.91 ab 31.03 ab 27.06 BC+N162 220.36 a 19.11 14.16 a 31.20 a 27.76 BC+N144 219.71 a 18.76 13.83 b 30.39 b 24.42 BC+N126 198.75 b 7.43 13.78 b 27.38 c 12.11 BC+N108 184.39 c –0.33 13.07 c 24.09 d –1.36 注（Note）：同列数据后不同字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Different letters in the same column mean significant difference among treatments at the 0.05 level. 3. 讨论
土壤微生物是农田土壤中比较活跃的组分之一，推动着土壤代谢的进程。土壤中的细菌、真菌和放线菌状况还可以作为盐碱土改良指标[24]。有研究认为在盐碱胁迫下蔬菜地土壤细菌、真菌数量下降，放线菌数量上升[25]，与本试验结果一致。在播种后第53天、第72天、第97天、第117天除BC+N180处理外各施加生物炭处理土壤细菌数量均显著高于N180 (CK) 处理，即施加生物炭能够显著提高土壤细菌数量。这可能与土壤pH有关，真菌在偏酸性土壤中较多，且生长随pH升高而降低，细菌和放线菌在偏碱性土壤中数量最多[26]。本试验施加生物炭后土壤环境可能更适合放线菌生长，与细菌生长形成竞争，导致细菌数量下降。施加生物炭后减施氮肥10%仍能保持土壤中真菌和细菌数量，减施氮肥30%后与N180 (CK) 相比土壤中真菌和细菌数量仍为增加趋势，这可能是因为施加生物炭为土壤微生物提供了更多的附着位点和有机质，细菌和真菌的代谢达到饱和状态，故减施氮肥对真菌和细菌数量影响不大。与BC+N180处理相比土壤放线菌数量在各减氮处理均显著降低，但与N180 (CK) 处理相比减施氮肥10%仍能保持土壤放线菌数量，这可能与土壤微生物群落的稳定性有关。
生物炭能增加土壤对NH4+等离子的吸附和保持，减少氮损失，从而为作物生长提供充足氮素营养，促进种子萌发[27]。而植物种子能否正常萌发是研究植物抗盐碱能力的前提。有研究认为可能受土壤电导率变化的影响，轻度盐碱化条件下施加生物炭对小麦种子出苗有抑制作用，只有在重度盐碱化的土壤中，低浓度的生物炭才能显著促进小麦出苗[8]，本试验中施加生物炭后各施氮处理出苗率比N180 (CK) 均增加了10%以上，减施氮肥各处理间出苗率差异不显著，这可能与甜菜自身的耐盐碱性有关，且施加生物炭能够将土壤温度提高到更有利于甜菜出苗水平，因此氮肥施用量为108 kg/hm2时生物炭仍能缓解盐碱胁迫对甜菜出苗的抑制。
NR是氮代谢的限速酶，其活性可以代表氮素同化效率，但易受逆境胁迫的影响[28]，在盐碱胁迫下苜蓿幼苗生长受到抑制，NR、GS和GOGAT活性均降低，进而影响硝态氮含量，降低氨同化[29]。施加生物炭能有效提高玉米氮代谢相关酶活性，延缓玉米衰老[30]，本试验中施加生物炭后，施氮 180 kg/hm2甜菜叶片NR活性在播种后不同天数均显著高于CK处理，减施氮肥10%和20%后，各时期NR活性仍高于N180 (CK)，除播种后第117和138天外差异均达显著水平，即生物炭能够缓解盐碱胁迫对甜菜叶片氮代谢相关酶活性的抑制作用，这可能是由于除了生物炭自身的养分供应外，施加生物炭还增强了土壤对肥料的吸收和缓释作用，提高了土壤的养分供应能力，土壤供氮充足。GOGAT活性在施生物炭后随氮肥施用量的减少先增加后降低，氮肥施用量减少20%处理下GOGAT活性仍显著高于不施生物炭只施N 180 kg/hm2的CK处理。另外，本试验还发现盐碱胁迫下施加生物炭后减施氮肥对GOGAT活性的影响程度大于对NR和GS的影响，但具体机制尚不清楚。
有研究认为，施加生物炭会降低残留除草剂对甜菜的危害，提高甜菜产量、含糖率、总产糖量，与不施加生物炭处理差异显著[31]。本研究表明，与CK相比除BC+N108处理外施加生物炭后甜菜块根产量、含糖率、产糖量均显著升高，这可能是因为生物炭施入土壤后易形成大团聚体，对NH4+有强吸附和保持作用，减少氮损失，提高土壤氮素营养，而植物所需氮素除种子能提供少部分外，绝大多数来源于土壤，因此对根系的扩展和养分吸收十分有利[32]。而且生物炭对土壤持水性的改善作用也是生物炭施入土壤后作物增产的主要原因[33]。还有研究认为，生物炭和氮肥交互作用对作物产量影响更显著[34]，张万杰等[35]发现生物炭和氮肥配施可以使菠菜增产。本试验施加生物炭后减施氮肥10% 甜菜块根产量和产糖量仍与BC+N180处理差异不显著，减施氮肥20%后甜菜块根含糖率与BC+N180处理差异不显著，这一方面可能是因为生物炭提高了盐碱胁迫下甜菜出苗率，直接提高了产量；另一方面可能是因为生物炭与氮肥配合施用提高了盐碱土养分供应能力，提高了甜菜叶片氮代谢相关酶活性，生长前期有足够的物质积累，从而延长了甜菜块根膨大期和糖分积累期持续时间，提高了产量和产糖量，但具体影响机理还需进一步研究。
本试验为桶栽试验，与田间自然环境有一定差异，因此关于本研究结果还有待进一步在田间条件下检验。
4. 结论
施加生物炭能够有效缓解盐碱胁迫对土壤微生物数量的影响，显著增加土壤中细菌、真菌、放线菌数量。施加生物炭还能够有效缓解盐碱胁迫对甜菜叶片氮代谢相关酶活性的抑制，提高产量、含糖率和产糖量。本试验条件下，施加土壤风干质量3%的生物炭后，可节约氮肥施用量10%～20%。
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图 1 不同氮素水平下施用生物炭对甜菜种子出苗率的影响
[注（Note ）：柱上不同字母表示处理间在0.05差异水平显著 Different letters above the bars indicate significant difference between treatments at the 0.05 level.]
Figure 1. Effects of biochar application at different nitrogen levels on the seedling emergence rate of sugar beet
表 1 不同氮素水平下施用生物炭对根际土壤细菌数量的影响 (× 106 CFU/g)
Table 1 Effects of biochar application at different nitrogen levels on bacterial population in rhizosphere soil
处理Treatment 播种后天数 Days after sowing (d) 53 72 97 117 138 N180(CK) 19.33 c 20.34 d 13.93 c 15.35 c 7.16 b BC+N180 31.88 a 25.59 a 21.35 a 18.62 b 9.63 a BC+N162 31.37 a 25.20 a 22.04 a 19.44 ab 10.12 a BC+N144 28.80 b 23.01 b 17.51 b 20.25 a 7.56 b BC+N126 28.00 b 21.62 c 16.94 b 18.67 b 7.39 b BC+N108 17.54 d 16.14 e 12.56 c 16.38 c 6.37 b 注（Note）：同列数据后不同字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in the same column mean significant difference among treatments at the 0.05 level. 
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表 2 不同氮素水平下施用生物炭对根际土壤真菌数量的影响 (× 103 CFU/g)
Table 2 Effects of biochar application at different nitrogen levels on fungi population in rhizosphere soil
处理Treatment 播种后天数 Days after sowing (d) 53 72 97 117 138 N180(CK) 4.43 d 18.01 bc 11.84 b 14.29 cd 9.87 c BC+N180 6.50 ab 22.03 a 15.39 a 15.99 b 11.66 ab BC+N162 7.39 ab 22.00 a 16.21 a 18.18 a 12.53 a BC+N144 6.69 ab 21.13 a 13.09 b 15.73 bc 10.92 bc BC+N126 6.18 bc 18.76 bc 12.25 b 13.62 d 11.03 bc BC+N108 5.27 cd 16.81 c 7.59 c 10.25 e 6.98 d 注（Note）：同列数据后不同字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in the same column mean significant difference among treatments at the 0.05 level.
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表 3 不同氮素水平下施用生物炭对根际土壤放线菌数量的影响 (× 105 CFU/g)
Table 3 Effects of biochar application at different nitrogen levels on actinomycetes population in rhizosphere soil
处理Treatment 播种后天数 Days after sowing (d) 53 72 97 117 138 N180(CK) 34.05 b 43.91 c 53.17 b 43.14 b 41.72 b BC+N180 35.93 a 54.38 a 60.06 a 48.21 a 46.72 a BC+N162 33.37 b 45.62 b 52.47 b 43.25 b 40.79 b BC+N144 27.17 c 43.39 c 52.76 b 37.95 c 37.70 c BC+N126 23.96 d 37.69 d 49.36 c 35.17 d 33.44 d BC+N108 20.04 e 27.28 e 47.64 d 34.02 d 30.37 e 注（Note）：同列数据后不同字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in the same column mean significant difference among treatments at the 0.05 level.
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表 4 不同氮素水平下施用生物炭对叶片NR活性的影响[NO2– μg/(g·h)，FW]
Table 4 Effects of biochar application at different nitrogen levels on the NR activity in leaves
处理Treatment 播种后天数 Days after sowing (d) 53 72 97 117 138 N180(CK) 2.46 c 2.33 c 2.16 c 2.03 bc 1.97 b BC+N180 2.65 a 2.50 a 2.26 a 2.07 a 2.05 a BC+N162 2.57 b 2.43 b 2.25 a 2.06 ab 2.05 a BC+N144 2.54 b 2.42 b 2.22 ab 2.04 bc 2.01 ab BC+N126 2.46 c 2.35 c 2.20 bc 2.02 c 1.98 b BC+N108 2.37 d 2.29 d 2.11 d 1.96 d 1.94 b 注（Note）：同列数据后不同字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in the same column mean significant difference among treatments at the 0.05 level.
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表 5 不同氮素水平下施用生物炭对叶片GS活性影响[GHA μmol/(mg·min)]
Table 5 Effects of biochar application at different nitrogen levels on the GS activity of leaves
处理Treatment 播种后天数 Days after sowing (d) 53 72 97 117 138 N180(CK) 0.32 e 0.21 d 0.17 c 0.06 b 0.05 bc BC+N180 0.43 a 0.29 a 0.27 a 0.10 a 0.09 a BC+N162 0.41 b 0.28 b 0.26 a 0.07 ab 0.06 b BC+N144 0.39 c 0.26 c 0.23 b 0.06 b 0.05 bc BC+N126 0.34 d 0.21 d 0.18 c 0.06 b 0.04 cd BC+N108 0.31 e 0.17 e 0.16 c 0.02 c 0.02 d 注（Note）：同列数据后不同字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in the same column mean significant difference among treatments at the 0.05 level.
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表 6 不同氮素水平下施用生物炭对叶片GOGAT活性的影响 [Glu μmol/(mg·min)]
Table 6 Effects of biochar application at different nitrogen levels on the GOGAT activity of leaves
处理Treatment 播种后天数 Days after sowing (d) 53 72 97 117 138 N180(CK) 0.28 c 0.29 d 0.22 d 0.25 d 0.19 de BC+N180 0.45 ab 0.40 b 0.37 a 0.43 b 0.34 a BC+N162 0.52 a 0.42 a 0.33 b 0.46 a 0.31 b BC+N144 0.50 a 0.39 b 0.33 b 0.36 c 0.25 c BC+N126 0.33 bc 0.36 c 0.25 c 0.33 c 0.20 cd BC+N108 0.20 c 0.24 e 0.25 c 0.27 e 0.18 e 注（Note）：同列数据后不同字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in the same column mean significant difference among treatments at the 0.05 level.
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表 7 不同氮素水平下施用生物炭对甜菜块根产量、含糖率和产糖量的影响
Table 7 Effects of biochar application at different nitrogen levels on root yield, sugar content and sugar yield of sugar beet
处理
Treatment块根产量 (g/plant)
Root yiled增产率 (%)
Broot yield increase含糖率 (%)
Sugar content产糖量 (g/plant)
Sugar yield产糖量增加率 (%)
Sugar yield increaseN180(CK) 185.00 c 13.20 c 24.42 d BC+N180 223.05 a 20.57 13.91 ab 31.03 ab 27.06 BC+N162 220.36 a 19.11 14.16 a 31.20 a 27.76 BC+N144 219.71 a 18.76 13.83 b 30.39 b 24.42 BC+N126 198.75 b 7.43 13.78 b 27.38 c 12.11 BC+N108 184.39 c –0.33 13.07 c 24.09 d –1.36 注（Note）：同列数据后不同字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Different letters in the same column mean significant difference among treatments at the 0.05 level.
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