不同農林廢棄物生物質炭對雷竹林酸化土壤的改良效果

包駿瑤，趙穎志，嚴淑嫻，白 珊，李松昊，徐秋芳，葉正錢，沈 穎，陳俊輝

（1.浙江農林大學 環境與資源學院 浙江省森林生態系統碳循環與固碳減排重點實驗室，浙江 杭州311300；2.浙江省杭州市臨安區農林技術推廣中心，浙江 杭州 311300）

土壤酸化是中國土壤面臨的主要問題之一，也是土壤退化的一個重要特征。據報道，中國南方經濟作物土壤的pH值自20世紀80年代至今平均下降了0.3［1］。土壤酸化容易導致土壤結構差、肥力低且有毒重金屬含量過度積累，影響作物生長發育，嚴重威脅糧食安全及生態系統可持續發展。集約經營模式被認為是導致土壤酸化的重要因素之一［2］。雷竹Phyllostachys violascens是一種優良筍用竹種，在浙江省境內廣泛栽植。近年來，冬季以地表覆蓋增溫和大量施用肥料為核心技術的雷竹早產高效經營模式得到大面積推廣和應用［3］。這種長期集約經營模式雖然給當地農戶帶來了顯著的經濟效益，但由于缺乏科學管理，也產生了一系列生態環境問題，如土壤酸化、養分流失、增加面源污染［4］，干擾了土壤微環境，導致土壤微生態失衡、微生物多樣性衰退［2］、土壤酶活性明顯降低［5］，從而直接或間接地引起雷竹林提前退化。大量化學氮肥施用易造成雷竹林土壤銨態氮硝化加速，硝酸鹽淋溶；高溫高濕過程促進覆蓋物分解產生腐殖酸和有機酸使得鹽基飽和度降低，交換性酸總量增加。酸化也促使土壤中重金屬元素有效態含量明顯提高，從而抑制土壤微生物繁殖和活性［2］。針對雷竹林土壤退化的主要成因，研究者們相繼提出了施用石灰和石灰氮等手段［6］。然而，長期施用石灰易引起養分失衡、土壤板結，特別是導致土壤有機質含量下降［7］。石灰氮雖然可以短期內緩解雷竹林土壤酸化并控制土傳病害，但是強烈地抑制了土壤微生物生物量和酶活性［6］。因此，尋找一種既能中和土壤酸度、提高土壤肥力，又能恢復土壤微生態平衡，促進土壤微生物繁殖及活性的理想改良劑，對提高酸化土壤的生產力和生態環境的保護具有雙重意義。隨著生物質炭技術的發展，將生物質廢棄物熱解成生物質炭進行土壤應用被認為是當前國際應對氣候變化、增強土壤碳匯的新途徑［8］。生物質炭因其較大的表面積和較高的孔隙度而具有良好的重金屬和有機污染物吸附能力［9］。生物質炭較高的pH值可以中和土壤酸性；其表面帶有負電荷，具有較高的陽離子交換量，可以提高土壤肥力，降低鋁對作物的毒害作用［10］。不僅如此，生物質炭還能有效提高土壤微生物的生物量，提高細菌類群多樣性［11］。然而，不同原料制備的生物質炭物理、化學性質差異較大［12］，施入土壤后對土壤酸化改良效果和對微生物群落結構和活性影響也可能存在較大差異。中國農林廢棄物資源龐大，但是利用率普遍較低。據估計，僅農業就產生超過7億t·a-1作物秸稈生物量，其中有1/4的秸稈就地燃燒［13］；竹材加工業對竹材的利用率僅約40%［14］；僅杭州市臨安區產生的山核桃Carya cathayensis蒲殼多達5萬t·a-1［15］，相當大一部分山核桃蒲殼被隨意丟棄和焚燒，造成資源的浪費和環境污染。針對上述情況，將農林廢棄物熱解成生物質炭加以應用，是廢棄物資源化有效手段，也是本研究的立足點。利用不同原料生物質炭對雷竹林酸化土壤進行改良的研究還未見報道。因此，本研究通過分析不同原料生物質炭對土壤養分、酸度、微生物豐度和酶活性影響，比較不同原料生物質炭對酸化雷竹林土壤的化學和生物學改良效果，為農林廢棄物資源化利用和酸化土壤修復提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自浙江省杭州市臨安區板橋鎮（30°14′N，119°42′E）。該區屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為15.9℃，年降水量為1 350～1 500 mm，年日照時數1 774 h，無霜期236 d。土壤類型屬于粉砂巖母質上發育的紅壤土類。選擇集約經營超過10 a的雷竹林樣地，與相鄰區域未集約經營林地相比，該樣地pH值下降了1.0～1.5個單位。于2015年4月設置10 m×10 m樣地，隨機取樣法采集0～20 cm土壤樣品5份，混合均勻，自然風干后過2 mm篩備用。供試土壤基本性質見表1。

收集玉米Zea mays秸稈、竹材邊角料和山核桃蒲殼，自然風干后，剪成小塊，置于特制的密閉容器中，放于馬弗爐中350℃下限氧熱裂解4 h制得不同原料生物質炭。制得的生物質炭通過1 mm篩，混合均勻后備用。供試玉米秸稈炭、竹炭和山核桃蒲殼炭的基本性質見表1。

表1 供試土壤及不同材料生物質炭的基本性質Table 1 Selected properties of soil and biochars pyrolyzed from different feedstocks

1.2 試驗設計

試驗設4個處理：對照（不加生物質炭，ck），添加質量分數為2%玉米秸稈炭（CB），添加質量分數為2%竹炭（BB）和添加質量分數為2%山核桃蒲殼炭（PB），重復3次·處理-1。將生物質炭樣品與土壤充分混合后裝入塑料盆中，盆的位置隨機擺放。播種大小均勻飽滿的種子20?！づ瑁?，等黑麥草Lolium perenne種子萌發1周后，間苗至10株·盆－1。用去離子水調節土壤濕度至約60%田間最大持水量。盆栽試驗培養時間為90 d，培養期間不添加肥料，定期補充去離子水。盆栽90 d后剪取黑麥草地上部分，置于60℃烘箱中烘干至恒量，稱量。

1.3 土壤化學、生物學性質分析

盆栽結束后采集土壤樣品，過2 mm篩，混勻，分成3份。1份自然風干，用于土壤基本性質測定；1份放在4℃冰箱保存，用于土壤酶活性分析、銨態氮（NH4+-N）和硝態氮（NO3－-N）測定；剩余的1份冷凍干燥后保存至－70℃冰箱。土壤pH值，有機碳（SOC），全氮（TN），銨態氮和硝態氮分析參照魯如坤［16］的方法。 土壤交換性酸采用 1 mol·L－1氯化鉀溶液淋洗， 堿滴定法測定［16］。

1.4 土壤總DNA提取和微生物豐度定量PCR分析

土壤總DNA提取采用MOBIO公司生產的土壤DNA提取試劑盒（PowerSoil DNA Isolation Kit，美國），按試劑盒說明書進行。用質量濃度為1.0%的瓊脂糖凝膠電泳檢測提取后的DNA樣品，采用微量分光光度計（ND-1000，NanoDrop Technologies，美國）測定其濃度和純度。以土壤細菌16S rDNA和真菌18 S rDNA 為目的基因， 采用通用引物（細菌： 338F/518R［17］， 真菌： NS1F/FungR［18］）在熒光定量聚合酶鏈式反應（PCR）儀CFX96TM Real-Time System（Bio-Rad，美國）上進行基因擴增。反應體系、質粒及標準曲線的制作參照文獻［11］進行。

1.5 土壤酶活性分析

土壤脫氫酶和β-葡萄糖苷酶活性分析分別采用氯化三苯基四唑還原法和硝基酚比色法測定，結果分別以三甲基甲臜（TPF， μg·g－1·h－1）和對硝基酚（PNP， μg·g－1·h－1）表示。 土壤纖維二糖苷酶、 亮氨酸氨基肽酶和酸性磷酸酶活性分析采用微孔板熒光法［19］，重復3次·樣品－1，同時設置不加標準物質的對照。用多功能酶標儀（SynergyTMH1,Biotek，美國）在熒光激發光365 nm和檢測光波長450 nm下測定反應液熒光值， 單位為 nmol·g－1·h－1。

1.6 數據處理與統計分析

所得數據采用SPSS 18.0軟件進行單因素方差分析（ANOVA），Duncan法多重比較檢驗各處理間的差異顯著性，相關性分析采用皮爾遜（Pearson）相關分析法進行雙尾檢驗確定顯著性。

2 結果與分析

2.1 黑麥草生物量和土壤養分質量分數的變化

由表2可知：培養結束后，玉米秸稈炭（CB）和山核桃蒲殼炭（PB）處理下黑麥草生物量顯著高于對照（ck），增幅分別為43%和61%；而竹炭（BB）處理與對照無顯著差異。與ck相比，CB，BB和PB處理均顯著提高了土壤有機碳質量分數，增幅分別為35%，19%和50%。CB和PB顯著提高了土壤全氮質量分數，BB處理未顯著改變全氮質量分數，但顯著提高了碳氮比。與ck相比，僅PB處理顯著增加了硝態氮質量分數；3種生物質炭處理均顯著降低了土壤銨態氮質量分數，其中PB降幅最大。

表2 不同原料生物質炭添加下黑麥草生物量和土壤養分質量分數變化Table 2 Changes in ryegrass biomass and soil nutrient contents with addition of biochars pyrolyzed from different feedstocks

2.2 土壤pH值和交換性酸質量摩爾濃度變化

如表3所示：與ck相比，CB和PB處理均顯著提高了土壤pH值，增幅分別為18%和17%，而BB處理與ck無顯著差異。3種生物質炭處理均顯著降低了交換性氫質量摩爾濃度，其中降幅為CB＞PB＞BB，而僅CB和PB顯著降低了交換性鋁（降幅分別為81%和35%）和交換性酸總量（降幅分別為69%和36%）。

表3 不同原料生物質炭添加下土壤pH值和交換性酸質量摩爾濃度變化Table 3 Changes in soil pH and exchangeable acid content with addition of biochars pyrolyzed from different feedstocks

圖1 不同原料生物質炭添加下真菌18S rRNA基因拷貝數、細菌16S rRNA基因拷貝數和真菌細菌比變化Figure 1 Changes in fungal 18S rRNA gene copies,bacterial 16S rRNA gene copies and the ratio of fungi to bacteria with addition of biochars pyrolyzed from different feedstocks

2.3 土壤真菌、細菌豐度變化及其與土壤養分和酸堿度的相關性

不同原料生物質炭處理下土壤真菌和細菌基因豐度如圖1所示。不同處理間真菌18S rRNA基因拷貝數為3.80×109～7.64×109，其中CB處理顯著高于ck，提高幅度為53%，而其他處理與ck無顯著差異。不同處理間細菌16S rRNA基因拷貝數比對應的真菌高1個數量級，為1.88×1010～4.66×1010，CB處理與ck無顯著差異，而BB和PB處理均顯著高于ck。不同處理對應的真菌細菌比與對照均無顯著差異，而CB處理顯著高于BB和PB處理。由表4可知：真菌豐度與交換性酸、硝態氮分別呈極顯著和顯著負相關，而與全氮質量分數極顯著正相關，與其他性質無顯著相關性。細菌豐度僅與碳氮比呈顯著正相關，真菌細菌比與碳氮比、硝態氮分別呈顯著和極顯著負相關。

表4 土壤真菌豐度、細菌豐度和真菌細菌比與土壤酸度、養分質量分數的相關性Table 4 Correlations between soil fungal,bacterial abundance and fungi to bacteria ratio and soil acidity as well as soil nutrients contents

2.4 土壤碳、氮、磷轉化相關酶活性變化

如表5所示：與ck相比，3種生物質炭處理均顯著提高了β-葡萄糖苷酶活性和酸性磷酸酶活性；僅PB處理顯著提高了土壤脫氫酶活性；BB和PB處理均顯著提高了纖維二糖苷酶活性，提高幅度為PB＞BB，CB處理與ck無顯著差異；3種生物質炭處理對亮氨酸氨基肽酶活性無影響。

表5 不同原料生物質炭添加下土壤碳、氮、磷轉化相關酶活性變化Table 5 Changes in soil enzyme activities involved in C,N,P cycling with addition of biochars pyrolyzed from different feedstocks

3 討論

3.1 生物質炭對土壤化學性質的改良效果

盡管生物質炭在雷竹林土壤中應用還鮮見報道，但是生物質炭在南方油菜Brassia campestris地紅壤上的應用研究證實生物質炭具有良好的改良土壤酸性潛力［20］。本研究結果與以上研究結果較為一致，這是因為生物質材料熱解成生物質炭后，其pH值、有機官能團、碳酸鹽、灰分堿含量與生物質材料相比均得到了明顯提高［21］，能夠有效中和土壤酸性。本研究進一步表明，不同材料來源生物質炭改良土壤酸性能力存在差異，其中玉米秸稈炭和山核桃蒲殼炭改良效果較好。這可能由于玉米秸稈炭和山核桃蒲殼炭具有較高的灰分堿，能快速中和土壤酸度。李九玉等［20］研究發現：生物質炭處理下土壤pH值與生物質炭的含堿量成顯著正相關。YUAN等［21］也指出不同原料制備的生物質炭均能提高酸性紅壤pH值，但效果存在差異，表現為豆科Leguminosae作物生物質炭效果優于非豆科作物生物質炭。由于豆科植物含有較高的氮素，這也暗示氮素較高的生物質炭具有更為豐富的碳酸鹽和表面含氧官能團，能較好中和土壤酸性物質，降低土壤交換性酸和交換性鋁［21］。

除了改善土壤酸性外，不同生物質炭均提高了土壤有機碳質量分數。生物質炭因為具有高度芳香性的碳組分和較高的碳氮比，在土壤中不易被微生物降解，土壤中添加生物質炭可長期增加土壤碳質量分數［22］。除了山核桃蒲殼炭提高了土壤硝態氮質量分數外，另2種生物質炭對土壤硝態氮其均無影響，而且顯著降低了土壤銨態氮質量分數。銨態氮質量分數降低可能與生物質炭具有較強的有機物和礦質態氮吸附能力有關。TAGHIZADEH-TOOSI等［23］研究表明，生物質炭能吸附土壤中的銨態氮，且吸附的這些氮素是生物可利用的。山核桃蒲殼炭處理下硝態氮質量分數的提高可能是因為土壤氨氧化活性提高，促進了所吸附的銨態氮轉化為硝態氮。本研究還發現，除了竹炭，玉米秸稈炭和山核桃蒲殼炭處理均顯著提高了黑麥草生物量。一方面由于玉米秸稈炭和山核桃蒲殼炭均能顯著提高雷竹林土壤pH值，降低土壤交換性酸質量摩爾濃度，從而提高養分有效性；另一方面，這2種生物質炭施用后顯著提高了有機碳和全氮質量分數。

3.2 生物質炭對土壤生物學性質改良效果

土壤微生物是土壤生態系統的重要組成部分。生物質炭施用于土壤后可以通過直接或間接作用影響微生物的豐度、組成及功能，進而影響土壤各種生物化學過程［24］。研究發現，添加生物質炭能顯著提高養分較為貧瘠的溫帶土壤微生物豐度［25］，對有機質較高的稻田土壤的微生物豐度也有明顯的促進作用［26］。李明等［26］研究表明，施用水稻Oryza sativa秸稈炭和玉米秸稈炭均增加了南方酸性紅壤中細菌、真菌和放線菌數量，微生物生物量碳和磷脂脂肪酸總量平均比對照增加63%和48%。本研究結果也表明，添加3種生物質炭能不同程度地提高酸化雷竹林土壤細菌、真菌豐度。LEHMANN等［24］認為，生物質炭對土壤酸度的改善，對養分含量的提高，對微生物的庇護作用以及對有毒物質的吸附作用均利于增加土壤微生物豐度。ROUSK等［27］研究表明，隨著土壤pH值的提高，酸性土壤中細菌豐度和多樣性會增加，而真菌變化不明顯。本研究中除了竹炭，另外2種生物質炭均顯著提高了土壤pH值，降低了土壤交換性酸質量摩爾濃度，這可能是細菌豐度提高的重要原因之一。此外，多孔結構使生物質炭具有較強的土壤水分和養分固持能力，為土壤微生物生存提供了良好的棲息環境［28］。本研究中，添加竹炭雖然未能顯著提高土壤pH值，但竹炭高度的孔隙結構是促進細菌磷脂脂肪酸含量的重要因素［29］。FARRELL等［30］研究表明，盡管生物質炭本身是比較惰性的，但其中仍有一部分小分子物質能在短期內作為微生物代謝底物。不同原料制備的生物質炭在理化性質上存在較大差異，不同微生物類群對生物質炭的響應也不同。相比細菌，真菌豐度僅在玉米秸稈炭處理下顯著提高；盡管與對照相比不同處理下真菌細菌比值未改變，但玉米秸稈炭處理下其比值顯著高于另外2種生物質炭。這一結果說明真菌對玉米秸稈炭添加具有更好的適應性，其原因可能是玉米秸稈炭介導的土壤養分及微環境變化更適合真菌或其對真菌利用性更高。相關分析也表明，真菌豐度與全氮質量分數呈顯著正相關。

土壤酶調控有機質分解和養分循環，對環境干擾敏感，是衡量土壤綜合肥力的敏感指標［31］。目前，生物質炭添加對土壤酶活性的影響已有報道，但還存在一些爭議，主要與添加量、酶的種類、生物質炭性質等有關。BAILEY等［32］研究發現，葡萄糖苷酶、脂肪酶、亮氨酸氨基肽酶和乙酰葡糖胺糖甘酶活性對生物炭響應并不一致，主要與生物質炭對酶或底物的吸附作用及土壤微生物的變化有關。與此相似，本研究也發現3種生物質炭添加對多種酶活性影響差異較大。3種生物質炭均不同程度提高了脫氫酶、β-葡萄糖苷酶、纖維二糖苷酶和酸性磷酸酶活性，而對亮氨酸氨基肽酶無影響（山核桃蒲殼炭最高）。這些酶活性的提高表明生物質炭添加可能促進了土壤養分周轉速率。土壤酶活性與作物產量具有密切的相關性［34］，土壤養分轉化相關酶活性的提高可能是促進黑麥草生長的因素之一。盡管如此，不同原料生物質炭添加對雷竹林土壤微生物結構、功能和酶活性的長期和田間影響還不清楚，需要開展更多的長期野外定位試驗。

4 結論

不同原料生物質炭可以不同程度地提高土壤pH值，降低交換性氫和交換性鋁及交換性酸總量，改良酸性效果為玉米秸稈炭＞山核桃蒲殼炭＞竹炭。3種生物質炭均顯著提高了土壤有機碳質量分數，降低了土壤銨態氮質量分數。玉米秸稈炭可以顯著提高真菌豐度，而山核桃蒲殼炭和竹炭可以提高細菌豐度，這種變異與不同生物質炭改善土壤酸性、養分等微環境及自身可利用性有一定關系。相比玉米秸稈炭和竹炭，山核桃蒲殼炭可以較大幅度促進多種土壤酶活性，提高土壤養分轉化速率。山核桃蒲殼炭和玉米秸稈炭處理下黑麥草生物量的提高主要歸因于2種生物質炭對土壤酸度、養分、微生物豐度和相關酶活性的改善作用。綜合而言，山核桃蒲殼炭和玉米秸稈炭均具有較好的酸化雷竹林土壤化學和生物學改良能力，而竹炭效果較差。

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