作物秸秆含有丰富的营养元素,其利用方式已经从焚烧逐步转向秸秆还田,秸秆还田可以减少由秸秆焚烧所引起的环境污染,同时提高农村养分资源的循环利用^[1]。据报道,秸秆焚烧可造成0—5 cm土层细菌、放线菌、真菌等微生物数量减少43%—80%,土壤中多种酶活性显著降低^[2]。秸秆还田可以提高土壤养分含量,改良土壤理化性状,提高作物产量^{[3, 4, 5]}。秸秆还田可提高土壤水分利用率和蓄水能力,促进作物的光合作用,进而使作物增产^[6]。

作物秸秆可以在缺氧或者少氧的条件下不完全燃烧制成一种富有孔隙结构、含碳量高的生物质黑炭^[7]。研究表明,由于黑炭的这种多孔的特殊结构,施用黑炭可以增加土壤的孔隙度^[8],吸附和保持水分^[9]；提高土壤pH值,增大盐基交换量,有效调控土壤中营养元素的循环^{[10, 11]},提高土壤中微生物的含量^{[12, 13]}。但是,陈心想等^[14]，研究表明：黑炭对小麦和糜子增产效应不稳定,在最高量20 t/hm²水平时产生抑制作用。施用生物炭对土壤酶活性的影响研究较少,主要集中在与碳、氮物质循环相关的少数几种酶^[15]。

近年来,由秸秆转化的黑炭已成为农业可持续发展的研究热点。研究报道多集中于秸秆还田及黑炭对土壤物理性质、土壤养分及作物生长的影响,而关于秸秆还田及秸秆黑炭对土壤养分和土壤酶的变化及其相关性研究较少。土壤酶对土壤受到的干扰比较敏感,能够反映不同条件下土壤质量的变化^[16]。本研究通过小麦-玉米轮作体系,对秸秆及秸秆黑炭施用后小麦各生育期土壤养分利用状况、作物产量及土壤酶活性等进行研究,试图探明秸秆及秸秆黑炭对小麦产量、土壤养分与土壤酶的效应差异,为秸秆炭化还田在农业上的应用提供一定的理论依据。

试验始于2011年10月,于山东农业大学南校区“土肥资源高效利用国家工程实验室”中心试验站内(36°09′14″N,117°09′01″E)进行,冬小麦-夏玉米轮作,一年两熟。2012年10月夏玉米收获后种植小麦,试验时间为2012年10月至2013年6月。供试土壤取自山东农业大学南校区试验基地0—20 cm耕层土壤,土壤类型为棕壤,根据中国土壤系统分类命名为：普通简育湿润淋溶土(Typic-Hapli-Udic Argosols),质地为粉壤(含粘粒10.5%,砂粒35.5%,粉粒54.0%)。土壤基本理化性质为：有机质12.1 g/kg,全氮0.5 g/kg,NO^-₃-N 8.4 mg/kg,NH⁺₄-N 11.3 mg/kg,有效磷38.9 mg/kg,速效钾78.7 mg/kg,pH值7.28。供试肥料为普通尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P₂O₅ 14%)、氯化钾(含K₂O 60%)。生物炭为玉米秸秆黑炭(500 ℃缺氧烧制,全N 18.1 g/kg,全P 11.5 g/kg,全K 27.5 g/kg,有机碳含量621.5 g/kg,水炭比为20∶ 1^[17]测定pH值为9.6)。还田秸秆为前茬玉米秸秆,将秸秆晒干,打碎成1 cm左右的小块。本试验使用的陶土盆直径为31 cm,高36 cm,盆底层铺沙5 kg,每盆装土25 kg。供试小麦品种为“济麦22”,生育期240 d左右,每盆小麦播30粒(小麦发芽率为98%,按每亩10 kg播种)。

试验共设置6个处理,分别为：1)空白对照CK；2)黑炭处理B；3)秸秆还田处理S；4)尿素处理U；5)尿素+黑炭处理UB；6)尿素+秸秆还田处理US。具体施用量列于表 1中,施氮处理N施用量为450 kg/hm²,各处理磷肥、钾肥施用量均相同,施磷(P₂O₅)0.107 g/kg土(P₂O₅ 240 kg/hm²),钾(K₂O)0.08 g/kg土(K₂O 180 kg/hm²),各处理均3次重复。各肥料、玉米秸秆黑炭及打碎的玉米秸秆与土混匀后装入盆中,作基肥在播种前一次性施入。尿素处理中尿素按农民习惯施肥分两次施入,50%作基肥在播种前施入,50%在小麦拔节期施入。小麦盆栽置于室外,与大田条件相同。水分管理：保持田间持水量的60%—70%,用重量法补足水分。2012年10月8日播种,2013年6月1日收获。

土壤取样生育期及时间为：小麦苗期(2012年10月31日,施肥播种后23 d)、返青期(2013年3月16日,施肥播种后159 d)、拔节期(2013年4月8日,施肥播种后182 d)、开花期(2013年4月27日,施肥播种后201 d)、灌浆期(2013年5月11日,施肥播种后215 d)、成熟期(2013年5月29日,施肥播种后233 d)。取样方法为：在小麦植株周围均匀的取3个点,采样土层深度为0—20 cm,将土样充分混匀带回实验室。一部分鲜土立即放入冰箱4 ℃保存,测定土壤NO^-₃-N、NH⁺₄-N及土壤脱氢酶,在采样后48 h内测定完毕；一部分自然风干、磨细,过2 mm及0.25 mm筛。

土壤性质的测定方法：土壤pH值采用pH计(PB-10,Satorius AG,德国)测定,水土比为2.5∶ 1；土壤电导率(EC)采用电导率仪(DDSJ-308A,上海精密科学仪器公司)测定,水土比为2.5∶ 1；土壤质地采用微吸管法(美国制)；土壤全氮采用半自动凯氏定氮仪测定；土壤鲜样中无机氮为0.01 mol/L CaCl₂提取的土壤NO^-₃-N、NH⁺₄-N二者之和,土壤浸提液的NO^-₃-N、NH⁺₄-N含量采用流动注射分析仪(AA3,BRAN+LUEBBE,德国)测定；土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法；土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO₃浸提-钼蓝比色法；土壤速效钾采用pH值 7.0 醋酸铵浸提-火焰光度计法测定^[18]。测定所取土样土壤酶活性,土壤脱氢酶、过氧化氢酶、脲酶、中性磷酸酶活性分别采用三苯基甲替比色法、高锰酸钾滴定法、苯酚钠比色法、磷酸苯二钠比色法测定^[19]。

小麦收获后,植株秸秆及小麦籽粒置于烘箱中,105 ℃杀青15 min,65 ℃烘至恒重后称重、磨细。分别采用凯氏定氮法、钒钼黄比色法及火焰光度计法测定秸秆及籽粒中全氮、全磷、全钾含量^[18]。

试验数据利用Excel 2003和SAS 8.0软件进行处理和统计分析,不同处理内采用ANOVA方法进行方差分析,不同处理间的多重比较采用Duncan′s Multiple Range Test方法检验各处理平均值在P＜ 0.05水平的差异显著性。

添加黑炭及秸秆还田对籽粒、秸秆产量,氮、磷、钾养分吸收总量及氮素利用率具有显著影响(表 2)。施氮情况下,UB处理与US处理籽粒产量差异不显著,较U处理显著提高8.2%—8.8%；无氮情况下,B处理籽粒产量较CK和S处理显著提高99.4%和77.7%,CK和S处理籽粒产量差异不显著。U、UB和US处理秸秆产量差异不显著,但较CK、B和S处理显著提高16.2%—152.1%；B处理秸秆产量较CK和S处理显著提高67.9%和54.3%。

各处理氮素吸收总量依次为：US> UB> U> B> S> CK,UB和US处理较U、B、S、CK处理分别显著提高14.3%—242.1%和27.8%—282.5%,磷吸收总量较U、B、S、CK处理分别显著提高19.6%—99.0%和30.9%—117.8%,钾吸收总量分别显著提高24.4%—120.8%和40.9%—150.0%；B处理氮、磷、钾吸收总量较S和CK处理分别显著提高94.1%—140.9%,55.4%—66.3%和53.1%—72.6%。各处理氮素利用率依次为：US> UB> U,US和UB处理氮素利用率较U处理显著提高41.7%和21.4%；US处理氮素利用率较UB处理显著提高16.7%。

添加黑炭及秸秆还田对小麦籽粒及秸秆中养分含量具有一定影响(表 3)。各处理籽粒中氮含量依次为：US> UB、U、B> S> CK,US处理籽粒氮含量较其它处理显著提高8.8%—61.3%,B处理籽粒氮含量较S、CK处理分别显著提高15.6%和38.3%；各处理籽粒中磷、钾含量差异不显著。US处理秸秆中氮含量较B、S、CK处理显著提高47.9%—138.0%,与UB、U处理差异不显著；S处理秸秆中磷的含量最高,较U处理显著提高56.9%；S、UB和CK处理秸秆中钾含量显著提高12.7%—33.9%。S处理秸秆中氮含量较低,U处理秸秆中磷、钾含量较低。

试验前,供试土壤较贫瘠,土壤有机碳含量较低,小麦-玉米轮作提高了土壤有机碳的含量(图 1)。添加黑炭显著影响了土壤有机碳的含量,小麦成熟期,添加黑炭处理B及UB处理土壤中有机碳含量较其它处理显著提高34.9%—54.2%,秸秆施加较无物料添加处理土壤有机碳含量差异不显著。

图 1 黑炭及秸秆还田对土壤有机碳含量的影响 Fig.1 Effects of biochar and straw incorporation on soil organic carbon content CK:氮肥空白对照Control;B:黑炭处理Biochar;S:秸秆还田处理Straw;U:尿素处理Urea;UB:尿素+黑炭处理Urea+biochar;US:尿素+秸杆还田处理Urea+straw

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添加黑炭及秸秆还田显著影响了土壤中无机氮的含量(图 2)。苗期至拔节期,添加黑炭UB处理显著提高了土壤中铵态氮的含量；由于U处理在拔节期后追肥50%,抽穗期土壤中铵态氮的含量显著提高,U、UB及US处理土壤中铵态氮的含量差异不显著,但成熟期时,UB处理土壤中铵态氮的含量较其它处理显著提高10.9%—23.5%(图 1)。各处理土壤硝态氮的含量在小麦各生育期差异十分显著。苗期至抽穗期,各处理土壤硝态氮的含量依次为：UB> US> B、U> CK、S；灌浆期及成熟期,UB> US、U> B、S、CK。整个生育期,B处理土壤中硝态氮的含量较CK、S处理显著提高；抽穗期至成熟期,UB处理土壤中硝态氮的含量较US、U处理分别显著提高30.9%—85.3%和67.5%—126.7%(图 2)。

图 2 黑炭及秸秆还田对土壤中无机氮含量的影响 Fig.2 Effects of biochar and straw incorporation on soil inorganic nitrogen content

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如图 3所示,小麦生育期中CK处理土壤有效磷含量较高；拔节期,U处理土壤有效磷含量显著升高。整个生育期中,B、S、UB及US处理间土壤有效磷含量差异趋于不显著。拔节期,UB处理较U和US处理土壤有效磷含量显著提高,但在其它时期,UB、US及U处理土壤有效磷含量差异不显著。

图 3 黑炭及秸秆还田对土壤中有效磷含量的影响 Fig.3 Effects of biochar and straw incorporation on soil available phosphorus content

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各处理土壤中速效钾的含量在各生育期显著不同,黑炭施入显著提高了土壤中速效钾的含量(图 4)。苗期至返青期、抽穗期至成熟期,B处理土壤速效钾含量较UB处理显著提高21.6%—31.1%；S、US、CK处理间土壤速效钾含量差异趋于不显著。苗期至成熟期,B处理土壤速效钾含量较S、CK处理显著提高29.4%—116.8%；返青期至成熟期,UB处理土壤速效钾含量较U处理显著提高22.7%—62.1%；苗期至成熟期,UB处理土壤速效钾含量较US处理显著提高23.3%—86.0%。

图 4 黑炭及秸秆还田对土壤中速效钾含量的影响 Fig.4 Effects of biochar and straw incorporation on soil available potassium content

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在小麦整个生育期中,苗期土壤脱氢酶活性最低,拔节期—抽穗期土壤脱氢酶活性达到最高(图 5)。返青期至灌浆期,US处理土壤脱氢酶活性较UB、U处理分别显著提高26.6%—39.1%和27.8%—92.5%；成熟期,S、U、UB和US处理土壤脱氢酶活性差异不显著,较B和CK处理分别显著提高17.0%—33.0%和99.3%—126.5%。不施氮条件下,添加黑炭及秸秆还田处理土壤脱氢酶活性分别显著提高37.8%—125.3%和47.6%—162.6%；施氮条件下,添加黑炭在返青期、拔节期土壤脱氢酶活性显著提高38.8%和36.2%,秸秆还田处理在返青期至灌浆期土壤脱氢酶活性显著提高27.8%—75.1%。

图 5 黑炭及秸秆还田对土壤脱氢酶活性的影响 Fig.5 Effects of biochar and straw incorporation on soil dehydrogenase activity

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小麦整个生育期中土壤过氧化氢酶活性的动态变化不显著(图 6)。拔节期,各处理土壤过氧化氢酶活性高低依次为：S、US> B、U> CK> UB；抽穗期,B、S和US处理土壤过氧化氢酶活性较UB、CK处理显著提高5.5%—8.0%,成熟期,较U、CK处理显著提高2.4%—3.5%。灌浆期,各处理土壤过氧化氢酶活性高低依次为：S> B> US> U> UB、CK。返青期至成熟期,B和S处理土壤过氧化氢酶活性较CK处理显著提高2.9%—8.0%。拔节期至灌浆期,U和US处理土壤过氧化氢酶活性较UB处理显著提高2.5%—7.9%。

图 6 黑炭及秸秆还田对土壤过氧化氢酶活性的影响 Fig.6 Effects of biochar and straw incorporation on soil catalase activity

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添加黑炭及秸秆还田对土壤脲酶活性影响十分显著(图 7),UB和US处理土壤脲酶活性较其它处理分别显著提高21.0%—114.3%和13.9%—86.4%。苗期,各处理土壤脲酶活性高低依次为：UB、US> S、U> B、CK,B处理土壤脲酶活性较低；返青期、抽穗期及灌浆期,B、S、U处理土壤脲酶活性较UB和US处理显著降低；拔节期,B和US处理土壤脲酶活性差异不显著,较CK、S和U处理显著提高；成熟期,各处理土壤脲酶活性依次为：UB> US> B> U> S> CK,UB和US处理土壤脲酶活性显著较高。苗期至成熟期,UB处理土壤脲酶活性较B处理显著提高21.5%—71.0%,US处理土壤脲酶活性较S处理显著提高16.0%—69.1%。苗期至成熟期,UB和US处理土壤脲酶活性较U处理分别显著提高22.5%—72.4%和13.9%—49.7%。

图 7 黑炭及秸秆还田对土壤脲酶活性的影响 Fig.7 Effects of biochar and straw incorporation on soil urease activity

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土壤pH范围为6.30—7.97,土壤中性磷酸酶活性较强。小麦拔节期及抽穗期,各处理土壤中性磷酸酶活性较高,成熟期活性较低(图 8)。在小麦整个生育期中,US处理较其它处理土壤中性磷酸酶活性显著提高8.2%—279.7%。返青期及成熟期,UB处理较B处理土壤中性磷酸酶活性显著提高14.0%—83.7%；苗期至成熟期,US处理较S处理土壤中性磷酸酶活性显著提高18.4%—50.0%。返青期、灌浆期及成熟期,S处理较B处理土壤中性磷酸酶活性显著提高11.7%—88.4%。UB处理土壤中性磷酸酶活性在苗期、返青期较U处理显著提高15.1%—31.4%,在拔节期、灌浆期则显著降低15.0%—16.6%；返青期至成熟期,US处理土壤中性磷酸酶活性较UB处理显著提高16.0%—53.8%。

图 8 黑炭及秸秆还田对土壤中性磷酸酶活性的影响 Fig.8 Effects of biochar and straw incorporation on soil neutral phosphatase activity

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土壤脱氢酶能催化有机物质脱氢,起着氢的中间转化传递作用,其活性可作为微生物氧化还原系统的指标；过氧化氢酶能酶促水解过氧化氢,其活性与土壤微生物及植物根系有关,可用来表征土壤的生化活性；脲酶催化尿素水解成氨,可用来表征土壤的氮素状况；磷酸酶催化有机磷化合物矿化,其活性高低直接影响土壤有机磷的分解转化^[20]。由表 4可知,土壤脱氢酶活性与土壤过氧化氢酶、脲酶、中性磷酸酶活性及土壤脲酶与中性磷酸酶活性呈极显著正相关；土壤脲酶活性与有机碳、无机氮含量呈显著正相关,而土壤过氧化氢酶活性与无机氮含量呈显著负相关；土壤有效磷、速效钾含量与土壤脱氢酶、过氧化氢酶、脲酶、中性磷酸酶没有呈现显著相关性。

试验结果显示：在施氮条件下,黑炭施加及秸秆还田处理较尿素处理籽粒分别显著增产8.19%和8.77%；在不施氮条件下,黑炭施加较秸秆还田及CK处理籽粒及秸秆均增产显著。韩新忠等^[20]研究表明秸秆还田显著增加了土壤全氮及速效氮的含量、土壤脲酶及过氧化氢酶活性,最大增产率为9.0%,陈心想等^[14]研究发现在新积土和塿土中添加黑炭显著增加了土壤有机碳、无机氮含量及新积土土壤有效磷和速效钾含量,新积土糜子和塿土小麦增产显著。尿素+黑炭及尿素+秸秆处理小麦植物体氮浓度增加,作物地上部分生物量也增加,因而总吸收氮量也显著增加。尿素+秸秆处理显著提高小麦地上部磷、钾的吸收累积量,但单施秸秆处理由于氮素亏缺,影响了磷、钾的吸收。施加黑炭虽然提高了磷、钾的吸收总量,但秸秆中磷的含量较低、钾的含量较高。可能是因为施加黑炭显著提高土壤氮、磷、钾含量,植株体对氮、钾的吸收速率大于对磷的吸收速率^[21],导致秸秆磷的浓度相对较低。CK及S处理秸秆中钾的含量较高是因为两处理土壤氮素供应不足,提高钾的含量以促进植株体内氮素的运输、转化和利用^[22]。

施加秸秆黑炭带入土壤有机碳含量为3.1 g/kg,显著提高了土壤中有机碳的含量。秸秆黑炭较秸秆已发生结构上的变化,分解率较低,能够稳定的存在于土壤中,促进了土壤碳库的稳定^[23]。秸秆黑炭本身含有较多的氮、磷、钾等养分,本试验中所添加的黑炭使土壤中N、P、K分别提高0.091,0.058 g/kg和0.14 g/kg,施加黑炭显著提高了土壤中铵态氮、硝态氮和速效钾含量。U处理土壤中硝态氮含量在追施50%氮肥后也呈上升趋势,但其硝态氮含量显著低于UB和US处理,说明UB和US处理土壤中积累的硝态氮含量较高。原因可能是施加黑炭和秸秆能够改善土壤结构,减少养分流失,同时黑炭独特的表面特性使其对土壤水溶液中的NH⁺₄-N、NO^-₃-N、P、K等营养元素具有很强的吸附作用。Laird等^[11]和花莉等^[24]研究发现,添加黑炭能够显著减少总N和可溶性P的滤出量,保肥效果十分明显。张静等^[25]研究表明,秸秆还田后土壤微生物固定C、N能力增强。施加黑炭及秸秆对有效磷含量的响应无效,原因可能是土壤有效磷背景值较高且磷素本身在土壤中的移动能力较差。

本研究中,添加黑炭及秸秆还田显著提高了土壤脱氢酶和脲酶活性,秸秆还田显著提高了土壤过氧化氢酶和中性磷酸酶活性。因秸秆还田提高了土壤碳、氮比,为土壤微生物提供大量可利用的有机碳,促进了微生物的繁殖^[26]。黑炭的孔隙结构容及对水肥吸附作用,给土壤微生物生长提供场所和养分^[27]。添加黑炭对土壤过氧化氢酶和中性磷酸酶活性则表现出一定的抑制作用,这可能是因为黑炭pH值较高,添加黑炭改变了土壤酸碱环境,抑制了土壤过氧化氢酶和中性磷酸酶活性的活性。土壤酶之间相关性说明土壤酶在土壤中的作用不仅具有专性,还表现为一定的共性；土壤酶与养分之间的相关性表明土壤酶可表征土壤肥力水平及土壤养分转化的方向^[28]。

秸秆及秸秆黑炭对小麦养分吸收利用及土壤酶活性具有显著影响。无氮条件下,黑炭施加处理较秸秆及空白处理增产99.4%—77.7%;施氮条件下,黑炭及秸秆还田籽粒产量显著提高了8.2%—8.8%。施用黑炭显著提高了小麦地上部氮、磷、钾吸收累积量,而秸秆还田仅在施氮条件下显著提高。秸秆及秸秆黑炭施加氮素利用率显著提高21.4%—41.7%。黑炭施加显著提高了土壤养分含量,秸秆还田仅显著提高土壤中NO^-₃-N含量,两者对土壤有效磷含量无影响。鉴于生物炭和秸秆还田对土壤性质和作物产量的长期效应,还需对其进行长期定位试验研究。