高 雅，饒 偉，介紅彬，張文靜，牛亞茹，袁依林，徐國蓮，張雯雯，張登曉*，王代長

（1 河南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，河南鄭州 450002；2 河南省地質(zhì)環(huán)境規(guī)劃設計院有限公司，河南鄭州 450000）

玉米是我國重要的糧食作物，據(jù)統(tǒng)計，我國玉米種植面積在2020年達4128萬hm2，產(chǎn)量達2.61億t[1]。黃淮海地區(qū)為我國主要糧食生產(chǎn)區(qū)，2020年僅河南省玉米產(chǎn)量達到2342萬t，占我國玉米總產(chǎn)量的9.0%[1]。因此，保障黃淮海地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)對我國的糧食安全具有重要意義。然而目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化學肥料的過量施用，特別是氮磷肥料的不合理施用威脅農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。一方面，化肥的過量施用造成肥料利用率降低[3]；另一方面，大量養(yǎng)分元素進入環(huán)境中帶來一系列的生態(tài)環(huán)境問題，例如氮磷養(yǎng)分進入水體中造成水體富營養(yǎng)化[4]，地下水的硝酸鹽污染[5]，土壤酸化[6-7]、產(chǎn)生大量溫室氣體等[8]。長期過量施用化肥會導致土壤肥力的降低。與傳統(tǒng)有機肥施用相比，長期大量施用化肥能夠降低土壤中與養(yǎng)分循環(huán)相關的酶活性，導致土壤自身對養(yǎng)分的調(diào)控和緩沖能力下降，降低土壤肥力[9]。同時有研究指出，單施化肥與有機肥或秸稈還田相比，不利于土壤大團聚體的形成[10-11]，導致土壤結構的退化以及保水保肥能力的降低。因此，促進土壤活性，增強土壤養(yǎng)分調(diào)控能力，提高土壤肥力和作物產(chǎn)量，成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中亟需解決的關鍵問題。

目前研究認為，生物質(zhì)炭施用于農(nóng)田土壤中具有提高土壤肥力，包括促進土壤團聚體結構的形成，提高土壤保肥和保水性能，提高肥料利用率等作用[12]。Liu等[13]和Jeffery等[14]通過整合分析發(fā)現(xiàn)，與不施生物質(zhì)炭相比，生物質(zhì)炭平均提高作物產(chǎn)量達11%，但是在不同的土壤條件下生物質(zhì)炭對作物生產(chǎn)力的效應表現(xiàn)出很大的差異。例如在肥力相對較低的鹽堿土或者較干旱地區(qū)的土壤中施用生物質(zhì)炭對產(chǎn)量具有更好的效應[15-16]，而在肥力相對較高的土壤中影響較小[17]。生物質(zhì)炭對作物生產(chǎn)力的提高可能與其對土壤結構和水分養(yǎng)分的調(diào)控有關。生物質(zhì)炭在農(nóng)田土壤中施用能夠提高大團聚體的比例，改善土壤結構[18]。土壤結構的改善一方面有利于作物根系的生長。另一方面也有利于改善土壤通氣性和保水性能。特別是在旱地土壤中，生物質(zhì)炭對土壤水分的保持對農(nóng)作物生產(chǎn)具有重要意義[19]。另外，生物質(zhì)炭施用于土壤中能夠調(diào)節(jié)土壤氮磷等養(yǎng)分的轉化。研究指出，生物質(zhì)炭對土壤的改善為土壤微生物提供了良好的棲息條件，改善土壤微生物群落結構和增加其活性也會促進土壤養(yǎng)分的運轉，特別是與碳氮磷循環(huán)相關胞外酶活性的增加[20-21]，對提高土壤養(yǎng)分供應和養(yǎng)分保持具有重要作用。然而生物質(zhì)炭對作物產(chǎn)量以及對土壤肥力的調(diào)控，在不同土壤和生物質(zhì)炭條件下均表現(xiàn)出較大差異，尤其是土壤質(zhì)地、pH及生物質(zhì)炭原料、生產(chǎn)溫度等的差異。因此，針對不同土壤條件探究適合的生物質(zhì)炭利用方式，對促進生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用具有重要意義。

本研究選用黃淮海地區(qū)廣泛存在的潮土類型為研究對象，采用盆栽試驗，通過在兩種不同質(zhì)地的潮土上施用不同類型的生物質(zhì)炭，研究生物質(zhì)炭對苗期玉米生長及抗性的影響，及其與土壤條件和生物質(zhì)炭條件之間的關系，并通過對根際土壤理化性狀和胞外酶活性的分析，探索不同來源生物質(zhì)炭對根際養(yǎng)分的調(diào)控機制。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究選用土壤類型為潮土，分別采自河南省鶴壁市?？h小灘村 (N35°48′0″，E114°34′9″)和河南省商丘市夏邑縣楊洼村 (N34°15′56″，E116°13′23″)。所采集土壤均為耕層土(0—20 cm)，土壤質(zhì)地分別為粘質(zhì)潮土(砂粒38.1%、粉粒30.6%、粘粒31.3%)和壤質(zhì)潮土(砂粒 64.1%，粉粒 20.2%，粘粒15.7%)。土壤采集地點農(nóng)業(yè)種植模式均為冬小麥-夏玉米輪作。土壤采回后，挑出肉眼可見的植物碎屑、小石塊和蚯蚓等大中型土壤動物等，過2 mm篩，備用。土壤基本理化性質(zhì)按照魯如坤[22]方法測定，測定結果見表1。

表1 土壤基礎理化性質(zhì)Table 1 Basic soil physicochemical properties

試驗用生物質(zhì)炭分別為小麥秸稈炭(WBC)和玉米秸稈炭(MBC)，由河南省三利新能源有限公司提供。炭化溫度為350℃～550℃，滯留時間為1 h。2種生物質(zhì)炭分別經(jīng)粉碎并過1 mm篩，備用。生物質(zhì)炭全碳和全氮含量采用C、N元素分析儀測定[AOAC 990/03，艾力蒙塔貿(mào)易(上海)有限公司]，其他性質(zhì)的測定按照魯如坤[22]方法進行。其中，玉米秸稈炭pH為9.65、全碳507.4 g/kg、全氮2.10 g/kg、全磷8.37 g/kg、全鉀9.33 g/kg；小麥秸稈炭pH為9.51、全碳476.6 g/kg、全氮4.34 g/kg、全磷2.47 g/kg、全鉀10.00 g/kg。

1.2 試驗設計

本試驗通過盆栽方法，采用兩因素(土壤類型和生物質(zhì)炭類型)試驗設計。生物質(zhì)炭(WBC和MBC)分別以1%的施入量分別與兩種土壤(壤質(zhì)潮土和粘質(zhì)潮土)混勻，其中壤質(zhì)潮土中小麥秸稈炭和玉米秸稈炭處理分別用L-WBC、L-MBC表示；粘質(zhì)潮土中小麥秸稈炭和玉米秸稈炭處理分別用C-WBC、CMBC表示，并分別設置不施炭作為對照(L-CK和CCK)，共6個處理，每個處理設置3個重復。盆栽試驗每盆裝土2 kg (干重計)，施肥量設置為N 150 mg/kg和P2O533 mg/kg，分別以尿素和過磷酸鈣作為基肥一次性施入。將土壤與生物質(zhì)炭、肥料充分混勻，每盆土壤容重均控制在1.1 g/cm3。沿盆壁緩慢注入去離子水，充分潤濕土壤并達到田間持水量水平。靜置一周后進行玉米播種。本研究所選玉米品種為鄭單958。玉米種子經(jīng)雙氧水消毒后，每盆播種10粒種子。出苗一周后間苗，保留長勢均勻一致的玉米植株，每盆保留3株。

本試驗在河南農(nóng)業(yè)大學第三生活區(qū)溫室大棚內(nèi)進行，于2019年5月18日播種，每天早晚根據(jù)每盆重量調(diào)節(jié)土壤含水量，使之保持在田間持水量的65%左右。每天隨機調(diào)換盆栽擺放位置，保證每盆植株生長條件一致。日常記錄玉米生長狀況。出苗40天后，采集土壤和玉米植株樣品用于理化性質(zhì)及生理生化指標測定。

1.3 樣品采集

根際土壤樣品的采集采用抖根法。每盆土壤樣品采集后，挑去其中的根系和植株殘體并過1 mm篩，采用四分法分成兩部分，一部分存放于4℃冰箱，進行土壤酶活性、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的測定。另一部分自然風干，用于其他土壤理化性質(zhì)的測定。

苗期植株樣品采集時，將地上部和地下部剪開，用蒸餾水沖洗根系和葉面的土壤顆粒等雜質(zhì)。剪下每株玉米的最新完全展開葉，用錫紙包裹后置于液氮中冷凍，取出后置于－80℃保存，用于植株抗性酶活性的測定。其余地上部和根系樣品分別置于烘箱，105℃殺青0.5 h后，75℃烘干至恒重，然后稱重，分別得到地上部和地下部干重。烘干樣品粉碎后，用于養(yǎng)分含量的測定。

1.4 分析項目和測定方法

生物量的測定：烘干法。

根系構型：采用根系掃描儀(Perfectioon v700 Photo，Epson)測定。

葉綠素含量：采用SPAD儀測定。

超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量：葉片組織上清液的制備按照李合生[23]的方法，采用試劑盒法測定，根據(jù)試劑盒使用說明書(上海晶抗生物工程有限公司)進行操作。

植株養(yǎng)分含量：參照魯如坤[22]的方法，采用H2SO4-H2O2消煮，其中，植株氮含量采用半微量開氏法測定，植株磷含量采用鉬銻抗比色法測定，植株鉀含量采用火焰光度法測定。

土壤理化性質(zhì)的測定：參照魯如坤[22]的方法，其中，土壤pH采用水土比為2.5∶1；土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱容量法測定；土壤全氮采用半微量開氏法測定；土壤NH4+-N采用2 mol/L KCl溶液浸提—靛酚藍比色法測定；土壤NO3--N采用2 mol/L KCl溶液浸提—雙波長比色法測定；土壤速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3溶液浸提—鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用1 mol/L NH4Ac浸提—火焰光度法測定。

土壤酶活性測定：β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase activity)、木糖苷酶 (β-1,4-xylosidase activity)、β-纖維二糖水解酶(β-cellobiohydrolase activity)、乙酰氨基葡萄糖苷酶 (β-1,4-N-acetylglucosaminidase activity)、亮氨酸氨基肽酶(leucine amino peptidase activity)和磷酸單酯酶(phosphomionoesterase activity)活性采用抗體夾心法測定，根據(jù)試劑盒使用說明書(上海晶抗生物工程有限公司)進行操作。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

歸一化酶活性的計算采用多屬性決策法，對本研究中測定的6種土壤酶活性按照以下公式分別進行歸一化處理，然后將每個處理歸一化的6種酶活性值相加求算術平均數(shù)，得到每個處理的歸一化酶活性值。

式中，X代表不同酶活性值，i代表酶種類，Xi′代表歸一化酶活性值。

使用Microsoft Excel 2019 軟件進行數(shù)據(jù)的整理和圖表制作。用SPSS 23.0進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。方差分析(ANOVA)采用單因素方差分析，采用LSD法進行差異顯著性檢驗，P<0.05為顯著。本研究中所有的試驗數(shù)據(jù)均以平均值±標準差的形式呈現(xiàn)。

2 結果與分析

2.1 生物質(zhì)炭對苗期玉米生物量的影響

生物質(zhì)炭對苗期玉米生物量的影響在不同質(zhì)地潮土中的表現(xiàn)不同(表2)，且在不同類型生物質(zhì)炭之間差異顯著。在粘質(zhì)潮土中，與對照相比，施用WBC和MBC均對苗期玉米地上部和地下部生物量沒有顯著影響。在壤質(zhì)潮土中，WBC處理下地上部生物量比對照顯著增加了43.7%，而MBC處理沒有表現(xiàn)出顯著影響，且WBC處理顯著高于MBC處理。同時，在壤質(zhì)潮土中，苗期玉米根系生物量WBC處理比MBC處理顯著增加了45.1%。因此，在壤質(zhì)潮土中生物質(zhì)炭能夠促進苗期玉米生物量的增加，且WBC效果優(yōu)于MBC，而在粘質(zhì)潮土中沒有顯著影響。

表2 不同處理玉米地上部和地下部生物量Table 2 Shoot and root biomass of maize under different treatments

2.2 生物質(zhì)炭對苗期玉米根系構型的影響

從玉米根系構型(表3)上看，在壤質(zhì)潮土中，WBC處理改善了苗期玉米根系構型，其中，總根長與對照相比顯著增加了34.3%，根表面積增加了34.3%，根體積增加了34.8%，而根平均直徑和根尖數(shù)與對照相比沒有顯著性差異。MBC處理在壤質(zhì)潮土中與對照之間各指標均沒有顯著差異。在粘質(zhì)潮土中生物質(zhì)炭對玉米根系構型的影響較小，只有MBC處理比對照顯著增加了根體積和根尖數(shù)，WBC和對照之間沒有顯著差異。從兩種炭處理來看，在壤質(zhì)潮土中WBC處理比MBC顯著提高了總根長、根表面積、根體積和根尖數(shù)，而在粘質(zhì)潮土中兩種炭處理之間沒有顯著性差異。因此，在粘質(zhì)潮土中兩種生物質(zhì)炭對玉米根系構型沒有顯著影響，而在壤質(zhì)潮土中施用WBC能夠改善苗期玉米根系構型。

表3 不同處理玉米根系構型Table 3 Root architecture of maize under different treatments

2.3 生物質(zhì)炭對苗期玉米地上部養(yǎng)分含量的影響

表4顯示了不同生物質(zhì)炭處理對苗期玉米地上部養(yǎng)分含量的影響。對于壤質(zhì)潮土來說，與對照相比，生物質(zhì)炭的施用對玉米地上部全氮含量沒有顯著影響，而顯著影響全磷和全鉀含量，其中，WBC處理使玉米全磷含量顯著增加23.5%，WBC和MBC處理顯著增加全鉀含量，增加幅度分別為28.7%～21.44%，且與MBC處理相比，WBC處理下玉米全磷含量顯著增加了40.0%，全鉀含量顯著增加了6.0%；對于粘質(zhì)潮土來說，與CK相比，2種生物質(zhì)炭的施用對玉米全氮和全磷含量均沒有表現(xiàn)出顯著影響，但MBC處理顯著增加了玉米全鉀的含量，增加幅度為10.8%，且MBC處理顯著高于WBC。表明生物質(zhì)炭在壤質(zhì)潮土中能夠有效促進作物對磷、鉀養(yǎng)分的吸收。

表4 不同處理玉米苗期地上部養(yǎng)分含量Table 4 Shoot nutrient content of maize seedling under different treatments

2.4 生物質(zhì)炭對苗期玉米葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量的影響

潮土中施用生物質(zhì)炭能夠影響玉米苗期葉片SOD活性和MDA含量(圖1)。在壤質(zhì)潮土中，與CK相比，生物質(zhì)炭的施用顯著降低了玉米葉片中MDA含量，其中WBC和MBC處理分別降低53.8%和46.6%，且MBC和WBC處理之間沒有顯著性差異。在粘質(zhì)潮土中，MBC和WBC處理的MDA含量降低幅度分別為55.3%和32.7%，同樣，兩種生物質(zhì)炭處理之間沒有顯著差異。壤質(zhì)潮土中施用生物質(zhì)炭對SOD活性沒有顯著影響，而在粘質(zhì)潮土中MBC處理比CK顯著提高SOD活性達66.4%。

圖1 不同處理玉米地上部MDA含量和SOD活性的影響Fig. 1 MDA contents and SOD activity in maize shoot under different treatments

2.5 生物質(zhì)炭對根際土壤理化性質(zhì)的影響

生物質(zhì)炭在壤質(zhì)潮土和粘質(zhì)潮土中均能改善土壤理化性質(zhì)(表5)。其中，pH在2種土壤中各處理間沒有顯著差異。與對照相比，2種生物質(zhì)炭均顯著增加了壤質(zhì)潮土中土壤有機碳(SOC)含量，而在粘質(zhì)潮土中只有玉米秸稈炭處理下SOC含量顯著增加。全氮含量在壤質(zhì)潮土中各處理間沒有顯著差異，而粘質(zhì)潮土中MBC比對照增加了0.26 g/kg。銨態(tài)氮含量在兩種潮土中均較低，且與對照相比，生物質(zhì)炭處理均沒有顯著性差異，而在粘質(zhì)潮土中，WBC比MBC處理下銨態(tài)氮含量提高1.53 mg/kg。生物質(zhì)炭處理下2種土壤中硝態(tài)氮含量均比對照表現(xiàn)出降低趨勢，其中壤質(zhì)潮土中降低幅度為34.7%～45.9%，粘質(zhì)潮土比對照降低44.0%～53.3%，且兩種生物質(zhì)炭之間沒有顯著差異。速效磷含量在生物質(zhì)炭處理下表現(xiàn)出增加趨勢，在壤質(zhì)潮土中MBC處理比對照顯著增加25.4%，WBC處理沒有顯著性差異。在粘質(zhì)潮土中，2種炭處理下速效磷含量比對照顯著增加15.03%。而速效鉀的含量只有壤質(zhì)潮土中MBC比對照表現(xiàn)出顯著增加趨勢，與WBC相比，MBC處理下速效鉀含量顯著增加35.1%，WBC與CK差異并不顯著，在粘質(zhì)潮土中各處理間沒有顯著差異。另外，生物質(zhì)炭在粘質(zhì)潮土中顯著增加了土壤CEC，且MBC處理比WBC顯著增加了7.5%，而在壤質(zhì)潮土中各處理間沒有顯著差異。

表5 不同處理玉米根際土壤理化性質(zhì)Table 5 The physical and chemical properties of maize rhizosphere soil under different treatments

2.6 生物質(zhì)炭施用對根際土壤胞外酶活性的影響

2.6.1 碳循環(huán)相關酶活性 圖2表明，在粘質(zhì)潮土中，與不施炭相比，MBC顯著增加了β-葡萄糖苷酶、木糖苷酶和β-纖維二糖水解酶活性，增加幅度分別為12.3%、21.5%和22.1%；WBC對木糖苷酶和β-纖維二糖水解酶活性表現(xiàn)出顯著增加效應，增加幅度分別為22.2%和17.2%，而對β-葡萄糖苷酶沒有顯著影響。在壤質(zhì)潮土中，β-葡萄糖苷酶活性在不同處理間沒有顯著性差異，而WBC處理比對照顯著增加了木糖苷酶的活性，而且WBC和MBC均顯著提高了β-纖維二糖水解酶活性，提高幅度分別為17.7%和17.5%。然而在不同質(zhì)地潮土中，對3種酶活性的影響在兩種生物質(zhì)炭之間均沒有顯著性差異。研究結果表明，生物質(zhì)炭施用于潮土中能夠促進根際土壤碳循環(huán)相關酶活性的提高，促進碳周轉，且在粘質(zhì)潮土中促進的效應高于壤質(zhì)潮土，而兩種類型炭處理之間沒有顯著差異。

圖2 不同處理玉米根際土壤β-葡萄糖苷酶、木糖苷酶和纖維二糖水解酶活性Fig. 2 The activities of β-glucosidase, xylosidase and β-cellobiosehydrolase in maize rhizosphere soil under different treatments

2.6.2 氮循環(huán)相關酶活性 生物質(zhì)炭對潮土中氮循環(huán)相關酶活性的影響在壤質(zhì)潮土中明顯大于粘質(zhì)潮土(圖3)。其中，與不施炭相比，WBC施用于壤質(zhì)潮土中顯著增加了亮氨酸氨基肽酶和乙酰-氨基葡萄糖苷酶活性，增加幅度分別為20.3%和12.6%，MBC沒有表現(xiàn)出顯著差異，且WBC處理下亮氨酸氨基肽酶活性顯著高于MBC處理。在粘質(zhì)潮土中，2種生物質(zhì)炭施用對亮氨酸氨基肽酶活性均沒有顯著影響，而WBC顯著提高了乙酰-氨基葡萄糖苷酶活性達15.1%，MBC沒有顯著影響。因此，總體上來看，在壤質(zhì)和粘質(zhì)潮土中添加WBC能夠促進根際土壤氮素周轉，而MBC沒有顯著影響。

圖3 不同處理玉米根際土壤亮氨酸氨基肽酶和乙酰-氨基葡萄糖苷酶活性Fig. 3 The activities of leucine aminopeptidase and acety-lglucosaminidase in maize rhizosphere soil under different treatments

2.6.3 磷酸單酯酶活性 生物質(zhì)炭在潮土中施用具有促進磷素轉化的作用(圖4)。在粘質(zhì)潮土中，WBC和MBC處理均顯著增加磷酸單酯酶活性，分別比對照增加了15.6%和24.4%，而2種生物質(zhì)炭處理之間沒有顯著性差異。在壤質(zhì)潮土中，小麥秸稈炭處理比不施炭顯著提高磷酸單酯酶活性14.4%，而MBC處理未表現(xiàn)出顯著性差異。因此，生物質(zhì)炭在兩種質(zhì)地潮土中施用對根際土壤磷素的周轉具有促進作用，在粘質(zhì)潮土中2種炭處理均具有促進效應，而壤質(zhì)潮土中小麥秸稈炭促進效果較好。

圖4 不同處理玉米根際土壤磷酸單酯酶活性Fig. 4 The phosphomonesterase activity in maize rhizosphere soil under different treatments

2.6.4 歸一化酶活性 生物質(zhì)炭施入能夠顯著增加根際土壤歸一化酶活性，促進土壤養(yǎng)分周轉(圖5)。在粘質(zhì)潮土中，MBC和WBC處理下歸一化酶活性均比對照顯著提高了14.1%，且2種生物質(zhì)炭之間沒有顯著性差異。而在壤質(zhì)潮土中，MBC和WBC處理下歸一化酶活性分別比對照顯著提高了7.0%和13.7%，且WBC處理顯著高于MBC處理。

圖5 不同處理玉米根際土壤歸一化酶活性Fig. 5 The normalized enzyme activity in maize rhizosphere soil under different treatments

3 討論

生物質(zhì)炭施用對作物生長的影響目前已有大量文獻報道[24-26]。很多文獻指出，生物質(zhì)炭能夠增加玉米對養(yǎng)分的吸收，促進玉米的生長[19,27-28]。Liu等[13]通過整合分析發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭施用于土壤后作物產(chǎn)量比對照平均增加11%，同時該研究指出，生物質(zhì)炭對作物生長的影響在不同土壤和生物質(zhì)炭條件下具有很大的變異性，與土壤質(zhì)地、pH、有機質(zhì)含量、生物質(zhì)炭類型及用量等因素相關。本研究結果也發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭在潮土中施用具有增加苗期玉米生長的效應，然而在不同土壤條件和生物質(zhì)炭類型之間表現(xiàn)出差異。其中，在壤質(zhì)潮土中施用小麥秸稈炭顯著增加玉米生物量，而玉米秸稈炭處理差異不顯著，且在粘質(zhì)潮土中兩種炭對玉米生長均沒有顯著影響。這與Chen等[12]的觀點一致，即生物質(zhì)炭施用于農(nóng)田土壤中，對作物生長的影響與生物質(zhì)炭的性質(zhì)(原料和裂解溫度等)和土壤條件(土壤有機碳含量、pH和質(zhì)地等)等因素有關。Major等[27]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭在粘質(zhì)土壤中第一年對玉米產(chǎn)量沒有顯著影響，而在第二年之后大幅度提高玉米產(chǎn)量，然而Niu等[29]研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭施用于砂壤土中對玉米生長沒有顯著性影響。本研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭在壤質(zhì)潮土中對苗期玉米生物量具有增加的效應，而在粘質(zhì)潮土中沒有顯著影響。生物質(zhì)炭對作物生長的影響在不同土壤條件下的差異一方面可能與土壤肥力的高低相關。在不同土壤肥力之間，El-Naggar等[30]研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭對作物產(chǎn)量的促進效應具有普遍性，然而在肥力偏低或退化土壤中的效果優(yōu)于肥力較高或者健康的土壤。Liu等[13]和Jeffery等[14]的研究也證實，生物質(zhì)炭在偏砂及有機質(zhì)含量較低的土壤對作物生長具有更好的促進效果。而在本研究中，粘質(zhì)潮土的養(yǎng)分含量均較壤質(zhì)潮土高。另一方面，生物質(zhì)炭的用量、原料等因素的不同也會在不同土壤條件下對作物生長產(chǎn)生不同的效應。當然，該效應與生物質(zhì)炭的性質(zhì)密切相關。本研究結果表明，在壤質(zhì)潮土中，小麥秸稈炭顯著影響苗期玉米地上部和地下部生物量，而玉米秸稈炭影響很小。由于不同原料或不同生產(chǎn)條件下得到的生物質(zhì)炭性質(zhì)具有很大的不同，包括生物質(zhì)炭自身的養(yǎng)分含量、含氧官能團數(shù)量和吸附性能等[31]，所以對土壤的調(diào)控和對作物生長的影響也具有很大的差異。因此，在不同的土壤條件下，應該探索適宜的生物質(zhì)炭農(nóng)田應用方式。

本研究結果表明，兩種土壤中生物質(zhì)炭施用在促進苗期玉米生長的同時能夠提高作物抗性，包括能夠降低葉片MDA含量，并提高超氧化物歧化酶(SOD)活性。該結果與Farhangi-Abriz等[32]和Liu等[33]研究結果一致，即生物質(zhì)炭在豆科和玉米等作物生產(chǎn)中能夠提高作物的抗脅迫性能。生物質(zhì)炭通過改善土壤養(yǎng)分供給、微生物活性和土壤物理條件等，為作物生長提供良好的生存條件，提高作物對養(yǎng)分的吸收，提高光合效率[34]。因此，能夠保障作物的健康生長，從而提高其生理抗性。這可能是生物質(zhì)炭施用于農(nóng)田土壤中能夠促進作物生長的原因之一。

生物質(zhì)炭對作物生長的促進作用也與土壤肥力的提高有關。其中包括改善土壤結構、提高土壤養(yǎng)分有效性、改善微生物群落結構并提高微生物活性等。Blanco-Canqui[35]研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭施用于土壤中能夠降低土壤緊實度，并提高土壤保水性。然而本研究是在水分充足的盆栽試驗中進行的，并且土壤容重保持一致。因此，土壤含水量和容重不是影響作物生長的因子。而生物質(zhì)炭對土壤養(yǎng)分有效性的影響可能是主要因素。因為本研究結果表明，生物質(zhì)炭對土壤速效磷和速效鉀均具有增加效應，而且生物質(zhì)炭處理下植株磷鉀養(yǎng)分含量也比對照顯著提高。土壤磷鉀等養(yǎng)分有效性的提高保障了作物生長過程中對養(yǎng)分的需求，從而促進作物生長。生物質(zhì)炭對土壤磷鉀養(yǎng)分的提高一方面與其自身含有大量養(yǎng)分有關，特別是在生物質(zhì)炭施入土壤后的短期之內(nèi)，部分養(yǎng)分能夠直接釋放到土壤溶液中被作物吸收利用[36-39]。另一方面，生物質(zhì)炭施用于土壤中能夠增加土壤微生物量和微生物活性[40]，特別是與土壤養(yǎng)分循環(huán)相關的微生物和酶活性的提高，能夠促進養(yǎng)分的周轉，持續(xù)保障土壤養(yǎng)分供給。本研究結果也發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭處理下，土壤中與碳氮磷循環(huán)相關的酶活性均表現(xiàn)出增加效應。這與Zhang等[20]和Pokharel等[21]的研究結果一致。生物質(zhì)炭中含有的易分解態(tài)有機質(zhì)以及溶解態(tài)養(yǎng)分能夠供給微生物的代謝利用，提高土壤微生物的活性[41-42]，促進土壤中有機物質(zhì)的分解和養(yǎng)分的釋放。同時，本研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭處理與對照相比顯著降低了土壤中硝態(tài)氮含量。這與Nguyen等[43]的研究結果一致。硝態(tài)氮含量的降低表明生物質(zhì)炭能夠降低土壤中氮素的淋失，特別是在土壤肥力較高的土壤中能夠在保障作物生長的條件下提高氮素利用效率?？傊镔|(zhì)炭施用于潮土能夠提高土壤微生物和酶活性，保障土壤養(yǎng)分供給。

生物質(zhì)炭施用于土壤中可能通過對作物根系構型的改善而促進作物生長。本研究結果發(fā)現(xiàn)，在粘質(zhì)潮土中生物質(zhì)炭對玉米根系構型影響較小，而在壤質(zhì)潮土中通過施用小麥秸稈炭能夠改善苗期玉米根系構型，特別是總根長、根體積和根表面積顯著高于對照。Xiang等[44]通過整合分析研究也發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭處理比對照顯著提高作物根系生物量，并且改善根系構型，特別是總根長、根表面積和根尖數(shù)大幅度提高。Liu等[45]也發(fā)現(xiàn)，在玉米生產(chǎn)中施用生物質(zhì)炭能夠改善玉米根系構型，促進根系生長。生物質(zhì)炭自身含有的多種養(yǎng)分元素，以及其中的有機活性成分對作物根系生長具有促進作用[46]。另外，生物質(zhì)炭施用于土壤能夠影響作物根系和土壤之間的交互作用。首先，研究發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭處理能夠增加根系分泌物如氨基酸、植物生長素和脫落酸等的釋放[47]。這些促生物質(zhì)一方面能夠進一步促進根系的生長，另一方面有機酸類物質(zhì)進入土壤中，通過改變根際土壤pH和影響根際微生物群落結構和活性而改變土壤養(yǎng)分有效性[48]，從而促進作物對養(yǎng)分的吸收和作物生長。其次，生物質(zhì)炭與肥料配施能夠增加土壤氧化還原電位和土壤與根細胞膜之間的電位差，這可能是生物質(zhì)炭促進作物根系吸收養(yǎng)分的原因之一[49]。同時，生物質(zhì)炭對作物根系的影響也存在很大的變異性，在不同土壤條件、生物質(zhì)炭類型等因素之間具有很大差別。因此，生物質(zhì)炭對作物生長的影響應該通過研究生物質(zhì)炭-根際-根系之間的交互作用，從根際土壤微生物活性和養(yǎng)分調(diào)控過程等角度進一步探索其影響機制，同時，基于田間試驗，進行作物全生育期的生長監(jiān)測，探索生物質(zhì)炭對農(nóng)田作物生長的長期效應及其作用機制。

4 結論

生物質(zhì)炭施入不同質(zhì)地潮土中對玉米苗期生長以及根際土壤養(yǎng)分的影響不同。在壤質(zhì)潮土中小麥秸稈炭對玉米的生長，包括生物量和根系構型等，均具有顯著促進作用，且小麥秸稈炭比玉米秸稈炭具有更好的促進效應。在粘質(zhì)潮土中，生物質(zhì)炭對玉米生長沒有顯著性影響。生物質(zhì)炭在潮土中能夠降低苗期玉米葉片MDA含量并提高超氧化物歧化酶(SOD)活性，提高苗期玉米的抗性。兩種生物質(zhì)炭施用于壤質(zhì)潮土中均對作物地上部鉀磷養(yǎng)分積累有促進作用，而在粘質(zhì)潮土中沒有顯著影響。在兩種潮土中施用生物質(zhì)炭均能改善根際土壤理化性質(zhì)，并提高根際土壤中與碳氮磷循環(huán)相關的胞外酶活性，促進土壤養(yǎng)分循環(huán)。因此，在潮土中施用生物質(zhì)炭能夠提高作物生產(chǎn)力和抗性，提高土壤肥力并調(diào)控土壤養(yǎng)分循環(huán)，但該效應與土壤條件和生物質(zhì)炭類型相關。