生物炭（Biochar）是由生物质在部分或完全缺氧的情况下经低温热裂解炭化产生的一类高度芳香化难溶性固态物质。具有极高的化学稳定性、热稳定性和微生物稳定性^{[1, 2]}，是黑碳的一种存在形式^[3]。作为土壤改良的理想材料，生物炭因具有提高土壤肥力^[4]和土壤C/N比^[5]、改善土壤持水性^[6]、吸附土壤污染物^[7]、为植物提供矿质养分^[8]和增加作物产量^[9]等作用受到人们极大的关注，成为目前研究的热点。

在土壤生态系统中，土壤微生物不仅是土壤有机质分解与腐殖质形成过程的主要参与者，为土壤有机质和N、P、S等的转化和循环提供动力^{[3, 10]}，而且也是土壤质量可持续性演变的重要指标，对土壤肥力的形成和维持生态系统稳定性发挥着重要的作用。长期施用生物炭，可以显著提高土壤微生物量^{[5, 11]}，改善土壤微生物的生存环境，进而为土壤微生物生长提供良好的栖息场所，促进微生物活动，增加土壤生物多样性^{[12, 13]}。基于室内培养试验，Dempster等^[14]发现高量木材生物炭施用后相比对照能够显著降低微生物量碳；而Castaldi等^[15]在田间试验中发现，添加热解温度为500 ℃的木材生物炭3个月和14个月后，土壤微生物量并无显著变化。以上结论说明生物炭对土壤微生物量的影响差异较大，这种差异性可能与生物炭自身性质（材料类型、热解温度、相对稳定性）、试验条件与施用时间等有关^[16]。

农作物秸秆作为重要的有机肥源之一，其还田后能够向土壤中输送大量的可溶性有机碳、氮，为土壤微生物繁殖提供所需营养，从而加强微生物活性，提高土壤微生物量^{[17, 18]}。张静等^[19]认为秸秆还田能够使土壤微生物固持碳、氮的效果增强，从而提高土壤的供肥水平。周文新等^[20]研究发现，秸秆还田有利于改善土壤微生物群落结构和功能，增加土壤细菌数量，提高土壤微生物群落的代谢能力与功能多样性。

然而到目前为止，关于添加生物炭与秸秆还田对土壤微生物量的影响缺乏深入的对比分析，且大多数研究为短期培养试验，基于长期定位试验的研究还很少。本研究在华北高产农田连续7年施用生物炭试验的基础上，测定了2014年整个玉米生育期土壤微生物量碳、氮（MBC、MBN）的动态变化，试图明确添加不同量生物炭及秸秆还田对土壤微生物量的影响，为深入研究生物炭在农业生产上的综合应用提供理论依据。

试验区地处华北平原，位于山东省淄博市桓台县华北集约农业生态系统试验站，坐标 117°58′E，36°57′N，海拔17.0 m；气候属于暖温带大陆性季风气候，年平均气温 11.8～12.9 ℃，年平均日照时数 2 832.7 h，日照率 62%，年平均降水量 542.8 mm，主要集中在6至9 月。作物种植方式为冬小麦（10月初至次年6月初）-夏玉米（6月中旬至9月中旬）一年两熟制。土壤类型为砂姜潮湿雏形土，供试土壤的基本性质见表 1。

表 1 供试土壤的基本性质 Table 1 Basic properties of tested soil

表选项

本试验选用的生物炭是以玉米秸秆为原料，在360 ℃条件下经过24 h不完全燃烧制成的黑色粉末，购自辽宁金和福农业开发有限公司，其pH8.2，密度为0.297 g·cm^-3，含碳量65.7%，含氮量0.9%，有效钾含量1.6%，有效磷含量0.08%，灰分含量72.0%。供试玉米品种为郑单-958。

生物炭长期定位试验布置于2007年6月，共设置4个处理，采用随机区组设计，每个处理3次重复，小区面积为6 m×6 m=36 m²。具体处理为：对照，单施氮磷钾肥（CK）；生物炭4.5 t·hm^-2·a^-1+氮磷钾肥（C1）；生物炭9.0 t·hm^-2·a^-1+氮磷钾肥（C2）；秸秆还田+氮磷钾肥（SR）。其中秸秆全量粉粹还田量全部转化为生物炭大约为4.5 t·hm^-2，可以和C1处理形成对比。

所有处理均为等量氮、磷、钾设计，不同处理按照施入秸秆或生物炭氮、磷、钾的含量补充施用化肥，各处理氮磷钾肥平均用量分别为：N 200 kg·hm^-2·a^-1、P₂O₅ 52.5 kg·hm^-2·a^-1、K₂O 37.5 kg·hm^-2·a^-1，其中氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为硫酸钾。氮磷钾肥和生物炭的用量平均分配冬小麦季和夏玉米季，氮肥一半作为基肥，一半作为追肥。生物炭和氮磷钾肥均撒施后，进行15 cm深度旋耕，秸秆还田在上一季小麦收获时粉碎还田，其余处理则移出上一季小麦秸秆。试验期间田间基本管理措施如下：夏玉米播种于2014年6月13日，7月27日进行追肥灌水，9月30日收获。

玉米播种后，每周采样一次，各处理随机选取5个点，采集0~10 cm土样进行混匀，手工拣去植物砾石、残体等，过2 mm筛，装入自封袋，一部分4 ℃下保存用于测定土壤MBC、MBN，另一部分土样用于测定土壤含水量。

土壤温度和水分：土壤温度采用自动传感器（HOBO-H8，北京）进行原位监测，监测深度为5 cm；土壤含水量使用烘干法进行测定（105 ℃，24 h）^[21]。土壤MBC（MBN）：采用氯仿熏蒸提取法^[22]，称取2份10 g的鲜土置于培养箱中25 ℃培养10 d。培养过程中密闭容器内的土壤样品调节到40%左右的田间持水量，并在其中放置装有NaOH溶液的小烧杯，用于吸收土壤培养过程中释放的CO2。培养结束后，取出各处理中一份土壤用氯仿进行熏蒸，另外一份土壤不进行熏蒸作为对照。避光放置24 h后用0.5 mol·L^-1 K₂SO₄振荡0.5 h后过滤（土水比=1∶4）放入离心管中，提取液先过滤膜再使用multi N/C 2100/2100S TOC分析仪（Jena，德国）测定，然后计算土壤MBC（MBN）含量，公式^[22] 为：

利用Microsoft Office Excel 2007进行数据整理、相关数据回归分析和图形制作，相关性分析和方差分析用SPSS 20.0完成，显著性水平选择P＜0.05，季节变异程度用变异系数（CV）来描述。

如图 1所示，在玉米的生育期内，各处理土壤MBC的变化趋势基本一致，均呈现双峰波动曲线，两次峰值分别出现在7月13日和9月7日。7月13日之前，与CK相比，C1和SR处理对土壤MBC含量的影响较小，其增加幅度分别为37.20%~62.20%和29.29%~52.65%；而C2处理下的土壤MBC含量较CK显著增加（P＜0.05），增加幅度为43.43%到108.75%。将SR处理与C1处理相比，土壤MBC含量无显著差异（P>0.05）；比较SR与C2处理，SR处理下MBC含量却显著低于C2处理（P＜0.05）。7月13日，各处理MBC均达到了最高值，分别为242.64 μg·g^-1（CK）、352.44 μg·g^-1（C1）、496.81 μg·g^-1（C2）和402.43 μg·g^-1（SR），且C1、C2和SR处理与CK相比呈现显著增加趋势（P＜0.05）；相比SR，C2处理的MBC显著高于SR处理（P＜0.05），而C1处理的MBC显著低于SR处理（P＜0.05）。此后各处理MBC含量逐渐降低，其中在7月27日进行追肥后土壤MBC的变化不明显，到8月24日达到最低值，之后逐渐回升，9月中旬出现第二个峰值。总体来看，添加生物炭（C1、C2）和秸秆还田（SR）处理的土壤MBC与CK相比差异显著（P＜0.05），分别比CK提高了105.2%、146.5%和96.4%，且C2处理的土壤MBC含量显著高于其他处理（P＜0.05），土壤MBC含量的大小为C2>SR>C1>CK，但SR处理的土壤MBC与C1处理相比，没有达到显著水平（P>0.05）。

图 1 不同处理下整个玉米生育期土壤微生物量碳（MBC）的变化 Figure 1 Variation of soil microbial biomass carbon（MBC） in different treatments during maize growing season

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图 2表示的是整个玉米生育期不同处理土壤MBN含量的变化。在玉米生育期内，各处理土壤MBN含量的动态变化趋势基本一致，呈现双峰波动曲线，与土壤MBC的变化相似，两次峰值也分别出现在7月13日和9月7日。7月13日之前，与CK对比，C1、C2和SR处理均显著增加了土壤MBN含量（P＜0.05），其增加幅度分别为99.49%~158.74%、62.30%~190.85%和56.03%~102.39%；C1和C2处理下的MBN含量均高于SR处理，且均达到显著性差异（P＜0.05）。最高峰值出现在7月13日，分别为81.0（CK）、121.1（C1）、172.6（C2）、134.7（SR）μg·g^-1，且C1、C2和SR处理与CK相比显著增加（P＜0.05），相比SR，C2处理的MBN显著高于SR处理（P＜0.05），而C1处理的MBN与SR处理无显著差异（P>0.05）。此后各处理土壤MBN含量逐渐下降，其中在7月27日进行追肥后土壤MBN的变化不明显，到8月24日达到最低值，之后又有回升的趋势，9月7日达到第二个峰值。在整个玉米生育期，生物炭处理和秸秆还田处理的土壤MBN含量显著高于单施化肥处理（P＜0.05），与CK相比，C1、C2和SR处理的土壤MBN含量分别提高了123.9%、183.6%和114.3%，且C2处理的土壤MBN含量显著高于其他处理（P＜0.05），土壤MBN含量的大小为C2>SR>C1>CK，但SR与C1处理下的土壤MBN相比，没有显著性差异（P>0.05）。

图 2 不同处理下整个玉米生育期土壤微生物量氮（MBN）的变化 Figure 2 Variation of soil microbial biomass nitrogen（MBN） in different treatments during maize growing season

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不同处理土壤MBC/MBN的变化见图 3。各处理土壤MBC/MBN的变化均以不规则的多峰波动曲线为主，且各处理波动趋势不相同。CK、C1和C2处理的土壤MBC/MBN到8月初均出现第一个峰值，其大小顺序为CK>C1>C2，而SR处理在6月底出现。CK和SR处理的土壤MBC/MBN在9月中旬达到最高峰，其值分别为8.5、8.0；C1和C2处理在9月中下旬均达到最高峰，其值分别为8.2和8.4。统计分析表明，整个玉米生育期中各处理的土壤MBC/MBN较低，大部分时间其值都在4左右波动且基本处于同一水平，分别为4.46±1.66（CK）、4.24±1.86（C1）、4.36±1.96（C2）和4.38±1.81（SR）。不同处理下土壤MBC/MBN相对于CK的降幅仅为1.99%~5.08%。

图 3 不同处理下整个玉米生育期土壤微生物量碳氮比（MBC/MBN）的变化 Figure 3 Variation of soil microbial biomass carbon（MBC） to soil microbial biomass nitrogen（MBN） ratios in different treatments during maize growing season

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表 2给出不同处理下，土壤MBC、MBN及MBC/MBN的变异系数。相对于CK处理，施用生物炭可显著减少土壤MBC和MBN季节波动（P＜0.05），MBC和MBN的降幅分别为15.39%（C1）、36.99%（C2）和8.00%（C1）、20.39%（C2），均随着施用量的增加而增大，其中MBC的季节变化比MBN小。与CK相比，SR处理也表现为显著减少MBC和MBN的季节波动（P＜0.05），其降幅分别为21.26%和9.97%。C2处理下土壤MBC/MBN的变异系数最大，为44.98%，其余处理下土壤MBC/MBN则变化相对较少，其中CK 处理下土壤MBC/MBN最小，变异系数为37.93%。总体上看，土壤MBC/MBN的季节变化较MBC和MBN低，施用生物炭和秸秆还田处理下土壤MBC/MBN的季节波动无显著变化（P>0.05）。

表 2 不同处理下土壤微生物量碳、微生物量氮及碳氮比的变异系数（%） Table 2 Variation coefficients of MBC, MBN and MBC/MBN ratios in different treatments（%）

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土壤MBC、MBN与土壤温度的相关分析见图 4、图 5。土壤MBC与土壤温度表现出极显著的正相关关系（图 4，R²=0.253，P＜0.001），土壤MBN与土壤温度也表现出极显著的正相关关系（图 5，R²=0.489，P＜0.001）；而对土壤微生物量与土壤水分的相关性进行分析可以看出，土壤MBC（图 4，R²=0.002，P=0.779）和MBN（图 5，R²=0.001，P=0.779）均与土壤水分相关性很低。

图 4 土壤含水量和土壤温度与土壤微生物量碳的相关性分析 Figure 4 Correlations between soil moisture/soil temperature and MBC

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图 5 土壤含水量和土壤温度与土壤微生物量氮的相关性分析 Figure 5 Correlations between soil moisture/soil temperature and MBN

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土壤微生物量的变化是表征土壤微生物对生物炭响应的重要指标之一^[23]。生物炭自身特有的结构特征能够为微生物提供较大的栖息生存空间，调控并影响土壤微生物的生长发育，进而改变土壤微生物量。土壤MBC不仅是土壤碳库中最活跃的部分，而且也是土壤生物肥力的重要标志^[24]。土壤MBN作为土壤有机氮的重要组成部分，其数量虽少，却控制着土壤中碳、氮养分循环，因此对养分的供给与转化起重要作用^{[25, 26]}。本研究表明，施用生物炭显著提高了土壤MBC含量，与前人的结论一致^{[12, 16, 27, 28, 29]}。C2处理的土壤MBC、MBN含量整体变化趋势明显高于CK、C1和SR处理，说明施用高量生物炭有利于维持较高的微生物活性，能够提高土壤肥力，与陈心想等^[23]的报道类似。而Dempster等^[14]研究认为，高量生物炭抑制了土壤MBC，其原因或许是施用量（25 t·hm^-2）远高于本研究的生物炭用量，也可能与生物炭类型或土壤类型有关。SR处理在一定程度上也能提高土壤MBC和MBN含量。这是由于秸秆自身含有丰富的矿质养分及有机碳^{[27, 30, 31]}，能够促进微生物活动，进而增加土壤MBC和MBN含量^{[32, 33]}，但与C1处理的土壤MBC和MBN相比，均无显著性差异。各处理的土壤MBC和MBN含量在7月、9月中旬均出现峰值，和鲁宁^[34]的报道一致。这可能是由于7月中旬土壤水热条件较好，作物生长迅速，微生物活动旺盛，分解产生了大量的MBC、MBN，9月中旬处于灌浆成熟期，作物需要的养分逐渐减少，土壤中多余的碳源、氮源被固定在微生物体内，从而增加了土壤MBC和MBN含量。追肥后各处理的土壤MBC和MBN含量变化不明显，可能由于土壤微生物量对施氮作用反应较为缓慢而复杂，其原因还需进一步研究证实。本试验结果还显示，生物炭施用增加了土壤MBN，虽与陈心想等^[23]的结果一致，但与黄剑^[27]的结果却不尽相同。这可能是由于研究阶段和作物类型不同所导致，黄剑等研究的是冬小麦生育期间土壤MBC和MBN的变化情况，因冬季低温土壤冰冻，小麦的生长基本处于停滞状态，吸收养分较少，微生物活动减弱，故而通过同化作用转入微生物体内的氮素减少。

土壤MBC/MBN常常用来反映微生物群落的结构信息^[35]。本试验在生长季内土壤MBC/MBN基本处于同一水平，与Chan等^[36]的报道结果相吻合，说明向土壤中输入有机碳对土壤MBC/MBN影响较小^[37]。一般认为土壤微生物组成的不同是导致土壤MBC/MBN变化的缘由。诸多研究表明，细菌的MBC/MBN范围在3~6，而真菌的MBC/MBN范围在7~12^{[38, 39, 40]}。本文各处理下的土壤MBC/MBN在 9 月中旬或中下旬（处于秋季）达到最高峰，其值为8.0左右，可能是由于微生物量中含有较多的真菌。在整个玉米生育期中，各处理的土壤MBC/MBN值较低，多数在4左右，可能是微生物量中细菌占优势，Nemergut等^[41]发现夏季温度较高，促使植物代谢旺盛，向土壤中释放一些根际分泌物来刺激细菌繁殖，但到秋季植物停止生长，微生物主要以能够利用植物掉落物的真菌形式存在，这可能是出现该结果的另一个原因。生物炭施用量不同，会导致土壤MBC/MBN的变化也有所不同，这或许是因为微生物组成发生了变化，对此还需要通过分子生物学的方法来进一步确定。

在本研究中，整个玉米季土壤MBC和MBN呈现出明显的季节波动，与Zhang等^[42]的研究结论一致。变异系数可以用来表示季节波动的剧烈程度，有研究认为，施用生物炭显著增加土壤MBN的季节波动，这或许是源于高水平惰性碳能够固持土壤氮素及促进土壤微生物生长的综合效应，也可能是由生物炭的吸附性而带来的测量误差造成的^{[23, 27]}。而本试验发现，施用生物炭和秸秆还田均明显减少了土壤MBC和MBN的季节波动，说明施用生物炭和秸秆还田在一定程度上能够增加土壤环境的稳定性，其原因可能与添加的生物炭和秸秆本身的结构、特性有关，施用之后能够很好地被土壤微生物利用，改善了土壤环境，进而增强土壤组成的稳定性，对此还需要进一步的实验来加以验证。Kallenbach等^[37]研究发现，在生长季内土壤MBC/MBN基本上保持不变，处于相对稳定的比例。本文中各处理的土壤MBC/MBN的季节波动均无显著性的变化，结果与之相吻合。

微生物量对环境变化很敏感^[13]，如土壤温度和水分等，许多相关研究表明，土壤温度是影响微生物量碳氮的主要因素^{[43, 44, 45, 46]}。本试验土壤MBC、MBN与土壤温度均表现极其显著的正相关关系，与上述研究的结论相同。这可能是因为生物炭加深了土壤的颜色，使得土壤温度升高，进而促进土壤微生物的代谢活动^[47]。土壤MBC和MBN均与土壤水分相关性很低，与李世清等^[46]观点相符，而与Zhang等^[42]结果不同。Russell^[48]发现，在土壤颗粒表面只要有一定的水膜，就可以满足微生物的正常活动，同时由于田间试验的水分变化比室内试验复杂，而且受其他环境因素（如土壤pH、土壤养分物质等）的制约，也可能会产生这样的结果。

本文基于华北农田长期定位试验，研究了长期施用生物炭和秸秆还田对整个玉米生育期土壤微生物量的影响，主要结论如下：

（1）在玉米生育期内，不同处理下土壤MBC、MBN均呈现出相同的动态变化趋势，且各处理的土壤MBC、MBN含量均在拔节期达到最高峰。施用生物炭和秸秆还田可显著提高土壤MBC、MBN含量，与秸秆直接还田相比，施用高量生物炭有利于增加土壤MBC、MBN含量。

（2）施用生物炭显著降低了土壤MBC、MBN的季节波动，使土壤环境的稳定性增加。施用生物炭和秸秆还田对土壤MBC/MBN没有显著影响，各处理基本处于同一水平。

（3）在玉米生育期内，土壤MBC和MBN均与土壤温度有显著的正相关关系，而与土壤水分无明显相关性，说明土壤温度是影响玉米生育期土壤微生物量变化的主要环境因素。