全 文 ：生物炭对茶园土壤 ＣＯ２和 Ｎ２Ｏ排放量
及微生物特性的影响∗
胡雲飞∗∗　 李荣林　 杨亦扬
（江苏省农业科学院园艺研究所 ／江苏省高效园艺作物遗传改良重点实验室， 南京 ２１００１４）
摘　 要　 以茶叶修剪物制备的生物炭为试验材料，采集多年种植茶树的酸化土壤进行室内培
养试验，探究以 ０．５％、１．５％、２．５％和 ３．５％的不同生物炭比例添加至茶园土壤中，对茶园土壤
ＣＯ２和 Ｎ２Ｏ气体排放、ｐＨ值和微生物群落的影响．结果表明： 与空白对照处理相比，生物炭添
加在短期内对 ＣＯ２和 Ｎ２Ｏ气体排放具有一定的促进作用，增强 Ｃ、Ｎ 的矿化率，但促进作用随
着生物炭施用量的增加而减弱．不同生物炭处理对土壤 ｐＨ值、脱氢酶及微生物生物量碳具有
增加作用．检测土壤中不同标记的磷脂脂肪酸 ＰＬＦＡ 发现，添加 １．５％的生物炭处理组中土壤
磷脂脂肪酸含量最高，为（２０３．９３±３．１４） μｇ·ｇ－１，与对照差异显著（Ｐ＜０．０５） ．其中 １６：０、１４：０
（细菌）、１８：１ω９ｃ（真菌）、１０Ｍｅ１８：０（放线菌）标记含量较高，不同处理的单个磷脂脂肪酸含量
差异显著（Ｐ＜０．０５） ．表明添加生物炭能改善茶园酸性土壤，提升土壤微生物生物量及微生物
数量．
关键词　 矿化； 微生物生物量碳； 脱氢酶活性； 磷脂脂肪酸
文章编号　 １００１－９３３２（２０１５）０７－１９５４－０７　 中图分类号　 Ｓ５７１．１　 文献标识码　 Ａ
Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｂｉｏｃｈａｒ ｏｎ ＣＯ２ ａｎｄ Ｎ２Ｏ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｅａ ｇａｒｄｅｎ ｓｏｉｌｓ．
ＨＵ Ｙｕｎ⁃ｆｅｉ， ＬＩ Ｒｏｎｇ⁃ｌｉｎ， ＹＡＮＧ Ｙｉ⁃ｙａｎｇ （ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｈｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒｅ， Ｊｉａｎｇｓｕ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌ⁃
ｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ／ Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｈｏｒｔｉｃｕｌｔｕｒｅ Ｃｒｏｐ Ｇｅｎｅｔｉｃ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ， Ｎａｎｊｉｎｇ
２１００１４， Ｃｈｉｎａ） ． ⁃Ｃｈｉｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｅｃｏｌ．， ２０１５， ２６（７）： １９５４－１９６０．
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｏ ｃｌａｒｉｆｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｂｉｏｃｈａｒ ａｄｄｉｔｉｏｎ （０．５％， １．５％， ２．５％， ３．５％） ｏｎ ｔｈｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎ
ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ （ＣＯ２） ａｎｄ ｎｉｔｒｏｕｓ ｏｘｉｄｅ （Ｎ２Ｏ）， ｐＨ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅａ ｇａｒ⁃
ｄｅｎ ｓｏｉｌ， ａｎ ｉｎｄｏｏｒ ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ａｃｉｄｕｌａｔｅｄ ｔｅａ⁃ｐｌａｎｔｅｄ ｓｏｉｌ．
Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｏｆ ＣＯ２ ａｎｄ Ｎ２Ｏ ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｔｅ ｏｆ Ｃ， Ｎ ｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｉｎ⁃
ｃｒｅａｓｅｄ ｉｎ ａ ｓｈｏｒｔ ｔｅｒｍ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｃｈａｒ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ， ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｐｒｏｍｏｔｉｎｇ
ｅｆｆｅｃｔ ｗａｓ ｗｅａｋｅｎｅｄ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｃｈａｒ． Ｔｈｅ ｐＨ， ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｓｅ ａｃｔｉｖｉｔｙ
ａｎｄ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｂｉｏｍａｓｓ ｃａｒｂｏｎ ｗｅｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｂｉｏｃｈａｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ． Ｐｈｏｓｐｈｏｌｉ⁃ｐｉｄ ｆａｔｔｙ ａｃｉｄ
（ＰＬＦＡ） ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍａｒｋｅｒｓ ｗａｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ＰＬＦＡ ｗａｓ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｇｒｏｕｐ ｉｎ ｔｈｅ
１．５％ ｂｉｏｃｈａｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ （Ｐ＜０．０５） ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ． Ｉｎ ａｄｄｉ⁃
ｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｌｅｖｅｌｓ ｏｆ １６：０， １４：０ （ｂａｃｔｅｒｉａ）， １８：１ω９ｃ （ｆｕｎｇｉ）， １０Ｍｅ１８：０ （ａｃｔｉｎｏｍｙｃｅｔｅｓ）
ｇｒｏｕｐｓ ｗｅｒｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｗｅｒｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ （Ｐ＜０．０５） ｉｎ ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ｐｈｏｓｐｈｏｌｉｐｉｄ
ｆａｔｔｙ ａｃｉｄ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ． Ｔａｋｅｎ ｔｏｇｅｔｈｅｒ， ｔｈｅ ａｃｉｄｕｌａｔｅｄ ｔｅａ⁃ｐｌａｎｔｅｄ ｓｏｉｌ， ｓｏｉｌ
ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｂｉｏｍａｓｓ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｎｕｍｂｅｒ ｗｅｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｆｔｅｒ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｃｈａｒ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ； ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｂｉｏｍａｓｓ ｃａｒｂｏｎ； ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｓｅ ａｃｔｉｖｉｔｙ； ｐｈｏｓｐｈｏｌｉｐｉｄ ｆａｔｔｙ
ａｃｉｄｓ．
∗江苏省农业科技自主创新资金项目（ＣＸ（１４）５０１５）、江苏省科技
支撑计划项目（ＢＥ２０１３３３１，ＢＥ２０１３３１３，ＢＥ２０１３３３５）和苏州市科技
支撑计划项目（ＳＮＧ２０１３３３）资助．
∗∗通讯作者． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｈｕｙｕｎｆｅｉ＿１９８７＠ ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｍ
２０１４⁃０８⁃０６收稿，２０１５⁃０４⁃１０接受．
　 　 生物炭（或生物质炭 ｂｉｏｃｈａｒ⁃ｂｉｏｃｈａｒｃｏａｌ）是生 物质（或生物有机材料）在无氧或低氧环境中热裂
解产生的固态产物［１］ ． Ｓｏｍｂｒｏｅｋ 对亚马逊河谷古印
第安人遗迹黑色土壤（Ｔｅｒｒａ ｐｒｅｔａ）的研究引起了全
球众多学者对生物炭的广泛关注［２］ ．生物炭富含有
机碳，施用后可增加土壤有机碳含量，提高土壤养分
应 用 生 态 学 报　 ２０１５年 ７月　 第 ２６卷　 第 ７期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ， Ｊｕｌ． ２０１５， ２６（７）： １９５４－１９６０
吸持容量［３－４］；生物炭多数呈碱性，可提高酸性土壤
的 ｐＨ值及部分养分的有效性；同时生物炭自身含
有一定量的矿质养分，可改善贫瘠土壤的养分供
应［５］；具有较强的离子吸附交换性能，可改善土壤
阴、阳离子交换量，提高土壤保肥性能［６－７］ ．
土壤有机碳、氮是土壤中的主要营养成分，是评
价土壤质量的重要指标，反映可矿化碳、氮的库容，
其含量高低是限制微生物矿化作用强弱的因素［８］ ．
土壤中非有机态氮库的氮净矿化是微生物对土壤氮
素矿化和固持的平衡，是相互作用的总矿化、硝化和
铵态氮、硝态氮固定或损失过程的综合表征，反映了
土壤的氮素供应状况［９］ ．土壤氮元素的排放，也是温
室效应的一个重要来源．土壤 Ｎ２Ｏ 产生的生物源主
要来自于土壤微生物推动的硝化作用和反硝化作
用，生物炭的多孔隙结构是土壤微生物良好的栖息
环境［１０］ ．此外，土壤中某些物质可能存在抑制生物
炭表面吸附硝化细菌能力［１１］ ．生物炭表面成分中具
有较高的 Ｃ ／ Ｎ，有助于氨化和硝化作用［１２］ ．添加生
物炭导致土壤的孔隙率增加，可能会抑制厌氧反硝
化过程；同时增加土壤氧气，从而抑制 Ｎ２Ｏ 和 Ｎ２排
放［１３］ ．然而，也有报道生物炭对 Ｎ２Ｏ 产生没有任何
影响，而 Ｂｒｕｕｎ等［１４］研究表明，土壤中添加生物炭，
ＣＯ２和 Ｎ２Ｏ排放量都明显高于对照土壤．
酸性土壤是茶树生长所必需的生态条件之一，
当土壤 ｐＨ 小于 ４．０ 时，茶树生长将受到抑制［１５］ ．近
年来，由于酸雨、人为施肥管理不当以及茶树自身代
谢作用等原因，茶园土壤酸化日趋严重，土壤 ｐＨ 值
小于 ４．０ 的茶园越来越多［１６］，进而导致衡量养分状
况的 Ｃ ／ Ｎ下降，出现明显的碳、氮不平衡问题．茶树
修剪产生的废弃枝叶含有大量的营养物质，对于这
种数量可观的资源的处理方式通常是被直接移除或
还田于茶园土壤，这可能会引发一些土壤环境问题．
而利用茶树修剪物制备生物炭，或许可以缓解茶园
土壤酸化和解决茶树修剪物还田问题．
本试验利用茶树修剪物制备生物炭，通过采用
室内培养试验，测定土壤 ｐＨ值、ＣＯ２和 Ｎ２Ｏ排放量、
微生物生物量和微生物群落结构变化，探讨生物炭
不同施用量对茶园酸化土壤的影响，以寻找出适合
茶园土壤改良的最佳生物炭施用量，为茶园土壤改
良及茶园管理提供依据．
１　 材料与方法
１􀆰 １　 生物炭制备和特征
选用新鲜茶树修剪枝原料，采用颗粒炭化炉，经
亚高温（３５０ ℃）、缺氧、干懼条件下热裂解，制备生
物炭．总碳和氮含量采用碳氮分析仪测定（Ｖａｒｉｏｍａｘ
ＣＮＳ分析仪）；生物炭 ／水按 １ ∶ １０ 测定 ｐＨ；灰化碱
采用马弗炉高温燃烧法测定；表面积、孔径和孔容采
用全自动化比表面积测定仪测定．本试验中供试茶
叶生物炭的化学成分见表 １．
１􀆰 ２　 土壤特性
选择江苏省溧阳市天目湖十年生‘白叶 １ 号’
未耕垦茶园作为样地，采用 ５点取样法，除去表面的
枯枝落叶层和表土层，挑取土壤中的残留石块及其
他杂质后，经风干、磨碎、过 ２ ｍｍ 筛后备用．参照鲍
士旦［１７］方法测定供试土壤性质：质地为黄棕壤，ｐＨ
４．３１，有机碳 １８．７０ ｇ·ｋｇ－１，全氮 １．０５ ｇ·ｋｇ－１，全磷
３１０．７８ ｍｇ·ｋｇ－１，速效磷 ３６．４０ ｍｇ·ｋｇ－１，阳离子交
换量 １８２．７８ ｍｍｏｌ·ｋｇ－１，交换性铝 ３２６．２１ ｍｇ·ｋｇ－１ ．
１􀆰 ３　 碳矿化试验
设置不同施用量的生物炭处理 （质量比）：
０􀆰 ５％、１．５％、２．５％、３．５％，混合均匀，分别取 ２５０ ｇ
混合物填充到直径 ６．８ ｃｍ ＰＶＣ 管中，稍微压实，分
别编号：Ｔ０．５、Ｔ１．５、Ｔ２．５、Ｔ３．５ ．以不添加生物炭为对照
组，每个处理重复 ３ 次．培养开始后，每周用无菌蒸
馏水保持土壤湿度为 ５０％．将 ＰＶＣ 管和装有 ２０ ｍＬ
１ ｍｏｌ·Ｌ－１ ＮａＯＨ的玻璃杯放置于封闭的玻璃瓶中，
于 ２５ ℃恒温暗培养．第 １、３、５、７、１０、１３、１７、２０、２４、
２７和 ３１ 天后将 ＮａＯＨ 瓶子移出，用盐酸、氯化钡滴
定，３０ ｄ后每周测定一次．在培养 １１０ ｄ 后，测定土
壤 ｐＨ值和无机氮含量（流动注射分析仪）．
培养结束后，采用氯仿熏蒸提取法测定微生物
生物量碳 （Ｃｍｉｃ ） ［１８］；脱氢酶活性 （ ＤＡ）测定参照
Ｍｏｅｓｋｏｐｓ等［１９］的方法．磷脂脂肪酸 （ ＰＬＦＡｓ）采用
ＫＯＨ⁃甲醇溶液甲酯化提取法测定［２０－２１］；ＰＬＦＡｓ 检
测采用美国ＭＩＤＩ公司生产的微生物自动鉴定系
表 １　 供试生物炭化学成分和特征
Ｔａｂｌｅ １　 Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔｓ ａｎｄ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｅｓｔｅｄ ｂｉｏｃｈａｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ
含水量
Ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｃｏｎｔｅｎｔ
（％）
Ｃ
（％）
Ｎ
（％）
灰分含量
Ａｓｈ ｃｏｎｔｅｎｔ
（％）
ｐＨ
（１ ∶ １０）
表面积
Ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａ
（ｍ２·ｇ－１）
孔径
Ｐｏｒｅ ｓｉｚｅ
（ｎｍ）
孔容
Ｐｏｒｅ ｖｏｌｕｍｅ
（ｍｍ３·ｇ－１）
３．５±０．３ ６７．５±２．０ ２．７±０．１ ２．５±０．５ ９．２３±０．２６ ９．７９ ６．６７ １３．８１
５５９１７期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 胡雲飞等： 生物炭对茶园土壤 ＣＯ２和 Ｎ２Ｏ排放量及微生物特性的影响　 　 　 　 　 　
统，磷脂脂肪酸甲酯混合物检测的色谱程序：二阶程
序升高柱温，１７０ ℃起始，５ ℃·ｍｉｎ－１升至 ２６０ ℃，
而后 ４０ ℃·ｍｉｎ－１升温至 ３１０ ℃，维持 ９０ ｓ；汽化室
温度 ２５０ ℃， 检测器温度 ３００ ℃； 载气为 Ｈ２
（２ ｍＬ·ｍｉｎ－１），尾吹气为 Ｎ２（３０ ｍＬ·ｍｉｎ
－１）；柱前
压６８．９５ ｋＰａ；进样量 １ μＬ，进样分流比 １００ ∶ １，电子
轰击电离源（ＥＩ）到质谱检测．
采用不同的 ＰＬＦＡｓ 标记特定的微生物［２２］：
１２：０、１４：０、１５：０、１６：０ 与 ２０：０ 标记细菌， ｉ１５：０、
ａ１６：０、ｉ１７：０ 与 ｉ１８：０ 标记革兰氏阳性菌，１８：１ω７ｃ
标记假单胞杆菌，ｉ１４：０ 标记好氧细菌，１６：１ω９ｃ 标
记革兰氏阴性菌，１０Ｍｅ１６： ０、１０Ｍｅ１７：０ 与 １０Ｍｅ１８：０
标记放线菌，１８：０ 标记嗜热解氢杆菌，１８：１ω９ｃ 与
１８：２ω６，９ｃ 标记真菌，ｃｙ１９：０ω８ｃ 标记伯克霍尔德
菌，２０：４ω６，９，１２，１５ｃ标记原生动物．
１􀆰 ４　 Ｎ２Ｏ排放试验
设置不同施用量的生物炭处理 （质量比）：
０􀆰 ５％、１．５％、２．５％、３．５％，将土壤和生物炭混合均
匀，分别取 ６０ ｇ混合物放入 １ Ｌ广口瓶中，再将土样
捣平整；以不添加生物炭为对照，每个处理设置 ４ 个
重复．利用注射器向各个瓶中均匀的喷施含硝酸钾
７􀆰 ２８ ｇ · Ｌ－１ 的水溶液 ２． ３８ ｍＬ （硝态氮按 ４０
ｍｇ·ｋｇ－１土添加），迅速盖上为采气特制的橡皮塞，
３０ ℃恒温培养．培养 ２ ｈ后采气，用气相色谱仪测定
气体样品中的 Ｎ２Ｏ浓度．载气 Ｎ２（２９．９ ｍＬ·ｍｉｎ
－１），
注射温度 ２００ ℃，柱温 ３０ ℃，检测温度 ３１０ ℃ ．在每
次测量前，通过注入 ２００、４００、６００、８００ 和 １０００ ｍＬ
的 Ｎ２Ｏ标准气体获取标准曲线．每次测量完后将玻
璃罐敞开 ３０ ｍｉｎ 以补充氧气，直到所有处理组中
Ｎ２Ｏ浓度低于检测限值．
１􀆰 ５　 数据处理
碳净矿化率（Ｃｍｉｎ ｎｅｔ）计算公式：
Ｃｍｉｎ ｎｅｔ ＝
Ｃ处理组－Ｃ对照组
Ｃ土壤＋Ｃ生物炭
×１００％
式中：Ｃ处理组和 Ｃ对照组代表处理组和对照组的 ＣＯ２排
放量（ｇ）；Ｃ土壤为土壤有机碳含量（ｇ）；Ｃ生物炭为生物
炭中 Ｃ含量（ ｇ）．每处理组 ＣＯ２排放量减去对照组
ＣＯ２排放量，即每处理组中 Ｃ矿化量（ｇ）．
氮净矿化率（Ｎｍｉｎ ｎｅｔ）计算公式：
Ｎｍｉｎ ｎｅｔ ＝
Ｎ处理组－Ｎ对照组
Ｎ土壤＋Ｎ生物炭
×１００％
式中：Ｎ处理组和 Ｎ对照组代表培养结束时处理组和对照
组的无机氮含量（ｇ）；Ｎ土壤和 Ｎ生物炭分别为土壤和生
物炭中 Ｎ含量（ｇ）．
通过软件 Ｕｎｓｃｒａｍｂｌｅｒ Ｘ１０．３对含量大于 １％的
磷酸脂肪酸进行主成分分析（ＰＣＡ），采用 ＳＳＰＳ １７．０
软件进行单因素方差分析和相关性分析，用 Ｓｉｇｍａ⁃
Ｐｌｏｔ １０．０软件作图．
２　 结果与分析
２􀆰 １　 添加生物炭对土壤中碳矿化的影响
经过 １１０ ｄ培养后，与对照组相比，所有生物炭
处理组的 ＣＯ２累计排放量都显著升高，以 Ｔ１．５处理组
的排放量最高（图 １），另外 ３ 组处理具有相似的
ＣＯ２排放模式．培养结束后，Ｔ１．５处理组中碳净矿化率
最高，与其他处理组差异显著（Ｐ ＜ ０． ０５）；其次是
Ｔ２．５、Ｔ３．５以及 Ｔ０．５处理组，３ 组之间无显著差异（表
２）．ＣＯ２累计排放量与脱氢酶、微生物生物量碳、总
磷脂脂肪酸、氮净矿化率呈正相关（表 ３）．
　 　 与对照组和 Ｔ０．５处理组相比，其他生物炭处理
组的脱氢酶活性显著升高（Ｐ＜０．０５），以 Ｔ１．５生物炭
处理组最高（图 ２）．脱氢酶活性与 ＣＯ２ 排放量、总磷
脂脂肪酸和氮净矿化率呈正相关（表 ３）．所有生物
炭处理组与对照组相比，微生物生物量碳显著升高
（Ｐ＜０．０５），以 Ｔ１．５处理组最高（图 ３）．微生物生物量
碳与脱氢酶、总提取磷脂脂肪酸和 ＣＯ２ 累计排放量
呈相关性（表 ３）．在培育结束时所有处理组 ｐＨ（表
２）提高，以 Ｔ３．５处理组的 ｐＨ 值最高，其次是 Ｔ２．５、
Ｔ１．５、Ｔ０．５，对照组 ｐＨ值降低．在培育结束时的 ｐＨ 值
与总磷脂脂肪酸和氮净矿化率显著相关（表 ３）．所
有处理组中无机氮含量显著提高（Ｐ＜０．０５），以 Ｔ３．５
处理组最高．氮净矿化率以 Ｔ１．５和 Ｔ３．５较高，Ｔ０．５最低
（表 ２）．
图 １　 培养 １１０ ｄ后不同处理碳矿化总量
Ｆｉｇ．１　 Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ Ｃ ｍｉｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ａｆ⁃
ｔｅｒ １１０ ｄａｙｓ ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ．
ＣＫ： 对照 Ｃｏｎｔｒｏｌ； Ｔ０．５： 添加 ０． ５％生物炭 ０． ５％ ｂｉｏｃｈａｒ ａｄｄｉｔｉｏｎ；
Ｔ１．５： 添加 １．５％生物炭 １．５％ ｂｉｏｃｈａｒ ａｄｄｉｔｉｏｎ； Ｔ２．５：添加 ２．５％生物炭
２．５％ ｂｉｏｃｈａｒ ａｄｄｉｔｉｏｎ； Ｔ３．５： 添加 ３．５％生物炭 ３．５％ ｂｉｏｃｈａｒ ａｄｄｉｔｉｏｎ．
下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ．
６５９１ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
表 ２　 培养 １１０ ｄ 后各处理 ｐＨ 值、碳净矿化率、氮矿化量、
氮净矿化率变化
Ｔａｂｌｅ ２ 　 ｐＨ， ｎｅｔ Ｃ ｍｉｎｅｒａｌｉｚｅｄ， ｍｉｎｅｒａｌ Ｎ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ
ｎｅｔ Ｎ ｍｉｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ａｆｔｅｒ １１０ ｄａｙｓ ｉｎ⁃
ｃｕｂａｔｉｏｎ
处理
Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
ｐＨ 碳净矿化率
Ｃｍｉｎ ｎｅｔ
（％）
氮矿化量
Ｎｍｉｎ
（μｇ·ｇ－１）
氮净矿化率
Ｎｍｉｎ ｎｅｔ
（％）
ＣＫ ４．１６±０．０９ａ － ５３．１７±３．７６ａ －
Ｔ０．５ ４．４９±０．０４ｂ １．４±０．１ａ ６３．９０±３．５６ｂ ０．９±０．１ａ
Ｔ１．５ ４．５５±０．１１ｂ ２．１±０．１ｂ ７６．１７±５．０１ｃ １．６±０．１ｃ
Ｔ２．５ ４．７８±０．１３ｃ １．５±０．１ａ ７６．６３±４．８５ｃ １．４±０．１ｂ
Ｔ３．５ ４．８９±０．１８ｄ １．５±０．１ａ ８１．９７±５．７３ｃ １．５±０．１ｂｃ
ＣＫ： 对照 Ｃｏｎｔｒｏｌ； Ｔ０．５： 添加 ０． ５％生物炭 ０． ５％ ｂｉｏｃｈａｒ ａｄｄｉｔｉｏｎ；
Ｔ１．５： 添加 １．５％生物炭 １．５％ ｂｉｏｃｈａｒ ａｄｄｉｔｉｏｎ； Ｔ２．５：添加 ２．５％生物炭
２．５％ ｂｉｏｃｈａｒ ａｄｄｉｔｉｏｎ； Ｔ３．５： 添加 ３．５％生物炭 ３．５％ ｂｉｏｃｈａｒ ａｄｄｉｔｉｏｎ．
不同字母表示处理间差异显著（Ｐ＜ ０． ０５） Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｅｔｔｅｒｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ
ｓｉｇｎｉfiｃａｎｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ａｍｏｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ａｔ ０．０５ ｌｅｖｅｌ． 下同 Ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅ⁃
ｌｏｗ．
２􀆰 ２　 磷脂脂肪酸含量变化
在分类上，不同的 ＰＬＦＡ 生物标记的微生物类
群可大致分为 ４ 大类，分别是细菌、放线菌、真菌与
原生动物，各大类群ＰＬＦＡ含量在不同处理组土壤
图 ２　 培养 １１０ ｄ后不同处理脱氢酶活性
Ｆｉｇ．２　 Ｄｅｈｙｄｒｏｇｅｎａｓｅ ｅｎｚｙｍｅ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ａｆ⁃
ｔｅｒ １１０ ｄａｙｓ ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ．
图 ３　 培养 １１０ ｄ后不同处理微生物生物量碳
Ｆｉｇ．３ 　 Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｂｉｏｍａｓｓ Ｃ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ａｆｔｅｒ １１０
ｄａｙｓ ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ．
表 ３　 不同生物炭处理土壤因子的相关系数
Ｔａｂｌｅ ３　 Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ
微生物
生物量碳
Ｃｍｉｃ
ＣＯ２累计
排放量
Ｃｍｉｎ
总磷脂脂
肪酸
ＰＬＦＡｓ
氮净
矿化率
Ｎｍｉｎ
ｐＨ
脱氢酶活性 ＤＡ ０．６３９∗ ０．８７１∗∗ ０．８３９∗∗ ０．６５７∗∗ ０．５００
微生物生物量碳 Ｃｍｉｃ ０．６４３∗∗ ０．６７９∗∗ ０．３９６ ０．３２４
ＣＯ２累计排放量 Ｃｍｉｎ ０．８９３∗∗ ０．６４６∗∗ ０．４９３
总磷脂脂肪酸 ＰＬＦＡｓ ０．８３６∗∗ ０．６１８∗
氮净矿化率 Ｎｍｉｎ ０．８９４∗∗
∗Ｐ＜０．０５； ∗∗ Ｐ＜０．０１．
中存在差异（表 ４）．Ｔ１．５处理组磷脂脂肪酸总量、细
菌和放线菌的磷脂脂肪酸最高，与其他处理组差异
显著（Ｐ＜０．０５）；Ｔ１．５、Ｔ２．５、Ｔ３．５处理组中真菌及原生动
物的磷酸脂肪酸含量较高，但差异不显著．对照组中
所有类型磷脂脂肪酸标记含量最低．
通过 ＰＣＡ得分图可以观察样品的聚集、离散程
度，样品分布点越近，说明这些样品中所含的物质组
成和浓度越接近，反之，差异越大．结果表明：两个主
成分 （ ＰＣｓ）数据占总变异的 ９２％，其中 ＰＣ１ 占
６６％、ＰＣ２ 占 ２６％（图 ４）．不同处理组之间，磷脂脂
肪酸（磷脂脂肪酸总量超过 １％）的 ＰＣＡ 差异显著，
生物炭浓度较高的处理组（Ｔ１．５、Ｔ２．５、Ｔ３．５）主要聚集
在坐标轴右侧，对照及 Ｔ０．５分布在坐标轴左侧．通过
对载荷图进行分析发现，单个磷脂脂肪酸标记对
ＰＣ１贡献较大．ＰＣ１正轴高负荷，如标记细菌的 １４：０、
ｉ１４：０和 １８：０，负轴载荷 ｃｙ１９：０ω８ｃ、ｉ１５：０．ＰＣ２占总
变异的 ２６％，正轴载荷如标记细菌的 １６：０，及负轴
载荷的 １５：０和 １６：１ω９ｃ．其中 １４：０对位于正载荷的
Ｔ１．５、Ｔ２．５和 Ｔ３．５组贡献率较大，而 ｃｙ１９：０ω８ｃ、ｉ１５：０对
位于负载荷的对照和 Ｔ０．５组贡献率较大．
２􀆰 ３　 添加生物炭对土壤中 Ｎ２Ｏ排放的影响
为研究在添加生物炭处理过程中，碳氮代谢的
耦合作用，同时测定了 Ｎ２Ｏ的排放．添加不同用量生
物炭的土壤在培育过程中的 Ｎ２Ｏ累积排放量如图 ５
所示．从图中可以明显看到，不同处理的土壤 Ｎ２Ｏ排
放量的差别较大．处理 １３ ｄ 后，相对于对照组，Ｔ１．５、
Ｔ２．５和 Ｔ３．５处理组的 Ｎ２Ｏ排放量差异显著（Ｐ＜０．０５），
以 Ｔ１．５处理组最高；Ｔ０．５处理组与对照无显著差异
（ＣＫ：１．０２±０．２４ μｇ·ｇ－１、Ｔ０．５：１．０６±０．１９ μｇ·ｇ
－１、
Ｔ１．５：１．８０±０．１２ μｇ·ｇ
－１、Ｔ２．５：１． ４２ ± ０． １６ μｇ·ｇ
－１、
Ｔ３．５：１．５０±０．１６ μｇ·ｇ
－１）；同时，对照组在第 １１ 天已
检测不到 Ｎ２Ｏ排放．不同生物炭浓度处理组的 Ｎ２Ｏ
排放模式相似，在 １３ ｄ 已检测不到 Ｎ２Ｏ 的排放，前
期 Ｎ２Ｏ排放速率较快，后期则较为平缓．
７５９１７期　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 胡雲飞等： 生物炭对茶园土壤 ＣＯ２和 Ｎ２Ｏ排放量及微生物特性的影响　 　 　 　 　 　
表 ４　 不同处理组不同微生物类型的磷脂脂肪酸含量
Ｔａｂｌｅ ４　 ＰＬＦＡ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｇｒｏｕｐｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ （μｇ·ｇ－１）
处理
Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
细菌
Ｂａｃｔｅｒｉａ
真菌
Ｆｕｎｇｉ
放线菌
Ａｃｔｉｎｏｍｙｃｅｔｅｓ
原生动物
Ｐｒｏｔｏｚｏａ
总量
Ｔｏｔａｌ
ＣＫ １００．８１±３．１７ｃ ２５．７４±０．３１ｃ ３１．７２±０．３７ｄ ２．４５±０．１４ｂ １６０．７２±３．５９ｄ
Ｔ０．５ １００．８３±２．６９ｃ ２７．６４±０．７７ｂ ３７．２４±０．６４ｃ ２．５８±０．０９ａ １６８．２９±３．０５ｃ
Ｔ１．５ １２４．２６±１．１２ａ ３０．７６±０．９６ａ ４５．２９±１．１１ａ ３．６３±０．１２ａ ２０３．９４±３．１４ａ
Ｔ２．５ １１１．１６±３．６２ｂ ３０．４１±０．７４ａ ４１．２０±０．３９ｂ ３．８２± ０．１３ａ １８６．５９±２．９８ｂ
Ｔ３．５ １１３．７６±３．４４ｂ ３０．１９±０．８３ａ ４０．９１±０．５０ｂ ３．７２±０．２２ａ １８８．５８±２．４３ｂ
图 ４　 不同处理的主要磷脂脂肪酸 ＰＣＡ分析
Ｆｉｇ．４　 ＰＣＡ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ＰＬＦＡｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．
Ａ： ＰＣＡ得分图 ＰＣＡ ｓｃｏｒｅｓ ｐｌｏｔ； Ｂ： 载荷图 ＰＣＡ ｌｏａｄｉｎｇ ｐｌｏｔ．
图 ５　 培养 １３ ｄ后不同处理组 Ｎ２Ｏ排放量
Ｆｉｇ．５　 Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ Ｎ２Ｏ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｆｒｏｍ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ ａｆｔｅｒ
１３ ｄａｙｓ ｉｎｃｕｂａｔｉｏｎ．
３　 讨　 　 论
茶园酸化土壤中施用不同量的生物炭后，土壤
碳矿化率明显提高，当生物炭施用量为 １．５％时，茶
园土壤碳矿化率最高．在相同的培养环境下土壤碳
矿化率增加是由于：１）生物炭中微生物的消耗；２）
增加了土壤有机质矿化； ３）生物炭的非生物释
放［２３－２５］ ．在本试验中生物炭处理组的茶园土壤碳矿
化率得到增加；但碳矿化率并未随着生物炭浓度的
增加而升高．这可能是由于在相同培养条件下，随着
生物炭施用量的增加，其对 ＣＯ２的吸附量增加；同时
土壤 ｐＨ值及物理结构变化较大，导致对土壤原著
微生物的群落结构产生影响．脱氢酶是一种胞内酶，
参与微生物呼吸过程的氧化磷酸化过程，与微生物
的呼吸和土壤中有效有机物质联系在一起．故较高
的碳矿化率伴随着较高的微生物生物量碳和脱氢酶
活动性．
微生物的 ＰＬＦＡ 组成具有种属特异性，其含量
可用来直接估计微生物的生物量与群落结构．已有
研究利用 ＰＬＦＡ 技术检测微生物群落结构，发现生
物炭加入土壤后改变了微生物群落结构，有利于个
体较小而生长速度较快的微生物的生长［２６］ ．本试验
对不同施用量生物炭处理的土壤微生物群落进行
ＰＬＦＡ生物标记测定，发现所含 ＰＬＦＡ 的种类相同，
其含量存在差异．与对照组相比，生物炭处理组土壤
ＰＬＦＡ总含量增加．可能是因为生物炭的孔隙结构及
水肥吸附作用使其成为土壤微生物的良好栖息环
境，为土壤有益微生物提供了保护，促进土壤中与氮
循环相关的功能微生物的繁殖［２７］ ．但土壤 ＰＬＦＡ 总
８５９１ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷
含量并未随生物炭施用量增加而增加，表明土壤微
生物对生物炭的响应复杂，可能与生物炭来源（施
用量、热解温度和时间）、土壤肥力状况及试验时间
等因素均有关［２８］，因此，微生物对生物炭施用量的
响应机制还需进一步探讨．
茶园土壤添加生物炭后，短期内 Ｎ２Ｏ 排放量增
加，不同生物炭处理组之间排放模式相似，且 Ｎ２Ｏ
排放量较高的处理组同时具有较高的 ＣＯ２排放量．
这可能是由于：反硝化微生物利用生物炭中的碳源，
获取了更多的土壤 Ｎ素，促进了 Ｎ２Ｏ的产生或者微
生物利用碳源并吸收土壤中氧气，导致土壤缺氧，从
而促进了反硝化作用，产生更多的 Ｎ２Ｏ．但随着生物
炭施用量的增加，Ｎ２Ｏ的总排放量没有相应增加，呈
现出先增后减的排放模式．添加生物炭减少土壤
Ｎ２Ｏ的排放可能存在的几种机制：第一，添加生物炭
导致土壤 ｐＨ上升，从而减少 Ｎ２Ｏ 的排放［２９］；第二，
添加生物炭导致土壤的孔隙率增加，抑制厌氧反硝
化过程［３０］；第三，生物炭表面吸附了 ＮＯ３
－，从而减
少 Ｎ２Ｏ的排放量［３１］ ．这就解释了在短期内生物炭施
用量较低时 Ｎ２Ｏ 排放量增加，而当施用量增加时
Ｎ２Ｏ排放量减少．当生物炭浓度较低时，生物炭中碳
源被利用，并产生 Ｎ２Ｏ；而当浓度增加后，土壤 ｐＨ
值、土壤孔隙率和生物炭表面积的增加，导致 Ｎ２Ｏ
排放量减少．
利用茶树修剪物制备生物炭可缓解茶园修剪物
直接还田对茶园土壤的影响，而添加生物炭可以显
著提高茶园酸化土壤的 ｐＨ，有效抑制茶园土壤的酸
化，改善土壤结构，提高土壤脱氢酶活性及微生物生
物量碳，改善微生物群落结构．生物炭施用量较低
时，短期内会增加茶园土壤 ＣＯ２和 Ｎ２Ｏ 排放量，随
着生物炭施用量的适度增加，两者的排放量呈现出
下降的趋势．因此，寻找适用于茶园酸化土壤的生物
炭施用量，有利于改善茶园土壤环境，提升茶园管理
水平．
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春）， ｅｔ ａｌ． Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｂｉｏｃｈａｒ ａｍｅｎｄｍｅｎｔ ｏｎ ｓｏｉｌ ｐｈｙｓｉ⁃
ｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ： Ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｋｎｏｗ⁃
ｌｅｄｇｅ ｇａｐｓ． Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ （地球科学进
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ｔｉｏｎ ｏｆ ｂｌａｃｋ ｃａｒｂｏｎ ｉｎ ｓｏｉｌｓ： Ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｆｏｒｍ
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Ｃｏｓｍｏｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ， ２００８， ７２： １５９８－１６１０
作者简介　 胡雲飞，男，１９８７年生，硕士研究生． 主要从事茶
树栽培技术研究． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｈｕｙｕｎｆｅｉ＿１９８７＠ ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｍ
责任编辑　 肖　 红
０６９１ 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 应　 用　 生　 态　 学　 报　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２６卷