土壤盐渍化已成为保证粮食安全和改善农业生态环境过程中面临的重要问题，盐渍化土壤面积占到我国总耕地面积的 1/5，且土壤盐渍化和次生盐渍化问题仍在加重^[1]。同时，盐渍化土壤的结构性差、生产力低下，对作物正常生长有严重的胁迫作用，严重阻碍了农田土壤的综合利用与农业的可持续发展。

甜菜是我国主要的糖料作物，因其有一定的耐盐碱性而成为北方盐碱地区重要的轮作作物^[2]。有研究表明，甜菜在低浓度的盐碱条件下能正常生长，且维持较高的产量和较好的品质^[3]。虽然甜菜具有一定的耐盐碱性，但在盐碱土壤条件下种植需要施加更多的氮肥^[4]，而盐碱土壤条件下施用过多的氮肥会导致土壤理化性质更加恶化影响甜菜的生长。如何在盐碱土壤条件下通过施加土壤改良剂减少甜菜种植氮肥的用量并评价改良种植的效果成为新的研究方向。

生物炭配施氮肥是减少氮肥用量的有效方法^[5]。生物炭是一种利用废弃生物质在高温低氧或缺氧条件下得到的具有多孔性和吸附性、含碳的有机物质。农业上主要在土壤中直接施加生物炭达到改良土壤营养状况、改善作物生长土壤环境的目的^[6]。大多数研究表明生物炭对土壤生产性能和作物产量的影响表现为正向效应^[7]。土壤中添加生物炭可促进盐碱胁迫条件下水稻幼苗的生长^[8]；生物炭配施对盐碱胁迫下玉米的苗期生长有明显促进作用^[9]；徐钰等^[10]研究发现，盐碱土施加生物炭对大豆产量、品质的优化效果显著。关于生物炭的研究多集中于水稻、玉米和大豆等作物，而关于生物炭对盐碱土壤条件下甜菜的生长促进效应研究较少。

生物炭对盐碱胁迫条件下甜菜的改良种植效果可由土壤酶活性和根系活力的变化来体现^[11]。土壤酶是土壤环境中生化反应的重要组成部分，土壤酶活性能够反映土壤中生化反应的速度^[12]。在盐碱胁迫下土壤酶活性的提高能反映某些生物活性的提高，也能反映土壤环境条件的改善^[13]。根系作为作物吸收土壤水分、营养元素和物质交换的重要器官能够感知土壤环境的变化，而根系活力是反映作物适应盐碱环境重要的指标，根系活力一定程度上能够反映土壤酶活性，通过测定作物的根系活力能够反映盐碱土壤的改良效果^[14]。

因此，本研究在前人研究的基础上，围绕盐碱胁迫下生物炭配施氮肥对土壤酶活性、土壤速效氮含量变化和甜菜根系活力、块根的产量、含糖率和产糖量的影响展开试验。在施加生物炭后按照 10% 的梯度减施氮肥，考虑到甜菜耐盐碱性的需要，将甜菜正常土壤下氮肥施用量 150 kg/hm² 增加 20% 作为盐碱胁迫下正常施氮处理，即 180 kg/hm^2[15]。以筛选出在盐碱胁迫施加生物炭条件下的合理施氮范围，并进一步为盐碱地甜菜优质、高产、高效的栽培提供可靠的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试验甜菜品种为 KWS0143，由德国 KWS 公司生产。生物炭由东北农业大学资源与环境学院提供。

1.2 试验设计

试验在黑龙江省哈尔滨市（126.63°E，45.74°N） 东北农业大学盆栽场进行。进行桶栽试验，每个处理 40 桶。供试土壤为黑钙土，土壤中有机质为 35.7 g/kg，碱解氮为 176.3 mg/kg，有效磷为 83.3 mg/kg，速效钾为 153.2 mg/kg，水土比为 5∶1 浸提液的电导率为 122μS/cm、可溶性盐总量为 0.08%、 pH 值为 7.65。将盐碱混合加入土壤，使用盐种类为 NaCl、Na₂SO₄、Na₂CO₃ 和 NaHCO₃（均无结晶水，分析纯 99.8%），其物质的量比为 4∶2∶2∶1，使 Na+ 含量占土壤质量比为 3 g/kg。生物炭施用量为风干土壤重量的 3%，处理后土壤碱化度为 32.6%，盐分为 0.39 g/kg，电导率为 781μS/cm，pH 值为 9.15。正常化肥用量按 N 180 kg/hm²、P₂O₅ 90 kg/hm²、K₂O 90 kg/hm² 进行施肥，肥料分别选用尿素、磷酸二铵和硫酸钾。试验共设 6 个处理，分别为盐碱胁迫处理（CK）、盐碱胁迫下施加生物炭处理（BC+N180）和盐碱胁迫下施加生物炭并减施氮 10%、20%、30%、40% 处理（BC+N162、 BC+N144、BC+N126、BC+N108），其中 CK、 BC+N180 处理均为正常施肥量。

2018 年 4 月 31 日进行人工播种，生育期内浇水、除草同大田管理。第 2 对真叶展开时进行间苗，每桶留 1 株。从 3 对真叶完全展开时开始取样，之后每隔约 20 d 取样 1 次，每个处理各随机选择 3 株长势一致的植株取样，整个生育期内共取样 5 次，测定土壤酶活性和根系活力。10 月 1 日收获，取 5 株长势相近的植株，测定产量及含糖率。

1.3 测定指标及方法

根际土采集：播种后第 53、72、97、117 和 138 d 在采集甜菜样品的同时取土样，将桶内 15 cm 左右深度的细根和土壤挖掘出来，轻轻抖动使根系上附着的松散土掉落，然后用毛刷取下细根表面土壤即为根际土样品。将土样装入封口袋，放入冰盒中保存，迅速带回实验室进行处理。

土壤脲酶测定采用靛酚蓝比色法；磷酸酶测定采用苯二钠比色法；蔗糖转化酶测定采用 3，5-二硝基水杨酸比色法；过氧化氢酶测定采用高锰酸钾滴定法^[16]。

土壤铵态氮、硝态氮测定：称取过 2 mm 筛的鲜土 8 g 于 50 mL 塑料离心管内，加入 40 mL 2 mol/L KCl 溶液浸提（水土比为 5∶1），在 25℃下振荡 1 h，取滤液分别用靛酚蓝比色法和紫外线分光光度法测定^[17]。

根系活力测定采用氯化三苯基四氮唑（TTC） 法^[18]。

块根产量、含糖率和产糖量：收获时每个处理选取长势一致的 5 株测定块根重量，计算平均值，即为单株块根的产量（g/ 株）；用便携式折光仪测量收获时取样的 5 株甜菜块根的锤度，并计算含糖率，取平均值，块根含糖率（%）= 锤度值 ×0.85 （温度修正值）；产糖量（g/ 株）= 含糖率 × 产量。

1.4 数据处理与分析

使用 Excel 2019 进行数据分析，使用 SPSS 23.0 的新复极差法在 0.05 水平下对试验数据进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 盐碱胁迫下减氮施加生物炭对土壤脲酶活性的影响

由表1 可知，盐碱胁迫条件下甜菜整个生育期内根际间土壤脲酶活性呈先增后降的趋势，施加生物炭能使土壤脲酶的活性显著增强，而随着施氮量的减少土壤脲酶活性呈逐渐降低的趋势。与 CK 相比，BC+N180 处理的土壤脲酶活性分别提高 14.9%（53 d）、17.1%（72 d）、23.4%（97 d）、 17.5%（117 d） 和 33.0%（138 d）。BC+N162 处理在播种后 72、97 和 138 d 显著高于 BC+N180 处理， BC+N144 与 BC+N180 处理之间差异不显著（除 72 和 117 d 外），BC+N126 处理脲酶的活性显著高于 CK（除 117 d 外）。

注：同列数据后不同字母表示处理间在 0.05 水平差异显著。下同。

2.2 盐碱胁迫下减氮施加生物炭对土壤磷酸酶活性的影响

由表2 可知，盐碱胁迫条件下甜菜整个生育期内根际间土壤磷酸酶活性呈先增后降的趋势，施加生物炭处理能使土壤磷酸酶的活性显著增强，施加生物炭减氮处理的土壤磷酸酶呈逐渐降低的趋势，而磷酸酶的活性仍显著高于 CK。BC+N180 处理的磷酸酶活性于各取样时期较 CK 分别增加 25.0%（53 d）、18.6%（72 d）、54.7%（97 d）、47.6%（117 d） 和 42.9%（138 d）。BC+N162 和 BC+N180 处理之间差异不显著，而 BC+N144 处理在播种后 117 d 显著高于 BC+N180 处理。

2.3 盐碱胁迫下减氮施加生物炭对土壤蔗糖转化酶活性的影响

由表3 可知，盐碱胁迫条件下甜菜生育期内根际间土壤蔗糖转化酶活性呈先增后降的单峰曲线，施加生物炭能够显著提高蔗糖转化酶的活性，随着施氮量的减少土壤蔗糖转化酶活性呈先增后降的趋势。BC+N180 处理与 CK 相比分别增加 20.5%（53 d）、20.3%（72 d）、 22.7%（97 d）、16.5%（117 d）。BC+N162（除 53 和 117 d 外）与 BC+N180 处理差异不显著，BC+N144 处理在播种后 53、72、97 和 117 d 显著高于 CK， BC+N126 处理在播种后 53、72 和 97 d 显著高于 CK。

2.4 盐碱胁迫下减氮施加生物炭对土壤过氧化氢酶活性的影响

由表4 可知，盐碱胁迫下甜菜生育期内根际间土壤过氧化氢酶活性呈先升后降的趋势，施加生物炭可显著增强土壤过氧化氢酶的活性。与 CK 相比 BC+N180 处理过氧化氢酶活性分别提高 9.9%（53 d）、12.2%（72 d）、9.4%（97 d）、 10.4%（117 d）、11.9%（138 d）；BC+N162 在播种后 53 和 72 d 显著高于 CK；BC+N144、BC+N126 和 BC+N108 处理与 BC+N162 处理之间差异不显著。

2.5 盐碱胁迫下减氮施加生物炭对甜菜根系活力的影响

由图1 可知，盐碱胁迫下甜菜根系活力会大幅度降低，施加生物炭能够显著提高根系活力，而随着施氮量的减少根系活力逐渐减弱。BC+N180 处理较 CK 分别增加 18.3%（53 d）、39.5%（72 d）、 30.8%（97 d）、12.3%（117 d）、24.1%（138 d），表明施加生物炭（BC+N180）甜菜的根系活力较 CK 增加效果显著，除播种后 138 d 外随着施氮量的减少根系活力呈现明显下降的趋势，BC+N162 和 BC+N144 处理播种后 72、97 和 117 d 根系活力均显著高于 CK。

2.6 盐碱胁迫下减氮施加生物炭对土壤速效氮含量的影响

土壤的速效氮含量是反映盐碱土壤改良效果有效性的指标。如表5 所示，随着施氮量的减少土壤中速效氮含量呈下降的趋势。BC+N180 处理的速效氮含量显著高于 CK，其它减氮处理速效氮的含量均少于 CK。

2.7 盐碱胁迫下减氮施加生物炭对甜菜块根产量、含糖率和产糖量的影响

如表6 所示，在盐碱胁迫条件下 BC+N180 处理相对于 CK 处理甜菜产量增加 30%。甜菜产量随着氮肥施加量的减少而减少，BC+N108 处理的产量仍然高于 CK。含糖率最高的处理为 BC+N180，比 CK 高 1.7 个百分点，且 BC+N162、BC+N144 和 BC+N180 处理之间差异不显著。施加生物炭后产糖量较 CK 显著提高，且 BC+N180 处理比 CK 增加 45%。BC+N162 处理甜菜块根产糖量与 BC+N180 处理差异不显著，BC+N144 与 BC+N180 处理差异显著，且 BC+N108 处理的产糖量仍高于 CK。

2.8 甜菜块根产量、含糖率、产糖量和根系活力与土壤酶活性的相关性

对甜菜块根产量、含糖率、产糖量和根系活力与土壤酶之间进行相关性分析发现（表7），脲酶、过氧化氢酶与含糖率呈显著正相关，与甜菜块根产量和产糖量呈极显著正相关，磷酸酶、蔗糖转化酶与甜菜块根产量、含糖率、产糖量呈极显著正相关。脲酶与蔗糖转化酶呈极显著正相关，磷酸酶与蔗糖转化酶、过氧化氢酶呈显著正相关，过氧化氢酶与蔗糖转化酶呈显著正相关。根系活力与块根产量呈显著正相关，与脲酶和蔗糖转化酶呈极显著正相关。

注：* 和 ** 分别表示两指标间的显著相关（P<0.05）和极显著相关（P<0.01）。

3 讨论

3.1 盐碱胁迫下减氮施加生物炭对甜菜根系间土壤酶活性的调控效应

土壤中脲酶、磷酸酶、蔗糖转化酶和过氧化氢酶分别是土壤氮、磷、碳代谢和氧化还原反应的关键组成部分，它们的活跃程度在一定程度上能够反映土壤的状态^[19]。脲酶在土壤中的作用是将土壤中的有机氮转化为作物可利用的氮素形态^[20]；磷酸酶活性的提高可促进土壤中有机磷的转化^[21]； 蔗糖转化酶参与土壤中的碳循环^[22]；过氧化氢酶参与土壤中的氧化还原反应，促进植物代谢^[23]。生物炭通过改变土壤的基本理化性质、土壤微生物及菌落组分来提高土壤酶活性。本研究结果发现，甜菜根际间土壤酶在甜菜生育期内呈先增高后将降低的趋势，这与甜菜的生长规律一致，盐碱胁迫会导致土壤酶活性降低，施加生物炭后能优化土壤环境使土壤酶的活性大幅度提升，土壤脲酶和蔗糖酶之间呈极显著正相关，磷酸酶与蔗糖转化酶、过氧化氢酶之间呈显著正相关，说明土壤酶之间有明显的协同促进作用，这与黄剑等^[24]、蒋容等^[25]的研究结果一致。盐碱胁迫条件下施加生物炭减氮处理对甜菜整个生育期内根际间土壤脲酶和蔗糖酶的影响较大，2 种酶活性随施氮量的减少而减弱，而对磷酸酶和过氧化氢酶的影响较小，说明盐碱胁迫施加生物炭减氮处理减弱了甜菜对土壤中有效氮元素和碳元素的吸收利用，而对磷元素的吸收和土壤的氧化还原反应影响相对较小。

3.2 盐碱胁迫下减氮施加生物炭对甜菜根系活力的调控效应

作物根系是受土壤盐碱胁迫影响最为严重的器官，它的生长状况能反映盐碱土壤的改良效果。根系活力是根系生理特性的重要指标，其数值的提升能够反映根系生长加快、营养物质的吸收及氧化还原能力的提高^[26]。本研究结果显示，盐碱胁迫下减氮施加生物炭能够有效提高甜菜根系活力，与 CK 相比，全氮施加生物炭处理根系活力增加最多，减氮 10% 和 20% 施加生物炭的处理根系活力显著增强。通过分析显示根系活力与脲酶、蔗糖酶呈极显著正相关，根系活力同产量呈显著正相关。

3.3 盐碱胁迫下减氮施加生物炭对速效氮含量及甜菜产量、含糖率和产糖率的调控效应

生物炭能够增加土壤对 NH₄ ⁺ 的吸附和保持，减少土壤氮素的流失，从而为作物的生长提供充足的氮素营养^[27]。本研究通过分析施加生物炭处理的盐碱土壤中硝态氮、铵态氮含量的变化发现，与 CK 相比，全氮施加生物炭处理土壤中速效氮含量大幅度增加，减氮施加生物炭处理条件下速效氮含量明显减少。通过分析甜菜产量、含糖率和产糖量发现减氮施加生物炭处理甜菜产量、含糖率和产糖量显著高于 CK。纪立东等^[28]研究认为氮肥和生物炭的配施对作物产量增加效果显著；白晓山等^[29]研究发现，增施氮肥能够有效提高甜菜块根的产量，但会降低含糖率；郭琴波等^[30]发现，施加生物炭可减少氮肥的用量，不会对水稻产量产生影响。本研究结果表明，施加生物炭能够减少盐碱胁迫下甜菜氮肥的用量，而在速效氮含量减少的情况下不影响甜菜的块根产量、含糖率和产糖量。通过分析甜菜产量、含糖率和产糖量与土壤酶之间的关系发现，甜菜产量和产糖量与土壤酶呈极显著正相关。以上结果反映了盐碱胁迫条件下施加生物炭的甜菜根际间的土壤环境得到改善，土壤酶活性变强，土壤有效氮含量增加，进而提升甜菜的块根产量。本研究发现，施加生物炭能够有效提升减施氮肥条件下盐碱土壤的养分供应能力，明显提高甜菜块根的产量、产糖量，但是其具体机理还需进一步研究。

本试验采取桶栽方式探究盐碱胁迫下减氮施加生物炭对甜菜根际间土壤酶活性、速效氮含量和块根产量的影响，而研究效果还受时间、地域、气候和环境等因素的限制，所以得出的结论仍需要在大田试验中继续验证。

4 结论

减氮条件下施加生物炭能够促进盐碱土壤环境下甜菜的生长，有效地提高盐碱胁迫下甜菜根际土壤脲酶的活性，有利于增加土壤中可供作物吸收的速效氮含量，使甜菜根系活力增强，提高甜菜块根产量和产糖量。本研究条件下，盐碱胁迫条件下施加占风干土壤 3% 的生物炭可减少氮肥 10%～20% 的施用量。

参考文献