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黑龙江省是我国大豆的主要生产基地，大豆种植面积和产量均占全国 1/3 以上，在我国占有重要地位[1]。大豆的产量与质量受多方面的影响，其中可持续利用的土壤资源是保证产量和质量的决定性因素。长久以来，农民过分使用化学肥料导致耕地土壤板结、酸化、黑土退化等一系列问题，致使沃土耕地减少，进而导致农作物产量降低[2-4]。
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生物炭作为一种新型土壤改良剂和肥料缓释材料得到大众认可。生物炭是通过植物或动物生物质热解碳化合成的一种元素含量丰富、比表面积大、疏松多孔的稳定富碳产品[5]。施用生物炭会影响土壤 pH 值[5]、改变土壤容重[6-7]、提高土壤保水保肥能力[8]以及改善土壤的团粒结构等[9]，生物炭施入土壤可以为微生物提供更多的生存空间以及所需的营养物质。土壤酶作为土壤能量转化与代谢的重要参与者，与微生物活动有着极为密切的关系，酶活性的高低反映微生物功能及肥力特性[10]。国内外学者均有研究表明，生物炭通过改变土壤理化性质，促进有效态养分释放，进而提高作物产量[3，11-14]。然而，土壤因地区而异，生物炭因其来源、热解温度、速度、冷却方式等不同存在巨大差异[5]，使得生物炭在实际应用中也有很多不确定因素。农业属于因地制宜的产业，本试验选取一款偏酸性生物炭，研究其作用于黑龙江省二龙山农场土壤改土增产的效果，为该类型土壤以及生物炭的应用提供参考。
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1 材料与方法
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1.1 试验材料
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小区试验在黑龙江二龙山农场进行。农场地处中高纬度，属冷凉气候带，半湿润农业气候亚区，土地以酸性黑钙土为主，pH 5.82，有机质 63.11 g·kg-1，碱解氮 385 mg·kg-1，有效磷 48.3 mg·kg-1，速效钾 249.8 mg·kg-1。供试品种为大豆黑河 43，试验常规肥料为尿素（N ≥ 46%）、磷酸一铵（11-44-0）、氯化钾（≥ 62%），生物质炭粉由黑龙江地力农业发展有限公司（北大荒九州方圆生物质炭厂）提供，生物炭的基本化学性质见表1。
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1.2 试验设计
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试验采用随机区组设计，小区行长 7 m，行距0.65 m，4 行区，播种密度为 36 万株·hm-2，共 5 个处理，3 次重复，各处理如下：当地常规施肥（尿素：60 kg·hm-2，磷酸一铵：75 kg·hm-2，氯化钾： 30 kg·hm-2），记为 CK；生物炭 27 kg·hm-2+当地常规施肥，记为 B1；生物炭 54 kg·hm-2+ 当地常规施肥，记为 B2；生物炭 81 kg·hm-2+ 当地常规施肥，记为 B3；生物炭 108 kg·hm-2+ 当地常规施肥，记为 B4。人工开沟施肥，全部肥料作为种肥一次性施入。
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1.3 测定指标与方法
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试验在大豆苗期、花期、荚期、鼓粒期和成熟期收集大豆根际土壤，带回实验室自然风干备用。土壤脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定[15]；土壤蔗糖酶活性采用 3，5-二硝基水杨酸比色法测定[15]； 土壤过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定[15]；土壤 β-葡萄糖苷酶活性测定使用 SolarbioBC0160 试剂盒浸提，分光光度计比色法测定。土壤酸性磷酸酶活性测定使用 SolarbioBC0140 试剂盒浸提，分光光度计比色法测定。
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收获后每个小区取 10 m2 进行大豆测产，待测样品自然风干后称重，按照当地大豆种植密度折算产量。大豆收获时，每小区随机选择 20 株进行室内考种，项目包括：单株荚数、有效荚数、单株粒重、百粒重。
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1.4 数据统计与分析
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数据采用 Excel 2019 进行统计整理，使用 SPSS 26.0 进行数据单因素方差分析、Duncan 法多重比较以及相关性分析，利用 Origin 2019 作图。
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2 结果与分析
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2.1 生物炭对根际土壤脲酶活性的影响
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不同生物炭添加量对大豆根际土壤脲酶活性的影响如图1 所示，脲酶活性在大豆整个生育期表现为苗期和花期较高，荚期、鼓粒期和成熟期脲酶活性降低。苗期，B4 处理脲酶活性最高，比 CK 增加了 3.29%，且与其他处理均有显著性差异 （P<0.05）；花期，各处理之间均有显著性差异，表现为 B3>B2>B1>B4>CK，各处理脲酶活性分别比 CK 提高了 33.2%、22.84%、9.96%、2.40%，这个时期 B3 处理对土壤酶活性影响最大，B2 处理次之；荚期，脲酶活性表现为 CK 活性最高，各生物炭处理之间呈现随着生物炭施用量的增加，脲酶活性增加的趋势； 鼓粒期，脲酶活性随着生物炭施用量的增加呈现出先增加后下降的趋势，B3 处理脲酶活性最高，B4 处理次之，CK 的脲酶活性最低，生物炭处理比 CK 脲酶活性增加了 1.23%～21.86%；成熟期，脲酶活性随着生物炭施用量的增加，其活性呈现出先增加后降低的趋势，且各生物炭处理的脲酶活性均高于 CK，表现为 B1、B2、B3、B4 处理分别比 CK 脲酶活性提高了 5.83%、9.38%、14.98%、5.36%，除 B1 和 B4 处理外，且各处理间均差异显著（P<0.05）。
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图1 生物炭对大豆根际土壤脲酶活性的影响
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注：柱上不同小写字母表示同一生育期各处理间差异显著（P<0.05）。下同。
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2.2 生物炭对根际土壤蔗糖酶活性的影响
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如图2 所示，大豆根际土壤蔗糖酶活性在整个生育期内波动性较大，规律性不强。苗期，CK 处理蔗糖酶活性显著高于 B1、B2、B3 处理，B4 处理与 CK 蔗糖酶活性相当；花期，蔗糖酶活性表现为 B3 处理最高，CK 次之，说明这一时期 B3 处理生物炭施加量对大豆根际土壤蔗糖酶活性影响最大，较 CK 提高了 4.97%；荚期，生物炭处理 B4 处理表现最好，较其余处理提高了 4.03%～118.19%；鼓粒期，不同生物炭施用量的蔗糖酶活性均显著高于 CK，各生物炭处理间 B3 与 B1、B2、B4 处理差异显著（P<0.05）；成熟期，蔗糖酶活性表现为 CK 显著高于各生物炭处理 （P<0.05）。
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图2 生物炭对大豆根际土壤蔗糖酶活性的影响
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2.3 生物炭对根际土壤过氧化氢酶活性的影响
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生物炭对根际土壤过氧化氢酶活性的影响如图3 所示，纵观大豆整个生育期，过氧化氢酶在大豆生殖生长阶段其活性较高，且苗期、花期、成熟期生物炭处理的过氧化氢酶活性均高于 CK，显然生物炭对土壤过氧化氢酶活性有促进作用。苗期， B4 处理的过氧化氢酶活性显著高于其他处理，为 3.0609 mg·g-1；CK 活性最低，为 1.76817 mg·g-1，且各处理之间均存在显著性差异（除 B1 与 B3 处理差异不显著外，P<0.05）；花期，各生物炭处理过氧化氢酶活性均高于 CK，B1、B2、B3、B4 处理比 CK 提高了 10.16%～35.99%；荚期，低量生物炭处理的土壤过氧化氢酶活性显著低于 CK，高量生物炭处理略高于 CK，但差异不显著（P>0.05）。总体而言，B3 处理土壤过氧化氢酶活性最大，为 4.3118 mg·g-1；鼓粒期，不同生物炭施用量对根际土壤过氧化氢酶活性的影响表现为：B3 处理达到最大值，为 4.0253 mg·g-1，比之 CK 过氧化氢酶活性提高了 10.31%，与其他处理有显著性差异（除 B2 处理外，P<0.05）。B1 处理的过氧化氢酶活性与 CK 相比显著降低了 11.49%；成熟期，各处理间差异显著 （P<0.05），所有生物炭处理的过氧化氢酶活性均高于 CK，较 CK 提高了 7.87%～51.50%，B3 处理过氧化氢酶活性最高，为 3.9809 mg·g-1，比 CK 提高了 51.50%。不同生物炭添加量对土壤过氧化氢酶活性的影响表现为随着生物炭施用量的增加，过氧化氢酶活性呈先增加后降低的趋势。
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图3 生物炭对大豆根际土壤过氧化氢酶活性的影响
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2.4 生物炭对根际土壤酸性磷酸酶活性的影响
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由图4 可知，纵观大豆整个生育期，土壤酸性磷酸酶活性在鼓粒期和成熟期较高。不同生物炭添加量对根际土壤酸性磷酸酶活性在苗期表现为 B1 和 B4 处理高于 CK，且差异显著（P<0.05）；花期， B3、B2、B4 处理酸性磷酸酶活性分别比 CK 显著提高了 3.11%、3.06%、1.48%，B1 处理酸性磷酸酶活性比之 CK 显著降低了 4.26%（P<0.05）；荚期，所有生物炭处理的土壤酸性磷酸酶活性均高于 CK，比 CK 提高了 0.11%～7.08%；不同施入量生物炭对大豆根际土壤酸性磷酸酶活性在鼓粒期和成熟期影响大致相同，均表现为高量生物炭对酸性磷酸酶活性有促进作用，而低量生物炭抑制了土壤酸性磷酸酶活性，2 个时期 B3 处理酶活性最高，分别为 10723.6077 和 9125.5800 U·g-1。
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图4 生物炭对大豆根际土壤酸性磷酸酶活性的影响
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2.5 生物炭对根际土壤 β-葡萄糖苷酶活性的影响
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如图5 所示，土壤 β-葡萄糖苷酶活性在大豆整个生育期中较为稳定。苗期，生物炭处理 β-葡萄糖苷酶活性均高于 CK，且差异显著（除 B1 处理外，P<0.05）；花期，B3、B4 处理与 CK 具有显著性差异（P<0.05），其中 B4 处理活性最高，较 CK 增加了 1.07%；荚期和鼓粒期，土壤 β-葡萄糖苷酶活性均表现为 CK 活性高于生物炭处理，说明这一时期生物炭对 β-葡萄糖苷酶活性产生抑制作用。荚期，生物炭处理 β-葡萄糖苷酶活性比 CK 降低了 0.27%～1.62%，但未达到显著性差异（P>0.05），鼓粒期，生物炭处理较 CK 显著降低了 2.51%～3.30% （P<0.05）；成熟期，B1、B2 处理 β-葡萄糖苷酶活性较 CK 显著增加（P<0.05）。
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图5 生物炭对大豆根际土壤 β-葡萄糖苷酶活性的影响
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2.6 生物炭对大豆产量及产量相关因素的影响
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由表2 可知，施加生物炭对大豆株高、单株荚数、有效荚数、单株粒重、百粒重和产量均有影响，且 B3 处理对大豆的增产效果最显著。生物炭对大豆株高作用显著，B3、B4、B2 处理分别比 CK 增加了 13.13%、9.63%、8.92%，且各处理间差异显著（P<0.05）；B1 处理相比 CK 降低了 0.39%，无显著性差异（P>0.05）。
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不同施用量的生物炭对大豆单株荚数的影响表现为 B3>B2>B4>B1>CK，且各处理与 CK 相比均有显著性差异（P<0.05）；其中，B3 处理较 CK 显著增加了 7.17 个·株-1。
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大豆单株有效荚数随着生物炭施用量的增加先增加后减少，生物炭处理的单株有效荚数均显著高于 CK（P<0.05），B3 处理生物炭用量对有效荚数的促进作用最显著，较 CK 增加了 45.73%。
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生物炭对大豆单株粒重的影响表现为 B3>B2>B4>CK>B1，B3 处理对单株粒重影响最大，较 CK 显著增加了 17.41%（P<0.05）。
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生物炭对大豆百粒重有促进作用。生物炭各处理较 CK 增加 0.89%～7.80%。B3 处理达到最大值，且与其他处理差异显著（P<0.05）。
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大豆产量在各处理间均存在显著性差异 （P<0.05），生物炭处理的大豆产量较 CK 增加了 1.57%～7.35%，B3 处理增产效果最为显著。
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注：表中数据采用平均值 ± 标准误，不同字母表示在 0.05 水平上差异显著。
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3 讨论
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3.1 生物炭对大豆根际土壤酶活性的影响
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土壤中各类生物化学反应均在不同土壤酶的参与下进行，土壤酶活性直接反映土壤生化反应强度。研究结果表明，生物炭与化肥配施可以显著提高大豆根际土壤脲酶活性、过氧化氢酶活性、酸性磷酸酶活性和 β-葡萄糖苷酶活性，对根际土壤蔗糖酶活性影响不显著。施用生物炭对土壤酶活性的作用是间接的，也是复杂的[16]。生物炭多孔结构为土壤微生物提供了栖息地，生物炭中的某些物质也为微生物活动提供了反应底物，改变了微生物活性与结构，从而影响土壤酶活性产生变化；另一方面，生物炭的强吸附性为微生物吸附反应底物的同时也可能吸附微生物反应需要的结合位点，从而抑制土壤酶发生作用[17]。由于生物炭的差异性以及施用量的不同，生物炭对土壤酶活性的反应并不只是简单地增加或者降低其活性[18]。
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脲酶作为一种催化尿素水解成氨气和二氧化碳的酶，与土壤中全氮、速效氮含量成正比，生物炭本身的含氮量作用于土壤也会促进土壤脲酶活性增加[19]。本研究结果表明生物炭对土壤脲酶活性有显著促进作用，这与高文慧等[20]、张艺等[10]研究结果一致。但是荚期生物炭处理显著低于 CK，可能是荚期大豆快速生长转化营养物质，对土壤中氮素吸收较多所致。
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土壤过氧化氢酶活性与土壤呼吸强度和微生物活动有关，生物炭疏松多孔的结构会改变土壤结构，施加生物炭增加土壤的孔隙度、透气性等性能，为根系生长和微生物活动提供了良好的生存环境，间接促进了微生物活性，进而提高土壤酶活性[20]。有研究表明生物炭可以显著提高盐渍型水稻土的过氧化氢酶活性[21]。本试验结果与之类似，生物炭可以显著促进大豆根际土壤过氧化氢酶活性，且随着生物炭施用量的增加呈现先增加后降低的趋势。B4 处理过氧化氢酶活性低可能是因为过量生物炭使得土壤中二氧化碳增加，抑制了其活性。
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土壤 β-葡萄糖苷酶与土壤有机质含量呈正相关，诸多研究表明生物炭可以改善土壤环境，增加土壤有机质含量，提高相关酶活性[22]。本试验的研究结果显示在大豆生长前期，随着生物炭施用量增加，土壤 β-葡萄糖苷酶活性升高，在大豆成熟期表现为随着生物炭施用量增加酶活性降低。这与王妙芬等[23]的研究结论不一致，可能因为随着生育期推进，生物炭吸附的养分逐渐被释放，对土壤酶的吸附结合位点增多，从而抑制了土壤 β-葡萄糖苷酶的反应。研究证明，生物炭不仅能够吸附水肥，也能够吸附土壤酶，影响土壤酶促反应[22]。
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酸性磷酸酶能够促进有机磷化合物水解，表征土壤磷素状况。研究表明生物炭能够促进土壤磷酸酶活性，张继旭等[24]在生物炭对烤烟生长的研究中指出生物炭对碱性磷酸酶活性有促进作用，黄剑[25] 的研究也得出同样结论。本试验研究结果与之类似，生物炭对大豆根际土壤酸性磷酸酶活性有促进作用。
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蔗糖酶活性与土壤熟化程度相关，不同学者对蔗糖酶活性的研究结果不尽相同。高凤等[26]在生物炭对白菜根际土壤酶活性的研究结果中显示，随着生物炭施用量的增加，土壤蔗糖酶活性显著提高。杨鹏鸣等[27]研究指出生物炭添加量与蔗糖酶活性呈正相关关系。张千丰[28]在研究生物炭对黑土、白浆土改良效果时提出生物炭对白浆土中蔗糖酶活性有促进作用，而对黑土的影响效果不显著。何秀峰等[7]指出生物炭可以吸附大量蔗糖酶，从而抑制其酶活性。杨鹏鸣等[27]研究蔗糖酶活性时，发现生物碳的来源、施用量以及施用时间都会对蔗糖酶活性产生影响。本研究中蔗糖酶活性在鼓粒期生物炭处理显著高于 CK，而在成熟期则表现为生物炭处理显著低于 CK。因此，蔗糖酶活性对生物炭的响应机制还需进一步研究。
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3.2 生物炭对大豆产量及产量构成因素的影响
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研究表明，施用生物炭可以显著增加作物的产量。在本试验生物炭施用量范围内，所有生物炭处理的大豆产量均高于 CK，生物炭对大豆促生增产效果随着生物炭施用量的增加呈现先增加后降低的趋势。生物炭处理的大豆单株荚数、有效荚数、单株粒重、百粒重、产量均大于 CK，且 B3 处理增产效果最显著。这与任卫东[29]、徐钰等[30]的研究结论一致，也与生物炭本身含有少量植物所需养分有关，其次生物炭通过影响土壤酶活性进而影响养分矿化速率，释放更多有效养分，促进农作物增产增效[23-42]。
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4 结论
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土壤脲酶活性表现出随着生物添加量的增加先增加后降低，B3 处理显著优于其他处理；生物炭对大豆根际土壤蔗糖酶活性的影响不显著；随着大豆生育期的推进，生物炭对大豆根际土壤过氧化氢酶活性的作用规律越来越明显，随着生物炭用量的增加，其活性先增加后降低，B3 处理作用最显著；生物炭可以显著增加根际土壤酸性磷酸酶活性，除苗期外，B3 处理在各时期均显著提高其活性。生物炭对土壤 β葡萄糖苷酶活性的影响因生育期不同而有差异。在大豆生育前期，土壤 β-葡萄糖苷酶活性表现为随着生物炭增加而升高；在大豆进入生殖生长阶段，其活性变化正好相反。生物炭显著提高了大豆单株荚数、有效荚数、单株粒重、百粒重和产量。B3 处理表现突出，与 CK 相比增产 7.35%。综上所述，生物炭添加后能显著提高部分根际土壤酶活性，改善土壤微环境，促进大豆株高、荚数、百粒重等要素的增长，从而提高大豆产量。因此，各生物炭含量中 B3 处理对大豆各项生长指标影响最为显著，增产效果最佳。
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摘要
研究不同生物炭施用量对大豆增产与根际土壤酶活性的影响，为大豆增产提供合理的生物炭施用量。以当地常规施肥为对照（CK），设置生物炭处理 27 kg·hm-2（B1）、54 kg·hm-2（B2）、81 kg·hm-2（B3）、 108 kg·hm-2（B4），生物炭与常规肥混匀沟施。结果表明：B3 处理可以显著提高大豆根际土壤脲酶活性、过氧化氢酶活性以及土壤酸性磷酸酶活性；土壤 β- 葡萄糖苷酶活性则表现为在大豆营养生长期间 B1 处理酶活性最高，在生殖生长阶段 B4 处理酶活性最高；生物炭对土壤蔗糖酶活性的影响不显著。B3 处理显著增加了大豆株高、单株荚数、有效荚数、单株粒重、百粒重及产量，各因素分别较 CK 增加了 13.13%、32.11%、45.73%、17.41%、 7.80% 及 7.35%。生物炭可以提高土壤酶活性、改善土壤微环境，与化肥配施可以显著增加大豆株高、有效荚数和百粒重，进而促进农作物增产增收。
Abstract
The effects of different biochar application rates on soybean yield and the enzyme activity of rhizosphere soil were studied to provide reasonable biochar application rates for increasing soybean yield. Taking the local conventional fertilization as the control（CK），the biochar treatments were 27 kg·hm-2（B1），54 kg·hm-2（B2），81 kg·hm-2（B3）and 108 kg·hm-2（B4），respectively，and the biochar and conventional fertilizer were evenly mixed for furrow application. The results showed that B3 treatment significantly improved the activities of urease，catalase and acid phosphatase in soybean rhizosphere soil. The soil β-glucosidase activity was the highest in B1 treatment during soybean vegetative growth and the highest in B4 treatment during reproductive growth. Biochar had no significant effect on soil sucrase activity. B3 treatment significantly increased the plant height，pod number per plant，effective pod number，grain weight per plant，100 grain weight and yield of soybean，and each factor increased by 13.13%，32.11%，45.73%，17.41%，7.80% and 7.35%， respectively，compared with the control. Biochar can improve soil enzyme activity and soil microenvironment. Combined with chemical fertilizer，biochar can significantly increase soybean plant height，effective pod number and 100 grain weight，so as to promote crop yield and income.
Keywords
soybean ； biochar ； rhizosphere soil ； soil enzyme ； yield