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摘 要：为了解不同秸秆生物炭对马铃薯品质及土壤性质的影响，设置了生物炭用量分别为0、100、150、200、250 g·株-1的5个处理5次重复的田间试验，收获时，对马铃薯产量、品质和土壤生化性质进行了分析。结果表明，秸秆生物炭施用量为200 g·株-1为宜，与对照相比，马铃薯产量提高了38.5%，块茎中淀粉、蛋白质和维生素C含量分别提高了13.5%、21.4%和30.5%，根区土壤过氧化氢酶、脲酶、多酚氧化酶和蔗糖酶活性分别增加了17.6%、15.4%、34.3%、79.3%，土壤微生物的AWCD值（平均吸光值）、丰富度指数、优势度指数和均匀度指数等分别增加77.8%、21.7%、10.7%、82.3%。
关键词：马铃薯;淀粉;蛋白质;维生素C;土壤酶;土壤微生物;生物炭
Effect of the amount of biochar on potato quality and soil biochemical properties
TU Juanli， FEI Weiying， ZHANG Ping
（Jiaxing Vocational Technical College， Jiaxing 314036， Zhejiang， China）
Abstract： In order to understand the effects of different biochar on potato quality and soil properties， five field treatments with biochar consumption of 0， 100， 150， 200， 250 g·strain-1 were set up. Potato yield， quality and soil biochemical properties were analyzed at harvest. The results showed that the best amount of application of biochar application was 200 g per plant. Compared with the control， the potato yield increased by 38.5%; the starch， protein and vitamin C content in the tubers increased by 13.5%， 21.4% and 30.5%， respectively; the soil catalase， urease， polyphenol oxidase and invertase activities in the root zone increased by 17.6%， 15.4%， 34.3%， and 79.3%， respectively; the AWCD value， richness index， dominance index and evenness index of soil microbes also increased by 77.8%， 21.7%， 10.7%， and 82.3%， respectively.
Key words： Potato; Starch; Protein; Vitamin C; Soil enzyme; Soil microorganism; Biochar
馬铃薯（Solanum tuberosum）是茄科一年生草本植物，富含淀粉、蛋白质和和维生素C，是十全十美的全价营养食物[1]。2015年我国提出了马铃薯主粮化战略，是继水稻、小麦和玉米之后的第四大粮食作物[2]，因此高产优质马铃薯种植技术的研究显得尤为重要。
生物炭是指作物秸秆、木屑、动物粪便在高温无氧条件下制备而成的结构疏松、多孔性的裂解产物，具有保水保肥和较强的吸附功能[4-5]。任少勇等[6-7]以生物质炭为主要成分的炭基肥施用后的马铃薯单株结薯数、大薯率、产量、干物质积累量和块茎直链淀粉、支链淀粉、总淀粉和蛋白质含量均高于等量氮磷钾条件下的化肥施用，而还原糖含量低于化肥。黄修梅等[8]研究了现生物质碳添加降低了土壤真菌丰度，提高了马铃薯单株产量、单株结薯数和商品薯率。付春娜等[9]研究表明，生物质炭施用可减缓干旱胁迫对植株的伤害，提高马铃薯株高、主茎数、茎粗，增大干物质积累量，增强叶片的净光合速率、蒸腾速率，而降低胞间CO2浓度。刘志华等[10]研究结果显示，在干旱条件下添加10%生物炭的土壤速效氮、速效磷显著降低，速效钾含量升高。而前人在生物质炭对马铃薯根区土壤酶及微生物功能多样性方面则还未见报道。因此，笔者利用田间试验的方法研究不同秸秆生物炭施用量对马铃薯产量、块茎淀粉、蛋白质和维生素C及根区土壤酶、微生物多样性的影响，以期为马铃薯的合理施用生物炭奠定基础并提供数据指导。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验地位于浙江省嘉兴市南湖区桐乡大道2600号，嘉心有机农业示范园内，该区气候温暖湿润，四季分明，属典型亚热带季风气候。年均温15.9 ℃，1月均温3.3 ℃，7月均温28 .0 ℃，极端最高气温40.5 ℃，极端最低气温-12.4 ℃，年均降水量1 089.0 mm。
1.2 方法
1.2.1 试验设计 试验设5个处理，以CK、M2、M4、M6、M8表示，秸秆生物炭施用量分别为0、100、150、200、250 g·株-1，每个处理以畦（面积20 m2）为单位，随机排列，5次重复。生物炭采用自制，制作原料为杭白菊秸秆，晒干后粉碎，采用水热炭化工艺制得。经检测，秸秆生物炭pH值为9.5，养分含量（w，下同）为有机质57.7%、全氮8.24 g·kg-1、全磷1.65 g·kg-1、全钾28.01 g·kg-1。 2017年2月15日进行整地作畦，畦宽1.0 m，畦间沟宽35 cm、深25 cm。采用单畦双行栽培，株行距25 cm×50 cm。挖穴后将秸秆生物炭作为栽培基质施入穴中，覆少量表土后将种薯置于上方，而后覆盖土壤。马铃薯从嘉兴先丰种业有限公司购买，为‘东农303’。选取大小相近、芽数量基本一致的马铃薯作为种薯。不同处理的田间管理措施均为一致。
1.2.2 测定指标及方法 （1）马铃薯产量：采用全收获法，统计马铃薯单株块茎质量和个数。（2）马铃薯品质：在马铃薯收获时测定块茎品质，淀粉含量采用比重法，蛋白质含量采用考马斯亮蓝法，维生素C含量采用滴定法[11-12]。（3）土壤生化性质：在收获马铃薯时，采集根区及块茎周边土壤样品，带回实验室进行分析。土壤微生物代谢活性和功能多样性采用BIOLOG进行，以培养72 h的数据进行分析和多样性指数的计算[13-14]。土壤脲酶的测定采用苯酚钠-次氯酸钠比色法，过氧化氢酶的测定采用高锰酸钾滴定法，多酚氧化酶的测定采用邻苯三酚比色法，蔗糖酶的测定采用Na2S2O3滴定法[15]。
2 结果与分析
2.1 秸秆生物炭用量对马铃薯产量的影响
随着秸秆生物炭用量的增加（图1），马铃薯单株产量也随之提高，产量增加了8.3%～38.5%，其中M6产量达684.76 g·株-1，显著高于CK和M2处理。
2.2 秸秆生物炭用量对马铃薯品质的影响
从表1可知，生物炭施用后，马铃薯块茎淀粉含量有所提高，增加幅度为2.6%～13.5%，其中M6处理淀粉含量为142.12 g·kg-1，显著高于CK和M2处理。
秸秆生物炭施用后，马铃薯块茎蛋白质含量增加了0.5%～21.4%（表1），其中M6（25.52 g·kg-1）、M8（24.87 g·kg-1）处理显著高于CK和M2处理。
马铃薯块茎维生素C含量随着生物炭用量的增加先增高而后下降（表1），与CK相比，维生素C含量增加了4.9%～30.5%，其中M6（32.12 ?g·g-1）、M8（30.51 ?g·g-1）处理显著高于CK，但不同生物炭用量间没有显著性差异。
2.3 马铃薯根区土壤酶活性的影响
从表2可知，秸秆生物炭施用后马铃薯根区土壤过氧化氢酶、脲酶、多酚氧化酶和蔗糖酶活性均有所提高，与CK相比，分别增加了0.9%～17.6%、0.6%～15.4%、19.4%～34.3%、29.6%～79.3%。其中M6、M8土壤的过氧化氢酶和脲酶活性显著高于CK、M2、M4;而M6、M8土壤多酚氧化酶和蔗糖酶活性显著高于M4、M2，同时也显著高于CK。由此可见，以生物炭施用量为200 g·株-1的M6对马铃薯根区土壤酶活性的增强作用最为明显。
2.4 根区土壤微生物功能多样性
随着秸秆生物炭用量的增加，马铃薯根区土壤微生物的AWCD值（平均吸光值）、丰富度指数、优势度指数和均匀度指数等4个指标均表现为增加而后略有下降（表3），与CK相比，分别增加了16.7%～77.8%、1.2%～21.7%、2.4%～10.7%、13.2%～82.3%。M6处理的AWCD值和丰富度指數均显著高于M2、CK，M6处理的优势度指数为最大，显著高于其他处理，均匀度指数则表现为M6、M8显著高于其他处理。
2.5 马铃薯产量、品质与相关土壤指标间的相关性
从表4可知，马铃薯产量、品质与土壤性质密切相关。除土壤脲酶外，马铃薯产量与土壤其他生化指标间的相关性均达显著水平;除土壤微生物丰富度指数外，马铃薯淀粉含量与土壤其他生化指标间的相关性均达显著水平;马铃薯蛋白质、维生素C含量与土壤所检指标间均有极显著或显著性相关;而马铃薯还原糖含量仅与土壤蔗糖酶、土壤微生物丰富度指数和优势度指数的相关性达显著水平。
3 讨论与结论
秸秆生物炭作为一种新型栽培基质，在作物种植中发挥着重要的作用。生物炭能显著提高菜心、黄瓜的产量[16-17]，同时还能提高蔬菜的品质。本研究结果也表明，施用生物炭后提高了马铃薯产量和品质，当施用量为200 g·株-1时，马铃薯产量增加38.5%，马铃薯块茎中淀粉含量（142.12 g·kg-1）、蛋白质含量（25.5 g·kg-1）和维生素C含量（32.1 ?g·g-1）也达最高值。这与任少勇等[6-7]、黄修梅等[8]所述的马铃薯产量和品质随生物质的施用提高或增加相似。
土壤酶是土壤肥力的重要标志，也影响着土壤有机养分的转化，其中根区土壤酶活性可以评价土壤肥力水平的高低[18]。龚丝雨等[19]研究表明，增施生物炭可显著提高土壤过氧化氢酶和脲酶活性，本试验中当秸秆生物炭用量为200 g·株-1时，马铃薯根区土壤过氧化氢酶、脲酶、多酚氧化酶和蔗糖酶活性显著高于对照和低生物炭用量处理，这可能是由于生物炭用量达到一定水平时，有利于协调土壤碳氮比，改善土壤理化性状，有助于土壤微生物和马铃薯的生长，从而有利于土壤酶活性的提高，通过改善土壤微生物活性和植物根系来增强土壤酶活性。BIOLOG分析中，AWCD值反映了土壤微生物活性和微生物群落生理功能多样性[20]。赵淑云等[21]研究表明，生物炭的添加增加了黄瓜根际土壤微生物的数量与多样性，本研究中秸秆生物炭施用量为200 g·株-1时马铃薯土壤微生物的AWCD值、丰富度指数、优势度指数和均匀度指数均达最高值，说明一定量生物炭的施用促进了土壤微生物群落功能多样性升高，微生物区系得以改善，这可能与根际土壤酶活性的提高有一定联系[22]。
秸秆生物炭的施用提高了马铃薯产量和品质，改善了马铃薯根区土壤酶活性和土壤微生物多样性，其中以200 g·株-1的施用量为最佳，马铃薯产量显著增加38.5%，淀粉、蛋白质和维生素C含量分别提高了13.5%、21.4%和30.5%。 参考文献
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[6] 任少勇，王姣，黃美华，等.炭基肥对马铃薯干物质积累分配和产量的影响[J].中国马铃薯，2013，27（4）：215-221.
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[8] 黄修梅，李明，戎素萍，等.生物质炭添加对马铃薯根际土壤真菌多样性和产量的影响[J].中国蔬菜，2019（1）：51-56.
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[10] 刘志华，丛聪，智嘉禾，等.干旱条件下生物炭施用量对马铃薯块茎形成期土壤速效养分含量的影响[J].中国马铃薯，2015，29（3）：153-157.
[11] 刘欢，王超琦，吴家森，等.氮素指数施肥对杉木无性系苗生长及养分含量的影响[J].应用生态学报，2016，27（10）：3123-3128.
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关键词：马铃薯;淀粉;蛋白质;维生素C;土壤酶;土壤微生物;生物炭
Effect of the amount of biochar on potato quality and soil biochemical properties
TU Juanli， FEI Weiying， ZHANG Ping
（Jiaxing Vocational Technical College， Jiaxing 314036， Zhejiang， China）
Abstract： In order to understand the effects of different biochar on potato quality and soil properties， five field treatments with biochar consumption of 0， 100， 150， 200， 250 g·strain-1 were set up. Potato yield， quality and soil biochemical properties were analyzed at harvest. The results showed that the best amount of application of biochar application was 200 g per plant. Compared with the control， the potato yield increased by 38.5%; the starch， protein and vitamin C content in the tubers increased by 13.5%， 21.4% and 30.5%， respectively; the soil catalase， urease， polyphenol oxidase and invertase activities in the root zone increased by 17.6%， 15.4%， 34.3%， and 79.3%， respectively; the AWCD value， richness index， dominance index and evenness index of soil microbes also increased by 77.8%， 21.7%， 10.7%， and 82.3%， respectively.
Key words： Potato; Starch; Protein; Vitamin C; Soil enzyme; Soil microorganism; Biochar
馬铃薯（Solanum tuberosum）是茄科一年生草本植物，富含淀粉、蛋白质和和维生素C，是十全十美的全价营养食物[1]。2015年我国提出了马铃薯主粮化战略，是继水稻、小麦和玉米之后的第四大粮食作物[2]，因此高产优质马铃薯种植技术的研究显得尤为重要。
生物炭是指作物秸秆、木屑、动物粪便在高温无氧条件下制备而成的结构疏松、多孔性的裂解产物，具有保水保肥和较强的吸附功能[4-5]。任少勇等[6-7]以生物质炭为主要成分的炭基肥施用后的马铃薯单株结薯数、大薯率、产量、干物质积累量和块茎直链淀粉、支链淀粉、总淀粉和蛋白质含量均高于等量氮磷钾条件下的化肥施用，而还原糖含量低于化肥。黄修梅等[8]研究了现生物质碳添加降低了土壤真菌丰度，提高了马铃薯单株产量、单株结薯数和商品薯率。付春娜等[9]研究表明，生物质炭施用可减缓干旱胁迫对植株的伤害，提高马铃薯株高、主茎数、茎粗，增大干物质积累量，增强叶片的净光合速率、蒸腾速率，而降低胞间CO2浓度。刘志华等[10]研究结果显示，在干旱条件下添加10%生物炭的土壤速效氮、速效磷显著降低，速效钾含量升高。而前人在生物质炭对马铃薯根区土壤酶及微生物功能多样性方面则还未见报道。因此，笔者利用田间试验的方法研究不同秸秆生物炭施用量对马铃薯产量、块茎淀粉、蛋白质和维生素C及根区土壤酶、微生物多样性的影响，以期为马铃薯的合理施用生物炭奠定基础并提供数据指导。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验地位于浙江省嘉兴市南湖区桐乡大道2600号，嘉心有机农业示范园内，该区气候温暖湿润，四季分明，属典型亚热带季风气候。年均温15.9 ℃，1月均温3.3 ℃，7月均温28 .0 ℃，极端最高气温40.5 ℃，极端最低气温-12.4 ℃，年均降水量1 089.0 mm。
1.2 方法
1.2.1 试验设计 试验设5个处理，以CK、M2、M4、M6、M8表示，秸秆生物炭施用量分别为0、100、150、200、250 g·株-1，每个处理以畦（面积20 m2）为单位，随机排列，5次重复。生物炭采用自制，制作原料为杭白菊秸秆，晒干后粉碎，采用水热炭化工艺制得。经检测，秸秆生物炭pH值为9.5，养分含量（w，下同）为有机质57.7%、全氮8.24 g·kg-1、全磷1.65 g·kg-1、全钾28.01 g·kg-1。 2017年2月15日进行整地作畦，畦宽1.0 m，畦间沟宽35 cm、深25 cm。采用单畦双行栽培，株行距25 cm×50 cm。挖穴后将秸秆生物炭作为栽培基质施入穴中，覆少量表土后将种薯置于上方，而后覆盖土壤。马铃薯从嘉兴先丰种业有限公司购买，为‘东农303’。选取大小相近、芽数量基本一致的马铃薯作为种薯。不同处理的田间管理措施均为一致。
1.2.2 测定指标及方法 （1）马铃薯产量：采用全收获法，统计马铃薯单株块茎质量和个数。（2）马铃薯品质：在马铃薯收获时测定块茎品质，淀粉含量采用比重法，蛋白质含量采用考马斯亮蓝法，维生素C含量采用滴定法[11-12]。（3）土壤生化性质：在收获马铃薯时，采集根区及块茎周边土壤样品，带回实验室进行分析。土壤微生物代谢活性和功能多样性采用BIOLOG进行，以培养72 h的数据进行分析和多样性指数的计算[13-14]。土壤脲酶的测定采用苯酚钠-次氯酸钠比色法，过氧化氢酶的测定采用高锰酸钾滴定法，多酚氧化酶的测定采用邻苯三酚比色法，蔗糖酶的测定采用Na2S2O3滴定法[15]。
2 结果与分析
2.1 秸秆生物炭用量对马铃薯产量的影响
随着秸秆生物炭用量的增加（图1），马铃薯单株产量也随之提高，产量增加了8.3%～38.5%，其中M6产量达684.76 g·株-1，显著高于CK和M2处理。
2.2 秸秆生物炭用量对马铃薯品质的影响
从表1可知，生物炭施用后，马铃薯块茎淀粉含量有所提高，增加幅度为2.6%～13.5%，其中M6处理淀粉含量为142.12 g·kg-1，显著高于CK和M2处理。
秸秆生物炭施用后，马铃薯块茎蛋白质含量增加了0.5%～21.4%（表1），其中M6（25.52 g·kg-1）、M8（24.87 g·kg-1）处理显著高于CK和M2处理。
马铃薯块茎维生素C含量随着生物炭用量的增加先增高而后下降（表1），与CK相比，维生素C含量增加了4.9%～30.5%，其中M6（32.12 ?g·g-1）、M8（30.51 ?g·g-1）处理显著高于CK，但不同生物炭用量间没有显著性差异。
2.3 马铃薯根区土壤酶活性的影响
从表2可知，秸秆生物炭施用后马铃薯根区土壤过氧化氢酶、脲酶、多酚氧化酶和蔗糖酶活性均有所提高，与CK相比，分别增加了0.9%～17.6%、0.6%～15.4%、19.4%～34.3%、29.6%～79.3%。其中M6、M8土壤的过氧化氢酶和脲酶活性显著高于CK、M2、M4;而M6、M8土壤多酚氧化酶和蔗糖酶活性显著高于M4、M2，同时也显著高于CK。由此可见，以生物炭施用量为200 g·株-1的M6对马铃薯根区土壤酶活性的增强作用最为明显。
2.4 根区土壤微生物功能多样性
随着秸秆生物炭用量的增加，马铃薯根区土壤微生物的AWCD值（平均吸光值）、丰富度指数、优势度指数和均匀度指数等4个指标均表现为增加而后略有下降（表3），与CK相比，分别增加了16.7%～77.8%、1.2%～21.7%、2.4%～10.7%、13.2%～82.3%。M6处理的AWCD值和丰富度指數均显著高于M2、CK，M6处理的优势度指数为最大，显著高于其他处理，均匀度指数则表现为M6、M8显著高于其他处理。
2.5 马铃薯产量、品质与相关土壤指标间的相关性
从表4可知，马铃薯产量、品质与土壤性质密切相关。除土壤脲酶外，马铃薯产量与土壤其他生化指标间的相关性均达显著水平;除土壤微生物丰富度指数外，马铃薯淀粉含量与土壤其他生化指标间的相关性均达显著水平;马铃薯蛋白质、维生素C含量与土壤所检指标间均有极显著或显著性相关;而马铃薯还原糖含量仅与土壤蔗糖酶、土壤微生物丰富度指数和优势度指数的相关性达显著水平。
3 讨论与结论
秸秆生物炭作为一种新型栽培基质，在作物种植中发挥着重要的作用。生物炭能显著提高菜心、黄瓜的产量[16-17]，同时还能提高蔬菜的品质。本研究结果也表明，施用生物炭后提高了马铃薯产量和品质，当施用量为200 g·株-1时，马铃薯产量增加38.5%，马铃薯块茎中淀粉含量（142.12 g·kg-1）、蛋白质含量（25.5 g·kg-1）和维生素C含量（32.1 ?g·g-1）也达最高值。这与任少勇等[6-7]、黄修梅等[8]所述的马铃薯产量和品质随生物质的施用提高或增加相似。
土壤酶是土壤肥力的重要标志，也影响着土壤有机养分的转化，其中根区土壤酶活性可以评价土壤肥力水平的高低[18]。龚丝雨等[19]研究表明，增施生物炭可显著提高土壤过氧化氢酶和脲酶活性，本试验中当秸秆生物炭用量为200 g·株-1时，马铃薯根区土壤过氧化氢酶、脲酶、多酚氧化酶和蔗糖酶活性显著高于对照和低生物炭用量处理，这可能是由于生物炭用量达到一定水平时，有利于协调土壤碳氮比，改善土壤理化性状，有助于土壤微生物和马铃薯的生长，从而有利于土壤酶活性的提高，通过改善土壤微生物活性和植物根系来增强土壤酶活性。BIOLOG分析中，AWCD值反映了土壤微生物活性和微生物群落生理功能多样性[20]。赵淑云等[21]研究表明，生物炭的添加增加了黄瓜根际土壤微生物的数量与多样性，本研究中秸秆生物炭施用量为200 g·株-1时马铃薯土壤微生物的AWCD值、丰富度指数、优势度指数和均匀度指数均达最高值，说明一定量生物炭的施用促进了土壤微生物群落功能多样性升高，微生物区系得以改善，这可能与根际土壤酶活性的提高有一定联系[22]。
秸秆生物炭的施用提高了马铃薯产量和品质，改善了马铃薯根区土壤酶活性和土壤微生物多样性，其中以200 g·株-1的施用量为最佳，马铃薯产量显著增加38.5%，淀粉、蛋白质和维生素C含量分别提高了13.5%、21.4%和30.5%。 参考文献
[1] 杨雅伦，郭燕枝，孙君茂.我国马铃薯产业发展现状及未来展望[J].中国农业科技导报，2017，19（1）：29-36.
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[5] 王雪玉，马建华，李明，等.生物炭对不同种植年限土壤黄瓜生长及真菌丰度的影响[J].中国瓜菜，2018，31（11）：22-25.
[6] 任少勇，王姣，黃美华，等.炭基肥对马铃薯干物质积累分配和产量的影响[J].中国马铃薯，2013，27（4）：215-221.
[7] 任少勇，王姣，黄美华，等.炭基肥施用对马铃薯品质和产量的影响[J].中国农学通报，2014，30（6）：233-237.
[8] 黄修梅，李明，戎素萍，等.生物质炭添加对马铃薯根际土壤真菌多样性和产量的影响[J].中国蔬菜，2019（1）：51-56.
[9] 付春娜，张丽莉，黄越，等.生物炭与干旱对马铃薯初花期生长特性的影响[J].贵州农业科学，2016，44（10）：18-21.
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