生物炭及炭基缓释肥对土壤酶活性的影响

2019-09-23张艺赵远张玉虎

江苏农业科学 2019年14期

张艺赵远张玉虎

摘要：选取3种秸秆（玉米、小麦、水稻）生物炭及炭基缓释肥为试验材料对土壤相关酶活性的动态变化进行分析，设计未施加生物炭（CK）、500 ℃小麦生物炭（WBC）、500 ℃玉米生物炭（CBC）、300 ℃水稻生物炭（NBC3）、500 ℃水稻生物炭（NBC5）、700 ℃水稻生物炭（NBC7）和炭基缓释肥（CN）7个处理。结果表明，在同等养分条件下，施加生物炭和炭基缓释肥均能提高本研究中土壤酶活性。通过研究水稻生长时期各处理对酶活的影响发现，单一酶的最佳处理分别为NBC3、NBC5、NBC5、NBC5、NBC5、WBC;同时NBC5处理土壤总体酶活性参数Et值最高，其次分别为WBC、CBC、NBC7、CN、NBC3处理，较CK处理分别提高19.81%、16.63%、13.59%、10.54%、9.09% 和9.03%，土壤总体酶活性参数完善了单一酶活性反映的片面性。因此，NBC5处理表现明显提高土壤酶活性的优势。

关键词：生物炭;炭基缓释肥;土壤酶活性

中图分类号： S154 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）14-0321-06

近年来，农业逐渐成为我国的国民基础产业，我国每年粮食产量约9亿t，其中秸秆总量高达7亿t[1]，但秸秆利用率仅达到33.3%。由于国家的快速发展，农村劳动力逐渐减少，导致大部分秸秆被废弃或直接烧掉，这不仅浪费资源，还对环境造成了严重的污染[2]。

生物炭（BC）是由生物质在完全或部分缺氧的情况下经过热解炭化产生的一类高度芳香化难溶性固态物质[3]，多为粉状颗粒[4]。由于生物炭具有发达的多孔结构和较大的比表面积[5]，施入土壤后能够改善土壤理化性质[6]，增加土壤微生物数量和酶活性[7]，因而能够促进土壤多种元素的循环。生物炭可以改善重金属污染土壤[8]，减少CH4、CO2和NO2温室气体的排放[9-11]，同时增加土壤碳库储量，将碳封存在土壤中，有效地减少CO2的释放量。土壤微生物是土壤碳库中最为活跃的组分，对环境的变化最为敏感，而土壤酶活性可反映土壤微生物的活性[12]。土壤酶是由微生物和动植物活体及其残骸分解释放到土壤中的一类参与循环反应的催化剂[13]，其活性可反映土壤中生物化学反应活跃程度和养分物质循环状况等[14]，是土壤质量的潜在敏感指标和评价土壤肥力的重要参数之一[15]。目前的研究表明，生物炭的施用能提高与N、P等矿质元素利用相关的土壤酶活性[16]，而抑制参与土壤碳矿化等生态学过程的土壤酶活性[17]。近年来，国内外学者对土壤酶进行相关研究，Oleszczuk等的研究表明，向灰化土中添加麦秆生物炭能够提高土壤脱氢酶、蛋白酶、碱性磷酸酶活性[18];谷思玉等的研究表明，在大豆种植前施加玉米秸秆生物炭，提高了土壤中蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶的活性[19]。目前，关于施肥和秸秆还田等对土壤酶活性影响的研究已有较多报道，但关于生物炭及炭基缓释肥对作物生长时期土壤酶活性影响的研究相对较少。因此，本研究采用大田试验探讨不同秸秆生物炭及炭基缓释肥对土壤酶活性的影响，以期为深入研究生物炭在土壤中的综合作用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试土壤研究区位于江苏省丹阳市珥陵镇德木桥村（119°35′27.47″E、31°51′53.64″ N），海拔6 m，属于亚热带季风气候，年平均降水量约1 056 mm，年平均温度约15 ℃。土壤类型为淹育水稻土，其基本理化性质为有机碳含量 8.99 g/kg，全氮含量1.31 g/kg，全磷含量0.42 g/kg，速效鉀含量84.41 mg/kg，有效磷含量91.25 mg/kg，阳离子交换量（CEC）15.4 cmol/kg，容重1.16 g/cm3，pH值5.85。

1.1.2 供试生物炭和炭基缓释肥采用3种生物炭进行试验，其中小麦、玉米秸秆生物炭（制备温度为300℃）均购自南京勤丰秸秆科技有限公司;水稻秸杆生物炭在实验室利用马弗炉制备，通过预试验再委托企业加工。炭基缓释肥由制备的水稻秸秆生物炭通过工厂配施一定肥料制备而成。

1.1.3 供试作物所用水稻品种为江苏省农业科学院粮食作物研究所培育的南粳5055。

1.2 试验设计

试验于2017年5—11月在江苏省南部丹阳市大田中进行，由于生物炭原料和热解温度是影响土壤酶活性的重要因素，因此设7个处理，即未施用生物炭（CK）、施用小麦秸秆生物炭（WBC）、施用玉米秸秆生物炭（CBC）、施用300 ℃水稻秸秆生物炭（NBC3）、施用700 ℃水稻秸秆生物炭（NBC7）、施用500 ℃水稻秸秆生物炭（NBC5）和施用炭基缓释肥（CN），各生物炭的基本理化性质见表1。每块田面积大致相当，水稻所需氮、磷、钾等营养元素分别由尿素、普通过磷酸钙和氯化钾提供。按照基肥-分蘖肥-穗肥施肥，基肥N、P2O5、K2O用量分别为72、75、72 kg/hm2，分蘖肥N用量为 56 kg/hm2，穗肥N、K2O用量分别为50、30 kg/hm2。生物炭施用量为3%（10 t/hm2），炭基缓释肥用量为450 kg/hm2，不作其他肥施入。种植前将生物炭均匀撒入田中，翻耕土壤，30 d 后即可种植水稻。作物生长期间统一管理，在1 d（返青期）、8 d（分蘖前期）、22 d（分蘖中期）、33 d（分蘖后期）、44 d（拔节期）、90 d（抽穗期）、136 d（收获期）时采集土样，测定土壤酶活性。

1.3 土样采集及测定方法

每块大田采用5点法采集表层0～20 cm土壤样品，剔除石砾和残渣后将土样充分混合，装袋并按次序编号贴上标签，风干过筛（2 mm）后备用。

酶活性的测定：碱性磷酸酶催化水解对硝基苯磷酸二钠（p-NPP），产生具有稳定性质的黄色对硝基苯酚（PNP），通过比色法测定PNP的量[20]，以1 g土1 h后产生的PNP量表示磷酸酶活性;脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，以1 g土24 h后产生的NH3-N量表示[21];蔗糖酶、纤维素酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，分别以1 g土24、72 h后产生的葡萄糖量表示;荧光素二乙酸酯（FDA）水解酶采用荧光素比色法测定[22-23]，以1 g土1 h后产生的荧光素量表示。

1.4 土壤总体酶活性

在对土壤酶研究的基础上，和文祥等认为单一酶活性反映的信息并不全面，无法涵盖整体酶的信息，于是提出一个土壤总体酶活性参数Et[24]，本研究在此基础进行改进。计算过程为：采用每个时期土样酶活性的平均值为参比，分别计算各土样酶活性的相对值，然后累加即为该时期各土样的总体酶活性指标，其公式为

Et=∑ni=1Xi/X+∑nj=1Xj/X+∑nk=1Xk/X+∑nl=1Xl/X+∑nm=1Xm/X+∑no=1Xo/X+∑np=1Xp/X7。

式中：Xi、Xj、Xk、Xl、Xm、Xo、Xp分别表示水稻各时期土壤酶活性;X为同种酶活性平均值[碱性磷酸酶和FDA水解酶活性单位为μg/（g·h）;脲酶活性单位为μg/（g·24 h）;蔗糖酶活性单位为mg/（g·24 h）;纤维素酶活性单位为 μg/（g·72 h）]。Et的物理意义为：定量指示供试土样中土壤总体酶活性的大小[25]。

1.5 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 19.0软件对数据进行整理作图和单因素方差分析，Duncans法检验差异显著性，显著性水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 生物炭及炭基缓释肥对碱性磷酸酶活性的影响

从图1可以看出，在水稻整个生长时期，土壤碱性磷酸酶活性表现为先升高后降低的变化趋势，并在分蘖后期达到峰值，但各处理提高效果不同。在返青期和分蘖前期，经过BC、CN处理的土壤碱性磷酸酶活性显著高于CK处理（P<0.05），分别提高了7.75%～25.86%和13.63%～45.08%，其中NBC3处理酶活性最高;通过比较BC处理和CN处理发现，仅在分蘖前期CBC处理显著低于CN处理。分蘖中期、分蘖后期、拔节期相较于CK处理分别提高了3.31%～19.86%、3.09%～21.64%、2.20%～26.64%;其中在拔节期CN处理碱性磷酸酶活性显著高于WBC、CBC、NBC3处理。在抽穗期仅NBC5处理碱性磷酸酶活性显著高于CK处理，其他6个处理之间差异均不显著，在收获期各处理间碱性磷酸酶活性无显著差异，这可能是由于磷素水平的季节波动。从返青期至收获期各时期碱性磷酸酶活性最高的处理分别是NBC3、NBC3、NBC3、NBC7、CN、NBC5、NBC3处理，较CK处理分别提高了25.86%、45.08%、19.86%、21.64%、26.64%、29.37%、1.75%，表明生物炭和炭基缓释肥的施用可以提高水稻土壤碱性磷酸酶活性，其中NBC3处理效果较好，而且生物炭效果总体优于炭基缓释肥。

2.2 生物炭及炭基缓释肥对脲酶活性的影响

从图2可以看出，在水稻生长时期土壤脲酶活性变化趋势与碱性磷酸酶大体一致，但是其在拔节期达到峰值。从返青期至分蘖前期，土壤脲酶活性缓速增长，BC处理脲酶活性普遍显著高于CK和CN处理（P<0.05），分别在NBC3和NBC5处理下达到最高值，CN较CK处理从无显著性到显著提高。从分蘖中期到收获期，BC、CN处理脲酶活性高于CK处理，其中在分蘖中期WBC、NBC7、NBC5处理脲酶活性显著高于CK处理，分别提高了21.88%、17.89%、57.66%，仅NBC5处理显著高于CN处理;分蘖后期和收获期各BC处理的脲酶活性均显著高于CK处理，分别提高5.03%～50.35%和27.31%～47.78%，在分蘖后期CN处理脲酶活性低于BC处理;在拔节期NBC5处理较CK、CN处理脲酶活性分别显著提高了10.17%、8.11%，而在抽穗期、收获期CN处理的脲酶活性高于BC、CK处理，这可能是由于炭基缓释肥具有良好的保肥能力，使得土壤在水稻生长末期仍具有高脲酶活性。从返青期至收获期各时期脲酶活性最高的处理分别是NBC3、NBC5、NBC5、CBC、NBC5、CN、CN处理，较CK处理分别提高了56.99%、43.48%、57.65%、50.35%、10.17%、12.38%、61.43%，说明生物炭和炭基缓释肥可对土壤脲酶活性起促进作用。

2.3 生物炭及炭基缓释肥對蔗糖酶活性的影响

从图3可以看出，从返青期到收获期所有处理蔗糖酶活性均表现为先升高后降低的趋势，并在分蘖后期达到峰值。在返青期WBC、NBC7、NBC5处理脲酶活性较CK处理提高了9.35%、3.32%、15.22%，而CN处理低于CK、BC处理。从分蘖前期到分蘖后期，BC、CN处理的蔗糖酶活性有高于CK处理的趋势，土壤有机碳（SOC）和可溶性有机碳（DOC）含量增加带来较高水平的土壤蔗糖酶活性，其中在分蘖前期CBC、NBC7、NBC5、CN处理较CK处理分别显著提高了 13.27%、14.81%、24.00%、15.84%，NBC5处理较CN处理显著提高7.04%;在分蘖中期和分蘖后期WBC、CBC、NBC5处理较CK处理分别显著提高了25.59%、14.18%、11.90%和 25.51%、35.97%、19.62%;CN处理蔗糖酶活性在分蘖中期低于WBC、CBC、NBC5处理，但在分蘖后期仅低于CBC处理。从拔节期到收获期，BC处理蔗糖酶活性普遍高于CN、CK处理，除拔节期NBC5处理较CK处理显著提高34.49%外，其他处理间差异均达不到显著水平。从返青期至收获期各时期蔗糖酶活性最高的处理分别是NBC5、NBC5、WBC、CBC、NBC5、CBC、NBC5处理，较CK处理分别提高了15.22%、24.00%、25.59%、35.97%、34.49%、11.75%、14.92%，说明施加生物炭可以有效提高土壤蔗糖酶活性，其中NBC5处理在多个采样时期表现良好效果。

2.4 生物炭及炭基缓释肥对FDA水解酶活性的影响

从图4可以看出，各处理土壤FDA水解酶活性整体呈现缓慢增长的趋势，在分蘖后期达到峰值，之后逐渐降低。在返青期和分蘖中期BC处理的FDA水解酶活性显著高于CK、CN处理，分别较CK处理提高了26.42%～31.70%和21.15%～65.71%。可能是由于施入生物炭后水稻在返青期微生物变化快，而FDA水解酶通常反映土壤总微生物的活性，随着水稻进入分蘖期，土壤微生物快速生长，对土壤酶活性影响显著。在分蘖前期仅NBC5处理FDA水解酶活性较CK处理显著提高了27.91%，在抽穗期WBC、CBC处理FDA水解酶活性较CK处理显著提高了18.98%、32.86%，而其他处理与CK处理无显著差异;虽然从返青期到收获期CN处理FDA水解酶活性均与CK处理无显著差异，但是分别提高了7.17%、8.28%、6.41%、2.14%、0%、3.40%、9.00%。BC处理的FDA水解酶活性仅在收获期低于CN处理，在返青期和分蘖中期BC处理较CN处理分别显著提高了17.96%～22.89% 和13.86%～55.72%。从返青期到收获期各时期FDA水解酶活性最高的处理分别是NBC7、NBC5、NBC3、NBC5、WBC、CBC、CN处理，较CK处理分别提高了31.70%、27.91%、65.71%、19.02%、11.58%、32.86%、9.00%，说明各个时期施用生物炭和炭基缓释肥对土壤FDA水解酶活性有促进效果。

2.5 生物炭及炭基缓释肥对纤维素酶活性的影响

从图5可以看出，添加生物炭和炭基缓释肥后土壤纤维素酶活性变化复杂，大致变化趋势为先降低后升高再降低。在返青期时，BC、CN处理的纤维素酶活性相较于CK处理提高了0%～27.01%，其中CBC、NBC7、NBC5处理显著提高了19.64%、22.08%、27.01%。从分蘖前期到分蘖后期，各处理（除分蘖前期CBC处理）的纤维素酶活性变化趋势与返青期保持一致，相较于CK处理，分别提高了3.72%～52.17%、10.45%～62.55% 和8.04%～22.09%，其中NBC5处理均最高。随着水稻生长至拔节期，土壤纤维素酶活性达到最高值，表现为WBC处理>CBC处理>NBC5处理>NBC7处理>NBC3处理>CN处理>CK处理。在抽穗期和收获期NBC3、NBC7处理纤维素酶活性均低于CK处理，仅WBC处理分别显著提高了53.19%和26.65%。在拔节期除NBC3处理外，均显著低于BC处理。从返青期至收获期各时期纤维素酶活性最高的处理分别是NBC5、NBC5、NBC5、NBC5、WBC、WBC和WBC处理，较CK处理分别提高了 27.01%、52.17%、62.55%、22.09%、103.75%、53.19%和26.65%，说明施加生物炭土壤纤维素酶活性整体优于CK、CN处理。

2.6 土壤总体酶活性指标

本研究引进一个新的土壤总体酶活性评价参数Et对5种酶活性的整体水平进行分析，进一步验证各处理对土壤酶活性的影响。

由表2可知，NBC5处理的土壤总体酶活性参数最大，其次由大到小依次为WBC、CBC、NBC7、CN、NBC3处理，分别较CK处理提高了19.81%、16.63%、13.59%、10.54%、9.09%、9.03%，这与前述结果类似，NBC5处理在水稻生长期对多个酶活性表现出良好的效果，因此土壤总体酶活性参数更加全面地说明了各处理对土壤酶活性的影响。

3 讨论

土壤酶作为土壤组分中最活跃的有机成分之一，参与土壤中各种化学反应和生物化学过程，不仅可以表征土壤物质能量代谢旺盛程度，还可以作为评价土壤肥力高低的一个重要生物指标。

3.1 生物炭和炭基缓释肥对土壤酶活性的影响

碱性磷酸酶是一种水解酶，能加快有机磷降解为无机磷的速度，提高土壤磷素有效性和有效磷的含量，其活性高低直接影响土壤中有机磷的分解转化和生物有效性，同时也是评价土壤磷素生物转化方向与强度的指标[26]。张继旭等在植烟土壤中添加生物炭，结果发现，生物炭对磷酸酶活性有一定程度的促进作用[27]。本研究对水稻生长期的土壤碱性磷酸酶活性进行比较发现，仅在收获期时，BC、CN处理表现为对土壤碱性磷酸酶活性的抑制，其他时期表现为促进作用，说明施用生物炭和炭基缓释肥能提高土壤碱性磷酸酶活性，这与黄剑的研究结论[28]一致。此外在水稻生长中期（分蘖中期至拔节期）碱性磷酸酶活性增幅明显，这可能是因为水稻生长旺盛对生物炭具有刺激作用，且该时期土壤对磷的需求加剧。

脲酶催化尿素水解生成氨、CO2和H2O，其活性可以用来表征土壤中有机氮的转化情况。它主要通过对土壤有机质中肽键的水解来提高有机氮的转化[29]。刘淑英将秸秆施入西北干旱土壤中，结果发现，该土壤的脲酶活性显著增加[30]。本研究结果表明，BC、CN处理能显著提高土壤脲酶活性，这与周震峰等的研究结果[13]一致。但在返青期NBC5处理和分蘖前期NBC3处理脲酶活性低于CK处理，这可能是因为该种生物炭对酶底物的吸附作用阻止了酶活性位点与底物结合，从而抑制了酶活性。

蔗糖酶别称转化酶，通过水解蔗糖为微生物提供能量，参与土壤有机质的矿化与分解，对增加土壤中易溶性营养物质起着重要的作用。李娜等通过田间微区试验发现，生物炭与秸秆还田可提高蔗糖酶和蛋白酶活性[31]。本研究结果表明，BC、CN处理蔗糖酶活性普遍较CK处理提高，但是在返青期部分施加生物炭处理蔗糖酶活性低于CK处理，特别是NBC3处理在分蘖中期和拔节期出现同样结果，这与赵军的研究结果[32]相似，但其研究发现，CK处理在拔节期和收获期蔗糖酶活性高于施加生物炭和炭基缓释肥处理，与本研究结果不一致，这可能与作物种类、土壤环境、施肥管理有关。

FDA水解酶可以被土壤中多种酶催化水解，发生酶促反应，生成相对稳定的荧光素，其可反映微生物活性和土壤质量[22]。FDA水解酶活性与微生物活性之间的相关性比其他酶活性更显著，因此应用其活性来评价土壤微生物的总体活性[33-35]。本研究中，除收获期外，BC、CN处理均能增加土壤FDA水解酶活性，这与李腊梅等的研究结果[36]相似，化肥施用和秸秆还田显著提高FDA水解酶活性，但是各种施肥处理间活性差异不明显，与本试验结果矛盾，这可能是由于该土壤连续10年秸秆还田，对土壤的刺激逐渐降低。

纤维素酶属于水解酶，是重要的土壤质量评价指标，其活性会直接影响作物或植物的产量。辛淬鑫等以山西省试验田土壤为材料，添加不同种类、不同量的生物炭进行试验，结果发现，生物炭能有效提高纤维素酶活性且延长其酶活性周期[37]。本研究中，添加BC和CN后土壤纤维素酶活性变化复杂，从返青期到分蘖前期，土壤纤维素酶活性总体降低，这可能是因为纤维素酶起腐化作物的作用，对于作物来说，生长发育的初期纤维素酶活性越低越好，所以酶活性逐渐降低，但随着有机酸的积累和纤维素分解菌对环境的逐渐适应，纤维素酶活性越来越高。本试验在最后2次采样时，仅NBC3、NBC7处理土壤纤维素酶活性低于CK处理，这可能是由于该种生物炭在裂解温度上对农田土壤影响显著，也有可能与该时期内土壤微生物量和养分含量减少有关。

3.2 土壤总体酶活参数

根据土壤酶种类的不同，构建一个土壤总体酶活性指标参数，即无量纲常数Et。计算得到的土壤总体酶活性可更好地比较不同处理间酶活性的大小，更准确地表征供试土壤肥力水平的高低。從本研究结果可知，单一酶活性可以提供部分相关信息，例如NBC3处理对土壤碱性磷酸酶活性在水稻生长期表现出良好的促进效果，但是土壤总体酶活性参数较小;而NBC5处理对多种土壤酶活性起促进作用，验证了NBC5处理土壤总体酶活性最大的结果。虽然采用单一酶活性作为评价相关处理优劣的指标是片面的，但可以从单一酶活性获得相关规律，通过土壤总体酶活性进行验证。

4 结论

综上所述，生物炭的施用对土壤酶活性的影响显著，其影响程度的大小与生物炭的种类、裂解温度有关。生物炭和炭基缓释肥可以显著增加土壤碱性磷酸酶、脲酶活性，也可增加蔗糖酶、FDA水解酶、纤维素酶活性。但是在部分采样时期部分处理蔗糖酶、纤维素酶活性低于CK处理，这可能是因为土壤酶活性由土壤微生物的底物利用方式和效率决定，受到土壤环境（温度、水分、养分等）、微生物种群和土壤理化性质等因素的制约。通过土壤总体酶活参数发现，各处理的Et值均高于CK处理，其中NBC5处理土壤总体酶活性最大。施用生物炭和炭基缓释肥对土壤酶活性产生复杂多变的效应，究其原因主要可能是：一方面生物炭具有极强的吸附性能，可以吸附酶促反应的反应底物，进而促进酶促反应的进行，提高土壤酶活性;另一方面生物炭还可以吸附保护酶促反应的结合位点，从而抑制酶促反应的进行，降低酶活性[38]。

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