增施生物炭對烤煙成熟期根際土壤酶活性的影響

龔絲雨,聶亞平,3,張啟明,鐘思榮,張世川,何寬信,劉齊元

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045；2.江西省煙葉科學(xué)研究所，江西 南昌 330025；3.浙江財(cái)經(jīng)大學(xué)，浙江 杭州 310018)

增施生物炭對烤煙成熟期根際土壤酶活性的影響

龔絲雨1,聶亞平1,3*,張啟明2,鐘思榮1,張世川1,何寬信2,劉齊元1**

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045；2.江西省煙葉科學(xué)研究所，江西 南昌 330025；3.浙江財(cái)經(jīng)大學(xué)，浙江 杭州 310018)

田間試驗(yàn)向土壤中增施不同量的生物炭，再對烤煙成熟期根際土壤過氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶、多酚氧化酶活性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：增施生物炭可顯著提高土壤過氧化氫酶和脲酶活性，但對根際土壤轉(zhuǎn)化酶和多酚氧化酶活性影響不顯著；生物炭與有機(jī)肥配施比與無機(jī)肥配施改善土壤酶活性的效果更好。

生物炭；土壤酶；烤煙；成熟期

Abstract： The activities of catalase, urease, sucrase and polyphenol oxidase in the rhizospheric soil of flue-cured tobacco at maturity stage were studied by the field experiment of adding different amount of biochar to the soil. The results showed that increasing the application of biochar significantly increased the activities of catalase and urease in the rhizospheric soil, but it had no significant effects on the activities of soil sucrase and polyphenol oxidase. The combined application of biochar and organic fertilizer had better improvement effects on soil enzyme activity than the combined application of biochar and inorganic fertilizer.

Keywords： Biochar; Soil enzyme; Flue-cured tobacco; Maturity stage

近年來，不合理的耕作方式和過量施用化肥現(xiàn)象越來越普遍，人們在追求作物經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，對土壤的負(fù)面影響也日漸凸顯。煙草是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，土壤質(zhì)量下降對煙葉的產(chǎn)量及品質(zhì)會造成嚴(yán)重影響[1]，因此，適合煙葉生長發(fā)育的土壤環(huán)境(水、肥、氣、熱)是提高煙草產(chǎn)量及品質(zhì)的關(guān)鍵。土壤酶對土壤中動植物殘?bào)w及凋落物的分解與轉(zhuǎn)化、化學(xué)元素的循環(huán)利用、土壤結(jié)構(gòu)的形成等過程起著必不可少的作用[2]。土壤酶活性可以作為衡量土壤肥力和土壤微生物代謝活動強(qiáng)弱的重要指標(biāo)[3]。生物炭是指植物生物質(zhì)在部分或完全缺氧的條件下經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一類富碳物質(zhì)，具有較大的比表面積和豐富的微孔結(jié)構(gòu)，能提高土壤的肥料吸附能力[4]、肥料養(yǎng)分利用率[5]、土壤持水性能[6]、土壤陽離子交換量[7]、土壤pH值[8]、土壤微生物種類及數(shù)量[9]，降低污染物對土壤環(huán)境的影響[10-11]。因此生物炭被廣泛用于耕地土壤質(zhì)地的改良。

目前施用生物炭對烤煙根際土壤酶活性的影響研究較少，本試驗(yàn)研究了生物炭分別與無機(jī)肥和有機(jī)肥配施對烤煙成熟期根際土壤酶活性的影響，旨在為利用生物炭改良土壤生物學(xué)特性、持續(xù)發(fā)展土壤生產(chǎn)力提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)地點(diǎn)概況

本試驗(yàn)在江西省贛州市信豐縣西牛鎮(zhèn)陽田村煙草實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行，供試土壤類型為旱地紫色土，pH值為7.6，有機(jī)質(zhì)9.0 g/kg，速效氮53.1 mg/kg，速效磷15.1 mg/kg，速效鉀325 mg/kg。試驗(yàn)地水肥灌溉設(shè)施完善，土壤肥力均衡。

1.2供試材料

試驗(yàn)材料為烤煙K326，采用漂浮育苗，選取長勢一致、苗齡適宜的健壯植株統(tǒng)一移栽，供試肥料為：生物有機(jī)肥(全氮0.44 g/kg，全磷0.23 g/kg，全鉀0.067 g/kg)、生物炭(玉米秸稈)、煙草專用復(fù)合肥(10 %N、8% P2O5、20% K2O)、硝酸鉀、硫酸鉀、過磷酸鈣。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在固定純氮(N)用量為135 kg/hm2、N∶P2O5∶K2O為1∶1∶3的前提下，本試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理：T1：無機(jī)肥(100%化肥)；T2：有機(jī)肥(有機(jī)氮占總氮的20%)；T3：無機(jī)肥+生物炭(2250 kg/hm2)；T4：有機(jī)肥+生物炭。

每個(gè)處理3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)。各處理供試肥料及磷肥作基肥施用，硝酸鉀和硫酸鉀作追肥并配施適量煙草專用復(fù)合肥?；试谝圃郧? d開溝條施，開溝深度為20 cm。追肥采用定量澆施，在移栽后第30天分3次施下。

1.4測定項(xiàng)目及方法

1.4.1 取樣 在烤煙的成熟期，每個(gè)處理采集煙株根際土壤樣品各3份，混勻攪拌制成1份，剔除雜質(zhì)和須根，自然風(fēng)干之后研磨過篩，密閉保存，用于測定土壤酶活性。

1.4.2 測定土壤酶活性 采用關(guān)松蔭[12]法測定過氧化氫酶(以單位土重消耗0.1 mol/L KMnO4的毫升數(shù)表示其活性，單位為mL/g)、脲酶(以單位土重產(chǎn)生的NH4-N的微克數(shù)表示其活性，單位為μg/g)、轉(zhuǎn)化酶(以單位土重消耗0.1 mol/L Na2S2O3的毫升數(shù)表示其活性，單位為mL/g)、多酚氧化酶(以單位土重產(chǎn)生的紅紫棓精的微克數(shù)表示其活性，單位為μg/g)的活性。

1.5數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)用Excel 2007和SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1增施生物炭對烤煙成熟期根際土壤過氧化氫酶活性的影響

由圖1可以看出，各處理的過氧化氫酶活性依次為：T4(13.58 mL/g)>T2(10.07 mL/g)>T3(8.28 mL/g)>T1(5.54 mL/g)，各處理之間存在顯著性差異，即T4的過氧化氫酶活性顯著高于T2，T2顯著高于T3，T3又顯著高于T1。與T1相比，T3的過氧化氫酶活性提高了49.46%；與T2相比，T4的過氧化氫酶活性提高了34.86%，說明增施生物炭對土壤過氧化氫酶活性促進(jìn)效果明顯，其中以生物炭與有機(jī)肥配施(T4)改善效果最佳。

圖1 增施生物炭對成熟期根際土壤過氧化氫酶活性的影響

2.2增施生物炭對烤煙成熟期根際土壤脲酶活性的影響

各處理脲酶活性(圖2)依次為：T4(153.42 μg/g)>T2(122.15 μg/g)>T3(89.36 μg/g)>T1(74.00 μg/g)，各處理之間差異顯著，說明增施生物炭對脲酶活性有顯著促進(jìn)作用。其中處理T3的脲酶活性比處理T1提高了23.84%；處理T4比處理T2的脲酶活性提高了25.83%，這表明增施生物炭能提高土壤脲酶活性，有機(jī)肥與生物炭配施(T4)優(yōu)于其他處理，對促進(jìn)土壤脲酶活性效果最好。

圖2 增施生物炭對成熟期根際土壤脲酶活性的影響

2.3增施生物炭對烤煙成熟期根際土壤轉(zhuǎn)化酶活性的影響

分析圖3可知：各處理土壤轉(zhuǎn)化酶活性由高到低依次為T4(2.62 mL/g)>T2(2.45 mL/g)>T3(2.13 mL/g)>T1(2.01 mL/g)，T1與T3之間、T2與T4之間均無顯著性差異，這說明增施生物炭對土壤轉(zhuǎn)化酶活性并無顯著影響；而T1與T2之間、T3與T4之間差異顯著，T4的轉(zhuǎn)化酶活性最高，表明在有機(jī)肥基礎(chǔ)上增施生物炭促進(jìn)轉(zhuǎn)化酶效果最佳。

2.4增施生物炭對烤煙成熟期根際土壤多酚氧化酶活性的影響

分析圖4發(fā)現(xiàn)，在成熟期各處理多酚氧化酶活性依次為：T1(370.32 μg/g)>T3(361.23 μg/g)>T2(308.56 μg/g)>T4(298.61 μg/g)，因此各處理土壤腐殖化程度由高到低依次為：T4>T2>T3>T1。T1與T3之間、T2和T4之間無顯著性差異，說明增施生物炭不能顯著提高土壤腐殖化程度。T3與T4之間差異顯著，生物炭與有機(jī)肥配施(T4)的效果優(yōu)于生物炭與無機(jī)肥配施(T2)。

圖3 增施生物炭對成熟期根際土壤轉(zhuǎn)化酶活性的影響

圖4 增施生物炭對成熟期根際土壤多酚氧化酶活性的影響

3 討論與結(jié)論

3.1生物炭與土壤過氧化氫酶活性的關(guān)系

煙株的生長和土壤有益微生物活動常常受到過氧化氫的毒害，而土壤中的過氧化氫酶可以促進(jìn)過氧化氫的分解，其活性在一定程度上可以反映土壤微生物活動的強(qiáng)弱[3]。王麗淵[13]研究發(fā)現(xiàn)，增施中低量的生物炭能夠提高烤煙生長后期植煙土壤過氧化氫酶活性，而增施高量的生物炭則對生長后期產(chǎn)生抑制作用。周震峰等[14]認(rèn)為，在土壤中增施生物炭對過氧化氫酶活性的影響為早期抑制、后期促進(jìn)。本試驗(yàn)各處理的過氧化氫酶活性由高到低依次為：T4>T2>T3>T1，各處理之間差異顯著，這說明增施生物炭可以在一定程度上提高土壤過氧化氫酶活性，本試驗(yàn)研究時(shí)期為烤煙成熟期，屬于后期，這與前人研究結(jié)果基本一致。試驗(yàn)結(jié)果還表明生物炭與有機(jī)肥配施效果最佳，其原因可能是生物炭疏松多孔的結(jié)構(gòu)能夠吸附過氧化氫而降低對土壤的危害作用。

3.2生物炭與土壤脲酶活性的關(guān)系

脲酶是一種酰胺酶，參與土壤氮循環(huán)，能催化尿素生成煙株根系易于吸收的無機(jī)氮和二氧化碳[15]，其活性可以表示土壤氮素狀況。郭俊娒等[16]將秸稈炭施入東北黑土后，其脲酶活性顯著增加。馮愛青等[17]在棕壤中添加玉米秸稈生物炭后，該土壤的脲酶和脫氫酶活性得到顯著提高。還有研究[14,18-20]表明，向土壤中添加不同量的生物炭會對脲酶活性產(chǎn)生不同的促進(jìn)效果，中低水平添加量的生物炭對脲酶活性的促進(jìn)作用顯著低于高水平添加量。本研究結(jié)果的脲酶活性由高到低依次為：T4>T2>T3>T1，各處理之間存在顯著性差異，這表明在土壤中增施生物炭對脲酶活性能產(chǎn)生顯著提高作用，其中，在有機(jī)肥基礎(chǔ)上增施生物炭比其他處理更好，更能促進(jìn)土壤有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮，利于煙株對氮素的充分吸收，這可能主要是因?yàn)樯锾磕芪椒磻?yīng)底物尿素，有機(jī)肥中又含有較多可利用的氮源，進(jìn)而促進(jìn)了酶促反應(yīng)，加速了氮循環(huán)。

3.3生物炭與土壤轉(zhuǎn)化酶活性的關(guān)系

土壤轉(zhuǎn)化酶能夠促使蔗糖分子水解，土壤的熟化程度越高，轉(zhuǎn)化酶的活性則越強(qiáng)，所以人們常用轉(zhuǎn)化酶活性高低來表征土壤的肥力水平和土壤的熟化程度[21]。有研究[22-23]表明，在東北黑土施入秸稈炭后，轉(zhuǎn)化酶活性無顯著提升，推測其原因是秸稈炭易吸附可溶性有機(jī)質(zhì)，從而抑制了轉(zhuǎn)化酶的酶促反應(yīng)。陳心想等[24]研究玉米-小麥輪作試驗(yàn)，探究在塿土土壤中增施不同量的生物炭對土壤相關(guān)酶活性的影響，結(jié)果表明小麥季堿性磷酸酶和轉(zhuǎn)化酶活性無顯著變化。黃劍[18]的研究表明，當(dāng)施用較高水平生物炭時(shí)，土壤堿性磷酸酶活性和轉(zhuǎn)化酶活性顯著增加。本試驗(yàn)各處理的土壤轉(zhuǎn)化酶活性依次為T4>T2>T3>T1，處理T1與T3之間、T2與T4之間均無顯著性差異，說明生物炭的增施對提高土壤轉(zhuǎn)化酶活性無顯著效果，可能是由于本試驗(yàn)的生物炭施用量較低。

3.4生物炭與土壤多酚氧化酶活性的關(guān)系

土壤中的多酚氧化酶是一種以銅為中心的蛋白酶，能夠催化土壤中芳香類化合物生成腐殖質(zhì)。土壤腐殖化程度越高，土壤中多酚氧化酶活性則越低。陳強(qiáng)龍[25]的研究表明，在土壤中施入秸稈生物炭對冬小麥根際土壤的多酚氧化酶活性的影響不顯著。王涵等[26]對酸性土壤酶活性的研究結(jié)果顯示多酚氧化酶活性呈現(xiàn)酸化抑制、堿化激活現(xiàn)象。本試驗(yàn)各處理的土壤腐殖化程度由高到低依次為：T4>T2>T3>T1，T1與T3之間、T2與T4之間均無顯著性差異，表明增施生物炭對降低多酚氧化酶活性無顯著影響，即對土壤腐殖化沒有明顯促進(jìn)作用。推測原因是多酚氧化酶活性呈現(xiàn)酸化抑制、堿化激活，秸稈生物炭雖能提高土壤pH值，但可能由于短時(shí)內(nèi)較難分解，試驗(yàn)土壤仍顯中性。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明：生物炭的增施能夠不同程度地改善土壤酶的活性，特別是顯著增加了過氧化氫酶和脲酶的活性，這對加快根系生理代謝活動，提高土壤肥力，維持植煙土壤微生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)具有重要影響。試驗(yàn)結(jié)果還表明，生物炭與生物有機(jī)肥的配施效果最好，原因可能是生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)，吸附力較強(qiáng)，能提高土壤保水蓄水能力，可以吸附反應(yīng)底物，提高土壤酶活性而促進(jìn)酶促反應(yīng)進(jìn)行；生物炭能為土壤微生物提供棲息地，增加土壤微生物多樣性；生物炭還可以穩(wěn)定土壤碳庫，維持土壤生態(tài)平衡。此外，生物有機(jī)肥兼具生物肥能提高土壤微生物活性和有機(jī)肥能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量的功能，因此兩者的配施對提高土壤肥力和提升土壤熟化程度有重要作用。

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(責(zé)任編輯：許晶晶)

EffectsofIncreasingBiocharApplicationonSoilEnzymeActivitiesinRhizosphereofFlue-curedTobaccoduringMaturity

GONG Si-yu1, NIE Ya-ping1,3*, ZHANG Qi-ming2, ZHONG Si-rong1, ZHANG Shi-chuan1, HE Kuan-xin2, LIU Qi-yuan1**

(1. College of Agronomy, Jiangxi Agricultural University / Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Genetic Breeding, Ministry of Education / Jiangxi Provincial Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Genetic Breeding, Nanchang 330045, China; 2. Jiangxi Tobacco Leaf Research Institute, Nanchang 330025, China; 3. Zhejiang University of Finance and Economics, Hangzhou 310018, China)

S572

A

1001-8581(2017)10-0054-04

2017-06-08

江西省煙草專賣局科技項(xiàng)目(201301004)；江西省研究生創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目(YC2015-S188)。

龔絲雨(1995─)，女，江西宜春人，主要研究方向：煙草生理生態(tài)。*共同第一作者：聶亞平。**通訊作者：劉齊元。