生物炭施用對(duì)節(jié)水灌溉稻田土壤酶活性的影響

江賾偉，楊士紅,2，李育華，丁 潔，孫 瀟

(1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，南京 210098；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；3.南京市江寧區(qū)水務(wù)局，南京 211112)

0 引 言

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳源，農(nóng)田是其中最為活躍的部分[1,2]。土壤酶作為農(nóng)田土壤發(fā)生發(fā)育、肥力形成過(guò)程中重要的催化劑，驅(qū)動(dòng)著土壤中的物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分元素循環(huán)[3]，在調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境條件變化的響應(yīng)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用[4]。同時(shí)，土壤酶對(duì)土壤質(zhì)量變化十分敏感，土壤酶活性與土壤中有機(jī)質(zhì)含量、微生物數(shù)量及土壤呼吸強(qiáng)度等密切相關(guān)，是反映土壤肥力高低和生物活性的重要指標(biāo)[5]。水稻種植面積占我國(guó)糧食作物種植面積的26.4%[6]，稻田土壤的有機(jī)碳含量高、固碳潛力巨大，土壤酶活性的改變勢(shì)必影響全球碳循環(huán)。因此，研究稻田土壤酶活性的變化規(guī)律對(duì)于實(shí)現(xiàn)稻田可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[7]。

生物炭作為一種改良土壤養(yǎng)分循環(huán)、有機(jī)物分解的土壤調(diào)理劑愈發(fā)受到關(guān)注[4]。已有研究表明，添加生物炭增加了與N、P循環(huán)相關(guān)的土壤酶活性而降低了參與土壤礦化的土壤酶活性[8]，但也有研究得到了相反的結(jié)論[9]。通過(guò)推廣節(jié)水灌溉模式來(lái)應(yīng)對(duì)全國(guó)日益嚴(yán)峻的水資源緊缺局面已成為行業(yè)共識(shí)。然而目前相關(guān)研究仍主要集中在淹灌稻田，節(jié)水灌溉條件下添加生物炭對(duì)稻田土壤酶活性的影響還有待深入研究。此外，研究多為與碳氮物質(zhì)循環(huán)有關(guān)的少數(shù)幾種土壤酶[10]，譬如，Yanai等[11]發(fā)現(xiàn)生物炭施用會(huì)增加土壤反硝化酶的活性，Jin[12]發(fā)現(xiàn)β-D-纖維雙糖甘酶的活性隨著生物炭施用量的增加而降低。關(guān)于生物炭施用對(duì)土壤蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶的影響卻鮮有研究，而過(guò)氧化氫酶可以表征土壤生物氧化過(guò)程的強(qiáng)弱[13]，蔗糖酶能夠反映土壤熟化程度和肥力水平[14]，2者均能較為靈敏地反映土壤微生物活動(dòng)和作物代謝的強(qiáng)度[15]。因此，本文擬通過(guò)田間試驗(yàn)，探究節(jié)水灌溉稻田中施用生物炭對(duì)土壤蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性的影響，闡明酶活性隨土層深度以及水稻生長(zhǎng)的變化規(guī)律，以期為探究生物炭對(duì)節(jié)水灌溉稻田土壤環(huán)境的影響提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室昆山排灌試驗(yàn)基地開(kāi)展(34°63′21″N，121°05′22″E)。試驗(yàn)區(qū)地屬亞熱帶南部的季風(fēng)氣候，年降雨量是1 097.1 mm，年蒸發(fā)量1 365.9 mm，年平均氣溫為15.5 ℃，平均無(wú)霜期234 d，日照時(shí)長(zhǎng)2 085.9 h。當(dāng)?shù)亓?xí)慣稻麥輪作，試驗(yàn)地土壤為潴育型黃泥土，耕層屬于重壤土，0～30 cm土壤容重為1.32 g/cm3，0～18 cm土層土壤pH值7.4，全鉀20.86 g/kg，全磷1.4 g/kg，全氮1.79 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)灌溉處理：控制灌溉(C)和常規(guī)灌溉(F)，控制灌溉下設(shè)置施用生物炭0(對(duì)照，C0)、施用中量生物炭20 t/hm3(C20)和高量生物炭40 t/hm2(C40)3個(gè)生物炭施用處理，常規(guī)灌溉下設(shè)置高量生物炭施用量40 t/hm2(F40)處理，共4個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。試驗(yàn)于盆栽(80 cm×50 cm×70 cm)中進(jìn)行，水稻株距13 cm，行距25 cm，每穴苗量3～4株，水稻品種為蘇香米。2017年6月30日插秧，10月31日收割。生物炭制造原料為水稻秸稈，其主要成分見(jiàn)表1。常規(guī)肥料施用依據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥方法和施肥量進(jìn)行管理，其中氮肥用量328.48 kg/hm2，磷肥用量45.00 kg/hm2，鉀肥用量63.75 kg/hm2。

表1 試驗(yàn)中使用的生物炭的主要成分Tab.1 Main properties of the biochar used in the experiment

1.3 田間水分管理及采樣分析

控制灌溉稻田在水稻返青期保留10～30 mm的田內(nèi)淺薄水層，之后的各生育期，除了施肥、打藥、除草外不建立水層，以根系活動(dòng)層土壤水分占飽和含水率60%～80%為控制指標(biāo)。常規(guī)灌溉處理按當(dāng)?shù)厮痉N植習(xí)慣管理，除分蘗后期排水曬田以外，其余各生育階段田間均保留3～5 cm薄水層，黃熟期自然落干。

試驗(yàn)在泡田期、分蘗期、拔節(jié)孕穗期、乳熟期和收割后共采集5次土樣。在12個(gè)盆栽中將土層分為0～10、10～20、20～40 cm 3層，采用“S”法采集土樣。剔除植物根系、石礫，將土樣自然風(fēng)干后過(guò)20目篩以供測(cè)定土壤酶活性。參照吳金水等[16]的方法，土壤蔗糖酶用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定，土壤過(guò)氧化氫酶用高錳酸鉀滴定法測(cè)定。土壤過(guò)氧化氫酶活性以30 min后每克土壤消耗的0.002 mol/L高錳酸鉀的毫升數(shù)表示，土壤蔗糖酶活性以24 h后每克土壤產(chǎn)生的葡萄糖毫克數(shù)表示。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2013初步分析數(shù)據(jù)并建立數(shù)據(jù)庫(kù)，繪制相關(guān)圖表。數(shù)據(jù)方差分析與顯著性差異分析用SPSS 22.0完成，采用LSD法作多重比較分析(差異顯著性水平為p=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭施用對(duì)不同生育階段稻田土壤過(guò)氧化氫酶活性的影響

不同生育階段下，節(jié)水灌溉稻田土壤過(guò)氧化氫酶活性的垂直分布規(guī)律基本一致(圖1)，均表現(xiàn)出較好的分層分布，即隨著土層深度的增加土壤過(guò)氧化氫酶活性表現(xiàn)出先增后減的趨勢(shì)。從總體上看，生物炭施用提高了節(jié)水灌溉稻田同一深度土層的土壤過(guò)氧化氫酶活性，且隨著生物炭施用量的增加而增加，但分蘗期的0～10 cm土層出現(xiàn)了降低，C20處理的土壤過(guò)氧化氫酶活性比C0處理的降低了1.57%，這可能是因?yàn)樯锾康难趸纸庑枰獣r(shí)間，在受擾動(dòng)較大的表層土壤沒(méi)有完全發(fā)揮效果，且生物炭在一定程度上吸附了過(guò)氧化氫酶利用的底物[17]，導(dǎo)致施加生物炭處理的土壤過(guò)氧化氫酶活性較未施加處理的相差不大甚至略有下降。在各生育期，C20處理和C40處理的0～40 cm土層的土壤過(guò)氧化氫酶活性均值分別比C0處理高1.89%～4.64%和6.67%～8.75%。在0～10 cm土層，C20和C40處理的土壤過(guò)氧化氫酶活性隨著生育期延長(zhǎng)先增加后減少，而C0處理的土壤過(guò)氧化氫酶活性隨著生育期延長(zhǎng)而減少，分蘗期和拔節(jié)孕穗期的C0和C40處理間、乳熟期的C0和C40、C20和C40處理間差異顯著(p<0.05)。在10～20 cm土層，C0和C20處理的土壤過(guò)氧化氫酶活性隨著生育期延長(zhǎng)先增加后減少，而C40處理的土壤過(guò)氧化氫酶活性隨著生育期延長(zhǎng)而減少，分蘗期的C0處理和C40處理間達(dá)到了顯著性差異(p<0.05),其余處理之間差異均不顯著。在20～40 cm土層，土壤過(guò)氧化氫酶活性隨著生育期延長(zhǎng)逐漸減少，各處理間的差異在各生育階段均不顯著。

圖1 不同生育階段土壤過(guò)氧化氫酶活性的垂直分布Fig. 1 Vertical distribution of soil hydrogen peroxidase activities in different growth stages

2.2 生物炭施用對(duì)不同生育階段稻田土壤蔗糖酶活性的影響

節(jié)水灌溉稻田土壤蔗糖酶活性的垂直分布規(guī)律在不同生育階段基本一致(見(jiàn)圖2)，隨土層深度的增加呈減少趨勢(shì)，但高量生物炭施用處理的土壤蔗糖酶活性在乳熟期出現(xiàn)了隨深度的增加先減少后增加的情況，可能與生物炭促進(jìn)了根系發(fā)育，而水稻生長(zhǎng)后期深層根系分布變多有關(guān)，中量生物炭處理的20～40 cm土層與10～20 cm土層的土壤蔗糖酶活性在乳熟期差異不大(p<0.05)，這在一定程度上也佐證了這一現(xiàn)象。同一生育期、同一深度土層的土壤蔗糖酶活性大體上隨著生物炭施用量的增加而增加，但拔節(jié)孕穗期和乳熟期的10～20 cm土層出現(xiàn)了降低，各生育期的C20處理和C40處理的0～40 cm土層土壤蔗糖酶活性均值分別比C0處理高3.21%～23.38%和35.26%～73.43%。不同生物炭施加量處理的土壤蔗糖酶活性在分蘗期差異顯著，而在水稻生長(zhǎng)中后期，C20處理與C0處理的土壤蔗糖酶活性差異逐漸減弱，但仍顯著低于C40處理土壤蔗糖酶活性。在0～10 cm土層，相同生物炭施用量下，土壤蔗糖酶活性隨著生育期的推進(jìn)先減少后增加，各生育期的土壤蔗糖酶活性隨著生物炭施用量的增加而增加，均呈現(xiàn)C0

圖2 不同生育階段土壤蔗糖酶活性的垂直分布Fig. 2 Vertical distribution of soil saccharase activities in different growth stages

在10～20 cm土層，土壤蔗糖酶活性隨水稻生長(zhǎng)逐漸減少，分蘗期呈現(xiàn)C0

圖3 灌溉處理對(duì)稻田不同生育期土壤過(guò)氧化氫酶酶活性的影響Fig.3 Effects of Irrigation treatments on soil hydrogen peroxidase activities in different growth stages

2.3 灌溉管理對(duì)稻田不同生育期土壤酶活性的影響

同常規(guī)灌溉相比，控制灌溉提高了土壤過(guò)氧化氫酶的活性(見(jiàn)圖3)，這與前人研究規(guī)律相一致[18]。就整個(gè)研究深度(0～40 cm)而言，相同生物炭施加量下，C40處理土壤過(guò)氧化氫酶含量均值在分蘗期、拔節(jié)孕穗期和乳熟期分別比F40處理高4.26%、5.16%和12.44%。施加等量生物炭時(shí)，常規(guī)灌溉下土壤過(guò)氧化氫酶酶活性的土層分布規(guī)律與節(jié)水灌溉條件下的基本一致，都表現(xiàn)為隨土壤深度增加先增后減，但常灌條件下波動(dòng)幅度更為明顯。在0～10 cm土層，不同灌溉處理的土壤過(guò)氧化氫酶活性均隨生育期的延長(zhǎng)先增加后減少，在分蘗期、拔節(jié)孕穗期和乳熟期，C40處理的土壤過(guò)氧化氫酶活性分別比F40處理高9.75%、11.33%和12.97%，且均差異顯著(p<0.05)。在10～20 cm土層，不同灌溉處理的土壤過(guò)氧化氫酶活性均隨生育期延長(zhǎng)逐漸減少，在分蘗期、拔節(jié)孕穗期和乳熟期，C40處理的土壤過(guò)氧化氫酶活性分別比F40處理高0.53%、3.01%和7.72%，其中乳熟期的C40處理和F40處理間差異達(dá)到了顯著性水平(p<0.05)，其余生育階段處理間差異不顯著。在20～40 cm土層，不同灌溉處理的土壤過(guò)氧化氫酶活性隨生育期延長(zhǎng)大體呈下降趨勢(shì)，在分蘗期、拔節(jié)孕穗期和乳熟期，C40處理的土壤過(guò)氧化氫酶活性分別比F40處理高3.18%、1.66%和17.19%，其中拔節(jié)孕穗期和乳熟期的C40和F40處理間差異顯著(p<0.05)。

不同灌溉處理下，稻田各生育階段的土壤蔗糖酶活性的垂直分布規(guī)律見(jiàn)表2，基本上隨土層加深而逐漸降低。稻田不同深度土壤蔗糖酶活性隨生育期變化的趨勢(shì)在不同灌溉處理間存在差異。在0～10 cm土層，不同灌溉方式稻田土壤蔗糖酶活性均表現(xiàn)為隨生育期延長(zhǎng)先減少后增加，且C40處理的稻田土壤蔗糖酶活性更高，在分蘗期、拔節(jié)孕穗期和乳熟期3個(gè)階段，C40處理的土壤蔗糖酶活性分別比F40處理高14.52%、13.03%和7.04%。在10～20 cm土層，C40處理的稻田土壤蔗糖酶活性隨生育期延長(zhǎng)逐漸減少，而F40處理先減少后增加。在20～40 cm土層，F(xiàn)40處理稻田土壤蔗糖酶活性隨生育期延長(zhǎng)逐漸降低，而C40處理的稻田土壤蔗糖酶活性隨生育期延長(zhǎng)逐漸增加，這與節(jié)水灌溉的水分管理促進(jìn)了根系的生長(zhǎng)，深層土壤中根系分布較常規(guī)灌溉更多，從而分泌出更多的酶有關(guān)[19]。從整個(gè)研究深度(0～40 cm)均值來(lái)看，相同生物炭施加量下，節(jié)水灌溉提高了稻田土壤蔗糖酶含量，且提高程度隨水稻生育期延長(zhǎng)有所增加，C40處理土壤蔗糖酶含量在分蘗期、拔節(jié)孕穗期和乳熟期分別比F40處理高4.88%、9.90%和20.98%。

表2 灌溉對(duì)稻田各生育期土壤蔗糖酶酶活性垂直分布的影響 mg/g

注：同一土層深度、同一列內(nèi)的不同字母(如a、b)差異顯著。

3 討 論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，施用生物炭對(duì)土壤蔗糖酶活性有顯著的促進(jìn)作用，且隨著施用量增加更為明顯，生物炭對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性的促進(jìn)作用弱于蔗糖酶。而已有研究結(jié)論不一，陳心想等[20]的研究表明，生物炭施用可顯著提高土壤過(guò)氧化氫酶活性，但對(duì)蔗糖酶活性影響不顯著。也有研究表明，生物炭配施氮肥時(shí)顯著提高了稻田土壤的蔗糖酶活性[21]。這可能是因?yàn)樯锾客ㄟ^(guò)改變土壤的基本理化性質(zhì)、土壤中生物群落的組分以及豐富度來(lái)影響土壤酶活性，一方面，生物炭通過(guò)吸附反應(yīng)底物促進(jìn)酶促反應(yīng)的進(jìn)行來(lái)提高酶活性，另一方面，生物炭對(duì)酶分子的吸附保護(hù)了酶促反應(yīng)結(jié)合位點(diǎn)，反而阻止酶促反應(yīng)的進(jìn)行[22, 23]。此外，添加生物炭能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)和溶解性有機(jī)質(zhì)的含量，為微生物提供了更多可利用的能源，有利于土壤中微生物的生長(zhǎng)[24]。生物炭還具有較大的比表面積和復(fù)雜的孔隙分布，有利于土壤團(tuán)聚體的形成，進(jìn)而改善土壤通氣和保水能力，導(dǎo)致土壤顏色變深進(jìn)而提高土壤溫度，對(duì)土壤微生物代謝產(chǎn)生積極影響[25]。生物炭對(duì)土壤蔗糖酶活性的促進(jìn)作用更為明顯，可能是因?yàn)橥寥勒崽敲赣芍参锔诞a(chǎn)生，對(duì)外界的碳源施加更為敏感。

控制灌溉對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性有提高作用，并且從研究深度的均值來(lái)看，其提高程度大體上隨著水稻生長(zhǎng)而增加。這與高璟赟[26]等的研究基本一致，但也有人發(fā)現(xiàn)土壤蔗糖酶活性隨著土壤水分增加而降低，過(guò)氧化氫酶活性隨著土壤水分增加而增加[27]。干濕交替增加了土壤蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性，這可能是因?yàn)楦蓾窠惶娲龠M(jìn)了水稻的生長(zhǎng)，根系分泌的酶量增加[19]。控制灌溉可以改善土壤環(huán)境，形成土壤水分的輕度虧缺，在提供生命必需的水分的同時(shí)，能夠有效改善通氣狀況，創(chuàng)造微生物生長(zhǎng)的良好環(huán)境，加速土壤微生物的繁衍周期，進(jìn)而提高土壤酶活性。同時(shí)，土壤水分通過(guò)影響滲透勢(shì)、養(yǎng)分能量轉(zhuǎn)移和細(xì)胞代謝等顯著影響土壤過(guò)氧化物酶和蔗糖酶的活性[28]。在一定范圍內(nèi)土壤酶活性隨土壤水分增加而增加，但當(dāng)水分過(guò)高或過(guò)低時(shí)土壤酶活性均較低，而常規(guī)灌溉時(shí)土壤中過(guò)量水分降低了土壤的透氣性，抑制土壤腐殖質(zhì)分解和微生物繁殖，進(jìn)而降低土壤酶的活性。

4 結(jié) 論

(1)從總體上看，節(jié)水灌溉條件下，生物炭施用提高了稻田土壤過(guò)氧化氫酶的活性，且隨著生物炭施用量的增加有不同程度的提高，但分蘗期的0～10 cm土層出現(xiàn)了降低。在各生育期，C20處理和C40處理的0～40 cm土層土壤過(guò)氧化氫酶活性分別比C0處理高1.89%～4.64%和6.67%～8.75%。土壤過(guò)氧化氫酶活性在垂直方向上表現(xiàn)出了較好的分層分布，且隨土層深度的增加呈下降趨勢(shì)。

(2)節(jié)水灌溉稻田土壤蔗糖酶活性總體上隨土層深度的增加而減少，但在乳熟期高量生物炭施用處理的土壤蔗糖酶活性隨土層深度的增加先減少后增加。土壤蔗糖酶活性隨著生物炭施用量的增加而增加，各生育期的C20處理和C40處理的0～40 cm土層土壤蔗糖酶活性均值分別比C0處理高3.21%～23.38%和35.26%～73.43%。在分蘗期，不同生物炭施加量處理的土壤蔗糖酶活性差異顯著，而在水稻生長(zhǎng)中后期，C20處理與C0處理的土壤蔗糖酶活性差異逐漸減弱，但仍顯著低于C40處理土壤蔗糖酶活性。

(3)與常規(guī)灌溉相比，控制灌溉0～40 cm土層土壤過(guò)氧化氫酶活性和土壤蔗糖酶活性均值分別提高了4.26%～12.44%和4.88%～20.98%。稻田各生育階段的土壤過(guò)氧化氫酶酶活性隨土壤深度增加先增后減，土壤蔗糖酶活性基本上隨土層加深而逐漸降低。