無機(jī)有機(jī)肥配施生物炭對(duì)復(fù)墾土壤酶活性以及磷形態(tài)的影響

魏俊杰，洪堅(jiān)平

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

煤炭作為我國的主體能源，其開發(fā)形成了約200萬hm2的采煤沉陷區(qū)，而目前采煤沉陷土地復(fù)墾率僅為35%左右。山西省是我國重要的煤炭開采地區(qū)，全省因采煤造成的采空區(qū)面積達(dá)30萬hm2以上，導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)改變，有機(jī)質(zhì)含量降低，加之復(fù)墾過程中，機(jī)械化剝離和壓占嚴(yán)重破壞了微生物生存和繁衍條件，導(dǎo)致微生物多樣性銳減，耕地質(zhì)量下降[1]。因此，采煤塌陷區(qū)土地的復(fù)墾已成為國內(nèi)外備受關(guān)注的研究領(lǐng)域，而制約其復(fù)墾土壤生產(chǎn)力提高的主要因素有土壤養(yǎng)分貧瘠、結(jié)構(gòu)性差以及微生物多樣性缺乏[2]。研究無機(jī)肥、有機(jī)肥和生物炭配施對(duì)采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤酶活性以及磷形態(tài)的影響,以便明確不同施肥措施對(duì)復(fù)墾土壤生物活性以及營養(yǎng)成分的影響程度,對(duì)指導(dǎo)采煤塌陷區(qū)土壤的生態(tài)修復(fù)具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同施肥材料、方式進(jìn)行了大量研究，對(duì)土壤養(yǎng)分利用率的提高、農(nóng)作物產(chǎn)量提高起到了重要作用。有研究表明，由于生物炭具有結(jié)構(gòu)疏松、比表面積大、很強(qiáng)的吸附能力等特點(diǎn)[3-5]，使得其在土壤理化性狀改良、農(nóng)作物產(chǎn)量提高、土壤的微生物數(shù)量和生物量的增加、土壤生物活性以及酶活性的改善，土壤有效養(yǎng)分含量、有效性、利用率的提高等方面作用顯著[6-18]。因此，生物炭施入土壤后對(duì)土壤生物活性和對(duì)磷吸附及磷有效性的影響可能是生物炭的材料特性、裂解溫度、pH值、CEC以及土壤類型等多種因素綜合作用的結(jié)果[19-22]。但是關(guān)于其在采煤塌陷復(fù)墾土壤上的培肥研究較少。

本試驗(yàn)以長治市襄垣縣采煤塌陷區(qū)復(fù)墾土壤為研究對(duì)象，通過大田試驗(yàn)探究生物炭與有機(jī)肥、無機(jī)肥配施對(duì)復(fù)墾區(qū)酶活性和土壤磷形態(tài)分級(jí)的影響，旨在為煤礦塌陷復(fù)墾地土壤培肥措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

1.1.1 土壤 供試土壤為長治市襄垣縣王橋鎮(zhèn)洛江溝村采煤塌陷區(qū)復(fù)墾5 a的土壤。土壤類型為石灰性褐土，其理化性狀為：有機(jī)質(zhì)9.82 g/kg，全氮0.44 g/kg，全磷0.45 g/kg，堿解氮30.28 mg/kg，有效磷4.58 mg/kg，速效鉀118.29 mg/kg。

1.1.2 作物品種 供試作物為玉米，品種為大豐30，由山西大豐種業(yè)有限公司選育而成，生育期約130 d。

1.1.3 肥料 供試化肥為尿素(含N 46.4%)、過磷酸鈣(含P2O516%)，硫酸鉀(含K2O 45%)。

供試有機(jī)肥為完全腐熟的雞糞(含有機(jī)質(zhì)54.8%、N 1.65%、P2O53.09%、K2O 2.59%)，由山西省太谷縣宏昊養(yǎng)殖專業(yè)合作社提供。

供試生物炭由平遙縣晟弘生物質(zhì)能源開發(fā)有限公司提供，裂解溫度為550～600 ℃。秸稈生物炭含有機(jī)質(zhì)57.2%、N 0.26%、P2O51.33%、K2O 4.52%。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，在長治市襄垣縣王橋鎮(zhèn)洛江溝村選取復(fù)墾5 a的試驗(yàn)田，試驗(yàn)設(shè)置7個(gè)處理，分別為對(duì)照(CK)、化肥(CF)、化肥+生物炭(CFC)、有機(jī)肥(M)、有機(jī)肥+生物炭(MC)、有機(jī)肥+化肥(MCF)、有機(jī)肥+化肥+生物炭(MCFC)，每個(gè)處理重復(fù)3次，共21個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為60 m2(10 m×6 m)。其中，CF和CFC處理中尿素施用量為439.5 kg/hm2、過磷酸鈣施用量為2 317.5 kg/hm2、硫酸鉀施用量為690 kg/hm2；M和MC處理中只施用有機(jī)肥，施用量為12 000 kg/hm2；MCF和MCFC處理中尿素施用量為219 kg/hm2、過磷酸鈣施用量為1 158.75 kg/hm2、硫酸鉀施用量為345 kg/hm2、有機(jī)肥施用量為6 t/hm2；CFC、MC、MCFC等處理中生物炭用量為7.5 t/hm2。播種密度為6.0萬株/hm2。試驗(yàn)于2018年4月29日播種，9月3日收獲。玉米收獲后，采集0～20 cm土壤樣品，進(jìn)行酶活性及無機(jī)磷測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

脲酶活性測(cè)定采用靛酚藍(lán)比色法；堿性磷酸酶活性測(cè)定采用磷酸苯二鈉比色法；蔗糖酶活性測(cè)定采用3,5-二硝基水楊酸比色法；過氧化氫酶活性測(cè)定采用高錳酸鉀滴定法；脫氫酶活性測(cè)定采用TTC還原法；土壤全磷含量測(cè)定采用HClO4-H2SO4消煮-鉬藍(lán)比色法；土壤Olsen-P采用0.5 mol/L NaHCO3浸提、鉬藍(lán)比色法測(cè)定；脲酶測(cè)定采用靛酚藍(lán)比色法。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，采用SAS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，采用SPSS 23.0軟件作顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)以及相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 無機(jī)有機(jī)肥配施生物炭對(duì)復(fù)墾土壤酶活性的影響

從表1可以看出，各處理不同酶活性與CK相比均達(dá)顯著水平，其中土壤脲酶活性、堿性磷酸酶活性、蔗糖酶活性、過氧化氫酶活性、脫氫酶活性，分別最高提升了647.0%，223.0%，68.6%，93.7%，331.0%，其中，MC處理差異最為明顯，說明有機(jī)肥和生物炭配施可以提高復(fù)墾土壤中重要酶的活性，繼而影響土壤中營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)換與利用。不同處理?xiàng)l件下，復(fù)墾土壤脲酶活性有顯著變化，MCFC和MCF處理、CF和CFC處理、M和MC處理中的脲酶活性均顯著高于CK，但相同施肥條件下，添加生物炭處理中脲酶活性均顯著高于未添加生物炭處理；隨著生物炭的添加，土壤脲酶活性呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，增加幅度均較為顯著，其中，MCFC比MCF處理高35.67%、CFC比CF處理高34.15%、MC比M處理高63.97%，不同施肥處理對(duì)土壤堿性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶和脫氫酶活性的影響均表現(xiàn)出CK

表1 無機(jī)有機(jī)肥配施生物炭對(duì)復(fù)墾土壤酶活性的影響Tab.1 Effect of inorganic organic fertilizer combined with biochar on enzyme activity of reclaimed soil

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著性達(dá)到P<0.05水平。表2-3 同。

Note: The difference between the lowercase letters in the same column data indicates that the difference significance isP<0.05. The same as Tab.2-3.

2.2 無機(jī)有機(jī)肥配施生物炭對(duì)復(fù)墾土壤無機(jī)磷形態(tài)的影響

從表2可以看出，各處理與CK相比差異均達(dá)顯著水平。不同施肥處理間，CFC、MC和MCFC處理相對(duì)明顯提高了土壤中Ca2-P含量最高提升了317%，而添加與未添加生物炭處理相比，CFC比CF處理高17.09%，MC比M處理高10.4%，MCFC比MCF處理高11.37%，表明施用生物炭能夠顯著提升復(fù)墾土壤中Ca2-P的含量；添加與未添加生物炭處理相比，添加生物炭的處理均明顯比未添加生物炭處理土壤中Ca8-P含量低，其中CFC比CF處理低3.09%，MC比M處理低3.39%，MCFC比MCF處理低1.73%，但差異不顯著；土壤中Al-P含量、Fe-P含量、O-P含量、Ca10-P含量和無機(jī)磷總量在添加生物炭處理與未添加生物炭處理間均表現(xiàn)差異不顯著，且Al-P含量、Fe-P含量呈現(xiàn)MC

表2 無機(jī)有機(jī)肥配施生物炭對(duì)復(fù)墾土壤無機(jī)磷形態(tài)的影響Tab.2 Effect of inorganic organic fertilizer combined with biochar on the form of inorganic phosphorus in reclaimed soil mg/kg

2.3 無機(jī)有機(jī)肥配施生物炭對(duì)復(fù)墾土壤Olsen-P、全磷含量和無機(jī)磷總量的影響

從表3可以看出，各施肥處理與CK相比，Olsen-P和全磷含量MC處理差異最為明顯，分別較CK增加了326.0%和98.9%。不同施肥處理下有效磷的含量表現(xiàn)為CF

表3 無機(jī)有機(jī)肥配施生物炭對(duì)復(fù)墾土壤 有效磷(Olsen-P)和全磷含量的影響Tab.3 Effect of inorganic organic fertilizer combined with biochar on the effective phosphorus(Olsen-P) and total phosphorus content in reclaimed soil

2.4 無機(jī)有機(jī)肥配施生物炭對(duì)復(fù)墾土壤中無機(jī)磷形態(tài)相關(guān)性的影響

從土壤不同形態(tài)無機(jī)磷和土壤有效磷之間的相關(guān)性可以看出(表4)，土壤有效磷與Ca2-P、Ca8-P、O-P呈現(xiàn)極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為高達(dá) 0.942**，0.964**，0.952**(P<0.01)，說明石灰性褐土中有效磷的含量與Ca2-P、Ca8-P和O-P的含量密切相關(guān)。

另外，Ca2-P與Ca8-P，Al-P與Fe-P以及O-P、Al-P、Fe-P與Ca10-P之間呈現(xiàn)極顯著相關(guān)，且O-P與Ca2-P和Ca8-P也呈現(xiàn)極顯著相關(guān)。由此說明，復(fù)墾土壤中，Ca-P、鐵鋁結(jié)合態(tài)磷和閉蓄態(tài)磷之間保持著一定的比例，一定條件下可通過Ca8-P和O-P這2種形態(tài)來相互轉(zhuǎn)化。

表4 復(fù)墾土壤各形態(tài)無機(jī)磷與有效磷(Olsen-P)的相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis of various forms of inorganic phosphorus and available phosphorus(Olsen-P) in reclaimed soil

注：r0.05=0.754；r0.01=0.874；*.相關(guān)性達(dá)到0.05水平;**.相關(guān)性達(dá)到0.01水平。

Note:r0.05=0.754;r0.01=0.874;*indicates that the correlation reached 0.05 level;**indicates that the correlation reached 0.01 level.

3 結(jié)論與討論

生物炭的施用促進(jìn)了土壤中脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶和脫氫酶5種酶的活性。土壤脲酶和堿性磷酸酶活性與土壤肥力指標(biāo)有較好的相關(guān)性[24-25]。脲酶是具有極為專性的對(duì)尿素轉(zhuǎn)化起關(guān)鍵作用的酶，它的活性可以用來表示土壤供氮能力[26]。在相同施肥條件下，添加生物炭的處理土壤均有較高的脲酶活性，這可能是由于大田試驗(yàn)中生物炭起到了很好的保肥能力。不同處理中，添加生物炭處理與未添加生物炭處理有效磷含量差異顯著驗(yàn)證了這個(gè)結(jié)論。土壤堿性磷酸酶是在堿性條件下將土壤中有機(jī)磷水解成為磷酸鹽的酶，與土壤中有機(jī)磷的礦化關(guān)系密切。研究發(fā)現(xiàn)，處理CF、CFC<處理MCF、MCFC<處理M、MC的堿性磷酸酶活性，這可能是由于試驗(yàn)土壤為石灰性土壤，而有機(jī)肥本身較高的酸性促進(jìn)了土壤中有機(jī)磷的礦化。蔗糖酶反映土壤有機(jī)質(zhì)積累和轉(zhuǎn)化狀況，本研究中，不同施肥處理均有較高水平的土壤蔗糖酶活性，而有機(jī)肥和生物炭混合處理最為顯著，這可能與施肥帶來的較高有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化有關(guān)。土壤脫氫酶主要催化大多數(shù)的氧化還原反應(yīng)，隨著生物炭的添加，土壤脫氫酶性呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，增長幅度均較明顯。

生物炭帶有負(fù)電荷，能夠增強(qiáng)土壤對(duì)陽離子的吸附，同時(shí)自身也含有多種礦質(zhì)營養(yǎng)元素，可以通過補(bǔ)充貧瘠土壤養(yǎng)分而提高土壤肥力[27]。生物炭疏松多孔、具有較大吸附性能，通過影響土壤孔性以及微生物活性，從而進(jìn)一步影響土壤磷素。復(fù)墾區(qū)石灰性土壤中，Ca2-P含量是影響作物生長的無機(jī)磷的重要部分，而有效磷則是直接影響作物生長的關(guān)鍵。本研究中，CFC、MC和MCFC等生物炭處理土壤中Ca2-P、Ca10-P、有效磷、全磷含量均相對(duì)明顯提高，而Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P含量則相對(duì)明顯降低，這可能是生物炭通過促進(jìn)對(duì)土壤中5種酶的活性，從而加快土壤中磷素的轉(zhuǎn)化、氧化還原、礦化反應(yīng)，同時(shí)也影響了無機(jī)磷與有機(jī)磷之間的反應(yīng)轉(zhuǎn)化。值得注意的是，本試驗(yàn)中，M和MC處理中Ca2-P、Ca8-P、O-P、有效磷含量均值都超過其他處理，這可能是施用有機(jī)肥和生物有機(jī)肥后，土壤有機(jī)質(zhì)水平顯著提升[28-33]。有機(jī)肥本身就含有豐富的有機(jī)質(zhì)，其為土壤有益微生物的繁衍提供有機(jī)能源，使土壤微生物得以長期保持旺盛的生命力，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)含量的進(jìn)一步提升。從各形態(tài)無機(jī)磷與有效磷(Olsen-P)的相關(guān)性可以看出，有效磷含量與Ca2-P、Ca8-P、O-P的含量極顯著相關(guān)，與Al-P、Fe-P、Ca10-P的含量均只呈正相關(guān)，差異不顯著，說明石灰性褐土中Ca2-P、Ca8-P、O-P的含量與有效磷的含量密切相關(guān)。

本研究結(jié)果表明，無機(jī)肥與生物炭配施對(duì)土壤酶活性影響最為明顯。不同施肥處理間，土壤中酶的活性隨著生物炭的添加均得到不同程度的促進(jìn)，其中土壤脲酶活性、堿性磷酸酶活性、蔗糖酶活性、過氧化氫酶活性、脫氫酶活性提升最高，分別比空白CK提升了647.0%，223.0%，68.6%，93.7%，331.0%，不同施肥處理，對(duì)土壤中脲酶活性的促進(jìn)有機(jī)肥與化肥的混施強(qiáng)于單施有機(jī)肥或化肥，而單施有機(jī)肥卻對(duì)堿性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶和脫氫酶的促進(jìn)效應(yīng)，強(qiáng)于單施化肥和有機(jī)肥與化肥混施。

隨著生物炭的添加，土壤中無機(jī)磷的不同形態(tài)作為土壤磷素供應(yīng)的主要形態(tài)在不斷發(fā)生明顯變化。不同施肥處理，添加與未添加生物炭處理相比，有效性高的磷形態(tài)二鈣磷含量最高增加了17.09%，而八鈣磷、緩效磷源鐵磷、鋁磷、閉蓄態(tài)磷逐漸進(jìn)行耗竭分別最高減少了3.39%，5.40%，7.20%，3.96%，雖然十鈣磷含量增加豐富，最高增加了4.58%，但因?yàn)槠浠钚宰畹?，不能作為供磷的主要形態(tài)。

不同施肥處理中Olsen-P和全磷的含量，在MC處理差異最為明顯，其中，在添加與未添加生物炭處理間相比，二者分別最高增加了11.0%和4.34%，說明在不同肥料混施下，生物炭和有機(jī)肥混施可以調(diào)高有效磷的含量。雖然有效磷增長明顯，但其含量仍然偏低，而復(fù)墾土壤中無機(jī)磷總量卻變得相當(dāng)豐富，與空白CK相比提高了53.5%～63.3%。

有效磷與Ca2-P、Ca8-P、O-P的含量呈極顯著相關(guān)性，說明復(fù)墾土壤中有效磷與Ca2-P、Ca8-P、O-P的含量之間密切相關(guān)。另外，由無機(jī)磷各形態(tài)之間的相關(guān)性結(jié)果說明，在復(fù)墾土壤中，Ca-P、鐵鋁結(jié)合態(tài)磷和閉蓄態(tài)磷之間保持著一定的比例，一定條件下可通過Ca8-P和O-P這2種形態(tài)來相互轉(zhuǎn)化。