生物炭及炭基肥對大豆土壤酶活性的影響

高文慧，郭宗昊，薛 晨，印海鋒，昌夢園，周其香，王光利，李 峰，劉 遠

（淮北師范大學 生命科學學院，資源植物學安徽省重點實驗室，安徽 淮北235000）

0 引言

近年來，生物炭作為一種重要的土壤改良劑逐漸被國際社會所認可. 所謂生物炭，就是畜禽糞便、木材或作物秸稈等生物質(zhì)在無氧或缺氧的條件下高溫裂解產(chǎn)生的一種固體顆粒物質(zhì)，具有高pH值、高比表面積、較豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、較強的陽離子交換能力、高碳氮比和穩(wěn)定性強等優(yōu)點［1-3］，生物炭的特性因原料和裂解條件的不同而有所差異，且施用同組分但不同比例的生物炭對作物產(chǎn)量和性狀的影響也有所不同. 由于生物炭在裂解炭化后呈粉末狀，無論在施用方面還是運輸、儲存方面都有一定的難度［4］，且生物炭自身養(yǎng)分不足，直接提供給作物的養(yǎng)分有限，故將生物炭作為主要原料，與一定比例的有機或無機肥料混合制備的炭基肥成為一種新型肥料，將有望取代傳統(tǒng)化學肥料，并為農(nóng)業(yè)施肥提供更多選擇.

土壤酶包括游離的酶和束縛在細胞上的酶，主要來源于微生物細胞和動植物殘體. 土壤酶是土壤生物地球化學過程的主要調(diào)節(jié)者，在土壤新陳代謝中扮演關(guān)鍵角色，對于環(huán)境條件的變化十分敏感，故可以作為衡量土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標［5-8］. 其中，過氧化氫酶是一種氧化還原酶，可以將土壤中對植物有害的過氧化氫分解為水和氧氣，在一定程度上反映土壤生物氧化過程的強弱. 水解酶在土壤里數(shù)量較多，參與有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化，可以提高土壤中可溶性營養(yǎng)物質(zhì)的含量. 脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶是參與土壤碳氮磷循環(huán)的關(guān)鍵酶，其活性變化對于一定程度上反映土壤健康狀況具有重要意義. 黃劍［9］通過長期定位試驗研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)4年施用生物炭提高土壤轉(zhuǎn)化酶、脲酶和堿性磷酸酶活性. 尚藝婕等［10］研究秸稈生物炭對鎘污染水稻土壤酶活性的影響，結(jié)果表明生物炭能顯著提高土壤中碳循環(huán)類酶與氧化還原類酶活性. 趙軍等［11］研究發(fā)現(xiàn)施用竹炭基氮肥與木炭基氮肥可以顯著提高蔗糖酶與堿性磷酸酶的活性.

目前，國內(nèi)外關(guān)于生物炭對土壤酶活性影響研究較多，然而關(guān)于根際土及非根際土酶活性差異方面的研究還比較少；而且已報道的相關(guān)生物炭研究大多采用盆栽試驗或溫室試驗、短時間以及一次性大量施用的方式，不能反映田間土壤酶活性的變化情況，且有關(guān)生物炭對土壤酶活性的影響結(jié)果不一致［12-15］.本文在總結(jié)汲取前人及本課題研究成果的基礎(chǔ)上，選取大豆這一廣泛種植的旱地農(nóng)作物為研究對象，通過田間定位試驗，采用生物炭不同施入量和施入方式，探究生物炭輸入下的大豆根際土及非根際土中水解酶和氧化還原酶活性的變化，以期為生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的推廣應(yīng)用及促進我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展方面提供更多科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間小區(qū)試驗于2017 年5 月開始，試驗地點位于安徽省淮北市杜集區(qū)徐暨村（34°04′N，116°93′E）.該地區(qū)夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，四季分明，是典型的溫帶季風氣候. 該地區(qū)年平均溫度14.8 ℃，年平均降水量830 mm，年無霜期202 d. 該地區(qū)長期以小麥-大豆輪作為主要種植方式. 供試土壤為砂壤土. 本研究使用的生物炭和炭基肥購自南京勤豐秸稈科技有限公司，水稻秸稈炭與土壤基本理化性質(zhì)見表1.

表1 水稻秸稈炭與土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，本試驗共設(shè)置5 個處理，每個處理重復4 次，每個小區(qū)面積為20 m2（4 m×5 m）. 處理1：單施化肥對照，75 kg·ha-1復合肥（CK）；處理2：秸稈全量還田+75 kg·ha-1復合肥（CS）；處理3：7 t·ha-1生物炭緩施+75 kg·ha-1復合肥（B7）；處理4：20 t·ha-1生物炭+75 kg·ha-1復合肥（B20）；處理5：75 kg·ha-1炭基肥（BCF）. 其中，施用復合肥中含有15% N、15% P2O5和15% K2O；炭基肥中含有15% N、15% P2O5、10% K2O和40%的有機養(yǎng)分. 由于秸稈（CS）和生物炭（B7和B20）本身帶入養(yǎng)分量低，養(yǎng)分主要以復合肥形式提供. 另外，炭基肥（BCF）處理在施肥時補充3.75 t·ha-1K2O，以使所有處理保持等量氮磷鉀養(yǎng)分含量.

1.3 土樣采集

2018年小麥收獲后即種植大豆. 于2018年10月在大豆成熟期進行采樣. 隨機選取6～8株植株，采用抖根法收集根際土壤樣品；按S型五點采樣法，用土鉆采集距植株一定距離0～15 cm 的耕層土壤作為非根際土壤樣品，將每個小區(qū)的土樣充分混合均勻，裝入干凈無菌自封袋帶回實驗室. 新鮮土樣除去碎石子、秸稈以及動植物殘體，風干后過2 mm篩，用于酶活測定.

1.4 土壤酶活性的測定

土壤脲酶活性采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法測定；土壤蔗糖酶活性的測定采用3，5—二硝基水楊酸比色法；土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定；土壤堿性磷酸酶活性的測定采用磷酸苯二鈉比色法［16-17］.

1.4.1 土壤脲酶的測定

取5 g風干土置于50 mL 錐形瓶中，加入1 mL 甲苯后振蕩混勻；15 min 后加10 mL 10%尿素溶液和20 mL pH為6.7的檸檬酸鹽緩沖液，搖勻后于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中放置24 h. 取3 mL濾液于50 mL容量瓶中，補蒸餾水至20 mL，加4 mL苯酚鈉溶液和3 mL次氯酸鈉溶液，邊加邊搖勻，20 min后顯靛藍色定容，1 h之內(nèi)在分光光度計波長為578 nm處進行比色，根據(jù)標準曲線計算酶活性，以24 h后1 g土壤中NH4+—N的質(zhì)量（mg）表示. 同時設(shè)置無土對照，用以檢驗試劑純度和基質(zhì)的自身分解；設(shè)置無基質(zhì)對照，排除土樣中原有的氨對試驗結(jié)果的影響.

1.4.2 土壤蔗糖酶的測定

取5 g風干土置于50 mL錐形瓶中，依次加入15 mL 8%蔗糖溶液，5 mL pH 5.5的磷酸緩沖液和5滴甲苯后振蕩混勻，置于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中放置24 h. 取出后立即過濾，取1 mL濾液，注入到50 mL容量瓶中，加入3 mL 3，5—二硝基水楊酸，置于沸騰的水浴鍋中加熱5 min（從容量瓶放入水浴鍋重新沸騰算起），之后在自來水下冷卻3 min. 溶液呈橙黃色，蒸餾水定容，并在分光光度計波長為508 nm 處進行比色，根據(jù)標準曲線計算酶活性，以24 h 后1 g 土壤中葡萄糖的質(zhì)量（mg）表示. 同時設(shè)置無土和無基質(zhì)對照.

1.4.3 土壤過氧化氫酶的測定

取5 g 風干土置于150 mL 錐形瓶中，加入40 mL 蒸餾水和5 mL 0.3%過氧化氫，瓶口封好后置于120 r·min-1的搖床上振蕩30 min，隨即注入5 mL 1.5 mol·L-1H2SO4終止反應(yīng). 取25 mL 濾液，用0.002 mol·L-1高錳酸鉀溶液滴定至微紅；同時設(shè)置對照. 土壤過氧化氫酶活性用單位土重消耗的0.002 mol·L-1高錳酸鉀毫升數(shù)（對照與試驗組的差值）表示.

1.4.4 土壤堿性磷酸酶的測定

取5 g 風干土置于50 mL 容量瓶中，用0.75 mL 甲苯處理15 min 后，注入5 mL 磷酸苯二鈉溶液和5 mL三羥甲基氨基甲烷緩沖液，混勻后置于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中放置24 h. 用38 ℃蒸餾水定容后過濾. 取1 mL濾液于100 mL容量瓶中，加入5 mL緩沖液，用水稀釋至25 mL，加入1 mL Gibbs 試劑，搖勻后靜置20 min，溶液呈青色，定容，用分光光度計在578 nm處進行比色. 每一土樣均設(shè)置無基質(zhì)對照，根據(jù)標準曲線，求出酚量. 土壤堿性磷酸酶活性以每百克干土的酚毫克數(shù)表示.

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)均利用Excel 2010和SPSS 20.0軟件進行方差分析、顯著性檢驗和相關(guān)分析并作圖，顯著性水平p＜0.05.

2 結(jié)果

2.1 不同施肥處理對土壤脲酶活性的影響

從圖1 可以看出，非根際土脲酶活性位于3.42～4.08 mg·g-1之間，根際土脲酶活性位于4.17～4.40 mg·g-1之間，根際土與非根際土相比，脲酶活性沒有顯著性差異. 與CK相比，CS、B7、B20和BCF處理對大豆根際土與非根際土脲酶活性沒有顯著影響. 同時，CS、B7、B20和BCF處理之間的根際和非根際土脲酶活性也沒有顯著性差異（p＞0.05）. 圖1中不同小寫字母表示非根際土不同處理間顯著性差異水平，不同大寫字母表示根際土不同處理間顯著性差異水平，每個處理上方的數(shù)字表示根際土與非根際土顯著性統(tǒng)計的p值（*表示p＜0.05）. 下圖同.

圖1 不同施肥處理對土壤脲酶活性的影響

圖2 不同施肥處理對土壤蔗糖酶活性的影響

2.2 不同施肥處理對土壤蔗糖酶活性的影響

從圖2 可以看出，非根際土壤蔗糖酶活性介于8.28～13.96 mg·g-1，根際土壤蔗糖酶活性介于9.61～14.18 mg·g-1. 與非根際土相比，在B7處理根際土的蔗糖酶活性顯著性提高，而CK、CS、B20、BCF處理根際土與非根際土的蔗糖酶活性沒有顯著性差異. 與CK相比，CS、B7和B20處理根際和非根際土蔗糖酶活性沒有顯著性改變，但是BCF處理顯著提高土壤蔗糖酶活性，在非根際土和根際土中提高幅度分別達到61.76%和31.91%.

2.3 不同施肥處理對土壤過氧化氫酶活性的影響

從圖3可以看出，非根際土中過氧化氫酶活性位于8.36～8.49 mL·g-1之間，根際土中過氧化氫酶活性位于8.37～8.49 mL·g-1之間，根際土與非根際土相比，過氧化氫酶活性沒有顯著性差異. 同時，根際和非根際過氧化氫酶活性在不同施肥方式處理中也沒有顯著性變化.

2.4 不同施肥處理對土壤堿性磷酸酶活性的影響

從圖4 可以看出，與非根際土相比，BCF 處理根際土的堿性磷酸酶活性顯著性提高，而CK、CS、B7、B20處理根際土的堿性磷酸酶活性沒有顯著性差異. 與CK 相比，CS、B7、B20和BCF 處理間大豆非根際土堿性磷酸酶活性沒有顯著性差異. 而對于根際土堿性磷酸酶活性來說，CK處理最低，其次是CS和BCF處理，而B7 和B20 處理活性最高. 與CK 相比，B7 與B20 根際土堿性磷酸酶活性分別提高32.98%和31.38%.

圖3 不同施肥處理對土壤過氧化氫酶活性的影響

圖4 不同施肥處理對土壤堿性磷酸酶活性的影響

3 討論

根際土由于受植物根系脫落物與分泌物的影響，根際區(qū)域中營養(yǎng)較為豐富且微生物活動較為頻繁，因此導致根際土壤酶活性比非根際土較高. 郭華等［18］關(guān)于毛竹根際與非根際土壤酶活性的研究中表明：過氧化氫酶、磷酸酶、脲酶和脫氫酶在根際土中的活性明顯高于非根際土. 尚藝婕等［10］研究秸稈生物炭對鎘污染水稻土壤酶活性影響的結(jié)果顯示：水稻根際碳循環(huán)類酶與氧化還原類酶活性均高于非根際土.

脲酶可以將土壤中的尿素分解為氨、二氧化碳和水，在一定程度上反映土壤的氮素狀況［19-21］. 本研究結(jié)果顯示：與CK 相比，添加秸稈、生物炭和炭基肥處理對大豆根際和非根際脲酶活性都沒有顯著影響.這與李軍等關(guān)于玉米大豆輪作條件下長期定位施肥對脲酶活性的研究結(jié)果類似［22］. 但這與長期施肥可以提高土壤脲酶活性的有關(guān)報道不一致，這可能與作物種類、種植方式和生物炭原料與制備條件等有關(guān). 除此之外，大豆自身可以固氮，在大豆的種植期間并未施加尿素，土壤中氮素水平較低，不同處理間脲酶活性差異較小.

蔗糖酶可以將土壤中蔗糖分解為葡萄糖和果糖，在一定程度上反映土壤的熟化程度和肥力水平［16-17］. 相較其他處理，炭基肥能顯著提高蔗糖酶的活性，這與趙軍等關(guān)于生物炭及炭基硝酸銨肥料對土壤蔗糖酶活性影響的研究結(jié)果類似［11］. 這可能是由于蔗糖酶分解蔗糖產(chǎn)生葡萄糖和果糖，葡萄糖作為一種植物微生物的重要碳源，炭基肥的C/N比較高，酶促基質(zhì)較多，故蔗糖酶顯著提高.

過氧化氫酶可以將土壤中對植物有害的過氧化氫分解為水和氧氣，在一定程度上反映土壤生物氧化過程的強弱［19-21］. 本研究中，不同處理間大豆根際土或非根際土的過氧化氫酶活性差異不顯著. 這與袁玲等關(guān)于長期不同施肥處理對于過氧化氫酶活性的影響差異較小的結(jié)果類似［23］. 與趙軍等關(guān)于生物炭及炭基硝酸銨肥料對過氧化氫酶活性受肥料的影響較小的結(jié)果類似［11］. 究其原因，一方面，可能是土壤中過氧化氫酶較為穩(wěn)定，不容易受外界環(huán)境的影響；另一方面，可能與生物炭的施用對土壤環(huán)境的影響有關(guān)，如土壤溫度和表層水分狀況變異性較大，不利于氧化還原類酶活性的提高.

磷酸酶可以促進有機磷的降解，提高土壤中有效磷的含量，在一定程度上反映土壤中磷的狀況［16-17］.本研究結(jié)果表明：生物炭無論是以緩施還是一次性大量施入的方式，都能顯著提高土壤堿性磷酸酶的活性，但炭基肥處理并未發(fā)生明顯變化. 可能是因為生物炭直接將本身含有的可溶性磷釋放到土壤中，使土壤中的有效磷含量升高［19-21］，此外，生物炭具有高pH的特性，施用后會使土壤的堿性增強，從而使堿性磷酸酶活性得以提高. 黃劍［9］基于華北高產(chǎn)農(nóng)田的長期定位試驗中也發(fā)現(xiàn)，土壤堿性磷酸酶活性在生物炭的處理下有較大幅度的提高. 而炭基肥中生物炭的含量較低，對于提高土壤有效磷能力較弱，故對堿性磷酸酶的活性沒有影響.

4 結(jié)論

（1）在該田間試驗中，添加秸稈、生物炭與炭基肥對大豆根際和非根際土脲酶和過氧化氫酶活性沒有影響. 與非根際土相比，根際土壤脲酶和過氧化氫酶活性沒有顯著性差異.

（2）秸稈和生物炭處理對大豆土壤蔗糖酶沒有影響，但炭基肥處理顯著提高根際土和非根際土蔗糖酶活性.

（3）與對照相比，添加秸稈、生物炭和炭基肥處理對大豆非根際土壤堿性磷酸酶活性沒有影響；而生物炭處理（B7和B20）顯著提高根際土壤堿性磷酸酶活性.