施用生物炭對東臺沿海楊樹人工林土壤理化性質(zhì)及酶活性的影響

徐 瑾, 王 瑞, 鄧芳芳, 曹國華, 王國兵

(1.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037；2.江蘇省東臺市林場，江蘇 東臺 224200)

生物炭是生物質(zhì)在無氧或少氧的高溫條件下，經(jīng)熱裂解炭化形成的穩(wěn)定富碳固體物質(zhì)；其具有超高的比表面積、發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和極強(qiáng)的吸附性，可以改良土壤理化特性，保存土壤養(yǎng)分，改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)作物增產(chǎn)[1].生物炭不僅可將C素保留，而且施入土中后可有效抑制有機(jī)質(zhì)的礦化速率，增匯減排，在一定程度上減緩全球變暖的影響[2-4].因此，國內(nèi)外越來越多的學(xué)者在研究生物炭在環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)生態(tài)上的應(yīng)用，以期全面發(fā)揮生物炭的優(yōu)勢作用.

作為土壤環(huán)境中最活躍的有機(jī)組分之一，土壤酶來源于土壤中動植物和微生物細(xì)胞的分泌物及殘體分解物，其中微生物是主要來源[5].土壤酶參與了有機(jī)質(zhì)分解、養(yǎng)分循環(huán)等一系列生物化學(xué)過程，是土壤物質(zhì)循環(huán)過程的主要調(diào)節(jié)者；其反映了土壤物質(zhì)循環(huán)進(jìn)程的強(qiáng)度和方向，對土壤肥力評價具有重要的指示作用[6].生物炭對土壤酶活性的影響不盡相同，據(jù)報道，有的生物炭(由花生制備)提高了小麥地表層土壤微生物的數(shù)量，增強(qiáng)了土壤脲酶和過氧化氫酶的活性[7]；有的生物炭(由樹枝條制備)可以提高壤土和砂土中與N、P循環(huán)相關(guān)的酶活性，卻降低壤土中與C循環(huán)有關(guān)的酶活性[8-9].由此可見，生物炭對土壤酶活性的影響與生物炭的種類、土壤的類型都密切相關(guān)[10-11]，但其具體的作用機(jī)制和途徑還有待進(jìn)一步深入研究.

我國楊樹人工林面積廣闊，但由于土壤肥力衰退、長期生產(chǎn)力維護(hù)等問題，人工林的產(chǎn)量和質(zhì)量有待進(jìn)一步提高，如能發(fā)揮生物炭在人工林系統(tǒng)的作用將產(chǎn)生巨大的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益.目前生物炭對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)影響的研究較為充分，而對人工林土壤酶活性的研究甚少.本研究以江蘇省鹽城市東臺楊樹人工林為試驗(yàn)對象，觀測不同水平生物炭下土壤理化性質(zhì)及酶活性的動態(tài)變化，為進(jìn)一步研究生物炭對人工林土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響及其科學(xué)管理提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于江蘇省鹽城市的東臺林場(E120°49′， N32°52′).東臺林場成立于1965年，是江蘇省沿海重點(diǎn)防護(hù)林.東臺林場占地約2 800 hm2，場內(nèi)林地面積約2 187 hm2，森林覆蓋率86%.林場靠近黃海之濱，處于亞熱帶和暖溫帶的過渡區(qū)域，為明顯的過渡性海洋性和季風(fēng)性氣候.一年四季分明，夏秋雨量集中，日照充沛，年平均氣溫14.6 ℃，無霜期220 d，降雨量1 051.0 mm，年均日照時數(shù)2 169.6 h.林場整體地勢平坦，土壤類型為脫鹽草甸土，土壤質(zhì)地為典型砂質(zhì)壤土，土壤pH值約8.0.樣地林分特征及部分土壤理化性質(zhì)見表1.林場內(nèi)樹種達(dá)200種以上，主要喬木植被有人工營造的72楊(Populuseuramericanacv. I-72)、35楊(PopulusdeltoidsCL‘35/66’)、水杉(MetaseguoiaglyptostroboidesHu et Cheng)等.林下草本植物種類豐富多樣，常見的有狼尾草(Pennisetumalopecuroides)、羅布麻(ApocynumvenetumL.)、刺兒菜(Cirsiumsetosum)、一年蓬[Erigeronannuus(L.) Pers.]、野薔薇(RosamultifloraThunb.)和一些蕨類.

表1 樣地林分特征及部分土壤理化性質(zhì)Table 1 Structure and main soil chemical and physical properties under popular plantation

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

選擇東臺林場中7年生楊樹人工林為試驗(yàn)對象，株行距3 m×5 m，采用隨機(jī)區(qū)組法，于林分行間帶內(nèi)隨機(jī)布置16個2 m×2 m的試驗(yàn)樣方，盡量保持樣方的4個頂點(diǎn)與相鄰4株楊樹的距離一致，不同樣方間距>5 m.設(shè)置了4個水平的生物炭施用量，分別為對照(CK，0 t·hm-2)、低施用量(T1，40 t·hm-2)、中施用量(T2，80 t·hm-2)及高施用量(T3，120 t·hm-2).本試驗(yàn)使用的生物炭購自南京六合木炭廠，是原木在600 ℃高溫下窯制成的炭粉，生物炭屬性如下：pH值9.2，C含量63.26%，N含量1.49%，P含量0.31%，K含量5.31%.于2016年8月施入生物炭，施入深度約40 cm，使用農(nóng)耕機(jī)械將撒施表面后的生物炭混合，充分混合均勻后輕微壓實(shí)表土以復(fù)原土位(對照組同樣進(jìn)行翻耕和復(fù)原土位等操作).

1.3 樣品測定及計(jì)算

于2017年3月20日、6月18日、10月28日及2018年1月13日進(jìn)行采樣，在樣方內(nèi)隨機(jī)選擇6個點(diǎn)，用直徑2 cm的土鉆采集0～10 cm土層的新鮮土壤約800 g，裝入塑料自封袋并及時放入低溫保溫箱帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測定.不能立即測定的土樣進(jìn)行以下處理：過2 mm的土篩，去除植物根系、土壤動物、石塊等雜物，存儲在0～4 ℃冰箱內(nèi).

土壤含水率采用烘干稱重法 (105 ℃，24 h)，土壤pH值采用pH計(jì)電位法(水與土質(zhì)量比為1∶2.5)，土壤容重采用環(huán)刀法測定，銨態(tài)氮采用KCl浸提—靛酚藍(lán)比色法，硝態(tài)氮測定采用酚二磺酸比色法，土壤蛋白酶、脲酶、蔗糖酶活性的測定分別采用茚三酮比色法、苯酚鈉—次氯酸鈉顯色法、3,5-二硝基水楊酸顯色法；土壤全碳、總有機(jī)碳、全氮采用元素分析儀(Vario ELⅢ，德國)測定；微生物量碳采用氯仿薰蒸浸提—TOC分析儀測定.

由于評價指標(biāo)量綱的不同會對酶活性的因子荷載產(chǎn)生一定的影響，因此將土壤酶指標(biāo)(soil enzyme index, SEI)的實(shí)測值轉(zhuǎn)化為在0～1區(qū)間的數(shù)值，通過指標(biāo)量綱的歸一化，更加全面地顯示不同時間、不同處理下土壤酶活性的整體變化規(guī)律[5].

本試驗(yàn)采取計(jì)算公式如下[10-11]:

SEI(xi)=(xi-ximin)/(ximax-ximin)

(1)

SEI(xi)=(ximax-xi)/(ximax-ximin)

(2)

(3)

式中，公式(1)為升型酶，(2)為降型酶的隸屬度值，xi為土壤酶(i)的活性值，ximax和ximin分別表示土壤酶(i)活性的最大值與最小值，wi為權(quán)重(本試驗(yàn)采取主成分分析法).

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采用重復(fù)測量方差分析法比較不同生物炭施用量處理及季節(jié)變化對土壤酶活性的影響，采用配對樣本均值檢驗(yàn)法分析不同處理之間土壤理化性質(zhì)及酶活性的差異顯著性，采用線性回歸法分析酶活性與土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性.采用Origin 9.0軟件繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭施用量對土壤理化性質(zhì)的影響

表2 施用不同量生物炭后土壤理化性質(zhì)的變化1)Table 2 Changes in soil physical and chemical properties under different levels of biochar applications

1)相同字母表示不同處理的土壤之間沒有顯著差異;SWC:土壤含水率;TC:全碳;TN:全氮;TOC:總有機(jī)碳.

2.2 不同生物炭施用量對土壤酶活性的影響

由圖1可得，土壤蛋白酶活性在夏季最高，秋季次之；除了T3處理下冬季的蛋白酶活性高于春季，其余都為春季>冬季，但春冬兩季之間沒有顯著差異性；土壤脲酶(圖2)和蔗糖酶(圖3)活性的季節(jié)變化趨勢較一致，具體為：秋季>夏季>春季>冬季.

施用生物炭降低了土壤蛋白酶和脲酶的活性，并且生物炭施用量越高，活性越低(圖1、圖2)，其中高施用量下蛋白酶和脲酶的平均活性比空白對照組降低了54.1%和41.0%.T1處理降低了蔗糖酶活性(圖3)，降幅為11.1%，但當(dāng)生物炭施用量提高到T2時，蔗糖酶活性開始升高，并且隨著生物炭施用量的提高蔗糖酶活性持續(xù)升高，增幅最終可達(dá)16.1%(T3處理).

圖2 生物炭施用量對土壤脲酶活性的影響
Fig.2 Effects of biochar application levels on soil urease activity

圖3 生物炭施用量對土壤蔗糖酶活性的影響
Fig.3 Effects of biochar application levels on soil invertase activity

重復(fù)測量方差分析表明(表3)，施用生物炭和季節(jié)變化均對土壤蛋白酶、脲酶和蔗糖酶的活性產(chǎn)生了顯著影響(P<0.01)，施用生物炭與季節(jié)之間對土壤蛋白酶和脲酶的活性產(chǎn)生了顯著交互效應(yīng)(P<0.01)，但二者對蔗糖酶活性不存在交互效應(yīng)(P>0.05).

表3 施用生物炭對土壤3種酶活性影響的重復(fù)測量方差分析1)Table 3 Repeated measures ANOVA of 3 soil enzyme activities with different biochar applications

1)P<0.01水平上有極顯著影響;P>0.05沒有顯著影響.

2.3 生物炭施用量對土壤酶指數(shù)的綜合影響

酶指標(biāo)可以更加直觀、全面地反映了不同水平的生物炭對土壤酶的影響.由圖4可得，施用生物炭降低了土壤酶指標(biāo)，隨著濃度升高，土壤酶指標(biāo)逐漸降低，TI、T2、T3分別比對照組降低了32%、34%、38%；秋季的土壤酶指標(biāo)最高，其次是夏、春、冬季.

2.4 土壤酶活性與主要土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

3 討論與結(jié)論

3.1 生物炭對土壤物理性質(zhì)的影響

土壤的物理性質(zhì)(土壤結(jié)構(gòu)、水力表現(xiàn)、熱力性質(zhì)等)與土壤的化學(xué)性質(zhì)(土壤離子交換能力、酸堿度等)是緊密相連的，同時也直接或間接地改變土壤養(yǎng)分的貯存、轉(zhuǎn)化及微生物群落的活動[10-11].一般認(rèn)為生物炭通過改善土壤理化及生物學(xué)特性提高土壤肥力，增加農(nóng)作物產(chǎn)量[14].本試驗(yàn)中生物炭的施用降低了土壤容重，這與砂壤土(大豆玉米地)中施用生物炭后土壤容重變化趨勢一致[15].這是由于生物炭穩(wěn)定的多孔結(jié)構(gòu)提高了土壤空隙，使土壤形成穩(wěn)定的團(tuán)聚體，降低了土壤的容重[15].其中中等水平生物炭的降低效果最為明顯，可能是由于在土壤水吸力一定的情況下，容重的降幅是有限的；當(dāng)生物炭持續(xù)升高，其對原土壤空隙的影響愈發(fā)強(qiáng)烈，土壤持水性能反而從飽和開始降低，土壤容重隨之升高[16].本試驗(yàn)中土壤pH值和含水率的變化并不明顯(表2)：pH值略有升高(P>0.05)，這與澳大利亞兩種農(nóng)業(yè)土壤(紅壤與堿性土壤)施用生物炭后pH值變化基本一致[17]；土壤含水率降低了(P>0.05)，這與玉米大豆地(砂壤土)中施用生物炭后含水量的變化相反[17].土壤的保水能力主要由土壤比表面積決定，雖然生物炭的多孔結(jié)構(gòu)和團(tuán)聚體提高了土壤比表面積，但這也可能不足以抵消原土壤結(jié)構(gòu)破壞而減少的比表面積，因此施入生物炭也可能降低土壤的含水量[18].并且生物炭對不同土質(zhì)的影響略有不同，質(zhì)地較輕的土壤反而會因?yàn)槭┯蒙锾慷档屯ㄍ感?，以抑制水分生物的入滲，含水量隨之降低[16].

表4 土壤酶活性與主要土壤性質(zhì)的相關(guān)性分析1)Table 4 Relationships between soil enzyme activities and main soil properties

1)**P<0.01水平上的極顯著性;*P<0.05水平上的顯著性.

3.2 生物炭對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

3.3 生物炭對土壤酶活性的影響和機(jī)理

本試驗(yàn)中，低水平的生物炭降低了蔗糖酶活性，而中高水平的生物炭卻能提高酶活性，可能是因?yàn)榈退降纳锾坎粌H會吸附可溶性有機(jī)質(zhì)，還降低了難溶性碳物質(zhì)的分解速率，使可利用的溶解性物質(zhì)減少，蔗糖酶的生物過程減緩，酶活性降低.隨著生物炭施用量的提高，可溶解性有機(jī)質(zhì)含量隨之升高，同時生物炭還能大量分解碳物質(zhì)，為土壤微生物提供更豐富的營養(yǎng)來源，促進(jìn)微生物量碳激增，蔗糖酶活性提高，因此蔗糖酶與土壤微生物量碳呈顯著正相關(guān)(表4)[21-22].

本試驗(yàn)中，施用生物炭后土壤酶指標(biāo)下降，同時隨著生物炭施用量的升高，土壤蛋白酶和脲酶的活性呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢，這與小麥根際土壤蛋白酶活性和華北小麥玉米輪作農(nóng)田施用生物炭后脲酶活性的變化趨勢相反[19,23].可能是由于生物炭的富碳性提高了土壤的碳氮比，在沒有其他外源氮輸入的情況下，生物炭的施用量越大，動植物和微生物會對氮素的競爭越激烈，所以降低了微生物的數(shù)量和活性.同時由于生物炭對養(yǎng)分及反應(yīng)底物的吸附，不僅限制了酶對底物的接觸，也對酶促反應(yīng)的結(jié)合位點(diǎn)形成保護(hù)，最終抑制酶促反應(yīng)的進(jìn)行[24-25].周禮愷[6]提出了脲酶活性與微團(tuán)聚體的關(guān)系，即隨著微團(tuán)聚體粒徑的升高，脲酶活性呈下降趨勢.由于生物炭結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和酶分子構(gòu)造的復(fù)雜性，土壤酶的種類、數(shù)量及生物炭施用的時間長短都可能影響酶指標(biāo)，我們應(yīng)該從長遠(yuǎn)的角度綜合考慮酶指標(biāo)的變化，以進(jìn)一步深入探究其作用機(jī)理和方式.

綜上所述，在楊樹人工林中，施用生物炭能夠改良土壤基本的理化性質(zhì)，降低土壤蛋白酶和脲酶的活性，而中高水平的生物炭可以促進(jìn)土壤蔗糖酶的活性.鑒于酶活性與一些土壤理化性質(zhì)的顯著相關(guān)性，推測生物炭可能通過改變這些理化特性以影響土壤酶活性.