尿素混合生物質(zhì)炭穴施對土壤氮含量及酶活性的影響

張莉，任建新，韓國君，馬樂元，孫小妹

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，蘭州730070）

隨著農(nóng)田土壤提質(zhì)增效及固碳減排的需求日趨增加，亟需采取有效措施提升土壤肥力和固碳能力，提高農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展[1]。生物質(zhì)炭（Biochar）碳含量高，可在土壤中穩(wěn)定儲存數(shù)百年。如果所有燃燒的秸稈都轉(zhuǎn)化為生物炭，碳排放可以減少近一半[2]。因此，生物質(zhì)炭固碳技術(shù)是一種非常有前途的碳減排技術(shù)。作物增產(chǎn)最有效的途徑是施肥，全世界作物產(chǎn)量增加的一半是來自施用的化肥。施肥是農(nóng)田作物增產(chǎn)最傳統(tǒng)、最有效的途徑，研究表明我國化肥對糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率為40.8%，全世界約有50%的農(nóng)田作物增產(chǎn)依靠化肥的施用，化肥施用在糧食生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用[3-4]。然而，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中平均施氮量為360 kg·hm-2，遠(yuǎn)高于世界平均水平120 kg·hm-2，為美國2.6倍，歐盟2.5倍[5]。生物質(zhì)炭具有的吸附性，能夠賦予肥料養(yǎng)分緩釋性能，從而與肥料形成協(xié)同互補(bǔ)的關(guān)系[6]。生物質(zhì)炭與肥料混合施用對作物的生長和產(chǎn)量可產(chǎn)生積極的影響。研究顯示，土壤中施入生物質(zhì)炭后，微生物的反硝化作用會受到抑制并降低氮氧化物的排放[7]。在同一氮肥條件下，玉米季和小麥季中生物質(zhì)炭還田處理分別比秸稈直接還田處理的N2O排放通量降低了26%～51%和4%～27%[8]。生物質(zhì)炭本身偏堿性，堿性物質(zhì)的增加能夠提高N2O還原酶活性，從而減少氮排放，其多孔隙結(jié)構(gòu)和較大比表面積可改善土壤通氣性，增加對土壤NH+4-N、的吸附固持，減少N2O的排放。土壤和生物質(zhì)炭對有吸附作用，而土壤有效氮以為主。Doydora等[9]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭與糞肥混合施入土壤，可使NH3損失量降低50%以上，提高氮肥利用率。但Yao等[10]研究表明，生物質(zhì)炭能吸附土壤中的-N和-N，但其對-N的吸附作用較弱。施用玉米秸稈生物質(zhì)炭的黑土對-N的吸附量最大，添加生物質(zhì)炭量達(dá)3.6%時(shí)，土壤-N淋失量最低[11]。土柱模擬淋溶試驗(yàn)表明，當(dāng)生物質(zhì)炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%以上時(shí)，總氮和的淋洗顯著降低，而當(dāng)生物質(zhì)炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%以上時(shí)淋洗顯著降低[12]。較多生物質(zhì)炭（＞4%）的施用會使土壤碳氮比增加，降低土壤養(yǎng)分的有效性[13]。因此，生物質(zhì)炭等有機(jī)物料與氮肥的混合施用會影響土壤有效氮含量，且生物質(zhì)炭施用量要在一個(gè)適合的范圍內(nèi)才能提高土壤肥力、土壤質(zhì)量和氮素利用率。生物質(zhì)炭的施用還能增加土壤速效磷、速效鉀和有效氮含量，提高土壤保肥能力，改善土壤的理化性質(zhì)和植物的生長環(huán)境[14]。吳嘉楠等[15]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭與氮肥配施能夠顯著增加土壤中15N殘留量，提高土壤有效氮和微生物量碳氮的含量。這與生物質(zhì)炭能夠改善土壤通氣性、改變作物生長環(huán)境有關(guān)。生物質(zhì)炭還可以減少氮素向深層土壤的淋洗，從而減少氮素?fù)p失以及過量施肥對環(huán)境造成的負(fù)面影響。作物收獲后，生物質(zhì)炭吸附的氮素保留在土壤中，有很強(qiáng)的后效作用[16-17]。生物質(zhì)炭可提供給肥料養(yǎng)分的緩釋載體，達(dá)到保肥的效果并提高氮肥利用率。

土壤酶是土壤中最重要的活性成分之一，參與土壤中的各種生化過程。土壤酶活性代表了土壤中各種生化過程的強(qiáng)度和方向。生物質(zhì)炭和氮肥混合施用能不同程度地提高土壤酶活性。研究表明，添加生物炭能顯著提高土壤中轉(zhuǎn)化酶和脲酶的活性[18]。生物質(zhì)炭和氮肥配施降低了土壤微生物碳氮比，提高土壤氮素的生物活性[19]，大豆秸稈還田能提高土壤蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶的活性[18]。尿素配施生物質(zhì)炭氮素利用率較單施尿素提高了21%～42%。添加生物質(zhì)炭提高了土壤脲酶活性，但抑制了過氧化氫酶和堿性磷酸酶的活性[20]。在隴中黃土高原干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，一次性施入土壤15 t·hm-2生物質(zhì)炭，生物質(zhì)炭配施氮肥顯著提高了小麥籽粒和莖稈碳和磷含量，降低了碳氮比、氮磷比[21]。添加生物炭影響土壤氮素礦化和土壤酶活性，但研究結(jié)果各不同。近年來，生物質(zhì)炭與肥料復(fù)合成的新型生物質(zhì)炭肥已成為諸多領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于土壤改良培肥、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用、廢棄物生物質(zhì)利用以及環(huán)境治理等領(lǐng)域[22-23]。生物質(zhì)炭對土壤有效氮含量及微生物活動(dòng)的變化趨勢尚未有統(tǒng)一結(jié)論，受土壤類型和氣候變化等條件的制約，基于上述原因，本試驗(yàn)探討了尿素混合生物質(zhì)炭施入偏堿性灌於土后對土壤氮含量和土壤酶活性的影響，以期為降低氮肥施用量、提高該土壤類型地區(qū)氮素肥力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)處理

以玉米秸稈生物質(zhì)炭為原料，施用量為10 t·hm-2。尿素（含N 46%）施用量以純氮計(jì)為：240、180、120 kg·hm-2（表1）。將尿素與生物質(zhì)炭充分?jǐn)嚢杌旌虾?，穴施至土?0～15 cm深度。土壤相對含水量保持在田間持水量的70%～80%。設(shè)置處理為：常量施肥（N240）、減量施肥（N180）、減量施肥（N120）、常量施肥+生物質(zhì)炭（N240B）、減量施肥+生物質(zhì)炭（N180B）、減量施肥+生物質(zhì)炭（N120B）和不施肥處理（CK）7個(gè)處理。每個(gè)處理4次重復(fù)。

表1不同處理氮肥和生物質(zhì)炭用量Table 1 The amount of nitrogen fertilizer and biochar used in different treatments

1.2 取樣方式

供試土壤采自中國科學(xué)院沙坡頭沙漠研究試驗(yàn)站試驗(yàn)田，土壤類型為灌淤土。采集耕作層0～20 cm的土壤，置于陰涼自然風(fēng)干，去除肉眼可見的細(xì)根和石塊后研磨過2 mm篩保存?zhèn)溆?。供試土壤有機(jī)質(zhì)含量為17.89 g·kg-1，全氮含量為1.12 g·kg-1，速效鉀為156 mg·kg-1，速效磷為45.20 mg·kg-1，土壤pH為8.02。

供試生物質(zhì)炭來源于金和福農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，為玉米秸稈在500℃高溫裂解產(chǎn)生的生物質(zhì)炭，pH為6.7，比表面積為300 m2·g-1，灰分含量為35.64%，碳含量為53.28%，氮素含量為1.04%。

進(jìn)行盆栽控制性試驗(yàn)，每盆裝土5 kg。施肥前采集基礎(chǔ)土樣，分析其理化性質(zhì)。分別于2019年6月29日（第5 d取樣）、2019年7月4日（第10 d取樣）和2019年7月9日（第15 d取樣）采集0～20 cm土樣，取樣時(shí)避開生物質(zhì)炭。土樣采集完成后先過2 mm篩，一部分土樣進(jìn)行4℃冷藏保鮮，用于-N-N及酶（土壤脲酶、土壤蔗糖酶和土壤堿性磷酸酶）活性測定；一部分風(fēng)干后磨細(xì)過篩測定土壤全氮和土壤堿解氮含量。

1.3 測定方法

土壤脲酶活性用靛酚藍(lán)比色法測定，酶活性以24 h后1 g土壤中-N的質(zhì)量表示；土壤蔗糖酶活性用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，酶活性以24 h后1 g土壤生成葡萄糖毫克數(shù)表示；土壤磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法測定，酶活性以24 h后1 g土壤中釋放出的酚的毫克數(shù)表示。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 20.0進(jìn)行ANOVA單因素方差分析，用Duncan′s新復(fù)極差法多重比較處理之間的顯著性（P＜0.05）和交互作用分析。用Origin 9.1進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 尿素混合生物質(zhì)炭穴施對土壤有效氮的影響

由圖1可以看出，單施尿素N120、N180、N240處理的土壤-N含量顯著高于尿素混合生物質(zhì)炭N120B、N180B、N240B處理，不同施氮水平下的土壤NH+4-N含量無顯著差異。第5 d單施尿素處理的土壤NH+4-N含量是混合生物質(zhì)炭處理的4.50～8.20倍，尿素混合生物質(zhì)炭N120B、N180B、N240B處理的-N含量與CK無顯著差異；第10 d單施尿素處理的-N含量是尿素混合生物質(zhì)炭處理的24.5～58.9倍，差異極顯著，CK處理與尿素混合生物質(zhì)炭處理間的土壤-N含量差異不顯著；第15 d單施尿素處理的土壤-N含量是尿素添加生物質(zhì)炭處理的1.94～2.96倍。

2.1.3 對土壤無機(jī)氮的影響

圖1不同施肥處理對土壤-N的影響Figure 1 Effectsof different fertilization treatments on soil-Ncontent

圖2不同施肥處理對土壤NO-3-N的影響Figure 2 Effectsof different fertilization treatments on soil-Ncontent

由圖3可以看出，單施氮肥N120、N180、N240處理與尿素添加生物質(zhì)炭N120B、N180B、N240B處理間土壤無機(jī)氮含量的差異顯著。第5 d，單施氮肥N120、N180、N240處理的無機(jī)氮含量是尿素混合生物質(zhì)炭N120B、N180B、N240B處理的2.55～5.81倍，尿素混合生物質(zhì)炭穴施處理的土壤無機(jī)氮含量與對照無顯著差異；第10 d，單施氮肥處理的無機(jī)氮含量是尿素混合生物質(zhì)炭處理的2.99～3.82倍，添加生物質(zhì)炭N120B、N180B、N240B處理的土壤無機(jī)氮含量分別是CK的2.18、1.97、1.96倍，生物質(zhì)炭的施入增加了土壤無機(jī)氮含量；第15 d，單施氮肥處理與尿素添加生物質(zhì)炭處理的土壤無機(jī)氮含量均有所降低，但差異不顯著。

2.1.4 對土壤堿解氮的影響

圖3不同施肥處理對土壤無機(jī)氮的影響Figure 3 Effects of different fertilization treatments on soil inorganic nitrogen content

圖4不同施肥處理對堿解氮的影響Figure 4 Effectsof different fertilization treatments on soil available Ncontent

由圖4可知，單施尿素N120、N180、N240處理的土壤堿解氮含量均顯著高于尿素混合生物質(zhì)炭N120B、N180B、N240B處理。第5 d單施尿素N120、N180、N240處理的堿解氮含量分別是尿素混合生物質(zhì)炭N120B、N180B、N240B處理的3.13、4.26、4.46倍，而尿素混合生物質(zhì)炭穴施N120B、N180B、N240B處理的堿解氮含量分別比CK低66.74%、69.85%、72.23%，造成此結(jié)果的原因可能是生物質(zhì)炭穴施入土壤，能夠吸附土壤中，減緩氨化和硝化過程，使得土壤的堿解氮含量較CK和單施尿素處理低；第10 d各處理的堿解氮含量均達(dá)到最高值，其中，N240處理的堿解氮含量達(dá)最高66.60 mg·kg-1，此時(shí)，尿素混合生物質(zhì)炭穴施N120B、N180B、N240B處理的土壤堿解氮含量分別比單施尿素N120、N180、N240處理低25.55%、32.15%、32.47%，與對照無顯著差異；第15 d各處理土壤堿解氮含量無顯著差異。

2.2 尿素混合生物質(zhì)炭穴施對土壤酶的影響

2.2.1 對土壤脲酶的影響

由圖5可以看出，尿素混合生物質(zhì)炭處理的土壤脲酶活性高于單施尿素處理，第5 d尿素混合生物質(zhì)炭N240B處理的脲酶活性達(dá)最高4.92 mg·kg-1，尿素混合生物質(zhì)炭N120B、N180B、N240B處理的脲酶活性分別是單施尿素N120、N180、N240處理的1.80～2.55倍，是對照處理的3.94～8.66倍；第10 d尿素添加生物質(zhì)炭N120B、N180B、N240B處理的土壤脲酶活性是單施尿素N120、N180、N240處理的脲酶活性的1.33～2.55倍；第15 d各處理土壤脲酶活性幾乎無差異。

2.2.2 對土壤蔗糖酶的影響

由圖6可以看出，土壤蔗糖酶的活性隨時(shí)間呈先增加后減少的趨勢，尿素混合生物質(zhì)炭N120B、N180B、N240B處理能夠增強(qiáng)土壤蔗糖酶活性。第5 d添加生物質(zhì)炭處理的土壤蔗糖酶活性是單施尿素處理的1.07～1.77倍，與對照無顯著差異；第10 d尿素混合生物質(zhì)炭N120B、N180B、N240B處理的土壤蔗糖酶活性是單施尿素N120、N180、N240處理的2.35～2.37倍，差異極顯著，其中，N180B處理的蔗糖酶活性達(dá)最高16.06 mg·kg-1；第15 d各處理土壤蔗糖酶活性幾乎無差異。

圖5不同施肥處理對土壤脲酶的影響Figure 5 Effectsof different fertilization treatments on soil urease activity

2.2.3 對土壤堿性磷酸酶的影響

由圖7可以看出，土壤堿性磷酸酶的活性隨時(shí)間呈先增加后減少的趨勢，尿素混合生物質(zhì)炭N120B、N180B、N240B處理的土壤堿性磷酸酶活性稍高于單施尿素N120、N180、N240處理，但整體無顯著差異。第5 d，尿素添加生物質(zhì)炭N120B、N180B、N240B處理的土壤堿性磷酸酶活性分別是單施尿素N120、N180、N240處理的1.18、1.22、1.19倍；第10 d尿素添加生物質(zhì)炭處理的土壤磷酸酶含量與對照處理的差異不顯著，約為單施尿素處理的1.03倍；第15 d各處理間土壤堿性磷酸酶活性差異不顯著。

3 討論

3.1 添加生物質(zhì)炭對土壤有效氮的影響

圖6不同施肥處理對土壤蔗糖酶的影響Figure 6 Effectsof different fertilization treatments on soil sucrase activity

圖7不同施肥處理對土壤堿性磷酸酶的影響Figure 7 Effectsof different fertilization treatments on soil alkaline phosphatase activity

3.2 添加生物質(zhì)炭對土壤酶活性的影響

土壤酶代表土壤中生物化學(xué)反應(yīng)活躍程度，其活性的高低體現(xiàn)了土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度，是表征土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[30]。研究表明，施用生物質(zhì)炭可以提高土壤蔗糖酶活性，降低堿性磷酸酶活性[18，20]。秸稈還田能夠提高土壤酶活性，土壤中蔗糖酶活性與不還田處理相比明顯提高，是一種有效促進(jìn)土壤中氮素養(yǎng)分的途徑[31]。徐福利等[32]研究表明，適量施氮能夠增強(qiáng)微生物活性和土壤脲酶活性，一旦超過氮肥用量的最大范圍，脲酶活性將會降低。顧美英等[33]研究表明，土壤蔗糖酶活性隨生物質(zhì)炭施用量的增加呈先增加后減少的趨勢，堿性磷酸酶則呈先減少后增加再減少的趨勢。本試驗(yàn)研究結(jié)果顯示：施氮量對土壤酶活性的影響不大，但添加生物質(zhì)炭后第5 d和第10 d，土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶活性均比單施氮肥處理高，第15 d，各處理間土壤酶活性差異不明顯。尿素混合生物質(zhì)炭穴施處理顯著增強(qiáng)土壤酶活性。這與張志龍等[34]的研究結(jié)果一致。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，第5 d，生物質(zhì)炭的添加降低了土壤-N和-N含量，但提高了土壤脲酶活性，造成該現(xiàn)象的可能原因有：一是生物質(zhì)炭的添加減緩了土壤氨化和硝化過程，但因其本身作為碳、氮源，能夠?yàn)橥寥牢⑸锾峁┗|(zhì)以供其快速繁殖，增強(qiáng)土壤微生物活動(dòng)，提高土壤酶活性[28]，二是生物質(zhì)炭的保肥作用有利于氮素的保存，會使土壤固定態(tài)含量增加，固定態(tài)是土壤有效氮的潛在“氮庫”，間接增強(qiáng)土壤脲酶活性，而土壤脲酶增加的同時(shí)也會造成氮素以或其他形式損失[35]，該現(xiàn)象還需進(jìn)一步研究探討。生物質(zhì)炭與土壤酶活性，尤其是與土壤脲酶之間的作用比較復(fù)雜，一方面生物質(zhì)炭能夠吸附酶促反應(yīng)的結(jié)合位點(diǎn)，從而提高土壤酶活性，另一方面生物質(zhì)炭的緩釋特性對酶促反應(yīng)的結(jié)合位點(diǎn)形成一層保護(hù)膜，同時(shí)其吸附特性吸附固持酶分子，從而阻止了酶促反應(yīng)的進(jìn)行。因此，生物質(zhì)炭施用對土壤酶活性的影響結(jié)果各不相同。

3.3 無機(jī)氮與酶活性之間的關(guān)系

施入土壤的無機(jī)氮和有機(jī)氮在微生物和土壤酶的作用下經(jīng)過一系列生物化學(xué)過程，調(diào)控土壤的養(yǎng)分供應(yīng)情況，李濤等[36]研究表明，有機(jī)物料與施氮量的不同可引起土壤無機(jī)氮含量的變化，進(jìn)而影響土壤酶活性的高低，秸稈還田施氮帶來的無機(jī)氮含量的升高可能導(dǎo)致脲酶活性降低。本試驗(yàn)結(jié)果表明，第5 d和第10 d，單施氮肥N120、N180、N240處理的無機(jī)氮含量分別是尿素混合生物質(zhì)炭N120B、N180B、N240B處理的2.55～5.81、2.99～3.82倍，第15 d，各處理的無機(jī)氮含量均降低，且差異不顯著。生物質(zhì)炭的添加顯著增強(qiáng)土壤脲酶活性，第15 d取樣時(shí)，尿素混合生物質(zhì)炭處理的土壤脲酶活性與單施尿素處理差異性不顯著，造成該結(jié)果的原因可能有：一是低碳氮比有利于土壤氮素的供給，而玉米秸稈生物質(zhì)炭的碳氮比較高，需要補(bǔ)充氮肥來減緩氮素固持作用，本試驗(yàn)中的氮肥為一次性施入，故單施尿素處理的無機(jī)氮含量遠(yuǎn)高于尿素添加生物質(zhì)炭處理，生物質(zhì)炭的添加為微生物提供了碳氮源和能源，其本身的高碳氮比使得氮素的供應(yīng)緊張，從而降低了土壤脲酶活性。二是尿素前期釋放較快，生物質(zhì)炭釋放較慢，尿素與生物質(zhì)炭配施使氮素供應(yīng)充足，土壤微生物活躍，脲酶活性高，土壤迅速轉(zhuǎn)化為，而后期尿素含量降低，容易脫靶，氮素供給主要依靠生物質(zhì)炭提供的碳氮源，生物質(zhì)炭的緩釋特性能夠延遲尿素的水解過程和氨化過程，土壤和無機(jī)氮含量減少，導(dǎo)致脲酶活性降低[37]。

4 結(jié)論

（1）取樣第5 d和第10 d，尿素混合生物質(zhì)炭穴施處理的土壤有效氮含量均小于單施尿素處理，但到第15 d，各處理間土壤氮含量差異不顯著。這表明，生物質(zhì)炭能夠吸附土壤中的NH+4，賦予土壤速效養(yǎng)分緩慢釋放性能，降低土壤有效氮含量，減少土壤氮素流失以提高氮素利用效率。

（2）第5 d和第10 d，尿素混合生物質(zhì)炭穴施處理的土壤酶活性均顯著高于尿素穴施處理，第15 d，各處理間土壤酶均無顯著差異。生物質(zhì)炭與尿素的混合穴施能夠促進(jìn)土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性，生物質(zhì)炭對NH+4的吸附和緩釋特性使其與尿素混合穴施時(shí)，延緩尿素的水解和氨化過程，促進(jìn)硝化作用，增強(qiáng)土壤微生物活動(dòng)，有效增加土壤氮素養(yǎng)分含量。