竹炭與有機(jī)肥配施對(duì)葡萄根區(qū)土壤養(yǎng)分及酶活性的影響

陳麗美，李小英,，陸曉英，李俊龍，白 雪

（1西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，昆明650224；2云南省高校土壤侵蝕與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明650224；3云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所，云南元謀651300）

0 引言

生物炭是生物質(zhì)在厭氧或缺氧條件下高溫?zé)峤馓炕傻囊活惛叨确枷慊墓腆w物質(zhì)，其作為良好的土壤改良劑而被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。生物炭具有穩(wěn)定性，它對(duì)土壤肥力是一個(gè)長期積累而影響的過程，改善土壤性狀，通過直接或間接地作用[1]提高土壤肥力。近年來，許多學(xué)者研究表明，生物炭的施用能改善土壤養(yǎng)分狀況[2]，提高土壤肥力，從而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。合理的施肥對(duì)土壤肥力的提升有重要的影響?；谝恍W(xué)者的研究，生物炭與氮肥配施與CK相比顯著提高了土壤全鉀含量16.1%～52.4%[3]；低、高氮用量下，土壤活性有機(jī)質(zhì)隨生物炭量的增加而增加[4]；生物炭與氮肥混施可顯著提高土壤氮素含量，且增施生物炭可降低15%化肥氮的施用仍能達(dá)到相同的效果[5]；7.5 t/hm2的秸稈生物炭與150 kg/hm2的氮肥配施為華北冬小麥-玉米輪作區(qū)的最佳施肥方式[6]；生物炭與化肥配施比單施有機(jī)肥更能顯著提高土壤有機(jī)碳和速效鉀含量[7]，顯著提高紅壤上作物的生物量[8]和產(chǎn)量[9]；生物炭與有機(jī)肥配施可提高土壤有機(jī)碳和全氮含量，顯著提高土壤脲酶活性[10]；生物炭配合有機(jī)肥可提高平邑甜茶幼苗的生物量和增強(qiáng)土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶活性，更好的防控蘋果連作障礙[11]；可見，生物炭與化肥或有機(jī)肥的合理配施可改善土壤環(huán)境。

‘夏黑’葡萄(Summer Black)易早熟、質(zhì)優(yōu)[12]，在元謀地區(qū)被大面積種植，但葡萄園土壤為典型的酸性燥紅壤，受到當(dāng)?shù)厥┓使芾淼挠绊?，土壤肥力低下，品質(zhì)和產(chǎn)量低，制約了夏黑葡萄的品質(zhì)、產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。目前，元謀地區(qū)存在施用生物炭和有機(jī)肥的研究，但生物炭與有機(jī)肥配施的研究鮮有報(bào)道。利用生物炭表面積大而具有較強(qiáng)吸附性能[13]的特點(diǎn)，為改善葡萄園土壤環(huán)境，同時(shí)減少化肥的施入，提高有機(jī)肥的利用率。因此，本研究以大田葡萄為研究對(duì)象，采用竹炭與有機(jī)肥配施的方式，分析不同處理對(duì)土壤養(yǎng)分含量及酶活性的影響，探索適合夏黑葡萄生長的竹炭與有機(jī)肥配施的施肥方式，為元謀地區(qū)合理施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究試驗(yàn)基地位于云南省楚雄彝族自治州元謀縣元馬鎮(zhèn)150號(hào)，其經(jīng)緯度為：東經(jīng)101°52.6′，北緯25°41.5′，海拔1169 m。元謀屬南亞熱帶干熱季風(fēng)氣候，年平均氣溫21.9℃，極端最高溫度可達(dá)42℃，年平均降雨量613.8 mm，年蒸發(fā)量為降水量的6.4倍，壩區(qū)平均霜日2天，年平均日照時(shí)數(shù)7.3 h/d，造成元謀壩區(qū)水熱矛盾突出。供試土壤為燥紅壤，其表層土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

1.2 供試材料

供試葡萄為‘夏黑’葡萄，由于元謀壩區(qū)的特殊氣候，‘夏黑’葡萄的種植面積較大。供試生物炭為竹炭，其基本理化性質(zhì)為：pH 11.31、C質(zhì)量分?jǐn)?shù)占79.98%、N質(zhì)量分?jǐn)?shù)占0.70%、H質(zhì)量分?jǐn)?shù)占2.21%、S質(zhì)量分?jǐn)?shù)占0.40%、全磷2.04 g/kg。供試有機(jī)肥為當(dāng)?shù)貜V泛使用的發(fā)酵羊糞，其N、P2O5、K2O含量分別為46g/kg、14.50g/kg、9.80 g/kg。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

金沙江元謀壩區(qū)葡萄一般早熟上市，葡萄種植于云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所本部試驗(yàn)基地，試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組法，共設(shè)9個(gè)處理，依次為B0L(0%生物炭+5 t/hm2有機(jī)肥)、B0 M(0%生物炭+10 t/hm2有機(jī)肥)、B0H(0%生物炭+20 t/hm2有機(jī)肥)、B3L(3%生物炭+5 t/hm2有機(jī)肥)、B3M(3%生物炭+10 t/hm2有機(jī)肥)、B3H(3%生物炭+20 t/hm2有機(jī)肥)、B6L(6%生物炭+5 t/hm2有機(jī)肥)、B6M(6%生物炭+10 t/hm2有機(jī)肥)、B6H(6%生物炭+20 t/hm2有機(jī)肥)，每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)設(shè)置為5 m×6 m，2017年11月每個(gè)小區(qū)按試驗(yàn)設(shè)計(jì)在距葡萄樹主干30～50 cm處，深度為15～20 cm開挖施加竹炭與有機(jī)肥混合肥與土壤混勻，并覆表土，試驗(yàn)期間不再追肥，按當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行管理。

1.4 土樣采集及指標(biāo)測(cè)定

1.4.1 土樣采集與測(cè)定 葡萄收成后，2019年1月采集土壤樣品，每個(gè)小區(qū)分層(0～20 cm、20～40 cm)采集土樣并混勻，帶回實(shí)驗(yàn)室，一部分裝自封袋放冰箱(0～4℃)保留測(cè)定土壤酶活性（撿去動(dòng)植物殘?bào)w、石塊），另一部分自然風(fēng)干（分別過0.25 mm和0.1 mm篩）裝入自封袋置于干燥陰涼處（同樣撿去動(dòng)植物殘?bào)w、石塊），用于土壤pH和土壤養(yǎng)分含量的測(cè)定。參照鮑士旦[14]《土壤農(nóng)化分析》指標(biāo)測(cè)定方法，土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；土壤pH采用電位計(jì)法（土:水=1:1）測(cè)定；土壤全氮(TN)采用凱式定氮法測(cè)定；土壤全磷(TP)采用鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤全鉀和速效鉀采用ICP（電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀）測(cè)定；土壤有效磷采用Bray ?法(0.025～0.03 mol/LNH4F)浸提劑測(cè)定。參照關(guān)松蔭[15的方法，土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定；土壤脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定；土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定。

1.4.2 數(shù)據(jù)處理與分析 所有數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析和作圖，采用單因素方差分析土壤理化性質(zhì)和酶活性（Duncan法檢驗(yàn)，顯著性水平均設(shè)0.05），采用Pearson相關(guān)系數(shù)分析土壤養(yǎng)分含量和酶活性的相關(guān)性，對(duì)9個(gè)處理進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹炭與有機(jī)肥配施對(duì)土壤pH及養(yǎng)分含量的影響

2.1.1 土壤pH和有機(jī)質(zhì) 圖1顯示，葡萄根區(qū)土壤呈弱酸性或堿性，施有機(jī)肥、竹炭與有機(jī)肥配施的交互作用對(duì)土壤pH有顯著影響(P＜0.05)。表層(0～20 cm)土壤pH變化范圍為6.73～7.07，底層(20～40)土壤pH變化范圍為6.80～7.17。低有機(jī)肥用量下，表層土壤pH隨竹炭的增加而增加，底層土壤pH變化無明顯規(guī)律；中、高有機(jī)肥用量下，表層和底層土壤pH值變化均無明顯規(guī)律。

圖1 不同處理下0～20 cm和20～40 cm土層pH和有機(jī)質(zhì)含量

不同處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量存在顯著差異(P＜0.05)。對(duì)于表層(0～20 cm)土壤，不添加竹炭處理下，有機(jī)質(zhì)含量隨有機(jī)肥量的增加而降低，高量有機(jī)肥流失。低有機(jī)肥用量下，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨竹炭量的增加而降低，降幅分別為5.24%和27.63%；中、高有機(jī)肥用量下，添加竹炭增加了有機(jī)質(zhì)含量，增幅為12.28%～50.07%；低、中有機(jī)肥與竹炭配施有機(jī)質(zhì)含量高于高量有機(jī)肥與竹炭的配施；所有處理中，B6M處理有機(jī)質(zhì)含量最高。對(duì)于底層(20～40 cm)土壤，不添加竹炭條件下，中有機(jī)肥用量下土壤有機(jī)質(zhì)含量較高。低、中有機(jī)肥用量下，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨竹炭量的增加而降低，降幅為12.61%～44.55%；高有機(jī)肥用量下，土壤有機(jī)質(zhì)含量差異性不顯著(P＞0.05)。

2.1.2 土壤全量養(yǎng)分 由圖2可知，隨著土層深度的增加，土壤全氮和全磷含量逐漸降低，各處理土層之間全氮、全磷和全鉀含量均差異顯著(P＜0.05)，葡萄根區(qū)全鉀含量普遍較高，表層(0～20 cm)土壤全氮、全磷和全鉀含量均是B6M處理最高。

圖2 不同處理下0～20 cm和20～40 cm土層全氮、全磷和全鉀含量

就表層(0～20 cm)土壤而言，不添加竹炭時(shí)，中量有機(jī)肥用量下土壤全磷和全鉀含量較高。低、中有機(jī)肥用量下，土壤全氮和全磷含量變化趨勢(shì)一致。低有機(jī)肥用量下，B3L處理土壤全氮和全磷含量高于其他處理，土壤全鉀含量無顯著差異；中有機(jī)肥用量下，土壤全氮和全磷含量隨竹炭量的增加而增加，B6M、B3M處理較B0M處理全氮和全磷含量分別增加73.85%、39.92%和35.12%、27.15%；高有機(jī)肥用量下，各處理土壤全氮、全磷和全鉀含量均低于其他處理，各處理間無明顯規(guī)律性變化。

就底層(20～40 cm)土壤而言，不添加竹炭時(shí)，中施有機(jī)肥土壤全氮、全磷和全鉀含量較高，B0M處理較B0L和B0H處理全氮、全磷和全鉀含量分別提高9.46%、58.14%和2.56%、200%及3.62%、3.62%。9個(gè)處理中，土壤全氮、全磷和全鉀含量分別是B0M、B0M和B6M較高，全鉀含量變化與表層相似。中有機(jī)肥用量下，土壤全氮和全磷含量隨竹炭量的增加而降低，土壤全鉀含量隨竹炭的增加而增加。

2.1.3 土壤速效養(yǎng)分 圖3顯示，各處理土層之間有效磷和速效鉀含量存在顯著差異(P＜0.05)，各處理表層(0～20 cm)土壤有效磷含量均高于底層(20～40 cm)，土壤速效鉀含量相對(duì)較高。就表層土壤而言，低、中有機(jī)肥用量下，竹炭與有機(jī)肥配施處理土壤有效磷含量均高于不添加竹炭處理；高有機(jī)肥用量下，竹炭與有機(jī)肥配施處理土壤速效鉀含量均高于不添加竹炭處理。對(duì)于底層土壤而言，低有機(jī)肥用量下，B6L和B0L處理下土壤有效磷和速效鉀含量均高于B3L處理，增幅為175%、203.57%和137.60%、83.52%；中有機(jī)肥用量下，土壤有效磷和速效鉀含量隨竹炭量的增加而降低。

圖3 不同處理下0～20cm和20～40cm土層有效磷和速效鉀含量

2.2 竹炭與有機(jī)肥配施對(duì)土壤酶活性的影響

本研究竹炭與有機(jī)肥混施于土壤表層(0～20 cm)，故僅用表層土壤分析土壤酶活性、土壤理化性質(zhì)與酶活性之間的相關(guān)性分析及9個(gè)處理的聚類分析。從表2可知，各處理對(duì)土壤過氧化氫酶和蔗糖酶均差異顯著(P＜0.05)，而對(duì)脲酶差異不顯著(P＞0.05)。過氧化氫酶活性范圍為7.14～9.61 mg/(g·30 min)，高施有機(jī)肥處理(B0H)下土壤過氧化氫酶活性最高，添加竹炭卻降低了土壤過氧化氫酶活性，降幅為5.37%～34.59%，說明竹炭與有機(jī)肥混施反而降低土壤過氧化氫酶活性。脲酶活性范圍為26.84～34.98 μg/(100 g·24 h)。蔗糖酶活性范圍為57.08～73.28 μg/(100 g·24 h)，低施有機(jī)肥處理(B0L)下土壤蔗糖酶活性最高且與其他處理存在顯著差異，說明竹炭與高量有機(jī)肥配施會(huì)抑制土壤蔗糖酶活性。

表2 不同處理對(duì)土壤酶活性的影響

2.3 土壤pH、養(yǎng)分含量與酶活性的相關(guān)性分析

表3結(jié)果顯示，土壤pH、養(yǎng)分含量與酶活性之間有一定的相關(guān)性。土壤有機(jī)質(zhì)與全氮、全鉀和有效磷呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，與土壤脲酶活性呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)。土壤全氮與全鉀和有效磷呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)。土壤全鉀與有效磷呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)。除土壤有效磷外，pH與其他指標(biāo)均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與速效鉀的相關(guān)性達(dá)到顯著性水平(P＜0.05)。土壤過氧化氫酶與蔗糖酶活性的相關(guān)性水平達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)。

表3 土壤pH、養(yǎng)分含量與酶活性各指標(biāo)間的相關(guān)性分析

2.4 對(duì)9個(gè)處理的聚類分析

為了研究土壤養(yǎng)分含量與酶活性的關(guān)系，將9個(gè)處理進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析（圖4），利用組間聯(lián)結(jié)指定類間距離、Pearson相關(guān)系數(shù)指定點(diǎn)間距離的計(jì)算方法，將距離閥值定為10，按土壤肥力水平相似親疏程度將其劃分為5個(gè)類群。

圖4 9個(gè)處理的聚類分析

第一類是B0M處理。第二類是B3L、B3M和B6M處理，這類處理對(duì)土壤養(yǎng)分含量和酶活性的提升效果顯著，這一等級(jí)屬于高肥力水平。第三類是B6L處理。第四類是B0H和B6H處理。第五類是B0L和B3H處理，這一類的土壤養(yǎng)分含量水平較低。說明本研究中，竹炭與有機(jī)肥的配施能不同程度的影響土壤養(yǎng)分含量，從而影響土壤肥力水平，且竹炭與有機(jī)肥的配比是影響土壤養(yǎng)分含量的重要因素。

3 討論

本研究表明，竹炭與有機(jī)肥配施均不同程度的提高了土壤養(yǎng)分含量。一方面可能是由于生物炭本身含有K、Ca、Mg等微量元素，可通過提高土壤CEC含量來減少淋溶損失[16]，另一方面可能是因?yàn)樯镔|(zhì)中的P和K大部分會(huì)被保留在生物炭中[17]，生物炭施入土壤中可提高土壤有效磷含量[18]，有機(jī)肥含有豐富的營養(yǎng)和活性物質(zhì)，生物炭具有持留的功能，二者互補(bǔ)，從而提高了土壤中養(yǎng)分的有效性。土壤過酸或過堿都會(huì)影響土壤養(yǎng)分的有效性，影響到果木的生長。本研究中，土壤呈弱酸性偏堿性(pH 6.73～pH 7.17)，竹炭與有機(jī)肥的配施提高了酸性土壤pH，改善了葡萄根際微生物活性。這與前人研究結(jié)果一致[19]。本研究所有處理中，B6M處理配施效果較好，其表層(0～20 cm)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效磷含量與其他處理存在差異，說明6%竹炭與10 t/hm2有機(jī)肥配施更有益于土壤養(yǎng)分的持留，減少養(yǎng)分流失[20]，竹炭與有機(jī)肥之間可能存在互作效應(yīng)，應(yīng)金耀等也研究表明生物炭與有機(jī)肥的配合施用更利于改善土壤性狀[21]，二者的配施比單施有機(jī)肥更能改善土壤微生態(tài)環(huán)境，以滿足作物對(duì)土壤養(yǎng)分的需求。

土壤過氧化氫酶活性的變化可以反映環(huán)境條件是否對(duì)植物產(chǎn)生脅迫[22]；土壤脲酶是一種以尿素為底物的水解酶，表征土壤無機(jī)氮的供氮能力；土壤蔗糖酶可以反映有機(jī)質(zhì)的積累和轉(zhuǎn)化狀況。本試驗(yàn)條件下，竹炭與有機(jī)肥的配施對(duì)表層土壤過氧化氫酶和蔗糖酶有顯著影響，而對(duì)土壤脲酶無顯著影響。有學(xué)者也研究表明生物炭與氮肥配施對(duì)土壤脲酶活性無顯著影響[3]。低、中量有機(jī)肥與竹炭配施能顯著增強(qiáng)表層土壤過氧化氫酶活性，楊森等[23]也研究表明竹炭與有機(jī)肥混合施用可促進(jìn)砜嘧磺隆殘留土壤蔗糖酶活性增加。竹炭與低、中量有機(jī)肥配施卻抑制了表層土壤蔗糖酶活性，竹炭與高量有機(jī)肥混施也抑制了過氧化氫酶活性，本試驗(yàn)的研究結(jié)果與前人研究并不完全一致，土壤機(jī)械組成、竹炭量和有機(jī)肥量等都可能是抑制酶活性的原因。由于試驗(yàn)周期有限，竹炭與有機(jī)肥配施對(duì)土壤酶活性的影響需要長期的研究。

土壤酶主要來源于根系分泌物和微生物，而土壤微生物和土壤酶的共同作用影響著土壤的物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分循環(huán)[24]，使土壤微生物生物量發(fā)生改變[25]，所以土壤養(yǎng)分含量與酶活性之間存在一定的相關(guān)性。本研究中，土壤養(yǎng)分含量之間存在顯著相關(guān)性或極顯著相關(guān)性，說明土壤養(yǎng)分間的關(guān)聯(lián)密切。這與郭雄飛等[26]的研究一致。除有效磷外，pH與其他指標(biāo)均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明pH影響了土壤養(yǎng)分組成分布。而土壤脲酶與全氮含量沒達(dá)到顯著相關(guān)性，這一結(jié)果可能與元謀溫度、土壤類型及其它大田不可控因素有關(guān)，具體原因還有待進(jìn)一步長期的研究。

4 結(jié)論

（1）不同處理對(duì)表層(0～20 cm)和底層(20～40 cm)土壤pH和養(yǎng)分含量及過氧化氫酶、蔗糖酶活性有顯著差異，對(duì)脲酶活性無顯著差異。表層土壤性質(zhì)與酶活性之間存在一定的相關(guān)性。土壤全鉀含量普遍較高。

（2）不添加竹炭條件下，對(duì)表層土壤而言，有機(jī)質(zhì)含量隨施肥量的增加而降低，土壤pH和全氮無顯著差異，高有機(jī)肥用量反而降低土壤全磷、全鉀、有效磷和速效鉀含量。竹炭與中、高量有機(jī)肥配施增加了有機(jī)質(zhì)含量，增幅為12.28%～50.07%；竹炭與中量有機(jī)肥配施顯著提高了全氮和全磷含量，B6M、B3M處理較B0M處理全氮和全磷含量分別增加73.85%、39.92%和35.12%、27.15%。對(duì)底層土壤而言，中量有機(jī)肥的施用對(duì)土壤pH和養(yǎng)分含量的提升效果更佳。土壤pH和養(yǎng)分含量的規(guī)律性變化不明顯。

（3）低、中量有機(jī)肥與竹炭配施能顯著增強(qiáng)表層土壤過氧化氫酶活性，抑制了表層土壤蔗糖酶活性；高量有機(jī)肥與竹炭配施抑制了表層土壤過氧化氫酶活性；各處理對(duì)表層土壤脲酶活性無顯著差異。

（4）表層土壤有機(jī)質(zhì)與全氮、全鉀和有效磷呈極顯著正相關(guān)，與脲酶呈顯著正相關(guān)。全氮與全鉀和有效磷呈極顯著正相關(guān)。全鉀與有效磷呈顯著正相關(guān)。

（5）系統(tǒng)聚類分析劃分為5個(gè)類群，第一類為B0M處理，第二類為B3L、B3M和B6M處理，第三類為B6L處理，第四類為B0H和B6H處理，第五類為B0L和B3H處理。

綜合來看，竹炭與有機(jī)肥的配施對(duì)葡萄園土壤pH和養(yǎng)分含量、酶活性均有影響，目前B6M處理為最佳的施肥方式，該研究可為生物炭與有機(jī)肥的配施在元謀地區(qū)的推廣提供參考。