秸稈及其生物炭添加對(duì)土壤酶活性的影響

王妙芬 梁美美 楊慶 高人

摘 要：為明確土壤酶活性對(duì)不同外源炭添加的響應(yīng)，采用培養(yǎng)試驗(yàn)，分別添加0、1%、2%、3%、4%、5%土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)的秸稈和生物炭。結(jié)果表明：生物炭對(duì)土壤pH、全碳、全氮、速效磷、速效鉀含量的提升作用大于秸稈添加，但未對(duì)速效氮含量產(chǎn)生顯著影響。秸稈添加顯著提高了土壤酸性磷酸酶（AP）、 β 葡萄糖苷酶（ β G）、纖維素水解酶（CBH）、 β N乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、過(guò)氧化物酶（PEO）活性（1%添加除外）。生物炭添加顯著提高了 β G、CBH、PEO活性（1%添加除外）;低添加量（1%、2%）顯著降低AP、NAG活性，高添加量（3%、4%、5%）顯著提高AP、NAG活性。秸稈處理下AP、 β G、CBH、NAG、PEO活性分別為相同添加量生物炭的4.08～8.12、12.94～34.63、2.95～61.81、8.39～42.06、0.45～1.20倍。冗余分析發(fā)現(xiàn)，速效氮是影響土壤酶活性的關(guān)鍵因子。因此，秸稈添加更有利于土壤水解酶活性提升，而將秸稈制成生物炭添加更有利于土壤養(yǎng)分提升。

關(guān)鍵詞：土壤酶活性;秸稈;生物炭;培養(yǎng)試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：S 153?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)：0253-2301（2021）07-0010-08

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2021.07.002

Effects of the Addition of Straw and Biochar on the Activities of Soil Enzyme

WANG Miaofen1， LIANG Meimei1， YANG Qing1， GAO Ren1，2*

（1. College of Geographical Sciences， Fujian Normal University， Fuzhou， Fujian 350007， China;

2. National Demonstration Center for Experimental Geography Education，

Fujian Normal University， Fuzhou， Fujian 350007， China）

Abstract： In order to study the responses of soil enzyme activities to different exogenous carbon additions， the culture experiment was conducted by adding the straw and biochar whose mass fraction in soil was 0， 1%， 2%， 3%， 4% and 5%， respectively. The results showed that the promotion effect of the addition of biochar on soil pH， the contents of total carbon， total nitrogen， rapid available phosphorus， and rapid available potassium was greater than that with the addition of straw， but did not significantly affect the content of available nitrogen. The addition of straw significantly improved the activities of soil acid phosphatase （AP）， β glucosidase （ β G）， cellulolytic hydrolase （CBH）， β Nacetylaminoglucosidase （NAG） and peroxidase （PEO） （expect the addition rate of 1%）. The addition of biochar significantly increased the activities of ?β G， CBH and PEO （expect the addition rate of 1%）. The low addition amount （1% and 2%） significantly reduced the activities of AP and NAG， while the high addition amount （3%， 4% and 5%） significantly increased the activities of AP and NAG. The activities of AP， ?β G， CBH， NAG and PEO with the treatment of straw were respectively 4.08-8.12， 12.94-34.63， 2.95-61.81， 8.39-42.06 and 0.45-1.20 times of that treated with the same addition amount of biochar. The redundancy analysis showed that the available nitrogen was the main factor affecting the activities of soil enzyme. Therefore， the addition of straw was more beneficial to increase the activities of soil hydrolase， while the addition of biochar was more beneficial to increase the soil nutrients.

Key words： Activities of soil enzyme; Straw; Biochar; Culture experiment

土壤酶主要來(lái)源于微生物，參與土壤的生物化學(xué)反應(yīng)，能夠反映土壤中各種生物化學(xué)過(guò)程的強(qiáng)度和方向[1]。秸稈是土壤微生物活動(dòng)的有效能源，秸稈還田能夠激發(fā)土壤酶與微生物活性，而相關(guān)土壤酶活性的提高又促進(jìn)了秸稈在土壤中的分解過(guò)程[2]。土壤酶活性作為土壤物質(zhì)代謝旺盛程度的重要指標(biāo)，能夠較全面地反映土壤肥力、質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境狀況[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)每年產(chǎn)生秸稈9億t，但利用率不到40%，大部分秸稈被直接遺棄或露天焚燒，造成嚴(yán)重環(huán)境污染和資源浪費(fèi)[4]。秸稈還田是有效利用秸稈資源的重要途徑，不僅可以減輕秸稈焚燒對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響，還能夠充分利用秸稈富含的碳、氮、磷及鉀等營(yíng)養(yǎng)元素提高土壤肥力、調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，是促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[5]。鄔石根[6]通過(guò)田間定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)7.50 t·hm-2的水稻秸稈還田顯著提高了土壤過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性。包建平等[7]通過(guò)9個(gè)月的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)10.20 t·hm-2的玉米秸稈添加到紅壤中顯著提高了 β 葡萄糖苷酶（ β G）活性，而對(duì)于 β N乙酰基氨基葡萄糖苷酶（NAG）、酸性磷酸酶（AP）活性無(wú)顯著影響。Zhao等[8]研究表明2.25、4.50、9.00 t·hm-2的玉米秸稈粉碎還田后顯著提高 β G、NAG活性。

生物炭是生物質(zhì)在完全或部分缺氧條件下高溫裂解形成的含碳豐富的物質(zhì)，具有養(yǎng)分豐富、比表面積大、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)[9]。與秸稈直接還田相比，將其炭化為生物炭后施入土壤可以增加土壤碳固存，減少溫室氣體排放[10]，并且生物炭富含的營(yíng)養(yǎng)元素能夠較好地改善土壤肥力[9]，促進(jìn)土壤微生物生長(zhǎng)并對(duì)酶活性產(chǎn)生影響。侯建偉等[11]通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1%、2%、4%土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)的生物炭（水稻秸稈，500℃）添加改善了土壤生物環(huán)境，提高了土壤脲酶、蔗糖酶和中性磷酸酶活性，降低了土壤過(guò)氧化氫酶活性。Wang等[12]研究發(fā)現(xiàn)0.5%土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)生物炭（玉米秸稈，450℃）添加提高了土壤 β G、纖維素水解酶（CBH）、 α 葡萄糖苷酶活性，而1%生物炭添加反而抑制了上述酶活性。目前，有關(guān)施肥、氮沉降、耕作方式以及土地利用變化對(duì)土壤酶活性的影響研究已有大量報(bào)道，但在梯度添加量下，對(duì)比研究不同外源碳對(duì)土壤酶活性的影響相對(duì)較少。因此，本研究以易分解的秸稈和穩(wěn)定難分解的生物炭作為外源碳，研究不同添加量秸稈及其制備的生物炭對(duì)土壤酶活性的影響，以期揭示土壤酶活性對(duì)于外源炭類(lèi)型和添加量的響應(yīng)特征，為土壤肥力的提高和生物質(zhì)資源有效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自福建省福州市閩侯縣福建師范大學(xué)旗山校區(qū)校園內(nèi)的表層（0～15 cm）砂質(zhì)土，剔除可見(jiàn)碎石及動(dòng)植物殘?bào)w，混勻后過(guò)2 mm篩。供試水稻秸稈采自福建省福州市倉(cāng)山區(qū)吳鳳村的水田，用蒸餾水洗凈后置于70℃烘箱中烘至恒重，冷卻后粉碎，混勻，過(guò)2 mm篩。供試生物炭由水稻秸稈制備，制備方法參照Hamer等[13]，稱(chēng)取部分水稻秸稈于瓷坩堝中，將瓷坩堝用錫箔紙包住，蓋上坩堝蓋后放入馬弗爐，待溫度達(dá)到450℃后計(jì)時(shí)燃燒2 h，冷卻后取出。供試土壤pH 5.72，全碳含量3.76 g·kg-1，全氮含量0.46 g·kg-1，全磷含量0.39 g·kg-1，全鉀含量6.70 g·kg-1，速效磷含量4.97 mg·kg-1，速效鉀含量33.37 mg·kg-1。水稻秸稈pH 6.22，全碳含量377.90 g·kg-1，全氮含量9.50 g·kg-1，C/N 39.8;生物炭pH 9.30，全碳含量458.70 g·kg-1，全氮含量12.40 g·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置11個(gè)處理：（1）對(duì)照土壤（CK）;（2）土壤+1%秸稈（RS1）;（3）土壤+2%秸稈（RS2）;（4）土壤+3%秸稈（RS3）;（5）土壤+4%秸稈（RS4）;（6）土壤+5%秸稈（RS5）;（7）土壤+1%生物炭（BC1）;（8）土壤+2%生物炭（BC2）;（9）土壤+3%生物炭（BC3）;（10）土壤+4%生物炭（BC4）;（11）土壤+5%生物炭（BC5）。每個(gè)處理重復(fù)4次。

稱(chēng)取40.00 g風(fēng)干土，分別加入秸稈或生物炭（土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)0、1%、2%、3%、4%、5%），裝入50 mL離心管后多次搖晃混勻，在離心管蓋子中心鉆一個(gè)直徑約3.5 mm的通氣口，通過(guò)稱(chēng)重法保持土壤質(zhì)量含水量為25%，于25℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)105 d。培養(yǎng)結(jié)束后，進(jìn)行破壞性取樣，測(cè)定土壤基本性質(zhì)和土壤酶活性。

1.3 測(cè)定方法

pH使用上海雷磁PHS25便攜式酸度計(jì)測(cè)定，水與土的比例為2.5∶1，水與秸稈或生物炭的比例為15∶1。全碳、全氮采用德國(guó)Elementar Vario EL Ⅲ碳氮元素分析儀測(cè)定。土壤速效氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，速效磷采用鹽酸氟化銨浸提鉬銻抗比色法測(cè)定，速效鉀采用醋酸銨浸提火焰光度法測(cè)定。

土壤酶活性測(cè)定使用美國(guó)SpectraMax M5多功能酶標(biāo)儀，測(cè)定5種參與土壤碳、氮、磷循環(huán)相關(guān)的酶活性，包括酸性磷酸酶（AP）、 β 葡萄糖苷酶（ β G）、纖維素水解酶（CBH）、 β N乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、過(guò)氧化物酶（PEO）。具體測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[14]，分別用傘形酮（MUB）和L二羥苯丙氨酸（DOPA）作為底物標(biāo)示水解酶、氧化酶活性，置于黑暗環(huán)境中20℃恒溫培養(yǎng)4 h（水解酶）或18 h（氧化酶）后測(cè)定其熒光度（水解酶）或吸光度（氧化酶）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用單因素方差分析（oneway ANOVA）分析不同處理間的差異顯著性，事后檢驗(yàn)采用最小顯著差異法（LSD）。利用回歸分析研究添加量和土壤速效養(yǎng)分的關(guān)系，利用皮爾森相關(guān)分析法（Pearson）研究土壤酶活性與土壤基本性質(zhì)的相關(guān)性。利用Canoco 5軟件進(jìn)行冗余分析（RDA），研究影響土壤酶活性的主要因子。數(shù)據(jù)整理在Excel 2016中進(jìn)行，除冗余分析外的數(shù)據(jù)分析均在SPSS 25.0中進(jìn)行，圖表繪制與輸出軟件為Origin 2018。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈與生物炭添加下土壤基本性質(zhì)的變化

與對(duì)照（CK）相比，秸稈與生物炭添加均顯著提高了土壤pH、全碳、全氮、速效鉀含量（ P <0.05），提高效應(yīng)隨著添加量增加而增強(qiáng)，并且生物炭添加的提高作用更大（表1）。除1%秸稈添加外，秸稈與生物炭添加均顯著提高了速效磷含量（ P <0.05）。除1%秸稈添加外，秸稈添加均顯著提高了土壤速效氮含量（ P <0.05），但生物炭添加未對(duì)速效氮含量產(chǎn)生顯著影響（ P >0.05）。相同添加量之間生物炭添加對(duì)土壤pH、全碳、全氮、速效磷、速效鉀含量的提升作用為秸稈添加的1.00～1.03、1.30～1.80、1.01～1.20、2.24～3.63、1.56～1.73倍?；貧w分析結(jié)果（圖1）表明，秸稈處理的土壤速效氮、速效磷、速效鉀含量均與添加量呈極顯著線(xiàn)性關(guān)系（ P <0.01），生物炭處理的速效磷、速效鉀含量亦與添加量呈極顯著線(xiàn)性關(guān)系（ P <0.01）。

2.2 秸稈與生物炭添加下土壤酶活性的變化

由圖2可知，秸稈與生物炭添加對(duì)土壤酶活性的影響存在差異。秸稈處理下，AP、 β G、CBH、NAG、PEO活性分別比對(duì)照（CK）提高了0.93～9.50、16.67～538.75、4.09～148.59、1.15～23.31、1.82～8.04倍。生物炭處理下， β G、CBH、PEO活性分別比對(duì)照（CK）提高0.37～27.15、1.00～2.09、0.18～12.39倍，并且提升作用隨添加量遞增;低添加量（1%、2%）顯著降低AP、NAG活性（ P <0.05），高添加量（3%、4%、5%）顯著提高AP、NAG活性（ P <0.05）。秸稈處理對(duì)4種水解酶活性的提升作用大于生物炭處理，秸稈處理下AP、 β G、CBH、NAG活性分別為相同添加量生物炭處理的4.08～8.12、12.94～34.63、2.95～61.81、8.39～42.06倍;秸稈處理對(duì)PEO活性的提升幅度與生物炭添加相近，為相同添加量生物炭處理的0.45～1.20倍。

2.3 土壤酶活性影響因子分析

由表2相關(guān)分析結(jié)果可知，4種土壤水解酶（AP、 β G、CBH、NAG）活性與速效氮極顯著正相關(guān)（ P <0.01），與土壤pH顯著正相關(guān)（ P <0.05）。氧化酶PEO活性與土壤基本性質(zhì)指標(biāo)（速效氮除外）均極顯著正相關(guān)（ P <0.01），其中與速效鉀含量相關(guān)性最高。此外， β G、NAG活性與全氮顯著正相關(guān)（ P <0.05）。

冗余分析結(jié)果如圖3所示，實(shí)心箭頭代表土壤酶活性，空心箭頭代表土壤基本性質(zhì)因子。第一標(biāo)準(zhǔn)軸（RDA1）和第二標(biāo)準(zhǔn)軸（RDA2）分別解釋土壤酶活性變量的95.95%和0.11%。各因子的貢獻(xiàn)率用箭頭長(zhǎng)度表示，箭頭越長(zhǎng)則貢獻(xiàn)率越大。結(jié)果顯示，速效氮是土壤酶活性唯一的顯著影響因子（ P <0.05），同時(shí)也是土壤酶活性的最大解釋因子，解釋了土壤酶活性95.0%的變異。

3 討論

3.1 秸稈與生物炭添加對(duì)土壤基本性質(zhì)的影響

秸稈中含有碳、氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，在土壤中可通過(guò)分解作用釋放[6];生物炭不僅養(yǎng)分含量高[9]，還可以通過(guò)改變土壤環(huán)境如pH、CEC等間接影響礦質(zhì)養(yǎng)分的有效性[15]，因此秸稈和生物炭添加能夠提高部分土壤養(yǎng)分含量。相同添加量下，生物炭對(duì)土壤基本性質(zhì)的影響大于秸稈添加（速效氮除外），這主要是由于與秸稈相比，生物炭具有較高的pH和全碳、全氮、灰分含量，并且生物炭在土壤中穩(wěn)定不易分解、存留時(shí)間長(zhǎng)。研究認(rèn)為秸稈添加對(duì)土壤速效磷含量的提升作用主要是由于AP活性增強(qiáng)，加速了土壤有機(jī)磷向無(wú)機(jī)磷的轉(zhuǎn)化，從而提高速效磷含量[16];而生物炭添加提高土壤速效磷含量主要是由于生物炭的表面離子交換能力較強(qiáng)，通過(guò)提供表面負(fù)電荷或影響與磷結(jié)合的鐵鋁等元素，對(duì)速效磷含量產(chǎn)生顯著影響[17]。生物炭添加未對(duì)土壤速效氮含量產(chǎn)生顯著影響的原因可能是，生物炭添加提高土壤碳氮比，減少了氮素礦化量，造成土壤氮素稀釋或者缺乏[18]。

3.2 秸稈與生物炭添加對(duì)土壤酶活性的影響

秸稈添加對(duì)土壤酶活性的提升作用主要為間接作用，即通過(guò)提供土壤細(xì)菌、真菌適宜生存的環(huán)境間接提高土壤酶活性[8]。一方面，秸稈經(jīng)過(guò)分解作用為土壤提供可溶性養(yǎng)分[6]，促進(jìn)土壤氮素的轉(zhuǎn)化，從而促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖，分泌更多與土壤物質(zhì)循環(huán)相關(guān)的酶[7];但較高碳氮比的秸稈添加也可能會(huì)導(dǎo)致土壤處于氮缺乏狀況，迫使土壤微生物分泌更多的氮獲得酶與植物競(jìng)爭(zhēng)土壤氮[19]。另一方面，秸稈還為土壤微生物提供了棲息地和反應(yīng)底物，對(duì)土壤微生物活性與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響土壤酶活性[20]。

生物炭添加能夠顯著影響土壤酶活性，但與生物炭的來(lái)源、添加量以及土壤理化狀況、培養(yǎng)時(shí)間關(guān)系密切[11]。本研究中生物炭添加提高了 β G、CBH、PEO活性（1%添加除外）;而低添加量（1%、2%）顯著降低AP、NAG活性，高添加量（3%、4%、5%）顯著提高AP、NAG活性。提高作用可能是由于生物炭對(duì)土壤酶活性具有保護(hù)作用[21]，并且生物炭可以提高土壤微生物的代謝速率以及對(duì)基質(zhì)的利用率，促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng)和繁殖[22]，從而促進(jìn)土壤酶活性的提高。降低作用可能是由于生物炭含有的易分解組分少，在土壤中難以降解，無(wú)法長(zhǎng)期作為可利用底物促進(jìn)土壤微生物活性[7];并且由于生物炭自身具有的強(qiáng)吸附性能，能夠吸附酶促反應(yīng)底物，抑制酶促反應(yīng)進(jìn)行，進(jìn)而降低部分土壤碳礦化相關(guān)的土壤酶活性[23]。由于生物炭組分、吸附特異性以及添加量的差異，土壤酶活性對(duì)生物炭添加的響應(yīng)并非表現(xiàn)為單一的促進(jìn)或抑制作用[24]。Prendergast等[25]認(rèn)為生物炭添加對(duì)土壤酶活性的影響取決于添加后底物和酶的相互作用以及胞外酶對(duì)生物炭表面的粘連性。Elzobair等[26]研究發(fā)現(xiàn)生物炭添加對(duì)土壤酶活性的影響取決于土壤微生物對(duì)生物炭中有效養(yǎng)分的利用。

3.3 影響土壤酶活性的主要因子

本研究發(fā)現(xiàn)4種土壤水解酶活性與速效氮含量存在極顯著正相關(guān)，速效氮是影響土壤酶活性的關(guān)鍵因子。這主要是由于除了間接影響外，氮素還能夠?qū)ν寥烂富钚援a(chǎn)生更為重要的直接影響，即氮素作為一種生命元素，是構(gòu)成土壤酶的重要組分[27]，因而氮素含量高低以及有效性能夠?qū)ν寥烂富钚援a(chǎn)生直接影響。此外，氮素通過(guò)影響土壤微生物生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能、能量供應(yīng)、進(jìn)入土壤中的酶數(shù)量[27]，對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生間接影響。在氮素含量較低的環(huán)境下，有效的氮素成為限制因子，速效氮為土壤微生物和水解酶生產(chǎn)活動(dòng)提供能量的作用相比于其他因子更為突出[28]，故速效氮含量較高的土壤水解酶活性也較高。但值得注意的是，在不同土壤環(huán)境中，影響土壤酶活性的主要因子存在差異，例如有研究發(fā)現(xiàn)土壤全氮[29]、土壤溶解有機(jī)碳和溶解有機(jī)氮[30]、微生物生物量磷[31]是影響土壤酶活性的主要因子。各種土壤酶活性均有其最適的pH范圍，pH通過(guò)影響土壤環(huán)境進(jìn)而對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生影響。一方面，pH可能通過(guò)改變土壤酶空間構(gòu)象、土壤酶與土壤顆粒之間的結(jié)合狀態(tài)影響土壤酶活性[32];另一方面，pH也可能通過(guò)改變微生物量與結(jié)構(gòu)組成對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生影響[33]。PEO活性與土壤速效鉀含量相關(guān)性最高，這主要是由于PEO對(duì)含鉀化合物的轉(zhuǎn)化起主導(dǎo)作用[34]。Allison等[35]研究發(fā)現(xiàn)，土壤碳水解酶（ β G）、氮水解酶（NAG）和磷水解酶（AP）活性分別與土壤碳、氮、磷養(yǎng)分有效性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。而趙盼盼等[31]研究發(fā)現(xiàn)土壤碳、氮水解酶的活性與速效養(yǎng)分含量成正相關(guān)。本研究中NAG活性與土壤速效氮含量呈正相關(guān)，這可能是由于外源碳添加造成土壤處于氮缺乏狀況，有效的氮素成為限制因子。

4 結(jié)論

秸稈和生物炭?jī)煞N不同類(lèi)型的外源碳添加對(duì)土壤基本性質(zhì)和酶活性的影響存在差異。與秸稈相比，生物炭對(duì)土壤pH、全碳、全氮、速效磷、速效鉀含量的提升作用更大，且添加量越高提升效果越明顯。與生物炭相比，易分解的秸稈對(duì)土壤酸性磷酸酶（AP）、 β 葡萄糖苷酶（ β G）、纖維素水解酶（CBH）、 β N乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）活性的提升作用更大，對(duì)過(guò)氧化物酶（PEO）活性的提升幅度與生物炭添加相近，且不同添加量對(duì)土壤酶活性的影響程度存在差異。本研究發(fā)現(xiàn)，速效氮是影響土壤酶活性變化的關(guān)鍵因子。

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（責(zé)任編輯：柯文輝）