生物炭基肥對(duì)馬鈴薯田土壤脲酶活性和產(chǎn)量的影響

高 佳 王 姣 王 松 劉紅健 康 佳 沈 弘 王海莉 任少勇

（1湖州靈糧生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司，313000，浙江湖州；2浙江清華長(zhǎng)三角研究院，314000，浙江嘉興）

土壤酶是由微生物、動(dòng)植物活體及殘骸分解釋放于土壤中的一類活性物質(zhì)，是土壤生態(tài)系統(tǒng)保持物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化聯(lián)系的紐帶[1]。酶活性的增強(qiáng)可促進(jìn)土壤的代謝作用，使土壤養(yǎng)分形態(tài)發(fā)生變化，從而提高其有效性。土壤酶活性是土壤生物活性和肥力的重要指標(biāo)。其中土壤脲酶活性對(duì)評(píng)價(jià)土壤肥力水平有重要意義。隨著“馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略”的提出，浙江省湖州市是全國(guó)第2批推廣試點(diǎn)城市，但是由于該地區(qū)土壤瘠薄、土質(zhì)較差、保水保肥性差，導(dǎo)致水肥利用率低，成為馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)提高的重要限制因子。因此研究保水保肥的新型肥料及其增產(chǎn)機(jī)制對(duì)改良土壤、提高馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要意義。

生物炭基肥是根據(jù)作物不同生育期的需肥要求，將生物炭與化肥按照一定比例混合加工制成的一種新型緩釋肥料，具有改良土壤、增加地溫、保水、保肥和延長(zhǎng)肥效的功能。其主要成分是生物質(zhì)炭。生物炭是由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的作物秸稈、枝條、咖啡渣等廢棄物在低氧或部分缺氧條件下，經(jīng)熱裂解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香烴難熔性固態(tài)物質(zhì)[2]。它能延緩肥料在土壤中的養(yǎng)分釋放，提高土壤有機(jī)碳含量，提高地溫及土壤保水保肥能力，促進(jìn)土壤微生物繁殖，提高土壤肥力，是肥料的增效載體[3]，具有良好的土壤改良作用[4]。學(xué)者在生物質(zhì)炭對(duì)菜豆、玉米、水稻[5]等作物上的應(yīng)用效果做了相關(guān)研究，但生物炭基肥對(duì)土壤脲酶活性的影響報(bào)道較少。有研究[6-7]表明，施用生物炭會(huì)促進(jìn)與N、P等礦質(zhì)元素利用相關(guān)的土壤脲酶活性，降低參與土壤碳礦化等生態(tài)學(xué)過程的土壤脲酶活性。許云翔等[8]施用生物質(zhì)炭 6年后發(fā)現(xiàn)，15t/hm2的生物質(zhì)炭下土壤脲酶活性比0t/hm2增加了36.5%。侯建偉等[9]和趙軍[10]研究表明，生物質(zhì)炭可顯著提高土壤脲酶活性，其活性隨著生物質(zhì)炭施入量的增加而增強(qiáng)。但是，關(guān)于生物炭基肥對(duì)馬鈴薯土壤脲酶活性和產(chǎn)量影響的研究目前還鮮見報(bào)道。本試驗(yàn)通過比較生物炭基肥和等量 N、P、K化肥對(duì)土壤脲酶活性和馬鈴薯產(chǎn)量的影響，為生物炭基肥在馬鈴薯生產(chǎn)上的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2019和2020年8-12月在浙江省湖州市吳興區(qū)八里店鎮(zhèn)試驗(yàn)基地（30°22′ N，119°15′ E）進(jìn)行。該地四季分明，氣候溫和，年均氣溫15.8℃，年均降水量約1200mL，無霜期約225d，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，試驗(yàn)地土壤為砂壤土。2019和2020年試驗(yàn)地 0～20cm耕層有機(jī)質(zhì)含量分別為 9.06和11.89g/kg，堿解氮為43.88和44.23mg/kg，有效磷為 11.21和 12.41mg/kg，速效鉀為 101.59和98.39mg/kg，pH為8.13和8.09。供試馬鈴薯品種為“中薯3號(hào)”的脫毒原種，肥料為尿素（N 46.3%）、過磷酸鈣（P2O516%）、硫酸鉀（K2O 52%）和生物炭基馬鈴薯專用肥（含有機(jī)碳64%，氮10%，磷8%，鉀18%，由生物質(zhì)炭與化肥復(fù)合而成）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

共設(shè) 9個(gè)處理，包括 4個(gè)不同生物炭基肥處理，施肥量分別是300、600、900、1200kg/hm2，用T1、T2、T3、T4表示；5個(gè)對(duì)照處理，分別為不施肥（CK0）以及與 T1、T2、T3、T4對(duì)應(yīng)等量 N、P2O5、K2O施肥處理，用CK1、CK2、CK3、CK4表示，各處理施肥量見表1。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，4次重復(fù)。小區(qū)面積 30m2（5.0m×6.0m），行距 60cm，株距31.3cm，播種密度52 500株/hm2，各處理肥料在播種時(shí)作為基肥一次性全部施入。2019年8月19日人工播種，11月25日收獲測(cè)產(chǎn)；2020年8月10日人工播種，11月28日收獲測(cè)產(chǎn)，灌溉均采用滴灌，其他管理同一般生產(chǎn)田。

表1 各處理施肥量Table 1 Fertilization amounts of all treatments kg/hm2

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

于2019年和2020年9-12月進(jìn)行樣品采集，在馬鈴薯苗期、塊莖增長(zhǎng)期和成熟收獲期分別取0～10、10～20和20～40cm耕層土壤。每個(gè)小區(qū)沿對(duì)角線取3點(diǎn)，剔除石塊和植物殘根等雜物，混合制樣，裝袋后帶回實(shí)驗(yàn)室，樣品風(fēng)干后過1mm篩，采用靛酚藍(lán)比色法［NH3-N mg/(g·24h)，37℃］[11]測(cè)定土壤脲酶活性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010、SAS 9.1和SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物炭基肥對(duì)馬鈴薯田土壤脲酶活性的影響

土壤脲酶是一種有高度專一性的酶，能促進(jìn)土壤中含氮有機(jī)化合物的分解，最終產(chǎn)物是氨、二氧化碳和水，其活性常用來表征土壤氮素轉(zhuǎn)化和供應(yīng)強(qiáng)度。從圖1～3可看出，2019和2020年土壤脲酶活性變化規(guī)律相似。隨馬鈴薯生育期推進(jìn)，施肥處理的馬鈴薯0～40cm土層的土壤脲酶活性均呈先升高后降低趨勢(shì)。整體來看，塊莖增長(zhǎng)期土壤脲酶活性最強(qiáng)，2年平均值在1.03～1.41mg/(g·24h)之間，其次是成熟收獲期，苗期脲酶活性最弱。在馬鈴薯苗期、塊莖增長(zhǎng)期、成熟收獲期各施肥處理的土壤脲酶活性 2年平均值分別較 CK0提高 8.88%～33.47%、8.76%～25.34%和3.12%～18.27%。表明施肥可以增強(qiáng)土壤脲酶活性，其活性高低與植物生長(zhǎng)發(fā)育速度密切相關(guān)。

圖1 生物炭基肥對(duì)馬鈴薯苗期不同土層土壤脲酶活性的影響Fig.1 Effects of biochar-based fertilizer on soil urease activity of different soil layers at seedling stage of potato

在馬鈴薯相同生育時(shí)期，土壤脲酶活性隨著土層深度的增加而減小，0～10cm土層脲酶活性最高，各處理各時(shí)期2年平均值變化在0.95～1.19mg/(g·24h)之間，脲酶活性較10～20cm土層高6.19%～8.17%，較20～40cm土層高12.86%～17.09%。說明土壤脲酶活性存在表層富集效應(yīng)，可能是表層土壤能較好地與外界進(jìn)行物質(zhì)與能量交換，利于微生物的繁殖來增強(qiáng)土壤脲酶活性。

土壤脲酶是一種酰胺酶，其活性高低表征土壤的氮素狀況。同一土層中，隨著施肥量的增加，馬鈴薯田土壤脲酶活性逐漸升高，且均高于CK0。由圖1可知，在馬鈴薯苗期，CK1、CK2、CK3、CK4處理的脲酶活性分別高于T1、T2、T3、T4，且 0～10、10～20和20～40cm土層脲酶活性2年均值分別較生物炭基肥處理高 4.74%～7.17%，2.52%～3.66%和1.64%～4.87%。說明化肥作為一種速效肥料，可以快速提高土壤氮素轉(zhuǎn)化，促進(jìn)馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育，0～10cm土層氮素轉(zhuǎn)化效率最高。由圖2和圖3可知，在馬鈴薯塊莖增長(zhǎng)期和成熟收獲期，T1、T2、T3、T4處理的土壤脲酶活性均分別高于CK1、CK2、CK3、CK4，其中塊莖增長(zhǎng)期施生物炭基肥處理的0～10、10～20和20～40cm土層脲酶活性2年平均值較施化肥處理提高 0.71%～3.16%，1.81%～3.57%和2.22%～4.04%；成熟收獲期提高 2.49%～5.61%，1.59%～4.53%和 2.45%～3.89%。表明生物炭基肥具有緩釋效果，與等量化肥相比，更能滿足馬鈴薯生長(zhǎng)中后期對(duì)氮肥的需求。

圖2 生物炭基肥對(duì)馬鈴薯塊莖增長(zhǎng)期不同土層土壤脲酶活性的影響Fig.2 Effects of biochar-based fertilizer on soil urease activity of different soil layers at the tuber growth stage of potato

圖3 生物炭基肥對(duì)馬鈴薯成熟收獲期不同土層土壤脲酶活性的影響Fig.3 Effects of biochar-based fertilizer on soil urease activity of different soil layers at harvest stage of potato

2.2 生物炭基肥對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表2可知，2019和2020年馬鈴薯產(chǎn)量及其構(gòu)成因素變化規(guī)律相似。除CK1外，各施肥處理的馬鈴薯單株結(jié)薯數(shù)差異不顯著。T1、T2、T3和T4馬鈴薯單薯重分別與CK0達(dá)到了顯著或極顯著差異。各施肥處理的馬鈴薯單株結(jié)薯數(shù)、單薯重、大薯率表現(xiàn)為 T3＞CK3＞T4＞CK4＞T2＞CK2＞T1＞CK1＞CK0。T1～T4處理產(chǎn)量2年平均值分別較CK1～CK4處理增加了1.32%～7.85%、4.57%～9.81%、6.44%～14.79%和 9.38%～12.17%。2年產(chǎn)量平均值表現(xiàn)為T3＞T4＞CK3＞T2＞CK4＞T1＞CK2＞CK1＞CK0，T3處理產(chǎn)量最高，達(dá)到了32 655.62kg/hm2，極顯著高于CK0。表明施生物炭基肥能提高氮肥利用率，延長(zhǎng)氮素在土壤中的存留期，減少淋失，促進(jìn)馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育，通過提高單株結(jié)薯數(shù)、單薯重和大薯率等增加產(chǎn)量。

表2 生物炭基肥對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 2 Effects of biochar-based fertilizer on yield and its factors of potato

2.3 土壤脲酶活性與產(chǎn)量的相關(guān)性

由表3可以看出，在馬鈴薯不同生育時(shí)期，土壤脲酶活性與馬鈴薯產(chǎn)量間存在正相關(guān)關(guān)系。特別是塊莖增長(zhǎng)期和成熟收獲期，土壤脲酶活性與產(chǎn)量均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.926～0.972。說明這 2個(gè)時(shí)期土壤脲酶活性的高低直接影響馬鈴薯產(chǎn)量。

表3 土壤脲酶活性與產(chǎn)量的相關(guān)性Table 3 Correlation of the soil urease activity and yield

3 討論

土壤酶是參與土壤新陳代謝的重要物質(zhì)，土壤里發(fā)生的生化反應(yīng)幾乎都是由土壤酶參與完成的。土壤脲酶參與土壤中氮的循環(huán)，是土壤中有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成有效氮，再被植物吸收過程中不可或缺的[12-13]。李東坡等[14]在吉林省0～25cm土壤脲酶活性動(dòng)態(tài)的研究表明，施肥處理的脲酶活性表現(xiàn)為高量有機(jī)肥＞低量有機(jī)肥＞化肥＞不施肥。本試驗(yàn)中，隨著施肥量的增加，馬鈴薯田土壤脲酶活性逐漸增加。在相同施肥量下，苗期施化肥的馬鈴薯田土壤脲酶活性高于施生物炭基肥處理，在塊莖增長(zhǎng)期和成熟收獲期，施生物炭基肥的馬鈴薯田土壤脲酶活性高于施化肥處理。施六八[15]研究表明，施用炭基復(fù)合肥能夠顯著提高蘿卜的產(chǎn)量，比施常規(guī)復(fù)合肥增產(chǎn)2161.05～3928.65kg/hm2，主要原因是炭基復(fù)合肥比常規(guī)復(fù)合肥的利用率高，可以持續(xù)供應(yīng)蘿卜生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分。劉小虎等[16]研究表明，在相同施肥量下，炭基緩釋專用肥處理的花生產(chǎn)量大于 N、P、K肥處理。本試驗(yàn)中，在一定范圍內(nèi)增施生物炭基肥可以改善馬鈴薯的單株結(jié)薯數(shù)、單薯重和大薯率等產(chǎn)量構(gòu)成因素，從而提高了馬鈴薯產(chǎn)量。

施肥改善了土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了土壤脲酶活性，進(jìn)而促進(jìn)了土壤微生物的新陳代謝，加速土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，提高了土壤供肥能力，為馬鈴薯生長(zhǎng)提供了良好的環(huán)境，但是施肥過量反而降低馬鈴薯產(chǎn)量。本文研究結(jié)果展示了生物炭基肥的良好應(yīng)用前景。但是，由于生物炭基肥的緩釋效應(yīng)，在浙江地區(qū)為了促進(jìn)馬鈴薯前期的生長(zhǎng)，生物炭基肥和化肥配合施用能否進(jìn)一步增加馬鈴薯的產(chǎn)量還需要做深入研究。

4 結(jié)論

在等量施肥條件下，施生物炭基肥可以提高土壤脲酶活性，滿足馬鈴薯全生育時(shí)期生長(zhǎng)發(fā)育需求。在馬鈴薯苗期，土壤脲酶活性表現(xiàn)為CK4＞T4＞CK3＞T3＞CK2＞T2＞CK1＞T1＞CK0；在塊莖增長(zhǎng)期和成熟收獲期，土壤脲酶活性表現(xiàn)為T4＞CK4＞T3＞CK3＞T2＞CK2＞T1＞CK1＞CK0。馬鈴薯不同生育時(shí)期土壤脲酶活性表現(xiàn)為塊莖增長(zhǎng)期＞成熟收獲期＞苗期；不同土層脲酶活性表現(xiàn)為 0～10cm＞10～20cm＞20～40cm。各施肥處理的馬鈴薯單株結(jié)薯數(shù)、單薯重、大薯率為T3＞CK3＞T4＞CK4＞T2＞CK2＞T1＞CK1＞CK0。馬鈴薯產(chǎn)量為 T3＞T4＞CK3＞T2＞CK4＞T1＞CK2＞CK1＞CK0。生物炭基肥具有緩釋的作用，可以提高肥料利用率，與等量N、P、K化肥相比更能滿足馬鈴薯中后期生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)養(yǎng)分的需求。生物炭基肥施用量為 900kg/hm2時(shí)馬鈴薯產(chǎn)量最高，可作為浙江地區(qū)馬鈴薯種植的推薦施肥量。