施生物炭與有機(jī)肥對(duì)白漿土土壤酶活性的影響

陸欣春，鄭永照，陳旭，韓曉增，鄒文秀，董本春，嚴(yán)君*

（1.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，哈爾濱 150081；2.通化市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，吉林 梅河口 135007）

土壤的生物化學(xué)反應(yīng)有土壤酶的參與，因此研究者能夠通過監(jiān)測土壤酶活性和計(jì)算酶的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比來估計(jì)土壤生物化學(xué)過程中微生物對(duì)C、N、P等養(yǎng)分元素的吸收利用，探討土壤生化過程的強(qiáng)弱。當(dāng)前，關(guān)于酶化學(xué)計(jì)量比的研究多以β-1，4-葡萄糖苷酶（β-1，4-glucosidase，BG）、β-1，4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶（β-1，4-N-acetylglucosaminidase，NAG）、亮氨酸氨基肽酶（Leucine aminopeptidase，LAP）、酸性磷酸酶（Acid phosphatase，AP）代表C、N、P元素的相關(guān)酶活性。研究表明當(dāng)微生物生長具有足夠的能量和營養(yǎng)時(shí)，微生物將不會(huì)分泌酶，酶的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比不變。但當(dāng)土壤養(yǎng)分有效性變化時(shí)，微生物會(huì)分泌酶并改變不同酶的配比，以從土壤中獲取所需要的能量（C）和養(yǎng)分（N、P），酶的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比亦相應(yīng)變化。模型模擬與試驗(yàn)分析的結(jié)果也證明，土壤酶的相對(duì)活性與養(yǎng)分的有效性相耦合。酶的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比可以更好地反映微生物的代謝和營養(yǎng)需求之間的生化平衡，是衡量土壤微生物能量和養(yǎng)分資源限制狀況、揭示土壤養(yǎng)分循環(huán)的重要指標(biāo)。

白漿土是區(qū)域性低產(chǎn)土壤，是我國東北地區(qū)主要農(nóng)田土壤之一，在黑龍江和吉林兩省分布相對(duì)集中，主要分布在兩省的東部，總面積為527.20萬hm，耕地白漿土面積為166.68萬hm，約占白漿土總面積的31.6%。因此，改良和利用好這類土壤資源，對(duì)于改變白漿土區(qū)低產(chǎn)面貌、提高東北商品糧產(chǎn)量、保障我國糧食總產(chǎn)具有重要意義。目前改良白漿土的有效措施包括施用有機(jī)肥和生物炭等，關(guān)于施用有機(jī)肥和生物炭對(duì)白漿土土壤理化性質(zhì)、微生物屬性研究已有大量報(bào)道，施用有機(jī)肥可以提高土壤肥力和土壤酶活性（脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、蛋白酶等），而施有機(jī)肥和生物炭對(duì)白漿土土壤參與土壤C、N、P循環(huán)的酶活性和酶計(jì)量比的影響還鮮有報(bào)道，本文依托設(shè)置在白漿土上的長期定位試驗(yàn)，探討外源施入有機(jī)物料（生物炭和有機(jī)肥）對(duì)白漿土土壤生態(tài)酶化學(xué)計(jì)量特征的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于吉林省通化農(nóng)科院梅河口市海龍鎮(zhèn)前進(jìn)村試驗(yàn)田（42°36'N，125°53'E）進(jìn)行，試驗(yàn)田土壤基本理化性質(zhì)為：有機(jī)碳15.1 g·kg，全氮1.42 g·kg，全磷0.73 g·kg，全鉀12.6 g·kg，堿解氮120.1 mg·kg，速效磷61.4 mg·kg，速效鉀136.7 mg·kg，pH值4.52（水土比2.5∶1）。試驗(yàn)田地勢平坦，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。年均氣溫4～6℃，年降水量600～750 mm，其中6—9月的降水量占全年降水的70%左右。土壤類型為典型白漿土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)起始于2018年，試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理：常規(guī)對(duì)照C、施生物炭C（15 000 kg·hm）、施生物炭C（30 000 kg·hm）、施有機(jī)肥OM（雞糞，15 000 kg·hm）。每個(gè)處理3次重復(fù)，共12個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為30 m。2019年和2020年繼續(xù)進(jìn)行種植，各處理不再施用有機(jī)肥和生物炭，但化肥繼續(xù)施用。

每年玉米成熟后收獲測產(chǎn)，采集土壤樣品，風(fēng)干后備用。

2020年秋季采集的土壤鮮樣立即帶回實(shí)驗(yàn)室，過2 mm篩后，一部分立即保存在-4℃冰箱，用于測定土壤酶活性，另一部分土壤風(fēng)干，以便后續(xù)測定。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

土壤酶活性采用微孔板熒光法測定。

土壤有機(jī)碳、全氮含量采用元素分析儀測定（EA3000，Euro Vector，Italy）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤生態(tài)酶化學(xué)計(jì)量的計(jì)算公式參考文獻(xiàn)。

使用Excel和SPSS 20.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及方差分析，多重比較采用LSD最小極差法。用Origin 2019做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施生物炭和有機(jī)肥對(duì)玉米產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響

3 a玉米產(chǎn)量結(jié)果顯示（圖1），與對(duì)照（C）相比，C處理3 a均未顯著增產(chǎn)，C處理3 a均顯著增加玉米產(chǎn)量，增產(chǎn)17.2%～24.3%，施有機(jī)肥處理第1年增產(chǎn)不顯著，第2、3年增產(chǎn)均達(dá)顯著水平。

圖1 施生物炭和有機(jī)肥對(duì)玉米產(chǎn)量的影響Figure 1 Effects of biochar and organic fertilizer on maize yield

根據(jù)連續(xù)3 a試驗(yàn)所獲得的玉米產(chǎn)量估算經(jīng)濟(jì)效益（表1），施用15 000 kg·hm（C）連續(xù)3 a所獲得玉米效益稍高于投入的生物炭價(jià)格，施用30 000 kg·hm（C）連續(xù)3 a所獲得玉米效益低于投入的生物炭價(jià)格，施用有機(jī)肥處理為正收益。

表1 施生物炭和有機(jī)肥3年累計(jì)獲得的經(jīng)濟(jì)效益Table 1 Effects of biochar and organic fertilizer on cumulative economic benefit for three years

2.2 施生物炭與有機(jī)肥對(duì)土壤C、N含量的影響

施生物炭和有機(jī)肥1 a后，白漿土的有機(jī)質(zhì)含量和土壤N、P、K等含量均有一定幅度增加，而其施入土壤3 a后，土壤有機(jī)質(zhì)含量及全氮含量仍有一定增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了8.1%～40.7%，僅C達(dá)顯著水平，土壤全氮含量增加了2.1%～8.2%，均未達(dá)到顯著水平（圖2）。

圖2 施生物炭和有機(jī)肥對(duì)白漿土有機(jī)質(zhì)、全氮含量的影響Figure 2 Effects of biochar and organic fertilizer on content of soil organic matter and total N

2.3 施生物炭和有機(jī)肥對(duì)土壤酶活性的影響

土壤BG活性為108.8～198.2 nmol·g·h（圖3），變化幅度較大，與對(duì)照相比，施生物炭（C、C）可顯著增加BG活性，增幅分別為82.2%和38.1%，施有機(jī)肥對(duì)BG活性影響不顯著。土壤NAG+LAP活性為28.9～72.8 nmol·g·h，與常規(guī)對(duì)照相比，僅C顯著增加了土壤NAG活性，C對(duì)NAG活性影響不顯著，施有機(jī)肥土壤NAG活性均顯著低于對(duì)照。與對(duì)照相比，C和OM處理均可顯著增加土壤LAP活性。土壤AP活性為350.5～518.4 nmol·g·h，與常規(guī)對(duì)照相比，施生物炭（C、C）可增加AP活性，分別增加10.7%和47.9%，其中C達(dá)到顯著水平。

圖3 施生物炭和有機(jī)肥對(duì)白漿土酶活性影響Figure 3 Effectsof biochar and organic fertilizer on soil enzyme activity

2.4 土壤酶活性計(jì)量比

土壤BG∶（NAG+LAP）（EEA）平均為2.81，其中施有機(jī)肥處理最高，顯著高于其他處理，其次為C處理，再次是C和C處理；BG∶AP（EEA）平均為0.35，以C處理最高，顯著高于其他處理，而其他處理之間無顯著差異；（NAG+LAP）∶AP（EEA）平均為0.13，施有機(jī)肥處理最低，顯著低于其他處理（圖4）。

2.5 土壤C、N、P酶活性相關(guān)性分析

ln（BG）、ln（NAG+LAP）和ln（AP）之間存在線性關(guān)系，ln（BG）與ln（NAG+LAP）和ln（AP）的相關(guān)系數(shù)分別為0.450 1和0.292 0，ln（NAG+LAP）和ln（AP）的相關(guān)系數(shù)為0.302 2（圖5）。全球尺度土壤C、N、P循環(huán)相關(guān)的酶活性比約為1∶1∶1，本文中常規(guī)處理土壤C、N、P循環(huán)相關(guān)的酶活性比更接近該比例；而施用有機(jī)肥和生物炭使土壤C、N、P循環(huán)相關(guān)的酶活性比遠(yuǎn)離1∶1∶1。

圖5 不同處理土壤C、N、P酶活性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)主軸回歸分析Figure 5 Standardized major axisregressions of thelogtransformed soil C-，N-，and P-acquiring enzyme activitiesin different treatments

3 討論

白漿土是我國東北地區(qū)典型的低產(chǎn)耕地資源之一，外源添加有機(jī)物質(zhì)是培肥和改良白漿土的重要措施。本試驗(yàn)中施用生物炭和有機(jī)肥后對(duì)玉米均有一定增產(chǎn)效果，并且其后效可增加玉米產(chǎn)量，其中C處理3 a均顯著增產(chǎn)，施有機(jī)肥處理第2、3年均顯著增產(chǎn)。但由于生物炭造價(jià)較高，根據(jù)本試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)效益估算，與常規(guī)對(duì)照相比，施生物炭處理的經(jīng)濟(jì)效益均為負(fù)，并且按照每年所增加的經(jīng)濟(jì)效益均值估算還需近10年才能產(chǎn)生正效益，而生物炭的后效能否持續(xù)10余年以及是否能穩(wěn)定增產(chǎn)還有待驗(yàn)證。而施有機(jī)肥處理3 a累積經(jīng)濟(jì)效益為正值。本研究調(diào)查了當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶生產(chǎn)水平，農(nóng)戶為追求高產(chǎn)而長期大量施用化肥，不注重有機(jī)物料投入，造成土壤酸化，不同年際間玉米產(chǎn)量變異系數(shù)為20.3%，產(chǎn)量不穩(wěn)。綜上所述，實(shí)際生產(chǎn)中還應(yīng)施用有機(jī)肥培肥土壤，而對(duì)于出現(xiàn)嚴(yán)重減產(chǎn)的地塊可以考慮通過施用生物炭一次性改良土壤。保育土壤是重中之重，如果長期掠奪式經(jīng)營導(dǎo)致土壤出現(xiàn)問題后再改良，所需投入會(huì)更高，短期內(nèi)不能獲得經(jīng)濟(jì)效益。

施生物炭和有機(jī)肥均能不同程度提高當(dāng)季土壤各養(yǎng)分指標(biāo)和土壤微生物功能多樣性，連續(xù)種植3 a作物后仍可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量（圖2），增加幅度與投入的有機(jī)物量有關(guān)，有機(jī)物料投入量較小的處理有機(jī)質(zhì)含量增加不顯著，高量生物炭（C）可顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量。土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)的重要驅(qū)動(dòng)力，外源有機(jī)物質(zhì)作為土壤微生物可利用的重要能量和養(yǎng)分源，輸入土壤后會(huì)改變土壤微生物多樣性、生物量組成及其結(jié)構(gòu)。本文中施用生物炭和有機(jī)肥均不同程度增加了土壤酶活性（圖3），這與大多數(shù)研究結(jié)果一致。

本文中施入有機(jī)肥3 a后，肥料后效已經(jīng)降低，尤其施相同量的生物炭（C）和有機(jī)肥處理對(duì)土壤C和N含量影響不顯著，C增加了BG活性，而施有機(jī)肥對(duì)BG酶活性增加不顯著，顯著降低了NAG酶活性，從而均顯著提高了EEA的比值（圖4）；與對(duì)照相比，C顯著增加了EEA，OM顯著降低了EEA，這是由于施生物炭增加了參與C循環(huán)的BG活性，施有機(jī)肥降低了參與N循環(huán)的NAG活性。大量研究表明，肥料通過改善土壤性質(zhì)、微生物活性等來影響土壤酶活性，理論上講，施用化肥可以減輕土壤微生物的養(yǎng)分限制，但會(huì)加重微生物受C的限制，施入生物炭和有機(jī)肥可以提供碳源來減少限制，但在本試驗(yàn)中施入的生物炭需要更多的BG轉(zhuǎn)化碳源以供微生物所需。

圖4 施生物炭和有機(jī)肥對(duì)白漿土酶活性計(jì)量比的影響Figure 4 Effects of biochar and organic fertilizer on soil ecoenzymatic stoichiometry ratios

微生物生物量C∶N∶P具有一定的保守性，因此酶活性計(jì)量比也相對(duì)保守，全球尺度土壤C、N和P循環(huán)相關(guān)的酶活性比約為1∶1∶1，即使受環(huán)境影響，也在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動(dòng)。在小區(qū)域尺度上，土壤微生物生長受到養(yǎng)分限制時(shí)，C、N、P獲取酶活性會(huì)偏離1∶1∶1的關(guān)系。而本文中土壤C、N、P循環(huán)相關(guān)的酶活性對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后比值平均為1∶0.80∶1.22，與全球生態(tài)系統(tǒng)1∶1∶1的比值相偏離，其中BG∶AP平均值為0.35，低于全球水平0.62，而NAG∶AP平均值為0.13，也低于全球水平0.44，說明相對(duì)于土壤C底物有效性來說，本試驗(yàn)供試土壤微生物可能存在一定的P限制，大部分研究表明AP的活性與環(huán)境中P的有效性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。本試驗(yàn)供試土壤的有效P含量相對(duì)較高，是由于長期施用磷肥造成土壤P累積，土壤中P的含量增高，而AP的活性則降低。在東北黑土區(qū)有效P含量已能滿足作物生長需求，但受氣候影響，尤其是作物苗期氣溫較低，土壤P有效性不足，此時(shí)仍需施入磷肥補(bǔ)充P供應(yīng)，因此作物播種時(shí)長期施用磷肥造成了大量P累積，從而導(dǎo)致有效P含量增高，AP活性降低。一般來說，當(dāng)微生物受到P限制時(shí)，微生物就會(huì)分泌更多的磷酸酶促進(jìn)土壤有機(jī)磷礦化，緩解P限制。微生物分泌的磷酸酶增多，土壤BG∶（AP+NAG）∶AP的值則降低。有研究認(rèn)為微生物在從土壤中獲取養(yǎng)分方面比植物具有競爭優(yōu)勢，即微生物受某一養(yǎng)分限制時(shí)，植物也可能受該養(yǎng)分限制。本文中供試土壤雖長期施用磷肥，但作物仍存在著P限制，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果也表明，長期施用磷肥的田間作物在產(chǎn)量上存在著顯著的P限制。

4 結(jié)論

（1）在白漿土上施生物炭和有機(jī)肥可以連續(xù)3 a增加玉米產(chǎn)量，施生物炭30 000 kg·hm可顯著增加玉米產(chǎn)量，施有機(jī)肥第1年增產(chǎn)效果不顯著，第2、3年增產(chǎn)效果顯著。但施生物炭的經(jīng)濟(jì)效益仍為負(fù)值，施有機(jī)肥經(jīng)濟(jì)效益更高。

（2）施生物炭和有機(jī)肥3 a后，僅施生物炭30 000 kg·hm處理顯著增加了有機(jī)質(zhì)含量，其他處理下有機(jī)質(zhì)和全氮含量增加均不顯著。

（3）施生物炭15 000 kg·hm3 a后僅顯著增加了β-1，4-葡萄糖苷酶活性，提高了82.2%，其他3種酶活性增加均不顯著，施生物炭30 000 kg·hm可顯著增加4種酶活性，提高了23.1%～47.9%；施有機(jī)肥可顯著增加酸性磷酸酶和亮氨酸氨基肽酶活性。