生物炭與木本泥炭對干旱區(qū)駿棗園土壤化學性質及酶活性的影響

王姝婧，孫 佳，王利娜，萬 勝，楊智鵬，張 梅，劉豐鳴，張虎國，黃 瑤，張國林，李建貴

（1. 新疆大學 資源與環(huán)境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046；2. 新疆紅棗工程技術研究中心，新疆 烏魯木齊 830011；3. 新疆農業(yè)大學，新疆 烏魯木齊 830052）

棗Ziziphus jujuba為鼠李科Rhamnaceae 棗屬Ziziphus植物，在7 000 多年前就有栽培[1-2]。我國是世界上棗資源最豐富的國家[3]。近年來，隨著新疆地區(qū)紅棗種植面積的迅速擴大，紅棗已成為新疆特色林果的支柱產業(yè)。由于特殊的地理氣候條件，新疆農田土壤沙化現(xiàn)象較為普遍，質地偏粗，且地表干旱缺水，鹽堿化較嚴重。土壤肥力偏低嚴重限制和阻礙了新疆地區(qū)的農業(yè)開發(fā)及可持續(xù)發(fā)展。隨著紅棗產業(yè)的不斷發(fā)展，不合理的農業(yè)管理措施（過度施用化肥和濫用農藥等）導致土壤板結、有機質含量降低、營養(yǎng)元素失衡，土壤肥力下降[4]。因此，土壤改良已成為新疆棗園土壤可持續(xù)利用中亟待解決的重要問題。

生物炭是生物有機材料（也稱為生物質）在無氧或低氧環(huán)境中低溫裂解后被加工制成的碳材料[5]，其化學成分因生物質種類和來源不同而有較大變化[6]。不少研究報道表明，將農業(yè)廢棄生物質通過熱解炭化技術制備生物炭并作為土壤改良劑施入農田，對于改善耕作土壤的理化性質和生物學特性、增加土壤肥力、修復土壤污染、提高作物產量和品質具有重要作用[7-9]。木本泥炭是木本植物殘體在水分過多、通氣不良、氣溫較低的沼澤環(huán)境中，經過長期累積而形成的一種不易分解、穩(wěn)定的有機物堆積層[10]，其中富含有機質和腐殖酸，水溶物、半纖維素和纖維素含量低[11]。李健鵬等[12]通過在不同土壤類型及多種作物上施用木本泥炭，研究得出在常規(guī)施肥的基礎上增施木本泥炭能夠促進作物根系及地上部分的生長發(fā)育，提高作物產量，改善農產品品質指標，提高作物抗逆性及抵抗病蟲害能力，還能改善土壤生態(tài)環(huán)境，增加土壤中有機質及養(yǎng)分含量，提高土壤肥力。

土壤酶是一種能催化土壤生化反應的蛋白質，其活性是衡量土壤肥力的重要指標。土壤中的各種生化反應均是在相應的土壤酶參與下完成的[13]。土壤酶活性能較其他土壤性質指標更迅速地響應施肥管理、種植體系以及土地利用方式的變化[14]。在相關研究報道中，施用生物炭和木本泥炭不但改變了土壤肥力，而且對土壤酶活性和微生物群落結構方面也有一定的影響[15-17]，但針對使用生物炭和木本泥炭改良新疆駿棗園土壤的研究相對薄弱。本研究中采用大田試驗，以新疆干旱區(qū)駿棗園土壤為研究對象，探討施用不同濃度梯度生物炭和木本泥炭對土壤化學性質、土壤酶活性的影響，旨在為生物炭和木本泥炭的推廣使用及當?shù)貤棃@綠色發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于新疆林業(yè)科學院佳木國家重點林木良種基地（80°32′23″E，41°15′56″N），屬典型大陸性暖溫帶干旱氣候，年均氣溫10.1 ℃，年均降水量65.4 mm，土壤類型為棕漠土。供試駿棗園0 ～20 cm 土壤基礎理化性質：pH 8.5、電導率180 μS/cm、有機質質量分數(shù)14.6 g/kg、堿解氮質量分數(shù)8.7 mg/kg、速效磷質量分數(shù)70.2 mg/kg、速效鉀質量分數(shù)203.3 mg/kg，土壤質地類別為砂壤土。棗園種植年限為8 a，棗樹品種為駿棗。

1.2 試驗材料

供試生物炭由河南立澤環(huán)?？萍加邢薰咎峁?，其基本性質為pH 8.5、碳質量分數(shù)79%、比表面積450 m2/g、水分質量分數(shù)10%、灰分質量分數(shù)4%；供試木本泥炭購自煙臺贛之源腐殖酸科技有限公司，其基本性質為pH 4.43、總腐殖酸質量分數(shù)28.28%、游離腐殖酸質量分數(shù)25.39%、有機質質量分數(shù)48.64%、水分質量分數(shù)28.69%。配施的有機肥均為羊糞。

1.3 試驗方法

1.3.1 田間試驗布設

以每3 行駿棗樹為1 個處理，每行中隨機選取長勢均一的連續(xù)4 株駿棗樹作為1 個試驗小區(qū)，每個處理設3 個小區(qū)，共12 株駿棗樹。采用完全隨機設計，設生物炭用量4 個水平（B1 ～B4），木本泥炭用量4 個水平（W1 ～W4），加上1 個處理CK（僅施用有機肥），共計9 個處理，108棵棗樹，具體見表1。施用的生物炭和木本泥炭均作為基肥于2020 年9 月底一次性局部撒施，同時，每株樹體配施10 kg 有機肥，整個試驗期間不再進行追肥。

表1 駿棗樹施肥方案Table 1 Fertilization plan of Jun jujube t/hm2

1.3.2 樣品采集與保存

2021 年10 月3 日（棗果完熟早期），采集駿棗園土壤樣品。在每個處理的12 株棗樹中隨機選擇3 株棗樹，采用土鉆法，環(huán)繞棗樹的施肥坑（距離根部30 cm 處）各向下采集深度0 ～20 cm 土層土樣，采集時，避開填埋的有機肥并除去表面雜草、石塊等。將每個處理的3 份土樣放置于無菌袋中，混合均勻后編號，帶回實驗室。按照四分法，將土壤樣品分成兩部分。將一部分及時風干，并過孔徑1.00、0.25 mm 篩，裝入貼有標簽的干凈無菌自封袋中，放置在陰涼通風處密封備用，用于測定土壤化學特性；將另一部分保存于冰箱（4 ℃）中，并及時測定土壤酶活性。

1.3.3 指標測定

土壤pH 使用酸度計進行測定；土壤電導率使用電導率儀進行測定；土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定；土壤速效磷含量采用鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀含量采用火焰光度法測定；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定[18]。

土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定，土壤脲酶活性采用苯酚-次氯酸鈉比色法測定，土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定；土壤堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用SPSS 18.0 軟件和Microsoft Excel 2019軟件對所測數(shù)據(jù)進行分析。不同處理之間的多重比較采用Duncan 檢驗（P＜0.05），采用主成分分析進行綜合評價。

2 結果與分析

2.1 生物炭與木本泥炭對駿棗園土壤化學性質的影響

生物炭與木本泥炭對駿棗園土壤化學性質的影響見表2。從表2 可看出，B1 對土壤pH 的降低效果最明顯，與CK 差異顯著，比CK 下降了1.7%；B2 對土壤電導率、有機質質量分數(shù)的提高效果最明顯，與CK 差異顯著，分別較CK 增加了27.4%和28.4%；施加生物炭和木本泥炭后，土壤堿解氮質量分數(shù)較CK 增加，且差異顯著，增加幅度為35.2%～425.6%；B3 處理中，土壤速效磷、速效鉀的質量分數(shù)達到最高值，分別較CK 增加了100%和41.6%。

表2 生物炭與木本泥炭對駿棗園土壤化學性質的影響?Table 2 Effects of biochar and woody peat on soil chemical properties in Jun jujube orchard

2.2 生物炭與木本泥炭對駿棗園土壤酶活性的影響

生物炭與木本泥炭對駿棗園土壤酶活性的影響如圖1 所示。由圖1 可見，在施用生物炭處理中，隨著生物炭添加量的增大，土壤過氧化氫酶活性逐漸增大，但土壤過氧化氫酶活性均顯著低于CK。在施用低濃度和高濃度木本泥炭處理中，土壤過氧化氫酶活性也顯著低于CK。在施用生物炭處理中，土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶的活性均顯著高于CK，而且均在B1 處理中達到最高值，隨著生物炭添加量的增加，這3 種酶活性基本上逐漸降低。在施用木本泥炭處理中，土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶的活性與土壤過氧化氫酶活性相反，施用低濃度和高濃度木本泥炭處理的酶活性高于施用中間濃度木本泥炭處理。

圖1 生物炭與木本泥炭對駿棗園土壤酶活性的影響Fig. 1 Effects of biochar and woody peat on soil enzyme activities in Jun jujube orchard

2.3 駿棗園土壤化學性質與土壤酶活性的相關性

土壤化學性質是土壤肥力的表征，同時影響著土壤酶活性。土壤化學性質與土壤酶活性相互間既有協(xié)調作用又存在著拮抗作用。駿棗園土壤化學性質與土壤酶活性的相關系數(shù)見表3。從表3中可以看出：土壤脲酶活性與土壤有機質質量分數(shù)、速效磷質量分數(shù)均呈現(xiàn)顯著正相關關系，與土壤速效鉀質量分數(shù)的相關性達極顯著水平；土壤堿性磷酸酶活性與土壤有機質質量分數(shù)之間呈現(xiàn)顯著的正相關關系；土壤過氧化氫酶活性僅與土壤pH 之間呈正相關關系，與其余土壤化學性質因子之間皆呈現(xiàn)負相關關系，且與土壤有機質質量分數(shù)的相關性顯著。

表3 駿棗園土壤化學性質與土壤酶活性的相關系數(shù)?Table 3 Correlation coefficient between soil chemical properties and soil enzyme activities in Jun jujube orchard

2.4 生物炭與木本泥炭處理下土壤化學性質和酶活性的主成分分析

生物炭與木本泥炭處理下土壤化學性質和酶活性指標主成分分析結果見表4。由表4 可知，所提取3 個公因子的累積貢獻率達85.302%，可解釋大部分數(shù)據(jù)。主成分1、主成分2、主成分3 的方差特征值均大于1，所以主成分1、主成分2、主成分3 對土壤化學性質和酶活性的影響顯著。

表4 生物炭與木本泥炭處理下土壤化學性質和酶活性指標主成分分析結果Table 4 Principal component analysis results of soil chemical properties and enzyme activities indexes under biochar and woody peat treatment

生物炭與木本泥炭處理下土壤化學性質和酶活性指標的主成分載荷矩陣見表5。由表5 可知，主成分1 中，因子載荷量較大的變量分別為脲酶活性、蔗糖酶活性、速效磷質量分數(shù)和有機質質量分數(shù)。

表5 生物炭與木本泥炭處理下土壤化學性質和酶活性指標的主成分載荷矩陣Table 5 Principal component loading matrix of soil chemical properties and enzyme activities indexes under biochar and woody peat treatment

生物炭與木本泥炭處理下土壤化學性質和酶活性指標的主成分得分和綜合得分見表6。由表6可知，根據(jù)土壤化學性質和酶活性的綜合得分由高到低排列，各處理依次為B1、B2、B3、W4、W1、B4、W2、CK、W3。通過上述分析可得出所有處理中B1 處理的效果最佳。

表6 生物炭與木本泥炭處理下土壤化學性質和酶活性指標的主成分得分和綜合得分Table 6 Principal component scores and comprehensive scores of soil chemical properties and enzyme activities indexes under biochar and woody peat treatment

3 結論與討論

與CK 相比，B1 處理降低土壤pH 和提高土壤堿解氮含量的效果最顯著，B2 處理提高土壤電導率、有機質含量的效果最明顯，B3 處理提高土壤速效磷含量、速效鉀含量的效果最好，B1 處理提高土壤脲酶活性、蔗糖酶活性和堿性磷酸酶活性的效果最好，W3 處理提高土壤過氧化氫酶活性的效果最好。由于2 種外源碳本身性質的差異，生物炭和木本泥炭對干旱區(qū)駿棗園土壤化學性質和酶活性的影響也不同。與木本泥炭相比，生物炭可更顯著地改善土壤化學性質和提高土壤酶活性，在其施用量為5 t/hm2時土壤化學性質和酶活性的綜合得分最高，因此施用5 t/hm2生物炭的綜合效果最優(yōu)。因為木本泥炭的價格低于生物炭，且在施用量為5 t/hm2時對土壤也有一定的改良作用，所以在實際應用中，也可考慮低量施用木本泥炭。

3.1 生物炭與木本泥炭施用量對土壤化學性質的影響

土壤是復雜的有機和無機復合體，土壤化學性質是土壤肥力的重要物質基礎，對植物生長起著至關重要的作用，土壤化學性質變化是各種因素綜合作用的結果[20-22]。不少研究報道表明，生物炭和木本泥炭對土壤養(yǎng)分含量有顯著的提高作用[23-26]。本研究結果表明：在生物炭用量為5 t/hm2時，土壤堿解氮含量達到最高，隨著生物炭施用量的繼續(xù)增加，表現(xiàn)出先降低、后增加的趨勢；隨著生物炭施用量的增加，土壤有機質含量、電導率、速效鉀含量先增加、后減少，在生物炭用量為10或20 t/hm2時達到最高值；隨著生物炭施用量的增加，土壤pH 和速效磷含量的變化基本無規(guī)律性。有研究結果表明，生物炭雖然對鹽堿土pH 具有不同的正負效應，但是可通過代換作用降低土壤鹽堿度[27]。生物炭本身含有大量營養(yǎng)元素，可顯著增加土壤養(yǎng)分含量，改善土壤養(yǎng)分環(huán)境[28-29]。隨著木本泥炭用量的增加，土壤電導率、有機質含量、堿解氮含量先增加、后減少、再增加，土壤pH、速效磷含量、速效鉀含量的變化不具有規(guī)律性。同時說明木本泥炭在用量足夠大的條件下，對土壤也有一定的改良作用。部分土壤化學性質指標的變化不具有規(guī)律性可能與棗果成熟期養(yǎng)分的分解轉化有關，駿棗樹體吸收利用相關養(yǎng)分，導致養(yǎng)分的轉化利用率高而產生虧缺[13]。

3.2 生物炭與木本泥炭施用量對土壤酶活性的影響

土壤酶來源于土壤微生物、植物和動物的活體或殘體，是具有加速土壤生化反應速率功能的蛋白質[30]。過氧化氫酶是一種重要的氧化還原酶，能夠催化胞內過氧化氫分解成水和氧，降低其對細胞的毒害作用；土壤脲酶是水解尿素的專一性酶，參與土壤的氮循環(huán)；土壤堿性磷酸酶是一類催化土壤有機磷化合物礦化的酶，其活性直接影響土壤有機磷的分解轉化及生物有效性[31]；土壤蔗糖酶通過水解蔗糖為土壤中生物體提供碳源和能源，其活性可以反映土壤中易溶物質的利用狀況以及土壤有機質積累和轉化的狀況[32]。有研究結果[30]表明：生物炭還田后，可通過改善土壤的理化性質，提高土壤酶活性；此外生物炭自身具有多孔結構和吸附性能，可以吸附酶促反應的底物，為土壤酶提供更多的結合位點，提高土壤酶活性。但也有研究報道[27]中指出，生物炭可以吸附酶分子，從而限制酶促反應，抑制酶活性。高鳳等[33]經研究發(fā)現(xiàn)，隨著生物炭施用量的增加，白菜根際土壤蔗糖酶活性顯著增加。本研究結果表明，土壤脲酶活性、堿性磷酸酶活性、蔗糖酶活性在生物炭用量為5 t/hm2時達到最高值，隨著生物炭施用量的繼續(xù)增加，基本上逐漸降低，但過氧化氫酶活性呈現(xiàn)增加趨勢，在生物炭用量為40 t/hm2時達到最高值。舒灝[34]經研究發(fā)現(xiàn)，隨著木本泥炭施用量的增加，土壤脲酶活性不斷降低，這與本研究結果基本相同。而且在本研究中，隨著木本泥炭施用量的增加，蔗糖酶和堿性磷酸酶活性也表現(xiàn)出與脲酶活性相同的變化趨勢（施用30 t/hm2木本泥炭處理除外），而過氧化氫酶活性先增加、后降低，在木本泥炭用量為20 t/hm2時達到最高值。本研究結果表明，W3 處理對土壤過氧化氫酶活性的提高有較大影響，B1 和W1 處理對土壤堿性磷酸酶活性的提高有較大影響，B1 處理對土壤脲酶和蔗糖酶活性的提高有較大影響。不同學者得出土壤化學性質和酶活性對生物炭、木本泥炭用量的響應不同[35-37]，可能與其選取的土壤類型、生物炭材料及施用年限等不同有關。

3.3 土壤化學性質與酶活性的相關性

通過相關分析發(fā)現(xiàn)，各處理間土壤酶活性與土壤化學性質指標的變化存在顯著相關性（P＜0.05）。土壤酶活性對土壤環(huán)境變化尤為敏感，土壤化學性質的輕微變化可能引起其酶活性改變[35,38]，因此土壤化學性質與土壤酶活性有著密不可分的聯(lián)系。

由于時間限制，本研究僅是初步探究，關于生物炭、木本泥炭對果園土壤的改良作用還有待長期深入研究。