竹生物質(zhì)炭和竹凋落物對(duì)毛竹林土壤營(yíng)養(yǎng)元素和酶活性的影響①

丁蘇雅，段 敏*，朱瀚卿，陳 宇，譚一波，馬姜明，田紅燈，申文輝

竹生物質(zhì)炭和竹凋落物對(duì)毛竹林土壤營(yíng)養(yǎng)元素和酶活性的影響①

丁蘇雅1,2,3,4,5，段 敏1,2,3,4,5*，朱瀚卿4,5，陳 宇4,5，譚一波1,2,3，馬姜明4,5，田紅燈1,2,3，申文輝1,2,3

(1 廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530002；2 廣西漓江源森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，廣西桂林 541316；3 桂林興安漓江源森林生態(tài)系統(tǒng)廣西野外科學(xué)觀測(cè)研究站，廣西桂林 541316；4 廣西師范大學(xué)珍稀瀕危動(dòng)植物生態(tài)與環(huán)境保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541006；5 廣西漓江流域景觀資源保育與可持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西師范大學(xué)，廣西桂林 541006)

以廣西壯族自治區(qū)桂林市華江鄉(xiāng)內(nèi)廣泛分布的毛竹林土壤為研究對(duì)象，以竹生物質(zhì)炭和竹凋落物作為外源碳，設(shè)置對(duì)照(CK)、低添加量生物質(zhì)炭(1%BC)、高添加量生物質(zhì)炭(2%BC)、低添加量凋落物(1%L)、高添加量凋落物(2%L)5個(gè)處理，進(jìn)行為期兩個(gè)月的室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)，研究不同外源碳添加對(duì)毛竹林土壤營(yíng)養(yǎng)元素和酶活性的影響。結(jié)果表明：與對(duì)照相比，竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加均顯著提高了土壤pH；竹生物質(zhì)炭添加顯著降低了而竹凋落物添加顯著提高了土壤銨態(tài)氮(NH4+-N)含量(<0.05)，且高添加量(2%BC和2%L)的降低或提高作用更明顯；不同外源碳添加均顯著提高了土壤硝態(tài)氮(NO3–-N)含量，且凋落物添加的提高作用更明顯；不同外源碳添加均顯著提高了土壤有效磷(AP)含量，且高添加量的提高作用更明顯；竹生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)含量沒(méi)有顯著影響，但降低了土壤可溶性氮(DN)含量，而竹凋落物添加顯著提高了土壤DOC和DN含量；不同外源碳添加對(duì)土壤微生物生物量碳(MBC)和氮含量(MBN)均沒(méi)有顯著影響，但降低了土壤蔗糖酶和脲酶活性。相關(guān)性分析表明，土壤pH、NH4+-N、NO3–-N、DOC和DN是影響竹林土壤酶活性的關(guān)鍵性因子。

竹生物質(zhì)炭；竹凋落物；土壤營(yíng)養(yǎng)元素；土壤酶活性

毛竹是我國(guó)重要的森林類型和經(jīng)濟(jì)作物，總面積達(dá)467.75萬(wàn)hm2，占全國(guó)竹林面積的72.96%[1]。毛竹具有分布廣、生長(zhǎng)快、可持續(xù)經(jīng)營(yíng)等特點(diǎn)，蘊(yùn)藏著強(qiáng)大的固碳能力，在減緩全球氣候變化方面具有巨大的潛力[2]。但長(zhǎng)期的集約經(jīng)營(yíng)導(dǎo)致毛竹林土壤酸化、結(jié)構(gòu)破壞、肥力下降、溫室氣體排放量增加等問(wèn)題，急需尋找常規(guī)肥料以外的外源物質(zhì)來(lái)提高毛竹林土壤質(zhì)量。

生物質(zhì)炭是由生物質(zhì)在無(wú)氧或者缺氧狀態(tài)下經(jīng)高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的一類富碳的固態(tài)物質(zhì)[3]，具有孔隙多、比表面積大、吸附性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)[4]，是近年來(lái)土壤學(xué)和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。大量研究表明，生物質(zhì)炭在改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤肥力、增加土壤碳庫(kù)及減緩氣候變化方面有重要作用[5-8]。生物質(zhì)炭在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的應(yīng)用較為廣泛，如楊彩迪等[9]研究發(fā)現(xiàn)不同原料生物質(zhì)炭對(duì)水稻、玉米和油菜3種農(nóng)田作物產(chǎn)量及土壤性質(zhì)有不同影響，其中稻殼生物質(zhì)炭在改良酸性土壤和提高作物產(chǎn)量方面效果較好；盧晉晶等[10]研究發(fā)現(xiàn)秸稈生物質(zhì)炭能有效提高黃土區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量，且生物質(zhì)炭最佳施用量一定程度上依賴于氮肥的投入情況。然而生物質(zhì)炭在森林生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究較少[11]，在竹林生態(tài)系統(tǒng)中的作用更是鮮有報(bào)道，并且現(xiàn)有研究多為單獨(dú)添加生物質(zhì)炭對(duì)土壤性質(zhì)的影響，對(duì)比不同外源碳添加對(duì)土壤養(yǎng)分和酶活性影響的研究相對(duì)較少[12-13]。研究表明，凋落物可為微生物提供豐富的有效養(yǎng)分[14]，進(jìn)而可能影響土壤肥力和土壤酶活性。

因此，本研究以廣西壯族自治區(qū)桂林市華江鄉(xiāng)內(nèi)廣泛分布的毛竹林土壤為研究對(duì)象，以難分解的竹生物質(zhì)炭及易分解的竹凋落物作為外源碳，研究不同添加量的竹生物質(zhì)炭和竹凋落物對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素和酶活性的影響，以為提高毛竹林土壤質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)樣地位于廣西壯族自治區(qū)桂林市華江鄉(xiāng)同仁村(110°45′ E，25°80′ N)，該地區(qū)海拔359 m，為中亞熱帶濕潤(rùn)山地季風(fēng)氣候，四季分明，溫和濕潤(rùn)，年平均氣溫16.4 ℃，年平均降水量2 515 mm，主要集中在2—6月，相對(duì)濕度常在80% 以上。試驗(yàn)樣地土壤類型為山地棕黃壤，土壤含水率32.3%，田間持水量74.4%，土壤容重1.25 g/cm3，pH 4.4，全碳(TC) 27.7 g/kg，全氮(TN) 2.3 g/kg，全磷(TP) 296.1 mg/kg，銨態(tài)氮(NH4+-N) 8.7 mg/kg，硝態(tài)氮(NO3–-N) 31.3 mg/kg，有效磷(AP) 14.9 mg/kg。

1.2 土壤樣品采集和預(yù)處理

2020年10月14日在試驗(yàn)樣地選擇坡度較小、生境一致和生長(zhǎng)狀況基本相同的毛竹林采集土壤樣品。采樣時(shí)，清除土壤表面凋落物，采用五點(diǎn)取樣法采集0 ～ 20 cm土層樣品，剔除可見的碎石及動(dòng)植物殘?bào)w，過(guò)2 mm篩，混合均勻后，放入塑封袋，裝入放有冰塊的保溫箱盡快運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。取部分新鮮土壤樣品，剔除根系和雜物，自然風(fēng)干，分析部分土壤基本理化性質(zhì)，其余新鮮土壤樣品放入4℃的冰箱保存?zhèn)溆?。同時(shí)收集樣地土壤表層竹凋落物帶回實(shí)驗(yàn)室，用蒸餾水洗凈，置于70℃烘箱中烘干至恒重，冷卻后剪成1 cm左右小段備用。竹凋落物pH 6.5，TC 415.6 g/kg，TN 18.6 g/kg。竹生物質(zhì)炭購(gòu)于北京立澤環(huán)?？萍加邢薰荆怯擅駨U棄物在750℃高溫限氧條件下裂解而成，購(gòu)買的竹生物質(zhì)炭過(guò)2 mm篩備用。竹生物質(zhì)炭pH 8.5，TC 783.70 g/kg，TN 15.2 g/kg。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)處理：①對(duì)照(CK)；②低添加量竹生物質(zhì)炭(添加量為土壤干重的1%，記作1%BC)；③高添加量竹生物質(zhì)炭(添加量為土壤干重的2%，記作2%BC)；④低添加量竹凋落物(添加量與處理②的含碳量相同，記作1%L)；⑤高添加量竹凋落物(添加量與處理③的含碳量相同，記作2%L)。每個(gè)處理每個(gè)培養(yǎng)時(shí)期設(shè)置3個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)中，首先稱取140 g鮮土置于250 mL三角瓶中，用蒸餾水調(diào)節(jié)土壤含水率為田間持水量的60%，在25℃的培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)1周；然后按照試驗(yàn)處理添加不同量的竹生物質(zhì)炭和竹凋落物，使之與土壤充分混勻，在25℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)60 d，其間定期添加蒸餾水，使土壤含水率保持在田間持水量的60%。在培養(yǎng)的0、1、3、7、14、30和60 d后進(jìn)行破壞性取樣，測(cè)定土壤理化性質(zhì)和酶活性。由于在培養(yǎng)過(guò)程中，竹生物質(zhì)炭和竹凋落物也是培養(yǎng)土壤的一部分，并且添加的竹生物質(zhì)炭粒徑和培養(yǎng)土壤的粒徑相同，很難通過(guò)物理方法將其與土壤分離，所以取樣后未將未分解和半分解的竹生物質(zhì)炭和竹凋落物從土壤中分離。

1.4 樣品測(cè)定

土壤pH采用電位法測(cè)定(水土比為2.5∶1，/)，TC和TN含量采用元素分析儀測(cè)定，TP含量采用H2SO4-HClO4消煮–鉬銻鈧比色法測(cè)定，NH4+-N和NO3–-N含量采用2 mol/L KCl溶液浸提–連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定[15]，AP含量采用NaHCO3溶液浸提–鉬銻抗比色法測(cè)定，可溶性有機(jī)碳(DOC)和可溶性氮(DN)含量采用TOC儀測(cè)定，微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)含量采用氯仿熏蒸硫酸鉀溶液浸提–TOC儀測(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，土壤脲酶活性采用苯酚–次氯酸鈉比色法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，利用單因素方差分析及多重比較法(LSD)分析不同量竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加處理對(duì)毛竹林土壤營(yíng)養(yǎng)元素和酶活性的影響，利用Pearson相關(guān)性分析探究毛竹林土壤營(yíng)養(yǎng)元素和酶活性的關(guān)系，所有統(tǒng)計(jì)分析顯著水平為<0.05；使用Origin 2021軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加對(duì)土壤pH的影響

由圖1可知，竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加后土壤pH均顯著增加(<0.05)。與CK處理相比，各處理土壤pH在培養(yǎng)前7 d增加幅度較大，在培養(yǎng)后期變化幅度較小，在培養(yǎng)60 d后1%BC、2%BC、1%L和2%L處理土壤pH均達(dá)到最高，分別為4.72、5.06、4.68及5.01。高添加量處理對(duì)土壤pH的影響顯著高于低添加量處理，并且添加量相同時(shí)，竹生物質(zhì)炭對(duì)土壤pH的提高作用高于竹凋落物。

2.2 竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加對(duì)土壤全碳、全氮和全磷含量的影響

由圖2A可知，培養(yǎng)60 d后2%BC處理與CK處理相比土壤TC含量提高了9.75%(<0.05)，也顯著高于其余3個(gè)處理，并且其余3個(gè)處理與CK處理相比沒(méi)有顯著差異。由圖2B可知，與CK處理相比，培養(yǎng)60 d后竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加對(duì)土壤TN含量沒(méi)有顯著影響，但高添加量竹凋落物處理(2%L)土壤TN含量顯著高于竹生物質(zhì)炭添加處理(1%BC和2%BC)(<0.05)。由圖2C可知，培養(yǎng)60 d后竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加均顯著提高了土壤TP含量(<0.05)，2%BC處理土壤TP含量最高(423.3 mg/kg)，與CK處理相比提高了23.3%，但竹生物質(zhì)炭和竹凋落物兩種不同外源碳添加對(duì)土壤TP含量的影響沒(méi)有顯著差異。

2.3 竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加對(duì)土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和速效磷含量的影響

由圖3A可知，竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加后土壤NH4+-N含量在培養(yǎng)前期隨著培養(yǎng)時(shí)間而降低，在培養(yǎng)30 d后趨于平穩(wěn)，但竹生物質(zhì)炭添加后土壤NH4+-N含量均顯著低于CK處理(<0.05)，而竹凋落物添加后土壤NH4+-N含量均顯著高于CK處理(<0.05)。竹生物質(zhì)炭添加量的高低除在培養(yǎng)的30 d對(duì)土壤NH4+-N含量的影響存在顯著差異外(<0.05)，其余培養(yǎng)時(shí)間均不存在顯著差異，而竹凋落物添加量的高低對(duì)土壤NH4+-N含量的影響在培養(yǎng)的前30 d大多存在顯著差異(<0.05)，2%L處理土壤NH4+-N含量顯著高于1%L處理。

由圖3B可知，竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加后土壤NO3–-N含量在培養(yǎng)的前7 d呈先上升后下降趨勢(shì)，之后均呈逐漸上升趨勢(shì)，在培養(yǎng)60 d后達(dá)到最高，并且竹凋落物添加對(duì)土壤NO3–-N含量的促進(jìn)作用高于竹生物質(zhì)炭添加。在培養(yǎng)0、14和30 d 1%BC處理土壤NO3–-N含量高于2%BC處理，而只有在培養(yǎng)的前期1%L處理土壤NO3–-N含量高于2%L處理，其余培養(yǎng)時(shí)間均是2%L處理土壤NO3–-N含量較高。

(圖中不同小寫字母代表相同培養(yǎng)時(shí)間不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同)

圖2 竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加對(duì)土壤TC(A)、TN(B)和TP(C)含量的影響

圖3 竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加對(duì)土壤NH4+-N(A)、NO3–-N(B)和AP(C)含量的影響

由圖3C可知，竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加后土壤AP含量隨著培養(yǎng)時(shí)間呈上升的趨勢(shì)，竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加處理土壤AP含量均高于CK處理，除培養(yǎng)0 d外，各處理土壤AP含量由高到低依次為2%BC>2%L>1%BC>1%L>CK。在培養(yǎng)的前7 d 1%BC和2%BC處理土壤AP含量不存在顯著差異，在培養(yǎng)后期2%BC處理土壤AP含量顯著高于1%BC處理(0.05)。除在培養(yǎng)60 d 2%L處理土壤AP含量顯著高于1%L處理外，其余各培養(yǎng)時(shí)期兩者之間無(wú)顯著差異。

2.4 竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加對(duì)土壤可溶性有機(jī)碳、可溶性氮及微生物生物量碳氮含量的影響

由圖4A和圖4B可知，培養(yǎng)60 d后，竹生物質(zhì)炭添加對(duì)土壤DOC含量沒(méi)有顯著影響，對(duì)土壤DN含量有一定影響，而竹凋落物添加對(duì)土壤DOC和DN含量均有顯著影響(<0.05)。與CK處理相比，2%BC處理顯著降低了土壤DN含量(<0.05)，而1%BC處理對(duì)土壤DN沒(méi)有顯著影響。與CK處理相比，竹凋落物添加顯著提高了土壤DOC和DN含量(<0.05)，但添加量的高低之間沒(méi)有顯著差異。由圖4C和圖4D可知，培養(yǎng)60 d后，竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加均對(duì)土壤MBC和MBN含量沒(méi)有顯著影響，并且添加量的高低之間也不存在顯著差異(>0.05)。

圖4 竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加對(duì)土壤DOC(A)、DN(B)、MBC(C)和MBN(D)含量的影響

2.5 竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加對(duì)土壤蔗糖酶和脲酶活性的影響

由圖5A可知，竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加后土壤蔗糖酶活性顯著降低，并且竹凋落物添加對(duì)土壤蔗糖酶活性的抑制作用高于竹生物質(zhì)炭添加。在培養(yǎng)的1、60 d竹生物質(zhì)炭添加量的高低對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響存在顯著差異(<0.05)，土壤蔗糖酶活性隨著添加量的增加而降低，而在整個(gè)培養(yǎng)階段竹凋落物添加量的高低對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響沒(méi)有顯著差異。

由圖5B可知，竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加后土壤脲酶活性顯著降低(<0.05)，且竹凋落物添加對(duì)土壤脲酶活性的抑制作用高于竹生物質(zhì)炭添加。土壤脲酶活性隨著竹生物質(zhì)炭添加量的增加而降低，在培養(yǎng)的14和30 d高添加量和低添加量處理之間差異顯著(<0.05)；土壤脲酶活性也隨著竹凋落物添加量的增加而降低，除在培養(yǎng)的7、14和30 d外，其余培養(yǎng)時(shí)間高添加量和低添加量處理之間差異顯著(<0.05)。

圖5 竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加對(duì)土壤蔗糖酶(A)和脲酶(B)活性的影響

2.6 毛竹林土壤理化性質(zhì)和酶活性的相關(guān)性

相關(guān)分析表明(表1)，土壤pH與土壤TP、AP和NO3–-N含量呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤脲酶活性呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與蔗糖酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤TN與土壤NH4+-N和DN含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；土壤TP與NH4+-N含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤AP與MBN含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；土壤NH4+-N與NO3–-N、DOC和DN含量呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，與蔗糖酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤NO3–-N與DOC和DN含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤脲酶和蔗糖酶活性呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤DOC和DN含量與土壤脲酶和蔗糖酶活性均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤MBC與MBN含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；土壤脲酶與蔗糖酶活性呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

3 討論

3.1 竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加對(duì)毛竹林土壤營(yíng)養(yǎng)元素的影響

土壤pH對(duì)土壤養(yǎng)分存在形態(tài)和有效性、土壤結(jié)構(gòu)、微生物活動(dòng)以及植物生長(zhǎng)發(fā)育起著十分重要的作用。本研究中，竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加后土壤pH均顯著提高，且隨著添加量的增加而增加(圖1)。這可能是因?yàn)樯镔|(zhì)炭中含有的無(wú)機(jī)組分以及生物質(zhì)炭表面豐富的堿性基團(tuán)能中和土壤酸度所致[16-18]。而王越等[19]研究也發(fā)現(xiàn)毛竹和闊葉林凋落物添加顯著提高了土壤pH，凋落物能夠緩解土壤酸化可能是由于凋落物中含有一定量的鹽基離子，有利于中和土壤酸度。

表1 毛竹林土壤理化性質(zhì)和酶活性之間的Pearson相關(guān)性系數(shù)

注：*和**分別表示在<0.05和<0.01水平上顯著和極顯著相關(guān)。

碳元素是土壤中重要的大量元素，對(duì)土壤中微生物活動(dòng)和酶活性至關(guān)重要。本研究發(fā)現(xiàn)，高添加量竹生物質(zhì)炭能顯著提高土壤TC含量(圖2A)，這主要是因?yàn)樯镔|(zhì)炭是富碳物質(zhì)，進(jìn)入土壤后能提高土壤中有機(jī)碳庫(kù)，從而增加土壤TC含量[20]。本研究還發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)60 d后竹生物質(zhì)炭添加處理土壤DOC和MBC含量與對(duì)照無(wú)顯著差異(圖4A和圖4C)，而Dempster等[21]的研究結(jié)果表明，在砂質(zhì)土壤中添加桉樹生物質(zhì)炭顯著降低了土壤MBC含量，本研究結(jié)果與該結(jié)果不一致可能是由于生物質(zhì)炭的類型、土壤類型以及試驗(yàn)方法不同導(dǎo)致的[22]。本研究中，竹凋落物添加60 d后土壤DOC含量顯著提高，而MBC含量變化不大，這可能是因?yàn)榕囵B(yǎng)時(shí)間較短，凋落物分解程度不高，從而對(duì)土壤微生物的影響較小。

氮元素是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中不可缺少的元素之一，土壤中氮有效性的高低往往決定著土壤肥力的大小。本研究中，竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加60 d后土壤TN含量沒(méi)有顯著改變(圖2B)，而雷海迪[8]等在研究杉木凋落物及其生物質(zhì)炭對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響中發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭和凋落物添加均顯著提高了土壤TN含量，不同的研究結(jié)果可能與添加的生物質(zhì)炭和凋落物含氮量高低以及培養(yǎng)時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加降低了土壤NH4+-N含量，提高了土壤NO3–-N含量(圖3A和3B)，這與胡華英等[7]研究結(jié)果一致，他們發(fā)現(xiàn)土壤NH4+-N含量隨生物質(zhì)炭施用量的增加而顯著降低，土壤NO3–-N含量呈相反的趨勢(shì)，表明生物質(zhì)炭和凋落物能夠顯著提高土壤硝化速率，促進(jìn)土壤中NH4+-N向NO3–-N的轉(zhuǎn)化，并且生物質(zhì)炭表面的官能團(tuán)帶負(fù)電，可以通過(guò)靜電作用吸附土壤中的NH4+-N，而對(duì)土壤中NO3–-N的吸附作用相對(duì)較弱[23]。

磷元素對(duì)植物生長(zhǎng)有著重要作用，而土壤中的磷主要以有機(jī)磷存在，必須轉(zhuǎn)化為有效磷才能被植物吸收利用。本研究中，竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加后土壤TP和AP含量均顯著提高(圖2C和3C)。張樸等[24]研究表明，施加到土壤中的水稻秸稈生物質(zhì)炭抑制了土壤對(duì)磷的吸附，且隨著施用量的增加抑制作用更明顯。同時(shí)生物質(zhì)炭本身含有一定的磷元素，隨著生物質(zhì)炭添加輸入到土壤中的磷相應(yīng)增加[25]。凋落物中的磷元素，可通過(guò)礦化作用在土壤中分解釋放[26]，從而增加土壤TP和AP的含量。

3.2 竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加對(duì)毛竹林土壤酶活性的影響

土壤酶是植物根系、微生物以及動(dòng)植物殘?bào)w腐解等產(chǎn)生的一類能夠參與有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán)等過(guò)程的生物催化劑，其活性可以反映土壤中生物化學(xué)反應(yīng)的活躍程度、微生物的活性以及養(yǎng)分循環(huán)的狀況，因此土壤酶是土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[27]。土壤營(yíng)養(yǎng)元素可通過(guò)影響微生物的生長(zhǎng)而間接作用于土壤酶，因此土壤環(huán)境因子和土壤酶活性之間存在著不同程度的相關(guān)性[28]。本研究的相關(guān)性分析(表1)發(fā)現(xiàn)，土壤pH、NO3–-N、DOC和DN與土壤脲酶活性呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而土壤pH、NH4+-N、NO3--N、DOC和DN與土壤蔗糖酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明土壤酸堿度以及碳和氮的有效性是調(diào)控毛竹林土壤蔗糖酶和脲酶活性的主要因素。

蔗糖酶調(diào)控土壤中碳元素的轉(zhuǎn)化和積累，它的活性與土壤質(zhì)量和碳匯關(guān)系非常緊密。本研究表明，竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加均顯著抑制了毛竹林土壤蔗糖酶活性，竹凋落物的抑制作用更顯著，隨著添加量的增加抑制作用也隨之增強(qiáng)(圖5A)。Chen等[29]通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭添加降低了土壤中與碳循環(huán)相關(guān)的酶活性，并且隨著添加量的增加土壤蔗糖酶活性降低，與本研究結(jié)果基本一致。而王國(guó)兵等[30]在研究凋落物對(duì)楊樹人工林土壤酶活性的影響中發(fā)現(xiàn)，凋落物混施比表施更能促進(jìn)土壤蔗糖酶活性，王俊龍等[31]研究也發(fā)現(xiàn)凋落物提高了土壤蔗糖酶活性。不同的研究結(jié)果可能是由于凋落物不同導(dǎo)致土壤微生物量和區(qū)系組成以及代謝過(guò)程不同，從而使得土壤酶活性存在差異。但刑學(xué)霞等[32]研究發(fā)現(xiàn)，凋落物添加降低了土壤蔗糖酶活性，與本研究結(jié)果相似，這可能是由于凋落物添加的激發(fā)效應(yīng)增加了土壤微生物數(shù)量，加速了有機(jī)質(zhì)礦化，提高了土壤碳的有效性和土壤微生物對(duì)碳的利用，從而限制了碳循環(huán)相關(guān)的酶活性。

脲酶是一種參與土壤氮循環(huán)的酶，其活性往往與土壤肥力和氮的有效性密切相關(guān)。本研究表明，竹生物質(zhì)炭和竹凋落物添加顯著抑制了毛竹林土壤脲酶活性(圖5B)，并且凋落物的抑制作用更顯著，隨著添加量的增加抑制作用也隨之增強(qiáng)。Huang等[33]研究也發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭添加后土壤脲酶活性顯著降低。然而也有結(jié)果表明，土壤脲酶活性隨著生物質(zhì)炭的輸入而提高，如蔣容等[34]在增溫條件下施用生物質(zhì)炭顯著提高了土壤脲酶活性，且隨著生物質(zhì)炭施用量的增加而增加。不同的研究結(jié)果可能與土壤類型、生物質(zhì)炭的種類和用量以及氣候因素的差異有關(guān)[35]。胡亞林等[36]研究發(fā)現(xiàn)杉木榿木混合凋落物顯著提高了土壤脲酶活性，陳曉麗等[37]研究表明在自然條件下土壤脲酶活性隨著凋落物中針葉比例的升高而降低，本研究發(fā)現(xiàn)竹凋落物添加顯著降低了毛竹林土壤脲酶活性，不同的研究結(jié)果表明凋落物種類不同，土壤脲酶活性存在較大差異。

4 結(jié)論

竹生物質(zhì)炭和竹凋落物兩種不同類型的外源碳添加對(duì)毛竹林土壤基本性質(zhì)和酶活性的影響存在差異。與竹凋落物相比，竹生物質(zhì)炭更好地提高了毛竹林土壤pH、TP和AP含量、脲酶和蔗糖酶活性，且高添加量對(duì)土壤pH、TP和AP含量的提高作用更明顯，表明竹生物質(zhì)炭可在一定程度上緩解毛竹林土壤酸化，并且增加土壤磷的有效性，對(duì)竹林生態(tài)系統(tǒng)磷缺乏狀況的改善具有積極作用。與竹生物質(zhì)炭相比，竹凋落物顯著提高了毛竹林土壤NH4+-N、NO3–-N、DOC和DN含量，表明竹凋落物可促進(jìn)毛竹林土壤氮素累積，提升土壤營(yíng)養(yǎng)元素含量，改善土壤質(zhì)量。相關(guān)性分析表明，土壤pH、NH4+-N、NO3–-N、DOC和DN是影響毛竹林土壤蔗糖酶和脲酶活性的主要因素。

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Effects of Bamboo Biochar and Bamboo Litter on Soil Nutrients and Enzyme Activities in a Moso Bamboo Forest

DING Suya1,2,3,4,5, DUAN Min1,2,3,4,5*, ZHU Hanqing4,5, CHEN Yu4,5, TAN Yibo1,2,3, MA Jiangming4,5, TIAN Hongdeng1,2,3, SHEN Wenhui1,2,3

(1 Guangxi Key Laboratory of Superior Timber Trees Resource Cultivation, Nanning 530002, China; 2 Guangxi Lijiangyuan Forest Ecosystem Research Station, Guilin, Guangxi 541316, China; 3 Guilin Xing’an Lijiangyuan Forest Ecosystem Observation and Research Station of Guangxi, Guilin, Guangxi 541316, China; 4 Key Laboratory of Ecology of Rare and Endangered Species and Environmental Protection (Guangxi Normal University), Ministry of Education, Guilin, Guangxi 541006, China; 5 Guangxi Key Laboratory of Landscape Resources Conservation and Sustainable Utilization in Lijiang River Basin, Guangxi Normal University, Guilin, Guangxi 541006, China)

A two-month laboratory incubation experiment was conducted to explore effects of different exogenous carbon input on soil nutrients and enzyme activities with soil collected from Moso bamboo forest in Huajiang Township of Guilin City, Guangxi Province. Five treatments were setup, which included the control (CK), addition of bamboo biochar with a low rate (1%BC), addition of bamboo biochar with a high rate (2%BC), addition of bamboo litter with a low rate (1%L), and addition of bamboo litter with a high rate (2%L). The results showed that the addition of biochar and litter significantly increased soil pH compared with CK. The addition of biochar significantly decreased while the addition of litter significantly increased soil NH4+-N concentration (<0.05), and the effects were more significant in the high addition rates (2%BC and 2%L) than in the low addition rates (1%BC and 1%L). The addition of different exogenous carbon significantly increased soil NO3–-Nconcentration, and the effect was more significant in litter addition than in biochar addition. Soil available phosphorus (AP) concentration was also significantly increased by different exogenous carbon additions, and the effect was more significant in the high addition rates than in the low addition rates. Biochar addition had no significant effect on soil dissolved organic carbon (DOC) concentration, but decreased soil dissolved nitrogen (DN) concentration, while litter addition significantly increased soil DOC and DN concentrations. The concentrations of soil microbial biomass carbon (MBC) and nitrogen (MBN) were not significantly affected by different exogenous carbon additions, but the activities of both sucrase and urease were decreased. Correlation analysis showed that soil pH, NH4+-N, NO3–-N, DOC and DN were the key factors affecting soil enzyme activities in Moso bamboo forest soil.

Bamboo biochar; Bamboo litter; Soil nutrients; Soil enzyme activity

S714.5

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.04.013

丁蘇雅, 段敏, 朱瀚卿, 等. 竹生物質(zhì)炭和竹凋落物對(duì)毛竹林土壤營(yíng)養(yǎng)元素和酶活性的影響. 土壤, 2023, 55(4): 795–803.

廣西優(yōu)良用材林資源培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題項(xiàng)目(2020-B-04-02)和廣西創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展專項(xiàng)(桂科AA20161002-1)資助。

(duanmin0517@163.com)

丁蘇雅(1995—)，女，河北承德人，碩士研究生，主要從事生態(tài)恢復(fù)方面的研究。E-mail：dsylucky85@163.com