不同改良劑施用對滇中植煙土壤酶活性的影響

張曉花 宋婭麗 王克勤 陳炳紳 溫昌燾 楊昕 張倩

摘要：針對滇中地區(qū)植煙土壤退化問題，研究施用土壤改良劑后土壤養(yǎng)分儲存和酶活性變化，以期為滇中紅壤地區(qū)烤煙土壤質(zhì)量的維護和改良提供參考依據(jù)。試驗以烤煙農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，設(shè)置對照（CK）及4種不同土壤改良劑處理：生物炭（60 g/m²或30 g/m²）、秸稈（1 000 g/m²或500 g/m²）、聚丙烯酰胺（2 g/m²或 1 g/m²）、木質(zhì)素（60 g/m²或30 g/m²），探討0～20 cm土層的養(yǎng)分儲存和酶活性變化特征。結(jié)果表明，生物炭、秸稈處理均顯著提高了土壤有機碳和全磷含量；秸稈和木質(zhì)素處理顯著提高了土壤全氮含量，而木質(zhì)素處理顯著降低了土壤全磷含量。生物炭、秸稈、木質(zhì)素處理均顯著提高了土壤脲酶、酸性磷酸酶、過氧化物酶、蔗糖酶活性和纖維素酶活性；聚丙烯酰胺處理顯著提高了脲酶活性，抑制了土壤過氧化物酶活性。相較于秸稈和生物炭2種傳統(tǒng)改良劑，木質(zhì)素也能明顯改善土壤養(yǎng)分和酶活性，結(jié)合其方便、經(jīng)濟的特點，可在田間推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：土壤酶活性；土壤改良劑；生物炭；秸稈；聚丙烯酰胺；木質(zhì)素

中圖分類號：S154.2；S572.06；S156.2? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）06-0242-08

收稿日期：2023-06-07

基金項目：云南省科技計劃（編號：202203AC100001-03）；云南省科技計劃重點研發(fā)項目（編號：2018BB018）；云南省科技廳“三區(qū)”人才支持計劃（編號：90202101）；云南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃（編號：202010677047）。

作者簡介：張曉花（1998—），女，貴州納雍人，碩士研究生，研究方向為生態(tài)恢復(fù)。E-mail：zxh1570494195@163.com。

通信作者：王克勤，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事小流域環(huán)境綜合治理的理論與技術(shù)研究。E-mail：wangkeqin7389@sina.com。

近年來，滇中紅壤丘陵地區(qū)煙草種植集中化規(guī)模化發(fā)展，由于長期的不合理耕作和管理，土壤發(fā)生了水土流失、土壤酸化和肥力下降等退化過程^[1]。這些退化過程導(dǎo)致了土壤酶活性降低、肥料利用率下降、烤煙品質(zhì)差等問題，土壤質(zhì)量急待改善^[2]。土壤酶直接參與土壤營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、釋放過程，因其能夠?qū)ν饨缫蛩匾鸬耐寥牢⑸鷳B(tài)的細(xì)小變化迅速反應(yīng)，可作為土壤新陳代謝和土壤健康的重要指標(biāo)^[3]。合理的土壤改良措施可以改善土壤質(zhì)量，改變可調(diào)控土壤酶的底物有效性，進(jìn)而影響土壤酶活性及土壤質(zhì)量^[4-5]。土壤改良劑是土壤農(nóng)藝調(diào)控措施的重要手段，在調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)、改善土壤水分和養(yǎng)分等方面有巨大潛力^[6]。

生物炭和秸稈均為傳統(tǒng)型土壤改良劑，常被廣泛施用于田間，能增強土壤酶活性，改善土壤質(zhì)量^[7-8]。如Jiang等的研究結(jié)果表明，添加2%生物炭后，茶園土壤蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性分別提高了63.3%、23.2%和27.9%^[9]；路怡青等研究認(rèn)為，玉米秸稈粉碎還田能顯著提高土壤脲酶、磷酸酶和轉(zhuǎn)化酶活性（19.6%～44.3%），且秸稈添加量越多效果越顯著^[10]。聚丙烯酰胺和木質(zhì)素作為新型土壤改良劑，其研究主要集中于對土壤理化性質(zhì)的改良上，如張健等認(rèn)為，聚丙烯酰胺施用于鹽漬化土壤能夠保持一定的堿解氮，能明顯抑制氮素向土壤深層移動，起到了保水保肥改良土壤的作用^[11]；袁穎紅等的研究表明，施用木質(zhì)素后，土壤中銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化的速率顯著降低，土壤硝態(tài)氮含量下降，使氮肥在土壤中較長期保存為銨態(tài)氮形式，可延長化肥肥效^[12]；以上研究均表明，聚丙烯酰胺和木質(zhì)素作為土壤改良劑施用能保持土壤養(yǎng)分，土壤養(yǎng)分與酶活性相關(guān)，因而也可對土壤酶活性產(chǎn)生直接或間接影響^[13]。此前鮮少關(guān)注聚丙烯酰胺和木質(zhì)素改良劑施用對土壤酶活性的影響，其應(yīng)用于改良植煙土壤的相關(guān)研究鮮有報道。鑒于此，為了探究施用木質(zhì)素和聚丙烯酰胺后對植煙土壤養(yǎng)分含量和酶活性的影響，本研究擬通過田間試驗對比分析傳統(tǒng)改良劑（生物炭、秸稈）和聚丙烯酰胺、木質(zhì)素施用后滇中植煙紅壤碳（C）、氮（N）、磷（P）養(yǎng)分儲存和酶活性的變化特征，以期為滇中紅壤地區(qū)烤煙土壤質(zhì)量的維護和改良提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1? 研究區(qū)域概況

本試驗區(qū)域位于云南省玉溪市紅塔區(qū)高倉街道龍樹村，102°34′12.30″E，24°17′32.33″N，海拔為1 625 m。全年日照時數(shù)有1 947.5 h，日照率為44%，霜降天數(shù)共52 d，多年平均降水量為 909.10 mm，降雨天數(shù)有130～150 d，最大24 h降水量為 41 mm，屬中亞熱帶半濕潤冷冬高原季風(fēng)氣候，干濕季分明，雨季為5—10月。土壤屬山原紅壤，由砂頁巖發(fā)育而成，土層較薄，呈強酸性至微酸性。

1.2? 試驗設(shè)計

用于試驗的烤煙品種為K326，由玉溪市煙草公司統(tǒng)一調(diào)入。試驗處理設(shè)置如下：空白對照（CK）、60 g/m²生物炭（BH）、30 g/m²生物炭（BL）、1 000 g/m²秸稈（SH）、500 g/m²秸稈（SL）、2 g/m²聚丙烯酰胺（PH）、1 g/m²聚丙烯酰胺（PL）、60 g/m²木質(zhì)素（LH）、30 g/m²木質(zhì)素（LL）。每個處理3次重復(fù)，用1 m×1 m的鐵框劃分樣方，每個樣方種植2株烤煙，各樣方之間相隔均大于2 m，按照坡上、中、下順序排列，田間管理措施同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理保持一致。于2020年4月15日進(jìn)行移栽施用基肥（牛糞），4月27日施用提苗肥，5月24日追肥，同時在樣方表層施用4種土壤改良劑（聚丙烯酰胺兌1 L水噴灑在土壤表面，秸稈、生物炭、木質(zhì)素則直接鋪撒在土壤表面）。牛糞有機肥（干基）的有機質(zhì)含量約為15%、氮含量約為0.42%、磷含量約為0.20%、鉀含量約為0.15%，提苗肥氮磷鉀比例為12∶6∶2，追肥氮磷鉀比例為18∶5∶22。生物炭由玉米秸稈高溫碳化制取（由河南遠(yuǎn)見農(nóng)業(yè)科技有限公司提供），其含 C 38.700%、N 1.37%、P 0.46%；粉碎玉米秸稈（1 cm）含 C 37.54%、N 1.36%、P 0.32%；聚丙烯酰胺由天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司提供，pH值為7.0；木質(zhì)素由河南省強興化工有限公司銨法制造而成，其含 C 45.94%、N 4.84%、P 0.51%。各處理養(yǎng)分輸入量具體見表1。

1.3? 土壤樣品的采集與測定

在土壤改良劑施用50 d后開始進(jìn)行土壤采樣，采用五點取樣法取樣，分別采集各樣方7月、8月、9月0～5、5～10、10～20 cm土層的土壤，去除根系與石礫，進(jìn)行風(fēng)干處理，過0.25 mm篩保存，用于土壤養(yǎng)分和酶活性測定。

土壤有機碳（SOC）含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，全氮（TN）含量采用硫酸消煮-凱氏定氮法測定，全磷（TP）含量采用鉬銻抗比色法測定^[14]。土壤酶活性采用試劑盒測定，試劑盒由北京盒子生工科技有限公司提供。脲酶（urease，簡稱URE）、酸性磷酸酶（acid phosphatase，簡稱AP）、過氧化物酶（peroxidase，簡稱PER）、蔗糖酶（invertase，簡稱INV）和纖維素酶（cellulase，簡稱CEL）活性測定均按照試劑盒說明操作，用酶標(biāo)儀在特定波長下測定吸光度，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線計算樣品中土壤酶活性。5種酶活性單位均為 U/g，即每天每g土樣中產(chǎn)生1 μg硝態(tài)氮、1 nmol酚、1 mg紫色沒食子素、1 mg 還原糖、1 mg葡萄糖分別定義為1個脲酶活力單位、1個酸性磷酸酶活力單位、1個過氧化物酶活力單位、1個蔗糖酶活力單位、1個纖維素酶活力單位。

1.4? 數(shù)據(jù)處理

利用Origin 2019軟件繪制烤煙成熟期（9月）的土壤酶活性條形圖；采用SPSS 25對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行LSD多重比較，對土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)和酶活性進(jìn)行相關(guān)性分析；用Excel軟件（2010）繪制各月份的酶活性雷達(dá)圖。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 不同改良劑施用對土壤養(yǎng)分的影響

由表2可知，表中數(shù)據(jù)為烤煙成熟期（9月）的土壤養(yǎng)分。在0～20 cm土層，SOC含量呈降低趨勢，TN、TP含量以及N/P變化不顯著，C/N和C/P先升高后降低。與CK相比，在0～5、5～10、10～20 cm 土層，BH、SH、LH、BL、SL處理均顯著提高了SOC含量（P<0.05）；在0～5、5～10 cm土層，SH、LH、SL處理則顯著提高了TN含量（P<0.05），而在10～20 cm土層，各處理TN含量均差異不顯著；在0～5、5～10 cm土層，BH、SH、SL處理顯著提高了TP含量（P<0.05），而在 10～20 cm 土層，僅SH處理顯著提高了TP含量（P<0.05）；同時，LH處理顯著降低了 0～20 cm土層的TP含量。生物炭、秸稈、木質(zhì)素處理均提高了土壤的C/N；生物炭和木質(zhì)素處理均提高了土壤的C/P；木質(zhì)素處理提高了土壤的N/P，而高量秸稈處理降低了土壤的N/P。綜上，4種土壤改良劑對土壤養(yǎng)分的改善作用表現(xiàn)為秸稈>木質(zhì)素>生物炭>聚丙烯酰胺。

2.2? 不同改良劑施用對土壤關(guān)鍵酶活性的影響

2.2.1? 脲酶（URE）活性變化

由圖1-d可知，URE活性在月份間變化表現(xiàn)為9月>8月>7月，在土層間變化表現(xiàn)為0～5 cm＜10～20 cm＜5～10 cm；與CK相比，9月時，不同處理對URE活性影響明顯，因此選取9月的酶活性進(jìn)行細(xì)化分析（圖1-a、圖1-b、圖1-c）。9月時，與CK相比，在0～5、5～10 cm土層，各不同高量處理下（BH、SH、PH、LH）土壤改良劑的URE活性均顯著增強（P<0.05），而低量處理下僅BL和SL處理顯著增強了URE活性，PL和LL處理差異不顯著；在10～20 cm土層僅有BH處理作用顯著，URE活性增加9.07%，其余處理均不顯著。對比各處理在不同土層間的URE活性增強作用，隨土層深度加深，各土壤改良劑對URE活性的作用逐漸減弱。

2.2.2? 酸性磷酸酶（AP）活性變化

由圖2-d可知，AP活性在月份間的變化表現(xiàn)為8月>7月>9月，在土層間的變化表現(xiàn)為5～10 cm<0～5 cm<10～20 cm。9月時，對比CK，在0～5、5～10 cm土層，各不同高量處理下（BH、SH、PH、LH）土壤改良劑的AP活性均顯著增強（P<0.05），低量處理下除了LL處理，BL、SL、PL也顯著提高了AP活性。在10～20 cm土層僅有高量處理（BH、SH、PH、LH）作用顯著（P<0.05），AP活性增加11.54%～35.96%。與URE活性相似，隨土層深度加深，各土壤改良劑對AP活性作用逐漸減弱。

2.2.3? 過氧化物酶（PER）活性變化

由圖3-d可知，PER活性在月份間的變化表現(xiàn)為7月>9月>8月，在土層間變化表現(xiàn)為0～5 cm>5～10 cm>10～20 cm。對比CK，在0～5 cm土層BH、SH、LH處理能顯著增強PER活性（P<0.05），而PH處理

顯著抑制了PER活性約34.13%；同樣的，低量處理下BL、SL、LL處理也顯著提高了PER活性，增強效果低于高量處理；PH處理降低了PER活性。5～10 cm 和10～20 cm土層，各處理效果與0～5 cm土層一致，但隨土層深度的加深，土壤改良劑作用逐漸降低。

2.2.4? 蔗糖酶（INV）活性變化

由圖4-d可知，INV活性在月份間的變化表現(xiàn)為8月>7月>9月，在土層間的變化表現(xiàn)為0～5 cm>5～10 cm>10～20 cm。對比CK，在3個土層下，高量處理BH、SH、

LH均能顯著提高INV活性（P<0.05），分別提高19.90%～31.14%、19.64%～21.39%、18.84%～22.65%，而低量處理BL則差異不顯著。同時，PH和PL處理在各土層間對INV活性的影響均不顯著。

2.2.5? 纖維素酶（CEL）活性變化

由圖5-d可知，CEL活性在月份間的變化表現(xiàn)為8月>9月>7月，在土層間變化表現(xiàn)為5～10 cm>10～20 cm>0～5 cm。對比CK，在0～5 cm土層，BH、SH、LH、BL、SL處理顯著提高了CEL活性，而PH、PL、LL處理則差異不顯著。在5～10 cm土層，BH、SH、LH、BL、SL、LL處理顯著提高了CEL活性，而PH、PL處理則差異不顯著。在10～20 cm土層，BH、SH、LH、SL處理顯著提高了CEL活性，而PH、BL、PL、LL處理則差異不顯著。

2.3? 土壤養(yǎng)分與關(guān)鍵酶活性的相關(guān)性

由表3可知，URE活性與SOC含量、TN含量、C/N、C/P顯著或極顯著正相關(guān)；AP活性與TN含量顯著正相關(guān)；PER活性與SOC、TN、TP含量顯著正相關(guān)，與N/P顯著負(fù)相關(guān)；INV活性與SOC、TN、TP含量極顯著正相關(guān)，與N/P顯著負(fù)相關(guān)；CEL活性與土壤養(yǎng)分含量相關(guān)性不顯著。雙因素方差分析結(jié)果表明，PER和CEL活性主要受土層變化影響，而施入的土壤改良劑對其影響不顯著；URE活性對施入的土壤改良劑響應(yīng)極顯著；INV活性對土層和土壤改良劑類型均響應(yīng)顯著；AP活性對土層和土壤改良劑類型響應(yīng)均不顯著。

3? 討論

本研究中生物炭、秸稈、木質(zhì)素施用均顯著提高了土壤有機碳含量，有機碳含量隨各物質(zhì)施用量的增加而增加，是由于這3種物質(zhì)均為外源添加有機物質(zhì)，可在土壤中腐化分解，對土壤培肥和改良具有重要作用^[15-16]。秸稈和木質(zhì)素提高了土壤全氮含量，是因為粉碎秸稈在高溫多雨的條件下在烤煙成熟期時腐化分解釋放了氮素，補充了烤煙生長消耗的氮素；木質(zhì)素顯著提高了土壤的全氮含量，可能是木質(zhì)素的特殊三維立體空間結(jié)構(gòu)，其吸附基團多，能夠減緩氮肥過快地向銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化的分解過程，降低了施入氮肥的損失量，從而在成熟期時呈現(xiàn)較高的氮含量^[17]；陳金旭等也認(rèn)為添加木質(zhì)素抑制了土壤銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化的速率，顯著降低了土壤硝化作用強度，減少了土壤氮素?fù)p失^[18]。生物炭、秸稈均提高了土壤的全磷含量，是由于玉米秸稈制成的生物炭中磷含量較高，還田后腐化分解提高了土壤磷素含量，生物炭則通過吸附作用減少了土壤磷淋失，進(jìn)而在烤煙成熟期時土壤磷含量較CK顯著增加^[19-20]；而木質(zhì)素顯著降低土壤全磷含量，可能是木質(zhì)素可添加到磷肥中作為活化劑和保護劑，其具有螯合和離子交換的性能，能顯著激活土壤磷肥有效性，提高肥料利用率，降低烤煙成熟期的土壤全磷含量^[21]。碳氮比和碳磷比通常被認(rèn)為是土壤氮素、磷素礦化能力的標(biāo)志，對作物生長發(fā)育具有重要影響^[22]。本研究中生物炭、秸稈、木質(zhì)素這3種有機物質(zhì)輸入，顯著增加了土壤有機碳、氮素、磷素含量，提高土壤碳氮比和碳磷比，改善了土壤的養(yǎng)分條件?？緹熒L適宜的氮磷比范圍為1∶1左右^[23]，木質(zhì)素施用提高了土壤的氮磷比，因此使用木質(zhì)素改良煙田時，可減少磷肥施用量，節(jié)約種植成本。

土壤酶活性主要受土壤水分、溫度、耕作、施肥、土地利用方式等諸多因素影響^[24]。土壤改良劑施入60 d左右（8月）才對土壤酶活性產(chǎn)生顯著影響，說明其具有一定的滯后效應(yīng)。酸性磷酸酶、蔗糖酶和纖維素酶活性均在8月時（旺長期）最強，這與烤煙生長發(fā)育較為一致；過氧化物酶活性在烤煙成熟期（9月）較強，同時受土層變化影響顯著，隨土層加深而降低，主要是由于其參與難降解的木質(zhì)素分解過程、土壤腐殖化過程等，而烤煙成熟期有機物質(zhì)累積較多，土壤腐質(zhì)化程度高，有機物質(zhì)含量隨土層深度加深而減少^[25]。有機土壤改良劑施入能增加土壤有機質(zhì)含量，其作為土壤微生物繁殖和發(fā)育的重要能量和養(yǎng)分來源，對改善土壤微生態(tài)環(huán)境、增強土壤酶活性有較好的效果^[26]。本研究驗證了前人的試驗結(jié)果，施用生物炭和秸稈2種改良劑后脲酶、酸性磷酸酶、過氧化物酶、蔗糖酶、纖維素酶活性均在0～20 cm土層內(nèi)不同程度增強^[27-29]。其中生物炭和秸稈施用后，對土壤脲酶和過氧化物酶活性的增強作用相同，但秸稈對酸性磷酸酶、蔗糖酶活性的增強效果優(yōu)于生物炭，秸稈對土壤酶活性的促進(jìn)作用總體優(yōu)于生物炭，這與Tian等的研究結(jié)論相似，秸稈還田增加土壤酶活性主要是由于秸稈本身含有富碳物質(zhì)以及氮、磷、鉀等多種養(yǎng)分，其腐解能使土壤綜合生態(tài)因子改善，為土壤中的微生物提供豐富的養(yǎng)分和適宜的生存條件，提高土壤微生物活性，進(jìn)而促進(jìn)酶活性的提高^[30]。

聚丙烯酰胺作為保水劑和土壤結(jié)構(gòu)改良劑可通過改善土壤物理性質(zhì)，為土壤微生物提供適宜的生存環(huán)境，從而對土壤酶活性產(chǎn)生不同程度的直接或間接影響^[31]。本研究中聚丙烯酰胺增強了土壤脲酶、酸性磷酸酶活性，主要是因為脲酶活性與氮含量顯著正相關(guān)（表3），聚丙烯酰胺降低了土壤養(yǎng)分氨揮發(fā)，抑制了氮素深層移動效應(yīng)，控制氮素淋失^[13]。同時聚丙烯酰胺作為保水劑可以提高土壤含水率，而氮礦化速率和酸性磷酸酶活性均與含水率正相關(guān)，含水率增加則土壤氮礦化速率增強，氮素釋放、吸收、轉(zhuǎn)運和積累增加，為土壤微生物提供了豐富的氮素養(yǎng)分，微生物活性增強，間接促進(jìn)微生物分泌胞外酶^[32-33]。氧化類酶的活性受到土壤含水率、結(jié)構(gòu)和腐殖質(zhì)含量等諸多因素的影響，主要與土壤含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系^[34]，聚丙烯酰胺作為保水劑施用表現(xiàn)為顯著抑制土壤過氧化物酶活性。木質(zhì)素與生物炭和秸稈性質(zhì)相似，均在0～20 cm土層內(nèi)不同程度顯著增強了脲酶、酸性磷酸酶、過氧化物酶、蔗糖酶、纖維素酶活性，是由于木質(zhì)素施入對土壤養(yǎng)分含量有顯著影響，而酶活性與養(yǎng)分含量間密切相關(guān)，如脲酶活性與SOC含量、TN含量、C/N、C/P顯著或極顯著正相關(guān)；酸性磷酸酶活性與TN含量顯著正相關(guān)；過氧化物酶活性與SOC、TN、TP含量極顯著正相關(guān)，與N/P顯著負(fù)相關(guān)；蔗糖酶活性與SOC、TN、TP含量極顯著正相關(guān)，與N/P顯著負(fù)相關(guān)；土壤養(yǎng)分的輸入會促進(jìn)土壤微生物快速生長發(fā)育，進(jìn)而促進(jìn)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與固定的相關(guān)酶活性。同時木質(zhì)素在本研究中施用量遠(yuǎn)小于秸稈，與生物炭用量相同，且木質(zhì)素價格較生物炭低，在土壤改良中施用木質(zhì)素可保證土壤改良效果的同時節(jié)約成本。

4? 結(jié)論

在0～20 cm土層內(nèi)，同一種土壤改良劑的高量施用對土壤碳氮磷養(yǎng)分積累的促進(jìn)作用更大；4種土壤改良劑對土壤養(yǎng)分的改善作用表現(xiàn)為秸稈>木質(zhì)素>生物炭>聚丙烯酰胺，對土壤酶活性的改善作用表現(xiàn)為秸稈>生物炭>木質(zhì)素>聚丙烯酰胺。相較于秸稈和生物炭2種傳統(tǒng)改良劑，木質(zhì)素也能明顯改善土壤養(yǎng)分和酶活性，結(jié)合其方便、經(jīng)濟的特點，可在田間推廣應(yīng)用。

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