膨潤土與生物炭配施對風沙土壤磷相關酶活性及供磷能力的影響

中圖分類號X171文獻標識碼A

文章編號 0517-6611（2025）11-0137-06

doi：10.3969/j. issn. 0517-6611.2025.11. 030

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Efects of Combined Aplicationof Bentoniteand Biochar onPhosphorus-related Enzyme Activities and Phosphorus Suply Capacity of Sandy Soil

LONG Qing，ZHAO Xue-song，WANGLi-ngetal（CollgeofEnvromentalcienceandEnginering，LiaoningTchcalUnvesiy， Fuxin，Liaoning ）

AbstractThispapersudedtefectsofentoiteandoarwitdiereonolitecontentsonteactivityofposposelated enzmes，pospousalabilitlantpospousbsorptiondplntoassindndsilatftpropoos.elssd thatthecombinedaplicatiooftetwoouldsignificantlyincreasesoilposphorus-relatedeeactivityadpospousavalabilityas wellasplantpspusabsotionandplntdryeight，andtereasasignificantiteractionbtweenmonoloiteontentadicr application amount. The best effct was achieved when the montmorilonite content in bentonite was 83.5% and the biochar application amount was 1200kg/hm² .Redundancyanalysis showed that organic carbon was the most important factor afecting plant phosphorusabsorption，and thecoelaionetwnactivityandsolproprisastestrongestTestructuraluationodelshoedtatteiceaseialie phosphataseactivityselatedtoochar，teicreaseiacidpospataseactivityasrelatedtobentoitendteicreaseintaseand phosphodiesteraseactieswasrelatedtoothbiochaandbentonite;HYandALPadsignificantposiefetsonavalablepospos contentandplantposporusabsorptio.Tesersultsshowedthatthecombinedaplicatioofbentoiteandbocharcouldimprovoilpos phorussupplycapacitybyincreasingALPandPYactivitiesinsandysoil，withbiocarmakingtegeatestcontributionReasoablesel tionof the montmorilloitecontentand biocharapplicationamount in bentonitecould more efectivelyincreaseplantbiomass.

Keywordseolasandsoil;entoiteocharapplicatio;ospous-elatedeeactivityospousabsorptio;osoail bility

磷是植物生長不可或缺的養(yǎng)分，也是農業(yè)生產中最重要的養(yǎng)分限制因子[1]。土壤有機磷是土壤磷庫的重要組成部分，占表土全磷的 20%～80%^[2] 。土壤有機磷經過土壤酶的礦化分解可釋放無機磷供給植物吸收利用。土壤有機磷礦化相關酶主要由植物根或土壤微生物分泌，包括酸性磷酸酶（ACP）堿性磷酸酶（ALP）磷酸二酯酶（PD）和植酸酶（PHY）等[3]。這些磷相關酶可以催化含磷有機化合物釋放磷酸鹽，其活性最能反映有機磷礦化速率和潛在的供磷能力[4]。

風沙土主要分布于我國北部的干旱和半干旱地區(qū)，較低的黏土和有機質含量導致其持水能力和保水性差、磷有效性低，不利于作物生長[5]。礦物肥料的投人大大提高了土壤養(yǎng)分含量以及農業(yè)生產力。然而，過度施肥會導致一系列環(huán)境和生態(tài)問題，從而限制農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。如何在不影響作物產量的情況下實現低化肥投人是土壤養(yǎng)分管理領域的熱點問題。近年來生物炭和膨潤土作為土壤改良劑引起了人們的關注。生物炭是通過熱解或氣化在限氧下加熱農業(yè)殘留物制成的具有高吸附容量、高比表面積以及礦質養(yǎng)分（P、K，Ca，Mg） 的富碳材料[，施入土壤后能夠直接增加土壤有機質和磷素含量。膨潤土是一種以蒙脫石類礦物為主要組分的黏土礦物，其層狀硅酸鹽結構具有相當大的膨脹性和高吸水能力[7。研究表明，生物炭可以通過改變土壤性質及磷循環(huán)的一系列生化過程來促進磷的有效性[8-9]，可以促進作物根系生長和根際分泌物釋放來增加作物對磷的吸收[0]膨潤土能改變土壤生化性質，增加土壤酶活性，尤其在砂質或砂壤土上施用效果較為明顯[11]。另外，Wang 等[12]研究表明腐殖酸-生物炭-膨潤土作為改良劑能改變土壤通透性和土壤肥力，提高植物生物量和植物磷吸收。因此，從農業(yè)殘留物中回收和循環(huán)利用磷以及合理利用天然黏土礦物材料是改善風沙土壤質量的可行方法[13-14]。但不同來源的膨潤土蒙脫石含量不同，具有不同的礦物學性質。膨潤土特別是不同蒙脫石含量的膨潤土和生物炭配施處理對風沙土壤磷相關酶活性及供磷能力的影響及其機制尚不清楚。

因此，筆者研究了不同蒙脫石含量的膨潤土和生物炭配施處理對風沙土壤磷相關性質、磷相關酶活性和植物磷吸收的影響及其相互關系，旨在為準確理解風沙土壤磷相關酶活性以及供磷能力對膨潤土和生物炭與化肥配施的響應機制提供理論依據，對風沙土壤磷素管理策略的制定具有重要意義。

1材料與方法

1.1試驗地概況 供試土壤取自遼寧省阜新市彰武縣章古臺鎮(zhèn)實驗站（ 122^°57^′E，42^°67^′N） ，屬于半干旱區(qū)，年平均氣溫5.7°C ，平均相對濕度 60% ，年降水量 500mm 左右，年蒸發(fā)量約為年降水量的3倍，無霜期約 150d 。供試土壤類型為風沙土，基本理化性質見表1。

1.2試驗材料紫花首蓿種子購自寧夏上谷農牧開發(fā)有限公司，首先進行發(fā)芽試驗，具體試驗方法參照GB/T3543.4—1995《農作物種子檢驗規(guī)程發(fā)芽實驗》；生物炭購于河南省鄭州市南立澤環(huán)保科技有限公司，是在 500^°C 下經過高溫、限氧條件下裂解制得的玉米秸稈生物炭，其理化性質見表1。試驗所用膨潤土為遼寧建平鈣基膨潤土，其基本礦物成分和物理性質見表1;試驗所用化肥購于廣東省珠海市廣東品牌農資批發(fā)廠，其中氮肥（ NH₄HCO₃ ）） 46% ，磷肥 （P₂O₅）39% ，鉀肥 （K₂0）45% 。

1.3試驗設計生物炭設置4個施人量，分別為600、800、1000，1200kg/hm² ，膨潤土選擇4種不同蒙脫石含量的鈣基膨潤土，蒙脫石含量分別為 67. 50%.75. 50%.83. 50% 191.50% ，施入量均為 3.6kg/m² 。不同蒙脫石含量的鈣基膨潤土、生物炭配施試驗設計見表2。試驗共4個處理和1個空白對照，每個處理均設置3個重復。將每個處理的生物炭、膨潤土和化肥充分混合，并采用造粒機將其制成粒度為1～5mm 的復混肥顆粒。

盆栽試驗供試基質均為科爾沁沙地風沙土，將 2 000g 供試風沙土與試驗設計對應的復混肥顆粒充分混勻，裝入盆中澆足底水后，每盆均勻撒人120粒紫花苜蓿（Medicagosativa）種子，用供試基質均勻覆蓋 1cm 左右，待紫花苜蓿長至 3cm 時，每盆間苗至50珠，根據年降水量7d澆水2次，生長期為1年，于2022年7月播種，2023年7月收獲。試驗所用花盆外徑為 20.5cm ，內徑為 17.2cm ，底徑為11.3cm ，高度為 11.5cm ?？瞻讓φ罩挥锌茽柷呱车仫L沙土，不施肥。

1.4土壤采集和化學分析試驗于2022年7月開始，2023年7月植物收割后取樣，將盆土挑除植物殘體后過 2mm 篩立即測定土壤磷相關酶活性和生物特性，剩余部分土風干后測定土壤理化性質。植物在 105^°C 殺青 30min，75^qC 烘至恒重后測定干物質量并用于植物磷吸收測定。

土壤 pH 采用PHS-3C酸度計測定（ 1：2.5 土水比，PHS-3C，雷磁）;根據《土壤農化分析》[1]，土壤有機碳采用外加熱重鉻酸鉀容量法測定；土壤全磷采用 ΔNaOH 熔融，鉬藍比色法測定;土壤Olsen-P采用 浸提，鉬藍比色法測定。土壤酸性磷酸酶和堿性磷酸酶（ACP和ALP）活性測定采用對硝基苯磷酸鹽法[15]，磷酸二酯酶活性（PD）測定采用雙對硝基苯磷酸鹽法[，植酸酶（PHY）活性采用釩鉬黃比色法測定[17]。土壤微生物量碳（MBC）和微生物量磷（MBP）根據 W_u 等[18]的方法，通過用氯仿熏蒸土壤提取來測定。

1.5數據分析 數據整理用Excel，采用SPSS27.0對數據進行差異分析（多重比較和 T 檢驗），使用Graphpad9進行柱狀圖繪制，回歸分析使用 0rigin 2021 分析并制圖，使用Canocos.0 進行冗余分析，結構方程使用Amos17.0進行擬合。

干物質量 Σ=Σ 地上部分干物質量 + 地下部分干物質量（kg/hm²）

植物磷吸收 干物質量 ?× 總磷含量（ g/hm² ）

植物總磷吸收 Σ=Σ 地上部分磷吸收 + 地下部分磷吸收（g/hm²）

2 結果與分析

2.1膨潤土和生物炭配施對土壤磷相關性質的影響由表3可知，與CK相比，膨潤土和生物炭配施顯著提高了土壤ΔpH ，顯著增加了土壤有效磷（Olsen-P）有機碳（SOC）、微生物量碳（MBC）和微生物量磷（MBP）含量， pH 提高了6.70%～18.79% ，SOC增幅在 71. 03%～133. 18% ，MBC和MBP分別增加了 145.69%～321.04% 和 111. 72%～344.96% 。C2B4處理下土壤Olsen- ΔP 、SOC、MBC和MBP含量均最高，分別比CK提高了191 1.40%.133.18%.321.04% 和 344.96% 說明土壤性質受二者配施情況的影響，其中蒙脫石含量為83.50% 、生物炭施加量為 1200kg/hm² 時土壤性質變化最大。方差分析表明，膨潤土、生物炭對于Olsen-P含量的影響表現為生物炭 gt; 膨潤土，生物炭和膨潤土的作用均達極顯著水平（ _{（Plt;0.01）} °

2.2膨潤土和生物炭配施對土壤磷相關酶活性的影響 土壤酸性磷酸酶（ACP）堿性磷酸酶（ALP）磷酸二酯酶（PD）以及植酸酶（PHY）能水解土壤有機磷化合物生成正磷酸鹽，它們在有機磷的礦化中起重要作用。由圖1可知，與CK相比，各處理條件下4種土壤磷相關酶ACP、ALP、PD、PHY活性均顯著提高，且C2B4處理的ACP、ALP、PD和PHY活性均最高，分別提高了112. 61% 、287. 88% 、306.06%.225.00% 。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著（ Plt;0.05） 0

ig.1Activitiesofsoilacid phosphatase，alkalinephosphatase，phosphodiesteraseandphytaseunderdifferenttreatmen

2.3膨潤土和生物炭配施對植物生物量和磷吸收的影響由圖2可知，與CK相比，膨潤土和生物炭配施條件下各處理的紫花苜?？偢芍睾椭参锟偭孜樟烤@著增加，增幅分別為 514.26%～1 054.51% 和 970. 19%～3 310. 33% ，C2B4處理下植物總干重和總磷吸收量均最高，分別比CK顯著提高了 1 054.51%.3 310.33% ，說明蒙脫石含量為 83.5% 、生物炭施加量為 1200kg/hm² 時對植物生長最有利。二者配施的交互作用分析（圖3）表明，隨生物炭添加量的增加，植物干重呈波動上升趨勢，而膨潤土中蒙脫石含量對植物干重的影響為蒙脫石含量為 83.50% 時最高，蒙脫石含量為 75.50% 時次之，蒙脫石含量為91. 50% 和 67.50% 時最低，二者曲線基本重合，說明蒙脫石含量過高或者過低都不利于植物生長。可見，合理選擇膨潤土中蒙脫石含量和生物炭施加量可以顯著增加植物生物量。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著（ Plt;0.05） 。

Note：Different lowercase letters indicated significant difference between different treatmentatO.O5 level.

2.4土壤性質與磷相關酶活性及植物磷吸收的冗余分析冗余分析結果表明（圖4），5個土壤磷相關性質解釋了全部差異的 95.27% ，其中第一軸和第二軸的解釋率分別為90.55% 和 4.72% 。4個處理中C1B3、C2B4、C4B2位于RDA1的左邊，與全部10個變量箭頭指向一致，而CK和C3B1位于RDA1的右邊，與全部10個變量箭頭指向相反，二組之間有明顯的空間分異，其中C2B4與CK距離最遠，說明與CK相比，C1B3、C2B4、C4B2（特別是C2B4）處理條件下土壤性質、土壤磷相關酶活性和植物磷吸收發(fā)生了顯著變化。Olsen-P含量、SOC、MBC和MBP與植物磷吸收量及磷相關酶活性箭頭指向一致，說明Olsen-P、SOC、MBC和MBP均與植物磷吸收量和磷相關酶活性相關，其中SOC含量與植物磷吸收量和PHY箭頭指向一致且夾角最小，說明二者極顯著正相關且相關性最強。

2.5生物炭、膨潤土對土壤磷有效性及植物磷吸收的貢獻結構方程模型（SEM）作為一種多功能且高效的建模手段，常用來探究各種變量之間的關聯性。結構方程模型分析表明（圖5），生物炭、膨潤土施用均可影響磷相關酶活性，進而影響磷有效性和植物磷吸收。生物炭主要影響ALP、PD和PHY活性，標準化系數分別為0.8750.422和0.570，膨潤土主要影響ACP、PD和PHY活性，標準化系數分別為0.651、0.637和0.489。生物炭通過對土壤ALP活性的極顯著正向影響間接影響Olsen-P含量，進而影響磷吸收，此外生物炭還可以通過對ALP和PHY活性的正向影響從而影響植物磷吸收，標準化系數分別為0.341和0.509。施用生物炭對土壤ALP活性的影響高于PHY，但PHY活性對磷吸收的影響比ALP大。膨潤土也能夠通過對PHY活性的顯著正向影響從而影響磷吸收，其影響力低于生物炭。說明生物炭極顯著影響ALP和PHY活性，而ALP和PHY活性顯著正向影響Olsen-P含量和植物磷吸收。膨潤土顯著影響ACP、PD和HPY活性，但ACP活性對Olsen-P含量和植物磷吸收無顯著影響，而PD活性對植物磷吸收有顯著負效應，對Ols-en-P含量無顯著影響。PHY活性同時受到膨潤土和生物炭的調控，且顯著正向影響Olsen-P含量和植物磷吸收，對植物磷吸收的影響比ALP大。生物炭和膨潤土主要通過提高風沙土壤PHY和ALP活性促進了風沙土壤磷有效性和植物磷吸收，其中生物炭的貢獻更大。

注： x²=12.644，P=0.426，GFI=0.842，PMSEA=0.029;* ***Plt; 0.001，** Plt;0.01 ，* Plt;0.05 紅色箭頭表示正面效果，藍色箭頭表示負面效果，灰色箭頭表示不重要路徑。直線粗細程度表示影響大小，數字表示標準化總影響系數。

N ote：x²=12.644，P=0.426，GFI=0.842，PMSEA=0.029;*** 0.001，**Plt;0.01，*Plt;0.05 .Red arrows indicate positive effects，blue arrowsindicate negative effects，and gray arrowsindicateunimportantpaths，which are deletedin the final model. The thickness of the straight line indicates the magnitude ofthe influence，and the number representsthe total standardized influence coefficient.

圖5生物炭、膨潤土和化肥投入對土壤磷相關酶活性與有效磷和磷吸收的結構方程模型

Fig.5Structural equation model of soil phosphorus-related enzymeactivitiesand availablephosphorusandphosphorus uptakebybiochar，bentoniteandchemical fertilizerinputs

3討論

風沙土是重要的耕地資源之一。然而，風沙土壤沙化嚴重，其較低的養(yǎng)分含量及磷有效性，不利于植物生長。土壤磷相關酶可以催化有機磷轉化為磷酸鹽，對提高土壤磷有效性和植物生產力至關重要。植物生物量是重要的生長參數，而植物磷吸收直接體現了植物對磷的利用率。該研究發(fā)現，膨潤土和生物炭配施顯著影響風沙土壤磷相關酶活性以及供磷能力，各處理條件下ACP、ALP、PD、PHY活性與對照相比均顯著提高，土壤Olsen-P、SOC、MBC、MBP含量以及植物磷吸收和干重均顯著增加。Dai等[研究發(fā)現，生物炭能提高ACP、ALP和PHY的活性，從而催化有機結合磷的水解。Khadem等[20]發(fā)現，玉米秸稈生物炭通過增加ALP活性促進了干旱土壤中有機磷的礦化。趙雪淞等[2]和馮慧琳等[22]研究表明，膨潤土和生物炭會引起土壤微生物豐富度的增加或是將可用磷引入土壤，從而促進土壤磷相關酶活性。Ibrahim等[23]研究發(fā)現生物炭可以為酶促反應提供豐富的底物，且生物炭具有高比表面積和吸附能力可以吸附酶促反應的底物，提高酶活性。該研究結果印證了上述研究。說明膨潤土和生物炭配施不僅為植物生長提供了直接養(yǎng)分，而且通過改善土壤性質和微生物活性顯著提高了磷相關酶活性，從而促進了有機磷礦化，提高了供磷能力。此外，生物炭在減少浸出造成的養(yǎng)分損失方面具有潛在作用，且還能夠向植物緩慢釋放這些養(yǎng)分來提高持續(xù)的磷供應[24]，這也是植物生物量和磷吸收增加的原因。

結構方程模型分析生物炭、膨潤土投入對土壤磷相關酶活性與有效磷和磷吸收的貢獻，結果表明，膨潤土和生物炭共同促進了PHY活性；生物炭通過促進ALP和PHY活性進而促進植物磷吸收，膨潤土只能通過促進PHY活性進而促進植物磷吸收，其影響力低于生物炭。PD抑制植物磷吸收的具體機制尚不清楚。

ACP 和ALP是植物分泌的主要酶類[25]。與ACP 和ALP 相比，PD 和 PHY 的根細胞外活性較低[26-27]。除少數外，微生物也僅產生細胞內 PHY^[28] 。然而，將產生PHY 的細菌添加到模型系統(tǒng)中，即在含有有機磷源的瓊脂上生長的植物，已被證明可以極大地增加植物從植酸鹽中獲取磷的利用率。說明植物和微生物主動或被動釋放到土壤中的PHY在數量上遠低于ACP和ALP，但PHY酶對植物磷吸收有重要作用。該研究發(fā)現土壤Olsen-P含量與PHY和ALP活性均呈極顯著正相關，PHY與ALP共同在調節(jié)土壤磷有效性方面表現出主導作用。冗余分析表明SOC是PHY酶活性最重要的影響因子，說明PHY酶活性可能主要由碳驅動，而不是受磷驅動。Kawaguschi等[29]也報道了類似結果。植物磷吸收與土壤SOC、MBC、Olsen-P和MBP均呈顯著正相關，其中與SOC相關性更強，說明在膨潤土生物炭和化肥配施條件下土壤有機碳對磷生物利用度的影響比有效磷更大。

4結論

不同蒙脫石含量膨潤土與生物炭配施各處理條件下風沙土壤ACP、ALP、PD、PHY活性均顯著提高，土壤Olsen-P、SOC、MBC、MBP含量以及植物磷吸收和植物干重均顯著增加，其中蒙脫石含量為 83.5% 、生物炭施加量為 1200kg/hm² 時效果最佳。膨潤土與生物炭和化肥配施條件下生物炭主要影響ALPPHY和PD活性，膨潤土主要影響ACP、HPY和PD活性。PHY和ALP在激活風沙土壤有機磷、調節(jié)土壤磷有效性和提高植物對磷利用率方面表現出主導作用，ACP對Olsen-P和植物磷吸收均無顯著影響，而PD對植物磷吸收有顯著負效應，對Olsen-P無顯著影響。生物炭和膨潤土對土壤各檢測指標的影響均達極顯著水平，生物炭的影響更大。合理選擇膨潤土中蒙脫石含量和生物炭施加量可以顯著提高風沙土壤磷相關酶活性以及供磷能力，增加植物生物量。該研究為優(yōu)化生物炭和膨潤土在農業(yè)磷管理中的應用、為解決過度施肥導致的一系列環(huán)境和生態(tài)問題提供理論依據。

參考文獻

[1]鮑士旦.土壤農化分析[M].3版.北京：中國農業(yè)出版社，2000.

[2]耿增超，戴偉.土壤學[M].北京：科學出版社，2011.

[3]KUNITO T，HIRUTAN，MIYAGISHIY，etal.Changesinphosphorusfractions caused by increased microbial activityin forest soil in a short-term incubation study[J]. Chemical speciation amp; bioavailability，2018，30（1）： 9-13.

[4]HOU E Q，CHEN C R，WEN D Z，et al. Phosphatase activity in relation to key litter and soil properties in mature subtropical forests in China[J]. Science of the total environment，2015，515/516：83-91.

[5]WEBER J，KARCZEWSKA A，DROZD J，et al. Agricultural and ecological aspects of a sandy soil as affected by the application of municipal solid waste composts[J]. Soil biology and biochemistry，2007，39（6）： 1294- 1302.

[6]LEHMANN J，JOSEPH S. Biochar for environmental management：An introduction[M]//LEHMANN J，JOSEPH S.Biochar for environmental management.London：Routledge，2015：1-13.

[7]PUMA S，DOMINIJANNI A，MANASSERO M，et al. The role of physical pretreatments on the hydraulic conductivity of natural sodium bentonites [J].Geotextiles＆ geomembranes，2015，43（3）：263-271.

[8]HONG C，LU S G.Does biochar aect the availability and chemical fractionation of phosphate in soils？[J].Environmental science and pollution research，2018，25（9） ：8725-8734.

[9]YANGL，WUYC，WANGYC，etal.Effectsofbiocharadditionon the abundance，speciation，availability，and leaching loss of soil phosphorus[J]. Science of the total environment，2021，758：143657.

[10]BORNOML，EDUAHJO，MULLER-STOVERDS，etal.Effect of different biochars on phosphorus（P）dynamics in the rhizosphere of Zea mays L.（maize）[J].Plant and soil，2018，431（1） ：257-272.

[11]MI J Z，GREGORICH E G，XU S T，et al. Changes in soil biochemical properties following application of bentonite as a soil amendment[J].European journal of soil biology，2021，102：1-7.

[12]WANG X，LU S C，PEI Z Q，et al. Effects of soil conditioners on absorptionof phosphorus by waxy corn and phosphorus transformation in high phosphorus soils[J].E3Sweb of conferences，2020，143：1-8.

[13]LI B L，BICKNELL K B，RENWICK A. Peak phosphorus，demand trends and implications for the sustainable management of phosphorus in China [J].Resources conservation and recycling，2019，146：316-328.

[14]MI JZ，GREGORICH E G，XU S T，et al. Effect of bentonite amendment on soil hydraulic parameters and millet crop performance in a semi-arid region[J].Field cropsresearch，2017，212：107-114.

[15]WEAVER R W，ANGLE C，BOTTOMLEY P，et al. Methods of soil analysis.Part 2. Microbiological and biochemical properties[M].Madison， USA：Soil Science Society America，1994.