生物炭及炭基硝酸铵肥料对土壤酶活性的影响

赵 军，耿增超，张 雯，陈心想，尚 杰，王秋铭，孙怡萍

(西北农林科技大学 资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100)

生物炭及炭基硝酸铵肥料对土壤酶活性的影响

赵 军，耿增超，张 雯，陈心想，尚 杰，王秋铭，孙怡萍

(西北农林科技大学 资源环境学院，农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100)

【目的】 研究2种生物炭(竹炭、木炭)及生物炭基硝酸铵肥料对土壤主要酶活性的影响，为土壤培肥以及合理施用生物炭提供理论依据。【方法】 采用糜子、冬小麦连续种植盆栽试验，在砂土和壤土土壤上各设置6种施肥处理，分别为不施氮肥对照(CK)及施用硝酸铵(AN)、竹炭(BC)、木炭(WC)、竹炭基氮肥(BAN)、木炭基氮肥(CAN)，测定糜子、小麦收获后2种土壤中蔗糖酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶和脲酶活性的变化。【结果】 在砂土土壤中2季作物收获后，各处理蔗糖酶活性从高到低为CAN>BAN>AN>WC>BC>CK，且CAN、BAN与其他处理差异显著；糜子收获后，土壤碱性磷酸酶活性以CAN处理最高，且与其他各处理均具有显著差异，而小麦收获后，除CAN处理外，其他各处理碱性磷酸酶活性较糜子季均有大幅度增加。在壤土土壤中，收获2季作物后，各处理土壤蔗糖酶活性由高到低依次为BAN>AN>CAN>WC>BC>CK；第1季糜子收获后，碱性磷酸酶活性CAN处理最强，BC处理最低；小麦收获后，AN处理的碱性磷酸酶活性最强，BC处理最低。不论是在糜子季还是小麦季，过氧化氢酶活性在2种土壤中表现基本相同，均以CAN处理最强，BC处理最弱。在2种土壤中，糜子收获后，各处理脲酶活性从高到低依次为BAN>CAN>AN>CK>BC>WC；在小麦收获后，各处理脲酶活性从高到低依次为CAN>AN>BAN>BC>CK>WC。【结论】 与CK相比，施用BAN和CAN仅对土壤蔗糖酶、碱性磷酸酶活性有显著影响，而施用BC、WC对土壤酶活性的影响较小；除砂土中碱性磷酸酶活性外，2种土壤中各施肥处理在糜子季的酶活性均较小麦季高。

生物炭；生物炭基氮肥；蔗糖酶；过氧化氢酶；碱性磷酸酶；脲酶

土壤酶是土壤组分中最活跃的有机成分之一[1],是由微生物、动植物活体及其残骸分解释放于土壤中的一类具有生物活性的物质，作为土壤生态系统中物质和能量转化联系的纽带[2]，其既是土壤有机物的转化者，又是植物营养元素的活性库[3]。土壤酶活性的高低直接影响土壤生态系统的物质循环过程，是衡量土壤理化特性、肥力水平、微生物学特征和土壤环境污染状况的重要指标[4-10]。此外，它还是土壤新陈代谢的重要因素[11]，参与土壤中许多重要的生物化学过程，如腐殖质的合成与分解，有机化合物、高等植物和微生物残体的分解及其转化等[5]。近年来，国内外学者对土壤酶做了大量的研究，例如张银龙等[12]的研究表明，水解酶类活性在冬季最低，春季上升，夏季和秋季较高；Tabatabai等[13-14]研究了土壤腐殖质与酶活性的相互作用；Kromer等[15]的研究结果表明，林地土壤微气候对土壤酶活性有明显的影响。目前不同培肥措施、肥料品种、施肥方式对土壤酶活性影响的研究已成为土壤酶学研究的热点问题之一[16-17]。其中土壤蔗糖酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶和脲酶是土壤中最常见的几种酶。所以，这几种酶的活性对反映土壤的肥力水平具有非常重要的意义。

生物炭是生物有机材料(或生物质)在缺氧或低氧环境中经热裂解后产生的固体产物，多为粉状颗粒[18-19]。生物质炭不仅可以增加土壤中的碳储量，将碳封存在土壤中有效地减少CO2的释放，而且它还可以作为土壤改良剂，提高土壤肥力和生产力[20-21]。近年来，将生物质炭用作土壤改良剂、肥料缓释载体及碳封存剂备受世人的关注[18，22-24]，具有广阔的应用前景。但是，目前将生物炭作为肥料载体施入土壤，研究其对土壤酶活性的影响却很少有报道。为此，本试验采用一定工艺小试制备2种生物炭基硝酸铵肥料，采用盆栽试验研究生物炭基氮肥、生物炭材料对土壤酶活性的影响，以期为生物炭农用及炭基肥料在作物上的合理应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 供试土壤 供试土壤为采自陕西省杨凌农业高新示范区二道塬的土娄土和陕西省杨凌示范区渭河河滩的新积土。根据国际制土壤质地的分级标准，土娄土、新积土的质地分别为壤土和砂土，其性质和颗粒组成见表1。

1.1.2 供试作物 供试作物为西北农林科技大学选育的小麦品种“小偃22号”和宁夏固原市农业科学研究所选育的糜子品种“宁糜14号”。

表1 供试土壤的基本理化性质Table 1 Chemical and physical properties of tested soil

1.1.3 供试生物炭和生物炭基氮肥 研究所用的生物炭有2种：竹炭(Bamboo charcoal，BC)，粉末状；木炭(Wood charcoal，WC)，大块状，经研磨过孔径1 mm筛后使用，2种生物炭材料均系市场采购。供试生物炭基氮肥有竹炭基氮肥(Bamboo charcoal-based nitrogenous fertilizer,BAN)和木炭基氮肥(Wood charcoal-based nitrogenous fertilizer,CAN)，二者分别由BC和WC(过孔径1 mm的筛)置于一定浓度硝酸铵水溶液中吸附平衡24 h后，60 ℃恒温鼓风干燥箱烘干而成，用塑封袋保存备用。以上4种材料的部分理化性质见表2。

表2 生物炭及炭基氮肥的基本理化性质Table 2 Chemical and physical properties of biochars and biochar-based nitrogenous fertilizers

1.2 试验设计

试验采用双因素随机区组设计，设施肥处理和土壤质地2个因素。本研究采用室外盆栽试验，在施用了等量磷肥和钾肥的2种不同质地土壤中各设6种处理，分别为不施氮肥对照(CK)及施用硝酸铵肥料(AN)、BC、WC、BAN和CAN，每处理设置4次重复，每盆装土量为5 kg。氮、磷、钾肥分别为分析纯硝酸铵(含N 35%)、磷酸二氢钙(含P2O556%)、硫酸钾(含K2O 54%)，N、P2O5、K2O用量分别为225，180，150 kg/hm2，即每kg土施用0.2 g纯N、0.16 g P2O5、0.13 g K2O；竹炭、木炭、竹炭基氮肥、木炭基氮肥则均按每盆5 g炭量施用。

盆栽试验进行2季，每次种植作物前取出土壤与肥料充分混匀后装盆，第1季(2011-06-15-08-23)种植糜子，每盆定植25株；第2季(2011-10-09-2012-05-18)种植小麦，每盆定植20株。作物生长期间统一管理，收获后立即采集各盆土样，测定土壤酶活性。

1.3 分析方法

土壤酶活性测定参照关松荫[4]的方法进行，蔗糖酶活性用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，以每g土24 h产生的葡萄糖(Glucose)毫克数表示；过氧化氢酶活性用高锰酸钾滴定法测定，以每g土消耗0.02 mol/L KMnO4溶液毫升数表示；碱性磷酸酶活性用磷酸苯二钠比色法测定，以每g土24 h产生酚(PhOH)的毫克数表示；脲酶活性用靛酚蓝比色法测定，以每g土24 h产生的NH3-N的质量(mg)表示。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2007和DPS v.7.05统计软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)；多重比较采用最小显著差异法(LSD)，显著性水平设定为0.05。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤蔗糖酶活性的影响

土壤蔗糖酶又名转化酶，参与土壤有机质的矿化与分解，与土壤的碳素循环密切相关[25]，对增加土壤中易溶性营养物质起着重要的作用。

2.1.1 砂土土壤 由图1-A可以看出，在第1季糜子收获后，砂土不同施肥处理间土壤蔗糖酶活性存在明显的差异。各处理土壤蔗糖酶活性从高到低为CAN>BAN>AN>WC>BC>CK。除与BAN处理差异不显著外，CAN处理的土壤蔗糖酶活性显著高于其他处理；对照(CK)与BC和WC间的差异不显著，但与AN、BAN、CAN差异显著，而WC、BC和AN三者差异不显著。

在第2季小麦收获后，砂土各施肥处理土壤蔗糖酶活性较糜子季均有不同程度的降低，其中BC处理的降幅最大，为46.99%，BAN的降幅最小，为28.95%。虽然小麦季各处理土壤蔗糖酶活性的降幅差异很大，但蔗糖酶活性大小顺序与糜子季相同，即为CAN>BAN>AN>WC>BC>CK。同糜子季一样，除与BAN处理无明显差异外，CAN处理土壤蔗糖酶活性显著高于其他处理；WC、BC、AN处理与CK间差异不显著，但均高于CK。

2.1.2 壤土土壤 由图1-B可以看出，在第1季糜子收获后，壤土中各施肥处理土壤蔗糖酶活性大小顺序与砂土不同，表现为BAN>AN>CAN>WC>BC>CK；CAN、BAN、AN处理的蔗糖酶活性均显著高于CK，这与砂土土壤的结果一致；BC、WC 2种生物炭材料处理的蔗糖酶活性差异不显著，但WC处理略高于BC。在第2季小麦收获后，壤土土壤各施肥处理蔗糖酶活性的变化规律与第1季糜子收获后的变化规律完全一致。

结果表明，2种生物炭基氮肥CAN、BAN对蔗糖酶活性增加效果显著，这可能是因为生物炭与硝酸铵吸附制成的生物炭基氮肥C/N比较高，其较高的碳含量为蔗糖酶提供了更多的酶促基质，从而提高了酶活性，这与蒋和等[26]的研究结果相似。在2种土壤第2季作物收获后，各处理蔗糖酶活性均表现为大幅度的降低，即小麦季土壤蔗糖酶活性明显低于糜子季，这可能是因为生物炭及生物炭基氮肥对种植不同作物的土壤蔗糖酶活性的影响有差异，还可能是由于第2季作物收获后累积的生物炭和生物炭基氮肥对酶分子具有一定的吸附作用，从而对酶促反应的结合位点形成保护，使得土壤蔗糖酶分子与底物的结合受到一定的阻碍所致。砂土和壤土小麦收获后，AN处理蔗糖酶活性较糜子季分别降低了41.27%和55.93%，这与王冬梅等[27]研究得出的单施氮肥对蔗糖酶活性有抑制作用的结论相一致。

图1 不同施肥处理对土壤蔗糖酶活性的影响A.砂土；B.壤土；■.糜子季；□.小麦季；CAN、WC、BAN、BC、AN、CK分别表示木炭基氮肥、木炭、竹炭基氮肥、竹炭、硝酸铵对照、对照处理；同一土壤相同作物图柱上标不同小写字母者表示处理间差异达显著水平(P<0.05)，下图同

2.2 不同施肥处理对土壤过氧化氢酶活性的影响

土壤中的过氧化氢酶能酶促过氧化氢分解为氧气和水，与土壤微生物活动密切相关，有机质含量高的土壤，过氧化氢酶的活性较强，有利于解除过氧化氢的毒害作用和提高土壤肥力[5,7,28]。

2.2.1 砂土土壤 由图2-A可以看出，在第1季糜子收获后，土壤过氧化氢酶活性CAN处理最强，BC处理最弱；CAN与WC、BC处理具有显著差异；CK的过氧化氢酶活性高于AN处理，但二者差异不显著。在第2季小麦收获后，砂土各处理土壤过氧化氢酶活性与第1季糜子收获后相比均无明显变化，仅CAN、WC和AN处理略有增加，其余3个处理均呈小幅度的降低，且CK的土壤过氧化氢酶活性低于AN，但二者之间无显著差异。这与袁玲等[29]研究得出的过氧化氢酶活性在施肥处理间差异较小结果相似。

2.2.2 壤土土壤 由图2-B可以看出，2季作物收获后，壤土土壤中小麦季各处理土壤过氧化氢酶活性均较糜子季有不同幅度的降低；不论是糜子季还是小麦季，各处理对壤土土壤过氧化氢酶活性的影响效应基本相同，CAN处理的土壤过氧化氢酶活性最强，BC处理最低；CAN、BAN、AN处理和CK的土壤过氧化氢酶活性强弱基本相同，差异不显著。

图2 不同施肥处理对土壤过氧化氢酶活性的影响A.砂土；B.壤土；■.糜子季；□.小麦季

任祖淦等[16]研究发现，无肥区土壤的过氧化氢酶活性与试验前相比呈下降的趋势，施不同种类的肥料会不同程度地影响土壤过氧化氢酶活性，本研究结果与其结论一致，但与有些文献报道长期施肥可以提高土壤过氧化氢酶活性[26]不同，可能是由于所研究的土壤类型、种植方式及肥料的配施不同所致。

从图2还可以看出，2季作物收获后各处理过氧化氢酶活性均表现为壤土高于砂土。施2种生物炭处理过氧化氢酶活性均低于CK，而施用2种炭基氮肥处理均高于CK。

2.3 不同施肥处理对土壤碱性磷酸酶活性的影响

土壤碱性磷酸酶能够催化土壤有机磷的降解和有效化[25]，能将有机磷酯水解为无机磷酸，可以诱导磷酸酶的产生，土壤中有机磷在磷酸酶作用下可转化成可供植物吸收的无机磷，在一定程度上提高土壤有效磷的含量。

2.3.1 砂土土壤 由图3-A可以看出，在砂土土壤第1季糜子收获后，CAN处理的碱性磷酸酶活性最强，BC处理最低，CAN与其他处理均具有显著性差异，WC处理也与BC、AN、CK具有显著性差异，而BC、AN、CK三者间的差异均不显著。在砂土第2季小麦收获后，除CAN处理碱性磷酸酶活性略有降低外，其他处理土壤碱性磷酸酶活性较糜子季均大幅度的增加，其中AN处理的增幅最大，WC处理的增幅最小；碱性磷酸酶活性AN处理最强，BC处理最低；CAN、BAN、AN处理间碱性磷酸酶活性差异均不显著，但与其他3个处理碱性磷酸酶之间差异均达到显著水平，WC、BC、CK三者之间的差异均不显著，出现这一现象的原因还有待进一步研究。

图3 不同施肥处理对土壤碱性磷酸酶活性的影响A.砂土；B.壤土；■.糜子季；□.小麦季

2.3.2 壤土土壤 由图3-B可以看出，在第1季糜子收获后，壤土土壤碱性磷酸酶活性表现为CAN处理最强，BC处理最低；CAN与WC、BAN处理间无显著差异，而与其他处理间均具有显著差异。在第2季小麦收获后，壤土各处理土壤碱性磷酸酶活性的变化规律较糜子季复杂；AN处理的碱性磷酸酶活性最强，BC处理的最低，这与砂土的结果一致；AN与其他各处理间均具有显著性差异，CAN、WC、BAN处理三者间差异不显著，但与BC、AN、CK间具有显著性差异。

2.4 不同施肥处理对土壤脲酶活性的影响

土壤脲酶主要来源于植物和微生物，是影响土壤中氮转化的关键酶，其活性高低反映了各种生化过程的方向和强度。脲酶是土壤中重要的水解酶，是一种酰胺酶，直接参与尿素的形态转化,能酶促有机质分子中肽键的水解,是尿素分解必不可少的一种酶[30]。

2.4.1 砂土土壤 由图4-A可以看出，在砂土第1季糜子收获后，各处理脲酶活性从高到低依次为BAN>CAN>AN>CK>BC>WC，除BAN处理脲酶活性显著高于WC外，其他处理间差异均不显著。在砂土第2季小麦收获后，除CAN和AN处理脲酶活性较糜子季分别增加了13.03%和5.20%外，其余处理均有不同程度的降低，其中WC处理降幅最大，为 19.80%， BAN处理降幅最小，为5.98%；各处理脲酶活性变化顺序与糜子季不同，依次为CAN>AN>BAN>BC>CK>WC；CAN除与BAN、AN处理差异不显著外，与其他处理差异均达显著水平。

2.4.2 壤土土壤 由图4-B可以看出，在壤土第1季糜子收获后，各处理对土壤脲酶活性的效应与砂土糜子季相同，即以BAN处理脲酶活性最强，WC处理最弱，各处理脲酶活性变化顺序也与砂土完全一致。在壤土第2季小麦收获后，各处理对土壤脲酶活性的效应与砂土小麦季基本相同，脲酶活性大小顺序也与砂土相同，表现为CAN>AN>BAN>BC>CK>WC。

图4还表明，2季作物收获后各处理壤土土壤的脲酶活性均高于砂土土壤，这可能与壤土土壤有机质含量较高有关。总体而言，随着作物生育期的推进，各处理脲酶活性变化幅度不大，可知使用生物炭和生物炭基氮肥对土壤脲酶活性的影响不大。

图4 不同施肥处理对土壤脲酶活性的影响A.砂土；B.壤土；■.糜子季；□.小麦季

3 结论与讨论

土壤酶活性是土壤生物学活性的总体表现之一，既是衡量土壤肥力水平高低的重要指标，也是反映土壤养分(尤其是氮、磷)转化能力强弱的指标。土壤酶还是表征土壤中物质、能量代谢旺盛程度和土壤质量水平的一个重要的生物指标[31]。本研究结果表明，各施肥处理土壤蔗糖酶活性均高于对照，其中尤以2种生物炭基氮肥CAN、BAN对蔗糖酶活性的增加效果显著，单施2种生物炭BC、WC对蔗糖酶活性也具有很好的提高作用，这可能是因为生物质炭的施用在提高蔗糖酶酶促反应速率的同时，还增加了酶-底物复合物的稳定性，从而提高了土壤蔗糖酶的潜在活性。

本研究中，土壤过氧化氢酶活性在小麦收获后，仅砂土中的CAN、WC和AN处理较糜子季略有增加，其余处理均呈现降低趋势，且砂土各处理的过氧化氢酶活性均低于壤土相应处理，这可能是因为壤土土壤中的有机质含量较高，从而影响了土壤微生物的活性。在2种土壤中，糜子收获后，CK、AN、BC、WC 4个处理中CK的过氧化氢酶活性最高，仅BC处理与CK、AN、BAN、CAN处理差异显著，表明过氧化氢酶受肥料的影响较小，这与王娟等[32]的研究结果相似。总体来看，本研究土壤碱性磷酸酶活性的变化规律比较复杂，呈现一种波动性变化，2种土壤中CAN处理碱性磷酸酶活性在糜子季均最强，BC处理最弱；而在小麦季，AN处理碱性磷酸酶活性达到最强，BC处理最弱，这可能与种植作物不同有关。种植2季作物后，土壤脲酶活性总体呈降低趋势，2种生物炭基氮肥处理脲酶活性均较强，而WC处理的脲酶活性最弱。2季作物收获后，土壤脲酶活性均表现为壤土土壤高于砂土土壤，这可能与壤土的有机质含量较高有关。

从本试验结果可以看出，与CK相比，BAN和CAN处理对土壤酶活性均有明显影响。在作物收获后，2种土壤中CAN、BAN处理的土壤酶活性总体比单施对应生物炭的高。总之，土壤酶活性的高低可以反映土壤养分转化能力的强弱，其对因环境条件或管理因素引起的变化较敏感[33]，具有时效性。在糜子和小麦生长过程中，土壤酶活性的变化反映了作物的生长对土壤酶活性的影响；反过来，土壤酶活性的高低又必将对作物的生长发育产生影响。因此，生物炭与肥料的配施将是下一步研究的重点，以促进土壤酶活性的提高，进而促进作物生长发育，提高产量。

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Effects of biochar and biochar-based ammonium nitrate fertilizers on soil enzyme activities

ZHAO Jun,GENG Zeng-chao,ZHANG Wen,CHEN Xin-xiang, SHANG Jie,WANG Qiu-ming,SUN Yi-ping

(CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity/KeyLaboratoryforPlantNutrientandAgriculturalEnvironmentinNorthwestChina,MinistryofAgriculture,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 The research investigated the effects of two biochar(BC andWC) and biochar ammonium nitrogen fertilizers on activities of main soil enzymes to provide theoretic basis for soil fertilization.【Method】 Using millet and winter wheat continuous potted plant,six treatments including control (CK),ammonium nitrate (AN),bamboo charcoal (BC) and wood charcoal (WC),bamboo charcoal-based nitrogenous fertilizer(BAN) and wood charcoal-based nitrogenous fertilizer (CAN) were set up on sandy soil and loamy soil.The changes inactivities of soil invertase,soil catalase,soil alkaline phosphatase and soil urease after planting millet and wheat were determined.【Result】 On sandy soil,after harvesting two seasons crops,effects on invertase activity were in the decreasing order of CAN>BAN>AN>WC>BC>CK,and CAN and BAN were significantly different from other treatments.After harvesting millet,the activity of alkaline phosphatase in CAN treatment was highest with significant differences compared to other treatments.While after harvesting wheat,soil alkaline phosphatase activities were dramatically higher than millet season.After harvesting two crops in two seasons,on the loamy soil,effects on invertase activity were in the decreasing order of BAN>AN>CAN>WC>BC>CK.After the first season harvest of millet,the effect on alkaline phosphatase activity in CAN was highest while in BC was lowest.After harvesting wheat,the activity was the highest in AN while the lowest was in BC.The effects on soil catalase in two soils were almost same and catalase activity was highest in CAN and the weakest in BC.After harvesting millet,the effects on urease activity in the two soils werein the decreasing order of BAN>CAN>AN>CK>BC>WC while after harvesting winter wheat,the effects on urease activity were in the order of CAN>AN>BAN>BC>CK>WC.【Conclusion】 Compared to CK,application of BAN and CAN only had significant effects on activities of soil invertase and soil alkaline phosphatase while application of BC and WC had little effects.Except activity of soil alkaline phosphatase in sandy soil,the activities of other enzymes of harvesting millet were higher than those of harvesting wheat among all fertilizer treatments in both sandy soil and loamy soil.

biochar;biochar-based ammonium nitrate fertilizer;soil invertase;soil catalase;soil alkaline phosphatase;soil urease

时间:2015-08-05 08:56

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.09.018

2014-03-07

农业部“948”项目“生物质技术引进及消化”(2010-Z19)；国家林业局“948”项目“林果木生物质综合转化技术引进”(2009-4-64)；陕西省自然科学基础研究计划项目(2010JM5004)；陕西省攻关项目“高效生物炭基缓释肥配方及施用技术研究”(2010K02-12-1)

赵 军(1989-)，男，甘肃武威人，在读硕士，主要从事土壤生态及土壤养分研究。E-mail：zhaojun610@163.com

耿增超(1963-)，男，陕西韩城人，教授，主要从事森林土壤及农业废弃物转化研究。E-mail：gengzengchao@126.com

S158.3

A

1671-9387(2015)09-0123-08

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150805.0856.036.html