生物炭及炭基肥对大豆土壤酶活性的影响

2020-03-21高文慧郭宗昊印海锋昌梦园周其香王光利

淮北师范大学学报(自然科学版) 2020年1期

高文慧，郭宗昊，薛晨，印海锋，昌梦园，周其香，王光利，李峰，刘远

（淮北师范大学生命科学学院，资源植物学安徽省重点实验室，安徽淮北235000）

0 引言

近年来，生物炭作为一种重要的土壤改良剂逐渐被国际社会所认可. 所谓生物炭，就是畜禽粪便、木材或作物秸秆等生物质在无氧或缺氧的条件下高温裂解产生的一种固体颗粒物质，具有高pH值、高比表面积、较丰富的孔隙结构、较强的阳离子交换能力、高碳氮比和稳定性强等优点［1-3］，生物炭的特性因原料和裂解条件的不同而有所差异，且施用同组分但不同比例的生物炭对作物产量和性状的影响也有所不同. 由于生物炭在裂解炭化后呈粉末状，无论在施用方面还是运输、储存方面都有一定的难度［4］，且生物炭自身养分不足，直接提供给作物的养分有限，故将生物炭作为主要原料，与一定比例的有机或无机肥料混合制备的炭基肥成为一种新型肥料，将有望取代传统化学肥料，并为农业施肥提供更多选择.

土壤酶包括游离的酶和束缚在细胞上的酶，主要来源于微生物细胞和动植物残体. 土壤酶是土壤生物地球化学过程的主要调节者，在土壤新陈代谢中扮演关键角色，对于环境条件的变化十分敏感，故可以作为衡量土壤肥力和土壤质量的重要指标［5-8］. 其中，过氧化氢酶是一种氧化还原酶，可以将土壤中对植物有害的过氧化氢分解为水和氧气，在一定程度上反映土壤生物氧化过程的强弱. 水解酶在土壤里数量较多，参与有机质的转化，可以提高土壤中可溶性营养物质的含量. 脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶是参与土壤碳氮磷循环的关键酶，其活性变化对于一定程度上反映土壤健康状况具有重要意义. 黄剑［9］通过长期定位试验研究发现连续4年施用生物炭提高土壤转化酶、脲酶和碱性磷酸酶活性. 尚艺婕等［10］研究秸秆生物炭对镉污染水稻土壤酶活性的影响，结果表明生物炭能显著提高土壤中碳循环类酶与氧化还原类酶活性. 赵军等［11］研究发现施用竹炭基氮肥与木炭基氮肥可以显著提高蔗糖酶与碱性磷酸酶的活性.

目前，国内外关于生物炭对土壤酶活性影响研究较多，然而关于根际土及非根际土酶活性差异方面的研究还比较少；而且已报道的相关生物炭研究大多采用盆栽试验或温室试验、短时间以及一次性大量施用的方式，不能反映田间土壤酶活性的变化情况，且有关生物炭对土壤酶活性的影响结果不一致［12-15］.本文在总结汲取前人及本课题研究成果的基础上，选取大豆这一广泛种植的旱地农作物为研究对象，通过田间定位试验，采用生物炭不同施入量和施入方式，探究生物炭输入下的大豆根际土及非根际土中水解酶和氧化还原酶活性的变化，以期为生物炭在农业生产上的推广应用及促进我国农业的可持续发展方面提供更多科学依据.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间小区试验于2017 年5 月开始，试验地点位于安徽省淮北市杜集区徐暨村（34°04′N，116°93′E）.该地区夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，四季分明，是典型的温带季风气候. 该地区年平均温度14.8 ℃，年平均降水量830 mm，年无霜期202 d. 该地区长期以小麦-大豆轮作为主要种植方式. 供试土壤为砂壤土. 本研究使用的生物炭和炭基肥购自南京勤丰秸秆科技有限公司，水稻秸秆炭与土壤基本理化性质见表1.

表1 水稻秸秆炭与土壤基本理化性质

1.2 试验设计

田间试验采用随机区组设计，本试验共设置5 个处理，每个处理重复4 次，每个小区面积为20 m2（4 m×5 m）. 处理1：单施化肥对照，75 kg·ha-1复合肥（CK）；处理2：秸秆全量还田+75 kg·ha-1复合肥（CS）；处理3：7 t·ha-1生物炭缓施+75 kg·ha-1复合肥（B7）；处理4：20 t·ha-1生物炭+75 kg·ha-1复合肥（B20）；处理5：75 kg·ha-1炭基肥（BCF）. 其中，施用复合肥中含有15% N、15% P2O5和15% K2O；炭基肥中含有15% N、15% P2O5、10% K2O和40%的有机养分. 由于秸秆（CS）和生物炭（B7和B20）本身带入养分量低，养分主要以复合肥形式提供. 另外，炭基肥（BCF）处理在施肥时补充3.75 t·ha-1K2O，以使所有处理保持等量氮磷钾养分含量.

1.3 土样采集

2018年小麦收获后即种植大豆. 于2018年10月在大豆成熟期进行采样. 随机选取6～8株植株，采用抖根法收集根际土壤样品；按S型五点采样法，用土钻采集距植株一定距离0～15 cm 的耕层土壤作为非根际土壤样品，将每个小区的土样充分混合均匀，装入干净无菌自封袋带回实验室. 新鲜土样除去碎石子、秸秆以及动植物残体，风干后过2 mm筛，用于酶活测定.

1.4 土壤酶活性的测定

土壤脲酶活性采用苯酚钠—次氯酸钠比色法测定；土壤蔗糖酶活性的测定采用3，5—二硝基水杨酸比色法；土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定；土壤碱性磷酸酶活性的测定采用磷酸苯二钠比色法［16-17］.

1.4.1 土壤脲酶的测定

取5 g风干土置于50 mL 锥形瓶中，加入1 mL 甲苯后振荡混匀；15 min 后加10 mL 10%尿素溶液和20 mL pH为6.7的柠檬酸盐缓冲液，摇匀后于37 ℃恒温培养箱中放置24 h. 取3 mL滤液于50 mL容量瓶中，补蒸馏水至20 mL，加4 mL苯酚钠溶液和3 mL次氯酸钠溶液，边加边摇匀，20 min后显靛蓝色定容，1 h之内在分光光度计波长为578 nm处进行比色，根据标准曲线计算酶活性，以24 h后1 g土壤中NH4+—N的质量（mg）表示. 同时设置无土对照，用以检验试剂纯度和基质的自身分解；设置无基质对照，排除土样中原有的氨对试验结果的影响.

1.4.2 土壤蔗糖酶的测定

取5 g风干土置于50 mL锥形瓶中，依次加入15 mL 8%蔗糖溶液，5 mL pH 5.5的磷酸缓冲液和5滴甲苯后振荡混匀，置于37 ℃恒温培养箱中放置24 h. 取出后立即过滤，取1 mL滤液，注入到50 mL容量瓶中，加入3 mL 3，5—二硝基水杨酸，置于沸腾的水浴锅中加热5 min（从容量瓶放入水浴锅重新沸腾算起），之后在自来水下冷却3 min. 溶液呈橙黄色，蒸馏水定容，并在分光光度计波长为508 nm 处进行比色，根据标准曲线计算酶活性，以24 h 后1 g 土壤中葡萄糖的质量（mg）表示. 同时设置无土和无基质对照.

1.4.3 土壤过氧化氢酶的测定

取5 g 风干土置于150 mL 锥形瓶中，加入40 mL 蒸馏水和5 mL 0.3%过氧化氢，瓶口封好后置于120 r·min-1的摇床上振荡30 min，随即注入5 mL 1.5 mol·L-1H2SO4终止反应. 取25 mL 滤液，用0.002 mol·L-1高锰酸钾溶液滴定至微红；同时设置对照. 土壤过氧化氢酶活性用单位土重消耗的0.002 mol·L-1高锰酸钾毫升数（对照与试验组的差值）表示.

1.4.4 土壤碱性磷酸酶的测定

取5 g 风干土置于50 mL 容量瓶中，用0.75 mL 甲苯处理15 min 后，注入5 mL 磷酸苯二钠溶液和5 mL三羟甲基氨基甲烷缓冲液，混匀后置于37 ℃恒温培养箱中放置24 h. 用38 ℃蒸馏水定容后过滤. 取1 mL滤液于100 mL容量瓶中，加入5 mL缓冲液，用水稀释至25 mL，加入1 mL Gibbs 试剂，摇匀后静置20 min，溶液呈青色，定容，用分光光度计在578 nm处进行比色. 每一土样均设置无基质对照，根据标准曲线，求出酚量. 土壤碱性磷酸酶活性以每百克干土的酚毫克数表示.

1.5 数据处理与分析

所有数据均利用Excel 2010和SPSS 20.0软件进行方差分析、显著性检验和相关分析并作图，显著性水平p＜0.05.

2 结果

2.1 不同施肥处理对土壤脲酶活性的影响

从图1 可以看出，非根际土脲酶活性位于3.42～4.08 mg·g-1之间，根际土脲酶活性位于4.17～4.40 mg·g-1之间，根际土与非根际土相比，脲酶活性没有显著性差异. 与CK相比，CS、B7、B20和BCF处理对大豆根际土与非根际土脲酶活性没有显著影响. 同时，CS、B7、B20和BCF处理之间的根际和非根际土脲酶活性也没有显著性差异（p＞0.05）. 图1中不同小写字母表示非根际土不同处理间显著性差异水平，不同大写字母表示根际土不同处理间显著性差异水平，每个处理上方的数字表示根际土与非根际土显著性统计的p值（*表示p＜0.05）. 下图同.

图1 不同施肥处理对土壤脲酶活性的影响

图2 不同施肥处理对土壤蔗糖酶活性的影响

2.2 不同施肥处理对土壤蔗糖酶活性的影响

从图2 可以看出，非根际土壤蔗糖酶活性介于8.28～13.96 mg·g-1，根际土壤蔗糖酶活性介于9.61～14.18 mg·g-1. 与非根际土相比，在B7处理根际土的蔗糖酶活性显著性提高，而CK、CS、B20、BCF处理根际土与非根际土的蔗糖酶活性没有显著性差异. 与CK相比，CS、B7和B20处理根际和非根际土蔗糖酶活性没有显著性改变，但是BCF处理显著提高土壤蔗糖酶活性，在非根际土和根际土中提高幅度分别达到61.76%和31.91%.

2.3 不同施肥处理对土壤过氧化氢酶活性的影响

从图3可以看出，非根际土中过氧化氢酶活性位于8.36～8.49 mL·g-1之间，根际土中过氧化氢酶活性位于8.37～8.49 mL·g-1之间，根际土与非根际土相比，过氧化氢酶活性没有显著性差异. 同时，根际和非根际过氧化氢酶活性在不同施肥方式处理中也没有显著性变化.

2.4 不同施肥处理对土壤碱性磷酸酶活性的影响

从图4 可以看出，与非根际土相比，BCF 处理根际土的碱性磷酸酶活性显著性提高，而CK、CS、B7、B20处理根际土的碱性磷酸酶活性没有显著性差异. 与CK 相比，CS、B7、B20和BCF 处理间大豆非根际土碱性磷酸酶活性没有显著性差异. 而对于根际土碱性磷酸酶活性来说，CK处理最低，其次是CS和BCF处理，而B7 和B20 处理活性最高. 与CK 相比，B7 与B20 根际土碱性磷酸酶活性分别提高32.98%和31.38%.

图3 不同施肥处理对土壤过氧化氢酶活性的影响

图4 不同施肥处理对土壤碱性磷酸酶活性的影响

3 讨论

根际土由于受植物根系脱落物与分泌物的影响，根际区域中营养较为丰富且微生物活动较为频繁，因此导致根际土壤酶活性比非根际土较高. 郭华等［18］关于毛竹根际与非根际土壤酶活性的研究中表明：过氧化氢酶、磷酸酶、脲酶和脱氢酶在根际土中的活性明显高于非根际土. 尚艺婕等［10］研究秸秆生物炭对镉污染水稻土壤酶活性影响的结果显示：水稻根际碳循环类酶与氧化还原类酶活性均高于非根际土.

脲酶可以将土壤中的尿素分解为氨、二氧化碳和水，在一定程度上反映土壤的氮素状况［19-21］. 本研究结果显示：与CK 相比，添加秸秆、生物炭和炭基肥处理对大豆根际和非根际脲酶活性都没有显著影响.这与李军等关于玉米大豆轮作条件下长期定位施肥对脲酶活性的研究结果类似［22］. 但这与长期施肥可以提高土壤脲酶活性的有关报道不一致，这可能与作物种类、种植方式和生物炭原料与制备条件等有关. 除此之外，大豆自身可以固氮，在大豆的种植期间并未施加尿素，土壤中氮素水平较低，不同处理间脲酶活性差异较小.

蔗糖酶可以将土壤中蔗糖分解为葡萄糖和果糖，在一定程度上反映土壤的熟化程度和肥力水平［16-17］. 相较其他处理，炭基肥能显著提高蔗糖酶的活性，这与赵军等关于生物炭及炭基硝酸铵肥料对土壤蔗糖酶活性影响的研究结果类似［11］. 这可能是由于蔗糖酶分解蔗糖产生葡萄糖和果糖，葡萄糖作为一种植物微生物的重要碳源，炭基肥的C/N比较高，酶促基质较多，故蔗糖酶显著提高.

过氧化氢酶可以将土壤中对植物有害的过氧化氢分解为水和氧气，在一定程度上反映土壤生物氧化过程的强弱［19-21］. 本研究中，不同处理间大豆根际土或非根际土的过氧化氢酶活性差异不显著. 这与袁玲等关于长期不同施肥处理对于过氧化氢酶活性的影响差异较小的结果类似［23］. 与赵军等关于生物炭及炭基硝酸铵肥料对过氧化氢酶活性受肥料的影响较小的结果类似［11］. 究其原因，一方面，可能是土壤中过氧化氢酶较为稳定，不容易受外界环境的影响；另一方面，可能与生物炭的施用对土壤环境的影响有关，如土壤温度和表层水分状况变异性较大，不利于氧化还原类酶活性的提高.

磷酸酶可以促进有机磷的降解，提高土壤中有效磷的含量，在一定程度上反映土壤中磷的状况［16-17］.本研究结果表明：生物炭无论是以缓施还是一次性大量施入的方式，都能显著提高土壤碱性磷酸酶的活性，但炭基肥处理并未发生明显变化. 可能是因为生物炭直接将本身含有的可溶性磷释放到土壤中，使土壤中的有效磷含量升高［19-21］，此外，生物炭具有高pH的特性，施用后会使土壤的碱性增强，从而使碱性磷酸酶活性得以提高. 黄剑［9］基于华北高产农田的长期定位试验中也发现，土壤碱性磷酸酶活性在生物炭的处理下有较大幅度的提高. 而炭基肥中生物炭的含量较低，对于提高土壤有效磷能力较弱，故对碱性磷酸酶的活性没有影响.