生物炭与木本泥炭对干旱区骏枣园土壤化学性质及酶活性的影响

王姝婧，孙 佳，王利娜，万 胜，杨智鹏，张 梅，刘丰鸣，张虎国，黄 瑶，张国林，李建贵

（1. 新疆大学 资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046；2. 新疆红枣工程技术研究中心，新疆 乌鲁木齐 830011；3. 新疆农业大学，新疆 乌鲁木齐 830052）

枣Ziziphus jujuba为鼠李科Rhamnaceae 枣属Ziziphus植物，在7 000 多年前就有栽培[1-2]。我国是世界上枣资源最丰富的国家[3]。近年来，随着新疆地区红枣种植面积的迅速扩大，红枣已成为新疆特色林果的支柱产业。由于特殊的地理气候条件，新疆农田土壤沙化现象较为普遍，质地偏粗，且地表干旱缺水，盐碱化较严重。土壤肥力偏低严重限制和阻碍了新疆地区的农业开发及可持续发展。随着红枣产业的不断发展，不合理的农业管理措施（过度施用化肥和滥用农药等）导致土壤板结、有机质含量降低、营养元素失衡，土壤肥力下降[4]。因此，土壤改良已成为新疆枣园土壤可持续利用中亟待解决的重要问题。

生物炭是生物有机材料（也称为生物质）在无氧或低氧环境中低温裂解后被加工制成的碳材料[5]，其化学成分因生物质种类和来源不同而有较大变化[6]。不少研究报道表明，将农业废弃生物质通过热解炭化技术制备生物炭并作为土壤改良剂施入农田，对于改善耕作土壤的理化性质和生物学特性、增加土壤肥力、修复土壤污染、提高作物产量和品质具有重要作用[7-9]。木本泥炭是木本植物残体在水分过多、通气不良、气温较低的沼泽环境中，经过长期累积而形成的一种不易分解、稳定的有机物堆积层[10]，其中富含有机质和腐殖酸，水溶物、半纤维素和纤维素含量低[11]。李健鹏等[12]通过在不同土壤类型及多种作物上施用木本泥炭，研究得出在常规施肥的基础上增施木本泥炭能够促进作物根系及地上部分的生长发育，提高作物产量，改善农产品品质指标，提高作物抗逆性及抵抗病虫害能力，还能改善土壤生态环境，增加土壤中有机质及养分含量，提高土壤肥力。

土壤酶是一种能催化土壤生化反应的蛋白质，其活性是衡量土壤肥力的重要指标。土壤中的各种生化反应均是在相应的土壤酶参与下完成的[13]。土壤酶活性能较其他土壤性质指标更迅速地响应施肥管理、种植体系以及土地利用方式的变化[14]。在相关研究报道中，施用生物炭和木本泥炭不但改变了土壤肥力，而且对土壤酶活性和微生物群落结构方面也有一定的影响[15-17]，但针对使用生物炭和木本泥炭改良新疆骏枣园土壤的研究相对薄弱。本研究中采用大田试验，以新疆干旱区骏枣园土壤为研究对象，探讨施用不同浓度梯度生物炭和木本泥炭对土壤化学性质、土壤酶活性的影响，旨在为生物炭和木本泥炭的推广使用及当地枣园绿色发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于新疆林业科学院佳木国家重点林木良种基地（80°32′23″E，41°15′56″N），属典型大陆性暖温带干旱气候，年均气温10.1 ℃，年均降水量65.4 mm，土壤类型为棕漠土。供试骏枣园0 ～20 cm 土壤基础理化性质：pH 8.5、电导率180 μS/cm、有机质质量分数14.6 g/kg、碱解氮质量分数8.7 mg/kg、速效磷质量分数70.2 mg/kg、速效钾质量分数203.3 mg/kg，土壤质地类别为砂壤土。枣园种植年限为8 a，枣树品种为骏枣。

1.2 试验材料

供试生物炭由河南立泽环保科技有限公司提供，其基本性质为pH 8.5、碳质量分数79%、比表面积450 m2/g、水分质量分数10%、灰分质量分数4%；供试木本泥炭购自烟台赣之源腐殖酸科技有限公司，其基本性质为pH 4.43、总腐殖酸质量分数28.28%、游离腐殖酸质量分数25.39%、有机质质量分数48.64%、水分质量分数28.69%。配施的有机肥均为羊粪。

1.3 试验方法

1.3.1 田间试验布设

以每3 行骏枣树为1 个处理，每行中随机选取长势均一的连续4 株骏枣树作为1 个试验小区，每个处理设3 个小区，共12 株骏枣树。采用完全随机设计，设生物炭用量4 个水平（B1 ～B4），木本泥炭用量4 个水平（W1 ～W4），加上1 个处理CK（仅施用有机肥），共计9 个处理，108棵枣树，具体见表1。施用的生物炭和木本泥炭均作为基肥于2020 年9 月底一次性局部撒施，同时，每株树体配施10 kg 有机肥，整个试验期间不再进行追肥。

表1 骏枣树施肥方案Table 1 Fertilization plan of Jun jujube t/hm2

1.3.2 样品采集与保存

2021 年10 月3 日（枣果完熟早期），采集骏枣园土壤样品。在每个处理的12 株枣树中随机选择3 株枣树，采用土钻法，环绕枣树的施肥坑（距离根部30 cm 处）各向下采集深度0 ～20 cm 土层土样，采集时，避开填埋的有机肥并除去表面杂草、石块等。将每个处理的3 份土样放置于无菌袋中，混合均匀后编号，带回实验室。按照四分法，将土壤样品分成两部分。将一部分及时风干，并过孔径1.00、0.25 mm 筛，装入贴有标签的干净无菌自封袋中，放置在阴凉通风处密封备用，用于测定土壤化学特性；将另一部分保存于冰箱（4 ℃）中，并及时测定土壤酶活性。

1.3.3 指标测定

土壤pH 使用酸度计进行测定；土壤电导率使用电导率仪进行测定；土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定；土壤速效磷含量采用钼锑抗比色法测定；土壤速效钾含量采用火焰光度法测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定[18]。

土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，土壤脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法测定，土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定；土壤碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定[19]。

1.4 数据处理与分析

使用SPSS 18.0 软件和Microsoft Excel 2019软件对所测数据进行分析。不同处理之间的多重比较采用Duncan 检验（P＜0.05），采用主成分分析进行综合评价。

2 结果与分析

2.1 生物炭与木本泥炭对骏枣园土壤化学性质的影响

生物炭与木本泥炭对骏枣园土壤化学性质的影响见表2。从表2 可看出，B1 对土壤pH 的降低效果最明显，与CK 差异显著，比CK 下降了1.7%；B2 对土壤电导率、有机质质量分数的提高效果最明显，与CK 差异显著，分别较CK 增加了27.4%和28.4%；施加生物炭和木本泥炭后，土壤碱解氮质量分数较CK 增加，且差异显著，增加幅度为35.2%～425.6%；B3 处理中，土壤速效磷、速效钾的质量分数达到最高值，分别较CK 增加了100%和41.6%。

表2 生物炭与木本泥炭对骏枣园土壤化学性质的影响†Table 2 Effects of biochar and woody peat on soil chemical properties in Jun jujube orchard

2.2 生物炭与木本泥炭对骏枣园土壤酶活性的影响

生物炭与木本泥炭对骏枣园土壤酶活性的影响如图1 所示。由图1 可见，在施用生物炭处理中，随着生物炭添加量的增大，土壤过氧化氢酶活性逐渐增大，但土壤过氧化氢酶活性均显著低于CK。在施用低浓度和高浓度木本泥炭处理中，土壤过氧化氢酶活性也显著低于CK。在施用生物炭处理中，土壤脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶的活性均显著高于CK，而且均在B1 处理中达到最高值，随着生物炭添加量的增加，这3 种酶活性基本上逐渐降低。在施用木本泥炭处理中，土壤脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶的活性与土壤过氧化氢酶活性相反，施用低浓度和高浓度木本泥炭处理的酶活性高于施用中间浓度木本泥炭处理。

图1 生物炭与木本泥炭对骏枣园土壤酶活性的影响Fig. 1 Effects of biochar and woody peat on soil enzyme activities in Jun jujube orchard

2.3 骏枣园土壤化学性质与土壤酶活性的相关性

土壤化学性质是土壤肥力的表征，同时影响着土壤酶活性。土壤化学性质与土壤酶活性相互间既有协调作用又存在着拮抗作用。骏枣园土壤化学性质与土壤酶活性的相关系数见表3。从表3中可以看出：土壤脲酶活性与土壤有机质质量分数、速效磷质量分数均呈现显著正相关关系，与土壤速效钾质量分数的相关性达极显著水平；土壤碱性磷酸酶活性与土壤有机质质量分数之间呈现显著的正相关关系；土壤过氧化氢酶活性仅与土壤pH 之间呈正相关关系，与其余土壤化学性质因子之间皆呈现负相关关系，且与土壤有机质质量分数的相关性显著。

表3 骏枣园土壤化学性质与土壤酶活性的相关系数†Table 3 Correlation coefficient between soil chemical properties and soil enzyme activities in Jun jujube orchard

2.4 生物炭与木本泥炭处理下土壤化学性质和酶活性的主成分分析

生物炭与木本泥炭处理下土壤化学性质和酶活性指标主成分分析结果见表4。由表4 可知，所提取3 个公因子的累积贡献率达85.302%，可解释大部分数据。主成分1、主成分2、主成分3 的方差特征值均大于1，所以主成分1、主成分2、主成分3 对土壤化学性质和酶活性的影响显著。

表4 生物炭与木本泥炭处理下土壤化学性质和酶活性指标主成分分析结果Table 4 Principal component analysis results of soil chemical properties and enzyme activities indexes under biochar and woody peat treatment

生物炭与木本泥炭处理下土壤化学性质和酶活性指标的主成分载荷矩阵见表5。由表5 可知，主成分1 中，因子载荷量较大的变量分别为脲酶活性、蔗糖酶活性、速效磷质量分数和有机质质量分数。

表5 生物炭与木本泥炭处理下土壤化学性质和酶活性指标的主成分载荷矩阵Table 5 Principal component loading matrix of soil chemical properties and enzyme activities indexes under biochar and woody peat treatment

生物炭与木本泥炭处理下土壤化学性质和酶活性指标的主成分得分和综合得分见表6。由表6可知，根据土壤化学性质和酶活性的综合得分由高到低排列，各处理依次为B1、B2、B3、W4、W1、B4、W2、CK、W3。通过上述分析可得出所有处理中B1 处理的效果最佳。

表6 生物炭与木本泥炭处理下土壤化学性质和酶活性指标的主成分得分和综合得分Table 6 Principal component scores and comprehensive scores of soil chemical properties and enzyme activities indexes under biochar and woody peat treatment

3 结论与讨论

与CK 相比，B1 处理降低土壤pH 和提高土壤碱解氮含量的效果最显著，B2 处理提高土壤电导率、有机质含量的效果最明显，B3 处理提高土壤速效磷含量、速效钾含量的效果最好，B1 处理提高土壤脲酶活性、蔗糖酶活性和碱性磷酸酶活性的效果最好，W3 处理提高土壤过氧化氢酶活性的效果最好。由于2 种外源碳本身性质的差异，生物炭和木本泥炭对干旱区骏枣园土壤化学性质和酶活性的影响也不同。与木本泥炭相比，生物炭可更显著地改善土壤化学性质和提高土壤酶活性，在其施用量为5 t/hm2时土壤化学性质和酶活性的综合得分最高，因此施用5 t/hm2生物炭的综合效果最优。因为木本泥炭的价格低于生物炭，且在施用量为5 t/hm2时对土壤也有一定的改良作用，所以在实际应用中，也可考虑低量施用木本泥炭。

3.1 生物炭与木本泥炭施用量对土壤化学性质的影响

土壤是复杂的有机和无机复合体，土壤化学性质是土壤肥力的重要物质基础，对植物生长起着至关重要的作用，土壤化学性质变化是各种因素综合作用的结果[20-22]。不少研究报道表明，生物炭和木本泥炭对土壤养分含量有显著的提高作用[23-26]。本研究结果表明：在生物炭用量为5 t/hm2时，土壤碱解氮含量达到最高，随着生物炭施用量的继续增加，表现出先降低、后增加的趋势；随着生物炭施用量的增加，土壤有机质含量、电导率、速效钾含量先增加、后减少，在生物炭用量为10或20 t/hm2时达到最高值；随着生物炭施用量的增加，土壤pH 和速效磷含量的变化基本无规律性。有研究结果表明，生物炭虽然对盐碱土pH 具有不同的正负效应，但是可通过代换作用降低土壤盐碱度[27]。生物炭本身含有大量营养元素，可显著增加土壤养分含量，改善土壤养分环境[28-29]。随着木本泥炭用量的增加，土壤电导率、有机质含量、碱解氮含量先增加、后减少、再增加，土壤pH、速效磷含量、速效钾含量的变化不具有规律性。同时说明木本泥炭在用量足够大的条件下，对土壤也有一定的改良作用。部分土壤化学性质指标的变化不具有规律性可能与枣果成熟期养分的分解转化有关，骏枣树体吸收利用相关养分，导致养分的转化利用率高而产生亏缺[13]。

3.2 生物炭与木本泥炭施用量对土壤酶活性的影响

土壤酶来源于土壤微生物、植物和动物的活体或残体，是具有加速土壤生化反应速率功能的蛋白质[30]。过氧化氢酶是一种重要的氧化还原酶，能够催化胞内过氧化氢分解成水和氧，降低其对细胞的毒害作用；土壤脲酶是水解尿素的专一性酶，参与土壤的氮循环；土壤碱性磷酸酶是一类催化土壤有机磷化合物矿化的酶，其活性直接影响土壤有机磷的分解转化及生物有效性[31]；土壤蔗糖酶通过水解蔗糖为土壤中生物体提供碳源和能源，其活性可以反映土壤中易溶物质的利用状况以及土壤有机质积累和转化的状况[32]。有研究结果[30]表明：生物炭还田后，可通过改善土壤的理化性质，提高土壤酶活性；此外生物炭自身具有多孔结构和吸附性能，可以吸附酶促反应的底物，为土壤酶提供更多的结合位点，提高土壤酶活性。但也有研究报道[27]中指出，生物炭可以吸附酶分子，从而限制酶促反应，抑制酶活性。高凤等[33]经研究发现，随着生物炭施用量的增加，白菜根际土壤蔗糖酶活性显著增加。本研究结果表明，土壤脲酶活性、碱性磷酸酶活性、蔗糖酶活性在生物炭用量为5 t/hm2时达到最高值，随着生物炭施用量的继续增加，基本上逐渐降低，但过氧化氢酶活性呈现增加趋势，在生物炭用量为40 t/hm2时达到最高值。舒灏[34]经研究发现，随着木本泥炭施用量的增加，土壤脲酶活性不断降低，这与本研究结果基本相同。而且在本研究中，随着木本泥炭施用量的增加，蔗糖酶和碱性磷酸酶活性也表现出与脲酶活性相同的变化趋势（施用30 t/hm2木本泥炭处理除外），而过氧化氢酶活性先增加、后降低，在木本泥炭用量为20 t/hm2时达到最高值。本研究结果表明，W3 处理对土壤过氧化氢酶活性的提高有较大影响，B1 和W1 处理对土壤碱性磷酸酶活性的提高有较大影响，B1 处理对土壤脲酶和蔗糖酶活性的提高有较大影响。不同学者得出土壤化学性质和酶活性对生物炭、木本泥炭用量的响应不同[35-37]，可能与其选取的土壤类型、生物炭材料及施用年限等不同有关。

3.3 土壤化学性质与酶活性的相关性

通过相关分析发现，各处理间土壤酶活性与土壤化学性质指标的变化存在显著相关性（P＜0.05）。土壤酶活性对土壤环境变化尤为敏感，土壤化学性质的轻微变化可能引起其酶活性改变[35,38]，因此土壤化学性质与土壤酶活性有着密不可分的联系。

由于时间限制，本研究仅是初步探究，关于生物炭、木本泥炭对果园土壤的改良作用还有待长期深入研究。