生物炭及炭基硝酸銨肥料對土壤酶活性的影響

趙 軍，耿增超，張 雯，陳心想，尚 杰，王秋銘，孫怡萍

(西北農林科技大學 資源環境學院，農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

生物炭及炭基硝酸銨肥料對土壤酶活性的影響

趙 軍，耿增超，張 雯，陳心想，尚 杰，王秋銘，孫怡萍

(西北農林科技大學 資源環境學院，農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

【目的】 研究2種生物炭(竹炭、木炭)及生物炭基硝酸銨肥料對土壤主要酶活性的影響，為土壤培肥以及合理施用生物炭提供理論依據?！痉椒ā?采用糜子、冬小麥連續種植盆栽試驗，在砂土和壤土土壤上各設置6種施肥處理，分別為不施氮肥對照(CK)及施用硝酸銨(AN)、竹炭(BC)、木炭(WC)、竹炭基氮肥(BAN)、木炭基氮肥(CAN)，測定糜子、小麥收獲后2種土壤中蔗糖酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶和脲酶活性的變化?！窘Y果】 在砂土土壤中2季作物收獲后，各處理蔗糖酶活性從高到低為CAN>BAN>AN>WC>BC>CK，且CAN、BAN與其他處理差異顯著；糜子收獲后，土壤堿性磷酸酶活性以CAN處理最高，且與其他各處理均具有顯著差異，而小麥收獲后，除CAN處理外，其他各處理堿性磷酸酶活性較糜子季均有大幅度增加。在壤土土壤中，收獲2季作物后，各處理土壤蔗糖酶活性由高到低依次為BAN>AN>CAN>WC>BC>CK；第1季糜子收獲后，堿性磷酸酶活性CAN處理最強，BC處理最低；小麥收獲后，AN處理的堿性磷酸酶活性最強，BC處理最低。不論是在糜子季還是小麥季，過氧化氫酶活性在2種土壤中表現基本相同，均以CAN處理最強，BC處理最弱。在2種土壤中，糜子收獲后，各處理脲酶活性從高到低依次為BAN>CAN>AN>CK>BC>WC；在小麥收獲后，各處理脲酶活性從高到低依次為CAN>AN>BAN>BC>CK>WC?！窘Y論】 與CK相比，施用BAN和CAN僅對土壤蔗糖酶、堿性磷酸酶活性有顯著影響，而施用BC、WC對土壤酶活性的影響較??；除砂土中堿性磷酸酶活性外，2種土壤中各施肥處理在糜子季的酶活性均較小麥季高。

生物炭；生物炭基氮肥；蔗糖酶；過氧化氫酶；堿性磷酸酶；脲酶

土壤酶是土壤組分中最活躍的有機成分之一[1],是由微生物、動植物活體及其殘骸分解釋放于土壤中的一類具有生物活性的物質，作為土壤生態系統中物質和能量轉化聯系的紐帶[2]，其既是土壤有機物的轉化者，又是植物營養元素的活性庫[3]。土壤酶活性的高低直接影響土壤生態系統的物質循環過程，是衡量土壤理化特性、肥力水平、微生物學特征和土壤環境污染狀況的重要指標[4-10]。此外，它還是土壤新陳代謝的重要因素[11]，參與土壤中許多重要的生物化學過程，如腐殖質的合成與分解，有機化合物、高等植物和微生物殘體的分解及其轉化等[5]。近年來，國內外學者對土壤酶做了大量的研究，例如張銀龍等[12]的研究表明，水解酶類活性在冬季最低，春季上升，夏季和秋季較高；Tabatabai等[13-14]研究了土壤腐殖質與酶活性的相互作用；Kromer等[15]的研究結果表明，林地土壤微氣候對土壤酶活性有明顯的影響。目前不同培肥措施、肥料品種、施肥方式對土壤酶活性影響的研究已成為土壤酶學研究的熱點問題之一[16-17]。其中土壤蔗糖酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶和脲酶是土壤中最常見的幾種酶。所以，這幾種酶的活性對反映土壤的肥力水平具有非常重要的意義。

生物炭是生物有機材料(或生物質)在缺氧或低氧環境中經熱裂解后產生的固體產物，多為粉狀顆粒[18-19]。生物質炭不僅可以增加土壤中的碳儲量，將碳封存在土壤中有效地減少CO2的釋放，而且它還可以作為土壤改良劑，提高土壤肥力和生產力[20-21]。近年來，將生物質炭用作土壤改良劑、肥料緩釋載體及碳封存劑備受世人的關注[18，22-24]，具有廣闊的應用前景。但是，目前將生物炭作為肥料載體施入土壤，研究其對土壤酶活性的影響卻很少有報道。為此，本試驗采用一定工藝小試制備2種生物炭基硝酸銨肥料，采用盆栽試驗研究生物炭基氮肥、生物炭材料對土壤酶活性的影響，以期為生物炭農用及炭基肥料在作物上的合理應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 供試土壤 供試土壤為采自陜西省楊凌農業高新示范區二道塬的土婁土和陜西省楊凌示范區渭河河灘的新積土。根據國際制土壤質地的分級標準，土婁土、新積土的質地分別為壤土和砂土，其性質和顆粒組成見表1。

1.1.2 供試作物 供試作物為西北農林科技大學選育的小麥品種“小偃22號”和寧夏固原市農業科學研究所選育的糜子品種“寧糜14號”。

表1 供試土壤的基本理化性質Table 1 Chemical and physical properties of tested soil

1.1.3 供試生物炭和生物炭基氮肥 研究所用的生物炭有2種：竹炭(Bamboo charcoal，BC)，粉末狀；木炭(Wood charcoal，WC)，大塊狀，經研磨過孔徑1 mm篩后使用，2種生物炭材料均系市場采購。供試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)，二者分別由BC和WC(過孔徑1 mm的篩)置于一定濃度硝酸銨水溶液中吸附平衡24 h后，60 ℃恒溫鼓風干燥箱烘干而成，用塑封袋保存備用。以上4種材料的部分理化性質見表2。

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

1.2 試驗設計

試驗采用雙因素隨機區組設計，設施肥處理和土壤質地2個因素。本研究采用室外盆栽試驗，在施用了等量磷肥和鉀肥的2種不同質地土壤中各設6種處理，分別為不施氮肥對照(CK)及施用硝酸銨肥料(AN)、BC、WC、BAN和CAN，每處理設置4次重復，每盆裝土量為5 kg。氮、磷、鉀肥分別為分析純硝酸銨(含N 35%)、磷酸二氫鈣(含P2O556%)、硫酸鉀(含K2O 54%)，N、P2O5、K2O用量分別為225，180，150 kg/hm2，即每kg土施用0.2 g純N、0.16 g P2O5、0.13 g K2O；竹炭、木炭、竹炭基氮肥、木炭基氮肥則均按每盆5 g炭量施用。

盆栽試驗進行2季，每次種植作物前取出土壤與肥料充分混勻后裝盆，第1季(2011-06-15-08-23)種植糜子，每盆定植25株；第2季(2011-10-09-2012-05-18)種植小麥，每盆定植20株。作物生長期間統一管理，收獲后立即采集各盆土樣，測定土壤酶活性。

1.3 分析方法

土壤酶活性測定參照關松蔭[4]的方法進行，蔗糖酶活性用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，以每g土24 h產生的葡萄糖(Glucose)毫克數表示；過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測定，以每g土消耗0.02 mol/L KMnO4溶液毫升數表示；堿性磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法測定，以每g土24 h產生酚(PhOH)的毫克數表示；脲酶活性用靛酚藍比色法測定，以每g土24 h產生的NH3-N的質量(mg)表示。

1.4 數據處理

試驗數據采用Excel 2007和DPS v.7.05統計軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA)；多重比較采用最小顯著差異法(LSD)，顯著性水平設定為0.05。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤蔗糖酶活性的影響

土壤蔗糖酶又名轉化酶，參與土壤有機質的礦化與分解，與土壤的碳素循環密切相關[25]，對增加土壤中易溶性營養物質起著重要的作用。

2.1.1 砂土土壤 由圖1-A可以看出，在第1季糜子收獲后，砂土不同施肥處理間土壤蔗糖酶活性存在明顯的差異。各處理土壤蔗糖酶活性從高到低為CAN>BAN>AN>WC>BC>CK。除與BAN處理差異不顯著外，CAN處理的土壤蔗糖酶活性顯著高于其他處理；對照(CK)與BC和WC間的差異不顯著，但與AN、BAN、CAN差異顯著，而WC、BC和AN三者差異不顯著。

在第2季小麥收獲后，砂土各施肥處理土壤蔗糖酶活性較糜子季均有不同程度的降低，其中BC處理的降幅最大，為46.99%，BAN的降幅最小，為28.95%。雖然小麥季各處理土壤蔗糖酶活性的降幅差異很大，但蔗糖酶活性大小順序與糜子季相同，即為CAN>BAN>AN>WC>BC>CK。同糜子季一樣，除與BAN處理無明顯差異外，CAN處理土壤蔗糖酶活性顯著高于其他處理；WC、BC、AN處理與CK間差異不顯著，但均高于CK。

2.1.2 壤土土壤 由圖1-B可以看出，在第1季糜子收獲后，壤土中各施肥處理土壤蔗糖酶活性大小順序與砂土不同，表現為BAN>AN>CAN>WC>BC>CK；CAN、BAN、AN處理的蔗糖酶活性均顯著高于CK，這與砂土土壤的結果一致；BC、WC 2種生物炭材料處理的蔗糖酶活性差異不顯著，但WC處理略高于BC。在第2季小麥收獲后，壤土土壤各施肥處理蔗糖酶活性的變化規律與第1季糜子收獲后的變化規律完全一致。

結果表明，2種生物炭基氮肥CAN、BAN對蔗糖酶活性增加效果顯著，這可能是因為生物炭與硝酸銨吸附制成的生物炭基氮肥C/N比較高，其較高的碳含量為蔗糖酶提供了更多的酶促基質，從而提高了酶活性，這與蔣和等[26]的研究結果相似。在2種土壤第2季作物收獲后，各處理蔗糖酶活性均表現為大幅度的降低，即小麥季土壤蔗糖酶活性明顯低于糜子季，這可能是因為生物炭及生物炭基氮肥對種植不同作物的土壤蔗糖酶活性的影響有差異，還可能是由于第2季作物收獲后累積的生物炭和生物炭基氮肥對酶分子具有一定的吸附作用，從而對酶促反應的結合位點形成保護，使得土壤蔗糖酶分子與底物的結合受到一定的阻礙所致。砂土和壤土小麥收獲后，AN處理蔗糖酶活性較糜子季分別降低了41.27%和55.93%，這與王冬梅等[27]研究得出的單施氮肥對蔗糖酶活性有抑制作用的結論相一致。

圖1 不同施肥處理對土壤蔗糖酶活性的影響A.砂土；B.壤土；■.糜子季；□.小麥季；CAN、WC、BAN、BC、AN、CK分別表示木炭基氮肥、木炭、竹炭基氮肥、竹炭、硝酸銨對照、對照處理；同一土壤相同作物圖柱上標不同小寫字母者表示處理間差異達顯著水平(P<0.05)，下圖同

2.2 不同施肥處理對土壤過氧化氫酶活性的影響

土壤中的過氧化氫酶能酶促過氧化氫分解為氧氣和水，與土壤微生物活動密切相關，有機質含量高的土壤，過氧化氫酶的活性較強，有利于解除過氧化氫的毒害作用和提高土壤肥力[5,7,28]。

2.2.1 砂土土壤 由圖2-A可以看出，在第1季糜子收獲后，土壤過氧化氫酶活性CAN處理最強，BC處理最弱；CAN與WC、BC處理具有顯著差異；CK的過氧化氫酶活性高于AN處理，但二者差異不顯著。在第2季小麥收獲后，砂土各處理土壤過氧化氫酶活性與第1季糜子收獲后相比均無明顯變化，僅CAN、WC和AN處理略有增加，其余3個處理均呈小幅度的降低，且CK的土壤過氧化氫酶活性低于AN，但二者之間無顯著差異。這與袁玲等[29]研究得出的過氧化氫酶活性在施肥處理間差異較小結果相似。

2.2.2 壤土土壤 由圖2-B可以看出，2季作物收獲后，壤土土壤中小麥季各處理土壤過氧化氫酶活性均較糜子季有不同幅度的降低；不論是糜子季還是小麥季，各處理對壤土土壤過氧化氫酶活性的影響效應基本相同，CAN處理的土壤過氧化氫酶活性最強，BC處理最低；CAN、BAN、AN處理和CK的土壤過氧化氫酶活性強弱基本相同，差異不顯著。

圖2 不同施肥處理對土壤過氧化氫酶活性的影響A.砂土；B.壤土；■.糜子季；□.小麥季

任祖淦等[16]研究發現，無肥區土壤的過氧化氫酶活性與試驗前相比呈下降的趨勢，施不同種類的肥料會不同程度地影響土壤過氧化氫酶活性，本研究結果與其結論一致，但與有些文獻報道長期施肥可以提高土壤過氧化氫酶活性[26]不同，可能是由于所研究的土壤類型、種植方式及肥料的配施不同所致。

從圖2還可以看出，2季作物收獲后各處理過氧化氫酶活性均表現為壤土高于砂土。施2種生物炭處理過氧化氫酶活性均低于CK，而施用2種炭基氮肥處理均高于CK。

2.3 不同施肥處理對土壤堿性磷酸酶活性的影響

土壤堿性磷酸酶能夠催化土壤有機磷的降解和有效化[25]，能將有機磷酯水解為無機磷酸，可以誘導磷酸酶的產生，土壤中有機磷在磷酸酶作用下可轉化成可供植物吸收的無機磷，在一定程度上提高土壤有效磷的含量。

2.3.1 砂土土壤 由圖3-A可以看出，在砂土土壤第1季糜子收獲后，CAN處理的堿性磷酸酶活性最強，BC處理最低，CAN與其他處理均具有顯著性差異，WC處理也與BC、AN、CK具有顯著性差異，而BC、AN、CK三者間的差異均不顯著。在砂土第2季小麥收獲后，除CAN處理堿性磷酸酶活性略有降低外，其他處理土壤堿性磷酸酶活性較糜子季均大幅度的增加，其中AN處理的增幅最大，WC處理的增幅最??；堿性磷酸酶活性AN處理最強，BC處理最低；CAN、BAN、AN處理間堿性磷酸酶活性差異均不顯著，但與其他3個處理堿性磷酸酶之間差異均達到顯著水平，WC、BC、CK三者之間的差異均不顯著，出現這一現象的原因還有待進一步研究。

圖3 不同施肥處理對土壤堿性磷酸酶活性的影響A.砂土；B.壤土；■.糜子季；□.小麥季

2.3.2 壤土土壤 由圖3-B可以看出，在第1季糜子收獲后，壤土土壤堿性磷酸酶活性表現為CAN處理最強，BC處理最低；CAN與WC、BAN處理間無顯著差異，而與其他處理間均具有顯著差異。在第2季小麥收獲后，壤土各處理土壤堿性磷酸酶活性的變化規律較糜子季復雜；AN處理的堿性磷酸酶活性最強，BC處理的最低，這與砂土的結果一致；AN與其他各處理間均具有顯著性差異，CAN、WC、BAN處理三者間差異不顯著，但與BC、AN、CK間具有顯著性差異。

2.4 不同施肥處理對土壤脲酶活性的影響

土壤脲酶主要來源于植物和微生物，是影響土壤中氮轉化的關鍵酶，其活性高低反映了各種生化過程的方向和強度。脲酶是土壤中重要的水解酶，是一種酰胺酶，直接參與尿素的形態轉化,能酶促有機質分子中肽鍵的水解,是尿素分解必不可少的一種酶[30]。

2.4.1 砂土土壤 由圖4-A可以看出，在砂土第1季糜子收獲后，各處理脲酶活性從高到低依次為BAN>CAN>AN>CK>BC>WC，除BAN處理脲酶活性顯著高于WC外，其他處理間差異均不顯著。在砂土第2季小麥收獲后，除CAN和AN處理脲酶活性較糜子季分別增加了13.03%和5.20%外，其余處理均有不同程度的降低，其中WC處理降幅最大，為 19.80%， BAN處理降幅最小，為5.98%；各處理脲酶活性變化順序與糜子季不同，依次為CAN>AN>BAN>BC>CK>WC；CAN除與BAN、AN處理差異不顯著外，與其他處理差異均達顯著水平。

2.4.2 壤土土壤 由圖4-B可以看出，在壤土第1季糜子收獲后，各處理對土壤脲酶活性的效應與砂土糜子季相同，即以BAN處理脲酶活性最強，WC處理最弱，各處理脲酶活性變化順序也與砂土完全一致。在壤土第2季小麥收獲后，各處理對土壤脲酶活性的效應與砂土小麥季基本相同，脲酶活性大小順序也與砂土相同，表現為CAN>AN>BAN>BC>CK>WC。

圖4還表明，2季作物收獲后各處理壤土土壤的脲酶活性均高于砂土土壤，這可能與壤土土壤有機質含量較高有關?？傮w而言，隨著作物生育期的推進，各處理脲酶活性變化幅度不大，可知使用生物炭和生物炭基氮肥對土壤脲酶活性的影響不大。

圖4 不同施肥處理對土壤脲酶活性的影響A.砂土；B.壤土；■.糜子季；□.小麥季

3 結論與討論

土壤酶活性是土壤生物學活性的總體表現之一，既是衡量土壤肥力水平高低的重要指標，也是反映土壤養分(尤其是氮、磷)轉化能力強弱的指標。土壤酶還是表征土壤中物質、能量代謝旺盛程度和土壤質量水平的一個重要的生物指標[31]。本研究結果表明，各施肥處理土壤蔗糖酶活性均高于對照，其中尤以2種生物炭基氮肥CAN、BAN對蔗糖酶活性的增加效果顯著，單施2種生物炭BC、WC對蔗糖酶活性也具有很好的提高作用，這可能是因為生物質炭的施用在提高蔗糖酶酶促反應速率的同時，還增加了酶-底物復合物的穩定性，從而提高了土壤蔗糖酶的潛在活性。

本研究中，土壤過氧化氫酶活性在小麥收獲后，僅砂土中的CAN、WC和AN處理較糜子季略有增加，其余處理均呈現降低趨勢，且砂土各處理的過氧化氫酶活性均低于壤土相應處理，這可能是因為壤土土壤中的有機質含量較高，從而影響了土壤微生物的活性。在2種土壤中，糜子收獲后，CK、AN、BC、WC 4個處理中CK的過氧化氫酶活性最高，僅BC處理與CK、AN、BAN、CAN處理差異顯著，表明過氧化氫酶受肥料的影響較小，這與王娟等[32]的研究結果相似?？傮w來看，本研究土壤堿性磷酸酶活性的變化規律比較復雜，呈現一種波動性變化，2種土壤中CAN處理堿性磷酸酶活性在糜子季均最強，BC處理最弱；而在小麥季，AN處理堿性磷酸酶活性達到最強，BC處理最弱，這可能與種植作物不同有關。種植2季作物后，土壤脲酶活性總體呈降低趨勢，2種生物炭基氮肥處理脲酶活性均較強，而WC處理的脲酶活性最弱。2季作物收獲后，土壤脲酶活性均表現為壤土土壤高于砂土土壤，這可能與壤土的有機質含量較高有關。

從本試驗結果可以看出，與CK相比，BAN和CAN處理對土壤酶活性均有明顯影響。在作物收獲后，2種土壤中CAN、BAN處理的土壤酶活性總體比單施對應生物炭的高?？傊?，土壤酶活性的高低可以反映土壤養分轉化能力的強弱，其對因環境條件或管理因素引起的變化較敏感[33]，具有時效性。在糜子和小麥生長過程中，土壤酶活性的變化反映了作物的生長對土壤酶活性的影響；反過來，土壤酶活性的高低又必將對作物的生長發育產生影響。因此，生物炭與肥料的配施將是下一步研究的重點，以促進土壤酶活性的提高，進而促進作物生長發育，提高產量。

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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

時間:2015-08-05 08:56

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.09.018

2014-03-07

農業部“948”項目“生物質技術引進及消化”(2010-Z19)；國家林業局“948”項目“林果木生物質綜合轉化技術引進”(2009-4-64)；陜西省自然科學基礎研究計劃項目(2010JM5004)；陜西省攻關項目“高效生物炭基緩釋肥配方及施用技術研究”(2010K02-12-1)

趙 軍(1989-)，男，甘肅武威人，在讀碩士，主要從事土壤生態及土壤養分研究。E-mail：zhaojun610@163.com

耿增超(1963-)，男，陜西韓城人，教授，主要從事森林土壤及農業廢棄物轉化研究。E-mail：gengzengchao@126.com

S158.3

A

1671-9387(2015)09-0123-08

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