不同改良劑施用對滇中植煙土壤酶活性的影響

張曉花 宋婭麗 王克勤 陳炳紳 溫昌燾 楊昕 張倩

摘要：針對滇中地區植煙土壤退化問題，研究施用土壤改良劑后土壤養分儲存和酶活性變化，以期為滇中紅壤地區烤煙土壤質量的維護和改良提供參考依據。試驗以烤煙農田生態系統為研究對象，設置對照（CK）及4種不同土壤改良劑處理：生物炭（60 g/m²或30 g/m²）、秸稈（1 000 g/m²或500 g/m²）、聚丙烯酰胺（2 g/m²或 1 g/m²）、木質素（60 g/m²或30 g/m²），探討0～20 cm土層的養分儲存和酶活性變化特征。結果表明，生物炭、秸稈處理均顯著提高了土壤有機碳和全磷含量；秸稈和木質素處理顯著提高了土壤全氮含量，而木質素處理顯著降低了土壤全磷含量。生物炭、秸稈、木質素處理均顯著提高了土壤脲酶、酸性磷酸酶、過氧化物酶、蔗糖酶活性和纖維素酶活性；聚丙烯酰胺處理顯著提高了脲酶活性，抑制了土壤過氧化物酶活性。相較于秸稈和生物炭2種傳統改良劑，木質素也能明顯改善土壤養分和酶活性，結合其方便、經濟的特點，可在田間推廣應用。

關鍵詞：土壤酶活性；土壤改良劑；生物炭；秸稈；聚丙烯酰胺；木質素

中圖分類號：S154.2；S572.06；S156.2? 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）06-0242-08

收稿日期：2023-06-07

基金項目：云南省科技計劃（編號：202203AC100001-03）；云南省科技計劃重點研發項目（編號：2018BB018）；云南省科技廳“三區”人才支持計劃（編號：90202101）；云南省大學生創新創業訓練計劃（編號：202010677047）。

作者簡介：張曉花（1998—），女，貴州納雍人，碩士研究生，研究方向為生態恢復。E-mail：zxh1570494195@163.com。

通信作者：王克勤，博士，教授，博士生導師，從事小流域環境綜合治理的理論與技術研究。E-mail：wangkeqin7389@sina.com。

近年來，滇中紅壤丘陵地區煙草種植集中化規?；l展，由于長期的不合理耕作和管理，土壤發生了水土流失、土壤酸化和肥力下降等退化過程^[1]。這些退化過程導致了土壤酶活性降低、肥料利用率下降、烤煙品質差等問題，土壤質量急待改善^[2]。土壤酶直接參與土壤營養物質的轉化、釋放過程，因其能夠對外界因素引起的土壤微生態的細小變化迅速反應，可作為土壤新陳代謝和土壤健康的重要指標^[3]。合理的土壤改良措施可以改善土壤質量，改變可調控土壤酶的底物有效性，進而影響土壤酶活性及土壤質量^[4-5]。土壤改良劑是土壤農藝調控措施的重要手段，在調節土壤結構、改善土壤水分和養分等方面有巨大潛力^[6]。

生物炭和秸稈均為傳統型土壤改良劑，常被廣泛施用于田間，能增強土壤酶活性，改善土壤質量^[7-8]。如Jiang等的研究結果表明，添加2%生物炭后，茶園土壤蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性分別提高了63.3%、23.2%和27.9%^[9]；路怡青等研究認為，玉米秸稈粉碎還田能顯著提高土壤脲酶、磷酸酶和轉化酶活性（19.6%～44.3%），且秸稈添加量越多效果越顯著^[10]。聚丙烯酰胺和木質素作為新型土壤改良劑，其研究主要集中于對土壤理化性質的改良上，如張健等認為，聚丙烯酰胺施用于鹽漬化土壤能夠保持一定的堿解氮，能明顯抑制氮素向土壤深層移動，起到了保水保肥改良土壤的作用^[11]；袁穎紅等的研究表明，施用木質素后，土壤中銨態氮向硝態氮轉化的速率顯著降低，土壤硝態氮含量下降，使氮肥在土壤中較長期保存為銨態氮形式，可延長化肥肥效^[12]；以上研究均表明，聚丙烯酰胺和木質素作為土壤改良劑施用能保持土壤養分，土壤養分與酶活性相關，因而也可對土壤酶活性產生直接或間接影響^[13]。此前鮮少關注聚丙烯酰胺和木質素改良劑施用對土壤酶活性的影響，其應用于改良植煙土壤的相關研究鮮有報道。鑒于此，為了探究施用木質素和聚丙烯酰胺后對植煙土壤養分含量和酶活性的影響，本研究擬通過田間試驗對比分析傳統改良劑（生物炭、秸稈）和聚丙烯酰胺、木質素施用后滇中植煙紅壤碳（C）、氮（N）、磷（P）養分儲存和酶活性的變化特征，以期為滇中紅壤地區烤煙土壤質量的維護和改良提供參考依據。

1 材料與方法

1.1? 研究區域概況

本試驗區域位于云南省玉溪市紅塔區高倉街道龍樹村，102°34′12.30″E，24°17′32.33″N，海拔為1 625 m。全年日照時數有1 947.5 h，日照率為44%，霜降天數共52 d，多年平均降水量為 909.10 mm，降雨天數有130～150 d，最大24 h降水量為 41 mm，屬中亞熱帶半濕潤冷冬高原季風氣候，干濕季分明，雨季為5—10月。土壤屬山原紅壤，由砂頁巖發育而成，土層較薄，呈強酸性至微酸性。

1.2? 試驗設計

用于試驗的烤煙品種為K326，由玉溪市煙草公司統一調入。試驗處理設置如下：空白對照（CK）、60 g/m²生物炭（BH）、30 g/m²生物炭（BL）、1 000 g/m²秸稈（SH）、500 g/m²秸稈（SL）、2 g/m²聚丙烯酰胺（PH）、1 g/m²聚丙烯酰胺（PL）、60 g/m²木質素（LH）、30 g/m²木質素（LL）。每個處理3次重復，用1 m×1 m的鐵框劃分樣方，每個樣方種植2株烤煙，各樣方之間相隔均大于2 m，按照坡上、中、下順序排列，田間管理措施同當地常規管理保持一致。于2020年4月15日進行移栽施用基肥（牛糞），4月27日施用提苗肥，5月24日追肥，同時在樣方表層施用4種土壤改良劑（聚丙烯酰胺兌1 L水噴灑在土壤表面，秸稈、生物炭、木質素則直接鋪撒在土壤表面）。牛糞有機肥（干基）的有機質含量約為15%、氮含量約為0.42%、磷含量約為0.20%、鉀含量約為0.15%，提苗肥氮磷鉀比例為12∶6∶2，追肥氮磷鉀比例為18∶5∶22。生物炭由玉米秸稈高溫碳化制?。ㄓ珊幽线h見農業科技有限公司提供），其含 C 38.700%、N 1.37%、P 0.46%；粉碎玉米秸稈（1 cm）含 C 37.54%、N 1.36%、P 0.32%；聚丙烯酰胺由天津市致遠化學試劑有限公司提供，pH值為7.0；木質素由河南省強興化工有限公司銨法制造而成，其含 C 45.94%、N 4.84%、P 0.51%。各處理養分輸入量具體見表1。

1.3? 土壤樣品的采集與測定

在土壤改良劑施用50 d后開始進行土壤采樣，采用五點取樣法取樣，分別采集各樣方7月、8月、9月0～5、5～10、10～20 cm土層的土壤，去除根系與石礫，進行風干處理，過0.25 mm篩保存，用于土壤養分和酶活性測定。

土壤有機碳（SOC）含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定，全氮（TN）含量采用硫酸消煮-凱氏定氮法測定，全磷（TP）含量采用鉬銻抗比色法測定^[14]。土壤酶活性采用試劑盒測定，試劑盒由北京盒子生工科技有限公司提供。脲酶（urease，簡稱URE）、酸性磷酸酶（acid phosphatase，簡稱AP）、過氧化物酶（peroxidase，簡稱PER）、蔗糖酶（invertase，簡稱INV）和纖維素酶（cellulase，簡稱CEL）活性測定均按照試劑盒說明操作，用酶標儀在特定波長下測定吸光度，通過標準曲線計算樣品中土壤酶活性。5種酶活性單位均為 U/g，即每天每g土樣中產生1 μg硝態氮、1 nmol酚、1 mg紫色沒食子素、1 mg 還原糖、1 mg葡萄糖分別定義為1個脲酶活力單位、1個酸性磷酸酶活力單位、1個過氧化物酶活力單位、1個蔗糖酶活力單位、1個纖維素酶活力單位。

1.4? 數據處理

利用Origin 2019軟件繪制烤煙成熟期（9月）的土壤酶活性條形圖；采用SPSS 25對相關數據進行LSD多重比較，對土壤養分數據和酶活性進行相關性分析；用Excel軟件（2010）繪制各月份的酶活性雷達圖。

2? 結果與分析

2.1? 不同改良劑施用對土壤養分的影響

由表2可知，表中數據為烤煙成熟期（9月）的土壤養分。在0～20 cm土層，SOC含量呈降低趨勢，TN、TP含量以及N/P變化不顯著，C/N和C/P先升高后降低。與CK相比，在0～5、5～10、10～20 cm 土層，BH、SH、LH、BL、SL處理均顯著提高了SOC含量（P<0.05）；在0～5、5～10 cm土層，SH、LH、SL處理則顯著提高了TN含量（P<0.05），而在10～20 cm土層，各處理TN含量均差異不顯著；在0～5、5～10 cm土層，BH、SH、SL處理顯著提高了TP含量（P<0.05），而在 10～20 cm 土層，僅SH處理顯著提高了TP含量（P<0.05）；同時，LH處理顯著降低了 0～20 cm土層的TP含量。生物炭、秸稈、木質素處理均提高了土壤的C/N；生物炭和木質素處理均提高了土壤的C/P；木質素處理提高了土壤的N/P，而高量秸稈處理降低了土壤的N/P。綜上，4種土壤改良劑對土壤養分的改善作用表現為秸稈>木質素>生物炭>聚丙烯酰胺。

2.2? 不同改良劑施用對土壤關鍵酶活性的影響

2.2.1? 脲酶（URE）活性變化

由圖1-d可知，URE活性在月份間變化表現為9月>8月>7月，在土層間變化表現為0～5 cm＜10～20 cm＜5～10 cm；與CK相比，9月時，不同處理對URE活性影響明顯，因此選取9月的酶活性進行細化分析（圖1-a、圖1-b、圖1-c）。9月時，與CK相比，在0～5、5～10 cm土層，各不同高量處理下（BH、SH、PH、LH）土壤改良劑的URE活性均顯著增強（P<0.05），而低量處理下僅BL和SL處理顯著增強了URE活性，PL和LL處理差異不顯著；在10～20 cm土層僅有BH處理作用顯著，URE活性增加9.07%，其余處理均不顯著。對比各處理在不同土層間的URE活性增強作用，隨土層深度加深，各土壤改良劑對URE活性的作用逐漸減弱。

2.2.2? 酸性磷酸酶（AP）活性變化

由圖2-d可知，AP活性在月份間的變化表現為8月>7月>9月，在土層間的變化表現為5～10 cm<0～5 cm<10～20 cm。9月時，對比CK，在0～5、5～10 cm土層，各不同高量處理下（BH、SH、PH、LH）土壤改良劑的AP活性均顯著增強（P<0.05），低量處理下除了LL處理，BL、SL、PL也顯著提高了AP活性。在10～20 cm土層僅有高量處理（BH、SH、PH、LH）作用顯著（P<0.05），AP活性增加11.54%～35.96%。與URE活性相似，隨土層深度加深，各土壤改良劑對AP活性作用逐漸減弱。

2.2.3? 過氧化物酶（PER）活性變化

由圖3-d可知，PER活性在月份間的變化表現為7月>9月>8月，在土層間變化表現為0～5 cm>5～10 cm>10～20 cm。對比CK，在0～5 cm土層BH、SH、LH處理能顯著增強PER活性（P<0.05），而PH處理

顯著抑制了PER活性約34.13%；同樣的，低量處理下BL、SL、LL處理也顯著提高了PER活性，增強效果低于高量處理；PH處理降低了PER活性。5～10 cm 和10～20 cm土層，各處理效果與0～5 cm土層一致，但隨土層深度的加深，土壤改良劑作用逐漸降低。

2.2.4? 蔗糖酶（INV）活性變化

由圖4-d可知，INV活性在月份間的變化表現為8月>7月>9月，在土層間的變化表現為0～5 cm>5～10 cm>10～20 cm。對比CK，在3個土層下，高量處理BH、SH、

LH均能顯著提高INV活性（P<0.05），分別提高19.90%～31.14%、19.64%～21.39%、18.84%～22.65%，而低量處理BL則差異不顯著。同時，PH和PL處理在各土層間對INV活性的影響均不顯著。

2.2.5? 纖維素酶（CEL）活性變化

由圖5-d可知，CEL活性在月份間的變化表現為8月>9月>7月，在土層間變化表現為5～10 cm>10～20 cm>0～5 cm。對比CK，在0～5 cm土層，BH、SH、LH、BL、SL處理顯著提高了CEL活性，而PH、PL、LL處理則差異不顯著。在5～10 cm土層，BH、SH、LH、BL、SL、LL處理顯著提高了CEL活性，而PH、PL處理則差異不顯著。在10～20 cm土層，BH、SH、LH、SL處理顯著提高了CEL活性，而PH、BL、PL、LL處理則差異不顯著。

2.3? 土壤養分與關鍵酶活性的相關性

由表3可知，URE活性與SOC含量、TN含量、C/N、C/P顯著或極顯著正相關；AP活性與TN含量顯著正相關；PER活性與SOC、TN、TP含量顯著正相關，與N/P顯著負相關；INV活性與SOC、TN、TP含量極顯著正相關，與N/P顯著負相關；CEL活性與土壤養分含量相關性不顯著。雙因素方差分析結果表明，PER和CEL活性主要受土層變化影響，而施入的土壤改良劑對其影響不顯著；URE活性對施入的土壤改良劑響應極顯著；INV活性對土層和土壤改良劑類型均響應顯著；AP活性對土層和土壤改良劑類型響應均不顯著。

3? 討論

本研究中生物炭、秸稈、木質素施用均顯著提高了土壤有機碳含量，有機碳含量隨各物質施用量的增加而增加，是由于這3種物質均為外源添加有機物質，可在土壤中腐化分解，對土壤培肥和改良具有重要作用^[15-16]。秸稈和木質素提高了土壤全氮含量，是因為粉碎秸稈在高溫多雨的條件下在烤煙成熟期時腐化分解釋放了氮素，補充了烤煙生長消耗的氮素；木質素顯著提高了土壤的全氮含量，可能是木質素的特殊三維立體空間結構，其吸附基團多，能夠減緩氮肥過快地向銨態氮轉化的分解過程，降低了施入氮肥的損失量，從而在成熟期時呈現較高的氮含量^[17]；陳金旭等也認為添加木質素抑制了土壤銨態氮向硝態氮轉化的速率，顯著降低了土壤硝化作用強度，減少了土壤氮素損失^[18]。生物炭、秸稈均提高了土壤的全磷含量，是由于玉米秸稈制成的生物炭中磷含量較高，還田后腐化分解提高了土壤磷素含量，生物炭則通過吸附作用減少了土壤磷淋失，進而在烤煙成熟期時土壤磷含量較CK顯著增加^[19-20]；而木質素顯著降低土壤全磷含量，可能是木質素可添加到磷肥中作為活化劑和保護劑，其具有螯合和離子交換的性能，能顯著激活土壤磷肥有效性，提高肥料利用率，降低烤煙成熟期的土壤全磷含量^[21]。碳氮比和碳磷比通常被認為是土壤氮素、磷素礦化能力的標志，對作物生長發育具有重要影響^[22]。本研究中生物炭、秸稈、木質素這3種有機物質輸入，顯著增加了土壤有機碳、氮素、磷素含量，提高土壤碳氮比和碳磷比，改善了土壤的養分條件?？緹熒L適宜的氮磷比范圍為1∶1左右^[23]，木質素施用提高了土壤的氮磷比，因此使用木質素改良煙田時，可減少磷肥施用量，節約種植成本。

土壤酶活性主要受土壤水分、溫度、耕作、施肥、土地利用方式等諸多因素影響^[24]。土壤改良劑施入60 d左右（8月）才對土壤酶活性產生顯著影響，說明其具有一定的滯后效應。酸性磷酸酶、蔗糖酶和纖維素酶活性均在8月時（旺長期）最強，這與烤煙生長發育較為一致；過氧化物酶活性在烤煙成熟期（9月）較強，同時受土層變化影響顯著，隨土層加深而降低，主要是由于其參與難降解的木質素分解過程、土壤腐殖化過程等，而烤煙成熟期有機物質累積較多，土壤腐質化程度高，有機物質含量隨土層深度加深而減少^[25]。有機土壤改良劑施入能增加土壤有機質含量，其作為土壤微生物繁殖和發育的重要能量和養分來源，對改善土壤微生態環境、增強土壤酶活性有較好的效果^[26]。本研究驗證了前人的試驗結果，施用生物炭和秸稈2種改良劑后脲酶、酸性磷酸酶、過氧化物酶、蔗糖酶、纖維素酶活性均在0～20 cm土層內不同程度增強^[27-29]。其中生物炭和秸稈施用后，對土壤脲酶和過氧化物酶活性的增強作用相同，但秸稈對酸性磷酸酶、蔗糖酶活性的增強效果優于生物炭，秸稈對土壤酶活性的促進作用總體優于生物炭，這與Tian等的研究結論相似，秸稈還田增加土壤酶活性主要是由于秸稈本身含有富碳物質以及氮、磷、鉀等多種養分，其腐解能使土壤綜合生態因子改善，為土壤中的微生物提供豐富的養分和適宜的生存條件，提高土壤微生物活性，進而促進酶活性的提高^[30]。

聚丙烯酰胺作為保水劑和土壤結構改良劑可通過改善土壤物理性質，為土壤微生物提供適宜的生存環境，從而對土壤酶活性產生不同程度的直接或間接影響^[31]。本研究中聚丙烯酰胺增強了土壤脲酶、酸性磷酸酶活性，主要是因為脲酶活性與氮含量顯著正相關（表3），聚丙烯酰胺降低了土壤養分氨揮發，抑制了氮素深層移動效應，控制氮素淋失^[13]。同時聚丙烯酰胺作為保水劑可以提高土壤含水率，而氮礦化速率和酸性磷酸酶活性均與含水率正相關，含水率增加則土壤氮礦化速率增強，氮素釋放、吸收、轉運和積累增加，為土壤微生物提供了豐富的氮素養分，微生物活性增強，間接促進微生物分泌胞外酶^[32-33]。氧化類酶的活性受到土壤含水率、結構和腐殖質含量等諸多因素的影響，主要與土壤含水率呈負相關關系^[34]，聚丙烯酰胺作為保水劑施用表現為顯著抑制土壤過氧化物酶活性。木質素與生物炭和秸稈性質相似，均在0～20 cm土層內不同程度顯著增強了脲酶、酸性磷酸酶、過氧化物酶、蔗糖酶、纖維素酶活性，是由于木質素施入對土壤養分含量有顯著影響，而酶活性與養分含量間密切相關，如脲酶活性與SOC含量、TN含量、C/N、C/P顯著或極顯著正相關；酸性磷酸酶活性與TN含量顯著正相關；過氧化物酶活性與SOC、TN、TP含量極顯著正相關，與N/P顯著負相關；蔗糖酶活性與SOC、TN、TP含量極顯著正相關，與N/P顯著負相關；土壤養分的輸入會促進土壤微生物快速生長發育，進而促進養分轉化與固定的相關酶活性。同時木質素在本研究中施用量遠小于秸稈，與生物炭用量相同，且木質素價格較生物炭低，在土壤改良中施用木質素可保證土壤改良效果的同時節約成本。

4? 結論

在0～20 cm土層內，同一種土壤改良劑的高量施用對土壤碳氮磷養分積累的促進作用更大；4種土壤改良劑對土壤養分的改善作用表現為秸稈>木質素>生物炭>聚丙烯酰胺，對土壤酶活性的改善作用表現為秸稈>生物炭>木質素>聚丙烯酰胺。相較于秸稈和生物炭2種傳統改良劑，木質素也能明顯改善土壤養分和酶活性，結合其方便、經濟的特點，可在田間推廣應用。

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