高文慧，郭宗昊，薛 晨，印海鋒，昌夢(mèng)園，周其香，王光利，李 峰，劉 遠(yuǎn)

（淮北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，資源植物學(xué)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮北235000）

0 引言

近年來(lái)，生物炭作為一種重要的土壤改良劑逐漸被國(guó)際社會(huì)所認(rèn)可. 所謂生物炭，就是畜禽糞便、木材或作物秸稈等生物質(zhì)在無(wú)氧或缺氧的條件下高溫裂解產(chǎn)生的一種固體顆粒物質(zhì)，具有高pH值、高比表面積、較豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、較強(qiáng)的陽(yáng)離子交換能力、高碳氮比和穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［1-3］，生物炭的特性因原料和裂解條件的不同而有所差異，且施用同組分但不同比例的生物炭對(duì)作物產(chǎn)量和性狀的影響也有所不同. 由于生物炭在裂解炭化后呈粉末狀，無(wú)論在施用方面還是運(yùn)輸、儲(chǔ)存方面都有一定的難度［4］，且生物炭自身養(yǎng)分不足，直接提供給作物的養(yǎng)分有限，故將生物炭作為主要原料，與一定比例的有機(jī)或無(wú)機(jī)肥料混合制備的炭基肥成為一種新型肥料，將有望取代傳統(tǒng)化學(xué)肥料，并為農(nóng)業(yè)施肥提供更多選擇.

土壤酶包括游離的酶和束縛在細(xì)胞上的酶，主要來(lái)源于微生物細(xì)胞和動(dòng)植物殘?bào)w. 土壤酶是土壤生物地球化學(xué)過(guò)程的主要調(diào)節(jié)者，在土壤新陳代謝中扮演關(guān)鍵角色，對(duì)于環(huán)境條件的變化十分敏感，故可以作為衡量土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)［5-8］. 其中，過(guò)氧化氫酶是一種氧化還原酶，可以將土壤中對(duì)植物有害的過(guò)氧化氫分解為水和氧氣，在一定程度上反映土壤生物氧化過(guò)程的強(qiáng)弱. 水解酶在土壤里數(shù)量較多，參與有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，可以提高土壤中可溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量. 脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶是參與土壤碳氮磷循環(huán)的關(guān)鍵酶，其活性變化對(duì)于一定程度上反映土壤健康狀況具有重要意義. 黃劍［9］通過(guò)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)4年施用生物炭提高土壤轉(zhuǎn)化酶、脲酶和堿性磷酸酶活性. 尚藝婕等［10］研究秸稈生物炭對(duì)鎘污染水稻土壤酶活性的影響，結(jié)果表明生物炭能顯著提高土壤中碳循環(huán)類酶與氧化還原類酶活性. 趙軍等［11］研究發(fā)現(xiàn)施用竹炭基氮肥與木炭基氮肥可以顯著提高蔗糖酶與堿性磷酸酶的活性.

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于生物炭對(duì)土壤酶活性影響研究較多，然而關(guān)于根際土及非根際土酶活性差異方面的研究還比較少；而且已報(bào)道的相關(guān)生物炭研究大多采用盆栽試驗(yàn)或溫室試驗(yàn)、短時(shí)間以及一次性大量施用的方式，不能反映田間土壤酶活性的變化情況，且有關(guān)生物炭對(duì)土壤酶活性的影響結(jié)果不一致［12-15］.本文在總結(jié)汲取前人及本課題研究成果的基礎(chǔ)上，選取大豆這一廣泛種植的旱地農(nóng)作物為研究對(duì)象，通過(guò)田間定位試驗(yàn)，采用生物炭不同施入量和施入方式，探究生物炭輸入下的大豆根際土及非根際土中水解酶和氧化還原酶活性的變化，以期為生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的推廣應(yīng)用及促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展方面提供更多科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間小區(qū)試驗(yàn)于2017 年5 月開始，試驗(yàn)地點(diǎn)位于安徽省淮北市杜集區(qū)徐暨村（34°04′N，116°93′E）.該地區(qū)夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，四季分明，是典型的溫帶季風(fēng)氣候. 該地區(qū)年平均溫度14.8 ℃，年平均降水量830 mm，年無(wú)霜期202 d. 該地區(qū)長(zhǎng)期以小麥-大豆輪作為主要種植方式. 供試土壤為砂壤土. 本研究使用的生物炭和炭基肥購(gòu)自南京勤豐秸稈科技有限公司，水稻秸稈炭與土壤基本理化性質(zhì)見表1.

表1 水稻秸稈炭與土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，本試驗(yàn)共設(shè)置5 個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)4 次，每個(gè)小區(qū)面積為20 m2（4 m×5 m）. 處理1：?jiǎn)问┗蕦?duì)照，75 kg·ha-1復(fù)合肥（CK）；處理2：秸稈全量還田+75 kg·ha-1復(fù)合肥（CS）；處理3：7 t·ha-1生物炭緩施+75 kg·ha-1復(fù)合肥（B7）；處理4：20 t·ha-1生物炭+75 kg·ha-1復(fù)合肥（B20）；處理5：75 kg·ha-1炭基肥（BCF）. 其中，施用復(fù)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%的有機(jī)養(yǎng)分. 由于秸稈（CS）和生物炭（B7和B20）本身帶入養(yǎng)分量低，養(yǎng)分主要以復(fù)合肥形式提供. 另外，炭基肥（BCF）處理在施肥時(shí)補(bǔ)充3.75 t·ha-1K2O，以使所有處理保持等量氮磷鉀養(yǎng)分含量.

1.3 土樣采集

2018年小麥?zhǔn)斋@后即種植大豆. 于2018年10月在大豆成熟期進(jìn)行采樣. 隨機(jī)選取6～8株植株，采用抖根法收集根際土壤樣品；按S型五點(diǎn)采樣法，用土鉆采集距植株一定距離0～15 cm 的耕層土壤作為非根際土壤樣品，將每個(gè)小區(qū)的土樣充分混合均勻，裝入干凈無(wú)菌自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室. 新鮮土樣除去碎石子、秸稈以及動(dòng)植物殘?bào)w，風(fēng)干后過(guò)2 mm篩，用于酶活測(cè)定.

1.4 土壤酶活性的測(cè)定

土壤脲酶活性采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法測(cè)定；土壤蔗糖酶活性的測(cè)定采用3，5—二硝基水楊酸比色法；土壤過(guò)氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定；土壤堿性磷酸酶活性的測(cè)定采用磷酸苯二鈉比色法［16-17］.

1.4.1 土壤脲酶的測(cè)定

取5 g風(fēng)干土置于50 mL 錐形瓶中，加入1 mL 甲苯后振蕩混勻；15 min 后加10 mL 10%尿素溶液和20 mL pH為6.7的檸檬酸鹽緩沖液，搖勻后于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中放置24 h. 取3 mL濾液于50 mL容量瓶中，補(bǔ)蒸餾水至20 mL，加4 mL苯酚鈉溶液和3 mL次氯酸鈉溶液，邊加邊搖勻，20 min后顯靛藍(lán)色定容，1 h之內(nèi)在分光光度計(jì)波長(zhǎng)為578 nm處進(jìn)行比色，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算酶活性，以24 h后1 g土壤中NH4+—N的質(zhì)量（mg）表示. 同時(shí)設(shè)置無(wú)土對(duì)照，用以檢驗(yàn)試劑純度和基質(zhì)的自身分解；設(shè)置無(wú)基質(zhì)對(duì)照，排除土樣中原有的氨對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響.

1.4.2 土壤蔗糖酶的測(cè)定

取5 g風(fēng)干土置于50 mL錐形瓶中，依次加入15 mL 8%蔗糖溶液，5 mL pH 5.5的磷酸緩沖液和5滴甲苯后振蕩混勻，置于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中放置24 h. 取出后立即過(guò)濾，取1 mL濾液，注入到50 mL容量瓶中，加入3 mL 3，5—二硝基水楊酸，置于沸騰的水浴鍋中加熱5 min（從容量瓶放入水浴鍋重新沸騰算起），之后在自來(lái)水下冷卻3 min. 溶液呈橙黃色，蒸餾水定容，并在分光光度計(jì)波長(zhǎng)為508 nm 處進(jìn)行比色，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算酶活性，以24 h 后1 g 土壤中葡萄糖的質(zhì)量（mg）表示. 同時(shí)設(shè)置無(wú)土和無(wú)基質(zhì)對(duì)照.

1.4.3 土壤過(guò)氧化氫酶的測(cè)定

取5 g 風(fēng)干土置于150 mL 錐形瓶中，加入40 mL 蒸餾水和5 mL 0.3%過(guò)氧化氫，瓶口封好后置于120 r·min-1的搖床上振蕩30 min，隨即注入5 mL 1.5 mol·L-1H2SO4終止反應(yīng). 取25 mL 濾液，用0.002 mol·L-1高錳酸鉀溶液滴定至微紅；同時(shí)設(shè)置對(duì)照. 土壤過(guò)氧化氫酶活性用單位土重消耗的0.002 mol·L-1高錳酸鉀毫升數(shù)（對(duì)照與試驗(yàn)組的差值）表示.

1.4.4 土壤堿性磷酸酶的測(cè)定

取5 g 風(fēng)干土置于50 mL 容量瓶中，用0.75 mL 甲苯處理15 min 后，注入5 mL 磷酸苯二鈉溶液和5 mL三羥甲基氨基甲烷緩沖液，混勻后置于37 ℃恒溫培養(yǎng)箱中放置24 h. 用38 ℃蒸餾水定容后過(guò)濾. 取1 mL濾液于100 mL容量瓶中，加入5 mL緩沖液，用水稀釋至25 mL，加入1 mL Gibbs 試劑，搖勻后靜置20 min，溶液呈青色，定容，用分光光度計(jì)在578 nm處進(jìn)行比色. 每一土樣均設(shè)置無(wú)基質(zhì)對(duì)照，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線，求出酚量. 土壤堿性磷酸酶活性以每百克干土的酚毫克數(shù)表示.

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)均利用Excel 2010和SPSS 20.0軟件進(jìn)行方差分析、顯著性檢驗(yàn)和相關(guān)分析并作圖，顯著性水平p＜0.05.

2 結(jié)果

2.1 不同施肥處理對(duì)土壤脲酶活性的影響

從圖1 可以看出，非根際土脲酶活性位于3.42～4.08 mg·g-1之間，根際土脲酶活性位于4.17～4.40 mg·g-1之間，根際土與非根際土相比，脲酶活性沒有顯著性差異. 與CK相比，CS、B7、B20和BCF處理對(duì)大豆根際土與非根際土脲酶活性沒有顯著影響. 同時(shí)，CS、B7、B20和BCF處理之間的根際和非根際土脲酶活性也沒有顯著性差異（p＞0.05）. 圖1中不同小寫字母表示非根際土不同處理間顯著性差異水平，不同大寫字母表示根際土不同處理間顯著性差異水平，每個(gè)處理上方的數(shù)字表示根際土與非根際土顯著性統(tǒng)計(jì)的p值（*表示p＜0.05）. 下圖同.

圖1 不同施肥處理對(duì)土壤脲酶活性的影響

圖2 不同施肥處理對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響

2.2 不同施肥處理對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響

從圖2 可以看出，非根際土壤蔗糖酶活性介于8.28～13.96 mg·g-1，根際土壤蔗糖酶活性介于9.61～14.18 mg·g-1. 與非根際土相比，在B7處理根際土的蔗糖酶活性顯著性提高，而CK、CS、B20、BCF處理根際土與非根際土的蔗糖酶活性沒有顯著性差異. 與CK相比，CS、B7和B20處理根際和非根際土蔗糖酶活性沒有顯著性改變，但是BCF處理顯著提高土壤蔗糖酶活性，在非根際土和根際土中提高幅度分別達(dá)到61.76%和31.91%.

2.3 不同施肥處理對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性的影響

從圖3可以看出，非根際土中過(guò)氧化氫酶活性位于8.36～8.49 mL·g-1之間，根際土中過(guò)氧化氫酶活性位于8.37～8.49 mL·g-1之間，根際土與非根際土相比，過(guò)氧化氫酶活性沒有顯著性差異. 同時(shí)，根際和非根際過(guò)氧化氫酶活性在不同施肥方式處理中也沒有顯著性變化.

2.4 不同施肥處理對(duì)土壤堿性磷酸酶活性的影響

從圖4 可以看出，與非根際土相比，BCF 處理根際土的堿性磷酸酶活性顯著性提高，而CK、CS、B7、B20處理根際土的堿性磷酸酶活性沒有顯著性差異. 與CK 相比，CS、B7、B20和BCF 處理間大豆非根際土堿性磷酸酶活性沒有顯著性差異. 而對(duì)于根際土堿性磷酸酶活性來(lái)說(shuō)，CK處理最低，其次是CS和BCF處理，而B7 和B20 處理活性最高. 與CK 相比，B7 與B20 根際土堿性磷酸酶活性分別提高32.98%和31.38%.

圖3 不同施肥處理對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性的影響

圖4 不同施肥處理對(duì)土壤堿性磷酸酶活性的影響

3 討論

根際土由于受植物根系脫落物與分泌物的影響，根際區(qū)域中營(yíng)養(yǎng)較為豐富且微生物活動(dòng)較為頻繁，因此導(dǎo)致根際土壤酶活性比非根際土較高. 郭華等［18］關(guān)于毛竹根際與非根際土壤酶活性的研究中表明：過(guò)氧化氫酶、磷酸酶、脲酶和脫氫酶在根際土中的活性明顯高于非根際土. 尚藝婕等［10］研究秸稈生物炭對(duì)鎘污染水稻土壤酶活性影響的結(jié)果顯示：水稻根際碳循環(huán)類酶與氧化還原類酶活性均高于非根際土.

脲酶可以將土壤中的尿素分解為氨、二氧化碳和水，在一定程度上反映土壤的氮素狀況［19-21］. 本研究結(jié)果顯示：與CK 相比，添加秸稈、生物炭和炭基肥處理對(duì)大豆根際和非根際脲酶活性都沒有顯著影響.這與李軍等關(guān)于玉米大豆輪作條件下長(zhǎng)期定位施肥對(duì)脲酶活性的研究結(jié)果類似［22］. 但這與長(zhǎng)期施肥可以提高土壤脲酶活性的有關(guān)報(bào)道不一致，這可能與作物種類、種植方式和生物炭原料與制備條件等有關(guān). 除此之外，大豆自身可以固氮，在大豆的種植期間并未施加尿素，土壤中氮素水平較低，不同處理間脲酶活性差異較小.

蔗糖酶可以將土壤中蔗糖分解為葡萄糖和果糖，在一定程度上反映土壤的熟化程度和肥力水平［16-17］. 相較其他處理，炭基肥能顯著提高蔗糖酶的活性，這與趙軍等關(guān)于生物炭及炭基硝酸銨肥料對(duì)土壤蔗糖酶活性影響的研究結(jié)果類似［11］. 這可能是由于蔗糖酶分解蔗糖產(chǎn)生葡萄糖和果糖，葡萄糖作為一種植物微生物的重要碳源，炭基肥的C/N比較高，酶促基質(zhì)較多，故蔗糖酶顯著提高.

過(guò)氧化氫酶可以將土壤中對(duì)植物有害的過(guò)氧化氫分解為水和氧氣，在一定程度上反映土壤生物氧化過(guò)程的強(qiáng)弱［19-21］. 本研究中，不同處理間大豆根際土或非根際土的過(guò)氧化氫酶活性差異不顯著. 這與袁玲等關(guān)于長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)于過(guò)氧化氫酶活性的影響差異較小的結(jié)果類似［23］. 與趙軍等關(guān)于生物炭及炭基硝酸銨肥料對(duì)過(guò)氧化氫酶活性受肥料的影響較小的結(jié)果類似［11］. 究其原因，一方面，可能是土壤中過(guò)氧化氫酶較為穩(wěn)定，不容易受外界環(huán)境的影響；另一方面，可能與生物炭的施用對(duì)土壤環(huán)境的影響有關(guān)，如土壤溫度和表層水分狀況變異性較大，不利于氧化還原類酶活性的提高.

磷酸酶可以促進(jìn)有機(jī)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狀況［16-17］.本研究結(jié)果表明：生物炭無(wú)論是以緩施還是一次性大量施入的方式，都能顯著提高土壤堿性磷酸酶的活性，但炭基肥處理并未發(fā)生明顯變化. 可能是因?yàn)樯锾恐苯訉⒈旧砗械目扇苄粤揍尫诺酵寥乐校雇寥乐械挠行Я缀可撸?9-21］，此外，生物炭具有高pH的特性，施用后會(huì)使土壤的堿性增強(qiáng)，從而使堿性磷酸酶活性得以提高. 黃劍［9］基于華北高產(chǎn)農(nóng)田的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，土壤堿性磷酸酶活性在生物炭的處理下有較大幅度的提高. 而炭基肥中生物炭的含量較低，對(duì)于提高土壤有效磷能力較弱，故對(duì)堿性磷酸酶的活性沒有影響.

4 結(jié)論

（1）在該田間試驗(yàn)中，添加秸稈、生物炭與炭基肥對(duì)大豆根際和非根際土脲酶和過(guò)氧化氫酶活性沒有影響. 與非根際土相比，根際土壤脲酶和過(guò)氧化氫酶活性沒有顯著性差異.

（2）秸稈和生物炭處理對(duì)大豆土壤蔗糖酶沒有影響，但炭基肥處理顯著提高根際土和非根際土蔗糖酶活性.

（3）與對(duì)照相比，添加秸稈、生物炭和炭基肥處理對(duì)大豆非根際土壤堿性磷酸酶活性沒有影響；而生物炭處理（B7和B20）顯著提高根際土壤堿性磷酸酶活性.