何 京，董建新，叢 萍，宋文靜，馬曉剛，管恩森，王大海

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 煙草研究所，山東 青島 266101；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 研究生院，北京 100081；3.山東濰坊煙草有限公司，山東 濰坊 261061)

有機(jī)碳是評價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，可直接影響土壤肥力和作物產(chǎn)量[1]。其分子組成是影響其分解速率和穩(wěn)定性的重要機(jī)制，最終導(dǎo)致農(nóng)田土壤有機(jī)碳儲量變化[2]。然而，由于受到耕地?cái)?shù)量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的影響，煙葉生產(chǎn)過程中普遍存在煙田長期連作現(xiàn)象，使煙田土壤無外源有機(jī)物料補(bǔ)充碳源，導(dǎo)致煙田土壤有機(jī)碳嚴(yán)重匱乏，土壤肥力急劇衰退。有研究表明，長期連作將顯著降低土壤有機(jī)碳和煙葉產(chǎn)量[3]。在當(dāng)下加強(qiáng)土壤耕地保護(hù)的大背景下，急需采取有效措施實(shí)現(xiàn)植煙土壤的快速“增碳培肥”，以保障土壤耕地質(zhì)量的提升及其可持續(xù)發(fā)展。

秸稈還田是當(dāng)前提升土壤肥力的主要措施。我國玉米秸稈年產(chǎn)量達(dá)9億t，其碳氮比高達(dá)71.29∶1，且玉米秸稈中含有大量植物所需的磷鉀硫等營養(yǎng)元素，是土壤固碳培肥的重要生物質(zhì)原料[4]。當(dāng)前，玉米秸稈還田方式主要有常規(guī)還田、腐熟還田和制備成生物炭還田3種，即分別通過向土壤補(bǔ)充新鮮植物源碳、腐殖化植物源碳以及高溫裂解植物源碳而實(shí)現(xiàn)土壤增碳。秸稈常規(guī)還田是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的土壤培肥方式之一，在提升土壤碳庫，改良土壤方面作用明顯[5]。陳士更等[6]研究發(fā)現(xiàn)，腐熟秸稈還田可顯著提高土壤全氮、速效鉀等養(yǎng)分含量，25.29%，27.49%。秸稈經(jīng)高溫制備成生物炭后含有較高濃度的碳和豐富的多孔結(jié)構(gòu)，能夠提高土壤有機(jī)碳含量和穩(wěn)定性[7]。通過增加土壤外源有機(jī)物的輸入，不僅能夠改善農(nóng)田土壤理化性質(zhì)，同時能夠影響土壤有機(jī)碳的分解速率和穩(wěn)定性[8]，最終導(dǎo)致土壤有機(jī)碳儲量變化。玉米秸稈因具有較高的碳氮比，恰好適宜于煙草“增碳控氮”的土壤需求。然而，當(dāng)前的研究尚未比較3種不同形態(tài)的玉米秸稈碳對植煙土壤的增碳培肥效果。

黃淮煙區(qū)是我國主要植煙區(qū)域之一，以山東省境內(nèi)分布面積最廣。然而，調(diào)查分析表明，山東主要植煙區(qū)土壤有機(jī)碳含量為11.37 g/kg，較山東耕地平均有機(jī)碳均值降低了30.69%[9]，其增碳培肥的需求尤為迫切。鑒于此，本研究以山東典型植煙土壤為研究對象，探究玉米秸稈碳形態(tài)對土壤有機(jī)碳、理化特性及酶活性的影響，以期為植煙土壤的快速增碳培肥提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況與供試材料

試驗(yàn)于2020年在山東省諸城市賈悅鎮(zhèn)(36°02′N，119°19′E)進(jìn)行，海拔68 m。該區(qū)地處濰坊市東南部，屬溫帶季風(fēng)氣候，土壤類型為褐土，質(zhì)地為砂質(zhì)壤土。年均氣溫14.67 ℃，年均降水量701.40 mm。種植模式為烤煙-冬閑。供試材料為常規(guī)秸稈(秸稈粉碎過1 mm篩)，腐熟秸稈(秸稈粉碎過1 mm篩后，均勻撒入促腐劑，進(jìn)行21 d有氧腐熟)，秸稈生物炭(秸稈粉碎過1 mm篩后，置于馬弗爐中于500 ℃進(jìn)行炭化)。0～20 cm耕層土壤基本理化性狀：土壤容重(BD)1.30 g/cm3，pH 值8.43，總有機(jī)碳(TOC)12.02 g/kg，全氮(TN)0.53 g/kg，有效磷(AP)8.94 mg/kg，速效鉀(AK)198.59 mg/kg，銨態(tài)氮(AN)5.86 mg/kg，硝態(tài)氮(NN)6.33 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)為土柱試驗(yàn)，采用隨機(jī)區(qū)組排列。于2020年5—9月完成?？緹熎贩N選用NC55，共設(shè)置4個處理，每處理3個重復(fù)，共計(jì)12個處理。分別為：不添加秸稈碳處理(CK)；常規(guī)秸稈處理(RS)；腐熟秸稈處理(DS)；秸稈生物炭處理(BC)。秸稈有機(jī)碳各組分相對含量見表1。土柱材料采用內(nèi)徑40 cm，高65 cm的聚氯乙烯(PVC)管制作。將12個土柱埋設(shè)位置0～20 cm，20～30 cm的土層挖出，分別過5 mm篩，并混勻備用。將土柱在挖出土層的位置砸入地表下40 cm，地表上留25 cm。按照原土壤容重計(jì)算出回填的土，依據(jù)等碳量原則將20～30 cm土層的土壤分別與常規(guī)秸稈、腐熟秸稈以及秸稈生物炭混勻后填充到土柱內(nèi)，具體用量見表2?；拾凑諢煵萃扑]肥量施用，即N 76.95 kg/hm2、P2O576.95 kg/hm2和K2O 193.50 kg/hm2。每個土柱間隔0.60 m，植煙1株。

表1 秸稈有機(jī)碳各組分相對含量Tab.1 The relative content of each component of straw organic carbon %

表2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 Experimental treatments

1.3 樣品采集

于烤煙成熟期用環(huán)刀采集各小區(qū)0～20 cm土壤，測定土壤容重；采集耕層0～20 cm土壤，混勻后將土樣分為2份，一份經(jīng)過風(fēng)干研磨，用于測定土壤pH值、有機(jī)碳、全氮、速效鉀的含量；另一部分儲存于4 ℃冰箱中，用于測定銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、土壤酶活和有機(jī)碳組分。

1.4 測定方法

土壤理化指標(biāo)的測定：容重采用環(huán)刀法測定；pH值采用pH計(jì)(Sartorius PB-10，Germany)測定；有機(jī)碳采用重鉻酸鉀加熱滴定法測定；全氮采用半微量凱氏定氮法測定；速效鉀的測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法；銨態(tài)氮、硝態(tài)氮采用1 mol/L氯化鉀溶液浸提，用SEAL AA3連動流動分析儀測定。

土壤酶活的測定：蔗糖酶活性(Su)采用3，5-二硝基水楊酸比色法；土壤脲酶活性(Ur)用靛酚藍(lán)比色法(以NH3-N計(jì))；堿性磷酸酶活性(Ps)采用磷酸苯二鈉比色法；纖維素酶活性(Ce)采用硝基水楊酸比色法測定。

碳組分含量測定：可溶性有機(jī)碳(DOC)測定[10]：去離子水浸提(土水比為1∶5)，用Multi N/C 3100自動分析儀測定過濾液中可溶性有機(jī)碳含量；顆粒有機(jī)碳(POC)測定[11]：5 g/L六偏磷酸鈉溶液進(jìn)行分離提??；微生物量碳(MBC)測定：氯仿熏蒸-K2SO4提取法。

有機(jī)碳官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的測定：采用13C核磁共振波譜技術(shù)(NMR)分析。土壤樣品分析前先用HF去除金屬離子干擾[12]。具體方法：風(fēng)干土過0.15 mm篩，稱取7.5 g于離心管中，加入50 mL 10%的HF溶液振蕩1 h(25 ℃，100 r/min)，離心10 min(3 000 r/min)，移去上清液，繼續(xù)用HF處理，共重復(fù)處理8次，振蕩時間分別為：4次×1 h，3次×12 h，1次×24 h。處理后的殘余物用蒸餾水洗至中性：加50 mL蒸餾水，振蕩10 min，離心10 min(3 000 r/min)，去掉上清液，整個過程重復(fù)5～6次，冷凍干燥后用瑪瑙研缽研磨后過0.15 mm篩待測。土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)波譜大多劃分為四大官能區(qū)：烷基碳(Alkyl-C，0～45 ppm)；烷氧碳(O-Alkyl-C，45～110 ppm)；芳香碳(Aromatic-C，110～160 ppm)；羰基碳(Carbonyl-C，160～190 ppm)。其中，烷基碳+芳香碳=疏水碳(Hydrophobic-C)，烷氧碳+羰基碳=親水碳(Hydrophilic-C)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SAS 9.4軟件進(jìn)行方差分析和主成分分析，用MestReNova軟件進(jìn)行有機(jī)碳官能團(tuán)的分析，顯著性檢驗(yàn)采用LSD法(α=0.05)。采用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，制圖采用Origin 9.5軟件。通過提取主成分并計(jì)算得分以評價(jià)土壤肥力質(zhì)量。主成分分析計(jì)算土壤肥力綜合得分公式如下[13]：

F=F1×δ1+F2×δ2+……+Fn×δn

式中，F(xiàn)指土壤肥力綜合得分；F1指主成分分析中提取出的第1主成分的得分；δ1為第1主成分的方差貢獻(xiàn)率；Fn指主成分分析中提取出的第n主成分的得分；δn為第n主成分的方差貢獻(xiàn)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈碳形態(tài)對土壤有機(jī)碳的影響

2.1.1 秸稈碳形態(tài)對土壤有機(jī)碳組分的影響 不同秸稈碳形態(tài)對土壤有機(jī)碳組分含量影響顯著(圖1)。與不添加秸稈碳相比，3種形態(tài)秸稈碳投入均顯著提高土壤有機(jī)碳和微生物量碳含量(P<0.05)，增幅分別為有機(jī)碳：秸稈生物炭19.85%，腐熟秸稈14.46%，常規(guī)秸稈8.35%；微生物量碳：腐熟秸稈427.80%，常規(guī)秸稈281.77%，秸稈生物炭75.15%；常規(guī)秸稈和腐熟秸稈處理顯著提升了可溶性有機(jī)碳含量，增幅分別為30.44%，19.58%(P<0.05)；秸稈生物炭處理土壤顆粒有機(jī)碳含量顯著提高了42.40%(P<0.05)，常規(guī)秸稈和腐熟秸稈處理則表現(xiàn)出顯著降低(P<0.05)。可見，3種形態(tài)秸稈碳均對有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳和微生物量碳有提升效應(yīng)，僅秸稈生物炭處理顯著提高土壤顆粒有機(jī)碳。

由表3可知，與不添加秸稈碳相比，常規(guī)秸稈和腐熟秸稈處理提高了可溶性有機(jī)碳/有機(jī)碳，其中呈顯著差異的是常規(guī)秸稈，增幅達(dá)20.63%(P<0.05)；秸稈生物炭處理顯著提高了顆粒有機(jī)碳/有機(jī)碳，增幅為19.25%(P<0.05)；3種形態(tài)秸稈碳均顯著提高微生物量碳/有機(jī)碳(P<0.05)，增幅分別達(dá)腐熟秸稈317.65%，常規(guī)秸稈229.41%，秸稈生物炭47.06%。綜上可知，3種形態(tài)秸稈碳通過增加微生物量碳/有機(jī)碳，促進(jìn)土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)。

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖3同。Different lowercase letters indicate significant differences among treatments(P<0.05).The same as Fig.3.

2.1.2 秸稈碳形態(tài)對土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)的影響 結(jié)合圖2和表4可以看出，常規(guī)秸稈與腐熟秸稈處理土壤有機(jī)碳官能團(tuán)烷氧碳為主，其相對含量為38.86%～56.69%，較不添加秸稈碳提高了土壤烷氧碳和羰基碳(易降解碳組分)的相對含量，分別提高4.22～22.05百分點(diǎn)和1.15～20.92百分點(diǎn)。而秸

表3 秸稈碳形態(tài)對土壤有機(jī)碳組分分配比例的影響Tab.3 Effect of straw carbon form on soil organic carbon distribution ratio of the components %

圖2 土壤有機(jī)碳的13C-NMR譜圖Fig.2 13C-NMR spectrum of soil organic carbon

稈生物炭處理下土壤有機(jī)碳以烷基碳官能團(tuán)為主，相對含量高達(dá)46.30%，較不添加秸稈碳提高了土壤烷基碳(難降解碳組分)的相對含量，提高18.37百分點(diǎn)。此外，秸稈生物炭處理顯著提高了烷基碳/烷氧碳(A/O-A)與疏水碳/親水碳(Hydrophobic-C/Hydrophilic-C)。

2.2 秸稈碳形態(tài)對土壤理化性質(zhì)的影響

由表5可知，不同形態(tài)秸稈碳的添加對容重影響不顯著。腐熟秸稈和秸稈生物炭處理較不添加秸稈碳顯著降低土壤pH值，降幅分別為1.75%，1.52%(P<0.05)。常規(guī)秸稈處理全氮含量較不添加秸稈碳顯著降低，降幅達(dá)22.73%(P<0.05)，而腐熟秸稈、秸稈生物炭處理全氮含量較不添加秸稈碳處理無顯著差異。與不添加秸稈碳處理相比，3種形態(tài)秸稈碳處理均增加了土壤碳氮比、速效鉀、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的含量，其中常規(guī)秸稈處理顯著增加了碳氮比，增幅為41.23%；常規(guī)秸稈、腐熟秸稈和秸稈生物炭處理對銨態(tài)氮的增加作用呈顯著差異，增幅為秸稈生物炭(19.93%)> 腐熟秸稈(9.93%)>常規(guī)秸稈(7.11%)；腐熟秸稈和秸稈生物炭處理對速效鉀的增加量顯著，增幅分別達(dá)15.24%，65.72%(P<0.05)；秸稈生物炭處理對硝態(tài)氮的增加顯著，增幅達(dá)5.77%(P<0.05)。由此可見，施用秸稈有利于改善土壤環(huán)境，提升土壤養(yǎng)分含量。

表4 不同處理土壤有機(jī)碳各組分相對含量Tab.4 The relative content of each component of organic carbon in straw and different treatment soil %

表5 秸稈碳形態(tài)對土壤理化性質(zhì)的影響Tab.5 Effects of straw carbon form on soil physical and chemical properties

2.3 秸稈碳形態(tài)對土壤酶活性的影響

由圖3 可知，與不添加秸稈碳相比，常規(guī)秸稈、秸稈生物炭處理均可顯著提高蔗糖酶和脲酶活性，其中以常規(guī)秸稈處理的增加作用最明顯，增幅分別為71.78%，40.00%(P<0.05)；秸稈生物炭處理提高了纖維素酶的活性，增幅達(dá)9.60%(P>0.05)；3種形態(tài)秸稈碳均顯著提高了磷酸酶活性(P<0.05)，增幅為秸稈生物炭(57.49%)> 腐熟秸稈(25.15%)> 常規(guī)秸稈(19.76%)?？梢姡瓲罱斩捥嫉奶砑痈兄谔岣哒崽敲负碗迕富钚?，而秸稈生物炭添加更有助于提高纖維素酶和磷酸酶活性。

圖3 秸稈碳形態(tài)對土壤酶活性的影響Fig.3 Effect of straw carbon form on soil enzyme activity

2.4 秸稈碳形態(tài)下土壤有機(jī)碳組成及結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系

由圖4-A可知，RDA分析圖共解釋了土壤有機(jī)碳含量總變化的99.00%，其中第一軸和第二軸的解釋率為90.73%，8.27%。結(jié)果表明，土壤碳氮比(C/N)(33.6%，F(xiàn)=5.1，P=0.030)、纖維素酶(Ce)(22.1%，F(xiàn)=7.6，P=0.014)、全氮(TN)(3.8%，F(xiàn)=30.3，P=0.040)是影響土壤有機(jī)碳含量的主要影響因素。其中，纖維素酶對有機(jī)碳含量的影響最大，且纖維素酶與有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳呈正相關(guān)。圖4-B可知，11個環(huán)境變量共解釋了土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)總變化的99.89%。第一軸和第二軸的解釋率分別為92.77%，7.12%。結(jié)果表明，土壤纖維素酶(Ce)(50.8%，F(xiàn)=10.3，P=0.006)、pH值(37.1%，F(xiàn)=27.4，P=0.002)和速效鉀(AK)(5.1%，F(xiàn)=5.8，P=0.028)對有機(jī)碳官能團(tuán)組成影響均達(dá)到顯著水平。其中，pH值對有機(jī)碳結(jié)構(gòu)的影響最大，pH值與芳香碳成正相關(guān)，纖維素酶和速效鉀與烷基碳呈正相關(guān)。因此，土壤纖維素酶、pH值和速效鉀含量改變是導(dǎo)致不同處理間土壤有機(jī)碳官能團(tuán)結(jié)構(gòu)存在差異的主要原因。

圖4 有機(jī)碳含量(A)、有機(jī)碳官能團(tuán)結(jié)構(gòu)(B)分別與土壤環(huán)境因子的冗余分析(RDA)Fig.4 Redundant analysis(RDA)of organic carbon content(A)，organic carbon functional group structure(B)and soil environmental factors

2.5 秸稈碳形態(tài)下土壤肥力質(zhì)量評價(jià)

本研究分別選擇容重、pH值、有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳、微生物量碳、全氮、碳氮比、速效鉀、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、蔗糖酶、脲酶、纖維素酶、磷酸酶、烷基碳和芳香碳共17個指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。將累積貢獻(xiàn)百分率≥70%作為提取原則[14]，得到2個主成分，累積方差貢獻(xiàn)率為73.67%(表6)，2個主成分的特征值分別為7.69，4.83，貢獻(xiàn)率分別為45.25%，28.42%。第1主成分因子(F1)在容重、有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳、速效鉀、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、纖維素酶和磷酸酶指標(biāo)上的載荷系數(shù)較大，第2主成分因子(F2)在可溶性有機(jī)碳、微生物量碳和碳氮比的載荷系數(shù)最大，可見土壤容重、養(yǎng)分因子、生物酶因子及有機(jī)碳含量是決定土壤肥力質(zhì)量的重要因子。進(jìn)一步通過主成分得分與各因子的特征值百分率進(jìn)行加權(quán)求和計(jì)算得出土壤肥力質(zhì)量得分，如表7所示，各處理的綜合得分大小順序?yàn)椴惶砑咏斩捥?-0.72)<腐熟秸稈(0.02)<常規(guī)秸稈(0.13)<秸稈生物炭(0.57)。常規(guī)秸稈、腐熟秸稈和秸稈生物炭處理均可較不添加秸稈碳提高土壤質(zhì)量。其中，秸稈生物炭處理提升效果最明顯，較不添加秸稈碳提升了179.17%。可見，秸稈生物炭是短期內(nèi)提升土壤質(zhì)量的較優(yōu)選擇。

表6 土壤因子的主成分提取及旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣Tab.6 Principal component extraction and rotated component matrix of soil factors

表7 各因子得分及土壤肥力質(zhì)量得分Tab.7 Scores of principal components and general scores of soil fertility quality relative to treatment

3 結(jié)論與討論

3.1 秸稈碳形態(tài)對土壤有機(jī)碳組成及結(jié)構(gòu)的影響

國內(nèi)外大量研究均證實(shí)，秸稈還田可顯著增加土壤有機(jī)碳含量[15-16]，同時本研究結(jié)果顯示，施用秸稈生物炭處理對于提升土壤有機(jī)碳含量的效果最好，原因是秸稈在制備成生物炭時大部分碳以穩(wěn)定態(tài)芳香碳固定下來，施入土壤后可直接提升土壤有機(jī)碳含量，且秸稈生物炭相較于常規(guī)秸稈和腐熟秸稈有較高的碳含量和孔隙度，可直接提高有機(jī)碳含量[17]。利用13C核磁共振波譜技術(shù)(NMR)對不同玉米秸稈碳形態(tài)的表征和土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)的測定，結(jié)果表明，秸稈生物炭處理較不添加秸稈碳增加了烷基碳(難降解碳組分)的相對含量，降低了烷氧碳、羰基碳(易降解碳組分)的相對含量，這與王學(xué)霞等[18]研究結(jié)果相似，原因是秸稈生物炭中含有大量難分解的碳組分，增加了土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性。烷基碳/烷氧碳和疏水碳/親水碳反映土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性，比值越大說明由團(tuán)聚體作用引起的有機(jī)碳穩(wěn)定性越高[19]。秸稈生物炭較不添加秸稈碳可提高烷基碳/烷氧碳和疏水碳/親水碳，表明施用秸稈生物炭可增加土壤穩(wěn)定性。

可溶性有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳和微生物量碳能夠較快反映土壤碳庫的微小變化，可作為有機(jī)碳變化的早期指標(biāo)[20]。可溶性有機(jī)碳和微生物量碳與土壤中養(yǎng)分流轉(zhuǎn)、土壤碳循環(huán)密切相關(guān)[21]。本研究表明，常規(guī)秸稈和腐熟秸稈處理較不添加秸稈碳顯著提高了土壤可溶性有機(jī)碳和微生物量碳的含量，而秸稈生物炭處理可顯著增加顆粒有機(jī)碳和微生物量碳的含量。這是由于常規(guī)秸稈和腐熟秸稈均能為土壤微生物提供大量碳源，促進(jìn)微生物的生長繁殖，使得土壤可溶性有機(jī)碳和微生物量碳含量較不添加秸稈碳顯著提高。而秸稈生物炭由于其多孔結(jié)構(gòu)和表面基團(tuán)，易于吸附多種養(yǎng)分和土壤顆粒，故而增加土壤顆粒有機(jī)碳和微生物量碳的含量[22]。可溶性有機(jī)碳/有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳/有機(jī)碳能反映土壤中碳庫狀態(tài)[23]，比例越高，有機(jī)碳越容易被微生物分解利用，土壤碳庫越活躍，比例越小意味著土壤有機(jī)碳越穩(wěn)定。本研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)秸稈處理較不添加秸稈碳顯著提高可溶性有機(jī)碳/有機(jī)碳，原因是秸稈還田后被微生物分解，增加了土壤中可溶性有機(jī)碳的含量。微生物量碳/有機(jī)碳的變化反映了土壤中微生物碳的來源及轉(zhuǎn)化效率[24]，本研究的3種秸稈碳形態(tài)均可顯著提高微生物量碳/有機(jī)碳，說明秸稈碳投入可提高土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速率。

3.2 土壤環(huán)境因子對土壤有機(jī)碳組成及結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用

李美璇等[25]研究表明，玉米秸稈生物炭能夠有效抑制黑土中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的淋失。本研究也表明，秸稈生物炭對土壤速效養(yǎng)分的提升效果要優(yōu)于其他形態(tài)的秸稈碳，這是因?yàn)榻斩捥纪度耄绕涫侵苽涑缮锾亢蟾着c土壤中的養(yǎng)分發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，形成有機(jī)結(jié)合態(tài)養(yǎng)分，促使養(yǎng)分固定[26]，在一定程度上提升了土壤肥力。本研究中不同秸稈碳形態(tài)對土壤容重?zé)o顯著影響，可能與試驗(yàn)?zāi)晗抻嘘P(guān)[27]，今后需進(jìn)一步開展多年定位試驗(yàn)，以明確不同秸稈碳形態(tài)對土壤物理特性的影響。

土壤酶活性是反映土壤肥力的重要生物學(xué)指標(biāo)。秸稈還田可促進(jìn)作物根系代謝，使根系分泌物增多，微生物繁殖加快，從而提高土壤酶活性[28]。Xin等[29]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈生物炭處理可提高纖維素酶和磷酸酶的活性，且磷酸酶的活性提高程度要高于纖維素酶，這與本研究中秸稈生物炭處理可顯著提高磷酸酶的活性，而對纖維素酶活性提升效果不顯著的結(jié)果一致。可見，秸稈生物炭對土壤酶活性的影響變異性較大，這可能與生物炭結(jié)構(gòu)特性與底物之間的反應(yīng)有關(guān)[30]，由于生物炭較強(qiáng)的吸附性能，一方面通過吸附反應(yīng)底物促進(jìn)酶促反應(yīng)的進(jìn)行，另一方面通過對酶分子的吸附而抑制酶促反應(yīng)的進(jìn)行[31]。

進(jìn)一步通過冗余探究各指標(biāo)理化性質(zhì)及酶活性對土壤有機(jī)碳組成及結(jié)構(gòu)的影響發(fā)現(xiàn)，碳氮比、纖維素酶和全氮是影響有機(jī)碳含量的顯著因子。其中，纖維素酶對有機(jī)碳含量的影響最大，且纖維素酶與有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳呈正相關(guān)，這與前人觀點(diǎn)一致，纖維素酶將難溶的纖維素類物質(zhì)分解成單糖，從而參與土壤有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化，影響土壤活性有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化循環(huán)過程[32]。而對于有機(jī)碳結(jié)構(gòu)組成，纖維素酶、pH值和速效鉀均為極顯著影響因子，其中，纖維素酶和速效鉀與烷基碳和芳香碳呈正相關(guān)，pH與芳香碳成正相關(guān)。

3.3 秸稈碳形態(tài)下土壤綜合肥力的影響

烷基碳和芳香碳是表征土壤碳庫具有更高的穩(wěn)定性重要官能團(tuán)[33]。因此，本試驗(yàn)只選擇了烷基碳和芳香碳2個官能團(tuán)與另外15個土壤指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。結(jié)果表明，秸稈生物炭處理的土壤肥力質(zhì)量綜合得分表現(xiàn)最高，該結(jié)果與石含之等[34]的研究一致，這與玉米秸稈生物炭性質(zhì)有關(guān)，一是，玉米為高碳氮比(58.30)作物，其秸稈生物炭富含更高的穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳，可迅速以自身碳補(bǔ)充土壤有機(jī)碳，有利于土壤固碳及改善有機(jī)碳結(jié)構(gòu)[35]；二是，生物炭的多孔結(jié)構(gòu)易吸附養(yǎng)料物質(zhì)，為微生物提供良好的棲息地，促進(jìn)微生物和酶的活性，進(jìn)而改善土壤肥力質(zhì)量。然而，秸稈碳形態(tài)對土壤有機(jī)碳及肥力的長期影響效應(yīng)還需要在今后的試驗(yàn)中進(jìn)行跟蹤監(jiān)測。

常規(guī)玉米秸稈、腐熟玉米秸稈以及玉米秸稈生物炭均可提升土壤有機(jī)碳、可溶性碳和微生物量碳含量，其中，秸稈生物炭處理較其他處理增加烷基碳(難降解碳組分)，有利于增強(qiáng)土壤碳的積累和穩(wěn)定性。另外，秸稈生物炭處理更有助于提升土壤養(yǎng)分含量和纖維素酶、磷酸酶活性，常規(guī)態(tài)玉米秸稈處理有助于提高蔗糖酶和脲酶的活性。其中碳氮比、纖維素酶和全氮是影響有機(jī)碳各組分含量的主要因子，蔗糖酶、pH值和速效鉀是影響有機(jī)碳結(jié)構(gòu)的主要因子?？梢?，玉米秸稈生物炭在短期內(nèi)具有提升有機(jī)碳含量及穩(wěn)定性、養(yǎng)分含量和酶活性的顯著優(yōu)勢，且土壤肥力質(zhì)量評價(jià)中也以秸稈生物炭處理的得分最高(0.57)，因此，在煙田生產(chǎn)中可優(yōu)先選擇玉米秸稈生物炭以實(shí)現(xiàn)植煙土壤的快速增碳培肥。