施用生物質(zhì)炭對(duì)土壤氮形態(tài)含量和酶活性的影響研究

文登鴻 吳雪蓮 焦安祥 陸應(yīng)會(huì) 崔凌峰

（貴州省六盤水市農(nóng)業(yè)委員會(huì) 貴州 六盤水 553000）

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，秸稈資源極為豐富，產(chǎn)量在全世界居于首位，對(duì)其不當(dāng)利用不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)，而且還會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染。生物質(zhì)炭是指農(nóng)作物秸稈、竹炭、稻殼炭等在無氧或缺氧條件下通過高溫處理熱裂解而生成的固態(tài)物質(zhì)，C、H、O、N、K、Ca、Na、Mg、Si等養(yǎng)分十分豐富，其具有極強(qiáng)吸附性能、疏松多孔的結(jié)構(gòu)以及巨大的表面積等特性，這為調(diào)節(jié)和保持土壤水分和空氣，微生物群落棲息和繁殖提供場(chǎng)所等起到重要作用，還為促進(jìn)土壤生態(tài)環(huán)境可持續(xù)循環(huán)健康發(fā)展提供有力保障。

1 施用生物炭對(duì)土壤氮形態(tài)的影響

1.1 土壤氮的重要性。土壤N素為土壤微生物生命活動(dòng)提供能量與物質(zhì)基礎(chǔ)，是支持植物正常生長(zhǎng)必不可少的營(yíng)養(yǎng)元素。有機(jī)氮一般占土壤全氮的95%～98%，其是交換性銨和硝態(tài)氮的主要來源。速效養(yǎng)分NH4+-N、NO3-N能被植物直接利用，有機(jī)質(zhì)和土壤水分等條件影響著NH4+-N含量，土壤NO3-N主要來源于NH4+-N的硝化作用。土壤MBN是氮素礦化的重要組成部分，占土壤TN含量較小，一般少于5.0%。土壤微生物量碳和微生物量氮之比為5～7，而有機(jī)質(zhì)碳氮比為10～12，所以土壤微生物量氮成為有效態(tài)氮不可忽視的“庫”。

1.2 施用生物炭對(duì)氮形態(tài)影響研究。土壤中添加生物質(zhì)炭，NH4+-N含量會(huì)得到降低，但它提高了土壤中NH3的揮發(fā)損失[1]。生物質(zhì)炭不僅可作為土壤添加劑，對(duì)土壤中的氮素養(yǎng)分具有一定的持留作用，而且其自身能夠起到肥料的作用。施入生物質(zhì)炭后，大豆生物固氮量增加，固氮量增加的主要原因是有效性硼和鉑的增加[2]。大田試驗(yàn)研究表明，向土壤中施用木材生物質(zhì)炭3個(gè)月和14個(gè)月后，與對(duì)照相比，土壤微生物量差異不顯著，而室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施用木材生物炭量越高，越降低了微生物含量，且差異達(dá)到顯著水平[3]。生物質(zhì)炭還可以吸附硝酸鹽、P、水溶性鹽離子、農(nóng)藥以及重金屬等，所以在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中具有提高土壤肥力和防止環(huán)境污染作用。竹子生物炭吸附溶液中NO3-N效果較其它生物炭效果好，受到溫度等外界條件影響不大，從而比其它生物質(zhì)炭更適合施用于農(nóng)田土壤。

生物炭是一種含碳量高的物質(zhì)，其中氮元素含量相對(duì)較低。研究發(fā)現(xiàn)，生物炭(竹炭、木炭)對(duì)土壤全氮含量影響較小，且主要集中于表層，施炭處理1年后，土壤水解氮含量均有顯著提高，但從第2年開始，水解氮含量逐漸下降[4]。在中西部典型農(nóng)業(yè)土壤中的研究發(fā)現(xiàn)，土壤中施用生物秸稈炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20 g/kg時(shí)，土壤氮淋失量減少了11%，秸稈生物質(zhì)施入土壤后，微生物通過土壤通氣狀況的改善抑制了氮素微生物的反硝化作用，從而減少了NOχ的形成和排放，進(jìn)而使得土壤中全氮含量增加[5]。施用生物秸稈炭可以顯著提高微生物量氮含量，與對(duì)照相比，生物質(zhì)炭與氮肥配施有效地提高了土壤微生物量碳，對(duì)土壤微生物量氮的提高效果更為明顯[6]。微生物量氮含量明顯提高，表明有較多的氮素通過同化作用轉(zhuǎn)入微生物體內(nèi)暫時(shí)固定，從而減少通過NH3揮發(fā)和NO3-淋失以及反硝化脫氮等途徑的氮素?fù)p失，提高了氮肥利用率。土壤中有效態(tài)氮(NO3-N、NH4+-N)含量主要取決于農(nóng)作物田間管理措施中是否施入肥料。研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照相比，施生物秸稈炭和肥料處理的土壤NH4+-N含量明顯低于施肥處理，其原因可能是施生物質(zhì)炭后提高了土壤中的C/N比，可促進(jìn)有效態(tài)氮向微生物生物量氮或有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化[1]。

2 施用生物炭對(duì)土壤酶活性的影響

2.1 土壤酶活性重要性。土壤酶有衡量土壤肥力狀況、評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的生物活性指標(biāo)的作用，是一種具有生物催化作用的一類蛋白質(zhì)[7]。β-葡萄糖苷酶在纖維素降解中起關(guān)鍵作用，它參與生物體的糖代謝，對(duì)維持生物體正常生理功能起著重要作用。脲酶是參與土壤氮素循環(huán)的重要的水解酶，其主要功能是催化土壤中尿素的水解，其活性可以反映土壤對(duì)氮素的需求和利用。蛋白酶能酶促土壤含氮有機(jī)化合物(蛋白質(zhì))水解成肽，然后釋放出氨，供植物吸收利用。

2.2 施用生物炭對(duì)土壤酶活性研究。耕田土壤施用生物炭后與土壤碳礦化相關(guān)的一些土壤酶活性會(huì)下降，而與N、P等相關(guān)的土壤酶活性會(huì)得到提高。近期研究發(fā)現(xiàn)，β-D-葡糖苷酶(β-D-glucosidase)和 β-D-纖維雙糖苷酶(β-D-cellobiosidase)的活性隨著生物質(zhì)炭的施用量增加而降低，而堿性磷酸酶活性則隨之增加[8]。農(nóng)田中施用生物質(zhì)炭能促進(jìn)與氮利用相關(guān)酶的活性，前人對(duì)N2O的研究認(rèn)為生物質(zhì)炭會(huì)增加土壤反硝化酶活性，在農(nóng)田土壤中連續(xù)3年施用生物質(zhì)炭50 t/hm2，反硝化酶活性顯著高于對(duì)照。蔗糖酶活性可以反映對(duì)土壤中易溶性物質(zhì)的利用，反映了土壤有機(jī)碳的積累和分解轉(zhuǎn)化規(guī)律，促進(jìn)糖類的水解，加速土壤碳素循環(huán)。

土壤添加生物質(zhì)炭后土壤酶活性活躍程度得到提高，可能是反應(yīng)底物被生物炭吸附所致；而有的酶活性下降，可能是因?yàn)樯镔|(zhì)炭吸附酶分子從而對(duì)酶促反應(yīng)結(jié)合位點(diǎn)形成了保護(hù)。研究發(fā)現(xiàn)，土壤添加生物炭阻止了β-D-葡糖苷酶活性，出現(xiàn)這種結(jié)果可能是因?yàn)槊富钚员簧镔|(zhì)炭吸附，而有的研究者則發(fā)現(xiàn)β-D-葡糖苷酶(β-D-glucosidase)被生物炭吸附后可保持大部分活性[9]。通過45 d培養(yǎng)試驗(yàn)的研究結(jié)果顯示，添加花生殼生物炭對(duì)土壤蔗糖酶有顯著的促進(jìn)作用[10]，而有的研究表明，生物炭可顯著提高土壤脲酶、過氧化氫酶活性，但對(duì)蔗糖酶活性影響不顯著[11]，這可能與生物炭類型、自然氣候條件、田間施肥、管理措施等不同而造成不同的結(jié)果。生物炭施用促進(jìn)了堿性磷酸酶和反硝化酶活性，而降低了β-D-葡萄糖苷酶、β-D-纖維雙糖苷酶活性[12]。而生物炭的高C/N使得氮素的供應(yīng)緊張，到成熟期出現(xiàn)氮素的短缺而降低了土壤脲酶活性。蛋白酶活性比脲酶高，可能是由于生物秸稈炭的豐富的孔隙結(jié)構(gòu)及吸附性能，使得反應(yīng)底物被生物秸稈炭所吸附聚集，有利于蛋白酶酶促反應(yīng)進(jìn)行，提高了一部分土壤酶活性，比如蛋白酶的土壤酶活性。

當(dāng)前施用生物秸稈炭對(duì)土壤酶活性的影響研究比較少，而且對(duì)土壤酶活性影響的報(bào)道結(jié)果不統(tǒng)一，可能由于生物秸稈炭的吸附性、孔隙結(jié)構(gòu)、不同生物秸稈炭類型導(dǎo)致某些官能團(tuán)不同，以及土壤酶活性易受自然環(huán)境條件的影響，表現(xiàn)出復(fù)雜的差異性。但是總結(jié)前人研究結(jié)果認(rèn)為，使用秸稈炭有利于酶促反應(yīng)的進(jìn)行，提高土壤酶活性，這可能是反應(yīng)底物被生物炭所吸附聚集的緣故；而施用秸稈生物炭阻遏了某些酶促反應(yīng)的進(jìn)行，這可能是由于生物炭對(duì)酶分子的吸附，隱蔽了酶促反應(yīng)的結(jié)合位點(diǎn)所致[12]。

[1]徐秋桐，邱志騰，章明奎.生物質(zhì)炭對(duì)不同pH土壤中碳氮磷的轉(zhuǎn)化與形態(tài)的影響 [J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2014， 40(3)：303～ 313.

[2]Joseph S，Camps-Arbestain M，Lin Y，et al.An investigation into the reactions of biocharin soil[J].SoilResearch，2010，48(7)：501 ～ 515.

[3]Dempster DN，Gleeson DB，Solaiman ZM，et al.Decreased soilmicrobialbiomass andnitrogen mineralisation with Eucalyptus biochar addition to a coarse textured soil[J].Plant and Soil，2011，354(12)：311～324.

[4]魏志超，孟李群，李慧通，等.生物炭對(duì)杉木人工林土壤氮素的影響 [J].森林與環(huán)境學(xué)報(bào)，2017，37(1)：60～ 66.

[5]Lehmann J，Liang B，Sohi S P，et al.Black carbon

affects the cycling of non-black carbon in soil[J].Organic Geochemistry，2011，41(2)：206 ～ 213.

[6]陶朋闖，陳效民，靳澤文，等.生物質(zhì)炭與氮肥配施對(duì)旱地紅壤微生物量碳、氮和碳氮比的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2016，30(1)：21～28.

[7]馬瑞萍，安韶山，黨廷輝，等.黃土高原不同植物群落土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳和酶活性研究 [J].土壤學(xué)報(bào)，2014，51(1)：104～ 113.

[8]Jeffery S，Verheijen F G，Velde M， et al.A quantitative review of the effects of biochar application to soils on crop productivity using meta-analysis[J].Agriculture，Ecosystems and Environment，2011，144(1)：175 ～ 187.

[9]Baileya V L，F(xiàn)anslera S J， Smithb JL， et al.Reconciling apparent variability in effects of biochar amendment on soil enzyme activities by assay optimization [J].Soil Biology and Biochemistry，2011，43(2)：296～ 301.

[10]周震峰，王建超，饒瀟瀟.添加生物炭對(duì)土壤酶活性的影響 [J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2015，27(6)：110～112.

[11]陳心想，耿增超，王森，等.施用生物炭后塿土土壤微生物及酶活性變化特征 [J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，33(4)：751～758.

[12]顧美英，劉洪亮，李志強(qiáng)，等.新疆連作棉田施用生物炭對(duì)土壤養(yǎng)分及微生物群落多樣性的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，47(20)：4 128～4 138.