竹炭與有機肥配施對葡萄根區土壤養分及酶活性的影響

陳麗美，李小英,，陸曉英，李俊龍，白 雪

（1西南林業大學生態與環境學院，昆明650224；2云南省高校土壤侵蝕與控制重點實驗室，昆明650224；3云南省農業科學院熱區生態農業研究所，云南元謀651300）

0 引言

生物炭是生物質在厭氧或缺氧條件下高溫熱解炭化而成的一類高度芳香化的固體物質，其作為良好的土壤改良劑而被廣泛應用于農業生產領域。生物炭具有穩定性，它對土壤肥力是一個長期積累而影響的過程，改善土壤性狀，通過直接或間接地作用[1]提高土壤肥力。近年來，許多學者研究表明，生物炭的施用能改善土壤養分狀況[2]，提高土壤肥力，從而提高作物產量和品質。合理的施肥對土壤肥力的提升有重要的影響。基于一些學者的研究，生物炭與氮肥配施與CK相比顯著提高了土壤全鉀含量16.1%～52.4%[3]；低、高氮用量下，土壤活性有機質隨生物炭量的增加而增加[4]；生物炭與氮肥混施可顯著提高土壤氮素含量，且增施生物炭可降低15%化肥氮的施用仍能達到相同的效果[5]；7.5 t/hm2的秸稈生物炭與150 kg/hm2的氮肥配施為華北冬小麥-玉米輪作區的最佳施肥方式[6]；生物炭與化肥配施比單施有機肥更能顯著提高土壤有機碳和速效鉀含量[7]，顯著提高紅壤上作物的生物量[8]和產量[9]；生物炭與有機肥配施可提高土壤有機碳和全氮含量，顯著提高土壤脲酶活性[10]；生物炭配合有機肥可提高平邑甜茶幼苗的生物量和增強土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶活性，更好的防控蘋果連作障礙[11]；可見，生物炭與化肥或有機肥的合理配施可改善土壤環境。

‘夏黑’葡萄(Summer Black)易早熟、質優[12]，在元謀地區被大面積種植，但葡萄園土壤為典型的酸性燥紅壤，受到當地施肥管理的影響，土壤肥力低下，品質和產量低，制約了夏黑葡萄的品質、產量和經濟效益。目前，元謀地區存在施用生物炭和有機肥的研究，但生物炭與有機肥配施的研究鮮有報道。利用生物炭表面積大而具有較強吸附性能[13]的特點，為改善葡萄園土壤環境，同時減少化肥的施入，提高有機肥的利用率。因此，本研究以大田葡萄為研究對象，采用竹炭與有機肥配施的方式，分析不同處理對土壤養分含量及酶活性的影響，探索適合夏黑葡萄生長的竹炭與有機肥配施的施肥方式，為元謀地區合理施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究試驗基地位于云南省楚雄彝族自治州元謀縣元馬鎮150號，其經緯度為：東經101°52.6′，北緯25°41.5′，海拔1169 m。元謀屬南亞熱帶干熱季風氣候，年平均氣溫21.9℃，極端最高溫度可達42℃，年平均降雨量613.8 mm，年蒸發量為降水量的6.4倍，壩區平均霜日2天，年平均日照時數7.3 h/d，造成元謀壩區水熱矛盾突出。供試土壤為燥紅壤，其表層土壤的基本理化性質見表1。

表1 土壤基本理化性質

1.2 供試材料

供試葡萄為‘夏黑’葡萄，由于元謀壩區的特殊氣候，‘夏黑’葡萄的種植面積較大。供試生物炭為竹炭，其基本理化性質為：pH 11.31、C質量分數占79.98%、N質量分數占0.70%、H質量分數占2.21%、S質量分數占0.40%、全磷2.04 g/kg。供試有機肥為當地廣泛使用的發酵羊糞，其N、P2O5、K2O含量分別為46g/kg、14.50g/kg、9.80 g/kg。

1.3 試驗設計

金沙江元謀壩區葡萄一般早熟上市，葡萄種植于云南省農業科學院熱區生態農業研究所本部試驗基地，試驗采用隨機區組法，共設9個處理，依次為B0L(0%生物炭+5 t/hm2有機肥)、B0 M(0%生物炭+10 t/hm2有機肥)、B0H(0%生物炭+20 t/hm2有機肥)、B3L(3%生物炭+5 t/hm2有機肥)、B3M(3%生物炭+10 t/hm2有機肥)、B3H(3%生物炭+20 t/hm2有機肥)、B6L(6%生物炭+5 t/hm2有機肥)、B6M(6%生物炭+10 t/hm2有機肥)、B6H(6%生物炭+20 t/hm2有機肥)，每個處理3次重復，每個小區設置為5 m×6 m，2017年11月每個小區按試驗設計在距葡萄樹主干30～50 cm處，深度為15～20 cm開挖施加竹炭與有機肥混合肥與土壤混勻，并覆表土，試驗期間不再追肥，按當地習慣進行管理。

1.4 土樣采集及指標測定

1.4.1 土樣采集與測定 葡萄收成后，2019年1月采集土壤樣品，每個小區分層(0～20 cm、20～40 cm)采集土樣并混勻，帶回實驗室，一部分裝自封袋放冰箱(0～4℃)保留測定土壤酶活性（撿去動植物殘體、石塊），另一部分自然風干（分別過0.25 mm和0.1 mm篩）裝入自封袋置于干燥陰涼處（同樣撿去動植物殘體、石塊），用于土壤pH和土壤養分含量的測定。參照鮑士旦[14]《土壤農化分析》指標測定方法，土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤pH采用電位計法（土:水=1:1）測定；土壤全氮(TN)采用凱式定氮法測定；土壤全磷(TP)采用鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀和速效鉀采用ICP（電感耦合等離子體發射光譜儀）測定；土壤有效磷采用Bray ?法(0.025～0.03 mol/LNH4F)浸提劑測定。參照關松蔭[15的方法，土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定；土壤脲酶活性采用靛酚藍比色法測定；土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定。

1.4.2 數據處理與分析 所有數據采用Excel 2007和SPSS 21.0軟件進行數據處理分析和作圖，采用單因素方差分析土壤理化性質和酶活性（Duncan法檢驗，顯著性水平均設0.05），采用Pearson相關系數分析土壤養分含量和酶活性的相關性，對9個處理進行系統聚類分析。

2 結果與分析

2.1 竹炭與有機肥配施對土壤pH及養分含量的影響

2.1.1 土壤pH和有機質 圖1顯示，葡萄根區土壤呈弱酸性或堿性，施有機肥、竹炭與有機肥配施的交互作用對土壤pH有顯著影響(P＜0.05)。表層(0～20 cm)土壤pH變化范圍為6.73～7.07，底層(20～40)土壤pH變化范圍為6.80～7.17。低有機肥用量下，表層土壤pH隨竹炭的增加而增加，底層土壤pH變化無明顯規律；中、高有機肥用量下，表層和底層土壤pH值變化均無明顯規律。

圖1 不同處理下0～20 cm和20～40 cm土層pH和有機質含量

不同處理對土壤有機質含量存在顯著差異(P＜0.05)。對于表層(0～20 cm)土壤，不添加竹炭處理下，有機質含量隨有機肥量的增加而降低，高量有機肥流失。低有機肥用量下，土壤有機質含量隨竹炭量的增加而降低，降幅分別為5.24%和27.63%；中、高有機肥用量下，添加竹炭增加了有機質含量，增幅為12.28%～50.07%；低、中有機肥與竹炭配施有機質含量高于高量有機肥與竹炭的配施；所有處理中，B6M處理有機質含量最高。對于底層(20～40 cm)土壤，不添加竹炭條件下，中有機肥用量下土壤有機質含量較高。低、中有機肥用量下，土壤有機質含量隨竹炭量的增加而降低，降幅為12.61%～44.55%；高有機肥用量下，土壤有機質含量差異性不顯著(P＞0.05)。

2.1.2 土壤全量養分 由圖2可知，隨著土層深度的增加，土壤全氮和全磷含量逐漸降低，各處理土層之間全氮、全磷和全鉀含量均差異顯著(P＜0.05)，葡萄根區全鉀含量普遍較高，表層(0～20 cm)土壤全氮、全磷和全鉀含量均是B6M處理最高。

圖2 不同處理下0～20 cm和20～40 cm土層全氮、全磷和全鉀含量

就表層(0～20 cm)土壤而言，不添加竹炭時，中量有機肥用量下土壤全磷和全鉀含量較高。低、中有機肥用量下，土壤全氮和全磷含量變化趨勢一致。低有機肥用量下，B3L處理土壤全氮和全磷含量高于其他處理，土壤全鉀含量無顯著差異；中有機肥用量下，土壤全氮和全磷含量隨竹炭量的增加而增加，B6M、B3M處理較B0M處理全氮和全磷含量分別增加73.85%、39.92%和35.12%、27.15%；高有機肥用量下，各處理土壤全氮、全磷和全鉀含量均低于其他處理，各處理間無明顯規律性變化。

就底層(20～40 cm)土壤而言，不添加竹炭時，中施有機肥土壤全氮、全磷和全鉀含量較高，B0M處理較B0L和B0H處理全氮、全磷和全鉀含量分別提高9.46%、58.14%和2.56%、200%及3.62%、3.62%。9個處理中，土壤全氮、全磷和全鉀含量分別是B0M、B0M和B6M較高，全鉀含量變化與表層相似。中有機肥用量下，土壤全氮和全磷含量隨竹炭量的增加而降低，土壤全鉀含量隨竹炭的增加而增加。

2.1.3 土壤速效養分 圖3顯示，各處理土層之間有效磷和速效鉀含量存在顯著差異(P＜0.05)，各處理表層(0～20 cm)土壤有效磷含量均高于底層(20～40 cm)，土壤速效鉀含量相對較高。就表層土壤而言，低、中有機肥用量下，竹炭與有機肥配施處理土壤有效磷含量均高于不添加竹炭處理；高有機肥用量下，竹炭與有機肥配施處理土壤速效鉀含量均高于不添加竹炭處理。對于底層土壤而言，低有機肥用量下，B6L和B0L處理下土壤有效磷和速效鉀含量均高于B3L處理，增幅為175%、203.57%和137.60%、83.52%；中有機肥用量下，土壤有效磷和速效鉀含量隨竹炭量的增加而降低。

圖3 不同處理下0～20cm和20～40cm土層有效磷和速效鉀含量

2.2 竹炭與有機肥配施對土壤酶活性的影響

本研究竹炭與有機肥混施于土壤表層(0～20 cm)，故僅用表層土壤分析土壤酶活性、土壤理化性質與酶活性之間的相關性分析及9個處理的聚類分析。從表2可知，各處理對土壤過氧化氫酶和蔗糖酶均差異顯著(P＜0.05)，而對脲酶差異不顯著(P＞0.05)。過氧化氫酶活性范圍為7.14～9.61 mg/(g·30 min)，高施有機肥處理(B0H)下土壤過氧化氫酶活性最高，添加竹炭卻降低了土壤過氧化氫酶活性，降幅為5.37%～34.59%，說明竹炭與有機肥混施反而降低土壤過氧化氫酶活性。脲酶活性范圍為26.84～34.98 μg/(100 g·24 h)。蔗糖酶活性范圍為57.08～73.28 μg/(100 g·24 h)，低施有機肥處理(B0L)下土壤蔗糖酶活性最高且與其他處理存在顯著差異，說明竹炭與高量有機肥配施會抑制土壤蔗糖酶活性。

表2 不同處理對土壤酶活性的影響

2.3 土壤pH、養分含量與酶活性的相關性分析

表3結果顯示，土壤pH、養分含量與酶活性之間有一定的相關性。土壤有機質與全氮、全鉀和有效磷呈極顯著正相關(P＜0.01)，與土壤脲酶活性呈顯著正相關(P＜0.05)。土壤全氮與全鉀和有效磷呈極顯著正相關(P＜0.01)。土壤全鉀與有效磷呈顯著正相關(P＜0.05)。除土壤有效磷外，pH與其他指標均呈負相關關系，與速效鉀的相關性達到顯著性水平(P＜0.05)。土壤過氧化氫酶與蔗糖酶活性的相關性水平達到極顯著水平(P＜0.01)。

表3 土壤pH、養分含量與酶活性各指標間的相關性分析

2.4 對9個處理的聚類分析

為了研究土壤養分含量與酶活性的關系，將9個處理進行系統聚類分析（圖4），利用組間聯結指定類間距離、Pearson相關系數指定點間距離的計算方法，將距離閥值定為10，按土壤肥力水平相似親疏程度將其劃分為5個類群。

圖4 9個處理的聚類分析

第一類是B0M處理。第二類是B3L、B3M和B6M處理，這類處理對土壤養分含量和酶活性的提升效果顯著，這一等級屬于高肥力水平。第三類是B6L處理。第四類是B0H和B6H處理。第五類是B0L和B3H處理，這一類的土壤養分含量水平較低。說明本研究中，竹炭與有機肥的配施能不同程度的影響土壤養分含量，從而影響土壤肥力水平，且竹炭與有機肥的配比是影響土壤養分含量的重要因素。

3 討論

本研究表明，竹炭與有機肥配施均不同程度的提高了土壤養分含量。一方面可能是由于生物炭本身含有K、Ca、Mg等微量元素，可通過提高土壤CEC含量來減少淋溶損失[16]，另一方面可能是因為生物質中的P和K大部分會被保留在生物炭中[17]，生物炭施入土壤中可提高土壤有效磷含量[18]，有機肥含有豐富的營養和活性物質，生物炭具有持留的功能，二者互補，從而提高了土壤中養分的有效性。土壤過酸或過堿都會影響土壤養分的有效性，影響到果木的生長。本研究中，土壤呈弱酸性偏堿性(pH 6.73～pH 7.17)，竹炭與有機肥的配施提高了酸性土壤pH，改善了葡萄根際微生物活性。這與前人研究結果一致[19]。本研究所有處理中，B6M處理配施效果較好，其表層(0～20 cm)土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、有效磷含量與其他處理存在差異，說明6%竹炭與10 t/hm2有機肥配施更有益于土壤養分的持留，減少養分流失[20]，竹炭與有機肥之間可能存在互作效應，應金耀等也研究表明生物炭與有機肥的配合施用更利于改善土壤性狀[21]，二者的配施比單施有機肥更能改善土壤微生態環境，以滿足作物對土壤養分的需求。

土壤過氧化氫酶活性的變化可以反映環境條件是否對植物產生脅迫[22]；土壤脲酶是一種以尿素為底物的水解酶，表征土壤無機氮的供氮能力；土壤蔗糖酶可以反映有機質的積累和轉化狀況。本試驗條件下，竹炭與有機肥的配施對表層土壤過氧化氫酶和蔗糖酶有顯著影響，而對土壤脲酶無顯著影響。有學者也研究表明生物炭與氮肥配施對土壤脲酶活性無顯著影響[3]。低、中量有機肥與竹炭配施能顯著增強表層土壤過氧化氫酶活性，楊森等[23]也研究表明竹炭與有機肥混合施用可促進砜嘧磺隆殘留土壤蔗糖酶活性增加。竹炭與低、中量有機肥配施卻抑制了表層土壤蔗糖酶活性，竹炭與高量有機肥混施也抑制了過氧化氫酶活性，本試驗的研究結果與前人研究并不完全一致，土壤機械組成、竹炭量和有機肥量等都可能是抑制酶活性的原因。由于試驗周期有限，竹炭與有機肥配施對土壤酶活性的影響需要長期的研究。

土壤酶主要來源于根系分泌物和微生物，而土壤微生物和土壤酶的共同作用影響著土壤的物質循環和養分循環[24]，使土壤微生物生物量發生改變[25]，所以土壤養分含量與酶活性之間存在一定的相關性。本研究中，土壤養分含量之間存在顯著相關性或極顯著相關性，說明土壤養分間的關聯密切。這與郭雄飛等[26]的研究一致。除有效磷外，pH與其他指標均呈負相關關系，說明pH影響了土壤養分組成分布。而土壤脲酶與全氮含量沒達到顯著相關性，這一結果可能與元謀溫度、土壤類型及其它大田不可控因素有關，具體原因還有待進一步長期的研究。

4 結論

（1）不同處理對表層(0～20 cm)和底層(20～40 cm)土壤pH和養分含量及過氧化氫酶、蔗糖酶活性有顯著差異，對脲酶活性無顯著差異。表層土壤性質與酶活性之間存在一定的相關性。土壤全鉀含量普遍較高。

（2）不添加竹炭條件下，對表層土壤而言，有機質含量隨施肥量的增加而降低，土壤pH和全氮無顯著差異，高有機肥用量反而降低土壤全磷、全鉀、有效磷和速效鉀含量。竹炭與中、高量有機肥配施增加了有機質含量，增幅為12.28%～50.07%；竹炭與中量有機肥配施顯著提高了全氮和全磷含量，B6M、B3M處理較B0M處理全氮和全磷含量分別增加73.85%、39.92%和35.12%、27.15%。對底層土壤而言，中量有機肥的施用對土壤pH和養分含量的提升效果更佳。土壤pH和養分含量的規律性變化不明顯。

（3）低、中量有機肥與竹炭配施能顯著增強表層土壤過氧化氫酶活性，抑制了表層土壤蔗糖酶活性；高量有機肥與竹炭配施抑制了表層土壤過氧化氫酶活性；各處理對表層土壤脲酶活性無顯著差異。

（4）表層土壤有機質與全氮、全鉀和有效磷呈極顯著正相關，與脲酶呈顯著正相關。全氮與全鉀和有效磷呈極顯著正相關。全鉀與有效磷呈顯著正相關。

（5）系統聚類分析劃分為5個類群，第一類為B0M處理，第二類為B3L、B3M和B6M處理，第三類為B6L處理，第四類為B0H和B6H處理，第五類為B0L和B3H處理。

綜合來看，竹炭與有機肥的配施對葡萄園土壤pH和養分含量、酶活性均有影響，目前B6M處理為最佳的施肥方式，該研究可為生物炭與有機肥的配施在元謀地區的推廣提供參考。