施用生物炭对东台沿海杨树人工林土壤理化性质及酶活性的影响

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｕｊｉａｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅａｎｄＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ)

第４９卷第３期

２０２０年５月

施用生物炭对东台沿海杨树人工林土壤

理化性质及酶活性的影响

(１.南京林业大学南方现代林业协同创新中心ꎬ江苏南京２１００３７ꎻ２.江苏省东台市林场ꎬ江苏东台２２４２００)

摘要:以东台杨树人工林为研究对象ꎬ开展野外试验ꎬ设置了４个水平生物炭处理:低施用量(４０ｔ􀅰ｈｍ－２)、中施用量(８０ｔ􀅰ｈｍ－２)、高施用量(１２０ｔ􀅰ｈｍ－２)及对照(０ｔ􀅰ｈｍ－２)ꎬ对土壤蛋白酶、脲酶和蔗糖酶的活性进行一年的动态测定ꎻ同时测定了土壤理化指标ꎬ以分析土壤酶活性的变化及与理化性质间的相关性.结果表明:施用生物炭可以提高土壤ｐＨ值、全碳、有

－

机碳及ＮＨ＋４含量ꎬ降低土壤容重和含水率ꎻ中、高生物炭施用量提高了土壤全氮、ＮＯ３含量ꎬ低施用量则反之.３个水平的施

徐　瑾１ꎬ王　瑞１ꎬ邓芳芳１ꎬ曹国华２ꎬ王国兵１

用量都降低了土壤蛋白酶和脲酶的活性ꎻ低施用量下蔗糖酶的活性降低ꎬ但是中、高施用量下蔗糖酶的活性升高.总体来说ꎬ施用生物炭会降低土壤酶指标ꎬ并且随着施用量的升高ꎬ土壤酶指数逐渐降低.关键词:生物炭ꎻ杨树人工林ꎻ土壤酶活性ꎻ理化性质中图分类号:Ｓ１５４.１

文献标识码:Ａ

开放科学(资源服务)标识码(ＯＳＩＤ)

文章编号:１６７１￣５４７０(２０２０)０３￣０３４８￣０６

ＤＯＩ:１０.１３３２３/ｊ.ｃｎｋｉ.ｊ.ｆａｆｕ(ｎａｔ.ｓｃｉ.).２０２０.０３.０１０

Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｂｉｏｃｈａｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｎｓｏｉｌｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｅｎｚｙｍｅ

ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｉｎｐｏｐｌａｒｐｌａｎｔａｔｉｏｎｉｎＤｏｎｇｔａｉｃｏａｓｔａｌａｒｅａ

(１.Ｃｏ￣ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒｆｏｒＳｕｓｔａｉｎａｂｌｅＦｏｒｅｓｔｒｙｉｎＳｏｕｔｈｅｒｎＣｈｉｎａꎬＮａｎｊｉｎｇＦｏｒｅｓｔｒｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮａｎｊｉｎｇꎬ

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｂｉｏｃｈａｒｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｓｏｉｌｅｃｏｓｙｓｔｅｍꎬ４ｌｅｖｅｌｓｏｆｂｉｏｃｈａｒ(０ꎬ４０ꎬ８０ａｎｄ１２０ｔ􀅰ｈｍ－２)ｗｅｒｅｓｅｔｕｐｉｎｐｏｐｌａｒｐｌａｎｔａｔｉｏｎｉｎＤｏｎｇｔａｉＦｏｒｅｓｔＣｅｎｔｅｒｉｎＪｉａｎｇｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅꎬｗｉｔｈｅａｃｈｔｒｅａｔｍｅｎｔｒｅｐｌｉｃａｔｅｄｆｏｒ４ｔｉｍｅｓ.Ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｏｆｓｏｉｌｐｒｏｔｅａｓｅꎬｕｒｅａｓｅａｎｄｉｎｖｅｒｔａｓｅｗｅｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙｆｏｒｏｎｅｙｅａｒｔｏｇｅｔｈｅｒｗｉｔｈｓｏｉｌｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｉｎ￣

Ｊｉａｎｇｓｕ２１００３７ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＤｏｎｇｔａｉＦｏｒｅｓｔＦａｒｍｏｆＪｉａｎｇｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅꎬＤｏｎｇｔａｉꎬＪｉａｎｇｓｕ２２４２００ꎬＣｈｉｎａ)

ＸＵＪｉｎ１ꎬＷＡＮＧＲｕｉ１ꎬＤＥＮＧＦａｎｇｆａｎｇ１ꎬＣＡＯＧｕｏｈｕａ２ꎬＷＡＮＧＧｕｏｂｉｎｇ１

ｄｉｃａｔｏｒｓ.Ｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｓｏｉｌｐｈｙｓｉｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｅｎｚｙｍｅａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｗｅｒｅｆｕｒｔｈｅｒａｎａｌｙｚｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔａｔ４０ｔ􀅰ｈｍ－２ｌｏｗｅｒｅｄｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｓ.Ｓｏｉｌｐｒｏｔｅａｓｅａｎｄｕｒｅａｓｅａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｗｅｒｅｂｏｔｈｉｎｈｉｂｉｔｅｄａｔ３ｌｅｖｅｌｓｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ.Ｉｎｖｅｒｔａｓｅａｃｔｉｖｉ￣ｅｎｚｙｍｅｉｎｄｅｘｄｅｃｌｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔｓｏｆｂｉｏｃｈａｒꎬａｎｄｔｈｅｈｉｇｈｅｒｒａｔｅａｐｐｌｉｅｄꎬｔｈｅｂｉｇｇｅｒｄｅｃｌｉｎｅｓｏｉｌｅｎｚｙｍｅｉｎｄｅｘｂｅｃａｍｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｂｉｏｃｈａｒꎻｐｏｐｌａｒｐｌａｎｔａｔｉｏｎꎻｓｏｉｌｅｎｚｙｍｅａｃｔｉｖｉｔｉｅｓꎻｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｂｉｏｃｈａｒｇｅｎｅｒａｌｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｓｏｉｌｐＨｖａｌｕｅｓꎬｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｏｔａｌｃａｒｂｏｎꎬｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎａｎｄＮＨ＋４ꎬａｎｄｌｏｗｅｒｅｄｓｏｉｌｂｕｌｋｄｅｎｓｉｔｙａｎｄｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ.Ｂｉｏｃｈａｒａｐｐｌｉｅｄａｔ８０ａｎｄ１２０ｔ􀅰ｈｍ－２ｉｎｃｒｅａｓｅｄｓｏｉｌｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄＮＯ－３ｃｏｎｔｅｎｔｓｗｈｉｌｅｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｉｅｓｗｅｒｅｐｒｏｍｏｔｅｄｗｈｅｎａｐｐｌｙｉｎｇｂｉｏｃｈａｒａｔ８０ａｎｄ１２０ｔ􀅰ｈｍ－２ｔｈｏｕｇｈｔｈｅａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｗｅｒｅｒｅｄｕｃｅｄａｔｔｈｅｌｏｗｅｓｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ.Ｓｏｉｌ

生物炭是生物质在无氧或少氧的高温条件下ꎬ经热裂解炭化形成的稳定富碳固体物质ꎻ其具有超高的比表面积、发达的孔隙结构和极强的吸附性ꎬ可以改良土壤理化特性ꎬ保存土壤养分ꎬ改善土壤结构ꎬ促进作物增产[１].生物炭不仅可将Ｃ素保留ꎬ而且施入土中后可有效抑制有机质的矿化速率ꎬ增汇减排ꎬ在一定程度上减缓全球变暖的影响[２－４].因此ꎬ国内外越来越多的学者在研究生物炭在环境保护和农业生态上的应用ꎬ以期全面发挥生物炭的优势作用.

分解物ꎬ其中微生物是主要来源[５].土壤酶参与了有机质分解、养分循环等一系列生物化学过程ꎬ是土壤物

收稿日期:２０１９－０６－２６　　修回日期:２０１９－０８－０９

基金项目:国家重点研发计划(２０１６ＹＦＤ０６００２０４)ꎻ江苏省高等学校自然科学研究重大项目(１８ＫＪＡ２２０００１)ꎻ江苏高校优势学科建设工程资助项目(ＰＡＰＤ).

作者简介:徐瑾(１９９４－)ꎬ女.研究方向:土壤生态.Ｅｍａｉｌ:２２５７７９６０７２＠ｑｑ.ｃｏｍ.通信作者王国兵(１９７９－)ꎬ男ꎬ副教授ꎬ博士.研究方向:森林和土壤生态.Ｅｍａｉｌ:ｗａｎｇｇｕｏｂｉｎｇ８１＠ａｌｉｙｕｎ.ｃｏｍ.

作为土壤环境中最活跃的有机组分之一ꎬ土壤酶来源于土壤中动植物和微生物细胞的分泌物及残体

　第３期徐瑾等:施用生物炭对东台沿海杨树人工林土壤理化性质及酶活性的影响

􀅰３４９􀅰

质循环过程的主要调节者ꎻ其反映了土壤物质循环进程的强度和方向ꎬ对土壤肥力评价具有重要的指示作用[６].生物炭对土壤酶活性的影响不尽相同ꎬ据报道ꎬ有的生物炭(由花生制备)提高了小麦地表层土壤微生物的数量ꎬ增强了土壤脲酶和过氧化氢酶的活性[７]ꎻ有的生物炭(由树枝条制备)可以提高壤土和砂土中与Ｎ、Ｐ循环相关的酶活性ꎬ却降低壤土中与Ｃ循环有关的酶活性[８－９].由此可见ꎬ生物炭对土壤酶活性的影响与生物炭的种类、土壤的类型都密切相关[１０－１１]ꎬ但其具体的作用机制和途径还有待进一步深入研究.

我国杨树人工林面积广阔ꎬ但由于土壤肥力衰退、长期生产力维护等问题ꎬ人工林的产量和质量有待

进一步提高ꎬ如能发挥生物炭在人工林系统的作用将产生巨大的生态经济效益.目前生物炭对农业生态系统影响的研究较为充分ꎬ而对人工林土壤酶活性的研究甚少.本研究以江苏省盐城市东台杨树人工林为试验对象ꎬ观测不同水平生物炭下土壤理化性质及酶活性的动态变化ꎬ为进一步研究生物炭对人工林土壤生态系统的影响及其科学管理提供理论依据.

１　材料与方法

１.１　试验区概况

重点防护林.东台林场占地约２８００ｈｍ２ꎬ场内林地面积约２１８７ｈｍ２ꎬ森林覆盖率８６％.林场靠近黄海之滨ꎬ处于亚热带和暖温带的过渡区域ꎬ为明显的过渡性海洋性和季风性气候.一年四季分明ꎬ夏秋雨量集中ꎬ日照充沛ꎬ年平均气温１４.６℃ꎬ无霜期２２０ｄꎬ降雨量１０５１.０ｍｍꎬ年均日照时数２１６９.６ｈ.林场整体地势平坦ꎬ土壤类型为脱盐草甸土ꎬ土壤质地为典型砂质壤土ꎬ土壤ｐＨ值约８.０.样地林分特征及部分土壤理化性质见表１.林场内树种达２００种以上ꎬ主要乔木植被有人工营造的７２杨(Ｐｏｐｕｌｕｓｅｕｒａｍｅｒｉｃａｎａｃｖ.Ｉ￣７２)、３５杨(ＰｏｐｕｌｕｓｄｅｌｔｏｉｄｓＣＬ‘３５/６６’)、水杉(ＭｅｔａｓｅｇｕｏｉａｇｌｙｐｔｏｓｔｒｏｂｏｉｄｅｓＨｕｅｔＣｈｅｎｇ)等.林下草本植物种类丰富多样ꎬ常见的有狼尾草(Ｐｅｎｎｉｓｅｔｕｍａｌｏｐｅｃｕｒｏｉｄｅｓ)、罗布麻(ＡｐｏｃｙｎｕｍｖｅｎｅｔｕｍＬ.)、刺儿菜(Ｃｉｒｓｉｕｍｓｅｔｏ￣ｓｕｍ)、一年蓬[Ｅｒｉｇｅｒｏｎａｎｎｕｕｓ(Ｌ.)Ｐｅｒｓ.]、野蔷薇(ＲｏｓａｍｕｌｔｉｆｌｏｒａＴｈｕｎｂ.)和一些蕨类.

表１　样地林分特征及部分土壤理化性质

Ｔａｂｌｅ１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍａｉｎｓｏｉｌｃｈｅｍｉｃａｌａｎｄｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｕｎｄｅｒｐｏｐｕｌａｒｐｌａｎｔａｔｉｏｎ

林龄ａ

株􀅰ｈｍ－２

６７６林分密度

平均树高

ｍ１８.４５

平均胸径ｃｍ１６.４２

有机碳含量ｇ􀅰ｋｇ－１１１.３１

全氮含量ｇ􀅰ｋｇ－１０.９４

容重(ρｂ)ｇ􀅰ｃｍ－３１.１９

试验区位于江苏省盐城市的东台林场(Ｅ１２０°４９′ꎬＮ３２°５２′).东台林场成立于１９６５年ꎬ是江苏省沿海

１.２　试验设置

７

选择东台林场中７年生杨树人工林为试验对象ꎬ株行距３ｍ×５ｍꎬ采用随机区组法ꎬ于林分行间带内随机布置１６个２ｍ×２ｍ的试验样方ꎬ尽量保持样方的４个顶点与相邻４株杨树的距离一致ꎬ不同样方间距>５ｍ.设置了４个水平的生物炭施用量ꎬ分别为对照(ＣＫꎬ０ｔ􀅰ｈｍ－２)、低施用量(Ｔ１ꎬ４０ｔ􀅰ｈｍ－２)、中施６００℃高温下窑制成的炭粉ꎬ生物炭属性如下:ｐＨ值９.２ꎬＣ含量６３.２６％ꎬＮ含量１.４９％ꎬＰ含量０.３１％ꎬＫ分混合均匀后轻微压实表土以复原土位(对照组同样进行翻耕和复原土位等操作).１.３　样品测定及计算

于２０１７年３月２０日、６月１８日、１０月２８日及２０１８年１月１３日进行采样ꎬ在样方内随机选择６个点ꎬ用直径２ｃｍ的土钻采集０~１０ｃｍ土层的新鲜土壤约８００ｇꎬ装入塑料自封袋并及时放入低温保温箱带回实验室进行测定.不能立即测定的土样进行以下处理:过２ｍｍ的土筛ꎬ去除植物根系、土壤动物、石块等杂物ꎬ存储在０~４℃冰箱内.

土壤含水率采用烘干称重法(１０５℃ꎬ２４ｈ)ꎬ土壤ｐＨ值采用ｐＨ计电位法(水与土质量比为１∶２.５)ꎬ土壤容重采用环刀法测定ꎬ铵态氮采用ＫＣｌ浸提—靛酚蓝比色法ꎬ硝态氮测定采用酚二磺酸比色法ꎬ土壤蛋白酶、脲酶、蔗糖酶活性的测定分别采用茚三酮比色法、苯酚钠—次氯酸钠显色法、３ꎬ５￣二硝基水杨酸显色法ꎻ土壤全碳、总有机碳、全氮采用元素分析仪(ＶａｒｉｏＥＬⅢꎬ德国)测定ꎻ微生物量碳采用氯仿薰蒸浸用量(Ｔ２ꎬ８０ｔ􀅰ｈｍ－２)及高施用量(Ｔ３ꎬ１２０ｔ􀅰ｈｍ－２).本试验使用的生物炭购自南京六合木炭厂ꎬ是原木在含量５.３１％.于２０１６年８月施入生物炭ꎬ施入深度约４０ｃｍꎬ使用农耕机械将撒施表面后的生物炭混合ꎬ充

􀅰３５０􀅰

提—ＴＯＣ分析仪测定.

福建农林大学学报(自然科学版)第４９卷　

ｉｎｄｅｘꎬＳＥＩ)的实测值转化为在０~１区间的数值ꎬ通过指标量纲的归一化ꎬ更加全面地显示不同时间、不同处理下土壤酶活性的整体变化规律[５].

本试验采取计算公式如下[１０－１１]:ＳＥＩ(ｘｉ)＝(ｘｉ－ｘｉｍｉｎ)/(ｘｉｍａｘ－ｘｉｍｉｎ)ＳＥＩ(ｘｉ)＝(ｘｉｍａｘ－ｘｉ)/(ｘｉｍａｘ－ｘｉｍｉｎ)×ＳＥＩ＝∑ｎｉ＝１ｗｉＳＥＩ(ｘｉ)

(１)(２)(３)

由于评价指标量纲的不同会对酶活性的因子荷载产生一定的影响ꎬ因此将土壤酶指标(ｓｏｉｌｅｎｚｙｍｅ

式中ꎬ公式(１)为升型酶ꎬ(２)为降型酶的隶属度值ꎬｘｉ为土壤酶(ｉ)的活性值ꎬｘｉｍａｘ和ｘｉｍｉｎ分别表示土壤酶(ｉ)活性的最大值与最小值ꎬｗｉ为权重(本试验采取主成分分析法).１.４　数据处理

采用ＳＰＳＳ１６.０软件进行数据统计分析ꎬ采用重复测量方差分析法比较不同生物炭施用量处理及季节变化对土壤酶活性的影响ꎬ采用配对样本均值检验法分析不同处理之间土壤理化性质及酶活性的差异显著性ꎬ采用线性回归法分析酶活性与土壤理化性质指标的相关性.采用Ｏｒｉｇｉｎ９.０软件绘图.

２　结果与分析

２.１　生物炭施用量对土壤理化性质的影响

施用量越高ꎬｐＨ值、ＴＣ、ＴＯＣ、ＮＨ＋４含量也越高ꎬ但是各处理间这４项指标的差异不显著.生物炭的施用降低了土壤容重(ρｂ)和土壤含水率(ＳＷＣ)ꎻ中高施用量可以提高土壤全氮(ＴＮ)、ＮＯ－３含量ꎬ低施用量却降低了ＴＮ、ＮＯ－３含量.

表２　施用不同量生物炭后土壤理化性质的变化１)

ρｂ

ＳＷＣ/％

ＴＣ

ＴＮ

ＴＯＣ

ＮＯ－３

ＮＨ＋４

由表２可得:施用生物炭之后土壤ｐＨ值、全碳(ＴＣ)、有机碳(ＴＯＣ)、ＮＨ＋４含量略微升高ꎬ并且生物炭

Ｔａｂｌｅ２　Ｃｈａｎｇｅｓｉｎｓｏｉｌｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｅｖｅｌｓｏｆｂｉｏｃｈａｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ

处理ＣＫＴ１Ｔ２　　

１)

ｐＨ７.９７±０.０８ａ８.１２±０.０５ａ８.１８±０.０４ａ８.１９±０.０４ａ

１.１９±０.００７ａ

ｇ􀅰ｃｍ－３

１.１７±０.００６ａｂ２５.０８±１.２３ａ１.１５±０.００８ｂ

１.１７±０.００６ａｂ２４.９８±１.６４ａ

２５.１０±１.３２ａ

２７.２３±１.４６ａ１３.９５±０.２１ｂ１４.７８±０.２３ａ１５.３７±０.２２ａ１５.４１±０.２０ａ

ｇ􀅰ｋｇ－１

０.９１±０.０４ｂ０.８９±０.０３ｂ１.０２±０.０５ａ０.９５±０.０４ａｂ

ｇ􀅰ｋｇ－１

１０.５３±０.１６ａ１０.５５±０.２１ａ１０.５９±０.１８ａ１０.６８±０.１６ａ

ｇ􀅰ｋｇ－１

ｍｇ􀅰ｇ－１

４.５４±０.９４ａ４.０６±０.８５ａ４.６６±０.４１ａ５.１０±１.２２ａ

ｍｇ􀅰ｇ－１１.４３±０.２７ａ１.８０±０.３５ａ２.１１±０.３１ａ２.３９±０.１９ａ

Ｔ３

相同字母表示不同处理的土壤之间没有显著差异ꎻＳＷＣ:土壤含水率ꎻＴＣ:全碳ꎻＴＮ:全氮ꎻＴＯＣ:总有机碳.

２.２　不同生物炭施用量对土壤酶活性的影响

　　由图１可得ꎬ土壤蛋白酶活性在夏季最高ꎬ秋季次之ꎻ除了Ｔ３处理下冬季的蛋白酶活性高于春季ꎬ其余都为春季>冬季ꎬ但春冬两季之间没有显著差异性ꎻ土壤脲酶(图２)和蔗糖酶(图３)活性的季节变化趋势较一致ꎬ具体为:秋季>夏季>春季>冬季.

施用生物炭降低了土壤蛋白酶和脲酶的活性ꎬ并且生物炭施用量越高ꎬ活性越低(图１、图２)ꎬ其中高施用量下蛋白酶和脲酶的平均活性比空白对照组降低了５４.１％和４１.０％.Ｔ１处理降低了蔗糖酶活性(图３)ꎬ降幅为１１.１％ꎬ但增幅最终可达１６.１％(Ｔ３处理).

图１　生物炭施用量对土壤蛋白酶活性的影响

Ｆｉｇ.１　Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｂｉｏｃｈａｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｌｅｖｅｌｓｏｎｓｏｉｌｐｒｏｔｅａｓｅａｃｔｉｖｉｔｙ

当生物炭施用量提高到Ｔ２时ꎬ蔗糖酶活性开始升高ꎬ并且随着生物炭施用量的提高蔗糖酶活性持续升高ꎬ

　第３期徐瑾等:施用生物炭对东台沿海杨树人工林土壤理化性质及酶活性的影响

􀅰３５１􀅰

图２　生物炭施用量对土壤脲酶活性的影响

Ｆｉｇ.２　Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｂｉｏｃｈａｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｌｅｖｅｌｓｏｎ

ｓｏｉｌｕｒｅａｓｅａｃｔｉｖｉｔｙ

图３　生物炭施用量对土壤蔗糖酶活性的影响

Ｆｉｇ.３　Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｂｉｏｃｈａｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｌｅｖｅｌｓｏｎ

ｓｏｉｌｉｎｖｅｒｔａｓｅａｃｔｉｖｉｔｙ

　　重复测量方差分析表明(表３)ꎬ施用生物炭和季节变化均对土壤蛋白酶、脲酶和蔗糖酶的活性产生了但二者对蔗糖酶活性不存在交互效应(Ｐ>０.０５).

表３　施用生物炭对土壤３种酶活性影响的重复测量方差分析１)

Ｔａｂｌｅ３　ＲｅｐｅａｔｅｄｍｅａｓｕｒｅｓＡＮＯＶＡｏｆ３ｓｏｉｌｅｎｚｙｍｅａｃｔｉｖｉｔｉｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｉｏｃｈａｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ

土壤酶蛋白酶

方差来源处理季节处理×季节

脲酶　

处理季节处理×季节

蔗糖酶

处理季节处理×季节

１)

显著影响(Ｐ<０.０１)ꎬ施用生物炭与季节之间对土壤蛋白酶和脲酶的活性产生了显著交互效应(Ｐ<０.０１)ꎬ

ＳＳ０.０１２０.１５００.００２１５.０３５７４.８４７４.２８２２５９１.３５３３８１１５.６９８９９２.０５０

ｄｆ３３９３３９３３９

ＭＳ０.００４０.００５０.０００５.０１２２４.９４９０.４７６８６３.７８４１２７０５.２３３１１０.２２８

Ｆ５６.２８０２３８.３７０２.０４０５９.５４６１６６.１８９３.１６９１３.９７７１８９.０５９１.６４０

Ｐ０.００００.００００.００１０.００００.００００.００６０.００００.００００.１４１

Ｐ<０.０１水平上有极显著影响ꎻＰ>０.０５没有显著影响.

２.３　生物炭施用量对土壤酶指数的综合影响

　　酶指标可以更加直观、全面地反映了不同水平的生物炭对土壤酶的影响.由图４可得ꎬ施用生物炭降低了土壤酶指标ꎬ随着浓度升高ꎬ土壤酶指标逐渐降低ꎬＴＩ、Ｔ２、Ｔ３分别比对照组降低了３２％、３４％、３８％ꎻ秋季的土壤酶指标最高ꎬ其次是夏、春、冬季.

２.４　土壤酶活性与主要土壤理化性质的关系

＋

ＮＯ－３、ＳＭＢＣ(微生物量碳)呈显著正相关关系ꎬ与ＮＨ４

由表４可知ꎬ土壤蛋白酶活性主要与ＳＷＣ、ＴＯＣ、

图４　生物炭施用量对土壤酶指数的影响

Ｆｉｇ.４　Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｂｉｏｃｈａｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｌｅｖｅｌｓｏｎｓｏｉｌｅｎｚｙｍｅｉｎｄｅｘ

呈显著负相关关系ꎬ与ρｂ、ｐＨ、ＴＣ、ＴＮ相关性不显著ꎻ土壤脲酶活性主要与ＮＯ－３、ＳＭＢＣ呈显著正相关关

系ꎬ与ＮＨ＋４呈显著负相关关系ꎬ而与ＳＷＣ、ＴＣ、ＴＯＣ、ＴＮ、ρｂ、ｐＨ相关不显著ꎻ土壤蔗糖酶活性则与ＴＣ、

３　讨论与结论

＋ＮＯ－３、ＳＭＢＣ呈显著正相关ꎬ与ＮＨ４呈显著负相关关系ꎬ而与ＴＯＣ、ＴＮ、ＳＷＣ、ρｂ、ｐＨ值的相关性不显著.

３.１　生物炭对土壤物理性质的影响

土壤的物理性质(土壤结构、水力表现、热力性质等)与土壤的化学性质(土壤离子交换能力、酸碱度等)是紧密相连的ꎬ同时也直接或间接地改变土壤养分的贮存、转化及微生物群落的活动[１０－１１].一般认为生物炭通过改善土壤理化及生物学特性提高土壤肥力ꎬ增加农作物产量[１４].本试验中生物炭的施用降低

􀅰３５２􀅰

福建农林大学学报(自然科学版)第４９卷　

了土壤容重ꎬ这与砂壤土(大豆玉米地)中施用生物炭后土壤容重变化趋势一致[１５].这是由于生物炭稳定的多孔结构提高了土壤空隙ꎬ使土壤形成稳定的团聚体ꎬ降低了土壤的容重[１５].其中中等水平生物炭的降低效果最为明显ꎬ可能是由于在土壤水吸力一定的情况下ꎬ容重的降幅是有限的ꎻ当生物炭持续升高ꎬ其对原土壤空隙的影响愈发强烈ꎬ土壤持水性能反而从饱和开始降低ꎬ土壤容重随之升高[１６].本试验中土壤ｐＨ值和含水率的变化并不明显(表２):ｐＨ值略有升高(Ｐ>０.０５)ꎬ这与澳大利亚两种农业土壤(红壤与碱性土壤)施用生物炭后ｐＨ值变化基本一致[１７]ꎻ土壤含水率降低了(Ｐ>０.０５)ꎬ这与玉米大豆地(砂壤土)中施用生物炭后含水量的变化相反[１７].土壤的保水能力主要由土壤比表面积决定ꎬ虽然生物炭的多孔结构和团聚体提高了土壤比表面积ꎬ但这也可能不足以抵消原土壤结构破坏而减少的比表面积ꎬ因此施入生物炭也可能降低土壤的含水量[１８].并且生物炭对不同土质的影响略有不同ꎬ质地较轻的土壤反而会因为施用生物炭而降低通透性ꎬ以抑制水分生物的入渗ꎬ含水量随之降低[１６].

表４　土壤酶活性与主要土壤性质的相关性分析１)

ＳＷＣ

∗

０.７４６∗０.２６６

Ｔａｂｌｅ４　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｂｅｔｗｅｅｎｓｏｉｌｅｎｚｙｍｅａｃｔｉｖｉｔｉｅｓａｎｄｍａｉｎｓｏｉｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ

土壤酶蛋白酶脲酶　蔗糖酶　　

１)

ｐＨ－０.３１９０.１９４０.１８０

ρｂ－０.９０－０.１７３－０.４４７

ＴＣ－０.１８２０.１０８０.５３２∗

ＴＮ－０.０８２－０.１２８０.３９６

ＴＯＣ０.５２６∗０.２５６０.４８１

∗

０.６３５∗

ＮＯ－３

０.５８０∗０.８２４∗

∗

－０.６７５∗

ＮＨ＋４

０.２１５

－０.５１６∗－０.６１２∗

∗

０.７８４∗∗

０.８１０∗

ＳＭＢＣ

３.２　生物炭对土壤化学性质的影响

∗∗Ｐ<０.０１水平上的极显著性ꎻ∗Ｐ<０.０５水平上的显著性.

０.７８５∗

＋

物炭ꎬ中高水平的生物炭均提高了全氮和ＮＯ－３含量ꎻ各水平的生物炭均提高了ＮＨ４含量.首先ꎬ这可能是

本试验中生物炭显著提高了土壤全碳和有机碳的含量ꎬ与大部分研究结果一致[１８－１９].除了低水平生

因为低水平的生物炭具有较强的吸附性ꎬ可以将土壤中的氮素转移到自身ꎬ反而提高了土壤对氮素的需

－－[１３]求ꎬ导致了ＮＨ＋ꎻ同时带负电荷的ＮＯ－４的固持ꎬ减缓了其向ＮＯ３的转换３更容易随水分淋溶ꎬ使得ＮＯ３

含量降低[２０].而中高水平的生物炭能提高氮含量ꎬ是因为生物炭本身就含有氮ꎬ当其吸附性达到顶点ꎬ土壤中的氮素只能被吸附到表面.其次ꎬ生物炭具有丰富的空隙ꎬ可以为微生物提供适宜的生活环境ꎬ提高固氮菌的生物活性[１９]ꎬ进而提高土壤全氮含量.最后ꎬ部分土壤理化性质在不同处理间不存在显著差异ꎬ可能是两个方面造成的:(１)生物炭的作用时间不够长ꎻ(２)生物炭对碱性土壤的改良效果存在性ꎬ不及其对酸性土壤的改善.

３.３　生物炭对土壤酶活性的影响和机理

本试验中ꎬ低水平的生物炭降低了蔗糖酶活性ꎬ而中高水平的生物炭却能提高酶活性ꎬ可能是因为低水平的生物炭不仅会吸附可溶性有机质ꎬ还降低了难溶性碳物质的分解速率ꎬ使可利用的溶解性物质减少ꎬ蔗糖酶的生物过程减缓ꎬ酶活性降低.随着生物炭施用量的提高ꎬ可溶解性有机质含量随之升高ꎬ同时生物炭还能大量分解碳物质ꎬ为土壤微生物提供更丰富的营养来源ꎬ促进微生物量碳激增ꎬ蔗糖酶活性提高ꎬ因此蔗糖酶与土壤微生物量碳呈显著正相关(表４)[２１－２２].

本试验中ꎬ施用生物炭后土壤酶指标下降ꎬ同时随着生物炭施用量的升高ꎬ土壤蛋白酶和脲酶的活性

呈现持续降低趋势ꎬ这与小麦根际土壤蛋白酶活性和华北小麦玉米轮作农田施用生物炭后脲酶活性的变化趋势相反[１９ꎬ２３].可能是由于生物炭的富碳性提高了土壤的碳氮比ꎬ在没有其他外源氮输入的情况下ꎬ生物炭的施用量越大ꎬ动植物和微生物会对氮素的竞争越激烈ꎬ所以降低了微生物的数量和活性.同时由于生物炭对养分及反应底物的吸附ꎬ不仅了酶对底物的接触ꎬ也对酶促反应的结合位点形成保护ꎬ最终抑制酶促反应的进行[２４－２５].周礼恺[６]提出了脲酶活性与微团聚体的关系ꎬ即随着微团聚体粒径的升高ꎬ脲酶活性呈下降趋势.由于生物炭结构、性质和酶分子构造的复杂性ꎬ土壤酶的种类、数量及生物炭施用的时间长短都可能影响酶指标ꎬ我们应该从长远的角度综合考虑酶指标的变化ꎬ以进一步深入探究其作用机理和方式.

综上所述ꎬ在杨树人工林中ꎬ施用生物炭能够改良土壤基本的理化性质ꎬ降低土壤蛋白酶和脲酶的活性ꎬ而中高水平的生物炭可以促进土壤蔗糖酶的活性.鉴于酶活性与一些土壤理化性质的显著相关性ꎬ推

　第３期徐瑾等:施用生物炭对东台沿海杨树人工林土壤理化性质及酶活性的影响

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测生物炭可能通过改变这些理化特性以影响土壤酶活性.

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(责任编辑:苏靖涵)