改良劑對旱地紅壤活性有機碳及土壤酶活性的影響①

袁穎紅，張文鋒，周際海，芮紹云，劉貴軍，李 麗，黃欠如，成艷紅，孫 波

(1 江西省紅壤研究所，江西進賢 331717；2 南昌工程學院江西省退化生態系統修復與流域生態水文重點實驗室，南昌 330099；3 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008)

改良劑對旱地紅壤活性有機碳及土壤酶活性的影響①

袁穎紅1,2，張文鋒2，周際海2，芮紹云2，劉貴軍2，李 麗2，黃欠如1*，成艷紅1，孫 波3

(1 江西省紅壤研究所，江西進賢 331717；2 南昌工程學院江西省退化生態系統修復與流域生態水文重點實驗室，南昌 330099；3 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008)

針對江西旱地紅壤肥力低下、生產力不高等突出問題，基于長期野外旱地紅壤定位試驗，研究了改良劑(生物質炭和過氧化鈣)對旱地紅壤活性有機碳及與碳代謝相關酶活性的影響。試驗設置生物質炭施用量0(C0)、758(C1)、1 515(C2) kg/hm2和過氧化鈣施用量0(Ca0)、61(Ca1)、121(Ca2)kg/hm2，生物質炭和過氧化鈣單施和配施共9個處理，即CK、C0Ca1、C0Ca2、C1Ca0、C1Ca1、C1Ca2、C2Ca0、C2Ca1、C2Ca2。結果表明，生物質炭單施和配施均在一定程度上提高了旱地紅壤有機碳及活性碳組分，且效果優于單施過氧化鈣。C2Ca0、C2Ca1和C2Ca2處理土壤有機碳增加較顯著。生物質炭和過氧化鈣顯著提高土壤活性有機碳組分，與對照(CK)相比，其中C1Ca0處理的微生物生物量碳平均增加了45.22%，C1Ca2處理的可溶性有機碳平均增加了21.34%，C1Ca0處理的顆粒有機碳平均增加了20.72%，C2Ca2處理的易氧化有機碳平均增加了22.19%。生物質炭和過氧化鈣對提高碳庫管理指數均有較好的效果，0 ～ 10 cm和10 ～ 20 cm土層分別平均增加了11.09%、14.07%。添加生物質炭對旱地紅壤酶活性均有促進作用，且對0 ～ 10 cm土層土壤酶的影響較10 ～ 20 cm土層明顯；配施C2Ca2明顯提高旱地紅壤淀粉酶、纖維素酶和β-葡糖苷酶活性，C1Ca1明顯提高紅壤蔗糖酶活性。因此，生物質炭和過氧化鈣能有效改善旱地紅壤活性有機碳組分以及與碳代謝相關酶活性，且生物質炭與過氧化鈣配合施用對土壤改良的效果更好。

改良劑；旱地紅壤；活性有機碳；土壤酶

紅壤廣泛分布于南方熱帶、亞熱帶地區，是南方地區重要的土壤資源，具有酸度高、質地黏重、通氣透水性差、保肥性能弱等特點[1]。但紅壤地區光溫資源豐富，是我國重要的農產品生產基地，具有巨大的農業生產潛力。由于受季風的影響，紅壤地區高溫高濕，土壤礦物風化淋溶強烈，自然肥力低下，生產力相對不高，再加上人類近幾十年來不合理的種植、耕作等活動，造成水土流失，使紅壤肥力衰退程度更加嚴重[2]。

應用生物質炭等改良劑進行土壤改良已成為全球關注的熱點，眾多研究表明，生物質炭施入土壤可以改善土壤理化性質和土壤養分狀況，促進作物生長和提高產量[3-4]。土壤有機碳庫是陸地碳庫的重要組成部分，在研究陸地碳循環中具有重要的作用。由于碳循環對全球生態系統循環有著重要的影響，因此，土壤有機碳研究受到人們普遍關注，已成為全球變化研究的三大熱點之一[5-6]。土壤活性有機碳是土壤有機碳中活性較高的那部分，在一定的時空條件下受植物、微生物影響強烈，具有一定溶解性，且在土壤中移動較快、易氧化、易分解、易礦化[7-8]，包括植物殘茬、根系分泌物、真菌菌絲等游離度較高的有機物[9]。另外，土壤酶是一種具有生物催化能力和蛋白質性質的高分子活性物質[10]，參與土壤中各種化學反應和生物化學過程，與有機物質礦化分解、礦質營養元素循環、能量轉移、環境質量等密切相關[11]。有試驗結果表明，施入以生物質炭為主要成分的生態炭肥，能顯著提升土壤有機質含量，明顯增加土壤細菌數量，有效活化土壤蔗糖酶、淀粉酶及纖維素酶的活性，并存在正劑量效應，有效修復土壤健康，為植物的生長發育提供良好的土壤條件，為降低病害發生及減少產量損失提供了保障[12-13]。但是國內外開展較多的是關于高劑量生物質炭對土壤改良效果研究。近幾年來，有研究表明，過氧化鈣在水分作用下緩慢分解放出氧氣，一方面進行物理擴散作用，加強了土壤的透氣性，防止土壤板結，有利于植物根系生長，促進植物新陳代謝，提高馬鈴薯、甜瓜等農產品的質量和產量；另一方面又進行化學氧化作用，控制細菌的生長，增強植物抵御病蟲害的能力，生成的氫氧化鈣還可中和酸性土壤[14-15]。目前，有關生物質炭和過氧化鈣等改良劑對旱地紅壤活性有機碳組分以及土壤酶活性的影響研究報道較少，尤其是生物質炭和過氧化鈣配施對土壤改良效果研究鮮見報道。本研究基于野外旱地紅壤定位試驗，初步探究低劑量生物質炭和過氧化鈣對旱地紅壤活性碳組分及土壤酶活性的影響，可為秸稈生物質炭長期還田和添加過氧化鈣改良旱地紅壤有機碳組分，提高農業生產力提供理論基礎和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地設在江西省紅壤研究所定位試驗基地內，屬典型的低丘紅壤區紅壤旱地，海拔高度為25 ～ 30 m，坡度5°。其地理位置為116°20'24″E，28°15'30″N，屬亞熱帶季風氣候，氣候溫和、雨量充沛、日照充足、無霜期長。年平均降雨量1 587 mm，無霜期282 d，平均氣溫17.5 ℃，年平均日照時數1 900 ～ 2 000 h。

1.2 試驗材料

試驗土壤為第四紀紅色黏土發育而成，0 ～ 20 cm土層土壤pH為4.18、有機碳含量8.64 g/kg、全氮為1.64 g/kg、全磷為1.01 g/kg、有效磷為157.75 mg/kg、全鉀含量為7.73 g/kg，CEC為18.84 cmol/kg。生物質炭由小麥秸稈在350 ～ 500 ℃下厭氧燒制而成，購于河南商丘三利新能源有限公司，制備率約為35%，其理化性質如下：pH 為10.35，有機碳含量為467.20 g/kg，全氮含量為5.90 g/kg，全磷含量為14.43 g/kg，有效磷為4.70 g/kg，全鉀含量為11.50 g/kg，CEC為217.00 cmol/kg。田間管理按常規管理進行，每年種植紅薯(蘇薯8號)。

1.3 試驗設計

試驗從2013年4月開始實施，采用完全方案設計，隨機區組排列，每個處理設3個重復，共計27個小區，小區面積3.5 m × 6 m = 21 m2。走道寬0.5 m，保護行寬1 m，小區間排水溝寬0.5 m。每個小區施尿素630 g(300 kg/hm2)，鈣鎂磷肥(P2O512.5%)787 g(375 kg/hm2)，KCl(K2O 60%)552 g(263 kg/hm2)。生物質炭過20目篩，每年添加一次生物質炭和過氧化鈣，施用方法為表層施用，再翻耕。根據生物質炭和過氧化鈣的不同施用劑量設9種處理，各小區處理及生物質炭和過氧化鈣用量如表1。

表1 處理及改良劑施用量(kg/hm2)Table 1 Experimental treatments and applied amounts of soil amendments

1.4 樣品的采集

于2014年4月底采集土壤樣品，用土鉆在每個試驗小區進行多點混合采集土壤，取樣深度為0 ～ 10、10 ～ 20 cm，把土樣密封后帶回實驗室4 ℃冰箱保存。采集的部分土樣充分混合，自然風干，過篩備用。

1.5 分析方法

土壤有機碳測定采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法[16]。

土壤微生物生物量碳采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法測定，微生物生物量碳的換算系數為0.45[16]。

土壤可溶性有機碳測定：純凈水提取鮮土可溶性有機碳，水土比4∶1，200 r/min振蕩2 h后，在4 ℃條件下以4 500 r/min離心20 min。將上清液過0.45 μm濾膜后得到土壤可溶性有機碳樣品，可溶性有機碳含量采用TOC分析儀測定[17]。

土壤顆粒有機碳測定：稱取過2 mm篩的風干土25 g，放入塑料瓶中，加入30 ml 5 g/L的六偏磷酸鈉溶液，在往復式振蕩器(90 r/min)上振蕩18 h，分散。分散溶液置于53 μm篩上，用清水沖洗直至瀝濾液澄清。將篩上保留的53 ～ 2 000 μm 土壤在60 ℃下烘干至恒量， 計算其占整個土壤樣品的百分比。將烘干樣品中的有機碳含量分別換算為單位質量土壤樣品的對應組分有機碳含量, 即為顆粒有機碳含量[18]。

土壤易氧化有機碳測定：依據Blair等[19]KMnO4氧化性分級方法測定。稱取過500 μm土壤篩的含碳15 mg的風干土壤，加入25 ml的333 mmol/L KMnO4，振蕩1 h，振蕩后在4 000 r/min離心5 min，吸取上清液稀釋250倍，稀釋液在565 nm波長處進行比色，同時配制標準系列濃度KMnO4溶液，也在565 nm處比色，依標準曲線得KMnO4濃度，進而求得消耗KMnO4量。

土壤酶活性測定：土壤蔗糖酶、淀粉酶、纖維素酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，蔗糖酶活性以24 h后1 g土壤葡萄糖的毫克數表示；淀粉酶活性以24 h后1 g土壤中麥芽糖的毫克數表示；纖維素酶活性，以72 h，1 g土壤生成葡萄糖毫克數表示；β-葡萄糖苷酶活性采用硝基酚比色法測定，以1 h，1 g土壤生成對硝基酚毫克數表示[11]。

1.6 計算公式

穩態碳 = 總有機碳－活性碳；碳庫指數(CPI)=農田土壤有機碳/參考農田土壤有機碳；碳庫活度(A)= 活性碳/穩態碳；碳庫活度指數(AI)= 農田碳庫活度/參考土壤碳庫活度；碳庫管理指數(CPMI)= 碳庫指數×碳庫活度指數×100；活性碳有效率 = 活性碳/土壤有機碳×100%[20]。公式中活性碳指易氧化有機碳。

1.7 數據處理

數據采用Microsoft Excel 2007軟件進行處理和繪圖，圖表中的數據采用平均值表示，采用SPSS統計軟件進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 改良劑對旱地紅壤有機碳及活性有機碳含量的影響及分布特征

2.1.1 改良劑對旱地紅壤有機碳含量的影響及分布特征 由圖1可知，施用兩種改良劑(生物質炭和過氧化鈣)對旱地紅壤有機碳(SOC)含量和分布有不同程度的影響。各處理中，隨著土層加深土壤有機碳含量降低，即0 ～ 10 cm ＞ 10 ～ 20 cm，且兩土層之間均無顯著性差異。單施過氧化鈣土壤有機碳含量均低于對照(CK)，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層平均分別減少了18.93%、11.73%；與CK相比，單施生物質炭和配施處理土壤有機碳均有所增加，并隨著生物質炭施入量增加，土壤有機碳含量增加，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層平均分別增加了8.89%、15.35%。0 ～ 10 cm土層，施用改良劑后土壤有機碳含量范圍約為9.97 ～14.16 g/kg；不同處理土壤有機碳含量由低到高順序為：C0Ca1 ＜ C0Ca2 ＜ CK ＜ C1Ca1 ＜ C1Ca0 ＜ C1Ca2＜ C2Ca2 ＜ C2Ca1 ＜ C2Ca0；C0Ca1、C0Ca2處理顯著降低了土壤有機碳含量，C2Ca0與C1Ca1處理之間，C2Ca0、C1Ca1與C0Ca1、C0Ca2處理之間土壤有機碳含量差異顯著。在10 ～ 20 cm土層，施用改良劑后土壤有機碳含量范圍為9.29 ～ 13.44 g/kg；不同處理土壤有機碳含量由低到高順序為：C0Ca1 ＜ C0Ca2 ＜CK ＜ C1Ca1 ＜ C1Ca2 ＜ C1Ca0 ＜ C2Ca1 ＜ C2Ca2 ＜C2Ca0；C0Ca1處理土壤有機碳含量顯著低于CK，C2Ca0與C0Ca1、C0Ca2處理之間土壤有機碳含量差異顯著。

圖1 改良劑對旱地紅壤有機碳的影響Fig. 1 Effects of different amendments on organic carbons in upland red soil

2.1.2 改良劑對旱地紅壤活性有機碳含量的影響及分布特征 施用兩種改良劑(生物質炭和過氧化鈣)對旱地紅壤微生物生物量碳、可溶性有機碳、顆粒有機碳、易氧化有機碳含量和分布有不同程度的影響。從圖2中可以看出，各處理中，隨著土層加深土壤微生物生物量碳、可溶性有機碳、顆粒有機碳、易氧化有機碳含量降低，即0 ～ 10 cm ＞ 10 ～ 20 cm，且除可溶性有機碳外，兩土層之間均無顯著差異。

由圖2可知，施入改良劑后，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層土壤微生物生物量碳含量范圍分別為77.70 ～105.44、62.52 ～ 96.74 mg/kg；且與CK相比，各處理0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層土壤微生物生物量碳平均分別增加了24.78%、39.85%。0 ～ 10 cm土層，不同處理土壤微生物生物量碳含量由小到大順序為：CK ＜C0Ca1 ＜ C0Ca2 ＜ C1Ca2 ＜ C2Ca1 ＜ C2Ca0 ＜ C1Ca1＜ C2Ca2 ＜ C1Ca0；C1Ca0、C2Ca0、C1Ca1、C1Ca2、C2Ca1、C2Ca2 土壤微生物生物量碳含量顯著高于CK處理，C1Ca0 與C1Ca2處理之間差異顯著。10 ～20 cm土層，不同處理土壤微生物生物量碳含量由小到大順序為：CK ＜ C0Ca1 ＜ C0Ca2 ＜ C1Ca2 ＜ C2Ca1＜ C1Ca1 ＜ C2Ca0 ＜ C2Ca2 ＜ C1Ca0；除C0Ca1外，其他處理土壤微生物生物量碳含量顯著高于CK處理，C1Ca0、C2Ca2 與C0Ca1、C0Ca2、C1Ca2處理之間差異顯著。

圖2 改良劑對旱地紅壤有機碳組分的影響Fig. 2 Effects of different amendments on organic carbon fractions in upland red soil

從圖2可以看出，施入改良劑后，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層，土壤可溶性有機碳含量范圍分別為124.53 ～146.92、95.76 ～ 119.41 mg/kg，且與CK相比，各處理土壤可溶性有機碳分別平均增加了7.62%、12.33%，C1Ca0、C1Ca2、C2Ca2處理增加顯著。0 ～10 cm土層，不同處理土壤可溶性有機碳含量由小到大順序為：CK ＜ C0Ca1 ＜ C0Ca2 ＜ C1Ca1 ＜ C2Ca1 ＜C2Ca0 ＜ C2Ca2 ＜ C1Ca0 ＜ C1Ca2；C1Ca0與C0Ca1、C0Ca2處理之間，C1Ca2與C0Ca1、C0Ca2、C2Ca0、C1Ca1、C2Ca1處理之間差異顯著。10 ～ 20 cm土層，不同處理土壤可溶性有機碳含量由小到大順序為：CK ＜ C0Ca1 ＜ C0Ca2 ＜ C1Ca1 ＜ C2Ca0 ＜ C2Ca1 ＜C1Ca0 ＜ C2Ca2 ＜ C1Ca2；C1Ca0與C0Ca1處理之間，C1Ca2、C2Ca2與C0Ca1、C0Ca2處理之間，C1Ca2與C2Ca0處理之間差異顯著。

圖2表明，施入改良劑后，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層土壤顆粒有機碳含量范圍分別為4.08 ～ 5.55、3.46 ～ 4.83 g/kg。與CK相比，單施過氧化鈣處理， 0～ 10、10 ～ 20 cm土層土壤顆粒有機碳含量平均降低了6.54%、16.11%；單施生物質炭和配施處理，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層土壤顆粒有機碳平均分別增加了17.17%、8.60%。0 ～ 10 cm土層，不同處理土壤顆粒有機碳含量從小到大的順序為：C0Ca1 ＜ C0Ca2 ＜ CK＜ C1Ca1 ＜ C2Ca0 ＜ C1Ca2 ＜ C2Ca2 ＜ C2Ca1 ＜C1Ca0；C1Ca0與C0Ca1、C0Ca2、C2Ca0、CK處理之間，C2Ca0、C1Ca1、C1Ca2、C2Ca1、C2Ca2與C0Ca1、C0Ca2處理之間差異顯著。10 ～ 20 cm土層，不同處理土壤顆粒有機碳含量從小到大的順序為：C0Ca2 ＜ C0Ca1 ＜ CK ＜ C1Ca1 ＜ C1Ca2 ＜ C2Ca0 ＜C2Ca1 ＜ C2Ca2 ＜ C1Ca0；C0Ca1、C0Ca2與C1Ca0、CK、C2Ca0、C1Ca1、C1Ca2、C2Ca1、C2Ca2處理之間，C1Ca0與CK、C2Ca0、C1Ca1、C1Ca2處理之間差異顯著。

圖2還表明，施入改良劑后，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層土壤易氧化有機碳含量范圍分別為3.90 ～ 5.00、3.73 ～ 4.58 g/kg。與CK相比，各處理0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層土壤可溶性有機碳含量平均分別增加了11.33%、11.86%。0 ～ 10 cm土層，不同處理土壤易氧化有機碳含量從小到大的順序為：C0Ca1 ＜ C0Ca2＜ CK ＜ C1Ca1 ＜ C1Ca2 ＜ C1Ca0 ＜ C2Ca0 ＜ C2Ca1 ＜C2Ca2；C0Ca1、C0Ca2、CK與C1Ca0、C2Ca0、C1Ca2、C2Ca1、C2Ca2處理之間，C2Ca2與C1Ca1、C1Ca2處理之間差異顯著。10 ～ 20 cm土層，不同處理土壤易氧化有機碳含量從小到大的順序為：CK ＜ C0Ca1 ＜C0Ca2 ＜ C1Ca1 ＜ C1Ca2 ＜ C1Ca0 ＜ C2Ca0 ＜ C2Ca1＜ C2Ca2；C1Ca1、C1Ca2與CK處理之間，C1Ca0、C2Ca0、C2Ca1、C2Ca2與CK、C0Ca1、C0Ca2處理之間差異顯著。

2.1.3 改良劑對旱地紅壤碳庫管理指數的影響 由表2可知，施用兩種改良劑(生物質炭和過氧化鈣)對旱地紅壤穩態碳、碳庫指數、碳庫活度、碳庫活度指數和碳庫管理指數均有不同程度的影響。與CK相比，各處理0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層土壤碳庫管理指數平均分別增加了11.09%、14.07%。除C2Ca2處理外，其他處理兩土層之間土壤碳庫管理指數均無顯著差異。0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層均以C2Ca2處理土壤碳庫管理指數最高。0 ～ 10 cm土層，施用改良劑后各處理土壤碳庫管理指數從小到大順序為CK＜ C0Ca1＜ C1Ca1＜ C1Ca2＜C0Ca2＜ C2Ca0＜ C1Ca0＜ C2Ca1＜ C2Ca2，除C2Ca1處理外，C2Ca2與其他處理之間碳庫管理指數差異顯著。10 ～ 20 cm土層，施用改良劑后各處理土壤碳庫管理指數從小到大順序為CK＜ C1Ca1＜ C0Ca2＜ C1Ca2＜C0Ca1＜ C1Ca0＜ C2Ca0＜ C2Ca1＜ C2Ca2，各處理之間土壤碳庫管理指數無顯著差異。

表2 改良劑對旱地紅壤碳庫管理指數的影響Table 2 Effects of different amendments on carbon management indexes in upland red soil

2.2 改良劑對旱地紅壤碳代謝相關酶活性的影響

從圖3可以看出，施用兩種改良劑對旱地紅壤蔗糖酶、淀粉酶、纖維素酶、β-葡萄糖苷酶活性有不同程度的影響。各處理中，隨著土層加深，土壤4種酶活性均降低，即0 ～ 10 cm ＞ 10 ～ 20 cm。施入改良劑后，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層土壤蔗糖酶活性范圍分別為115.43 ～ 179.45、105.61 ～ 140.90 mg/(kg·h)；單施過氧化鈣處理土壤蔗糖酶活性有不同程度降低，單施生物質炭和配施處理有不同程度增強。單施生物質炭處理，隨著生物質炭施入量的增加，蔗糖酶活性增強。與CK相比，單施過氧化鈣處理0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層土壤蔗糖酶活性平均分別降低了7.94%、11.53%；單施生物質炭和配施處理0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層土壤蔗糖酶活性平均分別增加了18.26%、6.93%。0 ～ 10 cm土層，各處理土壤蔗糖酶活性從小到大順序：C0Ca1＜ C0Ca2＜ CK＜ C1Ca2＜ C1Ca0＜ C2Ca1＜C2Ca0＜ C2Ca2＜ C1Ca1；C2Ca0、C1Ca1、C2Ca1、C2Ca2與CK處理之間，C1Ca1與C1Ca0、C1Ca2處理之間差異顯著；除CK處理外，C0Ca1、C0Ca2與其他處理之間差異顯著。10 ～ 20 cm土層，各處理土壤蔗糖酶活性從小到大順序：C0Ca1＜ C0Ca2＜ CK＜C2Ca1＜ C1Ca1＜ C1Ca0＜ C1Ca2＜ C2Ca0＜ C2Ca2；C2Ca0、C2Ca2與C0Ca2之間差異顯著；除C0Ca2處理外，C0Ca1與其他處理之間差異顯著。

由圖3可知，施入改良劑后，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層土壤淀粉酶活性范圍分別為56.87 ～ 67.71、46.54 ～58.38 mg/(kg·h)；單施過氧化鈣處理土壤淀粉酶活性有不同程度降低，單施生物質炭和配施處理土壤淀粉酶活性有不同程度的增強。與CK相比，單施過氧化鈣處理0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層土壤淀粉酶活性平均分別降低了5.13%、5.74%；單施生物質炭和配施處理0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層土壤淀粉酶活性平均分別增加了5.41%、7.30%。0 ～ 10 cm土層，各處理土壤淀粉酶活性從小到大順序：C0Ca1＜ C1Ca1＜ C0Ca2＜CK＜ C1Ca2＜ C2Ca0＜ C2Ca1＜ C1Ca0＜ C2Ca2；C1Ca0、C2Ca1、C2Ca2與C0Ca1、C0Ca2、C1Ca1、CK處理之間差異顯著。10 ～ 20 cm土層，各處理土壤淀粉酶活性從小到大順序：C0Ca1＜ C1Ca1＜C0Ca2＜ CK＜ C2Ca0＜ C1Ca2＜ C2Ca1 ＜ C2Ca2＜C1Ca0；C1Ca0、C2Ca2與CK、C0Ca1、C0Ca2、C1Ca1處理之間，C1Ca1、C0Ca1與C2Ca0、C1Ca2、C2Ca1處理之間差異顯著。

圖3 改良劑對旱地紅壤碳代謝相關酶活性的影響Fig. 3 Effects of different amendments on enzymes activities associated with carbon cycling in upland red soil

圖3表明，施入改良劑后，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層土壤纖維素酶活性范圍分別為11.57 ～ 15.18、10.33 ～ 14.00 mg/(kg·h) 。單施過氧化鈣處理，隨著過氧化鈣施用量增加，土壤纖維素酶活性增強；單施生物質炭處理，隨著生物質炭施入量的增加，纖維素酶活性降低。與CK相比，各處理0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層土壤纖維素酶活性平均分別增加了16.71%、15.95%。0 ～ 10 cm土層，各處理土壤纖維素酶活性從小到大順序：CK＜ C0Ca1＜ C1Ca1＜ C0Ca2＜C2Ca0＜ C1Ca0＜ C2Ca1＜ C1Ca2＜ C2Ca2；C1Ca0、C1Ca2、C2Ca1、C2Ca2與CK、C0Ca1處理之間，C2Ca2與C0Ca2、C2Ca0、C1Ca1處理之間差異顯著。10 ～ 20 cm土層，各處理土壤纖維素酶活性從小到大順序：CK＜ C0Ca1＜ C2Ca0＜ C0Ca2＜ C1Ca1＜ C1Ca0＜C2Ca1＜ C1Ca2＜ C2Ca2；C2Ca2與其他處理之間，C1Ca0、C1Ca2與CK處理之間差異顯著。

從圖3可知，施入改良劑后，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層土壤β-葡萄糖苷酶活性范圍分別為415.30 ～870.18、340.68 ～ 747.44 mg/(kg·h)。單施過氧化鈣處理，隨著過氧化鈣施用量增加，土壤β-葡萄糖苷酶活性增強；單施生物質炭處理，隨著生物質炭施入量的增加，β-葡萄糖苷酶活性增強。與CK相比，各處理0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層土壤β-葡萄糖苷酶活性均顯著增強，平均分別增強了56.15%、76.11%。0 ～ 10 cm土層，各處理土壤β-葡萄糖苷酶活性從小到大順序：CK＜ C0Ca1＜ C1Ca0＜ C0Ca2＜ C1Ca1＜ C2Ca0＜C1Ca2＜ C2Ca1＜ C2Ca2，C2Ca2與C2Ca1處理之間，C2Ca2、C2Ca1與其他處理之間，C0Ca1與其他處理之間差異顯著。10 ～ 20 cm土層，各處理土壤β-葡萄糖苷酶活性從小到大順序：CK＜ C0Ca1＜ C0Ca2＜C1Ca1＜ C1Ca0＜ C2Ca0＜ C1Ca2＜ C2Ca1＜ C2Ca2，C0Ca1、C0Ca2、C1Ca1與其他處理之間，C1Ca0、C2Ca0與C2Ca1、C2Ca2處理之間，C2Ca2與C1Ca2處理之間差異顯著。

2.3 改良劑對旱地紅壤有機碳組分與土壤酶活性之間相關性分析

通過分析施用過氧化鈣和生物質炭處理下旱地紅壤有機碳及碳組分與碳代謝相關酶活性之間的相關性(表3)，0 ～ 10 cm土層，總有機碳、顆粒有機碳、易氧化有機碳含量與β-葡糖苷酶、蔗糖酶、淀粉酶、纖維素酶活性呈顯著或極顯著正相關，可溶性有機碳含量與淀粉酶活性呈極顯著正相關，微生物生物量碳含量與β-葡糖苷酶、蔗糖酶、淀粉酶活性呈顯著或極顯著正相關。10 ～ 20 cm土層，可溶性有機碳、易氧化有機碳含量與β-葡糖苷酶、蔗糖酶、淀粉酶、纖維素酶活性呈顯著或極顯著正相關，總有機碳、顆粒有機碳含量與β-葡糖苷酶、蔗糖酶、淀粉酶活性呈顯著或極顯著正相關，微生物生物量碳含量與β-葡糖苷酶、淀粉酶、纖維素酶活性呈顯著或極顯著正相關。

表3 土壤有機碳組分與土壤酶活性相關性Table 3 Correlation coefficients between soil enzyme activities and soil organic carbon fractions

3 討論

3.1 改良劑對旱地紅壤有機碳及活性有機碳組分的影響

土壤有機碳可以增強土壤保水、保肥能力，提高土壤結構穩定性和抗蝕性，對維持土壤質量和產量具有關鍵的作用[21]。本研究結果表明，施用生物質炭后對提高表層旱地紅壤(0 ～ 10 cm)有機碳含量有明顯的效果，對10 ～ 20 cm土層的促進作用減弱；隨著生物質炭用量的增加，旱地紅壤有機碳含量也增加；其中C2Ca0、C2Ca1、C2Ca2在0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層土壤有機碳增加效果較明顯，平均增加約為11.97%、18.55%，以單施C2Ca0處理土壤有機碳含量最高。原因可能是：①生物質炭本身含碳量較高，化學穩定性較高，難降解，有利于土壤有機碳的積累[22]；②過氧化鈣與生物質炭二者相互影響，過氧化鈣與土壤水分發生反應，緩慢釋放氧氣，改善土壤環境，增加了土壤有機質的分解，使得配施(C2Ca1、C2Ca2)處理土壤有機碳含量低于單施C2Ca0處理。

與土壤總有機碳相比，土壤活性有機碳更能作為農業管理措施改變引起的土壤環境和碳庫早期變化的敏感性指標[23]。本研究結果表明，在施用生物質炭和過氧化鈣情況下，土壤微生物生物量碳、可溶性有機碳、顆粒有機碳、易氧化有機碳含量在各土層的變化趨勢相同，即隨著土層深度的加深逐漸減小；生物質炭單施和配施對旱地紅壤活性有機碳組分含量均有不同程度的提高，且生物質炭單施和配施效果優于單施過氧化鈣。付琳琳等[24]研究結果表明，施加高施用量生物質炭(10、20、40 t/hm2)可以提高土壤有機碳、顆粒態有機碳、易氧化態有機碳和微生物生物量碳含量，本研究結果與之類似。Durenkamp等[25]研究發現黏質土中微生物生物量碳隨生物質炭添加量的增加而增加。馬莉等[26]研究也發現，施用生物質炭且不同劑量對土壤可溶性碳影響效果也有差異，低、中施用量(5 g/kg和10 g/kg)土壤可溶性有機碳含量顯著高于高施用量(20 g/kg)。陳紅霞等[27]基于華北平原農田3 年定位實驗也表明施用生物質炭(2.25 t/hm2、4.50 t/hm2)可以顯著增加0 ～ 7 cm 和7.5 ～ 15 cm 土層的顆粒態有機碳含量。生物質炭可以提高土壤對養分的保持能力，為微生物生長和繁殖提供一定的氮源，促進微生物的生長，提高微生物生物量；另外生物質炭表面具有大量負電荷及高電荷密度，能吸附一些對微生物有毒害作用的物質以及對土壤可溶性有機碳的吸附，從而促進微生物的生長繁殖，提高微生物生物量，減少可溶性有機碳的淋洗[26]。紅壤偏酸性，黏性較高，透氣性差，不利于活性有機碳組分的形成與積累，生物質炭和過氧化鈣均呈堿性，可以對紅壤pH起到調節作用，有助于固相有機碳溶解，增加土壤可溶性有機碳含量[28]；且生物質炭的疏松結構以及過氧化鈣與土壤水分緩慢反應釋放氧氣均可調節土壤的透氣性，有利于微生物的生長代謝，促進活性有機碳組分的形成。還有，土壤碳庫管理指數可以表征土壤管理措施引起土壤有機質變化，能夠反映不同利用方式對土壤質量影響的程度[29]。本研究所有處理對提高碳庫管理指數均有較好的效果，0 ～10 cm和10 ～ 20 cm土層分別平均增加11.09% 和14.07%。

3.2 改良劑對旱地紅壤碳代謝相關酶活性的影響

土壤酶是一種具有生物催化能力和蛋白質性質的高分子活性物質[10]，能催化土壤中復雜的有機物質，使其轉化為簡單的無機化合物，供植物重新吸收利用[11]。相關野外調查結果表明，土壤pH與土壤酶活性之間的關系較為密切，人工改變土壤pH 對土壤酶活性存在一定程度的影響[30]。土壤有機質是土壤中酶促底物的主要供源，是土壤固相中最復雜的系統，也是土壤肥力的主要物質基礎[31]。本試驗研究表明，在紅壤旱地施用生物質炭和過氧化鈣作用下，

旱地紅壤參與碳循環的4種酶，蔗糖酶、淀粉酶、纖維素酶、β-葡糖苷酶活性隨土層加深而降低，即對0 ～ 10 cm土層土壤酶的影響較10 ～ 20 cm土層明顯；單施過氧化鈣對土壤蔗糖酶、淀粉酶活性有抑制作用，低于對照CK，對纖維素酶、β-葡糖苷酶活性有促進作用；單施生物質炭和配施對4種酶均有促進作用，隨著生物質炭用量的增加蔗糖酶、β-葡糖苷酶活性也呈增加趨勢。王涵等[30]研究表明，在偏酸性土壤，且其pH低于大部分土壤酶及其相關微生物適宜pH，加[OH-]主要對土壤酶活性起刺激作用，而添加[H+]主要呈現抑制作用。劉歡歡等[12]研究表明，麥田施入生態炭肥(以生物質炭為主要成分)后能顯著提升土壤有機質含量，明顯增加土壤細菌數量，有效活化土壤蔗糖酶、淀粉酶及纖維素酶的活性，并存在正劑量效應，有效修復土壤健康，為小麥的生長發育提供良好的土壤條件，為降低病害發生及減少產量損失提供保障。主要原因可歸結為：①可能是添加了生物質炭和過氧化鈣調節了紅壤pH，提供了有機碳等養分，改善了紅壤條件，促進微生物的活性；②可能是生物質炭對反應底物的吸附有助于酶促反應的進行而提高土壤酶活性。

4 結論

生物質炭單施及與過氧化鈣配施在一定程度上均提高了旱地紅壤有機碳及活性碳組分，且效果優于單施過氧化鈣；C2Ca0、C2Ca1和C2Ca2處理能明顯增加土壤有機碳；C1Ca0處理能明顯提高紅壤微生物生物量碳和顆粒有機碳含量，C1Ca2處理的可溶性有機碳平均增加了21.34%，C2Ca2處理的易氧化有機碳平均增加了22.19%；生物質炭和過氧化鈣對提高碳庫管理指數均有明顯效果。添加生物質炭對旱地紅壤酶活性均有促進作用，且對 0 ～ 10 cm土層的影響較10 ～ 20 cm土層明顯；配施(C2Ca2)處理對旱地紅壤淀粉酶、纖維素酶和β-葡糖苷酶活性影響效果最好。目前，生物質炭和過氧化鈣對旱地紅壤活性有機碳組分以及與碳代謝相關酶活性的影響研究還處在初步階段，有待今后的長期定位試驗進一步研究。

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Effects of Amendments on Labile Organic Carbon and Soil Enzymes Activities in Upland Red Soil

YUAN Yinghong1,2, ZHANG Wenfeng2, ZHOU Jihai2, RUI Shaoyun2, LIU Guijun2, LI Li2,HUANG Qianru1*, CHENG Yanhong1, SUN Bo3
(1 Jiangxi Institute of Red Soil, Jinxian, Jiangxi 331717, China; 2 Jiangxi Key Laboratory for Restoration of Degraded Ecosystems & Watershed Ecohydrology, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China; 3 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

A long-term field experiment was conducted to study the effects of different soil amendments (biochar and calcium peroxide) on soil labile organic carbon fractions and soil enzymes activities associated with carbon cycling in upland red soil in Jiangxi Province in order to resolve the problems of low fertility and productivity. 9 treatments were included in the experiment, i.e. CK, C0Ca1, C0Ca2, C1Ca0, C2Ca0, C1Ca1, C1Ca2, C2Ca1 and C2Ca2. The results showed that single application of biochar and combined application of biochar and calcium peroxide were beneficial to increase organic carbon content and labile organic carbon fractions, and the effects were better than single application of calcium peroxide. Soil organic carbon contents increased significantly under C2Ca0, C2Ca1 and C2Ca2 treatments. Biochar and calcium peroxide significantly increased soil labile organic carbon fractions. The content of microbial biomass carbon averagely increased by 45.22% in C1Ca0 treatment, the content of dissolved organic carbon averagely increased by 21.34% in C1Ca2 treatment, the content of particulate organic carbon averagely increased by 20.72% in C1Ca0 treatment, the content of labile organic carbon averagely increased by 22.19% in C2Ca2 treatment. Biochar and calcium peroxide increased averagely carbon management index by 11.09% and 14.07% in 0-10 cm and 10-20 cm soils, respectively. The enzyme activities were promoted with the addition of the biochar, and the effects of 0-10 cm soil layer was more obvious than 10-20 cm soil. The combined application(C2Ca2) significantly improved the activities of amylase, cellulase and β-glucosidase, while the C1Ca1 treatment significantly improved invertase activity. Therefore, biochar and calcium peroxide can effectively improve labile organic carbon fractions and enzymes activities associated with carbon cycling in upland red soil, and their combined application is more helpful in soil improvement.

Soil amendment; Upland red soil; Labile organic carbon; Soil enzymes

S151.；S154.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.05.009

江西省教育廳科研技術研究項目(GJJ161100)、國家自然科學基金項目(41461050，41661065，31760167)、2014年高校大學生創新創業教育計劃專項和江西省2015年度研究生創新專項資金項目(YC2015-S416)資助。

* 通訊作者(qianruhuang@163.com)

袁穎紅(1974—)，男，江西宜春人，博士，副教授，主要從事水土保持和土壤生態方面的研究。E-mail： yhyuan@nit.edu.cn