施用生物質炭對土壤氮形態含量和酶活性的影響研究

文登鴻 吳雪蓮 焦安祥 陸應會 崔凌峰

（貴州省六盤水市農業委員會 貴州 六盤水 553000）

我國是農業大國，秸稈資源極為豐富，產量在全世界居于首位，對其不當利用不僅會造成資源浪費，而且還會導致環境污染。生物質炭是指農作物秸稈、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物質，C、H、O、N、K、Ca、Na、Mg、Si等養分十分豐富，其具有極強吸附性能、疏松多孔的結構以及巨大的表面積等特性，這為調節和保持土壤水分和空氣，微生物群落棲息和繁殖提供場所等起到重要作用，還為促進土壤生態環境可持續循環健康發展提供有力保障。

1 施用生物炭對土壤氮形態的影響

1.1 土壤氮的重要性。土壤N素為土壤微生物生命活動提供能量與物質基礎，是支持植物正常生長必不可少的營養元素。有機氮一般占土壤全氮的95%～98%，其是交換性銨和硝態氮的主要來源。速效養分NH4+-N、NO3-N能被植物直接利用，有機質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，而有機質碳氮比為10～12，所以土壤微生物量氮成為有效態氮不可忽視的“庫”。

1.2 施用生物炭對氮形態影響研究。土壤中添加生物質炭，NH4+-N含量會得到降低，但它提高了土壤中NH3的揮發損失[1]。生物質炭不僅可作為土壤添加劑，對土壤中的氮素養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]。大田試驗研究表明，向土壤中施用木材生物質炭3個月和14個月后，與對照相比，土壤微生物量差異不顯著，而室內培養實驗發現施用木材生物炭量越高，越降低了微生物含量，且差異達到顯著水平[3]。生物質炭還可以吸附硝酸鹽、P、水溶性鹽離子、農藥以及重金屬等，所以在農田生態系統中具有提高土壤肥力和防止環境污染作用。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，從而比其它生物質炭更適合施用于農田土壤。

生物炭是一種含碳量高的物質，其中氮元素含量相對較低。研究發現，生物炭(竹炭、木炭)對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]。在中西部典型農業土壤中的研究發現，土壤中施用生物秸稈炭的質量分數為20 g/kg時，土壤氮淋失量減少了11%，秸稈生物質施入土壤后，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，與對照相比，生物質炭與氮肥配施有效地提高了土壤微生物量碳，對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入微生物體內暫時固定，從而減少通過NH3揮發和NO3-淋失以及反硝化脫氮等途徑的氮素損失，提高了氮肥利用率。土壤中有效態氮(NO3-N、NH4+-N)含量主要取決于農作物田間管理措施中是否施入肥料。研究發現，與對照相比，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炭后提高了土壤中的C/N比，可促進有效態氮向微生物生物量氮或有機態氮轉化[1]。

2 施用生物炭對土壤酶活性的影響

2.1 土壤酶活性重要性。土壤酶有衡量土壤肥力狀況、評價土壤質量的生物活性指標的作用，是一種具有生物催化作用的一類蛋白質[7]。β-葡萄糖苷酶在纖維素降解中起關鍵作用，它參與生物體的糖代謝，對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氮素的需求和利用。蛋白酶能酶促土壤含氮有機化合物(蛋白質)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的一些土壤酶活性會下降，而與N、P等相關的土壤酶活性會得到提高。近期研究發現，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]。農田中施用生物質炭能促進與氮利用相關酶的活性，前人對N2O的研究認為生物質炭會增加土壤反硝化酶活性，在農田土壤中連續3年施用生物質炭50 t/hm2，反硝化酶活性顯著高于對照。蔗糖酶活性可以反映對土壤中易溶性物質的利用，反映了土壤有機碳的積累和分解轉化規律，促進糖類的水解，加速土壤碳素循環。

土壤添加生物質炭后土壤酶活性活躍程度得到提高，可能是反應底物被生物炭吸附所致；而有的酶活性下降，可能是因為生物質炭吸附酶分子從而對酶促反應結合位點形成了保護。研究發現，土壤添加生物炭阻止了β-D-葡糖苷酶活性，出現這種結果可能是因為酶活性被生物質炭吸附，而有的研究者則發現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培養試驗的研究結果顯示，添加花生殼生物炭對土壤蔗糖酶有顯著的促進作用[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果。生物炭施用促進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使得氮素的供應緊張，到成熟期出現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構及吸附性能，使得反應底物被生物秸稈炭所吸附聚集，有利于蛋白酶酶促反應進行，提高了一部分土壤酶活性，比如蛋白酶的土壤酶活性。

當前施用生物秸稈炭對土壤酶活性的影響研究比較少，而且對土壤酶活性影響的報道結果不統一，可能由于生物秸稈炭的吸附性、孔隙結構、不同生物秸稈炭類型導致某些官能團不同，以及土壤酶活性易受自然環境條件的影響，表現出復雜的差異性。但是總結前人研究結果認為，使用秸稈炭有利于酶促反應的進行，提高土壤酶活性，這可能是反應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的進行，這可能是由于生物炭對酶分子的吸附，隱蔽了酶促反應的結合位點所致[12]。

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