無機有機肥配施生物炭對復墾土壤酶活性以及磷形態的影響

魏俊杰，洪堅平

(山西農業大學 資源環境學院，山西 太谷 030801)

煤炭作為我國的主體能源，其開發形成了約200萬hm2的采煤沉陷區，而目前采煤沉陷土地復墾率僅為35%左右。山西省是我國重要的煤炭開采地區，全省因采煤造成的采空區面積達30萬hm2以上，導致土壤理化性質改變，有機質含量降低，加之復墾過程中，機械化剝離和壓占嚴重破壞了微生物生存和繁衍條件，導致微生物多樣性銳減，耕地質量下降[1]。因此，采煤塌陷區土地的復墾已成為國內外備受關注的研究領域，而制約其復墾土壤生產力提高的主要因素有土壤養分貧瘠、結構性差以及微生物多樣性缺乏[2]。研究無機肥、有機肥和生物炭配施對采煤塌陷區復墾土壤酶活性以及磷形態的影響,以便明確不同施肥措施對復墾土壤生物活性以及營養成分的影響程度,對指導采煤塌陷區土壤的生態修復具有重要意義。

國內外學者對不同施肥材料、方式進行了大量研究，對土壤養分利用率的提高、農作物產量提高起到了重要作用。有研究表明，由于生物炭具有結構疏松、比表面積大、很強的吸附能力等特點[3-5]，使得其在土壤理化性狀改良、農作物產量提高、土壤的微生物數量和生物量的增加、土壤生物活性以及酶活性的改善，土壤有效養分含量、有效性、利用率的提高等方面作用顯著[6-18]。因此，生物炭施入土壤后對土壤生物活性和對磷吸附及磷有效性的影響可能是生物炭的材料特性、裂解溫度、pH值、CEC以及土壤類型等多種因素綜合作用的結果[19-22]。但是關于其在采煤塌陷復墾土壤上的培肥研究較少。

本試驗以長治市襄垣縣采煤塌陷區復墾土壤為研究對象，通過大田試驗探究生物炭與有機肥、無機肥配施對復墾區酶活性和土壤磷形態分級的影響，旨在為煤礦塌陷復墾地土壤培肥措施提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 供試材料

1.1.1 土壤 供試土壤為長治市襄垣縣王橋鎮洛江溝村采煤塌陷區復墾5 a的土壤。土壤類型為石灰性褐土，其理化性狀為：有機質9.82 g/kg，全氮0.44 g/kg，全磷0.45 g/kg，堿解氮30.28 mg/kg，有效磷4.58 mg/kg，速效鉀118.29 mg/kg。

1.1.2 作物品種 供試作物為玉米，品種為大豐30，由山西大豐種業有限公司選育而成，生育期約130 d。

1.1.3 肥料 供試化肥為尿素(含N 46.4%)、過磷酸鈣(含P2O516%)，硫酸鉀(含K2O 45%)。

供試有機肥為完全腐熟的雞糞(含有機質54.8%、N 1.65%、P2O53.09%、K2O 2.59%)，由山西省太谷縣宏昊養殖專業合作社提供。

供試生物炭由平遙縣晟弘生物質能源開發有限公司提供，裂解溫度為550～600 ℃。秸稈生物炭含有機質57.2%、N 0.26%、P2O51.33%、K2O 4.52%。

1.2 試驗方法

本試驗采用單因素完全隨機設計，在長治市襄垣縣王橋鎮洛江溝村選取復墾5 a的試驗田，試驗設置7個處理，分別為對照(CK)、化肥(CF)、化肥+生物炭(CFC)、有機肥(M)、有機肥+生物炭(MC)、有機肥+化肥(MCF)、有機肥+化肥+生物炭(MCFC)，每個處理重復3次，共21個小區，小區面積為60 m2(10 m×6 m)。其中，CF和CFC處理中尿素施用量為439.5 kg/hm2、過磷酸鈣施用量為2 317.5 kg/hm2、硫酸鉀施用量為690 kg/hm2；M和MC處理中只施用有機肥，施用量為12 000 kg/hm2；MCF和MCFC處理中尿素施用量為219 kg/hm2、過磷酸鈣施用量為1 158.75 kg/hm2、硫酸鉀施用量為345 kg/hm2、有機肥施用量為6 t/hm2；CFC、MC、MCFC等處理中生物炭用量為7.5 t/hm2。播種密度為6.0萬株/hm2。試驗于2018年4月29日播種，9月3日收獲。玉米收獲后，采集0～20 cm土壤樣品，進行酶活性及無機磷測定。

1.3 測定項目及方法

脲酶活性測定采用靛酚藍比色法；堿性磷酸酶活性測定采用磷酸苯二鈉比色法；蔗糖酶活性測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法；過氧化氫酶活性測定采用高錳酸鉀滴定法；脫氫酶活性測定采用TTC還原法；土壤全磷含量測定采用HClO4-H2SO4消煮-鉬藍比色法；土壤Olsen-P采用0.5 mol/L NaHCO3浸提、鉬藍比色法測定；脲酶測定采用靛酚藍比色法。

1.4 數據統計分析

采用Excel 2010進行試驗結果的統計運算，采用SAS軟件對數據進行單因素方差分析，采用SPSS 23.0軟件作顯著性檢驗(P<0.05)以及相關分析。

2 結果與分析

2.1 無機有機肥配施生物炭對復墾土壤酶活性的影響

從表1可以看出，各處理不同酶活性與CK相比均達顯著水平，其中土壤脲酶活性、堿性磷酸酶活性、蔗糖酶活性、過氧化氫酶活性、脫氫酶活性，分別最高提升了647.0%，223.0%，68.6%，93.7%，331.0%，其中，MC處理差異最為明顯，說明有機肥和生物炭配施可以提高復墾土壤中重要酶的活性，繼而影響土壤中營養元素的轉換與利用。不同處理條件下，復墾土壤脲酶活性有顯著變化，MCFC和MCF處理、CF和CFC處理、M和MC處理中的脲酶活性均顯著高于CK，但相同施肥條件下，添加生物炭處理中脲酶活性均顯著高于未添加生物炭處理；隨著生物炭的添加，土壤脲酶活性呈現增加趨勢，增加幅度均較為顯著，其中，MCFC比MCF處理高35.67%、CFC比CF處理高34.15%、MC比M處理高63.97%，不同施肥處理對土壤堿性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶和脫氫酶活性的影響均表現出CK

表1 無機有機肥配施生物炭對復墾土壤酶活性的影響Tab.1 Effect of inorganic organic fertilizer combined with biochar on enzyme activity of reclaimed soil

注：同列數據后不同小寫字母表示差異顯著性達到P<0.05水平。表2-3 同。

Note: The difference between the lowercase letters in the same column data indicates that the difference significance isP<0.05. The same as Tab.2-3.

2.2 無機有機肥配施生物炭對復墾土壤無機磷形態的影響

從表2可以看出，各處理與CK相比差異均達顯著水平。不同施肥處理間，CFC、MC和MCFC處理相對明顯提高了土壤中Ca2-P含量最高提升了317%，而添加與未添加生物炭處理相比，CFC比CF處理高17.09%，MC比M處理高10.4%，MCFC比MCF處理高11.37%，表明施用生物炭能夠顯著提升復墾土壤中Ca2-P的含量；添加與未添加生物炭處理相比，添加生物炭的處理均明顯比未添加生物炭處理土壤中Ca8-P含量低，其中CFC比CF處理低3.09%，MC比M處理低3.39%，MCFC比MCF處理低1.73%，但差異不顯著；土壤中Al-P含量、Fe-P含量、O-P含量、Ca10-P含量和無機磷總量在添加生物炭處理與未添加生物炭處理間均表現差異不顯著，且Al-P含量、Fe-P含量呈現MC

表2 無機有機肥配施生物炭對復墾土壤無機磷形態的影響Tab.2 Effect of inorganic organic fertilizer combined with biochar on the form of inorganic phosphorus in reclaimed soil mg/kg

2.3 無機有機肥配施生物炭對復墾土壤Olsen-P、全磷含量和無機磷總量的影響

從表3可以看出，各施肥處理與CK相比，Olsen-P和全磷含量MC處理差異最為明顯，分別較CK增加了326.0%和98.9%。不同施肥處理下有效磷的含量表現為CF

表3 無機有機肥配施生物炭對復墾土壤 有效磷(Olsen-P)和全磷含量的影響Tab.3 Effect of inorganic organic fertilizer combined with biochar on the effective phosphorus(Olsen-P) and total phosphorus content in reclaimed soil

2.4 無機有機肥配施生物炭對復墾土壤中無機磷形態相關性的影響

從土壤不同形態無機磷和土壤有效磷之間的相關性可以看出(表4)，土壤有效磷與Ca2-P、Ca8-P、O-P呈現極顯著相關，相關系數分別為高達 0.942**，0.964**，0.952**(P<0.01)，說明石灰性褐土中有效磷的含量與Ca2-P、Ca8-P和O-P的含量密切相關。

另外，Ca2-P與Ca8-P，Al-P與Fe-P以及O-P、Al-P、Fe-P與Ca10-P之間呈現極顯著相關，且O-P與Ca2-P和Ca8-P也呈現極顯著相關。由此說明，復墾土壤中，Ca-P、鐵鋁結合態磷和閉蓄態磷之間保持著一定的比例，一定條件下可通過Ca8-P和O-P這2種形態來相互轉化。

表4 復墾土壤各形態無機磷與有效磷(Olsen-P)的相關性分析Tab.4 Correlation analysis of various forms of inorganic phosphorus and available phosphorus(Olsen-P) in reclaimed soil

注：r0.05=0.754；r0.01=0.874；*.相關性達到0.05水平;**.相關性達到0.01水平。

Note:r0.05=0.754;r0.01=0.874;*indicates that the correlation reached 0.05 level;**indicates that the correlation reached 0.01 level.

3 結論與討論

生物炭的施用促進了土壤中脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶和脫氫酶5種酶的活性。土壤脲酶和堿性磷酸酶活性與土壤肥力指標有較好的相關性[24-25]。脲酶是具有極為專性的對尿素轉化起關鍵作用的酶，它的活性可以用來表示土壤供氮能力[26]。在相同施肥條件下，添加生物炭的處理土壤均有較高的脲酶活性，這可能是由于大田試驗中生物炭起到了很好的保肥能力。不同處理中，添加生物炭處理與未添加生物炭處理有效磷含量差異顯著驗證了這個結論。土壤堿性磷酸酶是在堿性條件下將土壤中有機磷水解成為磷酸鹽的酶，與土壤中有機磷的礦化關系密切。研究發現，處理CF、CFC<處理MCF、MCFC<處理M、MC的堿性磷酸酶活性，這可能是由于試驗土壤為石灰性土壤，而有機肥本身較高的酸性促進了土壤中有機磷的礦化。蔗糖酶反映土壤有機質積累和轉化狀況，本研究中，不同施肥處理均有較高水平的土壤蔗糖酶活性，而有機肥和生物炭混合處理最為顯著，這可能與施肥帶來的較高有機質轉化有關。土壤脫氫酶主要催化大多數的氧化還原反應，隨著生物炭的添加，土壤脫氫酶性呈現增加趨勢，增長幅度均較明顯。

生物炭帶有負電荷，能夠增強土壤對陽離子的吸附，同時自身也含有多種礦質營養元素，可以通過補充貧瘠土壤養分而提高土壤肥力[27]。生物炭疏松多孔、具有較大吸附性能，通過影響土壤孔性以及微生物活性，從而進一步影響土壤磷素。復墾區石灰性土壤中，Ca2-P含量是影響作物生長的無機磷的重要部分，而有效磷則是直接影響作物生長的關鍵。本研究中，CFC、MC和MCFC等生物炭處理土壤中Ca2-P、Ca10-P、有效磷、全磷含量均相對明顯提高，而Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P含量則相對明顯降低，這可能是生物炭通過促進對土壤中5種酶的活性，從而加快土壤中磷素的轉化、氧化還原、礦化反應，同時也影響了無機磷與有機磷之間的反應轉化。值得注意的是，本試驗中，M和MC處理中Ca2-P、Ca8-P、O-P、有效磷含量均值都超過其他處理，這可能是施用有機肥和生物有機肥后，土壤有機質水平顯著提升[28-33]。有機肥本身就含有豐富的有機質，其為土壤有益微生物的繁衍提供有機能源，使土壤微生物得以長期保持旺盛的生命力，促進土壤有機質含量的進一步提升。從各形態無機磷與有效磷(Olsen-P)的相關性可以看出，有效磷含量與Ca2-P、Ca8-P、O-P的含量極顯著相關，與Al-P、Fe-P、Ca10-P的含量均只呈正相關，差異不顯著，說明石灰性褐土中Ca2-P、Ca8-P、O-P的含量與有效磷的含量密切相關。

本研究結果表明，無機肥與生物炭配施對土壤酶活性影響最為明顯。不同施肥處理間，土壤中酶的活性隨著生物炭的添加均得到不同程度的促進，其中土壤脲酶活性、堿性磷酸酶活性、蔗糖酶活性、過氧化氫酶活性、脫氫酶活性提升最高，分別比空白CK提升了647.0%，223.0%，68.6%，93.7%，331.0%，不同施肥處理，對土壤中脲酶活性的促進有機肥與化肥的混施強于單施有機肥或化肥，而單施有機肥卻對堿性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶和脫氫酶的促進效應，強于單施化肥和有機肥與化肥混施。

隨著生物炭的添加，土壤中無機磷的不同形態作為土壤磷素供應的主要形態在不斷發生明顯變化。不同施肥處理，添加與未添加生物炭處理相比，有效性高的磷形態二鈣磷含量最高增加了17.09%，而八鈣磷、緩效磷源鐵磷、鋁磷、閉蓄態磷逐漸進行耗竭分別最高減少了3.39%，5.40%，7.20%，3.96%，雖然十鈣磷含量增加豐富，最高增加了4.58%，但因為其活性最低，不能作為供磷的主要形態。

不同施肥處理中Olsen-P和全磷的含量，在MC處理差異最為明顯，其中，在添加與未添加生物炭處理間相比，二者分別最高增加了11.0%和4.34%，說明在不同肥料混施下，生物炭和有機肥混施可以調高有效磷的含量。雖然有效磷增長明顯，但其含量仍然偏低，而復墾土壤中無機磷總量卻變得相當豐富，與空白CK相比提高了53.5%～63.3%。

有效磷與Ca2-P、Ca8-P、O-P的含量呈極顯著相關性，說明復墾土壤中有效磷與Ca2-P、Ca8-P、O-P的含量之間密切相關。另外，由無機磷各形態之間的相關性結果說明，在復墾土壤中，Ca-P、鐵鋁結合態磷和閉蓄態磷之間保持著一定的比例，一定條件下可通過Ca8-P和O-P這2種形態來相互轉化。