蓮桿炭對土壤酶活性的影響

方艦 張瑞玲 張子來

摘要：為考察蓮桿炭對土壤酶活性的影響，在土壤中添加制備獲得的不同熱解溫度和不同濃度的蓮桿炭。通過利用蓮桿炭調(diào)節(jié)土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)，然后對土壤進(jìn)行檢測，觀察這些物質(zhì)含量的變化及對土壤酶活性的影響。主要對過氧化氫酶、pH值、土壤陽離子交換量（CEC）和有機(jī)質(zhì)（SOM）等四個指標(biāo)來詳細(xì)的說明。特別是熱解溫度為650℃，生物炭添加量為100g/kg時，土壤中的理化指標(biāo)均達(dá)到最大值，酶活性也顯著增強(qiáng)，達(dá)到調(diào)節(jié)能力達(dá)到最大值，為研究土壤的酶活性變化提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

Abstract： To investigate the effect of lotus stem carbon on soil enzyme activity， different pyrolysis temperatures and concentrations of lotus stem carbon were added to the soil. The nutrient content in soil was regulated by the use of lotus stem carbon， and then the content of these substances was measured to observe the change of soil enzyme activity. The four indexes of catalase， pH value， soil cation exchange capacity （CEC） and organic matter （SOM） were described in detail. In particular， when the pyrolysis temperature was 650℃ and the biochar addition was 100g/kg， the physical and chemical indexes in the soil reached the maximum value， and the enzyme activity was significantly enhanced to reach the maximum value of the regulation capacity， providing experimental basis for studying the changes of soil enzyme activity.

關(guān)鍵詞：生物炭;理化性質(zhì);微生物;土壤過氧化氫酶

Key words： biochar;physical and chemical properties;microorganisms;soil catalase

中圖分類號：S154? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）23-0214-03

1? 概述

生物炭是由作物秸稈、木屑、糞便等廢棄生物質(zhì)，在絕氧條件下經(jīng)高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的黑色固態(tài)炭質(zhì)，一般呈堿性[1]。生物炭已被公認(rèn)為解決土壤問題的一種方法。生物炭可以提高研究土壤的肥力，因?yàn)樵黾油寥烙袡C(jī)碳（SOC）含量和陽離子交換能力（CEC）、提高速效磷（AP）會增加該土壤中植物的生長，生物炭可以增強(qiáng)（SOC）的聚集，從而減少C的損失[3]。土壤酶主要來源于土壤中動物、植物根系和微生物的細(xì)胞分泌物以及殘?bào)w的分解物。通過室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施用生物炭可提高土壤中過氧化氫酶的活性，尤其是高水平添加量具有顯著的促進(jìn)作用，這可能主要與土壤微生物活性的增大以及數(shù)量的增加有關(guān)。同時，添加生物炭主要通過改善土壤的理化性質(zhì)，如養(yǎng)分狀況、pH值、陽離子交換能力等來促進(jìn)酶的活性[2，4]。

本研究在土壤中添加制備獲得的不同熱解溫度和不同濃度的蓮桿炭。為了解蓮桿炭對土壤酶活性的作用提供依據(jù)。同時從土壤中添加生物炭后的pH、有機(jī)質(zhì)（SOM）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）等綜合理化性質(zhì)的方面進(jìn)行闡述。其中詳細(xì)討論蓮桿炭添加到土壤中培養(yǎng)后土壤過氧化氫酶、pH、陽離子交換量（CEC）以及土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）這四個指標(biāo)。

2? 材料和方法

2.1 生物炭的制備

把蓮桿放置實(shí)驗(yàn)室內(nèi)讓其自然風(fēng)干，然后用粉碎機(jī)碾碎，研磨后，用100目篩過濾，得到的粉末放入密封袋中，用于熱解。將收集到的粉末置于石英坩堝中，填滿，分別在450℃、550℃、650℃、750℃熱解溫度下經(jīng)中環(huán)實(shí)驗(yàn)電爐單溫區(qū)管式爐（SK-G08123K）進(jìn)行熱解。冷卻后將得到的炭放入儲存在干燥器中備用，分別標(biāo)記為LSBC450、LSBC550、LSBC650、LSBC750。

2.2 土壤收集

收集天津市西青區(qū)獨(dú)流減河河岸表層土壤（117°3′59"E-117°3′59"E，39°0′5"S-117°3′59"S），清除土壤表面的植物殘?jiān)褪瘔K。收集土壤（0-20cm）到的土放入實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，再用研磨粉碎，經(jīng)過100目篩取較細(xì)的粉末，放入燒杯中備用。土壤的基本理化性質(zhì)詳見表1。

2.3 試樣制備

稱取1000g土壤，分別稱取20.0、40.0、60.0、100.0以及200.0g/kg四種不同熱解溫度的蓮桿炭，混合均勻后置于平底玻璃筒中，每個處理3次重復(fù)操作。將對照組（CK）、蓮桿炭組（C，不添加任何土壤）以及實(shí)驗(yàn)組（污泥炭與土壤混合）置于密閉培養(yǎng)箱內(nèi)，環(huán)境溫度為25℃，四周后檢測基本理化性質(zhì)如表1所示。

2.4 測量指標(biāo)

土壤pH、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤速效鉀、土壤全磷、土壤有效磷、土壤陽離子交換量、電導(dǎo)率以及土壤全鉀。土壤過氧化氫酶：采用北京Solarbio公司生產(chǎn)的土壤過氧化氫酶（S-CAT）試劑盒對土壤過氧化氫酶進(jìn)行檢測。

2.5 數(shù)據(jù)處理分析

采用Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用Origin Pro 2018 作圖，用SPSS 24.0 進(jìn)行顯著性分析。文中出現(xiàn)的數(shù)值均為平均值，統(tǒng)計(jì)顯著水平為p<0.05。

3? 分析與討論

3.1 蓮桿炭在不同熱解溫度下對其他理化性質(zhì)的影響

生物炭的施用，通過吸附到其大而多孔的表面，從而降低了養(yǎng)分的浸出損失。這一過程增加了土壤中有效磷和有效鉀的濃度，從而增加了植物的生長和產(chǎn)量[7]。通過表2的觀察可以發(fā)現(xiàn)，添加蓮桿炭都使土壤中總磷（TP）、有效磷（AP）、總鉀（TK）、速效鉀（AK）和電導(dǎo)率等有不同程度的增加。

3.2 不同熱解溫度的蓮桿炭對土壤過氧化氫酶（S-CAT）、pH值、CEC和有機(jī)質(zhì)（SOM）的影響

添加蓮桿炭對土壤中過氧化氫酶活性的影響，有早期有抑制作用隨后轉(zhuǎn)為促進(jìn)作用，而且高水平的生物炭添加量對過氧化氫酶的促進(jìn)作用小于中低水平的添加量，其原因可能是大量生物炭的加入會通過吸附酶分子而對酶促反應(yīng)結(jié)合位點(diǎn)形成保護(hù)，從而阻止酶促反應(yīng)的進(jìn)行[3，5-6]。其具體作用機(jī)理及方式還有待進(jìn)一步深入研究。由圖1（a）可知，通過與CK（對照）組相比，在不同的熱解溫度條件下，土壤中過氧化氫酶活性有不同程度的促進(jìn)或抑制作用。同時，生物炭在熱解溫度（650℃）下的作用效果也是最顯著的，這也說明其他熱解溫度（450℃、550℃和750℃）實(shí)際效果不明顯。其中在100g/kg達(dá)到了32.45U/g，比原土壤中的酶活性20.58U/g增加了11.87U/g。添加不同量的蓮桿炭對過氧化氫酶活性有著不同的促進(jìn)作用。

施用生物炭導(dǎo)致土壤pH值升高的現(xiàn)象，原因是生物炭是堿性的，含有富含堿性基團(tuán)的礦物碳酸鹽[8]。因此，在相同的熱解溫度下，隨著生物炭含量的增加，添加蓮桿炭后的土壤pH值會越來越高，但添加蓮桿炭的pH值永遠(yuǎn)不會到達(dá)的pH值（C組）。原因是土壤的pH值從一開始是低于蓮桿生物炭的pH值。

從圖1（b）中，可以觀察到，從450℃到750℃，測試土壤的pH值與準(zhǔn)備的蓮桿炭充分混合后總是pH值低于C組之外，隨著蓮桿炭的量逐漸增加，控制土壤中蓮桿炭經(jīng)接觸反應(yīng)后pH值逐漸升高，pH值總是會逐漸增加，不會達(dá)到最大值然后下降。然而，熱解蓮桿生物炭溫度在650℃時，測試后的pH值達(dá)到最大，其中，在200g/kg條件下pH到達(dá)了9.07，與原土壤pH相比上升了0.78。從總體上看，溫度對土壤pH值的影響不大，不同熱解溫度下產(chǎn)生的生物炭具有相似的增加控制土壤pH值的趨勢。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，添加蓮桿炭使得土壤中的酶活性大部分均高于未添加生物炭處理，表明土壤中的生物炭能夠促進(jìn)土壤中過氧化氫酶的活性。熱解溫度對土壤酶活性影響較大，不同熱解溫度下制備的蓮桿炭對土壤中的酶活性影響不同，生物炭施入量的加大顯著降低了過氧化氫酶活性，這可能是生物炭施入增加了土壤pH，間接影響了土壤酶活性，在提高酶活性的同時也被一些因素限制的原因。

生物炭的添加導(dǎo)致土壤CEC的增加可以通過兩種可能解釋。首先，生物炭吸附土壤有機(jī)質(zhì)和其他化合物，這種能力隨著生物炭氧化程度的增加而增加。生物炭吸附增加電荷密度，從而提高土壤CEC [9-10]。其次，生物炭應(yīng)用于土壤后逐漸氧化，芳香環(huán)被COO-官能團(tuán)取代，生物炭表面的總負(fù)電荷增加，從而提高了土壤的CEC[11]。

在圖1（c）中，在溫度相同的條件下，不同的蓮桿炭添加量也會引起CEC值的波動，通過觀察650℃的蓮桿炭，當(dāng)含量達(dá)到100g/kg時，CEC值達(dá)到最大值，到達(dá)了24.332（cmol/kg）而蓮桿炭的其他添加量也有促進(jìn)，但效果沒有那么明顯。最后，制備蓮桿炭確實(shí)可以控制土壤的CEC值增加。添加生物炭可提高土壤有機(jī)質(zhì)和溶解性有機(jī)質(zhì)的含量[12]，而有機(jī)質(zhì)中含有較多可利用的碳源、氮源等，為土壤微生物的生長提供了更易利用的營養(yǎng)物質(zhì)，有利于微生物的生長，生物炭對反應(yīng)底物的吸附也有助于酶促反應(yīng)的進(jìn)行而提高土壤酶活性[13]。

根據(jù)圖1（d），在不同熱解溫度條件下，與CK（對照組）相比，雖然添加到對照土壤中的蓮桿生物炭含量不同，但SOM值仍有較為明顯的增加，尤其是100g/kg的蓮桿生物炭對于SOM值的增幅最大，最大值為50.811g/kg。在相同的熱解溫度條件下。例如650℃，測試土壤中的SOM值隨添加到土壤中的蓮桿炭的含量增加而增加。由圖1（d）可知，這意味著100g/kg可以作為本實(shí)驗(yàn)的邊界線。另一方面，相比其他蓮桿炭含量（20、40、60以及200g/kg）而言，100g/kg蓮桿炭對土壤的SOM值影響最大。通過將圖1（a）與圖1（d）對比發(fā)現(xiàn)，土壤中的有機(jī)質(zhì)含量變化趨勢和土壤中的過氧化氫酶的活性趨勢類似，再次說明了有機(jī)質(zhì)與土壤過氧化酶有著重要的聯(lián)系。

3.3土壤過氧化氫酶（S-CAT）與pH值、CEC和土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）等理化性質(zhì)的相關(guān)性

土壤理化性質(zhì)各因素之間進(jìn)行相關(guān)性分析（表3）。結(jié)果顯示，pH、有機(jī)質(zhì)和陽離子交換量是土壤過氧化氫酶活性的主要控制因素。

4? 結(jié)論

研究利用不同熱解溫度和濃度的蓮桿炭對土壤的理化性質(zhì)的影響。不同濃度、不同熱解溫度的蓮桿炭對土壤處理可以概括如下：①蓮桿炭可以將土壤中的土壤過氧化氫酶活性升高，從而改善微生物生長環(huán)境的假設(shè)。②蓮桿炭的添加，改善了土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）、陽離子交換量（CEC）、總磷（TP）、有效磷（AP）、總鉀（TK）、速效鉀（AK）等土壤化學(xué)性質(zhì)，表明生物炭對增強(qiáng)土壤肥力。③同一熱解溫度下，隨著蓮桿炭的增加，土壤中的pH、電導(dǎo)率在不斷的增大，這是因?yàn)橥寥乐械碾s質(zhì)增多。可以改善土壤的酸堿性，為植物的生長提供生長環(huán)境。④在一定范圍內(nèi)，蓮桿炭的添加增加了起到了促進(jìn)作用，但隨著量的增大，也會產(chǎn)生抑制。在熱解溫度為650℃，生物炭添加量為100g/kg時，各種土壤化學(xué)性質(zhì)達(dá)到最大值。綜上所述，對于蓮桿炭的性質(zhì)和土壤的性質(zhì)了解，添加蓮桿炭有助于改變土壤性質(zhì)。

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