生物炭與秸稈還田對風沙土壤-微生物-胞外酶化學計量特征的影響

孫嬌，梁錦秀，孔德杰，郭鑫年，魏永東，周濤*

（1. 寧夏農林科學院農業資源與環境研究所，寧夏 銀川750002；2. 寧夏農林科學院農業生物技術研究中心，寧夏 銀川750002；3. 寧夏回族自治區鹽池縣科學技術局，寧夏 鹽池751500）

寧夏風沙土總面積達60 萬hm2，主要分布在中部干旱地帶。風沙土土壤貧瘠、漏水漏肥、生物功能退化，急需建立瘠薄風沙土地力快速提升的培肥措施。利用秸稈直接還田或炭化還田均能顯著提升土壤碳庫、促進碳氮磷轉化，是提升土壤生產力的重要手段［1］。土壤微生物驅動著土壤有機碳礦化和養分循環轉化，對維持土壤肥力至關重要［2］。土壤微生物分泌的胞外酶更是土壤有機質分解的關鍵媒介，其活性與作物產量和土壤碳（C）、氮（N）、磷（P）的有效性密切相關［3］。因此，明確C、N、P 在風沙土壤、微生物、胞外酶之間的循環特征及其相互作用關系對評估生物炭與秸稈還田對土壤肥力的影響具有重要的意義。

生態化學計量學是一門研究生態系統化學元素和能量平衡對生態系統交互作用影響的科學。C、N、P 作為養分循環的核心要素，C/N/P 生態化學計量特征可反映土壤、微生物、酶之間相互關系，是聯系分子水平與生態系統化學過程的有效工具［4］。我國土壤C/N/P 比值約為60∶5∶1［5］，農田土壤C/N 在7～13［6］。南方農田土壤微生物生物量化學計量比值約為70∶6∶1［7］。土壤化學計量比的改變會直接導致微生物生物量化學計量比的改變［8］。由于土壤微生物群落組成與代謝活動的復雜性，微生物與土壤化學計量比之間的關系仍不明確。

通常認為，土壤碳轉化的胞外酶包括β-葡糖苷酶（β-glucosidase，BG）、α-纖維素酶（α-D-cellobiohydrolase，CBH）等；氮轉化酶包括β - 乙酰葡糖胺糖苷酶（β -acetylgucosaminidase，NAG）、亮氨酸氨基肽酶（L-leucine aminopeptidase，LAP）等；磷轉化酶主要為磷酸單酯酶（alkaline phosphatase，AKP）。胞外酶比值（CBH+BG）/（NAG+LAP）/AKP 即酶化學計量比，能夠反映微生物群落的代謝功能、環境中養分的生物循環，可用來衡量土壤養分資源和微生物的限制狀況，是土壤養分循環的重要指標［9?10］。在全球尺度上，土壤（CBH+BG）/（NAG+LAP）/AKP 遵循1∶1∶1 的關系［11］。但在局域尺度上，受土壤質地、環境、生物等影響，土壤胞外酶化學計量比存在顯著差異［11］。有研究認為，土壤胞外酶化學計量比與土壤化學計量比之間可能存在動態平衡關系［12］。土壤微生物生物量C/P 與胞外酶化學計量比極顯著負相關［13］。

明確秸稈和生物炭的土壤改良潛力，特別是對風沙土的固碳培肥潛力，需要充分了解土壤、微生物、酶的化學計量關系。為此，本研究以寧夏賀蘭山東路風沙土壤為研究對象，通過田間試驗方法分析秸稈、生物炭等施用對土壤、微生物、胞外酶及其化學計量比的影響，探討土壤?微生物?胞外酶之間化學計量的協變性，以期為農田養分調控和土壤可持續利用提供科學依據。

1 材料與方法

1. 1 試驗地概況

試驗于2017?2019 年在寧夏永寧縣黃羊灘農場進行（E 106°01′，N 38°34′），海拔1129 m，屬溫帶大陸性氣候區。 年均降水量180～220 mm，蒸發量1500 mm 左右，日照時數2322. 3 h，輻射量512. 2 kJ·cm?2，年均氣溫8. 3 ℃，無霜期145 d。供試土壤為風沙土，耕層土壤pH 值8. 4、全鹽0. 3 g·kg?1、有機碳3. 4 g·kg?1、全氮0. 3 g·kg?1、堿解氮22 mg·kg?1、速效磷7. 6 mg·kg?1、氧化鉀40 mg·kg?1。

1. 2 試驗設計

試驗以迪卡159 號玉米（Zea mays）為研究材料，采用完全隨機區組設計，在施氮（尿素，含N 46%）、磷（硫酸一銨，含N 12%、P2O561%）、鉀肥（氯化鉀，含K2O 60%）的基礎上設置對照（CK）、低量生物質碳（biochar I，BCI）、中量生物炭（biochar II，BCII）、高量生物炭（biochar III，BCIII）、低量秸稈（straw I，SI）、中量秸稈（straw II，SII）、高量秸稈（straw III，SIII）共7 個處理。每個處理3 次重復，共計21 個小區，各小區面積為5 m×8 m。所用生物炭以玉米秸稈為原料燒制，由寧夏玉泉實業生物科技有限公司提供；該生物炭總C、N、P、K 濃度分別為467. 0 g·kg?1、13. 4 g·kg?1、2. 5 g·kg?1和29. 8 g·kg?1。玉米秸稈總C、N、P、K 濃度分別為450. 1 g·kg?1、7. 9 g·kg?1、0. 8 g·kg?1和12. 9 g·kg?1。生物炭與秸稈等碳量投入，均于玉米播種前一天全部撒施后用旋耕入土；氮、磷、鉀肥隨水滴入。肥料施用量如表1 所示。

表1 不同處理肥料施用量Table 1 Different fertilizer application

玉米于4 月20?23 日播種，9 月20?22 日收獲，生育期150～155 d。種植采用寬窄行種植方式，寬行行距60 cm，窄行行距40 cm，在窄行鋪設滴管帶。玉米種植株距22 cm，密度8. 2×104株·hm?2。采用機井水滴灌，灌水定額約5200 m3·hm?2，整個生育期滴灌10～12 次，各處理同等灌水量。

1. 3 土樣采集與分析

1. 3. 1 土樣采集 于2019 年9 月底玉米收獲期在各小區采集0～20 cm 土壤樣品，每個小區用土鉆進行“S”型6 點取樣，過2 mm 篩后混合為一個樣品，放入便攜式冰盒中并立即帶回實驗室。土樣分為兩部分，一部分儲存在4 ℃冰箱中，用于土壤酶活性、土壤微生物生物量的測定；另一部分置于陰涼通風處風干，用于理化性質測定。

1. 3. 2 分析測定 土壤C、N、P、AN、AP 分別采用低溫外熱重鉻酸鉀氧化比色法、元素分析儀（vario MAX CN，Elementar）、HClO4?H2SO4消煮?鉬銻抗比色法、全自動定氮儀（Kjeltec8400，Sweden）、碳酸氫鈉?鉬銻抗顯色法測定［14］。

土壤微生物量采用氯仿熏蒸?浸提法，用全自動有機碳分析儀（TOC?VCPH/CPN，Shimadzu，日本）測定微生物生物量碳（microbial biomass carbon，MBC），用連續流動分析儀（San++，Skalar，荷蘭）測定微生物生物量氮（microbial biomass nitrogen，MBN），用鉬銻抗比色法測定微生物生物量磷（microbial biomass phosphorus，MBP）［15］。

參照Marxa 等［16］的熒光光度法測定土壤酶活性。本研究采用多功能酶標儀（SynergyH4，BioTek）測定5 種酶活性（表2）。

表2 土壤酶種類、縮寫以及底物Table 2 The abbreviations of types and substrates of soil enzyme

1. 4 數據處理

利用Excel 2007 和SPSS 19. 0 對試驗數據進行統計與分析，采用單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著差數法（LSD）進行差異顯著性檢驗。采用Origin 9. 0 和Excel 2007 進行制作圖表。

2 結果與分析

2. 1 秸稈及生物炭還田對土壤碳氮磷濃度及其化學計量特征的影響

與對照相比，秸稈還田后土壤SOC、TP、AN、AP 濃度分別增加了8. 3%、3. 3%、45. 1%、51. 9%，生物炭還田后土壤SOC、TP、AN、AP 濃度分別增加了8. 7%、6. 0%、67. 7%、34. 3%。秸稈與生物炭還田對土壤TN 濃度影響不顯著。隨著秸稈和生物炭還田量的增加，土壤SOC、TP、AN、AP 濃度呈顯著增加的趨勢。且等碳量還田條件下生物炭優于秸稈處理，在高量生物炭還田后土壤SOC、TP、AN、AP 濃度分別增加了11. 7%、10. 4%、52. 0%、27. 1%。土壤C/N、C/P、N/P、AN/AP 變化范圍在10. 1～10. 9、7. 4～8. 2、0. 7、2. 7～3. 4。土壤C/N 隨秸稈和生物炭還田量增加變化不顯著。土壤C/P、N/P、AN/AP 隨秸稈還田量增加呈顯著增加的趨勢；而隨生物炭還田量的增加土壤N/P、AN/AP 顯著降低，土壤C/P 呈降低趨勢但未達到顯著水平（表3）。

表3 秸稈及生物炭還田下土壤碳、氮、磷濃度及其化學計量比Table 3 Soil C，N and P concentration and their stoichiometric ratio under biochar and straw treatments

2. 2 秸稈及生物炭還田對土壤微生物生物量碳氮磷含量及其化學計量特征的影響

與對照相比，秸稈和生物炭還田后土壤MBC、MBN、MBP 含量均顯著增加（P<0. 05）。其中，秸稈還田后土壤MBC、MBN、MBP 含量分別增加了25. 8%、54. 9%、36. 5%；生物炭還田后分別增加了24. 0%、110. 0%、125. 4%。隨著還田量的增加，生物炭處理的土壤MBC、MBN 含量呈顯著增加的趨勢；而秸稈處理的土壤MBC、MBN 含量在中等還田量下最高。土壤MBP 隨著秸稈與生物炭還田量增加均呈顯著降低的趨勢。除了低量和中量生物炭還田后土壤MBC 含量低于秸稈處理，等碳量還田條件下生物炭處理的土壤MBC、MBN、MBP 含量顯著高于秸稈處理。 所有處理中高量生物炭還田后的土壤MBC、MBN、MBP 含量最高，較對照分別增加了39. 1%、171. 4%、114. 3%。 土壤MBC/MBN、MBC/MBP、MBN/MBP 變化范圍分別為15. 3～29. 6、16. 7～55. 5、0. 8～2. 0。除了高量秸稈還田后土壤MBC/MBP 和MBN/MBP 顯著高于對照，秸稈和生物炭還田導致土壤MBC/MBN、MBC/MBP、MBN/MBP 顯著降低。 且隨著秸稈和生物炭還田量的增加，土壤MBC/MBP、MBN/MBP 呈顯著增加的趨勢。而土壤MBC/MBN 隨生物炭還田量增加呈顯著降低的趨勢，在中量秸稈還田后土壤MBC/MBN 顯著低于其他處理（圖1）。

圖1 秸稈及生物炭還田下土壤微生物生物量碳、氮、磷含量及其化學計量比Fig. 1 Soil microbial biomass C，N and P content and their stoichiometric ratio under biochar and straw treatments

2. 3 秸稈及生物炭還田對土壤胞外酶活性及其化學計量特征的影響

與對照相比，秸稈和生物炭還田后土壤BG、CBH、NAG、LAP 活性均顯著增加，土壤AKP 活性顯著降低。其中，秸稈還田后土壤BG、CBH、NAG、LAP 活性分別增加了13. 5%、15. 5%、13. 0%、34. 7%；生物炭還田后分別增加了17. 1%、30. 5%、26. 4%、23. 6%。 土壤AKP 活性在秸稈和生物炭還田后分別比對照降低了25. 8%、6. 8%。隨著生物炭還田量增加土壤各胞外酶活性均呈顯著增加的趨勢。而除了高量秸稈還田后土壤BG 活性最高外，中量秸稈還田土壤的各胞外酶活性均顯著高于其他還田量。所有處理中高量生物炭還田后土壤胞外酶活性最高，與對照相比土壤BG、CBH、NAG、LAP 活性分別增加了42. 6%、59. 4%、36. 0%、58. 0%。土壤胞外酶（BG+CBH）/（NAG+LAP）、（BG+CBH）/AKP、（NAG+LAP）/AKP 分別在0. 2～0. 3、0. 3～0. 6、1. 3～2. 1。秸稈與生物炭還田后土壤胞外酶化學計量比顯著高于對照。除了中量生物炭還田后土壤（NAG+LAP）/AKP顯著低于低量生物炭還田處理，隨著秸稈和生物炭還田量的增加，土壤胞外酶化學計量比呈顯著增加的趨勢。等炭量還田條件下秸稈處理的土壤胞外酶化學計量比顯著高于生物炭處理（圖2）。

圖2 秸稈及生物炭還田下土壤酶活性及其化學計量比Fig. 2 Soil enzyme activity and their stoichiometric ratio under biochar and straw treatments

2. 4 土壤與微生物、胞外酶之間碳氮磷含量及其化學計量特征的相關性分析

相關性分析結果表明（表4），秸稈還田后土壤AN 與BG、LAP、NAG、MBC、（BG+CBH）/AKP、（NAG+LAP）/AKP、MBN/MBP 極顯著正相關，與MBN 顯著正相關，與AKP 極顯著負相關。土壤N/P 與（BG+CBH）/（NAG+LAP）極顯著正相關。 土壤AN/AP 與BG、LAP、MBC、（BG+CBH）/AKP 極顯著正相關，與NAG、（NAG+LAP）/AKP 顯著正相關，與AKP 極顯著負相關。

表4 秸稈還田下土壤與微生物、胞外酶之間C、N、P 含量及其化學計量特征的相關性分析Table 4 Correlation analysis of C，N and P contents and their stoichiometric characteristics among soil，microbial and enzyme under straw treatments

生物炭還田后土壤SOC 與MBC 極顯著正相關，與LAP、NAG、MBN、（BG+CBH）/AKP、（NAG+LAP）/AKP 顯著正相關，與MBC/MBN 顯著負相關。土壤TP 與BG、CBH、LAP、NAG、MBC、MBN、（BG+CBH）/AKP 極顯著正相關，與（NAG+LAP）/AKP、MBN/MBP 顯著正相關，與MBC/MBN 極顯著負相關。土壤AN 與CBH、LAP、NAG、MBC、MBN、MBP、（BG+CBH）/AKP、（NAG+LAP）/AKP 極顯著正相關，與BG 顯著正相關，與MNC/MBN、MBC/MBP 極顯著負相關。土壤AP 與BG、CBH、LAP、NAG、MBC、MBN、（BG+CBH）/AKP 極顯著正相關，與（NAG+LAP）/AKP 顯著正相關，與MBC/MBN 極顯著負相關。土壤AN/AP 與MBP 極顯著正相關，與（NAG+LAP）/AKP 顯著正相關，與MBC/MBP 極顯著負相關，與AKP 顯著負相關（表5）。

表5 生物炭還田下土壤與微生物、胞外酶之間C、N、P 含量及其化學計量特征的相關性分析Table 5 Correlation analysis of C，N and P contents and their stoichiometric characteristics among soil，microbial and enzyme under biochar treatments

3 討論

3. 1 秸稈及生物炭還田對土壤碳氮磷濃度及其化學計量特征的影響

土壤養分狀況與植物生長發育、營養代謝等密切相關。根據全國第二次土壤普查養分分級標準，試驗土壤SOC、TN、AN、AP 濃度均處于六級水平。本研究中，隨著秸稈和生物炭還田量的增加，土壤SOC、TP、AN、AP濃度呈顯著增加的趨勢。生物炭是含碳豐富的有機物料，還田后不僅能增加土壤有機碳濃度，還能改善土壤養分狀況［17］。另外，生物炭提高了作物根系生物量，引起土壤有機碳與養分濃度的增加［18］。秸稈還田后土壤微生物活性增強，釋放大量養分到土壤中，提高了土壤有機質和土壤肥力［19］。而在等碳量還田條件下生物炭處理優于秸稈。秸稈變為生物炭后其電荷密度較高，能強烈吸附土壤養分，增加了養分利用效率［20］。等碳量還田條件下秸稈炭化還田對提高土壤養分濃度的效果比秸稈直接還田更明顯［21］。由于本研究中的供試土壤過于貧瘠，致使土壤SOC、TP、AN、AP 濃度在高量生物炭還田后最高。

本研究土壤C/N、C/P 的變化范圍在10. 1～10. 9、7. 4～8. 2。低于中國土壤C/N 和C/P 的平均值11. 9 和61［5］。土壤C/N 為25 對微生物生長最為有利。土壤C/N 與土壤有機質分解速率成反比關系，土壤C/N 較低時，滿足微生物生長之余的N 素就會釋放到土壤中［22］。土壤C/P<200，土壤微生物在礦化土壤有機質中釋放磷的潛力較大，土壤MBP 對土壤有效磷庫有補充作用［23］。說明試驗土壤主要受到C 限制。土壤N/P 作為養分限制的有效指標，可用來判斷土壤是否受到養分限制［24］。本研究土壤N/P 為0. 7，明顯低于全國土壤N/P 的平均值5. 2［5］。說明土壤N 受限制程度大于P。本研究中，土壤C/P 隨秸稈還田量增加呈顯著增加的趨勢。說明秸稈還田對促進土壤C、N、P 平衡有積極作用。土壤N/P、AN/AP 隨秸稈還田量增加呈顯著增加的趨勢，而隨生物炭還田量的增加顯著降低。說明秸稈促進土壤有機質釋放N 的速率大于P，而生物炭更能促進P 的釋放。

3. 2 秸稈及生物炭還田對土壤微生物生物量碳氮磷含量及其化學計量特征的影響

本研究表明秸稈和生物炭還田后土壤MBC、MBN、MBP 含量均顯著高于對照，這與前人研究結果一致［25］。秸稈為微生物生長提供了大量的碳源和能源［26］。而生物炭具有疏松多孔結構，可為微生物生長與繁殖提供必要的水分和空氣。微生物量增加又促進生物炭的氧化降解，改善了土壤理化性質，進一步促進了土壤微生物量的快速增加［27］。等碳量生物炭還田后土壤MBN、MBP 顯著高于秸稈還田處理。與秸稈還田相比，施用高量生物炭有利于增加土壤MBN 含量［28］。但也有研究認為，生物炭比秸稈具有更高的穩定性，導致生物炭處理的土壤微生物量較低［25］。生物炭與秸稈對土壤微生物量的影響可能與土壤類型密切相關，風沙土土壤結構性差，生物炭的多孔性可能更有利于微生物的生長。因此，隨著生物炭還田量增加土壤MBC、MBN 含量呈顯著增加的趨勢。土壤MBP 隨生物炭還田量增加呈顯著降低的趨勢。這與采樣日期有關，在玉米收獲期土壤MBP 含量顯著降低［29］。也可能是由于施用生物炭加劇了土壤微生物代謝的磷限制［30］。

土壤MBC/MBN、MBC/MBP、MBN/MBP 決定了微生物活動的方向及有機質養分的釋放［31］。本研究中，土壤MBC/MBN、MBC/MBP、MBN/MBP 分別在15. 3～29. 6、16. 7～55. 5、0. 8～2. 0 之間，高于中國土壤MBC/MBN 平均值7. 6，而低于中國土壤MBN/MBP 平均值5. 6［32］。說明本研究土壤的MBN 含量較低。土壤MBC/MBP 與全球土壤MBC/MBP 平均值42. 4 接近［32］。土壤MBC/MBN 隨生物炭還田量增加呈顯著降低的趨勢，而土壤MBN/MBP 顯著增加。有機物料投入為土壤帶來了有機氮源，滿足了微生物對氮素的需求［33］。另外，有研究認為貧瘠土壤中的主導微生物群落為真菌（MBC/MBN 在10 左右），而肥沃土壤中細菌（MBC/MBN 在4 左右）占主導優勢［34］。MBC/MBN 比值的降低反映了生物炭還田對微生物群落結構造成了影響。隨著秸稈和生物炭還田量的增加，土壤MBC/MBP 呈顯著增加的趨勢。土壤MBC/MBP 一般在7～30，MBC/MBP 高表明土壤微生物對土壤有效磷有同化趨勢，且微生物與植物競爭吸收土壤有效磷，固磷能力較強［35］。

3. 3 秸稈及生物炭還田對土壤胞外酶活性及其化學計量特征的影響

與對照相比，秸稈和生物炭還田后土壤BG、CBH、NAG、LAP 活性均顯著增加。這主要與秸稈和生物炭還田后改善了土壤理化性質有關，一般而言土壤酶活性與土壤養分含量正相關［36］。土壤P 的有效性與AKP 活性呈負相關關系，而土壤N 對AKP 的產生有促進作用［37］。由于本研究中各處理間土壤N 含量差異不顯著，秸稈和生物炭還田后土壤AP 濃度的顯著增加最終導致了AKP 活性的顯著降低。

本研究的土壤胞外酶（BG+CBH）/（NAG+LAP）、（BG+CBH）/AKP、（NAG+LAP）/AKP 分別在0. 2～0. 3、0. 3～0. 6、1. 3～2. 1。 低于全球尺度（BG+CBH）/（NAG+LAP）、（BG+CBH）/AKP 的平均值1. 41 和0. 62，而高于（NAG+LAP）/AKP 的平均值0. 44［11］。土壤（BG+CBH）/（NAG+LAP）為1∶1 時，表明C、N 等速礦化。由此得出本試驗土壤N、P 礦化速率大于C 礦化速率。另外，在土壤N/P 低的條件下，微生物受P 限制小，導致微生物通過增加（NAG+LAP）/AKP 進行適應［36］。秸稈與生物炭還田后土壤胞外酶化學計量比顯著高于對照。說明秸稈與生物炭還田促進了土壤有機質C 礦化酶的增加，促進了土壤C 的礦化。

4 結論

試驗土壤SOC、TN、AN、AP 濃度均處于六級水平。隨著秸稈和生物炭還田量的增加，土壤SOC、TP、AN、AP 濃度均顯著增加，且等碳量還田條件下生物炭優于秸稈。秸稈與生物炭還田對土壤TN 濃度影響不顯著。土壤C/N、C/P、N/P、AN/AP 變化范圍在10. 1～10. 9、7. 4～8. 2、0. 7、2. 7～3. 4。說明土壤主要受到C 限制，且N 受限制程度大于P。土壤N/P、AN/AP 隨秸稈還田量增加呈顯著增加的趨勢，而隨生物炭還田量的增加顯著降低。說明秸稈還田后促進土壤有機質釋放N 的速率大于P，而生物炭還田更能促進P 的釋放。除了低、中量生物炭還田后土壤MBC 含量低于秸稈外，生物炭還田后土壤MBC、MBN、MBP 含量顯著高于等碳量秸稈還田。而秸稈還田土壤MBC/MBN、MBC/MBP、MBN/MBP 高于等碳量生物炭還田。另外，秸稈還田后土壤胞外酶化學計量比顯著高于生物炭還田。相關性分析表明，秸稈還田后土壤AN 與BG、LAP、NAG、MBC、（BG+CBH）/AKP、（NAG+LAP）/AKP、MBN/MBP 極顯著正相關，與AKP 極顯著負相關。生物炭還田后土壤AP 與BG、CBH、LAP、NAG、MBC、MBN、（BG+CBH）/AKP 極顯著正相關，與MNC/MBN 極顯著負相關。綜上，生物炭還田有利于提高土壤養分濃度和微生物生物量，而秸稈還田更有利于維持土壤養分平衡。