施生物炭與有機肥對白漿土土壤酶活性的影響

陸欣春，鄭永照，陳旭，韓曉增，鄒文秀，董本春，嚴君*

（1.中國科學院東北地理與農業生態研究所，哈爾濱 150081；2.通化市農業科學研究院，吉林 梅河口 135007）

土壤的生物化學反應有土壤酶的參與，因此研究者能夠通過監測土壤酶活性和計算酶的生態化學計量比來估計土壤生物化學過程中微生物對C、N、P等養分元素的吸收利用，探討土壤生化過程的強弱。當前，關于酶化學計量比的研究多以β-1，4-葡萄糖苷酶（β-1，4-glucosidase，BG）、β-1，4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶（β-1，4-N-acetylglucosaminidase，NAG）、亮氨酸氨基肽酶（Leucine aminopeptidase，LAP）、酸性磷酸酶（Acid phosphatase，AP）代表C、N、P元素的相關酶活性。研究表明當微生物生長具有足夠的能量和營養時，微生物將不會分泌酶，酶的生態化學計量比不變。但當土壤養分有效性變化時，微生物會分泌酶并改變不同酶的配比，以從土壤中獲取所需要的能量（C）和養分（N、P），酶的生態化學計量比亦相應變化。模型模擬與試驗分析的結果也證明，土壤酶的相對活性與養分的有效性相耦合。酶的生態化學計量比可以更好地反映微生物的代謝和營養需求之間的生化平衡，是衡量土壤微生物能量和養分資源限制狀況、揭示土壤養分循環的重要指標。

白漿土是區域性低產土壤，是我國東北地區主要農田土壤之一，在黑龍江和吉林兩省分布相對集中，主要分布在兩省的東部，總面積為527.20萬hm，耕地白漿土面積為166.68萬hm，約占白漿土總面積的31.6%。因此，改良和利用好這類土壤資源，對于改變白漿土區低產面貌、提高東北商品糧產量、保障我國糧食總產具有重要意義。目前改良白漿土的有效措施包括施用有機肥和生物炭等，關于施用有機肥和生物炭對白漿土土壤理化性質、微生物屬性研究已有大量報道，施用有機肥可以提高土壤肥力和土壤酶活性（脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶、蛋白酶等），而施有機肥和生物炭對白漿土土壤參與土壤C、N、P循環的酶活性和酶計量比的影響還鮮有報道，本文依托設置在白漿土上的長期定位試驗，探討外源施入有機物料（生物炭和有機肥）對白漿土土壤生態酶化學計量特征的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于吉林省通化農科院梅河口市海龍鎮前進村試驗田（42°36'N，125°53'E）進行，試驗田土壤基本理化性質為：有機碳15.1 g·kg，全氮1.42 g·kg，全磷0.73 g·kg，全鉀12.6 g·kg，堿解氮120.1 mg·kg，速效磷61.4 mg·kg，速效鉀136.7 mg·kg，pH值4.52（水土比2.5∶1）。試驗田地勢平坦，屬于溫帶大陸性季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。年均氣溫4～6℃，年降水量600～750 mm，其中6—9月的降水量占全年降水的70%左右。土壤類型為典型白漿土。

1.2 試驗設計

試驗起始于2018年，試驗設置4個處理：常規對照C、施生物炭C（15 000 kg·hm）、施生物炭C（30 000 kg·hm）、施有機肥OM（雞糞，15 000 kg·hm）。每個處理3次重復，共12個小區，小區面積為30 m。2019年和2020年繼續進行種植，各處理不再施用有機肥和生物炭，但化肥繼續施用。

每年玉米成熟后收獲測產，采集土壤樣品，風干后備用。

2020年秋季采集的土壤鮮樣立即帶回實驗室，過2 mm篩后，一部分立即保存在-4℃冰箱，用于測定土壤酶活性，另一部分土壤風干，以便后續測定。

1.3 測定項目及方法

土壤酶活性采用微孔板熒光法測定。

土壤有機碳、全氮含量采用元素分析儀測定（EA3000，Euro Vector，Italy）。

1.4 數據處理

土壤生態酶化學計量的計算公式參考文獻。

使用Excel和SPSS 20.0對試驗數據進行處理及方差分析，多重比較采用LSD最小極差法。用Origin 2019做圖。

2 結果與分析

2.1 施生物炭和有機肥對玉米產量和經濟效益的影響

3 a玉米產量結果顯示（圖1），與對照（C）相比，C處理3 a均未顯著增產，C處理3 a均顯著增加玉米產量，增產17.2%～24.3%，施有機肥處理第1年增產不顯著，第2、3年增產均達顯著水平。

圖1 施生物炭和有機肥對玉米產量的影響Figure 1 Effects of biochar and organic fertilizer on maize yield

根據連續3 a試驗所獲得的玉米產量估算經濟效益（表1），施用15 000 kg·hm（C）連續3 a所獲得玉米效益稍高于投入的生物炭價格，施用30 000 kg·hm（C）連續3 a所獲得玉米效益低于投入的生物炭價格，施用有機肥處理為正收益。

表1 施生物炭和有機肥3年累計獲得的經濟效益Table 1 Effects of biochar and organic fertilizer on cumulative economic benefit for three years

2.2 施生物炭與有機肥對土壤C、N含量的影響

施生物炭和有機肥1 a后，白漿土的有機質含量和土壤N、P、K等含量均有一定幅度增加，而其施入土壤3 a后，土壤有機質含量及全氮含量仍有一定增加，土壤有機質含量增加了8.1%～40.7%，僅C達顯著水平，土壤全氮含量增加了2.1%～8.2%，均未達到顯著水平（圖2）。

圖2 施生物炭和有機肥對白漿土有機質、全氮含量的影響Figure 2 Effects of biochar and organic fertilizer on content of soil organic matter and total N

2.3 施生物炭和有機肥對土壤酶活性的影響

土壤BG活性為108.8～198.2 nmol·g·h（圖3），變化幅度較大，與對照相比，施生物炭（C、C）可顯著增加BG活性，增幅分別為82.2%和38.1%，施有機肥對BG活性影響不顯著。土壤NAG+LAP活性為28.9～72.8 nmol·g·h，與常規對照相比，僅C顯著增加了土壤NAG活性，C對NAG活性影響不顯著，施有機肥土壤NAG活性均顯著低于對照。與對照相比，C和OM處理均可顯著增加土壤LAP活性。土壤AP活性為350.5～518.4 nmol·g·h，與常規對照相比，施生物炭（C、C）可增加AP活性，分別增加10.7%和47.9%，其中C達到顯著水平。

圖3 施生物炭和有機肥對白漿土酶活性影響Figure 3 Effectsof biochar and organic fertilizer on soil enzyme activity

2.4 土壤酶活性計量比

土壤BG∶（NAG+LAP）（EEA）平均為2.81，其中施有機肥處理最高，顯著高于其他處理，其次為C處理，再次是C和C處理；BG∶AP（EEA）平均為0.35，以C處理最高，顯著高于其他處理，而其他處理之間無顯著差異；（NAG+LAP）∶AP（EEA）平均為0.13，施有機肥處理最低，顯著低于其他處理（圖4）。

2.5 土壤C、N、P酶活性相關性分析

ln（BG）、ln（NAG+LAP）和ln（AP）之間存在線性關系，ln（BG）與ln（NAG+LAP）和ln（AP）的相關系數分別為0.450 1和0.292 0，ln（NAG+LAP）和ln（AP）的相關系數為0.302 2（圖5）。全球尺度土壤C、N、P循環相關的酶活性比約為1∶1∶1，本文中常規處理土壤C、N、P循環相關的酶活性比更接近該比例；而施用有機肥和生物炭使土壤C、N、P循環相關的酶活性比遠離1∶1∶1。

圖5 不同處理土壤C、N、P酶活性關系的標準主軸回歸分析Figure 5 Standardized major axisregressions of thelogtransformed soil C-，N-，and P-acquiring enzyme activitiesin different treatments

3 討論

白漿土是我國東北地區典型的低產耕地資源之一，外源添加有機物質是培肥和改良白漿土的重要措施。本試驗中施用生物炭和有機肥后對玉米均有一定增產效果，并且其后效可增加玉米產量，其中C處理3 a均顯著增產，施有機肥處理第2、3年均顯著增產。但由于生物炭造價較高，根據本試驗經濟效益估算，與常規對照相比，施生物炭處理的經濟效益均為負，并且按照每年所增加的經濟效益均值估算還需近10年才能產生正效益，而生物炭的后效能否持續10余年以及是否能穩定增產還有待驗證。而施有機肥處理3 a累積經濟效益為正值。本研究調查了當地農戶生產水平，農戶為追求高產而長期大量施用化肥，不注重有機物料投入，造成土壤酸化，不同年際間玉米產量變異系數為20.3%，產量不穩。綜上所述，實際生產中還應施用有機肥培肥土壤，而對于出現嚴重減產的地塊可以考慮通過施用生物炭一次性改良土壤。保育土壤是重中之重，如果長期掠奪式經營導致土壤出現問題后再改良，所需投入會更高，短期內不能獲得經濟效益。

施生物炭和有機肥均能不同程度提高當季土壤各養分指標和土壤微生物功能多樣性，連續種植3 a作物后仍可增加土壤有機質含量（圖2），增加幅度與投入的有機物量有關，有機物料投入量較小的處理有機質含量增加不顯著，高量生物炭（C）可顯著增加土壤有機質含量。土壤微生物是土壤有機質轉化和養分循環的重要驅動力，外源有機物質作為土壤微生物可利用的重要能量和養分源，輸入土壤后會改變土壤微生物多樣性、生物量組成及其結構。本文中施用生物炭和有機肥均不同程度增加了土壤酶活性（圖3），這與大多數研究結果一致。

本文中施入有機肥3 a后，肥料后效已經降低，尤其施相同量的生物炭（C）和有機肥處理對土壤C和N含量影響不顯著，C增加了BG活性，而施有機肥對BG酶活性增加不顯著，顯著降低了NAG酶活性，從而均顯著提高了EEA的比值（圖4）；與對照相比，C顯著增加了EEA，OM顯著降低了EEA，這是由于施生物炭增加了參與C循環的BG活性，施有機肥降低了參與N循環的NAG活性。大量研究表明，肥料通過改善土壤性質、微生物活性等來影響土壤酶活性，理論上講，施用化肥可以減輕土壤微生物的養分限制，但會加重微生物受C的限制，施入生物炭和有機肥可以提供碳源來減少限制，但在本試驗中施入的生物炭需要更多的BG轉化碳源以供微生物所需。

圖4 施生物炭和有機肥對白漿土酶活性計量比的影響Figure 4 Effects of biochar and organic fertilizer on soil ecoenzymatic stoichiometry ratios

微生物生物量C∶N∶P具有一定的保守性，因此酶活性計量比也相對保守，全球尺度土壤C、N和P循環相關的酶活性比約為1∶1∶1，即使受環境影響，也在一個相對穩定的范圍內波動。在小區域尺度上，土壤微生物生長受到養分限制時，C、N、P獲取酶活性會偏離1∶1∶1的關系。而本文中土壤C、N、P循環相關的酶活性對數轉換后比值平均為1∶0.80∶1.22，與全球生態系統1∶1∶1的比值相偏離，其中BG∶AP平均值為0.35，低于全球水平0.62，而NAG∶AP平均值為0.13，也低于全球水平0.44，說明相對于土壤C底物有效性來說，本試驗供試土壤微生物可能存在一定的P限制，大部分研究表明AP的活性與環境中P的有效性呈負相關關系。本試驗供試土壤的有效P含量相對較高，是由于長期施用磷肥造成土壤P累積，土壤中P的含量增高，而AP的活性則降低。在東北黑土區有效P含量已能滿足作物生長需求，但受氣候影響，尤其是作物苗期氣溫較低，土壤P有效性不足，此時仍需施入磷肥補充P供應，因此作物播種時長期施用磷肥造成了大量P累積，從而導致有效P含量增高，AP活性降低。一般來說，當微生物受到P限制時，微生物就會分泌更多的磷酸酶促進土壤有機磷礦化，緩解P限制。微生物分泌的磷酸酶增多，土壤BG∶（AP+NAG）∶AP的值則降低。有研究認為微生物在從土壤中獲取養分方面比植物具有競爭優勢，即微生物受某一養分限制時，植物也可能受該養分限制。本文中供試土壤雖長期施用磷肥，但作物仍存在著P限制，相關試驗結果也表明，長期施用磷肥的田間作物在產量上存在著顯著的P限制。

4 結論

（1）在白漿土上施生物炭和有機肥可以連續3 a增加玉米產量，施生物炭30 000 kg·hm可顯著增加玉米產量，施有機肥第1年增產效果不顯著，第2、3年增產效果顯著。但施生物炭的經濟效益仍為負值，施有機肥經濟效益更高。

（2）施生物炭和有機肥3 a后，僅施生物炭30 000 kg·hm處理顯著增加了有機質含量，其他處理下有機質和全氮含量增加均不顯著。

（3）施生物炭15 000 kg·hm3 a后僅顯著增加了β-1，4-葡萄糖苷酶活性，提高了82.2%，其他3種酶活性增加均不顯著，施生物炭30 000 kg·hm可顯著增加4種酶活性，提高了23.1%～47.9%；施有機肥可顯著增加酸性磷酸酶和亮氨酸氨基肽酶活性。