施用生物炭和硅肥對增溫稻田土壤酶活性的影響

杜澤云， 陶思敏， 婁運生， 邢鈺媛， 王 坤， 劉 健

(南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心/南京信息工程大學江蘇省農業氣象重點實驗室，江蘇南京 210044)

政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第6次評估報告指出，1850年以來，全球地表平均溫度已上升約1 ℃，未來20年溫升預計將達到或超過 1.5 ℃[1]。氣候變暖表現為晝夜不對稱性增溫，即相較于白天，夜間溫度增幅更大。水稻是我國主要的糧食作物之一。夜間增溫顯著降低水稻分蘗數、株高、葉面積指數和葉綠素(SPAD值)[2-5]，降低水稻穗粒數、結實率和千粒質量，從而影響干物質積累和產量[6-8]。目前，增溫對水稻地上部植株生長、產量及干物質積累的影響研究較多，但對水稻地下部土壤生物過程和特性(如土壤酶活性)有何影響，則關注較少。

土壤酶主要來自植物根系分泌物和土壤微生物活動產物，參與土壤中的物質循環和能量流動過程[9]。溫度是影響土壤酶活性的重要環境因子。以往研究表明，模擬增溫處理下，麥田土壤酶活性顯著增強[10]，溫度與土壤酶活性間存在顯著指數關系[11]。溫度升高促進土壤呼吸、增加酶活性，有利于土壤微生物活動和新陳代謝，增強土壤養分利用率，促進土壤物質循環和能量轉化。

生物炭富含有機碳，是一種有益的土壤改良劑[12]。施用生物炭可明顯降低土壤容重，改善土壤結構，增加土壤含水量。施用生物炭對土壤氮磷相關酶活性有顯著影響[13-14]，生物炭可通過吸附酶分子來限制酶促反應[15]。施用生物炭可提高土壤過氧化氫酶活性，對蔗糖酶活性提高的貢獻較小[16]，但與氮肥結合后水稻土壤蔗糖酶活性顯著提高[17]。

水稻是典型的喜硅作物，穗硅含量為10%～15%，遠高于氮磷鉀的含量。施用硅可以促進土壤酶活性[18-19]。施硅可明顯提高土壤脲酶、轉化酶、過氧化氫酶等活性[20]，其原因可能在于，施硅改善了土壤結構，擴大了土壤微生物生長空間，進而提高了土壤酶活性[21]。

前人有關稻田土壤養分對增溫、施生物炭、施硅的單因素或雙因素響應開展了大量研究工作[22-24]，得到一些對生產有指導意義的結論，但三因素耦合作用對土壤酶活性的影響，目前報道較少。本文通過田間模擬試驗探討夜間增溫下施用生物炭和硅肥對水稻關鍵生育期稻田土壤酶活性的影響，以期進一步闡明氣候變暖對稻田土壤碳氮轉化及溫室氣體產生和排放機制的影響，為水稻低碳綠色生產提供試驗參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

2019年6—10月于南京信息工程大學農業氣象試驗站(118.8°E、32.0°N)進行田間模擬試驗。該站位于亞熱帶季風氣候區，年均氣溫為15.6 ℃，年均降水量大于1 000 mm。供試稻田土壤為灰馬肝土屬潴育型水稻土，土壤有機碳含量 19.4 g/kg，全氮含量1.45 g/kg，黏粒含量26.1 g/kg，pH值6.2(1 g ∶1 mL土水比)。供試生物炭為稻殼生物炭，碳含量為50%。供試硅肥選用含有效硅(SiO2)14.21%、鐵氧化物(Fe2O3)22.89%、pH值為8.09(土水比1 g ∶10 mL)的鋼渣硅肥和有效硅(SiO2)含量32.26%、鐵氧化物(Fe2O3)含量0.81%、pH值為9.22(土水比1 g ∶10 mL)的礦粉硅肥[25]。

1.2 試驗設計

本試驗采用3因素3水平正交試驗設計(表1)。移栽前按試驗處理將生物炭和硅肥分別均勻翻耕混入稻田土壤，同時各小區施入200 kg/hm2氮磷鉀高濃度復合肥料(N-P2O5-K2O，俄羅斯產)作為基肥。

表1 L9(34)正交試驗設計方案

選用南粳5055為供試水稻品種，育苗期為2019年5月10日至6月13日，6月14日移栽。采用開放式被動增溫方式模擬夜間增溫，在小區四周架設不銹鋼架，夜間(19：00至次日6：00)將鋁箔反光膜置于鋼架上方，用來覆蓋水稻的冠層，及時調整鋁箔膜的高度以適應水稻生長，保持鋁箔膜與植株冠層間距為0.3 m。為防止降雨及大風天氣(風速>10 m/s)覆蓋鋁箔膜所帶來的不利影響，故夜間有雨和大風天氣不覆蓋鋁箔膜。小區面積為 4 m2(2 m×2 m)，隨機排列。稻田水深保持在5 cm左右，曬田期為2019年7月28日至8月12日。

水稻移栽時每小區選取長勢良好、大小相近的幼苗移入根袋內植于稻田土壤中，1個根袋植入1株水稻幼苗，每小區4個根袋，在水稻4個主要生育期各采集1個根袋水稻植株，分別于根袋內及根袋外采集土樣，根袋內為根際土，根袋外非根際土[26-27]。將所采土樣裝入塑料自封袋，挑去根系殘體、石塊等雜物，然后把土樣放置在通風處風干，研磨后用篩子篩選干凈，使用塑料保鮮袋保存備用。

1.3 土壤酶活性測定

土壤脲酶活性采用靛酚比色法[28]測定；土壤轉化酶活性采用比色法測定；土壤纖維素酶活性采用蒽酮比色法測定；土壤蛋白酶活性采用茚三酮比色法[29]測定。

1.4 數據處理

采用SPSS 19.0軟件進行試驗方差分析和極差分析，采用Excel 2019、Origin Pro 2021進行數據處理和圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 不同處理對水稻土脲酶活性的影響

由圖1可知，隨著水稻生長期變化，根際土脲酶活性部分呈現先增加而后降低趨勢，孕穗期脲酶活性較高，開花期活性較弱，除W1B2Si0、W2B0Si2、W1B1Si2處理外，其余處理的根際土脲酶活性，開花期脲酶活性最低，拔節期和孕穗期根際土脲酶活性最高。不同處理的非根際土脲酶活性總體變化幅度不大，表現為隨著水稻的生長先平穩而后降低趨勢，灌漿期除W0B1Si1和W1B0Si1處理外，其余處理的非根際土脲酶活性灌漿期最低。根際土中，W0B2Si2處理的4個生育期均值最高，W2B1Si0處理的均值最低；非根際土中，W1B2Si0處理的均值最高，W0B0Si0處理均值最低。

平均值和極差分析結果表明，在根際土中，三因素的影響程度從大到小依次為：生物炭、夜間增溫、硅肥。W1條件下，脲酶活性最高，W1B2Si1為最優水平。對于非根際土，三因素的影響程度從大到小依次為：夜間增溫、生物炭、硅肥(表2)。W1條件下脲酶活性最高，W1B2Si1為最優水平。

表2 水稻全生育期脲酶均值極差分析

方差分析結果表明(表3)，在根際土中，夜間增溫(拔節期)和施用生物炭(孕穗期)對土壤脲酶活性的影響達到顯著水平(P<0.05)，而施用硅肥的影響不顯著。在非根際土中，夜間增溫對水稻拔節期和開花期對脲酶活性的影響達到極顯著水平(P<0.01)，而施用生物炭和硅肥對關鍵生育期水稻土脲酶活性的影響均不顯著。可見，夜間增溫在水稻部分生育期影響脲酶活性，其影響隨著覆膜的厚度的增加而減小；而施生物炭僅在根際土孕穗期顯著影響脲酶活性，且隨著生物炭施用量的增加，影響逐漸增大。

表3 脲酶活性方差分析

2.2 不同處理對水稻土纖維素酶活性的影響

如圖2所示，隨著水稻生長期變化，根際土纖維素酶活性總體上呈現先降低而后增加趨勢，開花期和灌漿期纖維素酶活性較高，孕穗期活性較低，并出現最小值。不同處理的非根際土纖維素酶活性總體呈現先增加而后降低的趨勢，拔節期纖維素酶活性較低且達到最小值，孕穗期明顯增加，開花期又開始降低(W0B0Si0、W1B0Si1除外)，最后W1B2Si0、W2B0Si2、W2B1Si0、W2B2Si1處理在灌漿期緩慢增加。根際土中，W2B2Si1處理的4個生育期纖維素酶活性均值最高，W1B2Si0處理的均值最低；非根際土中，W1B1Si2處理的均值最高，W0B0Si0處理的均值最低。

平均值和極差分析表明，在根際土中，三因素的影響程度從大到小依次為：夜間增溫、生物炭、硅肥。在根際土中，W2條件下纖維素酶活性最高，W2B1Si2為最優水平。在非根際土中，三因素的影響程度從大到小依次為：硅肥、夜間增溫、生物炭，W1條件下纖維素酶活性最高， W1B1Si1為最優水平(表4)。

表4 水稻全生育期纖維素酶均值極差分析

方差分析表明(表5)，根際土中，夜間增溫、生物炭和硅肥均對水稻土纖維素酶活性無顯著影響。非根際土中，硅肥對水稻拔節期纖維素酶活性有極顯著影響，夜間增溫和生物炭對纖維素酶活性無顯著影響。

表5 纖維素酶活性方差分析

2.3 不同處理對水稻土轉化酶活性的影響

如圖3所示，隨水稻生長期變化，根際土各處理轉化酶活性變化趨勢不同，部分處理孕穗期和開花期轉化酶活性較高，拔節期活性較低。W0B1Si1、W0B2Si2、W2B0Si2處理的非根際土轉化酶活性變化趨勢總體上呈現先增加—降低—增加趨勢。根際土中，W1B1Si2處理的4個生育期轉化酶活性均值最高，W2B2Si1處理的均值最低；非根際土中，W1B0Si1處理的均值最高，W2B1Si0處理均值最低。

平均值和極差分析表明，在根際土中，三因素的影響程度從大到小依次為：夜間增溫、生物炭、硅肥。在根際土中，W1條件下轉化酶活性最高， W1B0Si1為最優水平。在非根際中，三因素的影響程度從大到小依次為：生物炭、夜間增溫、硅肥(表6)。W1條件下轉化酶活性最高， W1B0Si2為最優水平。

表6 水稻全生育期轉化酶均值極差分析

方差分析表明，根際土中，夜間增溫(孕穗期)和施用生物炭(灌漿期)對水稻土轉化酶活性的影響達極顯著水平，硅肥(開花期)對轉化酶活性有顯著影響。非根際土中，三因素對轉化酶活性均無顯著影響(表7)。

表7 轉化酶活性方差分析

2.4 不同處理對水稻土壤蛋白酶活性的影響

由圖4可知，隨水稻生長期變化，根際土蛋白酶活性總體變化幅度不大。不同處理的非根際土蛋白酶活性變化趨勢不同。根際土中，W0B0Si0處理蛋白酶活性均值最高，W2B2Si1處理的均值最低；非根際土中，W1B0Si1處理的均值最高，W1B2Si0處理的均值最低。

極差分析(表8)表明，對于根際土，三因素的影響程度從大到小依次為：生物炭、夜間增溫、硅肥。在根際土中，W0條件下蛋白酶活性最高， W0B0Si1為最優水平。在非根際中，三因素的影響程度從大到小依次為：生物炭、硅肥、夜間增溫。W0條件下蛋白酶活性最高， W0B0Si1為最優水平。

表8 水稻全生育期蛋白酶均值極差分析

方差分析(表9)表明，根際土中，夜間增溫和施用硅肥對水稻土蛋白酶活性無顯著影響， 施用生物炭在拔節期對蛋白酶活性有顯著影響，并在孕穗期和灌漿期達到極顯著水平。非根際土中， 施用生物炭對開花期和灌漿期蛋白酶活性的影響達到顯著水平，夜間增溫和施用硅肥對蛋白酶活性均無顯著影響。

表9 蛋白酶活性方差分析

3 討論

土壤酶活性是評價土壤質量和土壤生物活性的常用指標[9]，在土壤養分循環轉化中起著重要作用[30-32]。溫度是影響土壤酶活性的重要環境因子[33]。本研究發現，夜間覆蓋5 mm鋁箔膜(W1)可促進稻田土壤根際土和非根際土脲酶活性、轉化酶活性以及非根際土纖維素酶活性；而隨著夜間覆膜厚度的增加，其對根際土和非根際土轉化酶活性、蛋白酶活性以及根際土脲酶活性的影響減小。其原因可能是：(1)在適宜的溫度范圍內，土壤增溫可以提高微生物的繁殖和代謝速度，產生較多的酶參與碳氮循環，擴大酶庫增強酶活性。溫度較高時，超過土壤蛋白酶活性的適宜溫度范圍，引起酶活性下降。(2)夜間增溫使土壤銨態氮含量增加，銨態氮能抑制土壤脲酶和轉化酶的活性[34]。增溫對土壤酶活性的影響差異，可能是土壤和其它環境因子共同作用的結果[35]。

生物炭可通過改變土壤理化性質、土壤生物群落組成和豐富度以影響土壤酶活性。生物炭對土壤酶活性的影響較復雜，主要與土壤酶的類型有關[36]。生物炭可吸附酶底物，促進酶促反應；相反，酶分子也可被生物炭吸附，以掩蔽酶促反應的結合位點，抑制酶促反應[37]。本研究發現，在增溫處理下施用生物炭可增加土壤脲酶活性。原因可能是溫度和生物炭共同作用改善了土壤環境，增加了土壤有機質含量和土壤溫度[36]。提高生物炭施用量，稻田土壤轉化酶和蛋白酶活性呈下降趨勢。其原因可能是生物炭具有多孔結構和較大比表面積，具有較強的吸附能力，引起土壤酶活性的反應底物降低[39]。

施用硅肥提高了水稻脲酶活性、纖維素酶活性、轉化酶活性和根際土蛋白酶活性，并對拔節期非根際土纖維素酶活性和開花期根際土轉化酶活性有顯著促進作用。原因可能是施用鋼渣硅肥和礦粉硅肥可改善稻田土壤結構和通氣性，緩解土壤酸度，使pH值趨中性，改善土壤微生物環境，有利于土壤微生物活動，提高土壤酶活性[40]。

4 結論

本研究認為，本試驗最佳處理組合為W1B0Si1，即夜間覆蓋5 mm鋁箔膜、施用200 kg/hm2鋼渣硅肥但不施生物炭處理下，水稻主要生育期土壤酶活性可達較優水平。本研究為水稻大田模擬增溫試驗，易受降水、溫度等環境因素的影響，擬通過田間連續定位試驗及環境控制試驗，深入探討稻田土壤酶活性對氣候變化、不同類型生物炭施用方式及水肥管理的響應特征，進一步研究氣候變化對稻田土壤碳氮循環轉化相關酶活性的影響機制，為區域水稻綠色低碳可持續發展提供參考依據。