施用豬糞炭對水稻田土壤肥力與酶活性的影響及安全性分析

摘要：采用大田試驗，研究不同施用量（0、1％、2％、3％）的豬糞炭對水稻田土壤肥力提升及酶學性質的影響，分析豬糞炭優化調控水稻產量及鈍化土壤重金屬的應用性。結果表明，施用豬糞炭提高土壤氮、磷、鉀及有機質的含量并降低土壤容重。施炭處理促進提高水稻產量，其中1％施炭處理的水稻產量較對照提高8.19％，有效分蘗數提高17.57％。隨著施炭量增加，分蘗期土壤的蔗糖酶活性呈遞增趨勢，成熟期蔗糖酶活性以及2個生育期脲酶活性呈先升后降趨勢；成熟期1％施炭處理的蔗糖酶、脲酶活性較對照分別提高51.24％、31.60％。施用豬糞炭顯著降低土壤有效態重金屬As、Cd的含量；1％施炭處理在分蘗期、成熟期有效態As含量較對照分別降低10.28％、7.69％，有效態Cd分別降低14.14％、11.82％。綜上，豬糞炭施用能夠促進土壤肥力提升，提高作物產量并降低土壤重金屬風險，其中1％施炭處理效果最佳。

關鍵詞：豬糞炭；土壤肥力；水稻生長；酶活性；重金屬

中圖分類號：S511.06" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）05-0243-07

近年來，隨著經濟的快速發展和居民消費水平的提高，畜禽養殖業的生產規模不斷擴大，我國畜禽養殖業已由原來的分散型、小規模型向集約化、大規模化方向發展，這導致動物糞便的大量產生［1］。據統計，我國每年畜禽糞污產生量高達 38 億t，給周邊環境安全帶來潛在的危害，加劇農業面源污染問題［2］。研究表明，畜禽糞便中含有植物生長需要的多種營養物質，能夠促進作物生產，是化肥的有機替代品［3］。然而，在施用糞肥之后，農田土壤和作物中可能出現重金屬含量增加或超標等現象，這對農業安全生產構成嚴重威脅［4］。如何對畜禽糞便進行有效管理和利用，已成為一個迫切需要解決的問題。

隨著全球環境污染和能源危機的不斷加劇，畜禽糞便生物炭作為一種可再生、環保的廢棄物資源，如何對其進行循環利用，已成為備受關注的課題。閆翠俠等通過土壤培養試驗發現，雞糞生物炭有著較強的鈍化效果，可以顯著降低TCLP提取態的Pb、Cd含量［5］。孫雪等通過盆栽試驗發現，豬糞炭可以顯著提高土壤肥力和作物產量，說明畜禽糞便在經過熱裂解炭化后用作肥料，是一種有效的廢棄物處理和資源化利用的途徑［6］。豬糞炭的使用可以顯著提高土壤FDA水解酶、脲酶、脫氫酶的活性，改善茶園土壤的酸堿環境和微生物活性，促進土壤的生物化學反應和養分元素循環，從而提高土壤的養分利用率和質量［7］。合理使用生物質炭，不僅可以改善土壤微生物的棲息環境，還可以直接影響微生物代謝，同時增強土壤酶活性，從而實現土壤的修復和改良［8］。

綜上所述，將畜禽糞便熱解后得到的生物炭應用于土壤中，有助于改善土壤質量，降低環境風險，是有效利用廢棄資源的良好方式。目前，以畜禽糞便為原料的生物炭應用研究，多集中于生物炭理化結構對污染物的吸附以及盆栽試驗對土壤的改良效果。本研究通過大田試驗，探究低溫（350 ℃）制備豬糞炭的不同施加量（0、1％、2％、3％）對水稻生長不同階段（分蘗期、成熟期）土壤的養分和酶活性的影響，同時評估作物增產效果及重金屬污染風險，旨在為豬糞炭的資源化利用和農業可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗地點位于浙江省舟山市定海區馬岙街道三星社區 （30°7′51″N，122°5′22″E）。該地區年平均氣溫17.1 ℃，年均降水量1 472.5 mm，日照時數 1 823.8 h，大風天10.8 d，霧天19.2 d，無霜期336.5 d。研究土壤為壤土，其基本理化性質詳見表1。

1.2 試驗材料及設計

試驗共設計4個不同施炭量處理，分別為0、1％、2％、3％，每個處理重復3次，共12個小區，每個小區面積20 m2。試驗采用的豬糞炭是在350 ℃低溫下制備而成的，其基本理化性質詳見表2，豬糞炭的掃描電鏡圖像見圖1。2021年6月23日，將豬糞炭與道爾水稻專用肥（300 kg/hm2）混合后作為基肥，與土壤表層混合均勻施入；隨后在7月2日、25日分別進行同等量的追肥。水稻品種為秀水14。

1.3 樣品采集與分析方法

于2021年7月20日水稻分蘗期和11月20日成熟期，分別采集耕作層0～20 cm土壤，用“S”形采樣法，每個小區采集5個樣本混合均勻運回實驗室，部分自然風干后，測定土壤各種指標數值。土壤理化性質參照《土壤農化分析》進行測定：pH 值采用電位法測定，土壤全氮含量采用凱式定氮法測定，全磷含量采用NaOH熔融-鉬銻比色法測定，速效鉀含量采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定，有機質含量采用硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定［9］。各小區土壤樣品中的脲酶、蔗糖酶活性，分別采用靛酚比色法、3，5-二硝基水楊酸比色法測定［10］。土壤有效態Cd、As含量，采用DTPA浸提、ICP-MS方法測定［9］。于11月24日收割不同小區的水稻，分別統計產量。每個小區取3穴水稻，穗節至穗頂（不連芒）的平均長度記作穗長；3穴充實度在1/3以上的谷粒數及落粒數之和除以3穴總穗數，記作每穗粒數；每穗實粒數/每穗總粒數，記作結實率；在考種后完全曬干的實粒中，隨機取2份1 000粒分別稱質量（g），其差值不大于其平均值的3％，取2個重復的平均值，記作千粒重［11］。采用Microsoft Excel 2016、Origin 2021、SPSS 26.0軟件，對試驗數據進行方差分析、均值的多重比較、相關性分析，顯著性水平設為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 施炭量對不同時期土壤理化性質的影響

由表3可知，施用豬糞炭能夠顯著改良土壤的理化性質，隨著施炭量的增加，土壤容重逐漸降低，pH值、飽和含水量呈上升趨勢。在水稻成熟期，3％施炭量處理的土壤容重較CK下降3.9％，pH值、飽和含水量分別增長17.34％、42.73％。

豬糞炭作為一種優質的土壤改良材料，具有明顯的pH值升高作用。其在高溫裂解后含有大量鉀、鈣、鎂等元素，這些元素多以氧化物、碳酸鹽的形式存在于炭中。在與水接觸時，這些元素會釋放出來并呈現明顯的堿性［12］。由于其緩慢釋放的特性，隨著時間的推移，生物炭還能進一步提高土壤的pH值，是改良酸性土壤的優質材料。生物炭能夠改善土壤的孔隙結構，降低土壤容重，增加土壤的孔隙度、飽和含水量，這是因為生物炭本身具有疏松多孔、比表面積大的特點［13］。此外，生物炭還可以吸附并保持水分，進而提高土壤的滲透性和飽和含水量［14］。

2.2 施炭量對不同時期土壤肥力的影響

由圖2可知，不同施炭量處理可以提高水稻分蘗期、成熟期土壤的全氮、全磷、速效鉀、有機質含量。在3％施炭量處理中，分蘗期土壤的全氮、全磷、速效鉀、有機質含量分別比對照提高12.40％、18.14％、30.67％、11.98％；成熟期土壤的全氮、全磷、速效鉀、有機質含量分別比對照提高15.35％、18.91％、23.97％、11.85％。隨著施炭量的增加，土壤的全氮、全磷、有機質含量有所提高，但多差異不顯著，而土壤中速效鉀的含量則顯著增加（Plt;0.05）。

施用豬糞炭可以顯著提高土壤養分，并且隨著時間的推移，提高幅度逐漸增加，因此它是一種良好的緩釋肥料載體。生物質炭擁有豐富的孔隙結構和官能團、較高的比表面積以及芳香結構，這些性質賦予其強大的吸附能力，可以減少氮、磷、鉀等營養元素的流失［15］。此外，生物質炭本身就含有少量的氮、磷、鉀元素，這些元素可能會被釋放出來，從而促進土壤中營養物質含量的提高［16］。值得注意的是，施加生物炭可提高土壤養分，但施炭量過高導致土壤pH值過高，土壤中的有機質、速效鉀含量過高，氮、磷含量過低，反而不利于作物的生長，因此尋求土壤養分處于綜合性最好的狀態是必要且可行的［17］。

2.3 施炭量對水稻產量的影響

由表4可知，與CK相比，施用生物質炭可以提高水稻的產量、每穗實粒數、平均穗長、有效分蘗數；1％施炭量處理的增加效果最顯著，比CK增產8.19％，每穗實粒數增加14.65％，平均穗長增加13.06％，有效分蘗數增加17.57％。然而，隨著施炭量的增加，產量、結實率有顯著下降趨勢；與1％施炭量處理相比，3％施炭量處理產量下降6.83％，結實率下降10.49％，而千粒重在各處理之間沒有顯著差異。

研究表明，生物炭可以平均提高水稻產量5.6％，而且施用量與產量并不成正比［18］，本研究結果與之基本一致。增加生物炭施用量未必能提高產量可能是因為：（1）C/N＜9會比高C/N比更明顯地增加產量，而3％施炭量處理具有較高的C/N比，微生物在含碳量高的土壤中會消耗更多的氮、磷元素，促使稻田中氮、磷元素被微生物固定，造成植物所吸收的營養物質減少［18］；（2）高施用量雖然可以有效提高土壤養分，但氮素生理利用率、農學利用率、氮素偏生產力均顯著下降，這可能與高炭處理下“源庫不協調”影響氮素養分向粒子的轉運有關，導致過多的養分留存在莖鞘、葉片等營養器官中，造成植物對養分的過度吸收［19-20］。

2.4 施炭量對不同時期土壤酶活性的影響

如圖3所示，豬糞炭能夠提高水稻分蘗期土壤的脲酶活性，并隨著施用量的增加，提升效果先增后減。1％施炭量處理較CK組增長15.92％，而3％施炭量處理增長13.69％，不同施用量之間沒有顯著差異。隨著施用量的增加，成熟期的提升效果同樣先增后減，在1％處理下達到最大值，比CK增長31.60％，各處理之間的差異顯著。隨著作用時間的延長，3％施炭量處理下，成熟期土壤脲酶活性下降，但其他處理呈增長趨勢，其中1％施炭量處理增幅最為明顯，達到13.11％。

豬糞炭能夠提高水稻分蘗期土壤蔗糖酶的含量，隨著施用量的增加，提升效果增大，最大值出現在3％施炭量處理中，比CK增長56.59％。隨著施用量的增加，成熟期的提升效果呈先增后減，在1％施炭量處理下達到最大值，比CK增長51.24％，且與2%、3%施炭量處理之間差異顯著。不同處理下土壤蔗糖酶活性在分蘗期和成熟期均有所不同，隨著作用時間的延長，在成熟期2％、3％施炭量處理的土壤蔗糖酶活性與分蘗期相比下降較大，分別為19.09％、31.94％，但1％施炭量處理增長了18.22％。

利用相關系數熱圖，研究不同施炭量對土壤理化性質的影響以及其對土壤酶活性的影響（圖4），土壤酶活性與土壤養分之間存在較強的相關性。土壤容重與土壤酶活性呈負相關，而其他土壤性質變量則與土壤酶活性呈正相關。總氮、總磷、有機質含量與脲酶活性具有較高的相關性，而總磷含量、pH值、飽和含水量與土壤蔗糖酶活性具有較高相關性?？梢?，施用豬糞炭導致多個土壤理化因素發生變化，從而影響土壤酶的活性。

生物炭的表面和孔隙為微生物提供棲息地，同時增加土壤基質中空氣、水、養分的運動，有助于提高微生物的豐度和活動，從而顯著提高土壤蔗糖酶和脲酶的活性［21］。在成熟期，3％施炭量處理的脲酶活性顯著低于其他2個施炭量處理，這可能是因為，生物炭隨水分沿土壤剖面向下遷移的過程中，細粒子如粉粒、黏粒等填充了部分大孔隙，形成“閉合區域”，從而限制了生物質炭的作用［13］。此外，生物炭對酶底物有強烈的吸附作用，這會減少酶與底物的接觸機會，從而抑制土壤脲酶的活性。同時，一些研究者發現，生物炭顆粒表面存在的環境持久性自由基（EPFRs）會對酶活性位點造成氧化損傷，導致其結構發生變化，從而降低或抑制脲酶的活性［22］。隨著生物炭施用量的增加，分蘗期土壤蔗糖酶的活性顯著提高，這可能是因為施加生物炭后，增加了外源碳并提高了土壤微生物活性，從而促進了腐解作用，并補充了土壤養分，提高了土壤蔗糖酶的活性［23］。隨著時間的推移，2％、3％施炭量處理導致土壤蔗糖酶活性降低，這可能是因為過量的生物炭吸附了大量蔗糖酶分子，并對蔗糖酶的酶促反應結合點形成了保護作用，從而阻止蔗糖酶酶促反應的進行［13］。此外，生物炭中的金屬離子Cu、Zn、Cd、Ni與蔗糖酶上游離的巰基（—SH）結合，酶的分子構象發生變化，最終導致酶的失活［23］。因此，增加豬糞炭的施用量，反而降低了土壤蔗糖酶的活性。

2.5 施炭量對不同時期土壤重金屬有效態的影響

如圖5所示，豬糞炭可以降低水稻分蘗期和成熟期土壤中的有效態砷含量，而且隨著施用炭量的增加，下降幅度先增后減。其中，在1％施炭量處理下，分蘗期、成熟期土壤有效態砷含量分別下降10.28％、7.69％，下降幅度最為顯著；此外，隨著作用時間的延長，成熟期各處理土壤中有效態砷含量相比分蘗期也呈下降趨勢。豬糞炭可以降低水稻分蘗期、成熟期土壤中的有效態鎘含量；其降低效果在1％處理時達到最大，分別下降14.14％、11.82％。此外，隨著作用時間的延長，在各種處理中，成熟期土壤中有效態鎘含量相比分蘗期呈上升趨勢。

施用豬糞炭明顯降低了水稻土壤中有效態As、Cd的含量，這是因為生物質炭可以通過金屬離子在其活性位點的靜電吸附、生物質炭孔隙內表面的物理吸附以及與生物質炭所含元素形成共沉淀、與生物質炭表面官能團的絡合等機制，來固定土壤中的重金屬［24］。但是，過量的生物炭添加會降低其有效態重金屬吸附能力，其原因是生物炭添加量過高會導致在生物炭制備過程中大量無機鹽離子和其他多余有機物質的殘留，這些雜質會影響生物炭孔結構和表面的化學成分，進而影響其吸附能力，這與張藝騰等的研究結果［25-26］一致。此外，添加量過高會導致生物炭粒子之間相互聚集，形成較大顆粒，從而影響生物炭的孔隙度和比表面積，降低其吸附能力。當生物炭添加過多時，可能會發生飽和吸附，即生物炭的表面積被重金屬離子完全覆蓋，導致生物炭的吸附容量達到飽和狀態。有效態Cd在土壤中的含量隨著作用時間的延長而出現上升趨勢可能是由于水稻生長根系分泌有機酸促進根際土壤有效Cd含量的增加。有效態As在土壤中含量隨著作用時間延長而降低，可能是由于生物質炭的吸附作用，以及在成熟期稻田水基本排干，氧化還原電位大幅升高，抑制As的解析。

3 結論

豬糞炭能夠顯著改善土壤理化性質并提高土壤養分含量。施加不同量的豬糞炭，對水稻產量各指標的影響不同，其中1％施炭量處理的效果最好，相較于CK組，水稻增產8.19％、每穗實粒數增長14.65％、平均穗長增長13.06％、有效分蘗數增長17.57％；而隨著施用量的增加，結實率呈下降趨勢，其中3％施炭量處理對結實率的影響最大，較CK組下降9.81％。

豬糞炭能夠顯著提高土壤酶活性并降低土壤重金屬的有效性，其中1％施炭量處理的效果最佳。1年生長周期后，與CK相比，脲酶活性增長31.60％，蔗糖酶活性增長51.24％；As、Cd等重金屬的有效態含量分別降低7.69％、11.82％。

采用低施炭量的方式可以減少對土地和環境的污染，同時節約成本和資源。綜上所述，本研究結果表明，施用1％的350 ℃豬糞炭，可以有效提升土壤肥力、增加酶活性和作物產量，同時大幅消減重金屬有效性，具有良好的實際應用" 。

參考文獻：

［1］孫 雪." 雞糞和豬糞生物質炭對土壤肥效及小白菜產量與品質的影響［D］. 南京：南京農業大學，2016：11-12.

［2］吳浩瑋，孫小淇，梁博文，等. 我國畜禽糞便污染現狀及處理與資源化利用分析［J］. 農業環境科學學報，2020，39（6）：1168-1176.

［3］Du L S，Zhu Z K，Qi Y T，et al. Effects of different stoichiometric ratios on mineralisation of root exudates and its priming effect in paddy soil［J］. Science of the Total Environment，2020，743：140808.

［4］Li F Y，Wu X，Ji W C，et al. Effects of pyrolysis temperature on properties of swine manure biochar and its environmental risks of heavy metals［J］. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2020，152：104945.

［5］閆翠俠，賈宏濤，孫 濤，等. 雞糞生物炭表征及其對水和土壤鎘鉛的修復效果［J］. 農業工程學報，2019，35（13）：225-233.

［6］孫 雪，劉琪琪，郭 虎，等. 豬糞生物質炭對土壤肥效及小白菜生長的影響［J］. 農業環境科學學報，2016，35（9）：1756-1763.

［7］何莉莉，黃佳佳，劉玉學，等. 豬糞炭對茶園土壤硝化過程及微生物酶活性的影響［J］. 農業環境科學學報，2020，39（12）：2824-2832.

［8］Zhu X M，Chen B L，Zhu L Z，et al. Effects and mechanisms of biochar-microbe interactions in soil improvement and pollution remediation：a review［J］. Environmental Pollution，2017，227：98-115.

［9］鮑士旦. 土壤農化分析［M］. 3版.北京：中國農業出版社，2000：25-241.

［10］關松蔭. 土壤酶及其研究法［M］. 北京：農業出版社，1986：274-339.

［11］石建堯，楊長登. 浙江省常規晚粳（糯）稻品種的主要農藝性狀和發展趨勢分析［J］. 浙江農業學報，2012，24（2）：197-201.

［12］Yip K，Tian F J，Hayashi J I，et al. Effect of alkali and alkaline earth metallic species on biochar reactivity and syngas compositions during steam gasification［J］. Energy amp; Fuels，2010，24（1）：173-181.

［13］郭碧林，陳效民，景 峰，等. 施用生物炭對紅壤性水稻土重金屬鈍化與土壤肥力的影響［J］. 水土保持學報，2019，33（3）：298-304.

［14］Novak J，Lima I，Gaskin J，et al. Characterization of designer biochar produced at different temperatures and their effects on a loamy sand［J］. Annals of Environmental Science，2009，3：195-206.

［15］Dong D，Wang C，van Zwieten L，et al. An effective biochar-based slow-release fertilizer for reducing nitrogen loss in paddy fields［J］. Journal of Soils and Sediments，2020，20（8）：3027-3040.

［16］Ktterer T，Roobroeck D，Andrén O，et al. Biochar addition persistently increased soil fertility and yields in maize-soybean rotations over 10 years in sub-humid regions of Kenya［J］. Field Crops Research，2019，235：18-26.

［17］魏永霞，石國新，馮 超，等. 黑土區施加生物炭對土壤綜合肥力與大豆生長的影響［J］. 農業機械學報，2020，51（5）：285-294.

［18］Liu X Y，Zhang A F，Ji C Y，et al. Biochar’s effect on crop productivity and the dependence on experimental conditions—A meta-analysis of literature data［J］. Plant and Soil，2013，373（1）：583-594.

［19］王 艷，易 軍，高繼平，等. 不同葉齡蘗、穗氮肥組合對粳稻產量及氮素利用的影響［J］. 作物學報，2020，46（1）：102-116.

［20］何大衛，趙艷澤，高繼平，等. 生物炭和氮肥配施對粳稻產量形成、氮肥當季效應及其后效的影響［J］. 植物營養與肥料學報，2021，27（12）：2114-2124.

［21］Gul S，Whalen J K，Thomas B W，et al. Physico-chemical properties and microbial responses in biochar-amended soils：mechanisms and future directions［J］. Agriculture，Ecosystems amp; Environment，2015，206：46-59.

［22］李博文. 污泥生物炭中溶解性有機質的溶出及其對土壤酸性磷酸酶活性的影響［D］. 昆明：昆明理工大學，2021：1-2.

［23］袁 訪，李開鈺，楊 慧，等. 生物炭施用對黃壤土壤養分及酶活性的影響［J］. 環境科學，2022，43（9）：4655-4661.

［24］李 璐. 熱裂解炭化溫度對小麥秸稈生物質炭理化性質及其可溶性組分生物活性的影響［D］. 南京：南京農業大學，2018：60-61.

［25］張藝騰. 在不同條件下添加優良雞糞生物炭對土壤化學特性的影響研究［D］. 長春：吉林農業大學，2018：37-38.

［26］彭紅宇，劉紅恩，王秋紅，等. 低溫生物炭和化肥配施對冬小麥生長和土壤鉛鎘生物有效性的影響［J］. 江蘇農業科學，2023，51（4）：212-219.