施用豬糞炭對(duì)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(yàn)，研究不同施用量（0、1％、2％、3％）的豬糞炭對(duì)水稻田土壤肥力提升及酶學(xué)性質(zhì)的影響，分析豬糞炭?jī)?yōu)化調(diào)控水稻產(chǎn)量及鈍化土壤重金屬的應(yīng)用性。結(jié)果表明，施用豬糞炭提高土壤氮、磷、鉀及有機(jī)質(zhì)的含量并降低土壤容重。施炭處理促進(jìn)提高水稻產(chǎn)量，其中1％施炭處理的水稻產(chǎn)量較對(duì)照提高8.19％，有效分蘗數(shù)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(shì)，成熟期蔗糖酶活性以及2個(gè)生育期脲酶活性呈先升后降趨勢(shì)；成熟期1％施炭處理的蔗糖酶、脲酶活性較對(duì)照分別提高51.24％、31.60％。施用豬糞炭顯著降低土壤有效態(tài)重金屬As、Cd的含量；1％施炭處理在分蘗期、成熟期有效態(tài)As含量較對(duì)照分別降低10.28％、7.69％，有效態(tài)Cd分別降低14.14％、11.82％。綜上，豬糞炭施用能夠促進(jìn)土壤肥力提升，提高作物產(chǎn)量并降低土壤重金屬風(fēng)險(xiǎn)，其中1％施炭處理效果最佳。

關(guān)鍵詞：豬糞炭；土壤肥力；水稻生長(zhǎng)；酶活性；重金屬

中圖分類(lèi)號(hào)：S511.06" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2024）05-0243-07

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和居民消費(fèi)水平的提高，畜禽養(yǎng)殖業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)已由原來(lái)的分散型、小規(guī)模型向集約化、大規(guī)模化方向發(fā)展，這導(dǎo)致動(dòng)物糞便的大量產(chǎn)生［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年畜禽糞污產(chǎn)生量高達(dá) 38 億t，給周邊環(huán)境安全帶來(lái)潛在的危害，加劇農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題［2］。研究表明，畜禽糞便中含有植物生長(zhǎng)需要的多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，能夠促進(jìn)作物生產(chǎn)，是化肥的有機(jī)替代品［3］。然而，在施用糞肥之后，農(nóng)田土壤和作物中可能出現(xiàn)重金屬含量增加或超標(biāo)等現(xiàn)象，這對(duì)農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅［4］。如何對(duì)畜禽糞便進(jìn)行有效管理和利用，已成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。

隨著全球環(huán)境污染和能源危機(jī)的不斷加劇，畜禽糞便生物炭作為一種可再生、環(huán)保的廢棄物資源，如何對(duì)其進(jìn)行循環(huán)利用，已成為備受關(guān)注的課題。閆翠俠等通過(guò)土壤培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雞糞生物炭有著較強(qiáng)的鈍化效果，可以顯著降低TCLP提取態(tài)的Pb、Cd含量［5］。孫雪等通過(guò)盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，豬糞炭可以顯著提高土壤肥力和作物產(chǎn)量，說(shuō)明畜禽糞便在經(jīng)過(guò)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(huán)境和微生物活性，促進(jìn)土壤的生物化學(xué)反應(yīng)和養(yǎng)分元素循環(huán)，從而提高土壤的養(yǎng)分利用率和質(zhì)量［7］。合理使用生物質(zhì)炭，不僅可以改善土壤微生物的棲息環(huán)境，還可以直接影響微生物代謝，同時(shí)增強(qiáng)土壤酶活性，從而實(shí)現(xiàn)土壤的修復(fù)和改良［8］。

綜上所述，將畜禽糞便熱解后得到的生物炭應(yīng)用于土壤中，有助于改善土壤質(zhì)量，降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，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(yīng)用研究，多集中于生物炭理化結(jié)構(gòu)對(duì)污染物的吸附以及盆栽試驗(yàn)對(duì)土壤的改良效果。本研究通過(guò)大田試驗(yàn)，探究低溫（350 ℃）制備豬糞炭的不同施加量（0、1％、2％、3％）對(duì)水稻生長(zhǎng)不同階段（分蘗期、成熟期）土壤的養(yǎng)分和酶活性的影響，同時(shí)評(píng)估作物增產(chǎn)效果及重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)，旨在為豬糞炭的資源化利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于浙江省舟山市定海區(qū)馬岙街道三星社區(qū) （30°7′51″N，122°5′22″E）。該地區(qū)年平均氣溫17.1 ℃，年均降水量1 472.5 mm，日照時(shí)數(shù) 1 823.8 h，大風(fēng)天10.8 d，霧天19.2 d，無(wú)霜期336.5 d。研究土壤為壤土，其基本理化性質(zhì)詳見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4個(gè)不同施炭量處理，分別為0、1％、2％、3％，每個(gè)處理重復(fù)3次，共12個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積20 m2。試驗(yàn)采用的豬糞炭是在350 ℃低溫下制備而成的，其基本理化性質(zhì)詳見(jiàn)表2，豬糞炭的掃描電鏡圖像見(jiàn)圖1。2021年6月23日，將豬糞炭與道爾水稻專(zhuān)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(jìn)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(gè)小區(qū)采集5個(gè)樣本混合均勻運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，部分自然風(fēng)干后，測(cè)定土壤各種指標(biāo)數(shù)值。土壤理化性質(zhì)參照《土壤農(nóng)化分析》進(jìn)行測(cè)定：pH 值采用電位法測(cè)定，土壤全氮含量采用凱式定氮法測(cè)定，全磷含量采用NaOH熔融-鉬銻比色法測(cè)定，速效鉀含量采用NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)含量采用硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定［9］。各小區(qū)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(cè)定［10］。土壤有效態(tài)Cd、As含量，采用DTPA浸提、ICP-MS方法測(cè)定［9］。于11月24日收割不同小區(qū)的水稻，分別統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量。每個(gè)小區(qū)取3穴水稻，穗節(jié)至穗頂（不連芒）的平均長(zhǎng)度記作穗長(zhǎng)；3穴充實(shí)度在1/3以上的谷粒數(shù)及落粒數(shù)之和除以3穴總穗數(shù)，記作每穗粒數(shù)；每穗實(shí)粒數(shù)/每穗總粒數(shù)，記作結(jié)實(shí)率；在考種后完全曬干的實(shí)粒中，隨機(jī)取2份1 000粒分別稱(chēng)質(zhì)量（g），其差值不大于其平均值的3％，取2個(gè)重復(fù)的平均值，記作千粒重［11］。采用Microsoft Excel 2016、Origin 2021、SPSS 26.0軟件，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、均值的多重比較、相關(guān)性分析，顯著性水平設(shè)為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 施炭量對(duì)不同時(shí)期土壤理化性質(zhì)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(zhì)，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(shì)。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(zhǎng)17.34％、42.73％。

豬糞炭作為一種優(yōu)質(zhì)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(shí)，這些元素會(huì)釋放出來(lái)并呈現(xiàn)明顯的堿性［12］。由于其緩慢釋放的特性，隨著時(shí)間的推移，生物炭還能進(jìn)一步提高土壤的pH值，是改良酸性土壤的優(yōu)質(zhì)材料。生物炭能夠改善土壤的孔隙結(jié)構(gòu)，降低土壤容重，增加土壤的孔隙度、飽和含水量，這是因?yàn)樯锾勘旧砭哂惺杷啥嗫住⒈缺砻娣e大的特點(diǎn)［13］。此外，生物炭還可以吸附并保持水分，進(jìn)而提高土壤的滲透性和飽和含水量［14］。

2.2 施炭量對(duì)不同時(shí)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(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)含量分別比對(duì)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(jī)質(zhì)含量分別比對(duì)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(jī)質(zhì)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(yǎng)分，并且隨著時(shí)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(zhì)炭擁有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)、較高的比表面積以及芳香結(jié)構(gòu)，這些性質(zhì)賦予其強(qiáng)大的吸附能力，可以減少氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素的流失［15］。此外，生物質(zhì)炭本身就含有少量的氮、磷、鉀元素，這些元素可能會(huì)被釋放出來(lái)，從而促進(jìn)土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量的提高［16］。值得注意的是，施加生物炭可提高土壤養(yǎng)分，但施炭量過(guò)高導(dǎo)致土壤pH值過(guò)高，土壤中的有機(jī)質(zhì)、速效鉀含量過(guò)高，氮、磷含量過(guò)低，反而不利于作物的生長(zhǎng)，因此尋求土壤養(yǎng)分處于綜合性最好的狀態(tài)是必要且可行的［17］。

2.3 施炭量對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

由表4可知，與CK相比，施用生物質(zhì)炭可以提高水稻的產(chǎn)量、每穗實(shí)粒數(shù)、平均穗長(zhǎng)、有效分蘗數(shù)；1％施炭量處理的增加效果最顯著，比CK增產(chǎn)8.19％，每穗實(shí)粒數(shù)增加14.65％，平均穗長(zhǎng)增加13.06％，有效分蘗數(shù)增加17.57％。然而，隨著施炭量的增加，產(chǎn)量、結(jié)實(shí)率有顯著下降趨勢(shì)；與1％施炭量處理相比，3％施炭量處理產(chǎn)量下降6.83％，結(jié)實(shí)率下降10.49％，而千粒重在各處理之間沒(méi)有顯著差異。

研究表明，生物炭可以平均提高水稻產(chǎn)量5.6％，而且施用量與產(chǎn)量并不成正比［18］，本研究結(jié)果與之基本一致。增加生物炭施用量未必能提高產(chǎn)量可能是因?yàn)椋海?）C/N＜9會(huì)比高C/N比更明顯地增加產(chǎn)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(huì)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)減少［18］；（2）高施用量雖然可以有效提高土壤養(yǎng)分，但氮素生理利用率、農(nóng)學(xué)利用率、氮素偏生產(chǎn)力均顯著下降，這可能與高炭處理下“源庫(kù)不協(xié)調(diào)”影響氮素養(yǎng)分向粒子的轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)，導(dǎo)致過(guò)多的養(yǎng)分留存在莖鞘、葉片等營(yíng)養(yǎng)器官中，造成植物對(duì)養(yǎng)分的過(guò)度吸收［19-20］。

2.4 施炭量對(duì)不同時(shí)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(zhǎng)15.92％，而3％施炭量處理增長(zhǎng)13.69％，不同施用量之間沒(méi)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(dá)到最大值，比CK增長(zhǎng)31.60％，各處理之間的差異顯著。隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)，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(zhǎng)趨勢(shì)，其中1％施炭量處理增幅最為明顯，達(dá)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(xiàn)在3％施炭量處理中，比CK增長(zhǎng)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(dá)到最大值，比CK增長(zhǎng)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(shí)間的延長(zhǎng)，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(zhǎng)了18.22％。

利用相關(guān)系數(shù)熱圖，研究不同施炭量對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響以及其對(duì)土壤酶活性的影響（圖4），土壤酶活性與土壤養(yǎng)分之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性。土壤容重與土壤酶活性呈負(fù)相關(guān)，而其他土壤性質(zhì)變量則與土壤酶活性呈正相關(guān)。總氮、總磷、有機(jī)質(zhì)含量與脲酶活性具有較高的相關(guān)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(guān)性。可見(jiàn)，施用豬糞炭導(dǎo)致多個(gè)土壤理化因素發(fā)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(shí)增加土壤基質(zhì)中空氣、水、養(yǎng)分的運(yùn)動(dòng)，有助于提高微生物的豐度和活動(dòng)，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(gè)施炭量處理，這可能是因?yàn)椋锾侩S水分沿土壤剖面向下遷移的過(guò)程中，細(xì)粒子如粉粒、黏粒等填充了部分大孔隙，形成“閉合區(qū)域”，從而限制了生物質(zhì)炭的作用［13］。此外，生物炭對(duì)酶底物有強(qiáng)烈的吸附作用，這會(huì)減少酶與底物的接觸機(jī)會(huì)，從而抑制土壤脲酶的活性。同時(shí)，一些研究者發(fā)現(xiàn)，生物炭顆粒表面存在的環(huán)境持久性自由基（EPFRs）會(huì)對(duì)酶活性位點(diǎn)造成氧化損傷，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)發(fā)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?yàn)槭┘由锾亢螅黾恿送庠刺疾⑻岣吡送寥牢⑸锘钚裕瑥亩龠M(jìn)了腐解作用，并補(bǔ)充了土壤養(yǎng)分，提高了土壤蔗糖酶的活性［23］。隨著時(shí)間的推移，2％、3％施炭量處理導(dǎo)致土壤蔗糖酶活性降低，這可能是因?yàn)檫^(guò)量的生物炭吸附了大量蔗糖酶分子，并對(duì)蔗糖酶的酶促反應(yīng)結(jié)合點(diǎn)形成了保護(hù)作用，從而阻止蔗糖酶酶促反應(yīng)的進(jìn)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(jié)合，酶的分子構(gòu)象發(fā)生變化，最終導(dǎo)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(duì)不同時(shí)期土壤重金屬有效態(tài)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(tài)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(tài)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(shí)間的延長(zhǎng)，成熟期各處理土壤中有效態(tài)砷含量相比分蘗期也呈下降趨勢(shì)。豬糞炭可以降低水稻分蘗期、成熟期土壤中的有效態(tài)鎘含量；其降低效果在1％處理時(shí)達(dá)到最大，分別下降14.14％、11.82％。此外，隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)，在各種處理中，成熟期土壤中有效態(tài)鎘含量相比分蘗期呈上升趨勢(shì)。

施用豬糞炭明顯降低了水稻土壤中有效態(tài)As、Cd的含量，這是因?yàn)樯镔|(zhì)炭可以通過(guò)金屬離子在其活性位點(diǎn)的靜電吸附、生物質(zhì)炭孔隙內(nèi)表面的物理吸附以及與生物質(zhì)炭所含元素形成共沉淀、與生物質(zhì)炭表面官能團(tuán)的絡(luò)合等機(jī)制，來(lái)固定土壤中的重金屬［24］。但是，過(guò)量的生物炭添加會(huì)降低其有效態(tài)重金屬吸附能力，其原因是生物炭添加量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致在生物炭制備過(guò)程中大量無(wú)機(jī)鹽離子和其他多余有機(jī)物質(zhì)的殘留，這些雜質(zhì)會(huì)影響生物炭孔結(jié)構(gòu)和表面的化學(xué)成分，進(jìn)而影響其吸附能力，這與張藝騰等的研究結(jié)果［25-26］一致。此外，添加量過(guò)高會(huì)導(dǎo)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(dāng)生物炭添加過(guò)多時(shí)，可能會(huì)發(fā)生飽和吸附，即生物炭的表面積被重金屬離子完全覆蓋，導(dǎo)致生物炭的吸附容量達(dá)到飽和狀態(tài)。有效態(tài)Cd在土壤中的含量隨著作用時(shí)間的延長(zhǎng)而出現(xiàn)上升趨勢(shì)可能是由于水稻生長(zhǎng)根系分泌有機(jī)酸促進(jìn)根際土壤有效Cd含量的增加。有效態(tài)As在土壤中含量隨著作用時(shí)間延長(zhǎng)而降低，可能是由于生物質(zhì)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(jié)論

豬糞炭能夠顯著改善土壤理化性質(zhì)并提高土壤養(yǎng)分含量。施加不同量的豬糞炭，對(duì)水稻產(chǎn)量各指標(biāo)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(chǎn)8.19％、每穗實(shí)粒數(shù)增長(zhǎng)14.65％、平均穗長(zhǎng)增長(zhǎng)13.06％、有效分蘗數(shù)增長(zhǎng)17.57％；而隨著施用量的增加，結(jié)實(shí)率呈下降趨勢(shì)，其中3％施炭量處理對(duì)結(jié)實(shí)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(zhǎng)周期后，與CK相比，脲酶活性增長(zhǎng)31.60％，蔗糖酶活性增長(zhǎng)51.24％；As、Cd等重金屬的有效態(tài)含量分別降低7.69％、11.82％。

采用低施炭量的方式可以減少對(duì)土地和環(huán)境的污染，同時(shí)節(jié)約成本和資源。綜上所述，本研究結(jié)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(chǎn)量，同時(shí)大幅消減重金屬有效性，具有良好的實(shí)際應(yīng)用" 。

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