不同類型生物質炭對保山植煙土壤理化性質及酶活性的影響

關鍵詞：生物質炭；水熱炭；酶活性；植煙土壤：理化性質

中圖分類號：S151.9：S572.062 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2024）11-0092-08

保山市是云南省主要的清甜香烤煙產區，對保山市下轄5個縣（市、區）進行土壤質量評價與障礙診斷的結果表明，騰沖市的土壤質量指數最低，其中有機質和土壤容重是中度障礙因子，pH、全氮、有效磷、速效鉀是輕度障礙因子。騰沖市植煙障礙主要表現為土壤偏酸和氮、磷含量過高。楊紹俊等研究表明，保山植煙主要病害為青枯病和黑脛病等，青枯病和黑脛病均為土傳病害，即病原菌主要存在于土壤中。

生物炭常被用作土壤有機改良劑，是生物質在無氧高溫（500～800℃）條件下制備而得，具有孑L隙豐富、比表面積大、含碳量高等特性。生物炭能夠有效改善土壤pH，增加土壤孔隙度，降低土壤容重，促進團聚體的形成。有研究表明，生物炭能夠有效抑制土傳病害的發生，一方面通過促進植物對養分的吸收利用，提高植物的抗性，抵御病原菌：另一方面通過改善土壤微生態環境，建立健康的土壤防御系統，減少病原體種群，降低土傳病害的發生率。研究表明，生物炭豐富的孔隙給微生物提供了理想的棲息地，促進微生物的生命活動，提高了土壤養分。水熱炭是在一定的溫度（180～350℃）和壓力下，以水或其他溶劑為反應介質進行的熱化學轉化過程。與生物炭相比，由于水熱炭以水為溶劑，碳化過程中灰分會被液相帶走，因此灰分含量更低，同時保留了豐富的親水性基團，如羥基和羧基等。且由于水熱炭炭化溫度較低，其H/C和O/C含量比生物炭高，但是孑L隙較少甚至無孔，導致比表面積低。眾多研究表明，生物炭和水熱炭均會改善土壤理化性質以及土壤酶活性，因此探究生物質炭對保山植煙土傳病害的抑制作用具有重要意義。但是目前關于生物質炭的研究多集中于生物炭基肥對土壤鹽堿化、重金屬污染、微塑料污染等方面的影響，而關于其對植煙土傳病害的影響鮮有報道。

本研究針對保山植煙土壤耕作質量降低、烤煙土傳病害等不利于養分利用和烤煙生長的問題，設置常規施肥基礎上施加生物炭和水熱炭兩種生物質炭基肥處理，探究其對植煙土壤理化性質及酶活的影響，篩選合適的生物質炭基肥，以期為保山植煙土壤改良提供指導依據。

1材料與方法

1.1試驗地概況及材料

試驗在云南省騰沖市界頭鎮丘陵山區（98°。39′50.53″E，25°25′49.63″N）開展。該地屬于亞熱帶季風氣候，年均氣溫15℃，年均降水量1700mm。種植制度為煙草-油菜輪作。供試土壤類型為黃壤，土壤基本理化性質見表1。

試驗所用生物炭基肥和水熱炭基肥是以水稻和玉米秸稈為原材料制備而成（云南省微生物發酵工程研究中心有限公司生產），其基本理化性質見表2。兩種生物質炭基肥均為有機質含量60%、全氮1.50%、全磷0.50%、全鉀3.50%，pH值為7.50。

供試烤煙品種為云煙87。

1.3土壤樣品的采集

煙葉采收后分別采集0～20、20～40 cm土層土壤樣品并分為兩部分，其中一份置于-20℃冰箱低溫保存，用于土壤酶活性測定：另一部分土樣風干過2mm篩和0.125 mm篩，用于土壤化學指標測定。用環刀取0～20 cm和20～40 cm土層樣品，測定土壤容重、總孔隙度、顆粒組成（黏粒、粉砂粒、砂粒）等物理指標。

1.4土壤理化性質及酶活性測定

土壤理化性質測定均參照《土壤農業化學分析方法》，主要指標包括容重、總孔隙度、顆粒組成（黏粒、粉砂粒、砂粒）、質地分類、pH值、有機質、全氮、銨態氮、硝態氮、速效鉀、有效磷，并計算C/N值。

土壤蔗糖酶、脲酶、纖維素酶活性均采用96孔酶標板熒光分析法測定。

1.5數據處理與分析

試驗數據用Microsoft Excel 2016進行統計整理，用SAS 9.4軟件進行方差分析和主成分分析（PCA），顯著性檢驗采用LSD法（α=0.05），用Origin 9.5軟件制圖，利用SPSS 21.0軟件進行相關性分析。

2結果與分析

2.1生物質炭基肥對植煙土壤理化性質的影響

由圖1可知，0～20 cm和20～40 cm土層，與CK相比，T2顯著降低土壤粉砂粒含量，降幅分別為6.08%和9.87%：T1顯著增加土壤砂粒含量，增幅分別為4.86%和8.30%：20～40 cm土層，與CK相比，T1顯著增加土壤黏粒含量，增幅為7.53%。0～20cm土層，各處理土壤容重差異不顯著；20～40 cm土層，與CK相比，T1顯著降低土壤容重，降幅為4.00%。0～20 cm土層，與CK相比，T1顯著增加土壤總孔隙度，增幅為14.31%：20～40 cm土層，各處理土壤總孔隙度差異不顯著。

由圖2可知，0～20、20～40cm土層，與CK相比，T2顯著提高土壤pH值，增幅分別為7.74%和7.57%。0～20 cm土層，與CK相比，T2顯著降低土壤有機質含量，降幅為6.97%；20～40cm土層，各處理有機質含量差異不顯著。0～20cm土層，與CK相比，T2顯著提高土壤全氮含量，增幅為30.85%；在20～40 cm土層，與CK相比，T1和T2顯著提高土壤全氮含量，增幅分別為18.17%和17.69%。0～20、20～40cm土層，與CK相比，T2顯著降低土壤C/N值，降幅分別為25.75%和21.01%。0～20cm土層，與CK相比，T1和T2顯著降低土壤銨態氮含量，降幅分別為45.71%、57.11%；20～40cm土層，各處理銨態氮含量差異不顯著。0～20 cm土層，與CK相比，T1和T2顯著提高土壤硝態氮含量，增幅分別為30.32%和30.40%；20～40 cm土層，與CK相比，T2顯著提高硝態氮含量，增幅為24.66%。0～20cm土層，與CK相比，T1顯著提高土壤速效鉀含量，增幅為18.86%；20～40cm土層，與CK相比，T2顯著降低速效鉀含量，降幅為18.82%。0～20cm土層，與CK相比，T1顯著提高土壤有效磷含量，增幅為19.00%；20～40cm土層，與CK相比，T1和T2顯著降低有效磷含量，降幅分別為11.37%和23.13%。

2.2生物質炭基肥對植煙土壤酶活性的影響

由圖3可知，0～20 cm土層，與CK相比，T1和T2顯著降低土壤脲酶活性，降幅分別為19.42%和29.72%；20～40cm土層，各處理間脲酶活性無顯著差異。0～20 cm和20～40cm土層，與CK相比，T1顯著增加土壤纖維素酶活性，增幅分別為9.72%和53.95%。0～20 cm土層，與CK相比，Tl和T2顯著降低土壤蔗糖酶活性，降幅分別為18.53%和21.33%：20～40cm土層，T1顯著增加蔗糖酶活性，增幅為22.70%，T2顯著降低蔗糖酶活性，降幅為26.04%。

2.3生物質炭基肥處理下土壤理化性質和酶活性的相關性分析

對土壤理化因子與酶活性之間進行相關性分析，結果（圖4）表明，0～20 cm土層，土壤pH值與全氮含量、容重和砂粒含量呈顯著正相關，與硝態氮含量呈極顯著正相關，與蔗糖酶活性呈顯著負相關，與脲酶活性和銨態氮含量呈極顯著負相關；土壤有機質含量與粉砂粒含量呈顯著正相關，與碳氮比呈極顯著正相關，與全氮和黏粒含量呈顯著負相關；全氮含量與砂粒含量呈顯著正相關，與脲酶活性呈顯著負相關，與碳氮比和粉砂粒含量呈極顯著負相關：碳氮比與粉砂粒含量呈極顯著正相關；硝態氮含量與砂粒含量呈極顯著正相關，與脲酶活性呈顯著負相關，與銨態氮含量和蔗糖酶活性呈極顯著負相關：銨態氮含量與蔗糖酶和脲酶活性呈極顯著正相關，與土壤容重和砂粒含量呈顯著負相關：有效磷含量與總孔隙度和纖維素酶活性呈顯著正相關；速效鉀含量與砂粒含量呈顯著正相關；容重與脲酶活性呈顯著負相關；黏粒含量與纖維素酶活性呈顯著負相關：粉砂粒與砂粒含量呈顯著負相關：砂粒含量與脲酶活性呈顯著負相關；蔗糖酶與脲酶活性呈顯著負相關。

20～40 cm土層，土壤pH值與粉砂粒含量呈顯著負相關，與有機質含量、碳氮比、有效磷和速效鉀含量呈極顯著負相關；有機質含量與有效磷、速效鉀含量和蔗糖酶活性呈顯著正相關；全氮含量與總孔隙度和黏粒含量呈顯著正相關，與硝態氮含量呈極顯著正相關，與有效磷和速效鉀含量呈顯著負相關，與碳氮比和粉砂粒含量呈極顯著負相關；碳氮比與有效磷、速效鉀和粉砂粒含量呈極顯著正相關，與總孔隙度呈顯著負相關，與硝態氮含量呈極顯著負相關：銨態氮含量與總孔隙度呈顯著負相關：有效磷與粉砂粒含量呈顯著正相關，與速效鉀含量呈極顯著正相關，與總孔隙度呈顯著負相關；速效鉀與粉砂粒含量呈顯著正相關；容重與纖維素酶活性呈顯著負相關，與蔗糖酶活性呈極顯著負相關；總孔隙度與黏粒含量呈顯著正相關；黏粒與砂粒含量呈極顯著正相關，與粉砂粒含量呈顯著負相關：粉砂粒與砂粒含量呈極顯著負相關；砂粒含量與纖維素酶活性呈顯著正相關；蔗糖酶與纖維素酶活性呈顯著正相關。

土壤理化因子和酶活性之間的冗余分析結果（圖5）表明，0～20 cm土層，土壤脲酶（F=5.8，P=0.006）、纖維素酶（F=3.1，P=0.022）和蔗糖酶（F=2.8，P=0.048）活性均對土壤理化因子有顯著影響。其中脲酶活性與銨態氮含量呈顯著正相關，與pH值、硝態氮含量、全氮含量、容重和砂粒含量呈顯著負相關。20～40 cm土層，蔗糖酶（F=2.7，P=0.009）和纖維素酶（F=7，P=0.018）活性均對土壤理化因子有顯著影響。其中蔗糖酶活性與有機質含量呈顯著正相關，與容重呈顯著負相關。

3討論

本研究表明，施加生物炭基肥顯著降低20～40cm土層土壤容重，顯著提高0～20cm土層的土壤總孔隙度。生物炭和水熱炭均能有效降低土壤容重，提升土壤孔隙。與制備生物炭相比，水熱炭制備的溫度低，導致其孔隙較少，甚至無孔，因此水熱炭基肥的施加沒有對土壤容重和總孔隙度產生顯著性影響。本研究表明，與常規施肥相比，水熱炭基肥顯著提高了土壤pH值。生物炭和水熱炭均能夠有效提高土壤pH值，其中生物炭提高幅度更大，但本研究表明，水熱炭對土壤酸度的改良效果更優，原因可能是水熱炭制備過程中水作為溶劑，水熱炭表面存在更多的-OH、-COOH和C=O等基團，能夠快速與土壤中的H+發生反應，從而提高土壤的pH值。騰沖市存在土壤偏酸的問題，兩種生物質炭基肥均能夠有效改善該問題。在0～20 cm和20～40 cm土層中，兩種生物質炭基肥均能夠有效降低有機質含量，提高全氮含量，其中水熱炭的效果最為顯著。在0～20 cm和20～40 cm土層中，兩種生物質炭基肥均降低了C/N比，其中水熱炭降低更為顯著。同時在0～20 cm土層中，兩種生物質炭基肥均顯著降低銨態氮含量，而顯著提高硝態氮含量。李雪利等研究表明，C/N比高的情況下，微生物會提高利用有機碳的分解速率，消耗大量的有機質，促進微生物固定銨態氮為有機氮，減少氮素損失。在0～20 cm土層中，生物炭基肥顯著提高了土壤有效磷和速效鉀含量。淺層土壤有效磷和速效鉀含量的提高可能是由于微生物生命活動消耗穩定的有機物質，產生可被利用的速效及有效成分.而生物炭具有豐富的孔隙能夠給微生物提供棲息地，因此與水熱炭相比明顯提高有效磷和速效鉀含量。

脲酶參與氮素的轉化與循環，兩種生物質炭基肥均顯著降低0～20 cm土層土壤的脲酶活性。前人研究表明，生物炭的施加有效提高脲酶活性，與本研究結果不一致，可能是由于保山市植煙土壤中全氮是輕度障礙因子，影響了土壤脲酶的活性。纖維素酶和蔗糖酶是碳循環過程中的重要酶，纖維素酶能夠水解多糖至纖維二糖，蔗糖酶活性反映了土壤生物學活性強度以及土壤肥力。在0～20 cm和20～40 cm土層中，生物炭基肥均顯著提高纖維素酶活性：0～20 cm土層兩種生物質炭基肥均顯著降低蔗糖酶活性。已有研究表明，生物炭的施加能夠提高蔗糖酶和纖維素酶活性。本研究中，土壤蔗糖酶活性表現不一致可能是由于生物炭和水熱炭吸附了酶促反應的結合位點，抑制了酶促反應；也可能是由于吸附了酶的反應底物，從而降低了酶促反應。

4結論

生物炭基肥顯著提高0～20 cm土層土壤總孔隙度和硝態氮、有效磷、速效鉀含量及纖維素酶活性，顯著降低銨態氮含量及脲酶、蔗糖酶活性；水熱炭顯著提高土壤pH值及全氮、硝態氮含量，顯著降低C/N值和有機質、銨態氮含量及脲酶、蔗糖酶活性。生物炭基肥顯著提高20～40 cm土層土壤全氮含量及纖維素酶、蔗糖酶活性，顯著降低有效磷含量；水熱炭顯著提高土壤pH值和全氮及硝態氮含量，顯著降低C/N值和有效磷、速效鉀含量及蔗糖酶活性。0～20 cm土層，脲酶活性對土壤理化因子有顯著性影響，20～40 cm土層，蔗糖酶活性對土壤理化因子有顯著性影響。