辣椒秸秆生物炭对酸化土壤交换性能及酶活性的影响

李贞霞，任秀娟，祁雪娇，余小燕，王广印

(河南科技学院 园艺园林学院，河南新乡 453003)

目前，酸性土壤占全世界耕地土壤的40%，在中国酸性土壤的分布遍及14个省区，总面积达2 030万km2，约占全国耕地面积的21%[1-3]。近几十年来，各种人为活动显著地加速了土壤酸化[4-5]。土壤酸化会造成土壤养分利用效率降低、土壤有害物质增多，严重影响土壤性质和土壤微生物活性[6]。施用石灰是改良酸性土壤、提高作物产量的主要途径[7]。近期的研究表明，农作物秸秆等农业废弃物直接施入农田也可改良土壤酸度[8-9]，但改良效果因植物材料不同而异，且易被土壤微生物分解，造成改良效果不持久。农作物秸秆经高温厌氧热解可以制成生物炭，生物炭是一种具有高度芳香化及富含碳素的多孔固体颗粒物质。关于生物炭对酸化土壤的影响也有报道[10-12]，但关于生物炭对酸化土壤离子交换性能与土壤酶活性变化的研究还很少。

辣椒(CapsicumannuumL.)是中国重要的蔬菜作物，年种植面积超过130万hm2，产值和效益居蔬菜作物之首[13]，其生产伴生的大量秸秆己成为蔬菜废弃物的重要来源之一，如何绿色环保的利用辣椒秸秆已经成为农业废弃物资源利用上的一个重要课题。毕金华等[14]根据辣椒秸秆高含水率的特点研究其厌氧发酵产沼气潜力，弭宝彬等[13]利用辣椒秸秆丰富的含氧官能团研究其对重金属铬的吸附行为及机制，陆相龙[15]利用辣椒秸秆丰富的营养成分和辣椒素含量研究其对饲喂产蛋鸡的效果；但在辣椒生产中还有大量辣椒秸秆废弃物未得到有效利用[16]，因此本研究比较添加不同量的辣椒秸秆生物炭后酸化土壤离子交换性能与土壤酶活性的变化，探讨其对酸化土壤理化性质及土壤酶活性的影响，以期为改善土壤酸度、提高土壤肥力及拓宽辣椒秸秆废弃物利用途径提供有益的探索。

1 材料与方法

1.1 土壤材料

土样采自河南省信阳市平桥区平桥镇(N32°06′，E114°07′)一个百年老茶园，属黄棕壤，采用“S”型多点混合取样法，采自土表0～20 cm的土层，土壤样品从茶园取回后按常规方法处理，剔除植物根系和石块等，充分混合后用四分法留取，土样自然风干后，过2 mm筛，备用，土样pH 4.1，有机质质量分数14.48 g·kg-1，全氮1.62 g·kg-1，全磷1.57 g·kg-1，全钾12.18 g·kg-1。

1.2 辣椒秸秆生物炭

辣椒茎杆采集于河南省新乡市农业科学院辣椒课题组，将辣椒茎杆除去叶片后室温自然风干，用粉碎机粉碎，过1 mm筛，过筛后分别装入50 mL 的陶瓷坩埚中，装满后压实，加盖后置马弗炉于500 ℃下进行厌氧热解，升温速率20 ℃·min-1，热解过程持续4 h，制成辣椒秸秆生物炭，待自然冷却后取出，备用。辣椒秸秆生物炭主要成分采用Optima 2100pv电感耦合等离子发射光谱仪(美国PE仪器有限公司)测定；pH按炭∶水为1∶5(质量比)搅拌，过滤测定；火焰光度法测定全磷；灰化碱测定采用返滴定法[17]。辣椒秸秆生物炭的主要成分与化学性质见表1。

表1 辣椒秸秆生物炭的基本性质Table 1 Basic properties of chili straw biochar

1.3 土壤培养

称取200 g风干土，分别以0、0.5%、1.5%和2.5% 的比例加入辣椒秸秆生物炭；将充分混合均匀的土放入一次性塑料杯中，向杯内添加去离子水，使土壤中的含水量达到田间持水量的70%，以称量法保持持水量，用保鲜膜将其口封住，保鲜膜的中间要留一个小孔，以便气体交换；将塑料杯放到25 ℃的恒温培养箱中培养，每隔 2～3 d 观察并补充水分。本试验测定培养第5、10、20、30、40、50、60天 7个不同时间段的土壤，培养后将土壤放在室内自然风干，备用。

1.4 土壤性质测定

土壤pH采用1∶2.5土水比测定；土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定；土壤全氮采用开氏法测定；土壤全磷采用硫酸高氯酸消煮比色法测定；土壤全钾采用NaOH提取火焰光度法测定；土壤交换性H+和Al3+用1 mol·L-1KCl滴定法测定；交换性K+、Na+用1 mol·L-1乙酸铵交换法处理土壤获取浸出液，用火焰光度计测定；交换性Ca2+、Mg2+用EDTA络合滴定法测定；土壤中铵态氮采用靛酚蓝比色法测定；土壤阳离子交换量(Cation exchange capacty,简称CEC)的计算由土壤中交换性H+、Al3+、Na+、Ca2+和Mg2+各离子含量之和而得。以上项目的测定主要参考鲍士旦[18]的方法；土壤硝态氮用紫外分光光度计法测定[19]。

1.5 土壤酶活性测定

土壤酶活性分析采用关松荫等[20]的方法：土壤脲酶采用苯酚钠—次氯酸钠比色法，土壤酸性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法，土壤蔗糖酶采用3,5- 二硝基水杨酸比色法，过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法，土壤蛋白酶采用茚三酮比色法。

目前，人们用酶活的几何平均数(GMea)作为评价土壤质量的指数[21-22]。一般来说,GMea价值越高,土壤质量就越好。GMea的计算方法为：GMea=(Ura×Pho×Suc×Pro×Cat)1/5。

1.6 数据处理

用Excel 2010软件进行数据处理并制作折线图，采用DPS 7.55软件对数据进行方差分析与回归分析。

2 结果与分析

2.1 辣椒秸秆生物炭对土壤pH及交换性酸的影响

辣椒秸秆生物炭对土壤pH的影响见图1。由图1可知，辣椒秸秆生物炭能显著提高酸化土壤pH；土壤pH与辣椒秸秆生物炭的添加量呈显著正相关(r=0.967 4，P<0.05)。培养60 d后，添加量为0.5%、1.5%和2.5%的土壤pH分别升高7.56%、30.73%和36.83%。

辣椒秸秆生物炭对土壤交换性H+的影响见图2。由图2可知，各处理交换性H+都呈下降趋势，培养60 d后，添加量为0、0.5%的交换性H+的变化趋向一致，添加量为1.5%和2.5%的交换性H+的变化趋向一致；回归分析表明土壤交换性H+与辣椒秸秆生物炭添加量之间差异不显著(P>0.05)。

辣椒秸秆生物炭对土壤交换性Al3+的影响见图3。由图3可知，土壤交换性Al3+随培养时间的延长而下降；添加辣椒秸秆生物炭处理交换性Al3+显著低于未加炭处理；回归分析表明土壤交换性Al3+与辣椒秸秆生物炭添加量之间呈显著负相关(r=0.952 1，P<0.05)。

图1 土壤pH随培养时间的变化Fig.1 Changing trends of soil pH with incubation time

图2 土壤交换性H+随培养时间的变化Fig.2 Changing trends of soil exchangeable H+ with incubation time

图3 土壤可交换性Al3+随培养时间的变化Fig.3 Changing trends of soil exchangeable Al3+ with incubation time

2.2 辣椒秸秆生物炭对土壤和的影响

图4 土壤随培养时间的变化Fig.4 Changing trends of soil

图5 土壤随培养时间的变化Fig.5 Changing trends of soil with incubation time

2.3 辣椒秸秆生物炭对土壤交换性能的影响

添加辣椒秸秆生物炭对土壤交换性能的影响见表2。由表2可知，土壤交换性Na+在添加量为0和0.5%之间差异不显著，添加量为1.5%和2.5%之间交换性Na+差异显著；交换性K+随着辣椒秸秆生物炭添加量的增加而增大，添加辣椒秸秆生物炭各处理土壤交换性K+显著高于对照。土壤交换性Na+与辣椒秸秆生物炭添加量之间呈显著正相关(r=0.961 6，P<0.05)；交换性K+与辣椒秸秆生物炭添加量之间呈极显著正相关(r=0.997 5，P<0.01)。

交换性Ca2+在添加量为0、0.5%之间差异不显著，添加量为1.5%和2.5%之间交换性Ca2+差异显著；交换性Mg2+在添加量为0、0.5%和1.5%之间差异不显著，添加量为2.5%交换性Mg2+显著高于其他处理；交换性Ca2+和Mg2+与辣椒秸秆生物炭添加量之间相关性不显著。

总盐基离子、土壤CEC变化趋势与交换性Na+相同，其与辣椒秸秆生物炭添加量之间呈显著正相关，其相关系数分别为r=0.980 3和r=0.984 4，P<0.05。

表2 辣椒秸秆生物炭对土壤可交换性盐基离子的影响Table 2 Effect of chili straw biochar for soil exchangeable base cations

注：同列不同小写字母表示在0.05水平的差异显著性，下同。

Note:The different lowercase letters in same column data indicate significant difference at 0.05 level，the same below.

从上述可见，添加辣椒秸秆生物炭可以影响土壤交换性能的多个因素，而这些因素间可能存在多重共线性，特别是各因子间存在高度依赖关系时，都会影响到其与辣椒秸秆生物炭添加量的关系，为此又做了逐步线性回归分析；逐步线性回归分析能从大量可供选择的变量中选出对建立回归方程重要的变量，逐步剔除不显著的变量，最终获得最优方程。各因素对辣椒秸秆生物炭添加量的逐步线性回归分析结果表明，添加辣椒秸秆生物炭直接影响土壤交换性K+及土壤总盐基离子，其回归方程为y= 0.014 5+0.008 9x1-0.001 1x2，P=0.015(P<0.05)，x1为交换性K+，x2为总盐基离子，y为辣椒秸秆生物炭添加量。

2.4 辣椒秸秆生物炭对土壤酶活性的影响

由表3可知，培养60 d后各处理土壤酶活性差异很大。土壤脲酶活性在辣椒秸秆生物炭添加量为2.5%时显著高于其他处理；辣椒秸秆生物炭添加量为0和0.5%之间差异不显著；土壤蔗糖酶活性与土壤脲酶活性变化一致；相关分析表明土壤脲酶与辣椒秸秆生物炭添加量呈显著正相关(r= 0.950 6，P<0.05)，土壤蔗糖酶与辣椒秸秆生物炭添加量呈极显著正相关(r=0.991 6，P<0.01)。

土壤酸性磷酸酶活性在辣椒秸秆生物炭添加量为0.5%时最高，1.5%时最低；土壤蛋白酶活性在辣椒秸秆生物炭添加量为0.5%时显著高于其他处理；添加辣椒秸秆生物炭的各处理过氧化氢酶活性都显著高于对照，辣椒秸秆生物炭添加量为2.5%时过氧化氢酶活性最高；但土壤酸性磷酸酶、蛋白酶、过氧化氢酶与辣椒秸秆生物炭添加量之间相关性不显著。

表3 辣椒秸秆生物炭对土壤酶活性的影响Table 3 Effect of chili straw biochar on soil enzyme

土壤酶的几何平均数(GMea)随培养时间的变化趋势见图6。由图6可知，辣椒秸秆生物炭添加量为0和0.5%的2个处理变化趋势一致，差异不显著；辣椒秸秆生物炭添加量为1.5%和2.5%的2个处理变化趋势一致，差异不显著；但辣椒秸秆生物炭添加量为1.5%和2.5%的GMea显著高于辣椒秸秆生物炭添加量为0和0.5%的2个处理(P<0.01)。说明添加辣椒秸秆生物炭能够提高GMea，其提高量与辣椒秸秆生物炭的添加量有关。

2.5 土壤酶活性变化的影响因素分析

图6 GMea随培养时间的变化Fig.6 Changing trends of GMea with incubation time

表4 土壤酶活性与各因素的逐步线性回归分析Table 4 Linear stepwise regression analysis of each element and soil enzyme

3 讨 论

添加辣椒秸秆生物炭显著改善土壤中交换性Na+与交换性K+的含量；土壤中交换性Na+从无到有的改变可能与土壤pH变化有关；培养试验结束土壤交换性K+比交换性Na+提高了4.36倍，分析土壤交换性K+与辣椒秸秆生物炭中K元素关系发现，二者呈极显著正相关(P<0.01)，说明交换性K+的变化主要受辣椒秸秆生物炭的影响。土壤中交换性Ca2+和Mg2+与辣椒秸秆生物炭中Ca和Mg元素关系不显著(P>0.05)，说明土壤中交换性Ca2+和Mg2+主要受土壤环境因素的影响，也可能与辣椒秸秆生物炭中Ca、Mg元素含量低有关；总盐基离子、土壤CEC与辣椒秸秆生物炭添加量之间呈显著正相关；土壤CEC是土壤所含有的交换性阳离子的最大量，土壤CEC是影响土壤缓冲能力高低、评价土壤保水保肥能力、改良土壤和合理施肥的重要依据[28]；添加辣椒秸秆生物炭能提高酸化土壤缓冲能力及保水保肥能力。

4 结 论