生物炭施用对节水灌溉稻田土壤酶活性的影响

江赜伟，杨士红,2，李育华，丁 洁，孙 潇

(1.河海大学农业工程学院，南京 210098；2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098；3.南京市江宁区水务局，南京 211112)

0 引 言

土壤是陆地生态系统中最大的碳源，农田是其中最为活跃的部分[1,2]。土壤酶作为农田土壤发生发育、肥力形成过程中重要的催化剂，驱动着土壤中的物质能量转化和养分元素循环[3]，在调节农业生态系统对环境条件变化的响应方面发挥了关键作用[4]。同时，土壤酶对土壤质量变化十分敏感，土壤酶活性与土壤中有机质含量、微生物数量及土壤呼吸强度等密切相关，是反映土壤肥力高低和生物活性的重要指标[5]。水稻种植面积占我国粮食作物种植面积的26.4%[6]，稻田土壤的有机碳含量高、固碳潜力巨大，土壤酶活性的改变势必影响全球碳循环。因此，研究稻田土壤酶活性的变化规律对于实现稻田可持续发展具有重要意义[7]。

生物炭作为一种改良土壤养分循环、有机物分解的土壤调理剂愈发受到关注[4]。已有研究表明，添加生物炭增加了与N、P循环相关的土壤酶活性而降低了参与土壤矿化的土壤酶活性[8]，但也有研究得到了相反的结论[9]。通过推广节水灌溉模式来应对全国日益严峻的水资源紧缺局面已成为行业共识。然而目前相关研究仍主要集中在淹灌稻田，节水灌溉条件下添加生物炭对稻田土壤酶活性的影响还有待深入研究。此外，研究多为与碳氮物质循环有关的少数几种土壤酶[10]，譬如，Yanai等[11]发现生物炭施用会增加土壤反硝化酶的活性，Jin[12]发现β-D-纤维双糖甘酶的活性随着生物炭施用量的增加而降低。关于生物炭施用对土壤蔗糖酶和过氧化氢酶的影响却鲜有研究，而过氧化氢酶可以表征土壤生物氧化过程的强弱[13]，蔗糖酶能够反映土壤熟化程度和肥力水平[14]，2者均能较为灵敏地反映土壤微生物活动和作物代谢的强度[15]。因此，本文拟通过田间试验，探究节水灌溉稻田中施用生物炭对土壤蔗糖酶和过氧化氢酶活性的影响，阐明酶活性随土层深度以及水稻生长的变化规律，以期为探究生物炭对节水灌溉稻田土壤环境的影响提供科技支撑。

1 材料与方法

1.1 试验条件

试验于河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室昆山排灌试验基地开展(34°63′21″N，121°05′22″E)。试验区地属亚热带南部的季风气候，年降雨量是1 097.1 mm，年蒸发量1 365.9 mm，年平均气温为15.5 ℃，平均无霜期234 d，日照时长2 085.9 h。当地习惯稻麦轮作，试验地土壤为潴育型黄泥土，耕层属于重壤土，0～30 cm土壤容重为1.32 g/cm3，0～18 cm土层土壤pH值7.4，全钾20.86 g/kg，全磷1.4 g/kg，全氮1.79 g/kg。

1.2 试验设计

试验设置2个灌溉处理：控制灌溉(C)和常规灌溉(F)，控制灌溉下设置施用生物炭0(对照，C0)、施用中量生物炭20 t/hm3(C20)和高量生物炭40 t/hm2(C40)3个生物炭施用处理，常规灌溉下设置高量生物炭施用量40 t/hm2(F40)处理，共4个处理，每个处理设3次重复。试验于盆栽(80 cm×50 cm×70 cm)中进行，水稻株距13 cm，行距25 cm，每穴苗量3～4株，水稻品种为苏香米。2017年6月30日插秧，10月31日收割。生物炭制造原料为水稻秸秆，其主要成分见表1。常规肥料施用依据当地农民习惯施肥方法和施肥量进行管理，其中氮肥用量328.48 kg/hm2，磷肥用量45.00 kg/hm2，钾肥用量63.75 kg/hm2。

表1 试验中使用的生物炭的主要成分Tab.1 Main properties of the biochar used in the experiment

1.3 田间水分管理及采样分析

控制灌溉稻田在水稻返青期保留10～30 mm的田内浅薄水层，之后的各生育期，除了施肥、打药、除草外不建立水层，以根系活动层土壤水分占饱和含水率60%～80%为控制指标。常规灌溉处理按当地水稻种植习惯管理，除分蘖后期排水晒田以外，其余各生育阶段田间均保留3～5 cm薄水层，黄熟期自然落干。

试验在泡田期、分蘖期、拔节孕穗期、乳熟期和收割后共采集5次土样。在12个盆栽中将土层分为0～10、10～20、20～40 cm 3层，采用“S”法采集土样。剔除植物根系、石砾，将土样自然风干后过20目筛以供测定土壤酶活性。参照吴金水等[16]的方法，土壤蔗糖酶用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，土壤过氧化氢酶用高锰酸钾滴定法测定。土壤过氧化氢酶活性以30 min后每克土壤消耗的0.002 mol/L高锰酸钾的毫升数表示，土壤蔗糖酶活性以24 h后每克土壤产生的葡萄糖毫克数表示。

1.4 数据分析

用Excel 2013初步分析数据并建立数据库，绘制相关图表。数据方差分析与显著性差异分析用SPSS 22.0完成，采用LSD法作多重比较分析(差异显著性水平为p=0.05)。

2 结果与分析

2.1 生物炭施用对不同生育阶段稻田土壤过氧化氢酶活性的影响

不同生育阶段下，节水灌溉稻田土壤过氧化氢酶活性的垂直分布规律基本一致(图1)，均表现出较好的分层分布，即随着土层深度的增加土壤过氧化氢酶活性表现出先增后减的趋势。从总体上看，生物炭施用提高了节水灌溉稻田同一深度土层的土壤过氧化氢酶活性，且随着生物炭施用量的增加而增加，但分蘖期的0～10 cm土层出现了降低，C20处理的土壤过氧化氢酶活性比C0处理的降低了1.57%，这可能是因为生物炭的氧化分解需要时间，在受扰动较大的表层土壤没有完全发挥效果，且生物炭在一定程度上吸附了过氧化氢酶利用的底物[17]，导致施加生物炭处理的土壤过氧化氢酶活性较未施加处理的相差不大甚至略有下降。在各生育期，C20处理和C40处理的0～40 cm土层的土壤过氧化氢酶活性均值分别比C0处理高1.89%～4.64%和6.67%～8.75%。在0～10 cm土层，C20和C40处理的土壤过氧化氢酶活性随着生育期延长先增加后减少，而C0处理的土壤过氧化氢酶活性随着生育期延长而减少，分蘖期和拔节孕穗期的C0和C40处理间、乳熟期的C0和C40、C20和C40处理间差异显著(p<0.05)。在10～20 cm土层，C0和C20处理的土壤过氧化氢酶活性随着生育期延长先增加后减少，而C40处理的土壤过氧化氢酶活性随着生育期延长而减少，分蘖期的C0处理和C40处理间达到了显著性差异(p<0.05),其余处理之间差异均不显著。在20～40 cm土层，土壤过氧化氢酶活性随着生育期延长逐渐减少，各处理间的差异在各生育阶段均不显著。

图1 不同生育阶段土壤过氧化氢酶活性的垂直分布Fig. 1 Vertical distribution of soil hydrogen peroxidase activities in different growth stages

2.2 生物炭施用对不同生育阶段稻田土壤蔗糖酶活性的影响

节水灌溉稻田土壤蔗糖酶活性的垂直分布规律在不同生育阶段基本一致(见图2)，随土层深度的增加呈减少趋势，但高量生物炭施用处理的土壤蔗糖酶活性在乳熟期出现了随深度的增加先减少后增加的情况，可能与生物炭促进了根系发育，而水稻生长后期深层根系分布变多有关，中量生物炭处理的20～40 cm土层与10～20 cm土层的土壤蔗糖酶活性在乳熟期差异不大(p<0.05)，这在一定程度上也佐证了这一现象。同一生育期、同一深度土层的土壤蔗糖酶活性大体上随着生物炭施用量的增加而增加，但拔节孕穗期和乳熟期的10～20 cm土层出现了降低，各生育期的C20处理和C40处理的0～40 cm土层土壤蔗糖酶活性均值分别比C0处理高3.21%～23.38%和35.26%～73.43%。不同生物炭施加量处理的土壤蔗糖酶活性在分蘖期差异显著，而在水稻生长中后期，C20处理与C0处理的土壤蔗糖酶活性差异逐渐减弱，但仍显著低于C40处理土壤蔗糖酶活性。在0～10 cm土层，相同生物炭施用量下，土壤蔗糖酶活性随着生育期的推进先减少后增加，各生育期的土壤蔗糖酶活性随着生物炭施用量的增加而增加，均呈现C0

图2 不同生育阶段土壤蔗糖酶活性的垂直分布Fig. 2 Vertical distribution of soil saccharase activities in different growth stages

在10～20 cm土层，土壤蔗糖酶活性随水稻生长逐渐减少，分蘖期呈现C0

图3 灌溉处理对稻田不同生育期土壤过氧化氢酶酶活性的影响Fig.3 Effects of Irrigation treatments on soil hydrogen peroxidase activities in different growth stages

2.3 灌溉管理对稻田不同生育期土壤酶活性的影响

同常规灌溉相比，控制灌溉提高了土壤过氧化氢酶的活性(见图3)，这与前人研究规律相一致[18]。就整个研究深度(0～40 cm)而言，相同生物炭施加量下，C40处理土壤过氧化氢酶含量均值在分蘖期、拔节孕穗期和乳熟期分别比F40处理高4.26%、5.16%和12.44%。施加等量生物炭时，常规灌溉下土壤过氧化氢酶酶活性的土层分布规律与节水灌溉条件下的基本一致，都表现为随土壤深度增加先增后减，但常灌条件下波动幅度更为明显。在0～10 cm土层，不同灌溉处理的土壤过氧化氢酶活性均随生育期的延长先增加后减少，在分蘖期、拔节孕穗期和乳熟期，C40处理的土壤过氧化氢酶活性分别比F40处理高9.75%、11.33%和12.97%，且均差异显著(p<0.05)。在10～20 cm土层，不同灌溉处理的土壤过氧化氢酶活性均随生育期延长逐渐减少，在分蘖期、拔节孕穗期和乳熟期，C40处理的土壤过氧化氢酶活性分别比F40处理高0.53%、3.01%和7.72%，其中乳熟期的C40处理和F40处理间差异达到了显著性水平(p<0.05)，其余生育阶段处理间差异不显著。在20～40 cm土层，不同灌溉处理的土壤过氧化氢酶活性随生育期延长大体呈下降趋势，在分蘖期、拔节孕穗期和乳熟期，C40处理的土壤过氧化氢酶活性分别比F40处理高3.18%、1.66%和17.19%，其中拔节孕穗期和乳熟期的C40和F40处理间差异显著(p<0.05)。

不同灌溉处理下，稻田各生育阶段的土壤蔗糖酶活性的垂直分布规律见表2，基本上随土层加深而逐渐降低。稻田不同深度土壤蔗糖酶活性随生育期变化的趋势在不同灌溉处理间存在差异。在0～10 cm土层，不同灌溉方式稻田土壤蔗糖酶活性均表现为随生育期延长先减少后增加，且C40处理的稻田土壤蔗糖酶活性更高，在分蘖期、拔节孕穗期和乳熟期3个阶段，C40处理的土壤蔗糖酶活性分别比F40处理高14.52%、13.03%和7.04%。在10～20 cm土层，C40处理的稻田土壤蔗糖酶活性随生育期延长逐渐减少，而F40处理先减少后增加。在20～40 cm土层，F40处理稻田土壤蔗糖酶活性随生育期延长逐渐降低，而C40处理的稻田土壤蔗糖酶活性随生育期延长逐渐增加，这与节水灌溉的水分管理促进了根系的生长，深层土壤中根系分布较常规灌溉更多，从而分泌出更多的酶有关[19]。从整个研究深度(0～40 cm)均值来看，相同生物炭施加量下，节水灌溉提高了稻田土壤蔗糖酶含量，且提高程度随水稻生育期延长有所增加，C40处理土壤蔗糖酶含量在分蘖期、拔节孕穗期和乳熟期分别比F40处理高4.88%、9.90%和20.98%。

表2 灌溉对稻田各生育期土壤蔗糖酶酶活性垂直分布的影响 mg/g

注：同一土层深度、同一列内的不同字母(如a、b)差异显著。

3 讨 论

本试验结果表明，施用生物炭对土壤蔗糖酶活性有显著的促进作用，且随着施用量增加更为明显，生物炭对土壤过氧化氢酶活性的促进作用弱于蔗糖酶。而已有研究结论不一，陈心想等[20]的研究表明，生物炭施用可显著提高土壤过氧化氢酶活性，但对蔗糖酶活性影响不显著。也有研究表明，生物炭配施氮肥时显著提高了稻田土壤的蔗糖酶活性[21]。这可能是因为生物炭通过改变土壤的基本理化性质、土壤中生物群落的组分以及丰富度来影响土壤酶活性，一方面，生物炭通过吸附反应底物促进酶促反应的进行来提高酶活性，另一方面，生物炭对酶分子的吸附保护了酶促反应结合位点，反而阻止酶促反应的进行[22, 23]。此外，添加生物炭能够提高土壤有机质和溶解性有机质的含量，为微生物提供了更多可利用的能源，有利于土壤中微生物的生长[24]。生物炭还具有较大的比表面积和复杂的孔隙分布，有利于土壤团聚体的形成，进而改善土壤通气和保水能力，导致土壤颜色变深进而提高土壤温度，对土壤微生物代谢产生积极影响[25]。生物炭对土壤蔗糖酶活性的促进作用更为明显，可能是因为土壤蔗糖酶由植物根系产生，对外界的碳源施加更为敏感。

控制灌溉对土壤过氧化氢酶和蔗糖酶活性有提高作用，并且从研究深度的均值来看，其提高程度大体上随着水稻生长而增加。这与高璟赟[26]等的研究基本一致，但也有人发现土壤蔗糖酶活性随着土壤水分增加而降低，过氧化氢酶活性随着土壤水分增加而增加[27]。干湿交替增加了土壤蔗糖酶和过氧化氢酶活性，这可能是因为干湿交替促进了水稻的生长，根系分泌的酶量增加[19]。控制灌溉可以改善土壤环境，形成土壤水分的轻度亏缺，在提供生命必需的水分的同时，能够有效改善通气状况，创造微生物生长的良好环境，加速土壤微生物的繁衍周期，进而提高土壤酶活性。同时，土壤水分通过影响渗透势、养分能量转移和细胞代谢等显著影响土壤过氧化物酶和蔗糖酶的活性[28]。在一定范围内土壤酶活性随土壤水分增加而增加，但当水分过高或过低时土壤酶活性均较低，而常规灌溉时土壤中过量水分降低了土壤的透气性，抑制土壤腐殖质分解和微生物繁殖，进而降低土壤酶的活性。

4 结 论

(1)从总体上看，节水灌溉条件下，生物炭施用提高了稻田土壤过氧化氢酶的活性，且随着生物炭施用量的增加有不同程度的提高，但分蘖期的0～10 cm土层出现了降低。在各生育期，C20处理和C40处理的0～40 cm土层土壤过氧化氢酶活性分别比C0处理高1.89%～4.64%和6.67%～8.75%。土壤过氧化氢酶活性在垂直方向上表现出了较好的分层分布，且随土层深度的增加呈下降趋势。

(2)节水灌溉稻田土壤蔗糖酶活性总体上随土层深度的增加而减少，但在乳熟期高量生物炭施用处理的土壤蔗糖酶活性随土层深度的增加先减少后增加。土壤蔗糖酶活性随着生物炭施用量的增加而增加，各生育期的C20处理和C40处理的0～40 cm土层土壤蔗糖酶活性均值分别比C0处理高3.21%～23.38%和35.26%～73.43%。在分蘖期，不同生物炭施加量处理的土壤蔗糖酶活性差异显著，而在水稻生长中后期，C20处理与C0处理的土壤蔗糖酶活性差异逐渐减弱，但仍显著低于C40处理土壤蔗糖酶活性。

(3)与常规灌溉相比，控制灌溉0～40 cm土层土壤过氧化氢酶活性和土壤蔗糖酶活性均值分别提高了4.26%～12.44%和4.88%～20.98%。稻田各生育阶段的土壤过氧化氢酶酶活性随土壤深度增加先增后减，土壤蔗糖酶活性基本上随土层加深而逐渐降低。