尿素混合生物质炭穴施对土壤氮含量及酶活性的影响

张莉，任建新，韩国君，马乐元，孙小妹

（甘肃农业大学资源与环境学院，兰州730070）

随着农田土壤提质增效及固碳减排的需求日趋增加，亟需采取有效措施提升土壤肥力和固碳能力，提高农田可持续发展[1]。生物质炭（Biochar）碳含量高，可在土壤中稳定储存数百年。如果所有燃烧的秸秆都转化为生物炭，碳排放可以减少近一半[2]。因此，生物质炭固碳技术是一种非常有前途的碳减排技术。作物增产最有效的途径是施肥，全世界作物产量增加的一半是来自施用的化肥。施肥是农田作物增产最传统、最有效的途径，研究表明我国化肥对粮食产量的贡献率为40.8%，全世界约有50%的农田作物增产依靠化肥的施用，化肥施用在粮食生产中发挥着重要的作用[3-4]。然而，我国农业生产中平均施氮量为360 kg·hm-2，远高于世界平均水平120 kg·hm-2，为美国2.6倍，欧盟2.5倍[5]。生物质炭具有的吸附性，能够赋予肥料养分缓释性能，从而与肥料形成协同互补的关系[6]。生物质炭与肥料混合施用对作物的生长和产量可产生积极的影响。研究显示，土壤中施入生物质炭后，微生物的反硝化作用会受到抑制并降低氮氧化物的排放[7]。在同一氮肥条件下，玉米季和小麦季中生物质炭还田处理分别比秸秆直接还田处理的N2O排放通量降低了26%～51%和4%～27%[8]。生物质炭本身偏碱性，碱性物质的增加能够提高N2O还原酶活性，从而减少氮排放，其多孔隙结构和较大比表面积可改善土壤通气性，增加对土壤NH+4-N、的吸附固持，减少N2O的排放。土壤和生物质炭对有吸附作用，而土壤有效氮以为主。Doydora等[9]研究发现，生物质炭与粪肥混合施入土壤，可使NH3损失量降低50%以上，提高氮肥利用率。但Yao等[10]研究表明，生物质炭能吸附土壤中的-N和-N，但其对-N的吸附作用较弱。施用玉米秸秆生物质炭的黑土对-N的吸附量最大，添加生物质炭量达3.6%时，土壤-N淋失量最低[11]。土柱模拟淋溶试验表明，当生物质炭质量分数为2%以上时，总氮和的淋洗显著降低，而当生物质炭质量分数为4%以上时淋洗显著降低[12]。较多生物质炭（＞4%）的施用会使土壤碳氮比增加，降低土壤养分的有效性[13]。因此，生物质炭等有机物料与氮肥的混合施用会影响土壤有效氮含量，且生物质炭施用量要在一个适合的范围内才能提高土壤肥力、土壤质量和氮素利用率。生物质炭的施用还能增加土壤速效磷、速效钾和有效氮含量，提高土壤保肥能力，改善土壤的理化性质和植物的生长环境[14]。吴嘉楠等[15]研究发现，生物质炭与氮肥配施能够显著增加土壤中15N残留量，提高土壤有效氮和微生物量碳氮的含量。这与生物质炭能够改善土壤通气性、改变作物生长环境有关。生物质炭还可以减少氮素向深层土壤的淋洗，从而减少氮素损失以及过量施肥对环境造成的负面影响。作物收获后，生物质炭吸附的氮素保留在土壤中，有很强的后效作用[16-17]。生物质炭可提供给肥料养分的缓释载体，达到保肥的效果并提高氮肥利用率。

土壤酶是土壤中最重要的活性成分之一，参与土壤中的各种生化过程。土壤酶活性代表了土壤中各种生化过程的强度和方向。生物质炭和氮肥混合施用能不同程度地提高土壤酶活性。研究表明，添加生物炭能显著提高土壤中转化酶和脲酶的活性[18]。生物质炭和氮肥配施降低了土壤微生物碳氮比，提高土壤氮素的生物活性[19]，大豆秸秆还田能提高土壤蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶的活性[18]。尿素配施生物质炭氮素利用率较单施尿素提高了21%～42%。添加生物质炭提高了土壤脲酶活性，但抑制了过氧化氢酶和碱性磷酸酶的活性[20]。在陇中黄土高原干旱雨养农业区，一次性施入土壤15 t·hm-2生物质炭，生物质炭配施氮肥显著提高了小麦籽粒和茎秆碳和磷含量，降低了碳氮比、氮磷比[21]。添加生物炭影响土壤氮素矿化和土壤酶活性，但研究结果各不同。近年来，生物质炭与肥料复合成的新型生物质炭肥已成为诸多领域关注的焦点和热点，并广泛应用于土壤改良培肥、农业生产应用、废弃物生物质利用以及环境治理等领域[22-23]。生物质炭对土壤有效氮含量及微生物活动的变化趋势尚未有统一结论，受土壤类型和气候变化等条件的制约，基于上述原因，本试验探讨了尿素混合生物质炭施入偏碱性灌於土后对土壤氮含量和土壤酶活性的影响，以期为降低氮肥施用量、提高该土壤类型地区氮素肥力提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验处理

以玉米秸秆生物质炭为原料，施用量为10 t·hm-2。尿素（含N 46%）施用量以纯氮计为：240、180、120 kg·hm-2（表1）。将尿素与生物质炭充分搅拌混合后，穴施至土壤10～15 cm深度。土壤相对含水量保持在田间持水量的70%～80%。设置处理为：常量施肥（N240）、减量施肥（N180）、减量施肥（N120）、常量施肥+生物质炭（N240B）、减量施肥+生物质炭（N180B）、减量施肥+生物质炭（N120B）和不施肥处理（CK）7个处理。每个处理4次重复。

表1不同处理氮肥和生物质炭用量Table 1 The amount of nitrogen fertilizer and biochar used in different treatments

1.2 取样方式

供试土壤采自中国科学院沙坡头沙漠研究试验站试验田，土壤类型为灌淤土。采集耕作层0～20 cm的土壤，置于阴凉自然风干，去除肉眼可见的细根和石块后研磨过2 mm筛保存备用。供试土壤有机质含量为17.89 g·kg-1，全氮含量为1.12 g·kg-1，速效钾为156 mg·kg-1，速效磷为45.20 mg·kg-1，土壤pH为8.02。

供试生物质炭来源于金和福农业科技股份有限公司，为玉米秸秆在500℃高温裂解产生的生物质炭，pH为6.7，比表面积为300 m2·g-1，灰分含量为35.64%，碳含量为53.28%，氮素含量为1.04%。

进行盆栽控制性试验，每盆装土5 kg。施肥前采集基础土样，分析其理化性质。分别于2019年6月29日（第5 d取样）、2019年7月4日（第10 d取样）和2019年7月9日（第15 d取样）采集0～20 cm土样，取样时避开生物质炭。土样采集完成后先过2 mm筛，一部分土样进行4℃冷藏保鲜，用于-N-N及酶（土壤脲酶、土壤蔗糖酶和土壤碱性磷酸酶）活性测定；一部分风干后磨细过筛测定土壤全氮和土壤碱解氮含量。

1.3 测定方法

土壤脲酶活性用靛酚蓝比色法测定，酶活性以24 h后1 g土壤中-N的质量表示；土壤蔗糖酶活性用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，酶活性以24 h后1 g土壤生成葡萄糖毫克数表示；土壤磷酸酶活性用磷酸苯二钠比色法测定，酶活性以24 h后1 g土壤中释放出的酚的毫克数表示。

1.4 数据分析

用SPSS 20.0进行ANOVA单因素方差分析，用Duncan′s新复极差法多重比较处理之间的显著性（P＜0.05）和交互作用分析。用Origin 9.1进行作图。

2 结果与分析

2.1 尿素混合生物质炭穴施对土壤有效氮的影响

由图1可以看出，单施尿素N120、N180、N240处理的土壤-N含量显著高于尿素混合生物质炭N120B、N180B、N240B处理，不同施氮水平下的土壤NH+4-N含量无显著差异。第5 d单施尿素处理的土壤NH+4-N含量是混合生物质炭处理的4.50～8.20倍，尿素混合生物质炭N120B、N180B、N240B处理的-N含量与CK无显著差异；第10 d单施尿素处理的-N含量是尿素混合生物质炭处理的24.5～58.9倍，差异极显著，CK处理与尿素混合生物质炭处理间的土壤-N含量差异不显著；第15 d单施尿素处理的土壤-N含量是尿素添加生物质炭处理的1.94～2.96倍。

2.1.3 对土壤无机氮的影响

图1不同施肥处理对土壤-N的影响Figure 1 Effectsof different fertilization treatments on soil-Ncontent

图2不同施肥处理对土壤NO-3-N的影响Figure 2 Effectsof different fertilization treatments on soil-Ncontent

由图3可以看出，单施氮肥N120、N180、N240处理与尿素添加生物质炭N120B、N180B、N240B处理间土壤无机氮含量的差异显著。第5 d，单施氮肥N120、N180、N240处理的无机氮含量是尿素混合生物质炭N120B、N180B、N240B处理的2.55～5.81倍，尿素混合生物质炭穴施处理的土壤无机氮含量与对照无显著差异；第10 d，单施氮肥处理的无机氮含量是尿素混合生物质炭处理的2.99～3.82倍，添加生物质炭N120B、N180B、N240B处理的土壤无机氮含量分别是CK的2.18、1.97、1.96倍，生物质炭的施入增加了土壤无机氮含量；第15 d，单施氮肥处理与尿素添加生物质炭处理的土壤无机氮含量均有所降低，但差异不显著。

2.1.4 对土壤碱解氮的影响

图3不同施肥处理对土壤无机氮的影响Figure 3 Effects of different fertilization treatments on soil inorganic nitrogen content

图4不同施肥处理对碱解氮的影响Figure 4 Effectsof different fertilization treatments on soil available Ncontent

由图4可知，单施尿素N120、N180、N240处理的土壤碱解氮含量均显著高于尿素混合生物质炭N120B、N180B、N240B处理。第5 d单施尿素N120、N180、N240处理的碱解氮含量分别是尿素混合生物质炭N120B、N180B、N240B处理的3.13、4.26、4.46倍，而尿素混合生物质炭穴施N120B、N180B、N240B处理的碱解氮含量分别比CK低66.74%、69.85%、72.23%，造成此结果的原因可能是生物质炭穴施入土壤，能够吸附土壤中，减缓氨化和硝化过程，使得土壤的碱解氮含量较CK和单施尿素处理低；第10 d各处理的碱解氮含量均达到最高值，其中，N240处理的碱解氮含量达最高66.60 mg·kg-1，此时，尿素混合生物质炭穴施N120B、N180B、N240B处理的土壤碱解氮含量分别比单施尿素N120、N180、N240处理低25.55%、32.15%、32.47%，与对照无显著差异；第15 d各处理土壤碱解氮含量无显著差异。

2.2 尿素混合生物质炭穴施对土壤酶的影响

2.2.1 对土壤脲酶的影响

由图5可以看出，尿素混合生物质炭处理的土壤脲酶活性高于单施尿素处理，第5 d尿素混合生物质炭N240B处理的脲酶活性达最高4.92 mg·kg-1，尿素混合生物质炭N120B、N180B、N240B处理的脲酶活性分别是单施尿素N120、N180、N240处理的1.80～2.55倍，是对照处理的3.94～8.66倍；第10 d尿素添加生物质炭N120B、N180B、N240B处理的土壤脲酶活性是单施尿素N120、N180、N240处理的脲酶活性的1.33～2.55倍；第15 d各处理土壤脲酶活性几乎无差异。

2.2.2 对土壤蔗糖酶的影响

由图6可以看出，土壤蔗糖酶的活性随时间呈先增加后减少的趋势，尿素混合生物质炭N120B、N180B、N240B处理能够增强土壤蔗糖酶活性。第5 d添加生物质炭处理的土壤蔗糖酶活性是单施尿素处理的1.07～1.77倍，与对照无显著差异；第10 d尿素混合生物质炭N120B、N180B、N240B处理的土壤蔗糖酶活性是单施尿素N120、N180、N240处理的2.35～2.37倍，差异极显著，其中，N180B处理的蔗糖酶活性达最高16.06 mg·kg-1；第15 d各处理土壤蔗糖酶活性几乎无差异。

图5不同施肥处理对土壤脲酶的影响Figure 5 Effectsof different fertilization treatments on soil urease activity

2.2.3 对土壤碱性磷酸酶的影响

由图7可以看出，土壤碱性磷酸酶的活性随时间呈先增加后减少的趋势，尿素混合生物质炭N120B、N180B、N240B处理的土壤碱性磷酸酶活性稍高于单施尿素N120、N180、N240处理，但整体无显著差异。第5 d，尿素添加生物质炭N120B、N180B、N240B处理的土壤碱性磷酸酶活性分别是单施尿素N120、N180、N240处理的1.18、1.22、1.19倍；第10 d尿素添加生物质炭处理的土壤磷酸酶含量与对照处理的差异不显著，约为单施尿素处理的1.03倍；第15 d各处理间土壤碱性磷酸酶活性差异不显著。

3 讨论

3.1 添加生物质炭对土壤有效氮的影响

图6不同施肥处理对土壤蔗糖酶的影响Figure 6 Effectsof different fertilization treatments on soil sucrase activity

图7不同施肥处理对土壤碱性磷酸酶的影响Figure 7 Effectsof different fertilization treatments on soil alkaline phosphatase activity

3.2 添加生物质炭对土壤酶活性的影响

土壤酶代表土壤中生物化学反应活跃程度，其活性的高低体现了土壤中物质代谢的旺盛程度，是表征土壤质量的重要指标[30]。研究表明，施用生物质炭可以提高土壤蔗糖酶活性，降低碱性磷酸酶活性[18，20]。秸秆还田能够提高土壤酶活性，土壤中蔗糖酶活性与不还田处理相比明显提高，是一种有效促进土壤中氮素养分的途径[31]。徐福利等[32]研究表明，适量施氮能够增强微生物活性和土壤脲酶活性，一旦超过氮肥用量的最大范围，脲酶活性将会降低。顾美英等[33]研究表明，土壤蔗糖酶活性随生物质炭施用量的增加呈先增加后减少的趋势，碱性磷酸酶则呈先减少后增加再减少的趋势。本试验研究结果显示：施氮量对土壤酶活性的影响不大，但添加生物质炭后第5 d和第10 d，土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶活性均比单施氮肥处理高，第15 d，各处理间土壤酶活性差异不明显。尿素混合生物质炭穴施处理显著增强土壤酶活性。这与张志龙等[34]的研究结果一致。本试验研究发现，第5 d，生物质炭的添加降低了土壤-N和-N含量，但提高了土壤脲酶活性，造成该现象的可能原因有：一是生物质炭的添加减缓了土壤氨化和硝化过程，但因其本身作为碳、氮源，能够为土壤微生物提供基质以供其快速繁殖，增强土壤微生物活动，提高土壤酶活性[28]，二是生物质炭的保肥作用有利于氮素的保存，会使土壤固定态含量增加，固定态是土壤有效氮的潜在“氮库”，间接增强土壤脲酶活性，而土壤脲酶增加的同时也会造成氮素以或其他形式损失[35]，该现象还需进一步研究探讨。生物质炭与土壤酶活性，尤其是与土壤脲酶之间的作用比较复杂，一方面生物质炭能够吸附酶促反应的结合位点，从而提高土壤酶活性，另一方面生物质炭的缓释特性对酶促反应的结合位点形成一层保护膜，同时其吸附特性吸附固持酶分子，从而阻止了酶促反应的进行。因此，生物质炭施用对土壤酶活性的影响结果各不相同。

3.3 无机氮与酶活性之间的关系

施入土壤的无机氮和有机氮在微生物和土壤酶的作用下经过一系列生物化学过程，调控土壤的养分供应情况，李涛等[36]研究表明，有机物料与施氮量的不同可引起土壤无机氮含量的变化，进而影响土壤酶活性的高低，秸秆还田施氮带来的无机氮含量的升高可能导致脲酶活性降低。本试验结果表明，第5 d和第10 d，单施氮肥N120、N180、N240处理的无机氮含量分别是尿素混合生物质炭N120B、N180B、N240B处理的2.55～5.81、2.99～3.82倍，第15 d，各处理的无机氮含量均降低，且差异不显著。生物质炭的添加显著增强土壤脲酶活性，第15 d取样时，尿素混合生物质炭处理的土壤脲酶活性与单施尿素处理差异性不显著，造成该结果的原因可能有：一是低碳氮比有利于土壤氮素的供给，而玉米秸秆生物质炭的碳氮比较高，需要补充氮肥来减缓氮素固持作用，本试验中的氮肥为一次性施入，故单施尿素处理的无机氮含量远高于尿素添加生物质炭处理，生物质炭的添加为微生物提供了碳氮源和能源，其本身的高碳氮比使得氮素的供应紧张，从而降低了土壤脲酶活性。二是尿素前期释放较快，生物质炭释放较慢，尿素与生物质炭配施使氮素供应充足，土壤微生物活跃，脲酶活性高，土壤迅速转化为，而后期尿素含量降低，容易脱靶，氮素供给主要依靠生物质炭提供的碳氮源，生物质炭的缓释特性能够延迟尿素的水解过程和氨化过程，土壤和无机氮含量减少，导致脲酶活性降低[37]。

4 结论

（1）取样第5 d和第10 d，尿素混合生物质炭穴施处理的土壤有效氮含量均小于单施尿素处理，但到第15 d，各处理间土壤氮含量差异不显著。这表明，生物质炭能够吸附土壤中的NH+4，赋予土壤速效养分缓慢释放性能，降低土壤有效氮含量，减少土壤氮素流失以提高氮素利用效率。

（2）第5 d和第10 d，尿素混合生物质炭穴施处理的土壤酶活性均显著高于尿素穴施处理，第15 d，各处理间土壤酶均无显著差异。生物质炭与尿素的混合穴施能够促进土壤脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性，生物质炭对NH+4的吸附和缓释特性使其与尿素混合穴施时，延缓尿素的水解和氨化过程，促进硝化作用，增强土壤微生物活动，有效增加土壤氮素养分含量。