减氮配施生物炭基肥对蜜柚土壤理化性质及酶活性的影响

吴强建， 胡梦蝶， 侯松峰， 袁杨， 康婷， 谢凯柳， 谢志坚， 任天宝， 周春火，刘晖

(1.江西农业大学国土资源与环境学院/江西省农业废弃物资源化利用与面源污染防控产教融合重点创新中心/江西井冈蜜柚科技小院，江西 南昌 330045；2.江西省农业科学院农业应用微生物研究所，江西 南昌 330200；3.河南农业大学/河南省生物炭研究工程技术中心/生物炭技术河南省工程实验室，河南 郑州 450002；4.江西省红壤及种质资源研究所，江西 南昌 331717)

生物炭是以农林废弃物、动植物残体等有机物料为原料，在无氧或限氧条件400～700 ℃高温裂解炭化形成的高度芳香化稳定多孔富碳物质[1]。以生物炭为原料制成的生物炭基肥，充分发挥了生物炭的优势，不仅可以提升土壤肥力，还可以提升作物产量与品质[2]。生物炭基肥丰富的微孔结构使得其密度远低于土壤密度，有效降低了土壤容积质量。相关研究发现，土壤施用生物炭基肥能有效提高土壤团聚体的稳定性、保水性，保护了土壤因缺水而产生的收缩干裂，增强了土壤吸水持水及入渗性能[3]。汪坤等[4]研究表明，生物炭基肥可以提高土壤速效养分含量及土壤酶活性，提高作物的抗病性。WANG等[5]研究发现，生物炭基肥不仅可以提高土壤质量，还可以促进作物增产。ZHANG等[6]研究生物炭对柑橘生产发现，生物炭在提高土壤微生物多样性及柑橘品质上都有显著作用。李昌娟等[7]研究生物炭基肥对茶园土壤改良发现，生物炭基肥可以有效改良土壤酸性和提升土壤养分有效性，改善茶叶的品质。江西省吉安市作为典型南方丘陵红壤区，井冈蜜柚果园普遍存在土壤酸化板结及土壤养分失衡问题，严重制约着产业发展。

井冈蜜柚作为江西省三大果业品牌之一，吉安市六大富民产业之首，在江西省水果产业有着重要地位[8]，主导品种有金兰柚、金沙柚和桃溪蜜柚[9]。目前，井冈蜜柚田间管理粗放，存在施肥不平衡，土壤养分流失等问题[10-11]。此外，江西省吉安市高温多雨的气候和三面环山的地形条件，极易发生土壤脱硅富铁铝化，导致土壤肥力低，土壤酸化板结。并且连年的化肥施用使得井冈蜜柚果园土壤酸化日趋严重，土壤肥力逐年降低，最终影响井冈蜜柚产业的高质量发展[12]。目前，生物炭基肥在井冈蜜柚上应用效果及减氮配施的比例尚不明确。本研究结合生物炭基肥的改土培肥优势，研究减氮配施生物炭基肥对井冈蜜柚果园土壤理化性质及酶活性的影响，旨在明确减氮配施生物炭基肥对井冈蜜柚生产的实际效益，为改良土壤质量，促进该产业高质量发展提供科学施肥依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试井冈蜜柚品种为4 a生金兰柚，长势基本一致且无病害。供试生物炭与生物炭基肥均由河南惠农土质保育研发有限公司提供，生物炭主要原材料为稻壳，生物炭基肥主要原料生物炭25%，矿物肥10%，枯草芽孢杆菌0.5%，总养分12%(m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=4∶4∶4)，其余为辅料，pH值为7.8。供试有机肥为m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=2∶3.5∶3.5，总养分≥9%)由江西史可郎生物科技有限公司提供。供试单质化肥：尿素(N质量分数为46%)、钙镁磷肥(P2O5质量分数为12%)和硫酸钾(K2O质量分数为52%)。

土壤类型为山地红壤。施肥前取样测定土壤pH值为4.89，有机质含量为11.39 g·kg-1，碱解氮含量为105.21 mg·kg-1，有效磷含量为29.13 mg·kg-1，速效钾含量为100.40 mg·kg-1，交换性钙含量为270.38 mg·kg-1，交换性镁含量为91.63 mg·kg-1，有效锌含量为4.97 mg·kg-1。

1.2 试验设计

本试验结合专家推荐施肥量及问卷调研，根据成年井冈蜜柚的需肥特性和土壤肥力分析结果，确定井冈蜜柚平均每株每年施m(N)=0.91 kg，m(P2O5)=0.51 kg，m(K2O)=0.81 kg。试验于2020年12月—2021年11月在江西井冈蜜柚科技小院试验基地进行，气候类型为亚热带季风湿润性气候。共设计7个处理(表1)，采用随机区组设计，3次重复，每个重复5棵果树，共计105棵果树。试验于2020年开始，12月20日，每个处理均施用1 kg·株-1的有机肥作为基肥，生物炭基肥作为基肥，在果树东西两侧进行穴施，化肥按30%、15%、40%、15%分4次施入，施肥时间分别为12月20日(基肥)、2月20日(促花肥)、6月10日(壮果肥)、9月20日(采果肥)，水肥一体化。其他田间管理保持一致。

表1 各处理基肥用量及肥料投入量Table 1 Basal fertilizer dosage and fertilizer input of each treatment

1.3 土壤样品的采集与测定

土壤样品的采集：在井冈蜜柚果实成熟期树冠滴水线附近或以树干为圆心向外延伸至树冠边缘的2/3处，每个处理利用环刀采集原状土壤3份，并且采集每棵树南北对称两个点0～20 cm深度土壤(避开施肥穴区)，每个重复5棵果树混成1个土壤样品，按四分法取得样品约1 kg，每个重复取2份土样(鲜样+干样)，得土壤样品总共21×2=42份。干样经自然风干，磨细过筛，密封装袋保存。鲜样过2 mm筛置4 ℃冰箱保存。

土壤样品的测定：土壤容积质量、孔隙度、含水率及田间持水量采用环刀法，土壤机械组成采用相对密度计速测法，土壤pH值采用玻璃电极法，有机质采用重铬酸钾容量法-稀释热法，碱解氮采用碱解扩散法，有效磷采用盐酸-硫酸浸提钼锑抗比色法，速效钾采用乙酸铵浸提火焰光度计法，交换性钙、交换性镁采用乙酸铵提取ICP-AES法，有效锌采用0.1 mol·L-1盐酸浸提ICP-AES法，硝态氮采用酚二磺酸比色法，具体测定步骤参照文献[13]；土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶、硝酸还原酶和亚硝酸还原酶的活性均使用北京索莱宝科技有限公司生产的Solarbio活性检测试剂盒测定，根据说明书步骤及公式进行操作计算。

1.4 数据处理与统计分析

试验数据采用Microsoft Excel 2003软件进行处理，利用SPSS 17 进行相关性分析(皮尔逊相关性分析)和方差分析(LSD法，显著水平为0.05)，利用Origin 2018制图。

2 结果与分析

2.1 生物炭基肥对井冈蜜柚果园土壤物理性质的影响

土壤容积质量大小是反映土壤质地、结构和土壤孔隙等一系列物理性质的重要指标。从图1可以看出，生物炭基肥的施用降低了土壤容积质量，增加了土壤孔隙度、含水率及田间持水量。随着生物炭基肥施用量的增加，土壤容积质量逐渐降低，土壤孔隙度、含水率及田间持水量逐渐增加，较CK及OF处理，土壤容积质量分别降低了18.25%和11.11%，土壤孔隙度分别提升了18.33%和9.37%，土壤含水率分别提升了14.36%和18.69%，土壤田间持水量分别提升了23.25%和5.78%。由此可知，在井冈蜜柚生产过程中，生物炭基肥的施用可以降低土壤容积质量，提高土壤孔隙度、含水率及田间持水量。随着生物炭基肥施用量的增加改良效果愈佳。

注：柱上不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercace letters above the bar indicate significant differences among different treatments (P<0.05). The same as below.图1 不同处理对土壤容积质量、孔隙度、含水率及田间持水量的影响Fig.1 Effects of different treatments on soil volume quality, porosity, water content and maximum water capacity

2.2 生物炭基肥对井冈蜜柚果园土壤化学性质的影响

由图2可知，较CK处理，OF和BOF处理土壤pH值分别提高了0.14、0.43个单位，有机质含量分别提升了2.64%、27.98%，且三者间土壤pH值、有机质含量均无显著差异。生物炭基肥的施用，土壤pH值、有机质含量较CK和BOF处理均有所上升，随着施用量增加，土壤有机质含量逐渐上升，土壤pH值先升后降，在BF40%处理达到最大6.17。此外，施肥处理对提升土壤速效养分含量有显著效果。土壤碱解氮、有效磷、速效钾的含量以OF处理最高。生物炭基肥处理，土壤碱解氮、有效磷的含量均以BF20%处理最高，分别为125.45、37.49 mg·kg-1，土壤速效钾、硝态氮的含量随着生物炭基肥施用量增加先增后降，均以BF40%处理最高，分别为164.02、13.05 mg·kg-1。生物炭基肥的施用可以显著提高土壤交换性钙、交换性镁的含量。随着生物炭基肥用量的增加其含量均先增后降，均以BF40%处理含量最高，较OF处理分别提升了93.17%、48.81%。由此可知，BF40%处理对提升井冈蜜柚果园土壤养分含量的效果更好。

图2 不同处理对井冈蜜柚果园土壤化学性质的影响

2.3 生物炭基肥对井冈蜜柚果园土壤酶活性的影响

由图3可知，生物炭基肥的施用可以显著提高土壤酶活性。施肥处理间，土壤脲酶与酸性磷酸酶的活性以OF处理活性最高。土壤蔗糖酶与亚硝酸还原酶的活性随着生物炭基肥用量的增加先升后降，均表现为BF40%处理活性最强，分别较OF处理提升了63.73%和140.74%，BF40%处理土壤亚硝酸还原酶活性显著高于其他处理。土壤过氧化氢酶活性随着生物炭基肥施用量的增加而增加，当生物炭基肥替代20%氮肥时趋于稳定，且BF60%处理活性最强，较OF处理提升了3.30%。土壤硝酸还原酶活性随着生物炭基肥用量的增加而逐渐降低，在BF20%处理达最大值，比OF处理提升了30.34%。

图3 不同处理对井冈蜜柚果园土壤酶活性的影响

2.4 生物炭基肥对井冈蜜柚果园土壤各指标间的相关关系

井冈蜜柚果园土壤各指标间相关关系如图4所示。土壤容积质量与土壤孔隙度、含水率及田间持水量存在显著的负相关关系，土壤孔隙度、含水率和田间持水量存在显著的正相关关系，土壤容积质量的降低有利于提高土壤的透气透水性；井冈蜜柚果园土壤pH值与有机质、硝态氮、交换性钙、交换性镁、有效锌含量存在显著的正相关关系，说明土壤酸性的改良有利于促进土壤养分的释放；土壤碱解氮含量与土壤脲酶活性存在显著的相关关系，土壤有效磷含量与土壤酸性磷酸酶活性存在显著的相关关系，土壤硝态氮含量与土壤硝酸还原酶、亚硝酸还原酶活性存在显著的相关关系，土壤有机质含量与过氧化氢酶活性存在显著的相关关系。由此可以，生物炭基肥的施用可以改善土壤孔隙结构，提升土壤pH值的同时可以促进土壤养分有效性的提升，并且土壤酶的专一性表现为土壤酶活性与其对应的土壤养分存在显著的相关性。

3 结论与讨论

3.1 生物炭基肥对土壤物理性质的影响

红壤约占中国耕地面积的四分之一，是重要的耕地资源，主要特点包括土壤酸性强、质地黏重易板结、通气保水能力差，严重制约着农业的生产[14]。本研究发现生物炭和生物炭基肥对降低土壤容积质量，提高土壤含水率、孔隙度等物理性质都有促进作用。可能原因是试验目前只有1 a的时间，导致土壤物理性质并未出现显著差异，还需长期试验探索。土壤容积质量随着生物炭基肥的施用量增加而降低，土壤孔隙度、含水率和田间持水量随着生物炭基肥的施用量增加而增加。这可能与生物炭基肥的多孔结构和强大的官能团有关。柳骁桐等[15]研究生物炭基肥连续施用对土壤质量试验表明，与施化肥相比，生物炭基肥处理显著提高了土壤大团聚体的比例，水稳性大团聚体含量显著增加了64.4%。卢广远等[16]研究不同种类生物炭基肥对土壤物理性质的影响发现，生物炭基肥能够降低土壤容积质量，改善土壤通气透水性，并且随着生物炭基肥用量的增加，作用效果更好，但短时间内效果并不显著。孟繁昊等[17]研究生物炭配施氮肥对土壤性质的影响发现，由于生物炭性质稳定，施用生物炭后，土壤容积质量降幅范围为1.19%～12.09%，土壤孔隙度增幅范围为1.09%～10.71%。焦瑞枣等[18]研究马铃薯田施用生物炭基肥发现，生物炭基肥可以有效降低土壤容积质量，增加土壤孔隙度，且随着生物炭基肥用量的增加改良效果愈佳。因此，生物炭与生物炭基肥的施用可以有效改良红壤板结、通气保水能力差等特点，提高土壤的通气透水能力及土壤大团聚体含量。

Porosity：孔隙度；MWC：田间持水量；MC：含水率；BD：容积质量；Ca：交换性钙；ACP：酸性磷酸酶；AK：速效钾；AN：碱解氮；Mg：交换性镁；AP：有效磷；IN：蔗糖酶；OM：有机质；硝态氮；CAT：过氧化氢酶；pH；Zn：有效锌；NR：硝酸还原酶；NIRA：亚硝酸还原酶；UR：脲酶。

3.2 生物炭基肥对土壤化学性质的影响

土壤肥力的高低直接决定了井冈蜜柚产量与品质的高低。据有关资料显示[19]，柑橘生长适宜的土壤pH值范围为5.0～6.5。本试验研究结果表明，生物炭基肥可以显著提高土壤pH值，生物炭基肥处理的土壤pH值范围为5.76～6.17，有效改良土壤酸碱性，改善了井冈蜜柚果园土壤环境，这与李怡博等[20]研究生物炭基肥对植烟土壤结果基本一致。生物炭基肥表面丰富的有机官能及一些金属盐水解使生物炭基肥呈碱性，吸附土壤溶液中的H+，有效改良土壤的酸性[21]。生物炭基肥富含丰富的有机碳，添入土壤中可以显著增加土壤有机质的含量[22]。施肥能够显著提高土壤速效养分的含量，本研究发现优化施肥处理土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量最高，可能原因是优化施肥供试的化肥以速效养分氮磷钾为主，略高于生物炭基肥[23]；另一方面，生物炭基肥具有很好的保肥能力，对养分具有慢慢释放的效果[24]，有效降低了肥料的损失。生物炭基肥的添加显著提高了土壤中量元素交换性钙、交换性镁的含量，含量基本处于中等水平[25]，且以BF40%处理的交换性钙、交换性镁含量最高，随着生物炭基肥用量的增加，含量有所下降，这可能与生物炭基肥改良土壤酸性和生物炭基肥自身结构性质有关，少量的生物炭基肥施用可以有效改良土壤酸性，促进提高土壤养分的释放，但随着生物炭基肥用量的增加，生物炭基肥丰富的多孔结构可能吸附金属离子，导致养分含量反而下降。DAVID等[26]研究表明，生物炭基肥丰富的有机官能团，具有极强的吸附能力，可以吸附大量的养分元素、矿质离子等。赵琳等[27]研究表明，土壤酸性的改良降低了土壤中交换性铝的含量，提高了土壤交换性盐基的数量。这与本研究土壤pH值与土壤养分含量的相关关系基本一致。土壤pH值的提高有利于提高土壤交换性钙、交换性镁、硝态氮及有效锌的含量。因此，生物炭基肥的施用对改良井冈蜜柚果园土壤酸性具有显著效果，对提高土壤交换性钙、交换性镁的含量具有重要意义。

3.3 生物炭基肥对土壤酶活性的影响

土壤酶活性是反映土壤生化反应的活跃程度及养分物质循环状况的重要指标[28]。土壤脲酶的活性可表征土壤中氮素状况[29]，酸性磷酸酶活性可表征土壤有机磷的分解转化速率[30]，过氧化氢酶的活性是表征土壤降解污染物的能力[31]，硝酸还原酶与亚硝酸还原酶活性在植物对氮的吸收与同化中发挥着重要的作用[32]。本研究发现，施用生物炭基肥可以显著提高土壤酶活性，尤其是对土壤硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和脲酶的活性效果显著。土壤酶活性与土壤肥力状况密切相关，并且酶活性的高低直接影响着养分转化及利用的速率。根据本研究土壤养分与酶活性的相关关系可知，土壤脲酶活性与碱解氮含量呈正相关关系，土壤酸性磷酸酶活性与有效磷含量呈正相关关系，土壤硝态氮含量与硝酸还原酶、亚硝酸还原酶的活性呈正相关关系，土壤有机质含量与过氧化氢酶呈正相关关系。因此，生物炭基肥的施用不仅可以改良土壤酸性，提高土壤养分的有效性，还可以提高土壤酶活性，使土壤养分含量与酶活性形成一个良性循环。

本研究初步揭示了减氮配施生物炭基肥对改良井冈蜜柚果园土壤理化性质，提高土壤酶活性的效果。生物炭基肥的施用可以有效提高井冈蜜柚果园土壤通气透水性、保水持水性，增加土壤大团聚体含量，促进土壤pH值、中微量元素含量及土壤酶活性的提升。综合考虑生物炭基肥的改土培肥增酶活的效果，以生物炭基肥替代40%氮肥处理的井冈蜜柚果园土壤质量更佳，为井冈蜜柚的高质量生产提供了坚实的物质基础，表明生物炭基肥在井冈蜜柚果园土壤肥力提升方面具有较好的应用前景。