不同浓度新型液态调理剂对土壤生物特性、有机碳及其组分的影响

索文康 张红杰 姚万森 田小明 胡晨阳 杨金翰 史海潮

摘要：为揭示新型液态调理剂对张家口地区莜麦耕层土壤生物特性、有机碳及其组分的影响，以莜麦种植区0～20 cm土层为研究对象，采用室内培养试验的方法，研究在土壤质量含水量15%、20%、25%下新型液态调理剂对有机碳矿化过程的影响，分析不同浓度调理剂对土壤酶活性、有机碳矿化及其组分含量的变化规律。结果表明，添加调理剂可以提高土壤有机碳矿化速率、累计矿化量、潜在可矿化有机碳含量（C₀），而降低土壤矿化强度，其中以P₃N处理影响最为显著。在无机肥基础上添加调理剂可以显著提高蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、过氧化氢酶活性和有机碳及其组分含量。与N处理相比，P₁N处理的SOC、LOC在不同含水量的土壤中分别增加5.85%～14.72%和1.72%～29.84%（P<0.05）；P₂N处理分别增加了8.78%～20.00%和13.22%～45.16%（P<0.05）；P₃N处理分别显著增加了13.17%～41.13%和49.71%～75.00%，蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、过氧化氢酶活性与SOC、LOC、CMI均呈现显著正相关性。这表明在施用复合肥基础上添加调理剂通过提高土壤酶活性的方式，提高了土壤有机碳的礦化速率及矿化量，进而增加了土壤中有机碳及其组分含量。同时高浓度的调理剂可以更持久地提高有机碳的矿化速率和累计矿化量，提升土壤固碳能力。

关键词：调理剂；有机碳矿化速率；累计矿化量；有机碳及其组分含量；土壤酶活性

中图分类号：S158.5文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）16-0222-08

收稿日期：2022-10-10

基金项目：河北省自然科学基金（编号：D2020405002）；河北省重点研发计划（编号：21326405D）；河北北方学院校级科研项目（编号：JYT2021003）。

作者简介：索文康（1999—），男，河北邯郸人，硕士研究生，主要从事土壤调理剂方面的研究。E-mail：2995643957@qq.com。

通信作者：田小明，博士，讲师，主要从事土壤养分利用方面的研究。E-mail：txm7458103@163.com。

调理剂是一类具有缓释作用的高分子聚合物，无毒无味，结构稳定^［1］，合理施用可以改良土壤性状，提高土壤水肥利用率，降低肥料损失，影响作物产量^［2-3］。目前添加土壤调理剂已成为实现干旱地区农业可持续发展的重要措施之一^［4］，但大部分研究所提到的调理剂都是固体^［5-7］，在滴灌条件下基本不能随水滴施，单独施用不但增加了农田作业次数和成本，并且与肥料难以全面接触，很难与肥料发生相互作用，从而影响实际使用效果。因此探讨液态调理剂施用和水分对土壤生物特性、有机碳组分含量的影响具有重要意义。

有机碳矿化是影响陆地生态循环的重要指标^［8］，与全球气候变化、土壤养分循环和能量转换、温室气体排放等密切相关^［9-10］。近年来，关于调理剂对土壤质量、作物品质和产量的研究较为深入^［11］，国内外学者一致认为调理剂对土壤养分含量和作物产量会产生重要的积极影响^［12］。然而关于土壤调理剂对有机碳矿化的研究相对较少，特别是在雨水相对欠缺的冀西北地区。因此，本研究以自主研发的液态调理剂（具有保水、缓释作用）为研究对象，同时设置3种不同质量含水量，探讨在调理剂与复合肥配施条件下土壤CO₂的释放规律及土壤酶活性、有机碳组分的变化，揭示调理剂对土壤生物特性的影响，判定新型液态调理剂作用于干旱地区土壤的可行性，为调理剂在实际生产中的应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于河北北方学院南校区实验站（40°50′N，114°45′E）。该地区属于石灰性栗钙土，pH值在7.2～7.4之间。由于水土流失、耕作粗放，土壤退化严重。其气候特点为四季分明，冬季寒冷时间长；春季干燥沙尘天气居多；夏季高温集中，降雨不均匀；秋季风沙较大气温较低。海拔高度一般在500～800 m，地势较低。年降水量为330～400 mm。

1.2 试验设计

供试土壤为张家口地区典型的石灰性栗钙土，于2020年8月采自河北北方学院南校区实验站莜麦种植区，采用五点法取0～20 cm耕层土壤，去除土样中杂质过2 mm筛，风干待测。采用室内模拟的方法进行双因素试验，因素1为不同材料处理，分别为CK（不施肥）、N（单施10 g/kg复合肥）、P₁N（0.008 g/kg调理剂+10 g/kg复合肥）、P₂N（0.016 g/kg 调理剂+10 g/kg复合肥）、P₃N（0.024 g/kg 调理剂+10 g/kg复合肥）；因素2为不同土壤质量含水量（15%、20%、25%），每个处理5个重复。其中调理剂是将聚丙烯酰胺和聚乙烯醇制成溶液，在一定温度下通过硫酸锰进行交联合成，有效成分为2%，其中 C含量占 0.2%；复合肥由尿素和磷酸二胺配制而成（质量比：N∶P∶K=15%∶10%∶8%）。

1.3 测定方法

土壤有机碳矿化培养采用碱液吸收法进行：称取过2 mm筛的风干土壤样品50.0 g，将调理剂、复合肥和土壤充分混合，用去离子水调节至相应的土壤含水量，均匀铺置于1 000 mL培养瓶底部，再将盛有10 mL 0.1 mol/L NaOH溶液吸收瓶悬置于广口瓶中，用聚乙烯膜密封广口瓶，于25 ℃培养箱内培养。分别在试验开始后1、3、6、9、12、15、18、21、24、27、31、35、39、43、47、50、53、56、59、62 d时更换吸收瓶，吸收瓶中加入1 mol/L BaCl₂溶液2 mL，加1滴酚酞指示剂，用标准酸（约0.05 mol/L HCl）滴定至褪色，同时在培养期间用称量法对土壤含水量进行调整^［13］。培养结束后，将部分土壤风干测定土壤有机碳组分含量，部分湿土冰箱贮存用于测定土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶活性。

土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法进行测定^［14］；活性有机碳含量用KMnO₄氧化法进行测定^［15］；蔗糖酶活性测定采用3，5-二硝基水杨酸比色法，β-葡萄糖苷酶活性测定采用分光光度法，过氧化氢酶活性测定采用高锰酸钾滴定法，多酚氧化酶活性测定采用比色法^［16］。

1.3.1 土壤有機碳矿化速率 有机碳矿化速率［g/（kg·d）］以单位质量土壤在单位时间内矿化释放的总碳量表示。计算公式为：

土壤有机碳矿化速率=培养时间内有机碳累计矿化量/培养天数。

1.3.2 土壤有机碳累计矿化量 有机碳累计矿化量（C_t，mg/kg）以单位质量土壤在一段培养期内矿化释放的总碳量表示，同时采用一级动力学方程，对土壤累计矿化量进行函数方程拟合^［17］。有机碳累计矿化量的计算公式为：

C_t=［（V₀-V）×C_HCl/2］×44×12/44×1/m（1-w）×1 000。

式中：C_t代表有机碳累计矿化量；C_HCl代表标准盐酸浓度，mol/L；V₀代表空白标定时消耗的标准盐酸体积，mL；V代表样品滴定时消耗的标准盐酸体积，mL；m代表每个广口瓶中的鲜土质量，g；w代表土壤水分质量分数，%。

1.3.3 碳库管理指数

CNL=SOC-LOC；

CMI=（TOC_样品/TOC_参考）×（LOC_样品/CNL_样品）×（CNL_样品/LOC_参考）×100。

式中：CMI代表土壤碳库管理指数；SOC代表土壤有机碳含量，mg/g；LOC代表土壤活性有机碳含量，mg/g；CNL代表土壤非活性有机碳含量，mg/g。

1.4 数据分析

利用Microsoft Excel 2018软件对试验数据进行初步整理；使用Origin 2022软件进行作图和方程拟合；采用SPSS 26.0软件进行方差分析和LSD（Duncans）多重比较，检验不同处理之间的显著差异性。

2 结果与分析

2.1 调理剂对土壤有机碳矿化速率的影响

由图1可知，在不同含水量条件下，各处理之间土壤有机碳矿化速率的变化规律基本类似。培养前3 d，单施肥处理（N）的有机碳矿化速率最大，随着培养时间的延长，调理剂处理（P₁N、P₂N、P₃N）的有机碳矿化速率逐渐增大。在培养9 d时，调理剂处理（P₁N、P₂N、P₃N）矿化速率均较单施肥（N）有不同程度的增加，且以P₁N提高效果最显著，分别提高12.65%（P<0.05，图1-a）、10.39%（P<0.05，图1-b）、10.02%（P<0.05，图1-c）。到 35 d 时，与单施肥（N）相比，P₂N的提高幅度最大，分别增加13.19%（P<0.05，图1-a）、12.5%（P<0.05，图1-b）、12.17%（P<0.05，图1-c）。在培养50 d后，各处理之间差异逐渐减小并趋于稳定，以P₃N的有机碳矿化速率最高，与单施肥处理（N）相比，不同土壤含水量（15%、20%、25%）下P₃N分别增加20.97%、8.01%、7.15%（P<0.05）。

2.2 调理剂对土壤有机碳累计矿化量的影响

由图2可知，不同处理的土壤有机碳累计矿化量变化规律类似于有机碳矿化速率。在培养前 31 d，单施肥处理（N）的有机碳累计矿化量最高。随着培养时间的延长，调理剂处理（P₁N、P₂N、P₃N）的有机碳累计矿化量逐渐增大。培养35 d，各调理剂处理在含水量为15%和20%土壤中的有机碳累计矿化量均显著高于单施肥处理（N），但在含水量为25%的土壤中差异不明显；培养结束后（62 d），各施肥处理与N之间的差异更为明显。其中在15%含水量条件下，P₁N、P₂N和P₃N较N分别增加了14.81%、17.50%和20.40%（P<0.05，图2-a）；20%含水量条件下，P₁N、P₂N和P₃N处理较N分别增加了2.69%、4.91%和10.24%（P<0.05，图2-b）；25%含水量条件下P₁N、P₂N和P₃N较N分别增加了0.86%、4.04%和6.19%（P<0.05，图2-c）。

2.3 调理剂对土壤有机碳矿化动力学参数的影响

利用动力学模型对土壤有机碳矿化数据进行拟合发现，方程决定系数（R²）均达极显著水平，说明一级动力学方程能很好地描述有机碳矿化动态（表1）。与单施复合肥（N）相比，不同土壤含水量（15%、20%、25%）下P₃N处理的C₀分别显著增加2.78%、10.29%、5.24%（P<0.05）。从潜在可矿化有机碳含量占总有机碳含量的比值来看（C₀/SOC），在含水量为15%和20%的土壤中，各施肥处理（N、P₁N、P₂N和P₃N）的C₀/SOC显著高于CK；在含水量为25%的土壤中，仅有N处理显著高于CK。不同施肥处理间对比发现，P₁N、P₂N和P₃N处理的C₀/SOC在不同含水量（15%、20%、25%）土壤中均低于N处理，并且在含水量为15%和25%的土壤中存在显著差异。

2.4 调理剂对土壤有机碳组分的影响

由图3可知，不同含水量下，各处理（CK、N、P₁N、P₂N、P₃N）对土壤SOC、LOC、CMI的影响结果趋于一致，顺序整体表现为CK＜N＜P₁N＜P₂N＜P₃N，说明调理剂可以进一步提高有机碳及其组分含量。与单施复合肥（N）相比，调理剂处理均不同程度提高了土壤有机碳、活性有机碳含量。其中，与N处理相比，P₁N处理的土壤SOC和LOC含量在土壤含水量为15%、20%、25%时分别增加了6.25%、5.85%、14.72%和29.84%、18.58%、1.72%（P<0.05）；P₂N处理的土壤SOC和LOC含量在土壤含水量为15%、20%、25%时分别增加了9.66%、8.78%、20.00%和45.16%、20.77%、13.22%（P<0.05）；P₃N处理的土壤SOC和LOC含量在土壤含水量为15%、20%、25%时分别显著增加了16.48%、13.17%、41.13%和75.00%、74.31%、49.71%。

2.5 调理剂对土壤酶活性的影响

由图4可知，P₃N处理的土壤蔗糖酶、过氧化氢酶活性均显著高于N处理，说明添加调理剂可以显著提高土壤酶活性。与单施肥处理（N）相比，不同含水量（15%、20%、25%）下P₁N处理的土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、过氧化氢酶活性分别增加了3.85%～10.17%、2.38%～70.94%、6.25%～8.51%；P₂N处理的土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、过氧化氢酶活性分别增加了8.66%～48.46%、4.29%～9.94%、1.56%～8.51%；P₃N处理的土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、过氧化氢酶活性分别增加了51.54%～81.94%、1.43%～20.47%、12.50%～42.55%（P<0.05）。并且在20%、25%含水量下，与N处理相比，调理剂处理（P₁N、P₂N、P₃N）對于土壤多酚氧化酶活性的影响效果并不显著。

2.6 土壤有机碳组分含量与酶活性相关性分析

施用复合肥-调理剂处理的土壤酶活性与土壤有机碳组分含量的相关关系如图5所示。在土壤含水量为15%、20%、25%时LOC、SOC、CMI均相关系数较高，其中土壤含水量为15%、25%时，蔗糖酶活性、过氧化氢酶活性与LOC、SOC之间相关系数较高；土壤含水量为20%时，蔗糖酶活性、β-葡萄糖苷酶活性、过氧化氢酶活性与LOC、SOC之间相关系数较高。

3 讨论

曾雄等研究表明，施用生物炭对土壤有机碳矿化速率、累计矿化量均存在显著提升作用^［18］。本研究各处理之间变化差异较大，在培养后9～31 d，调理剂处理的有机碳矿化速率均显著高于单施肥处理（N），具体表现为P₁N＞P₂N＞P₃N＞N＞CK，在培养31～50 d以P₂N效果更为显著，表现为P₂N＞P₃N＞P₁N＞N＞CK。随着培养时间的延长，50 d后土壤有机碳矿化速率的大小顺序为P₃N＞P₂N＞P₁N＞N＞CK，说明在施用复合肥基础上添加液态调理剂可以更持久地提高有机碳的矿化速率，并且调理剂浓度越高对后期碳矿化的影响效果越显著。通过对土壤有机碳累计矿化量的分析发现，土壤有机碳累积矿化量随培养时间的延长呈指数函数变化趋势，与单施复合肥（N）相比，添加调理剂处理（P₁N、P₂N、P₃N）提高了0.86%～20.40%。这说明调理剂的添加更有利于有机碳矿化量的提高。有研究表明，土壤含水量也会对有机碳矿化速率和矿化量造成影响^［19］。本试验通过定义不同的土壤含水量（15%、20%、25%），在培养期内，随着土壤含水量的减少，调理剂对碳矿化和碳累计矿化量的作用更为明显，并且调理剂处理（P₁N、P₂N、P₃N）受水分条件的影响较小，这可能是调理剂对水分的吸附作用，减弱了水分对土壤有机碳矿化的影响。

潜在可矿化有机碳C₀可以在一定程度上反映土壤微生物对碳源的利用能力^［20］。本研究中，不同调理剂处理（P₁N、P₂N和P₃N）的潜在可矿化有机碳含量（C₀）较单施肥处理（N）均有不同程度的提高。其中与单施复合肥（N）相比，P₃N处理的C₀在含水量为15%、20%、25%土壤中分别显著增加了2.78%、10.29%、5.24%。这表明施用无机肥可以显著提高土壤有机碳矿化的底物供给，调理剂的添加可为土壤微生物提供更多的营养物质，促进微生物活动，从而提高对土壤碳库的利用。有研究表明，潜在可矿化有机碳含量占总有机碳含量的比值（C₀/SOC）越小，土壤有机碳的固存量就相对较多^［21］。本研究中，P₁N、P₂N和P₃N处理的C₀/SOC在不同含水量（15%、20%、25%）土壤中均低于N处理，并且在含水量为15%和25%的土壤中存在显著差异。说明调理剂可以降低土壤有机碳矿化能力，提高土壤有机碳的固存。这可能是调理剂本身的黏着性和对养分的吸附性，减少了土壤中有机碳组分含量的散失。

土壤有机碳（SOC）及其组分含量是维持土壤生态稳定、协调土壤平衡、促进土壤可持续循环利用的重要因素^［22］。Tian等通过小区试验研究发现，与常规施肥（有机-无机配合施用）相比，在此基础上添加调理剂可显著增加土壤有机碳含量 32.9%和活性有机碳含量 20.2%^［23］。本研究结果与之类似，与单施复合肥（N）相比，P₁N处理的SOC和LOC在不同含水量（15%、20%、25%）土壤中分别增加了5.51%～14.6%和1.72%～29.8%（P<0.05）；P₂N处理分别增加了8.43%～19.7%和13.2%～45.2%（P<0.05）；P₃N处理分别显著增加了13.1%～40.8%和47.1%～75.0%。这表明调理剂可以显著提高土壤中有机碳及其组分含量，且与调理剂浓度呈显著正相关。大量研究表明，水分对土壤有机碳有一定的影响，在提高土壤含水量条件下，土壤有机碳含量会增加^［24-25］。本研究也得出相似的结论，不同处理的SOC含量在土壤含水量为25%时最高，其次是土壤含水量为20%，最后则是土壤含水量为15%。同时还发现，各处理的LOC均在土壤含水量为20%时最高，原因可能是过高的水分含量降低了土壤呼吸作用，从而抑制了微生物对土壤有机碳的分解。

土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、过氧化氢酶活性能直观反映土壤有机质的积累与转化，是表征土壤肥力、影响作物产量的重要指标^［26-27］。有研究表明，土壤调理剂能提高土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶和过氧化氢酶活性，并保持较高状态^［28-29］。本研究也得出相应结论，与N相比，添加调理剂处理（P₁N、P₂N和P₃N）蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶和過氧化氢酶活性分别提高了3.85%～81.94%、1.43%～70.94%和1.56%～42.55%。这可能是调理剂对土壤养分及水分的缓释作用，改良了土壤物理性状，提高了土壤养分含量，为土壤酶繁殖提供了良好的生活环境。各处理在不同土壤含水量条件下酶活性也存在差异，表现为20%＞25%＞15%，这可能是调理剂对水分及养分的固持作用，过多的水分容易造成土壤板结，抑制微生物活动。

有研究表明，土壤酶活性能显著影响土壤肥力，决定土壤性质^［30-31］。本研究表明，土壤SOC、LOC和CMI相关系数较高。不同含水量条件下，土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶和过氧化氢酶活性与土壤LOC、SOC和CMI均存在一定的相关关系。其中25%含水量下，土壤蔗糖酶活性与土壤LOC、SOC和CMI相关关系较高；多酚氧化酶活性与土壤各组分含量之间呈现不相关性。这与陈强龙等研究结论^［32］基本一致，说明新型液态调理剂通过提高土壤微生物活性的方式，促进了土壤有机碳的矿化速率及矿化量，进而增加了土壤中有机碳及其组分含量。而刘秀清等认为多酚氧化酶和过氧化氢酶活性与土壤有机质组分含量呈显著负相关关系^［33-34］，这可能是因为酶活性同时受土壤质地、水分含量、微生物活性、土壤类型等多因素的影响。

4 结论

（1）调理剂的添加可以显著增加土壤的有机碳、活性有机碳含量，且与调理剂的添加量呈正相关。同时含水量对土壤有机碳及其组分含量也存在一定影响，随着土壤含水量的增加，土壤有机碳、活性有机碳含量也有不同程度的提高。

（2）在施用复合肥基础上添加调理剂可以更持久地提高有机碳的矿化速率和累计矿化量，提高土壤有机碳固存。并且随着土壤含水量的减少，调理剂对有机碳矿化和累计矿化量的作用更为明显，其中以20%含水量P₃N处理（0.024 g/kg调理剂+10 g/kg 复合肥）效果最为显著。

（3）调理剂可以显著提高土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、过氧化氢酶活性，以20%含水量P₃N处理（0.024 g/kg调理剂+10 g/kg复合肥）效果最为显著，但对多酚氧化酶活性的影响并不显著。

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