不同改良剂施用对滇中植烟土壤酶活性的影响

张晓花 宋娅丽 王克勤 陈炳绅 温昌焘 杨昕 张倩

摘要：针对滇中地区植烟土壤退化问题，研究施用土壤改良剂后土壤养分储存和酶活性变化，以期为滇中红壤地区烤烟土壤质量的维护和改良提供参考依据。试验以烤烟农田生态系统为研究对象，设置对照（CK）及4种不同土壤改良剂处理：生物炭（60 g/m²或30 g/m²）、秸秆（1 000 g/m²或500 g/m²）、聚丙烯酰胺（2 g/m²或 1 g/m²）、木质素（60 g/m²或30 g/m²），探讨0～20 cm土层的养分储存和酶活性变化特征。结果表明，生物炭、秸秆处理均显著提高了土壤有机碳和全磷含量；秸秆和木质素处理显著提高了土壤全氮含量，而木质素处理显著降低了土壤全磷含量。生物炭、秸秆、木质素处理均显著提高了土壤脲酶、酸性磷酸酶、过氧化物酶、蔗糖酶活性和纤维素酶活性；聚丙烯酰胺处理显著提高了脲酶活性，抑制了土壤过氧化物酶活性。相较于秸秆和生物炭2种传统改良剂，木质素也能明显改善土壤养分和酶活性，结合其方便、经济的特点，可在田间推广应用。

關键词：土壤酶活性；土壤改良剂；生物炭；秸秆；聚丙烯酰胺；木质素

中图分类号：S154.2；S572.06；S156.2  文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）06-0242-08

收稿日期：2023-06-07

基金项目：云南省科技计划（编号：202203AC100001-03）；云南省科技计划重点研发项目（编号：2018BB018）；云南省科技厅“三区”人才支持计划（编号：90202101）；云南省大学生创新创业训练计划（编号：202010677047）。

作者简介：张晓花（1998—），女，贵州纳雍人，硕士研究生，研究方向为生态恢复。E-mail：zxh1570494195@163.com。

通信作者：王克勤，博士，教授，博士生导师，从事小流域环境综合治理的理论与技术研究。E-mail：wangkeqin7389@sina.com。

近年来，滇中红壤丘陵地区烟草种植集中化规模化发展，由于长期的不合理耕作和管理，土壤发生了水土流失、土壤酸化和肥力下降等退化过程^[1]。这些退化过程导致了土壤酶活性降低、肥料利用率下降、烤烟品质差等问题，土壤质量急待改善^[2]。土壤酶直接参与土壤营养物质的转化、释放过程，因其能够对外界因素引起的土壤微生态的细小变化迅速反应，可作为土壤新陈代谢和土壤健康的重要指标^[3]。合理的土壤改良措施可以改善土壤质量，改变可调控土壤酶的底物有效性，进而影响土壤酶活性及土壤质量^[4-5]。土壤改良剂是土壤农艺调控措施的重要手段，在调节土壤结构、改善土壤水分和养分等方面有巨大潜力^[6]。

生物炭和秸秆均为传统型土壤改良剂，常被广泛施用于田间，能增强土壤酶活性，改善土壤质量^[7-8]。如Jiang等的研究结果表明，添加2%生物炭后，茶园土壤蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性分别提高了63.3%、23.2%和27.9%^[9]；路怡青等研究认为，玉米秸秆粉碎还田能显著提高土壤脲酶、磷酸酶和转化酶活性（19.6%～44.3%），且秸秆添加量越多效果越显著^[10]。聚丙烯酰胺和木质素作为新型土壤改良剂，其研究主要集中于对土壤理化性质的改良上，如张健等认为，聚丙烯酰胺施用于盐渍化土壤能够保持一定的碱解氮，能明显抑制氮素向土壤深层移动，起到了保水保肥改良土壤的作用^[11]；袁颖红等的研究表明，施用木质素后，土壤中铵态氮向硝态氮转化的速率显著降低，土壤硝态氮含量下降，使氮肥在土壤中较长期保存为铵态氮形式，可延长化肥肥效^[12]；以上研究均表明，聚丙烯酰胺和木质素作为土壤改良剂施用能保持土壤养分，土壤养分与酶活性相关，因而也可对土壤酶活性产生直接或间接影响^[13]。此前鲜少关注聚丙烯酰胺和木质素改良剂施用对土壤酶活性的影响，其应用于改良植烟土壤的相关研究鲜有报道。鉴于此，为了探究施用木质素和聚丙烯酰胺后对植烟土壤养分含量和酶活性的影响，本研究拟通过田间试验对比分析传统改良剂（生物炭、秸秆）和聚丙烯酰胺、木质素施用后滇中植烟红壤碳（C）、氮（N）、磷（P）养分储存和酶活性的变化特征，以期为滇中红壤地区烤烟土壤质量的维护和改良提供参考依据。

1 材料与方法

1.1  研究区域概况

本试验区域位于云南省玉溪市红塔区高仓街道龙树村，102°34′12.30″E，24°17′32.33″N，海拔为1 625 m。全年日照时数有1 947.5 h，日照率为44%，霜降天数共52 d，多年平均降水量为 909.10 mm，降雨天数有130～150 d，最大24 h降水量为 41 mm，属中亚热带半湿润冷冬高原季风气候，干湿季分明，雨季为5—10月。土壤属山原红壤，由砂页岩发育而成，土层较薄，呈强酸性至微酸性。

1.2  试验设计

用于试验的烤烟品种为K326，由玉溪市烟草公司统一调入。试验处理设置如下：空白对照（CK）、60 g/m²生物炭（BH）、30 g/m²生物炭（BL）、1 000 g/m²秸秆（SH）、500 g/m²秸秆（SL）、2 g/m²聚丙烯酰胺（PH）、1 g/m²聚丙烯酰胺（PL）、60 g/m²木质素（LH）、30 g/m²木质素（LL）。每个处理3次重复，用1 m×1 m的铁框划分样方，每个样方种植2株烤烟，各样方之间相隔均大于2 m，按照坡上、中、下顺序排列，田间管理措施同当地常规管理保持一致。于2020年4月15日进行移栽施用基肥（牛粪），4月27日施用提苗肥，5月24日追肥，同时在样方表层施用4种土壤改良剂（聚丙烯酰胺兑1 L水喷洒在土壤表面，秸秆、生物炭、木质素则直接铺撒在土壤表面）。牛粪有机肥（干基）的有机质含量约为15%、氮含量约为0.42%、磷含量约为0.20%、钾含量约为0.15%，提苗肥氮磷钾比例为12∶6∶2，追肥氮磷钾比例为18∶5∶22。生物炭由玉米秸秆高温碳化制取（由河南远见农业科技有限公司提供），其含 C 38.700%、N 1.37%、P 0.46%；粉碎玉米秸秆（1 cm）含 C 37.54%、N 1.36%、P 0.32%；聚丙烯酰胺由天津市致远化学试剂有限公司提供，pH值为7.0；木质素由河南省强兴化工有限公司铵法制造而成，其含 C 45.94%、N 4.84%、P 0.51%。各处理养分输入量具体见表1。

1.3  土壤样品的采集与测定

在土壤改良剂施用50 d后开始进行土壤采样，采用五点取样法取样，分别采集各样方7月、8月、9月0～5、5～10、10～20 cm土层的土壤，去除根系与石砾，进行风干处理，过0.25 mm筛保存，用于土壤养分和酶活性测定。

土壤有机碳（SOC）含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定，全氮（TN）含量采用硫酸消煮-凯氏定氮法测定，全磷（TP）含量采用钼锑抗比色法测定^[14]。土壤酶活性采用试剂盒测定，试剂盒由北京盒子生工科技有限公司提供。脲酶（urease，简称URE）、酸性磷酸酶（acid phosphatase，简称AP）、过氧化物酶（peroxidase，简称PER）、蔗糖酶（invertase，简称INV）和纤维素酶（cellulase，简称CEL）活性测定均按照试剂盒说明操作，用酶标仪在特定波长下测定吸光度，通过标准曲线计算样品中土壤酶活性。5种酶活性单位均为 U/g，即每天每g土样中产生1 μg硝态氮、1 nmol酚、1 mg紫色没食子素、1 mg 还原糖、1 mg葡萄糖分别定义为1个脲酶活力单位、1个酸性磷酸酶活力单位、1个过氧化物酶活力单位、1个蔗糖酶活力单位、1个纤维素酶活力单位。

1.4  数据处理

利用Origin 2019软件绘制烤烟成熟期（9月）的土壤酶活性条形图；采用SPSS 25对相关数据进行LSD多重比较，对土壤养分数据和酶活性进行相关性分析；用Excel软件（2010）绘制各月份的酶活性雷达图。

2  结果与分析

2.1  不同改良剂施用对土壤养分的影响

由表2可知，表中数据为烤烟成熟期（9月）的土壤养分。在0～20 cm土层，SOC含量呈降低趋势，TN、TP含量以及N/P变化不显著，C/N和C/P先升高后降低。与CK相比，在0～5、5～10、10～20 cm 土层，BH、SH、LH、BL、SL处理均显著提高了SOC含量（P<0.05）；在0～5、5～10 cm土层，SH、LH、SL处理则显著提高了TN含量（P<0.05），而在10～20 cm土层，各处理TN含量均差异不显著；在0～5、5～10 cm土层，BH、SH、SL处理显著提高了TP含量（P<0.05），而在 10～20 cm 土层，仅SH处理显著提高了TP含量（P<0.05）；同时，LH处理显著降低了 0～20 cm土层的TP含量。生物炭、秸秆、木质素处理均提高了土壤的C/N；生物炭和木质素处理均提高了土壤的C/P；木质素处理提高了土壤的N/P，而高量秸秆处理降低了土壤的N/P。综上，4种土壤改良剂对土壤养分的改善作用表现为秸秆>木质素>生物炭>聚丙烯酰胺。

2.2  不同改良剂施用对土壤关键酶活性的影响

2.2.1  脲酶（URE）活性变化

由图1-d可知，URE活性在月份间变化表现为9月>8月>7月，在土层间变化表现为0～5 cm＜10～20 cm＜5～10 cm；与CK相比，9月时，不同处理对URE活性影响明显，因此选取9月的酶活性进行细化分析（图1-a、图1-b、图1-c）。9月时，与CK相比，在0～5、5～10 cm土层，各不同高量处理下（BH、SH、PH、LH）土壤改良剂的URE活性均显著增强（P<0.05），而低量处理下仅BL和SL处理显著增强了URE活性，PL和LL处理差异不显著；在10～20 cm土层仅有BH处理作用显著，URE活性增加9.07%，其余处理均不显著。对比各处理在不同土层间的URE活性增强作用，随土层深度加深，各土壤改良剂对URE活性的作用逐渐减弱。

2.2.2  酸性磷酸酶（AP）活性变化

由图2-d可知，AP活性在月份间的变化表现为8月>7月>9月，在土层间的变化表现为5～10 cm<0～5 cm<10～20 cm。9月时，对比CK，在0～5、5～10 cm土层，各不同高量处理下（BH、SH、PH、LH）土壤改良剂的AP活性均显著增强（P<0.05），低量处理下除了LL处理，BL、SL、PL也显著提高了AP活性。在10～20 cm土层仅有高量处理（BH、SH、PH、LH）作用显著（P<0.05），AP活性增加11.54%～35.96%。与URE活性相似，随土层深度加深，各土壤改良剂对AP活性作用逐渐减弱。

2.2.3  过氧化物酶（PER）活性变化

由图3-d可知，PER活性在月份间的变化表现为7月>9月>8月，在土层间变化表现为0～5 cm>5～10 cm>10～20 cm。對比CK，在0～5 cm土层BH、SH、LH处理能显著增强PER活性（P<0.05），而PH处理

显著抑制了PER活性约34.13%；同样的，低量处理下BL、SL、LL处理也显著提高了PER活性，增强效果低于高量处理；PH处理降低了PER活性。5～10 cm 和10～20 cm土层，各处理效果与0～5 cm土层一致，但随土层深度的加深，土壤改良剂作用逐渐降低。

2.2.4  蔗糖酶（INV）活性变化

由图4-d可知，INV活性在月份间的变化表现为8月>7月>9月，在土层间的变化表现为0～5 cm>5～10 cm>10～20 cm。对比CK，在3个土层下，高量处理BH、SH、

LH均能显著提高INV活性（P<0.05），分别提高19.90%～31.14%、19.64%～21.39%、18.84%～22.65%，而低量处理BL则差异不显著。同时，PH和PL处理在各土层间对INV活性的影响均不显著。

2.2.5  纤维素酶（CEL）活性变化

由图5-d可知，CEL活性在月份间的变化表现为8月>9月>7月，在土层间变化表现为5～10 cm>10～20 cm>0～5 cm。对比CK，在0～5 cm土层，BH、SH、LH、BL、SL处理显著提高了CEL活性，而PH、PL、LL处理则差异不显著。在5～10 cm土层，BH、SH、LH、BL、SL、LL处理显著提高了CEL活性，而PH、PL处理则差异不显著。在10～20 cm土层，BH、SH、LH、SL处理显著提高了CEL活性，而PH、BL、PL、LL处理则差异不显著。

2.3  土壤养分与关键酶活性的相关性

由表3可知，URE活性与SOC含量、TN含量、C/N、C/P显著或极显著正相关；AP活性与TN含量显著正相关；PER活性与SOC、TN、TP含量显著正相关，与N/P显著负相关；INV活性与SOC、TN、TP含量极显著正相关，与N/P显著负相关；CEL活性与土壤养分含量相关性不显著。双因素方差分析结果表明，PER和CEL活性主要受土层变化影响，而施入的土壤改良剂对其影响不显著；URE活性对施入的土壤改良剂响应极显著；INV活性对土层和土壤改良剂类型均响应显著；AP活性对土层和土壤改良剂类型响应均不显著。

3  讨论

本研究中生物炭、秸秆、木质素施用均显著提高了土壤有机碳含量，有机碳含量随各物质施用量的增加而增加，是由于这3种物质均为外源添加有机物质，可在土壤中腐化分解，对土壤培肥和改良具有重要作用^[15-16]。秸秆和木质素提高了土壤全氮含量，是因为粉碎秸秆在高温多雨的条件下在烤烟成熟期时腐化分解释放了氮素，补充了烤烟生长消耗的氮素；木质素显著提高了土壤的全氮含量，可能是木质素的特殊三维立体空间结构，其吸附基团多，能够减缓氮肥过快地向铵态氮转化的分解过程，降低了施入氮肥的损失量，从而在成熟期时呈现较高的氮含量^[17]；陈金旭等也认为添加木质素抑制了土壤铵态氮向硝态氮转化的速率，显著降低了土壤硝化作用强度，减少了土壤氮素损失^[18]。生物炭、秸秆均提高了土壤的全磷含量，是由于玉米秸秆制成的生物炭中磷含量较高，还田后腐化分解提高了土壤磷素含量，生物炭则通过吸附作用减少了土壤磷淋失，进而在烤烟成熟期时土壤磷含量较CK显著增加^[19-20]；而木质素显著降低土壤全磷含量，可能是木质素可添加到磷肥中作为活化剂和保护剂，其具有螯合和离子交换的性能，能显著激活土壤磷肥有效性，提高肥料利用率，降低烤烟成熟期的土壤全磷含量^[21]。碳氮比和碳磷比通常被认为是土壤氮素、磷素矿化能力的标志，对作物生长发育具有重要影响^[22]。本研究中生物炭、秸秆、木质素这3种有机物质输入，显著增加了土壤有机碳、氮素、磷素含量，提高土壤碳氮比和碳磷比，改善了土壤的养分条件。烤烟生长适宜的氮磷比范围为1∶1左右^[23]，木质素施用提高了土壤的氮磷比，因此使用木质素改良烟田时，可减少磷肥施用量，节约种植成本。

土壤酶活性主要受土壤水分、温度、耕作、施肥、土地利用方式等诸多因素影响^[24]。土壤改良剂施入60 d左右（8月）才对土壤酶活性产生显著影响，说明其具有一定的滞后效应。酸性磷酸酶、蔗糖酶和纤维素酶活性均在8月时（旺长期）最强，这与烤烟生长发育较为一致；过氧化物酶活性在烤烟成熟期（9月）较强，同时受土层变化影响显著，随土层加深而降低，主要是由于其参与难降解的木质素分解过程、土壤腐殖化过程等，而烤烟成熟期有机物质累积较多，土壤腐质化程度高，有机物质含量随土层深度加深而减少^[25]。有机土壤改良剂施入能增加土壤有机质含量，其作为土壤微生物繁殖和发育的重要能量和养分来源，对改善土壤微生态环境、增强土壤酶活性有较好的效果^[26]。本研究验证了前人的试验结果，施用生物炭和秸秆2种改良剂后脲酶、酸性磷酸酶、过氧化物酶、蔗糖酶、纤维素酶活性均在0～20 cm土层内不同程度增强^[27-29]。其中生物炭和秸秆施用后，对土壤脲酶和过氧化物酶活性的增强作用相同，但秸秆对酸性磷酸酶、蔗糖酶活性的增强效果优于生物炭，秸秆对土壤酶活性的促进作用总体优于生物炭，这与Tian等的研究结论相似，秸秆还田增加土壤酶活性主要是由于秸秆本身含有富碳物质以及氮、磷、钾等多种养分，其腐解能使土壤综合生态因子改善，为土壤中的微生物提供丰富的养分和适宜的生存条件，提高土壤微生物活性，进而促进酶活性的提高^[30]。

聚丙烯酰胺作为保水剂和土壤结构改良剂可通过改善土壤物理性质，为土壤微生物提供适宜的生存环境，从而对土壤酶活性产生不同程度的直接或间接影响^[31]。本研究中聚丙烯酰胺增强了土壤脲酶、酸性磷酸酶活性，主要是因为脲酶活性与氮含量显著正相关（表3），聚丙烯酰胺降低了土壤养分氨挥发，抑制了氮素深层移动效应，控制氮素淋失^[13]。同时聚丙烯酰胺作为保水剂可以提高土壤含水率，而氮矿化速率和酸性磷酸酶活性均與含水率正相关，含水率增加则土壤氮矿化速率增强，氮素释放、吸收、转运和积累增加，为土壤微生物提供了丰富的氮素养分，微生物活性增强，间接促进微生物分泌胞外酶^[32-33]。氧化类酶的活性受到土壤含水率、结构和腐殖质含量等诸多因素的影响，主要与土壤含水率呈负相关关系^[34]，聚丙烯酰胺作为保水剂施用表现为显著抑制土壤过氧化物酶活性。木质素与生物炭和秸秆性质相似，均在0～20 cm土层内不同程度显著增强了脲酶、酸性磷酸酶、过氧化物酶、蔗糖酶、纤维素酶活性，是由于木质素施入对土壤养分含量有显著影响，而酶活性与养分含量间密切相关，如脲酶活性与SOC含量、TN含量、C/N、C/P显著或极显著正相关；酸性磷酸酶活性与TN含量显著正相关；过氧化物酶活性与SOC、TN、TP含量极显著正相关，与N/P显著负相关；蔗糖酶活性与SOC、TN、TP含量极显著正相关，与N/P显著负相关；土壤养分的输入会促进土壤微生物快速生长发育，进而促进养分转化与固定的相关酶活性。同时木质素在本研究中施用量远小于秸秆，与生物炭用量相同，且木质素价格较生物炭低，在土壤改良中施用木质素可保证土壤改良效果的同时节约成本。

4  結论

在0～20 cm土层内，同一种土壤改良剂的高量施用对土壤碳氮磷养分积累的促进作用更大；4种土壤改良剂对土壤养分的改善作用表现为秸秆>木质素>生物炭>聚丙烯酰胺，对土壤酶活性的改善作用表现为秸秆>生物炭>木质素>聚丙烯酰胺。相较于秸秆和生物炭2种传统改良剂，木质素也能明显改善土壤养分和酶活性，结合其方便、经济的特点，可在田间推广应用。

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