不同类型生物质炭对保山植烟土壤理化性质及酶活性的影响

关键词：生物质炭；水热炭；酶活性；植烟土壤：理化性质

中图分类号：S151.9：S572.062 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2024）11-0092-08

保山市是云南省主要的清甜香烤烟产区，对保山市下辖5个县（市、区）进行土壤质量评价与障碍诊断的结果表明，腾冲市的土壤质量指数最低，其中有机质和土壤容重是中度障碍因子，pH、全氮、有效磷、速效钾是轻度障碍因子。腾冲市植烟障碍主要表现为土壤偏酸和氮、磷含量过高。杨绍俊等研究表明，保山植烟主要病害为青枯病和黑胫病等，青枯病和黑胫病均为土传病害，即病原菌主要存在于土壤中。

生物炭常被用作土壤有机改良剂，是生物质在无氧高温（500～800℃）条件下制备而得，具有孑L隙丰富、比表面积大、含碳量高等特性。生物炭能够有效改善土壤pH，增加土壤孔隙度，降低土壤容重，促进团聚体的形成。有研究表明，生物炭能够有效抑制土传病害的发生，一方面通过促进植物对养分的吸收利用，提高植物的抗性，抵御病原菌：另一方面通过改善土壤微生态环境，建立健康的土壤防御系统，减少病原体种群，降低土传病害的发生率。研究表明，生物炭丰富的孔隙给微生物提供了理想的栖息地，促进微生物的生命活动，提高了土壤养分。水热炭是在一定的温度（180～350℃）和压力下，以水或其他溶剂为反应介质进行的热化学转化过程。与生物炭相比，由于水热炭以水为溶剂，碳化过程中灰分会被液相带走，因此灰分含量更低，同时保留了丰富的亲水性基团，如羟基和羧基等。且由于水热炭炭化温度较低，其H/C和O/C含量比生物炭高，但是孑L隙较少甚至无孔，导致比表面积低。众多研究表明，生物炭和水热炭均会改善土壤理化性质以及土壤酶活性，因此探究生物质炭对保山植烟土传病害的抑制作用具有重要意义。但是目前关于生物质炭的研究多集中于生物炭基肥对土壤盐碱化、重金属污染、微塑料污染等方面的影响，而关于其对植烟土传病害的影响鲜有报道。

本研究针对保山植烟土壤耕作质量降低、烤烟土传病害等不利于养分利用和烤烟生长的问题，设置常规施肥基础上施加生物炭和水热炭两种生物质炭基肥处理，探究其对植烟土壤理化性质及酶活的影响，筛选合适的生物质炭基肥，以期为保山植烟土壤改良提供指导依据。

1材料与方法

1.1试验地概况及材料

试验在云南省腾冲市界头镇丘陵山区（98°。39′50.53″E，25°25′49.63″N）开展。该地属于亚热带季风气候，年均气温15℃，年均降水量1700mm。种植制度为烟草-油菜轮作。供试土壤类型为黄壤，土壤基本理化性质见表1。

试验所用生物炭基肥和水热炭基肥是以水稻和玉米秸秆为原材料制备而成（云南省微生物发酵工程研究中心有限公司生产），其基本理化性质见表2。两种生物质炭基肥均为有机质含量60%、全氮1.50%、全磷0.50%、全钾3.50%，pH值为7.50。

供试烤烟品种为云烟87。

1.3土壤样品的采集

烟叶采收后分别采集0～20、20～40 cm土层土壤样品并分为两部分，其中一份置于-20℃冰箱低温保存，用于土壤酶活性测定：另一部分土样风干过2mm筛和0.125 mm筛，用于土壤化学指标测定。用环刀取0～20 cm和20～40 cm土层样品，测定土壤容重、总孔隙度、颗粒组成（黏粒、粉砂粒、砂粒）等物理指标。

1.4土壤理化性质及酶活性测定

土壤理化性质测定均参照《土壤农业化学分析方法》，主要指标包括容重、总孔隙度、颗粒组成（黏粒、粉砂粒、砂粒）、质地分类、pH值、有机质、全氮、铵态氮、硝态氮、速效钾、有效磷，并计算C/N值。

土壤蔗糖酶、脲酶、纤维素酶活性均采用96孔酶标板荧光分析法测定。

1.5数据处理与分析

试验数据用Microsoft Excel 2016进行统计整理，用SAS 9.4软件进行方差分析和主成分分析（PCA），显著性检验采用LSD法（α=0.05），用Origin 9.5软件制图，利用SPSS 21.0软件进行相关性分析。

2结果与分析

2.1生物质炭基肥对植烟土壤理化性质的影响

由图1可知，0～20 cm和20～40 cm土层，与CK相比，T2显著降低土壤粉砂粒含量，降幅分别为6.08%和9.87%：T1显著增加土壤砂粒含量，增幅分别为4.86%和8.30%：20～40 cm土层，与CK相比，T1显著增加土壤黏粒含量，增幅为7.53%。0～20cm土层，各处理土壤容重差异不显著；20～40 cm土层，与CK相比，T1显著降低土壤容重，降幅为4.00%。0～20 cm土层，与CK相比，T1显著增加土壤总孔隙度，增幅为14.31%：20～40 cm土层，各处理土壤总孔隙度差异不显著。

由图2可知，0～20、20～40cm土层，与CK相比，T2显著提高土壤pH值，增幅分别为7.74%和7.57%。0～20 cm土层，与CK相比，T2显著降低土壤有机质含量，降幅为6.97%；20～40cm土层，各处理有机质含量差异不显著。0～20cm土层，与CK相比，T2显著提高土壤全氮含量，增幅为30.85%；在20～40 cm土层，与CK相比，T1和T2显著提高土壤全氮含量，增幅分别为18.17%和17.69%。0～20、20～40cm土层，与CK相比，T2显著降低土壤C/N值，降幅分别为25.75%和21.01%。0～20cm土层，与CK相比，T1和T2显著降低土壤铵态氮含量，降幅分别为45.71%、57.11%；20～40cm土层，各处理铵态氮含量差异不显著。0～20 cm土层，与CK相比，T1和T2显著提高土壤硝态氮含量，增幅分别为30.32%和30.40%；20～40 cm土层，与CK相比，T2显著提高硝态氮含量，增幅为24.66%。0～20cm土层，与CK相比，T1显著提高土壤速效钾含量，增幅为18.86%；20～40cm土层，与CK相比，T2显著降低速效钾含量，降幅为18.82%。0～20cm土层，与CK相比，T1显著提高土壤有效磷含量，增幅为19.00%；20～40cm土层，与CK相比，T1和T2显著降低有效磷含量，降幅分别为11.37%和23.13%。

2.2生物质炭基肥对植烟土壤酶活性的影响

由图3可知，0～20 cm土层，与CK相比，T1和T2显著降低土壤脲酶活性，降幅分别为19.42%和29.72%；20～40cm土层，各处理间脲酶活性无显著差异。0～20 cm和20～40cm土层，与CK相比，T1显著增加土壤纤维素酶活性，增幅分别为9.72%和53.95%。0～20 cm土层，与CK相比，Tl和T2显著降低土壤蔗糖酶活性，降幅分别为18.53%和21.33%：20～40cm土层，T1显著增加蔗糖酶活性，增幅为22.70%，T2显著降低蔗糖酶活性，降幅为26.04%。

2.3生物质炭基肥处理下土壤理化性质和酶活性的相关性分析

对土壤理化因子与酶活性之间进行相关性分析，结果（图4）表明，0～20 cm土层，土壤pH值与全氮含量、容重和砂粒含量呈显著正相关，与硝态氮含量呈极显著正相关，与蔗糖酶活性呈显著负相关，与脲酶活性和铵态氮含量呈极显著负相关；土壤有机质含量与粉砂粒含量呈显著正相关，与碳氮比呈极显著正相关，与全氮和黏粒含量呈显著负相关；全氮含量与砂粒含量呈显著正相关，与脲酶活性呈显著负相关，与碳氮比和粉砂粒含量呈极显著负相关：碳氮比与粉砂粒含量呈极显著正相关；硝态氮含量与砂粒含量呈极显著正相关，与脲酶活性呈显著负相关，与铵态氮含量和蔗糖酶活性呈极显著负相关：铵态氮含量与蔗糖酶和脲酶活性呈极显著正相关，与土壤容重和砂粒含量呈显著负相关：有效磷含量与总孔隙度和纤维素酶活性呈显著正相关；速效钾含量与砂粒含量呈显著正相关；容重与脲酶活性呈显著负相关；黏粒含量与纤维素酶活性呈显著负相关：粉砂粒与砂粒含量呈显著负相关：砂粒含量与脲酶活性呈显著负相关；蔗糖酶与脲酶活性呈显著负相关。

20～40 cm土层，土壤pH值与粉砂粒含量呈显著负相关，与有机质含量、碳氮比、有效磷和速效钾含量呈极显著负相关；有机质含量与有效磷、速效钾含量和蔗糖酶活性呈显著正相关；全氮含量与总孔隙度和黏粒含量呈显著正相关，与硝态氮含量呈极显著正相关，与有效磷和速效钾含量呈显著负相关，与碳氮比和粉砂粒含量呈极显著负相关；碳氮比与有效磷、速效钾和粉砂粒含量呈极显著正相关，与总孔隙度呈显著负相关，与硝态氮含量呈极显著负相关：铵态氮含量与总孔隙度呈显著负相关：有效磷与粉砂粒含量呈显著正相关，与速效钾含量呈极显著正相关，与总孔隙度呈显著负相关；速效钾与粉砂粒含量呈显著正相关；容重与纤维素酶活性呈显著负相关，与蔗糖酶活性呈极显著负相关；总孔隙度与黏粒含量呈显著正相关；黏粒与砂粒含量呈极显著正相关，与粉砂粒含量呈显著负相关：粉砂粒与砂粒含量呈极显著负相关；砂粒含量与纤维素酶活性呈显著正相关；蔗糖酶与纤维素酶活性呈显著正相关。

土壤理化因子和酶活性之间的冗余分析结果（图5）表明，0～20 cm土层，土壤脲酶（F=5.8，P=0.006）、纤维素酶（F=3.1，P=0.022）和蔗糖酶（F=2.8，P=0.048）活性均对土壤理化因子有显著影响。其中脲酶活性与铵态氮含量呈显著正相关，与pH值、硝态氮含量、全氮含量、容重和砂粒含量呈显著负相关。20～40 cm土层，蔗糖酶（F=2.7，P=0.009）和纤维素酶（F=7，P=0.018）活性均对土壤理化因子有显著影响。其中蔗糖酶活性与有机质含量呈显著正相关，与容重呈显著负相关。

3讨论

本研究表明，施加生物炭基肥显著降低20～40cm土层土壤容重，显著提高0～20cm土层的土壤总孔隙度。生物炭和水热炭均能有效降低土壤容重，提升土壤孔隙。与制备生物炭相比，水热炭制备的温度低，导致其孔隙较少，甚至无孔，因此水热炭基肥的施加没有对土壤容重和总孔隙度产生显著性影响。本研究表明，与常规施肥相比，水热炭基肥显著提高了土壤pH值。生物炭和水热炭均能够有效提高土壤pH值，其中生物炭提高幅度更大，但本研究表明，水热炭对土壤酸度的改良效果更优，原因可能是水热炭制备过程中水作为溶剂，水热炭表面存在更多的-OH、-COOH和C=O等基团，能够快速与土壤中的H+发生反应，从而提高土壤的pH值。腾冲市存在土壤偏酸的问题，两种生物质炭基肥均能够有效改善该问题。在0～20 cm和20～40 cm土层中，两种生物质炭基肥均能够有效降低有机质含量，提高全氮含量，其中水热炭的效果最为显著。在0～20 cm和20～40 cm土层中，两种生物质炭基肥均降低了C/N比，其中水热炭降低更为显著。同时在0～20 cm土层中，两种生物质炭基肥均显著降低铵态氮含量，而显著提高硝态氮含量。李雪利等研究表明，C/N比高的情况下，微生物会提高利用有机碳的分解速率，消耗大量的有机质，促进微生物固定铵态氮为有机氮，减少氮素损失。在0～20 cm土层中，生物炭基肥显著提高了土壤有效磷和速效钾含量。浅层土壤有效磷和速效钾含量的提高可能是由于微生物生命活动消耗稳定的有机物质，产生可被利用的速效及有效成分.而生物炭具有丰富的孔隙能够给微生物提供栖息地，因此与水热炭相比明显提高有效磷和速效钾含量。

脲酶参与氮素的转化与循环，两种生物质炭基肥均显著降低0～20 cm土层土壤的脲酶活性。前人研究表明，生物炭的施加有效提高脲酶活性，与本研究结果不一致，可能是由于保山市植烟土壤中全氮是轻度障碍因子，影响了土壤脲酶的活性。纤维素酶和蔗糖酶是碳循环过程中的重要酶，纤维素酶能够水解多糖至纤维二糖，蔗糖酶活性反映了土壤生物学活性强度以及土壤肥力。在0～20 cm和20～40 cm土层中，生物炭基肥均显著提高纤维素酶活性：0～20 cm土层两种生物质炭基肥均显著降低蔗糖酶活性。已有研究表明，生物炭的施加能够提高蔗糖酶和纤维素酶活性。本研究中，土壤蔗糖酶活性表现不一致可能是由于生物炭和水热炭吸附了酶促反应的结合位点，抑制了酶促反应；也可能是由于吸附了酶的反应底物，从而降低了酶促反应。

4结论

生物炭基肥显著提高0～20 cm土层土壤总孔隙度和硝态氮、有效磷、速效钾含量及纤维素酶活性，显著降低铵态氮含量及脲酶、蔗糖酶活性；水热炭显著提高土壤pH值及全氮、硝态氮含量，显著降低C/N值和有机质、铵态氮含量及脲酶、蔗糖酶活性。生物炭基肥显著提高20～40 cm土层土壤全氮含量及纤维素酶、蔗糖酶活性，显著降低有效磷含量；水热炭显著提高土壤pH值和全氮及硝态氮含量，显著降低C/N值和有效磷、速效钾含量及蔗糖酶活性。0～20 cm土层，脲酶活性对土壤理化因子有显著性影响，20～40 cm土层，蔗糖酶活性对土壤理化因子有显著性影响。