包建平，袁根生，董方圓，李佳星，梁辰飛，徐秋芳，秦 華，陳俊輝

（浙江農林大學環(huán)境與資源學院浙江省森林生態(tài)系統碳循環(huán)與固碳減排重點實驗室，浙江臨安 311300）

農田土壤固碳減排是應對全球變化的重要措施之一。在促進土壤肥力的同時，如何有效保持和提升土壤固碳功能，是農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵，也是土壤固碳研究的新問題[1]。我國南方紅壤區(qū)在糧食生產和固碳減排方面扮演重要角色，然而紅壤區(qū)中低產田比例高（占45%），紅壤旱地養(yǎng)分貧瘠，生物功能退化，亟需建立瘠薄紅壤地力快速提升的固碳培肥措施[2]。秸稈直接還田或制備成生物質炭再還田均是提升土壤有機碳庫、維持養(yǎng)分循環(huán)及增加作物生產力的重要手段之一[3-4]。秸稈易分解，通過秸稈還田提高土壤有機質含量往往需要較長的時間，且其分解過程可能引起土壤氮磷養(yǎng)分的暫時固定，并對土壤有機質分解存在正激發(fā)效應，從而增加了土壤 CO2排放[5]。生物質炭是由生物質在完全或部分缺氧的情況下裂解產生的一類含碳量高達60%～85%的高度芳香化物質[4]。研究表明，生物質炭農田施用能影響土壤N2O、CH4等溫室氣體排放[6-7]，提高土壤pH、水分和養(yǎng)分固持，對促進土壤碳庫具有較大潛力[8]。陶朋闖等[9]研究發(fā)現生物質炭與氮肥配施可以提高旱地紅壤中微生物量碳、氮及土壤氮素利用率。張影等[10]報道生物質炭與雞糞或秸稈配施可以更均衡地提升土壤肥力。然而，生物質炭與傳統有機物料的配施研究還比較少，聯合施用影響土壤有機碳轉化的互作效應還不清楚。

土壤有機碳含量是有機碳礦化分解和合成的最終結果，是影響土壤肥力的重要因素，但其總量難以全面反映土壤質量的內在變化[11]。土壤有機碳可進一步分為活性和惰性有機碳，前者是衡量土壤有機碳有效性的重要指標，與土壤呼吸密切相關，而后者在提升土壤碳庫和有機質穩(wěn)定性方面具有重要作用[12]。研究表明，秸稈還田提高了土壤活性碳組分含量及微生物生物量[13]。生物質炭具有豐富的惰性碳，并含有少量易分解的活性有機碳[14]，其施加于土壤后可改變土壤有機碳組分，進而直接或間接地影響微生物組成及土壤生物化學過程[15]。一些研究表明，生物質炭添加不僅能顯著提高貧瘠土壤的微生物豐度[16]，對有機質含量較高的稻田土壤微生物量也有促進作用[17]。土壤酶參與土壤中各種生物化學反應，在營養(yǎng)物質循環(huán)和能量代謝等方面發(fā)揮重要作用。秸稈還田有助于提高脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶、纖維素酶等土壤酶活性[18-19]。生物質炭添加對土壤酶活性的影響已有報道，但還存在一些爭議，主要與添加量、酶的種類、生物質炭性質等有關[20]，有待于進一步驗證。

目前，國內外學者就秸稈還田或不同原料制備的生物質炭對土壤溫室氣體排放、土壤養(yǎng)分和作物產量等的應用效果展開了諸多研究[6-7，9-10]。然而，明確生物質炭的土壤改良潛力，特別是對旱作貧瘠紅壤的固碳培肥潛力，需要充分了解其對土壤有機碳組分和微生物活性的影響，以及生物質炭與其他有機物料的相互作用。為此，本項目通過田間試驗，研究了秸稈、生物質炭、生物質炭配施秸稈對土壤有機碳組分、土壤碳、氮、磷轉化相關酶活性及微生物碳氮底物利用能力的影響，以期為生物質炭農田土壤固碳減排應用和地力提升提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗地位于浙江省杭州市臨安區(qū)浙江農林大學試驗基地（30°15′N，119°43′E），海拔 80 m。該區(qū)域屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫為15. 9℃，年降水量1 350～1 500 mm，年日照時數 1 774 h，無霜期236 d。試驗地土壤類型屬于粉砂巖母質上發(fā)育的紅壤，較為貧瘠，本試驗前閑置。試驗地土壤基礎化學性質為：pH 4.69，有機碳 4.55 g·kg-1，全氮0.45 g·kg-1，堿解氮 63.10 mg·kg-1，有效磷 1.58 mg·kg-1，速效鉀 89.00 mg·kg-1。試驗所用材料為玉米秸稈和生物質炭。玉米秸稈自然風干后切碎至1 cm 左右備用。玉米秸稈全碳35.26%，全氮0.92%，碳氮比 38.32。生物質炭在炭化爐 450～500℃厭氧環(huán)境下由風干玉米秸稈熱解2 h 制備而成，過2 mm篩，備用。生物質炭基本理化性質為：pH 9.30，總碳 42.42%，全氮 1.02%，氫含量 1.98%，硫含量0.26%，碳氮比41.74。

1.2 試驗設計

試驗設對照（CK，不施用任何物料）、施用玉米秸稈（S）、施用生物質炭（B）、玉米秸稈和生物質炭配施（S+B）4 個處理。采用隨機區(qū)組設計，每個處理 3 個重復，共 12 個小區(qū)，每個小區(qū)面積6.6 m2。S、B 處理玉米秸稈和生物質炭分別施用10.2和 8.5 t·hm-2（折合 C 輸入量均為 3.6 t·hm-2），S+B處理有機物用量為兩者之和（折合 C 輸入量為7.2 t·hm-2）。于 2017 年 4 月中旬將切碎的玉米秸稈和生物質炭均勻撒在土壤表面，然后用鋤頭均勻混入0～15 cm 土層。穴播法以30 cm 間距播入玉米種子。為避免肥料施用可能對秸稈和生物質炭效果產生干擾，試驗期間不施用化肥或有機肥。

1.3 土壤采集和有機碳組分分析

土壤樣品采集于2018 年1 月。在每個小區(qū)中按5 點法采集土壤樣品，形成一個混合樣。土壤過2 mm篩，混勻，分成3 份。一份自然風干，用于土壤基本性質測定；另一份放在 4℃保存，用于土壤酶活性和微生物碳源利用能力分析測定；剩余的一份冷凍干燥后保存至-70℃冰箱。土壤pH 采用 pH 計按土水比 1︰2.5 測定，土壤有機碳（SOC）含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定[21]。采用硫酸水解法測定土壤易礦化碳組分I（LPI-C）（主要是來源于植物和微生物的淀粉和半纖維素類物質）、易礦化碳組分 II（LPII-C）（主要為纖維素類物質）和惰性有機碳（RP-C）（酸穩(wěn)定的有機物，如木質素和單寧酸等）組分含量，具體參考Rovira 和Vallejo[11]報道。

1.4 土壤酶活性測定

土壤酶活性分析采用微孔板熒光法，其原理為利用底物與酶水解釋放4-甲基傘形酮酰（4-MUB）進行熒光檢測，通過熒光強度的變化反映酶活性[22]。選取的4 種胞外酶分別為：β-葡萄糖苷酶（3.2.1.21，4-MUB-β-D-葡萄糖苷）、纖維二糖水解酶（3.2.1.91，4-MUB-纖維二糖苷）、β-N-乙酰基氨基葡萄糖苷酶（3.2.1.30，4-MUB-β-D-乙酰基氨基葡萄糖苷）、酸性磷酸酶（3.1.3.2，4-MUB-磷酸酯）。括號中的文字分別表示酶學委員會編碼和底物。用多功能酶標儀（Synergy? H1，Biotek，美國）在熒光激發(fā)光365 nm和檢測光波長450 nm 下測定反應液熒光值。酶活性以 nmol 產物·g-1土壤·h-1表示。

1.5 土壤微生物碳源利用速率測定

利用MicroResp 方法測定微生物基礎呼吸和底物誘導呼吸[23]。該方法用原土進行培養(yǎng)，測定的底物誘導呼吸可以反映土壤的微生物碳源利用速率。與Biolog 微平板法相比，該方法克服了Biolog 微平板法依賴土壤懸浮液提取物和細胞后續(xù)生長狀況條件制約，操作簡便，反應靈敏。本文選用葡萄糖、蘋果酸、天冬氨酸和丁香酸作為典型的碳源底物。碳源的最終添加濃度均為30 mg·mL-1。基礎呼吸以無菌水代替底物測定。

1.6 數據處理與統計分析

所得數據采用SPSS 18.0 軟件以秸稈作為一個因子，以生物質炭作為另一個因子（Biochar），進行雙因素方差分析（Two-way ANOVA），檢驗秸稈和生物質炭施用間的差異及互作效應；單因素方差分析（One-way ANOVA）Duncan 法多重比較檢驗不同處理間差異顯著性，顯著性水平設為P= 0.05。相關性分析采用皮爾遜（Pearson）相關分析法進行雙尾檢驗確定顯著性。

2 結 果

2.1 土壤pH、有機碳及其組分含量變化

與對照相比，秸稈單施顯著（P＜ 0.05）提高了易礦化碳組分I 含量，而對pH、總有機碳、易礦化碳組分II 和惰性碳含量無影響（表1）。生物質炭單施或與秸稈配施顯著（P＜ 0.05）提高了土壤總有機碳和惰性碳組分含量，而對其余碳組分無影響。生物質炭與秸稈配施顯著提高了土壤pH（P＜ 0.05）。雙因素方差結果表明秸稈施用對土壤易礦化碳組分I 和惰性碳含量有顯著影響（P＜ 0.05），生物質炭施用對土壤總有機碳和惰性碳組分含量有顯著影響；生物質炭與秸稈配施對易礦化碳組分 I 和惰性碳含量有顯著的交互效應。

2.2 土壤酶活性變化

與對照相比，秸稈單施顯著提高了 β-葡萄糖苷酶活性，而對纖維二糖水解酶、β-N-乙?；被咸烟擒彰浮⒘姿崦富钚詿o影響（表 2）。生物質炭單施或與秸稈配施對4 種酶活性均無影響。雙因素方差分析結果表明秸稈施用對 β-葡萄糖苷酶和纖維二糖水解酶影響顯著（P＜0.05），但與生物質炭無互作效應。

2.3 土壤基礎呼吸和微生物碳源利用速率變化

雙因素方差分析結果顯示，生物質炭施用顯著（P＜ 0.05）降低了土壤基礎呼吸和微生物對葡萄糖利用速率，生物質炭與秸稈對基礎呼吸速率有顯著互作效應（表3）。單施秸稈顯著（P＜ 0.05）提高了土壤基礎呼吸和土壤微生物對葡萄糖、天冬氨酸和丁香酸利用速率，但對蘋果酸利用速率無影響。生物質炭單施或與秸稈配施對4 種碳源底物利用速率無影響。

2.4 土壤基礎呼吸與土壤碳組分、微生物碳源利用速率和酶活性的相關性

相關分析結果顯示土壤基礎呼吸與易礦化碳組分 I 含量呈顯著正相關，而與惰性碳組分含量顯著負相關；土壤基礎呼吸與土壤β-葡萄糖苷酶活性呈極顯著（P＜ 0.001）正相關，而與其他酶活性無顯著相關。此外，土壤基礎呼吸與微生物葡萄糖和天冬氨酸利用速率呈極顯著正相關（P＜ 0.001），與蘋果酸和丁香酸利用速率無顯著相關性（圖1）。

表1 秸稈和生物質炭處理下土壤pH 和有機碳組分變化Table 1 Changes in soil pH and organic carbon fractionation as affected by straw returning and biochar amendment

表2 秸稈和生物質炭處理下土壤酶活性變化Table 2 Changes in soil enzyme activities as affected by straw returning and biochar amendment

表3 秸稈和生物質炭處理下土壤基礎呼吸和碳源利用速率變化Table 3 Changes in soil basal respiration and microbial carbon sources utilization rate as affected by straw returning and biochar amendment

3 討 論

3.1 秸稈和生物質炭施用對土壤有機碳組分的影響

圖1 土壤基礎呼吸與土壤碳組分、微生物碳源利用速率和酶活性的相關性分析Fig. 1 Correlation analysis of soil basal respiration with soil carbon fractions，enzyme activities and microbial carbon utilization rate

本研究結果發(fā)現秸稈單施顯著提高了易礦化碳組分I（LPI-C）含量，而對其他碳組分含量無影響（表1）。易礦化碳組分I 主要為一類來源于植物和微生物的淀粉和半纖維素物質[11]。易礦化碳組分含量的提高與秸稈本身含有豐富的纖維素和半纖維素有密切關系。秸稈腐解過程一方面能釋放較多的活性有機碳，一定程度提高土壤易礦化碳含量[24]；另一方面能促進土壤微生物活性，促進作物根系的發(fā)育及增加根系分泌物，最終產生更多的活性有機碳。生物質炭施用顯著提高了土壤總有機碳和惰性碳含量，而秸稈施用對兩者無顯著影響，這與王夢雅等[25]報道的結果較為一致。這是由于生物質炭含有豐富的芳香性碳組分，難分解，可長期促進土壤惰性碳含量[26]。與單施生物質炭相比，秸稈與生物質炭配施對土壤有機碳含量無顯著影響，說明秸稈對土壤有機碳積累的貢獻率較低。原因可能與秸稈易被微生物礦化分解，分解產物在較短時間內難以轉化成穩(wěn)定的碳有關。此外，相關研究表明，秸稈還田可引起正激發(fā)效應，可能加速消耗土壤有機碳含量[5]，有必要利用同位素標記技術作進一步分析。本研究發(fā)現生物質炭和秸稈配施具有顯著的互作效應，降低了土壤易礦化碳組分含量，可能與生物質炭的易礦化組分、孔性結構和吸附能力有關。Lu 等[27]研究表明，生物質炭的多孔結構具有較高養(yǎng)分和可溶性碳吸附能力，導致土壤易分解有機碳含量較低。生物質炭也具有少量易分解碳組分，可促進土壤易礦化碳組分分解，即產生正激發(fā)效應[14]。此外，較多文獻報道生物質炭施用提高了土壤pH，具有較好的酸化改良能力[28]，這是因為與秸稈等物料相比，生物質炭具有較高的pH 和灰分含量，能中和土壤酸性。本文生物質炭單施對 pH 無影響，可能與生物質炭的施用量較低有關。因此，生物質炭與秸稈配施有助于提升土壤有機碳庫和改善土壤酸化。

3.2 秸稈和生物質炭施用對土壤酶活性的影響

土壤酶主要來源于微生物，反映了土壤中各種生物化學過程的強度和方向，酶活性大小是土壤中物質代謝旺盛程度的重要指標[29]。本研究所檢測的4 種酶與土壤碳、氮、磷循環(huán)密切相關。秸稈施用顯著提高了β-葡萄糖苷酶和纖維二糖水解酶活性。與此相似，曹湛波等[30]通過田間試驗發(fā)現玉米、黃豆、水稻等秸稈還田顯著促進了土壤微生物活性，增加了土壤微生物量以及β-葡萄糖苷酶和脫氫酶活性。β-葡萄糖苷酶和纖維二糖水解酶是纖維素分解酶系的重要組成部分，也是纖維素降解的關鍵酶，是影響還田秸稈分解的最重要因素之一。秸稈還田后，土壤中微生物可利用的碳源物質，尤其是纖維素和半纖維素類有機物的增加，可促使土壤微生物分泌更多的碳轉化相關酶。范淼珍等[31]對祁陽旱地紅壤長期施肥實驗研究發(fā)現，單施糞肥和糞肥與化學肥料混施顯著增加了β-葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶等活性。Elzobair 等[32]通過 1 年的田間試驗發(fā)現木片生物質炭對土壤微生物生物量、β-葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶等酶活性無影響，而豬糞施用顯著提高了酶活性。本研究發(fā)現生物質炭施用并未顯著影響β-葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶、酸性磷酸酶及β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性。推測原因可能是生物質炭本身難降解，易分解組分含量低，并不能作為長期促進土壤微生物活性的可利用底物，從而無法誘導土壤酶活性提高。此外，一些研究表明生物質炭的孔隙結構通過吸附底物或酶，可能會阻礙酶活反應[20]。Wang 等[33]通過微孔板熒光法發(fā)現低濃度（0.5%質量比）的生物質炭添加量促進了β-葡萄糖苷酶、α-葡萄糖苷酶和纖維二糖水解酶活性，而高濃度反而抑制了上述酶活性。Bailey 等[20]認為酶活性變異取決于生物質炭的孔隙結構和活性表面對酶和底物的吸附能力。因此，生物質炭施用對土壤酶活性的影響機制還需要更多的研究。

3.3 秸稈和生物質炭施用對土壤微生物碳源利用速率及基礎呼吸的影響

土壤呼吸是陸地生態(tài)系統土氣交換的重要途徑，是土壤碳庫輸出的重要方式之一。土壤基礎呼吸表征土壤有機碳分解狀況，也是微生物活性的重要反映，與底物質量、微生物功能和酶活性密切相關[34]。王夢雅等[25]研究表明單施秸稈后土壤呼吸速率明顯大于單施生物質炭處理，而生物質炭與秸稈配施的CO2排放低于單施秸稈，與本研究結果較為一致。酶活性和呼吸作用降低可使秸稈分解緩慢，兩者強度與底物的可利用性有關。秸稈施用增加了土壤易礦化碳組分，為微生物活動提供了底物，促進了土壤活性碳庫的礦化。Lu 等[27]發(fā)現生物質炭及其與氮肥配施降低了土壤呼吸，引起了負激發(fā)效應，其原因歸結于生物質炭吸附并保護了土壤中的可溶性碳組分。本研究中土壤基礎呼吸速率與易礦化碳組分（LPI-C）含量成極顯著正相關，故印證了這一解釋。如上所述，β-葡萄糖苷酶是降解纖維素β-1,4 糖苷為葡萄糖的關鍵酶，與土壤有機碳分解和土壤呼吸密切相關。本研究中土壤呼吸與β-葡萄糖苷酶顯著正相關也支持了上述觀點。Ameloot 等[35]認為，生物質炭在土壤中存在1～2 年后可以與土壤有機質及礦物形成穩(wěn)定復合體，保護有機質被微生物和酶分解，從而降低土壤有機碳的礦化。由此推測，生物質炭與秸稈配施后土壤基礎呼吸速率相對于單施秸稈處理低，也可能與生物質炭對易礦化有機質的保護作用有關。本研究發(fā)現土壤基礎呼吸速率還與土壤微生物對葡萄糖和天冬氨酸的利用速率顯著正相關。這說明土壤基礎呼吸除了與底物質量和酶活性有關外，還與微生物的底物利用速率有關。單施秸稈處理具有最高的葡萄糖、天冬氨酸和丁香酸利用速率，表明秸稈施用不僅促進了土壤微生物對易分解底物的利用速率，也對難分解外源底物利用有促進作用。這可能與秸稈易降解，其緩慢持續(xù)降解釋放的可利用碳水化合物和含氮化合物促進了微生物活性有關。與秸稈等相反，生物質炭對微生物底物利用速率無影響。Chen 等[36]利用 Biolog 微平板法測定土壤微生物的底物利用能力，發(fā)現小麥秸稈炭施用短期內提高微生物對酚酸類的利用速率。推測生物質炭對微生物碳源利用速率影響可能與生物質炭的類型及施用時間有關。

4 結 論

短期內單施秸稈提高了土壤活性有機碳庫，促進了土壤基礎呼吸速率，但對土壤總有機碳提升作用不明顯；而生物質炭及其與秸稈配施能促進土壤總有機碳和惰性有機碳含量，降低土壤基礎呼吸，相比秸稈直接還田更有助于土壤固碳減排。秸稈施用促進了土壤酶活性和微生物對碳源底物利用速率，而生物質炭對其無顯著影響，這與秸稈和生物質炭本身的降解性和化學性質有密切關系。秸稈與生物質炭處理下土壤基礎呼吸變化與土壤碳轉化酶活性及微生物對碳水化合物的利用速率有關。