改良剂对旱地红壤活性有机碳及土壤酶活性的影响①

袁颖红，张文锋，周际海，芮绍云，刘贵军，李 丽，黄欠如，成艳红，孙 波

(1 江西省红壤研究所，江西进贤 331717；2 南昌工程学院江西省退化生态系统修复与流域生态水文重点实验室，南昌 330099；3 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京 210008)

改良剂对旱地红壤活性有机碳及土壤酶活性的影响①

袁颖红1,2，张文锋2，周际海2，芮绍云2，刘贵军2，李 丽2，黄欠如1*，成艳红1，孙 波3

(1 江西省红壤研究所，江西进贤 331717；2 南昌工程学院江西省退化生态系统修复与流域生态水文重点实验室，南昌 330099；3 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京 210008)

针对江西旱地红壤肥力低下、生产力不高等突出问题，基于长期野外旱地红壤定位试验，研究了改良剂(生物质炭和过氧化钙)对旱地红壤活性有机碳及与碳代谢相关酶活性的影响。试验设置生物质炭施用量0(C0)、758(C1)、1 515(C2) kg/hm2和过氧化钙施用量0(Ca0)、61(Ca1)、121(Ca2)kg/hm2，生物质炭和过氧化钙单施和配施共9个处理，即CK、C0Ca1、C0Ca2、C1Ca0、C1Ca1、C1Ca2、C2Ca0、C2Ca1、C2Ca2。结果表明，生物质炭单施和配施均在一定程度上提高了旱地红壤有机碳及活性碳组分，且效果优于单施过氧化钙。C2Ca0、C2Ca1和C2Ca2处理土壤有机碳增加较显著。生物质炭和过氧化钙显著提高土壤活性有机碳组分，与对照(CK)相比，其中C1Ca0处理的微生物生物量碳平均增加了45.22%，C1Ca2处理的可溶性有机碳平均增加了21.34%，C1Ca0处理的颗粒有机碳平均增加了20.72%，C2Ca2处理的易氧化有机碳平均增加了22.19%。生物质炭和过氧化钙对提高碳库管理指数均有较好的效果，0 ～ 10 cm和10 ～ 20 cm土层分别平均增加了11.09%、14.07%。添加生物质炭对旱地红壤酶活性均有促进作用，且对0 ～ 10 cm土层土壤酶的影响较10 ～ 20 cm土层明显；配施C2Ca2明显提高旱地红壤淀粉酶、纤维素酶和β-葡糖苷酶活性，C1Ca1明显提高红壤蔗糖酶活性。因此，生物质炭和过氧化钙能有效改善旱地红壤活性有机碳组分以及与碳代谢相关酶活性，且生物质炭与过氧化钙配合施用对土壤改良的效果更好。

改良剂；旱地红壤；活性有机碳；土壤酶

红壤广泛分布于南方热带、亚热带地区，是南方地区重要的土壤资源，具有酸度高、质地黏重、通气透水性差、保肥性能弱等特点[1]。但红壤地区光温资源丰富，是我国重要的农产品生产基地，具有巨大的农业生产潜力。由于受季风的影响，红壤地区高温高湿，土壤矿物风化淋溶强烈，自然肥力低下，生产力相对不高，再加上人类近几十年来不合理的种植、耕作等活动，造成水土流失，使红壤肥力衰退程度更加严重[2]。

应用生物质炭等改良剂进行土壤改良已成为全球关注的热点，众多研究表明，生物质炭施入土壤可以改善土壤理化性质和土壤养分状况，促进作物生长和提高产量[3-4]。土壤有机碳库是陆地碳库的重要组成部分，在研究陆地碳循环中具有重要的作用。由于碳循环对全球生态系统循环有着重要的影响，因此，土壤有机碳研究受到人们普遍关注，已成为全球变化研究的三大热点之一[5-6]。土壤活性有机碳是土壤有机碳中活性较高的那部分，在一定的时空条件下受植物、微生物影响强烈，具有一定溶解性，且在土壤中移动较快、易氧化、易分解、易矿化[7-8]，包括植物残茬、根系分泌物、真菌菌丝等游离度较高的有机物[9]。另外，土壤酶是一种具有生物催化能力和蛋白质性质的高分子活性物质[10]，参与土壤中各种化学反应和生物化学过程，与有机物质矿化分解、矿质营养元素循环、能量转移、环境质量等密切相关[11]。有试验结果表明，施入以生物质炭为主要成分的生态炭肥，能显著提升土壤有机质含量，明显增加土壤细菌数量，有效活化土壤蔗糖酶、淀粉酶及纤维素酶的活性，并存在正剂量效应，有效修复土壤健康，为植物的生长发育提供良好的土壤条件，为降低病害发生及减少产量损失提供了保障[12-13]。但是国内外开展较多的是关于高剂量生物质炭对土壤改良效果研究。近几年来，有研究表明，过氧化钙在水分作用下缓慢分解放出氧气，一方面进行物理扩散作用，加强了土壤的透气性，防止土壤板结，有利于植物根系生长，促进植物新陈代谢，提高马铃薯、甜瓜等农产品的质量和产量；另一方面又进行化学氧化作用，控制细菌的生长，增强植物抵御病虫害的能力，生成的氢氧化钙还可中和酸性土壤[14-15]。目前，有关生物质炭和过氧化钙等改良剂对旱地红壤活性有机碳组分以及土壤酶活性的影响研究报道较少，尤其是生物质炭和过氧化钙配施对土壤改良效果研究鲜见报道。本研究基于野外旱地红壤定位试验，初步探究低剂量生物质炭和过氧化钙对旱地红壤活性碳组分及土壤酶活性的影响，可为秸秆生物质炭长期还田和添加过氧化钙改良旱地红壤有机碳组分，提高农业生产力提供理论基础和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地设在江西省红壤研究所定位试验基地内，属典型的低丘红壤区红壤旱地，海拔高度为25 ～ 30 m，坡度5°。其地理位置为116°20'24″E，28°15'30″N，属亚热带季风气候，气候温和、雨量充沛、日照充足、无霜期长。年平均降雨量1 587 mm，无霜期282 d，平均气温17.5 ℃，年平均日照时数1 900 ～ 2 000 h。

1.2 试验材料

试验土壤为第四纪红色黏土发育而成，0 ～ 20 cm土层土壤pH为4.18、有机碳含量8.64 g/kg、全氮为1.64 g/kg、全磷为1.01 g/kg、有效磷为157.75 mg/kg、全钾含量为7.73 g/kg，CEC为18.84 cmol/kg。生物质炭由小麦秸秆在350 ～ 500 ℃下厌氧烧制而成，购于河南商丘三利新能源有限公司，制备率约为35%，其理化性质如下：pH 为10.35，有机碳含量为467.20 g/kg，全氮含量为5.90 g/kg，全磷含量为14.43 g/kg，有效磷为4.70 g/kg，全钾含量为11.50 g/kg，CEC为217.00 cmol/kg。田间管理按常规管理进行，每年种植红薯(苏薯8号)。

1.3 试验设计

试验从2013年4月开始实施，采用完全方案设计，随机区组排列，每个处理设3个重复，共计27个小区，小区面积3.5 m × 6 m = 21 m2。走道宽0.5 m，保护行宽1 m，小区间排水沟宽0.5 m。每个小区施尿素630 g(300 kg/hm2)，钙镁磷肥(P2O512.5%)787 g(375 kg/hm2)，KCl(K2O 60%)552 g(263 kg/hm2)。生物质炭过20目筛，每年添加一次生物质炭和过氧化钙，施用方法为表层施用，再翻耕。根据生物质炭和过氧化钙的不同施用剂量设9种处理，各小区处理及生物质炭和过氧化钙用量如表1。

表1 处理及改良剂施用量(kg/hm2)Table 1 Experimental treatments and applied amounts of soil amendments

1.4 样品的采集

于2014年4月底采集土壤样品，用土钻在每个试验小区进行多点混合采集土壤，取样深度为0 ～ 10、10 ～ 20 cm，把土样密封后带回实验室4 ℃冰箱保存。采集的部分土样充分混合，自然风干，过筛备用。

1.5 分析方法

土壤有机碳测定采用重铬酸钾容量法-外加热法[16]。

土壤微生物生物量碳采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法测定，微生物生物量碳的换算系数为0.45[16]。

土壤可溶性有机碳测定：纯净水提取鲜土可溶性有机碳，水土比4∶1，200 r/min振荡2 h后，在4 ℃条件下以4 500 r/min离心20 min。将上清液过0.45 μm滤膜后得到土壤可溶性有机碳样品，可溶性有机碳含量采用TOC分析仪测定[17]。

土壤颗粒有机碳测定：称取过2 mm筛的风干土25 g，放入塑料瓶中，加入30 ml 5 g/L的六偏磷酸钠溶液，在往复式振荡器(90 r/min)上振荡18 h，分散。分散溶液置于53 μm筛上，用清水冲洗直至沥滤液澄清。将筛上保留的53 ～ 2 000 μm 土壤在60 ℃下烘干至恒量， 计算其占整个土壤样品的百分比。将烘干样品中的有机碳含量分别换算为单位质量土壤样品的对应组分有机碳含量, 即为颗粒有机碳含量[18]。

土壤易氧化有机碳测定：依据Blair等[19]KMnO4氧化性分级方法测定。称取过500 μm土壤筛的含碳15 mg的风干土壤，加入25 ml的333 mmol/L KMnO4，振荡1 h，振荡后在4 000 r/min离心5 min，吸取上清液稀释250倍，稀释液在565 nm波长处进行比色，同时配制标准系列浓度KMnO4溶液，也在565 nm处比色，依标准曲线得KMnO4浓度，进而求得消耗KMnO4量。

土壤酶活性测定：土壤蔗糖酶、淀粉酶、纤维素酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，蔗糖酶活性以24 h后1 g土壤葡萄糖的毫克数表示；淀粉酶活性以24 h后1 g土壤中麦芽糖的毫克数表示；纤维素酶活性，以72 h，1 g土壤生成葡萄糖毫克数表示；β-葡萄糖苷酶活性采用硝基酚比色法测定，以1 h，1 g土壤生成对硝基酚毫克数表示[11]。

1.6 计算公式

稳态碳 = 总有机碳－活性碳；碳库指数(CPI)=农田土壤有机碳/参考农田土壤有机碳；碳库活度(A)= 活性碳/稳态碳；碳库活度指数(AI)= 农田碳库活度/参考土壤碳库活度；碳库管理指数(CPMI)= 碳库指数×碳库活度指数×100；活性碳有效率 = 活性碳/土壤有机碳×100%[20]。公式中活性碳指易氧化有机碳。

1.7 数据处理

数据采用Microsoft Excel 2007软件进行处理和绘图，图表中的数据采用平均值表示，采用SPSS统计软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 改良剂对旱地红壤有机碳及活性有机碳含量的影响及分布特征

2.1.1 改良剂对旱地红壤有机碳含量的影响及分布特征 由图1可知，施用两种改良剂(生物质炭和过氧化钙)对旱地红壤有机碳(SOC)含量和分布有不同程度的影响。各处理中，随着土层加深土壤有机碳含量降低，即0 ～ 10 cm ＞ 10 ～ 20 cm，且两土层之间均无显著性差异。单施过氧化钙土壤有机碳含量均低于对照(CK)，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层平均分别减少了18.93%、11.73%；与CK相比，单施生物质炭和配施处理土壤有机碳均有所增加，并随着生物质炭施入量增加，土壤有机碳含量增加，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层平均分别增加了8.89%、15.35%。0 ～ 10 cm土层，施用改良剂后土壤有机碳含量范围约为9.97 ～14.16 g/kg；不同处理土壤有机碳含量由低到高顺序为：C0Ca1 ＜ C0Ca2 ＜ CK ＜ C1Ca1 ＜ C1Ca0 ＜ C1Ca2＜ C2Ca2 ＜ C2Ca1 ＜ C2Ca0；C0Ca1、C0Ca2处理显著降低了土壤有机碳含量，C2Ca0与C1Ca1处理之间，C2Ca0、C1Ca1与C0Ca1、C0Ca2处理之间土壤有机碳含量差异显著。在10 ～ 20 cm土层，施用改良剂后土壤有机碳含量范围为9.29 ～ 13.44 g/kg；不同处理土壤有机碳含量由低到高顺序为：C0Ca1 ＜ C0Ca2 ＜CK ＜ C1Ca1 ＜ C1Ca2 ＜ C1Ca0 ＜ C2Ca1 ＜ C2Ca2 ＜C2Ca0；C0Ca1处理土壤有机碳含量显著低于CK，C2Ca0与C0Ca1、C0Ca2处理之间土壤有机碳含量差异显著。

图1 改良剂对旱地红壤有机碳的影响Fig. 1 Effects of different amendments on organic carbons in upland red soil

2.1.2 改良剂对旱地红壤活性有机碳含量的影响及分布特征 施用两种改良剂(生物质炭和过氧化钙)对旱地红壤微生物生物量碳、可溶性有机碳、颗粒有机碳、易氧化有机碳含量和分布有不同程度的影响。从图2中可以看出，各处理中，随着土层加深土壤微生物生物量碳、可溶性有机碳、颗粒有机碳、易氧化有机碳含量降低，即0 ～ 10 cm ＞ 10 ～ 20 cm，且除可溶性有机碳外，两土层之间均无显著差异。

由图2可知，施入改良剂后，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层土壤微生物生物量碳含量范围分别为77.70 ～105.44、62.52 ～ 96.74 mg/kg；且与CK相比，各处理0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层土壤微生物生物量碳平均分别增加了24.78%、39.85%。0 ～ 10 cm土层，不同处理土壤微生物生物量碳含量由小到大顺序为：CK ＜C0Ca1 ＜ C0Ca2 ＜ C1Ca2 ＜ C2Ca1 ＜ C2Ca0 ＜ C1Ca1＜ C2Ca2 ＜ C1Ca0；C1Ca0、C2Ca0、C1Ca1、C1Ca2、C2Ca1、C2Ca2 土壤微生物生物量碳含量显著高于CK处理，C1Ca0 与C1Ca2处理之间差异显著。10 ～20 cm土层，不同处理土壤微生物生物量碳含量由小到大顺序为：CK ＜ C0Ca1 ＜ C0Ca2 ＜ C1Ca2 ＜ C2Ca1＜ C1Ca1 ＜ C2Ca0 ＜ C2Ca2 ＜ C1Ca0；除C0Ca1外，其他处理土壤微生物生物量碳含量显著高于CK处理，C1Ca0、C2Ca2 与C0Ca1、C0Ca2、C1Ca2处理之间差异显著。

图2 改良剂对旱地红壤有机碳组分的影响Fig. 2 Effects of different amendments on organic carbon fractions in upland red soil

从图2可以看出，施入改良剂后，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层，土壤可溶性有机碳含量范围分别为124.53 ～146.92、95.76 ～ 119.41 mg/kg，且与CK相比，各处理土壤可溶性有机碳分别平均增加了7.62%、12.33%，C1Ca0、C1Ca2、C2Ca2处理增加显著。0 ～10 cm土层，不同处理土壤可溶性有机碳含量由小到大顺序为：CK ＜ C0Ca1 ＜ C0Ca2 ＜ C1Ca1 ＜ C2Ca1 ＜C2Ca0 ＜ C2Ca2 ＜ C1Ca0 ＜ C1Ca2；C1Ca0与C0Ca1、C0Ca2处理之间，C1Ca2与C0Ca1、C0Ca2、C2Ca0、C1Ca1、C2Ca1处理之间差异显著。10 ～ 20 cm土层，不同处理土壤可溶性有机碳含量由小到大顺序为：CK ＜ C0Ca1 ＜ C0Ca2 ＜ C1Ca1 ＜ C2Ca0 ＜ C2Ca1 ＜C1Ca0 ＜ C2Ca2 ＜ C1Ca2；C1Ca0与C0Ca1处理之间，C1Ca2、C2Ca2与C0Ca1、C0Ca2处理之间，C1Ca2与C2Ca0处理之间差异显著。

图2表明，施入改良剂后，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层土壤颗粒有机碳含量范围分别为4.08 ～ 5.55、3.46 ～ 4.83 g/kg。与CK相比，单施过氧化钙处理， 0～ 10、10 ～ 20 cm土层土壤颗粒有机碳含量平均降低了6.54%、16.11%；单施生物质炭和配施处理，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层土壤颗粒有机碳平均分别增加了17.17%、8.60%。0 ～ 10 cm土层，不同处理土壤颗粒有机碳含量从小到大的顺序为：C0Ca1 ＜ C0Ca2 ＜ CK＜ C1Ca1 ＜ C2Ca0 ＜ C1Ca2 ＜ C2Ca2 ＜ C2Ca1 ＜C1Ca0；C1Ca0与C0Ca1、C0Ca2、C2Ca0、CK处理之间，C2Ca0、C1Ca1、C1Ca2、C2Ca1、C2Ca2与C0Ca1、C0Ca2处理之间差异显著。10 ～ 20 cm土层，不同处理土壤颗粒有机碳含量从小到大的顺序为：C0Ca2 ＜ C0Ca1 ＜ CK ＜ C1Ca1 ＜ C1Ca2 ＜ C2Ca0 ＜C2Ca1 ＜ C2Ca2 ＜ C1Ca0；C0Ca1、C0Ca2与C1Ca0、CK、C2Ca0、C1Ca1、C1Ca2、C2Ca1、C2Ca2处理之间，C1Ca0与CK、C2Ca0、C1Ca1、C1Ca2处理之间差异显著。

图2还表明，施入改良剂后，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层土壤易氧化有机碳含量范围分别为3.90 ～ 5.00、3.73 ～ 4.58 g/kg。与CK相比，各处理0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层土壤可溶性有机碳含量平均分别增加了11.33%、11.86%。0 ～ 10 cm土层，不同处理土壤易氧化有机碳含量从小到大的顺序为：C0Ca1 ＜ C0Ca2＜ CK ＜ C1Ca1 ＜ C1Ca2 ＜ C1Ca0 ＜ C2Ca0 ＜ C2Ca1 ＜C2Ca2；C0Ca1、C0Ca2、CK与C1Ca0、C2Ca0、C1Ca2、C2Ca1、C2Ca2处理之间，C2Ca2与C1Ca1、C1Ca2处理之间差异显著。10 ～ 20 cm土层，不同处理土壤易氧化有机碳含量从小到大的顺序为：CK ＜ C0Ca1 ＜C0Ca2 ＜ C1Ca1 ＜ C1Ca2 ＜ C1Ca0 ＜ C2Ca0 ＜ C2Ca1＜ C2Ca2；C1Ca1、C1Ca2与CK处理之间，C1Ca0、C2Ca0、C2Ca1、C2Ca2与CK、C0Ca1、C0Ca2处理之间差异显著。

2.1.3 改良剂对旱地红壤碳库管理指数的影响 由表2可知，施用两种改良剂(生物质炭和过氧化钙)对旱地红壤稳态碳、碳库指数、碳库活度、碳库活度指数和碳库管理指数均有不同程度的影响。与CK相比，各处理0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层土壤碳库管理指数平均分别增加了11.09%、14.07%。除C2Ca2处理外，其他处理两土层之间土壤碳库管理指数均无显著差异。0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层均以C2Ca2处理土壤碳库管理指数最高。0 ～ 10 cm土层，施用改良剂后各处理土壤碳库管理指数从小到大顺序为CK＜ C0Ca1＜ C1Ca1＜ C1Ca2＜C0Ca2＜ C2Ca0＜ C1Ca0＜ C2Ca1＜ C2Ca2，除C2Ca1处理外，C2Ca2与其他处理之间碳库管理指数差异显著。10 ～ 20 cm土层，施用改良剂后各处理土壤碳库管理指数从小到大顺序为CK＜ C1Ca1＜ C0Ca2＜ C1Ca2＜C0Ca1＜ C1Ca0＜ C2Ca0＜ C2Ca1＜ C2Ca2，各处理之间土壤碳库管理指数无显著差异。

表2 改良剂对旱地红壤碳库管理指数的影响Table 2 Effects of different amendments on carbon management indexes in upland red soil

2.2 改良剂对旱地红壤碳代谢相关酶活性的影响

从图3可以看出，施用两种改良剂对旱地红壤蔗糖酶、淀粉酶、纤维素酶、β-葡萄糖苷酶活性有不同程度的影响。各处理中，随着土层加深，土壤4种酶活性均降低，即0 ～ 10 cm ＞ 10 ～ 20 cm。施入改良剂后，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层土壤蔗糖酶活性范围分别为115.43 ～ 179.45、105.61 ～ 140.90 mg/(kg·h)；单施过氧化钙处理土壤蔗糖酶活性有不同程度降低，单施生物质炭和配施处理有不同程度增强。单施生物质炭处理，随着生物质炭施入量的增加，蔗糖酶活性增强。与CK相比，单施过氧化钙处理0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层土壤蔗糖酶活性平均分别降低了7.94%、11.53%；单施生物质炭和配施处理0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层土壤蔗糖酶活性平均分别增加了18.26%、6.93%。0 ～ 10 cm土层，各处理土壤蔗糖酶活性从小到大顺序：C0Ca1＜ C0Ca2＜ CK＜ C1Ca2＜ C1Ca0＜ C2Ca1＜C2Ca0＜ C2Ca2＜ C1Ca1；C2Ca0、C1Ca1、C2Ca1、C2Ca2与CK处理之间，C1Ca1与C1Ca0、C1Ca2处理之间差异显著；除CK处理外，C0Ca1、C0Ca2与其他处理之间差异显著。10 ～ 20 cm土层，各处理土壤蔗糖酶活性从小到大顺序：C0Ca1＜ C0Ca2＜ CK＜C2Ca1＜ C1Ca1＜ C1Ca0＜ C1Ca2＜ C2Ca0＜ C2Ca2；C2Ca0、C2Ca2与C0Ca2之间差异显著；除C0Ca2处理外，C0Ca1与其他处理之间差异显著。

由图3可知，施入改良剂后，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层土壤淀粉酶活性范围分别为56.87 ～ 67.71、46.54 ～58.38 mg/(kg·h)；单施过氧化钙处理土壤淀粉酶活性有不同程度降低，单施生物质炭和配施处理土壤淀粉酶活性有不同程度的增强。与CK相比，单施过氧化钙处理0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层土壤淀粉酶活性平均分别降低了5.13%、5.74%；单施生物质炭和配施处理0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层土壤淀粉酶活性平均分别增加了5.41%、7.30%。0 ～ 10 cm土层，各处理土壤淀粉酶活性从小到大顺序：C0Ca1＜ C1Ca1＜ C0Ca2＜CK＜ C1Ca2＜ C2Ca0＜ C2Ca1＜ C1Ca0＜ C2Ca2；C1Ca0、C2Ca1、C2Ca2与C0Ca1、C0Ca2、C1Ca1、CK处理之间差异显著。10 ～ 20 cm土层，各处理土壤淀粉酶活性从小到大顺序：C0Ca1＜ C1Ca1＜C0Ca2＜ CK＜ C2Ca0＜ C1Ca2＜ C2Ca1 ＜ C2Ca2＜C1Ca0；C1Ca0、C2Ca2与CK、C0Ca1、C0Ca2、C1Ca1处理之间，C1Ca1、C0Ca1与C2Ca0、C1Ca2、C2Ca1处理之间差异显著。

图3 改良剂对旱地红壤碳代谢相关酶活性的影响Fig. 3 Effects of different amendments on enzymes activities associated with carbon cycling in upland red soil

图3表明，施入改良剂后，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层土壤纤维素酶活性范围分别为11.57 ～ 15.18、10.33 ～ 14.00 mg/(kg·h) 。单施过氧化钙处理，随着过氧化钙施用量增加，土壤纤维素酶活性增强；单施生物质炭处理，随着生物质炭施入量的增加，纤维素酶活性降低。与CK相比，各处理0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层土壤纤维素酶活性平均分别增加了16.71%、15.95%。0 ～ 10 cm土层，各处理土壤纤维素酶活性从小到大顺序：CK＜ C0Ca1＜ C1Ca1＜ C0Ca2＜C2Ca0＜ C1Ca0＜ C2Ca1＜ C1Ca2＜ C2Ca2；C1Ca0、C1Ca2、C2Ca1、C2Ca2与CK、C0Ca1处理之间，C2Ca2与C0Ca2、C2Ca0、C1Ca1处理之间差异显著。10 ～ 20 cm土层，各处理土壤纤维素酶活性从小到大顺序：CK＜ C0Ca1＜ C2Ca0＜ C0Ca2＜ C1Ca1＜ C1Ca0＜C2Ca1＜ C1Ca2＜ C2Ca2；C2Ca2与其他处理之间，C1Ca0、C1Ca2与CK处理之间差异显著。

从图3可知，施入改良剂后，0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层土壤β-葡萄糖苷酶活性范围分别为415.30 ～870.18、340.68 ～ 747.44 mg/(kg·h)。单施过氧化钙处理，随着过氧化钙施用量增加，土壤β-葡萄糖苷酶活性增强；单施生物质炭处理，随着生物质炭施入量的增加，β-葡萄糖苷酶活性增强。与CK相比，各处理0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层土壤β-葡萄糖苷酶活性均显著增强，平均分别增强了56.15%、76.11%。0 ～ 10 cm土层，各处理土壤β-葡萄糖苷酶活性从小到大顺序：CK＜ C0Ca1＜ C1Ca0＜ C0Ca2＜ C1Ca1＜ C2Ca0＜C1Ca2＜ C2Ca1＜ C2Ca2，C2Ca2与C2Ca1处理之间，C2Ca2、C2Ca1与其他处理之间，C0Ca1与其他处理之间差异显著。10 ～ 20 cm土层，各处理土壤β-葡萄糖苷酶活性从小到大顺序：CK＜ C0Ca1＜ C0Ca2＜C1Ca1＜ C1Ca0＜ C2Ca0＜ C1Ca2＜ C2Ca1＜ C2Ca2，C0Ca1、C0Ca2、C1Ca1与其他处理之间，C1Ca0、C2Ca0与C2Ca1、C2Ca2处理之间，C2Ca2与C1Ca2处理之间差异显著。

2.3 改良剂对旱地红壤有机碳组分与土壤酶活性之间相关性分析

通过分析施用过氧化钙和生物质炭处理下旱地红壤有机碳及碳组分与碳代谢相关酶活性之间的相关性(表3)，0 ～ 10 cm土层，总有机碳、颗粒有机碳、易氧化有机碳含量与β-葡糖苷酶、蔗糖酶、淀粉酶、纤维素酶活性呈显著或极显著正相关，可溶性有机碳含量与淀粉酶活性呈极显著正相关，微生物生物量碳含量与β-葡糖苷酶、蔗糖酶、淀粉酶活性呈显著或极显著正相关。10 ～ 20 cm土层，可溶性有机碳、易氧化有机碳含量与β-葡糖苷酶、蔗糖酶、淀粉酶、纤维素酶活性呈显著或极显著正相关，总有机碳、颗粒有机碳含量与β-葡糖苷酶、蔗糖酶、淀粉酶活性呈显著或极显著正相关，微生物生物量碳含量与β-葡糖苷酶、淀粉酶、纤维素酶活性呈显著或极显著正相关。

表3 土壤有机碳组分与土壤酶活性相关性Table 3 Correlation coefficients between soil enzyme activities and soil organic carbon fractions

3 讨论

3.1 改良剂对旱地红壤有机碳及活性有机碳组分的影响

土壤有机碳可以增强土壤保水、保肥能力，提高土壤结构稳定性和抗蚀性，对维持土壤质量和产量具有关键的作用[21]。本研究结果表明，施用生物质炭后对提高表层旱地红壤(0 ～ 10 cm)有机碳含量有明显的效果，对10 ～ 20 cm土层的促进作用减弱；随着生物质炭用量的增加，旱地红壤有机碳含量也增加；其中C2Ca0、C2Ca1、C2Ca2在0 ～ 10、10 ～ 20 cm土层土壤有机碳增加效果较明显，平均增加约为11.97%、18.55%，以单施C2Ca0处理土壤有机碳含量最高。原因可能是：①生物质炭本身含碳量较高，化学稳定性较高，难降解，有利于土壤有机碳的积累[22]；②过氧化钙与生物质炭二者相互影响，过氧化钙与土壤水分发生反应，缓慢释放氧气，改善土壤环境，增加了土壤有机质的分解，使得配施(C2Ca1、C2Ca2)处理土壤有机碳含量低于单施C2Ca0处理。

与土壤总有机碳相比，土壤活性有机碳更能作为农业管理措施改变引起的土壤环境和碳库早期变化的敏感性指标[23]。本研究结果表明，在施用生物质炭和过氧化钙情况下，土壤微生物生物量碳、可溶性有机碳、颗粒有机碳、易氧化有机碳含量在各土层的变化趋势相同，即随着土层深度的加深逐渐减小；生物质炭单施和配施对旱地红壤活性有机碳组分含量均有不同程度的提高，且生物质炭单施和配施效果优于单施过氧化钙。付琳琳等[24]研究结果表明，施加高施用量生物质炭(10、20、40 t/hm2)可以提高土壤有机碳、颗粒态有机碳、易氧化态有机碳和微生物生物量碳含量，本研究结果与之类似。Durenkamp等[25]研究发现黏质土中微生物生物量碳随生物质炭添加量的增加而增加。马莉等[26]研究也发现，施用生物质炭且不同剂量对土壤可溶性碳影响效果也有差异，低、中施用量(5 g/kg和10 g/kg)土壤可溶性有机碳含量显著高于高施用量(20 g/kg)。陈红霞等[27]基于华北平原农田3 年定位实验也表明施用生物质炭(2.25 t/hm2、4.50 t/hm2)可以显著增加0 ～ 7 cm 和7.5 ～ 15 cm 土层的颗粒态有机碳含量。生物质炭可以提高土壤对养分的保持能力，为微生物生长和繁殖提供一定的氮源，促进微生物的生长，提高微生物生物量；另外生物质炭表面具有大量负电荷及高电荷密度，能吸附一些对微生物有毒害作用的物质以及对土壤可溶性有机碳的吸附，从而促进微生物的生长繁殖，提高微生物生物量，减少可溶性有机碳的淋洗[26]。红壤偏酸性，黏性较高，透气性差，不利于活性有机碳组分的形成与积累，生物质炭和过氧化钙均呈碱性，可以对红壤pH起到调节作用，有助于固相有机碳溶解，增加土壤可溶性有机碳含量[28]；且生物质炭的疏松结构以及过氧化钙与土壤水分缓慢反应释放氧气均可调节土壤的透气性，有利于微生物的生长代谢，促进活性有机碳组分的形成。还有，土壤碳库管理指数可以表征土壤管理措施引起土壤有机质变化，能够反映不同利用方式对土壤质量影响的程度[29]。本研究所有处理对提高碳库管理指数均有较好的效果，0 ～10 cm和10 ～ 20 cm土层分别平均增加11.09% 和14.07%。

3.2 改良剂对旱地红壤碳代谢相关酶活性的影响

土壤酶是一种具有生物催化能力和蛋白质性质的高分子活性物质[10]，能催化土壤中复杂的有机物质，使其转化为简单的无机化合物，供植物重新吸收利用[11]。相关野外调查结果表明，土壤pH与土壤酶活性之间的关系较为密切，人工改变土壤pH 对土壤酶活性存在一定程度的影响[30]。土壤有机质是土壤中酶促底物的主要供源，是土壤固相中最复杂的系统，也是土壤肥力的主要物质基础[31]。本试验研究表明，在红壤旱地施用生物质炭和过氧化钙作用下，

旱地红壤参与碳循环的4种酶，蔗糖酶、淀粉酶、纤维素酶、β-葡糖苷酶活性随土层加深而降低，即对0 ～ 10 cm土层土壤酶的影响较10 ～ 20 cm土层明显；单施过氧化钙对土壤蔗糖酶、淀粉酶活性有抑制作用，低于对照CK，对纤维素酶、β-葡糖苷酶活性有促进作用；单施生物质炭和配施对4种酶均有促进作用，随着生物质炭用量的增加蔗糖酶、β-葡糖苷酶活性也呈增加趋势。王涵等[30]研究表明，在偏酸性土壤，且其pH低于大部分土壤酶及其相关微生物适宜pH，加[OH-]主要对土壤酶活性起刺激作用，而添加[H+]主要呈现抑制作用。刘欢欢等[12]研究表明，麦田施入生态炭肥(以生物质炭为主要成分)后能显著提升土壤有机质含量，明显增加土壤细菌数量，有效活化土壤蔗糖酶、淀粉酶及纤维素酶的活性，并存在正剂量效应，有效修复土壤健康，为小麦的生长发育提供良好的土壤条件，为降低病害发生及减少产量损失提供保障。主要原因可归结为：①可能是添加了生物质炭和过氧化钙调节了红壤pH，提供了有机碳等养分，改善了红壤条件，促进微生物的活性；②可能是生物质炭对反应底物的吸附有助于酶促反应的进行而提高土壤酶活性。

4 结论

生物质炭单施及与过氧化钙配施在一定程度上均提高了旱地红壤有机碳及活性碳组分，且效果优于单施过氧化钙；C2Ca0、C2Ca1和C2Ca2处理能明显增加土壤有机碳；C1Ca0处理能明显提高红壤微生物生物量碳和颗粒有机碳含量，C1Ca2处理的可溶性有机碳平均增加了21.34%，C2Ca2处理的易氧化有机碳平均增加了22.19%；生物质炭和过氧化钙对提高碳库管理指数均有明显效果。添加生物质炭对旱地红壤酶活性均有促进作用，且对 0 ～ 10 cm土层的影响较10 ～ 20 cm土层明显；配施(C2Ca2)处理对旱地红壤淀粉酶、纤维素酶和β-葡糖苷酶活性影响效果最好。目前，生物质炭和过氧化钙对旱地红壤活性有机碳组分以及与碳代谢相关酶活性的影响研究还处在初步阶段，有待今后的长期定位试验进一步研究。

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Effects of Amendments on Labile Organic Carbon and Soil Enzymes Activities in Upland Red Soil

YUAN Yinghong1,2, ZHANG Wenfeng2, ZHOU Jihai2, RUI Shaoyun2, LIU Guijun2, LI Li2,HUANG Qianru1*, CHENG Yanhong1, SUN Bo3
(1 Jiangxi Institute of Red Soil, Jinxian, Jiangxi 331717, China; 2 Jiangxi Key Laboratory for Restoration of Degraded Ecosystems & Watershed Ecohydrology, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China; 3 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

A long-term field experiment was conducted to study the effects of different soil amendments (biochar and calcium peroxide) on soil labile organic carbon fractions and soil enzymes activities associated with carbon cycling in upland red soil in Jiangxi Province in order to resolve the problems of low fertility and productivity. 9 treatments were included in the experiment, i.e. CK, C0Ca1, C0Ca2, C1Ca0, C2Ca0, C1Ca1, C1Ca2, C2Ca1 and C2Ca2. The results showed that single application of biochar and combined application of biochar and calcium peroxide were beneficial to increase organic carbon content and labile organic carbon fractions, and the effects were better than single application of calcium peroxide. Soil organic carbon contents increased significantly under C2Ca0, C2Ca1 and C2Ca2 treatments. Biochar and calcium peroxide significantly increased soil labile organic carbon fractions. The content of microbial biomass carbon averagely increased by 45.22% in C1Ca0 treatment, the content of dissolved organic carbon averagely increased by 21.34% in C1Ca2 treatment, the content of particulate organic carbon averagely increased by 20.72% in C1Ca0 treatment, the content of labile organic carbon averagely increased by 22.19% in C2Ca2 treatment. Biochar and calcium peroxide increased averagely carbon management index by 11.09% and 14.07% in 0-10 cm and 10-20 cm soils, respectively. The enzyme activities were promoted with the addition of the biochar, and the effects of 0-10 cm soil layer was more obvious than 10-20 cm soil. The combined application(C2Ca2) significantly improved the activities of amylase, cellulase and β-glucosidase, while the C1Ca1 treatment significantly improved invertase activity. Therefore, biochar and calcium peroxide can effectively improve labile organic carbon fractions and enzymes activities associated with carbon cycling in upland red soil, and their combined application is more helpful in soil improvement.

Soil amendment; Upland red soil; Labile organic carbon; Soil enzymes

S151.；S154.1

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.05.009

江西省教育厅科研技术研究项目(GJJ161100)、国家自然科学基金项目(41461050，41661065，31760167)、2014年高校大学生创新创业教育计划专项和江西省2015年度研究生创新专项资金项目(YC2015-S416)资助。

* 通讯作者(qianruhuang@163.com)

袁颖红(1974—)，男，江西宜春人，博士，副教授，主要从事水土保持和土壤生态方面的研究。E-mail： yhyuan@nit.edu.cn