增温和生物炭添加对农田土壤酶活性的影响

蒋 容，余 一，唐玉蓉，华治钧，鲜骏仁，杨占彪

（四川农业大学环境学院，成都 611130）

全球变暖已成为全球关注的热点之一，据政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告显示，1880—2012年间全球地表平均温度增高了0.85℃，并且预计到21世纪末气温将升高0.3～4.8℃[1]。全球变暖正在深刻地改变着陆地生态系统的结构、功能和过程[2]。土壤酶是土壤环境中不可或缺的组成部分，推动土壤中物质的转化与能量流动[3]。温度作为控制土壤酶系统的重要环境因子之一，通过酶动力学或者影响土壤生物群落及植物根系等来影响酶活性[4]。近年来在森林生态系统和草地生态系统中模拟气候变暖对土壤酶活性的影响研究较多，表明增温对土壤酶活性有显著的影响，如增温降低了土壤过氧化氢酶和脲酶活性，增加了磷酸酶的活性[5-6]。王一等[7]对暖温带森林土壤酶系统对增温的响应研究后发现增温处理对土壤专一酶活性的影响存在季节差异，且土壤水热配比、微生物量碳氮和溶解性有机碳等是影响土壤酶系统变异的主要驱动因子。可见温度对土壤生态系统中酶活性的影响比较复杂，不同生态系统中可能表现出不同土壤酶活性变化趋势。

生物炭是生物质在限氧条件下热解得到的含碳丰富的固体物质。其稳定性高，施于土壤中可以减少土壤呼吸，缓解温室气体的排放，被认为是一种缓解全球变暖的途径之一[8]。大量研究表明，生物炭可以改善土壤结构、提高含水量，增加土壤pH和阳离子交换量[9]，进而调控土壤活性及微生物对有机质的分解过程[10-11]。近年来，有研究表明生物炭添加通常增加与N和P循环相关的土壤酶活性而降低与C循环相关的土壤酶活性[12]。然而，其他研究得出相反结果[13-14]。说明，生物炭对土壤酶活性的影响具有较大的可变性，这些影响很大程度取决于生物炭与目标底物之间的反应[12]。在全球变暖背景下，生物炭对土壤酶活性的影响研究仍然较少，在此条件下对土壤酶活性的调控因子有待研究。

本研究以成都平原农田生态系统为研究对象，研究增温和生物炭共同作用下，土壤酶活性的变化特征；探究土壤酶活性对环境因子变异的响应，以期为农田土壤生态系统调控与农田科学管理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究样地位于四川农业大学现代农业研发基地（30°33'24''N，103°38'33''E），位于四川省崇州市桤泉镇以北与隆兴镇交界处。该区域属于亚热带湿润季风气候区，多年平均气温为16.1℃，最热（7月）平均气温为25.1℃，最冷（1月）平均气温为5.9℃。多年平均降水量1 011.3 mm，多集中在5—9月，占全年平均降雨量的81.6%，年平均日照时数仅为994.9 h，样地土壤类型为水稻土[15]。

1.2 实验设计

本研究采用开顶式生长室（OTCs）模拟增温与生物炭双因素设计。OTCs呈正方体，底面积为2 m×2 m，高2 m，顶部开口面积为1 m2，形成两个温度梯度：未增温和增温，其中未增温为对照小区，面积与OTCs处理相同，每个处理设置3个重复。本研究中OTCs主要采用透明塑料薄膜与不锈钢框架，由于塑料薄膜具有较强的太阳辐射穿透能力，加之塑料薄膜的阻挡作用，能有效地降低生长室内的风速，空气交换减弱，使室内热量不易散失，从而起到增温作用[16-17]。在每个OTC内和未增温小区中用PC板（高30 cm）将耕作层隔断使小区随机划分为4个1 m2小样方，2个不加生物炭（BC0），2个分别添加生物炭10 t/hm2（BC1）和20 t/hm2（BC2）。生物炭购买于上海时科生物技术有限公司，由毛竹在500℃温度下裂解而成。

1.3 样品采集及测定

于2016年4月种植玉米（郑单958），在玉米种植前施用基肥（复合肥N∶P∶K=17%∶17%∶17%）195 kg/hm2，于2016年8月收获玉米。玉米生长期间在每个OTCs内放置自动温度记录仪（Elitech RC-4HA），采用便携式土壤水分测定仪（托普TP-SR-1）测定土壤含水量。玉米收获前，在每个小区内随机选取4个点用土钻采集0～20 cm土样，混合制样后分两份。其中一份过10目筛网，存于4℃冰箱中，用于测定土壤酶活性；另一份风干，研磨后过20目与100目筛用于测定土壤pH及养分特征。

土壤脲酶采用苯酚钠-次氯酸钠比色法；磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法；过氧化氢酶采用0.1 mol/L的高锰酸钾滴定法；蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法；土壤酶活性参考关松荫[18]方法测定，所有土壤酶活性测定均重复5次。土壤pH值采用电位法测定；有机质采用重铬酸钾-外加热法；全氮采用凯氏定氮法；速效氮采用扩散法；全磷、速效磷采用钼锑抗比色法；土壤养分参考鲍士旦[19]方法测定。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0对所得实验数据进行双因素方差分析（two ways ANOVA）、多重比较（Tukey HSD test）、相关分析和回归分析；采用R 3.4.1的sem包进行通径分析；采用Origin Pro 8.0进行作图。

2 结果与分析

2.1 气温与土壤含水量

不同处理空气温度变化范围分别为20.25～31.19℃（未增温）和20.57～32.25℃（增温）。增温处理使OTC内平均气温升高了0.96℃（图1）。随着气温的升高，土壤含水量随之降低，分别降低了1.57%（BC0）、1.7%（BC1）和 1.7%（BC2）。而在相同的气温下，生物炭显著增加了土壤含水量（P＜0.05，图2）。

图1 玉米生育期OTC室内气温变化情况Figure 1 Changes of air temperature in OTC during growth of maize

图2 不同处理土壤含水量变化情况Figure 2 Changes of soil water content in different treatments

2.2 增温与生物炭对土壤酶活性的影响

增温和生物炭对土壤酶活性具有显著性影响（P＜0.05，表1），但不同土壤酶活性的影响各有差异（图3）。不添加生物炭时，增温降低了脲酶和过氧化氢酶活性，分别降低了41.13%、17.49%（图3A、图3C）；但增加了磷酸酶和蔗糖酶活性，分别增加了1.08和2.08倍（图3B、图3D）。未增温条件下，生物炭添加后明显降低了脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性，但明显增加了土壤蔗糖酶活性，而在增温条件下，生物炭添加明显增加了4种土壤酶活性（P＜0.05；图3）。可以看出，土壤酶活性在增温和生物炭共同作用下有增加的趋势，这种趋势与土壤环境的改变密切相关。

表1 增温和生物炭对土壤酶活性双因素方差分析Table 1 Two ways ANOVA of the effects of warming and biochar on soil enzyme activities

2.3 增温与生物炭对土壤养分的影响

各处理土壤pH呈中性，变化范围为7.49～7.87（表2）。增温和生物炭对土壤pH影响显著（P＜0.01，表3）。增温明显降低了土壤pH，但生物炭显著增加了土壤 pH（P＜0.05，表 2），表明生物炭具有缓解土壤酸化的作用。SOM是反应土壤质量的重要指标之一，增温和生物炭明显提高了SOM含量，其中增温使SOM增加了22.35%。但增温条件下，生物炭使SOM的增幅有所放缓（表2）。

双因素方差分析表明增温和生物炭对全氮、全磷、速效氮和速效磷均有明显影响（P＜0.05，表 2）。不添加生物炭时，增温使全氮、全磷、速效氮和速效磷分别增加了244.44%、44.00%、81.08%和67.35%。然而增温条件下，生物炭降低了土壤全氮、全磷、速效氮和速效磷含量（表2）。

2.4 土壤酶活性与环境因子的关系

对土壤酶活性与土壤含水量、pH、SOM和土壤养分含量进行相关分析表明，土壤脲酶活性与土壤全氮、全磷、速效氮和速效磷存在显著负相关关系（P＜0.05，表4），而与pH存在正相关关系。磷酸酶活性与土壤全氮含量呈显著正相关，而与pH呈极显著负相关关系（P＜0.01）。过氧化氢酶活性与全氮、全磷、速效氮和速效磷呈显著负相关（P＜0.05）。蔗糖酶活性仅与土壤有机质含量呈显著正相关关系（P＜0.05）。

图3 增温和生物炭对土壤酶活性的影响（A：脲酶，B：磷酸酶，C：过氧化氢酶，D：蔗糖酶）Figure 3 Effects of warming and biochar on soil enzyme activities（A:Urease,B:Phosphatase,C:Catalase,D:Invertase）

表2 不同处理下土壤养分的变化Table 2 Changes of soil nutrients among treatments

表3 增温和生物炭对土壤养分双因素方差分析Table 3 Two ways ANOVA of the effects of warming and biochar on soil nutrients

表4 土壤酶活性与土壤性质的相关分析Table 4 Correlation analysis between soil enzymes activities and soil properties

对土壤酶活性与土壤特性进行线性逐步回归后得出，脲酶活性与速效氮和土壤有机质存在显著的线性关系；磷酸酶活性与土壤pH、速效氮、土壤有机质存在显著线性关系；过氧化氢酶活性与土壤速效氮、速效磷存在显著线性关系；蔗糖酶活性与土壤有机质、pH和土壤含水量存在显著线性关系。再进行通径分析表明，4种土壤酶活性与土壤特性之间相互关系各异（图4）。脲酶和过氧化氢酶活性主要受土壤速效氮降低的影响，通径系数分别为-0.95和-0.75（图4A、图4C）。在增温和添加生物炭共同作用下，土壤速效氮显著降低，从而影响了土壤脲酶和过氧化氢酶活性。土壤磷酸酶和蔗糖酶活性主要受土壤pH的影响，通径系数分别为-1.18和-1.29（图4B、图4D）。虽然生物炭对土壤pH有所提升，但增温对土壤pH的降低幅度更大，从而显著提升了土壤磷酸酶和蔗糖酶活性。

图4 土壤酶活性与土壤特性的通径分析Figure 4 Pathway analysis between soil enzyme activities and soil properties

3 讨论

土壤酶活性与土壤特性和土壤环境条件紧密相关，被广泛地用于评价土壤质量和土壤生物活性[3]。土壤脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶和蔗糖酶对土壤环境的变化比较敏感，对土壤C、N、P元素的转化及循环起着重要作用[20-22]。本研究表明增温和生物炭对土壤酶活性的影响并未表现出一致地变化，而是因不同酶类表现各有差异。单独增温降低了土壤脲酶和过氧化氢酶活性，分别下降了41.13%、17.49%；而增温增强了土壤磷酸酶和蔗糖酶活性。而在添加生物炭后，4种土壤酶活性均随着生物炭添加量的增加而增加。

徐振锋等[4]研究表明，增温通过酶动力学、土壤微生物、动物和植物的活动以及土壤养分矿化速率等因素直接或间接影响土壤酶活性。其中土壤养分有效性的增加可以提供给土壤微生物更多的基质，有利于微生物群落的发展，从而进一步提高土壤酶活性[4]。本研究通径分析表明土壤脲酶和过氧化氢酶主要受到土壤速效氮的影响，说明在增温和生物炭交互效应下，土壤养分有效性对土壤脲酶和过氧化氢酶影响较大。苏洁琼等[23]研究表明，当土壤速效氮含量显著增加时，土壤脲酶活性呈下降的趋势，表明有效氮足够植物和微生物吸收利用时，土壤氮素的矿化减缓，脲酶的利用率可能降低。然而，在森林生态系统中，模拟增温导致土壤脲酶和过氧化氢酶活性有所增加，主要影响因素为温度和土壤水分[24]。本研究中，OTC内平均气温增加了0.96℃，使0～20 cm土壤含水量明显降低。这可能也是影响土壤脲酶和过氧化氢酶降低的原因之一[25]。

土壤磷酸酶和蔗糖酶对土壤P和C的转化和循环具有重要影响，本研究表明增温条件明显地增加了土壤磷酸酶和蔗糖酶的活性，这与增温处理下土壤有机质和土壤速效磷的增加密切相关。在没有添加生物炭的情况下，增温使土壤有机质和速效磷分别增加了22.35%和67.35%，为微生物提供了丰富的营养物质，提高了微生物活性，从而提高土壤磷酸酶活性，这与Xu Z.F.等[24]的研究结果相似。

生物炭通过改变土壤的基本理化性质、土壤中生物群落的组分以及丰富度来影响土壤酶活性。王光飞等[26]研究发现，添加生物炭降低了土壤脲酶活性，黄剑[27]研究却发现，施用生物炭显著提高土壤脲酶、碱性磷酸酶以及土壤蔗糖酶活性。然而在用量较高处理下，生物炭对土壤脲酶活性产生了抑制作用。由于生物炭具有多孔结构和较大的比表面积，且有较强的吸附能力，而土壤中对土壤酶活性有重要作用的基质在生物炭的吸附作用下将减少，进而对土壤酶活性产生一定的抑制作用[28]。本研究也证实未增温处理下，生物炭的添加显著降低了脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性。然而在增温条件下，随着生物炭添加浓度的增加，所有土壤酶活性均表现出增加的趋势。可能由于增温和生物炭共同作用下，土壤有机质、土壤温度均相对于对照有所增加，改善了土壤环境，从而增加土壤酶活性。

4 结论

①增温处理降低了土壤含水量，而生物炭的添加明显增加了土壤含水量。

②单独增温处理抑制了土壤脲酶和过氧化氢酶活性，而促进了磷酸酶和蔗糖酶活性。未增温条件下，土壤脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性随生物炭添加浓度的增加逐渐降低。而在增温条件下，随着生物炭添加浓度的增加，土壤脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性均呈增加的趋势。

③单独增温增加了土壤有机质、全氮、全磷、速效氮和速效磷含量。而增温条件下，生物炭的添加对全氮、全磷、速效氮和速效磷有降低的作用。增温和生物炭共同作用下，土壤pH、有机质、速效磷、速效氮和土壤含水量是影响土壤酶活性的主要土壤环境因子。

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目前我国高等职业教育规模大，培养的学生人数众多。但是，目前我国绝大多数的高等职业院校还是采用传统的教学模式，这个在一定程度上制约着高素质应用技术人才的培养。一方面我们培养的高等职业教育人才就业难，另一方面在社会上企业招收不到合格的员工，导致企业效益难以提高,出现这种情况的最主要原因是学生没有熟练掌握专业技能，不能够在企业一线进行熟练的生产，并不是所谓的“劳动力过剩”或者“员工荒”。要解决这个矛盾，就必须在我国高等职业教育中采用双元制教学模式培养一批高素质应用技术人才。

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