灌溉措施及生物炭对盐碱土壤酶活性和碳组分的影响

Effects of Irrigation Measures and Biochar on Enzyme Activity and Carbon Components in Saline-alkali Soil

摘要

以内蒙古河套灌区盐碱土壤为研究对象，野外实验设置灌溉处理膜下滴灌（D）和漫灌（M）；常规施肥处理250 N kg/hm²（F₂）、生物炭处理20 t/hm²（BC₂）和无肥无生物炭空白处理（F₀）交互得到六种不同处理土壤（DF₀、MF₀、DF₂、MF₂、DBC₂F₂、MBC₂F₂），分析不同农业管理措施对盐碱土壤酶活性及碳组分的影响。结果表明：不加生物炭漫灌土壤总碳（TC）、总氮（TN）、有机碳（SOC）、微生物量碳（MBC）、无机碳（SIC）、 酶活性比滴灌土壤高。与不加生物炭相比，生物炭添加增加滴灌和漫灌土壤SOC、TC以及滴灌土壤SIC含量，降低土壤MBC含量，土壤DBC₂F₂的 TC、SOC、难溶性无机碳含量最高，分别为27.5 g/kg、8.95 g/kg、13.3 g/kg。盐碱土壤脲酶（S-UE）、淀粉酶（S-AL）、碳酸酐酶（S-CA）的酶活性较高。不加生物炭的漫灌土壤酶活性高于滴灌土壤。与不加生物炭相比，生物炭处理降低了滴灌土壤酸性磷酸酶（S-ACP）、β-葡萄糖苷酶 （S-β-GC）、碱性磷酸酶（S-AKP）、亮氨酸氨基肽酶（S-LAP）、S-CA的酶活性，增加了S-AL酶活性；在漫灌区，生物炭添加降低了S-ACP、S-UE、S-LAP、S-CA的酶活性，增加了S-AKP、外切-β-1，4-葡聚糖酶（S-C1）、S-β-GC的酶活性。结果表明施加生物炭且滴灌处理有利于盐碱土壤固碳。

Abstract

Taking saline-alkali soil in the Hetao Irrigation Area of Inner Mongolia as the research object， this study set up two irrigation modes of drip irrigation under an irrigation treatment film （D） and flood irrigation （M） for field experiments. Six kinds of treated soil （DF₀， MF₀， DF₂， MF₂， DBC₂F₂， and MBC₂F₂） were obtained by combining the two irrigation modes with conventional fertilization treatment of 250 N kg/hm² （F₂）， biochar treatment of 20 t/hm² （BC₂）， and blank treatment without fertilizer or biochar （F₀）. The effects of different agricultural management measures on enzyme activity and carbon components of saline-alkali soil were analyzed. The results showed that the content of total carbon （TC）， total nitrogen （TN）， organic carbon （SOC）， microbial biomass carbon （MBC）， and inorganic carbon （SIC） and enzyme activity of soil subject to flood irrigation without biochar addition were higher than those of soil after drip irrigation. Compared with the absence of biochar， the addition of biochar increased the content of SOC and TC of soil in the drip irrigation or flood irrigation mode and the SIC content of soil in the drip irrigation mode and reduced the MBC content. The highest content of TC， SOC， and difficult-to-dissolve inorganic carbon in DBC2F2 was 27.5 g/kg， 8.95 g/kg， and 13.3 g/kg， respectively. The activities of urease （S-UE）， amylase （S-AL）， and carbonic anhydrase （S-CA） in saline-alkali soil were high. The soil after flood irrigation without biochar addition had higher enzyme activity than that after drip irrigation. Compared with the absence of biochar， its addition reduced the activities of acid phosphatase （S-ACP）， β-glucosidase （S-β-GC）， alkaline phosphatase （S-AKP）， leucine aminopeptidase （S-LAP）， and S-CA and enhanced the activity of S-AL in soil after drip irrigation. In the flood irrigation area， adding biochar reduced the activities of S-ACP， S-UE， S-LAP， and S-CA and increased the activities of S-AKP， exo-β-1，4-glucanase （S-C1）， and S-β-GC. The research results indicated that biochar application combined with drip irrigation was beneficial for carbon sequestration in saline-alkali soil.

Graphical abstract

关键词

滴灌 / 漫灌 / 生物炭 / 酶活性 / 碳组分

Key words

drip irrigation / flood irrigation / biochar / enzyme activity / carbon components

近年来，土壤盐碱化问题日益严重。盐碱化土壤的结构性差，对作物生长产生盐分胁迫作用，土壤盐碱化已成为一个世界性难题，制约着当地生态环境以及农业的可持续发展^［1］。已有大量研究证实， 盐碱农田土壤对温室气体CO₂的吸收和排放发挥着重要作用，如何采取有效措施减少温室气体的排放，增加盐碱土壤碳汇成为科学界研究的热点问题^［2］。灌溉方式的不同对温室气体CO₂的排放有显著影响，Deng等^［3］研究表明，农田的不合理利用与管理（如灌溉、施肥）造成三分之一的温室气体排进大气中。张前兵等^［4］研究认为，新疆棉田滴灌土壤平均呼吸速率显著大于漫灌土壤，滴灌棉田土壤CO₂的排放速率高于漫灌土壤。生物炭不仅本身含有C、H、O、N、S等多种元素，其自身容量较小，具有多孔、高表面积等特性，可以使土壤有机碳含量增加，还可以为土壤中微生物的繁殖提供一定的生存环境，从而提高土壤养分^［5⁃8］。生物炭既能够作为土壤改良剂、高品质的能源和缓释肥料的载体，也可以用于封存二氧化碳。目前，已被广泛应用在固碳减排、净化水源、吸附重金属和改良土壤等方面，在一定程度上可以成为缓解气候变化、改良土壤环境和防止土壤功能退化的一种解决措施^［9⁃11］。Zimmerman等^［12］研究表明，生物炭通过吸附土壤中的酶和有机质抑制土壤中的有机碳矿化，通过自身的高稳定性将碳素锁定在土壤中，以及利用其比表面积和吸附性将土壤有机质吸附到孔隙中与微生物隔离，从而减少CO₂的排放。土壤酶作为一种具有蛋白质性质的高分子活性物质，是土壤有机质矿化和养分循环等过程的主要调节物质，能够反映土壤养分转化过程的速度和微生物代谢的强弱，是最敏感的生物活性指标^［13］，特别是在脆弱的生态系统中，土壤酶的生态作用尤为重要^［14］。李文革等^［15］研究认为，脲酶、磷酸酶、转化酶从本质上反映了pH和通透性的变化以及土壤中氮、碳、磷、钾元素的转化强度。Piotrowska等^［16］研究发现脱氢酶活性下降，MBC和SOC含量也同时下降，表层土壤酶活性与SOC含量和组成相关。胡亚林等^［17］发现，添加混合凋落物与添加单一杉木林的凋落物土壤中MBC含量更高，土壤脱氢酶、蔗糖酶和脲酶的活性更高。因此，研究各种酶活性的变化对揭示土壤有机质的转化过程具有重要意义。

目前，对于盐碱土壤碳固存影响的研究大部分为灌溉方式或生物炭单一因素，而对于二者交互作用的影响研究鲜有报道。因此，本研究以内蒙古自治区巴彦淖尔市五原县科技小院盐碱土壤为对象，探究灌溉方式与生物炭配合施用对盐碱土壤酶活性及土壤碳组分的影响，进而探究土壤酶活性对土壤碳固存的影响机制。本研究旨在寻求利于盐碱土壤碳固存的农业管理措施，对于评价盐碱土壤碳库动态、减缓温室效应具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区巴彦淖尔市五原县科技小院（107°35′~108°37′E，40°46′~41°16′N）。全县总面积为2 503 km²，南北最长距离约55.5 km，东西最长距离约82 km^［18］。气候属中温带大陆性气候，具有光能丰富、日照充足、干燥多风、降雨量少的特点。太阳年平均辐射总量36.63 J/cm²；全年日照时数 3 263 h，平均气温6.1 ℃，积温3 362.5 ℃；无霜期117~136 d；年均降雨量170 mm，大多集中在夏秋两季，雨热同季^［19］。五原县主要耕作土壤为灌淤土，总面积12.6万 km²， 其中非盐碱化灌淤土5.9万 km²， 占耕地面积的46.6%；盐碱化灌淤土6.7万 km²， 占耕地面积的53.4%（其中，中轻度的盐碱化灌淤土占29.0%，中度占19.0%， 重度占5.4%）^［20］。

1.2 实验设计

1.2.1 田间实验设计

田间实验在五原县科技小院向日葵试验田进行。设置两种灌溉区：分别为膜下滴灌区（D）和漫灌区（M）；每个区设置三种处理方式：分别为以250 N kg/hm²的常规施肥（F₂）、以20 t/hm²施加生物炭（BC₂）和不做处理空白对照（F₀）。其中肥料施肥方式为5 cm沟施磷酸二铵、尿素和硫酸钾，生物炭为缺氧条件下高温裂解生成的秸秆生物炭。正交组合得到六种处理土壤，见表1。种植前土壤背景值滴灌区：TC为22.25 g/kg、TN为0.54 g/kg、SOC为4.38 g/kg；漫灌区：TC为25.17 g/kg、TN为0.68 g/kg、SOC为6.41 g/kg。于2022和2023年进行两年田间处理，采集第二年表层土壤（0~20 cm）进行分析。

1.2.2 土壤样品采集

采集试验田0~20 cm表层土壤，每田间地块采用五点取样法，每地块重复三次。装入无菌密封袋，带回实验室。将土样分为两部分，一部分风干、研磨、过筛，用于土壤理化性质的测定；一部分储存4 ℃冰箱内，用于土壤酶活性的分析。

1.3 测定指标及方法

土壤理化性质测试方法参照《土壤农业化学分析方法》^［21］，包括pH、电导率（EC）、含水率（SWC）土壤可溶性无机碳、难溶性无机碳、土壤微生物量碳（MBC）。土壤总碳（TC）、总氮（TN）、有机碳（SOC）采用元素分析仪测定。土壤酸性磷酸酶（S-ACP）、碱性磷酸酶（S-ALP）、脲酶（S-UE）、亮氨酸氨基肽酶（S-LAP）、外切-β-1，4-葡聚糖酶（S-C1）、β-葡萄糖苷酶（S-β-GC）、淀粉酶（S-AL）和碳酸酐酶（S-CA）的酶活性用酶试剂盒测定^［22］。

1.4 数据处理

利用Excel 2016和Origin 2022对数据进行分析和作图。

2 结果分析

2.1 灌溉措施及生物炭添加对盐碱土壤TC、TN、SWC影响的分析

未加生物炭滴灌和漫灌对土壤TC、TN、C/N含量具有极显著影响（P<0.001）。不添加生物炭条件下，与滴灌相比，漫灌土壤TC、TN含量高，C/N、SWC值低。与背景土壤相比，不加生物炭滴灌和漫灌处理均降低了土壤TC的含量。生物炭施用对土壤TC、TN具有显著影响（P<0.05）。生物炭添加使滴灌土壤的TC含量增加11.07 g/kg，土壤TN含量增加0.32 g/kg；使漫灌土壤TC含量增加0.25 g/kg。与背景值相比，生物炭处理使滴灌土壤TC、TN含量增加了5.25 g/kg、0.435 g/kg。生物炭处理滴灌土壤TC、TN、C/N、SWC含量高于漫灌土壤（表2）。

2.2 灌溉措施及生物炭添加对土壤无机碳影响的分析

灌溉方式对土壤可溶性无机碳无显著影响，对土壤难溶性无机碳具有极显著影响（P<0.001）（图1）。不加生物炭处理的漫灌土壤难溶性无机碳和可溶性无机碳含量均高于滴灌土壤，其中漫灌和滴灌土壤难溶性无机碳含量分别为13.3 g/kg和10.7 g/kg；可溶性无机碳含量分别为0.34 g/kg和0.28 g/kg。生物炭对滴灌土壤难溶性无机碳具有显著影响（P<0.05）。与不添加生物炭相比，生物炭的添加使滴灌和漫灌土壤可溶性无机碳含量分别降低0.03 g/kg和0.08 g/kg；使滴灌土壤难溶性无机碳含量增加0.8 g/kg；使漫灌土壤难溶性无机碳含量降低1.3 g/kg。土壤中难溶性无机碳远高于可溶性无机碳。

2.3 灌溉措施及生物炭添加对土壤SOC影响的分析

未添加生物炭处理，滴灌、漫灌对土壤SOC具有极显著影响（P<0.001），漫灌土壤SOC含量高于滴灌土壤（图2）。与土壤背景值相比，滴灌和漫灌使土壤SOC含量分别增加0.77 g/kg和1.59 g/kg。生物炭添加对滴灌土壤SOC含量具有极显著影响（P<0.01）。与不添加生物炭相比，生物炭的添加显著增加了滴灌和漫灌土壤SOC含量。与土壤背景值相比，生物炭添加使滴灌和漫灌土壤SOC含量分别增加4.57 g/kg和1.59 g/kg。

2.4 灌溉措施及生物炭添加对土壤MBC影响的分析

生物炭的添加与滴灌土壤MBC含量呈正相关（P<0.05）（图3）。滴灌区土壤MBC的含量变化为：常规施肥>空白对照>施加生物炭；在漫灌区土壤MBC的含量变化为：空白对照>常规施肥>施加生物炭。不加生物炭漫灌土壤MBC含量比滴灌高0.004 2 g/kg。与不添加生物炭相比，生物炭的添加使滴灌和漫灌土壤MBC含量分别降低0.003 7 g/kg、0.007 8 g/kg。生物炭处理下，滴灌土壤MBC含量比漫灌土壤高0.003 1 g/kg。土壤MBC含量仅占SOC含量的0.10%~0.23%。

2.5 灌溉措施及生物炭添加对土壤酶活性影响的分析

滴灌条件下施加生物炭使土壤S⁃AKP酶活性增加，其中土壤DF₂酶活性最高为9.45 U/g；漫灌条件下S-AKP活性变化与滴灌相反，土壤MBC₂F₂酶活性最高为8.10 U/g。施生物炭滴灌和漫灌土壤S-ACP活性均降低（图4）。施生物炭滴灌土壤S-C1活性降低0.76 U/g。生物炭处理滴灌土壤S-β-GC活性降低了0.65 U/g；漫灌土壤S-β-GC活性增加1.17 U/g。土壤S-AL在滴灌生物炭处理下酶活性增加，土壤DBC₂F₂酶活性最高为35.03 U/g；而漫灌施生物炭使酶活性降低6.70 U/g。滴灌区施生物 炭使土壤S-UE的酶活性增加，土壤DBC₂F₂酶活性最高为151.16 U/g。土壤S-LAP活性与脲酶变化相反，施生物炭会降低其酶活性。土壤S-CA活性与S-UE变化相同，施生物炭增加了土壤CA活性，土壤DBC₂F₂酶活性最高为108.91 U/g。

盐碱土壤S-UE、S-AL、S-CA酶活性较高。不施加生物炭处理，不同灌溉方式对土壤酶活性的影响不同，漫灌土壤酶活性高于滴灌土壤。与不施加生物炭相比，生物炭处理降低了滴灌土壤S-ACP、 S-β-GC、S-AKP、S-LAP、S-CA酶活性，增加了S-AL酶活性；在漫灌区，生物炭的添加降低了S-ACP、S-UE、S-LAP、S-CA的酶活性，增加了S-AKP、S-C1、S-β-GC的酶活性。

2.6 土壤酶活性与碳组分相关性分析

盐碱土壤酶活性与土壤碳组分具有显著相关性，结果如图5和图6所示。S-CA与土壤SOC呈正相关关系（P<0.05）。S-β-GC与土壤MBC呈正相关关系（P<0.05）。S-C1与S-LAP呈正相关关系（P<0.05）。S-AL与S-LAP呈正相关关系（P<0.05）。S-UE与C/N呈显著负相关关系（P<0.05）。S-LAP与TN、MBC、S-C1呈正相关关系（P<0.05）。S-ACP与SWC、TN呈负相关关系（P<0.05）。

3 讨论

3.1 灌溉措施及生物炭添加对土壤TC、SIC的影响

结果表明，与背景土壤相比，两年生物炭处理使滴灌和漫灌土壤TC含量均有所增加。土壤碳含量的变化是因为生物炭的输入可以减少有机碳的分解，Xie等^［23］研究表明，生物炭的添加有助于降低矿化速率，以达到稳定土壤TC的目的。同时，生物炭的吸附和团聚体的增加也是土壤TC稳定的原因之一^［24］。土壤无机碳是农田生态系统中重要的碳库，不同农业管理措施会影响土壤SIC的含量，土壤SIC可以将土壤和大气中的CO₂转化为次生碳酸盐，来缓解温室效应^［25］。研究发现，生物炭的添加降低了土壤可溶性无机碳以及漫灌区难溶性无机碳含量，这可能是因为土壤有机物质在分解过程中会产生有机酸，释放的有机酸会使土壤碳酸盐溶解^［26］。灌溉方式对盐碱土壤TC、SIC含量影响显著（P<0.05），不加生物炭的漫灌土壤TC、TN、可溶性无机碳和难溶性无机碳均高于滴灌土壤，也可能是因为漫灌初期土壤含水量显著增加，从而使与土壤碳循环相关的脲酶活性增加，进而导致土壤碳含量增加；而生物炭的添加使滴灌土壤的碳含量增加效果高于漫灌，这一结论与王艳^［27］研究结果一致。

3.2 灌溉措施及生物炭添加对土壤SOC、MBC的影响

研究表明，与背景土壤相比，两年的滴灌、漫灌以及生物炭添加均使盐碱土壤SOC含量增加，与不加生物炭相比，生物炭添加使土壤SOC的增量较高。在土壤中加入生物炭可以抑制二氧化碳排放、提高植物生产力，通过防止有机碳降解来减少有机碳的损失。研究发现，生物炭的添加显著提高了土壤SOC的含量，不同灌溉方式中生物炭的添加对土壤SOC的增加效果不同，滴灌区高于漫灌区，这一结论与韩光明^［28］的研究结果一致，其原因是滴灌能够保持土壤含水量及微生物活性，从而导致滴灌土壤SOC增量高于漫灌。生物炭的添加提高了土壤SOC含量的原因可能是生物炭自身带有稳定结构的含碳物质如苯环、杂环等，不容易被分解，加入土壤后直接成为土壤有机碳的一部分；另外，生物炭添加到土壤中与土壤矿质颗粒结合，形成了有机⁃无机复合物，保护其不受微生物的分解^［29］。

土壤微生物量碳是土壤活性碳库的重要组分，同时也为土壤微生物的生长提供重要的物质和能量^［30］。本研究发现，生物炭的添加降低了土壤MBC含量，这一结论与应金耀等^［31］研究结果一致。生物炭使土壤MBC含量降低的原因可能与生物炭本身的性质有关系，生物炭的表面积大、吸附能力强，土壤中的活性碳组分会被生物炭吸附在其孔隙中；同时生物炭的添加改变了土壤原来的平衡环境，使对环境敏感的微生物可能因环境变化而导致MBC含量降低^［32］。

3.3 灌溉措施及生物炭添加对土壤酶活性的影响

研究发现，生物炭的添加对土壤酶活性具有显著影响。生物炭因为含碳丰富，孔隙结构发达，吸附性大，添加到土壤中改善了土壤结构，改变了土壤中微生物生活的环境，从而对土壤酶活性产生一定影响^［33］。生物炭的添加降低了土壤S-β-GC的酶活性，这与Feng等^［34］的研究结果一致，添加生物炭后可以通过抑制土壤S-β-GC的活性，减少结构更简单的有序多糖的分解来促进土壤碳固存。同时生物炭的添加也降低了S-ACP、S-UE、S-LAP和S-CA的酶活性，这是因为生物质炭可以吸附各种有机和无机小分子，这些小分子占据了酶的反应位点，进而抑制了酶对底物的降解作用；而且过量的生物炭施用会导致生物炭中的有毒化合物，如苯、甲氧基苯酚、酚类、羧酸类、酮类、呋喃类和多环芳烃等聚集^{［35⁃36］}，使土壤中有毒化合物浓度增加，进而抑制微生物活性。

本研究结果表明：S-CA与土壤SOC呈正相关关系，S-β-GC与土壤MBC呈正相关关系，S-UE与C/N呈显著负相关关系，S-LAP与TN、MBC呈正相关关系，S-ACP与SWC、TN呈负相关关系，说明土壤酶活性对土壤碳含量有重要影响。不添加生物炭情况下，漫灌处理较滴灌一定程度上增加了土壤酶活性及碳含量。生物炭的添加有效增加了土壤碳含量，且滴灌与生物炭配合施用对盐碱土壤碳固存效果最显著。

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基金资助

国家重点研发计划资助项目“内蒙古中西部沿黄流域典型城市盐碱土壤污染成因与预警技术研究”(2021YFC3201503)

内蒙古师范大学基本科研业务费专项资金资助项目“陆地生态系统碳氮循环”(2022JBTD009)

内蒙古自治区高等学校青年科技英才支持计划资助项目“生物炭施用影响盐渍化土壤CO2、