铁基生物炭配施甲壳素对三七连作土壤理化性质与酶活性的影响

Effects of iron-based biochar combined with chitin on physicochemical properties and enzyme activities of continuous cropping soil of Panax Notoginseng

摘要

为探讨铁基生物炭配施甲壳素对三七连作土壤理化性质及酶活性的影响，试验共设4个处理（T1～T4）和1个对照（CK）.结果表明，T3和T4处理土壤电导率分别比CK提高了71.42%和78.57%. T4处理土壤总氮质量分数明显提高.培养第15天后，T4处理土壤蔗糖酶活性较CK提高了6.17%;T1、T4处理土壤蛋白酶与脲酶活性分别较CK提高了11.33%和19.08%;T3处理三七叶片超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性最高.培养第30天后，土壤中3种酶活性较第15天均有不同程度降低.相关性分析发现，蔗糖酶与硝态氮之间呈极显著正相关，脲酶与pH之间呈显著负相关，蔗糖酶和超氧化物歧化酶与土壤有机碳之间显著负相关，超氧化物歧化酶与土壤全氮呈显著负相关. PCA分析表明，T3处理土壤理化性质与酶活性的关系与其他处理有所差异.

关键词

铁基生物炭 / 甲壳素 / 土壤酶活性 / 超氧化物歧化酶活性 / 过氧化物酶活性

Key words

iron-based biochar / chitin / soil enzyme activity / superoxide dismutase activity / peroxidase activity

三七作为名贵的中药材，广泛应用于跌打损伤、冠心病、心绞痛、脑血管后遗症、高血压等疾病的治疗^［1］.然而，三七种植过程中严重的连作障碍使得三七产业健康发展受限.三七连作障碍是植物－土壤－微生物三者共同作用的结果.在三七生长过程中，其代谢产物进入土壤，导致土壤理化性质的恶化、土壤酶活性降低及微生物群落多样性和组成的变化^［2－5］.土壤酶活性作为土壤质量和土壤肥力的评价指标，在土壤生态系统中发挥关键作用^［3］，壤酶通过催化营养物质循环中的生化反应，直接影响养分转化效率^［6］.随着三七种植年限的增加，土壤中蛋白酶、蔗糖酶和脲酶等酶活性显著降低，不仅阻碍三七对营养元素的吸收，还加剧自毒物质的积累，从而诱发连作障碍^［7－9］.

生物炭是由作物秸秆、木材、污泥和动物粪便等在高温限氧条件下裂解的产物.其通过诱导寄主植物产生抗性、抑制土壤病原菌、改善土壤结构、提高酶活性和改变微生多样性、群落结构等，有效避免土传病害对植株的侵染^{［10－12］}.甲壳素及其水解产物壳聚糖可以改善土壤结构，抑制病原菌生长^［13］.研究^［15］表明，质量分数为2%的生物炭与1‰甲壳素配施提高了连作甜茶幼苗生物量、根系呼吸速率和根系保护酶活性，降低了连作土壤有害真菌的数量^［14］.为提升生物炭的理化特性及应用价值，常对其进行改性处理.改性生物炭因其更丰富的表面官能团和增强的吸附性能，具有较高的应用潜力，但铁改性生物炭及甲壳素配施后对土壤酶活性的相关研究报道较为有限，其影响效果需进一步研究.因此，本文以三七连作土壤为对象，通过室内培养试验，分析不同生物炭施用量对土壤理化性质，并在不同培养时间段测定土壤酶活性及幼苗叶片抗氧化酶活性，为缓解三七连作障碍提供理论依据和技术支持.

1 材料与方法

1.1 土壤采集与生物炭制备

试验土壤采自云南省文山州三七科学实验站（23°36′N，104°24′E），该地区属于亚热带季风气候，年平均降水量为1 100 mm，年平均气温为18.8 ℃. 采集连续种植三七5年以上的连作土壤（黄红壤），采集深度为0 ~ 15 cm.采集时去除植物根系、砾石和可见的植物残体，装于4 ℃密闭冷藏箱用于盆栽实验.

稻壳生物炭通过水稻秸秆在500 ℃高温条件下裂解制成.铁基生物炭通过将稻壳炭浸泡于0.1 mol/L氯化铁溶液（质量比1.5∶1），以160 r/min振荡3 h后过滤，并于60 ℃烘干保存.

1.2 试验设计

培养试验于云南师范大学能源与环境科学学院进行实验，试验采用盆栽的方法，设计5种处理方案，分别为连作土（CK）、连作土 + 1%稻壳炭（T1）、连作土 + 2%稻壳炭（T2）、连作土 + 1%铁基稻壳炭（T3）、连作土 + 1%铁基稻壳炭 + 1‰甲壳素（T4）.每种方案重复4次.除非特殊说明，均为质量分数.将500 g土壤按比例混入生物炭及甲壳素后倒入花盆，移栽1年生三七籽条（每盆3株），并定期浇水保持土壤湿度在30% ~ 40%.

1.3 试验样品取样

分别于试验开始后的第15天和第30天采集土壤和叶片样品，测定土壤中蔗糖酶、蛋白酶、脲酶活性，以及三七叶片中超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）活性.每次土壤取样均是钻取50 g幼苗周围土壤，每个处理组平行取样4次；每个处理组摘取0.5 ~ 1.0 g新鲜健康叶片，并立即进行测定.在培养结束后收集土壤，测定其理化性质.

1.4 土壤理化性质测定

土壤pH值采用pH计按1∶2.5的水土质量比测定；电导率（EC）使用电导率仪按1∶5土水质量比测定；铵态氮（NH₄ ⁺－N）、硝态氮（NO₃ ^－－N）用1.0 mol/L KCl浸提，使用AA3连续流动分析仪测定，有效磷（AP）使用钼锑抗显色法进行测量.土壤有机碳（SOC）使用K₂Cr₂O₇－FeSO₄法测定、全氮采用H₂SO₄－HClO₄消煮－全自动间断元素分析仪测定^［16］.采集土壤的pH为7.16，EC为0.1 mS/cm，NH₄ ⁺－N为7.27 mg/kg，NO₃ ^－－N为1.17 mg/kg，AP为44.95 mg/kg，土壤有机碳（SOC）为19.07 g/kg，土壤全氮（TN）为1.82 g/kg，容重为1.32 g/cm³.

1.5 土壤酶活性的测定

土壤酶活性的测定方法参考关松荫编著的《土壤酶及其研究方法》^［17］ .

1.6 超氧化物歧化酶和过氧化物酶的测定

三七叶片SOD和POD酶活性测定方法参考王学奎编著的《植物生理生化实验原理与技术》^［18］ .

2 结果与分析

2.1 铁基生物炭配施甲壳素对土壤基本理化性质的影响

土壤基本理化性质如表1所示.与CK相比，施加生物炭处理（T1 ~ T4）的土壤NH₄ ⁺－N、NO₃ ^-－N和SOC质量分数无显著性差异（P < 0.05）.施加改性生物炭的T3和T4处理显著提高了土壤EC质量分数（P < 0.05），分别较CK提高了71.42%和78.57%，施用稻壳生物炭提高了土壤pH，而施用铁改性生物炭降低了土壤pH，其中，T2处理的pH显著高于CK，而T4处理的pH显著低于CK（P < 0.05）.此外，T4处理土壤TN质量分数（1.83 ± 0.08）g/kg最高，表明施用甲壳素能够有效提高土壤总氮质量分数. T1处理土壤AP质量分数低至（8.14 ± 0.46）mg/kg，显著低于CK的（9.30 ± 0.49） mg/kg.

2.2 不同生物炭添加量及培养时间对土壤蔗糖酶活性的影响

在培养第15天，土壤蔗糖酶活性在（216.65 ± 71.86） ~ （312.54 ± 93.68） mg/g范围内变化（图1a）.各处理组之间的差异未达到显著性（P < 0.05）.其中，配施了甲壳素的T4处理组蔗糖酶活性最高，酶活性数值大小为T4 > CK > T3 > T1 > T2；在培养的第30天，土壤蔗糖酶活性较于第15天明显下降，酶活性数值在（21.00 ± 9.03） ~ （108.40 ± 34.53） mg/g之间变化.CK、T1、T2、T4处理组之间无显著性差异（P < 0.05），T3处理组酶活性最高（108.40 ± 34.53）mg/g.因此，单施铁基生物炭有助于长时间维持土壤蔗糖酶的高活性.

2.3 不同生物炭添加量及培养时间对土壤蛋白酶活性的影响

由图1b可知，在培养第15天，各处理和对照土壤蛋白酶活性介于（114.37 ± 43.35） ~ （180.84 ± 64.24） mg/g之间.各处理土壤蛋白酶活性之间没有显著性差异（P < 0.05），但T1、T4处理组酶活性高于CK，但T2、T3处理组酶活性较低，分别降低了17.92%和29.59%.在培养的第30天，土壤蛋白酶活性相比第15天进一步下降.酶活性数值按照T3 > T2 > T4 > T1 > CK减小，酶活性在（90.04 ± 6.80） ~ （101.71 ± 8.02） mg/g范围内.其中，T3处理的土壤蛋白酶活性最高，为（101.71 ± 8.02） mg/g，各个处理组间无显著性差异（P < 0.05）.因此，单施铁基生物炭有助于长时间维持土壤蛋白酶活性.

2.4 不同生物炭添加量及培养时间对土壤脲酶活性的影响

由图1c可知，在培养第15天，土壤脲酶活性数值介于（141.32 ± 11.07） ~ （245.44 ± 28.54） mg/g范围内，其中T4处理脲酶活性最高（245.44 mg/g），明显高于T2处理组（P < 0.05）.与CK组相比，T1、T2和T3处理组分别提高了19.68%、3.78%、31.09%和16.89%.在培养第30天，土壤脲酶活性较第15天出现不同程度的降低，T1和T2处理组的脲酶活性较CK组降低了16.50% 和26.46%，T3和T4处理组显著高于CK组（P < 0.05），分别高出41.78%和30.95%.因此，单施铁基生物炭的处理维持了较高的土壤脲酶活性.

2.5 不同生物炭添加量及培养时间对叶片SOD酶活性的影响

由图1d可以看出，在培养第15天，T3处理组三七叶片SOD酶活性显著高于其他处理组（P < 0.05），较CK组提高了84.62%.酶活性数值按照T3 > T1 > T4 > T2 > CK递减；在培养第30天，CK、T1和T3处理组的SOD酶活性比其对应的第15天有所降低，T2和T4处理较第15天升高了181.18%和37.50%.酶活性数值按照T2 > T3 > T4 > T1 > CK降低.T2处理组的酶活性数值最高，显著高于其他处理组（P < 0.05），较CK组增加了64.43%.

2.6 不同生物炭添加量及培养时间对叶片POD酶活性的影响

由图2可知，各处理组的三七叶片POD酶活性无显著性变化（P < 0.05），在培养的第15与30天，酶活性均值分别为208.89和169.49 U/（g·min），施加生物炭的处理均较CK有所提升.在培养第15天时，酶活性数值由高到低为T3 > T1 > T4 > T2 > CK，在培养第30天，CK、T1、T3和T4处理组对比15天酶活性分别下降了1.76%、34.78%、29.17%和44.73%.其中，T2处理有所升高.

2.7 土壤理化性质与酶活性的相关性分析

通过图3的主成分分析发现，PC1和PC2的总解释度为40.6%，其中PC1的解释度为23.7%，PC2的解释度为16.9%，在PC1轴上，载荷值排名前5的变量分别是第15天的叶片SOD酶活性、第30天的蔗糖活性、电导率、土壤有机碳、第30天的脲酶活性，其载荷值依次为0.41、0.40、0.34、-0.32和0.30；PC2轴载荷值前5的变量分别为第15天的脲酶活性、pH、全氮、第30天的超氧化物歧化酶活性、电导率，其载荷值分别为-0.50、0.44、-0.36、0.34和-0.24.根据X轴的分布，CK、T1、T2和T4之间差异性较小，T3对第15天叶片SOD酶活性、第30天的蔗糖活性、EC、土壤有机碳、第30天的脲酶活性的贡献更为显著.

2.8 土壤理化性质与酶活性的主成分分析

通过图4的相关性分析发现，土壤pH值与脲酶活性、SOC与蔗糖酶活性和超氧化物歧化酶活性、TN与超氧化物歧化酶活性之间均呈显著负相关（P < 0.05）；TN与脲酶活性呈显著正相关（P < 0.05）、NO₃ ^－－N与蔗糖酶活性呈极显著正相关（P < 0.01）.

3 讨论

3.1 生物炭施加对三七连作土壤酶活性的影响

土壤酶对于土壤养分循环至关重要，酶活性紊乱会影响植物根际和根系的环境^［19］.土壤酶活性的失调可导致土壤养分的失调^［7］，从而抑制植物根系吸收并诱发连作障碍^{［20－21］}.蔗糖酶通过分解蔗糖参与土壤碳循环，其活性与土壤有机碳的累积和分解密切相关^［22］.在本研究中，在培养第15天，T4处理组土壤蔗糖酶活性比CK组升高了6.17%.而在培养的第30天，除T2和T3处理组土壤蔗糖酶活性较CK的分别高17.19%和361.38%外，其余组酶活性均低于CK.结果表明，铁基改性生物炭有助于短期提高和长期稳定土壤酶活性，有利于三七连作土壤中的碳的转换和利用.并且，短时期内铁基生物炭配施甲壳素的影响效果要明显优于单施生物炭，这可能是因为甲壳素可以短时间杀灭病原菌，维持土壤微生物群落结构，而单施改性生物炭T3处理组在长期表现方面更优.

蛋白酶和脲酶通过氮素转化参与土壤氮循环，对维持土壤肥力至关重要^{［23－25］}.其活性不仅与土壤氮、碳元素水平密切相关，还表征了土壤中氮素的转换能力^{［3， 26］}.在培养第15天，T1、T4处理组蛋白酶与脲酶活性分别比CK提高了11.33%和19.08%，其余处理均低于CK组.在培养第30天，T1、T2、T3、T4处理组蛋白酶活性均高于CK组，平均提高了4.59% ~ 12.96%，T3和T4处理脲酶活性分别比CK提高了41.78%和30.95%.虽然短期内单施改性生物炭对于脲酶与蛋白酶具有一定抑制，但长期内，单施改性生物炭对于稳定土壤酶活性的效果优于普通生物炭，这对于三七的种植土壤的氮素转化和维持更加有利.

3.2 生物炭对三七叶片POD、SOD酶活性的影响

三七叶片 SOD 和 POD 酶在植物抗氧化系统中通过清除自由基增强抗逆性^{［27－ 28］}.施加生物炭处理三七叶片SOD酶活性均较CK有所提升.在培养的第15天和第30天，分别以T3和T2处理组表现最佳，较CK分别提高84.62%和64.43%.各处理三七叶片POD酶活性无显著性差异（P < 0.05）.在培养的第30天，仅T2处理酶活性较15天提高了40.00%.综上所述，单施改性生物炭更有利于短期提升SOD酶活性，而T2处理对长期效果更优.主成分分析显示，T3 处理的土壤理化性质和酶活性与其他处理组存在显著差异，这可能与铁基改性生物炭的施加量（1%）较低有关，适量施加有助于提高土壤酶活性和植株抗性，而过高浓度可能产生抑制作用.对于三七连作土壤的影响还需要进一步的研究.

4 结语

铁基生物炭配施甲壳素对三七连作土壤铵态氮、硝态氮和有机碳质量分数没有显著性改变，施加铁基生物炭的T3和T4处理组显著性提高了土壤电导率（P < 0.05），分别比CK提高了71.42%和78.57%.T2的pH值显著高于T3，而T4处理土壤总氮质量分数最高，T1处理有效磷最低.在短期内，铁基生物炭配施甲壳素可以显著提高三七连作土壤蔗糖酶、蛋白酶和脲酶活性.在长期内，单施铁基生物炭的T3处理对于维持土壤酶活性的稳定效果更优. 此外，生物炭的施加有利于提高三七叶片的SOD和POD活性，相关性分析显示，土壤硝态氮质量分数与蔗糖酶活性呈极显著正相关.PCA结果表明，单施铁基生物炭的T3处理的理化性质与酶活性的关系与其他处理存在显著差异.

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基金资助

国家自然科学基金(42107256)

云南省基础研究计划项目(202201AT070036)

云南省基础研究计划项目(202201AU070147)

云南省基础研究计划项目(202301AT07460)