全 文 ：第 35 卷第 15 期
2015年 8月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.15
Aug.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家“十二五冶科技支撑计划(2011BAD11B01, 2011BAD11B02); 国家“948冶重点项目(2011鄄G30); 山东省自主创新成果转化重大专
项(2012ZHZX1A0408)
收稿日期:2013鄄12鄄31; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄09鄄25
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: minzhang鄄2002@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201312313071
冯爱青, 张民, 李成亮, 杨越超, 陈宝成.秸秆及秸秆黑炭对小麦养分吸收及棕壤酶活性的影响.生态学报,2015,35(15):5269鄄5277.
Feng A Q, Zhang M, Li C L, Yang Y C, Chen B C.Effects of straw and straw biochar on wheat nutrient uptake and enzyme activity in brown soil.Acta
Ecologica Sinica,2015,35(15):5269鄄5277.
秸秆及秸秆黑炭对小麦养分吸收及棕壤酶活性的影响
冯爱青1,2, 张摇 民1,*, 李成亮1, 杨越超1, 陈宝成1
1 土肥资源高效利用国家工程实验室, 国家缓控释肥工程技术研究中心, 国家化肥质量监督检验中心, 山东农业大学资源与环境学院, 泰安
摇 271018
2 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京摇 100101
摘要:通过小麦盆栽试验,研究了玉米秸秆及其秸秆黑炭施加对小麦养分吸收利用和棕壤酶活性的影响。 试验设对照(CK),黑
炭(B),秸秆还田(S),尿素(U),尿素+黑炭(UB)及尿素+秸秆还田(US)6个处理,各处理 3次重复。 结果表明:无氮肥施入下,
B处理较 CK和 S处理籽粒产量显著提高 99.4%和 77.7%,小麦地上部氮、磷、钾吸收累积量分别显著提高 94.1%—140.9%,
55.4%—66.3%和 53.1%—72.6%;有氮肥施入下,UB和 US处理较 U处理提高籽粒产量 8.2%—8.8%,小麦地上部氮、磷、钾吸收
累积量分别显著提高 14.3%—27.8%,19.6%—30.9%和 24.4%—40.9%。 秸秆及秸秆黑炭施加处理的氮素利用率显著提高
21.4%—41.7%。 黑炭施加显著提高土壤中有机碳、NH+4 鄄N、NO
-
3 鄄N 和速效钾含量;在施氮条件下,秸秆还田显著提高土壤中
NO-3 鄄N含量;秸秆及黑炭施加对有效磷含量无显著影响。 秸秆还田显著提高了土壤脱氢酶、过氧化氢酶、脲酶和中性磷酸酶活
性;施加黑炭也明显提高了土壤脱氢酶和脲酶活性,但抑制过氧化氢酶和中性磷酸酶活性。 土壤脲酶活性与土壤有机碳、无机
氮含量呈显著正相关,表明土壤酶可反映土壤肥力水平。
关键词:秸秆黑炭; 秸秆还田; 养分吸收利用; 土壤酶活性; 产量
Effects of straw and straw biochar on wheat nutrient uptake and enzyme activity
in brown soil
FENG Aiqing1,2, ZHANG Min1,*, LI Chengliang1, YANG Yuechao1, CHEN Baocheng1
1 National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, National Engineering and Technology Research Center for Slow and
Controlled Release Fertilizers, National Center for Quality Supervision & Testing of Fertilizers, College of Resources and Environment, Shandong Agricultural
University, Tai忆an, 271018, China
2 Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
Abstract: Biochar made from crops straw is widely used as a great soil ameliorant that improves soil properties, protects soil
environment, and enhances wheat growth. In this study, a potted wheat experiment was conducted to study the effects of
corn straw and corn straw biochar on wheat nutrient uptake and utilization, yield, and enzyme activities in brown soil. Six
treatments were set up with three replications as follows: control ( CK), biochar ( B), straw ( S), urea (U), Urea +
biochar (UB), and Urea+straw (US). In this study, the biochar was made from corn straw at 500 益 under anaerobic
conditions. The results demonstrated that compared with the treatments of CK and S, the yield of B treatment was
significantly increased by 99.4% and 77.7%, and the amount of accumulated N, phosphorus (P), and potassium (K) in
the wheat aboveground biomass significantly increased by 94. 1%—140. 9%, 55. 4%—66. 3%, and 53. 1%—72. 6%,
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respectively. However, application of N fertilizer significantly increased the yield of UB and US treatments by 8.2%—8.8%
and the amount of accumulated N, P, and K in wheat aboveground biomass increased by 14. 3%—27. 8%, 19. 6%—
30.9%, and 24.4%—40.9%, respectively, compared with the treatment of U. The efficiency of N use in treatments of UB
and US increased by 21.4%—41.7% compared with the treatment of U; however, the enhancement of N use efficiency was
higher in US than in UB. Biochar application significantly increased the content of organic carbon (C), NH+4 鄄N, NO
-
3 鄄N,
and available K in soil. Only does soil NO-3 鄄N content have significantly increased in straw incorporation. In the mature stage
of wheat, the organic C content in the soil under the treatments of B and UB increased by 34.9%—54.2% in comparison
with other treatments without biochar application. Meanwhile, there was no significant difference in soil organic C content
under the treatment with straw. In this stage, NH+4 鄄N content in soil of UB treatment was also increased by 10.9%—23.5%,
which was higher than in other treatments. From heading stage to maize stage, compared with the treatments of US and U,
NO-3 鄄N content of UB treatment increased by 30.9%—85.3% and 67.5%—126.7%, respectively. From seedling stage to
mature stage, the available K content in soil of UB treatment increased by 23.3%—86.0% in comparison with US treatment.
Nevertheless, there was no pronounced effect of biochar and straw on the available P content in soil. Moreover, straw
incorporation significantly improved soil dehydrogenase, catalase, urease, and neutral phosphatase activities. Biochar
application significantly enhanced soil dehydrogenase and urease activities, but it inhibited soil catalase and neutral
phosphatase activities. The positive correlation between soil urease and organic C and inorganic N indicated that soil
enzymes reflected the soil fertility level. In conclusion, a long term in-situ study is of great importance to investigate the
long-term effects of straw incorporation and biochar on soil properties and yield of crops.
Key Words: straw biochar; straw incorporation; soil nutrient uptake and utilization; soil enzyme activity; yield
作物秸秆含有丰富的营养元素,其利用方式已经从焚烧逐步转向秸秆还田,秸秆还田可以减少由秸秆焚
烧所引起的环境污染,同时提高农村养分资源的循环利用[1]。 据报道,秸秆焚烧可造成 0—5 cm土层细菌、放
线菌、真菌等微生物数量减少 43%—80%,土壤中多种酶活性显著降低[2]。 秸秆还田可以提高土壤养分含量,
改良土壤理化性状,提高作物产量[3鄄5]。 秸秆还田可提高土壤水分利用率和蓄水能力,促进作物的光合作用,
进而使作物增产[6]。
作物秸秆可以在缺氧或者少氧的条件下不完全燃烧制成一种富有孔隙结构、含碳量高的生物质黑炭[7]。
研究表明,由于黑炭的这种多孔的特殊结构,施用黑炭可以增加土壤的孔隙度[8],吸附和保持水分[9];提高土
壤 pH值,增大盐基交换量,有效调控土壤中营养元素的循环[10鄄11],提高土壤中微生物的含量[12鄄13]。 但是,陈
心想等[14],研究表明:黑炭对小麦和糜子增产效应不稳定,在最高量 20 t / hm2水平时产生抑制作用。 施用生
物炭对土壤酶活性的影响研究较少,主要集中在与碳、氮物质循环相关的少数几种酶[15]。
近年来,由秸秆转化的黑炭已成为农业可持续发展的研究热点。 研究报道多集中于秸秆还田及黑炭对土
壤物理性质、土壤养分及作物生长的影响,而关于秸秆还田及秸秆黑炭对土壤养分和土壤酶的变化及其相关
性研究较少。 土壤酶对土壤受到的干扰比较敏感,能够反映不同条件下土壤质量的变化[16]。 本研究通过小
麦鄄玉米轮作体系,对秸秆及秸秆黑炭施用后小麦各生育期土壤养分利用状况、作物产量及土壤酶活性等进行
研究,试图探明秸秆及秸秆黑炭对小麦产量、土壤养分与土壤酶的效应差异,为秸秆炭化还田在农业上的应用
提供一定的理论依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 试验地点及材料
试验始于 2011 年 10 月,于山东农业大学南校区“土肥资源高效利用国家工程实验室冶中心试验站内
(36毅09忆14义N, 117毅09忆01义E)进行,冬小麦鄄夏玉米轮作,一年两熟。 2012年 10月夏玉米收获后种植小麦,试验
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时间为 2012年 10月至 2013年 6月。 供试土壤取自山东农业大学南校区试验基地 0—20 cm耕层土壤,土壤
类型为棕壤,根据中国土壤系统分类命名为:普通简育湿润淋溶土(Typic鄄Hapli鄄Udic Argosols),质地为粉壤
(含粘粒 10.5%,砂粒 35.5%,粉粒 54.0%)。 土壤基本理化性质为:有机质 12.1 g / kg,全氮 0.5 g / kg,NO-3 鄄N 8.4
mg / kg,NH+4 鄄N 11.3 mg / kg,有效磷 38.9 mg / kg,速效钾 78.7 mg / kg,pH 值 7.28。 供试肥料为普通尿素(含 N
46%)、过磷酸钙(含 P 2O5 14%)、氯化钾(含 K2O 60%)。 生物炭为玉米秸秆黑炭(500 益缺氧烧制,全 N 18.1
g / kg,全 P 11.5 g / kg,全 K 27.5 g / kg,有机碳含量 621.5 g / kg,水炭比为 20颐1[17]测定 pH值为 9.6)。 还田秸秆
为前茬玉米秸秆,将秸秆晒干,打碎成 1 cm左右的小块。 本试验使用的陶土盆直径为 31 cm,高 36 cm,盆底
层铺沙 5 kg,每盆装土 25 kg。 供试小麦品种为“济麦 22冶,生育期 240 d左右,每盆小麦播 30 粒(小麦发芽率
为 98%,按每亩 10 kg播种)。
1.2摇 试验设计
试验共设置 6个处理,分别为:1)空白对照 CK;2)黑炭处理 B;3)秸秆还田处理 S;4)尿素处理 U;5)尿素
+黑炭处理 UB;6)尿素+秸秆还田处理 US。 具体施用量列于表 1 中,施氮处理 N 施用量为 450 kg / hm2,各处
理磷肥、钾肥施用量均相同,施磷(P 2O5)0.107 g / kg土(P 2O5240 kg / hm2),钾(K2O)0.08 g / kg土(K2O 180 kg /
hm2),各处理均 3次重复。 各肥料、玉米秸秆黑炭及打碎的玉米秸秆与土混匀后装入盆中,作基肥在播种前
一次性施入。 尿素处理中尿素按农民习惯施肥分两次施入,50%作基肥在播种前施入,50%在小麦拔节期施
入。 小麦盆栽置于室外,与大田条件相同。 水分管理:保持田间持水量的 60%—70%,用重量法补足水分。
2012年 10月 8日播种,2013年 6月 1日收获。
表 1摇 小麦盆栽试验施肥方案
Table 1摇 Fertilization design for potted maize experiment
编号
Number
处理
Treatments
代号
Abbreviations N / (g / kg)
黑炭 / %
Biochar
秸秆还田 / %
Straw
1 氮肥空白对照 CK 0 0 0
2 黑炭,不施氮肥 B 0 0.5 0
3 秸秆还田,不施氮肥 S 0 0 0.4
4 尿素处理 U 0.2 0 0
5 尿素+黑炭处理 UB 0.2 0.5 0
6 尿素+秸秆还田处理 US 0.2 0 0.4
摇 摇 黑炭及秸秆还田施用量为质量比;CK: 氮肥空白对照 Control;B: 黑炭处理 Biochar;S: 秸秆还田处理 Straw;U: 尿素处理 Urea;UB: 尿素+黑
炭处理 Urea+biochar;US: 尿素+秸杆还田处理 Urea+straw
1.3摇 测定项目与方法
土壤取样生育期及时间为:小麦苗期(2012年 10月 31日,施肥播种后 23 d)、返青期(2013年 3月 16日,
施肥播种后 159 d)、拔节期(2013 年 4 月 8 日,施肥播种后 182 d)、开花期(2013 年 4 月 27 日,施肥播种后
201 d)、灌浆期(2013年 5月 11日,施肥播种后 215 d)、成熟期(2013年 5月 29日,施肥播种后 233 d)。 取样
方法为:在小麦植株周围均匀的取 3 个点,采样土层深度为 0—20 cm,将土样充分混匀带回实验室。 一部分
鲜土立即放入冰箱 4 益保存,测定土壤 NO-3 鄄N、NH
+
4 鄄N及土壤脱氢酶,在采样后 48 h内测定完毕;一部分自然
风干、磨细,过 2 mm及 0.25 mm筛。
土壤性质的测定方法:土壤 pH值采用 pH计(PB鄄 10,Satorius AG,德国)测定,水土比为 2.5颐1;土壤电导
率(EC)采用电导率仪(DDSJ鄄308A,上海精密科学仪器公司)测定,水土比为 2.5颐1;土壤质地采用微吸管法
(美国制);土壤全氮采用半自动凯氏定氮仪测定;土壤鲜样中无机氮为 0.01 mol / L CaCl2提取的土壤 NO
-
3 鄄N、
NH+4 鄄N二者之和,土壤浸提液的 NO
-
3 鄄N、NH
+
4 鄄N含量采用流动注射分析仪(AA3,BRAN+LUEBBE,德国)测定;
土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法;土壤有效磷采用 0.5 mol / L NaHCO3浸提鄄钼蓝比色法;土壤速效钾采用
pH值 7.0 醋酸铵浸提鄄火焰光度计法测定[18]。 测定所取土样土壤酶活性,土壤脱氢酶、过氧化氢酶、脲酶、中
1725摇 15期 摇 摇 摇 冯爱青摇 等:秸秆及秸秆黑炭对小麦养分吸收及棕壤酶活性的影响 摇
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性磷酸酶活性分别采用三苯基甲替比色法、高锰酸钾滴定法、苯酚钠比色法、磷酸苯二钠比色法测定[19]。
小麦收获后,植株秸秆及小麦籽粒置于烘箱中,105 益杀青 15 min,65 益烘至恒重后称重、磨细。 分别采
用凯氏定氮法、钒钼黄比色法及火焰光度计法测定秸秆及籽粒中全氮、全磷、全钾含量[18]。
试验数据利用 Excel 2003和 SAS 8.0软件进行处理和统计分析,不同处理内采用 ANOVA 方法进行方差
分析,不同处理间的多重比较采用 Duncan忆s Multiple Range Test方法检验各处理平均值在 P< 0.05 水平的差
异显著性。
2摇 结果与分析
2.1摇 秸秆黑炭及秸秆还田对作物产量及养分吸收的影响
添加黑炭及秸秆还田对籽粒、秸秆产量,氮、磷、钾养分吸收总量及氮素利用率具有显著影响(表 2)。 施
氮情况下,UB处理与 US处理籽粒产量差异不显著,较 U 处理显著提高 8.2%—8.8%;无氮情况下,B 处理籽
粒产量较 CK和 S处理显著提高 99.4%和 77.7%,CK和 S 处理籽粒产量差异不显著。 U、UB 和 US 处理秸秆
产量差异不显著,但较 CK、B和 S处理显著提高 16.2%—152.1%;B 处理秸秆产量较 CK 和 S 处理显著提高
67.9%和 54.3%。
各处理氮素吸收总量依次为:US> UB> U> B> S> CK, UB 和 US 处理较 U、B、S、CK 处理分别显著提高
14.3%—242.1%和 27.8%—282.5%,磷吸收总量较 U、B、S、CK 处理分别显著提高 19.6%—99.0%和 30.9%—
117.8%,钾吸收总量分别显著提高 24.4%—120.8%和 40.9%—150.0%;B 处理氮、磷、钾吸收总量较 S 和 CK
处理分别显著提高 94.1%—140.9%,55.4%—66.3%和 53.1%—72.6%。 各处理氮素利用率依次为:US> UB>
U,US和 UB 处理氮素利用率较 U 处理显著提高 41.7%和 21.4%;US 处理氮素利用率较 UB 处理显著提高
16.7%。
表 2摇 黑炭及秸秆还田对小麦产量及养分吸收的影响
Table 2摇 Effects of biochar and straw incorporation on the yield of wheat and nutrient uptake
处理
Treatments
产量 Yield (g /盆)
籽粒 Grain 秸秆 Straw
养分吸收总量 Total amount of nutrient uptake (g /盆)
N P K
氮素利用率 / %
N use efficiency
CK 37.83d 36.41c 0.92f 0.38c 2.03d
B 63.50c 72.59b 2.23d 0.64b 3.50c
S 41.15d 40.85c 1.15e 0.41c 2.29d
U 70.99b 84.37a 2.77c 0.64b 3.60c 36.85c
UB 81.96a 91.77a 3.16b 0.76a 5.08a 44.74b
US 82.19a 91.28a 3.53a 0.83a 4.48b 52.21a
摇 摇 在同一列中的平均值,凡尾部标有不同的字母表示它们之间差异显著(P< 0.05);氮素利用率(%)= (施氮区作物吸氮量-氮空白作物吸氮
量) /作物施氮量伊100%
添加黑炭及秸秆还田对小麦籽粒及秸秆中养分含量具有一定影响(表 3)。 各处理籽粒中氮含量依次为:
US> UB、U、B> S> CK,US处理籽粒氮含量较其它处理显著提高 8.8%—61.3%,B处理籽粒氮含量较 S、CK处
理分别显著提高 15.6%和 38.3%;各处理籽粒中磷、钾含量差异不显著。 US 处理秸秆中氮含量较 B、S、CK 处
理显著提高 47.9%—138.0%,与 UB、U 处理差异不显著;S 处理秸秆中磷的含量最高,较 U 处理显著提高
56.9%;S、UB和 CK处理秸秆中钾含量显著提高 12.7%—33.9%。 S 处理秸秆中氮含量较低,U 处理秸秆中
磷、钾含量较低。
2.2摇 秸秆黑炭及秸秆还田对土壤养分的影响
试验前,供试土壤较贫瘠,土壤有机碳含量较低,小麦鄄玉米轮作提高了土壤有机碳的含量(图 1)。 添加
黑炭显著影响了土壤有机碳的含量,小麦成熟期,添加黑炭处理 B 及 UB 处理土壤中有机碳含量较其它处理
显著提高 34.9%—54.2%,秸秆施加较无物料添加处理土壤有机碳含量差异不显著。
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表 3摇 黑炭及秸秆还田对小麦籽粒及秸秆中养分含量的影响
Table 3摇 Effects of biochar and straw incorporation on the nutrient content of wheat grain and straw
处理
Treatments
籽粒 Grain
N / (g / kg) P / (g / kg) K / (g / kg)
秸秆 Straw
N / (g / kg) P / (g / kg) K / (g / kg)
CK 19.84d 5.87a 12.58a 4.80cd 4.42ab 42.71a
B 27.44b 5.11a 12.47a 6.70bc 4.29ab 37.34b
S 23.73c 5.14a 11.64a 4.164d 4.87a 44.33a
U 28.71b 5.28a 11.41a 8.66ab 3.11c 33.11c
UB 29.40b 5.32a 13.25a 8.17ab 3.55bc 43.47a
US 31.99a 5.47a 12.45a 9.91a 4.19ab 37.89b
摇 摇 在同一列中的平均值,凡尾部标有不同的字母表示它们之间差异显著(P< 0.05)
图 1摇 黑炭及秸秆还田对土壤有机碳含量的影响
摇 Fig.1摇 Effects of biochar and straw incorporation on soil organic
carbon content
CK: 氮肥空白对照 Control;B:黑炭处理 Biochar;S:秸秆还田处理
Straw;U: 尿素处理 Urea;UB: 尿素+黑炭处理 Urea+biochar;US:
尿素+秸杆还田处理 Urea+straw
添加黑炭及秸秆还田显著影响了土壤中无机氮的
含量(图 2)。 苗期至拔节期,添加黑炭 UB 处理显著提
高了土壤中铵态氮的含量;由于 U 处理在拔节期后追
肥 50%,抽穗期土壤中铵态氮的含量显著提高,U、UB
及 US处理土壤中铵态氮的含量差异不显著,但成熟期
时,UB处理土壤中铵态氮的含量较其它处理显著提高
10.9%—23.5%(图 1)。 各处理土壤硝态氮的含量在小
麦各生育期差异十分显著。 苗期至抽穗期,各处理土壤
硝态氮的含量依次为:UB> US> B、U> CK、S;灌浆期及
成熟期,UB> US、U> B、S、CK。 整个生育期,B 处理土
壤中硝态氮的含量较 CK、S处理显著提高;抽穗期至成
熟期,UB处理土壤中硝态氮的含量较 US、U 处理分别
显著提高 30.9%—85.3%和 67.5%—126.7%(图 2)。
图 2摇 黑炭及秸秆还田对土壤中无机氮含量的影响
Fig.2摇 Effects of biochar and straw incorporation on soil inorganic nitrogen content
如图 3所示,小麦生育期中 CK 处理土壤有效磷含
量较高;拔节期,U 处理土壤有效磷含量显著升高。 整
个生育期中,B、S、UB 及 US 处理间土壤有效磷含量差
异趋于不显著。 拔节期,UB处理较 U和 US处理土壤有效磷含量显著提高,但在其它时期,UB、US 及 U处理
土壤有效磷含量差异不显著。
各处理土壤中速效钾的含量在各生育期显著不同,黑炭施入显著提高了土壤中速效钾的含量(图 4)。 苗
3725摇 15期 摇 摇 摇 冯爱青摇 等:秸秆及秸秆黑炭对小麦养分吸收及棕壤酶活性的影响 摇
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期至返青期、抽穗期至成熟期,B处理土壤速效钾含量较 UB 处理显著提高 21.6%—31.1%;S、US、CK 处理间
土壤速效钾含量差异趋于不显著。 苗期至成熟期,B 处理土壤速效钾含量较 S、CK 处理显著提高 29.4%—
116.8%;返青期至成熟期,UB处理土壤速效钾含量较 U 处理显著提高 22.7%—62.1%;苗期至成熟期,UB 处
理土壤速效钾含量较 US处理显著提高 23.3%—86.0%。
图 3摇 黑炭及秸秆还田对土壤中有效磷含量的影响
摇 Fig. 3 摇 Effects of biochar and straw incorporation on soil
available phosphorus content
图 4摇 黑炭及秸秆还田对土壤中速效钾含量的影响
摇 Fig. 4 摇 Effects of biochar and straw incorporation on soil
available potassium content
图 5摇 黑炭及秸秆还田对土壤脱氢酶活性的影响
摇 Fig. 5 摇 Effects of biochar and straw incorporation on soil
dehydrogenase activity
2.3摇 秸秆黑炭及秸秆还田对土壤酶活性的影响
在小麦整个生育期中,苗期土壤脱氢酶活性最低,
拔节期—抽穗期土壤脱氢酶活性达到最高(图 5)。 返
青期至灌浆期,US 处理土壤脱氢酶活性较 UB、U 处理
分别显著提高 26.6%—39.1%和 27.8%—92.5%;成熟
期,S、U、UB和 US处理土壤脱氢酶活性差异不显著,较
B和 CK处理分别显著提高 17.0%—33.0%和 99.3%—
126.5%。 不施氮条件下,添加黑炭及秸秆还田处理土
壤脱氢酶活性分别显著提高 37. 8%—125. 3% 和
47.6%—162.6%;施氮条件下,添加黑炭在返青期、拔节
期土壤脱氢酶活性显著提高 38.8%和 36.2%,秸秆还田
处理在返青期至灌浆期土壤脱氢酶活性显著提高
27.8%—75.1%。
小麦整个生育期中土壤过氧化氢酶活性的动态变
化不显著(图 6)。 拔节期,各处理土壤过氧化氢酶活性
高低依次为:S、US> B、U> CK> UB;抽穗期,B、S 和 US 处理土壤过氧化氢酶活性较 UB、CK 处理显著提高
5.5%—8.0%,成熟期,较 U、CK处理显著提高 2.4%—3.5%。 灌浆期,各处理土壤过氧化氢酶活性高低依次
为:S> B> US> U> UB、CK。 返青期至成熟期,B和 S 处理土壤过氧化氢酶活性较 CK 处理显著提高 2.9%—
8.0%。 拔节期至灌浆期,U和 US处理土壤过氧化氢酶活性较 UB处理显著提高 2.5%—7.9%。
添加黑炭及秸秆还田对土壤脲酶活性影响十分显著(图 7),UB和 US处理土壤脲酶活性较其它处理分别
显著提高 21.0%—114.3%和 13.9%—86.4%。 苗期,各处理土壤脲酶活性高低依次为:UB、US> S、U> B、CK,B
处理土壤脲酶活性较低;返青期、抽穗期及灌浆期,B、S、U处理土壤脲酶活性较 UB和 US处理显著降低;拔节
4725 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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期,B和 US处理土壤脲酶活性差异不显著,较 CK、S 和 U 处理显著提高;成熟期,各处理土壤脲酶活性依次
为:UB> US> B> U> S> CK,UB和 US处理土壤脲酶活性显著较高。 苗期至成熟期,UB处理土壤脲酶活性较
B处理显著提高 21.5%—71.0%,US 处理土壤脲酶活性较 S 处理显著提高 16.0%—69.1%。 苗期至成熟期,
UB和 US处理土壤脲酶活性较 U处理分别显著提高 22.5%—72.4%和 13.9%—49.7%。
图 6摇 黑炭及秸秆还田对土壤过氧化氢酶活性的影响
摇 Fig.6摇 Effects of biochar and straw incorporation on soil catalase
activity
图 7摇 黑炭及秸秆还田对土壤脲酶活性的影响
摇 Fig.7摇 Effects of biochar and straw incorporation on soil urease
activity
图 8摇 黑炭及秸秆还田对土壤中性磷酸酶活性的影响
摇 Fig.8摇 Effects of biochar and straw incorporation on soil neutral
phosphatase activity
土壤 pH 范围为 6.30—7.97,土壤中性磷酸酶活性
较强。 小麦拔节期及抽穗期,各处理土壤中性磷酸酶活
性较高,成熟期活性较低(图 8)。 在小麦整个生育期
中,US处理较其它处理土壤中性磷酸酶活性显著提高
8.2%—279.7%。 返青期及成熟期,UB处理较 B 处理土
壤中性磷酸酶活性显著提高 14.0%—83.7%;苗期至成
熟期,US 处理较 S 处理土壤中性磷酸酶活性显著提高
18.4%—50.0%。 返青期、灌浆期及成熟期,S 处理较 B
处理土壤中性磷酸酶活性显著提高 11. 7%—88. 4%。
UB处理土壤中性磷酸酶活性在苗期、
返青期较 U处理显著提高 15.1%—31.4%,在拔节
期、灌浆期则显著降低 15.0%—16.6%;返青期至成熟
期,US处理土壤中性磷酸酶活性较 UB 处理显著提高
16.0%—53.8%。
2.4摇 秸秆黑炭及秸秆还田方式下土壤酶活性及土壤养
分的相关性
土壤脱氢酶能催化有机物质脱氢,起着氢的中间转化传递作用,其活性可作为微生物氧化还原系统的指
标;过氧化氢酶能酶促水解过氧化氢,其活性与土壤微生物及植物根系有关,可用来表征土壤的生化活性;脲
酶催化尿素水解成氨,可用来表征土壤的氮素状况;磷酸酶催化有机磷化合物矿化,其活性高低直接影响土壤
有机磷的分解转化[20]。 由表 4可知,土壤脱氢酶活性与土壤过氧化氢酶、脲酶、中性磷酸酶活性及土壤脲酶
与中性磷酸酶活性呈极显著正相关;土壤脲酶活性与有机碳、无机氮含量呈显著正相关,而土壤过氧化氢酶活
性与无机氮含量呈显著负相关;土壤有效磷、速效钾含量与土壤脱氢酶、过氧化氢酶、脲酶、中性磷酸酶没有呈
5725摇 15期 摇 摇 摇 冯爱青摇 等:秸秆及秸秆黑炭对小麦养分吸收及棕壤酶活性的影响 摇
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现显著相关性。
表 4摇 土壤酶活性及土壤养分的相关性分析
Table 4摇 The correlation analysis between soil enzyme activities and soil nutrient
项目
Item
脱氢酶
Dehydrogenase
过氧化氢酶
Catalase
脲酶
Urease
中性磷酸酶
Neutral
phosphatase
有机碳
Org. C
无机氮
Inorg. N
有效磷
Avail. P
速效钾
Avail. K
脱氢酶 Dehydrogenase 0.6205*** 0.6800*** 0.6433*** 0.1449 -0.0638 0.1580 -0.3463
过氧化氢酶 Catalase 0.2020 0.2146 0.1820 -0.4014* -0.1146 -0.2791
脲酶 Urease 0.5091** 0.4152* 0.3372* -0.0628 -0.1418
中性磷酸酶
Neutral phosphatase
-0.2344 0.3245 0.1071 -0.2063
摇 摇 Org. C:有机碳 Organic carbon; Inorg. N:无机氮 Inorganic nitrogen; Avail. P:有效磷 Available phosphorus; Avail. K:速效钾 Available potassium ;
n= 36;*,**和***分别表示差异达 5%,1%和 0.1%显著水平
3摇 讨论
试验结果显示:在施氮条件下,黑炭施加及秸秆还田处理较尿素处理籽粒分别显著增产 8.19%和8.77%;
在不施氮条件下,黑炭施加较秸秆还田及 CK 处理籽粒及秸秆均增产显著。 韩新忠等[20]研究表明秸秆还田
显著增加了土壤全氮及速效氮的含量、土壤脲酶及过氧化氢酶活性,最大增产率为 9.0%,陈心想等[14]研究发
现在新积土和塿土中添加黑炭显著增加了土壤有机碳、无机氮含量及新积土土壤有效磷和速效钾含量,新积
土糜子和塿土小麦增产显著。 尿素+黑炭及尿素+秸秆处理小麦植物体氮浓度增加,作物地上部分生物量也
增加,因而总吸收氮量也显著增加。 尿素+秸秆处理显著提高小麦地上部磷、钾的吸收累积量,但单施秸秆处
理由于氮素亏缺,影响了磷、钾的吸收。 施加黑炭虽然提高了磷、钾的吸收总量,但秸秆中磷的含量较低、钾的
含量较高。 可能是因为施加黑炭显著提高土壤氮、磷、钾含量,植株体对氮、钾的吸收速率大于对磷的吸收速
率[21],导致秸秆磷的浓度相对较低。 CK及 S处理秸秆中钾的含量较高是因为两处理土壤氮素供应不足,提
高钾的含量以促进植株体内氮素的运输、转化和利用[22]。
施加秸秆黑炭带入土壤有机碳含量为 3.1 g / kg,显著提高了土壤中有机碳的含量。 秸秆黑炭较秸秆已发
生结构上的变化,分解率较低,能够稳定的存在于土壤中,促进了土壤碳库的稳定[23]。 秸秆黑炭本身含有较
多的氮、磷、钾等养分,本试验中所添加的黑炭使土壤中 N、P、K分别提高 0.091,0.058 g / kg和 0.14 g / kg,施加
黑炭显著提高了土壤中铵态氮、硝态氮和速效钾含量。 U处理土壤中硝态氮含量在追施 50%氮肥后也呈上升
趋势,但其硝态氮含量显著低于 UB和 US处理,说明 UB 和 US 处理土壤中积累的硝态氮含量较高。 原因可
能是施加黑炭和秸秆能够改善土壤结构,减少养分流失,同时黑炭独特的表面特性使其对土壤水溶液中的
NH+4 鄄N、NO
-
3 鄄N、P、K等营养元素具有很强的吸附作用。 Laird 等[11]和花莉等[24]研究发现,添加黑炭能够显著
减少总 N和可溶性 P 的滤出量,保肥效果十分明显。 张静等[25]研究表明,秸秆还田后土壤微生物固定 C、N
能力增强。 施加黑炭及秸秆对有效磷含量的响应无效,原因可能是土壤有效磷背景值较高且磷素本身在土壤
中的移动能力较差。
本研究中,添加黑炭及秸秆还田显著提高了土壤脱氢酶和脲酶活性,秸秆还田显著提高了土壤过氧化氢
酶和中性磷酸酶活性。 因秸秆还田提高了土壤碳、氮比,为土壤微生物提供大量可利用的有机碳,促进了微生
物的繁殖[26]。 黑炭的孔隙结构容及对水肥吸附作用,给土壤微生物生长提供场所和养分[27]。 添加黑炭对土
壤过氧化氢酶和中性磷酸酶活性则表现出一定的抑制作用,这可能是因为黑炭 pH 值较高,添加黑炭改变了
土壤酸碱环境,抑制了土壤过氧化氢酶和中性磷酸酶活性的活性。 土壤酶之间相关性说明土壤酶在土壤中的
作用不仅具有专性,还表现为一定的共性;土壤酶与养分之间的相关性表明土壤酶可表征土壤肥力水平及土
壤养分转化的方向[28]。
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4摇 结论
秸秆及秸秆黑炭对小麦养分吸收利用及土壤酶活性具有显著影响。 无氮条件下,黑炭施加处理较秸秆及
空白处理增产 99.4%—77.7%;施氮条件下,黑炭及秸秆还田籽粒产量显著提高了 8.2%—8.8%。 施用黑炭显
著提高了小麦地上部氮、磷、钾吸收累积量,而秸秆还田仅在施氮条件下显著提高。 秸秆及秸秆黑炭施加氮素
利用率显著提高 21.4%—41.7%。 黑炭施加显著提高了土壤养分含量,秸秆还田仅显著提高土壤中 NO-3 鄄N含
量,两者对土壤有效磷含量无影响。 鉴于生物炭和秸秆还田对土壤性质和作物产量的长期效应,还需对其进
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