辣椒秸稈生物炭對酸化土壤交換性能及酶活性的影響

李貞霞，任秀娟，祁雪嬌，余小燕，王廣印

(河南科技學(xué)院 園藝園林學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453003)

目前，酸性土壤占全世界耕地土壤的40%，在中國酸性土壤的分布遍及14個省區(qū)，總面積達(dá)2 030萬km2，約占全國耕地面積的21%[1-3]。近幾十年來，各種人為活動顯著地加速了土壤酸化[4-5]。土壤酸化會造成土壤養(yǎng)分利用效率降低、土壤有害物質(zhì)增多，嚴(yán)重影響土壤性質(zhì)和土壤微生物活性[6]。施用石灰是改良酸性土壤、提高作物產(chǎn)量的主要途徑[7]。近期的研究表明，農(nóng)作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物直接施入農(nóng)田也可改良土壤酸度[8-9]，但改良效果因植物材料不同而異，且易被土壤微生物分解，造成改良效果不持久。農(nóng)作物秸稈經(jīng)高溫厭氧熱解可以制成生物炭，生物炭是一種具有高度芳香化及富含碳素的多孔固體顆粒物質(zhì)。關(guān)于生物炭對酸化土壤的影響也有報道[10-12]，但關(guān)于生物炭對酸化土壤離子交換性能與土壤酶活性變化的研究還很少。

辣椒(CapsicumannuumL.)是中國重要的蔬菜作物，年種植面積超過130萬hm2，產(chǎn)值和效益居蔬菜作物之首[13]，其生產(chǎn)伴生的大量秸稈己成為蔬菜廢棄物的重要來源之一，如何綠色環(huán)保的利用辣椒秸稈已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)廢棄物資源利用上的一個重要課題。畢金華等[14]根據(jù)辣椒秸稈高含水率的特點(diǎn)研究其厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣潛力，弭寶彬等[13]利用辣椒秸稈豐富的含氧官能團(tuán)研究其對重金屬鉻的吸附行為及機(jī)制，陸相龍[15]利用辣椒秸稈豐富的營養(yǎng)成分和辣椒素含量研究其對飼喂產(chǎn)蛋雞的效果；但在辣椒生產(chǎn)中還有大量辣椒秸稈廢棄物未得到有效利用[16]，因此本研究比較添加不同量的辣椒秸稈生物炭后酸化土壤離子交換性能與土壤酶活性的變化，探討其對酸化土壤理化性質(zhì)及土壤酶活性的影響，以期為改善土壤酸度、提高土壤肥力及拓寬辣椒秸稈廢棄物利用途徑提供有益的探索。

1 材料與方法

1.1 土壤材料

土樣采自河南省信陽市平橋區(qū)平橋鎮(zhèn)(N32°06′，E114°07′)一個百年老茶園，屬黃棕壤，采用“S”型多點(diǎn)混合取樣法，采自土表0～20 cm的土層，土壤樣品從茶園取回后按常規(guī)方法處理，剔除植物根系和石塊等，充分混合后用四分法留取，土樣自然風(fēng)干后，過2 mm篩，備用，土樣pH 4.1，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)14.48 g·kg-1，全氮1.62 g·kg-1，全磷1.57 g·kg-1，全鉀12.18 g·kg-1。

1.2 辣椒秸稈生物炭

辣椒莖桿采集于河南省新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院辣椒課題組，將辣椒莖桿除去葉片后室溫自然風(fēng)干，用粉碎機(jī)粉碎，過1 mm篩，過篩后分別裝入50 mL 的陶瓷坩堝中，裝滿后壓實(shí)，加蓋后置馬弗爐于500 ℃下進(jìn)行厭氧熱解，升溫速率20 ℃·min-1，熱解過程持續(xù)4 h，制成辣椒秸稈生物炭，待自然冷卻后取出，備用。辣椒秸稈生物炭主要成分采用Optima 2100pv電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(美國PE儀器有限公司)測定；pH按炭∶水為1∶5(質(zhì)量比)攪拌，過濾測定；火焰光度法測定全磷；灰化堿測定采用返滴定法[17]。辣椒秸稈生物炭的主要成分與化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 辣椒秸稈生物炭的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of chili straw biochar

1.3 土壤培養(yǎng)

稱取200 g風(fēng)干土，分別以0、0.5%、1.5%和2.5% 的比例加入辣椒秸稈生物炭；將充分混合均勻的土放入一次性塑料杯中，向杯內(nèi)添加去離子水，使土壤中的含水量達(dá)到田間持水量的70%，以稱量法保持持水量，用保鮮膜將其口封住，保鮮膜的中間要留一個小孔，以便氣體交換；將塑料杯放到25 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每隔 2～3 d 觀察并補(bǔ)充水分。本試驗(yàn)測定培養(yǎng)第5、10、20、30、40、50、60天 7個不同時間段的土壤，培養(yǎng)后將土壤放在室內(nèi)自然風(fēng)干，備用。

1.4 土壤性質(zhì)測定

土壤pH采用1∶2.5土水比測定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤全氮采用開氏法測定；土壤全磷采用硫酸高氯酸消煮比色法測定；土壤全鉀采用NaOH提取火焰光度法測定；土壤交換性H+和Al3+用1 mol·L-1KCl滴定法測定；交換性K+、Na+用1 mol·L-1乙酸銨交換法處理土壤獲取浸出液，用火焰光度計測定；交換性Ca2+、Mg2+用EDTA絡(luò)合滴定法測定；土壤中銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法測定；土壤陽離子交換量(Cation exchange capacty,簡稱CEC)的計算由土壤中交換性H+、Al3+、Na+、Ca2+和Mg2+各離子含量之和而得。以上項目的測定主要參考鮑士旦[18]的方法；土壤硝態(tài)氮用紫外分光光度計法測定[19]。

1.5 土壤酶活性測定

土壤酶活性分析采用關(guān)松蔭等[20]的方法：土壤脲酶采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法，土壤酸性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法，土壤蔗糖酶采用3,5- 二硝基水楊酸比色法，過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法，土壤蛋白酶采用茚三酮比色法。

目前，人們用酶活的幾何平均數(shù)(GMea)作為評價土壤質(zhì)量的指數(shù)[21-22]。一般來說,GMea價值越高,土壤質(zhì)量就越好。GMea的計算方法為：GMea=(Ura×Pho×Suc×Pro×Cat)1/5。

1.6 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并制作折線圖，采用DPS 7.55軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析與回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 辣椒秸稈生物炭對土壤pH及交換性酸的影響

辣椒秸稈生物炭對土壤pH的影響見圖1。由圖1可知，辣椒秸稈生物炭能顯著提高酸化土壤pH；土壤pH與辣椒秸稈生物炭的添加量呈顯著正相關(guān)(r=0.967 4，P<0.05)。培養(yǎng)60 d后，添加量為0.5%、1.5%和2.5%的土壤pH分別升高7.56%、30.73%和36.83%。

辣椒秸稈生物炭對土壤交換性H+的影響見圖2。由圖2可知，各處理交換性H+都呈下降趨勢，培養(yǎng)60 d后，添加量為0、0.5%的交換性H+的變化趨向一致，添加量為1.5%和2.5%的交換性H+的變化趨向一致；回歸分析表明土壤交換性H+與辣椒秸稈生物炭添加量之間差異不顯著(P>0.05)。

辣椒秸稈生物炭對土壤交換性Al3+的影響見圖3。由圖3可知，土壤交換性Al3+隨培養(yǎng)時間的延長而下降；添加辣椒秸稈生物炭處理交換性Al3+顯著低于未加炭處理；回歸分析表明土壤交換性Al3+與辣椒秸稈生物炭添加量之間呈顯著負(fù)相關(guān)(r=0.952 1，P<0.05)。

圖1 土壤pH隨培養(yǎng)時間的變化Fig.1 Changing trends of soil pH with incubation time

圖2 土壤交換性H+隨培養(yǎng)時間的變化Fig.2 Changing trends of soil exchangeable H+ with incubation time

圖3 土壤可交換性Al3+隨培養(yǎng)時間的變化Fig.3 Changing trends of soil exchangeable Al3+ with incubation time

2.2 辣椒秸稈生物炭對土壤和的影響

圖4 土壤隨培養(yǎng)時間的變化Fig.4 Changing trends of soil

圖5 土壤隨培養(yǎng)時間的變化Fig.5 Changing trends of soil with incubation time

2.3 辣椒秸稈生物炭對土壤交換性能的影響

添加辣椒秸稈生物炭對土壤交換性能的影響見表2。由表2可知，土壤交換性Na+在添加量為0和0.5%之間差異不顯著，添加量為1.5%和2.5%之間交換性Na+差異顯著；交換性K+隨著辣椒秸稈生物炭添加量的增加而增大，添加辣椒秸稈生物炭各處理土壤交換性K+顯著高于對照。土壤交換性Na+與辣椒秸稈生物炭添加量之間呈顯著正相關(guān)(r=0.961 6，P<0.05)；交換性K+與辣椒秸稈生物炭添加量之間呈極顯著正相關(guān)(r=0.997 5，P<0.01)。

交換性Ca2+在添加量為0、0.5%之間差異不顯著，添加量為1.5%和2.5%之間交換性Ca2+差異顯著；交換性Mg2+在添加量為0、0.5%和1.5%之間差異不顯著，添加量為2.5%交換性Mg2+顯著高于其他處理；交換性Ca2+和Mg2+與辣椒秸稈生物炭添加量之間相關(guān)性不顯著。

總鹽基離子、土壤CEC變化趨勢與交換性Na+相同，其與辣椒秸稈生物炭添加量之間呈顯著正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別為r=0.980 3和r=0.984 4，P<0.05。

表2 辣椒秸稈生物炭對土壤可交換性鹽基離子的影響Table 2 Effect of chili straw biochar for soil exchangeable base cations

注：同列不同小寫字母表示在0.05水平的差異顯著性，下同。

Note:The different lowercase letters in same column data indicate significant difference at 0.05 level，the same below.

從上述可見，添加辣椒秸稈生物炭可以影響土壤交換性能的多個因素，而這些因素間可能存在多重共線性，特別是各因子間存在高度依賴關(guān)系時，都會影響到其與辣椒秸稈生物炭添加量的關(guān)系，為此又做了逐步線性回歸分析；逐步線性回歸分析能從大量可供選擇的變量中選出對建立回歸方程重要的變量，逐步剔除不顯著的變量，最終獲得最優(yōu)方程。各因素對辣椒秸稈生物炭添加量的逐步線性回歸分析結(jié)果表明，添加辣椒秸稈生物炭直接影響土壤交換性K+及土壤總鹽基離子，其回歸方程為y= 0.014 5+0.008 9x1-0.001 1x2，P=0.015(P<0.05)，x1為交換性K+，x2為總鹽基離子，y為辣椒秸稈生物炭添加量。

2.4 辣椒秸稈生物炭對土壤酶活性的影響

由表3可知，培養(yǎng)60 d后各處理土壤酶活性差異很大。土壤脲酶活性在辣椒秸稈生物炭添加量為2.5%時顯著高于其他處理；辣椒秸稈生物炭添加量為0和0.5%之間差異不顯著；土壤蔗糖酶活性與土壤脲酶活性變化一致；相關(guān)分析表明土壤脲酶與辣椒秸稈生物炭添加量呈顯著正相關(guān)(r= 0.950 6，P<0.05)，土壤蔗糖酶與辣椒秸稈生物炭添加量呈極顯著正相關(guān)(r=0.991 6，P<0.01)。

土壤酸性磷酸酶活性在辣椒秸稈生物炭添加量為0.5%時最高，1.5%時最低；土壤蛋白酶活性在辣椒秸稈生物炭添加量為0.5%時顯著高于其他處理；添加辣椒秸稈生物炭的各處理過氧化氫酶活性都顯著高于對照，辣椒秸稈生物炭添加量為2.5%時過氧化氫酶活性最高；但土壤酸性磷酸酶、蛋白酶、過氧化氫酶與辣椒秸稈生物炭添加量之間相關(guān)性不顯著。

表3 辣椒秸稈生物炭對土壤酶活性的影響Table 3 Effect of chili straw biochar on soil enzyme

土壤酶的幾何平均數(shù)(GMea)隨培養(yǎng)時間的變化趨勢見圖6。由圖6可知，辣椒秸稈生物炭添加量為0和0.5%的2個處理變化趨勢一致，差異不顯著；辣椒秸稈生物炭添加量為1.5%和2.5%的2個處理變化趨勢一致，差異不顯著；但辣椒秸稈生物炭添加量為1.5%和2.5%的GMea顯著高于辣椒秸稈生物炭添加量為0和0.5%的2個處理(P<0.01)。說明添加辣椒秸稈生物炭能夠提高GMea，其提高量與辣椒秸稈生物炭的添加量有關(guān)。

2.5 土壤酶活性變化的影響因素分析

圖6 GMea隨培養(yǎng)時間的變化Fig.6 Changing trends of GMea with incubation time

表4 土壤酶活性與各因素的逐步線性回歸分析Table 4 Linear stepwise regression analysis of each element and soil enzyme

3 討 論

添加辣椒秸稈生物炭顯著改善土壤中交換性Na+與交換性K+的含量；土壤中交換性Na+從無到有的改變可能與土壤pH變化有關(guān)；培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)束土壤交換性K+比交換性Na+提高了4.36倍，分析土壤交換性K+與辣椒秸稈生物炭中K元素關(guān)系發(fā)現(xiàn)，二者呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，說明交換性K+的變化主要受辣椒秸稈生物炭的影響。土壤中交換性Ca2+和Mg2+與辣椒秸稈生物炭中Ca和Mg元素關(guān)系不顯著(P>0.05)，說明土壤中交換性Ca2+和Mg2+主要受土壤環(huán)境因素的影響，也可能與辣椒秸稈生物炭中Ca、Mg元素含量低有關(guān)；總鹽基離子、土壤CEC與辣椒秸稈生物炭添加量之間呈顯著正相關(guān)；土壤CEC是土壤所含有的交換性陽離子的最大量，土壤CEC是影響土壤緩沖能力高低、評價土壤保水保肥能力、改良土壤和合理施肥的重要依據(jù)[28]；添加辣椒秸稈生物炭能提高酸化土壤緩沖能力及保水保肥能力。

4 結(jié) 論