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摘 要：為明确土壤酶活性对不同外源炭添加的响应，采用培养试验，分别添加0、1%、2%、3%、4%、5%土壤质量分数的秸秆和生物炭。结果表明：生物炭对土壤pH、全碳、全氮、速效磷、速效钾含量的提升作用大于秸秆添加，但未对速效氮含量产生显著影响。秸秆添加显著提高了土壤酸性磷酸酶（AP）、 β 葡萄糖苷酶（ β G）、纤维素水解酶（CBH）、 β N乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、过氧化物酶（PEO）活性（1%添加除外）。生物炭添加显著提高了 β G、CBH、PEO活性（1%添加除外）;低添加量（1%、2%）显著降低AP、NAG活性，高添加量（3%、4%、5%）显著提高AP、NAG活性。秸秆处理下AP、 β G、CBH、NAG、PEO活性分别为相同添加量生物炭的4.08～8.12、12.94～34.63、2.95～61.81、8.39～42.06、0.45～1.20倍。冗余分析发现，速效氮是影响土壤酶活性的关键因子。因此，秸秆添加更有利于土壤水解酶活性提升，而将秸秆制成生物炭添加更有利于土壤养分提升。
关键词：土壤酶活性;秸秆;生物炭;培养试验
中图分类号：S 153 文献标志码：A 文章编号：0253-2301（2021）07-0010-08
DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2021.07.002
Effects of the Addition of Straw and Biochar on the Activities of Soil Enzyme
WANG Miaofen1， LIANG Meimei1， YANG Qing1， GAO Ren1，2*
（1. College of Geographical Sciences， Fujian Normal University， Fuzhou， Fujian 350007， China;
2. National Demonstration Center for Experimental Geography Education，
Fujian Normal University， Fuzhou， Fujian 350007， China）
Abstract： In order to study the responses of soil enzyme activities to different exogenous carbon additions， the culture experiment was conducted by adding the straw and biochar whose mass fraction in soil was 0， 1%， 2%， 3%， 4% and 5%， respectively. The results showed that the promotion effect of the addition of biochar on soil pH， the contents of total carbon， total nitrogen， rapid available phosphorus， and rapid available potassium was greater than that with the addition of straw， but did not significantly affect the content of available nitrogen. The addition of straw significantly improved the activities of soil acid phosphatase （AP）， β glucosidase （ β G）， cellulolytic hydrolase （CBH）， β Nacetylaminoglucosidase （NAG） and peroxidase （PEO） （expect the addition rate of 1%）. The addition of biochar significantly increased the activities of β G， CBH and PEO （expect the addition rate of 1%）. The low addition amount （1% and 2%） significantly reduced the activities of AP and NAG， while the high addition amount （3%， 4% and 5%） significantly increased the activities of AP and NAG. The activities of AP， β G， CBH， NAG and PEO with the treatment of straw were respectively 4.08-8.12， 12.94-34.63， 2.95-61.81， 8.39-42.06 and 0.45-1.20 times of that treated with the same addition amount of biochar. The redundancy analysis showed that the available nitrogen was the main factor affecting the activities of soil enzyme. Therefore， the addition of straw was more beneficial to increase the activities of soil hydrolase， while the addition of biochar was more beneficial to increase the soil nutrients. Key words： Activities of soil enzyme; Straw; Biochar; Culture experiment
土壤酶主要来源于微生物，参与土壤的生物化学反应，能够反映土壤中各种生物化学过程的强度和方向[1]。秸秆是土壤微生物活动的有效能源，秸秆还田能够激发土壤酶与微生物活性，而相关土壤酶活性的提高又促进了秸秆在土壤中的分解过程[2]。土壤酶活性作为土壤物质代谢旺盛程度的重要指标，能够较全面地反映土壤肥力、质量与生态环境状况[3]。据统计我国每年产生秸秆9亿t，但利用率不到40%，大部分秸秆被直接遗弃或露天焚烧，造成严重环境污染和资源浪费[4]。秸秆还田是有效利用秸秆资源的重要途径，不仅可以减轻秸秆焚烧对生态环境的负面影响，还能够充分利用秸秆富含的碳、氮、磷及钾等营养元素提高土壤肥力、调节土壤微生物群落结构，是促进农业生产和生态环境可持续发展的有效途径[5]。邬石根[6]通过田间定位试验研究发现7.50 t·hm-2的水稻秸秆还田显著提高了土壤过氧化氢酶、蔗糖酶和脲酶活性。包建平等[7]通过9个月的试验发现10.20 t·hm-2的玉米秸秆添加到红壤中显著提高了 β 葡萄糖苷酶（ β G）活性，而對于 β N乙酰基氨基葡萄糖苷酶（NAG）、酸性磷酸酶（AP）活性无显著影响。Zhao等[8]研究表明2.25、4.50、9.00 t·hm-2的玉米秸秆粉碎还田后显著提高 β G、NAG活性。
生物炭是生物质在完全或部分缺氧条件下高温裂解形成的含碳丰富的物质，具有养分丰富、比表面积大、稳定性高等特点[9]。与秸秆直接还田相比，将其炭化为生物炭后施入土壤可以增加土壤碳固存，减少温室气体排放[10]，并且生物炭富含的营养元素能够较好地改善土壤肥力[9]，促进土壤微生物生长并对酶活性产生影响。侯建伟等[11]通过室内培养试验发现1%、2%、4%土壤质量分数的生物炭（水稻秸秆，500℃）添加改善了土壤生物环境，提高了土壤脲酶、蔗糖酶和中性磷酸酶活性，降低了土壤过氧化氢酶活性。Wang等[12]研究发现0.5%土壤质量分数生物炭（玉米秸秆，450℃）添加提高了土壤 β G、纤维素水解酶（CBH）、 α 葡萄糖苷酶活性，而1%生物炭添加反而抑制了上述酶活性。目前，有关施肥、氮沉降、耕作方式以及土地利用变化对土壤酶活性的影响研究已有大量报道，但在梯度添加量下，对比研究不同外源碳对土壤酶活性的影响相对较少。因此，本研究以易分解的秸秆和稳定难分解的生物炭作为外源碳，研究不同添加量秸秆及其制备的生物炭对土壤酶活性的影响，以期揭示土壤酶活性对于外源炭类型和添加量的响应特征，为土壤肥力的提高和生物质资源有效利用提供参考。
1 材料与方法
1.1 供试材料
供试土壤取自福建省福州市闽侯县福建师范大学旗山校区校园内的表层（0～15 cm）砂质土，剔除可见碎石及动植物残体，混匀后过2 mm筛。供试水稻秸秆采自福建省福州市仓山区吴凤村的水田，用蒸馏水洗净后置于70℃烘箱中烘至恒重，冷却后粉碎，混匀，过2 mm筛。供试生物炭由水稻秸秆制备，制备方法参照Hamer等[13]，称取部分水稻秸秆于瓷坩埚中，将瓷坩埚用锡箔纸包住，盖上坩埚盖后放入马弗炉，待温度达到450℃后计时燃烧2 h，冷却后取出。供试土壤pH 5.72，全碳含量3.76 g·kg-1，全氮含量0.46 g·kg-1，全磷含量0.39 g·kg-1，全钾含量6.70 g·kg-1，速效磷含量4.97 mg·kg-1，速效钾含量33.37 mg·kg-1。水稻秸秆pH 6.22，全碳含量377.90 g·kg-1，全氮含量9.50 g·kg-1，C/N 39.8;生物炭pH 9.30，全碳含量458.70 g·kg-1，全氮含量12.40 g·kg-1。
1.2 试验设计
试验设置11个处理：（1）对照土壤（CK）;（2）土壤+1%秸秆（RS1）;（3）土壤+2%秸秆（RS2）;（4）土壤+3%秸秆（RS3）;（5）土壤+4%秸秆（RS4）;（6）土壤+5%秸秆（RS5）;（7）土壤+1%生物炭（BC1）;（8）土壤+2%生物炭（BC2）;（9）土壤+3%生物炭（BC3）;（10）土壤+4%生物炭（BC4）;（11）土壤+5%生物炭（BC5）。每个处理重复4次。
称取40.00 g风干土，分别加入秸秆或生物炭（土壤质量分数0、1%、2%、3%、4%、5%），装入50 mL离心管后多次摇晃混匀，在离心管盖子中心钻一个直径约3.5 mm的通气口，通过称重法保持土壤质量含水量为25%，于25℃的培养箱中培养105 d。培养结束后，进行破坏性取样，测定土壤基本性质和土壤酶活性。
1.3 测定方法
pH使用上海雷磁PHS25便携式酸度计测定，水与土的比例为2.5∶1，水与秸秆或生物炭的比例为15∶1。全碳、全氮采用德国Elementar Vario EL Ⅲ碳氮元素分析仪测定。土壤速效氮采用碱解扩散法测定，速效磷采用盐酸氟化铵浸提钼锑抗比色法测定，速效钾采用醋酸铵浸提火焰光度法测定。
土壤酶活性测定使用美国SpectraMax M5多功能酶标仪，测定5种参与土壤碳、氮、磷循环相关的酶活性，包括酸性磷酸酶（AP）、 β 葡萄糖苷酶（ β G）、纤维素水解酶（CBH）、 β N乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、过氧化物酶（PEO）。具体测定方法参照文献[14]，分别用伞形酮（MUB）和L二羟苯丙氨酸（DOPA）作为底物标示水解酶、氧化酶活性，置于黑暗环境中20℃恒温培养4 h（水解酶）或18 h（氧化酶）后测定其荧光度（水解酶）或吸光度（氧化酶）。
1.4 数据处理
采用单因素方差分析（oneway ANOVA）分析不同处理间的差异显著性，事后检验采用最小显著差异法（LSD）。利用回归分析研究添加量和土壤速效养分的关系，利用皮尔森相关分析法（Pearson）研究土壤酶活性与土壤基本性质的相关性。利用Canoco 5软件进行冗余分析（RDA），研究影响土壤酶活性的主要因子。数据整理在Excel 2016中进行，除冗余分析外的数据分析均在SPSS 25.0中进行，图表绘制与输出软件为Origin 2018。 2 结果与分析
2.1 秸秆与生物炭添加下土壤基本性质的变化
与对照（CK）相比，秸秆与生物炭添加均显著提高了土壤pH、全碳、全氮、速效钾含量（ P <0.05），提高效应随着添加量增加而增强，并且生物炭添加的提高作用更大（表1）。除1%秸秆添加外，秸秆与生物炭添加均显著提高了速效磷含量（ P <0.05）。除1%秸秆添加外，秸秆添加均显著提高了土壤速效氮含量（ P <0.05），但生物炭添加未对速效氮含量产生显著影响（ P >0.05）。相同添加量之间生物炭添加对土壤pH、全碳、全氮、速效磷、速效钾含量的提升作用为秸秆添加的1.00～1.03、1.30～1.80、1.01～1.20、2.24～3.63、1.56～1.73倍。回归分析结果（图1）表明，秸秆处理的土壤速效氮、速效磷、速效钾含量均与添加量呈极显著线性关系（ P <0.01），生物炭处理的速效磷、速效钾含量亦与添加量呈极显著线性关系（ P <0.01）。
2.2 秸秆与生物炭添加下土壤酶活性的变化
由图2可知，秸秆与生物炭添加對土壤酶活性的影响存在差异。秸秆处理下，AP、 β G、CBH、NAG、PEO活性分别比对照（CK）提高了0.93～9.50、16.67～538.75、4.09～148.59、1.15～23.31、1.82～8.04倍。生物炭处理下， β G、CBH、PEO活性分别比对照（CK）提高0.37～27.15、1.00～2.09、0.18～12.39倍，并且提升作用随添加量递增;低添加量（1%、2%）显著降低AP、NAG活性（ P <0.05），高添加量（3%、4%、5%）显著提高AP、NAG活性（ P <0.05）。秸秆处理对4种水解酶活性的提升作用大于生物炭处理，秸秆处理下AP、 β G、CBH、NAG活性分别为相同添加量生物炭处理的4.08～8.12、12.94～34.63、2.95～61.81、8.39～42.06倍;秸秆处理对PEO活性的提升幅度与生物炭添加相近，为相同添加量生物炭处理的0.45～1.20倍。
2.3 土壤酶活性影响因子分析
由表2相关分析结果可知，4种土壤水解酶（AP、 β G、CBH、NAG）活性与速效氮极显著正相关（ P <0.01），与土壤pH显著正相关（ P <0.05）。氧化酶PEO活性与土壤基本性质指标（速效氮除外）均极显著正相关（ P <0.01），其中与速效钾含量相关性最高。此外， β G、NAG活性与全氮显著正相关（ P <0.05）。
冗余分析结果如图3所示，实心箭头代表土壤酶活性，空心箭头代表土壤基本性质因子。第一标准轴（RDA1）和第二标准轴（RDA2）分别解释土壤酶活性变量的95.95%和0.11%。各因子的贡献率用箭头长度表示，箭头越长则贡献率越大。结果显示，速效氮是土壤酶活性唯一的显著影响因子（ P <0.05），同时也是土壤酶活性的最大解释因子，解释了土壤酶活性95.0%的变异。
3 讨论
3.1 秸秆与生物炭添加对土壤基本性质的影响
秸秆中含有碳、氮、磷、钾等营养元素，在土壤中可通过分解作用释放[6];生物炭不仅养分含量高[9]，还可以通过改变土壤环境如pH、CEC等间接影响矿质养分的有效性[15]，因此秸秆和生物炭添加能够提高部分土壤养分含量。相同添加量下，生物炭对土壤基本性质的影响大于秸秆添加（速效氮除外），这主要是由于与秸秆相比，生物炭具有较高的pH和全碳、全氮、灰分含量，并且生物炭在土壤中稳定不易分解、存留时间长。研究认为秸秆添加对土壤速效磷含量的提升作用主要是由于AP活性增强，加速了土壤有机磷向无机磷的转化，从而提高速效磷含量[16];而生物炭添加提高土壤速效磷含量主要是由于生物炭的表面离子交换能力较强，通过提供表面负电荷或影响与磷结合的铁铝等元素，对速效磷含量产生显著影响[17]。生物炭添加未对土壤速效氮含量产生显著影响的原因可能是，生物炭添加提高土壤碳氮比，减少了氮素矿化量，造成土壤氮素稀释或者缺乏[18]。
3.2 秸秆与生物炭添加对土壤酶活性的影响
秸秆添加对土壤酶活性的提升作用主要为间接作用，即通过提供土壤细菌、真菌适宜生存的环境间接提高土壤酶活性[8]。一方面，秸秆经过分解作用为土壤提供可溶性养分[6]，促进土壤氮素的转化，从而促进土壤微生物的生长繁殖，分泌更多与土壤物质循环相关的酶[7];但较高碳氮比的秸秆添加也可能会导致土壤处于氮缺乏状况，迫使土壤微生物分泌更多的氮获得酶与植物竞争土壤氮[19]。另一方面，秸秆还为土壤微生物提供了栖息地和反应底物，对土壤微生物活性与结构产生影响，进而影响土壤酶活性[20]。
生物炭添加能够显著影响土壤酶活性，但与生物炭的来源、添加量以及土壤理化状况、培养时间关系密切[11]。本研究中生物炭添加提高了 β G、CBH、PEO活性（1%添加除外）;而低添加量（1%、2%）显著降低AP、NAG活性，高添加量（3%、4%、5%）显著提高AP、NAG活性。提高作用可能是由于生物炭对土壤酶活性具有保护作用[21]，并且生物炭可以提高土壤微生物的代谢速率以及对基质的利用率，促进土壤微生物的生长和繁殖[22]，从而促进土壤酶活性的提高。降低作用可能是由于生物炭含有的易分解组分少，在土壤中难以降解，无法长期作为可利用底物促进土壤微生物活性[7];并且由于生物炭自身具有的强吸附性能，能够吸附酶促反应底物，抑制酶促反应进行，进而降低部分土壤碳矿化相关的土壤酶活性[23]。由于生物炭组分、吸附特异性以及添加量的差异，土壤酶活性对生物炭添加的响应并非表现为单一的促进或抑制作用[24]。Prendergast等[25]认为生物炭添加对土壤酶活性的影响取决于添加后底物和酶的相互作用以及胞外酶对生物炭表面的粘连性。Elzobair等[26]研究发现生物炭添加对土壤酶活性的影响取决于土壤微生物对生物炭中有效养分的利用。 3.3 影响土壤酶活性的主要因子
本研究发现4种土壤水解酶活性与速效氮含量存在极显著正相关，速效氮是影响土壤酶活性的关键因子。这主要是由于除了间接影响外，氮素还能够对土壤酶活性产生更为重要的直接影响，即氮素作为一种生命元素，是构成土壤酶的重要组分[27]，因而氮素含量高低以及有效性能够对土壤酶活性产生直接影响。此外，氮素通过影响土壤微生物生态结构和功能、能量供应、进入土壤中的酶数量[27]，对土壤酶活性产生间接影响。在氮素含量较低的环境下，有效的氮素成为限制因子，速效氮为土壤微生物和水解酶生产活动提供能量的作用相比于其他因子更为突出[28]，故速效氮含量较高的土壤水解酶活性也较高。但值得注意的是，在不同土壤环境中，影响土壤酶活性的主要因子存在差异，例如有研究发现土壤全氮[29]、土壤溶解有机碳和溶解有机氮[30]、微生物生物量磷[31]是影响土壤酶活性的主要因子。各种土壤酶活性均有其最适的pH范围，pH通过影响土壤环境进而对土壤酶活性产生影响。一方面，pH可能通过改变土壤酶空间构象、土壤酶与土壤颗粒之间的结合状态影响土壤酶活性[32];另一方面，pH也可能通过改变微生物量与结构组成对土壤酶活性产生影响[33]。PEO活性与土壤速效钾含量相关性最高，这主要是由于PEO对含钾化合物的转化起主导作用[34]。Allison等[35]研究发现，土壤碳水解酶（ β G）、氮水解酶（NAG）和磷水解酶（AP）活性分别与土壤碳、氮、磷养分有效性呈负相关关系。而赵盼盼等[31]研究发现土壤碳、氮水解酶的活性与速效养分含量成正相关。本研究中NAG活性与土壤速效氮含量呈正相关，这可能是由于外源碳添加造成土壤处于氮缺乏状况，有效的氮素成为限制因子。
4 结论
秸秆和生物炭两种不同类型的外源碳添加对土壤基本性质和酶活性的影响存在差异。与秸秆相比，生物炭对土壤pH、全碳、全氮、速效磷、速效钾含量的提升作用更大，且添加量越高提升效果越明显。与生物炭相比，易分解的秸秆对土壤酸性磷酸酶（AP）、 β 葡萄糖苷酶（ β G）、纤维素水解酶（CBH）、 β N乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）活性的提升作用更大，对过氧化物酶（PEO）活性的提升幅度与生物炭添加相近，且不同添加量对土壤酶活性的影响程度存在差异。本研究发现，速效氮是影响土壤酶活性变化的关键因子。
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（责任编辑：柯文辉）
关键词：土壤酶活性;秸秆;生物炭;培养试验
中图分类号：S 153 文献标志码：A 文章编号：0253-2301（2021）07-0010-08
DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2021.07.002
Effects of the Addition of Straw and Biochar on the Activities of Soil Enzyme
WANG Miaofen1， LIANG Meimei1， YANG Qing1， GAO Ren1，2*
（1. College of Geographical Sciences， Fujian Normal University， Fuzhou， Fujian 350007， China;
2. National Demonstration Center for Experimental Geography Education，
Fujian Normal University， Fuzhou， Fujian 350007， China）
Abstract： In order to study the responses of soil enzyme activities to different exogenous carbon additions， the culture experiment was conducted by adding the straw and biochar whose mass fraction in soil was 0， 1%， 2%， 3%， 4% and 5%， respectively. The results showed that the promotion effect of the addition of biochar on soil pH， the contents of total carbon， total nitrogen， rapid available phosphorus， and rapid available potassium was greater than that with the addition of straw， but did not significantly affect the content of available nitrogen. The addition of straw significantly improved the activities of soil acid phosphatase （AP）， β glucosidase （ β G）， cellulolytic hydrolase （CBH）， β Nacetylaminoglucosidase （NAG） and peroxidase （PEO） （expect the addition rate of 1%）. The addition of biochar significantly increased the activities of β G， CBH and PEO （expect the addition rate of 1%）. The low addition amount （1% and 2%） significantly reduced the activities of AP and NAG， while the high addition amount （3%， 4% and 5%） significantly increased the activities of AP and NAG. The activities of AP， β G， CBH， NAG and PEO with the treatment of straw were respectively 4.08-8.12， 12.94-34.63， 2.95-61.81， 8.39-42.06 and 0.45-1.20 times of that treated with the same addition amount of biochar. The redundancy analysis showed that the available nitrogen was the main factor affecting the activities of soil enzyme. Therefore， the addition of straw was more beneficial to increase the activities of soil hydrolase， while the addition of biochar was more beneficial to increase the soil nutrients. Key words： Activities of soil enzyme; Straw; Biochar; Culture experiment
土壤酶主要来源于微生物，参与土壤的生物化学反应，能够反映土壤中各种生物化学过程的强度和方向[1]。秸秆是土壤微生物活动的有效能源，秸秆还田能够激发土壤酶与微生物活性，而相关土壤酶活性的提高又促进了秸秆在土壤中的分解过程[2]。土壤酶活性作为土壤物质代谢旺盛程度的重要指标，能够较全面地反映土壤肥力、质量与生态环境状况[3]。据统计我国每年产生秸秆9亿t，但利用率不到40%，大部分秸秆被直接遗弃或露天焚烧，造成严重环境污染和资源浪费[4]。秸秆还田是有效利用秸秆资源的重要途径，不仅可以减轻秸秆焚烧对生态环境的负面影响，还能够充分利用秸秆富含的碳、氮、磷及钾等营养元素提高土壤肥力、调节土壤微生物群落结构，是促进农业生产和生态环境可持续发展的有效途径[5]。邬石根[6]通过田间定位试验研究发现7.50 t·hm-2的水稻秸秆还田显著提高了土壤过氧化氢酶、蔗糖酶和脲酶活性。包建平等[7]通过9个月的试验发现10.20 t·hm-2的玉米秸秆添加到红壤中显著提高了 β 葡萄糖苷酶（ β G）活性，而對于 β N乙酰基氨基葡萄糖苷酶（NAG）、酸性磷酸酶（AP）活性无显著影响。Zhao等[8]研究表明2.25、4.50、9.00 t·hm-2的玉米秸秆粉碎还田后显著提高 β G、NAG活性。
生物炭是生物质在完全或部分缺氧条件下高温裂解形成的含碳丰富的物质，具有养分丰富、比表面积大、稳定性高等特点[9]。与秸秆直接还田相比，将其炭化为生物炭后施入土壤可以增加土壤碳固存，减少温室气体排放[10]，并且生物炭富含的营养元素能够较好地改善土壤肥力[9]，促进土壤微生物生长并对酶活性产生影响。侯建伟等[11]通过室内培养试验发现1%、2%、4%土壤质量分数的生物炭（水稻秸秆，500℃）添加改善了土壤生物环境，提高了土壤脲酶、蔗糖酶和中性磷酸酶活性，降低了土壤过氧化氢酶活性。Wang等[12]研究发现0.5%土壤质量分数生物炭（玉米秸秆，450℃）添加提高了土壤 β G、纤维素水解酶（CBH）、 α 葡萄糖苷酶活性，而1%生物炭添加反而抑制了上述酶活性。目前，有关施肥、氮沉降、耕作方式以及土地利用变化对土壤酶活性的影响研究已有大量报道，但在梯度添加量下，对比研究不同外源碳对土壤酶活性的影响相对较少。因此，本研究以易分解的秸秆和稳定难分解的生物炭作为外源碳，研究不同添加量秸秆及其制备的生物炭对土壤酶活性的影响，以期揭示土壤酶活性对于外源炭类型和添加量的响应特征，为土壤肥力的提高和生物质资源有效利用提供参考。
1 材料与方法
1.1 供试材料
供试土壤取自福建省福州市闽侯县福建师范大学旗山校区校园内的表层（0～15 cm）砂质土，剔除可见碎石及动植物残体，混匀后过2 mm筛。供试水稻秸秆采自福建省福州市仓山区吴凤村的水田，用蒸馏水洗净后置于70℃烘箱中烘至恒重，冷却后粉碎，混匀，过2 mm筛。供试生物炭由水稻秸秆制备，制备方法参照Hamer等[13]，称取部分水稻秸秆于瓷坩埚中，将瓷坩埚用锡箔纸包住，盖上坩埚盖后放入马弗炉，待温度达到450℃后计时燃烧2 h，冷却后取出。供试土壤pH 5.72，全碳含量3.76 g·kg-1，全氮含量0.46 g·kg-1，全磷含量0.39 g·kg-1，全钾含量6.70 g·kg-1，速效磷含量4.97 mg·kg-1，速效钾含量33.37 mg·kg-1。水稻秸秆pH 6.22，全碳含量377.90 g·kg-1，全氮含量9.50 g·kg-1，C/N 39.8;生物炭pH 9.30，全碳含量458.70 g·kg-1，全氮含量12.40 g·kg-1。
1.2 试验设计
试验设置11个处理：（1）对照土壤（CK）;（2）土壤+1%秸秆（RS1）;（3）土壤+2%秸秆（RS2）;（4）土壤+3%秸秆（RS3）;（5）土壤+4%秸秆（RS4）;（6）土壤+5%秸秆（RS5）;（7）土壤+1%生物炭（BC1）;（8）土壤+2%生物炭（BC2）;（9）土壤+3%生物炭（BC3）;（10）土壤+4%生物炭（BC4）;（11）土壤+5%生物炭（BC5）。每个处理重复4次。
称取40.00 g风干土，分别加入秸秆或生物炭（土壤质量分数0、1%、2%、3%、4%、5%），装入50 mL离心管后多次摇晃混匀，在离心管盖子中心钻一个直径约3.5 mm的通气口，通过称重法保持土壤质量含水量为25%，于25℃的培养箱中培养105 d。培养结束后，进行破坏性取样，测定土壤基本性质和土壤酶活性。
1.3 测定方法
pH使用上海雷磁PHS25便携式酸度计测定，水与土的比例为2.5∶1，水与秸秆或生物炭的比例为15∶1。全碳、全氮采用德国Elementar Vario EL Ⅲ碳氮元素分析仪测定。土壤速效氮采用碱解扩散法测定，速效磷采用盐酸氟化铵浸提钼锑抗比色法测定，速效钾采用醋酸铵浸提火焰光度法测定。
土壤酶活性测定使用美国SpectraMax M5多功能酶标仪，测定5种参与土壤碳、氮、磷循环相关的酶活性，包括酸性磷酸酶（AP）、 β 葡萄糖苷酶（ β G）、纤维素水解酶（CBH）、 β N乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、过氧化物酶（PEO）。具体测定方法参照文献[14]，分别用伞形酮（MUB）和L二羟苯丙氨酸（DOPA）作为底物标示水解酶、氧化酶活性，置于黑暗环境中20℃恒温培养4 h（水解酶）或18 h（氧化酶）后测定其荧光度（水解酶）或吸光度（氧化酶）。
1.4 数据处理
采用单因素方差分析（oneway ANOVA）分析不同处理间的差异显著性，事后检验采用最小显著差异法（LSD）。利用回归分析研究添加量和土壤速效养分的关系，利用皮尔森相关分析法（Pearson）研究土壤酶活性与土壤基本性质的相关性。利用Canoco 5软件进行冗余分析（RDA），研究影响土壤酶活性的主要因子。数据整理在Excel 2016中进行，除冗余分析外的数据分析均在SPSS 25.0中进行，图表绘制与输出软件为Origin 2018。 2 结果与分析
2.1 秸秆与生物炭添加下土壤基本性质的变化
与对照（CK）相比，秸秆与生物炭添加均显著提高了土壤pH、全碳、全氮、速效钾含量（ P <0.05），提高效应随着添加量增加而增强，并且生物炭添加的提高作用更大（表1）。除1%秸秆添加外，秸秆与生物炭添加均显著提高了速效磷含量（ P <0.05）。除1%秸秆添加外，秸秆添加均显著提高了土壤速效氮含量（ P <0.05），但生物炭添加未对速效氮含量产生显著影响（ P >0.05）。相同添加量之间生物炭添加对土壤pH、全碳、全氮、速效磷、速效钾含量的提升作用为秸秆添加的1.00～1.03、1.30～1.80、1.01～1.20、2.24～3.63、1.56～1.73倍。回归分析结果（图1）表明，秸秆处理的土壤速效氮、速效磷、速效钾含量均与添加量呈极显著线性关系（ P <0.01），生物炭处理的速效磷、速效钾含量亦与添加量呈极显著线性关系（ P <0.01）。
2.2 秸秆与生物炭添加下土壤酶活性的变化
由图2可知，秸秆与生物炭添加對土壤酶活性的影响存在差异。秸秆处理下，AP、 β G、CBH、NAG、PEO活性分别比对照（CK）提高了0.93～9.50、16.67～538.75、4.09～148.59、1.15～23.31、1.82～8.04倍。生物炭处理下， β G、CBH、PEO活性分别比对照（CK）提高0.37～27.15、1.00～2.09、0.18～12.39倍，并且提升作用随添加量递增;低添加量（1%、2%）显著降低AP、NAG活性（ P <0.05），高添加量（3%、4%、5%）显著提高AP、NAG活性（ P <0.05）。秸秆处理对4种水解酶活性的提升作用大于生物炭处理，秸秆处理下AP、 β G、CBH、NAG活性分别为相同添加量生物炭处理的4.08～8.12、12.94～34.63、2.95～61.81、8.39～42.06倍;秸秆处理对PEO活性的提升幅度与生物炭添加相近，为相同添加量生物炭处理的0.45～1.20倍。
2.3 土壤酶活性影响因子分析
由表2相关分析结果可知，4种土壤水解酶（AP、 β G、CBH、NAG）活性与速效氮极显著正相关（ P <0.01），与土壤pH显著正相关（ P <0.05）。氧化酶PEO活性与土壤基本性质指标（速效氮除外）均极显著正相关（ P <0.01），其中与速效钾含量相关性最高。此外， β G、NAG活性与全氮显著正相关（ P <0.05）。
冗余分析结果如图3所示，实心箭头代表土壤酶活性，空心箭头代表土壤基本性质因子。第一标准轴（RDA1）和第二标准轴（RDA2）分别解释土壤酶活性变量的95.95%和0.11%。各因子的贡献率用箭头长度表示，箭头越长则贡献率越大。结果显示，速效氮是土壤酶活性唯一的显著影响因子（ P <0.05），同时也是土壤酶活性的最大解释因子，解释了土壤酶活性95.0%的变异。
3 讨论
3.1 秸秆与生物炭添加对土壤基本性质的影响
秸秆中含有碳、氮、磷、钾等营养元素，在土壤中可通过分解作用释放[6];生物炭不仅养分含量高[9]，还可以通过改变土壤环境如pH、CEC等间接影响矿质养分的有效性[15]，因此秸秆和生物炭添加能够提高部分土壤养分含量。相同添加量下，生物炭对土壤基本性质的影响大于秸秆添加（速效氮除外），这主要是由于与秸秆相比，生物炭具有较高的pH和全碳、全氮、灰分含量，并且生物炭在土壤中稳定不易分解、存留时间长。研究认为秸秆添加对土壤速效磷含量的提升作用主要是由于AP活性增强，加速了土壤有机磷向无机磷的转化，从而提高速效磷含量[16];而生物炭添加提高土壤速效磷含量主要是由于生物炭的表面离子交换能力较强，通过提供表面负电荷或影响与磷结合的铁铝等元素，对速效磷含量产生显著影响[17]。生物炭添加未对土壤速效氮含量产生显著影响的原因可能是，生物炭添加提高土壤碳氮比，减少了氮素矿化量，造成土壤氮素稀释或者缺乏[18]。
3.2 秸秆与生物炭添加对土壤酶活性的影响
秸秆添加对土壤酶活性的提升作用主要为间接作用，即通过提供土壤细菌、真菌适宜生存的环境间接提高土壤酶活性[8]。一方面，秸秆经过分解作用为土壤提供可溶性养分[6]，促进土壤氮素的转化，从而促进土壤微生物的生长繁殖，分泌更多与土壤物质循环相关的酶[7];但较高碳氮比的秸秆添加也可能会导致土壤处于氮缺乏状况，迫使土壤微生物分泌更多的氮获得酶与植物竞争土壤氮[19]。另一方面，秸秆还为土壤微生物提供了栖息地和反应底物，对土壤微生物活性与结构产生影响，进而影响土壤酶活性[20]。
生物炭添加能够显著影响土壤酶活性，但与生物炭的来源、添加量以及土壤理化状况、培养时间关系密切[11]。本研究中生物炭添加提高了 β G、CBH、PEO活性（1%添加除外）;而低添加量（1%、2%）显著降低AP、NAG活性，高添加量（3%、4%、5%）显著提高AP、NAG活性。提高作用可能是由于生物炭对土壤酶活性具有保护作用[21]，并且生物炭可以提高土壤微生物的代谢速率以及对基质的利用率，促进土壤微生物的生长和繁殖[22]，从而促进土壤酶活性的提高。降低作用可能是由于生物炭含有的易分解组分少，在土壤中难以降解，无法长期作为可利用底物促进土壤微生物活性[7];并且由于生物炭自身具有的强吸附性能，能够吸附酶促反应底物，抑制酶促反应进行，进而降低部分土壤碳矿化相关的土壤酶活性[23]。由于生物炭组分、吸附特异性以及添加量的差异，土壤酶活性对生物炭添加的响应并非表现为单一的促进或抑制作用[24]。Prendergast等[25]认为生物炭添加对土壤酶活性的影响取决于添加后底物和酶的相互作用以及胞外酶对生物炭表面的粘连性。Elzobair等[26]研究发现生物炭添加对土壤酶活性的影响取决于土壤微生物对生物炭中有效养分的利用。 3.3 影响土壤酶活性的主要因子
本研究发现4种土壤水解酶活性与速效氮含量存在极显著正相关，速效氮是影响土壤酶活性的关键因子。这主要是由于除了间接影响外，氮素还能够对土壤酶活性产生更为重要的直接影响，即氮素作为一种生命元素，是构成土壤酶的重要组分[27]，因而氮素含量高低以及有效性能够对土壤酶活性产生直接影响。此外，氮素通过影响土壤微生物生态结构和功能、能量供应、进入土壤中的酶数量[27]，对土壤酶活性产生间接影响。在氮素含量较低的环境下，有效的氮素成为限制因子，速效氮为土壤微生物和水解酶生产活动提供能量的作用相比于其他因子更为突出[28]，故速效氮含量较高的土壤水解酶活性也较高。但值得注意的是，在不同土壤环境中，影响土壤酶活性的主要因子存在差异，例如有研究发现土壤全氮[29]、土壤溶解有机碳和溶解有机氮[30]、微生物生物量磷[31]是影响土壤酶活性的主要因子。各种土壤酶活性均有其最适的pH范围，pH通过影响土壤环境进而对土壤酶活性产生影响。一方面，pH可能通过改变土壤酶空间构象、土壤酶与土壤颗粒之间的结合状态影响土壤酶活性[32];另一方面，pH也可能通过改变微生物量与结构组成对土壤酶活性产生影响[33]。PEO活性与土壤速效钾含量相关性最高，这主要是由于PEO对含钾化合物的转化起主导作用[34]。Allison等[35]研究发现，土壤碳水解酶（ β G）、氮水解酶（NAG）和磷水解酶（AP）活性分别与土壤碳、氮、磷养分有效性呈负相关关系。而赵盼盼等[31]研究发现土壤碳、氮水解酶的活性与速效养分含量成正相关。本研究中NAG活性与土壤速效氮含量呈正相关，这可能是由于外源碳添加造成土壤处于氮缺乏状况，有效的氮素成为限制因子。
4 结论
秸秆和生物炭两种不同类型的外源碳添加对土壤基本性质和酶活性的影响存在差异。与秸秆相比，生物炭对土壤pH、全碳、全氮、速效磷、速效钾含量的提升作用更大，且添加量越高提升效果越明显。与生物炭相比，易分解的秸秆对土壤酸性磷酸酶（AP）、 β 葡萄糖苷酶（ β G）、纤维素水解酶（CBH）、 β N乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）活性的提升作用更大，对过氧化物酶（PEO）活性的提升幅度与生物炭添加相近，且不同添加量对土壤酶活性的影响程度存在差异。本研究发现，速效氮是影响土壤酶活性变化的关键因子。
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（责任编辑：柯文辉）