生物質(zhì)炭還田利用對(duì)土壤酶活性影響研究現(xiàn)狀

熊佰煉，譚必勇

（遵義師范學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，貴州遵義563006）

生物質(zhì)炭還田利用對(duì)土壤酶活性影響研究現(xiàn)狀

熊佰煉，譚必勇

（遵義師范學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，貴州遵義563006）

對(duì)近年來國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)炭農(nóng)田利用對(duì)土壤酶活性影響的研究進(jìn)行了分析和綜述。首先，運(yùn)用Web of Science和CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)的論文搜索功能，對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)生物質(zhì)炭影響土壤酶活性的研究論文發(fā)表情況進(jìn)行了分析；隨后，對(duì)生物質(zhì)炭影響土壤酶活性的研究測(cè)定方法進(jìn)行了分析評(píng)述；接著，重點(diǎn)介紹了生物質(zhì)炭對(duì)土壤中與N和P利用相關(guān)的酶、土壤有機(jī)碳礦化過程有關(guān)的酶、氧化還原酶和水解酶活性的影響，分析了土壤酶活性受生物質(zhì)炭影響的機(jī)理；最后，對(duì)今后的研究重點(diǎn)和方向進(jìn)行了展望。

生物質(zhì)炭；農(nóng)田環(huán)境；土壤；酶

隨著我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量逐年攀升，作物秸稈數(shù)量也不斷擴(kuò)大。據(jù)估算，2012年我國(guó)作物秸稈資源總量和可收集利用的秸稈資源量分別為8.486×108t和6.406×108t[1]。農(nóng)作物秸稈還田利用，可增加土壤碳輸入，遏制土壤退化，是改良農(nóng)田土壤的優(yōu)質(zhì)資源。然而，我國(guó)秸稈還田量還不到20%，其中約有40%的秸稈被露天焚燒，造成巨大的資源浪費(fèi)和嚴(yán)重的環(huán)境污染[2,3]。生物質(zhì)炭是指由富含碳的生物質(zhì)（主要是農(nóng)作物秸稈）在250～750℃限氧條件下發(fā)生熱裂解生成的一種具有高度芳香化、富含碳素和植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的疏松多孔固體顆粒物質(zhì)。秸稈炭化成生物質(zhì)炭還田利用，可為土壤保存穩(wěn)定態(tài)的碳，減少CO2排放，使植物營(yíng)養(yǎng)元素得到循環(huán)，同時(shí)將農(nóng)藥和抗生素等有害物質(zhì)去除[2]，已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)秸稈資源化高效利用和銜接農(nóng)業(yè)循環(huán)鏈條首尾兩端的重要途徑。

2007～2010年，陸續(xù)有學(xué)者在Nature、NatureReportsClimateChange和NatureCommunications上刊文，論述生物質(zhì)炭（Biochar）在培肥、改良土壤及土壤固碳減排方面的應(yīng)用前景[4-6]。隨后，生物質(zhì)炭的土壤環(huán)境效應(yīng)研究進(jìn)入快速發(fā)展階段。土壤酶(soilenzyme)來源于土壤微生物和動(dòng)植物活體分泌，是土壤生態(tài)系統(tǒng)能量和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化反應(yīng)的重要催化劑。土壤酶對(duì)外界因素造成的環(huán)境變化十分敏感，可作為預(yù)警土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的重要生物指標(biāo)[7]。生物質(zhì)炭的輸入勢(shì)必影響土壤酶活性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此也開展了一定的研究，但相關(guān)綜述類文章目前還未見報(bào)道。本文先對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)生物質(zhì)炭影響土壤酶活性的研究論文發(fā)表情況進(jìn)行了分析；隨后，對(duì)生物質(zhì)炭影響土壤酶活性的研究測(cè)定方法、生物質(zhì)炭添加對(duì)各類土壤酶活性的影響和生物質(zhì)炭影響土壤活性的機(jī)理進(jìn)行了分析評(píng)述；最后，對(duì)未來生物質(zhì)炭影響土壤活性研究的重點(diǎn)和方向進(jìn)行了展望，以供后續(xù)相關(guān)研究參考。

1 國(guó)內(nèi)外有關(guān)生物質(zhì)炭影響土壤酶活性的研究論文發(fā)表情況

在Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中以Biochar和Soil為主題詞檢索，截止2016年底，共檢索到有關(guān)生物質(zhì)炭土壤環(huán)境效應(yīng)的論文2444篇，其中涉及生物質(zhì)炭對(duì)土壤酶影響的研究論文有102篇，占檢索論文總量的4.1%。在CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中以“‘生物質(zhì)炭’并含‘土壤’或‘生物炭’并含‘土壤’”為主題詞檢索，截止2016年底，共檢索到論文831篇（不含碩、博士學(xué)位論文），其中關(guān)于生物質(zhì)炭對(duì)土壤酶影響的論文62篇，占檢索論文總量的7.5%。從上述數(shù)據(jù)可以看出，中外研究者尚未將生物質(zhì)炭對(duì)土壤酶的影響作為研究的重點(diǎn)。

2 生物質(zhì)炭對(duì)土壤酶活性影響的研究測(cè)定方法

土壤酶包括胞內(nèi)酶和胞外酶兩種，可存在于非增殖的活細(xì)胞、土壤有機(jī)體、死細(xì)胞、土壤溶液中和吸附在土壤固體上[8]。由于存在形式復(fù)雜，加上對(duì)環(huán)境條件的變化十分敏感，土壤酶活性不是直接提取測(cè)定，而是通過測(cè)定一定量底物在酶催化反應(yīng)過程中的生成物或剩余物量來實(shí)現(xiàn)。測(cè)量土壤酶活性的傳統(tǒng)方法為分光光度法。英國(guó)學(xué)者Freeman于20世紀(jì)90年代開始運(yùn)用熒光分析法測(cè)定土壤中酶的活性，其原理為以酶底物作為熒光探針，通過檢測(cè)催化作用前后底物的熒光信號(hào)變化來反映酶的活性[9]。Bailey等[10]對(duì)比研究了分光光度法和熒光分析法測(cè)定生物質(zhì)炭對(duì)土壤中酶活性的影響。在熒光分析得出的結(jié)果中，生物質(zhì)炭對(duì)不同類型土壤中同一種酶活性的影響差異可能較大。例如，將2%的生物質(zhì)炭加入美國(guó)昆西地區(qū)采集的砂土（Quincysoil）中，培養(yǎng)7d后土壤中葡萄糖苷酶（glucosidase）活性增加，而在美國(guó)帕盧斯地區(qū)采集的粉質(zhì)壤土（Palouse silt loam）中該酶的活性降低。但是，在同一組實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用分光光度法測(cè)定出來的結(jié)果，土壤類型的影響卻體現(xiàn)不出來。原因可能是生物質(zhì)炭具有較強(qiáng)的表面吸附能力，酶促反應(yīng)的顯色代謝產(chǎn)物被添加的生物質(zhì)炭吸附，使顏色反應(yīng)不可信[10,11]。因而，Bailey建議在研究生物質(zhì)炭對(duì)土壤酶活性影響時(shí)盡可能使用熒光法測(cè)定酶的活性[10]。目前，國(guó)外[10,12]和國(guó)內(nèi)[13,14]均有學(xué)者運(yùn)用熒光分析法測(cè)定生物質(zhì)炭對(duì)土壤酶活性的影響，但總體來看大部分研究還是采用傳統(tǒng)的分光光度法。

3 生物質(zhì)炭對(duì)土壤各類酶的影響

文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，與C、N、P轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶、水解酶和氧化還原酶是當(dāng)前生物質(zhì)炭對(duì)土壤酶活性影響研究的重點(diǎn)。研究較多的酶包括：-葡萄糖苷酶[14]、-葡萄糖苷酶[14]、蔗糖酶[15]、纖維素酶[16]、蛋白酶[17]、脲酶[15,18-20]、氨肽酶[10,21]、FDA水解酶[18,22,23]、堿性磷酸酶[18,23]、中性磷酸酶[24,25]、酸性磷酸酶[18,20,23]、過氧化氫酶[15,18,20,23]、-N-乙酰葡糖胺糖苷酶[26]、酚氧化酶[26]和脫氫酶[18,24]等。

生物質(zhì)炭的施用能促進(jìn)與N、P等礦質(zhì)元素轉(zhuǎn)化相關(guān)的一系列酶的活性[27,28]。Yanai等[29]在研究添加生物質(zhì)炭對(duì)農(nóng)田土壤N2O排放影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，反硝化酶活性受生物質(zhì)炭的影響而增強(qiáng)。Jones等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過3年連續(xù)向農(nóng)田中施用生物質(zhì)炭，土壤反硝化酶活性得到顯著提高。蛋白酶可催化水解土壤中的蛋白質(zhì)、肽類等有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨基酸，是參與土壤氮循環(huán)最重要的酶之一。堿性磷酸酶可加快土壤中有機(jī)磷的脫磷速度，提高磷素有效性，是評(píng)價(jià)磷轉(zhuǎn)化的重要指標(biāo)。Oleszczuk等[17]研究表明，土壤中蛋白酶和堿性磷酸酶活性在添加生物質(zhì)炭后得到了顯著增強(qiáng)。Jin[21]研究發(fā)現(xiàn)堿性磷酸酶活性隨著生物質(zhì)炭的施用量增加而增加，最高活性增長(zhǎng)率可達(dá)到615%，氨肽酶活性也隨著生物質(zhì)炭的施入增加了15%。

土壤中過氧化氫酶和纖維素酶參與土壤中的碳循環(huán)，對(duì)土壤有機(jī)碳的分解和轉(zhuǎn)化起著重要作用[31]，生物質(zhì)炭的施用會(huì)降低這兩種酶的活性[27]。周震峰等[32]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中的過氧化氫酶會(huì)受到由花生殼制成的生物質(zhì)炭的抑制。潘全良等[33]的研究表明，連續(xù)6年施用生物質(zhì)炭抑制了土壤過氧化氫酶的活性。趙軍等[15]研究發(fā)現(xiàn)，竹炭和木炭施入種植糜子季和小麥季的土壤中，對(duì)過氧化氫酶活性有一定的抑制作用。Jain等[16]的研究表明，生物質(zhì)炭的加入可以顯著降低土壤中纖維素酶的活性。Liang等[34]推測(cè)，生物質(zhì)炭的強(qiáng)烈吸附作用減小了土壤有機(jī)碳的有效性，同時(shí)減小了土壤酶與之接觸以及采取合適的空間定向分解它的可能，進(jìn)而使得相關(guān)的酶活性隨之降低。殺蟲劑和除草劑被土壤中的生物質(zhì)炭吸附后礦化減弱的事實(shí)可為底物生物有效性的降低提供佐證[27]。研究表明，添加生物質(zhì)炭對(duì)土壤氧化還原酶（如脫氫酶）活性存在顯著的促進(jìn)作用。Sope?a[35]、Paz-Ferreiro[36]和Demisie[37]的研究發(fā)現(xiàn)，向兩種砂質(zhì)壤土和紅壤中分別施加赤桉木生物質(zhì)炭、橡木生物質(zhì)炭和活性污泥生物質(zhì)炭后，脫氫酶活性均顯著增強(qiáng)。

生物質(zhì)炭對(duì)土壤酶活性的影響受到生物質(zhì)炭本身性質(zhì)、土壤類型、作物類型等眾多因素的影響[27,41]。Ameloot等[42]對(duì)砂質(zhì)壤土施用生物質(zhì)炭的研究發(fā)現(xiàn)，350℃條件下制備的生物質(zhì)炭使土壤脫氫酶活性降低，而700℃條件下制備的生物質(zhì)炭能提高土壤脫氫酶活性。Awad等[43]的研究表明，活性污染泥、樹枝、枯草、枯葉等混合生物材料制得的生物炭，對(duì)砂壤土（sandy loam soil）中-纖維二糖水解酶、-葡萄糖苷酶、幾丁質(zhì)酶的活性的促進(jìn)作用要顯著好于對(duì)砂土（sandysoil）中相同酶的促進(jìn)作用。陳心想等[19]以小麥-玉米輪作試驗(yàn)為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭可顯著提高玉米收獲后土壤堿性磷酸酶活性，但對(duì)小麥季土壤堿性磷酸酶活性影響不顯著。

4 生物質(zhì)炭影響土壤酶活性的機(jī)理

生物質(zhì)炭的一個(gè)重要物理特性就是多孔性結(jié)構(gòu)，其孔隙可分為微孔隙、小孔隙和大孔隙。大孔隙不僅對(duì)土壤的通氣性和持水力產(chǎn)生影響，也能為土壤微生物提供充足的生存空間和良好的生長(zhǎng)與繁殖環(huán)境，降低與其他微生物的生存競(jìng)爭(zhēng)，提高微生物的多樣性[44]。同時(shí)，生物質(zhì)炭施入土壤后可隨時(shí)間發(fā)生一定的降解，成為可供微生物利用的碳源，提高土壤中微生物的生物量[45,46]。Steinbeiss[47]和Prayogo[48]的研究證實(shí)，土壤中施加一定的生物質(zhì)炭后，真菌、革蘭氏陰性菌和放線菌的生物量有明顯增加。王曉輝[49]和韓光明[50]等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，向已退化的設(shè)施蔬菜土壤中添加一定量的生物質(zhì)炭，可顯著增加包括細(xì)菌、真菌、放線菌等各種微生物的生物量，并顯著提高退化土壤微生物的物種豐度。土壤微生物是土壤酶的一個(gè)重要來源[51]，生物質(zhì)炭通過促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng)增加土壤酶的活性。

生物質(zhì)炭的多孔結(jié)構(gòu)使其具備巨大的比表面積和極強(qiáng)的吸附能力。一方面，生物質(zhì)炭通過吸附作用，可以增強(qiáng)其孔隙中的各類反應(yīng)酶與反應(yīng)底物的結(jié)合，加速酶促反應(yīng)的發(fā)生，起到提高土壤酶活性的效果；另一方面，生物質(zhì)炭還有可能對(duì)酶分子的活性位點(diǎn)產(chǎn)生吸附作用，阻礙活性位點(diǎn)與反應(yīng)底物結(jié)合，抑制酶促反應(yīng)的進(jìn)行，從而減小土壤酶活性[27,52]。Bailey等[10]通過系統(tǒng)的無土壤實(shí)驗(yàn)，研究了生物質(zhì)炭顆粒對(duì)土壤酶、酶促反應(yīng)底物的吸附行為，發(fā)現(xiàn)不同種類的土壤酶、底物與生物質(zhì)炭的吸附行為差異很大，難以就生物質(zhì)炭的吸附對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生的影響得出廣泛而適用的結(jié)論。

研究表明，土壤酶活性受土壤pH值、陽離子交換量的影響較大[53]，進(jìn)入土壤的生物質(zhì)炭可明顯改變土壤中的這兩項(xiàng)指標(biāo)，從而間接對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生影響[54]。生物質(zhì)炭的灰分含有較多的鈣、鎂、鉀、鈉等鹽基離子，可通過與土壤氫離子及交換性鋁離子的交換吸附作用進(jìn)入到土壤中，從而增加土壤中鈣、鉀、鈉等鹽基離子的飽和度和土壤陽離子的交換量，提高土壤pH值，從而抑制某些土壤酶的活性[55,56]。Demisie等[57]的研究表明，土壤pH值隨生物質(zhì)炭施加量的增加而增加，而土壤酸性磷酸酶活性隨生物質(zhì)炭的增加而降低，且與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)。馮愛青等[24]研究表明，添加玉米秸稈生物質(zhì)炭可降低土壤過氧化氫酶和中性磷酸酶的活性。這是因?yàn)樯镔|(zhì)炭pH值較高，添加生物質(zhì)炭改變了土壤酸堿環(huán)境，抑制了土壤過氧化氫酶和中性磷酸酶的活性。鄒春嬌等[25]添加生物質(zhì)炭于黃瓜連作土壤中，提高了土壤pH值，對(duì)土壤中性磷酸酶活性起抑制作用。另有研究表明，生物質(zhì)材料在缺氧熱解過程中容易產(chǎn)生多環(huán)芳烴（PAHs）[58-60]。某些生物質(zhì)炭的前體材料重金屬含量較高，如重金屬污染區(qū)的農(nóng)作物秸稈、草木、活性污染泥等，這些前體材料在炭化時(shí)所含的重金屬會(huì)被富集濃縮，導(dǎo)致制得的生物質(zhì)炭重金屬含量過高[61,62]。多環(huán)芳烴和重金屬均可對(duì)土壤酶產(chǎn)生毒害作用[53,63]，過量施入此類富含多環(huán)芳烴和重金屬的生物質(zhì)炭會(huì)對(duì)某些土壤酶的活性產(chǎn)生嚴(yán)重的抑制作用。另外，生物質(zhì)炭中富含微生物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素如P、K、Mg等，這些營(yíng)養(yǎng)元素隨生物質(zhì)炭施入土壤，起到了促進(jìn)土壤微生物生長(zhǎng)，提高土壤酶活性的作用[27]。

5 展望

生物質(zhì)炭可改良土壤，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，其農(nóng)業(yè)應(yīng)用被認(rèn)為是解決糧食危機(jī)、喂飽世界的八種辦法之一。目前，生物質(zhì)炭的土壤環(huán)境效應(yīng)研究主要集中在土壤改良、土壤固碳、含N溫室氣體減排、受污染環(huán)境的治理與修復(fù)等領(lǐng)域。有關(guān)生物質(zhì)炭施用對(duì)土壤酶活性影響研究尚處于起步階段，試驗(yàn)設(shè)計(jì)多為土壤培育、盆栽和短期大田試驗(yàn)，很少見到周期較長(zhǎng)的田間定位觀測(cè)研究。因而，通過大田長(zhǎng)期定位觀測(cè)，研究真實(shí)農(nóng)田環(huán)境下生物質(zhì)炭長(zhǎng)期施用對(duì)土壤微生物和土壤酶的作用規(guī)律將是未來應(yīng)給予關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)不同前體材料生物質(zhì)炭對(duì)土壤酶活性的影響研究，篩選出對(duì)土壤酶活性不良影響大的前體材料，為評(píng)估其農(nóng)業(yè)運(yùn)用的安全性提供依據(jù)。土壤酶種類繁多，目前開展過生物質(zhì)炭對(duì)活性影響研究的酶種類相對(duì)較少，今后應(yīng)擴(kuò)大酶研究的種類，為較全面評(píng)估生物質(zhì)炭對(duì)土壤酶活性的影響提供充足的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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（責(zé)任編輯：朱彬）

On Advances in Biochar Effects on Soil Enzyme Activities

XIONG Bai-lian,TAN Bi-yong
(Department of Resources and Environment,Zunyi Normal College,Zunyi 563006,China)

The effects of biochar on soil enzyme activities are summarized.First,with the help of search functions of Web of Science database and CNKI database,the number of published papers about the effects of biochar on soil enzyme activities are explored and analyzed.Thereafter,the analysis is given to the determination method of enzyme when soil applied with biochar.Then,this paper focuses on the effects of biochar on various soil enzyme activities,such as N and P transformation related soil enzymes,mineralization of soil organic matter related enzymes,soil redox enzymes and hydrolases.After that,the mechanism for biochar affecting soil enzyme activity is introduced.In the end,prospects,orientation and focal points of the researches in this field are discussed.

biochar;farmland environment;soil;enzyme

S154

A

1009-3583（2017）-0106-05

2016-12-15

遵義師范學(xué)院博士基金項(xiàng)目（遵師BS[2014]04號(hào)）

熊佰煉，男，湖南南縣人，遵義師范學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院副教授，博士。研究方向：農(nóng)業(yè)污染土壤修復(fù)。