2023, Vol. 55
2. 广西漓江源森林生态系统国家定位观测研究站, 广西桂林 541316;
3. 桂林兴安漓江源森林生态系统广西野外科学观测研究站, 广西桂林 541316;
4. 广西师范大学珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室, 广西桂林 541006;
5. 广西漓江流域景观资源保育与可持续利用重点实验室, 广西师范大学, 广西桂林 541006
毛竹是我国重要的森林类型和经济作物，总面积达467.75万hm2，占全国竹林面积的72.96%[1]。毛竹具有分布广、生长快、可持续经营等特点，蕴藏着强大的固碳能力，在减缓全球气候变化方面具有巨大的潜力[2]。但长期的集约经营导致毛竹林土壤酸化、结构破坏、肥力下降、温室气体排放量增加等问题，急需寻找常规肥料以外的外源物质来提高毛竹林土壤质量。
生物质炭是由生物质在无氧或者缺氧状态下经高温热解产生的一类富碳的固态物质[3]，具有孔隙多、比表面积大、吸附性强、稳定性高等特点[4]，是近年来土壤学和环境科学领域的研究热点。大量研究表明，生物质炭在改善土壤理化性质、提高土壤肥力、增加土壤碳库及减缓气候变化方面有重要作用[5-8]。生物质炭在农田生态系统的应用较为广泛，如杨彩迪等[9]研究发现不同原料生物质炭对水稻、玉米和油菜3种农田作物产量及土壤性质有不同影响，其中稻壳生物质炭在改良酸性土壤和提高作物产量方面效果较好；卢晋晶等[10]研究发现秸秆生物质炭能有效提高黄土区农田土壤养分含量，且生物质炭最佳施用量一定程度上依赖于氮肥的投入情况。然而生物质炭在森林生态系统中的应用研究较少[11]，在竹林生态系统中的作用更是鲜有报道，并且现有研究多为单独添加生物质炭对土壤性质的影响，对比不同外源碳添加对土壤养分和酶活性影响的研究相对较少[12-13]。研究表明，凋落物可为微生物提供丰富的有效养分[14]，进而可能影响土壤肥力和土壤酶活性。
因此，本研究以广西壮族自治区桂林市华江乡内广泛分布的毛竹林土壤为研究对象，以难分解的竹生物质炭及易分解的竹凋落物作为外源碳，研究不同添加量的竹生物质炭和竹凋落物对土壤营养元素和酶活性的影响，以为提高毛竹林土壤质量提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况试验样地位于广西壮族自治区桂林市华江乡同仁村(110°45′ E，25°80′ N)，该地区海拔359 m，为中亚热带湿润山地季风气候，四季分明，温和湿润，年平均气温16.4 ℃，年平均降水量2 515 mm，主要集中在2—6月，相对湿度常在80% 以上。试验样地土壤类型为山地棕黄壤，土壤含水率32.3%，田间持水量74.4%，土壤容重1.25 g/cm3，pH 4.4，全碳(TC) 27.7 g/kg，全氮(TN)2.3 g/kg，全磷(TP)296.1 mg/kg，铵态氮(NH4+-N)8.7 mg/kg，硝态氮(NO3–-N)31.3 mg/kg，有效磷(AP)14.9 mg/kg。
1.2 土壤样品采集和预处理2020年10月14日在试验样地选择坡度较小、生境一致和生长状况基本相同的毛竹林采集土壤样品。采样时，清除土壤表面凋落物，采用五点取样法采集0 ~ 20 cm土层样品，剔除可见的碎石及动植物残体，过2 mm筛，混合均匀后，放入塑封袋，装入放有冰块的保温箱尽快运回实验室。取部分新鲜土壤样品，剔除根系和杂物，自然风干，分析部分土壤基本理化性质，其余新鲜土壤样品放入4℃的冰箱保存备用。同时收集样地土壤表层竹凋落物带回实验室，用蒸馏水洗净，置于70℃烘箱中烘干至恒重，冷却后剪成1 cm左右小段备用。竹凋落物pH 6.5，TC 415.6 g/kg，TN 18.6 g/kg。竹生物质炭购于北京立泽环保科技有限公司，是由毛竹废弃物在750℃高温限氧条件下裂解而成，购买的竹生物质炭过2 mm筛备用。竹生物质炭pH 8.5，TC 783.70 g/kg，TN 15.2 g/kg。
1.3 试验设计本试验共设置5个处理：①对照(CK)；②低添加量竹生物质炭(添加量为土壤干重的1%，记作1%BC)；③高添加量竹生物质炭(添加量为土壤干重的2%，记作2%BC)；④低添加量竹凋落物(添加量与处理②的含碳量相同，记作1%L)；⑤高添加量竹凋落物(添加量与处理③的含碳量相同，记作2%L)。每个处理每个培养时期设置3个重复。试验中，首先称取140 g鲜土置于250 mL三角瓶中，用蒸馏水调节土壤含水率为田间持水量的60%，在25℃的培养箱中预培养1周；然后按照试验处理添加不同量的竹生物质炭和竹凋落物，使之与土壤充分混匀，在25℃的培养箱中培养60 d，其间定期添加蒸馏水，使土壤含水率保持在田间持水量的60%。在培养的0、1、3、7、14、30和60 d后进行破坏性取样，测定土壤理化性质和酶活性。由于在培养过程中，竹生物质炭和竹凋落物也是培养土壤的一部分，并且添加的竹生物质炭粒径和培养土壤的粒径相同，很难通过物理方法将其与土壤分离，所以取样后未将未分解和半分解的竹生物质炭和竹凋落物从土壤中分离。
1.4 样品测定土壤pH采用电位法测定(水土比为2.5∶1，V/m)，TC和TN含量采用元素分析仪测定，TP含量采用H2SO4-HClO4消煮-钼锑钪比色法测定，NH4+-N和NO3–-N含量采用2 mol/L KCl溶液浸提-连续流动分析仪测定[15]，AP含量采用NaHCO3溶液浸提-钼锑抗比色法测定，可溶性有机碳(DOC)和可溶性氮(DN)含量采用TOC仪测定，微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)含量采用氯仿熏蒸硫酸钾溶液浸提-TOC仪测定，土壤蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定，土壤脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色法测定。
1.5 数据处理与分析采用SPSS 26.0软件进行数据统计分析，利用单因素方差分析及多重比较法(LSD)分析不同量竹生物质炭和竹凋落物添加处理对毛竹林土壤营养元素和酶活性的影响，利用Pearson相关性分析探究毛竹林土壤营养元素和酶活性的关系，所有统计分析显著水平为P < 0.05；使用Origin 2021软件进行绘图。
2 结果与分析 2.1 竹生物质炭和竹凋落物添加对土壤pH的影响由图 1可知，竹生物质炭和竹凋落物添加后土壤pH均显著增加(P < 0.05)。与CK处理相比，各处理土壤pH在培养前7 d增加幅度较大，在培养后期变化幅度较小，在培养60 d后1%BC、2%BC、1%L和2%L处理土壤pH均达到最高，分别为4.72、5.06、4.68及5.01。高添加量处理对土壤pH的影响显著高于低添加量处理，并且添加量相同时，竹生物质炭对土壤pH的提高作用高于竹凋落物。
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(图中不同小写字母代表相同培养时间不同处理间差异显著(P < 0.05)，下同) 图 1 竹生物质炭和竹凋落物添加对土壤pH的影响 Fig. 1 Effects of bamboo biochar and bamboo litter addition on soil pH |
由图 2A可知，培养60 d后2%BC处理与CK处理相比土壤TC含量提高了9.75%(P < 0.05)，也显著高于其余3个处理，并且其余3个处理与CK处理相比没有显著差异。由图 2B可知，与CK处理相比，培养60 d后竹生物质炭和竹凋落物添加对土壤TN含量没有显著影响，但高添加量竹凋落物处理(2%L)土壤TN含量显著高于竹生物质炭添加处理(1%BC和2%BC)(P < 0.05)。由图 2C可知，培养60 d后竹生物质炭和竹凋落物添加均显著提高了土壤TP含量(P < 0.05)，2%BC处理土壤TP含量最高(423.3 mg/kg)，与CK处理相比提高了23.3%，但竹生物质炭和竹凋落物两种不同外源碳添加对土壤TP含量的影响没有显著差异。
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图 2 竹生物质炭和竹凋落物添加对土壤TC(A)、TN(B)和TP(C)含量的影响 Fig. 2 Effects of bamboo biochar and bamboo litter addition on concentrations of soil TC (A), TN (B) and TP (C) |
由图 3A可知，竹生物质炭和竹凋落物添加后土壤NH4+-N含量在培养前期随着培养时间而降低，在培养30 d后趋于平稳，但竹生物质炭添加后土壤NH4+-N含量均显著低于CK处理(P < 0.05)，而竹凋落物添加后土壤NH4+-N含量均显著高于CK处理(P < 0.05)。竹生物质炭添加量的高低除在培养的30 d对土壤NH4+-N含量的影响存在显著差异外(P < 0.05)，其余培养时间均不存在显著差异，而竹凋落物添加量的高低对土壤NH4+-N含量的影响在培养的前30 d大多存在显著差异(P < 0.05)，2%L处理土壤NH4+-N含量显著高于1%L处理。
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图 3 竹生物质炭和竹凋落物添加对土壤NH4+-N(A)、NO3–-N(B)和AP(C)含量的影响 Fig. 3 Effects of bamboo biochar and bamboo litter addition on concentrations of soil NH4+-N (A), NO3–-N (B) and AP (C) |
由图 3B可知，竹生物质炭和竹凋落物添加后土壤NO3–-N含量在培养的前7 d呈先上升后下降趋势，之后均呈逐渐上升趋势，在培养60 d后达到最高，并且竹凋落物添加对土壤NO3–-N含量的促进作用高于竹生物质炭添加。在培养0、14和30 d 1%BC处理土壤NO3–-N含量高于2%BC处理，而只有在培养的前期1%L处理土壤NO3–-N含量高于2%L处理，其余培养时间均是2%L处理土壤NO3–-N含量较高。
由图 3C可知，竹生物质炭和竹凋落物添加后土壤AP含量随着培养时间呈上升的趋势，竹生物质炭和竹凋落物添加处理土壤AP含量均高于CK处理，除培养0 d外，各处理土壤AP含量由高到低依次为2%BC > 2%L > 1%BC > 1%L > CK。在培养的前7 d 1%BC和2%BC处理土壤AP含量不存在显著差异，在培养后期2%BC处理土壤AP含量显著高于1%BC处理(P < 0.05)。除在培养60 d 2%L处理土壤AP含量显著高于1%L处理外，其余各培养时期两者之间无显著差异。
2.4 竹生物质炭和竹凋落物添加对土壤可溶性有机碳、可溶性氮及微生物生物量碳氮含量的影响由图 4A和图 4B可知，培养60 d后，竹生物质炭添加对土壤DOC含量没有显著影响，对土壤DN含量有一定影响，而竹凋落物添加对土壤DOC和DN含量均有显著影响(P < 0.05)。与CK处理相比，2%BC处理显著降低了土壤DN含量(P < 0.05)，而1%BC处理对土壤DN没有显著影响。与CK处理相比，竹凋落物添加显著提高了土壤DOC和DN含量(P < 0.05)，但添加量的高低之间没有显著差异。由图 4C和图 4D可知，培养60 d后，竹生物质炭和竹凋落物添加均对土壤MBC和MBN含量没有显著影响，并且添加量的高低之间也不存在显著差异(P > 0.05)。
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图 4 竹生物质炭和竹凋落物添加对土壤DOC(A)、DN(B)、MBC(C)和MBN(D)含量的影响 Fig. 4 Effects of bamboo biochar and bamboo litter addition on concentrations of soil DOC (A), DN (B), MBC (C) and MBN (D) |
由图 5A可知，竹生物质炭和竹凋落物添加后土壤蔗糖酶活性显著降低，并且竹凋落物添加对土壤蔗糖酶活性的抑制作用高于竹生物质炭添加。在培养的1、60 d竹生物质炭添加量的高低对土壤蔗糖酶活性的影响存在显著差异(P < 0.05)，土壤蔗糖酶活性随着添加量的增加而降低，而在整个培养阶段竹凋落物添加量的高低对土壤蔗糖酶活性的影响没有显著差异。
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图 5 竹生物质炭和竹凋落物添加对土壤蔗糖酶(A)和脲酶(B)活性的影响 Fig. 5 Effects of bamboo biochar and bamboo litter addition on activities of soil sucrase (A) and soil urease (B) |
由图 5B可知，竹生物质炭和竹凋落物添加后土壤脲酶活性显著降低(P < 0.05)，且竹凋落物添加对土壤脲酶活性的抑制作用高于竹生物质炭添加。土壤脲酶活性随着竹生物质炭添加量的增加而降低，在培养的14和30 d高添加量和低添加量处理之间差异显著(P < 0.05)；土壤脲酶活性也随着竹凋落物添加量的增加而降低，除在培养的7、14和30 d外，其余培养时间高添加量和低添加量处理之间差异显著(P < 0.05)。
2.6 毛竹林土壤理化性质和酶活性的相关性相关分析表明(表 1)，土壤pH与土壤TP、AP和NO3–-N含量呈显著或极显著正相关关系，与土壤脲酶活性呈极显著负相关关系，与蔗糖酶活性呈显著负相关关系；土壤TN与土壤NH4+-N和DN含量呈显著正相关关系；土壤TP与NH4+-N含量呈显著负相关关系；土壤AP与MBN含量呈显著正相关关系；土壤NH4+-N与NO3–-N、DOC和DN含量呈显著或极显著正相关关系，与蔗糖酶活性呈显著负相关关系；土壤NO3–-N与DOC和DN含量呈极显著正相关关系，与土壤脲酶和蔗糖酶活性呈极显著负相关关系；土壤DOC和DN含量与土壤脲酶和蔗糖酶活性均呈极显著负相关关系；土壤MBC与MBN含量呈极显著正相关关系；土壤脲酶与蔗糖酶活性呈极显著正相关关系。
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表 1 毛竹林土壤理化性质和酶活性之间的Pearson相关性系数 Table 1 Pearson correlation coefficients of soil physicochemical properties and enzyme activities |
土壤pH对土壤养分存在形态和有效性、土壤结构、微生物活动以及植物生长发育起着十分重要的作用。本研究中，竹生物质炭和竹凋落物添加后土壤pH均显著提高，且随着添加量的增加而增加(图 1)。这可能是因为生物质炭中含有的无机组分以及生物质炭表面丰富的碱性基团能中和土壤酸度所致[16-18]。而王越等[19]研究也发现毛竹和阔叶林凋落物添加显著提高了土壤pH，凋落物能够缓解土壤酸化可能是由于凋落物中含有一定量的盐基离子，有利于中和土壤酸度。
碳元素是土壤中重要的大量元素，对土壤中微生物活动和酶活性至关重要。本研究发现，高添加量竹生物质炭能显著提高土壤TC含量(图 2A)，这主要是因为生物质炭是富碳物质，进入土壤后能提高土壤中有机碳库，从而增加土壤TC含量[20]。本研究还发现，培养60 d后竹生物质炭添加处理土壤DOC和MBC含量与对照无显著差异(图 4A和图 4C)，而Dempster等[21]的研究结果表明，在砂质土壤中添加桉树生物质炭显著降低了土壤MBC含量，本研究结果与该结果不一致可能是由于生物质炭的类型、土壤类型以及试验方法不同导致的[22]。本研究中，竹凋落物添加60 d后土壤DOC含量显著提高，而MBC含量变化不大，这可能是因为培养时间较短，凋落物分解程度不高，从而对土壤微生物的影响较小。
氮元素是植物生长发育过程中不可缺少的元素之一，土壤中氮有效性的高低往往决定着土壤肥力的大小。本研究中，竹生物质炭和竹凋落物添加60 d后土壤TN含量没有显著改变(图 2B)，而雷海迪[8]等在研究杉木凋落物及其生物质炭对土壤微生物群落结构的影响中发现，生物质炭和凋落物添加均显著提高了土壤TN含量，不同的研究结果可能与添加的生物质炭和凋落物含氮量高低以及培养时间长短有关。本研究发现，竹生物质炭和竹凋落物添加降低了土壤NH4+-N含量，提高了土壤NO3–-N含量(图 3A和3B)，这与胡华英等[7]研究结果一致，他们发现土壤NH4+-N含量随生物质炭施用量的增加而显著降低，土壤NO3–-N含量呈相反的趋势，表明生物质炭和凋落物能够显著提高土壤硝化速率，促进土壤中NH4+-N向NO3–-N的转化，并且生物质炭表面的官能团带负电，可以通过静电作用吸附土壤中的NH4+-N，而对土壤中NO3–-N的吸附作用相对较弱[23]。
磷元素对植物生长有着重要作用，而土壤中的磷主要以有机磷存在，必须转化为有效磷才能被植物吸收利用。本研究中，竹生物质炭和竹凋落物添加后土壤TP和AP含量均显著提高(图 2C和3C)。张朴等[24]研究表明，施加到土壤中的水稻秸秆生物质炭抑制了土壤对磷的吸附，且随着施用量的增加抑制作用更明显。同时生物质炭本身含有一定的磷元素，随着生物质炭添加输入到土壤中的磷相应增加[25]。凋落物中的磷元素，可通过矿化作用在土壤中分解释放[26]，从而增加土壤TP和AP的含量。
3.2 竹生物质炭和竹凋落物添加对毛竹林土壤酶活性的影响土壤酶是植物根系、微生物以及动植物残体腐解等产生的一类能够参与有机质分解和养分循环等过程的生物催化剂，其活性可以反映土壤中生物化学反应的活跃程度、微生物的活性以及养分循环的状况，因此土壤酶是土壤质量的重要指标[27]。土壤营养元素可通过影响微生物的生长而间接作用于土壤酶，因此土壤环境因子和土壤酶活性之间存在着不同程度的相关性[28]。本研究的相关性分析(表 1)发现，土壤pH、NO3–-N、DOC和DN与土壤脲酶活性呈极显著负相关关系，而土壤pH、NH4+-N、NO3--N、DOC和DN与土壤蔗糖酶活性呈显著负相关关系，表明土壤酸碱度以及碳和氮的有效性是调控毛竹林土壤蔗糖酶和脲酶活性的主要因素。
蔗糖酶调控土壤中碳元素的转化和积累，它的活性与土壤质量和碳汇关系非常紧密。本研究表明，竹生物质炭和竹凋落物添加均显著抑制了毛竹林土壤蔗糖酶活性，竹凋落物的抑制作用更显著，随着添加量的增加抑制作用也随之增强(图 5A)。Chen等[29]通过室内培养试验发现，生物质炭添加降低了土壤中与碳循环相关的酶活性，并且随着添加量的增加土壤蔗糖酶活性降低，与本研究结果基本一致。而王国兵等[30]在研究凋落物对杨树人工林土壤酶活性的影响中发现，凋落物混施比表施更能促进土壤蔗糖酶活性，王俊龙等[31]研究也发现凋落物提高了土壤蔗糖酶活性。不同的研究结果可能是由于凋落物不同导致土壤微生物量和区系组成以及代谢过程不同，从而使得土壤酶活性存在差异。但刑学霞等[32]研究发现，凋落物添加降低了土壤蔗糖酶活性，与本研究结果相似，这可能是由于凋落物添加的激发效应增加了土壤微生物数量，加速了有机质矿化，提高了土壤碳的有效性和土壤微生物对碳的利用，从而限制了碳循环相关的酶活性。
脲酶是一种参与土壤氮循环的酶，其活性往往与土壤肥力和氮的有效性密切相关。本研究表明，竹生物质炭和竹凋落物添加显著抑制了毛竹林土壤脲酶活性(图 5B)，并且凋落物的抑制作用更显著，随着添加量的增加抑制作用也随之增强。Huang等[33]研究也发现，生物质炭添加后土壤脲酶活性显著降低。然而也有结果表明，土壤脲酶活性随着生物质炭的输入而提高，如蒋容等[34]在增温条件下施用生物质炭显著提高了土壤脲酶活性，且随着生物质炭施用量的增加而增加。不同的研究结果可能与土壤类型、生物质炭的种类和用量以及气候因素的差异有关[35]。胡亚林等[36]研究发现杉木桤木混合凋落物显著提高了土壤脲酶活性，陈晓丽等[37]研究表明在自然条件下土壤脲酶活性随着凋落物中针叶比例的升高而降低，本研究发现竹凋落物添加显著降低了毛竹林土壤脲酶活性，不同的研究结果表明凋落物种类不同，土壤脲酶活性存在较大差异。
4 结论竹生物质炭和竹凋落物两种不同类型的外源碳添加对毛竹林土壤基本性质和酶活性的影响存在差异。与竹凋落物相比，竹生物质炭更好地提高了毛竹林土壤pH、TP和AP含量、脲酶和蔗糖酶活性，且高添加量对土壤pH、TP和AP含量的提高作用更明显，表明竹生物质炭可在一定程度上缓解毛竹林土壤酸化，并且增加土壤磷的有效性，对竹林生态系统磷缺乏状况的改善具有积极作用。与竹生物质炭相比，竹凋落物显著提高了毛竹林土壤NH4+-N、NO3–-N、DOC和DN含量，表明竹凋落物可促进毛竹林土壤氮素累积，提升土壤营养元素含量，改善土壤质量。相关性分析表明，土壤pH、NH4+-N、NO3–-N、DOC和DN是影响毛竹林土壤蔗糖酶和脲酶活性的主要因素。
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4. Key Laboratory of Ecology of Rare and Endangered Species and Environmental Protection (Guangxi Normal University), Ministry of Education, Guilin, Guangxi 541006, China;
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