生物炭与秸秆还田对风沙土壤-微生物-胞外酶化学计量特征的影响

doi:10.11686/cyxb2020407

草业学报 ›› 2021, Vol. 30 ›› Issue (11): 29-39.DOI: 10.11686/cyxb2020407

生物炭与秸秆还田对风沙土壤-微生物-胞外酶化学计量特征的影响

孙娇¹(), 梁锦秀¹, 孔德杰², 郭鑫年¹, 魏永东³, 周涛¹()

^1.宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，宁夏银川 750002
^2.宁夏农林科学院农业生物技术研究中心，宁夏银川 750002
^3.宁夏回族自治区盐池县科学技术局，宁夏盐池 751500

收稿日期:2020-09-07 修回日期:2020-12-17 出版日期:2021-10-19 发布日期:2021-10-19
通讯作者: 周涛
作者简介:Corresponding author. E-mail： zhoutao6084609@163.com
孙娇（1989-），女，甘肃庆阳人，助理研究员，硕士。E-mail： 915336809@qq.com
基金资助:
宁夏农林科学院科研项目(NKYJ-18-17)

Effects of biochar and straw on the C∶N∶P stoichiometry of soil， microbes， and extracellular enzymes in an aeolian sandy soil

Jiao SUN¹(), Jin-xiu LIANG¹, De-jie KONG², Xin-nian GUO¹, Yong-dong WEI³, Tao ZHOU¹()

^1.Institute of Agricultural Resources and Environment，Academy of Agriculture and Forestry Sciences of Ningxia，Yinchuan 750002，China
^2.Agricultural Biotechnology Research Center of Ningxia Academy of Agricultural and Forestry Sciences，Yinchuan 750002，China
^3.Science and Technology Bureau of Yanchi County，Yanchi 751500，China

Received:2020-09-07 Revised:2020-12-17 Online:2021-10-19 Published:2021-10-19
Contact: Tao ZHOU

摘要/Abstract

摘要：

以宁夏贺兰山东路风沙土壤为研究对象，分析等碳量秸秆、生物炭还田后土壤、微生物、胞外酶及其化学计量特征，为农田养分调控和土壤可持续利用提供科学依据。结果表明，随着秸秆和生物炭还田量的增加土壤有机碳（C）、全磷（P）、速效氮（AN）、速效磷（AP）浓度显著增加，且生物炭还田优于等碳量秸秆处理。而秸秆与生物炭还田对土壤全氮（N）浓度影响不显著。土壤C/N、C/P、N/P、AN/AP变化范围在10.1~10.9、7.4~8.2、0.7、2.7~3.4。且N/P、AN/AP随秸秆还田量的增加显著增加，随生物炭还田量的增加显著降低。生物炭还田后土壤微生物生物量碳（MBC）、微生物生物量氮（MBN）、微生物生物量磷（MBP）含量显著高于等碳量秸秆还田。而秸秆还田后土壤微生物与胞外酶化学计量比均显著高于等碳量生物炭还田。相关性分析表明，秸秆还田后土壤AN与碱性磷酸酶（AKP）极显著负相关，与β-葡糖苷酶（BG）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）、β-乙酰葡糖胺糖苷酶（NAG）、MBC、（BG+CBH）/AKP、（NAG+LAP）/AKP、MBN/MBP极显著正相关。生物炭还田后土壤AP与BG、α-纤维素酶（CBH）、LAP、NAG、MBC、MBN、（BG+CBH）/AKP极显著正相关，与MNC/MBN极显著负相关。综上，生物炭还田有利于提高土壤养分浓度和微生物量，而秸秆还田更有利于维持土壤养分平衡。

关键词: 生物炭与秸秆, 风沙土, 酶化学计量, 微生物化学计量, 养分平衡

Abstract:

In this research straw or biochar were added to a sandy soil located at Helanshan East Road in Ningxia Province and the stoichiometric characteristics of soil， microorganisms and extracellular enzymes were analyzed to provide a scientific basis for farmland nutrient regulation and sustainable soil utilization. The experiment comprised seven treatments； a control， straw added at 3.5， 7.0， or 10.5 t·ha^-1， or biochar added at 3.4， 6.8， or 10.2 t·ha^-1. All plots received a standard base fertilizer dressing of 330 kg·ha^-1elemental N， 46 kg·ha^-1elemental P and 75 kg·ha^-1elemental K. Our results demonstrated that the content of soil C， P， available N （AN） and available P （AP） increased significantly with increase in the rate of straw or biochar added， and addition of biochar was superior to addition of straw on an equal carbon basis. However， returning straw and biochar to the field had no significant influence on soil N content. Soil C/N， C/P， N/P and AN/AP ranged from 10.1-10.9， 7.4-8.2， 0.70-0.75 and 2.7-3.4， respectively. Additionally， both soil N/P and AN/AP exhibited a significant positive correlation with the quantity of straw returned， but a significant negative correlation with the quantity of biochar returned. The contents of microbial biomass carbon （MBC）， microbial biomass nitrogen （MBN） and microbial biomass phosphorus （MBP） after biochar addition were higher than those after straw treatment on an equal carbon basis， while the stoichiometric ratios for C∶N， C∶P and N∶P of soil microorganisms and extracellular enzymes were significantly higher after straw addition than those after biochar addition to the field. Finally， correlation analysis revealed that after addition of straw， soil AN was significantly positively correlated with β-glucosidase （BG）， L-leucine aminopeptidase （LAP）， β-acetylgucosaminidase （NAG）， MBC，［BG+α-D-cellobiohydrolase （CBH）］∶β-acetylgucosaminidase （AKP），（NAG+LAP）∶AKP and MBN∶MBP， but negatively correlated with AKP. After addition of biochar to the field， soil AP was significantly positively correlated with BG， CBH， LAP， NAG， MBC， MBN，（BG+CBH）∶AKP， but negatively correlated with MNC∶MBN. Taken together， these findings highlight that addition of biochar to the field increased soil nutrient content and microbial biomass， whereas returning straw to the field was conducive to maintenance of soil nutrient balance.

Key words: biochar addition and straw addition, sandy soil, enzymatic stoichiometry, microbial stoichiometry, nutrient balance

孙娇, 梁锦秀, 孔德杰, 郭鑫年, 魏永东, 周涛. 生物炭与秸秆还田对风沙土壤-微生物-胞外酶化学计量特征的影响[J]. 草业学报, 2021, 30(11): 29-39.

Jiao SUN, Jin-xiu LIANG, De-jie KONG, Xin-nian GUO, Yong-dong WEI, Tao ZHOU. Effects of biochar and straw on the C∶N∶P stoichiometry of soil， microbes， and extracellular enzymes in an aeolian sandy soil[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2021, 30(11): 29-39.

图/表 7

参考文献 37

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处理Treatment	秸秆Straw （t·hm^-2）	生物炭Biochar （t·hm^-2）	N （kg·hm^-2）	P₂O₅（kg·hm^-2）	K₂O （kg·hm^-2）
对照CK	0.0	0.0	330	105	90
低量秸秆SI	3.5	0.0	330	105	90
中量秸秆SII	7.0	0.0	330	105	90
高量秸秆SIII	10.5	0.0	330	105	90
低量生物炭BCI	0.0	3.4	330	105	90
中量生物炭BCII	0.0	6.8	330	105	90
高量生物炭BCIII	0.0	10.2	330	105	90

处理Treatment	秸秆Straw （t·hm^-2）	生物炭Biochar （t·hm^-2）	N （kg·hm^-2）	P₂O₅（kg·hm^-2）	K₂O （kg·hm^-2）
对照CK	0.0	0.0	330	105	90
低量秸秆SI	3.5	0.0	330	105	90
中量秸秆SII	7.0	0.0	330	105	90
高量秸秆SIII	10.5	0.0	330	105	90
低量生物炭BCI	0.0	3.4	330	105	90
中量生物炭BCII	0.0	6.8	330	105	90
高量生物炭BCIII	0.0	10.2	330	105	90

土壤酶 Soil enzyme	缩写 Abbreviations	反应底物 Substrates
β-葡糖苷酶β-glucosidase	BG	4-甲基伞形酮酰-β-D-吡喃葡萄糖苷4-Methylumbelliferyl-β-D-glucopyranoside
α-纤维素酶α-D-cellobiohydrolase	CBH	4-甲基伞形酮酰-b-D-纤维二糖苷4-Methylumbelliferyl-b-D-cellobioside
β-乙酰葡糖胺糖苷酶β-acetylgucosaminidase	NAG	4-甲基伞形酮酰-β-D-吡喃葡萄糖酸苷4-Methylumbelliferyl-β-D-glucosaminide
亮氨酸氨基肽酶Leucine aminopeptidase	LAP	L-亮氨酸-7-氨基-4-盐酸甲基香豆素L-Leucine-7-amido-4-methylcoumarin hydrochloride
碱性磷酸酶Alkaline phosphatase	AKP	4-甲基伞形酮酰-磷酸酯4-Methylumbelliferyl phosphate

土壤酶 Soil enzyme	缩写 Abbreviations	反应底物 Substrates
β-葡糖苷酶β-glucosidase	BG	4-甲基伞形酮酰-β-D-吡喃葡萄糖苷4-Methylumbelliferyl-β-D-glucopyranoside
α-纤维素酶α-D-cellobiohydrolase	CBH	4-甲基伞形酮酰-b-D-纤维二糖苷4-Methylumbelliferyl-b-D-cellobioside
β-乙酰葡糖胺糖苷酶β-acetylgucosaminidase	NAG	4-甲基伞形酮酰-β-D-吡喃葡萄糖酸苷4-Methylumbelliferyl-β-D-glucosaminide
亮氨酸氨基肽酶Leucine aminopeptidase	LAP	L-亮氨酸-7-氨基-4-盐酸甲基香豆素L-Leucine-7-amido-4-methylcoumarin hydrochloride
碱性磷酸酶Alkaline phosphatase	AKP	4-甲基伞形酮酰-磷酸酯4-Methylumbelliferyl phosphate

处理 Treatment	有机碳 Organic carbon （g·kg^-1）	全氮 Total nitrogen （g·kg^-1）	全磷 Total phosphorus （g·kg^-1）	碳氮比 C/N	碳磷比 C/P
对照CK	3.72±0.18c	0.37±0.01a	0.50±0.01b	10.12±0.65a	7.45±0.26b
低量秸秆SI	3.94±0.26b	0.37±0.01a	0.51±0.00b	10.71±0.89a	7.67±0.51ab
中量秸秆SII	3.98±0.01ab	0.38±0.01a	0.52±0.01ab	10.58±0.33a	7.59±0.18ab
高量秸秆SIII	4.14±0.17a	0.38±0.02a	0.51±0.05b	10.94±0.57a	8.17±0.14a
低量生物炭BCI	3.94±0.13b	0.36±0.00a	0.51±0.00b	10.91±0.49a	7.70±0.31ab
中量生物炭BCII	4.03±0.01ab	0.37±0.00a	0.52±0.01ab	10.85±0.06a	7.71±0.11ab
高量生物炭BCIII	4.15±0.34a	0.38±0.02a	0.55±0.00a	10.83±0.33a	7.54±0.66ab
处理 Treatment	氮磷比 N/P	速效氮 Available nitrogen （mg·kg^-1）	速效磷 Available phosphorus （mg·kg^-1）	速效氮磷比 Available N/P
对照CK	0.74±0.02ab	18.00±0.12d	6.70±0.16b	2.75±0.14b
低量秸秆SI	0.72±0.01abc	20.33±0.60c	6.95±0.09b	2.91±0.07ab
中量秸秆SII	0.72±0.01abc	24.07±0.79b	7.40±0.21b	3.24±0.12a
高量秸秆SIII	0.75±0.03a	25.09±1.02b	7.45±1.05b	3.40±0.43a
低量生物炭BCI	0.71±0.00bc	24.05±1.16b	7.25±0.71b	3.46±0.55a
中量生物炭BCII	0.71±0.01abc	25.07±1.06b	7.72±0.13b	3.39±0.23a
高量生物炭BCIII	0.70±0.04c	27.78±0.61a	8.82±0.21a	3.23±0.09ab

生物炭与秸秆还田对风沙土壤-微生物-胞外酶化学计量特征的影响

Effects of biochar and straw on the C∶N∶P stoichiometry of soil， microbes， and extracellular enzymes in an aeolian sandy soil

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指标 Index	β-葡糖苷酶 BG	亮氨酸氨基肽酶 LAP	β-乙酰葡糖胺糖苷酶 NAG	碱性磷酸酶 AKP	微生物量碳 MBC	微生物量氮 MBN	酶碳氮比（BG+CBH）/（NAG+LAP）	酶碳磷比（BG+CBH）/AKP	酶氮磷比（NAG+LAP）/AKP	微生物氮磷比 MBN/MBP
有机碳SOC	0.39	0.44	0.49	-0.63*	0.39	0.29	0.02	0.61*	0.64*	0.40
全氮TN	0.03	0.18	0.35	-0.44	0.42	0.41	-0.17	0.34	0.42	0.50
全磷TP	-0.09	0.21	0.40	-0.39	0.33	0.42	-0.36	0.26	0.39	0.30
碳氮比C/N	0.41	0.46	0.44	-0.51	0.26	0.17	0.03	0.52	0.54	0.17
碳磷比C/P	0.73**	0.43	0.36	-0.55	0.26	0.01	0.47	0.67*	0.56	0.39
氮磷比N/P	0.44	-0.18	-0.33	0.10	-0.12	-0.37	0.76**	0.10	-0.14	0.26
速效氮AN	0.80**	0.80**	0.83**	-0.88**	0.87**	0.64*	0.29	0.92**	0.90**	0.79**
速效磷AP	0.28	0.40	0.56	-0.61*	0.51	0.42	-0.10	0.55	0.62*	0.57
速效氮磷比AN/AP	0.83**	0.72**	0.63*	-0.66*	0.72**	0.48	0.47	0.77**	0.68*	0.57

指标 Index	β-葡糖苷酶 BG	α-纤维素酶 CBH	亮氨酸氨基肽酶 LAP	β-乙酰葡糖胺糖苷酶NAG	碱性磷酸酶 AKP	微生物量碳 MBC	微生物量氮 MBN
有机碳SOC	0.53	0.52	0.65*	0.61*	-0.18	0.77**	0.63*
全氮TN	0.56	0.42	0.38	0.50	0.07	0.65*	0.43
全磷TP	0.89**	0.95**	0.86**	0.97**	0.09	0.92**	0.94**
碳氮比C/N	0.20	0.29	0.52	0.39	-0.35	0.49	0.45
碳磷比C/P	-0.05	-0.13	0.09	0.01	-0.27	0.22	0.01
氮磷比N/P	-0.31	-0.51	-0.56	-0.45	0.11	-0.33	-0.56
速效氮AN	0.68*	0.79**	0.97**	0.71**	-0.34	0.91**	0.93**
速效磷AP	0.87**	0.88**	0.85**	0.89**	0.03	0.91**	0.90**
速效氮磷比AN/AP	0.06	0.22	0.55	0.09	-0.60*	0.38	0.43
指标 Index	微生物量磷 MBP	酶碳磷比（BG+CBH）/AKP	酶氮磷比（NAG+LAP）/AKP	微生物碳氮比MBC/MBN	微生物碳磷比MBC/MBP	微生物氮磷比MBN/MBP
有机碳SOC	0.55	0.62*	0.61*	-0.63*	-0.46	0.18
全氮TN	0.03	0.57	0.28	-0.28	0.11	0.51
全磷TP	0.47	0.93**	0.67*	-0.83**	-0.35	0.66*
碳氮比C/N	0.71**	0.33	0.58*	-0.58*	-0.71*	-0.21
碳磷比C/P	0.30	0.02	0.19	-0.10	-0.28	-0.30
氮磷比N/P	-0.58*	-0.37	-0.51	0.65*	0.61*	-0.05
速效氮AN	0.82**	0.84**	0.93**	-0.96**	-0.73**	0.26
速效磷AP	0.51	0.91**	0.69*	-0.79**	-0.37	0.57
速效氮磷比AN/AP	0.72**	0.27	0.69*	-0.65*	-0.74**	-0.27