土壤酶是由微生物、动植物活体及残骸分解释放于土壤中的一类活性物质,是土壤生态系统保持物质和能量转化联系的纽带^[1]。酶活性的增强可促进土壤的代谢作用,使土壤养分形态发生变化,从而提高其有效性。土壤酶活性是土壤生物活性和肥力的重要指标。其中土壤脲酶活性对评价土壤肥力水平有重要意义。随着“马铃薯主粮化战略”的提出,浙江省湖州市是全国第2批推广试点城市,但是由于该地区土壤瘠薄、土质较差、保水保肥性差,导致水肥利用率低,成为马铃薯产量和品质提高的重要限制因子。因此研究保水保肥的新型肥料及其增产机制对改良土壤、提高马铃薯产量和品质具有重要意义。

生物炭基肥是根据作物不同生育期的需肥要求,将生物炭与化肥按照一定比例混合加工制成的一种新型缓释肥料,具有改良土壤、增加地温、保水、保肥和延长肥效的功能。其主要成分是生物质炭。生物炭是由农业生产上的作物秸秆、枝条、咖啡渣等废弃物在低氧或部分缺氧条件下,经热裂解炭化产生的一类高度芳香烃难熔性固态物质^[2]。它能延缓肥料在土壤中的养分释放,提高土壤有机碳含量,提高地温及土壤保水保肥能力,促进土壤微生物繁殖,提高土壤肥力,是肥料的增效载体^[3],具有良好的土壤改良作用^[4]。学者在生物质炭对菜豆、玉米、水稻^[5]等作物上的应用效果做了相关研究,但生物炭基肥对土壤脲酶活性的影响报道较少。有研究^[6,7]表明,施用生物炭会促进与N、P等矿质元素利用相关的土壤脲酶活性,降低参与土壤碳矿化等生态学过程的土壤脲酶活性。许云翔等^[8]施用生物质炭6年后发现,15t/hm²的生物质炭下土壤脲酶活性比0t/hm²增加了36.5%。侯建伟等^[9]和赵军^[10]研究表明,生物质炭可显著提高土壤脲酶活性,其活性随着生物质炭施入量的增加而增强。但是,关于生物炭基肥对马铃薯土壤脲酶活性和产量影响的研究目前还鲜见报道。本试验通过比较生物炭基肥和等量N、P、K化肥对土壤脲酶活性和马铃薯产量的影响,为生物炭基肥在马铃薯生产上的应用提供科学依据。

试验于2019和2020年8-12月在浙江省湖州市吴兴区八里店镇试验基地（30°22′ N,119°15′ E）进行。该地四季分明,气候温和,年均气温15.8℃,年均降水量约1200mL,无霜期约225d,属亚热带季风气候,试验地土壤为砂壤土。2019和2020年试验地0~20cm耕层有机质含量分别为9.06和11.89g/kg,碱解氮为43.88和44.23mg/kg,有效磷为11.21和12.41mg/kg,速效钾为101.59和98.39mg/kg,pH为8.13和8.09。供试马铃薯品种为“中薯3号”的脱毒原种,肥料为尿素（N 46.3%）、过磷酸钙（P₂O₅ 16%）、硫酸钾（K₂O 52%）和生物炭基马铃薯专用肥（含有机碳64%,氮10%,磷8%,钾18%,由生物质炭与化肥复合而成）。

共设9个处理,包括4个不同生物炭基肥处理,施肥量分别是300、600、900、1200kg/hm²,用T₁、T₂、T₃、T₄表示;5个对照处理,分别为不施肥（CK₀）以及与T₁、T₂、T₃、T₄对应等量N、P₂O₅、K₂O施肥处理,用CK₁、CK₂、CK₃、CK₄表示,各处理施肥量见表1。采用随机区组设计,4次重复。小区面积30m²（5.0m×6.0m）,行距60cm,株距31.3cm,播种密度52 500株/hm²,各处理肥料在播种时作为基肥一次性全部施入。2019年8月19日人工播种,11月25日收获测产;2020年8月10日人工播种,11月28日收获测产,灌溉均采用滴灌,其他管理同一般生产田。

于2019年和2020年9-12月进行样品采集,在马铃薯苗期、块茎增长期和成熟收获期分别取0~10、10~20和20~40cm耕层土壤。每个小区沿对角线取3点,剔除石块和植物残根等杂物,混合制样,装袋后带回实验室,样品风干后过1mm筛,采用靛酚蓝比色法[NH₃-N mg/(g·24h),37℃]^[11]测定土壤脲酶活性。

采用Excel 2010、SAS 9.1和SPSS 13.0统计分析软件进行数据处理。

土壤脲酶是一种有高度专一性的酶,能促进土壤中含氮有机化合物的分解,最终产物是氨、二氧化碳和水,其活性常用来表征土壤氮素转化和供应强度。从图1~3可看出,2019和2020年土壤脲酶活性变化规律相似。随马铃薯生育期推进,施肥处理的马铃薯0~40cm土层的土壤脲酶活性均呈先升高后降低趋势。整体来看,块茎增长期土壤脲酶活性最强,2年平均值在1.03~1.41mg/(g·24h)之间,其次是成熟收获期,苗期脲酶活性最弱。在马铃薯苗期、块茎增长期、成熟收获期各施肥处理的土壤脲酶活性2年平均值分别较CK₀提高8.88%~33.47%、8.76%~25.34%和3.12%~18.27%。表明施肥可以增强土壤脲酶活性,其活性高低与植物生长发育速度密切相关。

在马铃薯相同生育时期,土壤脲酶活性随着土层深度的增加而减小,0~10cm土层脲酶活性最高,各处理各时期2年平均值变化在0.95~1.19mg/(g·24h)之间,脲酶活性较10~20cm土层高6.19%~8.17%,较20~40cm土层高12.86%~17.09%。说明土壤脲酶活性存在表层富集效应,可能是表层土壤能较好地与外界进行物质与能量交换,利于微生物的繁殖来增强土壤脲酶活性。

土壤脲酶是一种酰胺酶,其活性高低表征土壤的氮素状况。同一土层中,随着施肥量的增加,马铃薯田土壤脲酶活性逐渐升高,且均高于CK₀。由图1可知,在马铃薯苗期,CK₁、CK₂、CK₃、CK₄处理的脲酶活性分别高于T₁、T₂、T₃、T₄,且0~10、10~20和20~40cm土层脲酶活性2年均值分别较生物炭基肥处理高4.74%~7.17%,2.52%~3.66%和1.64%~4.87%。说明化肥作为一种速效肥料,可以快速提高土壤氮素转化,促进马铃薯生长发育,0~10cm土层氮素转化效率最高。由图2和图3可知,在马铃薯块茎增长期和成熟收获期,T₁、T₂、T₃、T₄处理的土壤脲酶活性均分别高于CK₁、CK₂、CK₃、CK₄,其中块茎增长期施生物炭基肥处理的0~10、10~20和20~40cm土层脲酶活性2年平均值较施化肥处理提高0.71%~3.16%,1.81%~3.57%和2.22%~4.04%;成熟收获期提高2.49%~5.61%,1.59%~4.53%和2.45%~3.89%。表明生物炭基肥具有缓释效果,与等量化肥相比,更能满足马铃薯生长中后期对氮肥的需求。

由表2可知,2019和2020年马铃薯产量及其构成因素变化规律相似。除CK₁外,各施肥处理的马铃薯单株结薯数差异不显著。T₁、T₂、T₃和T₄马铃薯单薯重分别与CK₀达到了显著或极显著差异。各施肥处理的马铃薯单株结薯数、单薯重、大薯率表现为T₃>CK₃>T₄>CK₄>T₂>CK₂>T₁>CK₁>CK₀。T₁~T₄处理产量2年平均值分别较CK₁~CK₄处理增加了1.32%~7.85%、4.57%~9.81%、6.44%~14.79%和9.38%~12.17%。2年产量平均值表现为T₃>T₄>CK₃>T₂>CK₄>T₁>CK₂>CK₁>CK₀,T₃处理产量最高,达到了32 655.62kg/hm²,极显著高于CK₀。表明施生物炭基肥能提高氮肥利用率,延长氮素在土壤中的存留期,减少淋失,促进马铃薯生长发育,通过提高单株结薯数、单薯重和大薯率等增加产量。

由表3可以看出,在马铃薯不同生育时期,土壤脲酶活性与马铃薯产量间存在正相关关系。特别是块茎增长期和成熟收获期,土壤脲酶活性与产量均呈极显著正相关,相关系数达0.926~0.972。说明这2个时期土壤脲酶活性的高低直接影响马铃薯产量。

土壤酶是参与土壤新陈代谢的重要物质,土壤里发生的生化反应几乎都是由土壤酶参与完成的。土壤脲酶参与土壤中氮的循环,是土壤中有机氮转化成有效氮,再被植物吸收过程中不可或缺的^[12,13]。李东坡等^[14]在吉林省0~25cm土壤脲酶活性动态的研究表明,施肥处理的脲酶活性表现为高量有机肥>低量有机肥>化肥>不施肥。本试验中,随着施肥量的增加,马铃薯田土壤脲酶活性逐渐增加。在相同施肥量下,苗期施化肥的马铃薯田土壤脲酶活性高于施生物炭基肥处理,在块茎增长期和成熟收获期,施生物炭基肥的马铃薯田土壤脲酶活性高于施化肥处理。施六八^[15]研究表明,施用炭基复合肥能够显著提高萝卜的产量,比施常规复合肥增产2161.05~3928.65kg/hm²,主要原因是炭基复合肥比常规复合肥的利用率高,可以持续供应萝卜生长所需的养分。刘小虎等^[16]研究表明,在相同施肥量下,炭基缓释专用肥处理的花生产量大于N、P、K肥处理。本试验中,在一定范围内增施生物炭基肥可以改善马铃薯的单株结薯数、单薯重和大薯率等产量构成因素,从而提高了马铃薯产量。

施肥改善了土壤结构,增强了土壤脲酶活性,进而促进了土壤微生物的新陈代谢,加速土壤养分转化,提高了土壤供肥能力,为马铃薯生长提供了良好的环境,但是施肥过量反而降低马铃薯产量。本文研究结果展示了生物炭基肥的良好应用前景。但是,由于生物炭基肥的缓释效应,在浙江地区为了促进马铃薯前期的生长,生物炭基肥和化肥配合施用能否进一步增加马铃薯的产量还需要做深入研究。

在等量施肥条件下,施生物炭基肥可以提高土壤脲酶活性,满足马铃薯全生育时期生长发育需求。在马铃薯苗期,土壤脲酶活性表现为CK₄>T₄>CK₃>T₃>CK₂>T₂>CK₁>T₁>CK₀;在块茎增长期和成熟收获期,土壤脲酶活性表现为T₄>CK₄>T₃>CK₃>T₂>CK₂>T₁>CK₁>CK₀。马铃薯不同生育时期土壤脲酶活性表现为块茎增长期>成熟收获期>苗期;不同土层脲酶活性表现为0~10cm>10~20cm>20~40cm。各施肥处理的马铃薯单株结薯数、单薯重、大薯率为T₃>CK₃>T₄>CK₄>T₂>CK₂>T₁>CK₁>CK₀。马铃薯产量为T₃>T₄>CK₃>T₂>CK₄>T₁>CK₂>CK₁>CK₀。生物炭基肥具有缓释的作用,可以提高肥料利用率,与等量N、P、K化肥相比更能满足马铃薯中后期生长发育对养分的需求。生物炭基肥施用量为900kg/hm²时马铃薯产量最高,可作为浙江地区马铃薯种植的推荐施肥量。