生物质炭对人工林土壤纤维素酶和漆酶活性的影响：原位实验文献综述

选题名称

生物质炭对榉树人工林土壤水解酶和氧化酶活性的影响：原位实验

研究的目的

及意义

土壤有机质对土壤的物理化学性质、土壤肥力指标的影响很大，同时它又为动植物和微生物生命活动提供所需要的养分和能量的根本。研究表明，生物质炭具有固碳减排的功能，是减缓全球气候变化的潜在有效措施。本研究以榉树人工林土壤为研究对象，制备不同温度的生物质炭，通过原位实验，试图探究不同制备温度生物质炭对土壤水解酶（beta;-葡萄糖苷酶和纤维素酶）和氧化酶（酚氧化酶、过氧化物酶和漆酶）活性的影响，并初步探究其可能的原因。本研究有助于深入理解生物质炭的土壤固碳功能，并为微生物机理的研究提供基础。

国内外同类

研究概况

1. 生物质炭及其理化性质

生物质炭是近几年科学家关注的一个焦点，是生物质在无氧条件下亚高温热解的产物，属于黑炭（Blark carbon）范畴（Lehmann et al., 2006）。早在19世纪，人们在亚马逊河流域发现了一种富含碳的黑土“Terra Preta”，它富含大量的有机质及N、P、Ca、Zn等营养元素。经研究发现，这种黑土是前哥伦比亚印第安人将动植物残体及动物粪便等各种废弃物燃烧后施入到土壤中，日积月累形成的一种肥沃的人为土，这种土壤的含碳量高达9%，N、P含量是附近土壤的3倍左右，农作物产量也明显高于其它地方（袁金华等，2011）。亚马逊黑土的发现引起了全世界各类学者对生物质炭的研究。

生物质炭一般是指生物质如木材、植物组织、动物骨骼或排泄物及农林废弃物等在完全或部分缺氧的条件下经相对较低温度（＜700℃）下热裂解或炭化而制备的一类具有高度芳香化、难溶性的固态物质。生物质炭最重要的作用是其对土壤环境和作物生长的影响。大量研究表明，生物质炭可以作为土壤改良剂改善土壤的理化性质，从而间接促进作物生长（Oguntunde et al., 2008）。

生物质炭具有养分含量丰富、碱性和高稳定性等特点，因此可以降低土壤酸度，有效截留土壤养分，并在一定程度上促进养分吸收而提高作物产量。生物质炭的性质受原材料、热解温度及其速度影响非常大。不同的生产环境得到不同性质的生物质炭，从而会产生不同的土壤改良效果。生物质炭呈碱性，且裂解温度越高，pH越高。热解温度对生物质炭的质量尤其是表面化学性质和孔径大小影响非常大，生物质炭的碳含量和养分浓度受制备生物质炭的原材料类型影响较大（王典等，2012）。

2. 生物质炭对土壤水解酶和氧化酶活性的影响

1893年Woods首次从土壤中检测出一种氧化酶（关松荫，1986）。随着土壤酶学不断发展，20世纪八十年代中后期，土壤酶活性开始作为单独的指示因子出现在其它研究之中，反应出不同因素影响下土壤质量的变化（Macfadyen, 1970）。土壤酶活性在生态系统的发展以及土壤环境等研究中发挥着越来越重要的作用（Decker et al., 1999）。

研究结果表明，生物质炭能够提高酶活性。例如，Jones等（2010）研究表明，生物质炭可以增加葡萄糖苷酶、天冬酰胺酶及碱性磷酸酶的活性。施用生态炭肥（以生物质炭为主要成分）能有效提高土壤蔗糖酶、淀粉酶和纤维素酶活性（刘欢欢等，2015）。袁颖红等（2017）发现添加生物质炭对旱地红壤酶活性均有促进作用。韩召强等（2017）发现适量的生物质炭可以显著提高土壤中过氧化氢酶的活性。与之相反，生物质炭降低土壤酶活性的研究也有报道。李映廷（2012）研究表明，添加生物质炭使多酚氧化酶、过氧化氢酶、脱氢酶、纤维素酶的活性降低。郑红婷等（2017）通过对石油污染土壤的研究发现添加生物质炭降低了土壤漆酶活性，这是因为生物质炭使得土壤pH偏碱性，OH^-对漆酶具有抑制作用。

3. 生物质炭影响土壤水解酶和氧化酶活性的机理

土壤酶的主要成分是蛋白质，是一种由生物细胞产生的生物催化剂。土壤中的各种生化反应都是在相应的酶参与下完成的，土壤的酶活性决定了土壤中进行的各种生物化学过程的强度和方向。酶的活性是土壤的本质属性之一（尚艺婕等，2015）。

生物质炭的一个重要特性就是多孔性结构，其孔隙可分为微孔隙、小孔隙和大孔隙。大孔隙不仅对土壤的通气性和持水力产生影响，也能为土壤微生物提供充足的生存空间和良好的生长与繁殖环境，降低与其它微生物的生存竞争，提高微生物多样性。土壤微生物是土壤酶的一个重要来源，生物质炭通过促进土壤微生物的生长来增加土壤酶活性（熊佰炼等，2017）。

由于生物质炭的吸附性，使得生物质炭对土壤酶的作用比较复杂，一方面生物质炭对反应底物的吸附有助于酶促反应的进行而提高土壤酶活性；另一方面生物质炭对酶分子的吸附对酶促反应结合位点形成保护，而阻止酶促反应的进行。生物质炭对酶活性的影响还可能与酶的动力学特征相关（于海霞等，2007）。

参考文献

1. Decker K L M, Boemer R E J, Morris S J. Scale-dependent patterns of soil enzyme activity in a forest landscape [J]. Canadian Journal of Forest Research, 1999, 29(2): 232–241.
2. Jones B E H, Haynes R J, Phillips I R. Effect of amendement of bauxite processing sand with organic materials on its chemical, physical and microbial properties [J]. Journal of Environmental Management, 2010, 91: 2281–2288.
3. Lehmann J. Bio-energy in the black [J]. Frontiers in Ecology and the Environment, 2007, 5: 381–387.
4. Macfadyen A. Simple methods for measuring and maintaining the proportion of carbon dioxide in air, for use in ecological studies of soil respiration [J]. Soil Biology and Biochemistry, 1970, 2(1): 9–18.
5. Oguntunde P G, Abiodun B J, Ajayi A E, et al. Effects of charcoal Production on soil Physical Properties in Ghana [J]. Journal of Plant Nutrient and Soil Science, 2008, 171: 591–596.
6. 关松荫. 不同垦殖年限黑土农化性状与酶活性的变化[J]. 土壤通报, 1986, 17(4): 157–189.
7. 韩召强, 陈效民, 曲成闯, 等. 生物质炭施用对潮土理化形状、酶活性及黄瓜产量的影响[J]. 水土保持学报, 2017, 31(6): 272–278 .
8. 李映廷. 低碳氮比下生物质炭对高温好氧堆肥的影响[D]. 重庆: 西南大学, 2012.
9. 刘欢欢, 董宁禹, 柴升, 等. 生态炭肥防控小麦根腐病效果及对土壤健康修复机理分析[J]. 植物保护学报, 2015, 42(4): 504–509.
10. 尚艺婕, 王海波, 史静. 外加镉处理下秸秆生物质炭对土壤酶活性的影响[J]. 农业资源与环境学报, 2015, 32(1): 20–25.
11. 王典, 张祥, 姜存仓, 等. 生物质炭改良土壤及对作物效应的研究进展 [J]. 中国生态农业学报, 2012, 20(8): 963–967.
12. 熊佰炼, 谭必勇. 生物质炭还田利用对土壤酶活性影响研究现状[J]. 遵义师范学院学报, 2017, 19(3): 106–110.
13. 于海霞, 戴伟, 夏良放, 等. 亚热带不同人工林对土壤酶活性及其动力学特征的影响[J]. 北京林业大学学报, 2007, 29(1): 114–118.
14. 袁金华, 徐仁扣. 生物质炭的性质及其对土壤环境功能影响的研究进展[J]. 生态环境学报, 2011, 20(4): 472–476.
15. 袁颖红, 张文锋, 周际海, 等. 改良剂对旱地红壤活性有机碳及土壤酶活性的影响[J]. 土壤, 2017, 49(5): 909–918.
16. 郑红婷, 张秀霞, 钟哲森, 等. 石油污染土壤中漆酶活性的影响因素[J]. 环境工程学报, 2017(10): 5703–5707.

研究内容

及计划

1.研究内容

（1）生物质炭对人工林土壤水解酶活性的影响

选取下蜀榉树人工林，通过原位实验，结合室内分析，研究不同制备温度生物质炭对人工林土壤beta;-葡萄糖苷酶和纤维素酶活性的影响。

（2）生物质炭对人工林土壤氧化酶活性的影响

选取下蜀榉树人工林，通过原位实验，结合室内分析，研究不同制备温度生物质炭对人工林土壤酚氧化酶、过氧化物酶和漆酶活性的影响。

（3）生物质炭对人工林土壤pH的影响

同时跟踪测定土壤pH，分析土壤水解酶酶和氧化酶活性与pH的关系，探究pH是否是影响土壤酶活性的主要原因之一。

2.研究方案

2016年11月，选取该林场内的人工榉树林为实验地。该实验地的株行距是2.5times;2.5 m，面积约为640 m²，立地条件均一。试验设3个处理：（1）不添加生物质炭的对照（CK），（2）添加300 ordm;C制备的生物质炭（B300），（3）添加500 ordm;C制备的生物质炭（B500），每个处理设3个重复。

选取1个9.5times;9.5 m的实验样地，其土壤的基本理化性质见表1。实验采用随机区组设计。将样地分为3个区组，每个区组内建立3个2.5times;2.5 m的小区，每个小区间隔为0.5 m，3个处理随机分布在每个区组的3个小区内。在每个小区的中心位置，使用土钻将直径9 cm，高20 cm的土壤取出，过4 mm筛，混合均匀。将1100 g（烘干土计）土壤回填至静态箱（内径8 cm，外径9 cm，高20 cm），添加生物质炭11.0 g（过60目筛，土壤质量1%），相当于生物质炭的田间施用量为22 t ha^–1（20 cm深土层，容重为1.10 g cm^-3），样地内共布置9个静态箱。稳定一周后开始样品采集。生物质炭施用182d后采集静态箱内的土壤样品。将样品带至实验室后测定其酶活性。

3.研究计划

（1）2018年1月15日前，查阅文献，掌握国内外研究进展，完成开题报告。

（2）2018年1月，掌握土壤酶活性的测定方法，学会使用Biolog仪，开展实验，测定样品的酶活性。

（3）2018年2~4月，整理数据，完成中期检查。

（4）2018年5月，完成毕业论文并进行答辩。

特色与创新

开展原位实验，对比研究不同制备温度生物质炭对榉树人工林土壤水解酶和氧化酶活性的影响

指导教师

意 见

指导教师签名：

年 月 日