   生物炭是一种在低氧条件下对农业废弃物、动物生物质或污泥等固体废料进行炭化处理所生成的一种富含碳元素、高度芳香化的固体材料。生物炭具有较大的比表面积、高度多孔等特点，其特殊结构能够提高土壤的保水保肥能力，固持土壤的养分元素。近些年来，生物炭在改善土壤结构、提高作物养分利用率、修复土壤重金属污染和补充土壤碳库等方面发挥着重要作用。因此，研究生物炭与土壤酶活性及土壤生态功能之间的作用机制对维持土壤生态系统的稳定具有重要意义。
1土壤酶活性对生物炭的响应 生物炭与土壤酶活性之间的关系受生物炭种类及施用量、作物类型、耕作制度、土壤酶的种类等多种因素影响。究其本质主要有3个方面：（1）生物炭的施用通过改变土壤微生物的群落结构来影响土壤酶活性；（2）生物炭的施用通过改善土壤理化性质来影响土壤酶活性；（3）生物炭自身理化特性作用于土壤酶。  2 生物炭对土壤酶的直接作用
生物炭对土壤中不同酶活性产生了不同影响。生物炭疏松多孔的结构有利于土壤性质改善，从而促进土壤酶活性提高，不同施用量对土壤酶活性的影响具有显著差异性。生物炭对促进土壤酶的产生具有一定的潜在作用。相反，一些研究表明，生物炭的吸附作用会抑制土壤酶活性，导致土壤中葡萄糖淀粉酶、脂肪酶等活性变化水平不同。不同类型生物炭对土壤酶活性作用不同。生物炭中的有机组分在缺氧热解条件下与矿物元素相互作用产生稳定的自由基（EPFRs），这些EPFRs又参与促进土壤生态系统中碳循环。研究发现，生物炭表面的EPFRs可以对酶的活性位点造成氧化损伤，同时土壤中酶和蛋白质等大分子物质在EPFRs的作用下易被氧化而变形、断裂，从而抑制酶活性。生物炭不同热解温度对土壤酶活性影响也不同，在低温（<500℃)条件下生物炭对N、P及脱氢酶活性影响显著，在高温(≥500℃)热解条件下生物炭对大多数酶呈抑制作用。总的来说，生物炭的原材料以及制备方式对不同土壤酶活性产生的影响不同，选择适宜类型生物炭来促进土壤微生物生长并改善土壤理化性质，生物炭可以显著稳定土壤酶活性，并保护土壤酶在胁迫条件下不被降解或变性。因此，生物炭的特殊性质是保护酶活性的关键因素。 3 生物炭对土壤酶的间接作用 生物炭具有较高的碳含量及稳定性，可以为与土壤碳循环有关的酶提供充足的反应底物，从而促进相关酶活性。生物炭可以为土壤酶提供适宜的pH技能来提高酶活性。pH可以通过改变土壤微生物丰度来影响土壤酶活性。另外，pH可能通过改变土壤酶的空间构象以及酶与土壤颗粒之间的结合状态来影响酶活性。生物炭本身包含部分金属离子，不同种类金属离子对土壤酶活性的调节作用不同。例如：K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+等金属离子可以作为土壤酶的辅助因子来刺激酶活性，而Cu2+、Ni2+、Pb2+等金属离子可以与酶和底物反应，改变酶的空间构象，从而抑制酶活性。同时，生物炭对土壤酶活性的影响主要取决于土壤微生物对生物炭内营养物质的利用程度。土壤养分的可用性使微生物产生特定的酶，导致各种酶活性调整。生物炭施入后可以改变土壤的营养结构，进而调节微生物对不同酶的分泌程度。因此，生物炭自身的养分有效性与土壤酶相对活性关系密切。  4 生物炭对土壤改良的作用机制初探
生物炭对土壤主要酶活性及其生态功能的作用机理如图2所示，当生物炭施入土壤后，通过提高土壤微生物活性、补充土壤碳素、调节土壤pH、表面附着官能团的吸附作用以及自身含有的营养物质进而影响土壤主要酶活性。不同生物炭具有不同的吸附性能及利用效率，其对土壤酶活性的影响作用也不同，因此，要针对具体情况进行选择，优化生产工艺、选择合适的原料制备高质量生物炭以应对不同的土壤类型。同时，随着土壤酶活性的改变，其对土壤生态功能的作用效果不同。例如，水解酶类（蔗糖酶、脲酶、磷酸酶）能够水解土壤中的多糖、蛋白质等大分子物质，对于土壤生态系统中的碳、氮循环具有重要意义。氧化还原酶类（过氧化氢酶）能够参与土壤中腐殖质的分解与合成，对土壤中物质和能量的转化具有重要作用。  生物炭通过提高土壤pH、改善土壤微生物结构、补充土壤碳素、自身的吸附作用以及提供大量营养物质来影响土壤酶活性。这些酶活性的改变又影响着土壤物质与能量的转化。不同的生物炭类型、土壤类型又对酶活性影响存在差异。
 海南乐东生物炭雪茄试验田 在实现“双碳”目标背景下，土壤生态系统是大气CO2、NOx、CH4等温室气体的“转换媒介”，而这些温室气体的转换过程与土壤酶系统的生物化学过程（如纤维素半纤维素的降解、有机质的矿质化）密切相关。因此，从作物、土壤微生物、土壤酶系统和碳、氮、磷等物质循环的互动机理过程探讨土壤酶对全球气候变化的响应及其互动机制可能是未来土壤酶学面临的新挑战，同时更有利于促进土壤资源健康管理和农业可持续利用。
供稿/黄治宏（研究生）编辑/李沛岩（研究生）  |
中国土壤与肥料||生物炭对土壤酶活性、生态功能研究进展及作用机制分析
时间：2025-03-21 来源： 作者：
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