不同灌溉模式和施肥處理對受澇稻田土壤酶活性的影響

李 明，徐 濤，俞灣青，蘇 甜，劉方平，楊士紅，3

（1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100；2.江西省灌溉試驗中心站，南昌 330201；3.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210098）

0 引 言

鄱陽湖平原位于長江中下游南岸，由于7-9月長江進入主汛期，鄱陽湖受長江洪水頂托或倒灌影響而處于高水位，造成湖區(qū)洪水災(zāi)害頻發(fā)[1]。洪澇災(zāi)害嚴(yán)重影響了稻田水土環(huán)境，水稻土長期受澇漬影響，使得土壤微生物及酶活性較差，土壤脲酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶活性下降[2-4]。土壤酶活性是評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，與土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)密切相關(guān)，能夠直接或間接反映土壤氮、磷、鉀的形態(tài)和含量以及有機質(zhì)的存在狀況，可以用來監(jiān)測土壤環(huán)境的近期變化[5-7]。土壤脲酶能促進有機物質(zhì)水解生成NH3和CO2，過氧化氫酶在H2O2清除系統(tǒng)中起重要作用，酸性磷酸酶能催化土壤有機磷化合物礦化，以上3 種酶活性與土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量等土壤肥力指標(biāo)密切相關(guān)[6]。因此，土壤相關(guān)酶活性改善對于改良長期受澇影響稻田土壤具有重要意義。

灌溉會影響土壤酶活性，諸多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)節(jié)水灌溉可以提高土壤酶活性。劉宇鋒等[8]研究表明，間歇灌溉稻田土壤脲酶活性較常規(guī)灌溉增加12.0%～166.4%，土壤酸性磷酸酶活性在孕穗、抽穗期增加7.6%～41.9%。王波等[9]研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)水稻作模式土壤脲酶、過氧化氫酶、磷酸酶活性均有不同程度增加，且對脲酶和磷酸酶影響最大。施肥也對土壤酶活性有影響。近年來，土壤調(diào)理劑和炭基肥作為新型肥料被廣泛應(yīng)用于土壤改良，以提高土壤質(zhì)量。為解決土壤退化、污染等問題，土壤調(diào)理劑應(yīng)運而生，合理施用土壤調(diào)理劑能補充土壤營養(yǎng)元素，有效改善土壤理化性狀，調(diào)整土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和數(shù)量[10]。孫薊鋒[11]施用幾種礦物源土壤調(diào)理劑后發(fā)現(xiàn)，土壤脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶活性均得到顯著提高。炭基肥以生物質(zhì)炭為基質(zhì)，與有機或無機肥料配制而成，可以改善土壤理化性質(zhì)、調(diào)節(jié)土壤微生物活性[12]。研究表明[13,14]，炭基肥能夠增加土壤脲酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶活性。已有研究主要集中在灌溉模式或施肥處理單一因素對土壤酶活性的影響，不同灌溉模式下施加土壤調(diào)理劑或炭基肥對稻田土壤酶活性影響的研究尚少，且灌溉與施肥處理對土壤酶活性的影響針對長期受澇影響土壤是否適用有待深入研究。

因此，本研究以鄱陽湖平原長期受澇水稻土為供試土壤，利用盆栽試驗，在等量稻草還田和化肥施用條件下，比較常規(guī)灌溉和間歇灌溉2種灌溉模式下，施用土壤調(diào)理劑和炭基肥對稻田土壤脲酶、過氧化氫酶和酸性磷酸酶活性的影響，闡述土壤酶活性隨水稻生長的變化規(guī)律，以期為研究不同灌溉模式和施肥處理對受澇稻田土壤質(zhì)量的改良效果提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2021年在江西省灌溉試驗中心站高田試驗基地內(nèi)的水稻盆栽試驗區(qū)進行。試驗基地處于贛撫平原灌區(qū)南昌縣向塘鎮(zhèn)，地理位置為東經(jīng)116°00′，北緯28°26′，海拔為22 m。贛撫平原灌區(qū)為典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)性氣候區(qū)，適合多種農(nóng)作物生長。灌區(qū)年平均氣溫可達17.5 ℃，年平均日照為1 720.8 h，年平均蒸發(fā)量1 139 mm，年平均降雨量1 747 mm。但降雨量全年分布不均，4-6月的降雨較多，占全年降雨量的48%，7-9月降雨較少，僅占全年降雨量的20%。

根據(jù)稻田受洪澇災(zāi)害影響程度，將鄱陽湖平原受澇區(qū)域分重災(zāi)區(qū)、常災(zāi)區(qū)和易災(zāi)區(qū)，本次盆栽試驗土壤采集自受澇重災(zāi)區(qū)的康山墾總場，位于烏泥鎮(zhèn)西北方向（見圖1），該地長期受汛期持續(xù)強降雨和長江洪水頂托或倒灌影響，使低洼地區(qū)的水稻田處于淹沒、受澇狀態(tài)。試驗土壤為粉質(zhì)粘土，0～20 cm 土層土壤pH 值5.0，堿解氮184.1 mg/kg，速效鉀131.77 mg/kg，速效磷19.6 mg/kg，有機質(zhì)46.7 g/kg。

圖1 鄱陽湖平原受澇區(qū)域分布Fig.1 Distribution of waterlogging area in Poyang Lake plain

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2021年6-10月進行，試驗設(shè)置2 種灌溉模式，分別為常規(guī)灌溉（W1）和間歇灌溉（W2）。不同灌溉模式下設(shè)置3 種施肥處理，分別為稻草還田+化肥（F1）、稻草還田+化肥+土壤調(diào)理劑（F2）、稻草還田+化肥+炭基肥（F3），共6 個處理，依次記為W1F1 （對照）、W1F2、W1F3、W2F1、W2F2、W3F3，每個處理重復(fù)3 次。試驗于盆栽中進行，盆缽長×寬×高=30 cm×40 cm×25 cm，每盆裝風(fēng)干土20 kg，每盆栽插6 穴，每穴選定2 株長勢均勻的秧苗進行栽插，水稻品種為天優(yōu)華占。6月29日移栽至盆缽，10月8日收割。用塑料大棚遮雨。

1.3 水肥管理及采樣分析

常規(guī)灌溉按照當(dāng)?shù)厮痉N植習(xí)慣管理，除分蘗末期烤田，插秧后田間一直保持3～5 cm 水層，在收獲前自然落干。間歇灌溉在插秧后淹水，分蘗末期烤田，復(fù)水后每次灌溉保持3 cm 水層，直到田間水自然落干后再灌水，后落干，再灌水，這樣反復(fù)至收獲。

化肥為尿素（N 46%）、鈣鎂磷肥（P2O512%）和氯化鉀（K2O 60%），土壤調(diào)理劑含CaO≥50%、SiO2≥30%、MgO≥5%、P2O5≥8%，pH 值為9～12；炭基肥含有機質(zhì)≥45%、N+P2O5+K2O≥5%。每盆稻草用量為67 g，土壤調(diào)理劑13.3 g，炭基肥13.3 g，全部做基肥施用?；视昧堪疵壳Э送罭 0.18、P2O50.1、K2O 0.18 g/kg 計算，即每盆施N 3.6 g、P2O52.0 g、K2O 3.6 g。磷肥全部做基肥施用，氮鉀肥均按基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶2∶3比例施用。

試驗在分蘗期、抽穗期、收割后共采集3次土樣，采用三點采樣法隨機采集盆栽0～10 cm 土層土壤，剔除植物根系、石礫，將土樣自然風(fēng)干后研磨，分別過30 目篩和60 目篩以供測定土壤酶活性。采用試劑盒測定土壤脲酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶活性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016對試驗數(shù)據(jù)進行初步分析，建立數(shù)據(jù)庫并繪制圖表。數(shù)據(jù)方差分析與顯著性差異分析采用SPSS 19.0完成，采用最小顯著性差異法（LSD）法作多重比較分析（差異顯著性水平為p＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉模式和施肥處理對受澇稻田土壤脲酶活性的影響

各處理土壤脲酶活性隨生育期先減少后增加，表現(xiàn)為分蘗期＞收割后＞抽穗期，但各生育期變化不大（見圖2）。在同一灌溉模式下，施用土壤調(diào)理劑和炭基肥都提高了脲酶活性，各生育期均呈現(xiàn)F3＞F2＞F1。W1F3 和W1F2 在分蘗期、抽穗期、收割后分別比W1F1 增加3.11% 和0.69%、15.33% 和7.33%、8.59%和5.75%；W2F3 和W2F2 在分蘗期、抽穗期、收割后比W2F1 分別增加11.61%和2.68%、5.14%和3.20%、8.12%和3.22%。施肥處理相同時，各生育期間歇灌溉處理下的脲酶活性高于常規(guī)灌溉處理組，表現(xiàn)為W2＞W(wǎng)1，W2 處理組在分蘗期、抽穗期、收割后分別增加4.37%～12.98%、1.79%～11.66%、0.45%～2.91%。與W1F1 相比，其他處理在各生育期脲酶活性均增加，在分蘗期、抽穗期、收割后分別增加0.69%～16.49%、7.33%～17.40%、2.91%～11.27%，且差異均不顯著。同時，W2F2、W2F3 的增加幅度高于其他處理，說明間歇灌溉配施土壤調(diào)理劑或炭基肥更有利于提高受澇稻田土壤脲酶活性，且炭基肥的效果優(yōu)于土壤調(diào)理劑。

圖2 受澇稻田土壤脲酶活性變化Fig.2 Changes of soil urease activities in waterlogging paddy fields

2.2 不同灌溉模式和施肥處理對受澇稻田土壤過氧化氫酶活性的影響

土壤過氧化氫酶活性隨著生育期的推進基本呈先減少后增加的變化趨勢（見圖3）。分蘗期時，除W2F3外，其他處理的過氧化氫酶活性比W1F1 增加9.19%～29.60%。同一灌溉模式下，W1F2、W1F3 過氧化氫酶活性比W1F1 增加11.74%、9.19%；與W2F1 相比，W2F2 增加了2.88%，W2F3 顯著減少了37.67%（p＜0.05）。W2F3 處理過氧化氫酶活性顯著降低，可能是由于炭基肥施用到田間后，吸附了過氧化氫酶利用的底物，且炭基肥養(yǎng)分釋放緩慢[15]，導(dǎo)致該處理下過氧化氫酶活性降低。相同施肥處理下，W2F1 與W1F1、W2F2 與W1F2 相比分別增加25.98%、15.99%，而W2F3 比W1F3 減少28.08%。抽穗期時，除W1F2 過氧化氫酶活性略小于W1F1，其他處理較W1F1 增加了8.26%～44.12%，且差異不顯著。同一灌溉模式下，W1F3 過氧化氫酶活性比W1F1 增加了8.26%，W1F2 略小 于W1F1；W2F2、W2F3 比W2F1 分別增加了14.14%、29.36%。施肥處理相同時，間歇灌溉條件下的過氧化氫酶活性高于常規(guī)灌溉處理組，表現(xiàn)為W2＞W(wǎng)1，W2 處理組較W1 平均增加了24.68%。收割后，同一灌溉模式下，W1F2、W1F3過氧化氫酶活性比W1F1 分別減少6.14%、12.01%；W2F2、W2F3 比W2F1 分別減少了13.02%、29.70%，其中W2F3 與W2F1 間差異達到了顯著性水平（p＜0.05）。相同施肥處理下，W2 與W1 比較，W2F1 與W1F1、W2F2 與W1F2 相比分別增加21.27%、12.37%，而W2F3比W1F3減少3.11%。

圖3 受澇稻田土壤過氧化氫酶活性變化Fig.3 Changes of soil catalase activities in waterlogging paddy fields

綜上所述，在不同生育階段灌溉模式和施肥處理對受澇稻田土壤過氧化氫酶活性的影響不同。在分蘗期和抽穗期，施加土壤調(diào)理劑和炭基肥能夠提高過氧化氫酶活性；而收割后酶活性降低，這可能是因為受澇稻田土壤氧化還原電位較低，影響了過氧化氫酶無機組分活性[16]。在各生育期，與常規(guī)灌溉相比，間歇灌溉提高了土壤過氧化氫酶活性?？梢?，間歇灌溉結(jié)合土壤調(diào)理劑或炭基肥對提高分蘗期、抽穗期過氧化氫酶活性的效果更好。

2.3 不同灌溉模式和施肥處理對受澇稻田土壤酸性磷酸酶活性的影響

各處理土壤酸性磷酸酶活性隨生育期表現(xiàn)為先減少后增加（見圖4）。分蘗期時，在同一灌溉模式下，與F1 比較，W1F2 較W1F1、W2F2 較W2F1 的酸性磷酸酶活性分別顯著減少27.27%、28.82% （p＜0.05）；但W1F3 與W1F1、W2F3 與W2F1 之間差異不顯著，分別增加6.58%、減少4.01%。相同施肥處理下，W2 處理下的酸性磷酸酶活性比W1 增加了12.65%～25.08%。抽穗期時，與W1F1 相比，除W2F1 外其他處理的酸性磷酸酶活性均顯著減小26.25%～58.34%（p＜0.05）。相同灌溉模式下，F(xiàn)2、F3 的酸性磷酸酶活性顯著小于F1 處理（p＜0.05），W1F2、W1F3 比W1F1 顯著減小26.25%、58.34%；W2F2、W2F3 比W2F1 顯著減小34.71%、57.35%。施肥處理相同時，比較W1 與W2 的酸性磷酸酶活性，除W2F2 較W1F2略有下降，F(xiàn)1、F3 下的間歇灌溉較常規(guī)灌溉增加10.41%、13.02%。收割后，除W2F1 酸性磷酸酶活性較W1F1 略有增加，其他處理顯著減小30.08%～76.02%（p＜0.05）。相同灌溉模式下F2、F3 與F1 相比，W1F2、W1F3 比W1F1 顯著減小66.79%、76.02%（p＜0.05）；W2F2、W2F3 比W2F1 顯著減小38.36%、35.11%（p＜0.05）。同一施肥處理下的W2 酸性磷酸酶活性大于W1，其中F2、F3下的間歇灌溉處理較常規(guī)灌溉顯著增加100.00%、191.55%（p＜0.05）。

圖4 受澇稻田土壤酸性磷酸酶活性變化Fig.4 Changes of soil acid phosphatase activities in waterlogging paddy fields

施加土壤調(diào)理劑和炭基肥后，土壤酸性磷酸酶活性顯著減小，說明土壤調(diào)理劑和炭基肥對受澇稻田土壤酸性磷酸酶活性有一定的抑制作用。與常規(guī)灌溉相比，間歇灌溉可以增加酸性磷酸酶活性，能夠減小土壤調(diào)理劑和炭基肥的抑制作用。

3 討 論

相同灌溉模式下，施用土壤調(diào)理劑和炭基肥與未施用處理相比，提高了各生育期土壤脲酶活性、分蘗期和抽穗期過氧化氫酶活性，這與李方杰等[17,18]研究基本一致。其中，炭基肥對脲酶活性的增強效果優(yōu)于土壤調(diào)理劑。施用土壤調(diào)理劑能降低土壤含水量，提升土壤孔隙度，改善透氣狀況[19]；張世昌[20]在稻田中施用主要成分為氧化鈣的土壤調(diào)理劑，提高了土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀等含量；含有大量營養(yǎng)元素，如Ca、Si、Mg等的土壤調(diào)理劑，不僅能提高土壤肥力，還能大幅度增加有效磷的活性[21]。炭基肥能夠改善土壤團粒結(jié)構(gòu)，使土質(zhì)疏松，增加有機質(zhì)含量[15]；作為優(yōu)質(zhì)的土壤改良劑，炭基肥可以促進土壤微生物的活性和生長，提高土壤微生物豐富度和多樣性[22]；柳驍桐等[18]研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)2年炭基肥化肥配施能顯著提高土壤有機質(zhì)、速效磷和速效鉀含量，同時顯著提高了過氧化氫酶和脲酶活性。土壤脲酶和過氧化氫酶活性的高低與土壤有機質(zhì)含量和氮、磷、鉀元素的有效性相關(guān)，土壤調(diào)理劑或炭基肥通過改善土壤結(jié)構(gòu)，增強土壤中營養(yǎng)元素的礦化強度，提高有機質(zhì)和有效養(yǎng)分含量，在良好的有機養(yǎng)分狀況下，土壤酶活性增強。由于本研究中施用的炭基肥主要成分為有機質(zhì)，脲酶活性受到土壤有機質(zhì)的直接影響，且有機質(zhì)分解產(chǎn)生的腐殖質(zhì)能夠固定脲酶，增加脲酶穩(wěn)定性[23]，因此炭基肥處理下的脲酶活性要高于土壤調(diào)理劑和常規(guī)化肥處理?？梢姡陂L期受澇稻田中施用土壤調(diào)理劑和炭基肥對脲酶和過氧化氫酶活性的影響與常規(guī)土壤一致，均能增加脲酶和過氧化氫酶活性。

同時，土壤調(diào)理劑和炭基肥施用顯著降低了酸性磷酸酶活性，這與楊文娜等[24]的研究結(jié)果一致，但也有人發(fā)現(xiàn)炭基土壤調(diào)理劑能夠提高酸性磷酸酶活性[25]，這可能是土壤調(diào)理劑和炭基肥對不同土壤類型和土壤質(zhì)地的改良效果不同導(dǎo)致的。研究表明，土壤調(diào)理劑[20,26]和炭基肥[27]會增加土壤pH 值，而酸性磷酸酶的最適pH 區(qū)間在4～6，本試驗施用的土壤調(diào)理劑和炭基肥可能均呈堿性，增加了土壤pH 值，導(dǎo)致酸性磷酸酶活性降低。另一方面，長期受澇稻田中磷元素含量可能較低，低磷條件能促進土壤微生物和植物根系分泌酸性磷酸酶，施肥后土壤有效磷增加，抑制了酸性磷酸酶的分泌，降低其活性，而配施的土壤調(diào)理劑和炭基肥中含有一定量的磷素，進一步降低了酸性磷酸酶活性[24]。

相同施肥處理下，與常規(guī)灌溉相比，間歇灌溉增加了受澇稻田土壤脲酶、過氧化氫酶、酸性磷酸酶活性，這與以往研究結(jié)果[28-31]一致。已有研究[32]表明，在低氧化還原電位和厭氧土壤條件下，土壤酶活性與土壤濕度呈負相關(guān)。常規(guī)灌溉稻田中的水層降低了土壤透氣性，而間歇灌溉減少了土壤含水量，形成輕度的土壤水分虧缺，改善通氣狀況，為土壤酶提供良好的反應(yīng)環(huán)境，進而提高酶活性。另一方面，MAJUMDAR 等[33-35]研究發(fā)現(xiàn)，采取節(jié)水灌溉措施增加了稻田土壤有機質(zhì)和微生物碳氮含量，楊鵬等[36]發(fā)現(xiàn)間歇灌溉對上層土壤的全氮、全磷含量有維持和促進作用，這為土壤酶的酶促反應(yīng)提供了基質(zhì)。同時節(jié)水灌溉稻田良好的土壤透氣性也促進了土壤腐殖質(zhì)的分解和微生物的繁殖，使得酶活性增強。此外，間歇灌溉配施土壤調(diào)理劑或炭基肥對提高脲酶、過氧化氫酶活性的效果更佳，優(yōu)于單一處理；配施處理對酸性磷酸酶活性的抑制作用低于單施土壤調(diào)理劑或炭基肥。因此，間歇灌溉配施土壤調(diào)理劑或炭基肥能更有效增加受澇稻田的土壤脲酶、過氧化氫酶活性，減小土壤調(diào)理劑和炭基肥施用對酸性磷酸酶活性的抑制作用，從而改善受澇稻田土壤質(zhì)量。

4 結(jié) 論

（1）間歇灌溉、施用土壤調(diào)理劑、炭基肥單一因素均能提高受澇稻田土壤脲酶活性，間歇灌溉配施土壤調(diào)理劑或炭基肥效果更佳，且炭基肥的效果優(yōu)于土壤調(diào)理劑。在水稻全生育期，W2處理脲酶活性均值較W1增加5.60%；與F1相比，F(xiàn)2、F3處理脲酶活性均值分別增加3.81%、8.65%。

（2）間歇灌溉配施土壤調(diào)理劑或炭基肥能夠提高分蘗-抽穗期的過氧化氫酶活性，而收割后施加土壤調(diào)理劑和炭基肥降低了過氧化氫酶活性。在水稻全生育期，W2 處理土壤過氧化氫酶活性均值較W1增加13.16%。與F1相比，在分蘗-抽穗期，F(xiàn)2、F3 處理過氧化氫酶活性均值分別增加6.74%、2.29%；收割后，F(xiàn)2、F3分別減少9.58%、20.85%。

（3）施用土壤調(diào)理劑和炭基肥顯著降低了受澇稻田土壤酸性磷酸酶活性，但間歇灌溉可以增加酸性磷酸酶活性，減小土壤調(diào)理劑和炭基肥的抑制作用。在水稻全生育期，W2 處理土壤酸性磷酸酶活性均值較W1 增加29.76%；與F1 相比，F(xiàn)2、F3 處理酸性磷酸酶活性均值分別顯著減小37.03%、37.37%（p＜0.05）。