有機(jī)肥和化肥長期施用對土壤活性有機(jī)氮組分及酶活性的影響

宋震震， 李絮花*， 李 娟, 林治安, 趙秉強(qiáng)

(1 土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室， 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 山東泰安 271018;2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所， 農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)

氮素不僅是地球上最豐富的化學(xué)元素之一，也是植物必需的營養(yǎng)元素之一。氮循環(huán)是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)最基本的生態(tài)過程，強(qiáng)烈地受到人為作用的影響和調(diào)控，對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、 生產(chǎn)力及其環(huán)境效應(yīng)具有關(guān)鍵性的影響作用。長期施肥能引起土壤氮庫的改變，表現(xiàn)在能夠穩(wěn)定和增加土壤氮含量，提高土壤肥力[1], 而施入農(nóng)田的氮源可以迅速轉(zhuǎn)化到土壤的活性庫和穩(wěn)定庫[2]。土壤活性有機(jī)質(zhì)組分一般包括顆粒有機(jī)質(zhì)(particulate organic matter，POM)， 輕組有機(jī)質(zhì)(light fraction organic matter， LFOM)， 微生物量(microbial biomass)以及可礦化有機(jī)質(zhì)等, 其轉(zhuǎn)化速度較快，一般為幾個(gè)周或幾個(gè)月，能直接影響植物的養(yǎng)分供應(yīng)[3]。 這些活性組分中包含的氮組分，顆粒有機(jī)氮(Particulate organic matter nitrogen，POM-N)，可溶性有機(jī)氮(Dissolved organic nitrogen，DON)，輕組有機(jī)氮(Light fraction organic matter nitrogen, LFOM-N)以及微生物量氮(Soil microbial biomass nitrogen，SMBN)被認(rèn)為是土壤活性氮庫中的重要組成成分[3-4]。

土壤酶是由微生物、 動植物活體分泌及動植物殘骸的生物活性物質(zhì)，具有生物化學(xué)催化活性，能參與土壤中許多重要的生物化學(xué)過程[5-6], 在土壤養(yǎng)分循環(huán)以及植物生長所需養(yǎng)分供給過程中起到重要的作用[7]。土壤酶活性作為表征土壤性質(zhì)的生物活性指標(biāo)，已被廣泛應(yīng)用于評價(jià)土壤營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)轉(zhuǎn)化情況，以及評價(jià)各種農(nóng)業(yè)措施和肥料施用的效果[8]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照各處理全年施肥總量，冬小麥、 夏玉米每季作物各50%，磷肥、 鉀肥和有機(jī)肥在作物播種前做基肥一次性施入，氮肥 40%做基肥，60%做追肥。供試作物與種植方式選擇本區(qū)域糧食作物種植最為普遍的冬小麥-夏玉米一年兩熟制，肥、 水管理等措施參考當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)種植習(xí)慣，采用傳統(tǒng)栽培模式。

1.3 樣品采集

土壤樣品于2012年9月底玉米收獲后進(jìn)行采集。每個(gè)小區(qū)均采集0—20 cm 的耕層土壤。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取15個(gè)點(diǎn)，混合后裝好放入冰盒立即帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除可見的植物殘根和石礫等雜物，然后分成兩部分，一部分土樣風(fēng)干過2 mm篩，另一部分土樣于4℃冰箱保存。

1.4 項(xiàng)目測定方法及數(shù)據(jù)處理

土壤基本理化性狀采用常量分析法測定[14]。有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀外加熱法； 全氮用半微量凱氏法; 有效磷用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提，鉬銻抗比色法; 速效K用火焰光度法。

顆粒有機(jī)氮(POM-N)采用5 g/L六偏磷酸鈉溶液分散[15]，半微量凱氏法測定。

輕組有機(jī)氮(LFOM-N)采用密度為1.78 g/cm3碘化鈉進(jìn)行提取，用Multi N/C 2100 分析儀(Elementar Verio, Germany)測定[16]。

土壤微生物量氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[17]，用Multi 2011 N/C TOC儀測定其含量。

可溶性有機(jī)氮(DON)用0.5 mol/L的K2SO4進(jìn)行提取，用Multi 2011 N/C TOC 儀測定氮含量[3]。

土壤脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定; 堿性磷酸酶采用苯磷酸二鈉法測定; 過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定; 轉(zhuǎn)化酶采用3, 5-二硝基水楊酸比色法測定[6]。

采用Excel 2003和SAS 8.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，LSD法檢驗(yàn)差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)肥和化肥長期施用對土壤全氮含量的影響

圖1 有機(jī)肥與化肥長期施用對土壤全氮含量的影響Fig.1 Effects of long-term manure and mineral fertilizer application on soil total nitrogen content

2.2 有機(jī)肥與化肥長期施用對土壤活性有機(jī)氮組分的影響

2.2.1 土壤活性有機(jī)氮組分含量 土壤顆粒有機(jī)質(zhì)作為新鮮植物殘?bào)w和腐殖化有機(jī)物轉(zhuǎn)化之間短暫的庫，是異養(yǎng)微生物細(xì)胞碳和能量的主要來源[18]。由表1可以看出，無論是常量施肥還是高量施肥處理，土壤顆粒有機(jī)氮含量都比不施肥處理高。與不施肥處理相比，常量有機(jī)肥處理、 常量化肥處理和常量配施處理的土壤顆粒有機(jī)氮分別由55.2 mg/kg增加至285.0、 97.0和205.1 mg/kg; 高量有機(jī)肥和高量化肥處理分別增加至519.7和181.4 mg/kg。常量施肥處理下，土壤顆粒有機(jī)氮含量的變化順序?yàn)槌Ａ坑袡C(jī)肥處理>常量配施處理>常量化肥處理，且三個(gè)處理之間差異顯著。高量施肥處理下，高量有機(jī)肥處理的顆粒有機(jī)氮含量比高量化肥處理提高了160.8%，兩處理間差異顯著。單施化肥處理中，高量施肥的土壤顆粒有機(jī)氮含量顯著高于常量施肥處理。施有機(jī)肥處理中，土壤顆粒有機(jī)氮含量則是隨著有機(jī)肥施入量的增加而增高。

輕組有機(jī)質(zhì)主要來自于植物的遺骸、 微生物數(shù)量和微型動物殘骸[3]。由表1可以看出，施肥顯著提高了土壤輕組有機(jī)氮的含量。土壤輕組有機(jī)氮的變化趨勢與全氮含量一致。施肥處理土壤輕組有機(jī)氮含量都比不施肥處理的高。常量有機(jī)肥處理和常量配施處理的土壤輕組有機(jī)氮含量分別比常量化肥處理增加66.3%、 29.6%，且三者差異顯著。高量施肥下，高量有機(jī)肥處理比高量化肥處理的土壤輕組有機(jī)氮含量增加了126.5%。在所有單施化肥的處理中，高量施肥處理的土壤輕組有機(jī)氮含量顯著高于常量施肥處理。在施有機(jī)肥的處理中，土壤輕組有機(jī)氮含量則是隨著有機(jī)肥施入量的增加而增高。

2.2.2 土壤活性有機(jī)氮組分占土壤全氮比例 由表2可知，所有施肥處理中，土壤顆粒有機(jī)氮占土壤全氮百分比的變化順序?yàn)楦吡坑袡C(jī)肥處理>常量有機(jī)肥處理>常量配施處理 >高量化肥處理>常量化肥處理>不施肥處理，其變化趨勢與土壤顆粒有機(jī)氮相同?？扇苄杂袡C(jī)氮占土壤全氮的比例中，不施肥的處理最小，高量有機(jī)肥的處理最大。常量施肥處理下，常量有機(jī)肥處理的可溶性有機(jī)氮占全氮的比例最大，為2.0%，其次是有常量配施處理，最小的為常量化肥處理。在高量施肥處理下，高量有機(jī)肥處理的可溶性有機(jī)氮占全氮的比例大于高量化肥處理。在微生物量氮占土壤全氮的比例中，常量化肥處理最大，為9.6%，而高量有機(jī)肥處理占比例最小，為6.8%。

表1 有機(jī)肥與化肥長期施用對土壤活性有機(jī)氮庫組分含量(mg/kg)

土壤微生物量氮占土壤全氮的比例隨有機(jī)肥輸入的增多而逐漸減小(表2)。相同處理下，土壤活性氮組分占全氮的比例也有差異，對土壤全氮的貢獻(xiàn)率最大的組分在施肥處理中是土壤顆粒有機(jī)氮，在不施肥處理中是土壤微生物量氮; 貢獻(xiàn)率其次為微生物量氮，而輕組有機(jī)氮及可溶性有機(jī)氮對土壤全氮的貢獻(xiàn)率在土壤活性氮庫中最低。

土壤全氮含量受施肥影響變化顯著，不同活性有機(jī)氮組分對土壤全氮的貢獻(xiàn)率不同，POM-N對土壤全氮的貢獻(xiàn)率受施肥方式的影響較大，輕組氮不同處理間幾乎沒有差異，說明輕組氮較為穩(wěn)定，施肥主要通過增加土壤顆粒有機(jī)氮改變了土壤氮庫庫容。

表2 土壤活性有機(jī)氮組分占全氮的比例 (%)

2.3 有機(jī)肥和化肥長期施用對土壤酶活性的影響

2.3.1 土壤酶活性 脲酶與土壤供氮能力有密切關(guān)系，能夠表征土壤氮素的供應(yīng)程度[10]。由圖2可以看出，各施肥處理土壤脲酶活性均高于不施肥處理，以高量有機(jī)肥處理的土壤脲酶活性最高，其次是常量有機(jī)肥處理。在單施化肥的處理中，高量施肥處理土壤脲酶活性明顯高于常量施肥處理。

過氧化氫酶是一種重要氧化還原酶, 參與土壤中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化，在一定程度上可以表征土壤生物氧化過程的強(qiáng)弱。由圖2可以看出，經(jīng)過26年的長期定位施肥，土壤中過氧化氫酶活性發(fā)生了明顯的變化，其活性變化順序?yàn)椴皇┓侍幚怼?常量化肥處理、 高量化肥處理、 常量有機(jī)肥處理、 常量配施處理、 高量有機(jī)肥處理。長期定位施肥降低了土壤中過氧化氫酶的活性。不施肥處理土壤中過氧化氫酶活性最高，常量有機(jī)肥處理最低。

土壤蔗糖酶活性大小不僅反映土壤有機(jī)碳積累與分解轉(zhuǎn)化的規(guī)律，也是評價(jià)土壤熟化程度和土壤肥力水平的重要指標(biāo)[10]。由圖2可以看出，施肥處理土壤蔗糖酶均高于不施肥處理，高量有機(jī)肥處理蔗糖酶活性最高，之后依次是常量有機(jī)肥處理、 常量配施處理、 常量化肥處理。在同一施肥水平下，有機(jī)肥投入量越多，其蔗糖酶的活性越高。

磷酸酶可加速有機(jī)磷的脫磷速度，磷酸酶活性對土壤磷素的有效性具有重要作用[11]。由圖2可以看出，不施肥處理堿性磷酸酶活性最低，高量施肥水平下有機(jī)肥處理的堿性磷酸酶活性最高。各處理之間堿性磷酸酶活性的變化幅度很小，且隨著有機(jī)肥投入量的增多而呈升高的趨勢。

圖2 有機(jī)肥與化肥長期施用對土壤酶活性的影響Fig.2 Effects of long-term manure and mineral fertilizer application on soil enzymatic activities

2.3.2 土壤酶活性與土壤肥力相關(guān)性分析 由表3可以看出，脲酶與土壤有效磷、 有機(jī)碳之間呈現(xiàn)出極顯著或顯著相關(guān)性。而堿性磷酸酶與全氮、 有效磷、 有機(jī)碳之間呈顯著相關(guān)。過氧化氫酶與全氮、 有效磷呈顯著負(fù)相關(guān)。蔗糖酶與全氮、 有效磷、 有機(jī)碳之間均呈極顯著相關(guān)。而土壤酶之間脲酶與堿性磷酸酶、 蔗糖酶均呈極顯著相關(guān)。過氧化氫酶則與其他三種酶呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。由于本試驗(yàn)樣本容量小，對于土壤酶活性和土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性有待于進(jìn)一步的研究證實(shí)。

2.3.3 土壤脲酶與土壤各活性氮庫組分之間的相關(guān)性分析 由表4可以看出，脲酶與土壤顆粒有機(jī)氮，可溶性有機(jī)氮呈現(xiàn)極顯著的相關(guān)性，而與微生物量氮、 輕組有機(jī)氮呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性，顯示出脲酶與土壤各活性氮庫組分之間的密切相關(guān)性。

表3 長期定位施肥下土壤酶活性和土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)性

表4 長期定位施肥下土壤脲酶和土壤活性氮組分之間的相關(guān)性

3 討論

3.1 有機(jī)肥和化肥長期施用對土壤全氮及活性氮組分的影響

Gong等[20]和Yang等[21]通過田間長期定位施肥試驗(yàn)證實(shí)，單施化肥、 有機(jī)肥或是有機(jī)無機(jī)配施均能顯著提高土壤全氮量，且隨著有機(jī)肥投入量的增加，土壤全氮呈增加的趨勢。本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果一致。有機(jī)肥中包含大量的惰性有機(jī)物質(zhì)，這是導(dǎo)致施有機(jī)肥土壤全氮增加的原因[22]。施入化肥刺激了土壤微生物，導(dǎo)致其分解有機(jī)質(zhì)的速度加快，能給作物提供更多有效的養(yǎng)分，促進(jìn)其生長的同時(shí)，有更多的枯枝落葉返回到土壤中，從而增加了土壤中全氮的含量[20]。

在本研究結(jié)果中，土壤顆粒有機(jī)氮、 可溶性有機(jī)氮、 輕組有機(jī)氮以及微生物量氮均表現(xiàn)出了與土壤全氮一致的趨勢，即隨著有機(jī)肥施入量的增加，土壤活性有機(jī)氮組分含量增加，這與Yan等[3]在水稻土上的結(jié)果一致。龔偉等[12]通過田間長期定位試驗(yàn)研究表明，在黃褐土上，施用有機(jī)肥以及有機(jī)無機(jī)配施的處理，其土壤顆粒有機(jī)氮的含量均高于單施有機(jī)肥的處理，這也與本研究結(jié)果一致。施入化肥后，加速了含有高氮的植物根茬的分解，而顆粒有機(jī)氮與輕組有機(jī)氮最初的來源均為植物殘?bào)w，所以導(dǎo)致了土壤中顆粒有機(jī)氮及輕組有機(jī)氮的增加[22]。而有機(jī)肥中或許本身含有一些與活性氮組分相似的成分，也可能有機(jī)肥中含有大量微生物，微生物分解有機(jī)物質(zhì)速度增加，從而引起了土壤活性氮組分的增加。本研究結(jié)果表明，無論是施肥量(高量施肥和常量施肥)不同，還是肥料種類(有機(jī)肥100%替代化肥和有機(jī)肥一半替代化肥)不同，有機(jī)肥較化肥或不施肥處理土壤微生物量氮有較大幅度的提高，究其原因，是由于施肥直接增加根系生物量及根系分泌物，促進(jìn)了微生物的生長，有機(jī)肥不但增加了土壤養(yǎng)分，直接為微生物提供了充足的碳源，還通過同化作用將較多的氮素轉(zhuǎn)移到微生物體內(nèi)被暫時(shí)固定，減少了氮素的損失[23]。

3.2 有機(jī)肥和化肥長期施用對土壤酶活性的影響

土壤酶作為土壤生物活性及土壤肥力的重要組成部分，在土壤物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化中起著重要的催化作用，其活性可以反映土壤中各種生物化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)度和方向[24]。本研究表明，長期施肥對土壤酶活性影響很大。對于土壤脲酶、 蔗糖酶、 堿性磷酸酶總的趨勢是施肥高于不施肥。同一施肥水平下，有機(jī)肥施入量越多，酶的活性越高，這與王俊華等[25]和李娟等[26]的研究結(jié)果基本一致。施肥之所以能提高土壤酶活性是因?yàn)槭┓士纱龠M(jìn)作物根系代謝，使根系分泌物增多, 微生物繁殖加快，從而有利于提高土壤酶活性[27]。施有機(jī)肥對提高土壤酶活性效果更佳，這是因?yàn)橛袡C(jī)肥本身含有大量的酶類，而且有機(jī)肥可以為產(chǎn)酶微生物提供豐富的營養(yǎng)源，促進(jìn)了土壤的生化過程; 另外隨營養(yǎng)元素的施入，促進(jìn)了作物生長，從而增加了根系分泌物，提高了土壤酶類活性[28]。但是，長期施肥卻降低了土壤過氧化氫酶的活性，不施肥處理的過氧化氫酶活性最高，高量施肥水平下單施有機(jī)肥處理最低。這與孫瑞蓮等[11]報(bào)道類似，但與高瑞和呂家瓏[27]的報(bào)道相反。這可能與土壤類型、 氣候條件、 種植制度等的不同有關(guān)。

4 結(jié)論

1)無論是常量施肥處理還是高量施肥處理，長期施肥顯著提高了土壤全氮、 顆粒有機(jī)氮、 可溶性有機(jī)氮、 微生物量氮以及輕組有機(jī)氮的含量，長期施有機(jī)肥比長期施化肥更能提高土壤各活性氮庫組分含量。

2)顆粒有機(jī)氮對土壤全氮的貢獻(xiàn)率最高，且隨施肥方式的改變而改變，與有機(jī)肥的施用量呈正相關(guān)，輕組有機(jī)氮對土壤全氮的貢獻(xiàn)率不隨施肥方式的改變而改變。

3) 長期施肥提高了土壤脲酶、 堿性磷酸酶、 蔗糖酶的活性，降低了過氧化氫酶的活性; 土壤脲酶、 轉(zhuǎn)化酶和堿性磷酸酶之間及與土壤全氮、 速效磷及有機(jī)碳呈顯著或極顯著相關(guān)，脲酶與土壤各活性氮組分間存在顯著或極顯著相關(guān)性。

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