3種南方綠肥腐解特征及其對淹水土壤養(yǎng)分和酶活性的影響

高桂娟 李志丹 韓瑞宏 王俊梅

摘 要 利用尼龍網袋法，盆栽模擬淹水土壤環(huán)境，研究南方常見綠肥紫云英、油菜和肥田蘿卜的氮磷釋放規(guī)律及其對淹水土壤酶活性的影響，綠肥翻壓鮮重量為1.14 kg/m2。在97 d的試驗周期內，綠肥腐解率表現為：肥田蘿卜>紫云英>油菜。3種綠肥向土壤環(huán)境中釋放氮速率由高到低為：肥田蘿卜>油菜>紫云英，并促進了總氮由土壤→溶液的釋放，且土壤溶液97 d氮的平均增加量達到顯著水平（p<0.05）。磷的釋放為：肥田蘿卜>紫云英>油菜，其97 d土壤磷的平均增加量達到顯著水平（p<0.05）；綠肥翻壓顯著影響了土壤多酚氧化酶和轉化酶活性（p<0.05）。同一種土壤酶在不同處理之間及同一處理條件下的不同酶之間均表現出顯著的相關性（p<0.05），即土壤酶在促進物質轉化中不僅顯示其專性催化特性，同時也體現了共性關系。3種綠肥中肥田蘿卜改善土壤酶活性作用最明顯。

關鍵詞 綠肥；腐解率；養(yǎng)分釋放；酶活性

中圖分類號 S553 文獻標識碼 A

Abstract The changes of nitrogen and phosphorus release and enzyme activity after ploughed green manure of milk vetch， rape and radish of 1.14 kg/m2 of each ina nylon bag were studied.， The results showed that the decomposition rate was in the order radish> milk vetch> rape； The order of release rate of TN from the manure into soil was radish >rape >milk vetch， and the actions of release rate of TN from soil into soil solution were also accelerated and the effects reached to significant level（p<0.05）； The release rate of TP from the manure into soil was also increased significantly， and the order was radish> milk vetch> rape. The effect of green manure on soil polyphenol oxidase and invertase were significant（p<0.05）； The positive relationships between different green manure treatments based on the same enzyme activities were very high， at the same time， there were some significant correlations among different enzymes based on same treatment（p<0.05）， which indicating that soil enzymes showed specific catalytic properties as well as isomorphic correlations； Among the three green manures， radish was the most important in improving soil enzyme activities.

Key words Green manure； Decomposition rate； Nutrient release； Enzyme activities

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.08.006

近年來，我國稻田肥料使用過程中，依舊存在化肥施用過量，有機肥施用嚴重不足，氮、磷、鉀肥比例不科學等問題。而綠肥作為可再生生物資源，不僅能夠作為南方稻田有機肥重要來源，為土壤提供大量的碳源和養(yǎng)分，還可以改善土壤性狀，防止肥力下降，是實現稻田土壤可持續(xù)利用的有效途徑[1]。我國綠肥資源豐富，其中油菜（Brassica campestris）、紫云英（Astragalus sinicus）和蘿卜（Raphanus sativus）是我國南方最常見的綠肥作物，紫云英、肥田蘿卜可采用直接還田、青貯和飼養(yǎng)還田相結合，發(fā)揮巨大經濟效益[2]。綠肥翻壓會影響碳、氮、磷、鉀等元素的釋放規(guī)律及土壤微生物活性[3]。要合理高效利用綠肥，明確綠肥的腐解礦化過程至關重要。綠肥材料翻壓后的前期腐解速率普遍高于后期，且不同材料類型腐解速率和腐解程度也不同。潘福霞等[4]研究得出，綠肥翻壓后的腐解率一般大于秸稈、廄肥等其他有機肥。土壤溶液一般定義為含有溶質和溶解性氣體的土壤間隙水，是土壤化學反應主要場所，因此，評價稻田翻壓綠肥系統(tǒng)的養(yǎng)分供應狀況，研究土壤溶液理化特性尤為重要。不同綠肥材料向土壤溶液釋放養(yǎng)分的能力是有所差異的，如袁嫚嫚等[5]研究證明，蠶豆還田處理土壤溶液總氮（TN）濃度高于紫云英還田處理。

本研究將圍繞綠肥翻壓后的腐解過程，氮、磷等釋放特征以及相關酶活性變化展開研究，了解各翻壓材料在土壤中的腐解動態(tài)特征和養(yǎng)分釋放規(guī)律，以期為稻田綠肥的合理利用提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地與供試材料

試驗地點為廣東省廣州市廣東第二師范學院生物樓樓頂的種植大棚，供試土壤和材料采集于廣東省清遠市蓮洲鎮(zhèn)稻田，土壤及綠肥TN、TP含量見表1。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 試驗方法：利用直徑30 cm，高35 cm規(guī)格的塑料桶進行盆栽并模擬稻田水淹條件，每盆土層厚30 cm。設置4種處理：無翻壓（CK）、紫云英翻壓（T1）、肥田蘿卜翻壓（T2）、油菜翻壓（T3），材料來源及基本性質見表1。將新鮮采集的綠肥材料分別切成1 cm左右碎塊，混勻裝入尼龍網袋（尼龍網袋長20 cm，寬10 cm，孔徑0.048 mm），每袋鮮重80 g，然后將尼龍網袋平鋪埋入土中，距土表10 cm，每盆埋1袋，每種材料設27盆，共81盆，另設3盆未翻埋材料作為對照。實驗期間全程保持淹水狀態(tài)，保持水位高度2 cm。試驗時間：2014年4月4日～2014年7月10日，共計處理97 d。

1.2.2 取樣方法及測定指標 分別于翻壓后的第2、4、8、13、23、38、53、74和97天每種材料隨機選取3盆，取土樣，水樣，綠肥殘留樣，同時取對照土樣、水樣，備用分析。

取樣時每盆隨機選取5點，取0～30 cm土層土樣，混勻后風干備用分析，測定轉化酶（IN）、蛋白酶（PR）、磷酸酶活性（ACP）、多酚氧化酶（PO）[6]，TN（凱氏定氮法）和TP（HClO4-H2SO4法）；每盆隨機選取3點，用底端封閉，側壁打孔的PVC管插入土下10 cm，靜置收集土壤溶液，再用注射器抽取PVC管中土壤溶液混勻過0.45 μm濾膜備用，測定TN（堿性過硫酸鉀消解法，HJ 636-2012）和TP（鉬酸銨比色法）。最后取出尼龍網袋，沖洗干凈附著泥漿雜物，烘干后測定剩余生物量及總氮（TN，凱氏定氮法）和TP（H2SO4-H2O2消煮法）。利用生物量計算干物質累積腐解率=（初始干物質總量-翻壓若干天后干物質總量）/初始干物質總量×100%[7-9]。TN、TP累積釋放率=[（初始綠肥TN、TP總量）-（殘留綠肥TN、TP總量）]/（初始綠肥TN、TP總量）×100%。

1.3 數據處理

所有數據采用Excel 2007及SPSS 17.0進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 綠肥腐解速率變化

從圖1可以看出，腐解速率表現為肥田蘿卜>紫云英>油菜，3種綠肥在翻壓97 d后，其累積腐解率均超過70%，肥田蘿卜的腐解率最高，達到85.34%。綠肥翻壓前期腐解較快，前23 d均已經達到50%，其中肥田蘿卜腐解最快，第2天腐解率高達69.92%，油菜腐解最慢，23 d時腐解速率達到51.78%。

2.2 翻壓綠肥N、P釋放規(guī)律

總體上，各綠肥釋放TN累積釋放速率表現為：肥田蘿卜>油菜>紫云英（表2）。3種綠肥TN都在翻壓前2 d集中釋放，后期釋放量都較少。肥田蘿卜、油菜和紫云英在翻壓第2天TN釋放率分別達到92.47%、85.78%和69.18%，紫云英TN釋放相對較慢在翻壓的第13天，TN釋放率達到81.71%。3種綠肥TN釋放總量為：紫云英>肥田蘿卜>油菜，與各綠肥含TN總量相一致（表2）。3種綠肥的TP釋放速率差別明顯，總體上肥田蘿卜TP釋放速率高于其他2種綠肥，在翻壓2 d，肥田蘿卜TP釋放率就達到80%，紫云英在翻壓2 d釋放率達到71.48%，TP釋放也較為集中。油菜在前2 d TP釋放率為48.95%，后期釋放較為平穩(wěn)，與另外2種綠肥差別較大。處理97 d時，3種綠肥TP釋放率均達到90%以上。

2.3 翻壓綠肥對土壤養(yǎng)分含量影響

各處理土壤的氮素變化隨時間延長均呈現波動狀態(tài)（圖2），其97 d的TN總平均值大小順序為：T2（3.39 g/kg）>CK（3.38 g/kg）>T1（3.11 g/kg）>T3（3.04 g/kg）。綠肥翻壓土壤的前期（2～38 d）和后期（53～97 d）TN水平顯著低于對照（p<0.05）。翻壓綠肥顯著提高土壤TP含量（p<0.05），其97 d的總平均值大小順序為：T3（1.45 g/kg）>T2（1.43 g/kg）>T1（1.38 g/kg）>CK（1.30 g/kg）。且在整個試驗期間對照處理TP水平一直低于翻壓綠肥土壤，尤其是翻壓的前6 d各處理TP含量顯著增加（p<0.05）。但隨處理時間延長，各處理和對照之間的TP含量差距越來越小，在53 d后無顯著差異。

2.4 翻壓綠肥土壤溶液養(yǎng)分變化

圖3可見，綠肥翻壓增加了土壤溶液中TN含量，3種處理土壤溶液的TN在翻壓前期（0～38 d）、后期（74～97 d）均顯著高于對照（p<0.05），38～53 d較接近對照，這與土壤TN含量變化相似。綠肥翻壓對土壤溶液TP含量的影響呈現不同趨勢。在翻壓處理前期（0～23 d），3種綠肥翻壓土壤溶液的TP含量顯著低于對照（p<0.05），各處理后期的TP含量隨時間延長有增加趨勢，最后達到了對照水平（p>0.05）。在翻壓74 d時，T1和T3處理的土壤溶液TP含量達到最高值，分別為0.67 mg/L和0.57 mg/L。對照土壤溶液的TP出現2次波動高峰，分別在實驗13 d（0.76 mg/L）和74 d（0.65 mg/L）。

2.5 綠肥翻壓對土壤酶活性影響

各處理土壤酸性磷酸酶（ACP）活性的初始平均值高達518.16 μg/（g·8 h），在0～13 d期間，4種處理的ACP活性整體呈下降趨勢，其中，油菜和紫云英處理的ACP活性甚至低于對照，在第6天時差異顯著（p<0.05）。但13 d以后，3種綠肥處理的ACP活性趨于穩(wěn)定，并高于對照。整體上，在97 d的動態(tài)觀測過程中，4種處理的ACP活性始終處于較高水平（圖4），相互間無顯著差異。

3種綠肥翻壓處理前期（23 d）顯著提高土壤轉化酶（IN）活性，其中T2處理效果最顯著，但在23～38 d期間，4種處理IN活性明顯下降，各處理與對照水平非常接近。但38 d以后，一直到試驗結束，有綠肥翻壓的IN活性又有所回升，而對照的IN基本保持平穩(wěn)。其97 d動態(tài)測定的總體平均值大小順序為：T2[104.16 μg/（g·8 h）]>T3[95.73 μg/（g·8 h）]>T1[94.96 μg/（g·8 h）]>CK[81.61 μg/（g·8 h）]，除了油菜與紫云英之間差異不顯著外，其他各處理相互之間的差異均達到顯著水平（p<0.05，表3）。

4種處理下的土壤蛋白酶（PR）活性均呈“明顯上升-緩慢下降-緩慢上升-緩慢下降”變化趨勢，尤其是前13 d的變化一致，并在第13天均達到處理期的最高值[246.53～250.38 μg/（g·8 h）]。隨時間繼續(xù)延長PR活性開始下降，其中，對照的土壤PR值在處理第23天時下降到159.55 μg/（g·8 h），顯著低于另外3種綠肥翻壓處理（p<0.05）。雖然3種綠肥翻壓后的土壤PR活性在13～74 d期間高于對照（第38天除外），但相互之間差異均不顯著（p>0.05）。其各處理97 d的動態(tài)平均PR活性為178.17～189.77 μg/（g·8 h），整體差異不大。

各處理的土壤多酚氧化酶（PO）活性的97 d整體水平顯著低于對照（p<0.05），尤其是0～38 d期間的差距更明顯。97 d的PO總平均值大小順序為：CK[127.17 μg/（g·8 h）]>T3[103.61 μg/（g·8 h）]>T1[98.29 μg/（g·8 h）]>T2[89.64 μg/（g·8 h）]。肥田蘿卜的PO活性處理期間均保持最低水平（第6天除外），并與油菜和紫云英翻壓土壤的PO活性之間差異顯著（p<0.05）。其中，在38～53 d處理期，除油菜外，其他3種處理條件下的PO活性均出現回升現象。

2.6 綠肥翻壓條件下的各因子之間相關性

所有供試指標97 d動態(tài)觀測值之間的相關性分析結果見表4?？梢姡G肥翻壓處理后的土壤和溶液氮素動態(tài)變化與對照之間相關性不顯著。

3 討論

3.1 綠肥翻壓對土壤養(yǎng)分影響

3種綠肥翻壓處理均增加了土壤和土壤溶液中的N、P含量，其主要釋放量集中在翻壓后13 d內。這與大多數有關綠肥釋放養(yǎng)分的研究結果一致[4，10]。紫云英釋放氮的速率明顯低于油菜和肥田蘿卜。結合紫云英的固氮性能，從作物氮利用的長期有效性角度看，紫云英是比較好的選擇。高菊生等[2]證明紫云英在改良土壤有機質等特性方面同樣具備優(yōu)勢。但如果想要利用短期集中的N、P肥效，則肥田蘿卜的前期氮磷釋放速率最快，是更好的選擇。相對于對照，3種綠肥處理的土壤TP水平均顯著增加（p<0.05，圖2），這與閆超[11]的研究結果一致，且翻壓前期效果明顯，說明綠肥翻壓會促進土壤吸附或滯留更多的磷，只是隨時間延長，這種作用會逐漸減低[12]。同時，經綠肥翻壓處理的土壤溶液TP隨時間波動的幅度要明顯小于對照（圖3），即綠肥翻壓使土壤溶液中TP含量的時間波動變小，有利于作物養(yǎng)分平衡供應。

3.2 土壤酶活性對綠肥翻壓的響應

酸性磷酸酶可加速有機磷的脫磷速度，在土壤磷素循環(huán)中有著重要作用，可以用來評價土壤磷元素的轉化方向與強度[13]。本研究顯示，包括對照在內的4種處理土壤的ACP活性在0～13 d期間整體呈持續(xù)下降趨勢，酶激活明顯受到抑制，這可能與供試稻田土壤的ACP活性本身就很高有關。本試驗供試土壤TP含量較高（1.33 g/kg），肥力水平過高也會對土壤微生物群落及酶活性有抑制作用[14]。另外綠肥翻壓2周以內對土壤性質的干擾比較大[15]，ACP活性更容易受土壤性質變化影響導致。

轉化酶活性（IN）可以反映土壤熟化程度及土壤有機碳物質分解轉化的速度[16-17]。本研究結果顯示，3種綠肥翻壓整體上均促進了土壤IN活性的激發(fā)，肥田蘿卜效果顯著（p<0.05）。孫穎等[18]研究證明大豆綠肥翻壓對土壤IN酶有明顯激活作用。

土壤蛋白酶（PR）直接參與土壤有機氮化物的轉化[19]。翻壓油菜、紫云英和肥田蘿卜后，土壤的PR活性增加，Elfstrand等[20]對紅三葉綠肥翻壓的研究也證實了這點。但與對照差異不顯著（p>0.05），說明油菜、紫云英和肥田蘿卜翻壓對土壤PR酶活性的改善并不明顯。這與王健波等[21]對綠肥地、小麥地及蔬菜地之間的PR活性比較的結果一致。綠肥翻壓下，PR活性出現2個波動高峰，其變化趨勢與翻壓光葉紫花苕子綠肥的土壤PR活性變化類似[22]，說明土壤PR活性的激發(fā)受處理時間長短影響較大。

土壤多酚氧化酶（PO）主要完成土壤芳香族化合物循環(huán)，它是合成腐殖質過程中一種重要的氧化酶[23]。在本研究結果中，經綠肥翻壓處理的土壤PO活性在2～6 d下降趨勢明顯，并始終低于對照水平。這可能與綠肥翻壓后釋放養(yǎng)分較高有關，劉瑜等[24]研究也發(fā)現，多酚氧化酶與土壤全氮、有效磷含量之間呈顯著負相關。但隨時間延長綠肥翻壓土壤PO活性與對照之間的差距越來越小，說明隨著3種綠肥殘體不斷腐解，微生物活性升高，酶活性再度升高。潘學軍等[22]研究得出，過氧化氫酶活性在綠肥處理后呈現急劇降低后又回升的變化。

整體上，針對本研究測試的各酶活性變化，PO和IN活性受綠肥翻壓影響較大，這與Ye等[25]針對黑麥草及燕麥展開的綠肥研究結果類似，相對于對照，綠肥處理ACP活性增加2.34%～33.17%，而 IN酶活性增加了172.66%。3種綠肥材料中，肥田蘿卜對4種酶活性的影響最大。

3.3 綠肥翻壓條件下的各因子之間相關性

綠肥翻壓處理后的土壤和溶液氮素動態(tài)變化與對照之間相關性不顯著（p>0.05，表4），說明綠肥翻壓干擾了土壤氮含量變化，但這種干擾與綠肥的腐解速率關系不大（p>0.05）。除了紫云英，其他3種處理方式下的土壤溶液TN均與土壤PO活性顯著負相關（p<0.05），且對照土壤ACP活性與溶液TN之間也呈顯著負相關（p<0.05），這可能是由于土壤環(huán)境中養(yǎng)分過高，反而抑制了某些酶活性的原因。Piotrowska等[13]的研究也有同樣觀點，在肥田蘿卜翻壓綠肥地，施氮量在40～80 kg/（hm2·year），ACP活性達到最高值，而施氮量在160 kg/（hm2·year）時，反而抑制了ACP活性的激發(fā)。油菜和肥田蘿卜的腐解率與相應溶液TP之間呈現顯著正相關（p<0.05），說明這兩種綠肥向土壤溶液動態(tài)釋放TP的貢獻很大，但其與土壤酶活性之間的相關性不大，這可能是由于3種綠肥的腐解大部分都是在前13 d完成有關。

針對同一種土壤酶，幾乎都在不同處理之間均呈現顯著或極顯著正相關（p<0.05或p<0.01），說明綠肥翻壓雖然整體上改變了酶活性大小，但這4種與C，N，P循環(huán)相關的酶活性隨時間的動態(tài)變化規(guī)律并未受影響。李正等[26]研究發(fā)現，土壤酸性磷酸酶、蔗糖酶等4種酶活性在黑麥草綠肥翻壓90 d期間，其活性時間變化規(guī)律與對照土壤的各酶活性整體波動規(guī)律相同，與本研究結果一致。同一處理條件下的4種酶活性之間也體現了一定相關性，而經綠肥翻壓后的各酶活性之間的相關程度有所增加，如肥田蘿卜處理下的PO、ACP和IN相互之間顯著或極顯著相關（p<0.05 or p<0.01），紫云英處理下的ACP和IN極顯著相關（p<0.01）。這說明土壤酶在促進物質轉化中不僅顯示其專性催化特性，同時也展現了共性關系，即3種綠肥翻壓后的土壤總體酶活性很高（p<0.01）。這一結論與葉協鋒等[27]的研究結果一致，其利用綠肥黑麥草翻壓后，土壤ACP、IN等多種酶活性之間均顯著相關。

4 結論

（1）在97 d的試驗周期內，綠肥腐解速率表現為：肥田蘿卜>紫云英>油菜，且翻壓前期為腐解高峰。3種綠肥材料向土壤環(huán)境釋放TN的速率為：肥田蘿卜>油菜>紫云英；釋放TP的速率為：肥田蘿卜>紫云英>油菜

（2）翻壓綠肥后，土壤TP含量顯著高于對照（P<0.05），油菜翻壓對土壤TP含量增加最為顯著；綠肥對土壤TN含量影響較小。

（3）翻壓綠肥后，致使土壤和溶液之間的N-P分配比例更均衡，且養(yǎng)分隨時間波動幅度也更平穩(wěn)。

（4）綠肥翻壓對多酚氧化酶和轉化酶活性的影響顯著（p<0.05），而對土壤蛋白酶和酸性磷酸酶活性的影響不大，且4種酶同時體現了專性催化特征和共性關系。肥田蘿卜改善土壤酶活性作用最明顯。

（5）紫云英作為淹水土壤綠肥翻壓養(yǎng)分釋放持續(xù)時間較長且均勻，對土壤肥力影響較為持久，肥田蘿卜和油菜前期養(yǎng)分釋放快，釋放集中。對于農作物可根據綠肥養(yǎng)分釋放特點來制定施肥策略，達到節(jié)肥豐產的目的。

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