施用有機物料對沙化土壤碳氮含量、酶活性及紫花苜蓿生物量的影響

屈皖華，李志剛，李 健

(1.寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,寧夏 銀川 750021； 2.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院,寧夏 銀川 750021； 3.種苗生物工程國家重點實驗室,寧夏 銀川 750004)

施用有機物料對沙化土壤碳氮含量、酶活性及紫花苜蓿生物量的影響

屈皖華1，李志剛2，3，李 健1

(1.寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,寧夏 銀川 750021； 2.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院,寧夏 銀川 750021； 3.種苗生物工程國家重點實驗室,寧夏 銀川 750004)

為探討施用有機物料對寧夏沙化土壤的改良效果，以當(dāng)?shù)匾椎玫臈顦?Populusalbavar.pyramidalis)枝條、玉米(Zeamays)秸稈、牛糞為原料，通過桶栽方法研究了有機物料單施和配施對寧夏沙化土壤碳氮含量、酶活性及紫花苜蓿生物量的影響。結(jié)果表明，與無添加對照相比，單施和配施有機物料(除牛糞外)均使土壤的碳、氮組分含量(除無機氮外)有不同程度的增加；單施牛糞處理增加了土壤的無機氮，土壤有機碳、易氧化有機碳、全氮和水解氮含量均最高，但是土壤C/N(有機碳/全氮)及微生物C/N(土壤微生物生物量C/微生物生物量N)較低；楊樹枝條+玉米秸稈+牛糞配施處理的土壤微生物生物量碳和微生物生物量氮含量，土壤酶活性(纖維素酶、過氧化氫酶、蔗糖酶、磷酸酶、脲酶)以及紫花苜蓿(Medicagosativa)生物量(是對照的3.33倍)最高，而單施牛糞卻出現(xiàn)抑制紫花苜蓿生長的現(xiàn)象。土壤肥力水平綜合得分顯示，楊樹枝條+玉米秸稈+牛糞處理對土壤肥力水平的提高效果最佳。該研究為寧夏及其它類似地區(qū)沙化土壤改良提供了參考的依據(jù)。

有機物料；沙化土壤；改良效果；微生物；酶活性；生物量；寧夏

中國干旱區(qū)面積約占全國陸地面積的25%，是生態(tài)環(huán)境最為嚴(yán)酷和脆弱的區(qū)域之一[1]，而其中的沙化土地是干旱區(qū)最主要的土地退化類型，直接影響著人類的生存環(huán)境和質(zhì)量，威脅到國土生態(tài)安全，一直是中國重點治理的環(huán)境問題之一[2-4]。寧夏作為西北地區(qū)沙化嚴(yán)重的省份之一，其當(dāng)前已有的沙化土地面積占寧夏土地總面積的24.3%[5]，成為制約寧夏地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的重要因素之一。因此，對沙漠化土地的治理迫在眉睫。

沙化土壤最主要的特點是有機碳含量低、土壤瘠薄、結(jié)構(gòu)差等，容易造成土壤水分的損失和養(yǎng)分的流失，而土壤有機碳被認(rèn)為是影響土壤健康和質(zhì)量最關(guān)鍵的因素[6-8]，且沙化土壤的恢復(fù)也是伴隨著土壤有機碳和其它養(yǎng)分的提高的[9]，因此，通過直接向沙化土壤輸入有機物料以提高沙化土壤有機碳含量可能是恢復(fù)其肥力的一個重要措施。土壤酶參與土壤中有機物分解合成、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和外源物質(zhì)的降解，酶活性還與土壤理學(xué)特征和微生物群落結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)[10]。地下土壤生態(tài)系統(tǒng)與地上植被生態(tài)系統(tǒng)也存在緊密的聯(lián)系[11]。目前，秸稈還田是國內(nèi)外干旱、半干旱地區(qū)使用較多的土壤改良方式[12]，因為將農(nóng)作物秸稈施入土壤可以參與土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)，為土壤提供溶解性有機碳[13]，以維持土壤肥力[14]。中國北方地區(qū)的農(nóng)田與生態(tài)防護林，作為保護農(nóng)田和沙漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境的主要屏障，在寧夏廣泛分布[15]，這就意味著林木修剪產(chǎn)生的大量廢棄物(如枝條)也能被用于當(dāng)?shù)厣郴寥赖母牧迹@方面的研究并不多見[12]。因此，本研究以寧夏當(dāng)?shù)貎煞N常見的農(nóng)林廢棄物玉米(Zeamays)秸稈、楊樹(Populusalbavar.pyramidalis)修剪枝條及牛糞為試驗材料，將3種有機物料通過單施和配施，研究有機物料輸入對沙化土壤碳氮含量、酶活性及紫花苜蓿生長的影響，旨在為北方地區(qū)沙化土壤的改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)銀川市市郊南的沙化草地(106°08′-107°22′ E、38°28′-38°42′ N)，海拔111 5 m左右，屬中溫帶半干旱大陸性氣候，晝夜溫差大，降水稀少，蒸發(fā)量大，氣候干燥。年平均降水量186 mm，年平均氣溫8.5 ℃左右。相對濕度45%～66%。年平均最高氣溫30.1 ℃，平均最低氣溫-15.2 ℃，極端最高氣溫37.2 ℃，極端最低氣溫-27.9 ℃[5]。

1.2 試驗材料

本研究驗選取在寧夏分布比較廣泛的兩種農(nóng)林有機物料[楊樹枝條粉碎物(poplar branch，PB)和玉米秸稈粉碎物(corn straw，CS)]以及牛糞(cow manure，CM)。所選楊樹為新疆楊。楊樹枝條試驗前去除葉片。枝條和秸稈材料在試驗前粉碎至長度/粒徑≤5 mm，且粉碎物過2 mm篩以除去過細(xì)的材料；牛糞過5 mm篩除去體積過大的材料。所有材料曬干備用。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設(shè)計 試驗地于2015 年4 月設(shè)置完成。采用桶栽方法，所用塑料桶上直徑31.5 cm、下直徑26.0 cm、高31.5 cm，裝土質(zhì)量12 kg，土壤采自研究區(qū)且過1 mm篩。本研究選擇了砂土(砂粒92.5%，粉粒5.48%，粘粒2.02%)，土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量分別為12.01、0.15、0.26和15.75 g·kg-1，pH為8.64。土壤裝桶后，每桶種20粒飽滿的紫花苜蓿(Medicagostativa)種子，出苗后留長勢一致且健壯的苗6株做后期觀測。澆水原則為所有供試桶的土壤水分保持在對照土壤田間持水量的70%左右，且每4 d稱重一次以確保處理間土壤水分的一致性。根據(jù)對寧夏沙土改良的研究結(jié)果[14]，土壤中添加2%～5%的有機物料對作物生長的促進作用最明顯，因此，本研究設(shè)計了3%的有機物料添加比例。本研究共設(shè)8個處理：1)無任何有機物添加的對照(CK)；2)土壤單施3%牛糞(CM)；3)土壤單施3%楊樹枝條(PB)；4)土壤單施3%玉米秸稈(CS)；5)土壤配施1.5%楊樹枝條+1.5%牛糞(PB+CM)；6)土壤配施1.5%楊樹枝條+1.5%玉米秸稈(PB+CS)；7)土壤配施1.5%玉米秸稈+1.5%牛糞(CS+CM)；8)土壤配施1%楊樹枝條+1%玉米秸稈+1%牛糞(PB+CS+CM)。有機物添加量為土壤質(zhì)量比，每桶施尿素(CH4N2O)5 g，磷酸二氫鉀(KH2PO4)2 g。每個處理4個重復(fù)，共計32個試驗桶。

2015年7月(試驗開展3個月后)和10月(苜蓿盛花期)采土壤樣品。取土層深度為0-20 cm的土壤(包含添加的有機物)，在實驗室無菌條件下過1 mm篩，取200 g土樣于4 ℃冰箱中保存用于測定土壤微生物指標(biāo)，其余土樣風(fēng)干，用于有機碳含量、全氮含量及其它化學(xué)性質(zhì)的測定。2015年10月同時采集紫花苜蓿地上部分植物樣品，帶回實驗室測定苜蓿生物量。

1.3.2 測定指標(biāo)與方法

土壤化學(xué)性質(zhì)的測定：土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化-分光光度計法[16]，土壤易氧化性有機碳采用高錳酸鉀氧化法[17]，土壤全氮采用半微量開氏法測定[18]，土壤水解氮采用擴散法，土壤無機氮為NH4-N和NO3-N總和，NH4-N用水楊酸比色法測定，NO3-N用磺胺比色法測定[19]。

微生物生物量碳和微生物生物量氮的測定采用氯仿熏蒸浸提法[20]。

土壤酶活性的測定[21]：纖維素酶活性與蔗糖酶活性的測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法；過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定；磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定；脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定。

紫花苜蓿生物量的測定：取紫花苜蓿全株的生物量在80 ℃下烘干24 h后測定干重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013軟件建立數(shù)據(jù)庫、繪制酶活性圖，使用Origin 7.5軟件繪制紫花苜蓿生物量圖。試驗數(shù)據(jù)均采用SPSS 20.0軟件采用Duncan法做方差分析和主成分分析。另外，為評價各處理對土壤改良的綜合效果，根據(jù)參考文獻[22]的研究方法計算各處理的綜合得分，先利用SPSS進行主成分分析得出各主成分因子載荷矩陣及主成分特征根，得出各主成分得分的計算表達式[23]：

F=A1X1+A2X2+…+AnXn.

2 結(jié)果與分析

2.1 施用有機物料對土壤碳氮的影響

有機物料施用方式不同對土壤碳、氮的影響亦不同(表1)，但7月份和10月份變化規(guī)律基本一致。與CK相比，單施和配施有機物料均使土壤除無機氮外的其它不同碳氮組分含量有不同程度的增加(但CM增加了土壤無機氮)。單施情況下，與CK相比，CM降低了微生物生物量碳含量，但不同程度地增加了其它碳氮組分含量和降低了土壤C/N及微生物C/N，且效果優(yōu)于PB和CS；PB、CS與CK相比，CS在提高有機碳、易氧化性有機碳、微生物生物量碳及微生物生物量氮含量方面優(yōu)于PB，但PB在提高水解氮含量方面的效果優(yōu)于CS。配施情況下，PB+CM+CS處理較CK、PB+SC和CS+CM對碳氮不同組分含量的效果最佳，但PB+SC和CS+CM間的碳氮組分變化規(guī)律不一致?？傮w比較，與CK相比，PB+CM+CS對微生物生物量碳和微生物生物量氮含量的提高效果明顯，而CM對其它碳、氮組分含量的提高效果最佳。

2.2 施用有機物料對土壤酶活性的影響

施用不同有機物料對土壤酶活性的影響不同(圖1)，7月份和10月份處理間酶活性的變化趨勢總體上基本一致。纖維素酶、蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性的變化規(guī)律基本一致，且7月份和10月份變化亦基本一致，即單施處理總體上在處理間表現(xiàn)為CS>PB>CM>CK，所有配施處理亦均表現(xiàn)出3種酶活性高于CK的趨勢，且PB+CM+CS以最高，但PB+CM、CS+CM和PB+CS在不同酶活性間和不同時間變化不一致。過氧化氫酶活性7月份所有處理的酶活性與CK相比均顯著升高(P<0.05)，而10月份除CM與CK差異不顯著外(P>0.05)，其它處理仍均顯著高于CK(P<0.05)。

2.3 土壤碳氮與酶活性間的主成分分析

為了更好地評價單施和配施有機物料對土壤肥力狀況的影響，選擇土壤碳氮含量、土壤酶活性分共 14 個土壤指標(biāo)進行主成分分析。7月的結(jié)果表明(表2)，主成分1的方差貢獻率達到了36.45%，對土壤肥力狀況起主要作用的3個主成分累積方差貢獻率達到了73.08%，基本包含了主要的土壤肥力信息，能反映出土壤各指標(biāo)的相對重要性及其之間的相互關(guān)系。而10月，主成分1、2、3的方差貢獻率分別為47.00%、23.18%和9.08%，3個主成分累積方差貢獻率達到了79.26%。根據(jù) 14 個土壤肥力因子在各主成分上的因子載荷分析(表2)，可將3個主成分分別命名為微生物因子、碳氮素因子和氮素因子。由主成分因子得分及土壤肥力水平綜合得分(表3)結(jié)果表明， 7月和10月總體來看，PB+CM+CS組效果最優(yōu)，CM組和CK組效果最差。

注：不同小寫字母表示同一月份不同處理間差異顯著(P<0.05);處理代碼同表1。

Note: Different lowercase letters within the same month indicate significant among different treatments at the 0.05 level; The abbrevictions of treatment are as in Table 1.

2.4 施用有機物料對紫花苜蓿生物量的影響

有機物料不同配比對紫花苜蓿生物量的影響不同(圖2)。除CM組外，其它處理下的生物量均顯著大于CK(P<0.05)，PB、CS、PB+CM、PB+CS、CS+CM和PB+CS+CM處理生物量分別是CK的1.58、2.27、2.48、2.17、3.05、3.33 倍。

3 討論與結(jié)論

3.1 施用有機物料對土壤碳氮的影響

土壤有機碳和全氮是土壤養(yǎng)分的重要組成部分，在本研究中，單施與配施有機物料使土壤有機碳和全氮含量顯著提高，以CM組提高效果最明顯。而對植物和土壤微生物來說活性較高的那部分有機碳是活性有機碳，在土壤中穩(wěn)定性差、周轉(zhuǎn)速率快、易礦化分解[24]，其中土壤可溶性有機碳、微生物生物量碳和易氧化有機碳是其重要的表征指標(biāo)[25]，易氧化性有機碳含量的高低直接影響到土壤微生物的活性，從而影響土壤固碳能力[26]。本研究中，7月單施組易氧化性有機碳含量較高，其中CM組含量最高，而配施組除PB+CM+CS組外其余各組含量沒有明顯提高甚至小于CK組，10月各組易氧化有機碳含量均有增加(PB組含量最高)，出現(xiàn)這種變化的原因尚不明確。能被作物吸收利用的氮素幾乎全部是無機態(tài)氮，而土壤中氮素主要是有機態(tài)氮，有機氮經(jīng)礦化變?yōu)闊o機氮才能被吸收[27]。本研究中土壤水解氮和無機氮含量除CM組外，隨著時間推移各組含量均低于CK組呈下降趨勢，說明氮素被植物吸收利用和微生物固持，微生物生物量氮含量恰好證明了這一觀點：10月各組微生物生物量氮含量均高于CK組。而CM組對微生物生物量碳、氮的提高作用并不明顯，PB+CM+CS組對微生物的作用最顯著。土壤中的微生物驅(qū)動著物質(zhì)轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)，微生物生物量碳、氮作為養(yǎng)分的儲存庫，是土壤養(yǎng)分的重要來源[24]，在土壤中有重要作用。這表明，有機物料的投入可以提高土壤有機碳、全氮含量，有助于提高土壤肥力。這與彭令發(fā)等[28]的研究一致：長期地大量外援有機物質(zhì)向黑土農(nóng)田投入可以提高土壤有機質(zhì)含量，有助于恢復(fù)土壤肥力。

表2 主成分因子載荷矩陣

表3 不同處理土壤肥力水平綜合得分

圖2 不同處理對紫花苜蓿生物量的影響

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different lowercase letters indicate significant among different treatments at the 0.05 level.

3.2 施用有機物料對土壤酶活性的影響

土壤酶作為土壤生物活性較為穩(wěn)定和靈敏的一個指標(biāo)，能夠反映植被重建后土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的動態(tài)情況，評價退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)狀況[29]。與CK相比，除CM組酶活性沒有顯著變化外，其它處理組5種酶活性均有不同程度的增強，PB+CM+CS增強效果最顯著。從土壤綜合肥力來看，PB+CM+CS組對土壤的改良效果最優(yōu)，CM組對沙化土壤的改良基本沒有產(chǎn)生效果。7月配施組改良效果優(yōu)于單施組，而到10月單施和配施有機物料，改善沙化土壤效果有所不同。PB+CM+CS處理組的土壤肥力水平綜合得分排名最高,反映了該種處理方式能夠有效提高沙化土壤的肥力，對于沙化土壤改良效果最優(yōu)，因此可以作為沙化土壤生態(tài)修復(fù)措施的重點考慮對象。

3.3 施用有機物料對紫花苜蓿生物量的影響

土壤微生物對土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與作物吸收具有調(diào)節(jié)和補償作用[30]。與CK相比，除CM外，其它處理組紫花苜蓿生物量均顯著增加(P<0.05)，PB+CM+CS組植物生物量值最大，說明該組能最好地為植物提供生長所需的各種營養(yǎng)物質(zhì)。而CM組出現(xiàn)了抑制植物生長的趨勢，這可能與牛糞具有高的電導(dǎo)率有關(guān)[31]。電導(dǎo)率用以衡量有機肥料中可溶性鹽的含量，其與可溶性鹽含量呈正比[32]。因此，肥料電導(dǎo)率過大會出現(xiàn)燒苗現(xiàn)象，影響植物的正常生長[33]。

綜上所述，在沙化土壤施加有機物料均使土壤除無機氮外的其它不同碳氮組分含量有不同程度的增加。單施牛糞處理不僅可以有效增加土壤的無機氮，而且與對照和其它處理相比土壤有機碳、易氧化有機碳、全氮和水解氮含量較均最高，但出現(xiàn)抑制紫花苜蓿生長的現(xiàn)象；而楊樹枝條+玉米秸稈+牛糞的配施處理對提高土壤微生物生物量碳和氮含量的效果最佳，同時對土壤酶活性的提高也表現(xiàn)出最佳的趨勢，該處理下紫花苜蓿生物量在所有處理間也最高。土壤肥力水平綜合得分顯示，楊樹枝條+玉米秸稈+牛糞處理對土壤肥力水平的提高效果最佳，是未來沙化土壤改良可采用的方案之一。

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(責(zé)任編輯 茍燕妮)

Effects of fertilizing organic materials on contents of carbon and nitrogen,enzyme activity of desertified soils and alfalfa biomass

Qu Wan-hua1, Li Zhi-gang2，3, Li Jian1

(1.School of Life Sciences, Ningxia University, Yinchuan 750021, China;2.School of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021, China；3.State Key Laboratory of the Seedling Bioengineering, Ningxia Forestry Institute, Yinchuan 750004, China)

Poplar branch, corn straw, and cow manure were selected from a local site in order to study the effects of these amended materials on desertified soil in Ningxia. Further, a microcosm experiment was set up to test the effects of individual material or mixed materials on contents of carbon and nitrogen, enzymatic activity of desertified soil, and alfalfa biomass. Results showed that both individual material (except cow manure) and mixed materials increased all fractions of soil carbon and nitrogen, except inorganic nitrogen, compared with control. Cow manure increased inorganic nitrogen, soil organic carbon (SOC), oxidized organic carbon, total nitrogen (TN), and available nitrogen of the soil relative to other treatments. However, cow manure decreased soil C/N (SOC/TN) and microbial biomass C/N (MBC/MBN). Mixed materials with poplar branch, corn straw, and cow manure were the best in increasing microbial C and N contents, and also showed the best tendency for increasing enzyme activity, including the activities of cellulase, catalase, sucrase, phosphatase, and urease. Mixed materials with poplar branch, corn straw, and cow manure was also the best in increasing alfalfa biomass. Individual treatment with cow manure resulted in lower alfalfa biomass compared with the control. In conclusion, mixed materials with poplar branch, corn straw, and cow manure showed the most significant effect on improving soil fertility in desertified soils according to principal component analysis. The study will be an example for desertified soil amendment in Ningxia and other similar sites in China.

organic materials; desertified soil; amended effects; microorganism; enzymatic activity; biomass; Ningxia

Li zhi-gang E-mail:lizg001@sina.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0378

2016-07-15 接受日期：2017-01-03

國家國際合作專項(2015DFA90900)；引進國際先進林業(yè)科學(xué)技術(shù)項目(2013-04-79)

屈皖華(1991-)，女，甘肅張掖人，在讀碩士生，主要從事植物基因工程方面的研究。E-mail:wmzdyd0721@sina.com

李志剛(1985-)，男，寧夏海源人，講師，博士，主要從事草地生態(tài)學(xué)與草地管理方面的研究。E-mail：lizg001@sina.com

S816;S551+.706;Q945.79

A

1001-0629(2017)3-0456-09*

屈皖華，李志剛,李健.施用有機物料對沙化土壤碳氮含量、酶活性及紫花苜蓿生物量的影響.草業(yè)科學(xué),2017,34(3)：456-464.

Qu W H,Li Z G,Li J.Effects of fertilizing organic materials on contents of carbon and nitrogen, enzyme activity of desertified soils and alfalfa biomass.Pratacultural Science，2017,34(3)：456-464.