沼灌負荷對紫色土土壤酶活性及氮、磷遷移的影響

余薇薇，謝明揚，朱家悅，杜邦昊，楊　倫

(重慶交通大學/水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

1　材料和方法

1.1　供試材料

供試土壤為紫色土，取自重慶某奶牛養(yǎng)殖場周邊的耕地。土壤pH值為5.9～6.2，含有機質12.29 g/kg、有效磷6.44 mg/kg、堿解氮98.31 mg/kg，其轉化酶活性為0.03 mL/g，酸性磷酸酶活性為0.51 mg/g，脲酶活性為0.92 mg/g。沼液自配，成分參考養(yǎng)殖場的沼液，TP含量為25.21 mg/L，銨態(tài)氮含量為318.56 mg/L，化學需氧量(COD)為640 mg/L，有機氮含量為32 mg/L，TK含量為419.56 mg/L，Fe含量為3.18 mg/L，Zn含量為6.02 mg/L。

試驗用土壤柱進行灌溉，土壤柱外殼為透明有機玻璃(高600 mm、直徑100 mm)，土壤柱底部鋪2 cm厚玻璃珠(直徑2 mm)。

1.2　土樣采集

選取5個采樣點分別進行采樣，然后混合均勻取1 kg紫色土樣品放在塑料布上弄碎、混勻、鋪成四方形。用劃對角線法將土樣平均分成4份，取對角的2份混合放入樣品袋，自然風干后，過3 mm篩。

1.3　試驗設計

將風干過篩的紫色土均勻填入有機玻璃管中，填充完后在土壤上鋪滿2 cm厚的玻璃珠，土壤柱有效高度為45 cm，分別在土柱0 cm(表面)、-15 cm(距離表面15 cm)和-45 cm(距離表面45 cm)處開設孔洞，為方便固定點取土，用蒸餾水預飽和土壤柱，靜置平衡3 d，然后進行灌溉處理。試驗共設4個灌溉處理，T1(全部為沼液)、T2(蒸餾水∶沼液=1∶)、T3(蒸餾水∶沼液=2∶)沼灌負荷分別為382.2、191.1、127.4 m3/(hm2·d)，CK(空白對照)為蒸餾水。灌溉2 d后，分別在土柱0 cm、-15 cm和-45 cm處取出土壤，風干后測定土壤磷酸酶、脲酶、轉化酶活性和有效磷、銨態(tài)氮含量及沼灌前后土壤成分。

1.4　測定指標與方法

1.5　數據處理

數據用Office 2013整理，采用Origin 9.0進行繪圖。

2　結果與分析

2.1　沼灌負荷對土壤酶活性的影響

2.1.1脲酶由圖1可知，沼灌后0 cm和-15 cm處土壤脲酶活性均高于CK，不同沼灌條件下土壤脲酶活性有一定差異。沼液中的有機質作為碳源能夠增強土壤微生物活性從而釋放更多酶。因此，隨沼灌負荷增大，脲酶活性提高幅度越大，而隨著土壤剖面深度增加，土壤脲酶活性逐漸降低，但T1處理始終明顯高于其他處理，這可能是由于隨土壤剖面深度增加，土壤營養(yǎng)元素含量和土壤環(huán)境不利于微生物的生存和繁殖，從而導致土壤酶活性降低[22]；也可能是因為土壤氨氮含量過多會抑制脲酶活性[23]，所以建議不要施入過量沼液。

圖1　不同沼灌負荷下紫色土脲酶活性變化

2.1.2磷酸酶由圖2可知，在T1沼灌負荷下，沼灌后0 cm處土壤磷酸酶活性低于CK，-15 cm和-45 cm處高于CK，這是由于高負荷沼液使0 cm處土壤產生磷素積累效應從而抑制了酶活性[24-25]；T2沼灌負荷下，土壤磷酸酶活性隨著土壤深度增加先增加后降低，但均高于CK；T3沼灌負荷下，土壤磷酸酶活性隨著土壤深度增加而減小，0 cm和-15 cm處高于CK，-45 cm處低于CK。

圖2　不同沼灌負荷下紫色土磷酸酶活性變化

2.1.3轉化酶由圖3可知，沼灌負荷對0 cm處土壤轉化酶活性影響較明顯，沼灌后此處土壤轉化酶活性均高于CK，且沼灌負荷越大，土壤轉化酶活性越高。這是因為隨沼液施入，土壤有機質含量增高，從而激發(fā)了土壤轉化酶活性[26]。總體上隨土壤深度增加土壤轉化酶活性呈明顯降低趨勢。在-15 cm處，T1處理土壤轉化酶活性較CK明顯增大，T2處理轉化酶活性較CK增加幅度較小，而T3處理與CK無明顯差異。在-45 cm處，各處理間土壤轉化酶活性無明顯差異。

圖3　不同沼灌負荷下紫色土轉化酶活性變化

2.2　沼灌負荷對土壤銨態(tài)氮、有效磷含量的影響

由圖4可知，沼液灌溉處理能夠明顯提高土壤銨態(tài)氮含量(除-45 cm處T2和T3處理與CK差異較小外)，這是由于沼液提高了土壤中微生物活性，促進了銨態(tài)氮的轉化。T1、T2、T3負荷下，0 cm處土壤銨態(tài)氮含量分別較CK增加了13.8、8.8、5.9倍。隨著沼灌負荷增大，土壤中銨態(tài)氮含量增加。3個沼灌處理土壤銨態(tài)氮含量在縱深方向均表現為0 cm>-15 cm>-45 cm，即隨著土壤深度的增加，銨態(tài)氮含量逐漸減小，說明土壤銨態(tài)氮向下遷移量較小，但在T1處理下，土壤銨態(tài)氮含量最大，0 cm處為680.48 mg/kg ，-45 cm處也能達到335.07 mg/kg。

圖4　不同沼灌負荷下紫色土銨態(tài)氮含量變化

由圖5可知，土壤0 cm處土壤有效磷含量的變化規(guī)律與銨態(tài)氮相似，有效磷含量表現為T1>T2>T3，分別較CK增加了13.1、7.8、5.3倍。在T1沼灌負荷下，0 cm處土壤有效磷含量高達81.68 mg/kg，這與王月立等[27]計算出的土壤速效磷(即有效磷)淋溶臨界值(74.6～82.0 mg/kg)相符，在農業(yè)生產中應將土壤速效磷含量控制在12.0～80.2 mg/kg。在-15 cm處，僅T1處理土壤有效磷含量明顯高于CK，其余沼灌處理與CK無明顯差異；在-45 cm處，

圖5　不同沼灌負荷下紫色土有效磷含量變化

各沼灌處理有效磷含量差異不明顯，均低于10 mg/kg。沼灌后土壤有效磷幾乎都富集在0 cm處，向下遷移能力極弱。即便在全沼液灌溉下，土壤有效磷也未能遷移到-45 cm處土壤。

2.3　沼灌負荷對土壤成分的影響

本試驗利用XRD對沼灌前后紫色土成分進行定性分析，用以觀察沼灌對土壤成分的影響。圖6為不同沼灌負荷下紫色土的XRD圖譜，對比各成分XRD標準卡片后標出各物質的特征峰?？捎^察到石英(SiO2)和長石的衍射峰非常明顯，該物質是紫色土的主要成分，還有部分伊利石、蛭石和綠泥石等黏粒礦物的衍射峰較為明顯，這些物質存在于紫色土中但其所占比例較小。觀察不同沼灌負荷處理(T1、T2、T3)土壤的XRD圖譜可知，各沼灌處理沼液灌溉前后土壤的成分組成保持一致，但成分含量有不同的變化。在T1處理下沼灌后綠泥石特征峰強度較未沼灌土壤無明顯變化，伊利石特征峰有小幅度增強，而蛭石則有小幅下降。劉永輝等[28]研究表明，施肥后蛭石會固定鉀素然后轉化為伊利石，所以蛭石含量變小而伊利石比例相對增加。蛭石對磷素有較好的吸附效果，其含量下降會減少土壤對磷的吸附作用。雖然沼液灌溉可使土壤酶活性明顯增強，但是在不同灌溉負荷下，土壤成分無明顯變化。

a：原土；b：T1；c：T2；d：T3

3　結論與討論

本研究結果表明，適度沼灌可提高土壤脲酶、磷酸酶和轉化酶活性。在-45 cm處，僅T1處理土壤脲酶活性較CK明顯增加，其他處理與CK 無明顯差異，這可能是因為在高沼灌負荷下可溶性有機質、氮、鉀等營養(yǎng)元素能夠遷移至土壤深層，通過影響微生物來提高土壤酶活性。在T1沼灌負荷下，0 cm處土壤磷酸酶活性低于深層土；T2沼灌負荷下，土壤磷酸酶活性隨著土壤深度增加先增加后降低；T3沼灌負荷下，土壤磷酸酶活性隨著土壤深度增加而減小。沼灌負荷越大，脲酶活性也越大，這與前人研究結果一致[29-31]。沼灌可提高土壤酶活性，但過量則會降低磷酸酶活性，即沼灌負荷不宜過高，考慮到沼液灌溉的經濟效益，建議灌溉負荷不宜超過191.1 m3/(hm2·d)。

沼液灌溉帶入了大量的氨氮與少量有機氮，這些氮素能夠快速被土壤吸附，且極易富集于土壤表面。氨氮在水溶液或土壤中經硝化作用會轉化為硝態(tài)氮，而在高濃度沼灌條件下，硝化作用受到抑制，土壤中銨態(tài)氮大幅增加，并且有向土壤深層遷移的趨勢[32-36]。沼灌能激活土壤微生物活性，促進銨態(tài)氮和有效磷的轉化；但從土壤應用方面來看，肥力過高反而使農作物對氮利用率下降，局部營養(yǎng)濃度過高甚至會對植物產生毒性。因此，從土壤銨態(tài)氮的角度來看，沼灌負荷小于T2時既可以提升土壤氮營養(yǎng)水平，又可減小對環(huán)境污染的風險。全沼灌溉可最大量提高土壤肥力，但有污染大氣環(huán)境與地下水環(huán)境的風險。適當降低灌溉負荷可達到灌溉效益最優(yōu)化的目的。紫色土對磷的固定作用較弱，沼灌能有效提高土壤有效磷含量。同時，隨沼液共同施入的外源有機質能夠促進磷酸鹽向土壤微生物量磷和其他非無機固定態(tài)磷的轉化，減少土壤無機礦物對磷酸鹽的固定，提高易溶態(tài)無機磷組分的比例，從而提高土壤有效磷含量。