有機(jī)物料對(duì)旱作黃壤呼吸及酶活性的影響

羅安煥，夏 東，王小利*，史登林，段建軍，皮義均，郭琴波

（1貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2貴州大學(xué)煙草學(xué)院，貴陽(yáng) 550025）

作物秸稈、禽畜糞便等有機(jī)物料是農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)重要來(lái)源之一。有機(jī)物料還田不僅能改善土壤理化性狀、保持和提升土壤肥力，還能解決有機(jī)廢棄物對(duì)環(huán)境造成的污染問(wèn)題，奠定了有機(jī)廢棄物資源化利用的基礎(chǔ)［1，2］。2017年，貴州省擁有秸稈資源1315.1萬(wàn)噸，禽畜糞便資源15 037.4萬(wàn)噸，但綜合利用率只有75%，肥料化利用率不足30%［3］。因此，在貴州黃壤區(qū)實(shí)施農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物料還田勢(shì)在必行。土壤呼吸及酶活性的動(dòng)態(tài)變化與施肥、土壤類型、耕作方式等因素密切相關(guān)，表征土壤綜合肥力及土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化進(jìn)程，可用于評(píng)價(jià)有機(jī)物料施用效果［4，5］。目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了許多關(guān)于有機(jī)物料施用對(duì)土壤呼吸或土壤酶活性的影響研究。游璟等研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田處理的二氧化碳累積排放量高于不還田處理，且隨著還田量的增加而增加［6］；田冬等發(fā)現(xiàn)不同方式的秸稈還田均顯著促進(jìn)了土壤呼吸［7］；劉領(lǐng)等發(fā)現(xiàn)田閑期翻壓不同蕓薹屬綠肥能有效提高土壤脲酶、蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶活性［8］。這些研究加深了人們對(duì)有機(jī)物料還田下土壤呼吸與土壤酶活性的認(rèn)識(shí)，但以往的研究主要集中于不同還田方式下有機(jī)物料還田對(duì)土壤呼吸或土壤酶活性的影響［9，10］，而對(duì)于不同類型（C/N）有機(jī)物料之間的對(duì)比研究鮮有報(bào)道。本研究以旱作黃壤為對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)模擬培養(yǎng)，探究不同有機(jī)物料還田對(duì)旱作黃壤呼吸及酶活性動(dòng)態(tài)變化的影響，以期為貴州省旱作黃壤條件下有機(jī)物料還田培肥土壤和有機(jī)物料資源化利用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤為三疊系灰?guī)r與砂頁(yè)巖風(fēng)化物發(fā)育的旱作黃壤，種植作物為玉米，采自貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)青巖鎮(zhèn)小山村（26°17′51″N，106°41′6″E）。該地屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)區(qū)，年均氣溫15℃，年均降水量1100～1200 mm，全年無(wú)霜期273～280 d。土壤pH4.70，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量分別為39.65、1.81、0.94和15.64 g/kg，堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為153.79、56.74和145.30 mg/kg。

2019年10月在試驗(yàn)地隨機(jī)選取8個(gè)點(diǎn)，采集0～20 cm土壤帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除石塊與殘余根茬，將土壤混勻，風(fēng)干過(guò)2 mm篩。供試有機(jī)物料選用當(dāng)?shù)氐挠衩捉斩挕⑺窘斩捄拓i糞（碳、氮含量見(jiàn)表1）。試驗(yàn)前將秸稈烘干，剪至0.5～1.0 cm長(zhǎng)，豬糞粉碎過(guò)2 mm篩。

表1 有機(jī)物料碳氮含量Table 1 Carbon and nitrogen content of organic materials

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置玉米秸稈（MS）、水稻秸稈（RS）、豬糞（PM）、玉米秸稈+氮肥（MS+N）、水稻秸稈+氮肥（RS+N）以及對(duì)照（無(wú)有機(jī)物料添加的土壤，CK）6個(gè)處理，每個(gè)處理20次重復(fù)。有機(jī)物料按照等碳量原則（干土∶有機(jī)碳=100∶2）添加［11］，氮肥為硫酸銨，氮含量為21.2%。培養(yǎng)開(kāi)始前，稱取過(guò)2 mm篩的風(fēng)干土，加去離子水調(diào)節(jié)土壤含水量至田間最大持水量的60%，在25℃培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)7 d后，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)（表2）加入土壤、有機(jī)物料與硫酸銨后混勻。每個(gè)處理取混合土樣25 g加到50 mL小燒杯中（20份），放入體積為1 L的廣口瓶中，另在廣口瓶中加入盛有10 mL 0.5 mol/L NaOH的小燒杯與裝有10 mL蒸餾水的小燒杯各1個(gè)，將廣口瓶加蓋密封，放入25℃培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行恒溫恒濕避光培養(yǎng)90 d。分別在第1、2、3、4、5、7、9、12、15、18、23、26、30、35、42、51、60、69、79、90 d取出盛有NaOH的燒杯測(cè)定CO2的釋放量，并更換燒杯，土樣每隔3 d用稱重法補(bǔ)充水分，在培養(yǎng)第15、30、60、90 d采樣測(cè)定土壤酶活性（蔗糖酶、磷酸酶、脲酶以及過(guò)氧化氫酶）。

表2 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)Table 2 Experimental treatment design

1.3 測(cè)定內(nèi)容及方法

CO2釋放量采用堿吸收反滴定法［12］測(cè)定。

土壤呼吸量［CO2（mg/kg）］=CHCl（V0-V1）×22/0.03

式中：CHCl為鹽酸濃度（mol/L）；V0為空白滴定的體積（mL）；V1為消耗鹽酸的體積（mL）。

土壤呼吸速率｛CO2［mg/（kg·d）］｝=培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)土壤呼吸量［CO2（mg/kg）］/培養(yǎng)天數(shù)（d）

土壤剩余有機(jī)碳量=土壤總有機(jī)碳量-土壤累積呼吸量

土壤酶活性的測(cè)定：參照文獻(xiàn)［13］，分別采用3，5-二硝基水楊酸比色滴定法、磷酸苯二鈉比色法、苯酚—次氯酸鈉比色法和高錳酸鉀滴定法測(cè)定蔗糖酶、磷酸酶、脲酶和過(guò)氧化氫酶活性。

以上指標(biāo)均測(cè)定4次，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010統(tǒng)計(jì)、作圖；采用SPSS21.0進(jìn)行相關(guān)性分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)物料添加對(duì)土壤呼吸速率的影響

各處理土壤呼吸速率隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)（圖1）。根據(jù)土壤呼吸速率快慢，可以將其劃分為2個(gè)階段：培養(yǎng)前期（第1～4 d），各處理土壤呼吸速率均在第1 d達(dá)到峰值［276.00～1229.80 mg/（kg·d）］后迅速下降，變化幅度較大，第4 d土壤呼吸速率為第1 d的28.74%～62.81%；培養(yǎng)后期（第4～90 d），土壤呼吸速率緩慢下降，且隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，各處理之間土壤呼吸速率趨于一致，第90 d土壤呼吸速率為第1 d的1.82%～6.75%，顯著降低（P＜0.05）。在培養(yǎng)前期，不同有機(jī)物料添加處理的土壤呼吸速率較CK提高了58.87%～345.58%，表明有機(jī)物料添加能提高土壤呼吸速率。

圖1 各處理土壤呼吸速率Fig.1 Soil respiration rate of each treatment

2.2 有機(jī)物料還田對(duì)土壤累積呼吸量的影響

由圖2可以看出，各處理土壤呼吸量均隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)呈增加趨勢(shì)，但其增加幅度逐漸減弱。培養(yǎng)結(jié)束（第90 d）時(shí)，與CK相比，MS、RS、PM、MS+N和RS+N處理的土壤累積呼吸量分別增加了108.22%、148.80%、186.59%、148.14%和222.57%，RS+N處理對(duì)土壤累積呼吸量影響最大，且秸稈加氮處理也均高于不加氮處理。

土壤有機(jī)碳剩余量可以反映土壤固碳能力的強(qiáng)弱，剩余量越多，表明土壤固碳能力越強(qiáng)。培養(yǎng)90 d后，各有機(jī)物料處理土壤有機(jī)碳剩余量均顯著高于CK，其中MS有機(jī)碳含量最高，且顯著高于其他各處理（表3）。說(shuō)明不同有機(jī)物料還田對(duì)土壤有機(jī)碳起著不同程度的固持作用。

圖2 各處理土壤累積呼吸量Fig.2 Cumulative soil respiration of each treatment

表3 土壤有機(jī)碳剩余量Table 3 Residual soil organic carbon

2.3 有機(jī)物料對(duì)土壤酶活性的影響

根據(jù)圖3，在培養(yǎng)期間各有機(jī)物料處理土壤酶活性均顯著高于CK（P＜0.05），但不同的酶變化規(guī)律不同。蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性隨培養(yǎng)時(shí)間增加呈下降趨勢(shì)，磷酸酶和脲酶活性隨培養(yǎng)時(shí)間增加呈先增加后下降趨勢(shì)。由圖3A與3D可以看出，各有機(jī)物料處理土壤蔗糖酶與過(guò)氧化氫酶活性均在第15 d時(shí)達(dá)到峰值（28.93～35.65 mg/g、3.33～3.92 mL/g），較CK處理分別提高了2.23～3.10倍與1.07～1.43倍，15 d后活性迅速降低。由圖3B與3C可以看出，各有機(jī)物料處理下土壤磷酸酶與脲酶活性均在前30 d呈上升趨勢(shì)且在第30 d時(shí)達(dá)到峰值（2.47～4.50、0.51～0.69 mg/g），較CK處理分別提高了0.61～1.57倍與2.0～3.06倍。不同的培養(yǎng)時(shí)間均以PM表現(xiàn)最優(yōu)，酶活性顯著高于其他處理（P＜0.05）。因此，秸稈類有機(jī)物料加氮能顯著提高土壤脲酶和磷酸酶活性。

圖3 各處理不同培養(yǎng)時(shí)間的土壤酶活性動(dòng)態(tài)Fig.3 Dynamics of soil enzyme activity in different incubation time of different treatments

2.4 土壤酶活性與土壤呼吸量的相關(guān)性分析

Pearson檢驗(yàn)結(jié)果表明（表4），在第15 d時(shí)，土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶以及過(guò)氧化氫酶活性均與土壤呼吸量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；在第30 d時(shí)，磷酸酶和脲酶活性與土壤呼吸量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），但與過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性相關(guān)性不顯著。由此可見(jiàn)，不同有機(jī)物料添加處理下土壤呼吸量的差異在一定程度上可以用土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶以及過(guò)氧化氫酶的活性高低來(lái)解釋，有機(jī)物料施用直接影響著土壤酶活性的高低，進(jìn)而影響了土壤呼吸。

表4 土壤酶活性與土壤呼吸總量的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient between soil enzyme activity and total soil respiration

3 討論

3.1 有機(jī)物料對(duì)土壤呼吸的影響

土壤呼吸所釋放的CO2是由于土壤微生物分解有機(jī)物質(zhì)而產(chǎn)生的，因此土壤呼吸量高低是土壤微生物活性的綜合表現(xiàn)［14］。有機(jī)物料還田作為一項(xiàng)最主要的農(nóng)田管理措施，通過(guò)改變土壤微生物的活性影響土壤呼吸強(qiáng)度［15］。本研究中，有機(jī)物料添加第1 d土壤呼吸速率達(dá)到峰值，然后快速下降，這是因?yàn)橛袡C(jī)物料投入為土壤微生物帶入充足的碳和氮，在培養(yǎng)初期土壤中大量易分解有機(jī)物質(zhì)為微生物提供了豐富養(yǎng)分，從而激發(fā)微生物活性［16］，加快了土壤呼吸；而隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，土壤呼吸速率隨著易分解物質(zhì)減少而逐漸變慢，這與郭振等［17］研究結(jié)果一致。

與CK相比，各有機(jī)物料處理顯著提高了土壤累積呼吸量，且土壤有機(jī)碳剩余量顯著增加。RS+N土壤累積呼吸量最高，導(dǎo)致其土壤有機(jī)碳剩余量在各有機(jī)物料處理中最低，但仍顯著高于對(duì)照，表明有機(jī)物料在提高土壤累積呼吸量，促進(jìn)土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)的同時(shí)不會(huì)大幅降低土壤有機(jī)碳含量，利于土壤有機(jī)碳的固持與增加。其原因可能是有機(jī)物料與土壤中的物質(zhì)產(chǎn)生膠結(jié)作用促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，避免土壤活性有機(jī)碳與微生物的接觸和降解［18］。因此，施用有機(jī)物料能提高土壤有機(jī)碳含量、增加土壤肥力，是提高旱作黃壤肥力的良好農(nóng)田管理措施，這與王雪等［19］的研究結(jié)論一致。

3.2 有機(jī)物料對(duì)土壤酶活性的影響

有機(jī)物料施入為土壤提供大量有機(jī)碳源和氮源，為土壤微生物活動(dòng)提供了更多能源物質(zhì)，促進(jìn)土壤微生物活性，使土壤酶活性改變，進(jìn)而改變土壤肥力［20］。本試驗(yàn)中采用的有機(jī)物料碳、氮含量均較高，因此各處理土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶和過(guò)氧化氫酶活性均顯著高于對(duì)照，這與熊瑛等［21］的研究結(jié)果一致。說(shuō)明向土壤中施入有機(jī)物料可以為土壤微生物提供所需能量和養(yǎng)分，使其酶活性得到提高。本試驗(yàn)中蔗糖酶與過(guò)氧化氫酶活性隨時(shí)間推移呈下降趨勢(shì)，可能是有機(jī)物料中易分解成分逐漸腐解的緣故；磷酸酶與脲酶呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，這可能是由于有機(jī)物料中的磷和氮素隨著有機(jī)物料快速分解而快速釋放，30 d后有機(jī)物料易分解部分變少，磷和氮素釋放也變緩慢。本試驗(yàn)中秸稈類有機(jī)物料添加氮能提高土壤磷酸酶和脲酶活性，這可能是由于秸稈類有機(jī)物料本身碳氮比較高，單獨(dú)施入土壤會(huì)使碳素大量增加，而秸稈當(dāng)中的氮素釋放慢［22］，會(huì)造成土壤碳源富余，氮素缺乏；秸稈與氮肥配合加入土壤后，土壤中氮含量提高有利于分泌磷酸酶和脲酶的微生物活性增加，從而土壤磷酸酶和脲酶活性也得到提高［23］。本試驗(yàn)中，培養(yǎng)期間各酶活性均以豬糞處理最高，這可能是由于試驗(yàn)是以等碳量還田，而豬糞的氮、磷含量較秸稈類有機(jī)物料高而且其碳氮比十分有利于土壤微生物活性增加的緣故。

3.3 土壤酶活性與土壤呼吸的相關(guān)性

土壤中生物學(xué)過(guò)程受土壤酶活性大小影響，而土壤中生物學(xué)過(guò)程決定著土壤呼吸大小，因此土壤酶活性與土壤呼吸存在密切聯(lián)系。本研究中，各處理土壤蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性隨時(shí)間的增加呈下降趨勢(shì)，而相對(duì)應(yīng)的土壤呼吸速率也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。相關(guān)性分析表明，土壤呼吸總量與蔗糖酶和磷酸酶、脲酶以及過(guò)氧化氫酶活性呈顯著正相關(guān)，這與龐荔丹等［9］的研究結(jié)果一致?？赡苁怯捎谕寥牢⑸锿ㄟ^(guò)將有機(jī)物料分解、轉(zhuǎn)化、吸收和利用后，其數(shù)量和活性發(fā)生改變進(jìn)而影響土壤酶活性變化，而有機(jī)物料施入同時(shí)改變了土壤呼吸速率與累積呼吸量，從而促進(jìn)土壤的呼吸作用［24］。

4 結(jié)論

施入不同有機(jī)物料均可提高旱作黃壤呼吸速率、累積呼吸量及土壤酶活性，進(jìn)而增強(qiáng)土壤固碳能力，其中水稻秸稈與氮配合施入對(duì)土壤呼吸影響最大，單施玉米秸稈在提升土壤有機(jī)碳含量上能力最強(qiáng)，而施入豬糞對(duì)提升土壤酶活性效果最佳。相關(guān)性分析表明，土壤呼吸與土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶活性均存在著顯著正相關(guān)關(guān)系。