長期施用沼液對土壤養(yǎng)分含量和酶活性的影響

武繼承，潘曉瑩，楊永輝，高翠民，王 越

（1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物高效用水原陽科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站，河南 原陽 453514；3.河南省黃河流域節(jié)水農(nóng)業(yè)野外科學(xué)觀測研究站，河南 原陽 453514）

沼液是畜禽糞便、作物秸稈等各種有機(jī)物經(jīng)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的液體殘余物，富含氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫等元素及腐植酸、氨基酸、有機(jī)質(zhì)等[1-2]。施用沼液不僅能夠改良土壤、提高土壤養(yǎng)分含量和酶活性[3-8]，還能促進(jìn)作物生長發(fā)育[9-16]，提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)及氮肥利用效率[17-28]。另外，施用沼液可促進(jìn)土壤碳氮礦化、減少溫室氣體排放[29]。因此，沼液被認(rèn)為是良好的有機(jī)肥料，是農(nóng)作物化學(xué)肥料最好的替代產(chǎn)品[30]。但長期大量灌施沼液，極易造成土壤氮、磷積累，形成點(diǎn)面土壤污染和水體富營養(yǎng)化等問題。因此，應(yīng)該科學(xué)合理地灌施沼液，以減緩農(nóng)田肥力的過度富營養(yǎng)化[31]，提高土壤微生物活性[32-34]，從而實(shí)現(xiàn)土壤資源可持續(xù)利用。目前的研究主要集中于短期施用沼液或沼液與化肥配施對土壤養(yǎng)分、土壤微生物種群變化及酶活性的影響[35-37]，長期連續(xù)施用沼液的研究鮮有報(bào)道[38]。為更好地利用沼液，避免因沼液灌施造成二次污染，對長期連續(xù)施用沼液的土壤進(jìn)行養(yǎng)分含量及酶活性分析，以期為科學(xué)施用沼液和培肥土壤提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試沼液分別由不同養(yǎng)殖企業(yè)養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的雞糞、豬糞、牛糞經(jīng)過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生，這些養(yǎng)殖企業(yè)包括濮陽市國興生態(tài)農(nóng)業(yè)示范園(簡稱國興)、輝縣市宋桂蘭養(yǎng)殖場(簡稱宋桂蘭)、河南省誼發(fā)牧業(yè)有限責(zé)任公司(簡稱誼發(fā))，其產(chǎn)生的沼液常年用于發(fā)展糧經(jīng)作物種植；河南麥多生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司(簡稱麥多)、獲嘉縣巨興養(yǎng)殖場(簡稱巨興)、河南瑞祥農(nóng)牧股份有限公司(簡稱瑞祥)、河南康龍實(shí)業(yè)集團(tuán)股份有限公司(簡稱康龍)，其產(chǎn)生的沼液常年用于發(fā)展大棚蔬菜種植；河南匯聚種植養(yǎng)殖合作社(簡稱匯聚)、河南省佑林實(shí)業(yè)有限公司(簡稱佑林)、南陽鑫晶生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司(簡稱鑫晶)、夏邑縣豐潤牧業(yè)有限公司(簡稱豐潤)，其產(chǎn)生的沼液常年用于發(fā)展果園種植。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)沼液施用與否設(shè)計(jì)施用沼液處理和不施用沼液處理（對照，CK），根據(jù)沼液來源不同設(shè)計(jì)11個(gè)處理，例如施用康龍產(chǎn)生的沼液的處理命名為KL，其對應(yīng)的未施用沼液處理命名為KLCK,以此類推，共22個(gè)處理，各處理施用沼液具體情況見表1。2019年10月，分別采集施用沼液地塊及其未施用沼液地塊耕層（0～20 cm）土壤樣品，用于土壤養(yǎng)分含量及酶活性分析。

表1 施用沼液處理的沼液來源及施用情況Tab.1 Resource and utilization of biogas slurry of treatments applied with biogas slurry

1.3 測定項(xiàng)目及方法

將采集土壤樣品自然晾干，粉碎后分別對其pH值及有機(jī)質(zhì)（Organic matter，OM）、全氮（Total nitrogen，TN）、全磷（Total phosphorus，TP）、全鉀（Total potassum，TK）、水 解 氮(Hydrolyzable nitrogen,HN)、有 效 磷(Availablephosphorus,AP)、速 效 鉀(Available potassum,AK)含量和蛋白酶（Protease，PA）、酸性磷酸酶（Acid phosphatase，APA）、蔗 糖 酶（Sucrase，SA）、脲 酶（Urease，UA）、纖維素酶（Cellulase，CLA）、脫氫酶（Dehydrogenase，DHA）、過氧化氫酶（Catalase，CAT）、硝酸還原酶（Nitrate reductase，NAR）、亞硝酸還原酶（Nitrite reductase，NIR）活性進(jìn)行測定。其中，土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測定，全氮含量采用半微量凱氏法測定，全磷和有效磷含量采用鉬銻抗比色法測定，全鉀和速效鉀含量采用原子吸收光譜法測定，水解氮含量采用堿解蒸餾電位滴定法測定，土壤pH值采用電位法測定，土壤酶活性分別采用相應(yīng)的酶活性試劑盒進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 河南省不同養(yǎng)殖企業(yè)沼液的養(yǎng)分特征

從圖1可以看出，不同養(yǎng)殖企業(yè)產(chǎn)生的沼液中有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量和pH值有明顯差異。其中，有機(jī)質(zhì)含量平均為0.26 g/L，最高為0.94 g/L，最低僅為0.03 g/L；全氮含量平均為1.27 g/L，最高為2.60 g/L，最低僅為0.30 g/L；全磷含量平均為0.19 g/L，最高為0.38 g/L，最低為0.04 g/L；全鉀含量平均為0.94 g/L，最高為1.98 g/L，最低為0.40 g/L；pH值平均為8.11，最低為7.40，最高為8.59。不同企業(yè)產(chǎn)生的沼液營養(yǎng)成分差別較大，其中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量均偏低的沼液來源于康龍、佑林、瑞祥和匯聚，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量均較高的沼液來源于巨興和宋桂蘭，全磷含量偏低而有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀含量較高的沼液來源于麥多，其他企業(yè)產(chǎn)生的沼液有機(jī)質(zhì)含量和全氮、全磷、全鉀含量均處于中等水平；pH值以佑林產(chǎn)生的沼液最低，麥多產(chǎn)生的沼液最高。

圖1 不同養(yǎng)殖企業(yè)產(chǎn)生的沼液有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量Fig.1 Contents of OM，TN，TPand TK in biogas slurry produced by different breeding enterprises

2.2 施用沼液對土壤養(yǎng)分含量的影響

從圖2可以看出，施用沼液改變了土壤pH值，總體上提高了有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、全磷含量。與對照相比，施用沼液處理土壤pH值有增有減，其中，MD、JX、KL、YL、FR、GX、XJ處理分別降低0.79、0.78、0.72、0.53、0.33、0.29、0.24，降低幅度分別為9.69%、9.61%、9.49%、6.37%、4.13%、3.63%、3.15%；而RX、HJ、YF、SGL處理則分別升高了0.74、0.70、0.24、0.07，提高幅度分別為13.73%、11.65%、3.14%、0.90%，無論是升高還是降低，都是趨向有利于土壤養(yǎng)分釋放的方向改變，如RX處理土壤由酸性變成弱堿性，MD處理土壤由堿性變成弱堿性。與對照相比，施用沼液處理表層土壤有機(jī)質(zhì)含量除XJ處理外，均有所提高，提高0.20～27.90 g/kg，增幅為0.96%～367.11%，以KL處理提高幅度最大。施用沼液處理土壤全氮、全磷、全鉀含量均較對照提高，其中，全氮含量提高0.02～2.70 g/kg，增幅為2.15%～600.00%，以KL處理提高幅度最大；全磷 含 量 提 高0.25～3.25 g/kg，增 幅 為29.94%～663.27%，以KL處理提高幅度最大；全鉀含量提高0.20～5.53 g/kg，增幅為1.14%～28.10%，以YL處理提高幅度最大。

圖2 施用沼液對土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量和pH值的影響Fig.2 Effect of application of biogas slurry on soil organic matter，TN，TPand TK contents and p H value

從沼液施用時(shí)間和養(yǎng)分含量較對照的增幅上看，施用沼液的大棚蔬菜土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀含量增幅總體均表現(xiàn)為KL＞RX＞MD＞JX，土壤全磷含量增幅表現(xiàn)為KL＞RX＞JX＞MD，土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分含量增幅總體上隨施用沼液時(shí)間的延長而增大，特別是全磷含量；施用沼液的糧經(jīng)作物種植土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量增幅總體上均表現(xiàn)為YF＞GX＞SGL，土壤全鉀含量增幅表現(xiàn)為GX＞YF＞SGL；施用沼液的果園種植土壤表現(xiàn)較復(fù)雜，土壤有機(jī)質(zhì)含量增幅表現(xiàn)為FR＞HJ＞YL，XJ處理降低，土壤全氮含量增幅表現(xiàn)為FR＞YL＞XJ＞HJ，土壤全磷含量增幅表現(xiàn)為XJ＞YL＞FR＞HJ，土壤全鉀含量增幅表現(xiàn)為YL＞XJ＞HJ＞FR。

與對照相比，施用沼液處理土壤有效磷含量均提高；水解氮含量和速效鉀含量除HJ處理下降外，其他處理均上升（圖3），可能與HJCK處理田塊種植藥材大量施用化肥有關(guān)。其中，有效磷含量增加9.18～108.70 mg/kg，增幅為26.76%～593.99%，以KL處理增幅最大；水解氮含量提高6.63～156.79 mg/kg，增幅為7.49%～420.24%，以KL處理增幅最大，HJ處理降低27.22%；速效鉀含量提高19.23～109.45 mg/kg，增幅為15.48%～103.30%，以YF處理增幅最大，HJ處理降低3.04%。

圖3 施用沼液對土壤水解氮、有效磷、速效鉀含量的影響Fig.3 Effect of application of biogas slurry on soil HN，APand AK contents

從沼液施用時(shí)間和養(yǎng)分含量較對照的增幅上看，施用沼液處理土壤水解氮、有效磷、速效鉀含量的變化幅度較全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)含量大。施用沼液的大棚蔬菜種植土壤水解氮含量增幅表現(xiàn)為KL＞JX＞MD＞RX，有效磷含量增幅表現(xiàn)為KL＞RX＞JX＞MD，速效鉀含量增幅表現(xiàn)為RX＞KL＞JX＞MD，其中，有效磷含量與全磷含量增幅變化趨勢一致；施用沼液的糧經(jīng)作物種植土壤水解氮含量增幅表現(xiàn)為GX＞YF＞SGL，有效磷含量增幅表現(xiàn)為SGL＞YF＞GX，速效鉀含量增幅表現(xiàn)為YF＞SGL＞GX；施用沼液的果園土壤水解氮含量增幅表現(xiàn)為FR＞XJ＞YL＞HJ，有效磷含量增幅表現(xiàn)為FR＞YL＞XJ＞HJ，速效鉀含量增幅則表現(xiàn)為FR＞XJ＞YL＞HJ，其中水解氮含量與全氮含量變化趨勢一致。

2.3 施用沼液對土壤水解酶活性的影響

土壤酶活性是土壤生物活性和土壤肥力的重要指標(biāo)之一。土壤水解酶主要包括蛋白酶、磷酸酶、蔗糖酶、脲酶、纖維素酶等，它們通過催化土壤中的生化反應(yīng)來發(fā)揮重要作用，如土壤有機(jī)物質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化，直接參與土壤碳氮循環(huán)、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，提高土壤肥力和氮循環(huán)利用。蔗糖酶與土壤全氮含量極顯著相關(guān)，磷酸酶活性與土壤有機(jī)磷的水解和磷酸活化密切相關(guān)，脲酶參與土壤肥力、氮素循環(huán)[29]。

從圖4可以看出，施用沼液可以提高土壤蛋白酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、脲酶和纖維素酶活性。與對照相比，施用沼液處理土壤蛋白酶活性提高0.02～0.14 U/g，提高幅度為9.20%～44.69%，提高幅度最大的是KL處理；蔗糖酶活性提高0.44～2.12 U/g，提高幅度為6.41%～41.91%，提高幅度最大的是XJ處理；脲酶活性提高0.99～3.06 U/g，提高幅度為14.47%～42.58%，提高幅度最大的是SGL處理；酸性磷酸酶活性提高0.04～0.13 U/L，提高幅度為13.03%～44.44%，提高幅度最大的是JX處理；纖維素酶活性提高0.02～0.43 U/g，提高幅度為2.77%～44.65%，提高幅度最大的是KL處理。

圖4 施用沼液對土壤水解酶活性的影響Fig.4 Effect of application of biogas slurry on soil hydrolase activity

2.4 施用沼液對土壤氧化還原酶活性的影響

土壤還原酶主要包括脫氫酶、過氧化氫酶、硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、硫酸還原酶等，主要影響土壤理化性質(zhì)和土壤肥力[29]，如減輕氫離子危害、提高土壤養(yǎng)分的有效性。從圖5可以看出，施用沼液可以顯著提高脫氫酶、過氧化氫酶、硝酸還原酶、亞硝酸還原酶活性，與對照相比，施用沼液處理土壤硝酸還原酶活性提高0.03～0.09 U/g，提高幅度為22.00%～54.38%，提高幅度最大的是GX處理；亞硝酸還原酶活性提高0.04～0.10 U/g，提高幅度為1.41%～42.17%，提高幅度最大的是YL處理；脫氫酶活性提高0.03～0.29 U/g，提高幅度為4.94%～47.44%，提高幅度最大的是YF處理；過氧化氫酶活性提高0.93～26.62 U/g，提高幅度為1.42%～47.67%，提高幅度最大的是FR處理。

圖5 施用沼液對土壤氧化還原酶活性的影響Fig.5 Effect of application of biogas slurry on soil oxidoreductase activity

2.5 耕層土壤養(yǎng)分含量與酶活性的相關(guān)性

從表2可以看出，土壤養(yǎng)分含量之間，有機(jī)質(zhì)含量與全氮、全鉀、水解氮、有效磷、速效鉀含量均呈極顯著正相關(guān)，與全磷含量呈顯著正相關(guān)；全氮含量與全磷含量、水解氮、有效磷、速效鉀含量均呈極顯著正相關(guān)，與全鉀含量呈顯著正相關(guān)；全磷含量與水解氮、有效磷含量均呈極顯著正相關(guān)；全鉀含量與速效鉀含量呈顯著正相關(guān)；水解氮含量與有效磷含量呈極顯著正相關(guān)，與速效鉀含量呈顯著正相關(guān)；有效磷含量與速效鉀含量呈顯著正相關(guān)。

表2 土壤養(yǎng)分含量與土壤酶活性之間的相關(guān)性分析Tab.2 Correlation analysis between soil nutrients contents and soil enzymes activities

土壤養(yǎng)分含量與土壤酶活性之間，土壤有機(jī)質(zhì)含量與過氧化氫酶、脫氫酶活性均呈極顯著正相關(guān)，與酸性磷酸酶、纖維素酶活性均呈顯著正相關(guān)；全氮含量與纖維素酶、過氧化氫酶、脫氫酶活性均呈極顯著正相關(guān)；全磷含量與脫氫酶活性呈極顯著正相關(guān)，與蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān)；全鉀含量與過氧化氫酶、脫氫酶活性均呈極顯著正相關(guān)，與酸性磷酸酶、硝酸還原酶活性均呈顯著正相關(guān)；水解氮含量與纖維素酶、過氧化氫酶、脫氫酶活性均呈極顯著正相關(guān)；有效磷含量與脲酶、纖維素酶、過氧化氫酶、脫氫酶活性均呈極顯著正相關(guān)，與蔗糖酶、酸性磷酸酶、硝酸還原酶活性均呈顯著正相關(guān)；速效鉀含量與硝酸還原酶、過氧化氫酶、脫氫酶活性均呈極顯著正相關(guān)，與纖維素酶活性呈顯著正相關(guān)。

土壤酶活性之間，土壤蛋白酶活性與酸性磷酸酶、亞硝酸還原酶活性均呈極顯著正相關(guān)；蔗糖酶活性與硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、脫氫酶活性均呈極顯著正相關(guān)，與酸性磷酸酶活性呈顯著正相關(guān)；脲酶活性與纖維素酶活性呈極顯著正相關(guān)，與硝酸還原酶、亞硝酸還原酶活性均呈顯著正相關(guān)；酸性磷酸酶活性與硝酸還原酶活性呈極顯著正相關(guān)，與纖維素酶、過氧化氫酶、脫氫酶活性均呈顯著正相關(guān)；纖維素酶活性與硝酸還原酶活性呈極顯著正相關(guān)；硝酸還原酶活性與亞硝酸還原酶、過氧化氫酶、脫氫酶活性均呈顯著正相關(guān)；過氧化氫酶活性與脫氫酶活性呈極顯著正相關(guān)。

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，與不施沼液地塊相比，施用沼液有效改善了土壤pH值，提高了耕層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、全磷、水解氮、有效磷、速效鉀含量。施用沼液的大棚蔬菜土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀含量增幅總體上均表現(xiàn)為KL＞RX＞MD＞JX，全磷含量增幅隨沼液施用時(shí)間延長而增加，即KL＞RX＞JX＞MD；施用沼液的糧經(jīng)種植土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量增幅總體上均表現(xiàn) 為YF＞GX＞SGL，全 鉀 含 量 增 幅 表 現(xiàn) 為GX＞YF＞SGL；施用沼液的果園種植土壤養(yǎng)分含量表現(xiàn)較復(fù)雜，有機(jī)質(zhì)含量增幅表現(xiàn)為FR＞HJ＞YL，XJ處理降低，全氮含量增幅表現(xiàn)為FR＞YL＞XJ＞HJ，全磷含量增幅表現(xiàn)為XJ＞YL＞FR＞HJ，全鉀含量增幅表現(xiàn)為YL＞XJ＞HJ＞FR，這與前人[2，6，20-21，35-40]研究結(jié)果基本一致。

施用沼液可以改善土壤酶活性。郝鮮俊等[41]研究發(fā)現(xiàn)，施用沼液可提高土壤蔗糖酶、磷酸酶和蛋白酶活性；管濤等[42]研究發(fā)現(xiàn)，沼液灌溉能顯著提高土壤脲酶活性，降低過氧化氫酶活性；鄭學(xué)博等[5]研究發(fā)現(xiàn)，施用沼液顯著提高了花生結(jié)莢期和收獲期土壤脲酶、脫氫酶活性和硝化強(qiáng)度；萬海文等[6]研究發(fā)現(xiàn)，施用沼液可增加土壤過氧化氫酶、堿性磷酸酶和脲酶活性；楊子峰等[43]研究發(fā)現(xiàn)，施用沼液可增加西蘭花種植前土壤細(xì)菌、放線菌數(shù)量和收獲后土壤脲酶、蔗糖酶活性。牛偉等[36]研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)施用沼液5 a，蘋果園土壤脫氫酶、蔗糖酶和纖維素酶活性沒有顯著變化，但磷酸酶活性顯著降低。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，施用沼液提高了土壤蛋白酶、蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶、纖維素酶、硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、脫氫酶、過氧化氫酶活性，其中蛋白酶活性提高9.20%～44.69%，蔗糖酶活性提高6.41%～41.91%，脲酶活性提高14.47%～42.58%，酸性磷酸酶活性提高13.03%～44.44%，纖維素酶活性提高2.77%～44.65%，硝酸還原酶活性提高22.00%～54.38%，亞硝酸還原酶活性提高1.41%～42.17%，脫氫酶活性提高4.94%～47.44%，過氧化氫酶活性提高1.42%～47.67%。這可能是因?yàn)槭┯谜右焊纳屏送寥牢⑸锃h(huán)境，如有機(jī)質(zhì)組分、氮磷鉀配比及pH值等，從而刺激了微生物生長，平衡了微生物區(qū)系[44]，提高了土壤水解酶、氧化還原酶活性，酶活性反過來改善土壤養(yǎng)分循環(huán)和生物活性，提高土壤肥力。

土壤酶活性反映了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化能力，土壤養(yǎng)分含量反映土壤肥力水平，兩者之間存在顯著的相關(guān)性［45］。脲酶活性與土壤養(yǎng)分含量的相關(guān)性最高[46]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀含量與脫氫酶、過氧化氫酶活性總體上均呈極顯著正相關(guān)，土壤全氮含量、水解氮含量、有效磷含量與纖維素酶活性也均呈極顯著正相關(guān)，有機(jī)質(zhì)含量、速效鉀含量與纖維素酶活性均呈顯著正相關(guān)。同時(shí)，不同土壤酶活性之間也存在顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系。