生物有機肥與化肥減量配施對稻田土壤酶活性和土壤肥力的影響

秦 秦,宋 科*,孫麗娟,孫雅菲,段海芹,2,薛 永**

(1 上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境保護研究所,上海 201403；2 上海海洋大學(xué)海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,上海 201306)

隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展,畜禽糞便所帶來的環(huán)境污染問題日益凸顯,如何科學(xué)合理地利用畜禽糞便是我國養(yǎng)殖業(yè)亟待解決的問題。畜禽糞便中含有豐富的有機物以及氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素和微量礦質(zhì)元素[1-2],可作為一種廉價的有機肥源用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。據(jù)報道,2011年產(chǎn)生畜禽糞便26.89 億t,相當于1 009 萬t 氮肥純量、282 萬t 磷肥純量、1 037 萬t 鉀肥純量,是當年全國化肥施用總純量的40.8%[3]。我國農(nóng)田長期忽視有機肥的使用,不合理甚至過量施用化肥現(xiàn)象較為普遍,導(dǎo)致農(nóng)田土壤礦質(zhì)養(yǎng)分失衡、生物酶活性下降和生態(tài)污染等問題嚴重[4-6]。糞肥還田是解決畜禽糞便環(huán)境污染、實現(xiàn)糞便資源化利用的直接途徑,也是減少化肥施用量、提高土壤肥力的有效方法,一直受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注[7]。

土壤肥力受土壤酶活性影響[8-9]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),畜禽糞有機肥替代化肥[10]或者與化肥減量配施[11]有利于提高土壤酶活性,提升土壤肥力,改善土壤結(jié)構(gòu),維持作物產(chǎn)量。生物有機肥是由畜禽糞便發(fā)酵后,添加光合細菌和芽孢桿菌等有益微生物制成,兼具有機肥和微生物肥的特點[12-13]?，F(xiàn)有研究表明,相比有機肥,生物有機肥能更大程度地刺激細菌增殖[1],提高土壤過氧化氫酶、脲酶和磷酸酶活性,增加和活化土壤中的氮、磷、鉀等有效養(yǎng)分含量[14],改善土壤酸堿度[15]。當化肥減量10%—20%,增施生物有機肥不僅可以有效緩解土壤酸化,還能顯著提升土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等有效氮素含量,且高量生物有機肥更有利于土壤有效氮累積[16]。生物有機肥長期施用后土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分含量雖有大幅提高,但過量施用反而會抑制土壤酶活性,不利于土壤碳、氮等營養(yǎng)元素累積[17-18]。前人研究大多集中在旱地土壤,對淹水情況下的稻田土壤酶活性及與土壤肥力的交互作用研究較少。本試驗通過研究不同量生物有機肥與化肥減量配施對稻田土壤酶活性和土壤肥力的影響,分析稻田土壤酶活性與土壤肥力的交互影響效應(yīng),旨在篩選出最優(yōu)的生物有機肥和化肥配施組合,為實現(xiàn)畜禽廢棄物資源化利用、減輕農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境污染提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于常州市武進區(qū)雪堰鎮(zhèn)新康村(31.53°N,119.98°E),亞熱帶季風(fēng)氣候,年均氣溫17.5 ℃,年均降水量1 149.7 mm。試驗地主要耕作制度為水稻-紫云英輪作,土壤類型為水稻土,耕層土壤基本理化性質(zhì)為:有機質(zhì)14.22 g∕kg,有效磷0.037 mg∕kg,速效鉀105.39 mg∕kg,堿解氮65.82 mg∕kg。

1.2 供試材料

水稻種植品種為‘南梗46’,源自武進區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站。

生物有機肥即豬糞(主料)與破碎后的稻秸稈(輔料)混合堆置發(fā)酵21 d,配以光合細菌(0.2%)和枯草芽孢桿菌(1.0%)制成,其中豬糞來源于當?shù)仞B(yǎng)殖戶,光和細菌及枯草芽孢桿菌菌劑均購于江蘇綠科生物技術(shù)有限公司,有效活菌數(shù)≥10 億個∕mL；化肥為尿素和復(fù)合肥,購于當?shù)胤N子站。各肥料理化性質(zhì)見表1,其中,生物有機肥各養(yǎng)分含量符合農(nóng)用標準。

表1 肥料理化性質(zhì)Table 1 The chemical and physical properties of fertilizers

1.3 試驗設(shè)計

試驗時間為2019年5月14日至2019年10月25日。試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計,共設(shè)4 個處理:(1)不施肥；(2)單施化肥(按當?shù)爻Ｒ?guī)化肥施用量和方法)；(3)高量生物有機肥與化肥減量配施(常規(guī)化肥施用減量30%)；(4)低量生物有機肥與化肥減量配施[常規(guī)化肥施用減量30%,但生物有機肥配施量比處理(3)減量50%],每個處理3 次重復(fù),各處理的具體肥料施用量見表2。其中,生物有機肥和83%復(fù)合肥作為基肥一次性施入,56%尿素作為分蘗肥施入,其余復(fù)合肥和尿素均作為穗肥施入。施肥后與耕層土壤(0—20 cm)用旋耕機充分混勻。灌溉及病蟲害防治等參照當?shù)爻Ｒ?guī)管理措施進行。

表2 各試驗處理施肥量Table 2 Fertilizer application rates of all treatments kg·hm -2

1.4 測定指標及方法

土壤基本理化特性測定參照魯如坤[19]的方法,其中,土壤pH 采用酸度計測定(水土比為2.5∶1)；堿解氮含量采用堿解擴散法測定；有效磷含量采用0.5 mol∕L 碳酸氫鈉溶液浸提、鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用1 mol∕L 醋酸銨溶液浸提、火焰光度計測定；有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定。土壤酶活性測定參照關(guān)松蔭[20]的方法,其中,蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定；蛋白酶活性采用茚三酮比色法測定；過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定；脲酶采用靛酚藍比色法測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 21.0 和Excel 2012 軟件進行統(tǒng)計分析,選取Duncan's 法進行差異性分析,差異顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物有機肥與化肥減量配施對稻田土壤酶活性的影響

由圖1(a)可知,F 處理顯著降低了土壤蔗糖酶活性,比CK 低25.41%,而70%F +50%PM 處理和70%F+PM 處理土壤蔗糖酶活性分別比F 處理提高26.28%、31.74%,但生物有機肥不同配施量間無顯著差異,且與CK 相比也均無顯著差異。

圖1 不同處理對土壤酶活性的影響Fig.1 Effect of different treatments on soil enzyme activity

由圖1(b)可知,與CK 和F 處理相比,70%F+50%PM 處理土壤過氧化氫酶活性均無顯著降低；70%F+PM 處理的土壤過氧化氫酶活性比CK 和F 處理分別減少了20.95%和21.80%,表明高量生物有機肥會抑制土壤過氧化氫酶的分泌,降低土壤過氧化氫酶活性。

由圖1(c)可見,相比F 處理,70%F+50%PM 處理的土壤蛋白酶活性較高,增幅可達18.53%,但與CK 處理無顯著差異,且隨著生物有機肥施用量增加,土壤蛋白酶活性大幅下降,分別比CK 和F 處理減少40.85%和33.33%。

由圖1(d)可見,70%F+PM 處理和70%F+50%PM 處理的土壤脲酶活性分別較CK 和F 處理提高19.16%、31.44%和18.45%、30.65%,其中,70%F+50%PM 處理對土壤脲酶活性提高效果更佳,與CK和F 處理相比均達到顯著水平,表明相比生物有機肥高量施用,生物有機肥減量50%與70%化肥配施能更好地提升土壤脲酶活性。

2.2 生物有機肥與化肥減量配施對稻田土壤肥力的影響

如表3 所示,70%F+PM 處理的土壤pH 最低,這可能是因為生物有機肥中含有大量的腐殖酸,進入土壤后H+解離而使土壤pH 下降；而在相同化肥施用量(70%F)的條件下,50%生物有機肥的配施量能使土壤pH 顯著上升,說明化肥減量的基礎(chǔ)上,合理減少生物有機肥施用量,會降低土壤酸化程度。

表3 不同處理對土壤肥力的影響Table 3 Effects of different treatment on soil physical and chemical properties

70%F+PM 處理和70% F +50% PM 處理的土壤有機質(zhì)含量分別比CK 和F 處理高179.73%、180.75%和14.80%、15.22%,但生物有機肥不同配施量間無顯著差異。70%F +50%PM 處理土壤有效磷含量比CK 高62.53%,但比F 處理低17.96%,說明生物有機肥不能完全彌補化肥減量引起的土壤磷素有效量降低。與CK 相比,生物有機肥和化肥減量配施對土壤速效鉀和堿解氮含量均無顯著提升效果,但70%F+50%PM 處理的土壤速效鉀含量分別比70%F+PM 和F 處理顯著增加15.27%和11.48%。

2.3 土壤酶活性與土壤肥力的相互關(guān)系

由表4 可知,土壤蔗糖酶活性與土壤有效磷和有機質(zhì)含量分別呈顯著負相關(guān)和極顯著正相關(guān)；土壤過氧化氫酶活性與土壤pH 和有效磷含量呈極顯著正相關(guān)且相關(guān)系數(shù)均大于0.90；土壤蛋白酶活性也與土壤pH及土壤速效鉀含量呈顯著正相關(guān)；土壤脲酶活性與土壤堿解氮含量呈顯著負相關(guān),與土壤有機質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)可達0.84,但與其他因子無顯著相關(guān)關(guān)系。此外,蔗糖酶與脲酶活性間呈極顯著負相關(guān),而過氧化氫酶與蛋白酶活性間呈顯著正相關(guān),表明4 種酶在改善土壤理化特性、促進土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化上均具有重要作用。同時,在生物有機肥還田的條件下,化肥減量施用對于土壤蔗糖酶(r=0.68)和脲酶活性(r=0.85)有顯著提升作用,但對過氧化氫酶和蛋白酶活性的提升作用不顯著。

表4 土壤酶活性與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation analysis of soil enzyme activity with soil physical and chemical properties

采用參數(shù)評估法(Metric assessing method)定量比較土壤酶活性對土壤肥力的相對重要性,相對重要性參數(shù)數(shù)值最大的指標即被認為是土壤肥力的主要控制因子。由表5 可知,土壤蔗糖酶活性對土壤有效磷含量影響最大,主要控制土壤有效磷素轉(zhuǎn)化過程；土壤過氧化氫酶活性對土壤pH 的相對重要參數(shù)為0.41,對土壤pH 影響最大；而土壤脲酶活性對土壤有機質(zhì)含量影響最大,相對重要參數(shù)為0.40,主要控制土壤有機碳素累積。

表5 土壤酶活性對土壤肥力的相對重要性參數(shù)Table 5 The relative importance of each soil enzyme activity to soil fertility

3 討論

施肥會改變土壤微生物、動物和植物生長環(huán)境,從而影響土壤生物酶的分泌數(shù)量。本研究表明,單施化肥會降低稻田土壤蛋白酶和脲酶活性,而化肥減量與生物有機肥配施能不同程度地提高稻田土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶活性,這與以往研究結(jié)果相同[21-22],其原因一方面是生物有機肥可以為土壤微生物生長提供有效碳源,促進微生物繁殖,增加微生物活性及土壤蔗糖酶、脲酶和蛋白酶的分泌物數(shù)量[9,23],另一方面是生物有機肥還田后帶入大量有益微生物。宋以玲等[18]研究認為,適宜的化肥減量與生物有機肥處理可以提高土壤微生物量及增加土壤酶活性。本研究中,相比生物有機肥高量施用,70%F +50%PM 處理對稻田土壤酶活性的提升效果更佳,特別是土壤過氧化氫酶,高量生物有機肥還田土壤中該酶活性反而比不施肥處理降低了20%,這可能是因為過多的生物有機質(zhì)施入會加重稻田土壤的還原性,不利于過氧化氫酶活性的提高[24]。

在施用生物有機肥的條件下,減量施肥能夠顯著促進稻田土壤蔗糖酶和脲酶活性的提升,而對過氧化氫酶和蛋白酶活性無顯著影響。土壤酶是土壤微生物、動植物活動的產(chǎn)物,其活性變化可以反映土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的動態(tài)過程,表征土壤肥力水平。本研究中,稻田土壤蔗糖酶和脲酶活性與土壤有機質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān),而與土壤堿解氮和速效磷含量呈顯著負相關(guān),這與以往研究結(jié)果不同[9,25]。可能是因為在稻田淹水情況下,生物有機肥的高C∕N 比值及帶入的活性物質(zhì)激發(fā)了脲酶和蔗糖酶的分泌,加速了微生物對稻田土壤礦質(zhì)氮、磷的固定,降低了氮素和磷素的有效性。參數(shù)評估結(jié)果也表明土壤蔗糖酶和脲酶活性是控制稻田土壤速效養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和碳素累積的主要因素。稻田土壤過氧化氫酶活性與土壤pH 呈極顯著正相關(guān),是影響土壤酸堿度的主要因素,而對稻田土壤蛋白酶活性的影響相對較弱,表明蔗糖酶、脲酶及過氧化氫酶與土壤肥力關(guān)系密切,在稻田土壤速效養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和土壤酸堿度改善方面發(fā)揮重要作用[26-27]。

本研究表明,生物有機肥與化肥減量配施會顯著降低稻田土壤pH,隨著生物有機肥配施量增加,土壤酸化程度加重,甚至高于單施化肥處理,這與龍光強等[28]研究結(jié)果不同。這可能是因為施用生物有機肥會帶入大量微生物,激發(fā)土壤原有有機質(zhì)分解而產(chǎn)生大量的有機酸和二氧化碳,致使土壤pH 下降[29]；也可能是因為稻田淹水造成土壤環(huán)境還原性增加,土壤中過氧化氫累積,降低了土壤pH[24]。本研究中,生物有機肥與化肥減量配施能夠顯著提升土壤有機質(zhì)含量,提升幅度明顯高于單施化肥處理,主要是因為生物有機肥中含有大量的有機成分和有益微生物,還田后,會在周圍形成微生物活動層,加速有機態(tài)養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化釋放[30-32],但是生物有機肥還田量過高,會影響土壤C∕N 比值,降低土壤微生物活性,從而減少土壤有機質(zhì)的增加幅度。

生物有機肥中含有大量的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素,對土壤培肥有重要作用。徐節(jié)田等[33]認為,有機肥可促進土壤磷素向下層遷移,加速土壤有效磷的累積。當化肥減量一定時,生物有機肥增施越多,土壤中堿解氮、有效磷和速效鉀等養(yǎng)分含量越高[18]。本研究中,低量生物有機肥還田與化肥減量配施處理對稻田土壤速效磷有顯著提升效果,且相比單施化肥,能夠顯著減緩?fù)寥浪傩р浵陆第厔?但增加生物有機肥的配施量不利于土壤有效磷和速效鉀元素累積,這可能是因為過多肥料的施入抑制了酶促反應(yīng),減少了土壤中速效養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化[9]。

李江濤等[34]研究表明,長期施用有機肥能夠明顯增加稻麥輪作土壤氮、磷、鉀有效養(yǎng)分,其含量分別為施用化肥處理的1.35—1.64 倍、6.99—7.90 倍和1.17—2.03 倍。郭碧林等[35]研究表明,相比化肥,施用畜禽糞便發(fā)酵生物有機肥更有利于提高紅壤性水稻土中的有效磷等養(yǎng)分含量,提升土壤肥力。施用有機肥,特別是配合化肥處理,能激發(fā)土壤酶活性,加速土壤養(yǎng)分形成與轉(zhuǎn)化,提升土壤肥力[36-37]。本研究中,與單施化肥相比,化肥減量配施生物有機肥對土壤堿解氮、有效磷均無顯著提升效果,這與以往研究結(jié)果不同。一方面,可能是因為短期施用生物有機肥不能快速補充化肥減量所導(dǎo)致的土壤氮、磷有效養(yǎng)分的降低。但隨著有機物質(zhì)的分解,微生物群落逐漸穩(wěn)定,加速了土壤養(yǎng)分的形成與轉(zhuǎn)化,使土壤有效養(yǎng)分含量提高[23,38]；另一方面,也可能是土壤類型、種植制度、氣候條件、肥料種類及用量差異所致[24,39]。

4 結(jié)論

本研究表明,在化肥減量30%的基礎(chǔ)上,配合施用適量生物有機肥,可以維持稻田土壤酶活性,降低土壤酸化程度,保障土壤養(yǎng)分正常供應(yīng),但生物有機肥配施量過高不僅對土壤酶活性和養(yǎng)分無顯著提升效果,還會加重土壤酸化程度,降低土壤肥力。