不同滴灌施肥處理對種植馬鈴薯土壤有機碳組分和酶活性的影響

陳思靜，杜愛林，李伏生

(廣西大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,廣西 南寧 530005)

廣西地處亞熱帶地區(qū)，光熱充沛，11月份晚稻收獲后農(nóng)田進入空窗期，利用冬閑田發(fā)展馬鈴薯產(chǎn)業(yè)空間大。然而廣西冬季雨水偏少，灌水成為制約廣西冬種馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的條件之一。馬鈴薯實際生產(chǎn)中盲目灌水和過量施肥現(xiàn)象普遍存在，而滴灌施肥可以根據(jù)作物需水需肥規(guī)律和土壤水分養(yǎng)分狀況精確控制灌水量、施肥量和灌水施肥時間，將水分養(yǎng)分直接供應(yīng)到根區(qū)，實現(xiàn)作物“按需灌水施肥”，從而提高作物產(chǎn)量和水分養(yǎng)分利用效率[1]，同時滴灌施肥也影響土壤碳組分，因此，研究合適的滴灌施肥模式將為調(diào)控土壤碳庫提供新的途徑。目前常用土壤可溶性有機碳、易氧化有機碳和微生物量碳、碳庫管理指數(shù)等表征土壤碳庫，而水肥管理會影響土壤碳庫和酶活性。有研究表明，長期合理施肥顯著提高土壤有機碳、易氧化有機碳、可溶性有機碳、微生物量碳含量及碳庫管理指數(shù)[2]，與傳統(tǒng)施肥相比，滴灌施肥增加各層次土壤易氧化有機碳和可溶性有機碳含量[3]。其他研究也發(fā)現(xiàn)，滴灌施肥對提高土壤易氧化有機碳有積極的作用[4-6]。土壤水分含量影響土壤有機碳礦化速率和外界有機碳分解速率[7]，從而使土壤有機碳的含量發(fā)生變化。俞華林等[8]發(fā)現(xiàn)，適量灌水會增加土壤有機碳含量，但少量或過量灌水降低土壤有機碳礦化速率。當(dāng)土壤水分過量時，土壤透氣性和土壤微生物生長環(huán)境變差，土壤中有機碳不易被土壤中的微生物分解，而外界的碳源則易被微生物降解腐爛成有機物質(zhì)，原有的有機碳不會分解且外源有機碳增加，從而使土壤有機碳含量增加[9]。水肥管理也會影響土壤酶如蔗糖酶、纖維素酶和過氧化氫酶等酶活性，滴灌施肥有利于提高土壤中酶活性[10]，而土壤酶活性會影響土壤碳組分。研究發(fā)現(xiàn)，各種形態(tài)有機碳組分與土壤蔗糖酶和纖維素酶活性均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[11]。

近年來國內(nèi)外學(xué)者較多關(guān)注滴灌施肥對馬鈴薯生長、產(chǎn)量、品質(zhì)和水分利用效率的影響，而滴灌灌水量和滴灌施肥比例協(xié)同作用對種植馬鈴薯土壤碳庫管理指數(shù)的影響研究較少，且土壤酶活性如何影響土壤有機碳組分和碳庫管理指數(shù)有待深入研究。因此，在南寧市防雨棚內(nèi)開展不同滴灌灌水量和滴灌施肥比例的田間試驗，通過測定馬鈴薯收獲后土壤有機碳及活性組分和酶活性，計算土壤碳庫管理指數(shù) (Carbon pool management index，CPMI)，分析土壤有機碳組分和碳庫管理指數(shù)與酶活性之間的關(guān)系，以獲得種植馬鈴薯土壤有機碳庫調(diào)控的水肥管理模式，并揭示土壤酶活性對土壤有機碳組分和碳庫管理指數(shù)的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

田間試驗在南寧市廣西大學(xué)校內(nèi)移動防雨棚中進行，該移動棚通風(fēng)、透光，可以保障作物生長期間自然光照和溫度，通過電控傳感器在降雨時遮蓋，非降雨時移開。供試土壤為赤紅壤，pH6.60(水土質(zhì)量比 2.5∶1.0，pH 計法)，有機質(zhì) 10.6 g·kg-1(重鉻酸鉀容量法-外加熱法)，全氮 0.99 g·kg-1(半微量開氏法)，堿解氮 53.6 mg·kg-1(NaOH 堿解擴散法)，速效磷 68.7 mg·kg-1[0.05 mol·L-1HCl-0.025 mol·L-1H2SO4浸提，比色法 ]，速效鉀 217.9 mg·kg-1(1 mol·L-1中性 NH4OAc 浸提，火焰光度法)，田間持水量 30.5%(環(huán)刀法)，容重 1.4 g·cm-3(室內(nèi)環(huán)刀法)[12]。供試馬鈴薯品種為費烏瑞它。

1.2 試驗方法

依據(jù)馬鈴薯在不同時期的需水規(guī)律及前人研究結(jié)果[13-14]，試驗設(shè)高、低2種滴灌灌水量，其中，高灌水量：苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期土壤含水量分別保持在田間持水量的60%～70%、70%～80%、75%～85%和 50%～60%；低灌水量：苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期土壤含水量分別保持在田間持水量的50%～60%、60%～70%、70%～80%和40%～50%。設(shè)3種滴灌施肥比例，即NK100-0：N、K肥以100%作基肥土施，不追肥；NK70-30：N、K肥以70%作基肥土施，30%作滴灌追肥(苗期7.5%，塊莖形成期15%，塊莖膨大期7.5%)；NK50-50：N、K肥以50%作基肥土施，50%作滴灌追肥(苗期12.5%，塊莖形成期25%，塊莖膨大期12.5%)。試驗共設(shè)6個處理，具體如表1所示，每個處理重復(fù)3次，共18個小區(qū)，每小區(qū)面積8.64 m2(3.6 m×2.4 m)。

表1 田間試驗處理及N、K肥的基、追肥比例Table 1 Treatments for field experiment and radio of base fertilizer and topdressing for N,K fertilizer

各小區(qū)均施用化學(xué)肥料 N 150 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2和 K2O 300 kg·hm-2，以及堆漚后牛糞15 t·hm-2。氮肥用尿素 [w(N)為 46.4%]，磷肥用鈣鎂磷肥 [w(P2O5)為 18.0%]，鉀肥用硫酸鉀[w(K2O)為 52.0%]。牛糞中養(yǎng)分：w(有機質(zhì))為14.3%、w(N)為 0.76%、w(P2O5)為 0.85%、w(K2O)為0.59%。牛糞和鈣鎂磷肥全部做基肥土施。灌溉方式采用地表滴灌，滴頭流量一致，滴頭設(shè)在馬鈴薯植株兩側(cè)，用水表計量灌水。N肥和K肥按上述施肥方式施用，事先按設(shè)計要求配好肥料溶液，通過滴灌帶進行灌溉施肥，灌溉方法采用交替滴灌。

1.3 田間試驗及管理

于2017年11月4日將漚熟牛糞施入試驗小區(qū)，11月5日翻地，11月10日將部分尿素、鈣鎂磷肥以及硫酸鉀作為基肥土施。11月11日切馬鈴薯塊莖，每個種薯塊莖留2～3個芽眼，用質(zhì)量分數(shù)為0.5%的高錳酸鉀溶液和丁硫克百威水溶液浸泡拌種后晾干，11月14日播種，12月4日移栽或補齊未發(fā)芽位置的馬鈴薯苗。用TRIME-PICO-IPH TDR水分測定儀(德國IMKO)測定土壤含水量，確保土壤含水量在試驗設(shè)定范圍內(nèi)。12月6日施苗肥，12月11日進行第一次中耕培土。12月20日施塊莖形成肥，12月25日進行第2次培土(培土到植株附近，芽塊頂部到壟背頂部達到15～20 cm左右，做成梯形壟)。2018年1月4日，施塊莖膨大肥，2月8日噴農(nóng)藥(棉鈴蟲核型多角體病毒，預(yù)防馬鈴薯晚疫病)，試驗于2018年3月5日收獲馬鈴薯。

1.4 土壤樣品采集與測定

于3月6日(馬鈴薯收獲后次日)用5點法在馬鈴薯相鄰植株中間采集0～20 cm耕作層土壤，將土樣混勻，迅速運回實驗室，部分新鮮土樣過孔徑2 mm篩網(wǎng)，除去根系、砂石等后，保存于4 ℃冰箱，直接用于土壤有機碳組分和酶活性的測定。剩余土樣風(fēng)干后過0.149 mm篩后進行土壤總有機碳含量的測定。

土壤總有機碳 (Total organic carbon，TOC)含量用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定[12]；活性有機碳 (Labile organic carbon，LOC)含量用濃度為333 mmol·L-1的高錳酸鉀溶液氧化土樣，并于 565 nm下通過測定光密度得到[12]；微生物量碳(Microbial biomass carbon，MBC)和可溶性有機碳 (Dissolved organic carbon，，DOC)含量分別用三氯甲烷熏蒸和不用三氯甲烷熏蒸后，用濃度為0.5 mol·L-1硫酸鉀溶液提取，采用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定[12]。

土壤蔗糖酶活性用3，5-二硝基水楊酸溶液比色法測定，其活性以1 g干土1 d生成葡萄糖的質(zhì)量(mg)表示；纖維素酶活性也用3，5-二硝基水楊酸溶液比色法測定，以1 g干土3 d生成葡萄糖的質(zhì)量(mg)表示1個活性單位(U)；過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法測定，其活性以1 g干土消耗濃度為 0.02 mol·L-1的 KMnO4溶液體積 (mL)表示，3種酶活性測定的具體操作步驟見《土壤酶及其研究法》[15]。

土壤碳庫指數(shù) (Carbon pool index，CPI)和碳庫管理指數(shù)的計算參照杜愛林等[16]的方法進行。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用 Excel 2016 和 SPSS 24.0 軟件進行分析。方差分析包括滴灌灌水量和滴灌施肥比例主效應(yīng)，以及它們之間的交互效應(yīng)。用Duncan’s法對不同處理進行多重比較。用Pearson相關(guān)系數(shù)表示土壤總有機碳及其組分和碳庫管理指數(shù)與酶活性之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水肥處理對土壤有機碳及其組分的影響

由表2方差分析可知，滴灌灌水量和滴灌施肥。比例對土壤總有機碳(TOC)影響顯著(P＜0.05)。土壤 TOC 質(zhì)量分數(shù)在 5.46～7.12 g·kg-1之間。多重比較結(jié)果顯示，相同滴灌施肥比例下，高灌水量土壤TOC含量顯著高于低灌水量土壤。在高灌水量下，NK50-50施肥處理土壤TOC含量分別比NK100-0和NK70-30處理提高15.2%和7.1%。在低灌水量下，NK50-50施肥處理土壤TOC含量比NK100-0和NK70-30處理提高12.6%和9.8%。

表2 不同處理對土壤有機碳及其組分的影響1)Table 2 Effects of different treatments on soil organic carbon and its components

滴灌灌水量和滴灌施肥比例對土壤活性有機碳(LOC)影響顯著(P＜0.05)(表2)。土壤LOC質(zhì)量分數(shù)介于 0.43～0.55 g·kg-1之間。NK50-50下，高灌水量土壤LOC含量顯著高于低灌水量土壤。高灌水量下，NK50-50處理土壤LOC含量較NK100-0增加25.0%，且差異顯著，而在低灌水量下，不同滴灌施肥比例土壤LOC含量之間的差異并不顯著。

滴灌灌水量對于土壤可溶性有機碳(DOC)影響顯著(P＜0.05)(表2)。土壤DOC質(zhì)量分數(shù)介于189.5～369.5 mg·kg-1之間。相同滴灌施肥比例下，高灌水量土壤DOC含量與低灌水量土壤之間的差異不顯著，相同滴灌灌水量下，不同滴灌施肥比例土壤DOC含量之間的差異也不顯著。低灌水量下，NK70-30土壤DOC含量比NK100-0高27.3%。

滴灌灌水量對土壤微生物量碳(MBC)影響顯著 (P＜0.05)(表2)。土壤 MBC質(zhì)量分數(shù)在324.1～384.8 mg·kg-1之間。相同滴灌施肥比例下，高灌水量土壤MBC含量與低灌水量土壤MBC含量之間的差異不顯著；相同滴灌灌水量下，不同滴灌施肥比例土壤MBC含量之間的差異也不顯著。

此外，滴灌灌水量和滴灌施肥比例之間的交互作用對土壤TOC、LOC、DOC和MBC含量的影響均不顯著(P＞0.05)。T3處理土壤TOC和LOC含量相對較高，而T2處理土壤DOC和MBC含量相對較高。在相同滴灌施肥比例下，高灌水量土壤有機碳及其組分較低灌水量土壤高。

2.2 不同水肥處理對土壤酶活性的影響

由表3方差分析可知，滴灌灌水量對土壤蔗糖酶活性影響顯著(P＜0.05)，但滴灌施肥比例和滴灌灌水量×滴灌施肥比例對土壤蔗糖酶活性的影響并不顯著(P＞0.05)。多重比較結(jié)果顯示，NK100-0和NK50-50下，高灌水量土壤蔗糖酶活性較相應(yīng)低灌水量土壤分別提高18.9%和18.2%，但差異不顯著。土壤蔗糖酶活性以T3處理較高。

表3 不同處理對土壤酶活性的影響1)Table 3 Effects of different treatments on soil enzyme activity

滴灌灌水量、滴灌施肥比例以及滴灌灌水量×滴灌施肥比例對土壤纖維素酶和過氧化氫酶活性的影響均不顯著(P＞0.05)(表3)。各處理土壤纖維素酶和過氧化氫酶活性之間的差異不顯著。

2.3 不同水肥處理對土壤碳庫管理指數(shù)的影響

由表4方差分析可知，滴灌灌水量對土壤碳庫指數(shù)影響顯著(P＜0.05)，但對碳庫管理指數(shù)(CPMI)影響不顯著(P＞0.05)。滴灌施肥比例對土壤CPI和CPMI影響均不顯著(P＞0.05)。滴灌灌水量×滴灌施肥比例對土壤CPI和CPMI均有顯著影響(P＜0.05)。

表4 不同處理對土壤碳庫管理指數(shù)的影響1)Table 4 Effects of different treatments on soil carbon pool management index

在相同滴灌施肥比例下，高灌水量土壤CPI和CPMI均高于低灌水量土壤。高灌水量下，NK50-50施肥處理土壤的CPI和CPMI比NK100-0分別提高15.1%和25.8%；低灌水量下，NK50-50施肥處理土壤的CPI和CPMI比NK100-0分別提高12.6%和8.4%。土壤CPI和CPMI以T3處理最高。

2.4 土壤有機碳及其組分和碳庫管理指數(shù)與酶活性之間的相互關(guān)系

土壤有機碳及其組分和碳庫管理指數(shù)與酶活性之間的相關(guān)性分析結(jié)果如表5所示。土壤TOC、DOC、MBC和CPI均與蔗糖酶活性之間呈顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為 0.61，0.48，0.46和 0.60)，而土壤碳庫指數(shù)與其他2種酶活性之間的相關(guān)性均不顯著。

表5 土壤有機碳及其組分含量和碳庫管理指數(shù)與酶活性的相關(guān)性分析1)Table 5 Correlation analyses of soil organic carbon and fraction contents and carbon pool management index with enzyme activity

3 討論與結(jié)論

本研究表明，在相同滴灌灌水量下，與NK100-0相比，NK50-50和NK70-30滴灌施肥下的土壤TOC、LOC和DOC含量都有所提高。NK100-0處理土壤總有機碳及其組分含量等都較低，原因是該處理的肥料全部用作基肥施入土壤，后期養(yǎng)分供應(yīng)不足，而且部分N肥易通過揮發(fā)或反硝化損失，影響N肥施用效果。而NK50-50和NK70-30交替灌溉追施N、K肥使兩側(cè)根區(qū)土壤處于交替干燥和濕潤狀態(tài)，在提供作物所需水分和養(yǎng)分的同時，使根區(qū)土壤處于良好的通氣狀態(tài)，為土壤微生物提供了有益的生存條件，故交替滴灌施肥比例的增加有利于土壤有機碳組分的增加[17]；再加上在馬鈴薯成熟期化學(xué)N、K肥配施能夠促進作物根系生長，通過增加地下生物量來提高土壤有機質(zhì)含量，進而有助于有機碳及其組分的增加[18]。

本研究表明，滴灌灌水量對于土壤有機碳及其組分的影響都達到顯著水平。在相同滴灌施肥比例下，高灌水量土壤TOC、LOC、DOC和MBC含量都高于低灌水量土壤。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，土壤含水量從土壤含水量＜50%變成50%～100%時，土壤微生物活性通常會受到抑制，使土壤有機碳礦化分解緩慢，進而使土壤有機碳及其組分增加[19]。

土壤碳庫管理指數(shù)作為反映土壤碳素動態(tài)變化靈敏而有效的指標(biāo)，與土壤有效碳的關(guān)系密切，可反映和評估土壤碳素動態(tài)變化[20]。土壤碳庫管理指數(shù)可用于衡量土壤質(zhì)量，CPMI值越大，表明土壤質(zhì)量越好[21]。本研究表明，在相同的灌水量下，NK50-50施肥處理土壤的CPI和CPMI均高于NK100-0，說明提高滴灌施肥比例會增加土壤CPMI，這與滕秋梅等[22]和張鵬等[23]的研究結(jié)果一致。說明適量N、K肥的加入可促進植物生長，增強土壤養(yǎng)分循環(huán)功能。究其原因，可能是N、K肥施入后主要提高的是LOC含量，導(dǎo)致碳庫管理指數(shù)較高。凋落物和根系分泌物轉(zhuǎn)化為有機質(zhì)時，一部分有機質(zhì)活化后為植物生長提供養(yǎng)分，一部分有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為惰性碳庫固存下來，這2個比例維持在一定范圍內(nèi)[24]。

土壤酶在土壤養(yǎng)分周轉(zhuǎn)及土壤功能穩(wěn)定中有重要作用。在影響土壤酶活性因子中，土壤水分對酶活性的影響具有異質(zhì)性。本研究表明，土壤蔗糖酶活性在高灌水量下較高，說明灌水量的增加會提高土壤蔗糖酶活性，這與田幼華等[25]、高麗敏等[26]研究結(jié)果一致，但與萬忠梅等[27]的研究結(jié)果相反，這可能是由于不同作物的需水量不同。而本研究結(jié)果可能是因為土壤水分的增加，加快了微生物胞外酶和底物的運輸速率，可為酶促反應(yīng)提供良好的反應(yīng)環(huán)境，進而蔗糖酶和纖維素酶活性得到提高[28]。但滴灌施肥比例對土壤蔗糖酶、纖維素酶、過氧化氫酶活性的影響不顯著，這與大多數(shù)研究結(jié)果并不相同。這可能是由于本研究是在相同的施肥量下，滴灌施肥比例對各種酶活性的影響較?。欢蠖鄶?shù)研究是通過設(shè)置不同的施肥梯度實現(xiàn)的。

蔗糖酶對蔗糖分解的催化作用具有專一性，能將土壤中蔗糖分子分解成果糖和葡萄糖，為土壤微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)，促進土壤有機碳積累與分解轉(zhuǎn)化，從而直接或者間接地影響有機碳礦化過程[29]。本研究表明，土壤總有機碳與蔗糖酶活性呈極顯著正相關(guān)，以往研究也有相似的結(jié)果[30]，說明土壤蔗糖酶活性影響土壤有機碳的積累。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳組分與纖維素酶和過氧化氫酶活性之間的關(guān)系不顯著，然而，馬瑞萍等[11]對黃土高原不同植物群落土壤團聚體中有機碳和酶活性研究表明，土壤纖維素酶活性與各種組分有機碳之間的關(guān)系均呈顯著正相關(guān)。張英英[31]研究發(fā)現(xiàn)，不同耕作措施下甘肅旱地農(nóng)田0～30 cm土層土壤活性有機碳與纖維素酶和過氧化物酶活性之間的關(guān)系呈顯著正相關(guān)，與本試驗結(jié)果不同，可能是試驗條件和土壤類型不同的原因所致。

綜上所述，在高灌水量(苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期和淀粉積累期土壤含水量分別保持在田間持水量的60%～70%、70%～80%、75%～85%和50%～60%)和NK50-50施肥處理(N、K肥以50%作基肥土施，50%作滴灌追肥)下土壤總有機碳及其組分、蔗糖酶活性和碳庫管理指數(shù)較高，因此，高灌水量和N、K肥基、追肥比50∶50處理為廣西冬種馬鈴薯種植土壤有機碳庫調(diào)控的水肥耦合模式。此外，土壤TOC、DOC、MBC含量和CPI均與蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān)，說明土壤蔗糖酶活性會影響土壤有機碳及其組分。