干旱區(qū)沙土施用牛糞有機肥的土壤生物特性響應(yīng)

李學(xué)敏，劉淑娟，劉光武，趙 鵬，劉開琳，劉虎俊

(甘肅省治沙研究所，甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，甘肅蘭州 730070)

有機肥不但可以提高土壤有機質(zhì)含量，還可以改善土壤生物生態(tài)環(huán)境[1]。國內(nèi)外研究普遍認為，有機肥料可促進土壤微生物增加，從而間接提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力，促進農(nóng)作物生長與產(chǎn)量[2-4]。但有機肥種類不僅影響土壤理化性質(zhì)[5-7]，而且對土壤酶活性和土壤微生物影響也不同[8-11]。土壤酶參與土壤的各種生物化學(xué)過程，其活性可大致反映某一種土壤生態(tài)狀況下生物化學(xué)過程的相對強度[12]，土壤的酶作用與土壤肥力的關(guān)系密切。因此，土壤酶活性可作為判斷土壤生物化學(xué)過程強度及評價土壤肥力指標之一。測定相應(yīng)酶的活性，可以間接了解某種物質(zhì)在土壤中的轉(zhuǎn)化情況。另一方面，隨著集約化養(yǎng)牛業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)生了大量的牛糞，為有機肥生產(chǎn)提供了充足的原料。目前，牛糞有機肥生產(chǎn)方法有沼氣池和堆肥發(fā)酵，沼液和沼渣以及堆肥施入農(nóng)田，不僅能充分利用養(yǎng)殖廢棄物，減少環(huán)境污染，同時還能改良土壤。筆者應(yīng)用牛糞沼液和牛糞堆肥作為底肥，在沙土種植甜高粱，分析土壤微生物的變化，確定2種牛糞發(fā)酵肥施入的土壤微生物及土壤酶響應(yīng)，比較2種不同肥料處理的效果，旨在為牛糞處理和干旱區(qū)沙土改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料試驗用肥料為有氧發(fā)酵的牛糞堆肥和以牛糞為主要發(fā)酵原料的沼液。牛糞堆肥的總有機碳、腐殖酸、富里酸、腐殖質(zhì)和全氮分別是沼液的33.13、48.46、88.66、53.55和26.17倍，而沼液的速效磷、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是堆肥的4.14、11.60和952.18倍。牛糞堆肥呈堿性，2種有機肥的成分及酸堿性存在差異(表1)。

表1 牛糞沼液和牛糞堆肥的主要成分及特性

1.2 試驗設(shè)計采用大區(qū)面積為20 m×40 m的田間試驗，不設(shè)重復(fù)，不同肥料之間相互對比，分析每種肥料處理的效應(yīng)。參試有機肥分別是牛糞堆肥和沼液，化肥為磷酸二氫銨，上述肥料作基肥在播種前一次施入。以其全氮量計算施入量：牛糞堆肥作基肥施用量約為0.75 kg/m2，沼液作基肥施用量約為13.0 kg/m2，磷酸二氫銨施用量則根據(jù)牛糞堆肥的氮含量計算施約10.5 g/m2。采用平地覆膜種植甜高粱，在甜高粱生長旺盛期，灌水過程給沼液基肥地隨水澆入沼液6.5 kg/m2。根據(jù)所測肥料成分計算，牛糞堆肥和沼液的總有機碳、腐殖酸、富里酸和全氮分別相差0.56、1.86、3.41和1.01倍，牛糞堆肥有機成分相對含量較大。

1.3 測定項目與方法土樣采集時間分別為甜高粱苗期的2019年6月14日和甜高粱生長收割的9月5日，分3層0～5、5～10和10～20 cm進行采樣，每小區(qū)按對角線取 3樣點，同層次土樣混合作為 1 個混合樣。土樣放入帶有冰袋的保溫箱儲存，運至實驗室測定生物學(xué)指標。土壤細菌、放線菌、真菌數(shù)量采用平板培養(yǎng)計數(shù)法測定，細菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，放線菌采用高氏 1 號培養(yǎng)基，真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基。過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定，脲酶活性采用靛酚藍比色法測定，轉(zhuǎn)化酶活性采用 3，5-二硝基水楊酸比色法測定，堿性磷酸酶活性采用苯磷酸二鈉比色法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析數(shù)據(jù)采用Excel 2007進行統(tǒng)計分析，以不同施肥和土層深度為變量因素對土壤微生物和酶變化率進行分析，計算第一次施入后土壤微生物和酶和甜高粱收割后的土壤微生物和酶數(shù)量，進行變化率差異計算，并繪制圖表比較說明。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤細菌、放線菌和真菌的變化在觀測的土層，施牛糞堆肥和化肥樣地的細菌和真菌的增加率都大于沼液和對照(CK)(圖1)，其中真菌的增加相對較大，其次為細菌。放線菌除5～10 cm，也是施牛糞堆肥和化肥較大。在 0～5 cm 土層，牛糞處理土壤的微生物增加率大于沼液、化肥和對照，其中細菌的增加率最大，是放線菌和真菌的1.29和1.27倍。在5～10 cm 土層，施牛糞處理土壤的細菌增加率大于沼液和對照，而真菌的增加率是施牛糞堆肥的較大。在10～20 cm 土層，土壤微生物的變化率最大，施牛糞和化肥處理的土壤微生物都大于對照，其中施化肥的土壤微生物增加率大于施牛糞和沼液，這表明施牛糞堆肥的0～10 cm細菌和真菌數(shù)量增加較大；與對照相比施肥增加了0～20 cm土層的土壤真菌，施化肥處理土壤10～20 cm微生物數(shù)量增加率較大。牛糞有機肥施入風(fēng)沙土增加了腐殖酸，促進了真菌的增加。

圖1 不同肥料施用的土壤微生物變化率Fig.1 Change rate of soil microorganism under different fertilizer application

2.2 土壤酶的變化除牛糞堆肥處理的0～5 cm土層的脲酶外，施肥處理的土壤過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶和堿性磷酸酶的活性都增加，施牛糞堆肥處理的過氧化氫酶和轉(zhuǎn)化酶活性的增加率較大，而脲酶的活性降低(圖2)。除脲酶，在5～10 cm 土層施牛糞堆肥處理的過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶活性和堿性磷酸酶增加率相對較大，都大于對照，其中轉(zhuǎn)化酶活性的增加率較大，牛糞堆肥處理的轉(zhuǎn)化酶活性增加率是沼液的1.74倍、化肥的1.44倍和對照的2.05倍。在10～20 cm 土層，化肥處理的土壤堿性磷酸酶活性的增加率較大，施牛糞堆肥和沼液處理的脲酶活性低于化肥和對照，其他3種酶活性增加率均大于對照。施肥處理的土壤過氧化氫酶活性都大于對照。施肥處理的脲酶活性增加率只有10～20 cm化肥處理的脲酶活性增加率大于對照。在4種酶中，轉(zhuǎn)化酶的變化率較大(標準偏差最大)。說明所有施肥處理均能增加過氧化氫酶和轉(zhuǎn)化酶活性，在0～5 cm施牛糞處理的過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶和堿性磷酸酶活性增加率較大。

圖2 施用不同肥料的土壤酶活性變化率Fig.2 The change rate of soil enzyme activity with different fertilizers

2.3 土壤呼吸強度的變化沙土施用沼液、牛糞堆肥和化肥處理的土壤呼吸速率變化差異顯著(P<0.05)。其中沼液處理的土壤呼吸速率最大(圖3)，化肥處理的土壤呼吸速率小于對照CK。沼液處理的土壤呼吸速率是牛糞堆肥的1.09倍，是化肥處理的土壤呼吸速率的1.67倍，是對照的1.59倍。牛糞堆肥處理的土壤呼吸速率是對照的1.45倍，對照的土壤呼吸速率變化幅度最大(變異系數(shù)為51.92%)，其次為牛肥堆肥(變異系數(shù)為29.56%)。牛糞堆肥處理的土壤呼吸速率大于對照，這與0～5 cm土層施牛糞土壤微生物的增加率變化情況一致(圖1)。

圖3 施用不同肥料的土壤呼吸速率Fig.3 Soil respiration rate with different fertilizers

3 討論

3.1 施有機肥增加土壤有機碳、腐殖質(zhì)和總氮，促進土壤微生物增長有機肥的投入為土壤微生物提供了營養(yǎng)物質(zhì)和碳源，刺激了微生物的繁殖，改善了土壤微生物的生長環(huán)境，增加了土壤微生物數(shù)量[13]。在沙土地的甜高粱生長過程施牛糞沼液、堆肥和化肥處理的土壤微生物均增加，只是增加率不同。這與王芬等[14]研究的牛糞對蘋果地土壤特性影響的結(jié)論相同，也與肖瓊等[15]分析的單施或配施有機物料均有利于提高農(nóng)田土壤微生物總量及各類菌群生物量的研究結(jié)果一致。細菌和放線菌數(shù)量變化與王寧等[16]對棉花的研究結(jié)果一致。研究表明單施或配施有機肥土壤真菌數(shù)量有增加也有減少的情況[14-17]。該研究試驗觀測期內(nèi)土壤微生物均增加，這可能是觀測期[17]以及種植作物[18-20]不同所致。土壤有機碳和土壤總氮是影響土壤細菌的顯著因子[21-22]，施牛糞有機肥增加了土壤有機碳和土壤總氮，促進了土壤細菌增長率。但沼液的總有機碳含量大于牛糞堆肥，腐殖酸和富里酸則較小，這影響了土壤細菌變化?；逝涫┯袡C肥減緩紅壤甘蔗產(chǎn)區(qū)土壤pH下降，施肥處理導(dǎo)致土壤細菌、真菌和放線菌顯著高于對照，施用有機肥是提升土壤肥力和保持土壤健康的有效措施[18]。不同深度的土壤細菌增加率不同，在10～20 cm土層最大。這與不同土層深度的營養(yǎng)成分不同有關(guān)，該研究結(jié)果與果園施有機肥的觀測結(jié)果相似[6]。

3.2 土壤酶活性受有機肥影響，且隨土層深度變化土壤酶活性作為表征土壤生物活性的重要指標，受不同施肥措施、作物種類、耕作模式、土壤水熱條件等的影響[16]。土壤酶活性可作為判斷土壤生物化學(xué)過程強度及評價土壤肥力指標之一[23-24]。與施化肥和對照處理相比，在0～5 cm土層，施牛糞堆肥處理的土壤轉(zhuǎn)化酶和堿性磷酸酶活性增加率均較大，過氧化氫酶活性增加率相近，脲酶活性則降低。配施有機肥土壤過氧化氫酶活性增加[16]。單施或配施有機肥土壤脲酶活性有增加[19]也有降低[20]，玉米生育期土壤酶活性均呈先升高后降低的趨勢[25]，這與該試驗的脲酶變化一致。土壤含磷量的差異會導(dǎo)致不同土壤類型下磷酸酶活性對施肥的響應(yīng)不同[25]，單施或配施有機肥的土壤堿性磷酸酶活性增加[26-27]，這也與該研究結(jié)果一致。與施化肥和沼液處理相比，施牛糞處理土壤過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶和堿性磷酸酶增加率較大，脲酶變化則相反。這可能與該試驗中牛糞施用的腐殖酸和富里酸含量高有關(guān)，也可能與牛糞的肥效期長有關(guān)。腐熟牛糞可以改善土壤酶活性，提高土壤有機質(zhì)、全氮和速效磷含量[26]。施化肥處理的土壤微生物和酶活性增加率最大的是10～20 cm土層，這可能是化肥易溶于水，肥料施于土壤經(jīng)灌溉而部分營養(yǎng)物質(zhì)被水帶入土壤下層。土壤微生物所引起的各種生物化學(xué)過程，全部是借助于它們所產(chǎn)生的酶來實現(xiàn)[1，27]。在垂直方向上幾種酶的活性增加率隨土壤層次增加也有減少，其中沼液和化肥的增加率隨土層加深而大于牛糞堆肥。一次性施入不同用量的牛糞能顯著提高各土層土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶的活性[28]。增施不同種類和數(shù)量畜禽糞肥，可有效提高土壤呼吸速率，不同類型肥料肥效及適宜施肥量對改善土壤生物特性的效果不同[29-30]。

4 結(jié)論

在干旱區(qū)種植甜高粱的沙土，施牛糞堆肥和化肥處理的0～5 cm土壤微生物均增加；不同深度的土壤微生物的增加率不同，在10～20 cm土層的微生物增加率較大。4種處理中，與施化肥和對照處理相比，施牛糞堆肥處理的0～5 cm土層土壤的轉(zhuǎn)化酶和堿性磷酸酶活性增加率均較大，過氧化氫酶活性增加率相近，脲酶活性則降低。沙土施用沼液、牛糞堆肥和化肥處理的土壤呼吸速率變化差異顯著，沼液和牛糞處理土壤的呼吸速率相對較大。綜合土壤微生物增加率、酶活性及土壤呼吸率的變化，施牛糞堆肥對表層土壤生物學(xué)特性指標影響較大。