礦物調(diào)理劑對丘陵紅壤天目小香薯產(chǎn)量和酶生態(tài)化學(xué)計量特征的影響

于金珠，吳辰晨，姬浩楠，李松昊，鄔奇峰，秦 華，陳俊輝

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 311300；2.杭州錦海農(nóng)業(yè)科技有限公司，浙江 杭州 311300；3.杭州市臨安區(qū)農(nóng)林技術(shù)推廣中心，浙江 杭州 311300）

土壤酸化是中國耕地面臨的主要障礙之一，近30 a 來，中國耕地土壤pH 平均降低了0.5[1]。南方紅壤地區(qū)高溫多雨，集約化經(jīng)營程度高，化肥施用量大，土壤酸化狀況尤為突出。土壤酸化不僅降低土壤養(yǎng)分有效性、抑制作物根系生長和養(yǎng)分吸收，而且對土壤生物多樣性和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響[2]。阻控土壤酸化、改良酸性土壤肥力、提高土壤生物學(xué)活性對促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

土壤微生物及其胞外酶是土壤有機質(zhì)分解和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的直接驅(qū)動者，兩者對土壤環(huán)境變化極為靈敏，是衡量土壤肥力和健康狀況的重要指標(biāo)[3-4]。近年來，土壤酶生態(tài)化學(xué)計量特征被廣泛應(yīng)用于衡量土壤微生物能量和養(yǎng)分資源限制狀況，表征土壤微生物代謝需求與土壤養(yǎng)分供應(yīng)之間的生物化學(xué)平衡[5]。土壤酶生態(tài)化學(xué)計量主要以參與碳循環(huán)相關(guān)的β-葡萄糖苷酶(BG)、纖維二糖水解酶(CB)，參與氮循環(huán)相關(guān)的亮氨酸氨基肽酶(LAP)和β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)以及參與磷循環(huán)相關(guān)的酸性磷酸酶(PHOS)的比值為研究對象。土壤酶碳∶氮∶磷(C∶N∶P)在全球尺度上相對穩(wěn)定，當(dāng)比值偏離時表明微生物受到C、N 或者P 的限制[6]。酶化學(xué)計量的向量長度(vector length)和向量角度(vector angle)可以較好地表征微生物的能量和養(yǎng)分限制狀況[3]。土壤酸堿性影響土壤酶活性，當(dāng)土壤pH 過低時，土壤微生物與胞外酶活性受到抑制，進(jìn)而影響土壤酶生態(tài)化學(xué)計量特征[7]。探明不同改良措施引起的土壤酸堿度、養(yǎng)分變化與土壤微生物養(yǎng)分限制狀況之間的關(guān)系對促進(jìn)土壤肥力和作物生長具有重要意義。

天目小香薯Ipomoeabatatas是浙江省杭州市臨安區(qū)的特色農(nóng)產(chǎn)品[8]。隨著天目小香薯市場需求日益擴(kuò)大，一些丘陵山地被開墾用于番薯種植。然而，丘陵紅壤往往立地條件差，水分養(yǎng)分蓄納功能弱，土壤酸化程度高，需要進(jìn)行合理的土壤質(zhì)量管理。施用土壤調(diào)理劑是改善紅壤結(jié)構(gòu)、酸堿性和養(yǎng)分有效性的重要手段之一。其中，礦物型土壤調(diào)理劑在均衡土壤肥力、提高作物抗逆性及優(yōu)化土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等方面均發(fā)揮著積極作用[9]。研究表明：利用石灰石、鉀長石等制成的礦物調(diào)理劑可有效調(diào)節(jié)土壤pH、改善土壤酸化、提高土壤微生物和酶活性[10-11]。盡管丘陵紅壤施用石灰等礦物型土壤調(diào)理劑已有較多研究[9]，然而目前研究集中在改善農(nóng)田土壤酸化、增加土壤養(yǎng)分和提升產(chǎn)量等方面，其如何影響土壤酶活性及微生物養(yǎng)分限制狀況尚缺乏報道。并且，礦物調(diào)理劑類型多樣，不同調(diào)理劑效果差異大，亟待開發(fā)適合不同土壤和作物的土壤調(diào)理劑產(chǎn)品。為此，本研究通過田間試驗研究礦物調(diào)理劑施用對天目小香薯產(chǎn)量、土壤養(yǎng)分、微生物生物量、土壤酶活性及生態(tài)化學(xué)計量特征的短期影響，探明影響土壤酶活性和微生物代謝限制的主要因素，從土壤酶生態(tài)化學(xué)計量角度評估礦物調(diào)理劑的施用效果，旨在為改善丘陵紅壤質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省杭州市臨安區(qū)潛川鎮(zhèn)(30°12′N，119°42′E)。該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖濕潤，四季分明，年降水量為1 420 mm，年均氣溫為15.9 ℃，年日照時數(shù)為1 774 h，無霜期為 236 d。供試土壤為粉砂發(fā)育的紅壤為主，土壤pH 5.36，有機碳為 6.75 g·kg-1，全氮為0.75 g·kg-1，全磷為0.60 g·kg-1，全鉀為2.17 g·kg-1，堿解氮為100.88 mg·kg-1，速效鉀為145.52 mg·kg-1，有效磷為2.5 mg·kg-1。

1.2 材料及試驗設(shè)計

小區(qū)試驗設(shè)置3 個處理：不施礦物調(diào)理劑(對照ck)、施用礦物調(diào)理劑3 t·hm-2(W1)和礦物調(diào)理劑6 t·hm-2(W2)。礦物調(diào)理劑是由白云石、鉀長石為主要原料經(jīng)煅燒制成的一種粉末狀物質(zhì)，其基本性質(zhì)為pH 8.22，氧化鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.20%，氧化錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 21.42%，氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.54%，全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.38%，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.80%，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為283 mg·kg-1。每處理設(shè)置3 個重復(fù)，隨機區(qū)組設(shè)計，小區(qū)面積為49 m2(7 m×7 m)，每個小區(qū)之間設(shè)置1 m 寬的保護(hù)行。試驗于2021年4月下旬布置，將礦物調(diào)理劑表面撒施后翻入0～25 cm 土壤，混合均勻。翻耕后起壟，壟長7.0 m、寬0.5 m、高0.2 m，壟距0.2 m。各試驗小區(qū)施肥及田間日常管理措施均完全一致。各小區(qū)施肥量為120 kg·hm-2尿素(氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46.2%)，225 kg·hm-2鈣鎂磷肥(五氧化二磷、氧化鉀和氧化鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為12%、42%、10%)，225 kg·hm-2氯化鉀(氧化鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62.7%)。天目小香薯秧苗扦插定植于壟上，每壟株距為0.3 m。

1.3 土壤樣品采集與處理

于2021年8月底采收天目小香薯，測定藤長、地上部生物量及其產(chǎn)量。同時，在各小區(qū)內(nèi)按照五點法采集0～15 cm 土壤，剔除其中的植物根系、殘體和石子等雜物，充分混勻后置于無菌塑封袋低溫帶回實驗室。每份混合樣品過2 mm 篩子，挑去石粒、根系以及植物殘體，并分成3 份：1 份室溫自然風(fēng)干，用于基本理化性質(zhì)的測定；1 份存于4 ℃冰箱，用于土壤酶活性和微生物量的測定；剩余樣品經(jīng)冷凍干燥后存放于-70 ℃冰箱。

1.4 測定方法

1.4.1 土壤化學(xué)性質(zhì)的測定 土壤化學(xué)性質(zhì)分析參考魯如坤[12]的方法。土壤水分含量采用烘干法測定；土壤pH 值按1.0∶2.5 土水質(zhì)量體積比測定；土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化，濃硫酸外加熱法測定；全氮(TN)采用凱氏定氮法測定；土壤全磷(TP)采用高氯酸-硫酸消煮，鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀(AK)用醋酸銨提取，火焰光度法測定；土壤有效磷(AP)采用鹽酸氟化銨浸提，分光光度法測定；土壤堿解氮(AN)采用堿解擴(kuò)散法測定；土壤交換性酸、氫和鋁采用氯化鉀交換，中和滴定法測定。土壤微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)和微生物生物量磷(MBP)采用氯仿熏蒸提取法分析[13-14]。

1.4.2 土壤酶活性分析 土壤酶活性測定參照SAIYA-CORK 等[15]的方法。本研究測定了5 種土壤酶活性，包括β-葡萄糖苷酶(BG)、纖維二糖水解酶(CB)、β-1,4-N-乙?；被咸烟擒彰?NAG)、亮氨酸氨基酞酶(LAP)、酸性磷酸酶(PHOS)。稱取相當(dāng)于2 g 干質(zhì)量的鮮土于100 mL 離心管中，用50 mmol·L-1醋酸銨緩沖液(pH 5.0)浸提，取200 μL 土壤懸液于96 孔板中，并立即加入50 μL 反應(yīng)底物。微孔板放入25 ℃培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)3 h，加入10 μL 0.5 mol·L-1的氫氧化鈉結(jié)束反應(yīng)。用多功能酶標(biāo)儀(Synergy? H1，Biotek)檢測熒光裂解產(chǎn)物4-甲基傘形酮或4-甲基香豆素的產(chǎn)量，檢測時以365 nm 為激發(fā)波長，450 nm 為檢測波長。酶活性單位為nmol·g-1·h-1。

1.4.3 土壤酶化學(xué)計量特征分析 采用土壤酶生態(tài)化學(xué)計量特征向量分析，即向量長度和向量角度，表征土壤微生物代謝受碳、氮和磷的限制狀況[3]。向量長度越大，表示碳限制越大；向量角度＜45°和＞45°分別表示氮限制或磷限制的相對程度，偏離程度越大，限制越強。

1.5 數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計

采用 SPSS 26.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。單因素方差分析(one-way ANOVA) Duncan 法多重比較檢驗不同處理間的差異顯著性，顯著性水平為0.05；利用CANOCO 4.5 進(jìn)行冗余分析(RDA)，確定影響土壤酶活性與計量比的關(guān)鍵因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 礦物調(diào)理劑對土壤化學(xué)性質(zhì)和天目小香薯產(chǎn)量的影響

由表1可知：相比ck，W2 處理顯著提高了土壤pH、AN 和AP，提高幅度分別為17.7%、48.3%和40.7%(P＜0.05)。W1 和W2 處理顯著降低了土壤交換性酸(57.0% 和67.1%)、交換性H+(57.7%和69.2%)和交換性Al3+(57.1%和60.7%，P＜0.05)。W1 和W2 處理對SOC、TP、DOC、DN、AK、C/N、C/P、N/P 均無顯著影響。由表2可知：與ck 相比，W1 和W2 處理顯著提高了天目小香薯藤長38.5%和39.7%(P＜0.05)，但對天目小香薯產(chǎn)量、地上生物量、地上部與產(chǎn)量的比值均無顯著影響。

表1 不同處理土壤化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Soil chemical properties under different treatments

表2 不同處理天目小香薯產(chǎn)量和地上部生物量Table 2 Sweet potato yield and aboveground biomass under different treatments

2.2 礦物調(diào)理劑對土壤微生物生物量碳、氮和磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由圖1可知：與ck 相比，W1 處理顯著提高了MBN (91.1%)、MBN/MBP (148.2%) (P＜0.05)。W2處理顯著提高了MBC (67.1%)、MBC/MBP (168.2%)和MBN/MBP (131.8%) (P＜0.05)。W1 和W2 處理對MBP 和MBC/MBN 均無顯著影響。

圖1 不同處理土壤微生物生物量及計量比Figure 1 Soil microbial biomass C,N and P and their ratios under different treatments

2.3 礦物調(diào)理劑對土壤酶活性及其生態(tài)化學(xué)計量特征的影響

由圖2可知：W1 處理顯著降低了PHOS 活性(31.9%，P＜0.05)，而對BG、CB、NAG、LAP 活性、酶C/N、酶C/P、酶N/P、向量長度、向量角度均無顯著影響。W2 處理顯著降低了PHOS 活性(45.4%)、LAP 活性(52.4%)，提高了酶C/P(96.7%)、向量長度(19.7%)、向量角度(10.5%)(P＜0.05)，而對其他指標(biāo)無影響，表明高量礦物調(diào)理劑施用提高了微生物碳限制，而緩解了微生物磷限制。

圖2 不同處理土壤酶活性及生態(tài)化學(xué)計量比Figure 2 Soil enzyme activities and stoichiometry under different treatments

冗余分析(圖3)表明：土壤化學(xué)性質(zhì)對土壤酶活性及生態(tài)化學(xué)計量比的總解釋率為98.3%，其中第1 軸解釋了變量的96.1%，第2 軸解釋了變量的2.2%。AN(F=18.05，P=0.002)，pH (F=7.87，P=0.016)，MBN (F=6.211，P=0.048)，MBP (F=5.61，P=0.044) 是顯著影響土壤酶活性及化學(xué)計量比的主要因子，解釋率分別為72.0%、53.0%、47.0%、45.0%。

圖3 不同處理的向量長度和向量角度及土壤化學(xué)性質(zhì)與酶活性及生態(tài)化學(xué)計量比的冗余分析(RDA)Figure 3 Vector lengths and vector angles under different treatments and redundancy analysis (RDA) of soil chemical properties and enzyme activity and stoichiometry

3 討論

3.1 礦物調(diào)理劑對土壤化學(xué)性質(zhì)與天目小香薯產(chǎn)量的影響

本研究中，施用6 t·hm-2的礦物調(diào)理劑可顯著提高土壤pH，這與礦物調(diào)理劑富含的氧化鉀和氧化鎂可中和土壤中的H+有關(guān)[16]。李昂等[17]發(fā)現(xiàn)：紅壤中施用白云石、鉀長石、牡蠣殼和麥飯石等4 種礦物調(diào)理劑可使pH 提高3.2%～28.0%，其中白云石提高幅度最明顯，但低用量的礦物調(diào)理劑對土壤pH 無顯著影響?？赡苁且驗楸狙芯克谜{(diào)理劑的pH 較低，低用量的礦物調(diào)理劑難以有效中和土壤酸度。2 種礦物調(diào)理劑均可顯著降低土壤交換性酸、氫和鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可能是因為調(diào)理劑自身含有豐富的交換性陽離子，如鈣離子和鎂離子會與土壤交換性氫和鋁發(fā)生作用，從而降低土壤中交換性酸質(zhì)量摩爾濃度[2,18]。本研究供試土壤全磷和有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均相對較低，這與亞熱帶紅壤中鐵、鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高且酸性較強，使得磷易于被鐵鋁離子固定成磷酸鐵和磷酸鋁[19]有關(guān)。施用高用量礦物調(diào)理劑后土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于對照，說明本研究制備的礦物調(diào)理劑有利于提高土壤有效磷水平。這與礦物調(diào)理劑含有一定量的磷元素[10]、以及礦物調(diào)理劑中的硅遷移到黏土顆粒表面取代了土壤中的磷酸根離子，進(jìn)而增加土壤磷有效性有關(guān)[20]。此外，施用礦物調(diào)理劑也顯著提高了土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。龔玲婷等[9]研究表明：礦物質(zhì)調(diào)理劑可有效改善土壤酸性、提高土壤有效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，促進(jìn)作物氮素吸收。施用礦物調(diào)理劑后土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)并無顯著變化，這是因為礦物調(diào)理劑中幾乎不含有機質(zhì)成分，短時間內(nèi)難以直接提高土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)[21]。

2 種用量礦物調(diào)理劑分別顯著提高了土壤微生物生物量氮和碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，說明施用礦物調(diào)理劑有利于丘陵紅壤微生物生長。相關(guān)研究表明：施用礦物調(diào)理劑可以改變土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤pH 和養(yǎng)分含量，在一定程度上改善了微生物生存環(huán)境，進(jìn)而提高微生物的活性[9]。李致博[22]研究發(fā)現(xiàn)：土壤pH 升高可顯著提高土壤戴氏菌屬Taifanglania、產(chǎn)黃桿菌屬Rhodanobacter、鏈霉菌屬Streptomyces等的豐度。同時，礦物調(diào)理劑的施用增加了土壤有效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，刺激了微生物生長[23-24]。相反，施用礦物調(diào)理劑后微生物量磷未顯著變化，可能是因為土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，微生物生長受磷限制。有研究表明：MBC/MBN 在作物生長季節(jié)的變化不大，即土壤微生物生物量碳和土壤微生物生物量氮能維持相對穩(wěn)定的比例[25]，這與本研究結(jié)果相似。土壤有效磷和堿解氮的輸入緩解了土壤微生物的養(yǎng)分限制，而較低的有機碳輸入促進(jìn)了微生物的能量限制[26]，促使MBC/MBP 顯著提高。2 種水平礦物調(diào)理劑施用均未顯著改變天目小香薯的產(chǎn)量與地上部生物量，說明礦物調(diào)理劑對天目小香薯生長無顯著影響。有研究表明：塊莖類植物，如馬鈴薯Solanumtuberosum對鉀的需求較大，其次是氮磷[27]。本研究調(diào)理劑施用并未改變天目小香薯產(chǎn)量，可能與所制備的礦物調(diào)理劑中總養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，特別是鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低有關(guān)。

3.2 礦物調(diào)理劑對土壤酶活性及酶生態(tài)化學(xué)計量特征的影響

高用量的礦物調(diào)理劑顯著降低了土壤LAP 活性，這主要是由于礦物調(diào)理劑施用增加了土壤堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)，為微生物生長提供了氮源，滿足了微生物生長的氮素需求，從而降低了氮獲取相關(guān)酶的分泌和活性。許淼平等[7]研究表明：土壤微生物可通過調(diào)節(jié)自身胞外酶的分泌來緩解養(yǎng)分限制，當(dāng)土壤中氮的有效性增加后，與氮轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶活性呈下降趨勢。與此相似，礦物調(diào)理劑施用顯著提高了土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，降低了PHOS 活性，這進(jìn)一步印證了微生物影響胞外酶分泌的生態(tài)化學(xué)計量學(xué)調(diào)控作用。SPEIR 等[28]發(fā)現(xiàn)：無機磷添加可抑制土壤微生物或植物根系分泌磷酸酶作用，降低土壤微生物對磷素的需求，進(jìn)而抑制磷酸酶的活性。本研究土壤pH 與酸性磷酸酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)，這可能因為亞熱帶紅壤pH 普遍呈酸性(pH＜6.5)，低pH 條件下土壤微生物將分泌更多的酸性磷酸酶礦化有機磷，以滿足微生物和植物對磷的需求[29]。

酶生態(tài)化學(xué)計量比反映了微生物獲取碳、氮與磷的相對需求，酶 C/N 和酶 C/P 越高，表明土壤微生物對碳獲取酶的投資高于對氮和磷獲取酶的投資，即微生物受碳源限制高于受氮、磷限制[30]。本研究發(fā)現(xiàn)：2 種水平礦物調(diào)理劑施用對酶C/N 無顯著影響，但高用量調(diào)理劑顯著提高了酶C/P，說明高用量礦物調(diào)理劑使微生物對碳獲取酶的投資相對高于磷獲取酶。這可能與礦物調(diào)理劑本身未能直接提供有機質(zhì)而提高了土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，暗示高用量礦物調(diào)理劑的施用微生物更易受碳限制，而緩解了磷限制[20,31]。全球尺度酶C/N、C/P 和N/P 平均值分別為 1.41、0.62 和0.44[26]。本研究中，對照土壤的酶C/P 遠(yuǎn)低于全球平均值，說明相較于磷，土壤存在較強的碳限制。高用量礦物調(diào)理劑顯著提高了向量長度，而降低了向量角度，且所有處理的向量角度均大于45°，這進(jìn)一步印證了高用量的礦物調(diào)理劑提高了微生物生物量碳限制而緩解了微生物生物量磷限制。冗余分析結(jié)果進(jìn)一步證明：堿解氮、pH、土壤微生物生物量氮和土壤微生物生物量磷顯著影響土壤酶活性及化學(xué)計量比，說明土壤速效養(yǎng)分和微生物生物量變化可潛在影響丘陵紅壤酶化學(xué)計量學(xué)特征。ZHANG 等[29]對黃土高原撂荒地和人工刺槐林Robiniapseudoacacia研究發(fā)現(xiàn)：土壤生態(tài)酶活性和化學(xué)計量學(xué)的變化與土壤中的可溶碳氮呈顯著正相關(guān)。曾泉鑫等[32]研究表明：長期氮添加加劇了毛竹Phyllostachysedulis土壤微生物生物量碳、微生物生物量磷限制，認(rèn)為氮添加會降低土壤有效磷和可溶性碳，從而造成土壤碳和土壤磷限制。本研究表明：礦物調(diào)理劑施用使土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，緩解了土壤微生物生物量磷限制，而進(jìn)一步加劇了碳限制。

4 結(jié)論

礦物調(diào)理劑短期內(nèi)可顯著提高土壤pH 和速效養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，降低土壤交換性酸質(zhì)量摩爾濃度，但對天目小香薯生長和產(chǎn)量影響不顯著。2 種用量礦物調(diào)理劑均顯著提高了土壤微生物生物量，降低了酸性磷酸酶活性，緩解了土壤微生物的磷限制，加劇碳限制。冗余分析表明：土壤pH、堿解氮、微生物生物量碳氮是影響土壤酶活性及其化學(xué)計量特征的主要因子。因此，施用礦物調(diào)理劑短期內(nèi)可有效降低土壤酸度，增加速效養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，緩解土壤微生物生物量磷限制，有助于降低南方丘陵紅壤磷限制對作物生長的影響。在丘陵紅壤施用礦物調(diào)理劑時應(yīng)注意配合其他管理措施，如秸稈還田或增施有機肥，減弱微生物生物量碳限制，促進(jìn)微生物的碳源和養(yǎng)分平衡。