不同有机肥对黄泥田土壤培肥效果及土壤酶活性的影响

荣勤雷， 梁国庆*， 周 卫， 刘东海， 王秀斌， 孙静文，李双来， 胡 诚

(1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所， 北京100081； 2 湖北省农业科学院植保土肥研究所，湖北武汉 430064)

低产田改良是提高粮食综合生产能力，保证我国粮食安全的重要途径，在防止耕地退化、保护生态环境方面具有重要意义。低产黄泥田是重要的低产水稻土类型之一，主要是由红壤、黄壤种植水稻后水耕熟化后形成的[1]。低产黄泥田在南方稻区分布广泛，主要分布在我国的广东、广西、福建、贵州、湖北、江西等省，面积约有140万公顷2 [2-5]。

低产黄泥田具有水耕熟化时间短、熟化度低的特点，配施有机肥是改善低产黄泥田土质粘重、有机质缺乏和肥力较低的重要措施之一。黄泥田长期定位试验表明，提高土壤肥力以配施有机肥效果最好[6-7]。但土壤环境条件不同，不同有机肥对土壤肥力的影响也不同。目前对单一有机肥施用条件下土壤肥力变化的研究较多[9-11]，多种有机肥配施条件下土壤培肥研究涉及相对较少，尤其是不同有机肥对低产黄泥田的培肥效果方面的研究鲜有报道；有关低产黄泥田与土壤碳、土壤氮、土壤磷转化的相关酶活性的变化规律也缺乏全面研究。土壤酶对土壤肥力变化的反应灵敏，是表征土壤肥力和土壤质量等方面的重要指标之一[8]。因此本研究在田间试验中同时设置绿肥、粪肥、秸秆与化肥配施处理，研究不同碳源有机碳的投入对黄泥田的培肥效果以及土壤酶的响应规律，为低产黄泥田的改良提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验设在湖北省京山县钱场镇(30°51′02″ N，113°06′53″ E)，该地属亚热带温暖季风型气候，海拔35 m，年均降水量1179 mm，无霜期243 d，主要种植模式为双季稻。供试土壤为低产黄泥田，供试水稻品种早稻为两优287，晚稻为T优250。试验地耕层土壤有机碳含量 11.57 g/kg、 全氮0.74 g/kg、 碱解氮47.17 mg/kg、 速效磷 5.1 mg/kg、 速效钾94. 70 mg/kg、 pH值6.3、 容重1.23 g/cm3。

1.2 试验设计

试验共设置6个处理：1)对照(不施肥，CK)；2)单施化肥(NPK)；3)化肥+绿肥(NPKG)；4)化肥+畜禽粪肥(NPKM)；5)化肥+秸秆(NPKS)；6)化肥+秸秆+腐熟菌剂(NPKSD)。氮肥用尿素，磷肥用普通过磷酸钙，钾肥用氯化钾。绿肥为紫云英鲜草(含N 0.88%、 P 0.12%、 K 2.26%)，畜禽粪肥用新鲜猪粪(含N 2.98%、 P 2.43%、 K 1.92%)，秸秆为水稻干草(含N 2.00%、 P 0.22%、 K 3.24%)。每处理3次重复，小区面积20 m2，田间随机区组排列，四周设保护行。小区间以6 m×0.2 m的塑料扣板封闭隔离，接口处以塑料纸包裹并泥糊，防止窜水窜肥。

每季施肥量为N 180 kg/km2、 P2O590 kg/km2、 K2O 120 kg/km2、 绿肥22500 kg/km2、 畜禽粪肥22500 kg/km2、 秸秆3000 kg/km2、 腐熟菌剂30 kg/km2。各配施有机肥处理施用的有机碳量相当，为C 1450 kg/km2。磷肥、钾肥、 有机物料绿肥、畜禽粪肥、稻草和菌剂均作为基肥一次施入，氮肥按基肥 ∶蘖肥 ∶穗肥=4 ∶3 ∶3的比例分3次施入。早稻2011年3月26日育秧苗，2012年4月26日移栽，6月2日施分蘖肥，6月8日施孕穗肥，7月16日收获。晚稻2012年6月25日育秧苗，7月21日移栽，7月27日施分蘖肥，8月22日施孕穗肥，10月31日收获。

1.3 测定项目和方法

在2012年试验设置前(3月20日)采集基础土样，早稻收获后(7月16日)和晚稻收获后(11月08日)分别采集0—20 cm土层土壤样品。每个试验小区取多个点混合，其中晚稻收获后采集的鲜土用四分法取一部分过2 mm筛用于测定土壤酶活性，其余土壤样品风干后过1 mm筛和0.15 mm筛，用于测定土壤理化指标。

1.4 数据处理

试验数据采用 Microsoft Excel 2003和SAS 8.0软件进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同培肥措施对土壤养分的影响

经过2季水稻生长周期后，土壤养分状况发生了变化。从表1看出，晚稻季和早稻季相比，不同施肥处理间土壤养分状况差异更加明显，尤其是土壤速效养分。与早稻季相比，晚稻季土壤中的碱解氮、速效磷平均分别增加35.8%和28.5%，有机碳、速效钾基本持平，土壤全氮含量略有升高。

早稻和晚稻不同处理间土壤有机碳和全氮含量差异不显著，但是与不施肥(CK)和单施化肥(NPK)处理相比，配施有机肥的处理有机碳和全氮呈增加趋势。配施不同有机肥的处理土壤养分含量变化表现各异，总体来看配施有机肥比CK和NPK处理有助于提高土壤速效养分含量。早稻季的土壤碱解氮含量，配施绿肥(NPKG)和配施秸秆及腐熟菌剂(NPKSD)的处理与NPK相比显著提高(P<0.05)；晚稻季NPKSD处理的碱解氮含量最高，与CK和NPK处理差异显著(P<0.05)。早稻季和晚稻季的化肥配施畜禽粪肥(NPKM)处理土壤速效磷含量最高，分别比CK提高35.5%和72.0%。早稻季的土壤速效钾含量各处理没有显著差异，但以化肥配施秸秆处理的含量较高，晚稻季NPKSD处理的速效钾含量较CK提高了21.9%，差异显著(P<0.05)。

2.2 不同培肥措施对土壤酶活性的影响

图1显示，黄泥田的不同培肥措施对不同土壤酶活性的影响有很大差异。与CK相比，单施化肥(NPK)、化肥配施秸秆(NPKS)和绿肥(NPKG)的处理磷酸酶活性都显著降低， NPKS和NPKSD处理的磷酸酶活性最低，分别比CK低33.43%和32.78%。但化肥配施猪粪的处理(NPKM)磷酸酶活性显著高于其他施肥处理。

表1 不同有机培肥措施土壤养分状况

图1 不同有机培肥措施的土壤酶活性Fig.1 Soil enzyme activities under different organic fertilization treatments

施肥处理土壤β-纤维二糖苷酶活性比CK均有所提高，NPKSD处理最高，但没有腐熟菌剂的NPKS处理其β-纤维二糖苷酶活性低于NPK和NPKM，略高于NPKG。相关分析表明β-纤维二糖苷酶活性和土壤速效钾含量显著相关(表2)。

乙酰氨基葡萄糖苷酶活性，NPKSD处理最高，较CK提高13.41%，但是其他的处理均低于CK。没有施用腐熟菌剂的NPKS处理乙酰氨基葡萄糖苷酶活性最低，且与其他处理差异显著(P<0.05)。相关分析显示，乙酰氨基葡萄糖苷酶活性与速效磷、速效钾含量呈负相关。

NPK、NPKG、NPKM、NPKS、NPKSD处理的β-木糖苷酶活性较CK分别提高了20.10%、 29.07%、 43.16%、 47.24%、 72.62%。配施有机肥各处理β-木糖苷酶活性显著高于CK和NPK处理，其中NPKSD处理最高。分析表明，β-木糖苷酶活性与土壤碱解氮、速效钾含量显著相关。

NPKG、NPKM、NPKSD处理的α-葡萄糖苷酶活性，较CK分别提高21.49%、49.44%、17.51%，差异达到显著水平，以NPKM处理最高。与土壤养分相关分析表明其与速效磷含量的相关性极显著(P<0.01)。

表2 土壤养分和土壤酶活性的相关分析

酚氧化酶活性除NPKM处理外其他处理均低于对照；CK和NPKM处理与NPK、 NPKG、NPKS、NPKSD处理间差异显著，NPK、NPKG、NPKS、NPKSD处理之间没有显著差异。过氧化物酶活性各施肥处理均低于CK，但是处理间没有显著差异。

施用秸秆腐熟菌剂的处理(NPKSD)脲酶活性最高；NPKS处理最小，较CK低6.42%，与NPKM、NPKSD处理差异显著，但是与CK、NPK、NPKG处理没有显著差异。与土壤养分的相关分析结果表明，脲酶活性与土壤有机碳、速效磷含量显著相关，与全氮含量极显著相关(表2)。

综上，β-葡萄糖苷酶与土壤有机碳、碱解氮、速效磷、速效钾含量极显著相关；β-纤维二糖苷酶与土壤速效钾含量显著相关； β-木糖苷酶与土壤碱解氮、速效钾含量极显著相关；α-葡萄糖苷酶与速效磷含量极显著相关；脲酶与有机碳、速效磷含量显著相关，与全氮极显著相关。其他酶与土壤养分含量大部分为正相关，但未达到显著相关水平。

2.3 不同培肥措施对水稻产量的影响

作物产量是土壤质量的综合反映，也是土壤改良的一个重要指标。从图2可以看出，早稻季和晚稻季不同施肥处理的水稻籽粒产量均高于CK，其中早稻季产量NPK、NPKG、NPKM、NPKS、NPKSD处理较CK分别提高了65.5%、63.9%、82.5%、68.5%、79.3%，晚稻季产量施肥各处理分别比CK提高了24.9%、33.4%、38.8%、33.8%、45.5%，差异均达显著水平(P<0.05)。早稻季以NPKM处理产量最高，其次为NPKS、NPKSD；晚稻季产量以NPKSD处理最高，其次为NPKS、NPKM。说明秸秆和畜禽粪肥对提高黄泥田的水稻产量效果较好。

2.4 土壤养分与土壤酶活性的典型相关分析

图2 不同有机培肥措施水稻的产量Fig.2 Rice yield under different organic fertilizations treatments

表3 土壤养分和土壤酶活性的典型变量

代入第一特征向量从而得出土壤养分变量(V)和土壤酶活性变量(W)的表达式：

V=0.4118X1+0.2048X2+0.5257X3+0.7344X4+0.7821X5

W=-0.2471Y1+0.7662Y2+0.5047Y3-0.3594Y4+0.7538Y5+0.5786Y6-0.1010Y7-0.2893Y8+0.2337Y9

式中：X1、X2、X3、X4、X5分别代表土壤有机碳、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾；Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8、Y9分别代表土壤磷酸酶、β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、α-葡萄糖苷酶、酚氧化酶、过氧化物酶、脲酶。可以看出土壤养分中起主要作用的是X1、X3、X4、X5，即土壤有机碳、碱解氮、速效磷、速效钾；土壤酶中起主要作用的是Y2、Y3、Y5、Y6，即β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、β-木糖苷酶、α-葡萄糖苷酶。

将试验各处理实测数据代入变量V和变量W，如图3所示，可以看出，随土壤养分变量(V)增加，土壤酶活性变量(W)总体上呈增加趋势；化肥配施有机肥有利于提高土壤养分和土壤酶活性，其中以NPKSD、NPKS处理效果最好，其次为NPKM和NPKG。

图3 土壤养分变量(V)和土壤酶活性变量(W)典型变量排序分布Fig.3 Canonical variables ordering distributions of soil nutrients contents variables(V) and soil enzyme activities variables (W)

3 讨论与结论

3.1 黄泥田有机培肥措施对土壤养分和产量的影响

在水稻田和旱地的有关试验研究表明，化肥配施有机肥能明显提高水稻耕层土壤有机碳、有机碳、全氮、全磷、碱解氮、速效磷含量[11, 16-17]。本试验早、晚稻各处理通过添加绿肥、畜禽粪肥、秸秆和秸秆与腐熟菌剂配施化肥后，土壤有机质、全氮含量变化不显著，土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量变化比较明显，特别是晚稻季土壤速效养分有明显提高。

综合两季水稻的结果，配施不同有机物料对土壤的培肥效果有很大差异。与单施化肥相比，配施绿肥可以提高土壤碱解氮含量，但对土壤速效磷、速效钾的影响不大，这与李继明等[18]长期定位试验的研究结果相似，虽然绿肥紫云英也可以活化土壤磷，但在本试验中效果不明显，可能和紫云英用量不大有关。本试验中配施畜禽粪肥的处理土壤速效磷含量显著提高，而侯红乾等[19]研究结果也表明随着有机肥用量的增加土壤速效磷也不断提高；与对照(NPK)相比配施畜禽粪肥土壤碱解氮提高明显，但对速效钾的影响较小。秸秆还田可以有效提高土壤速效钾含量[20-21]，本试验中添加秸秆的处理(NPKS、NPKSD)，土壤速效钾养分提高明显，土壤碱解氮含量也有明显提高，在晚稻季与其他处理的差异达到显著水平。NPKSD处理对土壤碱解氮和速效钾提高的效果好于NPKS；而对速效磷的效果则是NPKS好于NPKSD处理。

有研究表明，有机无机肥配施能增加作物产量，是提高增产稳定性的主要因素[22-24]，本试验中，有机无机肥配施处理的水稻产量显著高于无肥处理和单施化肥处理。其中以配施秸秆和畜禽粪肥的处理效果较好，可能与其能协调土壤养分供应，维持或提升土壤肥力有关。配施绿肥处理效果不明显。

3.2 黄泥田不同有机培肥措施对土壤酶活性的影响

土壤中一切生物化学反应都是在土壤酶的参与下完成的，土壤酶活性的高低能反映土壤生物活性和生化反应的程度。不同施肥措施对土壤酶活性会产生不同的影响。本试验中，土壤酶活性总体表现为配施有机肥处理高于单施化肥处理，这与相关研究结果类似[25-26]。

鲁艳红等[27]研究结果表明，红壤水稻土化肥与猪粪长期配合施用可以提高磷酸酶活性，这与本试验中化肥配施猪粪处理的磷酸酶活性较高的结果一致。还有研究显示，旱地土和石灰性褐土施用有机肥和化肥的量对磷酸酶活性有明显影响[11, 28]，闫超等[29]研究了水稻秸秆还田对土壤溶液中磷酸酶活性的影响，其结果表明与没有施用秸秆的处理无明显差异，说明不同施肥、土壤条件和取样方法对磷酸酶的活性有较大影响，磷酸酶在土壤中的变化规律还有待进一步研究。本试验结果中NPK处理的过氧化物酶活性比CK低，但没达到显著差异水平，这与室内培养和田间定位试验的相关研究结果[28, 30]一致。

脲酶能促进土壤中酰胺肽键的水解，生成植物根系可吸收利用的氨，可用于评价土壤的供氮能力。本试验中土壤脲酶活性NPKM、NPKSD两个处理与NPK和CK相比略有提高，但差异不显著，这与林诚等[31]长期定位试验中秸秆和粪肥可以大幅度提高脲酶活性、单施化肥效果不明显的结论不同，说明可能短期施用有机肥对脲酶活性的影响不大。

酚氧化酶参与腐殖化过程，与CK相比，酚氧化酶活性除NPKM处理略有提高外，其余处理均降低，这可能和肥料的施入使得土壤中微生物和植物可直接利用的养分含量增加，从而使土壤酚氧化酶活性较不施肥处理低有关[32]。配施有机肥处理的α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、β-木糖苷酶活性均不同程度地提高，这几种酶主要是参与土壤的碳循环过程，配施有机肥增加了土壤的有机物，给土壤酶提供了丰富的底物，同时又增加了养分和能源，从而激发了土壤的生物活性[33]。

3.3 黄泥田土壤养分与土壤酶活性的相关关系

土壤酶活性与土壤养分状况的关系密切，一种酶和特定养分之间相关而和另一些养分则不相关，在各区域内表现出不同的规律[34]，而且不同种类的酶系间也存在复杂联系[35]，各种酶促反应既是专性的，而又是相互联系的[36]，所以单一酶活性的评价方法很难全面地反映土壤酶与养分的关系。研究两组变量间的相关关系，而且每组变量中间常常存在多重相关性，本研究采用典型相关分析方法，研究了5种土壤养分因子(V)及9种土壤酶活性因子(W)的2组变量，结果表明，土壤养分和土壤酶关系密切，相关关系显著，土壤酶可以作为评价黄泥田肥力的一个指标；施肥可以提高土壤养分和土壤酶活性，配施有机肥有利于土壤的培肥，不同形态有机碳对黄泥田的培肥效果为秸秆还田>猪粪>绿肥>单施化肥。

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