3种南方绿肥腐解特征及其对淹水土壤养分和酶活性的影响

高桂娟 李志丹 韩瑞宏 王俊梅

摘 要 利用尼龙网袋法，盆栽模拟淹水土壤环境，研究南方常见绿肥紫云英、油菜和肥田萝卜的氮磷释放规律及其对淹水土壤酶活性的影响，绿肥翻压鲜重量为1.14 kg/m2。在97 d的试验周期内，绿肥腐解率表现为：肥田萝卜>紫云英>油菜。3种绿肥向土壤环境中释放氮速率由高到低为：肥田萝卜>油菜>紫云英，并促进了总氮由土壤→溶液的释放，且土壤溶液97 d氮的平均增加量达到显著水平（p<0.05）。磷的释放为：肥田萝卜>紫云英>油菜，其97 d土壤磷的平均增加量达到显著水平（p<0.05）；绿肥翻压显著影响了土壤多酚氧化酶和转化酶活性（p<0.05）。同一种土壤酶在不同处理之间及同一处理条件下的不同酶之间均表现出显著的相关性（p<0.05），即土壤酶在促进物质转化中不仅显示其专性催化特性，同时也体现了共性关系。3种绿肥中肥田萝卜改善土壤酶活性作用最明显。

关键词 绿肥；腐解率；养分释放；酶活性

中图分类号 S553 文献标识码 A

Abstract The changes of nitrogen and phosphorus release and enzyme activity after ploughed green manure of milk vetch， rape and radish of 1.14 kg/m2 of each ina nylon bag were studied.， The results showed that the decomposition rate was in the order radish> milk vetch> rape； The order of release rate of TN from the manure into soil was radish >rape >milk vetch， and the actions of release rate of TN from soil into soil solution were also accelerated and the effects reached to significant level（p<0.05）； The release rate of TP from the manure into soil was also increased significantly， and the order was radish> milk vetch> rape. The effect of green manure on soil polyphenol oxidase and invertase were significant（p<0.05）； The positive relationships between different green manure treatments based on the same enzyme activities were very high， at the same time， there were some significant correlations among different enzymes based on same treatment（p<0.05）， which indicating that soil enzymes showed specific catalytic properties as well as isomorphic correlations； Among the three green manures， radish was the most important in improving soil enzyme activities.

Key words Green manure； Decomposition rate； Nutrient release； Enzyme activities

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.08.006

近年来，我国稻田肥料使用过程中，依旧存在化肥施用过量，有机肥施用严重不足，氮、磷、钾肥比例不科学等问题。而绿肥作为可再生生物资源，不仅能够作为南方稻田有机肥重要来源，为土壤提供大量的碳源和养分，还可以改善土壤性状，防止肥力下降，是实现稻田土壤可持续利用的有效途径[1]。我国绿肥资源丰富，其中油菜（Brassica campestris）、紫云英（Astragalus sinicus）和萝卜（Raphanus sativus）是我国南方最常见的绿肥作物，紫云英、肥田萝卜可采用直接还田、青贮和饲养还田相结合，发挥巨大经济效益[2]。绿肥翻压会影响碳、氮、磷、钾等元素的释放规律及土壤微生物活性[3]。要合理高效利用绿肥，明确绿肥的腐解矿化过程至关重要。绿肥材料翻压后的前期腐解速率普遍高于后期，且不同材料类型腐解速率和腐解程度也不同。潘福霞等[4]研究得出，绿肥翻压后的腐解率一般大于秸秆、厩肥等其他有机肥。土壤溶液一般定义为含有溶质和溶解性气体的土壤间隙水，是土壤化学反应主要场所，因此，评价稻田翻压绿肥系统的养分供应状况，研究土壤溶液理化特性尤为重要。不同绿肥材料向土壤溶液释放养分的能力是有所差异的，如袁嫚嫚等[5]研究证明，蚕豆还田处理土壤溶液总氮（TN）浓度高于紫云英还田处理。

本研究将围绕绿肥翻压后的腐解过程，氮、磷等释放特征以及相关酶活性变化展开研究，了解各翻压材料在土壤中的腐解动态特征和养分释放规律，以期为稻田绿肥的合理利用提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地与供试材料

试验地点为广东省广州市广东第二师范学院生物楼楼顶的种植大棚，供试土壤和材料采集于广东省清远市莲洲镇稻田，土壤及绿肥TN、TP含量见表1。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验方法：利用直径30 cm，高35 cm规格的塑料桶进行盆栽并模拟稻田水淹条件，每盆土层厚30 cm。设置4种处理：无翻压（CK）、紫云英翻压（T1）、肥田萝卜翻压（T2）、油菜翻压（T3），材料来源及基本性质见表1。将新鲜采集的绿肥材料分别切成1 cm左右碎块，混匀装入尼龙网袋（尼龙网袋长20 cm，宽10 cm，孔径0.048 mm），每袋鲜重80 g，然后将尼龙网袋平铺埋入土中，距土表10 cm，每盆埋1袋，每种材料设27盆，共81盆，另设3盆未翻埋材料作为对照。实验期间全程保持淹水状态，保持水位高度2 cm。试验时间：2014年4月4日～2014年7月10日，共计处理97 d。

1.2.2 取样方法及测定指标 分别于翻压后的第2、4、8、13、23、38、53、74和97天每种材料随机选取3盆，取土样，水样，绿肥残留样，同时取对照土样、水样，备用分析。

取样时每盆随机选取5点，取0～30 cm土层土样，混匀后风干备用分析，测定转化酶（IN）、蛋白酶（PR）、磷酸酶活性（ACP）、多酚氧化酶（PO）[6]，TN（凯氏定氮法）和TP（HClO4-H2SO4法）；每盆随机选取3点，用底端封闭，侧壁打孔的PVC管插入土下10 cm，静置收集土壤溶液，再用注射器抽取PVC管中土壤溶液混匀过0.45 μm滤膜备用，测定TN（碱性过硫酸钾消解法，HJ 636-2012）和TP（钼酸铵比色法）。最后取出尼龙网袋，冲洗干净附着泥浆杂物，烘干后测定剩余生物量及总氮（TN，凯氏定氮法）和TP（H2SO4-H2O2消煮法）。利用生物量计算干物质累积腐解率=（初始干物质总量-翻压若干天后干物质总量）/初始干物质总量×100%[7-9]。TN、TP累积释放率=[（初始绿肥TN、TP总量）-（残留绿肥TN、TP总量）]/（初始绿肥TN、TP总量）×100%。

1.3 数据处理

所有数据采用Excel 2007及SPSS 17.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 绿肥腐解速率变化

从图1可以看出，腐解速率表现为肥田萝卜>紫云英>油菜，3种绿肥在翻压97 d后，其累积腐解率均超过70%，肥田萝卜的腐解率最高，达到85.34%。绿肥翻压前期腐解较快，前23 d均已经达到50%，其中肥田萝卜腐解最快，第2天腐解率高达69.92%，油菜腐解最慢，23 d时腐解速率达到51.78%。

2.2 翻压绿肥N、P释放规律

总体上，各绿肥释放TN累积释放速率表现为：肥田萝卜>油菜>紫云英（表2）。3种绿肥TN都在翻压前2 d集中释放，后期释放量都较少。肥田萝卜、油菜和紫云英在翻压第2天TN释放率分别达到92.47%、85.78%和69.18%，紫云英TN释放相对较慢在翻压的第13天，TN释放率达到81.71%。3种绿肥TN释放总量为：紫云英>肥田萝卜>油菜，与各绿肥含TN总量相一致（表2）。3种绿肥的TP释放速率差别明显，总体上肥田萝卜TP释放速率高于其他2种绿肥，在翻压2 d，肥田萝卜TP释放率就达到80%，紫云英在翻压2 d释放率达到71.48%，TP释放也较为集中。油菜在前2 d TP释放率为48.95%，后期释放较为平稳，与另外2种绿肥差别较大。处理97 d时，3种绿肥TP释放率均达到90%以上。

2.3 翻压绿肥对土壤养分含量影响

各处理土壤的氮素变化随时间延长均呈现波动状态（图2），其97 d的TN总平均值大小顺序为：T2（3.39 g/kg）>CK（3.38 g/kg）>T1（3.11 g/kg）>T3（3.04 g/kg）。绿肥翻压土壤的前期（2～38 d）和后期（53～97 d）TN水平显著低于对照（p<0.05）。翻压绿肥显著提高土壤TP含量（p<0.05），其97 d的总平均值大小顺序为：T3（1.45 g/kg）>T2（1.43 g/kg）>T1（1.38 g/kg）>CK（1.30 g/kg）。且在整个试验期间对照处理TP水平一直低于翻压绿肥土壤，尤其是翻压的前6 d各处理TP含量显著增加（p<0.05）。但随处理时间延长，各处理和对照之间的TP含量差距越来越小，在53 d后无显著差异。

2.4 翻压绿肥土壤溶液养分变化

图3可见，绿肥翻压增加了土壤溶液中TN含量，3种处理土壤溶液的TN在翻压前期（0～38 d）、后期（74～97 d）均显著高于对照（p<0.05），38～53 d较接近对照，这与土壤TN含量变化相似。绿肥翻压对土壤溶液TP含量的影响呈现不同趋势。在翻压处理前期（0～23 d），3种绿肥翻压土壤溶液的TP含量显著低于对照（p<0.05），各处理后期的TP含量随时间延长有增加趋势，最后达到了对照水平（p>0.05）。在翻压74 d时，T1和T3处理的土壤溶液TP含量达到最高值，分别为0.67 mg/L和0.57 mg/L。对照土壤溶液的TP出现2次波动高峰，分别在实验13 d（0.76 mg/L）和74 d（0.65 mg/L）。

2.5 绿肥翻压对土壤酶活性影响

各处理土壤酸性磷酸酶（ACP）活性的初始平均值高达518.16 μg/（g·8 h），在0～13 d期间，4种处理的ACP活性整体呈下降趋势，其中，油菜和紫云英处理的ACP活性甚至低于对照，在第6天时差异显著（p<0.05）。但13 d以后，3种绿肥处理的ACP活性趋于稳定，并高于对照。整体上，在97 d的动态观测过程中，4种处理的ACP活性始终处于较高水平（图4），相互间无显著差异。

3种绿肥翻压处理前期（23 d）显著提高土壤转化酶（IN）活性，其中T2处理效果最显著，但在23～38 d期间，4种处理IN活性明显下降，各处理与对照水平非常接近。但38 d以后，一直到试验结束，有绿肥翻压的IN活性又有所回升，而对照的IN基本保持平稳。其97 d动态测定的总体平均值大小顺序为：T2[104.16 μg/（g·8 h）]>T3[95.73 μg/（g·8 h）]>T1[94.96 μg/（g·8 h）]>CK[81.61 μg/（g·8 h）]，除了油菜与紫云英之间差异不显著外，其他各处理相互之间的差异均达到显著水平（p<0.05，表3）。

4种处理下的土壤蛋白酶（PR）活性均呈“明显上升-缓慢下降-缓慢上升-缓慢下降”变化趋势，尤其是前13 d的变化一致，并在第13天均达到处理期的最高值[246.53～250.38 μg/（g·8 h）]。随时间继续延长PR活性开始下降，其中，对照的土壤PR值在处理第23天时下降到159.55 μg/（g·8 h），显著低于另外3种绿肥翻压处理（p<0.05）。虽然3种绿肥翻压后的土壤PR活性在13～74 d期间高于对照（第38天除外），但相互之间差异均不显著（p>0.05）。其各处理97 d的动态平均PR活性为178.17～189.77 μg/（g·8 h），整体差异不大。

各处理的土壤多酚氧化酶（PO）活性的97 d整体水平显著低于对照（p<0.05），尤其是0～38 d期间的差距更明显。97 d的PO总平均值大小顺序为：CK[127.17 μg/（g·8 h）]>T3[103.61 μg/（g·8 h）]>T1[98.29 μg/（g·8 h）]>T2[89.64 μg/（g·8 h）]。肥田萝卜的PO活性处理期间均保持最低水平（第6天除外），并与油菜和紫云英翻压土壤的PO活性之间差异显著（p<0.05）。其中，在38～53 d处理期，除油菜外，其他3种处理条件下的PO活性均出现回升现象。

2.6 绿肥翻压条件下的各因子之间相关性

所有供试指标97 d动态观测值之间的相关性分析结果见表4。可见，绿肥翻压处理后的土壤和溶液氮素动态变化与对照之间相关性不显著。

3 讨论

3.1 绿肥翻压对土壤养分影响

3种绿肥翻压处理均增加了土壤和土壤溶液中的N、P含量，其主要释放量集中在翻压后13 d内。这与大多数有关绿肥释放养分的研究结果一致[4，10]。紫云英释放氮的速率明显低于油菜和肥田萝卜。结合紫云英的固氮性能，从作物氮利用的长期有效性角度看，紫云英是比较好的选择。高菊生等[2]证明紫云英在改良土壤有机质等特性方面同样具备优势。但如果想要利用短期集中的N、P肥效，则肥田萝卜的前期氮磷释放速率最快，是更好的选择。相对于对照，3种绿肥处理的土壤TP水平均显著增加（p<0.05，图2），这与闫超[11]的研究结果一致，且翻压前期效果明显，说明绿肥翻压会促进土壤吸附或滞留更多的磷，只是随时间延长，这种作用会逐渐减低[12]。同时，经绿肥翻压处理的土壤溶液TP随时间波动的幅度要明显小于对照（图3），即绿肥翻压使土壤溶液中TP含量的时间波动变小，有利于作物养分平衡供应。

3.2 土壤酶活性对绿肥翻压的响应

酸性磷酸酶可加速有机磷的脱磷速度，在土壤磷素循环中有着重要作用，可以用来评价土壤磷元素的转化方向与强度[13]。本研究显示，包括对照在内的4种处理土壤的ACP活性在0～13 d期间整体呈持续下降趋势，酶激活明显受到抑制，这可能与供试稻田土壤的ACP活性本身就很高有关。本试验供试土壤TP含量较高（1.33 g/kg），肥力水平过高也会对土壤微生物群落及酶活性有抑制作用[14]。另外绿肥翻压2周以内对土壤性质的干扰比较大[15]，ACP活性更容易受土壤性质变化影响导致。

转化酶活性（IN）可以反映土壤熟化程度及土壤有机碳物质分解转化的速度[16-17]。本研究结果显示，3种绿肥翻压整体上均促进了土壤IN活性的激发，肥田萝卜效果显著（p<0.05）。孙颖等[18]研究证明大豆绿肥翻压对土壤IN酶有明显激活作用。

土壤蛋白酶（PR）直接参与土壤有机氮化物的转化[19]。翻压油菜、紫云英和肥田萝卜后，土壤的PR活性增加，Elfstrand等[20]对红三叶绿肥翻压的研究也证实了这点。但与对照差异不显著（p>0.05），说明油菜、紫云英和肥田萝卜翻压对土壤PR酶活性的改善并不明显。这与王健波等[21]对绿肥地、小麦地及蔬菜地之间的PR活性比较的结果一致。绿肥翻压下，PR活性出现2个波动高峰，其变化趋势与翻压光叶紫花苕子绿肥的土壤PR活性变化类似[22]，说明土壤PR活性的激发受处理时间长短影响较大。

土壤多酚氧化酶（PO）主要完成土壤芳香族化合物循环，它是合成腐殖质过程中一种重要的氧化酶[23]。在本研究结果中，经绿肥翻压处理的土壤PO活性在2～6 d下降趋势明显，并始终低于对照水平。这可能与绿肥翻压后释放养分较高有关，刘瑜等[24]研究也发现，多酚氧化酶与土壤全氮、有效磷含量之间呈显著负相关。但随时间延长绿肥翻压土壤PO活性与对照之间的差距越来越小，说明随着3种绿肥残体不断腐解，微生物活性升高，酶活性再度升高。潘学军等[22]研究得出，过氧化氢酶活性在绿肥处理后呈现急剧降低后又回升的变化。

整体上，针对本研究测试的各酶活性变化，PO和IN活性受绿肥翻压影响较大，这与Ye等[25]针对黑麦草及燕麦展开的绿肥研究结果类似，相对于对照，绿肥处理ACP活性增加2.34%～33.17%，而 IN酶活性增加了172.66%。3种绿肥材料中，肥田萝卜对4种酶活性的影响最大。

3.3 绿肥翻压条件下的各因子之间相关性

绿肥翻压处理后的土壤和溶液氮素动态变化与对照之间相关性不显著（p>0.05，表4），说明绿肥翻压干扰了土壤氮含量变化，但这种干扰与绿肥的腐解速率关系不大（p>0.05）。除了紫云英，其他3种处理方式下的土壤溶液TN均与土壤PO活性显著负相关（p<0.05），且对照土壤ACP活性与溶液TN之间也呈显著负相关（p<0.05），这可能是由于土壤环境中养分过高，反而抑制了某些酶活性的原因。Piotrowska等[13]的研究也有同样观点，在肥田萝卜翻压绿肥地，施氮量在40～80 kg/（hm2·year），ACP活性达到最高值，而施氮量在160 kg/（hm2·year）时，反而抑制了ACP活性的激发。油菜和肥田萝卜的腐解率与相应溶液TP之间呈现显著正相关（p<0.05），说明这两种绿肥向土壤溶液动态释放TP的贡献很大，但其与土壤酶活性之间的相关性不大，这可能是由于3种绿肥的腐解大部分都是在前13 d完成有关。

针对同一种土壤酶，几乎都在不同处理之间均呈现显著或极显著正相关（p<0.05或p<0.01），说明绿肥翻压虽然整体上改变了酶活性大小，但这4种与C，N，P循环相关的酶活性随时间的动态变化规律并未受影响。李正等[26]研究发现，土壤酸性磷酸酶、蔗糖酶等4种酶活性在黑麦草绿肥翻压90 d期间，其活性时间变化规律与对照土壤的各酶活性整体波动规律相同，与本研究结果一致。同一处理条件下的4种酶活性之间也体现了一定相关性，而经绿肥翻压后的各酶活性之间的相关程度有所增加，如肥田萝卜处理下的PO、ACP和IN相互之间显著或极显著相关（p<0.05 or p<0.01），紫云英处理下的ACP和IN极显著相关（p<0.01）。这说明土壤酶在促进物质转化中不仅显示其专性催化特性，同时也展现了共性关系，即3种绿肥翻压后的土壤总体酶活性很高（p<0.01）。这一结论与叶协锋等[27]的研究结果一致，其利用绿肥黑麦草翻压后，土壤ACP、IN等多种酶活性之间均显著相关。

4 结论

（1）在97 d的试验周期内，绿肥腐解速率表现为：肥田萝卜>紫云英>油菜，且翻压前期为腐解高峰。3种绿肥材料向土壤环境释放TN的速率为：肥田萝卜>油菜>紫云英；释放TP的速率为：肥田萝卜>紫云英>油菜

（2）翻压绿肥后，土壤TP含量显著高于对照（P<0.05），油菜翻压对土壤TP含量增加最为显著；绿肥对土壤TN含量影响较小。

（3）翻压绿肥后，致使土壤和溶液之间的N-P分配比例更均衡，且养分随时间波动幅度也更平稳。

（4）绿肥翻压对多酚氧化酶和转化酶活性的影响显著（p<0.05），而对土壤蛋白酶和酸性磷酸酶活性的影响不大，且4种酶同时体现了专性催化特征和共性关系。肥田萝卜改善土壤酶活性作用最明显。

（5）紫云英作为淹水土壤绿肥翻压养分释放持续时间较长且均匀，对土壤肥力影响较为持久，肥田萝卜和油菜前期养分释放快，释放集中。对于农作物可根据绿肥养分释放特点来制定施肥策略，达到节肥丰产的目的。

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