有机滴灌肥对酿酒葡萄园土壤微生物量碳、氮及酶活性的影响

王振龙，包 蕾，葛新伟，王 锐，孙 权

（宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021）

宁夏贺兰山东麓葡萄酒产区属于中温带干旱气候区，具有典型的大陆性气候特点，干旱少雨，日照充足，昼夜温差大，有利于酿酒葡萄糖分的积累，被国内外公认为是最适宜种植酿酒葡萄的“黄金地带”之一，也是全国三大葡萄酒地理标志保护产区之一［1］。然而，该地区也存在着一些制约葡萄生长的因素，突出表现在土壤富含砾石，有机质含量低，漏肥漏水严重，氮磷钾等大量元素供应能力差，是限制该地区葡萄产业发展的主要原因。

土壤微生物是土壤中物质转化和养分循环的驱动者，微生物量碳、氮被认为是土壤活性养分的储存库，植物生长可利用养分的重要来源［2-3］。土壤酶主要来源于土壤微生物，在很大程度上可以反映土壤微生物的活性［4］，其活性代表了土壤中物质代谢的旺盛程度，在一定程度上可反映作物对养分吸收利用与生长发育状况，是土壤肥力的重要指标［5-6］。研究表明，施用有机肥料可以显著提高土壤微生物碳、氮含量及土壤酶活性［7-8］。李娟等［9］研究表明，生物有机肥的混施能够调控土壤酶活性，及土壤微生物碳、氮转化，进而提高土壤肥力。张静等［10］研究表明，腐熟有机肥与微生物结合施用以后，土壤脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性均高于对照处理，表明生物有机肥可以在一定程度上提高土壤酶活性，改善土壤质量。由此看来，土壤微生物碳、氮与土壤酶活性受施肥影响较大。本试验选择在宁夏回族自治区永宁县闽宁镇地区典型灰钙土，以酿酒葡萄（赤霞珠）为主要农作物的种植基地，通过田间试验和实地调研，对土壤理化性质，土壤微生物量碳、氮及酶活性等指标进行检测和比较，为改善土壤肥力质量提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况与试供肥料

试验地位于宁夏银川永宁县闽宁镇立兰酒庄（N 38°12′19″，E 106°02′39″），试验区属于温带大陆性半干旱气候，年均日照数在2 800 h以上，昼夜温差10～15℃，年均气温8.8℃，有利于酿酒葡萄糖分积累；年均降水量220 mm，适合生育期在150 d以下的酿酒葡萄品种。该试验以灰钙土为主，其基本化学性质见表1。

表1 土壤基本化学性质

本试验基施生物有机肥和追施的氨基酸水溶肥由宁夏某公司提供，追施的海藻肥是青岛某公司提供，追施的沼液肥是由宁夏某公司提供。

1.2 试验设计

试验于2017年3～11月进行，采用单因素随机区组设计，在生育期初期所有处理全部基施4.5 t/hm2羊粪腐熟发酵的生物有机肥，在整个生育期之内通过滴灌的方式追施不同种类液体生物有机肥。共设置5个处理：CK，不追施；T1，追施羊粪生物有机肥发酵提取液4.5 t/hm2（含氮量2.5%）；T2，追施氨基酸水溶肥（含氮量13%）0.84 t/hm2；T3，追施海藻生物有机肥（含氮量12.5%）0.9 t/hm2；T4，追施沼液复合微生物肥（含氮量4%）2.8 t/hm2。根据生育期需肥特征分6次追施，各处理重复3次。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤化学性质

pH（水土比为5∶1）采用pH计测定；全盐采用DDS-11电导率仪测定；有机质采用重铬酸钾容量法外加热-硫酸亚铁滴定法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾采用1 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法测定；全氮采用硫酸消煮-凯式定氮法测定；全磷采用HClO4-H2SO4消煮，钼锑抗比色法测定［11］。

1.3.2 土壤酶活性的测定

土壤酶活性的测定根据关松荫［12］的方法，土壤蔗糖酶活性、脲酶活性、碱性磷酸酶活性、过氧化氢酶活性分别采用3，5-二硝基水杨酸比色法、靛酚蓝比色法、磷酸苯二钠比色法、高锰酸钾滴定法测定。

1.3.3 土壤微生物量碳、氮的测定

土壤微生物碳、氮的测定采用氯仿熏蒸浸提法［13］。其含量计算用熏蒸和未熏蒸样品碳氮含量之差除以回收系数（KC=0.38，KN=0.54）。

1.4 统计分析

试验数据以Excel 2010软件整理，采用SPSS 21.0软件进行统计分析，用LSD法进行显著性检验，显著性水平P＜0.05（n=5），结合权重，隶属函数法进行相关值的评价。

2 结果与分析

2.1 不同处理对酿酒葡萄园土壤肥力指标的影响

2.1.1 不同处理对酿酒葡萄园土壤养分的影响

由表2可知，施用不同有机滴灌肥可提高土壤中各养分含量，从总体来看，各个土层土壤碱解氮、有效磷、速效钾、全氮、有机质含量呈现上层＞中层＞下层的趋势，但因处理不同而存在差异。在0～20 cm土层中，T3处理的碱解氮、有效磷和有机质含量为各处理中的最高值，并与CK存在显著性差异，分别比CK提高了40.45%、58.19%、21.93%； 在20～ 40 cm土 层 中，T3处理的碱解氮和有机质含量较CK呈显著性差异，且达最高值，T2处理的速效钾含量与CK存在显著性差异，提高了53.84%（P＜0.05），而全氮含量差异不显著；在40～60 cm土层中，T3处理的速效钾和有机质含量达到最高，含量较CK分别增加了29.73%、50.11%（P＜0.05），T4处理的碱解氮和全氮含量达最高值，且全氮含量与CK存在显著性差异。综上所述，表层土壤养分高于深层土壤养分，且在不同处理中T3处理效果最好，其次是T4处理。

2.1.2 不同处理对酿酒葡萄园土壤微生物量碳、氮的影响

由表3可看出，不同有机滴灌肥的施用可有效提高微生物量碳、氮的含量，与不追施处理（CK）相比，各处理的微生物量碳、氮含量均有不同程度的提高，且存在显著性差异。在T3处理的微生物量碳的含量在各个土层中均达到了最大值，且与CK存在显著性差异，在20～40 cm和40～60 cm土层中，T1、T2、T4处理的微生物碳含量相比CK处理都有上升，但差异不显著；T3处理下的微生物量氮含量在0～20 cm土层中达到了最大值，与CK处理相比存在显著性差异，提高了78.67%，在20～40 cm土层中，T3、T4处理的微生物氮含量与CK都存在显著性差异，分别比CK处理高出35.35%、48.20%，在40～60 cm土层中，T1～T4处理的微生物量氮与CK相比均表现出了显著性差异，且各施肥处理之间不存在显著性差异。

表2 不同处理对酿酒葡萄园土壤养分的影响

表3 不同处理对酿酒葡萄园土壤微生物量碳、氮的影响 （mg/kg）

2.1.3 不同处理对酿酒葡萄园土壤酶活性的影响

如图1（a）所示，追施有机滴灌肥可增加各土层蔗糖酶活性，其中，在土层0～20 cm中，T3和T4处理均能有效增加土壤蔗糖酶活性，且二者之间无显著差异，相比CK分别增加了65%和54%，20～40 cm以及40～60 cm土层酶活性随着施入有机肥的不同，各处理间差异较为显著，其中T3处理显著高于其它处理，同期施肥的处理T2与T4在20～40 cm土层中也有助于蔗糖酶活性的提高，但与T3处理相比蔗糖酶活性还是有所下降。

如图1（b）所示，追施有机滴灌肥对土壤脲酶活性都有不同程度的提高，总体而言，表层土中的脲酶活性高于次表层土和深层土中的含量，说明表层土壤中的速效氮含量高于深层土壤，其中在0～20 cm土层中，T4处理下的脲酶活性达到了最高，其次是T2，在20～40 cm土层中T1处理的脲酶活性达到了最高，与其他处理无显著性差异，在40～60 cm土层中，T1处理的脲酶活性达到了最高值，且与CK有显著性差异，其次是T3，T2、T4与CK无显著差异。

如图1（c）所示，在0～20 cm土层中，追施有机滴灌肥处理都增大了土壤碱性磷酸酶的活性，且都存在差异显著性，其中T1处理的碱性磷酸酶活性达到了最高，T1与其他处理无显著差异，在20～40 cm土层中，T1处理下的碱性磷酸酶活性达到了最高，其次是T2，T3、T4无显著差异，在40～60 cm土层中，T4处理下的碱性磷酸酶活性达到了最高，其次是T2，且与CK存在显著性差异。

如图1（d）所示，追施有机滴灌肥处理下的土壤过氧化氢酶活性均高于CK，且存在差异显著性，其中在0～20 cm土层，T4处理下的过氧化氢酶活性达到了最高，其次是T2和T3，二者之间无显著性差异，在20～40 cm土层中，T2处理的土壤过氧化氢酶活性最高，在40～60 cm土层中，T2和T4处理下过氧化氢酶活性在同一水平，T1和T3在同一水平。

图1 不同生物有机肥对酿酒葡萄园土壤酶活性的影响

2.2 土壤化学性质与土壤微生物量碳、氮和酶活性的相关关系

由表4可见，土壤全氮与微生物量氮、过氧化氢酶存在显著的正相关关系，除微生物量碳外，与其余指标呈现正相关关系，但未达到显著水平；土壤碱解氮与有机质、脲酶活性呈现极显著的正相关关系，相关系数分别为0.934和0.854；土壤有机质与微生物量碳表现为极显著的相关关系，相关系数为0.880，与有效磷和蔗糖酶活性表现为显著的相关关系；有效磷与速效钾、微生物量氮呈显著正相关关系；速效钾与过氧化氢酶呈极显著的正相关关系，相关系数为0.966，与蔗糖酶呈显著正相关关系；土壤蔗糖酶活性与微生物量碳、氮呈极显著和显著正相关关系，相关系数分别为0.859、0.654；碱性磷酸酶活性与蔗糖酶活性表现为极显著的正相关关系，相关系数为0.947，与其他酶活性相关性均不显著。

表4 土壤化学性质、微生物量碳氮以及酶活性之间的线性相关系数

2.3 生物有机肥的不同处理的土壤肥力质量评价

2.3.1 影响土壤肥力指标的主成分分析

影响土壤肥力的因素很多，且诸因素间存在一定的交互关系，致使反映土壤肥力状况的许多指标信息发生交织和重叠［14］。主成分分析是将多个指标转化为少数几个相互无关的综合指标的一种统计分析方法。应用主成分分析法可在复杂的土壤肥力指标体系中筛选出若干个彼此不相关的综合性指标，且能够反映出原来全部指标所提供大部分信息［15］。本试验选取了土壤肥力的化学和生物学指标共11项数据进行主成分分析，组成5×11的原始矩阵，分析之后最终产生3个主成分，由表5可知，所产生的特征值分别为6.811、1.942、1.655，通过考虑贡献量化所产生的贡献率，第一主成分对总方差的贡献率为61.917%，第二主成分对总方差的贡献率为17.654%，第三主成分对总方差的贡献率为15.043%。3个主成分的方差累积贡献率能够反映土壤肥力各指标方差94.614%的信息，说明3个主成分可以衡量这11个指标的所有信息。

表5 影响土壤肥力质量各指标的主成分分析

通过表5可看出，由特征值产生的特征向量说明了主成分与原始变量之间的关系，关系与特征向量的绝对值成正比，在第1主成分上，土壤碱解氮、有机质、有效磷、速效钾、微生物量氮、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶等指标有较大的向量值，这些指标都是土壤养分的贮存库，也是养分转化和循环的基础，更是综合肥力的重要指标；在第2主成分上，土壤全氮和微生物量碳有较大的向量值，二者之间关系密切；在第3主成分上，土壤脲酶活性有较大的正向量值。

2.3.2 基于主成分和聚类分析评价不同生物有机肥处理的土壤肥力等级

鉴于本试验中11个土壤指标具有不同的量纲，同时它们的数量级差别也很大，因此需要对原始数据进行标准化处理，以排除不同量纲和数量级对评价结果的影响，确保主成分分析结果的客观性和科学性。标准化后的指标计作ZTN、ZAN、ZOM、ZAP、ZAK、ZMBC、ZMBN、ZAKP、ZCAT、ZINV、ZURE。

主成分是11个标准化指标的线性组合，权重系数分别为各指标相对应的特征向量（表5），因此，可得各主成分的函数表达式：

F2、F3同样可以由表5的标准化标量表示。

由表6可得，通过隶属函数u（Xj-Xmin）/（Xmax-Xmin），（j=1，2……n）求得 u1、u2、u3，进一步通过权重以及综合评价价值D值［u（Xj）×Wj］，计算可得T4处理下得分最高，为0.737，其次为T2，得分为0.692，顺序依次是T4＞T2＞T3＞T1＞CK，说明常规施肥 + 沼液肥处理土壤肥力最好。通过图2以欧式距离作为衡量不同处理肥力差异大小的标准，采用最短距离法对各施肥处理进行系统聚类，可以把土壤肥力质量分为3等，CK和T1两个处理聚为一类，土壤肥力质量为三等，T3单独聚为一类，土壤肥力质量为二等，T2和T4两个处理聚为一类，土壤肥力质量为一等，最好。

表6 生物有机肥对土壤肥力指标综合评价

图2 各处理土壤肥力聚类分析

3 讨论

土壤质量是众多土壤物理、化学和生物学性质以及形成这些性质的一些重要过程的综合表现［16］，能够综合反映土壤特性，是揭示土壤条件动态变化的最敏感指标［17］。大量试验表明，有机肥可以改善土壤结构性能，提高土壤养分供应能力，减缓土壤酸化，提高土壤微生物数量，对改土培肥、提高土壤质量具有积极的作用［18-19］。本研究测定了不同施肥处理土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾等化学指标的差异，结果表明，追施有机滴灌肥的效果要好于常规处理，其中，在常规施肥基础上追施沼液肥效果最为明显，这与许晓瑞等［20］的研究结果基本一致。土壤微生物量碳虽然在土壤全碳中占有很小的比例，但它是土壤有机质中最为活跃的部分［21］，调节土壤养分的矿化和固定过程，可反映土壤养分的有效状况和土壤生物活性。土壤微生物量氮是土壤氮素的一个重要的储备库，是土壤微生物对氮素矿化与固持作用的综合反映，在土壤氮素循环与转化的过程中起着非常重要的调节作用。土壤微生物量氮转化迅速，可以在检测到土壤总氮变化之前表现出巨大的差异，是比较敏感的生物学指标，能够及时、准确地反映土壤性状［22］。本试验研究结果表明，土壤微生物量碳、氮含量的范围与Mandal等［23］观测的结果相近，追施有机肥均不同程度地提高了土壤微生物量碳、氮，这可能是由于施肥直接增加根系生物量及根系分泌物，促进微生物生长，同时有机肥的追施不但增加了土壤养分，同时也为微生物提供充足的碳源，这与马晓霞等［24］的研究结果一致。土壤酶是植物、土壤中的动物、微生物活动的产物，也是土壤生物学的重要指标之一［15］。本研究通过简单相关分析发现，4种土壤酶之间以及土壤酶与土壤肥力因子之间存在有极显著或显著的相关关系。

土壤肥力是土壤各方面性质的综合表现，国内外已在土壤质量评价体系和评价方法方面展开了大量的研究工作，但是目前尚未有统一的土壤质量评价标准，也没有固定的方法。近年来，随着统计学在相关领域的应用，主成分分析和聚类分析法在土壤质量评价中得到大量的应用［25-28］，此方法能够减少计算量，降低主观随意性，增强土壤质量评价的可靠性。本研究利用主成分分析方法，将原始表征土壤化学和生物学性质的11个指标降维、提取3个主成分，累积贡献率达94.614%，土壤碱解氮、有机质、有效磷、速效钾、微生物量氮、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶在第一主成分上有较高的载荷值，全氮、微生物量碳在第二主成分上有较高的载荷值，土壤脲酶在第三主成分上有较高的载荷值，3个主成分涵盖了5个土壤化学指标，6个生物学指标，原变量信息无丢失，说明利用主成分分析衡量不同施肥处理的土壤肥力质量是可靠的。

4 结论

不同生物有机肥处理在等氮量条件下，通过对11个土壤化学和生物学指标进行主成分得分评价和聚类比较，以不同施肥处理下的主成分得分评价标准进行排序，顺序依次是 T4＞T2＞T3＞T1＞CK，把主成分综合得分进行聚类分析，将5个不同施肥处理下的土壤质量分为3个等级，即追施氨基酸水溶肥、沼液肥为高质量等级，追施海藻肥为中等质量等级，追施生物有机肥提取液与不追施处理为低质量等级，聚类分析结果表明，追施有机滴灌肥相对于不追施处理可明显提高土壤肥力质量，追施不同种类有机滴灌肥处理下的土壤肥力质量要高于追施单一有机滴灌肥处理。