膨润土对花生连作根际土壤肥力和作物产量的影响

赵雪淞，宋王芳，杨晨曦，张 宇，王海新*

（1.辽宁工程技术大学，辽宁 阜新 123000；2.辽宁省风沙地改良利用研究所，辽宁 阜新 123000）

花生作为我国重要的油料和经济作物之一，在国民经济和社会发展中占有重要地位［1］。辽宁省55%的花生种植面积位于辽西风沙半干旱区［2］，是辽西风沙地主要的抗旱农作物之一［3］。沙质土壤结构性差，蓄水保肥能力弱，养分含量少，不利于农作物生长发育［4］。另外，随着生产规模化及专业化的发展，花生连作现象日益普遍，加上化肥的长期使用，其结果导致土壤结构破坏、酸化板结、肥力衰退、农作物生长发育不良，病害加重且品质下降［5］。改良土壤质量，提高土壤肥力，是提高花生产量及经济效益的重要措施之一［6］。

膨润土是一种具有较强吸附性、黏着性、阳离子交换性能的黏土矿物［7-8］，且含有作物生长所需的常量和微量元素［9］，不仅能改善土壤物理性状，提高土壤保水抗旱能力，而且能增强土壤保土、保肥能力［10-12］，从而改善土壤生态环境，增加作物产量，尤其在砂质或砂壤土上效果较为明显［13］。土壤微生物量高低反映了土壤同化和矿化能力的强弱，是土壤生态系统肥力的重要生物学指标［14］。土壤酶主要来源于土壤微生物和根系分泌物，通过催化土壤中的生化反应发挥重要作用，也是土壤肥力和生物活性的重要指标［15-17］。本试验通过分析不同膨润土施用量对土壤微生物生物量及土壤酶活性的影响，筛选适合该地区花生连作土壤的最佳膨润土施用量，以期为花生种植提供实践指导，并为花生连作障碍的消减提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年4月20日至10月20日在辽宁省彰武县章古台试验站（122.65°E，42.38°N）进行，该区地处东北科尔沁沙地的边缘，属典型的半湿润大陆性季风气候，春冬两季多大风，降水量少且分布不均，年平均气温7.2℃，年均降水量510.3 mm［18］。供试土壤为风沙土，其基本性质见表1。

1.2 供试材料

膨润土是以蒙脱石为主的黏土矿物，其成分分析值为：SiO250.5%、AL2O316.88%、MgO 4.5.0%、CaO 2.5%、Na2O 0.34%、Fe2O31.39%、K2O 0.25%、TiO20.15%、LOI 9.44%。

1.3 试验设计

试验区面积为3 m×6 m=18 m2，花生连作，一年一熟。供试作物品种为阜花17号，裸地种植。试验共设5个处理：（1）不施膨润土对照（CK）；（2）施膨润土1.2 kg/m2（D1）；（3）施膨润土2.4 kg/m2（D2）；（4）施膨润土 3.6 kg/m2（D3）；（5）施膨润土4.8 kg/m2（D4）。每个处理3次重复。膨润土于4月上旬撒施，之后旋耕。5月中上旬播种，播种时深开沟，施入化肥（二铵0.03 kg/m2，硫酸钾0.02 kg/m2），覆土3 cm再播种，中耕管理同大田。

表1 供试土壤的基本性质

1.4 样品采集与测定方法

1.4.1 样品采集

2017年9月，农作物收获后取样。取样时按S形路线横过试验田，在农作物根际0～20 cm深度的耕层土壤处取样，每块试验田取10～20个样点混合成一个土壤样品，以相似的路线在其它试验田中再取样。样品带回实验室后拣出植物残体、砾石等，过2 mm筛，然后装袋编号，将一部分土样放在室内阴凉处自然干燥，用于土壤理化性质的测定；另一部分立即测定土壤微生物量及酶活性。

1.4.2 土壤含水量的测定

用土钻取0～20 cm耕层土样，置于铝盒中，采用烘干法测定土壤含水量。

1.4.3 土壤微生物量的测定

土壤微生物量碳测定采用氯仿熏蒸-硫酸钾提取法［19］；微生物量磷测定采用氯仿熏蒸-碳酸氢钠提取法［19］；微生物量氮测定采用氯仿熏蒸-茚三酮比色法［19］。

1.4.4 土壤酶活性的测定

土壤蔗糖酶用3，5-二硝基水杨酸比色法测定［20］；土壤过氧化氢酶用高锰酸钾滴定法测定［20］；土壤磷酸酶用磷酸苯二钠比色法测定［20］；土壤脲酶用次氯酸钠-苯酚钠比色法测定［20］；土壤蛋白酶用茚三酮比色法测定［20］；土壤脂肪酶用氢氧化钾滴定法测定［20］。

1.4.5 作物产量的测定

花生成熟后，每个小区选择2 m×2 m=4 m2（约15株花生），把花生全部摘下，风干后测产，然后按照同等比例换算成整个小区产量。

1.5 统计分析

数据采用Excel 2007软件进行处理和绘图，采用SPSS 21软件进行统计分析，处理间的差异显著性采用单因素方差分析检验，并用Duncan法进行两两之间的多重比较，各变量之间采用Pearson相关系数法进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 不同膨润土施用量对土壤含水量的影响

由图1可知，不同膨润土施用量处理下花生土壤含水量存在明显差异，各处理（D1、D2、D3、D4）与对照（CK）相比，含水量分别增加了24.42%、47.58%、60.61%、55.17%，总体表现为随着膨润土施用量的增加，土壤含水量呈先增加后降低的趋势，在D3处理下达到峰值。该结果表明，施用膨润土能提高风沙地花生连作土壤耕层土含水量。

图1 不同膨润土施用量对土壤含水量的影响

2.2 不同膨润土施用量对土壤微生物量碳、氮、磷含量的影响

由图2（A、B、C）可知，不同膨润土施用量处理对土壤微生物量碳、氮、磷含量产生显著影响。与对照（CK）相比，施用膨润土显著增加了土壤微生物量碳、氮、磷含量，并于D3处理（3.6 kg/m2）下微生物量碳、氮、磷含量最高。当施用量进一步增加，土壤微生物生物量呈现下降趋势。该结果说明，在土壤中添加膨润土作为基质有利于提高土壤微生物量碳、氮、磷含量，改善土壤质量。

图2 不同膨润土施用量对土壤微生物量碳、氮、磷含量的影响

2.3 不同膨润土施用量对土壤酶活性的影响

2.3.1 不同膨润土施用量对土壤蔗糖酶活性的影响

蔗糖酶又叫转化酶，参与土壤中碳水化合物的转化，其酶促产物—葡萄糖是植物的重要营养源。由图3可知，施用膨润土处理能显著提高土壤蔗糖酶活性，其中D2处理下蔗糖酶活性最高，较CK增加了98.61%。该结果表明，适量施用膨润土会提高土壤蔗糖酶活性，对提高土壤肥力和促进土壤物质循环均有重要意义。

图3 不同膨润土施用量对土壤蔗糖酶活性的影响

2.3.2 不同膨润土施用量对土壤过氧化氢酶活性的影响

土壤中的细菌、真菌和植物根系通过分泌物能把过氧化氢分解为可供植物吸收的水和氧气。由图4可知，4种施用膨润土处理的土壤过氧化氢酶活性均高于CK，其中D3处理下过氧化氢酶活性最高，较CK增加了48.31%。D1、D2处理无显著差异。

2.3.3 不同膨润土施用量对土壤磷酸酶活性的影响

磷酸酶可参与到土壤有机磷的转化过程中，能酶促分解各种有机磷化合物，为植物生长提供磷元素。由图5可知，施膨润土处理的土壤磷酸酶活性显著高于CK。土壤磷酸酶活性随膨润土施用量的增加呈现先增加后下降趋势，D3处理酶活性最高，达到44.64 mg/g。D1、D2、D4处理无显著差异。

图4 不同膨润土施用量对土壤过氧化氢酶活性的影响

图5 不同膨润土施用量对土壤磷酸酶活性的影响

2.3.4 不同膨润土施用量对土壤脲酶活性的影响

土壤脲酶是土壤中重要的水解酶，酶促产物—氨是植物生长所需氮源之一。由图6可知，各施膨润土处理脲酶活性较CK分别提高77.88%、116.54%、204.46%、18.77%，D3处理显著高于其他处理，说明适量施用膨润土能提高土壤脲酶活性。

图6 不同膨润土施用量对土壤脲酶活性的影响

2.3.5 不同膨润土施用量对土壤蛋白酶活性的影响

蛋白酶参与土壤中有机化合物的转化，其水解产物是高等植物生长所需的氮源之一。由图7可知，随着膨润土施用量的增加，土壤蛋白酶活性呈现先增加后降低的趋势。其中，D3处理土壤蛋白酶活性最高，比对照高出85%。

图7 不同膨润土施用量对土壤蛋白酶活性的影响

2.3.6 不同膨润土施用量对土壤脂肪酶活性的影响

在脂肪酶作用下，脂肪水解成可溶性的物质，该酶在土壤微生物动力学中具有重要作用。从图8可知，施膨润土的各处理土壤脂肪酶活性为D3＞D4＞D2＞D1。与CK相比，D3处理土壤脂肪酶活性增加显著。

2.4 不同膨润土施用量对花生产量的影响

由图9可知，各施用膨润土处理花生产量均显著高于 CK，产量高低顺序为 D3＞D2＞D1＞D4＞CK。其中，D3处理产量最高，比CK处理增产21.34%。方差分析表明，D1、D2、D4处理间产量差异不显著，而与D3和CK差异显著（P＜0.05）。该结果表明，施用膨润土处理能够提高花生产量，其中3.6 kg/m2膨润土处理效果最好。

图8 不同膨润土施用量对土壤脂肪酶活性的影响

图9 不同膨润土施用量对花生产量的影响

2.5 土壤微生物量、酶活性和产量的相关性分析

土壤微生物量与土壤酶活性的相关性分析表明（表2），土壤微生物量碳含量与土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、磷酸酶、脲酶、蛋白酶、脂肪酶活性均呈显著或极显著正相关关系。土壤微生物量氮和磷含量与土壤脲酶、磷酸酶、蛋白酶、脂肪酶活性呈显著或极显著正相关关系，与土壤蔗糖酶和过氧化氢酶活性的相关性不显著。该结果表明，土壤酶活性与土壤微生物量碳、氮、磷含量密切相关，可以作为评价土壤肥力水平的指标。花生产量与土壤微生物量碳、氮、磷均呈极显著正相关关系，与除过氧化氢酶以外的其它土壤酶活性均呈显著或极显著正相关关系。由此可见，土壤微生物量碳、氮、磷含量和土壤酶活性极大地影响了花生产量。

表2 土壤微生物量与酶活性之间的线性相关关系

3 讨论

膨润土是一种亲水性的层状硅酸盐黏土矿物，对人和植物无毒、无刺激、无腐蚀作用［21］。孙梦媛等［9］的研究表明，施用膨润土可改善土壤的理化性质，减少土壤肥力流失率。膨润土对提高土壤结构稳定性和抗蚀性，对维持土壤质量具有重要作用，尤其在贫瘠沙质土壤上，施用膨润土后的效果更加突出。本试验发现，与对照相比，施用膨润土处理后花生产量显著增加，产量高低排序为 D3＞D2＞D1＞D4＞CK，花生最高增产 21.34%。崔学奇等［22］的研究证明，膨润土有强烈的吸收膨胀性，能吸附自身体积8～15倍的水量，在干旱地区，施用膨润土对改善土壤生态环境的效果较为明显。本研究结果表明，施膨润土处理组土壤含水量和微生物量碳、氮、磷含量均高于对照，呈先上升后下降的趋势，这与崔立莉［23］的研究结果基本一致，说明施用膨润土对提高风沙地土壤含水量和微生物量碳、氮、磷含量有明显效果。其中，在D3处理下，土壤含水量和微生物量碳、氮、磷含量均达到最大值，说明以施用3.6 kg/m2膨润土处理对该地区土壤的改良效果最好，可获得最优土壤微生物环境。

土壤酶在土壤养分循环和物质转化过程中起着重要的作用，影响土壤肥力的形成［24］。本研究结果表明，不同膨润土施用量处理下，土壤中蔗糖酶、脲酶、蛋白酶、磷酸酶、脂肪酶、过氧化氢酶活性均有不同程度的提高，施用2.4～3.6 kg/m2膨润土处理下该地区土壤酶活性提高最显著。施用膨润土可以提高土壤酶活性，这与贾峥嵘等［25］、赵丹［26］研究结果一致。

土壤酶活性对耕作方式、施肥方式、土地利用方式和土壤环境等因素的反映比较敏感，在不同的农田管理措施下，不同指标的反映程度不同［27］。本研究表明，施膨润土处理条件下土壤微生物量碳含量与土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、磷酸酶、脲酶、蛋白酶、脂肪酶活性呈显著正相关关系，土壤微生物量氮和磷含量与土壤脲酶、磷酸酶、蛋白酶、脂肪酶活性呈显著或极显著正相关关系。这与杨佳佳等［28］的研究结果基本一致。由此可见，施用膨润土处理条件下土壤微生物量和土壤酶活性之间存在密切联系，可以作为土壤微生物学指标评价土壤肥力状况。花生产量与土壤微生物量碳、氮、磷均呈极显著正相关关系，与土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶、蛋白酶、脂肪酶活性均呈显著或极显著正相关关系，与土壤过氧化氢酶相关性不显著。该结果表明，施用膨润土对提高土壤肥力和花生产量有明显的促进作用。

4 结论

在1.2、2.4、3.6、4.8 kg/m2膨润土施用量处理下花生产量、土壤含水量和土壤微生物量碳、氮、磷含量均高于CK，且呈现出相同的先增加后下降的趋势，于D3（3.6 kg/m2）处理条件下花生产量、土壤含水量和土壤微生物量碳、氮、磷含量增加最显著。施用膨润土使土壤酶活性显著提高，其中D2（2.4 kg/m2）和D3（3.6 kg/m2）处理条件下土壤蔗糖酶、磷酸酶、蛋白酶、脲酶、脂肪酶、过氧化氢酶的活性增加较为显著。综上，合理施用膨润土能够显著提高辽西风沙地土壤含水量和微生物量碳、氮、磷的含量，增强土壤酶活性，改善土壤质量，提升土壤肥力，提高作物产量，缓解风沙地半干旱区花生连作障碍。