膨润土与肥料配施对土壤生化特性和微生物数量的影响

赵雪淞，杨晨曦*，冯良山，宋王芳，高 欣

（1．辽宁工程技术大学环境学院，辽宁 阜新 123000；2．辽宁省农业科学院，辽宁 沈阳 110161）

科尔沁沙地位于内蒙东南部与辽宁西部的交界处，地处农牧交错带，主要土壤类型是风沙土［1］。近年来由于不合理的农牧工矿活动等人为干扰加速了土地粗化和沙化，进而导致土壤肥力退化［2］。其附近区域如沈阳、阜新等城市频繁受到恶劣天气影响，给居民的出行生活造成巨大不便的同时也严重影响了生态环境。因此，改善风沙地土壤肥力，阻止土质恶化刻不容缓。以防风固沙、保护生态平衡为前提，综合土壤、气候、水资源等自然条件，科尔沁沙地比较适宜种植花生［3］。改良土质，改善土壤生产力，是提高花生经济效益的重要举措之一。

膨润土作为一种天然矿物，具有良好的保土保水等优质性能［4-5］，常作为土壤改良剂被广泛应用于农业生产中。膨润土与有机肥、秸秆、草炭等作为微生物活动的天然养分载体，是防风固沙、保土保水、改良土壤的优质自然资源［6-10］。上述肥料营养优势各有所长，蔡红海等［11］认为草炭可提高土壤养分和保水能力。有研究表明，施用膨润土可提高花生土壤肥力和作物产量，当施用量为3.6 kg/m2时达显著水平［12］。本研究基于以上研究成果，以赵雪淞等［12］探究的最优膨润土施用量3.6 kg/m2作为基准，通过检测膨润土与有机肥、秸秆、草炭等肥料配施对科尔沁沙地花生连作土壤的酶活性和微生物生物量等生化特性，以期优化肥料配施方式，改善风沙地土壤肥力和生产能力，为花生种植提供实践指导和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

辽宁省沙地治理与利用研究所章古台试验站位于科尔沁沙地南（N42°42′，E122°32′），属于半干旱区，大陆性气候，全年平均风速4.2 m/s，起风沙达240 次，年平均气温7.62℃，平均相对湿度60%，年降水量400 ～450 mm，7、8 月份相对集中，年蒸发量约1 600 ～1 800 mm，干燥度4.0，无霜期150 ～160 d，年日照时数2 564.2 h［13］。试验区选自章古台试验站5 区3 圃。供试土壤类型为风沙土，2018 年测定其肥力状况如表1。

表1 2018 年章古台试验区土壤肥力状况

1.2 试验材料

膨润土为以蒙脱石为主的非金属矿产；有机肥为腐熟猪粪；秸秆为玉米秸秆；草炭为沼泽发育过程中的混合有机物质。

1.3 试验设计

试验田花生品种为阜花17 号，试验设4 个处理:（1）膨润土3.6 kg/m2（CK）；（2）膨润土3.6 kg/m2+有机肥0.4 kg/m2（YJ）；（3）膨润土3.6 kg/m2+秸秆1.0 kg/m2（JG）；（4）膨润土3.6 kg/m2+草炭1.0 kg/m2（CT），各处理3 次重复。对不同肥料的处理方式为:秸秆粉碎，膨润土和有机肥、秸秆、草炭分别充分混合。其中，猪粪养分含量为:N 8.68 g/kg、P2O57.41 g/kg、K2O 3.45 g/kg、有机质含量521.1 g/kg、含水量70%；玉米秸秆养分含量为:N 0.49 g/kg、P2O50.38 g/kg、K2O 1.66 g/kg、有机质含量150 g/kg、含水量18.2%；草炭养分含量为N 4.67 g/kg、P2O51.56 g/kg、K2O 1.42 g/kg、有机质含量110 g/kg、含水量19.3%。有研究表明［14-15］，有机肥以35%～40%配施化肥可提高花生产量，相当于0.4 ～0.5 kg/m2，所以本试验设计施用有机肥0.4 kg/m2。4 月初按小区对应平铺施入混合好的肥料，之后旋耕，起垄，镇压。5 月中旬人工播种，播种时深开沟，先施入化肥（二铵0.03 kg/m2，硫酸钾0.02 kg/m2，同大田），培土3 cm，再播种，覆土。中耕管理同大田。

1.4 样品采集与测定方法

于播种前（2018 年4 月）施入各混合肥料，收获后（2018 年10 月）取样检测。按五点法取作物根际0 ～20 cm 耕层的土壤，采样时避免特殊地形及堆肥过多的地方。将土样装袋编号，带回实验室后剔除杂质，过2 mm 筛，一部分土样放在室内阴凉处自然干燥，参考鲁如坤［16］的方法测定土壤理化性质；其余土样保存在低温环境中，分别参考关松荫［17］、吴金水［18］的方法检测土壤酶活性及微生物生物量。土壤可培养微生物如细菌、放线菌和真菌分别采用牛肉膏蛋白胨培养基、高氏I号培养基及孟加拉红培养基进行培养，并采用涂布平板法进行菌落计数。花生收获风干后测荚果产量。

1.5 统计分析

数据采用Excel 2007 进行处理和分析，采用SPSS 20 进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 膨润土与肥料配施对土壤酶活性的影响

2.1.1 对土壤蔗糖酶活性的影响

土壤蔗糖酶可以把土壤中大分子蔗糖分解成能够被植物和土壤微生物吸收利用的小分子葡萄糖和果糖，为土壤生物体提供能源，其活性反映土壤有机碳累积与转化的规律［19］。由图1可知，蔗糖酶活性显示为JG 最高，其次为CT、YJ。其中JG、CT 处理中蔗糖酶活性较CK 分别增加了135.66%、41.96%。而YJ 几乎为对照处理的1/2。推测可能是膨润土的胶体吸附性、胶粘性等性质阻碍了土壤对有机肥营养元素的吸收利用，甚至有抑制作用，从而降低了土壤的蔗糖酶活性。

图1 膨润土与肥料配施对土壤蔗糖酶活性的影响

2.1.2 对土壤过氧化氢酶活性的影响

过氧化氢酶可促进生化氧化反应过程中形成的过氧化氢分解成氧分子和水，减少过氧化氢对细胞的毒害作用。由图2 可知，JG、YJ、CT 与CK 相比土壤过氧化氢酶活性分别增加了345.1%、307.6%、42.93%。有机肥、秸秆的添加使得过氧化氢酶活性有极显著地提升。

图2 膨润土与肥料配施对土壤过氧化氢酶活性的影响

2.1.3 对土壤脲酶活性的影响

脲酶是一种酰胺酶，可酶促有机物质中碳氮键的水解，可表征土壤的氮素转化状况［20］。根据图3可知，肥料配施与单施膨润土相比可显著提高土壤脲酶活性（P＜0.05）。脲酶活性强度为YJ＞JG＞CT，且较CK 分别提高38.20%、21.54%、14.79%。于脲酶而言，膨润土与肥料配施可协同提高其活性，尤以YJ 处理最佳。

图3 膨润土与肥料配施对土壤脲酶活性的影响

2.1.4 对土壤碱性磷酸酶活性的影响

碱性磷酸酶能够将磷转化为生物可吸收利用的活性磷，在含磷有机物的矿化过程中发挥重要作用。由图4 可知，土壤碱性磷酸酶活性强度为JG＞YJ＞CT，且均高于CK，分别增加了74.27%、57.77%、17.54%，说明各处理均有助于增强碱性磷酸酶活性。膨润土与秸秆混合后，土壤碱性磷酸酶活性提升最多。

图4 膨润土与肥料配施对土壤碱性磷酸酶活性的影响

2.1.5 对土壤蛋白酶活性的影响

蛋白酶能将蛋白质水解为氨基酸，因此土壤中蛋白酶的活性对于土壤中氮素营养物质的转化至关重要。由图5 可得，各处理除对土壤蛋白酶活性无显著影响外，与有机肥混施还会抑制蛋白酶活性。

图5 膨润土与肥料配施对土壤蛋白酶活性的影响

2.1.6 对土壤脂肪酶活性的影响

脂肪酶可将土壤中羧酸脂类的有机化合物脂肪水解成可溶性的物质，有助于作物吸收利用。由图6 可知，肥料配施后土壤脂肪酶活性均高于CK，膨润土与秸秆混合对提高土壤脂肪酶活性更具优势。

图6 膨润土与肥料配施对土壤脂肪酶活性的影响

2.2 膨润土与肥料配施对微生物量碳、氮、磷的影响

微生物生物量是土壤有机质中最活跃易变的部分，其中土壤微生物量碳、氮、磷（SMBC、SMBN、SMBP）与土壤中C、N、P 等养分循环密切相关［21］。由图7 可知，肥料配施对土壤中微生物量的影响各不相同。结果表明，与单施膨润土相比肥料配施均显著提高了SMBC 含量，说明配施肥料提高了碳素的供应率，更有利于土壤C 循环和养分吸收；JG 处理提高了SMBN 含量，其他处理无显著差异；3 种肥料配施处理对SMBP 无明显改善。

图7 膨润土与肥料配施对SMBC、SMBN、SMBP 的影响

2.3 膨润土与肥料配施对土壤微生物数量的影响

根据表2 可知，在0 ～20 cm 耕层中，土壤微生物以细菌含量居首，放线菌次之，真菌最少。JG处理下，放线菌和真菌数量与对照相比具有显著差异，分别提高了64%和348%；JG 和CT 处理均能显著提高土壤细菌数量，尤其是CT 增幅明显，提高了411%。

表2 膨润土与肥料配施对土壤可培养微生物数量的影响（×105cfu/g）

2.4 土壤生化特性及微生物数量的相关性分析

根据表3 相关性分析结果可知，微生物量碳与过氧化氢酶、碱性磷酸酶、脂肪酶呈极显著相关，微生物量氮、磷均与脂肪酶呈极显著相关关系。真菌、放线菌数量分别与碱性磷酸酶、过氧化氢酶与微生物量碳显著相关。结果表明，土壤可培养微生物与土壤酶活性、微生物量具有相关关系。膨润土与肥料配施改变了土壤微生物的物种丰度，丰富了土壤微生物的多样性。

2.5 膨润土与肥料配施对花生产量的影响

由图8 可知，膨润土与肥料配施后显著提高了花生产量，其顺序为JG＞YJ、CT＞CK，分别较CK处理提高了10.91%、5.59%、4.55%。数据表明，JG 处理下，产量增幅达显著水平。

表3 土壤微生物量和酶活性之间的线性相关关系

图8 膨润土与肥料配施对花生产量的影响

3 讨论

膨润土与肥料配施后，明显提高了连作花生土壤生化特性和微生物数量，这对保持土壤供给养分能力具有重要意义。本试验发现，综合比较各指标，表现最好的是JG 处理，其土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶、脂肪酶活性以及微生物量碳、磷含量均处于较高水平，较CK 提升显著。CT 次之，说明膨润土施用量3.6 kg/m2与玉米秸秆施用量为1.0 kg/m2混合时，土壤养分的有效性和土壤肥力较好，碳、氮、磷循环也达到较高水平。秸秆还田可培肥地力［22］。陈广银等［23］研究表明，秸秆属于多孔介质，其纤维物质的被消化速率取决于吸水能力，吸水性能是影响秸秆生物处理效率的重要因素，秸秆的木质素含量与吸水持水力成反比，玉米秸秆的木质素含量较低，尤其是茎部具有较好的吸水能力和持水能力［24］。秸秆表面蜡质层会阻碍玉米秸秆的吸水性能，所以秸秆粉碎处理才能更好发挥其保水保肥能力。由于膨润土自身含有一些常量或微量元素可供作物吸收利用，可改良土壤理化性质，同时其吸附性还可增大土壤孔隙度和透气性，并作为缓释肥料载体；其胶粘性可以作为抗结块颗粒肥料添加剂；其离子交换性可改善土壤酸碱度［25］。所以膨润土与秸秆混合后，二者强强联合、优势互补，提高了秸秆的利用效率，丰富了土壤有机质含量且增强固化营养元素的能力。即膨润土与秸秆混施促进了土壤养分的良性循环，可提高科尔沁沙地土壤生化特性。

土壤微生物量碳、氮、磷与过氧化氢酶、碱性磷酸酶、脂肪酶活性呈正相关关系。土壤碳氮磷含量与土壤酶活性关系密切［26-28］。本研究条件下，土壤MBC 和MBP 也存在显著相关关系。土壤微生物量碳、氮、磷含量高时，土壤酶活性也随之增强，说明膨润土与肥料配施有利于提升土壤微生物生物量和酶活性，改善风沙土地贫瘠面貌，提高土地利用率；可培养微生物数量与蔗糖酶、碱性磷酸酶、微生物量碳具有相关性，膨润土与肥料配施显著提高了土壤细菌、真菌、放线菌数量，这与许小伟等［14］研究结果一致。土壤微生物的生长繁殖和旺盛的生理代谢活动，亦可协同改善土壤物理结构和肥力状况。

由于本研究讨论一季施用膨润土配施有机肥、秸秆或草炭对土壤的影响，虽有机肥所含养料种类丰富，但并不均衡。有机肥在土壤中分解速率慢，肥效较迟缓，在有机肥施用量不是很大的情况下，很难满足农作物对营养元素的需要［29-30］。草炭多用于软化和改善贫瘠土壤，也是一种缓释肥料。这可能解释了YJ、CT 处理为何不及JG 处理。此外，各混合肥料需要适宜的配施比例，以便协同利用有机养分和无机养分。具体配施比例还需要后续进一步研究。

4 结论

膨润土与肥料配施不仅能提高连作花生土壤酶活性和微生物量、培肥土壤，还能增强可培养微生物群落多样性，强化物种丰度，提高花生产量。当膨润土3.6 kg/m2与秸秆1.0 kg/m2混施后，对蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶和脂肪酶活性，微生物量碳、氮及土壤细菌、真菌和放线菌数量均有显著性提升。肥料配施通过提高土壤酶活性进而加速土壤生化过程，协调土壤酶与作物生育，可改善科尔沁沙地肥力状况。