长期施用沼液对土壤养分含量和酶活性的影响

武继承，潘晓莹，杨永辉，高翠民，王 越

（1.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002；2.农业农村部作物高效用水原阳科学观测实验站，河南 原阳 453514；3.河南省黄河流域节水农业野外科学观测研究站，河南 原阳 453514）

沼液是畜禽粪便、作物秸秆等各种有机物经厌氧发酵产生的液体残余物，富含氮、磷、钾、钙、镁、硫等元素及腐植酸、氨基酸、有机质等[1-2]。施用沼液不仅能够改良土壤、提高土壤养分含量和酶活性[3-8]，还能促进作物生长发育[9-16]，提高作物产量、品质及氮肥利用效率[17-28]。另外，施用沼液可促进土壤碳氮矿化、减少温室气体排放[29]。因此，沼液被认为是良好的有机肥料，是农作物化学肥料最好的替代产品[30]。但长期大量灌施沼液，极易造成土壤氮、磷积累，形成点面土壤污染和水体富营养化等问题。因此，应该科学合理地灌施沼液，以减缓农田肥力的过度富营养化[31]，提高土壤微生物活性[32-34]，从而实现土壤资源可持续利用。目前的研究主要集中于短期施用沼液或沼液与化肥配施对土壤养分、土壤微生物种群变化及酶活性的影响[35-37]，长期连续施用沼液的研究鲜有报道[38]。为更好地利用沼液，避免因沼液灌施造成二次污染，对长期连续施用沼液的土壤进行养分含量及酶活性分析，以期为科学施用沼液和培肥土壤提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试沼液分别由不同养殖企业养殖过程中产生的鸡粪、猪粪、牛粪经过厌氧发酵产生，这些养殖企业包括濮阳市国兴生态农业示范园(简称国兴)、辉县市宋桂兰养殖场(简称宋桂兰)、河南省谊发牧业有限责任公司(简称谊发)，其产生的沼液常年用于发展粮经作物种植；河南麦多生态农业科技有限公司(简称麦多)、获嘉县巨兴养殖场(简称巨兴)、河南瑞祥农牧股份有限公司(简称瑞祥)、河南康龙实业集团股份有限公司(简称康龙)，其产生的沼液常年用于发展大棚蔬菜种植；河南汇聚种植养殖合作社(简称汇聚)、河南省佑林实业有限公司(简称佑林)、南阳鑫晶生态农业有限公司(简称鑫晶)、夏邑县丰润牧业有限公司(简称丰润)，其产生的沼液常年用于发展果园种植。

1.2 试验设计

根据沼液施用与否设计施用沼液处理和不施用沼液处理（对照，CK），根据沼液来源不同设计11个处理，例如施用康龙产生的沼液的处理命名为KL，其对应的未施用沼液处理命名为KLCK,以此类推，共22个处理，各处理施用沼液具体情况见表1。2019年10月，分别采集施用沼液地块及其未施用沼液地块耕层（0～20 cm）土壤样品，用于土壤养分含量及酶活性分析。

表1 施用沼液处理的沼液来源及施用情况Tab.1 Resource and utilization of biogas slurry of treatments applied with biogas slurry

1.3 测定项目及方法

将采集土壤样品自然晾干，粉碎后分别对其pH值及有机质（Organic matter，OM）、全氮（Total nitrogen，TN）、全磷（Total phosphorus，TP）、全钾（Total potassum，TK）、水 解 氮(Hydrolyzable nitrogen,HN)、有 效 磷(Availablephosphorus,AP)、速 效 钾(Available potassum,AK)含量和蛋白酶（Protease，PA）、酸性磷酸酶（Acid phosphatase，APA）、蔗 糖 酶（Sucrase，SA）、脲 酶（Urease，UA）、纤维素酶（Cellulase，CLA）、脱氢酶（Dehydrogenase，DHA）、过氧化氢酶（Catalase，CAT）、硝酸还原酶（Nitrate reductase，NAR）、亚硝酸还原酶（Nitrite reductase，NIR）活性进行测定。其中，土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定，全氮含量采用半微量凯氏法测定，全磷和有效磷含量采用钼锑抗比色法测定，全钾和速效钾含量采用原子吸收光谱法测定，水解氮含量采用碱解蒸馏电位滴定法测定，土壤pH值采用电位法测定，土壤酶活性分别采用相应的酶活性试剂盒进行测定。

2 结果与分析

2.1 河南省不同养殖企业沼液的养分特征

从图1可以看出，不同养殖企业产生的沼液中有机质含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量和pH值有明显差异。其中，有机质含量平均为0.26 g/L，最高为0.94 g/L，最低仅为0.03 g/L；全氮含量平均为1.27 g/L，最高为2.60 g/L，最低仅为0.30 g/L；全磷含量平均为0.19 g/L，最高为0.38 g/L，最低为0.04 g/L；全钾含量平均为0.94 g/L，最高为1.98 g/L，最低为0.40 g/L；pH值平均为8.11，最低为7.40，最高为8.59。不同企业产生的沼液营养成分差别较大，其中有机质、全氮、全磷、全钾含量均偏低的沼液来源于康龙、佑林、瑞祥和汇聚，有机质、全氮、全磷、全钾含量均较高的沼液来源于巨兴和宋桂兰，全磷含量偏低而有机质、全氮、全钾含量较高的沼液来源于麦多，其他企业产生的沼液有机质含量和全氮、全磷、全钾含量均处于中等水平；pH值以佑林产生的沼液最低，麦多产生的沼液最高。

图1 不同养殖企业产生的沼液有机质、全氮、全磷、全钾含量Fig.1 Contents of OM，TN，TPand TK in biogas slurry produced by different breeding enterprises

2.2 施用沼液对土壤养分含量的影响

从图2可以看出，施用沼液改变了土壤pH值，总体上提高了有机质、全氮、全钾、全磷含量。与对照相比，施用沼液处理土壤pH值有增有减，其中，MD、JX、KL、YL、FR、GX、XJ处理分别降低0.79、0.78、0.72、0.53、0.33、0.29、0.24，降低幅度分别为9.69%、9.61%、9.49%、6.37%、4.13%、3.63%、3.15%；而RX、HJ、YF、SGL处理则分别升高了0.74、0.70、0.24、0.07，提高幅度分别为13.73%、11.65%、3.14%、0.90%，无论是升高还是降低，都是趋向有利于土壤养分释放的方向改变，如RX处理土壤由酸性变成弱碱性，MD处理土壤由碱性变成弱碱性。与对照相比，施用沼液处理表层土壤有机质含量除XJ处理外，均有所提高，提高0.20～27.90 g/kg，增幅为0.96%～367.11%，以KL处理提高幅度最大。施用沼液处理土壤全氮、全磷、全钾含量均较对照提高，其中，全氮含量提高0.02～2.70 g/kg，增幅为2.15%～600.00%，以KL处理提高幅度最大；全磷 含 量 提 高0.25～3.25 g/kg，增 幅 为29.94%～663.27%，以KL处理提高幅度最大；全钾含量提高0.20～5.53 g/kg，增幅为1.14%～28.10%，以YL处理提高幅度最大。

图2 施用沼液对土壤有机质、全氮、全磷、全钾含量和pH值的影响Fig.2 Effect of application of biogas slurry on soil organic matter，TN，TPand TK contents and p H value

从沼液施用时间和养分含量较对照的增幅上看，施用沼液的大棚蔬菜土壤有机质、全氮、全钾含量增幅总体均表现为KL＞RX＞MD＞JX，土壤全磷含量增幅表现为KL＞RX＞JX＞MD，土壤氮、磷、钾养分含量增幅总体上随施用沼液时间的延长而增大，特别是全磷含量；施用沼液的粮经作物种植土壤有机质、全氮、全磷含量增幅总体上均表现为YF＞GX＞SGL，土壤全钾含量增幅表现为GX＞YF＞SGL；施用沼液的果园种植土壤表现较复杂，土壤有机质含量增幅表现为FR＞HJ＞YL，XJ处理降低，土壤全氮含量增幅表现为FR＞YL＞XJ＞HJ，土壤全磷含量增幅表现为XJ＞YL＞FR＞HJ，土壤全钾含量增幅表现为YL＞XJ＞HJ＞FR。

与对照相比，施用沼液处理土壤有效磷含量均提高；水解氮含量和速效钾含量除HJ处理下降外，其他处理均上升（图3），可能与HJCK处理田块种植药材大量施用化肥有关。其中，有效磷含量增加9.18～108.70 mg/kg，增幅为26.76%～593.99%，以KL处理增幅最大；水解氮含量提高6.63～156.79 mg/kg，增幅为7.49%～420.24%，以KL处理增幅最大，HJ处理降低27.22%；速效钾含量提高19.23～109.45 mg/kg，增幅为15.48%～103.30%，以YF处理增幅最大，HJ处理降低3.04%。

图3 施用沼液对土壤水解氮、有效磷、速效钾含量的影响Fig.3 Effect of application of biogas slurry on soil HN，APand AK contents

从沼液施用时间和养分含量较对照的增幅上看，施用沼液处理土壤水解氮、有效磷、速效钾含量的变化幅度较全氮、全磷、全钾、有机质含量大。施用沼液的大棚蔬菜种植土壤水解氮含量增幅表现为KL＞JX＞MD＞RX，有效磷含量增幅表现为KL＞RX＞JX＞MD，速效钾含量增幅表现为RX＞KL＞JX＞MD，其中，有效磷含量与全磷含量增幅变化趋势一致；施用沼液的粮经作物种植土壤水解氮含量增幅表现为GX＞YF＞SGL，有效磷含量增幅表现为SGL＞YF＞GX，速效钾含量增幅表现为YF＞SGL＞GX；施用沼液的果园土壤水解氮含量增幅表现为FR＞XJ＞YL＞HJ，有效磷含量增幅表现为FR＞YL＞XJ＞HJ，速效钾含量增幅则表现为FR＞XJ＞YL＞HJ，其中水解氮含量与全氮含量变化趋势一致。

2.3 施用沼液对土壤水解酶活性的影响

土壤酶活性是土壤生物活性和土壤肥力的重要指标之一。土壤水解酶主要包括蛋白酶、磷酸酶、蔗糖酶、脲酶、纤维素酶等，它们通过催化土壤中的生化反应来发挥重要作用，如土壤有机物质的分解转化，直接参与土壤碳氮循环、养分转化，提高土壤肥力和氮循环利用。蔗糖酶与土壤全氮含量极显著相关，磷酸酶活性与土壤有机磷的水解和磷酸活化密切相关，脲酶参与土壤肥力、氮素循环[29]。

从图4可以看出，施用沼液可以提高土壤蛋白酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、脲酶和纤维素酶活性。与对照相比，施用沼液处理土壤蛋白酶活性提高0.02～0.14 U/g，提高幅度为9.20%～44.69%，提高幅度最大的是KL处理；蔗糖酶活性提高0.44～2.12 U/g，提高幅度为6.41%～41.91%，提高幅度最大的是XJ处理；脲酶活性提高0.99～3.06 U/g，提高幅度为14.47%～42.58%，提高幅度最大的是SGL处理；酸性磷酸酶活性提高0.04～0.13 U/L，提高幅度为13.03%～44.44%，提高幅度最大的是JX处理；纤维素酶活性提高0.02～0.43 U/g，提高幅度为2.77%～44.65%，提高幅度最大的是KL处理。

图4 施用沼液对土壤水解酶活性的影响Fig.4 Effect of application of biogas slurry on soil hydrolase activity

2.4 施用沼液对土壤氧化还原酶活性的影响

土壤还原酶主要包括脱氢酶、过氧化氢酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、硫酸还原酶等，主要影响土壤理化性质和土壤肥力[29]，如减轻氢离子危害、提高土壤养分的有效性。从图5可以看出，施用沼液可以显著提高脱氢酶、过氧化氢酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶活性，与对照相比，施用沼液处理土壤硝酸还原酶活性提高0.03～0.09 U/g，提高幅度为22.00%～54.38%，提高幅度最大的是GX处理；亚硝酸还原酶活性提高0.04～0.10 U/g，提高幅度为1.41%～42.17%，提高幅度最大的是YL处理；脱氢酶活性提高0.03～0.29 U/g，提高幅度为4.94%～47.44%，提高幅度最大的是YF处理；过氧化氢酶活性提高0.93～26.62 U/g，提高幅度为1.42%～47.67%，提高幅度最大的是FR处理。

图5 施用沼液对土壤氧化还原酶活性的影响Fig.5 Effect of application of biogas slurry on soil oxidoreductase activity

2.5 耕层土壤养分含量与酶活性的相关性

从表2可以看出，土壤养分含量之间，有机质含量与全氮、全钾、水解氮、有效磷、速效钾含量均呈极显著正相关，与全磷含量呈显著正相关；全氮含量与全磷含量、水解氮、有效磷、速效钾含量均呈极显著正相关，与全钾含量呈显著正相关；全磷含量与水解氮、有效磷含量均呈极显著正相关；全钾含量与速效钾含量呈显著正相关；水解氮含量与有效磷含量呈极显著正相关，与速效钾含量呈显著正相关；有效磷含量与速效钾含量呈显著正相关。

表2 土壤养分含量与土壤酶活性之间的相关性分析Tab.2 Correlation analysis between soil nutrients contents and soil enzymes activities

土壤养分含量与土壤酶活性之间，土壤有机质含量与过氧化氢酶、脱氢酶活性均呈极显著正相关，与酸性磷酸酶、纤维素酶活性均呈显著正相关；全氮含量与纤维素酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性均呈极显著正相关；全磷含量与脱氢酶活性呈极显著正相关，与蔗糖酶活性呈显著正相关；全钾含量与过氧化氢酶、脱氢酶活性均呈极显著正相关，与酸性磷酸酶、硝酸还原酶活性均呈显著正相关；水解氮含量与纤维素酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性均呈极显著正相关；有效磷含量与脲酶、纤维素酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性均呈极显著正相关，与蔗糖酶、酸性磷酸酶、硝酸还原酶活性均呈显著正相关；速效钾含量与硝酸还原酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性均呈极显著正相关，与纤维素酶活性呈显著正相关。

土壤酶活性之间，土壤蛋白酶活性与酸性磷酸酶、亚硝酸还原酶活性均呈极显著正相关；蔗糖酶活性与硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、脱氢酶活性均呈极显著正相关，与酸性磷酸酶活性呈显著正相关；脲酶活性与纤维素酶活性呈极显著正相关，与硝酸还原酶、亚硝酸还原酶活性均呈显著正相关；酸性磷酸酶活性与硝酸还原酶活性呈极显著正相关，与纤维素酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性均呈显著正相关；纤维素酶活性与硝酸还原酶活性呈极显著正相关；硝酸还原酶活性与亚硝酸还原酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性均呈显著正相关；过氧化氢酶活性与脱氢酶活性呈极显著正相关。

3 结论与讨论

本研究结果表明，与不施沼液地块相比，施用沼液有效改善了土壤pH值，提高了耕层土壤有机质、全氮、全钾、全磷、水解氮、有效磷、速效钾含量。施用沼液的大棚蔬菜土壤有机质、全氮、全钾含量增幅总体上均表现为KL＞RX＞MD＞JX，全磷含量增幅随沼液施用时间延长而增加，即KL＞RX＞JX＞MD；施用沼液的粮经种植土壤有机质、全氮、全磷含量增幅总体上均表现 为YF＞GX＞SGL，全 钾 含 量 增 幅 表 现 为GX＞YF＞SGL；施用沼液的果园种植土壤养分含量表现较复杂，有机质含量增幅表现为FR＞HJ＞YL，XJ处理降低，全氮含量增幅表现为FR＞YL＞XJ＞HJ，全磷含量增幅表现为XJ＞YL＞FR＞HJ，全钾含量增幅表现为YL＞XJ＞HJ＞FR，这与前人[2，6，20-21，35-40]研究结果基本一致。

施用沼液可以改善土壤酶活性。郝鲜俊等[41]研究发现，施用沼液可提高土壤蔗糖酶、磷酸酶和蛋白酶活性；管涛等[42]研究发现，沼液灌溉能显著提高土壤脲酶活性，降低过氧化氢酶活性；郑学博等[5]研究发现，施用沼液显著提高了花生结荚期和收获期土壤脲酶、脱氢酶活性和硝化强度；万海文等[6]研究发现，施用沼液可增加土壤过氧化氢酶、碱性磷酸酶和脲酶活性；杨子峰等[43]研究发现，施用沼液可增加西兰花种植前土壤细菌、放线菌数量和收获后土壤脲酶、蔗糖酶活性。牛伟等[36]研究发现，连续施用沼液5 a，苹果园土壤脱氢酶、蔗糖酶和纤维素酶活性没有显著变化，但磷酸酶活性显著降低。本研究结果发现，施用沼液提高了土壤蛋白酶、蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶、纤维素酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、脱氢酶、过氧化氢酶活性，其中蛋白酶活性提高9.20%～44.69%，蔗糖酶活性提高6.41%～41.91%，脲酶活性提高14.47%～42.58%，酸性磷酸酶活性提高13.03%～44.44%，纤维素酶活性提高2.77%～44.65%，硝酸还原酶活性提高22.00%～54.38%，亚硝酸还原酶活性提高1.41%～42.17%，脱氢酶活性提高4.94%～47.44%，过氧化氢酶活性提高1.42%～47.67%。这可能是因为施用沼液改善了土壤微生物环境，如有机质组分、氮磷钾配比及pH值等，从而刺激了微生物生长，平衡了微生物区系[44]，提高了土壤水解酶、氧化还原酶活性，酶活性反过来改善土壤养分循环和生物活性，提高土壤肥力。

土壤酶活性反映了土壤养分转化能力，土壤养分含量反映土壤肥力水平，两者之间存在显著的相关性［45］。脲酶活性与土壤养分含量的相关性最高[46]。本研究结果发现，土壤有机质、全氮、水解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾含量与脱氢酶、过氧化氢酶活性总体上均呈极显著正相关，土壤全氮含量、水解氮含量、有效磷含量与纤维素酶活性也均呈极显著正相关，有机质含量、速效钾含量与纤维素酶活性均呈显著正相关。同时，不同土壤酶活性之间也存在显著或极显著正相关关系。