不同灌溉模式和施肥处理对受涝稻田土壤酶活性的影响

李 明，徐 涛，俞湾青，苏 甜，刘方平，杨士红，3

（1.河海大学农业科学与工程学院，南京 211100；2.江西省灌溉试验中心站，南昌 330201；3.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098）

0 引 言

鄱阳湖平原位于长江中下游南岸，由于7-9月长江进入主汛期，鄱阳湖受长江洪水顶托或倒灌影响而处于高水位，造成湖区洪水灾害频发[1]。洪涝灾害严重影响了稻田水土环境，水稻土长期受涝渍影响，使得土壤微生物及酶活性较差，土壤脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶活性下降[2-4]。土壤酶活性是评价土壤质量的重要指标之一，与土壤物理、化学和生物性质密切相关，能够直接或间接反映土壤氮、磷、钾的形态和含量以及有机质的存在状况，可以用来监测土壤环境的近期变化[5-7]。土壤脲酶能促进有机物质水解生成NH3和CO2，过氧化氢酶在H2O2清除系统中起重要作用，酸性磷酸酶能催化土壤有机磷化合物矿化，以上3 种酶活性与土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量等土壤肥力指标密切相关[6]。因此，土壤相关酶活性改善对于改良长期受涝影响稻田土壤具有重要意义。

灌溉会影响土壤酶活性，诸多学者研究发现节水灌溉可以提高土壤酶活性。刘宇锋等[8]研究表明，间歇灌溉稻田土壤脲酶活性较常规灌溉增加12.0%～166.4%，土壤酸性磷酸酶活性在孕穗、抽穗期增加7.6%～41.9%。王波等[9]研究发现，节水稻作模式土壤脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶活性均有不同程度增加，且对脲酶和磷酸酶影响最大。施肥也对土壤酶活性有影响。近年来，土壤调理剂和炭基肥作为新型肥料被广泛应用于土壤改良，以提高土壤质量。为解决土壤退化、污染等问题，土壤调理剂应运而生，合理施用土壤调理剂能补充土壤营养元素，有效改善土壤理化性状，调整土壤微生物群落结构和数量[10]。孙蓟锋[11]施用几种矿物源土壤调理剂后发现，土壤脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性均得到显著提高。炭基肥以生物质炭为基质，与有机或无机肥料配制而成，可以改善土壤理化性质、调节土壤微生物活性[12]。研究表明[13,14]，炭基肥能够增加土壤脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶活性。已有研究主要集中在灌溉模式或施肥处理单一因素对土壤酶活性的影响，不同灌溉模式下施加土壤调理剂或炭基肥对稻田土壤酶活性影响的研究尚少，且灌溉与施肥处理对土壤酶活性的影响针对长期受涝影响土壤是否适用有待深入研究。

因此，本研究以鄱阳湖平原长期受涝水稻土为供试土壤，利用盆栽试验，在等量稻草还田和化肥施用条件下，比较常规灌溉和间歇灌溉2种灌溉模式下，施用土壤调理剂和炭基肥对稻田土壤脲酶、过氧化氢酶和酸性磷酸酶活性的影响，阐述土壤酶活性随水稻生长的变化规律，以期为研究不同灌溉模式和施肥处理对受涝稻田土壤质量的改良效果提供科技支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021年在江西省灌溉试验中心站高田试验基地内的水稻盆栽试验区进行。试验基地处于赣抚平原灌区南昌县向塘镇，地理位置为东经116°00′，北纬28°26′，海拔为22 m。赣抚平原灌区为典型的亚热带湿润季风性气候区，适合多种农作物生长。灌区年平均气温可达17.5 ℃，年平均日照为1 720.8 h，年平均蒸发量1 139 mm，年平均降雨量1 747 mm。但降雨量全年分布不均，4-6月的降雨较多，占全年降雨量的48%，7-9月降雨较少，仅占全年降雨量的20%。

根据稻田受洪涝灾害影响程度，将鄱阳湖平原受涝区域分重灾区、常灾区和易灾区，本次盆栽试验土壤采集自受涝重灾区的康山垦总场，位于乌泥镇西北方向（见图1），该地长期受汛期持续强降雨和长江洪水顶托或倒灌影响，使低洼地区的水稻田处于淹没、受涝状态。试验土壤为粉质粘土，0～20 cm 土层土壤pH 值5.0，碱解氮184.1 mg/kg，速效钾131.77 mg/kg，速效磷19.6 mg/kg，有机质46.7 g/kg。

图1 鄱阳湖平原受涝区域分布Fig.1 Distribution of waterlogging area in Poyang Lake plain

1.2 试验设计

试验于2021年6-10月进行，试验设置2 种灌溉模式，分别为常规灌溉（W1）和间歇灌溉（W2）。不同灌溉模式下设置3 种施肥处理，分别为稻草还田+化肥（F1）、稻草还田+化肥+土壤调理剂（F2）、稻草还田+化肥+炭基肥（F3），共6 个处理，依次记为W1F1 （对照）、W1F2、W1F3、W2F1、W2F2、W3F3，每个处理重复3 次。试验于盆栽中进行，盆钵长×宽×高=30 cm×40 cm×25 cm，每盆装风干土20 kg，每盆栽插6 穴，每穴选定2 株长势均匀的秧苗进行栽插，水稻品种为天优华占。6月29日移栽至盆钵，10月8日收割。用塑料大棚遮雨。

1.3 水肥管理及采样分析

常规灌溉按照当地水稻种植习惯管理，除分蘖末期烤田，插秧后田间一直保持3～5 cm 水层，在收获前自然落干。间歇灌溉在插秧后淹水，分蘖末期烤田，复水后每次灌溉保持3 cm 水层，直到田间水自然落干后再灌水，后落干，再灌水，这样反复至收获。

化肥为尿素（N 46%）、钙镁磷肥（P2O512%）和氯化钾（K2O 60%），土壤调理剂含CaO≥50%、SiO2≥30%、MgO≥5%、P2O5≥8%，pH 值为9～12；炭基肥含有机质≥45%、N+P2O5+K2O≥5%。每盆稻草用量为67 g，土壤调理剂13.3 g，炭基肥13.3 g，全部做基肥施用。化肥用量按每千克土N 0.18、P2O50.1、K2O 0.18 g/kg 计算，即每盆施N 3.6 g、P2O52.0 g、K2O 3.6 g。磷肥全部做基肥施用，氮钾肥均按基肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶2∶3比例施用。

试验在分蘖期、抽穗期、收割后共采集3次土样，采用三点采样法随机采集盆栽0～10 cm 土层土壤，剔除植物根系、石砾，将土样自然风干后研磨，分别过30 目筛和60 目筛以供测定土壤酶活性。采用试剂盒测定土壤脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶活性。

1.4 数据处理

用Excel 2016对试验数据进行初步分析，建立数据库并绘制图表。数据方差分析与显著性差异分析采用SPSS 19.0完成，采用最小显著性差异法（LSD）法作多重比较分析（差异显著性水平为p＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉模式和施肥处理对受涝稻田土壤脲酶活性的影响

各处理土壤脲酶活性随生育期先减少后增加，表现为分蘖期＞收割后＞抽穗期，但各生育期变化不大（见图2）。在同一灌溉模式下，施用土壤调理剂和炭基肥都提高了脲酶活性，各生育期均呈现F3＞F2＞F1。W1F3 和W1F2 在分蘖期、抽穗期、收割后分别比W1F1 增加3.11% 和0.69%、15.33% 和7.33%、8.59%和5.75%；W2F3 和W2F2 在分蘖期、抽穗期、收割后比W2F1 分别增加11.61%和2.68%、5.14%和3.20%、8.12%和3.22%。施肥处理相同时，各生育期间歇灌溉处理下的脲酶活性高于常规灌溉处理组，表现为W2＞W1，W2 处理组在分蘖期、抽穗期、收割后分别增加4.37%～12.98%、1.79%～11.66%、0.45%～2.91%。与W1F1 相比，其他处理在各生育期脲酶活性均增加，在分蘖期、抽穗期、收割后分别增加0.69%～16.49%、7.33%～17.40%、2.91%～11.27%，且差异均不显著。同时，W2F2、W2F3 的增加幅度高于其他处理，说明间歇灌溉配施土壤调理剂或炭基肥更有利于提高受涝稻田土壤脲酶活性，且炭基肥的效果优于土壤调理剂。

图2 受涝稻田土壤脲酶活性变化Fig.2 Changes of soil urease activities in waterlogging paddy fields

2.2 不同灌溉模式和施肥处理对受涝稻田土壤过氧化氢酶活性的影响

土壤过氧化氢酶活性随着生育期的推进基本呈先减少后增加的变化趋势（见图3）。分蘖期时，除W2F3外，其他处理的过氧化氢酶活性比W1F1 增加9.19%～29.60%。同一灌溉模式下，W1F2、W1F3 过氧化氢酶活性比W1F1 增加11.74%、9.19%；与W2F1 相比，W2F2 增加了2.88%，W2F3 显著减少了37.67%（p＜0.05）。W2F3 处理过氧化氢酶活性显著降低，可能是由于炭基肥施用到田间后，吸附了过氧化氢酶利用的底物，且炭基肥养分释放缓慢[15]，导致该处理下过氧化氢酶活性降低。相同施肥处理下，W2F1 与W1F1、W2F2 与W1F2 相比分别增加25.98%、15.99%，而W2F3 比W1F3 减少28.08%。抽穗期时，除W1F2 过氧化氢酶活性略小于W1F1，其他处理较W1F1 增加了8.26%～44.12%，且差异不显著。同一灌溉模式下，W1F3 过氧化氢酶活性比W1F1 增加了8.26%，W1F2 略小 于W1F1；W2F2、W2F3 比W2F1 分别增加了14.14%、29.36%。施肥处理相同时，间歇灌溉条件下的过氧化氢酶活性高于常规灌溉处理组，表现为W2＞W1，W2 处理组较W1 平均增加了24.68%。收割后，同一灌溉模式下，W1F2、W1F3过氧化氢酶活性比W1F1 分别减少6.14%、12.01%；W2F2、W2F3 比W2F1 分别减少了13.02%、29.70%，其中W2F3 与W2F1 间差异达到了显著性水平（p＜0.05）。相同施肥处理下，W2 与W1 比较，W2F1 与W1F1、W2F2 与W1F2 相比分别增加21.27%、12.37%，而W2F3比W1F3减少3.11%。

图3 受涝稻田土壤过氧化氢酶活性变化Fig.3 Changes of soil catalase activities in waterlogging paddy fields

综上所述，在不同生育阶段灌溉模式和施肥处理对受涝稻田土壤过氧化氢酶活性的影响不同。在分蘖期和抽穗期，施加土壤调理剂和炭基肥能够提高过氧化氢酶活性；而收割后酶活性降低，这可能是因为受涝稻田土壤氧化还原电位较低，影响了过氧化氢酶无机组分活性[16]。在各生育期，与常规灌溉相比，间歇灌溉提高了土壤过氧化氢酶活性。可见，间歇灌溉结合土壤调理剂或炭基肥对提高分蘖期、抽穗期过氧化氢酶活性的效果更好。

2.3 不同灌溉模式和施肥处理对受涝稻田土壤酸性磷酸酶活性的影响

各处理土壤酸性磷酸酶活性随生育期表现为先减少后增加（见图4）。分蘖期时，在同一灌溉模式下，与F1 比较，W1F2 较W1F1、W2F2 较W2F1 的酸性磷酸酶活性分别显著减少27.27%、28.82% （p＜0.05）；但W1F3 与W1F1、W2F3 与W2F1 之间差异不显著，分别增加6.58%、减少4.01%。相同施肥处理下，W2 处理下的酸性磷酸酶活性比W1 增加了12.65%～25.08%。抽穗期时，与W1F1 相比，除W2F1 外其他处理的酸性磷酸酶活性均显著减小26.25%～58.34%（p＜0.05）。相同灌溉模式下，F2、F3 的酸性磷酸酶活性显著小于F1 处理（p＜0.05），W1F2、W1F3 比W1F1 显著减小26.25%、58.34%；W2F2、W2F3 比W2F1 显著减小34.71%、57.35%。施肥处理相同时，比较W1 与W2 的酸性磷酸酶活性，除W2F2 较W1F2略有下降，F1、F3 下的间歇灌溉较常规灌溉增加10.41%、13.02%。收割后，除W2F1 酸性磷酸酶活性较W1F1 略有增加，其他处理显著减小30.08%～76.02%（p＜0.05）。相同灌溉模式下F2、F3 与F1 相比，W1F2、W1F3 比W1F1 显著减小66.79%、76.02%（p＜0.05）；W2F2、W2F3 比W2F1 显著减小38.36%、35.11%（p＜0.05）。同一施肥处理下的W2 酸性磷酸酶活性大于W1，其中F2、F3下的间歇灌溉处理较常规灌溉显著增加100.00%、191.55%（p＜0.05）。

图4 受涝稻田土壤酸性磷酸酶活性变化Fig.4 Changes of soil acid phosphatase activities in waterlogging paddy fields

施加土壤调理剂和炭基肥后，土壤酸性磷酸酶活性显著减小，说明土壤调理剂和炭基肥对受涝稻田土壤酸性磷酸酶活性有一定的抑制作用。与常规灌溉相比，间歇灌溉可以增加酸性磷酸酶活性，能够减小土壤调理剂和炭基肥的抑制作用。

3 讨 论

相同灌溉模式下，施用土壤调理剂和炭基肥与未施用处理相比，提高了各生育期土壤脲酶活性、分蘖期和抽穗期过氧化氢酶活性，这与李方杰等[17,18]研究基本一致。其中，炭基肥对脲酶活性的增强效果优于土壤调理剂。施用土壤调理剂能降低土壤含水量，提升土壤孔隙度，改善透气状况[19]；张世昌[20]在稻田中施用主要成分为氧化钙的土壤调理剂，提高了土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾等含量；含有大量营养元素，如Ca、Si、Mg等的土壤调理剂，不仅能提高土壤肥力，还能大幅度增加有效磷的活性[21]。炭基肥能够改善土壤团粒结构，使土质疏松，增加有机质含量[15]；作为优质的土壤改良剂，炭基肥可以促进土壤微生物的活性和生长，提高土壤微生物丰富度和多样性[22]；柳骁桐等[18]研究发现，连续2年炭基肥化肥配施能显著提高土壤有机质、速效磷和速效钾含量，同时显著提高了过氧化氢酶和脲酶活性。土壤脲酶和过氧化氢酶活性的高低与土壤有机质含量和氮、磷、钾元素的有效性相关，土壤调理剂或炭基肥通过改善土壤结构，增强土壤中营养元素的矿化强度，提高有机质和有效养分含量，在良好的有机养分状况下，土壤酶活性增强。由于本研究中施用的炭基肥主要成分为有机质，脲酶活性受到土壤有机质的直接影响，且有机质分解产生的腐殖质能够固定脲酶，增加脲酶稳定性[23]，因此炭基肥处理下的脲酶活性要高于土壤调理剂和常规化肥处理。可见，在长期受涝稻田中施用土壤调理剂和炭基肥对脲酶和过氧化氢酶活性的影响与常规土壤一致，均能增加脲酶和过氧化氢酶活性。

同时，土壤调理剂和炭基肥施用显著降低了酸性磷酸酶活性，这与杨文娜等[24]的研究结果一致，但也有人发现炭基土壤调理剂能够提高酸性磷酸酶活性[25]，这可能是土壤调理剂和炭基肥对不同土壤类型和土壤质地的改良效果不同导致的。研究表明，土壤调理剂[20,26]和炭基肥[27]会增加土壤pH 值，而酸性磷酸酶的最适pH 区间在4～6，本试验施用的土壤调理剂和炭基肥可能均呈碱性，增加了土壤pH 值，导致酸性磷酸酶活性降低。另一方面，长期受涝稻田中磷元素含量可能较低，低磷条件能促进土壤微生物和植物根系分泌酸性磷酸酶，施肥后土壤有效磷增加，抑制了酸性磷酸酶的分泌，降低其活性，而配施的土壤调理剂和炭基肥中含有一定量的磷素，进一步降低了酸性磷酸酶活性[24]。

相同施肥处理下，与常规灌溉相比，间歇灌溉增加了受涝稻田土壤脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶活性，这与以往研究结果[28-31]一致。已有研究[32]表明，在低氧化还原电位和厌氧土壤条件下，土壤酶活性与土壤湿度呈负相关。常规灌溉稻田中的水层降低了土壤透气性，而间歇灌溉减少了土壤含水量，形成轻度的土壤水分亏缺，改善通气状况，为土壤酶提供良好的反应环境，进而提高酶活性。另一方面，MAJUMDAR 等[33-35]研究发现，采取节水灌溉措施增加了稻田土壤有机质和微生物碳氮含量，杨鹏等[36]发现间歇灌溉对上层土壤的全氮、全磷含量有维持和促进作用，这为土壤酶的酶促反应提供了基质。同时节水灌溉稻田良好的土壤透气性也促进了土壤腐殖质的分解和微生物的繁殖，使得酶活性增强。此外，间歇灌溉配施土壤调理剂或炭基肥对提高脲酶、过氧化氢酶活性的效果更佳，优于单一处理；配施处理对酸性磷酸酶活性的抑制作用低于单施土壤调理剂或炭基肥。因此，间歇灌溉配施土壤调理剂或炭基肥能更有效增加受涝稻田的土壤脲酶、过氧化氢酶活性，减小土壤调理剂和炭基肥施用对酸性磷酸酶活性的抑制作用，从而改善受涝稻田土壤质量。

4 结 论

（1）间歇灌溉、施用土壤调理剂、炭基肥单一因素均能提高受涝稻田土壤脲酶活性，间歇灌溉配施土壤调理剂或炭基肥效果更佳，且炭基肥的效果优于土壤调理剂。在水稻全生育期，W2处理脲酶活性均值较W1增加5.60%；与F1相比，F2、F3处理脲酶活性均值分别增加3.81%、8.65%。

（2）间歇灌溉配施土壤调理剂或炭基肥能够提高分蘖-抽穗期的过氧化氢酶活性，而收割后施加土壤调理剂和炭基肥降低了过氧化氢酶活性。在水稻全生育期，W2 处理土壤过氧化氢酶活性均值较W1增加13.16%。与F1相比，在分蘖-抽穗期，F2、F3 处理过氧化氢酶活性均值分别增加6.74%、2.29%；收割后，F2、F3分别减少9.58%、20.85%。

（3）施用土壤调理剂和炭基肥显著降低了受涝稻田土壤酸性磷酸酶活性，但间歇灌溉可以增加酸性磷酸酶活性，减小土壤调理剂和炭基肥的抑制作用。在水稻全生育期，W2 处理土壤酸性磷酸酶活性均值较W1 增加29.76%；与F1 相比，F2、F3 处理酸性磷酸酶活性均值分别显著减小37.03%、37.37%（p＜0.05）。