有机肥和化肥长期施用对土壤活性有机氮组分及酶活性的影响

宋震震， 李絮花*， 李 娟, 林治安, 赵秉强

(1 土肥资源高效利用国家工程实验室， 山东农业大学资源与环境学院， 山东泰安 271018;2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所， 农业部植物营养与肥料重点实验室, 北京 100081)

氮素不仅是地球上最丰富的化学元素之一，也是植物必需的营养元素之一。氮循环是农田生态系统最基本的生态过程，强烈地受到人为作用的影响和调控，对农田生态系统的稳定性、 生产力及其环境效应具有关键性的影响作用。长期施肥能引起土壤氮库的改变，表现在能够稳定和增加土壤氮含量，提高土壤肥力[1], 而施入农田的氮源可以迅速转化到土壤的活性库和稳定库[2]。土壤活性有机质组分一般包括颗粒有机质(particulate organic matter，POM)， 轻组有机质(light fraction organic matter， LFOM)， 微生物量(microbial biomass)以及可矿化有机质等, 其转化速度较快，一般为几个周或几个月，能直接影响植物的养分供应[3]。 这些活性组分中包含的氮组分，颗粒有机氮(Particulate organic matter nitrogen，POM-N)，可溶性有机氮(Dissolved organic nitrogen，DON)，轻组有机氮(Light fraction organic matter nitrogen, LFOM-N)以及微生物量氮(Soil microbial biomass nitrogen，SMBN)被认为是土壤活性氮库中的重要组成成分[3-4]。

土壤酶是由微生物、 动植物活体分泌及动植物残骸的生物活性物质，具有生物化学催化活性，能参与土壤中许多重要的生物化学过程[5-6], 在土壤养分循环以及植物生长所需养分供给过程中起到重要的作用[7]。土壤酶活性作为表征土壤性质的生物活性指标，已被广泛应用于评价土壤营养物质的循环转化情况，以及评价各种农业措施和肥料施用的效果[8]。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

1.2 试验设计

按照各处理全年施肥总量，冬小麦、 夏玉米每季作物各50%，磷肥、 钾肥和有机肥在作物播种前做基肥一次性施入，氮肥 40%做基肥，60%做追肥。供试作物与种植方式选择本区域粮食作物种植最为普遍的冬小麦-夏玉米一年两熟制，肥、 水管理等措施参考当地传统种植习惯，采用传统栽培模式。

1.3 样品采集

土壤样品于2012年9月底玉米收获后进行采集。每个小区均采集0—20 cm 的耕层土壤。每个小区随机取15个点，混合后装好放入冰盒立即带回实验室，剔除可见的植物残根和石砾等杂物，然后分成两部分，一部分土样风干过2 mm筛，另一部分土样于4℃冰箱保存。

1.4 项目测定方法及数据处理

土壤基本理化性状采用常量分析法测定[14]。有机质用重铬酸钾外加热法； 全氮用半微量凯氏法; 有效磷用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提，钼锑抗比色法; 速效K用火焰光度法。

颗粒有机氮(POM-N)采用5 g/L六偏磷酸钠溶液分散[15]，半微量凯氏法测定。

轻组有机氮(LFOM-N)采用密度为1.78 g/cm3碘化钠进行提取，用Multi N/C 2100 分析仪(Elementar Verio, Germany)测定[16]。

土壤微生物量氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[17]，用Multi 2011 N/C TOC仪测定其含量。

可溶性有机氮(DON)用0.5 mol/L的K2SO4进行提取，用Multi 2011 N/C TOC 仪测定氮含量[3]。

土壤脲酶采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定; 碱性磷酸酶采用苯磷酸二钠法测定; 过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定; 转化酶采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定[6]。

采用Excel 2003和SAS 8.0软件对数据进行统计分析，LSD法检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 有机肥和化肥长期施用对土壤全氮含量的影响

图1 有机肥与化肥长期施用对土壤全氮含量的影响Fig.1 Effects of long-term manure and mineral fertilizer application on soil total nitrogen content

2.2 有机肥与化肥长期施用对土壤活性有机氮组分的影响

2.2.1 土壤活性有机氮组分含量 土壤颗粒有机质作为新鲜植物残体和腐殖化有机物转化之间短暂的库，是异养微生物细胞碳和能量的主要来源[18]。由表1可以看出，无论是常量施肥还是高量施肥处理，土壤颗粒有机氮含量都比不施肥处理高。与不施肥处理相比，常量有机肥处理、 常量化肥处理和常量配施处理的土壤颗粒有机氮分别由55.2 mg/kg增加至285.0、 97.0和205.1 mg/kg; 高量有机肥和高量化肥处理分别增加至519.7和181.4 mg/kg。常量施肥处理下，土壤颗粒有机氮含量的变化顺序为常量有机肥处理>常量配施处理>常量化肥处理，且三个处理之间差异显著。高量施肥处理下，高量有机肥处理的颗粒有机氮含量比高量化肥处理提高了160.8%，两处理间差异显著。单施化肥处理中，高量施肥的土壤颗粒有机氮含量显著高于常量施肥处理。施有机肥处理中，土壤颗粒有机氮含量则是随着有机肥施入量的增加而增高。

轻组有机质主要来自于植物的遗骸、 微生物数量和微型动物残骸[3]。由表1可以看出，施肥显著提高了土壤轻组有机氮的含量。土壤轻组有机氮的变化趋势与全氮含量一致。施肥处理土壤轻组有机氮含量都比不施肥处理的高。常量有机肥处理和常量配施处理的土壤轻组有机氮含量分别比常量化肥处理增加66.3%、 29.6%，且三者差异显著。高量施肥下，高量有机肥处理比高量化肥处理的土壤轻组有机氮含量增加了126.5%。在所有单施化肥的处理中，高量施肥处理的土壤轻组有机氮含量显著高于常量施肥处理。在施有机肥的处理中，土壤轻组有机氮含量则是随着有机肥施入量的增加而增高。

2.2.2 土壤活性有机氮组分占土壤全氮比例 由表2可知，所有施肥处理中，土壤颗粒有机氮占土壤全氮百分比的变化顺序为高量有机肥处理>常量有机肥处理>常量配施处理 >高量化肥处理>常量化肥处理>不施肥处理，其变化趋势与土壤颗粒有机氮相同。可溶性有机氮占土壤全氮的比例中，不施肥的处理最小，高量有机肥的处理最大。常量施肥处理下，常量有机肥处理的可溶性有机氮占全氮的比例最大，为2.0%，其次是有常量配施处理，最小的为常量化肥处理。在高量施肥处理下，高量有机肥处理的可溶性有机氮占全氮的比例大于高量化肥处理。在微生物量氮占土壤全氮的比例中，常量化肥处理最大，为9.6%，而高量有机肥处理占比例最小，为6.8%。

表1 有机肥与化肥长期施用对土壤活性有机氮库组分含量(mg/kg)

土壤微生物量氮占土壤全氮的比例随有机肥输入的增多而逐渐减小(表2)。相同处理下，土壤活性氮组分占全氮的比例也有差异，对土壤全氮的贡献率最大的组分在施肥处理中是土壤颗粒有机氮，在不施肥处理中是土壤微生物量氮; 贡献率其次为微生物量氮，而轻组有机氮及可溶性有机氮对土壤全氮的贡献率在土壤活性氮库中最低。

土壤全氮含量受施肥影响变化显著，不同活性有机氮组分对土壤全氮的贡献率不同，POM-N对土壤全氮的贡献率受施肥方式的影响较大，轻组氮不同处理间几乎没有差异，说明轻组氮较为稳定，施肥主要通过增加土壤颗粒有机氮改变了土壤氮库库容。

表2 土壤活性有机氮组分占全氮的比例 (%)

2.3 有机肥和化肥长期施用对土壤酶活性的影响

2.3.1 土壤酶活性 脲酶与土壤供氮能力有密切关系，能够表征土壤氮素的供应程度[10]。由图2可以看出，各施肥处理土壤脲酶活性均高于不施肥处理，以高量有机肥处理的土壤脲酶活性最高，其次是常量有机肥处理。在单施化肥的处理中，高量施肥处理土壤脲酶活性明显高于常量施肥处理。

过氧化氢酶是一种重要氧化还原酶, 参与土壤中物质和能量转化，在一定程度上可以表征土壤生物氧化过程的强弱。由图2可以看出，经过26年的长期定位施肥，土壤中过氧化氢酶活性发生了明显的变化，其活性变化顺序为不施肥处理、 常量化肥处理、 高量化肥处理、 常量有机肥处理、 常量配施处理、 高量有机肥处理。长期定位施肥降低了土壤中过氧化氢酶的活性。不施肥处理土壤中过氧化氢酶活性最高，常量有机肥处理最低。

土壤蔗糖酶活性大小不仅反映土壤有机碳积累与分解转化的规律，也是评价土壤熟化程度和土壤肥力水平的重要指标[10]。由图2可以看出，施肥处理土壤蔗糖酶均高于不施肥处理，高量有机肥处理蔗糖酶活性最高，之后依次是常量有机肥处理、 常量配施处理、 常量化肥处理。在同一施肥水平下，有机肥投入量越多，其蔗糖酶的活性越高。

磷酸酶可加速有机磷的脱磷速度，磷酸酶活性对土壤磷素的有效性具有重要作用[11]。由图2可以看出，不施肥处理碱性磷酸酶活性最低，高量施肥水平下有机肥处理的碱性磷酸酶活性最高。各处理之间碱性磷酸酶活性的变化幅度很小，且随着有机肥投入量的增多而呈升高的趋势。

图2 有机肥与化肥长期施用对土壤酶活性的影响Fig.2 Effects of long-term manure and mineral fertilizer application on soil enzymatic activities

2.3.2 土壤酶活性与土壤肥力相关性分析 由表3可以看出，脲酶与土壤有效磷、 有机碳之间呈现出极显著或显著相关性。而碱性磷酸酶与全氮、 有效磷、 有机碳之间呈显著相关。过氧化氢酶与全氮、 有效磷呈显著负相关。蔗糖酶与全氮、 有效磷、 有机碳之间均呈极显著相关。而土壤酶之间脲酶与碱性磷酸酶、 蔗糖酶均呈极显著相关。过氧化氢酶则与其他三种酶呈显著或极显著负相关。由于本试验样本容量小，对于土壤酶活性和土壤养分之间的相关性有待于进一步的研究证实。

2.3.3 土壤脲酶与土壤各活性氮库组分之间的相关性分析 由表4可以看出，脲酶与土壤颗粒有机氮，可溶性有机氮呈现极显著的相关性，而与微生物量氮、 轻组有机氮呈现出显著相关性，显示出脲酶与土壤各活性氮库组分之间的密切相关性。

表3 长期定位施肥下土壤酶活性和土壤养分之间的相关性

表4 长期定位施肥下土壤脲酶和土壤活性氮组分之间的相关性

3 讨论

3.1 有机肥和化肥长期施用对土壤全氮及活性氮组分的影响

Gong等[20]和Yang等[21]通过田间长期定位施肥试验证实，单施化肥、 有机肥或是有机无机配施均能显著提高土壤全氮量，且随着有机肥投入量的增加，土壤全氮呈增加的趋势。本研究结果与前人研究结果一致。有机肥中包含大量的惰性有机物质，这是导致施有机肥土壤全氮增加的原因[22]。施入化肥刺激了土壤微生物，导致其分解有机质的速度加快，能给作物提供更多有效的养分，促进其生长的同时，有更多的枯枝落叶返回到土壤中，从而增加了土壤中全氮的含量[20]。

在本研究结果中，土壤颗粒有机氮、 可溶性有机氮、 轻组有机氮以及微生物量氮均表现出了与土壤全氮一致的趋势，即随着有机肥施入量的增加，土壤活性有机氮组分含量增加，这与Yan等[3]在水稻土上的结果一致。龚伟等[12]通过田间长期定位试验研究表明，在黄褐土上，施用有机肥以及有机无机配施的处理，其土壤颗粒有机氮的含量均高于单施有机肥的处理，这也与本研究结果一致。施入化肥后，加速了含有高氮的植物根茬的分解，而颗粒有机氮与轻组有机氮最初的来源均为植物残体，所以导致了土壤中颗粒有机氮及轻组有机氮的增加[22]。而有机肥中或许本身含有一些与活性氮组分相似的成分，也可能有机肥中含有大量微生物，微生物分解有机物质速度增加，从而引起了土壤活性氮组分的增加。本研究结果表明，无论是施肥量(高量施肥和常量施肥)不同，还是肥料种类(有机肥100%替代化肥和有机肥一半替代化肥)不同，有机肥较化肥或不施肥处理土壤微生物量氮有较大幅度的提高，究其原因，是由于施肥直接增加根系生物量及根系分泌物，促进了微生物的生长，有机肥不但增加了土壤养分，直接为微生物提供了充足的碳源，还通过同化作用将较多的氮素转移到微生物体内被暂时固定，减少了氮素的损失[23]。

3.2 有机肥和化肥长期施用对土壤酶活性的影响

土壤酶作为土壤生物活性及土壤肥力的重要组成部分，在土壤物质循环和能量转化中起着重要的催化作用，其活性可以反映土壤中各种生物化学反应的强度和方向[24]。本研究表明，长期施肥对土壤酶活性影响很大。对于土壤脲酶、 蔗糖酶、 碱性磷酸酶总的趋势是施肥高于不施肥。同一施肥水平下，有机肥施入量越多，酶的活性越高，这与王俊华等[25]和李娟等[26]的研究结果基本一致。施肥之所以能提高土壤酶活性是因为施肥可促进作物根系代谢，使根系分泌物增多, 微生物繁殖加快，从而有利于提高土壤酶活性[27]。施有机肥对提高土壤酶活性效果更佳，这是因为有机肥本身含有大量的酶类，而且有机肥可以为产酶微生物提供丰富的营养源，促进了土壤的生化过程; 另外随营养元素的施入，促进了作物生长，从而增加了根系分泌物，提高了土壤酶类活性[28]。但是，长期施肥却降低了土壤过氧化氢酶的活性，不施肥处理的过氧化氢酶活性最高，高量施肥水平下单施有机肥处理最低。这与孙瑞莲等[11]报道类似，但与高瑞和吕家珑[27]的报道相反。这可能与土壤类型、 气候条件、 种植制度等的不同有关。

4 结论

1)无论是常量施肥处理还是高量施肥处理，长期施肥显著提高了土壤全氮、 颗粒有机氮、 可溶性有机氮、 微生物量氮以及轻组有机氮的含量，长期施有机肥比长期施化肥更能提高土壤各活性氮库组分含量。

2)颗粒有机氮对土壤全氮的贡献率最高，且随施肥方式的改变而改变，与有机肥的施用量呈正相关，轻组有机氮对土壤全氮的贡献率不随施肥方式的改变而改变。

3) 长期施肥提高了土壤脲酶、 碱性磷酸酶、 蔗糖酶的活性，降低了过氧化氢酶的活性; 土壤脲酶、 转化酶和碱性磷酸酶之间及与土壤全氮、 速效磷及有机碳呈显著或极显著相关，脲酶与土壤各活性氮组分间存在显著或极显著相关性。

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