蚯蚓粪与化肥配施对西瓜地土壤活性有机碳及酶活性的影响

王明友, 张 红， 李士平， 薛玉剑

(德州学院 生态与园林建筑学院, 山东 德州 253023)

蚯蚓粪与化肥配施对西瓜地土壤活性有机碳及酶活性的影响

王明友, 张 红， 李士平， 薛玉剑

(德州学院 生态与园林建筑学院, 山东 德州 253023)

摘要：[目的] 探讨蚯蚓粪与化肥配施对西瓜种植的作用，为土壤培肥制度的建立及西瓜生产提供参考。 [方法] 以“黑彤K-8”为试材，通过大田试验研究了N100(尿素提供100%的氮)、M10N90(蚯蚓粪和尿素分别提供10%和90%的氮)、M30N70(蚯蚓粪和尿素分别提供30%和70%的氮)和M50N50(蚯蚓粪和尿素各提供50%的氮)等不同处理对土壤活性有机碳、碳库管理指数(CPMI)、酶活性和西瓜产量的影响。 [结果] 同N100处理相比，配施蚯蚓粪处理的高活性、中活性和活性有机碳含量均明显升高；M30N70处理的活性有机碳含量和CPMI显著高于其他处理，比N100处理分别高出30.10%和37.28%；同时，脲酶和蔗糖酶活性亦明显高于其它处理，其中蔗糖酶活性分别较CK， N100， M10N90和M50N50处理提高84.66%，62.33%，47.26%和22.46%。此外，M30N70处理的西瓜产量和肥料生产率最高，它可使西瓜产量分别比N100，M10N90和M50N50处理高出26.49%，13.34%，6.27%；M30N70处理的肥料生产率分别比N100，M10N90和M50N50处理高出166.50%，54.11%，21.37%。相关分析结果表明，运用土壤活性有机碳和碳库管理指数表征土壤酶活性、西瓜产量及肥料生产率的变化，比土壤总有机碳更具灵敏性。 [结论] 蚯蚓粪与化肥配施对西瓜生长具有显著的促进生长效果，其中3∶7比例配施的效果优于1∶9和5∶5比例。

关键词：西瓜; 蚯蚓粪; 活性有机碳; 碳库管理指数; 酶活性; 肥料生产率

土壤有机碳是土壤的重要组成部分，它影响土壤的物理、化学及生物性质，在土壤肥力和植物营养中具有多方面的重要作用[1]。但土壤有机碳的数量只是一个矿化分解和合成的平衡结果，不能很好地反映转化速率和土壤有机碳质量的变化，而活性有机碳与土壤有效养分、土壤的物理性状、耕作措施等具有更密切的关系，因而成为评价土壤质量及土壤管理的一个重要指标[2-3]。目前，国内外关于活性有机碳的划分做了大量的研究，较有代表性的有Logninow等[4]提出KMnO4氧化法,根据有机碳被3种不同浓度的KMnO4(33,167,333 mmol/L)氧化的数量，将易氧化有机碳分成高活性有机碳、中活性有机碳、活性有机碳3个程度不同的级别。1995年Blair等[5]采用KMnO4氧化法测定了活性有机碳，并提出土壤碳库管理指数(CPMI)。CPMI是土壤管理措施引起土壤有机碳变化的指标，能够系统、敏感地监测土壤碳的变化，反映农作措施使土壤质量下降或更新的程度[6]。土壤酶活性作为衡量土壤质量变化的预警和敏感指标，表征了土壤的综合肥力特征及土壤养分转化进程，它反映了土壤中各种生物化学过程的强度和方向[7]。土壤活性有机碳和土壤酶活性这两个表征土壤质量和土壤肥力的重要指标，可用来了解或预测某些营养物质的转化情况以及土壤肥力的演变趋势。

蚯蚓粪具有良好的团粒结构，疏松适度，酸碱度中性，且有保水保肥性能；同时其矿质养分丰富，有机质含量多，含有多种利于植物生长的酶、腐殖质和植物激素类物质。中国从20世纪80年代开始兴起蚯蚓养殖业，北京、河北、宁夏等地区都建有不同规模的蚯蚓养殖场，蚯蚓粪年产量达数1.0×105t[8]。前人关于蚯蚓粪进行了大量的研究，并取得了显著的成效，但主要集中在黄瓜、花卉等作物上[9-10]，而关于蚯蚓粪在西瓜方面的研究报道较少，尤其是关于蚯蚓粪与化肥配施对西瓜地土壤活性有机碳、土壤酶活性以及它们之间的相关性分析的研究尚属空白。为此，本研究选用经蚯蚓吞食牛粪后产生的蚓粪为供试原料，探讨蚯蚓粪与化肥以不同比例配施对土壤活性有机碳、碳库管理指数、土壤酶活性和西瓜产量的影响，并对它们之间的相关性进行了分析，旨在为土壤培肥制度的建立及西瓜生产提供参考。

1材料与方法

1.1　试验地点与供试材料

试验地点设在德州市运河经济开发区芦庄村九龙湾生态园，供试土壤为轻壤土，土壤速效氮、磷和钾的含量分别为92.07，35.18，105.49 mg/kg，有机质含量为14.89 g/kg。供试蚯蚓粪为蚯蚓吞食牛粪后的产物，全量N，P，K含量分别为1.68%，1.29%和0.95%，有机碳含量为196.35 g/kg，活性有机碳含量为105.72 g/kg；所用化肥为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O512%)和硫酸钾(含K2O 50%)。西瓜品种为“黑彤K-8”，拱棚栽培，密度为7 500株/hm2。

1.2　试验设计

西瓜种子经过40 d的育苗后，在2013年3月28日移栽到拱棚里，随机区组设计，设5个处理：CK，不施肥；N100，100%的氮由尿素提供；M10N90，10%的氮由蚯蚓粪提供，90%的氮由尿素提供；M30N70，30%的氮由蚯蚓粪提供，70%的氮由尿素提供；M50N50，50%的氮由蚯蚓粪提供，50%的氮由尿素提供。每个处理重复3次，每小区面积为3.8×12=45.6 m2，共计15个小区。除CK外，各处理均为等养分量，N，P和K含量相当于315，75和240 kg /hm2，各处理P和K不足部分分别用过磷酸钙、硫酸钾补足。各处理的肥料均在移苗前一次性施入土壤。

1.3　测定项目与方法

2013年6月2日(收获期)，在各小区按S形选取6点，用土钻法取0—20 cm土层土样，混合均匀后带回实验室，风干过0.25 mm筛后测定土壤有机碳等指标，过1 mm筛后测定土壤酶活性。同时，每区选择有代表性的15棵计算产量和肥料生产率。

土壤总有机碳和土壤酶的测定：土壤总有机碳采用重铬酸钾氧化外加热法；过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法；中性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法；脲酶采用靛酚蓝比色法；蔗糖酶采用3，5—二硝基水杨酸比色法[11]。

土壤活性有机碳测定及CPMI计算：采用33，167，333 mmol/L KMnO4氧化法分别测定土壤样品中高活性有机碳、中活性有机碳和活性有机碳含量。以对照处理土壤为参照。碳库指数及CPMI等相关指标参照徐明岗等[12]的方法计算：

碳库指数(CPI)=样品总有机碳含量(g/kg)/参考土壤总有机碳含量(g/kg)

碳库活度(L)=样品中的活性有机碳(LOC)/样品中的非活性有机碳(NLOC)

碳库活度指数(LI)=样品碳库活度/参考土壤碳库活度

CPMI=CPI·LI×100

1.4　数据处理

采用SPSS 17.0软件进行数据统计分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同处理组间的差异，显著性水平设定为α=0.05。

2结果与分析

2.1　土壤活性有机碳和碳库管理指数

从表1可知，各处理土壤总有机碳含量的大小次序为：M50N50>M30N70>M10N90>N100≈CK，说明配施蚯蚓粪处理相比单施化肥显著提高了西瓜地土壤的总有机碳含量，且随蚯蚓粪所占比例的增加，其总有机碳含量呈递增的趋势。M30N70处理的活性有机碳含量最高，并显著高于其它处理；依次是M50N50，M10N90处理，显著高于CK和N100处理；同N100处理相比，M30N70，M50N50和M10N90处理的活性有机碳含量分别高出30.10%，24.23%和18.62%，且活性有机碳占总有机碳的比重分别达到30.56%，27.19%和28.97%，亦高于N100处理(25.82%)。与活性有机碳相比，中活性有机碳和高活性有机碳含量相对较低，分别为1.04～1.43 g/kg和0.36～0.58 g/kg。M30N70，M50N50和M10N90处理的中活性和高活性有机碳含量较N100处理显著升高，且中活性和高活性有机碳占总有机碳的比重分别由6.92%和2.37%提高到7.91%～8.33%和3.07%～3.48%；同时可见，M30N70处理的中活性和高活性有机碳占总有机碳的比重均最高。此外，M30N70处理的CPMI显著高于其它处理，分别比N100，M10N90和M50N50处理高出37.28，14.44和11.87；其次是M50N50和M10N90处理，亦明显高于N100处理。总之，蚯蚓粪与化肥配施处理的总有机碳、3种活性有机碳含量及碳库管理指数较对照和单施化肥得到明显提升，这表明配施蚯蚓粪不仅提高了土壤有机碳数量，而且改善了土壤有机碳质量，提高了土壤的综合生产力。

表1　不同处理对西瓜地土壤活性有机碳及碳库管理指数的影响　g/kg

注：表中数据为平均值+标准差；同列不同小写字母表示处理间差异显著(p<0.05)。下同。

2.2　土壤酶活性

土壤过氧化氢酶在一定程度上表征了土壤生物氧化过程的强弱和土壤微生物活动的强度，在有机质氧化和腐殖质形成过程中起着重要作用。脲酶、磷酸酶和蔗糖酶作为3种不同水解酶参与有机化合物的水解反应，对于丰富土壤中能被植物和微生物利用的可溶性营养物质有重要作用[13]。由表2可见，各处理过氧化氢酶和中性磷酸酶活性的变化规律为：M30N70≈M50N50>M10N90>N100>CK，得出M30N70与M50N50处理的过氧化氢酶、中性磷酸酶活性均无显著性差异，但明显高于其它处理；其次是M10N90处理，也明显高于CK和N100。M30N70处理的脲酶和蔗糖酶活性最高，并显著高于其它处理，M30N70处理的脲酶活性分别比CK，N100，M10N90和M50N50处理提高了38.13%，16.36%，10.98%，8.47%，M30N70处理的蔗糖酶活性分别比CK，N100，M10N90和M50N50处理8提高了4.66%，62.33%，47.26%，22.46%。M50N50处理的蔗糖酶活性显著高于M10N90处理，而脲酶活性与M10N90处理差异不显著，但显著高于CK和N100处理。由此可见，配施蚯蚓粪处理的过氧化氢酶、中性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性均明显高于单施化肥，而在蚯蚓粪与化肥的3个不同配施处理中，随着蚯蚓粪所占比重的增加，脲酶和蔗糖酶活性呈现先升高后降低的变化趋势。

表2　不同处理对西瓜地土壤酶活性的影响

注：过氧化氢酶单位为ml/(g· h)；中性磷酸酶单位为mg/(g·24 h)；脲酶单位为mg/(g·h)；蔗糖酶单位为ml/(g·h)。

2.3　西瓜产量与肥料生产率

不同处理对西瓜产量和肥料生产率的影响如图1所示。由图1可见，施肥处理的西瓜产量相比对照均有显著的提高。在各施肥处理中，M30N70处理的产量最高，并显著高于其它处理，分别比N100，M10N90和M50N50处理高出26.49%，13.34%和6.27%；依次是M50N50和M10N90处理，也明显高于N100处理。各施肥处理的肥料生产率大小次序为：M30N70>M50N50>M10N90>N100，且处理间差异均达显著水平。M30N70处理的肥料生产率分别比N100，M10N90和M50N50处理提高166.50%，54.11%和21.37%；其次是M50N50和M10N90处理，分别比N100处理提高119.58%和72.92%，差异达显著水平。试验数据表明，与单施化肥相比，配施蚯蚓粪处理明显提高了西瓜产量和肥料生产率；而在配施蚯蚓粪的3个处理中，3∶7比例配施的产量和肥料生产率显著高于1∶9和5∶5比例，表明并非蚯蚓粪所占的比重越大，其产量和肥料生产率就越高。

2.4　相关性分析

有研究认为，绝大多数土壤酶活性与土壤有机碳含量呈显著正相关，在很大程度上影响着土壤肥力水平[3]。对土壤3种不同程度的活性有机碳、总有机碳、碳库管理指数与土壤酶活性及西瓜产量、肥料生产率进行相关分析结果表明(表3)，3种活性有机碳之间极显著相关，且与总有机碳呈显著(或极显著)相关；CPMI与3种活性有机碳的相关性均高于它与总有机碳的相关性，这表明活性有机碳既区别于总有机碳又与总有机碳密切相关，是土壤总有机碳的一部分。

注：肥料生产率=(处理产量-CK产量)/处理总养分投入量

图1　不同处理对西瓜产量及肥料生产率的影响

注: *表示显著性相关(p<0.05)，**表示极显著性相关(p<0.01)。

土壤酶活性之间的相关分析表明，除过氧化氢酶与蔗糖酶之间相关性不显著外，其余土壤酶之间的相关性均达到显著水平，说明土壤酶在进行酶促反应时，不但具有自身专一性，而且还存在着一些共性，可在总体水平上反映土壤肥力水平的高低。西瓜产量、肥料生产率与中活性有机碳、活性有机碳及CPMI极显著相关，与高活性有机碳显著相关，而与总有机碳无显著相关性，表明活性有机碳和CPMI更能准确反映土壤肥力和土壤质量的变化，是描述土壤质量和评价土壤管理的良好指标；同时还发现，肥料生产率与高活性有机碳、中活性有机碳、活性有机碳及CPMI的相关性均高于产量与它们的相关性，这说明肥料生产率相比产量，与活性有机碳和碳库管理指数的关系更为紧密。土壤总有机碳和活性有机碳与脲酶、中性磷酸酶和蔗糖酶显著(或极显著)相关，而与过氧化氢酶相关性不显著；活性有机碳与土壤酶的相关性基本上高于总有机碳与土壤酶之间的相关性，表明活性有机碳对土壤酶活性的影响更为明显。

3讨 论

土壤有机碳的活性成分对土壤养分、植物生长，乃至环境都有直接的影响，在现代土壤研究中非常重视土壤活性有机碳的作用[14]。对土壤活性有机碳及碳库管理指数的研究，能够明确土壤管理和施肥的科学性。试验结果表明，与单施化肥相比，配施蚯蚓粪处理明显提高了西瓜地土壤中总有机碳、3种活性有机碳含量及CPMI，这与张迪等[15]在黑土上的研究结果一致。主要原因在于： (1) 蚯蚓粪的施入为土壤提供了直接的有机碳源，增加了土壤的有机碳库； (2) 配施蚯蚓粪能显著促进西瓜根系和微生物的活动，刺激了微生物活性，从而增加了进入土壤的根系分泌物及有机残体数量，故有利于生成活性有机碳，并提高了CPMI。本试验还得出，单施化肥的CPMI相比对照有下降的趋势，但未达到显著水平，这与张继光等[16]在红壤上的研究结果不完全一致，可能与土壤理化性状差异及西瓜生长周期短有关。同时还发现，在配施蚯蚓粪的3个处理中，蚯蚓粪与化肥以3∶7比例配施对土壤活性有机碳和CPMI的提高幅度明显大于1∶9和5∶5比例，这主要是因为3∶7比例搭配能更好地调节土壤的C/N比，为微生物生长创造了优越的环境。此外，相关性分析表明，CPMI与3种活性有机碳的相关性明显高于它与总有机碳的相关性，这进一步印证了活性有机碳相比总有机碳对施肥管理措施的反映更灵敏，对植物养分的供应也更直接，能够更准确、更实际地反映土壤肥力和土壤物理性状的变化。

土壤酶在生态系统的有机质分解和养分循环所必需的催化反应中起着重要作用，涉及一系列的植物、微生物、动物及其分泌物[17]；土壤酶活性的变化能够改变作物吸收养分的有效性，而这些变化是土壤质量的潜在敏感指标[18]。本试验表明，蚯蚓粪与化肥配施处理较单施化肥显著提高了西瓜地土壤的过氧化氢酶、中性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性，这与申进文等[19]和田小明等[14]的研究结果相似。主要是由于蚯蚓粪与化肥的配施更新和增加了土壤有机质，改良了土壤结构，促进了土壤微粒的团聚作用，增强了通气与水分的渗透性和保水能力，改善了土壤微生物环境，使土壤微生物数量增加[20]，从而使土壤酶活性得到显著提高。本试验还发现，配施蚯蚓粪明显提高了西瓜产量和肥料生产率，这进一步说明配施有机肥在保持、改善和提高土壤肥力，增强微生物活性，促进农作物高产、优质等方面具有不可替代的作用。同时还得出，配施蚯蚓粪处理的肥料生产率显著高于单施化肥，这对于提高肥料的利用效率，减轻环境污染、改善生态环境具有重要意义。进一步比较得出，蚯蚓粪与化肥以3∶7比例配施对土壤酶活性、西瓜产量和肥料生产率的总体促进效果明显优于1∶9和5∶5比例，可能是由于3∶7比例能较好地改善土壤理化性状和根际微域环境，并能增强根系对养分的吸收能力，故明显促进了西瓜的生长，且提高了肥料利用率，这也说明蚯蚓粪与化肥的搭配比例是关键因素。从相关性分析可知，除过氧化氢酶以外，土壤总有机碳和活性有机碳与中性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶均达到显著(或极显著)相关，这表明土壤酶活性在总体上可用来指示施肥过程中土壤质量的演变过程。此外，土壤酶活性与活性有机碳的相关性基本上高于其与总有机碳之间的相关性，说明土壤酶活性更适合用来了解或预测某些营养物质的转化情况以及土壤肥力的演变趋势。但在其它类型土壤中或施用其它有机肥是否也具有这种相关性，有待于进一步深入研究。

4结 论

与N100处理相比，配施蚯蚓粪处理的高活性、中活性和活性有机碳含量均明显升高；M30N70处理的活性有机碳含量和CPMI显著高于其他处理，比N100处理分别高出30.10%和37.28；同时，脲酶和蔗糖酶活性亦明显高于其它处理，其中蔗糖酶活性分别比CK，N100，M10N90和M50N50处理提高了84.66%，62.33%，47.26%和22.46%。此外，M30N70处理的西瓜产量和肥料生产率最高，并明显高于其它处理，M30N70处理的西瓜产量分别比N100，M10N90和M50N50处理高出26.49%，13.34%，6.27%，M30N70处理的肥料生产率分别比CK，N100，M10N90和M50N50处理提高了166.50%，54.11%，21.37%。相关分析表明，运用土壤活性有机碳和碳库管理指数表征土壤酶活性、西瓜产量及肥料生产率的变化，比土壤总有机碳更具灵敏性。综合分析认为，蚯蚓粪与化肥配施在西瓜种植中具有显著的促进效果，其中3∶7比例配施的效果优于1∶9和5∶5比例。

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Effects of Vermicompost and Inorganic Fertilizer Co-application on Soil Labile Organic Carbon and Enzyme Activity in Watermelon Farmland

WANG Mingyou, ZHANG Hong, LI Shiping, XUE Yujian

(CollegeofEcologyandGardenArchitecture,DezhouUniversity,Dezhou,Shandong253023,China)

Abstract：[Objective] The effects of vermicompost co-applied with inorganic fertilizer were measured in a watermelon field to provide some references for soil improvement and watermelon plantation. [Methods] Five treatments with different mixture ratios of nitrogen(supplied from urea) and vermicomppost were set in a field experiment they were CK(neither urea nor vermicompost was applied), N100(100% of nitrogen), M10N90(10% vermicompos and 90% of nitrogen), M30N70(30% vermicompost and 70% nitrogen), and M50N50(50% vermicompost and 50% nitrogen). Soil labile organic carbon, carbon pool management index(CPMI), enzyme activity and yield of watermelon were measured. [Results] The contents of highly labile organic carbon, mid-labile organic carbon and labile organic carbon significantly increased under M10N90, M30N70and M50N50treatments in comparison with N100treatment. The labile organic carbon content and CPMI in M30N70treatment were obviously higher than that of other treatments, increased 30.10% and 37.28% as compared with N100treatment, respectively. At the same time, the M30N70treatment markedly increased in urease and invertase activities in comparison with other treatments, showing 84.66%, 62.33%, 47.26% and 22.46% increments in invertase activities over the values of CK, N100, M10N90and M50N50, respectively. In addition, the yield and fertilizer productivity of watermelon also achieved the highest value in M30N70treatment and had significant differences with other treatments, obtained 26.49%, 13.34%, 6.27% and 166.50%, 54.11%, 21.37% increments as compared with the treatments of N100, M10N90and M50N50, respectively. Correlation analysis revealed that soil labile organic carbon and carbon pool management index may be better indicators than soil total organic carbon in reflecting the changes of soil enzyme activities, yield and fertilizer productivity of watermelon. [Conclusion] The application of vermicompost co-applied with inorganic fertilizer, especially the M30N70treatment, had remarkable promotion effect in watermelon plantation.

Keywords:watermelon; vermicompost; labile organic carbon; carbon pool management index; enzyme activity; fertilizer productivity

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2015)04-0101-06

中图分类号：S157.4+1

收稿日期：2014-05-29修回日期：2014-06-17

资助项目：山东省科技发展计划项目“鲁西北地区新型日光温室及其蔬菜生产关键技术研究集成与示范”(2012GNC11108)

第一作者：王明友(1964—),男(汉族),山东省安丘市人,学士,教授,主要从事蔬菜高产生理生态方面的教学与研究工作。E-mail:nwmy_sddz@163.com。