沼肥与化肥配施对不同质地棉田土壤酶活性的影响

张世明， 朱友娟， 张宏勇， 罗新宁

(1.塔里木大学植物科学学院， 新疆 阿拉尔 843300； 2.阿克苏职业技术学院植物科学系， 新疆 阿克苏市 843000； 3.中国人民解放军新疆军区麦盖提基地, 新疆 麦盖提县 844600)

沼肥与化肥配施对不同质地棉田土壤酶活性的影响

张世明1， 朱友娟2， 张宏勇3， 罗新宁1

(1.塔里木大学植物科学学院， 新疆 阿拉尔 843300； 2.阿克苏职业技术学院植物科学系， 新疆 阿克苏市 843000； 3.中国人民解放军新疆军区麦盖提基地, 新疆 麦盖提县 844600)

为了实现棉花经济施肥和农业废弃物资源化利用，试验在全生育期等氮量控制条件下，研究了沼肥与化肥配施对不同质地棉田土壤酶(尿酶、过氧化氢酶、蛋白酶和磷酸酶)活性的影响。结果表明，随着生育期的推进，不同施肥处理土壤土壤脲酶、过氧化氢酶、蛋白酶活性均呈先升后降的变化趋势，3种酶活性高峰均出现在花铃期； 壤土中花铃期沼肥氮配施化肥处理的脲酶、过氧化氢酶、蛋白酶平均活性分别比单施尿素处理高16.3%，8.7%，10.7%； 砂壤土中花铃期沼肥氮配施化肥处理的脲酶、过氧化氢酶、蛋白酶活性分别比单施尿素处理高15.2%，12.2%，17.9%； 而磷酸酶活性则呈折线上升变化，其活性最高值出现在吐絮期。壤土和砂壤土吐絮期沼肥氮配施化肥处理的磷酸酶活性分别比单施尿素处理高10.5%，7.7%。沼肥与化肥合理配施能显著提高土壤脲酶、过氧化氢酶、蛋白酶、磷酸酶活性，以基施75%沼肥氮基础上追施25%化学氮处理和基施50%沼肥氮基础上追施50%化学氮处理效果较好，单施尿素处理效果较差。在实际生产中棉田施肥时只需要基施25%沼肥氮配施75%化学氮肥就能起到调节土壤碳氮比，改善土壤理化性质，提高土壤生物活性，增加棉花产量的目的。

沼肥； 土壤质地； 酶活性； 棉田

随着社会和经济的发展，非再生资源的耗竭与环境污成为影响农业生产的重要因素。充分利用自然资源，改善生态环境，持续稳定地发展农业生产，已经成为人们研究的重要课题。沼肥是人畜粪便、农作物秸秆等各种有机物经厌氧发酵后的残余物。它含有营养元素、有机物质(如氨基酸、木质素等)、抗逆物质(如脯氨酸、亚油酸等)、各种水解酶、生长素(如脱落酸、赤霉素等)、抗生素及有益菌群等[1]多种物质, 对于促进植物生长、发育，改良土壤[2]，增强作物抗逆性[3]，提高作物产量和品质具有良好的作用[4-5]。

农业上关于沼肥的研究，主要集中在沼肥对农作物产量、品质及土壤耕层养分含量的影响，而有关沼肥科学组配化肥增效以及沼肥对土壤酶活性的研究报道较少。本试验在全生育期等氮量控制条件下研究了沼肥与化肥配施对棉田土壤酶活性的影响，以期为棉花经济施肥和农业废弃物资源化利用，改善土壤质量，促进农业可持续发展提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验点基本情况

试验于2013年和2014年在阿克苏市一杆旗乡进行。试点土壤母质为石灰性冲积物，土壤类型为林灌草甸土。试验地土壤质地为壤土和砂壤土。沼肥养分含量为：有机质40.6%，全氮1.52%，全磷1.16%，全钾0.54%。土壤相关数据见表1。

表1 试点土壤物理、化学性质

1.2 试验设计

同一区域(大田)内，选择壤土和砂壤土2个质地不同的样点进行试验。试验区面积约2600 m2。采用单因子随机区组试验设计，供试品种为中棉49，包衣种子。总施氮量为300 kg·hm-2，氮素施用量设置为5个处理，N1为对照，不施沼肥和尿素； N2只施尿素； N3为75%N由沼肥提供，25%尿素N提供； N4为50%N由沼肥提供，50%N由尿素提供； N525%N由沼肥提供，75%N由尿素提供。各处理磷钾肥用量相同，如下表。4月21日播种。播前结合整地深施三料磷肥(46%)150 kg·hm-2，硫酸钾150 kg·hm-2, 尿素(46%)20%作为基肥，80%作追肥。追肥3次，分别在初花期、花铃期、铃期结合灌水施入。小区长度为7.5 m，宽度为4.2 m, 面积31.5m2。株行距配置为(20+40+20+60)cm×10 cm。4月21日播种，10月20日收获。其他田间管理措施参照高产棉田进行。试验小区3次重复。

表2 试验处理表 (kg·hm-2)

1.3 采样与测定

棉花苗期、蕾期、花铃期、吐絮期取样测定土壤酶活性。各处理随机取3个点，每个点挖10株棉花，用抖根法取根系土壤，用于测定土壤酶活性。

2 结果与分析

2.1 沼肥与化肥配施对土壤酶活性的影响

2.1.1 沼肥与化肥配施对土壤脲酶活性的影响

脲酶是土壤酶中唯一对尿素在土壤中的转化作用具有影响的酶。施入土壤的尿素只有在脲酶参与下才能水解为氨、二氧化碳和水，它能够加速土壤中酰胺态氮的有效化, 因而土壤中脲酶活性可以作为衡量土壤肥力的指标之一。

图1和图2表明，在不同质地的棉田土壤中，脲酶均表现出先升高后降低的趋势特征。

苗期在壤土中，加入沼肥处理的土壤与无沼肥处理的土壤脲酶活性差异显著。其中N3处理脲酶活性最高，为3．24 mg·g-1，与N1和N2相比差异显著； 与N4和N5相比差异不显著。

图1 不同处理对壤土脲酶活性的影响

图2 不同处理对砂壤土脲酶活性的影响

苗期在砂壤土中，加入沼肥处理的土壤脲酶活性N3和N4分别为3．48 mg·g-1，3.26 mg·g-1，二者之间差异不显著，但与无沼肥的N1和N2处理相比差异极显著。N1和N2之间差异不显著。

蕾期两种质地土壤脲酶活性有所提高。壤土中N3和N4脲酶活性较高，二者之间差异不显著，但与N1，N2，N5之间差异显著； 砂壤土中加入沼肥处理的土壤脲酶活性与无沼肥的处理相比差异极显著。N3，N4，N5分别比N1高出32.8%，29.8%，27.3%； 比N2分别高出25.2%，21.9%，19.2%。

花铃期阶段，壤土、砂壤土中脲酶活性均达到最高值。壤土中N3，N4，N5与N1，N2处理相比差异极显著。N3，N4，N5分别比N1高19.2%，17.7%，9.7%； 比N2分别高16.7%，15.3%，7.1%。砂壤土中加入沼肥处理的N3，N4脲酶活性显著高于对照和化肥处理，分别比N1高19.2%，17.7%。

吐絮期阶段，各处理脲酶活性迅速降低。壤土中，各处理的脲酶活性降至3.29 mg·g-1～3.74 mg·g-1，平均3.54 mg·g-1； 砂壤土中N3，N4，N5脲酶活性相对较高，分别为3.21 mg·g-1，3.02 mg·g-1，2.98 mg·g-1，显著高于对照和化肥处理。除壤土中吐絮期各处理差异不显著之外，在氮素投入量相等的情况下，沼肥与化肥配施能够改良根际土壤环境，提高脲酶活性，从而促进尿素转化和根系对氮素的吸收利用。

2.1.2 沼肥与化肥配施对过氧化氢酶活性的影响

土壤过氧化氢酶能够促进过氧化氢的分解，避免过氧化物在细胞内大量积累造成对机体的伤害。

图3和图4表明，壤土中过氧化氢酶活性表现出降低、升高、降低的变化趋势，砂壤土表现出先升高再降低的变化趋势。

图3 不同处理对壤土过氧化氢酶活性的影响

图4 不同处理对砂壤土过氧化氢酶活性的影响

苗期壤土中N3，N4，N5处理的过氧化氢酶活性均高于未施沼肥处理，过氧化氢酶活性大小为N3>N4>N5>N2>N1。砂壤土中过氧化氢酶活性大小为N3>N5>N4>N2>N1。

蕾期壤土中各处理的过氧化氢酶活性略有降低或与苗期持平。N3，N4，N5处理之间差异不显著，但与未施沼肥处理之间差异显著。N3，N4，N5处理过氧化氢酶活性分别比N1高19.7%，20.9%，17.6%，分别比N2高14.5%，15.7%，12.1%。砂壤土中各处理的过氧化氢酶活性与苗期相比迅速升高。N3,N4,N5处理的过氧化氢酶活性分别为2.57 mg·g-1，2.33 mg·g-1，2.14 mg·g-1，比N1，N2分别高22.9%，15.0%，7.4%和19.4%，11.1%，3.2%。

过氧化氢酶活性最高值出现在花铃期。壤土中，N3，N4，N5处理过氧化氢酶活性较高，比化肥处理N2分别高8.6%，9.4%和5.8%，比对照处理N1分别高10.4%，11.2%和7.6%。砂壤土中情况有所不同，N3处理过氧化氢酶活性最高，与N4，N5差异极显著。N4，N5过氧化氢酶活性显著高于N1，N2。

吐絮期壤土和砂壤土中各处理的过氧化氢酶活性迅速降低。壤土中沼肥处理的过氧化氢酶活性平均为2.34 mg·g-1，比不施沼肥处理的N1，N2分别高12.3%和7.2%。砂壤土中沼肥处理的过氧化氢酶活性平均为1.93 mg·g-1，比不施沼肥处理的N1，N2分别高12.9%和9.8%。

2.1.3 沼肥与化肥配施对蛋白酶活性的影响

蛋白酶能使蛋白质水解生成多肽和氨基酸，促进土壤中氮素的转化，使蛋白质等含氮化合物水解为氨，供植物吸收利用。

图5 和图6表明，蛋白酶活性随着生育时期的推进表现出单峰曲线的变化趋势，至花铃期各处理的蛋白酶活性均达到最高值。壤土中，苗期N2，N3，N4，N5处理的蛋白酶活性与N1差异显著，蕾期各处理蛋白酶活性迅速增加，N2，N3，N4，N5处理间差异减小，至花铃期各处理蛋白酶活性达到最大值。此时N3，N4，N5处理蛋白酶活性差异不显著，但与N1，N2相比差异显著。

砂壤土中，各处理蛋白酶活性的变化与壤土中相似。苗期各处理蛋白酶活性大小为N3>N4>N5>N2>N1。蕾期各处理蛋白酶活性大幅增高，至花铃期达到最高值。此期N3，N4，N5处理蛋白酶活性与N1，N2差异显著，分别比N1，N2处理高36.5%，27.7%，24.6%和23.1%，12.5%，8.7%。进入吐絮期，各处理蛋白酶活性均降低。砂壤土中，苗期、蕾期、花铃期、吐絮期全施尿素处理的蛋白酶活性与沼肥配施化肥处理差异显著，N3，N4，N5处理平均值分别比全施尿素处理的蛋白酶活性高34.8%，25.8%，15.2%，21.5%。可见，沼肥和尿素配合处理显著增加了根际土壤蛋白酶活性，有利于土壤多源氮素的有效转化。

图5 不同处理对壤土蛋白酶活性的影响

图6 不同处理对砂壤土蛋白酶活性的影响

2.1.4 沼肥与化肥配施对磷酸酶活性的影响

土壤磷酸酶在有机磷的活化和固定中起着重要作用，它既能矿化有机磷，又能促进植物对无机磷的吸收，从而调节土壤磷素供应。图7和图8表明壤土、砂壤土中不同处理的土壤磷酸酶活性呈直线加平台的增长趋势。

图7 不同处理对壤土磷酸酶活性的影响

图8 不同处理对砂壤土磷酸酶活性的影响

壤土中，苗期、花铃期、吐絮期沼肥处理的土壤磷酸酶活性显著高于单施化肥和对照处理。苗期、花铃期、吐絮期沼肥处理的土壤磷酸酶活性平均值比单施化肥分别提高了27.5%，15.8%和10.5%； 比对照处理分别提高了25.4%，27.7%和21.4%； 蕾期沼肥处理的土壤磷酸酶活性与单施化肥处理差异不显著，与对照处理差异显著。

砂壤土中，蕾期、花铃期、吐絮期沼肥处理的土壤磷酸酶活性显著高于单施化肥和对照处理。蕾期、花铃期、吐絮期沼肥处理的土壤磷酸酶活性比单施化肥分别提高了9.7%，8.9%和7.7%； 比对照处理分别提高了10.1%，15.9%和14.2%； 苗期沼肥处理的土壤磷酸酶活性与单施化肥处理差异不显著，与对照处理差异显著。

从以上分析可以得出，在氮素投入量相等的情况下，沼肥与化肥配施能够改善根际土壤环境，提高土壤磷酸酶活性，从而促进难溶性磷的有效化和根系对磷素的吸收利用。

3 讨论与结论

土壤酶参与了土壤腐殖质及多种有机化合物的分解与合成、土壤养分的固定与释放、各种氧化还原反应等生物化学和物质循环过程，因此土壤酶活性可以作为评价土壤生物活性和土壤肥力的重要指标。研究表明，蛋白酶、脲酶能够催化有机态氮转化为无机态，对土壤含氮化合物的活化具有重要作用，同时脲酶具有对尿素水解具有专一性，从而对于提高氮肥利用率具有积极影响； 磷酸酶能够水解土壤有机磷，对增加土壤磷的有效性具有良好的影响； 过氧化氢酶能促进过氧化氢分解，有利于解除过氧化氢对植株的毒害作用而提高土壤肥力。但是，土壤酶活性受施肥种类、土壤环境、栽培管理措施等因素影响。许多研究表明，作物残体还田可通过改善土壤水热状况影响微生物区系和土壤酶活性[7]； 增施有机物料和化学肥料有利于调节土壤碳氮比，改善土壤理化性质，提高土壤酶活性和平衡土壤微生物区系； 施用有机肥能够提高土壤酶活性，并且随着施用量的增加酶的活性增加[8]。太湖地区水稻土长期肥力试验结果表明，施用氮磷钾和秸秆还田都有增加土壤酸性磷酸酶、碱性磷酸酶、脱氢酶和脲酶活性的效果，而且随秸秆还田量的增加，酶活性明显增加[9]。何炎森[10]等通过丘陵旱地砂园土有机无机肥料配施试验，发现有机无机肥料配施可以为蔗糖酶, 尿酶、蛋白酶、过氧化物酶提供底物，在一定范围内，底物越多，酶活性越强，且随着时间的延长，土壤酶活性持续提高。本研究对不同质地棉田土壤中化肥与沼肥配施的结果表明，单施化肥与沼肥配施化肥都能增加土壤脲酶、过氧化氢酶、蛋白酶、磷酸酶活性。随着沼肥替代量的增加，酶的活性显著增强。可能是因为沼肥本身就是微生物发酵的产物，施入沼肥在增加土壤微生物数量的同时也丰富了土壤酶的类型。沼肥作为微生物活动的良好基质，为微生物提供了充足的能源，促进了微生物的代谢和繁育，从而使土壤酶活性发生显著变化。对不同土层土壤酶活性的研究表明，秸秆还田和有机肥处理表层(0～20 cm)土壤脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性均显著高于20～40 cm和40～60 cm土层。可能是因为表层土壤能较好地与外界进行物质和能量的交换，提供了利于微生物繁殖和旺盛活动的空间，对土壤酶具有激活效应。随着土层加深，土壤的物理、化学、生物性状等均不利于微生物的活动与繁殖，导致了酶活性降低。

在试验条件下，沼肥配施氮素处理提高了棉田苗期、蕾期、花铃期、吐絮期的土壤脲酶、过氧化氢酶、蛋白酶、磷酸酶活性； 土壤质地的差异，造成土壤酶活性的不同，相同的处理壤土中4种土壤酶活性普遍高于砂壤土。基施75%沼肥氮肥+追施25%化学氮肥处理在各棉花生育时期酶活性最高，但与基施25%沼肥氮肥+追施75%化学氮肥、基施50%沼肥氮肥+追施50%化学氮肥处理相比差异不显著，同时基施75%沼肥氮肥+追施25%化学氮肥处理的产量较差，表明在棉花生长发育的关键时期，速效养分的供应尤其是氮素供应不能满足棉花生长的要求，造成对棉花产量的影响。因此在实际生产中棉田施肥时只需要基施25%沼肥氮肥+追施75%化学氮肥就能起到调节土壤碳氮比，改善土壤理化性质，提高棉花产量的目的。

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Effects of Combined Application of Biogas Manure and Chemical Fertilizer on Enzyme Activities of Different Soil in Cotton Fields /

ZHANG Shi-ming1, ZHU You-juan2, ZHANG Hong-yong3, LUO Xin-ning1/

(1.College of Plant Science，Tarim University, Alar 843300, China; 2. Akesu Vocational and Technology College, Akesu 843000, China; 3.Markit Base of People's Liberation Army of Xinjiang Military Region, Markit 844600, China)

To achieve cotton plant economic fertilization and agricultural waste recycling use, the effects of combined application of biogas fertilizer and chemical fertilizer on the activity of soil enzyme,induding urease，protease, catalase and phosphates in cotton rhizosphere,were studied. The result showed that, under the condition of same N application rate, with development of cotton growth period, the activity of urease，protease, catalase in soil showed a trend of decrease after the initial increase. Their activity peaks are all at flowering and boll-forming stage. Compared with the sole application of chemical fertilizer, the activity of urease，protease, catalase in combined application were increased by 16.3%, 8.7% and 10.7% for loam,respectively； and that were increased by 15.2%, 12.2% and 17.9% for sandy loam. The activity of phosphatase showed a linear increasing, its peak appeared in the boll opening period, the activity of phosphatase of combined application in loam and sandy loam were increased by10.5% and 7.7%. Combined application improved the activities of urease，protease, catalase and phosphates significantly in cotton rhizosphere soil.Applying 75% of biogas fertilizer N as basal plus 25% of chemical N as topdressing and applying 50% of biogas fertilizer N as basal plus 50 % of chemical N as topdressing had the better effect，while applying sole conventional urea fertilizer had the effect of worst. In practice, applying 25% of biogas fertilizer N as basal plus 75 % of chemical N as topdressing could adjust the soil carbon and nitrogen ratio, improve the physical and chemical properties of soil, and increase soil biological activity, achieve the purpose of increasing cotton production.

biogas manure; soil texture; enzyme activities; cotton field

2015-11-10

项目来源： 公益性行业(农业)科研专项(20100314)； 塔里木大学校长基金博士项目(TDZKBS201201)

张世民(1991-)，男，河南许昌人，硕士，研究方向为作物高产优质高效栽培理论与技术，E-mail：1509868728@qq.com

罗新宁，E-mail：luoxinning04@163.com

S216.4

B

1000-1166(2016)06-0104-06