沼灌负荷对紫色土土壤酶活性及氮、磷迁移的影响

余薇薇，谢明扬，朱家悦，杜邦昊，杨　伦

(重庆交通大学/水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074)

1　材料和方法

1.1　供试材料

供试土壤为紫色土，取自重庆某奶牛养殖场周边的耕地。土壤pH值为5.9～6.2，含有机质12.29 g/kg、有效磷6.44 mg/kg、碱解氮98.31 mg/kg，其转化酶活性为0.03 mL/g，酸性磷酸酶活性为0.51 mg/g，脲酶活性为0.92 mg/g。沼液自配，成分参考养殖场的沼液，TP含量为25.21 mg/L，铵态氮含量为318.56 mg/L，化学需氧量(COD)为640 mg/L，有机氮含量为32 mg/L，TK含量为419.56 mg/L，Fe含量为3.18 mg/L，Zn含量为6.02 mg/L。

试验用土壤柱进行灌溉，土壤柱外壳为透明有机玻璃(高600 mm、直径100 mm)，土壤柱底部铺2 cm厚玻璃珠(直径2 mm)。

1.2　土样采集

选取5个采样点分别进行采样，然后混合均匀取1 kg紫色土样品放在塑料布上弄碎、混匀、铺成四方形。用划对角线法将土样平均分成4份，取对角的2份混合放入样品袋，自然风干后，过3 mm筛。

1.3　试验设计

将风干过筛的紫色土均匀填入有机玻璃管中，填充完后在土壤上铺满2 cm厚的玻璃珠，土壤柱有效高度为45 cm，分别在土柱0 cm(表面)、-15 cm(距离表面15 cm)和-45 cm(距离表面45 cm)处开设孔洞，为方便固定点取土，用蒸馏水预饱和土壤柱，静置平衡3 d，然后进行灌溉处理。试验共设4个灌溉处理，T1(全部为沼液)、T2(蒸馏水∶沼液=1∶)、T3(蒸馏水∶沼液=2∶)沼灌负荷分别为382.2、191.1、127.4 m3/(hm2·d)，CK(空白对照)为蒸馏水。灌溉2 d后，分别在土柱0 cm、-15 cm和-45 cm处取出土壤，风干后测定土壤磷酸酶、脲酶、转化酶活性和有效磷、铵态氮含量及沼灌前后土壤成分。

1.4　测定指标与方法

1.5　数据处理

数据用Office 2013整理，采用Origin 9.0进行绘图。

2　结果与分析

2.1　沼灌负荷对土壤酶活性的影响

2.1.1脲酶由图1可知，沼灌后0 cm和-15 cm处土壤脲酶活性均高于CK，不同沼灌条件下土壤脲酶活性有一定差异。沼液中的有机质作为碳源能够增强土壤微生物活性从而释放更多酶。因此，随沼灌负荷增大，脲酶活性提高幅度越大，而随着土壤剖面深度增加，土壤脲酶活性逐渐降低，但T1处理始终明显高于其他处理，这可能是由于随土壤剖面深度增加，土壤营养元素含量和土壤环境不利于微生物的生存和繁殖，从而导致土壤酶活性降低[22]；也可能是因为土壤氨氮含量过多会抑制脲酶活性[23]，所以建议不要施入过量沼液。

图1　不同沼灌负荷下紫色土脲酶活性变化

2.1.2磷酸酶由图2可知，在T1沼灌负荷下，沼灌后0 cm处土壤磷酸酶活性低于CK，-15 cm和-45 cm处高于CK，这是由于高负荷沼液使0 cm处土壤产生磷素积累效应从而抑制了酶活性[24-25]；T2沼灌负荷下，土壤磷酸酶活性随着土壤深度增加先增加后降低，但均高于CK；T3沼灌负荷下，土壤磷酸酶活性随着土壤深度增加而减小，0 cm和-15 cm处高于CK，-45 cm处低于CK。

图2　不同沼灌负荷下紫色土磷酸酶活性变化

2.1.3转化酶由图3可知，沼灌负荷对0 cm处土壤转化酶活性影响较明显，沼灌后此处土壤转化酶活性均高于CK，且沼灌负荷越大，土壤转化酶活性越高。这是因为随沼液施入，土壤有机质含量增高，从而激发了土壤转化酶活性[26]。总体上随土壤深度增加土壤转化酶活性呈明显降低趋势。在-15 cm处，T1处理土壤转化酶活性较CK明显增大，T2处理转化酶活性较CK增加幅度较小，而T3处理与CK无明显差异。在-45 cm处，各处理间土壤转化酶活性无明显差异。

图3　不同沼灌负荷下紫色土转化酶活性变化

2.2　沼灌负荷对土壤铵态氮、有效磷含量的影响

由图4可知，沼液灌溉处理能够明显提高土壤铵态氮含量(除-45 cm处T2和T3处理与CK差异较小外)，这是由于沼液提高了土壤中微生物活性，促进了铵态氮的转化。T1、T2、T3负荷下，0 cm处土壤铵态氮含量分别较CK增加了13.8、8.8、5.9倍。随着沼灌负荷增大，土壤中铵态氮含量增加。3个沼灌处理土壤铵态氮含量在纵深方向均表现为0 cm>-15 cm>-45 cm，即随着土壤深度的增加，铵态氮含量逐渐减小，说明土壤铵态氮向下迁移量较小，但在T1处理下，土壤铵态氮含量最大，0 cm处为680.48 mg/kg ，-45 cm处也能达到335.07 mg/kg。

图4　不同沼灌负荷下紫色土铵态氮含量变化

由图5可知，土壤0 cm处土壤有效磷含量的变化规律与铵态氮相似，有效磷含量表现为T1>T2>T3，分别较CK增加了13.1、7.8、5.3倍。在T1沼灌负荷下，0 cm处土壤有效磷含量高达81.68 mg/kg，这与王月立等[27]计算出的土壤速效磷(即有效磷)淋溶临界值(74.6～82.0 mg/kg)相符，在农业生产中应将土壤速效磷含量控制在12.0～80.2 mg/kg。在-15 cm处，仅T1处理土壤有效磷含量明显高于CK，其余沼灌处理与CK无明显差异；在-45 cm处，

图5　不同沼灌负荷下紫色土有效磷含量变化

各沼灌处理有效磷含量差异不明显，均低于10 mg/kg。沼灌后土壤有效磷几乎都富集在0 cm处，向下迁移能力极弱。即便在全沼液灌溉下，土壤有效磷也未能迁移到-45 cm处土壤。

2.3　沼灌负荷对土壤成分的影响

本试验利用XRD对沼灌前后紫色土成分进行定性分析，用以观察沼灌对土壤成分的影响。图6为不同沼灌负荷下紫色土的XRD图谱，对比各成分XRD标准卡片后标出各物质的特征峰。可观察到石英(SiO2)和长石的衍射峰非常明显，该物质是紫色土的主要成分，还有部分伊利石、蛭石和绿泥石等黏粒矿物的衍射峰较为明显，这些物质存在于紫色土中但其所占比例较小。观察不同沼灌负荷处理(T1、T2、T3)土壤的XRD图谱可知，各沼灌处理沼液灌溉前后土壤的成分组成保持一致，但成分含量有不同的变化。在T1处理下沼灌后绿泥石特征峰强度较未沼灌土壤无明显变化，伊利石特征峰有小幅度增强，而蛭石则有小幅下降。刘永辉等[28]研究表明，施肥后蛭石会固定钾素然后转化为伊利石，所以蛭石含量变小而伊利石比例相对增加。蛭石对磷素有较好的吸附效果，其含量下降会减少土壤对磷的吸附作用。虽然沼液灌溉可使土壤酶活性明显增强，但是在不同灌溉负荷下，土壤成分无明显变化。

a：原土；b：T1；c：T2；d：T3

3　结论与讨论

本研究结果表明，适度沼灌可提高土壤脲酶、磷酸酶和转化酶活性。在-45 cm处，仅T1处理土壤脲酶活性较CK明显增加，其他处理与CK 无明显差异，这可能是因为在高沼灌负荷下可溶性有机质、氮、钾等营养元素能够迁移至土壤深层，通过影响微生物来提高土壤酶活性。在T1沼灌负荷下，0 cm处土壤磷酸酶活性低于深层土；T2沼灌负荷下，土壤磷酸酶活性随着土壤深度增加先增加后降低；T3沼灌负荷下，土壤磷酸酶活性随着土壤深度增加而减小。沼灌负荷越大，脲酶活性也越大，这与前人研究结果一致[29-31]。沼灌可提高土壤酶活性，但过量则会降低磷酸酶活性，即沼灌负荷不宜过高，考虑到沼液灌溉的经济效益，建议灌溉负荷不宜超过191.1 m3/(hm2·d)。

沼液灌溉带入了大量的氨氮与少量有机氮，这些氮素能够快速被土壤吸附，且极易富集于土壤表面。氨氮在水溶液或土壤中经硝化作用会转化为硝态氮，而在高浓度沼灌条件下，硝化作用受到抑制，土壤中铵态氮大幅增加，并且有向土壤深层迁移的趋势[32-36]。沼灌能激活土壤微生物活性，促进铵态氮和有效磷的转化；但从土壤应用方面来看，肥力过高反而使农作物对氮利用率下降，局部营养浓度过高甚至会对植物产生毒性。因此，从土壤铵态氮的角度来看，沼灌负荷小于T2时既可以提升土壤氮营养水平，又可减小对环境污染的风险。全沼灌溉可最大量提高土壤肥力，但有污染大气环境与地下水环境的风险。适当降低灌溉负荷可达到灌溉效益最优化的目的。紫色土对磷的固定作用较弱，沼灌能有效提高土壤有效磷含量。同时，随沼液共同施入的外源有机质能够促进磷酸盐向土壤微生物量磷和其他非无机固定态磷的转化，减少土壤无机矿物对磷酸盐的固定，提高易溶态无机磷组分的比例，从而提高土壤有效磷含量。