施用改良剂对植烟土壤酶活性和养分含量的影响

邓小华，杨哲宇，李玉辉，刘勇军*，张明发，周米良，张 瑶，李源环

1.湖南农业大学农学院，长沙市芙蓉区农大路1号 410128

2.湖南省烟草公司，长沙市芙蓉南路一段628号 410004

3.湖南省烟草公司湘西自治州公司，湖南省吉首市人民南路118号 416000

我国主要烟区有21%的植烟土壤处于酸化状态，其中约有2.4%为极酸性土壤（pH<4.5），18.6%为酸性土壤（pH 4.5～5.5）［1］。由于烤烟种植中大量肥料施入以及连作，导致植烟土壤酸化趋势加重，已成为制约优质烟叶生产的障碍因子之一［1-2］。土壤酸化不仅会引起土壤养分流失，土壤理化性质恶化，还会使铝离子和重金属活度提高，土壤微生物活性降低，影响根系的生长发育和对养分的吸收［2-4］。于宁等［5］研究认为，施用适量的石灰可以使连作烟田的土壤酸化现象得到明显改善，并使土壤的转化酶、脲酶、中性磷酸酶和过氧化氢酶活性得到不同程度的恢复；李兆林等［6］在酸性土壤上施用生石灰的研究表明，各生育期内大豆中酸性磷酸酶和转化酶活性随土壤酸性减弱而受到抑制，而脲酶和过氧化氢酶活性却增强；胡敏等［7］研究表明，生石灰的施入可显著提高土壤pH，改善土壤酸度；舒秀丽等［8］研究认为，施加熟石灰处理可使土壤微生物主要类群数量显著减少，土壤pH显著升高，并对土壤脲酶活性有明显抑制作用；邢世和等［9］提出，施用不同组合改良剂能增强过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶及纤维素酶活性；朱克亚等［10］认为，施用农林废弃物制成的改良剂明显改善了烟田土壤物理性状；潘金华等［11］试验表明，在黔西北植烟土壤中施用土壤改良剂可以促进土壤有机氮的矿化以及硝化作用，达到提高黔西北土壤氮素有效利用率及改善土壤肥力的目标。可见，不同研究者采用的材料不同，土壤改良剂对土壤酶活性和养分的修复效果也存在差异；同时，有关施用酸性土壤改良剂后植烟土壤酶活性和养分动态变化的研究报道较少。鉴于此，采用盆栽试验方法探讨石灰、丰收延和金叶酸性土壤改良剂对酸性植烟土壤酶活性和主要养分含量的影响，以期为酸性植烟土壤改良提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2017年在湖南省花垣县（28°31′35″N，109°27′4″E）进行。平均海拔530.0 m，年平均气温15.0℃，年降雨量1 363.8 mm，无霜期279.0 d，年日照时数1 219.2 h，属亚热带季风山地湿润气候区［12］。试验地土壤类型为黄红壤，土壤pH 5.07，有机质 23.42 g/kg，碱解氮75.67 mg/kg，有效磷12.74 mg/kg，速效钾122.68 mg/kg。烤烟品种为云烟87；石灰（主要成分为CaO）为当地市售；丰收延酸性土壤调理剂（主要成分为CaO、MgO和SiO2）由西部环保有限公司生产，金叶酸性土壤改良剂（主要成分为CaO和MgO）由湖南金叶众望肥料有限公司提供。

1.2 试验设计

试验设置4个处理。T1为丰收延酸性土壤调理剂，用量为1 125 kg/hm2；T2为金叶酸性土壤改良剂，用量为1 125 kg/hm2；T3为石灰，用量为2 250 kg/hm2；CK为常规栽培，不施改良剂。采用田间盆栽试验，丰收延酸性土壤调理剂、金叶酸性土壤改良剂、石灰用量分别为6.5、6.5和13.0 g/盆。烤烟施氮量109.5 kg/hm2，氮磷钾比例为1∶1.27∶2.73，各处理氮磷钾肥含量保持一致。将盆栽试验土壤与改良剂以及其他基肥充分混匀，用高度、上口和下口分别为26、40和20 cm的塑料盆装入土壤13 kg，并将孔径为48 μm的尼龙布垫于底部，然后将塑料盆埋入土中起垄，盆口与垄面平齐。设置3次重复，每次重复栽烟10株，烤烟种植密度为16 650株/hm2（1.20 m×0.5 m），四周设置保护行。其他栽培管理措施按湘西优质烤烟生产技术规程进行。

1.3 检测指标及方法

于烤烟移栽后30、60、90和120 d（终采期）在每盆选择3个点，采集0～20 cm耕作层土壤，制成混合土样。土壤pH测定结果见表1。土壤蔗糖酶、脲酶、中性磷酸酶和过氧化氢酶活性分别采用Na2S2O3滴定法、靛酚蓝比色法、磷酸苯二钠比色法和KMnO4滴定法测定［13］。土壤有机质（SOM）、碱解氮（AN）、速效磷（AP）、速效钾（AK）含量（质量分数）分别采用重铬酸钾容量法、碱解扩散法、碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法、醋酸铵浸提-火焰光度法测定［14］。

表1 不同改良剂处理后的土壤pHTab.1 Soil pH after applying different amendments

1.4 数据处理

采用Excel 2010及SPSS 20.0软件进行统计分析，新复极差法进行数据间差异的多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对土壤酶活性的影响

2.1.1 对土壤脲酶活性的影响

土壤脲酶是土壤氮素循环中唯一作用于尿素的土壤水解酶类，能直接将酰胺态有机氮化物水解转化为供烤烟吸收利用的无机态氮化物，其活性高低能在一定程度上反映土壤的供氮能力与水平［15］。由图1可知，烤烟整个大田期的脲酶活性呈现“低—高—低”的态势，这与烤烟的需肥规律一致。在移栽后30 d，不同处理的脲酶活性差异不显著；在移栽后60～120 d，T1、T2和T3的土壤脲酶活性显著高于CK，以T3的土壤脲酶活性最高。移栽后120 d，施用改良剂处理的土壤脲酶活性较CK提高28.89%～33.39%。表明施用土壤改良剂提高了土壤脲酶活性，加速了土壤有机氮矿化［11］，可促进有机氮向无机氮的转化［11］，有利于烤烟吸收和利用土壤氮素，防止烤烟早衰。从不同改良剂来看，以施用石灰提高土壤脲酶活性的效果最好。

图1 不同改良剂对土壤脲酶活性的影响Fig.1 Effects of different amendments on urease activity in soils

2.1.2 对土壤中性磷酸酶活性的影响

土壤磷酸酶是土壤中磷素循环的重要水解酶类，可用作土壤磷素生物转化方向与强度的评价指标，其活性高低可反映土壤中有机磷的分解转化及其生物有效性［13］。由图2可知，烤烟整个大田期的中性磷酸酶活性呈增高趋势。在移栽后30～60 d，不同处理的中性磷酸酶活性差异不显著；在移栽后90～120 d，T1、T2和T3处理的土壤中性磷酸酶活性显著高于CK，以T3处理的土壤中性磷酸酶活性最高。移栽后120 d，施用改良剂处理的土壤中性磷酸酶活性较CK提高9.61%～18.03%。可见，施用改良剂提高了土壤pH，土壤微生物数量明显增多［9］，土壤中性磷酸酶活性增强，有利于烟草吸收和利用土壤中的磷，满足生长发育的需要。

图2 不同改良剂对土壤中性磷酸酶活性的影响Fig.2 Effects of different amendments on neutral phosphatase activity in soils

2.1.3 对土壤过氧化氢酶活性的影响

土壤过氧化氢酶是广泛存在于土壤中的氧化还原酶类，在土壤物质转化和能量转换中占有重要地位。过氧化氢酶直接参与生物呼吸过程的物质代谢和土壤氧化过程，其活性影响土壤有机质转化，可以用来表征土壤腐殖化强度大小和有机质的积累程度［13］。由图3可知，从移栽30～120 d，土壤过氧化氢酶活性逐渐增强，这可能与土壤温度提高有关。在移栽后30 d，T3处理的土壤过氧化氢酶活性显著高于T1、T2和CK；在移栽后60～120 d，T1、T2和T3处理的土壤过氧化氢酶活性显著高于CK，以T3处理的土壤过氧化氢酶活性最高。移栽后120 d，施用改良剂处理的土壤过氧化氢酶活性较CK提高9.14%～16.17%。表明施用改良剂可控制土壤的酸化过程，提高土壤过氧化氢酶活性，加快土壤腐殖化。从不同改良剂来看，以施用石灰提高土壤过氧化氢酶活性的效果最好。

图3 不同改良剂对土壤过氧化氢酶活性的影响Fig.3 Effects of different amendments on catalase activity in soils

2.1.4 对土壤蔗糖酶活性的影响

土壤蔗糖酶是土壤生物活性的重要酶类，对增加土壤中易溶性营养物质起重要作用，是表征土壤中碳的转化与呼吸强度的重要指标之一，其活性强弱反映了土壤熟化程度和肥力水平［13］。由图4可知，烤烟整个大田期的蔗糖酶活性呈“低—高—低”的态势，与脲酶活性的变化趋势一致。在移栽后30～120 d，T1、T2和T3处理的土壤蔗糖酶活性显著高于CK。不同土壤改良剂之间的土壤蔗糖酶活性在移栽后30～90 d，以施用石灰（T3）处理最高；在移栽后120 d，以施用金叶酸性土壤改良剂（T2）的处理最高；但施用改良剂处理间的差异不显著。移栽后120 d，施用改良剂处理的土壤蔗糖酶活性较CK提高18.27%～32.74%。可见，施用酸性土壤改良剂可提高土壤蔗糖酶活性和土壤肥力［13］。

图4 不同改良剂对土壤蔗糖酶活性的影响Fig.4 Effects of different amendments on invertase activity in soils

2.2 不同改良剂对土壤养分的影响

2.2.1 对土壤有机质的影响

在烤烟种植过程中，土壤中的有机质主要来自种植前土壤有机质、施用有机肥、植物残茬腐解等［1-2］。由图5可知，在烤烟移栽后30～120 d ，T1和T2处理的土壤有机质显著高于T3和CK。CK的有机质在30和60 d略高于土壤有机质背景值，与施用有机肥有关；移栽后90和120 d的土壤有机质低于土壤有机质背景值，主要是由于烤烟吸收和部分矿化损失所导致。T3处理的土壤pH调节至适宜范围有利于土壤微生物对有机质的分解，但也加剧了土壤有机质矿化［16］，致使有机质与CK间差异不显著。T1和T2处理的土壤pH适宜，有利于提高土壤微生物活性和有机质形成，其有机质矿化损失少，土壤有机质高于土壤有机质背景值，也显著高于T3处理。移栽后120 d，T1和T2处理的土壤有机质较背景值高12.17%～18.27%，但T3和CK处理的土壤有机质较背景值略低。可见，施用丰收延酸性土壤调理剂和金叶酸性土壤改良剂有利于土壤有机质的积累。

图5 不同改良剂对土壤有机质的影响Fig.5 Effects of different amendments on organic matters in soils

2.2.2 对土壤碱解氮的影响

由图6可知，在烤烟移栽后60～120 d，T1、T2和T3处理的土壤碱解氮显著高于CK，T1、T2和T3处理的土壤碱解氮差异不显著，各处理土壤碱解氮含量表现为“高—低—高”的动态变化趋势。但在烤烟移栽后30 d，不同处理的土壤碱解氮差异显著，以T2处理的土壤碱解氮最高，其次是T3和CK，T1处理的土壤碱解氮含量最低。烤烟氮肥的施用主要在大田前期，烤烟移栽后30和60 d土壤碱解氮含量高，移栽后90 d土壤碱解氮含量低，与烤烟对氮素养分的需求规律一致；烤烟移栽后120 d的土壤碱解氮再次提高，与土壤的有机质矿化释放氮素有关。T1、T2、T3和CK的土壤碱解氮在整个烤烟大田期显著高于土壤背景值，特别是在移栽后120 d的土壤碱解氮较背景值提高30.29%～63.77%，说明种植烤烟的土壤残留氮素较多，这与烤烟施氮量较高有关。可见，施用改良剂提高了土壤pH，使土壤酶活性增强，可促进植烟土壤氮素有效化。

图6 不同改良剂对土壤碱解氮的影响Fig.6 Effects of different amendments on alkaline nitrogen in soils

2.2.3 对有效磷的影响

由图7可见，烤烟移栽后30～120 d，T1、T2和T3处理的土壤有效磷逐渐升高。但CK的土壤有效磷是呈“高—低—高”的趋势。这可能与烤烟生长中期的根系分泌酸性物质导致根区土壤pH降低，从而增加了土壤对磷的固定有关。与土壤背景值比较，T1、T2、T3和CK处理的土壤有效磷均高于背景值，特别是至移栽后120 d的土壤有效磷较背景值高123.60%～249.89%；表明烤烟种植过程中施用磷肥量较大，导致土壤残留磷素较多。在烤烟移栽后30 d，T1、T2和CK处理的土壤有效磷显著高于T3处理；移栽后60 d，T1和T2处理的土壤有效磷显著高于T3和CK处理；至移栽后90和120 d，T1、T2和T3处理的土壤有效磷显著高于CK。可见，施用酸性土壤改良剂后土壤pH趋于中性，可以减少土壤对磷素的吸附固定［17］；加之施用改良剂后土壤磷酸酶活性增强，促进了磷素的矿化作用，也促进了有机磷转为有效态磷，从而提高土壤磷的有效性。

图7 不同改良剂对土壤有效磷的影响Fig.7 Effects of different amendments on available phosphorus in soils

2.2.4 对土壤速效钾的影响

由图8可知，烤烟移栽后30～120 d，T2和T3处理的土壤速效钾呈“高—低—高”的趋势；T1和CK处理的土壤速效钾逐渐升高；在烤烟移栽后30 d，T1中碱性矿渣的吸附及CK中土壤pH呈酸性，致使T2和T3处理的土壤速效钾含量高于T1和CK处理。与土壤背景值比较，T1、T2、T3和CK的土壤速效钾均高于背景值，特别是移栽后120 d的土壤速效钾较背景值提高145.61%～256.38%；表明烤烟种植过程中施用钾肥量较大，导致土壤残留钾素较多。在烤烟移栽后30 d，T2和T3的土壤速效钾显著高于CK；移栽后60～120 d，T1、T2和T3的土壤速效钾显著低于CK。表明施用土壤改良剂后，土壤中速效钾含量降低，可能与改良剂施用量较大有关。为提高土壤pH至适宜范围，加大了改良剂用量，而改良剂中一般含有较多的Ca2+，这些外来加入的Ca2+导致土壤中K/Ca比例失调，增加土壤对钾的固定［7］，降低了土壤中速效钾含量。但这部分被固定的钾属于缓效性钾，在一定条件下可转化为速效钾供植物吸收利用［18］。

图8 不同改良剂对土壤速效钾的影响Fig.8 Effects of different amendments on available potassium in soils

3 讨论

土壤酶在土壤物质循环、能量转化中起着重要的催化作用［19］。土壤酶对pH变化敏感，和文祥等［20］、Frankenberger等［21］研究发现，土壤脲酶的两个最适pH为 6.5～7.0或8.8～9.0，土壤中性磷酸酶最适pH为 6.0～7.0；徐光泽等［22］发现施用生石灰后烤烟根际土壤脱氢酶、过氧化物酶、脲酶活性显著提高。本试验结果表明，施用酸性土壤改良剂可提高烤烟生育期（30～120 d）土壤脲酶、中性磷酸酶、过氧化氢酶及蔗糖酶活性，与上述研究结果一致。表明施用酸性土壤改良剂，提高了土壤pH，对提高土壤酶活性有较好的效果。

施用丰收延和金叶酸性土壤改良剂可提高烤烟生育期（移栽后30～120 d）土壤有机质含量，施用石灰提高土壤有机质含量较CK差异较小，至终采期（移栽后120 d）甚至低于CK，这主要与石灰可加速有机质矿化有关。

土壤酸碱度影响土壤养分有效性。施用土壤改良剂可调节酸性植烟土壤pH至适宜范围（5.5～7.0）［23］，加速土壤中有机质的矿化，提高土壤碱解氮含量［11］，减少土壤对磷的吸附固定，提高土壤有效磷含量［17］。本研究结果也表明，不同酸性土壤改良剂可显著提高烤烟（移栽后60～120 d）土壤碱解氮、速效磷含量，但移栽前期（移栽后30 d）施用丰收延酸性土壤改良剂及石灰对土壤碱解氮有抑制作用，这可能与这一时期土壤pH急剧升高，土壤酶活性受到抑制有关。

本研究还表明，施用不同土壤改良剂后土壤速效钾含量降低，这与胡敏等［7］、张效朴等［24］研究结论一致。施用土壤改良剂导致土壤有效钾含量降低，是因为土壤改良剂的主要成分是CaO，可以使固钾矿物层间“晶穴”中的H3+O或铝化合物从层间移出，提高土壤的固钾容量，降低土壤中水溶性钾和交换性钾含量［18］。因此，为快速修复酸性土壤，增加土壤改良剂施用量，有可能会影响烤烟对土壤钾的吸收，这是酸性植烟土壤修复中需要注意的问题。

酸性土壤改良剂中起作用的主要成分为CaO。丰收延和金叶土壤调理剂中CaO比例为40%～60%，丰收延和金叶土壤调理剂的施用成本为1 500～2 000元/hm2，而石灰（主要成分CaO）施用成本仅为500～1 000元/hm2。石灰的用量虽增加了1倍，但其成本远低于丰收延和金叶土壤调理剂。因此，生产上对酸性土壤的改良以石灰较好，但还要依据土壤酸性程度和作物种类等科学选择。

4 结论

在湖南省花垣县的盆栽试验表明：施用酸性土壤改良剂可提高土壤酶活性，但不同土壤酶活性在烤烟大田中的动态变化不一致。烤烟移栽后30～120 d，土壤脲酶和蔗糖酶活性呈“低—高—低”的变化趋势，土壤中性磷酸酶及过氧化氢酶活性呈逐渐增强的趋势；移栽后120 d，土壤脲酶、蔗糖酶、中性磷酸酶和过氧化氢酶较对照分别提高28.89%～33.39%、18.27%～32.74%、9.61%～18.03%和9.14%～16.17%。不同土壤改良剂对土壤养分含量影响效果不同，施用丰收延和金叶酸性土壤改良剂可提高土壤有机质、碱解氮和有效磷含量；施用石灰可提高土壤碱解氮和有效磷含量；施用金叶酸性土壤改良剂降低土壤速效钾的有效性。对酸性（pH<5.5）植烟土壤的修复，施用石灰的效果最好。