炭基肥配施有机肥对风沙土养分含量及酶活性的影响

李 玥，韩 萌，杨劲峰，李 娜，黄玉茜，罗培宇，王 月，韩晓日

(沈阳农业大学土地与环境学院/土壤肥料资源高效利用国家工程实验室/农业部东北玉米营养与施肥科学观测实验站,辽宁 沈阳

110866)

我国是化肥消费大国,化肥消费量约占世界化肥总量的1/3。大量的化肥施用引发了我国农田大面积酸化、板结,从而造成水土流失、水体富营养化以及温室效应等一系列问题[1],对生态环境构成了巨大威胁,因此在维持作物高产的前提下减少化肥的施用,降低对生态环境的破坏是我国现阶段农业生产的重要目标之一。

炭基肥是一种将生物质炭作为基本载体与化学肥料混合或复合造粒制成的一种新型缓释肥料[2]。炭基肥一方面符合生物炭的特征,拥有较大的孔隙度和比表面积,富含高芳香烃结构,能够显著地增加离子交换位点,对土壤中的养分有很强的吸附作用[3]；另一方面,炭基肥内化学肥料的投入也可以补充土壤中的有效养分含量。因此,炭基肥的施用对改善贫瘠土壤的肥力状况具有重要作用。近年来,土壤养分含量及生物活性物质已经成为反映土壤肥力的热点指标[4]。相关研究表明,土壤酶活性可以反映土壤微生物的活性,代表土壤中物质代谢的旺盛程度[5],由于其对根际土壤环境变化的反应更敏感,能更快速地响应施肥措施、耕作模式和土地利用方式等的影响,成为衡量土壤理化性质的重要灵敏指标。而合理施肥可以明显增加旱地土壤的脲酶、转化酶等关键酶活性[6]。

有机肥在改善土壤理化性状,平衡土壤养分,提高肥料利用率,增加作物产量等方面具有重要作用,但是由于其养分含量低,肥效缓慢,在作物生长旺盛、需肥量大的时期,无法及时满足作物对养分的需求[7]。为达到减少化肥投入量的同时,改善土壤肥力条件且不降低产量的目的,在棉花、烟草、玉米等作物上,生物炭及化肥配施有机肥既能满足作物对养分的需求,又可以改善作物根际微生态环境,提高土壤微生物多样性,维持和提高土壤肥力[8]。但有关炭基肥配施有机肥对花生田土壤养分含量和酶活性的影响关注较少,且风沙土是辽宁西部花生种植地区的主要土壤类型,具有孔隙度大,有机质含量低,保水保肥能力差的特点。因此,了解炭基肥配施有机肥对土壤养分含量和土壤酶活性的影响对风沙土土壤肥力水平的提升和维持其可持续生产力有着重要的理论意义。本文以田间定位连续试验为依托,探究不同施肥处理对风沙土养分含量、土壤酶活性和花生产量的影响,以期发现适宜的炭基肥用量和有机替代比例,为风沙土地区花生肥料的合理施用和有机无机配施模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验位于辽宁阜新阜蒙县桃李村(42°7'53''N,121°43'59''E),属半干旱季风大陆性气候,年均气温7.9℃,年均降水量500 mm,年均蒸发量2637mm,土壤类型为风沙土,定位试验始于2017年,试验前耕层土壤的基本理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic properties of soil at the beginning of experiment

1.2 试验设计

试验地种植实行一年一熟花生连作制度,供试品种为白沙1016,种植密度为15万穴/hm2,每穴种2株,采用45cm小垄种植方式,垄上播1行。共设6个处理:①炭基花生专用肥,简称炭基肥,600 kg/hm2,以C40表示；②炭基肥750 kg/hm2,基准用量,以C50表示；③炭基肥900 kg/hm2,以C60表示；④炭基肥600 kg/hm2+有机肥1080 kg/hm2,其中有机肥中N+P2O5+K2O总养分量替代20%炭基肥基准用量中氮磷钾总养分量,以C40+M表示；⑤ 炭基肥450 kg/hm2+有机肥2160 kg/hm2,40%替代量,以C30+M表示；⑥ 炭基肥300 kg/hm2+有机肥3240 kg/hm2,60%替代量,以C20+M表示。每处理重复3次,小区面积20m2,小区间隔0.5 m,随机排列。供试肥料为炭基肥(C 7.44%、N-P2O5-K2O 10-13-13)；有机肥料(丹东中肥沃野生物有机肥有限公司,有机质=57%(干基),N+P2O5+K2O=5.01%(干基),水分=20%(风干基),是由鸡粪制作的高温堆肥),所有肥料混匀后采用条施基肥一次施入,施肥深度15～20 cm,覆土。其中处理②与处理④、⑤和⑥的氮磷钾(N+P2O5+K2O)总养分量相等。

1.3 样品的采集与测定

1.3.1 土壤样品的采集

土壤样品在试验的第三年(2019年)进行采集,分别于苗期、开花下针期(简称花针期)、结荚期、成熟期在每个小区按照“S”形采集0～20、20～40cm深度土壤样本3点,组成混合样本。室内通风阴干,并分别过20目和100目筛。分别用于土壤有机质、速效养分以及土壤酶活性的测定。

1.3.2 作物产量的统计

收获时位于各小区随机选取两个计产区,每个计产区长2.0 m,宽0.45m,将所有计产区内花生全部拔出,调查总株数,调查结束后将计产区所有荚果风干、称质量并计产。

1.3.3 测定项目及方法

①土壤养分指标测定:土壤p H采用1:2.5的土水比,利用p H计进行测定；土壤有机碳采用Vario ELⅢ型元素分析仪测定；碱解氮采用碱解扩散滴定法测定；有效磷的测定采用0.5mol/L碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法；速效钾的测定采用1mol/L中性NH4OAc浸提—火焰光度计法。

② 土壤酶活性测定:土壤脲酶利用靛酚蓝比色法测定；土壤蔗糖酶利用3,5-二硝基水杨酸比色法进行测定；过氧化氢酶的测定利用紫外吸收检测法,使用酶标仪进行测定。

1.4 数据分析与统计方法

数据采用Excel 2007制图制表,不同处理间差异采取SPSS 23.0软件进行单因素方差分析,Duncan法进行显著性检验(p＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 花生产量

如图1所示,花生产量受施肥影响发生变化。其中,C40处理的产量仅为3273.88kg/hm2。随炭基肥施入量的增加,产量逐渐增加。其中C60处理的产量为4095.74kg/hm2,与C40处理相比,产量提升了25.10%,呈显著性差异。配施有机肥处理随炭基肥用量的减少和有机肥替代比例的提高,产量缓慢上涨,但差异不显著。其中C20+M处理产量最高,为4324.83 kg/hm2。与等养分条件下的单施炭基肥处理相比,产量提高了10.1%,差异显著。由此可见,单独施用炭基肥的条件下,随着炭基肥施入量的增加,产量呈现逐渐上升的趋势,但这种上升幅度随施入量的增加而逐渐变缓,有机肥配施可以明显增加花生产量,但不同有机肥施用量对花生产量无显著影响。

图1 不同施肥处理对花生产量的影响Fig.1 Effects of different fertilization treatments on peanut yield

2.2 土壤养分含量

2.2.1 土壤有机碳含量

表2可知,花生生育过程中,土壤有机碳含量为7.92～10.14g/kg。单施炭基肥条件下,花生生育前期表现为随炭基肥施入量的增加,有机碳含量逐渐增加。苗期和花针期,C60处理与C40处理相比,有机碳含量分别提高5.7%和8.3%,差异显著。而花生生育中后期,炭基肥用量的改变对土壤有机碳含量并未产生显著影响。在相同养分含量条件下,配施有机肥的各处理在花生生育的中后期,土壤有机碳含量表现为C30+M＞C40+M＞C20+M,其中C30+M处理的有机碳含量在不同生育期分别为10.14g/kg、9.64g/kg和9.35g/kg,显著高于其他处理。综上所述,单施炭基肥能有效提高花生生育前期的土壤有机碳含量,而炭基肥配施有机肥,则能够增加花生生育中后期的土壤有机碳含量。但有机肥的施用量并非越高越好,本试验中有机肥替代基准用量炭基肥中40%的氮磷钾养分具有最佳改良效果。

表2 不同施肥处理对土壤有机碳含量的影响/(g·kg-1)Table 2 Effects of different fertilization treatments on soil organic carbon/(g·kg-1)

2.2.2 土壤碱解氮含量

表3可知,土壤中碱解氮的含量随生育期的推进而逐渐降低,但配施有机肥各处理的降低速度却明显小于单施炭基肥的处理,并在结荚期表现出明显差异。其中C30+M处理的碱解氮含量在结荚期达到了79.57 mg/kg,与其他处理呈现显著性差异。单施炭基肥条件下,随施用量的增加,土壤碱解氮含量在花生苗期有明显的增加趋势,且C60处理的碱解氮含量与C40处理相比提高了8.74%,但在花生生育的中后期,不同炭基肥施用量间无明显差异。配施有机肥的各处理在花生生育过程中表现出相同的变化趋势,即碱解氮含量逐渐下降。在等养分条件下,与单施炭基肥处理相比,配施有机肥有效地延缓了土壤碱解氮的下降趋势,并在结荚期表现出了显著的差异。其中,C40+M、C30+M和C20+M处理的碱解氮含量相比C50处理分别提高了15.3%、19.7%和10.2%。可能是由于风沙土孔隙度较大,有机质含量及阳离子交换量低,保肥能力差,有机质的添加能够增加其保肥能力,控制肥效较缓释放,从而提高花生生育后期土壤的碱解氮含量,其中有机肥替代基准用量炭基肥中40%的氮磷钾养分的改良效果最佳。

表3 不同施肥处理对土壤碱解氮含量的影响/(mg·kg-1)Table 3 Effects of different fertilization treatments on soil alkali-hydrolyzed nitrogen/(mg·kg-1)

2.2.3 土壤有效磷含量

土壤有效磷是土壤磷贮库中对作物最有效的部分,能直接被植物吸收利用。由表4可看出,不同施肥处理土壤有效磷含量的变化:随着生育时期的推进,土壤有效磷含量在花针期下降至最低值,随后在结荚期呈现回升趋势。相同养分含量下,配施有机肥处理的有效磷含量在结荚期和成熟期与单施炭基肥处理相比差异显著。其中结荚期土壤有效磷的含量表现为C20+M＞C30+M＞C40+M,相比C50处理分别提高了40.4%,34.4%和27.3%,但处理间无明显差异。因此,在花生生育过程中配施有机肥能够增加风沙土中有效磷含量,但其施用量对于有效磷含量的影响则并不显著。

表4 不同施肥处理对土壤有效磷含量的影响/(mg·kg-1)Table 4 Effects of different fertilization treatments on soil available phosphorus content/(mg·kg-1)

2.2.4 土壤速效钾含量

土壤速效钾在不同施肥处理下表现出相同的变化趋势:从苗期到花针期迅速下降,并于花针期降低至最低含量,结荚期略有提升并于成熟期趋于平稳。其中结荚期速效钾含量最高的处理为C40+M处理,其含量达到了116.59mg/kg。由表5可知,单施炭基肥条件下,炭基肥投入量的增加对于成熟期土壤速效钾含量无显著影响。不同的有机肥施用量对于生育过程中土壤速效钾含量也无显著影响。但在等养分条件下,与单施炭基肥处理相比,配施有机肥处理显著提高花针期的土壤速效钾含量,提高幅度高达3.3%～4.3%,成熟期各处理差异不显著。因此,炭基肥配施有机肥对于土壤速效钾含量无显著影响。

表5 不同施肥处理对土壤速效钾含量的影响/(mg·kg-1)Table 5 Effects of different fertilization treatments on soil available potassiumcontent/(mg·kg-1)

2.3 不同用量炭基肥配施有机肥对土壤酶活性的影响

2.3.1 土壤脲酶活性

在花生生育过程中,不同施肥处理对土壤脲酶活性的影响主要作用于苗期(图2)。其中,单施炭基肥的处理,随炭基肥投入量的增加,脲酶活性增加,且各处理差异显著。有机肥配施相比单施炭基肥能够有效提高花生苗期土壤脲酶的活性,但随有机肥替代基准用量炭基肥中氮磷钾养分的比例增加,土壤脲酶活性表现为先增后降,即有机肥的用量并非越多越好,其中替代比为40%时效果最佳,脲酶活性高达820.04μg/(d·g)。但生长至成熟期,相同养分条件下配施有机肥处理的土壤脲酶活性则低于单施炭基肥的处理。分析原因可能是由于有机肥的施入使风沙土有机质含量增加,改善了土壤的团粒结构,从而增强保肥能力,利于植物根系对氮素的吸收,而结荚期是花生生育过程中对氮素吸收量最大的生育时期,从而使大量氮素于结荚期被植物吸取,从而降低了成熟期土壤的氮素供应能力。

图2 不同施肥处理对土壤脲酶活性的影响Fig.2 Effects of different fertilization treatments on soil S-UE

2.3.2 土壤蔗糖酶活性

蔗糖酶直接参与土壤碳循环,常用来表征土壤碳素营养状况。图3可见,单施炭基肥的处理与有机肥配施处理在整个生育过程表现为不同变化趋势。单施炭基肥各处理的蔗糖酶活性表现为随生育期推进逐渐降低,于结荚期达最低值,但不同施用量的各处理无明显差异。配施有机肥处理的土壤蔗糖酶活性变化趋势则表现为先升高后降低,并于花针期达蔗糖酶活性峰值,其中C30+M处理蔗糖酶活性最高,为90.29μg/(d·g),但处理间差异不显著。这可能是由于蔗糖酶主要反映的是土壤中碳素营养状况,而炭基肥中碳素以生物炭形式投入,本身就有较高的可利用碳素含量,在花生生育初期就可以明显促进蔗糖酶活性的提升,而有机肥的缓释作用使肥料中碳素的释放较为缓慢,更有利于土壤中养分含量的保持。因此,炭基肥配施有机肥能够延缓土壤碳素营养的释放,不同有机替代比例对土壤蔗糖酶活性无显著影响。

图3 不同施肥处理对土壤蔗糖酶活性的影响Fig.3 Effects of different fertilization treatments on soil S-SC

2.3.3 土壤过氧化氢酶活性

过氧化氢酶活性强度常用来表征土壤的氧化强度。图4可见,过氧化氢酶活性在花生的整个生育过程中呈现出单峰曲线,土壤过氧化氢酶的活性随生育期的推进先增加后降低,于花生结荚期达到峰值。在花生生长的中后期,单施炭基肥各处理过氧化氢酶活性表现为C60＞C50＞C40,随施入炭基肥量的增加,过氧化氢酶活性逐渐增加。等养分条件下,有机肥配施处理的过氧化氢酶活性均高于单施炭基肥的基准施肥量处理(C50),分析其原因,可能是由于有机肥含有大量的有机质,可以增加土壤中微生物数量,而土壤酶活性是反应土壤微生物活性的指标之一,因此,配施有机肥处理其过氧化氢酶活性高于C50处理。在花生成熟期,有机肥替代基准用量炭基肥中40%的氮磷钾养分,与单施炭基肥相比显著提高了土壤过氧化氢酶活性。

图4 不同施肥处理对土壤过氧化氢酶活性的影响Fig.4 Effects of different fertilization treatments on soil S-CAT

3 讨 论

本试验条件下,单施炭基肥随其投入量增加,花生产量逐渐增加；与等养分条件下单施炭基肥相比,配施有机肥可以提高花生产量,但不同替代比例间增产差异不大。炭基肥是生物炭与肥料混合施用的产物,既具备生物炭改善土壤质量,保持土壤肥力的作用,肥料中的营养元素又可弥补生物炭中养分不足的缺陷。炭基肥以生物炭作为基质可以有效缓解肥效的释放,满足作物整个生育期尤其是生育中后期对养分的需求,从而有利于产量的提高。而有机肥的配合施入能够调节风沙土的土壤养分平衡,协调土壤养分供应与作物需求之间的关系,促进作物养分吸收[9],从而增加作物产量。

辽西地区以风沙土为主要的土壤类型,土质瘠薄,保水保肥能力弱。合理施肥是改善土壤理化状况,补充花生养分所需,达到保肥效果的一项重要措施。本试验中,合理增加炭基肥施用量可以提高土壤速效养分含量。炭基肥是生物炭农用的一种方式,增加炭基肥施用量相当于增加了土壤中生物炭的投入量。由于生物炭含有大量细微孔隙结构,故其密度远远小于土壤密度,生物炭的施入可以降低土壤容质量[10],改善土壤保肥能力。同时,生物炭具有较大比表面积的特征,也使其可以对土壤水溶液及NH3气体等以不同形态存在的氮、磷、钾养分有极强的吸附作用[6],降低土壤养分的淋溶和固定损失,从而间接改善土壤肥力状况。

炭基肥配施有机肥处理与等养分条件下单施炭基肥的处理在土壤速效养分含量上表现出明显差异。有关研究表明,有机肥与无机肥均具有显著增产效应,同时二者又具有互补效应,单施一种肥料,不能充分挖掘花生的增产潜力[11]。有机肥的配施能延缓肥效释放,使土壤中的有效养分在花生产量形成过程中最重要的生育时期保持较大的土壤养分含量。但有机肥替代比例并非越高越好,因为配施比例的大小还受到气候因素与土壤肥力因素的影响。土壤肥力水平较低时,如风沙土,过度增加有机肥的投入可能增加微生物的繁殖,进而影响作物对养分的吸收,在有机肥替代比例过高时反而不利于产量增加。不同有机肥施用量对于土壤速效磷、钾含量无明显影响,但有机肥替代40%基准用量炭基肥中的氮磷钾养分对土壤有机碳和碱解氮含量有最佳改良效果。这与王宁[12]在甘肃河西走廊地区利用棉花为供试作物的结论相同。

土壤酶来自于土壤微生物、植物或动物的活体或者残体,通过催化土壤中的生化反应而发挥作用,其中微生物是脱离活体酶的唯一来源,因此土壤酶活性常被作为微生物活性的指示物[13]。土壤脲酶含量与土壤中NH4+含量呈显著正相关[14],而 NH4+是作物吸收氮素的主要形态,脲酶活性可以反映土壤氮素状况。土壤蔗糖酶则能够反映土壤的碳素状况,炭基肥作为一种有机无机复合肥,其施用量的增加,可以提高土壤肥力(主要是碳库),可以提供土壤微生物生长所需的C源,从而促进微生物繁殖,提高酶活性[15]；另一方面,炭基肥的施入可以改善土壤理化性质,更有利于土壤微生物的生长,使有机物质的分解加快,为土壤酶的分解作用提供了更多的底物[16]。

在本研究试验中,单施炭基肥的各个处理,随着炭基肥施用量的增加,土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶的活性也逐渐增加。配施有机肥处理能够提高花生生育前期土壤脲酶活性。因为有机肥不仅可以通过促进作物的根系代谢,使其分泌更多的根系分泌物从而加快微生物的繁殖速度,提高酶活性,其本身更是含有一定数量的酶[16],通过增加土壤酶的数量,提高了土壤酶的活性。单独施用炭基肥相当于向土壤中投入大量结构复杂、不易分解的有机碳,需分解后才能吸收。而土壤酶是土壤有机物的转化者,植物营养元素的活性库[4],参与有机物分解。因此,有机肥的投入增加了花生生育关键时期土壤酶活性。同时,配施有机肥处理能够延缓花生生育过程中土壤蔗糖酶活性峰值出现的时间,改善风沙土由于有机质含量低、保肥能力弱造成的严重的氮素淋溶情况,但有机肥替代比例对蔗糖酶活性的影响并不显著。相比等养分条件下单施炭基肥处理,配施有机肥处理也可以明显增强结荚期的过氧化氢酶活性,这一结论与刘金光[17]等利用花生在江西省进行的连续施用有机肥试验结论相同,即连续施用有机肥能够增加土壤中过氧化氢酶的活性,有机肥与无机肥的配施能通过改变土壤根土环境而影响酶活性。