有机物料对旱作黄壤呼吸及酶活性的影响

罗安焕，夏 东，王小利*，史登林，段建军，皮义均，郭琴波

（1贵州大学农学院，贵阳 550025；2贵州大学烟草学院，贵阳 550025）

作物秸秆、禽畜粪便等有机物料是农田土壤有机质重要来源之一。有机物料还田不仅能改善土壤理化性状、保持和提升土壤肥力，还能解决有机废弃物对环境造成的污染问题，奠定了有机废弃物资源化利用的基础［1，2］。2017年，贵州省拥有秸秆资源1315.1万吨，禽畜粪便资源15 037.4万吨，但综合利用率只有75%，肥料化利用率不足30%［3］。因此，在贵州黄壤区实施农业有机废弃物料还田势在必行。土壤呼吸及酶活性的动态变化与施肥、土壤类型、耕作方式等因素密切相关，表征土壤综合肥力及土壤养分转化进程，可用于评价有机物料施用效果［4，5］。目前，国内外开展了许多关于有机物料施用对土壤呼吸或土壤酶活性的影响研究。游璟等研究发现，秸秆还田处理的二氧化碳累积排放量高于不还田处理，且随着还田量的增加而增加［6］；田冬等发现不同方式的秸秆还田均显著促进了土壤呼吸［7］；刘领等发现田闲期翻压不同芸薹属绿肥能有效提高土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性［8］。这些研究加深了人们对有机物料还田下土壤呼吸与土壤酶活性的认识，但以往的研究主要集中于不同还田方式下有机物料还田对土壤呼吸或土壤酶活性的影响［9，10］，而对于不同类型（C/N）有机物料之间的对比研究鲜有报道。本研究以旱作黄壤为对象，通过室内模拟培养，探究不同有机物料还田对旱作黄壤呼吸及酶活性动态变化的影响，以期为贵州省旱作黄壤条件下有机物料还田培肥土壤和有机物料资源化利用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为三叠系灰岩与砂页岩风化物发育的旱作黄壤，种植作物为玉米，采自贵州省贵阳市花溪区青岩镇小山村（26°17′51″N，106°41′6″E）。该地属中亚热带季风湿润区，年均气温15℃，年均降水量1100～1200 mm，全年无霜期273～280 d。土壤pH4.70，有机质、全氮、全磷和全钾含量分别为39.65、1.81、0.94和15.64 g/kg，碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为153.79、56.74和145.30 mg/kg。

2019年10月在试验地随机选取8个点，采集0～20 cm土壤带回实验室，剔除石块与残余根茬，将土壤混匀，风干过2 mm筛。供试有机物料选用当地的玉米秸秆、水稻秸秆和猪粪（碳、氮含量见表1）。试验前将秸秆烘干，剪至0.5～1.0 cm长，猪粪粉碎过2 mm筛。

表1 有机物料碳氮含量Table 1 Carbon and nitrogen content of organic materials

1.2 试验设计

试验设置玉米秸秆（MS）、水稻秸秆（RS）、猪粪（PM）、玉米秸秆+氮肥（MS+N）、水稻秸秆+氮肥（RS+N）以及对照（无有机物料添加的土壤，CK）6个处理，每个处理20次重复。有机物料按照等碳量原则（干土∶有机碳=100∶2）添加［11］，氮肥为硫酸铵，氮含量为21.2%。培养开始前，称取过2 mm筛的风干土，加去离子水调节土壤含水量至田间最大持水量的60%，在25℃培养箱中预培养7 d后，按照试验设计（表2）加入土壤、有机物料与硫酸铵后混匀。每个处理取混合土样25 g加到50 mL小烧杯中（20份），放入体积为1 L的广口瓶中，另在广口瓶中加入盛有10 mL 0.5 mol/L NaOH的小烧杯与装有10 mL蒸馏水的小烧杯各1个，将广口瓶加盖密封，放入25℃培养箱内进行恒温恒湿避光培养90 d。分别在第1、2、3、4、5、7、9、12、15、18、23、26、30、35、42、51、60、69、79、90 d取出盛有NaOH的烧杯测定CO2的释放量，并更换烧杯，土样每隔3 d用称重法补充水分，在培养第15、30、60、90 d采样测定土壤酶活性（蔗糖酶、磷酸酶、脲酶以及过氧化氢酶）。

表2 试验处理设计Table 2 Experimental treatment design

1.3 测定内容及方法

CO2释放量采用碱吸收反滴定法［12］测定。

土壤呼吸量［CO2（mg/kg）］=CHCl（V0-V1）×22/0.03

式中：CHCl为盐酸浓度（mol/L）；V0为空白滴定的体积（mL）；V1为消耗盐酸的体积（mL）。

土壤呼吸速率｛CO2［mg/（kg·d）］｝=培养时间内土壤呼吸量［CO2（mg/kg）］/培养天数（d）

土壤剩余有机碳量=土壤总有机碳量-土壤累积呼吸量

土壤酶活性的测定：参照文献［13］，分别采用3，5-二硝基水杨酸比色滴定法、磷酸苯二钠比色法、苯酚—次氯酸钠比色法和高锰酸钾滴定法测定蔗糖酶、磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶活性。

以上指标均测定4次，取平均值。

1.4 数据分析

采用Excel 2010统计、作图；采用SPSS21.0进行相关性分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 有机物料添加对土壤呼吸速率的影响

各处理土壤呼吸速率随着培养时间的延长呈下降趋势（图1）。根据土壤呼吸速率快慢，可以将其划分为2个阶段：培养前期（第1～4 d），各处理土壤呼吸速率均在第1 d达到峰值［276.00～1229.80 mg/（kg·d）］后迅速下降，变化幅度较大，第4 d土壤呼吸速率为第1 d的28.74%～62.81%；培养后期（第4～90 d），土壤呼吸速率缓慢下降，且随着培养时间延长，各处理之间土壤呼吸速率趋于一致，第90 d土壤呼吸速率为第1 d的1.82%～6.75%，显著降低（P＜0.05）。在培养前期，不同有机物料添加处理的土壤呼吸速率较CK提高了58.87%～345.58%，表明有机物料添加能提高土壤呼吸速率。

图1 各处理土壤呼吸速率Fig.1 Soil respiration rate of each treatment

2.2 有机物料还田对土壤累积呼吸量的影响

由图2可以看出，各处理土壤呼吸量均随培养时间延长呈增加趋势，但其增加幅度逐渐减弱。培养结束（第90 d）时，与CK相比，MS、RS、PM、MS+N和RS+N处理的土壤累积呼吸量分别增加了108.22%、148.80%、186.59%、148.14%和222.57%，RS+N处理对土壤累积呼吸量影响最大，且秸秆加氮处理也均高于不加氮处理。

土壤有机碳剩余量可以反映土壤固碳能力的强弱，剩余量越多，表明土壤固碳能力越强。培养90 d后，各有机物料处理土壤有机碳剩余量均显著高于CK，其中MS有机碳含量最高，且显著高于其他各处理（表3）。说明不同有机物料还田对土壤有机碳起着不同程度的固持作用。

图2 各处理土壤累积呼吸量Fig.2 Cumulative soil respiration of each treatment

表3 土壤有机碳剩余量Table 3 Residual soil organic carbon

2.3 有机物料对土壤酶活性的影响

根据图3，在培养期间各有机物料处理土壤酶活性均显著高于CK（P＜0.05），但不同的酶变化规律不同。蔗糖酶和过氧化氢酶活性随培养时间增加呈下降趋势，磷酸酶和脲酶活性随培养时间增加呈先增加后下降趋势。由图3A与3D可以看出，各有机物料处理土壤蔗糖酶与过氧化氢酶活性均在第15 d时达到峰值（28.93～35.65 mg/g、3.33～3.92 mL/g），较CK处理分别提高了2.23～3.10倍与1.07～1.43倍，15 d后活性迅速降低。由图3B与3C可以看出，各有机物料处理下土壤磷酸酶与脲酶活性均在前30 d呈上升趋势且在第30 d时达到峰值（2.47～4.50、0.51～0.69 mg/g），较CK处理分别提高了0.61～1.57倍与2.0～3.06倍。不同的培养时间均以PM表现最优，酶活性显著高于其他处理（P＜0.05）。因此，秸秆类有机物料加氮能显著提高土壤脲酶和磷酸酶活性。

图3 各处理不同培养时间的土壤酶活性动态Fig.3 Dynamics of soil enzyme activity in different incubation time of different treatments

2.4 土壤酶活性与土壤呼吸量的相关性分析

Pearson检验结果表明（表4），在第15 d时，土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶以及过氧化氢酶活性均与土壤呼吸量呈显著正相关（P＜0.05）；在第30 d时，磷酸酶和脲酶活性与土壤呼吸量呈显著正相关（P＜0.05），但与过氧化氢酶和蔗糖酶活性相关性不显著。由此可见，不同有机物料添加处理下土壤呼吸量的差异在一定程度上可以用土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶以及过氧化氢酶的活性高低来解释，有机物料施用直接影响着土壤酶活性的高低，进而影响了土壤呼吸。

表4 土壤酶活性与土壤呼吸总量的相关系数Table 4 Correlation coefficient between soil enzyme activity and total soil respiration

3 讨论

3.1 有机物料对土壤呼吸的影响

土壤呼吸所释放的CO2是由于土壤微生物分解有机物质而产生的，因此土壤呼吸量高低是土壤微生物活性的综合表现［14］。有机物料还田作为一项最主要的农田管理措施，通过改变土壤微生物的活性影响土壤呼吸强度［15］。本研究中，有机物料添加第1 d土壤呼吸速率达到峰值，然后快速下降，这是因为有机物料投入为土壤微生物带入充足的碳和氮，在培养初期土壤中大量易分解有机物质为微生物提供了丰富养分，从而激发微生物活性［16］，加快了土壤呼吸；而随着培养时间延长，土壤呼吸速率随着易分解物质减少而逐渐变慢，这与郭振等［17］研究结果一致。

与CK相比，各有机物料处理显著提高了土壤累积呼吸量，且土壤有机碳剩余量显著增加。RS+N土壤累积呼吸量最高，导致其土壤有机碳剩余量在各有机物料处理中最低，但仍显著高于对照，表明有机物料在提高土壤累积呼吸量，促进土壤有机碳周转的同时不会大幅降低土壤有机碳含量，利于土壤有机碳的固持与增加。其原因可能是有机物料与土壤中的物质产生胶结作用促进土壤团聚体的形成，避免土壤活性有机碳与微生物的接触和降解［18］。因此，施用有机物料能提高土壤有机碳含量、增加土壤肥力，是提高旱作黄壤肥力的良好农田管理措施，这与王雪等［19］的研究结论一致。

3.2 有机物料对土壤酶活性的影响

有机物料施入为土壤提供大量有机碳源和氮源，为土壤微生物活动提供了更多能源物质，促进土壤微生物活性，使土壤酶活性改变，进而改变土壤肥力［20］。本试验中采用的有机物料碳、氮含量均较高，因此各处理土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶活性均显著高于对照，这与熊瑛等［21］的研究结果一致。说明向土壤中施入有机物料可以为土壤微生物提供所需能量和养分，使其酶活性得到提高。本试验中蔗糖酶与过氧化氢酶活性随时间推移呈下降趋势，可能是有机物料中易分解成分逐渐腐解的缘故；磷酸酶与脲酶呈现出先增加后降低的趋势，这可能是由于有机物料中的磷和氮素随着有机物料快速分解而快速释放，30 d后有机物料易分解部分变少，磷和氮素释放也变缓慢。本试验中秸秆类有机物料添加氮能提高土壤磷酸酶和脲酶活性，这可能是由于秸秆类有机物料本身碳氮比较高，单独施入土壤会使碳素大量增加，而秸秆当中的氮素释放慢［22］，会造成土壤碳源富余，氮素缺乏；秸秆与氮肥配合加入土壤后，土壤中氮含量提高有利于分泌磷酸酶和脲酶的微生物活性增加，从而土壤磷酸酶和脲酶活性也得到提高［23］。本试验中，培养期间各酶活性均以猪粪处理最高，这可能是由于试验是以等碳量还田，而猪粪的氮、磷含量较秸秆类有机物料高而且其碳氮比十分有利于土壤微生物活性增加的缘故。

3.3 土壤酶活性与土壤呼吸的相关性

土壤中生物学过程受土壤酶活性大小影响，而土壤中生物学过程决定着土壤呼吸大小，因此土壤酶活性与土壤呼吸存在密切联系。本研究中，各处理土壤蔗糖酶和过氧化氢酶活性随时间的增加呈下降趋势，而相对应的土壤呼吸速率也呈现下降趋势。相关性分析表明，土壤呼吸总量与蔗糖酶和磷酸酶、脲酶以及过氧化氢酶活性呈显著正相关，这与庞荔丹等［9］的研究结果一致。可能是由于土壤微生物通过将有机物料分解、转化、吸收和利用后，其数量和活性发生改变进而影响土壤酶活性变化，而有机物料施入同时改变了土壤呼吸速率与累积呼吸量，从而促进土壤的呼吸作用［24］。

4 结论

施入不同有机物料均可提高旱作黄壤呼吸速率、累积呼吸量及土壤酶活性，进而增强土壤固碳能力，其中水稻秸秆与氮配合施入对土壤呼吸影响最大，单施玉米秸秆在提升土壤有机碳含量上能力最强，而施入猪粪对提升土壤酶活性效果最佳。相关性分析表明，土壤呼吸与土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶活性均存在着显著正相关关系。