生物有机肥与化肥减量配施对稻田土壤酶活性和土壤肥力的影响

秦 秦,宋 科*,孙丽娟,孙雅菲,段海芹,2,薛 永**

(1 上海市农业科学院生态环境保护研究所,上海 201403；2 上海海洋大学海洋生态与环境学院,上海 201306)

随着我国畜禽养殖业的迅猛发展,畜禽粪便所带来的环境污染问题日益凸显,如何科学合理地利用畜禽粪便是我国养殖业亟待解决的问题。畜禽粪便中含有丰富的有机物以及氮、磷、钾等营养元素和微量矿质元素[1-2],可作为一种廉价的有机肥源用于农业生产。据报道,2011年产生畜禽粪便26.89 亿t,相当于1 009 万t 氮肥纯量、282 万t 磷肥纯量、1 037 万t 钾肥纯量,是当年全国化肥施用总纯量的40.8%[3]。我国农田长期忽视有机肥的使用,不合理甚至过量施用化肥现象较为普遍,导致农田土壤矿质养分失衡、生物酶活性下降和生态污染等问题严重[4-6]。粪肥还田是解决畜禽粪便环境污染、实现粪便资源化利用的直接途径,也是减少化肥施用量、提高土壤肥力的有效方法,一直受到学者们的广泛关注[7]。

土壤肥力受土壤酶活性影响[8-9]。相关研究发现,畜禽粪有机肥替代化肥[10]或者与化肥减量配施[11]有利于提高土壤酶活性,提升土壤肥力,改善土壤结构,维持作物产量。生物有机肥是由畜禽粪便发酵后,添加光合细菌和芽孢杆菌等有益微生物制成,兼具有机肥和微生物肥的特点[12-13]。现有研究表明,相比有机肥,生物有机肥能更大程度地刺激细菌增殖[1],提高土壤过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶活性,增加和活化土壤中的氮、磷、钾等有效养分含量[14],改善土壤酸碱度[15]。当化肥减量10%—20%,增施生物有机肥不仅可以有效缓解土壤酸化,还能显著提升土壤铵态氮、硝态氮等有效氮素含量,且高量生物有机肥更有利于土壤有效氮累积[16]。生物有机肥长期施用后土壤有机质和养分含量虽有大幅提高,但过量施用反而会抑制土壤酶活性,不利于土壤碳、氮等营养元素累积[17-18]。前人研究大多集中在旱地土壤,对淹水情况下的稻田土壤酶活性及与土壤肥力的交互作用研究较少。本试验通过研究不同量生物有机肥与化肥减量配施对稻田土壤酶活性和土壤肥力的影响,分析稻田土壤酶活性与土壤肥力的交互影响效应,旨在筛选出最优的生物有机肥和化肥配施组合,为实现畜禽废弃物资源化利用、减轻农业生态环境污染提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于常州市武进区雪堰镇新康村(31.53°N,119.98°E),亚热带季风气候,年均气温17.5 ℃,年均降水量1 149.7 mm。试验地主要耕作制度为水稻-紫云英轮作,土壤类型为水稻土,耕层土壤基本理化性质为:有机质14.22 g∕kg,有效磷0.037 mg∕kg,速效钾105.39 mg∕kg,碱解氮65.82 mg∕kg。

1.2 供试材料

水稻种植品种为‘南梗46’,源自武进区农业技术推广站。

生物有机肥即猪粪(主料)与破碎后的稻秸秆(辅料)混合堆置发酵21 d,配以光合细菌(0.2%)和枯草芽孢杆菌(1.0%)制成,其中猪粪来源于当地养殖户,光和细菌及枯草芽孢杆菌菌剂均购于江苏绿科生物技术有限公司,有效活菌数≥10 亿个∕mL；化肥为尿素和复合肥,购于当地种子站。各肥料理化性质见表1,其中,生物有机肥各养分含量符合农用标准。

表1 肥料理化性质Table 1 The chemical and physical properties of fertilizers

1.3 试验设计

试验时间为2019年5月14日至2019年10月25日。试验采用完全随机区组设计,共设4 个处理:(1)不施肥；(2)单施化肥(按当地常规化肥施用量和方法)；(3)高量生物有机肥与化肥减量配施(常规化肥施用减量30%)；(4)低量生物有机肥与化肥减量配施[常规化肥施用减量30%,但生物有机肥配施量比处理(3)减量50%],每个处理3 次重复,各处理的具体肥料施用量见表2。其中,生物有机肥和83%复合肥作为基肥一次性施入,56%尿素作为分蘖肥施入,其余复合肥和尿素均作为穗肥施入。施肥后与耕层土壤(0—20 cm)用旋耕机充分混匀。灌溉及病虫害防治等参照当地常规管理措施进行。

表2 各试验处理施肥量Table 2 Fertilizer application rates of all treatments kg·hm -2

1.4 测定指标及方法

土壤基本理化特性测定参照鲁如坤[19]的方法,其中,土壤pH 采用酸度计测定(水土比为2.5∶1)；碱解氮含量采用碱解扩散法测定；有效磷含量采用0.5 mol∕L 碳酸氢钠溶液浸提、钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用1 mol∕L 醋酸铵溶液浸提、火焰光度计测定；有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定。土壤酶活性测定参照关松荫[20]的方法,其中,蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定；蛋白酶活性采用茚三酮比色法测定；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定；脲酶采用靛酚蓝比色法测定。

1.5 数据分析

采用SPSS 21.0 和Excel 2012 软件进行统计分析,选取Duncan's 法进行差异性分析,差异显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 生物有机肥与化肥减量配施对稻田土壤酶活性的影响

由图1(a)可知,F 处理显著降低了土壤蔗糖酶活性,比CK 低25.41%,而70%F +50%PM 处理和70%F+PM 处理土壤蔗糖酶活性分别比F 处理提高26.28%、31.74%,但生物有机肥不同配施量间无显著差异,且与CK 相比也均无显著差异。

图1 不同处理对土壤酶活性的影响Fig.1 Effect of different treatments on soil enzyme activity

由图1(b)可知,与CK 和F 处理相比,70%F+50%PM 处理土壤过氧化氢酶活性均无显著降低；70%F+PM 处理的土壤过氧化氢酶活性比CK 和F 处理分别减少了20.95%和21.80%,表明高量生物有机肥会抑制土壤过氧化氢酶的分泌,降低土壤过氧化氢酶活性。

由图1(c)可见,相比F 处理,70%F+50%PM 处理的土壤蛋白酶活性较高,增幅可达18.53%,但与CK 处理无显著差异,且随着生物有机肥施用量增加,土壤蛋白酶活性大幅下降,分别比CK 和F 处理减少40.85%和33.33%。

由图1(d)可见,70%F+PM 处理和70%F+50%PM 处理的土壤脲酶活性分别较CK 和F 处理提高19.16%、31.44%和18.45%、30.65%,其中,70%F+50%PM 处理对土壤脲酶活性提高效果更佳,与CK和F 处理相比均达到显著水平,表明相比生物有机肥高量施用,生物有机肥减量50%与70%化肥配施能更好地提升土壤脲酶活性。

2.2 生物有机肥与化肥减量配施对稻田土壤肥力的影响

如表3 所示,70%F+PM 处理的土壤pH 最低,这可能是因为生物有机肥中含有大量的腐殖酸,进入土壤后H+解离而使土壤pH 下降；而在相同化肥施用量(70%F)的条件下,50%生物有机肥的配施量能使土壤pH 显著上升,说明化肥减量的基础上,合理减少生物有机肥施用量,会降低土壤酸化程度。

表3 不同处理对土壤肥力的影响Table 3 Effects of different treatment on soil physical and chemical properties

70%F+PM 处理和70% F +50% PM 处理的土壤有机质含量分别比CK 和F 处理高179.73%、180.75%和14.80%、15.22%,但生物有机肥不同配施量间无显著差异。70%F +50%PM 处理土壤有效磷含量比CK 高62.53%,但比F 处理低17.96%,说明生物有机肥不能完全弥补化肥减量引起的土壤磷素有效量降低。与CK 相比,生物有机肥和化肥减量配施对土壤速效钾和碱解氮含量均无显著提升效果,但70%F+50%PM 处理的土壤速效钾含量分别比70%F+PM 和F 处理显著增加15.27%和11.48%。

2.3 土壤酶活性与土壤肥力的相互关系

由表4 可知,土壤蔗糖酶活性与土壤有效磷和有机质含量分别呈显著负相关和极显著正相关；土壤过氧化氢酶活性与土壤pH 和有效磷含量呈极显著正相关且相关系数均大于0.90；土壤蛋白酶活性也与土壤pH及土壤速效钾含量呈显著正相关；土壤脲酶活性与土壤碱解氮含量呈显著负相关,与土壤有机质含量呈极显著正相关,相关系数可达0.84,但与其他因子无显著相关关系。此外,蔗糖酶与脲酶活性间呈极显著负相关,而过氧化氢酶与蛋白酶活性间呈显著正相关,表明4 种酶在改善土壤理化特性、促进土壤养分转化上均具有重要作用。同时,在生物有机肥还田的条件下,化肥减量施用对于土壤蔗糖酶(r=0.68)和脲酶活性(r=0.85)有显著提升作用,但对过氧化氢酶和蛋白酶活性的提升作用不显著。

表4 土壤酶活性与土壤理化性质的相关系数Table 4 Correlation analysis of soil enzyme activity with soil physical and chemical properties

采用参数评估法(Metric assessing method)定量比较土壤酶活性对土壤肥力的相对重要性,相对重要性参数数值最大的指标即被认为是土壤肥力的主要控制因子。由表5 可知,土壤蔗糖酶活性对土壤有效磷含量影响最大,主要控制土壤有效磷素转化过程；土壤过氧化氢酶活性对土壤pH 的相对重要参数为0.41,对土壤pH 影响最大；而土壤脲酶活性对土壤有机质含量影响最大,相对重要参数为0.40,主要控制土壤有机碳素累积。

表5 土壤酶活性对土壤肥力的相对重要性参数Table 5 The relative importance of each soil enzyme activity to soil fertility

3 讨论

施肥会改变土壤微生物、动物和植物生长环境,从而影响土壤生物酶的分泌数量。本研究表明,单施化肥会降低稻田土壤蛋白酶和脲酶活性,而化肥减量与生物有机肥配施能不同程度地提高稻田土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶活性,这与以往研究结果相同[21-22],其原因一方面是生物有机肥可以为土壤微生物生长提供有效碳源,促进微生物繁殖,增加微生物活性及土壤蔗糖酶、脲酶和蛋白酶的分泌物数量[9,23],另一方面是生物有机肥还田后带入大量有益微生物。宋以玲等[18]研究认为,适宜的化肥减量与生物有机肥处理可以提高土壤微生物量及增加土壤酶活性。本研究中,相比生物有机肥高量施用,70%F +50%PM 处理对稻田土壤酶活性的提升效果更佳,特别是土壤过氧化氢酶,高量生物有机肥还田土壤中该酶活性反而比不施肥处理降低了20%,这可能是因为过多的生物有机质施入会加重稻田土壤的还原性,不利于过氧化氢酶活性的提高[24]。

在施用生物有机肥的条件下,减量施肥能够显著促进稻田土壤蔗糖酶和脲酶活性的提升,而对过氧化氢酶和蛋白酶活性无显著影响。土壤酶是土壤微生物、动植物活动的产物,其活性变化可以反映土壤养分转化的动态过程,表征土壤肥力水平。本研究中,稻田土壤蔗糖酶和脲酶活性与土壤有机质含量呈极显著正相关,而与土壤碱解氮和速效磷含量呈显著负相关,这与以往研究结果不同[9,25]。可能是因为在稻田淹水情况下,生物有机肥的高C∕N 比值及带入的活性物质激发了脲酶和蔗糖酶的分泌,加速了微生物对稻田土壤矿质氮、磷的固定,降低了氮素和磷素的有效性。参数评估结果也表明土壤蔗糖酶和脲酶活性是控制稻田土壤速效养分转化和碳素累积的主要因素。稻田土壤过氧化氢酶活性与土壤pH 呈极显著正相关,是影响土壤酸碱度的主要因素,而对稻田土壤蛋白酶活性的影响相对较弱,表明蔗糖酶、脲酶及过氧化氢酶与土壤肥力关系密切,在稻田土壤速效养分转化和土壤酸碱度改善方面发挥重要作用[26-27]。

本研究表明,生物有机肥与化肥减量配施会显著降低稻田土壤pH,随着生物有机肥配施量增加,土壤酸化程度加重,甚至高于单施化肥处理,这与龙光强等[28]研究结果不同。这可能是因为施用生物有机肥会带入大量微生物,激发土壤原有有机质分解而产生大量的有机酸和二氧化碳,致使土壤pH 下降[29]；也可能是因为稻田淹水造成土壤环境还原性增加,土壤中过氧化氢累积,降低了土壤pH[24]。本研究中,生物有机肥与化肥减量配施能够显著提升土壤有机质含量,提升幅度明显高于单施化肥处理,主要是因为生物有机肥中含有大量的有机成分和有益微生物,还田后,会在周围形成微生物活动层,加速有机态养分的转化释放[30-32],但是生物有机肥还田量过高,会影响土壤C∕N 比值,降低土壤微生物活性,从而减少土壤有机质的增加幅度。

生物有机肥中含有大量的氮、磷、钾等营养元素,对土壤培肥有重要作用。徐节田等[33]认为,有机肥可促进土壤磷素向下层迁移,加速土壤有效磷的累积。当化肥减量一定时,生物有机肥增施越多,土壤中碱解氮、有效磷和速效钾等养分含量越高[18]。本研究中,低量生物有机肥还田与化肥减量配施处理对稻田土壤速效磷有显著提升效果,且相比单施化肥,能够显著减缓土壤速效钾下降趋势,但增加生物有机肥的配施量不利于土壤有效磷和速效钾元素累积,这可能是因为过多肥料的施入抑制了酶促反应,减少了土壤中速效养分的转化[9]。

李江涛等[34]研究表明,长期施用有机肥能够明显增加稻麦轮作土壤氮、磷、钾有效养分,其含量分别为施用化肥处理的1.35—1.64 倍、6.99—7.90 倍和1.17—2.03 倍。郭碧林等[35]研究表明,相比化肥,施用畜禽粪便发酵生物有机肥更有利于提高红壤性水稻土中的有效磷等养分含量,提升土壤肥力。施用有机肥,特别是配合化肥处理,能激发土壤酶活性,加速土壤养分形成与转化,提升土壤肥力[36-37]。本研究中,与单施化肥相比,化肥减量配施生物有机肥对土壤碱解氮、有效磷均无显著提升效果,这与以往研究结果不同。一方面,可能是因为短期施用生物有机肥不能快速补充化肥减量所导致的土壤氮、磷有效养分的降低。但随着有机物质的分解,微生物群落逐渐稳定,加速了土壤养分的形成与转化,使土壤有效养分含量提高[23,38]；另一方面,也可能是土壤类型、种植制度、气候条件、肥料种类及用量差异所致[24,39]。

4 结论

本研究表明,在化肥减量30%的基础上,配合施用适量生物有机肥,可以维持稻田土壤酶活性,降低土壤酸化程度,保障土壤养分正常供应,但生物有机肥配施量过高不仅对土壤酶活性和养分无显著提升效果,还会加重土壤酸化程度,降低土壤肥力。