施肥对不同杂粮作物连作土壤化学特性及酶活性的影响

林昕，陈雪丽，万书明，王爽，张磊，王晓军，李伟群，肖洋

(1.黑龙江大学 现代农业与生态环境学院，黑龙江 哈尔滨 150000；2.黑龙江省黑土保护利用研究院，黑龙江 哈尔滨 150086)

0 引 言

杂粮是小宗粮豆作物的统称，在我国杂粮一直处于辅助地位，随着生活水平的不断提高，杂粮成为我国粮食安全的重要补充[1]。黑土区是我国重要的粮食生产基地，近年来，随着种植业结构调整和杂粮种植效益的提高，杂粮作物的种植面积不断增加。然而，针对杂粮作物化学特性和酶活性的相互关系尚不清晰。土壤有机质和土壤养分是作物生长的重要物质来源，常用来表征土壤肥力的高低[2]。土壤酶是由土壤中的微生物、动植物分泌物和残体分解释放的一类具有催化能力的活性物质[3]，被认为是土壤和植物之间相互作用的反馈[4-5]。土壤养分含量和酶活性是衡量土壤肥力状况的重要指标，与施肥水平密切相关[6]。多数研究表明，有机肥施用不仅增加土壤的有效养分含量，同时也增加了土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶的活性[7-9]。Lalande等[10]认为施用有机肥显著提高了土壤中磷酸酶和脲酶活性。宋震震等[11]研究发现长期施用有机肥和化肥均增加了土壤全氮、速效磷含量，提高了土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性。卢越等[12]研究表明，与玉米和棉花相比，种植高粱显著增加了土壤淀粉酶和蛋白酶活性。刘彩霞[13]研究认为种植红芸豆的土壤脲酶活性显著高于种植玉米土壤。然而，在以往的研究中，多以玉米、水稻等大宗粮食作为研究对象，以杂粮为研究对象来探讨土壤养分和酶活性受施肥管理措施的影响研究报道很少，且有关杂粮作物连作的土壤效应研究更是缺乏。因此，本研究依托于黑土区种植绿豆、红小豆和高粱的定位施肥试验，探讨杂粮作物连作-施肥-土壤养分含量-土壤酶活性之间的相互关系，为黑土区杂粮产业的稳定发展和黑土资源可持续利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

该施肥定位试验始建于2017年，位于黑龙江省哈尔滨市道外区民主乡国家现代农业园区(45°20′-46°20′N，126°15′-127°30′E)。气候属中温带大陆性气候，四季分明，年平均气温3.5 ℃，最冷月(一月)平均气温-19.4 ℃，最热月(七月)平均气温22.8 ℃；年平均降水量530 mm，雨季集中在7、8月份，无霜期136 d左右。土壤类型为典型黑土。试验地开始前土壤养分状况见表1。

表1 试验地开始前土壤养分状况

1.2 试验设计

该施肥定位试验始建于2017年，试验包括绿豆、红小豆和高粱3种杂粮作物，设置3种作物的无肥、单施有机肥、单施化肥3个施肥处理，共计9个试验处理，每个小区面积为28 m2，3次重复。化肥为尿素、二铵、氯化钾，有机肥的有机质含量≥45%，养分含量(N+P2O5+K2O)≥5.0%，均作为底肥一次性施入，详细试验设计见表2。2020年种植的高粱品种为龙杂25号，绿豆品种为嫩绿1号，红小豆品种为建红1号，2020年5月18日播种，人工除草、田间统一管理。

表2 试验设计

1.3 样品采集和测定

于2020年8月杂粮成熟期采集0～20 cm土壤样品，每个小区按Z字形采集5个点土壤样品，混匀作为一个重复样品，每个小区采集3个重复样品。土壤样品采回后挑出石块和植物残体，风干后，研磨，过2.5 mm筛，用于土壤pH、土壤养分含量和酶活性测定。土壤pH测定的水土比为2.5∶1；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法；土壤全氮含量采用半微量凯氏法；土壤碱解氮含量采用碱解扩散法；土壤全磷含量采用高氯酸-硫酸-钼锑抗比色法；土壤速效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定；土壤蔗糖酶活性采用3，5-二硝基比色法测定；土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定；土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定[14-15]。

1.4 数据分析

数据采用Excel 2010软件统计分析，用SPSS 22.0软件中的Duncan、Person显著性差异分析和相关性分析，用SigmaPlot 12.5画图。

2 结果与分析

2.1 施肥对不同杂粮连作土壤有机质和pH的影响

与不施肥相比，连作绿豆土壤中，化肥和有机肥的施用显著增加了土壤有机质含量，分别增加7.17 g·kg-1和8.1 g·kg-1(P<0.05)；而连作红小豆土壤中，化肥和有机肥的施用没有显著改变土壤中有机质含量；连作高粱土壤中，施用化肥处理的土壤有机质含量最低，施用有机肥处理的土壤有机质含量最高，两者之差为2.83 g·kg-1，差异达到显著水平(P<0.05)(图1)。

与基础土壤有机质含量相比，不施肥条件下，连续四年绿豆种植显著降低了土壤有机质含量，从27.6 g·kg-1下降到19.9 g·kg-1；其他处理均未显著改变土壤有机质含量(表1，图1)。与基础土壤pH(6.9)相比较，四年连续种植杂粮作物显著降低了土壤pH(P<0.05)，其中，施化肥处理土壤pH最低(6.6)，且连续种植四年豆科作物后的土壤pH高于种植高粱土壤(表1，图1)，但处理间差异不显著。在种植红小豆和高粱土壤中，pH均表现为不施肥最高，其次是施化肥，施有机肥最低(图1)。

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

2.2 施肥对不同杂粮连作土壤养分的影响

连作绿豆土壤中，与不施肥(LO)相比，施化肥处理(LFT)显著提高了土壤全氮、碱解氮、全磷和速效磷的含量(P<0.05)，分别增加18.4%，23.1%，21.7%和67.2%；施有机肥处理(LOT)使土壤全氮和速效钾含量显著增加了25.4%和24.5%，而土壤速效磷含量则显著降低了25.5%(P<0.05)；同时，有机肥处理中土壤全氮和速效钾含量显著高于化肥处理，而土壤碱解氮和速效磷含量显著低于施化肥处理(P<0.05)。

连作红小豆土壤中，与不施肥处理相比(HO)，施化肥处理(HFT)使土壤速效磷和速效钾含量分别增加268%和16.7%，施有机肥(HOF)使土壤速效钾含量显著增加15.2%(P<0.05)；与化肥处理(HFF)相比，施有机肥(HOF)显著降低了红小豆土壤速效磷含量，显著降低71.3%(P<0.05)。

连作高粱土壤中，与不施肥处理(GO)相比，施化肥处理(GFT)使土壤碱解氮含量显著增加15.8%，使土壤速效钾含量显著降低6.67%(P<0.05)；施有机肥处理(GOG)使土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量分别显著增加9.90%，141%和7.74%(P<0.05)；与施用化肥处理相比，施有机肥处理显著增加了土壤速效磷和速效钾的含量，显著降低了土壤碱解氮的含量(P<0.05，表3)。

与基础土壤养分含量相比，土壤总氮和总磷含量未呈现显著变化；除化肥施用和有机肥施用分别提高了绿豆土壤速效磷含量9.1%和速效钾19.1%含量外，其他处理土壤速效养分含量均低于种植前土壤(表1和表3)。

表3 不同施肥处理杂粮土壤养分含量

2.3 施肥对不同杂粮连作土壤酶活性的影响

土壤中的生物化学过程离不开土壤酶的参与，其中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性对评价土壤肥力水平具有重要意义[16]。

连作绿豆土壤中，与不施肥相比，除化肥施用提高了土壤蔗糖酶活性、有机肥施用提高了土壤过氧化氢酶活性外，施肥均降低了蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶和磷酸酶活性，但均不显著(图2)；与施用化肥处理相比，有机肥的施用显著降低了土壤蔗糖酶活性(69%，P<0.05)。

连作红小豆土壤中，与不施肥处理相比，施化肥处理均降低了4种土壤酶活性，其中，显著降低了土壤过氧化氢酶和磷酸酶活性，降幅为13%和66%(P<0.05)，而施有机肥对红小豆土壤中4种酶活性影响不明显；与施用化肥相比，有机肥处理中土壤脲酶、过氧化氢酶和磷酸酶活性均高于化肥处理，其中，过氧化氢酶和磷酸酶活性分别显著提高20%和66%(P<0.05)。

连作高粱土壤中，除施肥处理土壤脲酶活性低于不施肥处理外，土壤蔗糖酶、过氧化氢酶和磷酸酶3种活性在各处理间差异均不明显(图2)。相同施肥种类条件下，种植豆科作物的土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性均高于种植高粱土壤，而种植高粱的土壤过氧化氢酶活性高于种植豆科作物土壤。

图2 不同施肥条件下杂粮作物土壤酶活性

3 讨论

3.1 施肥对不同杂粮连作土壤pH和有机质的影响

施用有机肥是增加土壤有机质含量重要措施[17]。本研究中，除了种植红小豆土壤外，其他杂粮作物连续施用四年有机肥后，有机质含量增加，这与前人研究结果一致[7]。本研究还发现，相比不施肥，不论施化肥或有机肥，土壤pH均降低，杂粮土壤有酸化趋势。前人研究发现，化肥中含有的氮是土壤酸化的主要原因，这与本研究施入化肥后pH下降结果一致[18]。以往多数研究中，施用有机肥能加强H+和Al3+的吸附作用，从而提升土壤pH[19]，而肖辉等发现[20]，商品有机肥相比其他有机肥长期施用不能增加土壤pH，这与土壤类型和商用有机肥的养分含量有关，因此，认为本研究中施有机肥处理土壤pH下降与商品有机肥有一定的关系。

3.2 施肥对不同杂粮连作土壤养分的影响

有机肥的添加不仅提高土壤有机质含量，而且能够增加土壤中可以被植物直接吸收利用的碳、氮组分，提高土壤有效养分含量[21]。也有研究发现，有机肥中含有大量的有机酸能活化土壤中的氮、磷、钾元素，提高土壤中的碱解氮、速效磷和速效钾等养分的有效性[22]。而化肥的施用能及时补充土壤中的营养元素，而增加土壤有效养分含量，本研究中有机肥和化肥均有效提高了3种杂粮土壤中部分养分的含量，这与前人研究结果一致[23]。同时本研究中，化肥和有机肥对不同杂粮土壤养分的影响存在差异，说明土壤养分含量同时受植物种类的影响。研究发现，在相同施肥种类(化肥或有机肥)条件下，绿豆和红小豆的速效磷和速效钾含量均高于高粱，分析原因可能是由于豆科作物根系量较大，而且豆科作物土壤中来自根系分泌物的土壤有机质高于高粱[24]，同时豆科作物根系上的根瘤菌对土壤中难以被植物利用的钾、磷等元素具有转化和活化作用，进而增加了豆科作物土壤中速效养分含量[25-26]。

3.3 施肥对不同杂粮连作土壤酶活性的影响

肥料的施入通过提高土壤酶底物浓度，从而加速土壤中微生物的代谢速度，引起土壤中酶活性的变化[27-28]。研究发现，施用有机肥可以显著提高土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性[29-30]。也有研究发现，土壤pH是影响土壤酶活性的重要环境因子[31]。本研究中无论是连续施用有机肥还是化肥，4种土壤酶活性变化均较小，这与三种杂粮作物施用有机肥和化肥处理土壤pH差异不显著密切相关。同时本研究还发现，种植绿豆和红小豆的土壤蔗糖酶和脲酶活性均高于相同处理的高粱作物，这与豆科植物能够共生固氮，根系分泌物和残体含氮量较高，进而提高土壤脲酶和蔗糖酶活性有关[32]；另一方面，豆科植物的根量较大，其根系分泌的有机物质和残体较多，使得土壤有更多的碳源、氮源和其他有机物质[18]。本研究中，施肥条件下，高粱的土壤过氧化氢酶活性均高于绿豆和红小豆，与高粱植株中具有较高过氧化氢酶活性，其凋落物和根系分泌物提高了土壤过氧化氢酶活性密切相关[33]。以往研究发现豆科作物土壤磷酸酶活性高于禾本科作物，因为豆科作物本身含有较高的磷酸酶[34]，在本试验中，除了施用化肥处理的红小豆外，其他相同施肥条件下绿豆和红小豆土壤磷酸酶活性均高于高粱，也证实了这一点。可见肥料对土壤酶活性的影响还与植物种类有关。

4 结论

(1)除绿豆长期不施肥处理土壤有机质含量显著降低外，其他处理土壤有机质含量显著增加或变化不明显；4年杂粮连续种植和施肥使土壤pH值降低，其中相同施肥处理条件下，种植豆科作物(绿豆和红小豆)土壤pH高于种植高粱土壤。

(2)土壤养分含量的差异主要表现在杂粮种类之间。在施化肥和有机肥条件下种植豆科作物的土壤中全磷和速效钾含量均显著高于种植高粱的土壤。而在施化肥条件下，种植豆科作物的土壤速效磷含量高于种植高粱的土壤；施有机肥条件下，种植高粱土壤速效磷含量高于种植豆科作物的土壤。

(3)豆科作物与高粱土壤酶活性存在差异。除施化肥处理下种植红小豆的土壤磷酸酶活性低于高粱外，其他相同施肥处理条件下的种植豆科作物的土壤蔗糖酶活性、脲酶活性和磷酸酶活性均高于种植高粱作物的土壤，但过氧化氢酶活性却低于种植高粱作物的土壤。

综上所述，施肥和杂粮作物种类均影响土壤有机质含量、土壤pH、土壤养分含量和土壤酶活性，相同施肥处理对绿豆、红小豆和高梁土壤的酶活性和养分含量表现并不相同，因此，施肥和作物种类对于土壤化学特征和土壤酶活性具有交互作用。