有机物料还田对设施胡萝卜土壤碳组分及酶活性的影响

郭梦瑶，唐文慧，陈翔，迟瑞苹，纪国才，崔德杰，陈延玲

(1. 青岛农业大学资源与环境学院，山东 青岛 266109；2. 莱西市蔬菜技术推广站，山东 莱西 266600；3. 青岛市农业技术推广中心，山东 青岛 266071)

近20年来，全球胡萝卜种植面积呈现先增长后趋于平缓的趋势，我国胡萝卜生产规模不断扩大，种植面积增长58%，总产量增长2.99 倍[1]。由于种植效益较高，且种植土地有限，胡萝卜连作重茬现象严重，造成胡萝卜产量和品质下降。除导致土壤理化性质恶化外，土壤酶活性失衡也是一个重要原因[2－4]。连作障碍与土壤酶活性具有相关性[5，6]。研究表明，施用有机肥可以提高土壤肥力、减少土传病害，从而缓解作物连作障碍[7]。有机物料与各种无机肥料配合使用，可以改善土壤质量，提高肥料利用率，提高作物产量和品质[8－10]。

蘑菇菌渣是真菌残留物的主要成分，是食用菌的残余菌丝体和经细菌分解的食用纤维素、半纤维素和木质素。蘑菇菌渣残留物富含氨基酸、真菌多糖和矿物质元素，是高营养价值的有机材料[11]。蘑菇菌渣还田是合理开发利用真菌残体资源的主要策略，其与化肥适量配施可以减少化肥的使用，并显著增加土壤有效养分含量[12]。花生壳还田是一种很有前途且可持续、经济的提高土壤有机碳固存的方法[13]，因为它促进了腐殖质和土壤大团聚体的形成[14]，而且可以通过增加土壤有机质含量来提高土壤肥力。而土壤有机质是植物生长所需的主要养分来源[15]。花生壳还田有利于土壤碳的固定，提高土壤肥力的同时又可以改善土壤的基本理化性质，保水保肥，有利于土壤肥力的长时间供给。土壤有机碳在土壤肥力、环境保护和可持续农业发展中发挥着重要作用[16]。

山东莱西市胡萝卜主产区，有着近30年的种植历史，其产品获得国家级绿色食品认证，3 次被评为全国名特优新农产品，是青岛市知名农产品区域公用品牌。2010年获得“店埠胡萝卜”地理标志性作物保护。受土地所限，农民习惯胡萝卜一年两茬种植，连作重茬现象突出，加重了胡萝卜黑腐病、根结线虫病等土传病虫害的发生[17]。菜农通常普遍施用N、P、K 含量相同的复合肥，极少施用有机肥；且土壤有机质和速效养分偏低，严重限制了胡萝卜产量和品质提升。本研究在农民习惯施肥基础上，优化养分投入量，并利用压缩花生壳及蘑菇菌渣等有机物料进行等养分量替代化肥，以明确有机物料还田对设施胡萝卜土壤的改良效果和生产中应用的可行性。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及材料

田间试验于2019年在山东青岛莱西市店埠镇双河村(E 120°21′31′′，N 36°39′24′′)日光温室内进行。该地属暖温带半湿润季风气候，平均气温13℃，年均降水量732.5 mm，无霜期180 天。试验地为砂姜黑土，地势平坦。耕层土壤基本理化性质:有机质含量12.01 g/kg、碱解氮66.40 mg/kg、有效磷40. 05 mg/kg、 速效钾118. 43 mg/kg，pH 值5.50。

供试肥料:尿素(N 46%)、磷酸二铵(N 18%，P2O546%)、硫酸钾(K2O 50%)、农用微生物菌剂(N 4%)。

供试有机物料为平菇菌渣和压缩花生壳颗粒，其养分含量见表1。供试胡萝卜品种为孟德尔808－3 号。

表1 有机物料养分含量(g/kg)

1.2 试验设计

试验共设5 个处理，分别为对照(CK):不施肥；农民习惯施肥(FNP):根据调研农户的施肥量确定；优化施肥(OPT):根据土壤养分状况和胡萝卜养分吸收规律综合确定施肥量；压缩花生壳还田(PS):等养分量压缩花生壳还田，不足养分以相应的单质化肥补充；菌渣还田(M):等养分量平菇菌渣还田，不足养分以相应的单质化肥补充。具体施肥量及时期如表2 所示。随机区组排列，重复3 次。小区面积为54 m2。试验小区于2019年12月12 日施肥，12月20 日播种胡萝卜种子，株距5～6 cm，垄距67 cm。2020年5月11 日收获。

表2 试验处理施肥方案(kg/hm2)

1.3 测定项目及方法

收获期采集0～20、20～40 cm 和40～60 cm土层土样，阴凉处晾干，过0.25 mm 和1 mm 筛，用以土壤理化性质及酶活性测定。

土壤有机碳采用重铬酸钾容量法测定，土壤全氮采用凯氏定氮法测定，土壤碱解氮采用碱解扩散法测定，土壤速效钾采用NH4OAC 浸提火焰光度计法测定，土壤有效磷采用钼锑抗比色法测定[18]。

腐殖物质碳含量的测定:准确称取土壤样品5.0000 g，于离心管中，加入20 mL 蒸馏水，在水浴锅中水浴保温1 h，之后进行离心。将离心后的上清液过滤至50 mL 容量瓶中，再加入蒸馏水15 mL 离心，进行2 次，过滤到同一个容量瓶中并用蒸馏水定容为水溶性有机物质(WSS)，上机测定水溶性有机碳含量。配制混合碱液，重复上述步骤，离心3 次后将离心管中的溶液过滤到容量瓶中，该溶液是可提取腐殖物质(HE)。最后离心管中剩余的固体样品烘干研磨即为胡敏素(HU)。可提取腐殖物质用盐酸调节pH 值到1 以下，在水浴锅中保温2 h 并静置过夜分离胡敏酸和富里酸，过滤完成后的滤液为富里酸(FA)。滤纸上的残渣，经酸洗后，用碱液全部溶解之后得到的溶液为胡敏酸(HA)。提取完成后对腐殖物质进行纯化备用[19]。

土壤脲酶活性采用苯酚钠－次氯酸钠比色法测定[20]，土壤蔗糖酶活性采用3，5－二硝基水杨酸比色法测定，土壤中性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定[21]，土壤蛋白酶活性采用加勒斯江法测定[22]。

1.4 数据处理与分析

试验数据使用Microsoft Excel 2010 进行整理，采用SPSS 22.0 软件对数据进行单因素方差分析，采用SigmaPlot 14.0 绘图。

2 结果与分析

2.1 有机物料还田对设施胡萝卜土壤碳含量的影响

由图1 看出，各处理0～20 cm 耕层土壤有机碳和水溶性有机碳含量分别为5.54～10.64 g/kg和0.12～0.20 g/kg；20～40 cm 土层为4.60～7.65 g/kg 和0.07～0.11 g/kg；40～60 cm 土层为2.51～4.24 g/kg 和0.03～0.07 g/kg。

图1 有机物料还田对设施胡萝卜土壤有机碳和水溶性有机碳含量的影响

与FNP 处理相比，OPT 处理0～20 cm 土层有机碳含量提高4.35%，差异不显著，PS、M 处理分别显著提高28.90%、37.88%；20～40、40～60 cm土层，OPT 处理的土壤有机碳含量分别提高15.40%、27. 12%； PS、 M 处理分别显著提高25.78%、31.52%和34.80%、36.87%。

与FNP 处理相比， OPT 处理0～20 cm 土层水溶性有机碳提高2.15%，PS、M 处理分别提高17.47%、22.54%，差异均未达显著水平；20～40、40～60 cm 土层，OPT、PS 和M 处理分别提高8.20%、13.84% 和27.85%，6.15%、19.93% 和28.19%，差异均不显著。

各处理的土壤有机碳、水溶性有机碳含量均随着土层深度的增加不断减少，从耕层到40～60 cm土层分别显著降低46.86% ～ 60.15%和66.56%～76.12%。

由图2 看出，各处理0～20 cm 土层土壤可提取腐殖物质、胡敏酸、富里酸、胡敏素有机碳含量分别为1.57～4.20、0.98～2.21、0.60～1.99、5.78～8.71 g/kg；20～40 cm 土层为1.39～3.43、0.82～1.73、0.57～1.69、5.00～6.88 g/kg；40～60 cm 土层为1.02～1.91、0.64～1.20、0.38～0.71、4.09～5.13 g/kg。

图2 有机物料还田对设施胡萝卜土壤可提取腐殖物质、胡敏酸、富里酸、胡敏素有机碳含量的影响

与FNP 处理相比， 0～20、20～40、40～60 cm土层OPT 处理的可提取腐殖物质有机碳含量依次提高6.88%、9.67%和20.93%，差异不显著；PS、M 处理的可提取腐殖物质有机碳含量依次显著提高41. 61%、45. 18%、45. 17% 和46. 18%、39.71%、40.84%。

与FNP 处理相比，OPT 处理0～20 cm 耕层土壤胡敏酸有机碳含量提高7.18%，但差异不显著，PS、M 处理分别显著提高31.14%、37.53%；20～40 cm 土层，OPT、PS 处理的胡敏酸有机碳含量分别提高17.45%、29.10%，差异不显著，M 处理显著提高37.49%；40～60 cm 土层，OPT、PS 和M 处理的胡敏酸有机碳含量分别提高35.17%、38.87%和45.85%，差异均显著。

与FNP 处理相比， 0～20、20～40 cm 和40～60 cm 土层PS、M 处理的富里酸有机碳含量依次显著提高51.79%、53.69%，55.39%、55.09%和40.81%、32.46%。OPT 处理的富里酸有机碳含量较FNP 处理先增加后下降，耕层土壤提高6.43%，20～ 40、40 ～ 60 cm 土层分别下降4.36% 和12.18%，差异不显著。

与FNP 处理相比，OPT 处理0～20 cm 耕层土壤胡敏素有机碳含量增长7.24%，差异不显著，PS、M 处理的胡敏素有机碳含量分别显著提高18.95%、22.89%；20～40 cm 土层，OPT、PS 处理的胡敏素有机碳含量分别提高7.14%、12.80%，差异不显著，M 处理的胡敏素有机碳含量显著提高21.52%；40～60 cm 土层，OPT、PS 和M 处理的胡敏素有机碳含量分别提高6.07%、7.03% 和11.33%，差异均不显著。

各处理土壤可提取腐殖物质、胡敏酸、富里酸和胡敏素有机碳含量均随土层深度的增加不断降低，从耕层(0～20 cm)到40～60 cm 土层各指标依次降低35. 47% ～ 54. 51%、34. 54% ～ 45. 87%、37.02%～64.12%和29.31%～41.04%。

2.2 有机物料还田对设施胡萝卜土壤酶活性的影响

由图3 看出，各处理0～20 cm 耕层土壤的脲酶、蔗糖酶、中性磷酸酶和蛋白酶活性分别为22.68～55.16、22.23 ～ 45.38、157.95 ～ 270.39、2.26～3.10 mg/(g·d)；20～ 40 cm 土层分别为18.68～38.09、18.12 ～ 34.50、142.51 ～ 239.26、1.84～2.85 mg/(g·d)；40～ 60 cm 土层分别为15.36～20.24、16.12 ～ 21.29、131.71 ～ 163.61、1.60～1.78 mg/(g·d)。

图3 有机物料还田对设施胡萝卜土壤酶活性的影响

与FNP 处理相比，0～20 cm 和40～60 cm 土层，OPT、PS 和M 处理的脲酶活性依次显著提高28.37%、55.10%和58.89%，19.24%、23.69%和24.11%；20～40 cm 土层OPT 处理的脲酶活性提高26.58%，差异不显著，PS、M 处理的脲酶活性显著提高45.55%、50.94%。

与FNP 处理相比，0～20、20～40、40～60 cm土层，OPT、PS 和M 处理的蔗糖酶活性分别依次显著提高36.90%、46.89%和51.00%，29.16%、41.06%和47.48%，16.04%、21.96%和24.31%。

与FNP 处理相比，0～20、20～40 cm 土层，OPT、PS 和M 处理的中性磷酸酶活性依次显著提高18.35%、37.98%和41.58%，16.32%、36.55%和40.44%；40～60 cm 土层，OPT、PS 和M 处理的中性磷酸酶活性依次提高14.95%、16.89% 和19.50%。

与FNP 处理相比，OPT 处理的0～20 cm 土层蛋白酶活性提高8.52%，差异不显著，PS、M 处理的蛋白酶活性显著提高16.95%、25.71%；20～40 cm 土层，OPT、PS 处理的蛋白酶活性提高2.60%、17.52%，差异不显著，M 处理的蛋白酶活性提高19.88%；40～60 cm 土层，OPT、PS 和M 处理的蛋白酶活性分别提高1.28%、5.93%和6.10%，差异不显著。

各处理土壤脲酶、蔗糖酶、中性磷酸酶和蛋白酶活性均随土壤深度的增加不断减少，各指标从耕层(0～20 cm)到40～60 cm 土层依次降低32.27%～73.12%、27.51% ～ 53.07%、16.62% ～39.49%和21.00%～49.11%。

2.3 设施胡萝卜土壤有机碳、全氮与土壤酶活性的关系

将0～20、20～40 cm 和40～60 cm 三个土层的土壤有机碳与土壤酶活性进行相关分析发现，土壤有机碳含量与土壤脲酶(y ＝4.911x－2.979，R2＝0.672，P＝0.820∗∗)、土壤蔗糖酶(y ＝3.476x＋4.801，R2＝0.718，P＝0.847∗∗)、土壤中性磷酸酶(y ＝16.257x＋84.833，R2＝0.621，P＝0.788∗∗)、土壤蛋白酶(y ＝0.191x ＋1.013，R2＝0.456，P＝0.675∗∗)活性均呈显著正相关(图4)。

图4 设施胡萝卜土壤有机碳与土壤酶活性的关系(n＝60)

将0～20、20～40 cm 和40～60 cm 三个土层的土壤全氮含量与土壤酶活性进行相关分析发现，土壤全氮含量与土壤脲酶(y ＝33.364x－7.709，R2＝0.634，P＝0.796∗∗)、土壤蔗糖酶(y ＝24.185x＋0.885，R2＝0.709，P＝0.842∗∗)、土壤中性磷酸酶(y ＝108.92x ＋70.712，R2＝0.569，P＝0.788∗∗)、土壤蛋白酶(y ＝1.335x ＋0.792，R2＝0.455，P＝0.674∗∗)活性均呈显著正相关(图5)。

图5 设施胡萝卜土壤全氮与土壤酶活性的关系(n＝60)

3 讨论与结论

有机物料的长期投入可以促进有机碳库的积累[23，24]，有机物料还田后土壤有机碳含量的变化可揭示土壤有机碳固存性[25]。将作物秸秆、菌渣等有机物料还田是一种很有前途、可持续且经济的提高土壤有机碳固存的方法[13]。本研究中，压缩花生壳和蘑菇菌渣还田后不同土层土壤腐殖质有机碳含量增加25.78%～37.88%。其可能的原因是温室大棚高温高湿促进压缩花生壳和蘑菇菌渣的腐解，从而增加了土壤中腐殖质有机碳含量。土壤腐殖物质在有机碳的循坏和转化中起着重大作用[26]，可以提高土壤肥力，维持土壤的生产能力，同时改善土壤质量[28]。本研究中，与农民习惯施肥处理相比，压缩花生壳和蘑菇菌渣还田处理的可提取腐殖物质、胡敏酸、富里酸和胡敏素有机碳含量分别提高39.71%～46.18%、29.10%～45.85%、32.46% ～55. 39%和7.03% ～22.89%。Ferrari 等[26]发现长期施用农家肥会增加潮钙质细麻土中的腐殖酸含量。Zhang 等[27]研究表明施用矿物肥料加上玉米秸秆或其衍生生物炭会增加软土中的胡敏酸碳浓度，均支持本研究结果。

土壤酶活性代表土壤中各种生化过程的强度和方向。添加生物炭能显著提高土壤中转化酶和脲酶的活性[28]。本研究中，与农民习惯施肥和优化施肥处理相比，压缩花生壳和蘑菇菌渣还田后的土壤脲酶活性显著提高23.69%～58.89%，有利于促进有机氮转化为无机氮供作物吸收利用。土壤的成熟度和肥力水平可由土壤蔗糖酶活性反映。前人研究表明，添加残留物可以改善土壤蔗糖酶和中性磷酸酶活性[29]。本研究中，与农民习惯施肥和优化施肥处理相比，压缩花生壳和蘑菇菌渣还田后土壤蔗糖酶和中性磷酸酶活性分别显著提高21.96%～51.00%和16.89%～41.58%。这两种酶活性的提高可以进一步促进碳水化合物的转化，进而为植物和微生物提供额外的营养物质[30]。李娜等[31]研究表明土壤蛋白酶活性随作物生育期递进而不断升高，在成熟期达到最高。本研究中，压缩花生壳和蘑菇菌渣还田后土壤蛋白酶活性显著提高5.93%～25.71%。这不仅是因为作物生长过程中会通过根系向土壤中不断分泌释放酶类物质[32]，而且还田秸秆分解过程中也会释放蛋白酶。Oleszczuk 等[33]表明施用生物炭显著增加蛋白酶活性；袁玲等[34]研究发现添加有机物料可以提高底物浓度，进而提高土壤蛋白酶活性。压缩花生壳和蘑菇菌渣还田不仅增加底物浓度，而且还提高土壤有机碳含量，从而促进蛋白酶活性的升高。各种酶活性的增强，不仅提高土壤速效养分供应能力，而且有利于全量养分的积累，从而加速土壤养分转化循环，有利于土壤肥力的提高[35]。

土壤脲酶是一种酰胺酶，能促进土壤有机质分子中酰胺键的水解，因此，土壤有机质含量越高，脲酶活性也越强[36]。蔗糖酶可以将土壤中高分子量蔗糖分子分解成能够被植物和土壤微生物吸收利用的葡萄糖和果糖，为土壤生物提供充足的能源，其活性反映了土壤有机碳累积与分解转化的规律[37]。土壤蛋白酶和磷酸酶也是一类水解酶，与土壤脲酶和蔗糖酶呈现相同的变化趋势[38]，与土壤中有机碳输入呈显著正相关。氮素不仅是土壤酶的组成部分，而且累积在土壤有机质中的氮还决定酶在土壤中的量。在土壤各组分中，土壤全氮含量对土壤过氧化氢酶活性及其动力学特征影响最大[39]。全氮与蛋白酶、中性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶呈显著正相关，而与蛋白酶关系最为密切[40]。土壤酶活性对有机物料还田有显著反应[41]，这主要是由于较高的碳、氮水平支撑了较高的土壤微生物生物量，从而导致较高的酶活性[42]。

与农民习惯施肥处理相比，压缩花生壳和菌渣还田处理均可提高0～60 cm 土层土壤有机碳组分及土壤酶活性，耕层(0～20 cm)土壤有机碳、水溶性有机碳含量及可提取腐殖物质、胡敏酸、富里酸、胡敏素有机碳含量分别提高28.90%和37.88%、17.47%和22.54%、41.64%和45.18%、31.14%和37.53%、51.79%和53.69%、18.95%和22.89%；土壤脲酶、蔗糖酶、中性磷酸酶和蛋白酶活性分别提高55.10%、46.89%和51.00%、37.98%和41.58%、16.95%和25.71%。土壤酶活性与土壤有机碳和和土壤全氮含量呈显著正相关。

综上所述，压缩花生壳和菌渣还田等养分量替代化肥有利于改善设施胡萝卜土壤有机碳组分和酶活性，可以在设施胡萝卜土壤改良实践中推广应用。