干旱区沙土施用牛粪有机肥的土壤生物特性响应

李学敏，刘淑娟，刘光武，赵 鹏，刘开琳，刘虎俊

(甘肃省治沙研究所，甘肃省荒漠化与风沙灾害防治重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，甘肃兰州 730070)

有机肥不但可以提高土壤有机质含量，还可以改善土壤生物生态环境[1]。国内外研究普遍认为，有机肥料可促进土壤微生物增加，从而间接提高土壤养分供应能力，促进农作物生长与产量[2-4]。但有机肥种类不仅影响土壤理化性质[5-7]，而且对土壤酶活性和土壤微生物影响也不同[8-11]。土壤酶参与土壤的各种生物化学过程，其活性可大致反映某一种土壤生态状况下生物化学过程的相对强度[12]，土壤的酶作用与土壤肥力的关系密切。因此，土壤酶活性可作为判断土壤生物化学过程强度及评价土壤肥力指标之一。测定相应酶的活性，可以间接了解某种物质在土壤中的转化情况。另一方面，随着集约化养牛业的发展，产生了大量的牛粪，为有机肥生产提供了充足的原料。目前，牛粪有机肥生产方法有沼气池和堆肥发酵，沼液和沼渣以及堆肥施入农田，不仅能充分利用养殖废弃物，减少环境污染，同时还能改良土壤。笔者应用牛粪沼液和牛粪堆肥作为底肥，在沙土种植甜高粱，分析土壤微生物的变化，确定2种牛粪发酵肥施入的土壤微生物及土壤酶响应，比较2种不同肥料处理的效果，旨在为牛粪处理和干旱区沙土改良提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料试验用肥料为有氧发酵的牛粪堆肥和以牛粪为主要发酵原料的沼液。牛粪堆肥的总有机碳、腐殖酸、富里酸、腐殖质和全氮分别是沼液的33.13、48.46、88.66、53.55和26.17倍，而沼液的速效磷、硝态氮和铵态氮是堆肥的4.14、11.60和952.18倍。牛粪堆肥呈碱性，2种有机肥的成分及酸碱性存在差异(表1)。

表1 牛粪沼液和牛粪堆肥的主要成分及特性

1.2 试验设计采用大区面积为20 m×40 m的田间试验，不设重复，不同肥料之间相互对比，分析每种肥料处理的效应。参试有机肥分别是牛粪堆肥和沼液，化肥为磷酸二氢铵，上述肥料作基肥在播种前一次施入。以其全氮量计算施入量：牛粪堆肥作基肥施用量约为0.75 kg/m2，沼液作基肥施用量约为13.0 kg/m2，磷酸二氢铵施用量则根据牛粪堆肥的氮含量计算施约10.5 g/m2。采用平地覆膜种植甜高粱，在甜高粱生长旺盛期，灌水过程给沼液基肥地随水浇入沼液6.5 kg/m2。根据所测肥料成分计算，牛粪堆肥和沼液的总有机碳、腐殖酸、富里酸和全氮分别相差0.56、1.86、3.41和1.01倍，牛粪堆肥有机成分相对含量较大。

1.3 测定项目与方法土样采集时间分别为甜高粱苗期的2019年6月14日和甜高粱生长收割的9月5日，分3层0～5、5～10和10～20 cm进行采样，每小区按对角线取 3样点，同层次土样混合作为 1 个混合样。土样放入带有冰袋的保温箱储存，运至实验室测定生物学指标。土壤细菌、放线菌、真菌数量采用平板培养计数法测定，细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基，放线菌采用高氏 1 号培养基，真菌采用马丁氏培养基。过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定，转化酶活性采用 3，5-二硝基水杨酸比色法测定，碱性磷酸酶活性采用苯磷酸二钠比色法测定。

1.4 数据处理与分析数据采用Excel 2007进行统计分析，以不同施肥和土层深度为变量因素对土壤微生物和酶变化率进行分析，计算第一次施入后土壤微生物和酶和甜高粱收割后的土壤微生物和酶数量，进行变化率差异计算，并绘制图表比较说明。

2 结果与分析

2.1 土壤细菌、放线菌和真菌的变化在观测的土层，施牛粪堆肥和化肥样地的细菌和真菌的增加率都大于沼液和对照(CK)(图1)，其中真菌的增加相对较大，其次为细菌。放线菌除5～10 cm，也是施牛粪堆肥和化肥较大。在 0～5 cm 土层，牛粪处理土壤的微生物增加率大于沼液、化肥和对照，其中细菌的增加率最大，是放线菌和真菌的1.29和1.27倍。在5～10 cm 土层，施牛粪处理土壤的细菌增加率大于沼液和对照，而真菌的增加率是施牛粪堆肥的较大。在10～20 cm 土层，土壤微生物的变化率最大，施牛粪和化肥处理的土壤微生物都大于对照，其中施化肥的土壤微生物增加率大于施牛粪和沼液，这表明施牛粪堆肥的0～10 cm细菌和真菌数量增加较大；与对照相比施肥增加了0～20 cm土层的土壤真菌，施化肥处理土壤10～20 cm微生物数量增加率较大。牛粪有机肥施入风沙土增加了腐殖酸，促进了真菌的增加。

图1 不同肥料施用的土壤微生物变化率Fig.1 Change rate of soil microorganism under different fertilizer application

2.2 土壤酶的变化除牛粪堆肥处理的0～5 cm土层的脲酶外，施肥处理的土壤过氧化氢酶、转化酶和碱性磷酸酶的活性都增加，施牛粪堆肥处理的过氧化氢酶和转化酶活性的增加率较大，而脲酶的活性降低(图2)。除脲酶，在5～10 cm 土层施牛粪堆肥处理的过氧化氢酶、转化酶活性和碱性磷酸酶增加率相对较大，都大于对照，其中转化酶活性的增加率较大，牛粪堆肥处理的转化酶活性增加率是沼液的1.74倍、化肥的1.44倍和对照的2.05倍。在10～20 cm 土层，化肥处理的土壤碱性磷酸酶活性的增加率较大，施牛粪堆肥和沼液处理的脲酶活性低于化肥和对照，其他3种酶活性增加率均大于对照。施肥处理的土壤过氧化氢酶活性都大于对照。施肥处理的脲酶活性增加率只有10～20 cm化肥处理的脲酶活性增加率大于对照。在4种酶中，转化酶的变化率较大(标准偏差最大)。说明所有施肥处理均能增加过氧化氢酶和转化酶活性，在0～5 cm施牛粪处理的过氧化氢酶、转化酶和碱性磷酸酶活性增加率较大。

图2 施用不同肥料的土壤酶活性变化率Fig.2 The change rate of soil enzyme activity with different fertilizers

2.3 土壤呼吸强度的变化沙土施用沼液、牛粪堆肥和化肥处理的土壤呼吸速率变化差异显著(P<0.05)。其中沼液处理的土壤呼吸速率最大(图3)，化肥处理的土壤呼吸速率小于对照CK。沼液处理的土壤呼吸速率是牛粪堆肥的1.09倍，是化肥处理的土壤呼吸速率的1.67倍，是对照的1.59倍。牛粪堆肥处理的土壤呼吸速率是对照的1.45倍，对照的土壤呼吸速率变化幅度最大(变异系数为51.92%)，其次为牛肥堆肥(变异系数为29.56%)。牛粪堆肥处理的土壤呼吸速率大于对照，这与0～5 cm土层施牛粪土壤微生物的增加率变化情况一致(图1)。

图3 施用不同肥料的土壤呼吸速率Fig.3 Soil respiration rate with different fertilizers

3 讨论

3.1 施有机肥增加土壤有机碳、腐殖质和总氮，促进土壤微生物增长有机肥的投入为土壤微生物提供了营养物质和碳源，刺激了微生物的繁殖，改善了土壤微生物的生长环境，增加了土壤微生物数量[13]。在沙土地的甜高粱生长过程施牛粪沼液、堆肥和化肥处理的土壤微生物均增加，只是增加率不同。这与王芬等[14]研究的牛粪对苹果地土壤特性影响的结论相同，也与肖琼等[15]分析的单施或配施有机物料均有利于提高农田土壤微生物总量及各类菌群生物量的研究结果一致。细菌和放线菌数量变化与王宁等[16]对棉花的研究结果一致。研究表明单施或配施有机肥土壤真菌数量有增加也有减少的情况[14-17]。该研究试验观测期内土壤微生物均增加，这可能是观测期[17]以及种植作物[18-20]不同所致。土壤有机碳和土壤总氮是影响土壤细菌的显著因子[21-22]，施牛粪有机肥增加了土壤有机碳和土壤总氮，促进了土壤细菌增长率。但沼液的总有机碳含量大于牛粪堆肥，腐殖酸和富里酸则较小，这影响了土壤细菌变化。化肥配施有机肥减缓红壤甘蔗产区土壤pH下降，施肥处理导致土壤细菌、真菌和放线菌显著高于对照，施用有机肥是提升土壤肥力和保持土壤健康的有效措施[18]。不同深度的土壤细菌增加率不同，在10～20 cm土层最大。这与不同土层深度的营养成分不同有关，该研究结果与果园施有机肥的观测结果相似[6]。

3.2 土壤酶活性受有机肥影响，且随土层深度变化土壤酶活性作为表征土壤生物活性的重要指标，受不同施肥措施、作物种类、耕作模式、土壤水热条件等的影响[16]。土壤酶活性可作为判断土壤生物化学过程强度及评价土壤肥力指标之一[23-24]。与施化肥和对照处理相比，在0～5 cm土层，施牛粪堆肥处理的土壤转化酶和碱性磷酸酶活性增加率均较大，过氧化氢酶活性增加率相近，脲酶活性则降低。配施有机肥土壤过氧化氢酶活性增加[16]。单施或配施有机肥土壤脲酶活性有增加[19]也有降低[20]，玉米生育期土壤酶活性均呈先升高后降低的趋势[25]，这与该试验的脲酶变化一致。土壤含磷量的差异会导致不同土壤类型下磷酸酶活性对施肥的响应不同[25]，单施或配施有机肥的土壤碱性磷酸酶活性增加[26-27]，这也与该研究结果一致。与施化肥和沼液处理相比，施牛粪处理土壤过氧化氢酶、转化酶和碱性磷酸酶增加率较大，脲酶变化则相反。这可能与该试验中牛粪施用的腐殖酸和富里酸含量高有关，也可能与牛粪的肥效期长有关。腐熟牛粪可以改善土壤酶活性，提高土壤有机质、全氮和速效磷含量[26]。施化肥处理的土壤微生物和酶活性增加率最大的是10～20 cm土层，这可能是化肥易溶于水，肥料施于土壤经灌溉而部分营养物质被水带入土壤下层。土壤微生物所引起的各种生物化学过程，全部是借助于它们所产生的酶来实现[1，27]。在垂直方向上几种酶的活性增加率随土壤层次增加也有减少，其中沼液和化肥的增加率随土层加深而大于牛粪堆肥。一次性施入不同用量的牛粪能显著提高各土层土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶的活性[28]。增施不同种类和数量畜禽粪肥，可有效提高土壤呼吸速率，不同类型肥料肥效及适宜施肥量对改善土壤生物特性的效果不同[29-30]。

4 结论

在干旱区种植甜高粱的沙土，施牛粪堆肥和化肥处理的0～5 cm土壤微生物均增加；不同深度的土壤微生物的增加率不同，在10～20 cm土层的微生物增加率较大。4种处理中，与施化肥和对照处理相比，施牛粪堆肥处理的0～5 cm土层土壤的转化酶和碱性磷酸酶活性增加率均较大，过氧化氢酶活性增加率相近，脲酶活性则降低。沙土施用沼液、牛粪堆肥和化肥处理的土壤呼吸速率变化差异显著，沼液和牛粪处理土壤的呼吸速率相对较大。综合土壤微生物增加率、酶活性及土壤呼吸率的变化，施牛粪堆肥对表层土壤生物学特性指标影响较大。