余薇薇，謝明揚，朱家悅，杜邦昊，楊　倫

(重慶交通大學(xué)/水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

1　材料和方法

1.1　供試材料

供試土壤為紫色土，取自重慶某奶牛養(yǎng)殖場周邊的耕地。土壤pH值為5.9～6.2，含有機(jī)質(zhì)12.29 g/kg、有效磷6.44 mg/kg、堿解氮98.31 mg/kg，其轉(zhuǎn)化酶活性為0.03 mL/g，酸性磷酸酶活性為0.51 mg/g，脲酶活性為0.92 mg/g。沼液自配，成分參考養(yǎng)殖場的沼液，TP含量為25.21 mg/L，銨態(tài)氮含量為318.56 mg/L，化學(xué)需氧量(COD)為640 mg/L，有機(jī)氮含量為32 mg/L，TK含量為419.56 mg/L，F(xiàn)e含量為3.18 mg/L，Zn含量為6.02 mg/L。

試驗用土壤柱進(jìn)行灌溉，土壤柱外殼為透明有機(jī)玻璃(高600 mm、直徑100 mm)，土壤柱底部鋪2 cm厚玻璃珠(直徑2 mm)。

1.2　土樣采集

選取5個采樣點分別進(jìn)行采樣，然后混合均勻取1 kg紫色土樣品放在塑料布上弄碎、混勻、鋪成四方形。用劃對角線法將土樣平均分成4份，取對角的2份混合放入樣品袋，自然風(fēng)干后，過3 mm篩。

1.3　試驗設(shè)計

將風(fēng)干過篩的紫色土均勻填入有機(jī)玻璃管中，填充完后在土壤上鋪滿2 cm厚的玻璃珠，土壤柱有效高度為45 cm，分別在土柱0 cm(表面)、-15 cm(距離表面15 cm)和-45 cm(距離表面45 cm)處開設(shè)孔洞，為方便固定點取土，用蒸餾水預(yù)飽和土壤柱，靜置平衡3 d，然后進(jìn)行灌溉處理。試驗共設(shè)4個灌溉處理，T1(全部為沼液)、T2(蒸餾水∶沼液=1∶)、T3(蒸餾水∶沼液=2∶)沼灌負(fù)荷分別為382.2、191.1、127.4 m3/(hm2·d)，CK(空白對照)為蒸餾水。灌溉2 d后，分別在土柱0 cm、-15 cm和-45 cm處取出土壤，風(fēng)干后測定土壤磷酸酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶活性和有效磷、銨態(tài)氮含量及沼灌前后土壤成分。

1.4　測定指標(biāo)與方法

1.5　數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)用Office 2013整理，采用Origin 9.0進(jìn)行繪圖。

2　結(jié)果與分析

2.1　沼灌負(fù)荷對土壤酶活性的影響

2.1.1脲酶由圖1可知，沼灌后0 cm和-15 cm處土壤脲酶活性均高于CK，不同沼灌條件下土壤脲酶活性有一定差異。沼液中的有機(jī)質(zhì)作為碳源能夠增強(qiáng)土壤微生物活性從而釋放更多酶。因此，隨沼灌負(fù)荷增大，脲酶活性提高幅度越大，而隨著土壤剖面深度增加，土壤脲酶活性逐漸降低，但T1處理始終明顯高于其他處理，這可能是由于隨土壤剖面深度增加，土壤營養(yǎng)元素含量和土壤環(huán)境不利于微生物的生存和繁殖，從而導(dǎo)致土壤酶活性降低[22]；也可能是因為土壤氨氮含量過多會抑制脲酶活性[23]，所以建議不要施入過量沼液。

圖1　不同沼灌負(fù)荷下紫色土脲酶活性變化

2.1.2磷酸酶由圖2可知，在T1沼灌負(fù)荷下，沼灌后0 cm處土壤磷酸酶活性低于CK，-15 cm和-45 cm處高于CK，這是由于高負(fù)荷沼液使0 cm處土壤產(chǎn)生磷素積累效應(yīng)從而抑制了酶活性[24-25]；T2沼灌負(fù)荷下，土壤磷酸酶活性隨著土壤深度增加先增加后降低，但均高于CK；T3沼灌負(fù)荷下，土壤磷酸酶活性隨著土壤深度增加而減小，0 cm和-15 cm處高于CK，-45 cm處低于CK。

圖2　不同沼灌負(fù)荷下紫色土磷酸酶活性變化

2.1.3轉(zhuǎn)化酶由圖3可知，沼灌負(fù)荷對0 cm處土壤轉(zhuǎn)化酶活性影響較明顯，沼灌后此處土壤轉(zhuǎn)化酶活性均高于CK，且沼灌負(fù)荷越大，土壤轉(zhuǎn)化酶活性越高。這是因為隨沼液施入，土壤有機(jī)質(zhì)含量增高，從而激發(fā)了土壤轉(zhuǎn)化酶活性[26]?？傮w上隨土壤深度增加土壤轉(zhuǎn)化酶活性呈明顯降低趨勢。在-15 cm處，T1處理土壤轉(zhuǎn)化酶活性較CK明顯增大，T2處理轉(zhuǎn)化酶活性較CK增加幅度較小，而T3處理與CK無明顯差異。在-45 cm處，各處理間土壤轉(zhuǎn)化酶活性無明顯差異。

圖3　不同沼灌負(fù)荷下紫色土轉(zhuǎn)化酶活性變化

2.2　沼灌負(fù)荷對土壤銨態(tài)氮、有效磷含量的影響

由圖4可知，沼液灌溉處理能夠明顯提高土壤銨態(tài)氮含量(除-45 cm處T2和T3處理與CK差異較小外)，這是由于沼液提高了土壤中微生物活性，促進(jìn)了銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化。T1、T2、T3負(fù)荷下，0 cm處土壤銨態(tài)氮含量分別較CK增加了13.8、8.8、5.9倍。隨著沼灌負(fù)荷增大，土壤中銨態(tài)氮含量增加。3個沼灌處理土壤銨態(tài)氮含量在縱深方向均表現(xiàn)為0 cm>-15 cm>-45 cm，即隨著土壤深度的增加，銨態(tài)氮含量逐漸減小，說明土壤銨態(tài)氮向下遷移量較小，但在T1處理下，土壤銨態(tài)氮含量最大，0 cm處為680.48 mg/kg ，-45 cm處也能達(dá)到335.07 mg/kg。

圖4　不同沼灌負(fù)荷下紫色土銨態(tài)氮含量變化

由圖5可知，土壤0 cm處土壤有效磷含量的變化規(guī)律與銨態(tài)氮相似，有效磷含量表現(xiàn)為T1>T2>T3，分別較CK增加了13.1、7.8、5.3倍。在T1沼灌負(fù)荷下，0 cm處土壤有效磷含量高達(dá)81.68 mg/kg，這與王月立等[27]計算出的土壤速效磷(即有效磷)淋溶臨界值(74.6～82.0 mg/kg)相符，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)將土壤速效磷含量控制在12.0～80.2 mg/kg。在-15 cm處，僅T1處理土壤有效磷含量明顯高于CK，其余沼灌處理與CK無明顯差異；在-45 cm處，

圖5　不同沼灌負(fù)荷下紫色土有效磷含量變化

各沼灌處理有效磷含量差異不明顯，均低于10 mg/kg。沼灌后土壤有效磷幾乎都富集在0 cm處，向下遷移能力極弱。即便在全沼液灌溉下，土壤有效磷也未能遷移到-45 cm處土壤。

2.3　沼灌負(fù)荷對土壤成分的影響

本試驗利用XRD對沼灌前后紫色土成分進(jìn)行定性分析，用以觀察沼灌對土壤成分的影響。圖6為不同沼灌負(fù)荷下紫色土的XRD圖譜，對比各成分XRD標(biāo)準(zhǔn)卡片后標(biāo)出各物質(zhì)的特征峰?？捎^察到石英(SiO2)和長石的衍射峰非常明顯，該物質(zhì)是紫色土的主要成分，還有部分伊利石、蛭石和綠泥石等黏粒礦物的衍射峰較為明顯，這些物質(zhì)存在于紫色土中但其所占比例較小。觀察不同沼灌負(fù)荷處理(T1、T2、T3)土壤的XRD圖譜可知，各沼灌處理沼液灌溉前后土壤的成分組成保持一致，但成分含量有不同的變化。在T1處理下沼灌后綠泥石特征峰強(qiáng)度較未沼灌土壤無明顯變化，伊利石特征峰有小幅度增強(qiáng)，而蛭石則有小幅下降。劉永輝等[28]研究表明，施肥后蛭石會固定鉀素然后轉(zhuǎn)化為伊利石，所以蛭石含量變小而伊利石比例相對增加。蛭石對磷素有較好的吸附效果，其含量下降會減少土壤對磷的吸附作用。雖然沼液灌溉可使土壤酶活性明顯增強(qiáng)，但是在不同灌溉負(fù)荷下，土壤成分無明顯變化。

a：原土；b：T1；c：T2；d：T3

3　結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，適度沼灌可提高土壤脲酶、磷酸酶和轉(zhuǎn)化酶活性。在-45 cm處，僅T1處理土壤脲酶活性較CK明顯增加，其他處理與CK 無明顯差異，這可能是因為在高沼灌負(fù)荷下可溶性有機(jī)質(zhì)、氮、鉀等營養(yǎng)元素能夠遷移至土壤深層，通過影響微生物來提高土壤酶活性。在T1沼灌負(fù)荷下，0 cm處土壤磷酸酶活性低于深層土；T2沼灌負(fù)荷下，土壤磷酸酶活性隨著土壤深度增加先增加后降低；T3沼灌負(fù)荷下，土壤磷酸酶活性隨著土壤深度增加而減小。沼灌負(fù)荷越大，脲酶活性也越大，這與前人研究結(jié)果一致[29-31]。沼灌可提高土壤酶活性，但過量則會降低磷酸酶活性，即沼灌負(fù)荷不宜過高，考慮到沼液灌溉的經(jīng)濟(jì)效益，建議灌溉負(fù)荷不宜超過191.1 m3/(hm2·d)。

沼液灌溉帶入了大量的氨氮與少量有機(jī)氮，這些氮素能夠快速被土壤吸附，且極易富集于土壤表面。氨氮在水溶液或土壤中經(jīng)硝化作用會轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，而在高濃度沼灌條件下，硝化作用受到抑制，土壤中銨態(tài)氮大幅增加，并且有向土壤深層遷移的趨勢[32-36]。沼灌能激活土壤微生物活性，促進(jìn)銨態(tài)氮和有效磷的轉(zhuǎn)化；但從土壤應(yīng)用方面來看，肥力過高反而使農(nóng)作物對氮利用率下降，局部營養(yǎng)濃度過高甚至?xí)χ参锂a(chǎn)生毒性。因此，從土壤銨態(tài)氮的角度來看，沼灌負(fù)荷小于T2時既可以提升土壤氮營養(yǎng)水平，又可減小對環(huán)境污染的風(fēng)險。全沼灌溉可最大量提高土壤肥力，但有污染大氣環(huán)境與地下水環(huán)境的風(fēng)險。適當(dāng)降低灌溉負(fù)荷可達(dá)到灌溉效益最優(yōu)化的目的。紫色土對磷的固定作用較弱，沼灌能有效提高土壤有效磷含量。同時，隨沼液共同施入的外源有機(jī)質(zhì)能夠促進(jìn)磷酸鹽向土壤微生物量磷和其他非無機(jī)固定態(tài)磷的轉(zhuǎn)化，減少土壤無機(jī)礦物對磷酸鹽的固定，提高易溶態(tài)無機(jī)磷組分的比例，從而提高土壤有效磷含量。