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        有機(jī)物料對(duì)旱作黃壤呼吸及酶活性的影響

        2021-01-04 08:32:18羅安煥王小利史登林段建軍皮義均郭琴波
        作物研究 2020年6期

        羅安煥,夏 東,王小利*,史登林,段建軍,皮義均,郭琴波

        (1貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院,貴陽 550025;2貴州大學(xué)煙草學(xué)院,貴陽 550025)

        作物秸稈、禽畜糞便等有機(jī)物料是農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)重要來源之一。有機(jī)物料還田不僅能改善土壤理化性狀、保持和提升土壤肥力,還能解決有機(jī)廢棄物對(duì)環(huán)境造成的污染問題,奠定了有機(jī)廢棄物資源化利用的基礎(chǔ)[1,2]。2017年,貴州省擁有秸稈資源1315.1萬噸,禽畜糞便資源15 037.4萬噸,但綜合利用率只有75%,肥料化利用率不足30%[3]。因此,在貴州黃壤區(qū)實(shí)施農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物料還田勢(shì)在必行。土壤呼吸及酶活性的動(dòng)態(tài)變化與施肥、土壤類型、耕作方式等因素密切相關(guān),表征土壤綜合肥力及土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化進(jìn)程,可用于評(píng)價(jià)有機(jī)物料施用效果[4,5]。目前,國內(nèi)外開展了許多關(guān)于有機(jī)物料施用對(duì)土壤呼吸或土壤酶活性的影響研究。游璟等研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田處理的二氧化碳累積排放量高于不還田處理,且隨著還田量的增加而增加[6];田冬等發(fā)現(xiàn)不同方式的秸稈還田均顯著促進(jìn)了土壤呼吸[7];劉領(lǐng)等發(fā)現(xiàn)田閑期翻壓不同蕓薹屬綠肥能有效提高土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性[8]。這些研究加深了人們對(duì)有機(jī)物料還田下土壤呼吸與土壤酶活性的認(rèn)識(shí),但以往的研究主要集中于不同還田方式下有機(jī)物料還田對(duì)土壤呼吸或土壤酶活性的影響[9,10],而對(duì)于不同類型(C/N)有機(jī)物料之間的對(duì)比研究鮮有報(bào)道。本研究以旱作黃壤為對(duì)象,通過室內(nèi)模擬培養(yǎng),探究不同有機(jī)物料還田對(duì)旱作黃壤呼吸及酶活性動(dòng)態(tài)變化的影響,以期為貴州省旱作黃壤條件下有機(jī)物料還田培肥土壤和有機(jī)物料資源化利用提供一定的理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        供試土壤為三疊系灰?guī)r與砂頁巖風(fēng)化物發(fā)育的旱作黃壤,種植作物為玉米,采自貴州省貴陽市花溪區(qū)青巖鎮(zhèn)小山村(26°17′51″N,106°41′6″E)。該地屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)區(qū),年均氣溫15℃,年均降水量1100~1200 mm,全年無霜期273~280 d。土壤pH4.70,有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量分別為39.65、1.81、0.94和15.64 g/kg,堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為153.79、56.74和145.30 mg/kg。

        2019年10月在試驗(yàn)地隨機(jī)選取8個(gè)點(diǎn),采集0~20 cm土壤帶回實(shí)驗(yàn)室,剔除石塊與殘余根茬,將土壤混勻,風(fēng)干過2 mm篩。供試有機(jī)物料選用當(dāng)?shù)氐挠衩捉斩?、水稻秸稈和豬糞(碳、氮含量見表1)。試驗(yàn)前將秸稈烘干,剪至0.5~1.0 cm長(zhǎng),豬糞粉碎過2 mm篩。

        表1 有機(jī)物料碳氮含量Table 1 Carbon and nitrogen content of organic materials

        1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)設(shè)置玉米秸稈(MS)、水稻秸稈(RS)、豬糞(PM)、玉米秸稈+氮肥(MS+N)、水稻秸稈+氮肥(RS+N)以及對(duì)照(無有機(jī)物料添加的土壤,CK)6個(gè)處理,每個(gè)處理20次重復(fù)。有機(jī)物料按照等碳量原則(干土∶有機(jī)碳=100∶2)添加[11],氮肥為硫酸銨,氮含量為21.2%。培養(yǎng)開始前,稱取過2 mm篩的風(fēng)干土,加去離子水調(diào)節(jié)土壤含水量至田間最大持水量的60%,在25℃培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)7 d后,按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)(表2)加入土壤、有機(jī)物料與硫酸銨后混勻。每個(gè)處理取混合土樣25 g加到50 mL小燒杯中(20份),放入體積為1 L的廣口瓶中,另在廣口瓶中加入盛有10 mL 0.5 mol/L NaOH的小燒杯與裝有10 mL蒸餾水的小燒杯各1個(gè),將廣口瓶加蓋密封,放入25℃培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行恒溫恒濕避光培養(yǎng)90 d。分別在第1、2、3、4、5、7、9、12、15、18、23、26、30、35、42、51、60、69、79、90 d取出盛有NaOH的燒杯測(cè)定CO2的釋放量,并更換燒杯,土樣每隔3 d用稱重法補(bǔ)充水分,在培養(yǎng)第15、30、60、90 d采樣測(cè)定土壤酶活性(蔗糖酶、磷酸酶、脲酶以及過氧化氫酶)。

        表2 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)Table 2 Experimental treatment design

        1.3 測(cè)定內(nèi)容及方法

        CO2釋放量采用堿吸收反滴定法[12]測(cè)定。

        土壤呼吸量[CO2(mg/kg)]=CHCl(V0-V1)×22/0.03

        式中:CHCl為鹽酸濃度(mol/L);V0為空白滴定的體積(mL);V1為消耗鹽酸的體積(mL)。

        土壤呼吸速率{CO2[mg/(kg·d)]}=培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)土壤呼吸量[CO2(mg/kg)]/培養(yǎng)天數(shù)(d)

        土壤剩余有機(jī)碳量=土壤總有機(jī)碳量-土壤累積呼吸量

        土壤酶活性的測(cè)定:參照文獻(xiàn)[13],分別采用3,5-二硝基水楊酸比色滴定法、磷酸苯二鈉比色法、苯酚—次氯酸鈉比色法和高錳酸鉀滴定法測(cè)定蔗糖酶、磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶活性。

        以上指標(biāo)均測(cè)定4次,取平均值。

        1.4 數(shù)據(jù)分析

        采用Excel 2010統(tǒng)計(jì)、作圖;采用SPSS21.0進(jìn)行相關(guān)性分析和多重比較。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 有機(jī)物料添加對(duì)土壤呼吸速率的影響

        各處理土壤呼吸速率隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)(圖1)。根據(jù)土壤呼吸速率快慢,可以將其劃分為2個(gè)階段:培養(yǎng)前期(第1~4 d),各處理土壤呼吸速率均在第1 d達(dá)到峰值[276.00~1229.80 mg/(kg·d)]后迅速下降,變化幅度較大,第4 d土壤呼吸速率為第1 d的28.74%~62.81%;培養(yǎng)后期(第4~90 d),土壤呼吸速率緩慢下降,且隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng),各處理之間土壤呼吸速率趨于一致,第90 d土壤呼吸速率為第1 d的1.82%~6.75%,顯著降低(P<0.05)。在培養(yǎng)前期,不同有機(jī)物料添加處理的土壤呼吸速率較CK提高了58.87%~345.58%,表明有機(jī)物料添加能提高土壤呼吸速率。

        圖1 各處理土壤呼吸速率Fig.1 Soil respiration rate of each treatment

        2.2 有機(jī)物料還田對(duì)土壤累積呼吸量的影響

        由圖2可以看出,各處理土壤呼吸量均隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)呈增加趨勢(shì),但其增加幅度逐漸減弱。培養(yǎng)結(jié)束(第90 d)時(shí),與CK相比,MS、RS、PM、MS+N和RS+N處理的土壤累積呼吸量分別增加了108.22%、148.80%、186.59%、148.14%和222.57%,RS+N處理對(duì)土壤累積呼吸量影響最大,且秸稈加氮處理也均高于不加氮處理。

        土壤有機(jī)碳剩余量可以反映土壤固碳能力的強(qiáng)弱,剩余量越多,表明土壤固碳能力越強(qiáng)。培養(yǎng)90 d后,各有機(jī)物料處理土壤有機(jī)碳剩余量均顯著高于CK,其中MS有機(jī)碳含量最高,且顯著高于其他各處理(表3)。說明不同有機(jī)物料還田對(duì)土壤有機(jī)碳起著不同程度的固持作用。

        圖2 各處理土壤累積呼吸量Fig.2 Cumulative soil respiration of each treatment

        表3 土壤有機(jī)碳剩余量Table 3 Residual soil organic carbon

        2.3 有機(jī)物料對(duì)土壤酶活性的影響

        根據(jù)圖3,在培養(yǎng)期間各有機(jī)物料處理土壤酶活性均顯著高于CK(P<0.05),但不同的酶變化規(guī)律不同。蔗糖酶和過氧化氫酶活性隨培養(yǎng)時(shí)間增加呈下降趨勢(shì),磷酸酶和脲酶活性隨培養(yǎng)時(shí)間增加呈先增加后下降趨勢(shì)。由圖3A與3D可以看出,各有機(jī)物料處理土壤蔗糖酶與過氧化氫酶活性均在第15 d時(shí)達(dá)到峰值(28.93~35.65 mg/g、3.33~3.92 mL/g),較CK處理分別提高了2.23~3.10倍與1.07~1.43倍,15 d后活性迅速降低。由圖3B與3C可以看出,各有機(jī)物料處理下土壤磷酸酶與脲酶活性均在前30 d呈上升趨勢(shì)且在第30 d時(shí)達(dá)到峰值(2.47~4.50、0.51~0.69 mg/g),較CK處理分別提高了0.61~1.57倍與2.0~3.06倍。不同的培養(yǎng)時(shí)間均以PM表現(xiàn)最優(yōu),酶活性顯著高于其他處理(P<0.05)。因此,秸稈類有機(jī)物料加氮能顯著提高土壤脲酶和磷酸酶活性。

        圖3 各處理不同培養(yǎng)時(shí)間的土壤酶活性動(dòng)態(tài)Fig.3 Dynamics of soil enzyme activity in different incubation time of different treatments

        2.4 土壤酶活性與土壤呼吸量的相關(guān)性分析

        Pearson檢驗(yàn)結(jié)果表明(表4),在第15 d時(shí),土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶以及過氧化氫酶活性均與土壤呼吸量呈顯著正相關(guān)(P<0.05);在第30 d時(shí),磷酸酶和脲酶活性與土壤呼吸量呈顯著正相關(guān)(P<0.05),但與過氧化氫酶和蔗糖酶活性相關(guān)性不顯著。由此可見,不同有機(jī)物料添加處理下土壤呼吸量的差異在一定程度上可以用土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶以及過氧化氫酶的活性高低來解釋,有機(jī)物料施用直接影響著土壤酶活性的高低,進(jìn)而影響了土壤呼吸。

        表4 土壤酶活性與土壤呼吸總量的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient between soil enzyme activity and total soil respiration

        3 討論

        3.1 有機(jī)物料對(duì)土壤呼吸的影響

        土壤呼吸所釋放的CO2是由于土壤微生物分解有機(jī)物質(zhì)而產(chǎn)生的,因此土壤呼吸量高低是土壤微生物活性的綜合表現(xiàn)[14]。有機(jī)物料還田作為一項(xiàng)最主要的農(nóng)田管理措施,通過改變土壤微生物的活性影響土壤呼吸強(qiáng)度[15]。本研究中,有機(jī)物料添加第1 d土壤呼吸速率達(dá)到峰值,然后快速下降,這是因?yàn)橛袡C(jī)物料投入為土壤微生物帶入充足的碳和氮,在培養(yǎng)初期土壤中大量易分解有機(jī)物質(zhì)為微生物提供了豐富養(yǎng)分,從而激發(fā)微生物活性[16],加快了土壤呼吸;而隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng),土壤呼吸速率隨著易分解物質(zhì)減少而逐漸變慢,這與郭振等[17]研究結(jié)果一致。

        與CK相比,各有機(jī)物料處理顯著提高了土壤累積呼吸量,且土壤有機(jī)碳剩余量顯著增加。RS+N土壤累積呼吸量最高,導(dǎo)致其土壤有機(jī)碳剩余量在各有機(jī)物料處理中最低,但仍顯著高于對(duì)照,表明有機(jī)物料在提高土壤累積呼吸量,促進(jìn)土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)的同時(shí)不會(huì)大幅降低土壤有機(jī)碳含量,利于土壤有機(jī)碳的固持與增加。其原因可能是有機(jī)物料與土壤中的物質(zhì)產(chǎn)生膠結(jié)作用促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成,避免土壤活性有機(jī)碳與微生物的接觸和降解[18]。因此,施用有機(jī)物料能提高土壤有機(jī)碳含量、增加土壤肥力,是提高旱作黃壤肥力的良好農(nóng)田管理措施,這與王雪等[19]的研究結(jié)論一致。

        3.2 有機(jī)物料對(duì)土壤酶活性的影響

        有機(jī)物料施入為土壤提供大量有機(jī)碳源和氮源,為土壤微生物活動(dòng)提供了更多能源物質(zhì),促進(jìn)土壤微生物活性,使土壤酶活性改變,進(jìn)而改變土壤肥力[20]。本試驗(yàn)中采用的有機(jī)物料碳、氮含量均較高,因此各處理土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶活性均顯著高于對(duì)照,這與熊瑛等[21]的研究結(jié)果一致。說明向土壤中施入有機(jī)物料可以為土壤微生物提供所需能量和養(yǎng)分,使其酶活性得到提高。本試驗(yàn)中蔗糖酶與過氧化氫酶活性隨時(shí)間推移呈下降趨勢(shì),可能是有機(jī)物料中易分解成分逐漸腐解的緣故;磷酸酶與脲酶呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì),這可能是由于有機(jī)物料中的磷和氮素隨著有機(jī)物料快速分解而快速釋放,30 d后有機(jī)物料易分解部分變少,磷和氮素釋放也變緩慢。本試驗(yàn)中秸稈類有機(jī)物料添加氮能提高土壤磷酸酶和脲酶活性,這可能是由于秸稈類有機(jī)物料本身碳氮比較高,單獨(dú)施入土壤會(huì)使碳素大量增加,而秸稈當(dāng)中的氮素釋放慢[22],會(huì)造成土壤碳源富余,氮素缺乏;秸稈與氮肥配合加入土壤后,土壤中氮含量提高有利于分泌磷酸酶和脲酶的微生物活性增加,從而土壤磷酸酶和脲酶活性也得到提高[23]。本試驗(yàn)中,培養(yǎng)期間各酶活性均以豬糞處理最高,這可能是由于試驗(yàn)是以等碳量還田,而豬糞的氮、磷含量較秸稈類有機(jī)物料高而且其碳氮比十分有利于土壤微生物活性增加的緣故。

        3.3 土壤酶活性與土壤呼吸的相關(guān)性

        土壤中生物學(xué)過程受土壤酶活性大小影響,而土壤中生物學(xué)過程決定著土壤呼吸大小,因此土壤酶活性與土壤呼吸存在密切聯(lián)系。本研究中,各處理土壤蔗糖酶和過氧化氫酶活性隨時(shí)間的增加呈下降趨勢(shì),而相對(duì)應(yīng)的土壤呼吸速率也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。相關(guān)性分析表明,土壤呼吸總量與蔗糖酶和磷酸酶、脲酶以及過氧化氫酶活性呈顯著正相關(guān),這與龐荔丹等[9]的研究結(jié)果一致??赡苁怯捎谕寥牢⑸锿ㄟ^將有機(jī)物料分解、轉(zhuǎn)化、吸收和利用后,其數(shù)量和活性發(fā)生改變進(jìn)而影響土壤酶活性變化,而有機(jī)物料施入同時(shí)改變了土壤呼吸速率與累積呼吸量,從而促進(jìn)土壤的呼吸作用[24]。

        4 結(jié)論

        施入不同有機(jī)物料均可提高旱作黃壤呼吸速率、累積呼吸量及土壤酶活性,進(jìn)而增強(qiáng)土壤固碳能力,其中水稻秸稈與氮配合施入對(duì)土壤呼吸影響最大,單施玉米秸稈在提升土壤有機(jī)碳含量上能力最強(qiáng),而施入豬糞對(duì)提升土壤酶活性效果最佳。相關(guān)性分析表明,土壤呼吸與土壤蔗糖酶、磷酸酶、脲酶、過氧化氫酶活性均存在著顯著正相關(guān)關(guān)系。

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