长期施肥对薄层黑土酶活性及土壤肥力的影响

长期施肥对薄层黑土酶活性及土壤肥力的影响
焦晓光;隋跃宇;魏丹
【摘要】Soil enzyme activities and soil fertility were studied to explore the long-term fertilization on soil enzyme activities and its relationship with soil fertility on the basis of 29-years long-term site-specific experiment with different fertilization methods. The results showed that combined application of chemical fertilizers and organic manure could significantly increase the soil organic matter, total nitrogen, total phosphorus, alkali-soluble nitrogen, available phosphorus content and enhance the soil urease, phosphatase, invertase, catalase, dehydrogenase activity. The results of correlation analysis showed that soil urease, phosphatase, invertase catalase and dehydrogenase activity positively corrected with organic matter, total nitrogen, total phosphorus and alkali-soluble nitrogen significantly, and the integrated activities of soil urease, phosphatase, invertase, catalase dehydrogenase activity could reflect the changing trend of black thin-layer soil quality in the farmland after long-term fertilization.%利用29年的长期定位试验,对不同的施肥方式下薄层黑土酶活性及肥力进行了研究,探讨长期施肥对土壤酶活性及与土壤肥力的影响.结果表明,化肥与有机肥配合施用能明显提高土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷含量,增强土壤脲酶、磷酸酶、转化酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性.相关分析结果显示,土壤脲酶、磷酸酶、转化酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性与有机质、全氮、全磷、有效磷、碱解氮呈显著正相关.土壤脲酶、磷酸酶、转化酶、过氧化氢酶、脱氢酶综合活性可以反映长期施肥后薄层黑土质量的变化趋势.
【期刊名称】《中国土壤与肥料》
【年(卷),期】2011(000)001
【总页数】4页(P6-9)
【关键词】薄层黑土;长期施肥;土壤酶;相关分析;土壤肥力
【作者】焦晓光;隋跃宇;魏丹
【作者单位】黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所,黑龙江省植物营养
与土壤环境重点实验室,黑龙江,哈尔滨,150086;黑龙江大学农业资源与环境学院,黑龙江,哈尔滨,150080;中国科学院东北地理与农业生态研究所,黑龙江,哈尔
滨,150081;黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所,黑龙江省植物营养与
土壤环境重点实验室,黑龙江,哈尔滨,150086
【正文语种】中文
【中图分类】S154.2;S153.6
土壤酶活性是评价土壤生物活性和土壤肥力的重要指标,其活性的增强能促进土壤
的代谢作用,从而使土壤养分形态发生变化,提高肥力,改善土壤性质,且促进土壤生态系统中养分循环[1,2]。

土壤酶活性与土壤各种理化性状以及生物学性质相联系,能
够比较灵活地反映出土壤生物学肥力质量变化和判断环境胁迫、人为扰动下土壤生态系统的早期预警[3]。

以往施肥对土壤酶活性的研究较多[4,5],但多数为短期试验。

长期定位施肥在研究土壤肥力演化、肥料效应、农田养分循环以及施肥与环境关系等方面具有重要价值[6]。

本文以吉林省公主岭市黑土肥力与肥料效益长期监测试
验基地薄层农田黑土为研究对象,研究长期不同施肥对农田黑土土壤酶活性及土壤
肥力的影响,为农田黑土的合理、优化施肥提供依据。

1 材料与方法
1.1 试验概况
本研究利用吉林省农业科学院“黑土肥力与肥料效益长期定位试验”进行。

试验地位于吉林省公主岭市, 东经124°48′,北纬43°40′。

年平均气温5～6℃,年降水量500～650 mm,降水集中在 7、8月份,占全年的 60%～70%,雨热同季。

无霜期120～140 d,有效积温 2 600～3 000℃,每年 12月至第二年 3月为土壤冻结期,冻土厚达 1.5 m,地下水埋藏深度14 m左右,试验地面积为 40 000 m2。

试验土壤类型为薄层黑土,基础理化性质 (1980年)为有机质28.1 g◦kg-1,全氮1.87 g◦kg-1,全磷(P2O5)0.57 g◦kg-1,碱解氮114 mg◦kg-1,有效磷(P2 O5)27.0 mg◦kg-1,有效钾 (K2 O)190 mg◦ kg-1,pH7.6。

1.2 试验设计与方法
长期定位试验开始于 1980年,试验设 8个处理。

试验小区面积为 100 m2,每区 7垄,垄距 70 cm,随机排列,无重复。

本研究选其中的 4个处理:(1)对照 (不施
肥,CK);(2)氮磷钾(NPK);(3)有机肥 (OM);(4)氮磷钾 +有机肥 (NPK+OM)。

化学氮肥是尿素,磷肥为过磷酸钙,钾肥为硫酸钾,有机肥为纯猪粪,施猪粪30 000 kg◦hm-2,氮、磷、钾肥的施用量(N)150 kg◦ hm-2;(P2 O5)75 kg◦ hm-2;(K2 O)75
kg◦hm-2。

每个生长季作物收获时,将作物地上部移出,根和根茬还入土壤。

1.3 土壤样品采集及测定
分别在 2008年玉米播种前 (4月 29日)、灌浆期 (8月 6日)、收获期 (10月 9日)采集土壤(0～20 cm)样品,每个小区取 5个点混合,风干后过 1 mm筛备用。

土壤脲酶活性、磷酸酶活性、脱氢酶活性、转化酶活性、过氧化氢酶活性依次用靛酚蓝比色法、磷酸苯二钠比色法、氯化三苯基四氮唑 (TTC)转化法、硫代硫酸钠滴定法、高锰酸钾滴定法测定[7]。

土壤基本理化性状采用常规分析法测定[8]。

有机质、全氮用元素分析仪测定;全磷
用高氯酸 -硫酸 -钼锑抗比色法;碱解氮用碱解扩散硼酸吸收法;有效磷用 0.5 mol/L 碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法。

1.4 数据分析
数据采用 Excel 2003、SPSS12.0和 SAS软件统计分析。

2 结果与分析
2.1 长期施肥对薄层黑土土壤酶活性的影响
脲酶活性可以用来表示土壤供氮能力,磷酸酶与土壤磷素转化密切相关,可以反映土
壤磷素的状况[8],转化酶活性反映了土壤有机碳累积与分解转化的规律,过氧化氢酶活性表征土壤肥力的重要指标,土壤脱氢酶活性大小标志着土壤微生物分解代谢的
强弱,反映微生物总体活性[9]。

长期施肥可提高土壤脲酶、磷酸酶、转化酶、过氧
化氢酶、脱氢酶活性。

与不施肥处理相比化肥配施有机肥,脲酶活性增加41.96%、转化酶活性增加 35.59%、磷酸酶活性增加 39.32%、过氧化氢酶活性增加
76.30%、脱氢酶活性增加 56.51%,这说明长期施肥,特别是有机肥配施化肥处理对提高土壤酶活性效果显著。

与对照相比,单施化肥处理、单施有机肥处理虽也增加
磷酸酶和脱氢酶的活性,但增加的幅度相对较小。

对过氧化氢酶来说,单施有机肥处
理比单施化肥处理增加的幅度大,主要原因是有机肥可以促使土壤团聚体形成,从而
与土壤颗粒结合,促进团粒结构的形成,使土壤容重下降,孔隙度增加,含水率提高,紧
实度变小,从而增强土壤的保温能力,更好地促进氧化还原反应的发生。

这与王树起
和任祖淦等研究结果相一致[10],但也与部分研究者[11]认为有机肥使土壤有机碳含量增加,却降低了土壤过氧化氢酶活性的结论相反,这可能与土壤类型、肥料种类、
肥料量、施肥方式不同有关。

而有机无机肥配施显著增加 5种酶活性的原因,是化
肥的施入补充了不足的土壤养分,肥料中的有效养分为微生物提供了能源与基质,促
进了酶活性的增强。

而有机肥本身带有外源及大量活的微生物,在某种程度上起到
了“接种”的作用[12]。

因此,有机无机肥配施给土壤生物提供了能源与基质,从而促进了土壤新陈代谢,土壤质量明显改善,因此在薄层农田黑土上采用化肥与有机肥配施效果最佳。

表1 长期施肥对薄层黑土酶活性的影响注:同列数据后不同字母差异达 5%显著水平,下同。

处理脲酶(NH3-N,mg◦ g-1◦24 h-1)磷酸酶(mg◦ g-1◦24 h-1)转化酶(G,mg◦ g-1◦24 h-1)过氧化氢酶(0.1 m ol/L KMnO4,ml◦ g-1◦24 h-1)脱氢酶(TPF,mg◦ g-1◦24 h-1)CK 0.143b 5.114b 19.976b 2.013b 0.384b NPK
0.161b 6.698b 21.123b 2.456b 0.431b OM 0.172b 5.825b 23.724b
2.865b 0.475b NPK+OM 0.203a 7.125a 27.145a
3.549a 0.601a
2.2 长期施肥对薄层黑土土壤养分的影响
由表 2可见,长期施肥可增加土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷的含量。

与不施肥对照处理相比,长期化肥配施有机肥处理对提高农田黑土中各种养分含量效果尤为明显,差异达到了显著水平。

长期化肥配施有机肥处理与不施肥对照处理土壤养分含量的差值为有机质3.3 g◦kg-1,全氮0.71 g◦kg-1,全磷0.43 g◦kg-1,碱解氮143 mg◦kg-1,有效磷69.5 mg◦kg-1,化肥配施有机肥对提高农田黑土供氮、供磷容量和强度及土壤有机质含量效果明显。

原因在于化肥的施用可促进作物生长,促进根系和微生物的活动,向土壤分泌更多的有机代谢物;有机肥 (猪粪)的长期施用为土壤提供了有机碳源,明显增加了土壤有机碳库,表明有机无机配施可促进土壤有机质含量、氮、磷养分的提高。

与长期不施肥对照处理相比,长期单施化肥处理土壤有机质、全磷、碱解氮、有效磷含量有所增加,这主要是因化肥中的有效养分为微生物提供能源与基质,促进土壤的生化过程,使土壤养分形态发生变化,提高土壤肥力。

单施化肥处理土壤全氮含量比试验初始时有所降低,这与刘恩科的研究结果一致[13],原因可能是,作物生长发育所需氮素除由化肥提供外,还有一部分是由土壤有机质分解转化提供的,单施化肥处理无有机物质的输入,仅依靠茬口还田补充了部分
碳源[14],致使土壤有机质分解加快以补充作物所需养分,这样无法维持试验前的氮
素水平,而使土壤全氮含量较试验初始时有所降低。

不施肥处理土壤有机质、全氮
等养分含量下降,其原因是没有外源养分的加入,因而导致土壤有机质等土壤养分含
量降低。

表2 长期施肥对薄层黑土养分的影响注:同列不同字母表示处理间在 5%水平差异
显著。

下同。

处理有机质全氮全磷 (P2O5)碱解氮有效磷 (P2 O5)-1)CK
26.6b 1.62c 0.51b 102c 6.7d(g◦ kg-1) (mg◦ kg NPK 28.1b 1.81c 0.62b 133b 29.3c OM 28.8b 2.05b 0.71b 160b 51.3b NPK+OM 29.9a 2.33a
0.94a 245a 76.2a
2.3 土壤酶与土壤养分的关系
酶的专一性能反映土壤中与某类酶相关的有机化合物的转化过程,从而反映着土壤
肥力水平的高低,在某种程度上则需要具有共性相关的土壤酶类总体活性,用土壤酶活性来表征土壤肥力时,综合多种酶的活性显得更为必要。

土壤酶与土壤养分之间
的相关性见表 3。

脲酶、磷酸酶、转化酶、过氧化氢酶、脱氢酶与土壤有机质、全氮、碱解氮含量之间呈极显著或显著正相关,全磷与脲酶、磷酸酶、脱氢酶之间呈
显著的正相关,有效磷与磷酸酶、过氧化氢酶、转化酶、脱氢酶之间呈显著正相关。

这说明土壤有机质、全氮与这 5种土壤酶活性关系密切。

土壤有机质等土壤养分
是农田黑土肥力的物质基础,土壤酶活性依赖于有机质等养分的存在,长期施肥提高
了农田黑土土壤有机质等养分含量,给土壤酶提供了能源与基质,加快了土壤酶转化
分解过程,酶活性相应提高。

过氧化氢酶与有机质、全氮、碱解氮呈显著正相关,这与孙瑞莲在褐潮土研究的结果相反[15],这可能与土壤类型有关。

酶对土壤养分影响作用的过程中,彼此之间并不是孤立的,而是存在着相互制约、互
相促进的复杂关系,这种关系单纯从测定结果的相关分析说明是不够的。

通径分析
是一种因果机理分析方法,比相关分析提供更多信息,可揭示土壤酶活性与土壤养分
的密切程度,且能指出这种关系中哪种作用途径处于主导地位[16]。

表 3中标注横
线的数据为直接通径系数。

直接通径系数反映土壤酶活性对土壤养分直接影响作用的大小。

5种酶活性对土壤有机质、全氮、碱解氮直接影响顺序为脲酶＞转化酶
＞过氧化氢酶＞磷酸酶＞脱氢酶;全磷直接影响顺序为磷酸酶＞转化酶＞过氧化
氢酶＞脲酶＞脱氢酶;有效磷直接影响顺序为转化酶＞磷酸酶＞过氧化氢酶＞脲酶＞脱氢酶。

脲酶、转化酶对土壤养分直接通径系数最大,且可以通过过氧化氢酶、磷酸酶的间接作用效应表现明显,说明脲酶、转化酶对土壤养分具有强烈的直接效应。

总体来说,土壤脲酶、转化酶作为薄层农田黑土土壤肥力的综合评价指标优于
磷酸酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性。

表3 土壤酶活性与土壤养分含量的通径分析注:Xi(I=1～5)分别指脲酶、磷酸酶、
转化酶、过氧化氢酶、脱氢酶,Y为各土壤养分含量。

r0.05=0.491 3,r0.01=0.583 2,n=11;*显著相关,**极显著相关。

X1→Y X2→Y X3→Y X4→Y X5→Y 相关系数 (r)有机质X1 0.356 0.140 0.175 0.156-0.018 0.809*X2 0.119 0.174 0.108
0.165 0.071 0.637*X3 0.096 0.052 0.313 0.186 0.085 0.732*X4 0.111
0.159 0.195 0.221 0.117 0.803**X5 0.124 0.164 0.142 0.105 0.169
0.704*全氮X1 0.334 0.146 0.148 0.296-0.109 0.815*X2 0.145 0.155 0.147 0.144 0.150 0.743*X3 0.152 0.142 0.278 0.171 0.114 0.857**X4 0.130
0.167 0.193 0.208 0.175 0.873**X5 0.137 0.132 0.129 0.145 0.156
0.844**碱解氮0.140 0.210-0.221 0.143 0.781*X2 0.145 0.254 X1 0.509
0.252 0.101 0.155 0.907**X3 0.036 0.319 0.402 0.189 0.155 0.723*X4-0.041 0.181 0.223 0.313 0.067 0.750*X5 0.147 0.156 0.170 0.187 0.181 0.841*全磷0.156 0.178-0.095 0.196 0.651*X2-0.215 0.599 X1 0.216 0.217-0.104 0.227 0.724*X3 0.104-0.420 0.451-0.126 0.426 0.435 X4-0.005
0.177 0.181 0.231-0.122 0.462 X5-0.005 0.115 0.187 0.122 0.197 0.616*
有效磷X1 0.258 0.191 0.126-0.047 0.040 0.568 X2 0.145 0.320 0.130
0.053 0.064 0.712*X3 0.136 0.184 0.343 0.056-0.112 0.831**X4 0.141
0.195 0.126 0.296 0.149 0.907**X5 0.177 0.163 0.136 0.153 0.190
0.819**
3 结论
长期施肥可不同程度地提高农田黑土土壤脲酶、磷酸酶、转化酶、过氧化氢酶、脱氢酶的活性,其中对过氧化氢酶活性影响最明显,转化酶、脱氢酶次之。

各施肥处理
中有机无机配施的效果最为明显,其次是单施有机肥、单施化肥处理。

长期施肥可以提高薄层农田黑土土壤有机质和氮、磷养分含量,特别是有机无机配
施处理可显著增加黑土有机质、氮、磷等养分含量,说明长期有机无机配施后,农田
黑土养分状况得到改善,这也预示着在农田黑土上这种施肥方式有助提高土壤肥力,
使黑土质量向健康方向发展。

土壤有机质、氮、磷等养分含量与土壤酶活性及施肥方式等因子密切相关,土壤有
机质、全氮、碱解氮与土壤 5种酶活性显著相关,说明 5种酶与有机质、氮的转化
密切相关,在 5种酶中,过氧化氢酶和转化酶与全磷之间相关不明显,脲酶与有效磷的相关性不明显。

在薄层农田黑土上,可以通过脲酶、磷酸酶、转化酶、过氧化氢酶、脱氢酶的综合活性早期较好地反映长期施肥条件下薄层黑土质量的变化趋势。

土壤脲酶、转化酶作为薄层农田黑土土壤肥力的综合评价指标优于磷酸酶、过氧化氢酶、脱氢酶活性。

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