施肥對不同雜糧作物連作土壤化學(xué)特性及酶活性的影響

林昕，陳雪麗，萬書明，王爽，張磊，王曉軍，李偉群，肖洋

(1.黑龍江大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000；2.黑龍江省黑土保護利用研究院，黑龍江 哈爾濱 150086)

0 引 言

雜糧是小宗糧豆作物的統(tǒng)稱，在我國雜糧一直處于輔助地位，隨著生活水平的不斷提高，雜糧成為我國糧食安全的重要補充[1]。黑土區(qū)是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，近年來，隨著種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和雜糧種植效益的提高，雜糧作物的種植面積不斷增加。然而，針對雜糧作物化學(xué)特性和酶活性的相互關(guān)系尚不清晰。土壤有機質(zhì)和土壤養(yǎng)分是作物生長的重要物質(zhì)來源，常用來表征土壤肥力的高低[2]。土壤酶是由土壤中的微生物、動植物分泌物和殘體分解釋放的一類具有催化能力的活性物質(zhì)[3]，被認為是土壤和植物之間相互作用的反饋[4-5]。土壤養(yǎng)分含量和酶活性是衡量土壤肥力狀況的重要指標(biāo)，與施肥水平密切相關(guān)[6]。多數(shù)研究表明，有機肥施用不僅增加土壤的有效養(yǎng)分含量，同時也增加了土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶的活性[7-9]。Lalande等[10]認為施用有機肥顯著提高了土壤中磷酸酶和脲酶活性。宋震震等[11]研究發(fā)現(xiàn)長期施用有機肥和化肥均增加了土壤全氮、速效磷含量，提高了土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性。盧越等[12]研究表明，與玉米和棉花相比，種植高粱顯著增加了土壤淀粉酶和蛋白酶活性。劉彩霞[13]研究認為種植紅蕓豆的土壤脲酶活性顯著高于種植玉米土壤。然而，在以往的研究中，多以玉米、水稻等大宗糧食作為研究對象，以雜糧為研究對象來探討土壤養(yǎng)分和酶活性受施肥管理措施的影響研究報道很少，且有關(guān)雜糧作物連作的土壤效應(yīng)研究更是缺乏。因此，本研究依托于黑土區(qū)種植綠豆、紅小豆和高粱的定位施肥試驗，探討雜糧作物連作-施肥-土壤養(yǎng)分含量-土壤酶活性之間的相互關(guān)系，為黑土區(qū)雜糧產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展和黑土資源可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

該施肥定位試驗始建于2017年，位于黑龍江省哈爾濱市道外區(qū)民主鄉(xiāng)國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)(45°20′-46°20′N，126°15′-127°30′E)。氣候?qū)僦袦貛Т箨懶詺夂?，四季分明，年平均氣?.5 ℃，最冷月(一月)平均氣溫-19.4 ℃，最熱月(七月)平均氣溫22.8 ℃；年平均降水量530 mm，雨季集中在7、8月份，無霜期136 d左右。土壤類型為典型黑土。試驗地開始前土壤養(yǎng)分狀況見表1。

表1 試驗地開始前土壤養(yǎng)分狀況

1.2 試驗設(shè)計

該施肥定位試驗始建于2017年，試驗包括綠豆、紅小豆和高粱3種雜糧作物，設(shè)置3種作物的無肥、單施有機肥、單施化肥3個施肥處理，共計9個試驗處理，每個小區(qū)面積為28 m2，3次重復(fù)?；蕿槟蛩?、二銨、氯化鉀，有機肥的有機質(zhì)含量≥45%，養(yǎng)分含量(N+P2O5+K2O)≥5.0%，均作為底肥一次性施入，詳細試驗設(shè)計見表2。2020年種植的高粱品種為龍雜25號，綠豆品種為嫩綠1號，紅小豆品種為建紅1號，2020年5月18日播種，人工除草、田間統(tǒng)一管理。

表2 試驗設(shè)計

1.3 樣品采集和測定

于2020年8月雜糧成熟期采集0～20 cm土壤樣品，每個小區(qū)按Z字形采集5個點土壤樣品，混勻作為一個重復(fù)樣品，每個小區(qū)采集3個重復(fù)樣品。土壤樣品采回后挑出石塊和植物殘體，風(fēng)干后，研磨，過2.5 mm篩，用于土壤pH、土壤養(yǎng)分含量和酶活性測定。土壤pH測定的水土比為2.5∶1；土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法；土壤全氮含量采用半微量凱氏法；土壤堿解氮含量采用堿解擴散法；土壤全磷含量采用高氯酸-硫酸-鉬銻抗比色法；土壤速效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；土壤脲酶活性采用靛酚藍比色法測定；土壤蔗糖酶活性采用3，5-二硝基比色法測定；土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定；土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定[14-15]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2010軟件統(tǒng)計分析，用SPSS 22.0軟件中的Duncan、Person顯著性差異分析和相關(guān)性分析，用SigmaPlot 12.5畫圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥對不同雜糧連作土壤有機質(zhì)和pH的影響

與不施肥相比，連作綠豆土壤中，化肥和有機肥的施用顯著增加了土壤有機質(zhì)含量，分別增加7.17 g·kg-1和8.1 g·kg-1(P<0.05)；而連作紅小豆土壤中，化肥和有機肥的施用沒有顯著改變土壤中有機質(zhì)含量；連作高粱土壤中，施用化肥處理的土壤有機質(zhì)含量最低，施用有機肥處理的土壤有機質(zhì)含量最高，兩者之差為2.83 g·kg-1，差異達到顯著水平(P<0.05)(圖1)。

與基礎(chǔ)土壤有機質(zhì)含量相比，不施肥條件下，連續(xù)四年綠豆種植顯著降低了土壤有機質(zhì)含量，從27.6 g·kg-1下降到19.9 g·kg-1；其他處理均未顯著改變土壤有機質(zhì)含量(表1，圖1)。與基礎(chǔ)土壤pH(6.9)相比較，四年連續(xù)種植雜糧作物顯著降低了土壤pH(P<0.05)，其中，施化肥處理土壤pH最低(6.6)，且連續(xù)種植四年豆科作物后的土壤pH高于種植高粱土壤(表1，圖1)，但處理間差異不顯著。在種植紅小豆和高粱土壤中，pH均表現(xiàn)為不施肥最高，其次是施化肥，施有機肥最低(圖1)。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2 施肥對不同雜糧連作土壤養(yǎng)分的影響

連作綠豆土壤中，與不施肥(LO)相比，施化肥處理(LFT)顯著提高了土壤全氮、堿解氮、全磷和速效磷的含量(P<0.05)，分別增加18.4%，23.1%，21.7%和67.2%；施有機肥處理(LOT)使土壤全氮和速效鉀含量顯著增加了25.4%和24.5%，而土壤速效磷含量則顯著降低了25.5%(P<0.05)；同時，有機肥處理中土壤全氮和速效鉀含量顯著高于化肥處理，而土壤堿解氮和速效磷含量顯著低于施化肥處理(P<0.05)。

連作紅小豆土壤中，與不施肥處理相比(HO)，施化肥處理(HFT)使土壤速效磷和速效鉀含量分別增加268%和16.7%，施有機肥(HOF)使土壤速效鉀含量顯著增加15.2%(P<0.05)；與化肥處理(HFF)相比，施有機肥(HOF)顯著降低了紅小豆土壤速效磷含量，顯著降低71.3%(P<0.05)。

連作高粱土壤中，與不施肥處理(GO)相比，施化肥處理(GFT)使土壤堿解氮含量顯著增加15.8%，使土壤速效鉀含量顯著降低6.67%(P<0.05)；施有機肥處理(GOG)使土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別顯著增加9.90%，141%和7.74%(P<0.05)；與施用化肥處理相比，施有機肥處理顯著增加了土壤速效磷和速效鉀的含量，顯著降低了土壤堿解氮的含量(P<0.05，表3)。

與基礎(chǔ)土壤養(yǎng)分含量相比，土壤總氮和總磷含量未呈現(xiàn)顯著變化；除化肥施用和有機肥施用分別提高了綠豆土壤速效磷含量9.1%和速效鉀19.1%含量外，其他處理土壤速效養(yǎng)分含量均低于種植前土壤(表1和表3)。

表3 不同施肥處理雜糧土壤養(yǎng)分含量

2.3 施肥對不同雜糧連作土壤酶活性的影響

土壤中的生物化學(xué)過程離不開土壤酶的參與，其中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性對評價土壤肥力水平具有重要意義[16]。

連作綠豆土壤中，與不施肥相比，除化肥施用提高了土壤蔗糖酶活性、有機肥施用提高了土壤過氧化氫酶活性外，施肥均降低了蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶和磷酸酶活性，但均不顯著(圖2)；與施用化肥處理相比，有機肥的施用顯著降低了土壤蔗糖酶活性(69%，P<0.05)。

連作紅小豆土壤中，與不施肥處理相比，施化肥處理均降低了4種土壤酶活性，其中，顯著降低了土壤過氧化氫酶和磷酸酶活性，降幅為13%和66%(P<0.05)，而施有機肥對紅小豆土壤中4種酶活性影響不明顯；與施用化肥相比，有機肥處理中土壤脲酶、過氧化氫酶和磷酸酶活性均高于化肥處理，其中，過氧化氫酶和磷酸酶活性分別顯著提高20%和66%(P<0.05)。

連作高粱土壤中，除施肥處理土壤脲酶活性低于不施肥處理外，土壤蔗糖酶、過氧化氫酶和磷酸酶3種活性在各處理間差異均不明顯(圖2)。相同施肥種類條件下，種植豆科作物的土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性均高于種植高粱土壤，而種植高粱的土壤過氧化氫酶活性高于種植豆科作物土壤。

圖2 不同施肥條件下雜糧作物土壤酶活性

3 討論

3.1 施肥對不同雜糧連作土壤pH和有機質(zhì)的影響

施用有機肥是增加土壤有機質(zhì)含量重要措施[17]。本研究中，除了種植紅小豆土壤外，其他雜糧作物連續(xù)施用四年有機肥后，有機質(zhì)含量增加，這與前人研究結(jié)果一致[7]。本研究還發(fā)現(xiàn)，相比不施肥，不論施化肥或有機肥，土壤pH均降低，雜糧土壤有酸化趨勢。前人研究發(fā)現(xiàn)，化肥中含有的氮是土壤酸化的主要原因，這與本研究施入化肥后pH下降結(jié)果一致[18]。以往多數(shù)研究中，施用有機肥能加強H+和Al3+的吸附作用，從而提升土壤pH[19]，而肖輝等發(fā)現(xiàn)[20]，商品有機肥相比其他有機肥長期施用不能增加土壤pH，這與土壤類型和商用有機肥的養(yǎng)分含量有關(guān)，因此，認為本研究中施有機肥處理土壤pH下降與商品有機肥有一定的關(guān)系。

3.2 施肥對不同雜糧連作土壤養(yǎng)分的影響

有機肥的添加不僅提高土壤有機質(zhì)含量，而且能夠增加土壤中可以被植物直接吸收利用的碳、氮組分，提高土壤有效養(yǎng)分含量[21]。也有研究發(fā)現(xiàn)，有機肥中含有大量的有機酸能活化土壤中的氮、磷、鉀元素，提高土壤中的堿解氮、速效磷和速效鉀等養(yǎng)分的有效性[22]。而化肥的施用能及時補充土壤中的營養(yǎng)元素，而增加土壤有效養(yǎng)分含量，本研究中有機肥和化肥均有效提高了3種雜糧土壤中部分養(yǎng)分的含量，這與前人研究結(jié)果一致[23]。同時本研究中，化肥和有機肥對不同雜糧土壤養(yǎng)分的影響存在差異，說明土壤養(yǎng)分含量同時受植物種類的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在相同施肥種類(化肥或有機肥)條件下，綠豆和紅小豆的速效磷和速效鉀含量均高于高粱，分析原因可能是由于豆科作物根系量較大，而且豆科作物土壤中來自根系分泌物的土壤有機質(zhì)高于高粱[24]，同時豆科作物根系上的根瘤菌對土壤中難以被植物利用的鉀、磷等元素具有轉(zhuǎn)化和活化作用，進而增加了豆科作物土壤中速效養(yǎng)分含量[25-26]。

3.3 施肥對不同雜糧連作土壤酶活性的影響

肥料的施入通過提高土壤酶底物濃度，從而加速土壤中微生物的代謝速度，引起土壤中酶活性的變化[27-28]。研究發(fā)現(xiàn)，施用有機肥可以顯著提高土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性[29-30]。也有研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH是影響土壤酶活性的重要環(huán)境因子[31]。本研究中無論是連續(xù)施用有機肥還是化肥，4種土壤酶活性變化均較小，這與三種雜糧作物施用有機肥和化肥處理土壤pH差異不顯著密切相關(guān)。同時本研究還發(fā)現(xiàn)，種植綠豆和紅小豆的土壤蔗糖酶和脲酶活性均高于相同處理的高粱作物，這與豆科植物能夠共生固氮，根系分泌物和殘體含氮量較高，進而提高土壤脲酶和蔗糖酶活性有關(guān)[32]；另一方面，豆科植物的根量較大，其根系分泌的有機物質(zhì)和殘體較多，使得土壤有更多的碳源、氮源和其他有機物質(zhì)[18]。本研究中，施肥條件下，高粱的土壤過氧化氫酶活性均高于綠豆和紅小豆，與高粱植株中具有較高過氧化氫酶活性，其凋落物和根系分泌物提高了土壤過氧化氫酶活性密切相關(guān)[33]。以往研究發(fā)現(xiàn)豆科作物土壤磷酸酶活性高于禾本科作物，因為豆科作物本身含有較高的磷酸酶[34]，在本試驗中，除了施用化肥處理的紅小豆外，其他相同施肥條件下綠豆和紅小豆土壤磷酸酶活性均高于高粱，也證實了這一點。可見肥料對土壤酶活性的影響還與植物種類有關(guān)。

4 結(jié)論

(1)除綠豆長期不施肥處理土壤有機質(zhì)含量顯著降低外，其他處理土壤有機質(zhì)含量顯著增加或變化不明顯；4年雜糧連續(xù)種植和施肥使土壤pH值降低，其中相同施肥處理條件下，種植豆科作物(綠豆和紅小豆)土壤pH高于種植高粱土壤。

(2)土壤養(yǎng)分含量的差異主要表現(xiàn)在雜糧種類之間。在施化肥和有機肥條件下種植豆科作物的土壤中全磷和速效鉀含量均顯著高于種植高粱的土壤。而在施化肥條件下，種植豆科作物的土壤速效磷含量高于種植高粱的土壤；施有機肥條件下，種植高粱土壤速效磷含量高于種植豆科作物的土壤。

(3)豆科作物與高粱土壤酶活性存在差異。除施化肥處理下種植紅小豆的土壤磷酸酶活性低于高粱外，其他相同施肥處理條件下的種植豆科作物的土壤蔗糖酶活性、脲酶活性和磷酸酶活性均高于種植高粱作物的土壤，但過氧化氫酶活性卻低于種植高粱作物的土壤。

綜上所述，施肥和雜糧作物種類均影響土壤有機質(zhì)含量、土壤pH、土壤養(yǎng)分含量和土壤酶活性，相同施肥處理對綠豆、紅小豆和高梁土壤的酶活性和養(yǎng)分含量表現(xiàn)并不相同，因此，施肥和作物種類對于土壤化學(xué)特征和土壤酶活性具有交互作用。