有機(jī)物料還田對設(shè)施胡蘿卜土壤碳組分及酶活性的影響

郭夢瑤，唐文慧，陳翔，遲瑞蘋，紀(jì)國才，崔德杰，陳延玲

(1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266109；2. 萊西市蔬菜技術(shù)推廣站，山東 萊西 266600；3. 青島市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，山東 青島 266071)

近20年來，全球胡蘿卜種植面積呈現(xiàn)先增長后趨于平緩的趨勢，我國胡蘿卜生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，種植面積增長58%，總產(chǎn)量增長2.99 倍[1]。由于種植效益較高，且種植土地有限，胡蘿卜連作重茬現(xiàn)象嚴(yán)重，造成胡蘿卜產(chǎn)量和品質(zhì)下降。除導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)惡化外，土壤酶活性失衡也是一個重要原因[2－4]。連作障礙與土壤酶活性具有相關(guān)性[5，6]。研究表明，施用有機(jī)肥可以提高土壤肥力、減少土傳病害，從而緩解作物連作障礙[7]。有機(jī)物料與各種無機(jī)肥料配合使用，可以改善土壤質(zhì)量，提高肥料利用率，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[8－10]。

蘑菇菌渣是真菌殘留物的主要成分，是食用菌的殘余菌絲體和經(jīng)細(xì)菌分解的食用纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。蘑菇菌渣殘留物富含氨基酸、真菌多糖和礦物質(zhì)元素，是高營養(yǎng)價值的有機(jī)材料[11]。蘑菇菌渣還田是合理開發(fā)利用真菌殘體資源的主要策略，其與化肥適量配施可以減少化肥的使用，并顯著增加土壤有效養(yǎng)分含量[12]。花生殼還田是一種很有前途且可持續(xù)、經(jīng)濟(jì)的提高土壤有機(jī)碳固存的方法[13]，因?yàn)樗龠M(jìn)了腐殖質(zhì)和土壤大團(tuán)聚體的形成[14]，而且可以通過增加土壤有機(jī)質(zhì)含量來提高土壤肥力。而土壤有機(jī)質(zhì)是植物生長所需的主要養(yǎng)分來源[15]?；ㄉ鷼み€田有利于土壤碳的固定，提高土壤肥力的同時又可以改善土壤的基本理化性質(zhì)，保水保肥，有利于土壤肥力的長時間供給。土壤有機(jī)碳在土壤肥力、環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[16]。

山東萊西市胡蘿卜主產(chǎn)區(qū)，有著近30年的種植歷史，其產(chǎn)品獲得國家級綠色食品認(rèn)證，3 次被評為全國名特優(yōu)新農(nóng)產(chǎn)品，是青島市知名農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域公用品牌。2010年獲得“店埠胡蘿卜”地理標(biāo)志性作物保護(hù)。受土地所限，農(nóng)民習(xí)慣胡蘿卜一年兩茬種植，連作重茬現(xiàn)象突出，加重了胡蘿卜黑腐病、根結(jié)線蟲病等土傳病蟲害的發(fā)生[17]。菜農(nóng)通常普遍施用N、P、K 含量相同的復(fù)合肥，極少施用有機(jī)肥；且土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分偏低，嚴(yán)重限制了胡蘿卜產(chǎn)量和品質(zhì)提升。本研究在農(nóng)民習(xí)慣施肥基礎(chǔ)上，優(yōu)化養(yǎng)分投入量，并利用壓縮花生殼及蘑菇菌渣等有機(jī)物料進(jìn)行等養(yǎng)分量替代化肥，以明確有機(jī)物料還田對設(shè)施胡蘿卜土壤的改良效果和生產(chǎn)中應(yīng)用的可行性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況及材料

田間試驗(yàn)于2019年在山東青島萊西市店埠鎮(zhèn)雙河村(E 120°21′31′′，N 36°39′24′′)日光溫室內(nèi)進(jìn)行。該地屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，平均氣溫13℃，年均降水量732.5 mm，無霜期180 天。試驗(yàn)地為砂姜黑土，地勢平坦。耕層土壤基本理化性質(zhì):有機(jī)質(zhì)含量12.01 g/kg、堿解氮66.40 mg/kg、有效磷40. 05 mg/kg、 速效鉀118. 43 mg/kg，pH 值5.50。

供試肥料:尿素(N 46%)、磷酸二銨(N 18%，P2O546%)、硫酸鉀(K2O 50%)、農(nóng)用微生物菌劑(N 4%)。

供試有機(jī)物料為平菇菌渣和壓縮花生殼顆粒，其養(yǎng)分含量見表1。供試胡蘿卜品種為孟德爾808－3 號。

表1 有機(jī)物料養(yǎng)分含量(g/kg)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)共設(shè)5 個處理，分別為對照(CK):不施肥；農(nóng)民習(xí)慣施肥(FNP):根據(jù)調(diào)研農(nóng)戶的施肥量確定；優(yōu)化施肥(OPT):根據(jù)土壤養(yǎng)分狀況和胡蘿卜養(yǎng)分吸收規(guī)律綜合確定施肥量；壓縮花生殼還田(PS):等養(yǎng)分量壓縮花生殼還田，不足養(yǎng)分以相應(yīng)的單質(zhì)化肥補(bǔ)充；菌渣還田(M):等養(yǎng)分量平菇菌渣還田，不足養(yǎng)分以相應(yīng)的單質(zhì)化肥補(bǔ)充。具體施肥量及時期如表2 所示。隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3 次。小區(qū)面積為54 m2。試驗(yàn)小區(qū)于2019年12月12 日施肥，12月20 日播種胡蘿卜種子，株距5～6 cm，壟距67 cm。2020年5月11 日收獲。

表2 試驗(yàn)處理施肥方案(kg/hm2)

1.3 測定項(xiàng)目及方法

收獲期采集0～20、20～40 cm 和40～60 cm土層土樣，陰涼處晾干，過0.25 mm 和1 mm 篩，用以土壤理化性質(zhì)及酶活性測定。

土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法測定，土壤全氮采用凱氏定氮法測定，土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定，土壤速效鉀采用NH4OAC 浸提火焰光度計法測定，土壤有效磷采用鉬銻抗比色法測定[18]。

腐殖物質(zhì)碳含量的測定:準(zhǔn)確稱取土壤樣品5.0000 g，于離心管中，加入20 mL 蒸餾水，在水浴鍋中水浴保溫1 h，之后進(jìn)行離心。將離心后的上清液過濾至50 mL 容量瓶中，再加入蒸餾水15 mL 離心，進(jìn)行2 次，過濾到同一個容量瓶中并用蒸餾水定容為水溶性有機(jī)物質(zhì)(WSS)，上機(jī)測定水溶性有機(jī)碳含量。配制混合堿液，重復(fù)上述步驟，離心3 次后將離心管中的溶液過濾到容量瓶中，該溶液是可提取腐殖物質(zhì)(HE)。最后離心管中剩余的固體樣品烘干研磨即為胡敏素(HU)。可提取腐殖物質(zhì)用鹽酸調(diào)節(jié)pH 值到1 以下，在水浴鍋中保溫2 h 并靜置過夜分離胡敏酸和富里酸，過濾完成后的濾液為富里酸(FA)。濾紙上的殘渣，經(jīng)酸洗后，用堿液全部溶解之后得到的溶液為胡敏酸(HA)。提取完成后對腐殖物質(zhì)進(jìn)行純化備用[19]。

土壤脲酶活性采用苯酚鈉－次氯酸鈉比色法測定[20]，土壤蔗糖酶活性采用3，5－二硝基水楊酸比色法測定，土壤中性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定[21]，土壤蛋白酶活性采用加勒斯江法測定[22]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行整理，采用SPSS 22.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，采用SigmaPlot 14.0 繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)物料還田對設(shè)施胡蘿卜土壤碳含量的影響

由圖1 看出，各處理0～20 cm 耕層土壤有機(jī)碳和水溶性有機(jī)碳含量分別為5.54～10.64 g/kg和0.12～0.20 g/kg；20～40 cm 土層為4.60～7.65 g/kg 和0.07～0.11 g/kg；40～60 cm 土層為2.51～4.24 g/kg 和0.03～0.07 g/kg。

圖1 有機(jī)物料還田對設(shè)施胡蘿卜土壤有機(jī)碳和水溶性有機(jī)碳含量的影響

與FNP 處理相比，OPT 處理0～20 cm 土層有機(jī)碳含量提高4.35%，差異不顯著，PS、M 處理分別顯著提高28.90%、37.88%；20～40、40～60 cm土層，OPT 處理的土壤有機(jī)碳含量分別提高15.40%、27. 12%； PS、 M 處理分別顯著提高25.78%、31.52%和34.80%、36.87%。

與FNP 處理相比， OPT 處理0～20 cm 土層水溶性有機(jī)碳提高2.15%，PS、M 處理分別提高17.47%、22.54%，差異均未達(dá)顯著水平；20～40、40～60 cm 土層，OPT、PS 和M 處理分別提高8.20%、13.84% 和27.85%，6.15%、19.93% 和28.19%，差異均不顯著。

各處理的土壤有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳含量均隨著土層深度的增加不斷減少，從耕層到40～60 cm土層分別顯著降低46.86% ～ 60.15%和66.56%～76.12%。

由圖2 看出，各處理0～20 cm 土層土壤可提取腐殖物質(zhì)、胡敏酸、富里酸、胡敏素有機(jī)碳含量分別為1.57～4.20、0.98～2.21、0.60～1.99、5.78～8.71 g/kg；20～40 cm 土層為1.39～3.43、0.82～1.73、0.57～1.69、5.00～6.88 g/kg；40～60 cm 土層為1.02～1.91、0.64～1.20、0.38～0.71、4.09～5.13 g/kg。

圖2 有機(jī)物料還田對設(shè)施胡蘿卜土壤可提取腐殖物質(zhì)、胡敏酸、富里酸、胡敏素有機(jī)碳含量的影響

與FNP 處理相比， 0～20、20～40、40～60 cm土層OPT 處理的可提取腐殖物質(zhì)有機(jī)碳含量依次提高6.88%、9.67%和20.93%，差異不顯著；PS、M 處理的可提取腐殖物質(zhì)有機(jī)碳含量依次顯著提高41. 61%、45. 18%、45. 17% 和46. 18%、39.71%、40.84%。

與FNP 處理相比，OPT 處理0～20 cm 耕層土壤胡敏酸有機(jī)碳含量提高7.18%，但差異不顯著，PS、M 處理分別顯著提高31.14%、37.53%；20～40 cm 土層，OPT、PS 處理的胡敏酸有機(jī)碳含量分別提高17.45%、29.10%，差異不顯著，M 處理顯著提高37.49%；40～60 cm 土層，OPT、PS 和M 處理的胡敏酸有機(jī)碳含量分別提高35.17%、38.87%和45.85%，差異均顯著。

與FNP 處理相比， 0～20、20～40 cm 和40～60 cm 土層PS、M 處理的富里酸有機(jī)碳含量依次顯著提高51.79%、53.69%，55.39%、55.09%和40.81%、32.46%。OPT 處理的富里酸有機(jī)碳含量較FNP 處理先增加后下降，耕層土壤提高6.43%，20～ 40、40 ～ 60 cm 土層分別下降4.36% 和12.18%，差異不顯著。

與FNP 處理相比，OPT 處理0～20 cm 耕層土壤胡敏素有機(jī)碳含量增長7.24%，差異不顯著，PS、M 處理的胡敏素有機(jī)碳含量分別顯著提高18.95%、22.89%；20～40 cm 土層，OPT、PS 處理的胡敏素有機(jī)碳含量分別提高7.14%、12.80%，差異不顯著，M 處理的胡敏素有機(jī)碳含量顯著提高21.52%；40～60 cm 土層，OPT、PS 和M 處理的胡敏素有機(jī)碳含量分別提高6.07%、7.03% 和11.33%，差異均不顯著。

各處理土壤可提取腐殖物質(zhì)、胡敏酸、富里酸和胡敏素有機(jī)碳含量均隨土層深度的增加不斷降低，從耕層(0～20 cm)到40～60 cm 土層各指標(biāo)依次降低35. 47% ～ 54. 51%、34. 54% ～ 45. 87%、37.02%～64.12%和29.31%～41.04%。

2.2 有機(jī)物料還田對設(shè)施胡蘿卜土壤酶活性的影響

由圖3 看出，各處理0～20 cm 耕層土壤的脲酶、蔗糖酶、中性磷酸酶和蛋白酶活性分別為22.68～55.16、22.23 ～ 45.38、157.95 ～ 270.39、2.26～3.10 mg/(g·d)；20～ 40 cm 土層分別為18.68～38.09、18.12 ～ 34.50、142.51 ～ 239.26、1.84～2.85 mg/(g·d)；40～ 60 cm 土層分別為15.36～20.24、16.12 ～ 21.29、131.71 ～ 163.61、1.60～1.78 mg/(g·d)。

圖3 有機(jī)物料還田對設(shè)施胡蘿卜土壤酶活性的影響

與FNP 處理相比，0～20 cm 和40～60 cm 土層，OPT、PS 和M 處理的脲酶活性依次顯著提高28.37%、55.10%和58.89%，19.24%、23.69%和24.11%；20～40 cm 土層OPT 處理的脲酶活性提高26.58%，差異不顯著，PS、M 處理的脲酶活性顯著提高45.55%、50.94%。

與FNP 處理相比，0～20、20～40、40～60 cm土層，OPT、PS 和M 處理的蔗糖酶活性分別依次顯著提高36.90%、46.89%和51.00%，29.16%、41.06%和47.48%，16.04%、21.96%和24.31%。

與FNP 處理相比，0～20、20～40 cm 土層，OPT、PS 和M 處理的中性磷酸酶活性依次顯著提高18.35%、37.98%和41.58%，16.32%、36.55%和40.44%；40～60 cm 土層，OPT、PS 和M 處理的中性磷酸酶活性依次提高14.95%、16.89% 和19.50%。

與FNP 處理相比，OPT 處理的0～20 cm 土層蛋白酶活性提高8.52%，差異不顯著，PS、M 處理的蛋白酶活性顯著提高16.95%、25.71%；20～40 cm 土層，OPT、PS 處理的蛋白酶活性提高2.60%、17.52%，差異不顯著，M 處理的蛋白酶活性提高19.88%；40～60 cm 土層，OPT、PS 和M 處理的蛋白酶活性分別提高1.28%、5.93%和6.10%，差異不顯著。

各處理土壤脲酶、蔗糖酶、中性磷酸酶和蛋白酶活性均隨土壤深度的增加不斷減少，各指標(biāo)從耕層(0～20 cm)到40～60 cm 土層依次降低32.27%～73.12%、27.51% ～ 53.07%、16.62% ～39.49%和21.00%～49.11%。

2.3 設(shè)施胡蘿卜土壤有機(jī)碳、全氮與土壤酶活性的關(guān)系

將0～20、20～40 cm 和40～60 cm 三個土層的土壤有機(jī)碳與土壤酶活性進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳含量與土壤脲酶(y ＝4.911x－2.979，R2＝0.672，P＝0.820??)、土壤蔗糖酶(y ＝3.476x＋4.801，R2＝0.718，P＝0.847??)、土壤中性磷酸酶(y ＝16.257x＋84.833，R2＝0.621，P＝0.788??)、土壤蛋白酶(y ＝0.191x ＋1.013，R2＝0.456，P＝0.675??)活性均呈顯著正相關(guān)(圖4)。

圖4 設(shè)施胡蘿卜土壤有機(jī)碳與土壤酶活性的關(guān)系(n＝60)

將0～20、20～40 cm 和40～60 cm 三個土層的土壤全氮含量與土壤酶活性進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，土壤全氮含量與土壤脲酶(y ＝33.364x－7.709，R2＝0.634，P＝0.796??)、土壤蔗糖酶(y ＝24.185x＋0.885，R2＝0.709，P＝0.842??)、土壤中性磷酸酶(y ＝108.92x ＋70.712，R2＝0.569，P＝0.788??)、土壤蛋白酶(y ＝1.335x ＋0.792，R2＝0.455，P＝0.674??)活性均呈顯著正相關(guān)(圖5)。

圖5 設(shè)施胡蘿卜土壤全氮與土壤酶活性的關(guān)系(n＝60)

3 討論與結(jié)論

有機(jī)物料的長期投入可以促進(jìn)有機(jī)碳庫的積累[23，24]，有機(jī)物料還田后土壤有機(jī)碳含量的變化可揭示土壤有機(jī)碳固存性[25]。將作物秸稈、菌渣等有機(jī)物料還田是一種很有前途、可持續(xù)且經(jīng)濟(jì)的提高土壤有機(jī)碳固存的方法[13]。本研究中，壓縮花生殼和蘑菇菌渣還田后不同土層土壤腐殖質(zhì)有機(jī)碳含量增加25.78%～37.88%。其可能的原因是溫室大棚高溫高濕促進(jìn)壓縮花生殼和蘑菇菌渣的腐解，從而增加了土壤中腐殖質(zhì)有機(jī)碳含量。土壤腐殖物質(zhì)在有機(jī)碳的循壞和轉(zhuǎn)化中起著重大作用[26]，可以提高土壤肥力，維持土壤的生產(chǎn)能力，同時改善土壤質(zhì)量[28]。本研究中，與農(nóng)民習(xí)慣施肥處理相比，壓縮花生殼和蘑菇菌渣還田處理的可提取腐殖物質(zhì)、胡敏酸、富里酸和胡敏素有機(jī)碳含量分別提高39.71%～46.18%、29.10%～45.85%、32.46% ～55. 39%和7.03% ～22.89%。Ferrari 等[26]發(fā)現(xiàn)長期施用農(nóng)家肥會增加潮鈣質(zhì)細(xì)麻土中的腐殖酸含量。Zhang 等[27]研究表明施用礦物肥料加上玉米秸稈或其衍生生物炭會增加軟土中的胡敏酸碳濃度，均支持本研究結(jié)果。

土壤酶活性代表土壤中各種生化過程的強(qiáng)度和方向。添加生物炭能顯著提高土壤中轉(zhuǎn)化酶和脲酶的活性[28]。本研究中，與農(nóng)民習(xí)慣施肥和優(yōu)化施肥處理相比，壓縮花生殼和蘑菇菌渣還田后的土壤脲酶活性顯著提高23.69%～58.89%，有利于促進(jìn)有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為無機(jī)氮供作物吸收利用。土壤的成熟度和肥力水平可由土壤蔗糖酶活性反映。前人研究表明，添加殘留物可以改善土壤蔗糖酶和中性磷酸酶活性[29]。本研究中，與農(nóng)民習(xí)慣施肥和優(yōu)化施肥處理相比，壓縮花生殼和蘑菇菌渣還田后土壤蔗糖酶和中性磷酸酶活性分別顯著提高21.96%～51.00%和16.89%～41.58%。這兩種酶活性的提高可以進(jìn)一步促進(jìn)碳水化合物的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而為植物和微生物提供額外的營養(yǎng)物質(zhì)[30]。李娜等[31]研究表明土壤蛋白酶活性隨作物生育期遞進(jìn)而不斷升高，在成熟期達(dá)到最高。本研究中，壓縮花生殼和蘑菇菌渣還田后土壤蛋白酶活性顯著提高5.93%～25.71%。這不僅是因?yàn)樽魑锷L過程中會通過根系向土壤中不斷分泌釋放酶類物質(zhì)[32]，而且還田秸稈分解過程中也會釋放蛋白酶。Oleszczuk 等[33]表明施用生物炭顯著增加蛋白酶活性；袁玲等[34]研究發(fā)現(xiàn)添加有機(jī)物料可以提高底物濃度，進(jìn)而提高土壤蛋白酶活性。壓縮花生殼和蘑菇菌渣還田不僅增加底物濃度，而且還提高土壤有機(jī)碳含量，從而促進(jìn)蛋白酶活性的升高。各種酶活性的增強(qiáng)，不僅提高土壤速效養(yǎng)分供應(yīng)能力，而且有利于全量養(yǎng)分的積累，從而加速土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化循環(huán)，有利于土壤肥力的提高[35]。

土壤脲酶是一種酰胺酶，能促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)分子中酰胺鍵的水解，因此，土壤有機(jī)質(zhì)含量越高，脲酶活性也越強(qiáng)[36]。蔗糖酶可以將土壤中高分子量蔗糖分子分解成能夠被植物和土壤微生物吸收利用的葡萄糖和果糖，為土壤生物提供充足的能源，其活性反映了土壤有機(jī)碳累積與分解轉(zhuǎn)化的規(guī)律[37]。土壤蛋白酶和磷酸酶也是一類水解酶，與土壤脲酶和蔗糖酶呈現(xiàn)相同的變化趨勢[38]，與土壤中有機(jī)碳輸入呈顯著正相關(guān)。氮素不僅是土壤酶的組成部分，而且累積在土壤有機(jī)質(zhì)中的氮還決定酶在土壤中的量。在土壤各組分中，土壤全氮含量對土壤過氧化氫酶活性及其動力學(xué)特征影響最大[39]。全氮與蛋白酶、中性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶呈顯著正相關(guān)，而與蛋白酶關(guān)系最為密切[40]。土壤酶活性對有機(jī)物料還田有顯著反應(yīng)[41]，這主要是由于較高的碳、氮水平支撐了較高的土壤微生物生物量，從而導(dǎo)致較高的酶活性[42]。

與農(nóng)民習(xí)慣施肥處理相比，壓縮花生殼和菌渣還田處理均可提高0～60 cm 土層土壤有機(jī)碳組分及土壤酶活性，耕層(0～20 cm)土壤有機(jī)碳、水溶性有機(jī)碳含量及可提取腐殖物質(zhì)、胡敏酸、富里酸、胡敏素有機(jī)碳含量分別提高28.90%和37.88%、17.47%和22.54%、41.64%和45.18%、31.14%和37.53%、51.79%和53.69%、18.95%和22.89%；土壤脲酶、蔗糖酶、中性磷酸酶和蛋白酶活性分別提高55.10%、46.89%和51.00%、37.98%和41.58%、16.95%和25.71%。土壤酶活性與土壤有機(jī)碳和和土壤全氮含量呈顯著正相關(guān)。

綜上所述，壓縮花生殼和菌渣還田等養(yǎng)分量替代化肥有利于改善設(shè)施胡蘿卜土壤有機(jī)碳組分和酶活性，可以在設(shè)施胡蘿卜土壤改良實(shí)踐中推廣應(yīng)用。