沼肥與化肥配施對(duì)不同質(zhì)地棉田土壤酶活性的影響

張世明， 朱友娟， 張宏勇， 羅新寧

(1.塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300； 2.阿克蘇職業(yè)技術(shù)學(xué)院植物科學(xué)系， 新疆 阿克蘇市 843000； 3.中國(guó)人民解放軍新疆軍區(qū)麥蓋提基地, 新疆 麥蓋提縣 844600)

沼肥與化肥配施對(duì)不同質(zhì)地棉田土壤酶活性的影響

張世明1， 朱友娟2， 張宏勇3， 羅新寧1

(1.塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300； 2.阿克蘇職業(yè)技術(shù)學(xué)院植物科學(xué)系， 新疆 阿克蘇市 843000； 3.中國(guó)人民解放軍新疆軍區(qū)麥蓋提基地, 新疆 麥蓋提縣 844600)

為了實(shí)現(xiàn)棉花經(jīng)濟(jì)施肥和農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用，試驗(yàn)在全生育期等氮量控制條件下，研究了沼肥與化肥配施對(duì)不同質(zhì)地棉田土壤酶(尿酶、過(guò)氧化氫酶、蛋白酶和磷酸酶)活性的影響。結(jié)果表明，隨著生育期的推進(jìn)，不同施肥處理土壤土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶、蛋白酶活性均呈先升后降的變化趨勢(shì)，3種酶活性高峰均出現(xiàn)在花鈴期； 壤土中花鈴期沼肥氮配施化肥處理的脲酶、過(guò)氧化氫酶、蛋白酶平均活性分別比單施尿素處理高16.3%，8.7%，10.7%； 砂壤土中花鈴期沼肥氮配施化肥處理的脲酶、過(guò)氧化氫酶、蛋白酶活性分別比單施尿素處理高15.2%，12.2%，17.9%； 而磷酸酶活性則呈折線上升變化，其活性最高值出現(xiàn)在吐絮期。壤土和砂壤土吐絮期沼肥氮配施化肥處理的磷酸酶活性分別比單施尿素處理高10.5%，7.7%。沼肥與化肥合理配施能顯著提高土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶、蛋白酶、磷酸酶活性，以基施75%沼肥氮基礎(chǔ)上追施25%化學(xué)氮處理和基施50%沼肥氮基礎(chǔ)上追施50%化學(xué)氮處理效果較好，單施尿素處理效果較差。在實(shí)際生產(chǎn)中棉田施肥時(shí)只需要基施25%沼肥氮配施75%化學(xué)氮肥就能起到調(diào)節(jié)土壤碳氮比，改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤生物活性，增加棉花產(chǎn)量的目的。

沼肥； 土壤質(zhì)地； 酶活性； 棉田

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，非再生資源的耗竭與環(huán)境污成為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素。充分利用自然資源，改善生態(tài)環(huán)境，持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，已經(jīng)成為人們研究的重要課題。沼肥是人畜糞便、農(nóng)作物秸稈等各種有機(jī)物經(jīng)厭氧發(fā)酵后的殘余物。它含有營(yíng)養(yǎng)元素、有機(jī)物質(zhì)(如氨基酸、木質(zhì)素等)、抗逆物質(zhì)(如脯氨酸、亞油酸等)、各種水解酶、生長(zhǎng)素(如脫落酸、赤霉素等)、抗生素及有益菌群等[1]多種物質(zhì), 對(duì)于促進(jìn)植物生長(zhǎng)、發(fā)育，改良土壤[2]，增強(qiáng)作物抗逆性[3]，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)具有良好的作用[4-5]。

農(nóng)業(yè)上關(guān)于沼肥的研究，主要集中在沼肥對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤耕層養(yǎng)分含量的影響，而有關(guān)沼肥科學(xué)組配化肥增效以及沼肥對(duì)土壤酶活性的研究報(bào)道較少。本試驗(yàn)在全生育期等氮量控制條件下研究了沼肥與化肥配施對(duì)棉田土壤酶活性的影響，以期為棉花經(jīng)濟(jì)施肥和農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用，改善土壤質(zhì)量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)基本情況

試驗(yàn)于2013年和2014年在阿克蘇市一桿旗鄉(xiāng)進(jìn)行。試點(diǎn)土壤母質(zhì)為石灰性沖積物，土壤類(lèi)型為林灌草甸土。試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為壤土和砂壤土。沼肥養(yǎng)分含量為：有機(jī)質(zhì)40.6%，全氮1.52%，全磷1.16%，全鉀0.54%。土壤相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 試點(diǎn)土壤物理、化學(xué)性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

同一區(qū)域(大田)內(nèi)，選擇壤土和砂壤土2個(gè)質(zhì)地不同的樣點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)面積約2600 m2。采用單因子隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，供試品種為中棉49，包衣種子。總施氮量為300 kg·hm-2，氮素施用量設(shè)置為5個(gè)處理，N1為對(duì)照，不施沼肥和尿素； N2只施尿素； N3為75%N由沼肥提供，25%尿素N提供； N4為50%N由沼肥提供，50%N由尿素提供； N525%N由沼肥提供，75%N由尿素提供。各處理磷鉀肥用量相同，如下表。4月21日播種。播前結(jié)合整地深施三料磷肥(46%)150 kg·hm-2，硫酸鉀150 kg·hm-2, 尿素(46%)20%作為基肥，80%作追肥。追肥3次，分別在初花期、花鈴期、鈴期結(jié)合灌水施入。小區(qū)長(zhǎng)度為7.5 m，寬度為4.2 m, 面積31.5m2。株行距配置為(20+40+20+60)cm×10 cm。4月21日播種，10月20日收獲。其他田間管理措施參照高產(chǎn)棉田進(jìn)行。試驗(yàn)小區(qū)3次重復(fù)。

表2 試驗(yàn)處理表 (kg·hm-2)

1.3 采樣與測(cè)定

棉花苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期取樣測(cè)定土壤酶活性。各處理隨機(jī)取3個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)挖10株棉花，用抖根法取根系土壤，用于測(cè)定土壤酶活性。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼肥與化肥配施對(duì)土壤酶活性的影響

2.1.1 沼肥與化肥配施對(duì)土壤脲酶活性的影響

脲酶是土壤酶中唯一對(duì)尿素在土壤中的轉(zhuǎn)化作用具有影響的酶。施入土壤的尿素只有在脲酶參與下才能水解為氨、二氧化碳和水，它能夠加速土壤中酰胺態(tài)氮的有效化, 因而土壤中脲酶活性可以作為衡量土壤肥力的指標(biāo)之一。

圖1和圖2表明，在不同質(zhì)地的棉田土壤中，脲酶均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)特征。

苗期在壤土中，加入沼肥處理的土壤與無(wú)沼肥處理的土壤脲酶活性差異顯著。其中N3處理脲酶活性最高，為3．24 mg·g-1，與N1和N2相比差異顯著； 與N4和N5相比差異不顯著。

圖1 不同處理對(duì)壤土脲酶活性的影響

圖2 不同處理對(duì)砂壤土脲酶活性的影響

苗期在砂壤土中，加入沼肥處理的土壤脲酶活性N3和N4分別為3．48 mg·g-1，3.26 mg·g-1，二者之間差異不顯著，但與無(wú)沼肥的N1和N2處理相比差異極顯著。N1和N2之間差異不顯著。

蕾期兩種質(zhì)地土壤脲酶活性有所提高。壤土中N3和N4脲酶活性較高，二者之間差異不顯著，但與N1，N2，N5之間差異顯著； 砂壤土中加入沼肥處理的土壤脲酶活性與無(wú)沼肥的處理相比差異極顯著。N3，N4，N5分別比N1高出32.8%，29.8%，27.3%； 比N2分別高出25.2%，21.9%，19.2%。

花鈴期階段，壤土、砂壤土中脲酶活性均達(dá)到最高值。壤土中N3，N4，N5與N1，N2處理相比差異極顯著。N3，N4，N5分別比N1高19.2%，17.7%，9.7%； 比N2分別高16.7%，15.3%，7.1%。砂壤土中加入沼肥處理的N3，N4脲酶活性顯著高于對(duì)照和化肥處理，分別比N1高19.2%，17.7%。

吐絮期階段，各處理脲酶活性迅速降低。壤土中，各處理的脲酶活性降至3.29 mg·g-1～3.74 mg·g-1，平均3.54 mg·g-1； 砂壤土中N3，N4，N5脲酶活性相對(duì)較高，分別為3.21 mg·g-1，3.02 mg·g-1，2.98 mg·g-1，顯著高于對(duì)照和化肥處理。除壤土中吐絮期各處理差異不顯著之外，在氮素投入量相等的情況下，沼肥與化肥配施能夠改良根際土壤環(huán)境，提高脲酶活性，從而促進(jìn)尿素轉(zhuǎn)化和根系對(duì)氮素的吸收利用。

2.1.2 沼肥與化肥配施對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的影響

土壤過(guò)氧化氫酶能夠促進(jìn)過(guò)氧化氫的分解，避免過(guò)氧化物在細(xì)胞內(nèi)大量積累造成對(duì)機(jī)體的傷害。

圖3和圖4表明，壤土中過(guò)氧化氫酶活性表現(xiàn)出降低、升高、降低的變化趨勢(shì)，砂壤土表現(xiàn)出先升高再降低的變化趨勢(shì)。

圖3 不同處理對(duì)壤土過(guò)氧化氫酶活性的影響

圖4 不同處理對(duì)砂壤土過(guò)氧化氫酶活性的影響

苗期壤土中N3，N4，N5處理的過(guò)氧化氫酶活性均高于未施沼肥處理，過(guò)氧化氫酶活性大小為N3>N4>N5>N2>N1。砂壤土中過(guò)氧化氫酶活性大小為N3>N5>N4>N2>N1。

蕾期壤土中各處理的過(guò)氧化氫酶活性略有降低或與苗期持平。N3，N4，N5處理之間差異不顯著，但與未施沼肥處理之間差異顯著。N3，N4，N5處理過(guò)氧化氫酶活性分別比N1高19.7%，20.9%，17.6%，分別比N2高14.5%，15.7%，12.1%。砂壤土中各處理的過(guò)氧化氫酶活性與苗期相比迅速升高。N3,N4,N5處理的過(guò)氧化氫酶活性分別為2.57 mg·g-1，2.33 mg·g-1，2.14 mg·g-1，比N1，N2分別高22.9%，15.0%，7.4%和19.4%，11.1%，3.2%。

過(guò)氧化氫酶活性最高值出現(xiàn)在花鈴期。壤土中，N3，N4，N5處理過(guò)氧化氫酶活性較高，比化肥處理N2分別高8.6%，9.4%和5.8%，比對(duì)照處理N1分別高10.4%，11.2%和7.6%。砂壤土中情況有所不同，N3處理過(guò)氧化氫酶活性最高，與N4，N5差異極顯著。N4，N5過(guò)氧化氫酶活性顯著高于N1，N2。

吐絮期壤土和砂壤土中各處理的過(guò)氧化氫酶活性迅速降低。壤土中沼肥處理的過(guò)氧化氫酶活性平均為2.34 mg·g-1，比不施沼肥處理的N1，N2分別高12.3%和7.2%。砂壤土中沼肥處理的過(guò)氧化氫酶活性平均為1.93 mg·g-1，比不施沼肥處理的N1，N2分別高12.9%和9.8%。

2.1.3 沼肥與化肥配施對(duì)蛋白酶活性的影響

蛋白酶能使蛋白質(zhì)水解生成多肽和氨基酸，促進(jìn)土壤中氮素的轉(zhuǎn)化，使蛋白質(zhì)等含氮化合物水解為氨，供植物吸收利用。

圖5 和圖6表明，蛋白酶活性隨著生育時(shí)期的推進(jìn)表現(xiàn)出單峰曲線的變化趨勢(shì)，至花鈴期各處理的蛋白酶活性均達(dá)到最高值。壤土中，苗期N2，N3，N4，N5處理的蛋白酶活性與N1差異顯著，蕾期各處理蛋白酶活性迅速增加，N2，N3，N4，N5處理間差異減小，至花鈴期各處理蛋白酶活性達(dá)到最大值。此時(shí)N3，N4，N5處理蛋白酶活性差異不顯著，但與N1，N2相比差異顯著。

砂壤土中，各處理蛋白酶活性的變化與壤土中相似。苗期各處理蛋白酶活性大小為N3>N4>N5>N2>N1。蕾期各處理蛋白酶活性大幅增高，至花鈴期達(dá)到最高值。此期N3，N4，N5處理蛋白酶活性與N1，N2差異顯著，分別比N1，N2處理高36.5%，27.7%，24.6%和23.1%，12.5%，8.7%。進(jìn)入吐絮期，各處理蛋白酶活性均降低。砂壤土中，苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期全施尿素處理的蛋白酶活性與沼肥配施化肥處理差異顯著，N3，N4，N5處理平均值分別比全施尿素處理的蛋白酶活性高34.8%，25.8%，15.2%，21.5%。可見(jiàn)，沼肥和尿素配合處理顯著增加了根際土壤蛋白酶活性，有利于土壤多源氮素的有效轉(zhuǎn)化。

圖5 不同處理對(duì)壤土蛋白酶活性的影響

圖6 不同處理對(duì)砂壤土蛋白酶活性的影響

2.1.4 沼肥與化肥配施對(duì)磷酸酶活性的影響

土壤磷酸酶在有機(jī)磷的活化和固定中起著重要作用，它既能礦化有機(jī)磷，又能促進(jìn)植物對(duì)無(wú)機(jī)磷的吸收，從而調(diào)節(jié)土壤磷素供應(yīng)。圖7和圖8表明壤土、砂壤土中不同處理的土壤磷酸酶活性呈直線加平臺(tái)的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖7 不同處理對(duì)壤土磷酸酶活性的影響

圖8 不同處理對(duì)砂壤土磷酸酶活性的影響

壤土中，苗期、花鈴期、吐絮期沼肥處理的土壤磷酸酶活性顯著高于單施化肥和對(duì)照處理。苗期、花鈴期、吐絮期沼肥處理的土壤磷酸酶活性平均值比單施化肥分別提高了27.5%，15.8%和10.5%； 比對(duì)照處理分別提高了25.4%，27.7%和21.4%； 蕾期沼肥處理的土壤磷酸酶活性與單施化肥處理差異不顯著，與對(duì)照處理差異顯著。

砂壤土中，蕾期、花鈴期、吐絮期沼肥處理的土壤磷酸酶活性顯著高于單施化肥和對(duì)照處理。蕾期、花鈴期、吐絮期沼肥處理的土壤磷酸酶活性比單施化肥分別提高了9.7%，8.9%和7.7%； 比對(duì)照處理分別提高了10.1%，15.9%和14.2%； 苗期沼肥處理的土壤磷酸酶活性與單施化肥處理差異不顯著，與對(duì)照處理差異顯著。

從以上分析可以得出，在氮素投入量相等的情況下，沼肥與化肥配施能夠改善根際土壤環(huán)境，提高土壤磷酸酶活性，從而促進(jìn)難溶性磷的有效化和根系對(duì)磷素的吸收利用。

3 討論與結(jié)論

土壤酶參與了土壤腐殖質(zhì)及多種有機(jī)化合物的分解與合成、土壤養(yǎng)分的固定與釋放、各種氧化還原反應(yīng)等生物化學(xué)和物質(zhì)循環(huán)過(guò)程，因此土壤酶活性可以作為評(píng)價(jià)土壤生物活性和土壤肥力的重要指標(biāo)。研究表明，蛋白酶、脲酶能夠催化有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)態(tài)，對(duì)土壤含氮化合物的活化具有重要作用，同時(shí)脲酶具有對(duì)尿素水解具有專(zhuān)一性，從而對(duì)于提高氮肥利用率具有積極影響； 磷酸酶能夠水解土壤有機(jī)磷，對(duì)增加土壤磷的有效性具有良好的影響； 過(guò)氧化氫酶能促進(jìn)過(guò)氧化氫分解，有利于解除過(guò)氧化氫對(duì)植株的毒害作用而提高土壤肥力。但是，土壤酶活性受施肥種類(lèi)、土壤環(huán)境、栽培管理措施等因素影響。許多研究表明，作物殘?bào)w還田可通過(guò)改善土壤水熱狀況影響微生物區(qū)系和土壤酶活性[7]； 增施有機(jī)物料和化學(xué)肥料有利于調(diào)節(jié)土壤碳氮比，改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤酶活性和平衡土壤微生物區(qū)系； 施用有機(jī)肥能夠提高土壤酶活性，并且隨著施用量的增加酶的活性增加[8]。太湖地區(qū)水稻土長(zhǎng)期肥力試驗(yàn)結(jié)果表明，施用氮磷鉀和秸稈還田都有增加土壤酸性磷酸酶、堿性磷酸酶、脫氫酶和脲酶活性的效果，而且隨秸稈還田量的增加，酶活性明顯增加[9]。何炎森[10]等通過(guò)丘陵旱地砂園土有機(jī)無(wú)機(jī)肥料配施試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有機(jī)無(wú)機(jī)肥料配施可以為蔗糖酶, 尿酶、蛋白酶、過(guò)氧化物酶提供底物，在一定范圍內(nèi)，底物越多，酶活性越強(qiáng)，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤酶活性持續(xù)提高。本研究對(duì)不同質(zhì)地棉田土壤中化肥與沼肥配施的結(jié)果表明，單施化肥與沼肥配施化肥都能增加土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶、蛋白酶、磷酸酶活性。隨著沼肥替代量的增加，酶的活性顯著增強(qiáng)。可能是因?yàn)檎臃时旧砭褪俏⑸锇l(fā)酵的產(chǎn)物，施入沼肥在增加土壤微生物數(shù)量的同時(shí)也豐富了土壤酶的類(lèi)型。沼肥作為微生物活動(dòng)的良好基質(zhì)，為微生物提供了充足的能源，促進(jìn)了微生物的代謝和繁育，從而使土壤酶活性發(fā)生顯著變化。對(duì)不同土層土壤酶活性的研究表明，秸稈還田和有機(jī)肥處理表層(0～20 cm)土壤脲酶、堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性均顯著高于20～40 cm和40～60 cm土層。可能是因?yàn)楸韺油寥滥茌^好地與外界進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換，提供了利于微生物繁殖和旺盛活動(dòng)的空間，對(duì)土壤酶具有激活效應(yīng)。隨著土層加深，土壤的物理、化學(xué)、生物性狀等均不利于微生物的活動(dòng)與繁殖，導(dǎo)致了酶活性降低。

在試驗(yàn)條件下，沼肥配施氮素處理提高了棉田苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期的土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶、蛋白酶、磷酸酶活性； 土壤質(zhì)地的差異，造成土壤酶活性的不同，相同的處理壤土中4種土壤酶活性普遍高于砂壤土。基施75%沼肥氮肥+追施25%化學(xué)氮肥處理在各棉花生育時(shí)期酶活性最高，但與基施25%沼肥氮肥+追施75%化學(xué)氮肥、基施50%沼肥氮肥+追施50%化學(xué)氮肥處理相比差異不顯著，同時(shí)基施75%沼肥氮肥+追施25%化學(xué)氮肥處理的產(chǎn)量較差，表明在棉花生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期，速效養(yǎng)分的供應(yīng)尤其是氮素供應(yīng)不能滿足棉花生長(zhǎng)的要求，造成對(duì)棉花產(chǎn)量的影響。因此在實(shí)際生產(chǎn)中棉田施肥時(shí)只需要基施25%沼肥氮肥+追施75%化學(xué)氮肥就能起到調(diào)節(jié)土壤碳氮比，改善土壤理化性質(zhì)，提高棉花產(chǎn)量的目的。

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Effects of Combined Application of Biogas Manure and Chemical Fertilizer on Enzyme Activities of Different Soil in Cotton Fields /

ZHANG Shi-ming1, ZHU You-juan2, ZHANG Hong-yong3, LUO Xin-ning1/

(1.College of Plant Science，Tarim University, Alar 843300, China; 2. Akesu Vocational and Technology College, Akesu 843000, China; 3.Markit Base of People's Liberation Army of Xinjiang Military Region, Markit 844600, China)

To achieve cotton plant economic fertilization and agricultural waste recycling use, the effects of combined application of biogas fertilizer and chemical fertilizer on the activity of soil enzyme,induding urease，protease, catalase and phosphates in cotton rhizosphere,were studied. The result showed that, under the condition of same N application rate, with development of cotton growth period, the activity of urease，protease, catalase in soil showed a trend of decrease after the initial increase. Their activity peaks are all at flowering and boll-forming stage. Compared with the sole application of chemical fertilizer, the activity of urease，protease, catalase in combined application were increased by 16.3%, 8.7% and 10.7% for loam,respectively； and that were increased by 15.2%, 12.2% and 17.9% for sandy loam. The activity of phosphatase showed a linear increasing, its peak appeared in the boll opening period, the activity of phosphatase of combined application in loam and sandy loam were increased by10.5% and 7.7%. Combined application improved the activities of urease，protease, catalase and phosphates significantly in cotton rhizosphere soil.Applying 75% of biogas fertilizer N as basal plus 25% of chemical N as topdressing and applying 50% of biogas fertilizer N as basal plus 50 % of chemical N as topdressing had the better effect，while applying sole conventional urea fertilizer had the effect of worst. In practice, applying 25% of biogas fertilizer N as basal plus 75 % of chemical N as topdressing could adjust the soil carbon and nitrogen ratio, improve the physical and chemical properties of soil, and increase soil biological activity, achieve the purpose of increasing cotton production.

biogas manure; soil texture; enzyme activities; cotton field

2015-11-10

項(xiàng)目來(lái)源： 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(20100314)； 塔里木大學(xué)校長(zhǎng)基金博士項(xiàng)目(TDZKBS201201)

張世民(1991-)，男，河南許昌人，碩士，研究方向?yàn)樽魑锔弋a(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效栽培理論與技術(shù)，E-mail：1509868728@qq.com

羅新寧，E-mail：luoxinning04@163.com

S216.4

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1000-1166(2016)06-0104-06