豬糞施用量對紅壤旱地理化性質及酶活性的影響*

楊小東，曾希柏，，文 炯，王亞男，?，白玲玉，，許望龍，蘇世鳴，，吳翠霞，

（1. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所 / 農業農村部農業環境重點實驗室，北京 100081；2. 農業農村部岳陽農業環境科學實驗站，湖南岳陽 414000）

施用有機肥一直被認為是培肥地力、改善土壤理化性質、增強土壤微生物和酶活性、提高作物產量、實現農業循環發展的重要舉措[1-6]，是我國傳統農業的精華。豬糞是我國施用量最大的有機肥，且其中含有豐富的有機質及氮磷等養分[7]，常被用于改良及提高耕地肥力。劉希玉等[3]通過15 年長期定位研究認為，施用豬糞能有效提高紅壤區水稻土團聚體的穩定性及碳氮含量；柳開樓等[8]的研究也指出，豬糞還田可阻控土壤酸化、顯著提高土壤有機質和氮磷鉀等養分含量及作物產量。長期施用豬糞在改善土壤理化性質的同時，還可明顯提高土壤酶活性，且豬糞與化肥配施可維持和提高土壤微生物數量、土壤呼吸等微生物學特性[5，9]。土壤酶是由植物根系及微生物分泌的具有高度催化作用的蛋白質，相較于土壤理化性質，能更迅速地對施肥及管理措施的變化做出響應。目前，國內外有關土壤中胞外酶活性變化的研究大多數圍繞參與土壤碳、氮和磷循環的相關酶活性變化，包括水解纖維素、釋放葡萄糖的β-1，4-葡萄糖酐酶（βG），水解木質素、釋放木糖的β-1，4-木糖苷酶（βX），水解纖維素、釋放纖維二糖的纖維二糖水解酶（CBH），水解亮氨酸及某些疏水氨基酸的L-亮氨酸氨態酶（LAP），降解幾丁質及β-1，4 端連接的氨基葡萄糖聚合物、釋放 N-乙酰氨基葡萄糖的 β-1，4-N-乙酰基氨基葡萄糖酐酶（NAG）以及水解磷酸單脂及磷酸二脂、釋放磷酸基團的酸性磷酸酶（AP）等[10]。研究表明，上述酶由于可專一的催化降解土壤中一些不易降解、難降解的重要生物化學物質，參與末端反應并生成易于被吸收利用的物質，并易于研究其化學反應動力學，且能用于評價生態過程等特征[11]，而廣為受到關注。盡管已有諸多研究表明，施用有機肥可顯著提高土壤酶活性[12-13]，但對有機肥，尤其是豬糞不同施用量下土壤酶活性變化的研究鮮有報道。南方紅壤地區由于有機肥的投入量或其與化肥的配施比例不當等原因，旱地的肥力和產能逐漸降低，障礙因素也較多，已成為該區域亟待改良和培肥的耕地類型。綜上，本研究利用湖南岳陽的長期定位試驗，研究不同豬糞施用量對土壤相關性質及碳氮磷循環相關6 種胞外酶活性的影響，以期為該地區有機肥的合理施用、紅壤旱地地力的提升和農業可持續發展等提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于湖南省岳陽縣麻塘鎮的農業部農業環境監測實驗站內（112°44′14′E，28°57′11′N）。所在區域屬于亞熱帶氣候區，氣候溫暖濕潤，光照較充足，雨量充沛，年均氣溫17℃，年日照時數1 722～1 816 h，年均降雨量1 400 mm。試驗前土壤基本理化性質為：pH 6.4、有機質 19.8 g·kg-1、全氮1.11 g·kg-1、全磷 0.50 g·kg-1、全鉀 14.6 g·kg-1、堿解氮 72.10 mg·kg-1、有效磷 3.84 mg·kg-1、速效鉀246.7 mg·kg-1、CEC 15.30 cmol·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗小區于 2013 年開始建設，2014 年開始種植作物。設置5 個處理，豬糞施用量分別為0、7.5、15、30、45 t·hm-2，不施用化肥。試驗用豬糞取自實驗站周邊的集約化養殖場，于每年4 月開始腐熟，半年后達到完全腐熟狀態，再于每年 10 月施入土壤，施用量以鮮重計。豬糞含有機質779.5 g·kg-1、氮（N）28.20 g·kg-1、磷（P2O5）36.61 g·kg-1、鉀（K2O）14.70 g·kg-1。試驗小區隨機區組排列，每個小區面積21 m2，重復3 次，種植作物為菠菜和玉米輪作。

1.3 樣品采集

2017 年 4 月 7 日菠菜收獲后，用五點采樣法采集各小區0～20 cm 土壤，混勻后用四分法取1 kg混合土樣并剔除動植物殘體和石礫，一部分土壤過2 mm 篩，置于 4℃冰箱內冷藏，盡快測定土壤酶活性。另一部分土壤風干過篩，用于測定土壤 pH及養分含量[14]。

1.4 土壤基本理化性質測定

土壤pH 采用pH 計測定，水土比為2.5︰1；有機質采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定；全氮采用凱氏定氮法測定；全磷采用NaOH 熔融—鉬銻抗比色法測定；全鉀采用NaOH 熔融—火焰光度法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用 NaHCO3—鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用NH4OAc 浸提—火焰光度法測定[14]。

1.5 土壤酶活性測定

稱取1.000 g 新鮮土樣置入洗凈烘干的100 mL離心管內，加去離子水50 mL，于渦旋儀上渦旋15 s，然后在搖床內 180 r·min-1振蕩 30 min，取出后用50 mL 去離子水清洗離心管，將100 mL 懸濁液全部轉移至燒杯中，在磁力攪拌器攪拌下加樣。將200 μL土壤懸濁液和50 μL 底物置于樣品板的微孔中，以200 μL 土壤懸濁液和50 μL 去離子水的空白微孔作為對照；在陰性對照微孔內加入200 μL 去離子水和50 μL 底物；在參考標準微孔內加入200 μL 去離子水和 50 μL 標準物質；在淬火標準微孔內加入200 μL 土壤懸濁液和50 μL 標準物質，每個樣品重復8 次。將微孔板置于恒溫培養箱（25℃）內黑暗培養4 h，取出后于各微孔內加入10 μL 0.5 mol·L-1NaOH 終止反應，1 min 后用酶標儀測定樣品的熒光值，4-MUB 的熒光激發光波長及發射光波長分別為365 nm、450 nm。本研究中涉及的6 種土壤酶功能、EC 編碼及相應底物如表1[15]。

1.6 數據處理

土壤酶活性采用下述公式進行計算[16]：

式中，A為土壤酶活性（nmol·g-1·h-1）；F為校正熒光值；V為土壤懸濁液體積（100 mL）；e為熒光釋放系數；v1為每一微孔內的土壤懸濁液體積（0.2 mL）；t為黑板暗培養時間（4 h）；m為干土樣的質量（1 g 鮮土換算成干土的質量）；f為樣品微孔熒光值；fb為空白微孔熒光值；q為淬火標準系數；fs為陰性對照微孔熒光值；fr為參考標準微孔熒光值；cs為標液濃度（10 μmol·L-1）；v2為標準物質體積（0.05 mL）；fq為淬火標準微孔熒光值。

表1 所測土壤酶的名稱、功能、EC 編碼和底物Table 1 Names，functions，EC numbers，and substrates of the test enzymes in soil in this study

采用 Excel 2007 處理數據并制表，采用 DPS 15.10 對相關數據進行單因素方差分析、相關性分析，采用LSD 進行差異顯著性分析。

2 結 果

2.1 豬糞施用量對菠菜和玉米地上部生物量的影響

在本試驗豬糞施用量為 0～45 t·hm-2范圍內，菠菜（莖葉）地上部生物量、玉米（籽粒+秸稈）地上部生物量均有隨豬糞施用量增加而增加的趨勢（表2），但不同年度間菠菜地上部生物量差異較大、而玉米地上部生物量差異較小。根據試驗期間菠菜、玉米地上部生物量與豬糞施用量數據，可以求出試驗期間作物地上部平均生物量與豬糞施用量的相互關系有如下結果：

式中，y1、y2分別為菠菜、玉米地上部生物量，x為豬糞施用量 t·hm-2，R2為決定系數，*表示P＜0.05顯著相關，**表示P＜0.01 極顯著相關。

由上述分析可知，在豬糞施用量 0～45 t·hm-2范圍內，菠菜及玉米地上部生物量與豬糞施用量具有良好的線性關系，均隨豬糞施用量的增加而增加，當豬糞施用量達45 t·hm-2時顯著增加了菠菜地上部生物量，但在 7.5～30 t·hm-2范圍內，差異并不顯著；而對玉米地上部生物量，在豬糞施用量7.5～45 t·hm-2范圍內均可達顯著增長水平，這說明增加豬糞施用量可明顯提高作物地上部生物量，且在施用豬糞的最初幾年內可實現穩產目標。

表2 不同豬糞施用量對菠菜和玉米地上部生物量的影響Table 2 Effect of pig manure application rate on shoot biomass of spinach and maize

2.2 豬糞施用量對土壤理化性質的影響

連續施用豬糞3 年后，隨豬糞施用量的增加，土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀的含量均相應增加，且部分處理間差異達到顯著水平，但對土壤pH 的影響不大（表3）。

應用回歸分析方法可以求得豬糞施用量與土壤有機質、全氮、全磷及堿解氮、有效磷和速效鉀含量間的相互關系，發現其變化均與豬糞施用量呈線性相關，并可用線性回歸方程y=ax+b 表述（表 4）。

表3 不同豬糞施用量對土壤基本理化性質的影響Table 3 Effects of pig manure application rate on soil physicochemical propertities

表4 土壤理化性質變化與豬糞施用量的相互關系Table 4 Relationships between soil physicochemical properties and pig manure application rate

可見，在紅壤區土壤氣候及耕作等條件下，除土壤全鉀外，隨豬糞施用量的增加，土壤有機質及養分含量均呈現出線性增加的趨勢，說明增加有機肥施用量對提高紅壤地力具有顯著效果。

2.3 豬糞施用量對土壤酶活性的影響

土壤中與碳氮磷循環相關的6 種酶的活性均隨豬糞施用量的增加而呈增加趨勢，且不同處理間達到顯著水平（表5）。

同樣地，應用回歸分析方法可求得豬糞施用量與6 種土壤酶活性之間的相互關系，發現6 種酶的活性均與豬糞施用量呈線性相關，并可用y=ax+b 方程表述（表6）。

表5 不同豬糞施用量對土壤酶活性的影響Table 5 Effects of pig manure application rate on soil enzyme activities

表6 土壤酶活性變化與豬糞施用量的相互關系Table 6 Rlationships between soil enzyme activities and pig manure application rate

由表 6 可以看出：在豬糞施用量 0～45 t·hm-2范圍內，紅壤中與碳氮磷循環相關的酶活性隨豬糞施用量的增加呈線性增長趨勢，且可達到顯著增長水平，說明增加有機肥對提高土壤酶活性有明顯效果，可以加速土壤中的碳氮磷等養分的循環過程。

2.4 豬糞施用量對土壤C/N 及酶活性相對比值的影響

在豬糞施用量 7.5～45 t·hm-2的范圍內，土壤C/N 維持在8：1～8.5：1 范圍，并無明顯差異；βG/（NAG+LAP）隨豬糞施用量的增加而降低，當豬糞施用量達到30 t·hm-2時顯著降低，之后隨豬糞施用量的增加比值繼續降低。βG/AP 隨豬糞施用量的增加呈增加趨勢，但變化并不顯著。（NAG+LAP）/AP隨豬糞施用量的增加而增加，且當豬糞施用量達45 t·hm-2時達到顯著增加水平（表7）。

2.5 土壤理化性質與酶活性的相關性

由于豬糞會帶入至土壤中大量有機碳源及活性養分，增加了酶的底物，且酶可能會在一定程度上反映土壤肥力變化，因此對酶活性與有機質、養分含量進行相關性分析（表8）。

表7 不同豬糞施用量對土壤C/N 及酶活性相對比值的影響Table 7 Effects of pig manure application rate on C/N and relative ratios of soil enzyme activities

表8 土壤基本理化性質與酶活性的相關性Table 8 Correlations between soil basic physicochemical propertities and soil enzyme activities（n=3）

表8 可知，6 種酶均與有機質、全磷、有效態氮磷鉀含量呈顯著或極顯著相關，除βX，其余5種酶與全氮含量呈顯著或極顯著相關，除AP，其余5 種酶與全鉀含量呈顯著或極顯著相關。其中，βG 與全磷含量，βX、AP 與有機質含量，CBH 與堿解氮含量，LAP 與有效磷含量相關性最高。總體而言，6 種酶活性與有機質、養分含量存在著密切關系。

3 討 論

3.1 豬糞施用量對土壤理化性質的影響

諸多研究結果表明，施用有機肥可明顯提高土壤有機質及氮磷鉀養分含量[2，17-18]，增強土壤中與碳氮磷循環相關的酶活性[9，12]，保障作物穩產、高產。本研究通過比較分析作物地上部生物量及土壤理化性質的結果可知，豬糞施用量的不同對紅壤的培肥效果有較大差異。作物地上部生物量隨豬糞施用量的增加而呈線性增加的趨勢，與對照相比，豬糞施用量在7.5～45 t·hm-2內，菠菜地上部生物量增加了73%～205%，玉米地上部生物量增加了18%～149%，這與胡留杰等[18]報道的在2 倍～8 倍豬糞施用量間，油麥菜產量隨豬糞施用量的增加而顯著增加相一致。同樣，土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀含量也隨著豬糞施用量的增加而呈線性增加的趨勢，與對照相比均有不同程度的增加，這與前人的研究結果相一致[8，12]。

本試驗中，外源輸入的豬糞中有機質及氮、磷、鉀含量顯著高于土壤本身的有機質及氮、磷、鉀含量。Dick[19]研究表明，35 t·hm-2新鮮糞肥可提供 7～8 t 有機物質，豬糞腐熟過程由于腐殖化作用，使新鮮有機質轉變為腐殖物質，這是土壤中有機質含量顯著升高的主要原因。已有研究結果[14]表明土壤全氮與有機質含量呈正相關，且全氮變異很大程度來自于有機質；由于磷素易被土壤固定，其差異主要受豬糞中的磷在土壤中累積的影響；但全鉀含量變化不顯著，這可能是由于施用豬糞輸入的鉀素含量與輸出的鉀素含量大致相等，輸出的鉀素一方面是作物地上部生物量增加使得土壤鉀素被大量帶走，另一方面是紅壤對鉀素的吸附固持作用較弱，鉀素易隨水淋失。對于能夠被植物吸收利用的有效態氮磷鉀，其養分含量隨豬糞施用量增加而顯著增加，這是因為豬糞含有大量有機質養分及豐富的微生物，施入土壤后在帶入大量活性物質的同時也會促進有機質的激發反應，微生物生物量明顯增加，生化反應速率加快，多種難以被植物吸收利用的養分活化為有效養分[20-21]。本研究中，當豬糞施用量達到45 t·hm-2時，速效鉀及有效磷含量分別較對照增加了64%、1 281%。雖然高量豬糞會顯著提高有效態養分，但應注意在施肥過程中保證適量原則，以免造成磷鉀面源污染。

3.2 豬糞施用量對土壤酶活性的影響

土壤中一切生化反應均是在酶的催化作用下完成的，土壤中酶活性的高低能夠反映土壤生物活性及生化反應強度。榮勤雷等[12]通過研究化肥分別與綠肥、秸稈、豬糞及腐熟菌劑配施對土壤酶活性的影響，結果表明不同類型的有機肥均可顯著提高土壤酶活性。徐麗麗等[13]研究結果同樣表明有機肥能夠顯著提高土壤中碳氮磷循環相關的酶活性。本試驗結果顯示，不同豬糞用量對土壤酶活性影響不同，在豬糞施用量 0～45 t·hm-2范圍內，土壤酶活性總體表現為隨豬糞施用量的增加而線性增加，原因可能為：1）豬糞會向土壤中帶入大量微生物和與碳氮磷循環相關的酶，進而增加酶活性[5，22]；2）豬糞可顯著改善土壤理化性質，促進作物和土壤微生物生長，提高土壤酶活性；3）豬糞為土壤提供更多、更豐富的底物[23-24]，發揮底物誘導效應，誘導更多酶的產生；4）豬糞可為微生物提供大量碳源，進而誘導微生物產生更多的胞外酶[25]。

氮磷鉀是植物生長必須的大量營養元素，土壤中氮磷鉀的供給情況直接影響著作物的生長發育狀況。土壤中的有機態氮磷鉀經過復雜的生物化學反應最終轉變成植物可以吸收利用的形式，均是在土壤酶催化作用下完成的。因此，不同土壤酶活性的差異也代表著土壤中養分的轉化情況。本試驗所測6 種酶在一些重要有機態養分分解和釋放的過程中起到關鍵作用，如 βG、βX、CBH 水解葡萄糖苷、木聚糖、纖維素或含有相應糖苷鍵的物質，將多糖降解為單糖或二糖，為有機質徹底分解、釋放能量提供保障。豬糞施用量的增加使得與碳循環相關的酶活性增加，加速了土壤碳循環，促進了土壤中能量的釋放。此外，由于堿解氮中易礦化的有機態氮（如氨基酸、酰胺等）與無機態氮（如銨態氮、硝態氮等）的形成有著直接或間接的影響，且氮是酶蛋白質形成所必須的元素，因此堿解氮含量也可能成為影響參與碳循環酶活性的重要因素[26-27]。

有機結合氮是重要的氮儲存庫，蛋白質、殼二糖及肽聚糖等有機氮化合物又是主要的有機氮儲存庫[28]，LAP、NAG 作為催化這類物質的重要降解酶類，催化α-酰氨（基）肽和殼二糖水解，生成氨基酸與低（聚）肽，為后續轉變為植物可利用的養分形態做準備，豬糞施用量的增加使得氮循環酶活性增加，進而加速了氮循環，促進了土壤活性養分的釋放。

AP 作用于酯鍵，催化磷酸單酯水解生成醇和磷酸，對土壤有機磷的降解有重要意義。諸多研究均表明，豬糞中含有較多的AP，施入土壤后會增加含磷量、促進含磷化合物的分解[13，29]，本研究中，當豬糞施用量增加至 45 t·hm-2時，AP 活性有一定程度的下降，可能是因為其礦化的有機磷較多，導致土壤中無機磷積累，對 AP 有一定程度的抑制。在此基礎上繼續增加豬糞的施用量，由于土壤中微生物的數量和活性不可能無限增加，因而其他酶的活性亦可能會相應出現下降，但相關規律尚待進一步驗證。

不同酶活性比值可以更好地反映出環境底物的比例變化，具有特殊的生態涵義，因βG、LAP、NAG、AP 這幾種酶有很大的潛在催化速率，且其催化的底物種類豐富多樣，因此βG/（NAG+LAP）、βG/AP、（NAG+LAP）/AP 幾種酶的比例被較多研究和討論[30]。Sinsabaugh 和Shah[30]曾分析多個地區河流底泥及土壤中的βG/（NAG+LAP）、βG/AP，因在河流底泥中兩者有較高的比值范圍而得出結論：在河流底泥中，微生物新陳代謝主要受碳素養分控制而非氮素及磷素。本研究結果發現，隨豬糞施用量增加 βG/（NAG+LAP）、（NAG+LAP）/AP 呈降低趨勢，推測微生物的生理代謝活動在低濃度豬糞施用量時受到了碳素養分的控制，而逐漸增大豬糞施用量，微生物代謝活動則主要受氮素養分的控制，相關結論仍需要進一步的試驗證實。

本試驗中，當豬糞施用量為 15 t·hm-2、30 t·hm-2時，土壤養分含量及酶活性等指標與豬糞施用量45 t·hm-2時差異并不顯著。盡管繼續增加豬糞的施用量，上述指標均有一定程度的增加，但值得注意的是，當豬糞施用量高達45 t·hm-2時，土壤中的有效態氮磷鉀等養分與對照相比分別增加了 33%、1281%、64%，且以有效磷含量增長幅度最大。因此，為避免在施肥過程中氮磷鉀有效養分的的過量累積，推薦第四紀紅壤旱地豬糞的最佳施肥量在15～30 t·hm-2范圍內。

4 結 論

在第四紀紅壤旱地連續施用豬糞3 年，土壤pH并無明顯變化，而除全鉀含量無明顯變化外，土壤中的有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量及菠菜、玉米地上部生物量均呈現出隨豬糞施用量的增加而線性增加的趨勢。施用豬糞有利于南方紅壤有機質及氮素、磷素的積累。土壤中的βG、βX、CBH、NAG、LAP、AP 6 種酶活性隨豬糞施用量增加也呈現線性增加趨勢。由于酶活性比值可以反映土壤中環境底物的比例變化，說明施用豬糞后可以加速土壤中的碳、氮、磷等元素的循環轉化過程，也進一步證實酶活性可以間接地反映出土壤肥力的變化。結合作物地上部生物量、土壤中養分含量及酶活性的變化情況，在紅壤旱地開展作物種植或培肥地力等生產活動所推薦的豬糞施用量為 15～30 t·hm-2之間。