長期菌渣化肥配施對稻田土壤酶活性的影響及交互效應

陳文博，王旭東，石思博，季詩域，葉正錢，任澤濤，劉 璋

（1. 浙江農林大學 環境與資源學院 浙江省污染土壤修復重點實驗室，浙江 杭州 311300；2. 南京農業大學 資源與環境科學學院，江蘇 南京 210095）

土壤酶在土壤生態系統中起著關鍵作用，是源自于微生物、動植物活體或殘體的一類生物活性物質，能夠催化土壤中的生物化學反應[1]。土壤酶活性作為反映土壤中各種生物化學過程的方向和強度的指標[2]，參與了有機質分解、養分循環等重要機制。其中土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶活性對評價土壤肥力水平有著重要的意義。蔗糖酶又名轉化酶，參與土壤中碳水化合物的轉化，是土壤碳循環重要的酶類之一；脲酶是唯一對尿素的水解轉化具有催化作用的酶，是參與土壤氮循環的重要酶類之一；過氧化氫酶作為一種重要的氧化還原酶，參與土壤中物質循環和能量轉換的過程，也對土壤碳循環有一定的促進作用。土壤酶活性受施肥、土壤類型[3]、栽培制度[4?5]和管理措施[6?8]等因素的密切影響，外源有機物料的添加及化肥的施用對土壤酶活性的影響較大。菌渣是一種特殊的有機物料，是在農業生產中最豐富但也容易被忽視的生物質資源。菌渣還田，不僅能保持土壤肥力，同時能達到土地改良的效果。菌渣施入土壤，能提供大量的菌絲殘體、纖維素、半纖維素、木質素和礦物質等，同時也是豐富的氨基酸、多糖等營養物質的來源[9]。但因人們對其營養價值認識不足，還田技術仍比較滯后而導致其常被隨地丟棄或燃燒，造成了資源的極大浪費。中國目前菌渣利用率僅為33%[10]，菌渣不恰當處置導致散發出溫室氣體和霉菌孢子蔓延等問題，造成生態環境污染[11]。因而研究菌渣化肥配施對稻田土壤酶活性的影響，促進農業廢棄物的高效利用，加快農業可持續發展，具有重要的理論和現實意義。已有研究表明：菌渣化肥配施能有效提高土壤pH，增加土壤養分含量[12]，達到改土增肥的目的。溫廣嬋等[13]研究表明：配施菌渣有利于土壤有機質和其他速效養分的積累。馬嘉偉等[14]研究發現：菌渣化肥配施能有效提高土壤養分，促進生育時期內水稻Oryza sativa生長。龔臣等[15]研究發現：菌渣化肥配施不僅對稻田土壤有機碳組分有顯著影響，而且還影響了土壤肥力。石思博等[11]研究發現：菌渣化肥配施對土壤微生物量碳氮、可溶性碳氮和礦化碳含量均有顯著影響。綜上所述，以往研究多數注重菌渣還田對土壤理化性質和水稻生長的影響，而關于菌渣如何對酶活性產生影響，特別是酶活性如何隨著水稻生育時期發生變化，從而影響水稻生長或養分吸收的機制目前還不清楚。在此之前，對菌渣化肥配施對稻田土壤微生物量碳氮、可溶性碳氮和礦化碳含量[16]的影響已有研究，發現菌渣還田對土壤微生物量碳氮、可溶性碳氮和礦化碳含量都有顯著的影響，但是要準確揭示土壤有機碳氮的周轉和養分循環，還需要對長期菌渣化肥配施后土壤酶活性的變化進行系統研究。

1 材料與方法

1.1 材料與設計

試驗地點位于浙江省嘉興市秀洲區王店鎮五浪園水稻田 (30°37′～30°40′N，120°39′～120°44′E，平均海拔4 m)。該地四季分明，年平均日照2 017.0 h，氣候溫和，屬于東亞季風區，冬夏季風交替顯著，常年平均氣溫為15.9 ℃，年平均降水量1 168.6 mm。長期定位試驗始于2010年，供試土壤在定位試驗前(2010 年)的基本理化性質為：pH 6.80，有機質 25.16 g·kg?1，堿解氮 94.29 mg·kg?1，有效磷 37.01 mg·kg?1，速效鉀127.22 mg·kg?1。土壤耕作方式是休耕輪作，土壤質地為粉砂質黏土，其中砂粒、粉粒、黏粒的相對含量分別為29.38%、47.37%和23.25%。供試菌渣選用種植黑木耳Auricularia auricula后的桑Morus alba枝屑物料經發酵后的產物。主要成分為：有機碳451.8 g·kg?1，全氮11.4 g·kg?1，全磷1.0 g·kg?1，全鉀6.0 g·kg?1，碳氮比為39.6。菌渣的原料由5個典型成分組成：纖維素、半纖維素、木質素、灰分和蛋白質，質量分數分別為28.21%、20.16%、15.11%、14.83%和14.3%。供試水稻品種為‘甬優 1540’‘Yongyou 1540’。

本試驗采用雙因素隨機區組設計，分別設3個化肥施用水平和菌渣還田水平，共9個處理，每個處理重復3次，共27個獨立試驗小區，單個小區面積為20 m2。施用菌渣量為0、10、20 t·hm?2，分別記為 0%(F0對照)、50%(F50)、100%(F100)；化肥用量分別為當地常規施肥量的 0%(C0)、50%(C50)、100%(C100)。各處理具體見表1。結合當地單季稻-休閑的水稻輪作制度，移栽水稻前將土壤進行翻耕，同時施入不同比例混合的菌渣和化肥(基肥)。常規化肥100%施用量具體如下：基肥施碳酸氫銨(含氮質量分數17%)300 kg·hm?2；分蘗初期(7月23日)追施尿素(含氮質量分數46%)150 kg·hm?2；分蘗盛期(9 月 4 日)追施控釋復合肥{[m(氮)∶m(磷)∶m(鉀)]=22∶11∶13}225 kg·hm?2。50% 化肥處理則減半進行。

表1 試驗處理Table 1 Experimental treatments

1.2 樣品采集及分析方法

分別于水稻移栽前2周(2017年6月)、分蘗盛期(2017年9月)、灌漿后期(2017年11月)、收獲期(2017年12月)在各個小區0～20 cm土層多點采集土壤。土樣在陰涼處風干、磨碎、裝袋，以備用于常規土壤理化性質分析；同時取新鮮原狀土分析土壤容重，進行土壤酶活性的分析。

土壤pH按土水質量比為1.0∶2.5酸度計測定；有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定；全氮采用半微量開氏法測定；堿解氮采取堿解擴散法測定；有效磷采用氟化銨-鹽酸浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定[17]；土壤蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶活性分別采用3,5二硝基水楊酸比色法、高錳酸鉀滴定法、靛酚藍比色法測定。過氧化氫酶活性以每克土消耗0.1 mol·L高錳酸鉀毫升數表示，蔗糖酶活性以24 h后每克土葡萄糖的毫克數表示，脲酶活性以24 h后每克土氨氮的毫克數表示[18]。

1.3 統計方法

數據處理采用Origin 8.5、SPSS 18.0和R 3.3.3進行統計分析和圖像繪制，采用雙因素方差分析(two-way ANOVA)和Duncan新復極差法進行差異顯著性檢驗，通徑分析采用Excel 2016。

2 結果與分析

2.1 菌渣化肥配施對土壤過氧化氫酶活性的影響

由表2可知：水稻不同生育時期各處理中土壤過氧化氫酶活性為3.01～10.20 mL·g?1，從高到低依次表現為收獲期、分蘗盛期、灌漿后期、移栽前期。不同時期同一處理土壤過氧化氫酶活性呈現出在移栽前上升，至分蘗盛期達到高峰，灌漿后開始下降，收獲期則再次升高的變化趨勢。在水稻移栽后，大部分處理的土壤過氧化氫酶活性均高于對照(C0F0)，其中C100F50處理極顯著高于對照(P＜0.01)。在分蘗盛期，各處理土壤的過氧化氫酶活性均呈上升趨勢，其中C50F100、C100F0、C100F50處理漲幅最明顯。到灌漿后期，除C100F100處理的土壤過氧化氫酶活性提高之外，其余處理均呈下降趨勢，其中C100F0、C100F50處理降幅比較明顯。在化肥施用 C0水平下，菌渣施入量越多，水稻發育前期土壤過氧化氫酶活性也隨之越高，但后期差異不顯著；在化肥施用 C50水平下，菌渣施入量越多，土壤過氧化氫酶活性隨之增加。在菌渣施用F0和 F50水平下，隨著化肥施用量的增加，過氧化氫酶活性表現為先升高后降低的趨勢。在化肥施用C100和菌渣施用F100的水平下，過氧化氫酶活性隨著菌渣化肥施用量的增加，同樣表現為先增后減的趨勢。單施菌渣和單施化肥以及其兩者的交互作用對土壤過氧化氫酶活性在水稻的4個生育時期均有顯著(P＜0.05)或極顯著影響(P＜0.01)。在水稻發育的4個時期，單施化肥對土壤過氧化氫酶活性的影響不顯著，但是單施菌渣對土壤過氧化氫酶活性均具有顯著(P＜0.05)或極顯著影響(P＜0.01)。菌渣與化肥互作效應對土壤過氧化氫酶活性在水稻灌漿后期和收獲期有極顯著影響(P＜0.01)。

表2 菌渣化肥配施對土壤過氧化氫酶活性的影響和互作效應Table 2 Effect and interaction of the application of fungal residue and chemical fertilizer on catalase activity in soil

2.2 菌渣化肥配施對土壤蔗糖酶活性的影響

從表3可以看出：水稻不同生育時期各處理中土壤蔗糖酶活性為0.20～2.04 mg·g?1，從高到低依次表現為灌漿后期、分蘗盛期、收獲期、移栽前期。在水稻整個生育期，各處理的土壤蔗糖酶活性呈現出先升高后降低的趨勢。在水稻移栽后，大部分處理的土壤蔗糖酶活性均高于對照處理(C0F0)，其中C50F100處理顯著高于對照處理(P＜0.05)。在灌漿后期，各處理土壤的蔗糖酶活性均呈上升趨勢，其中C50F100、C100F50、C100F100處理漲幅最明顯。到收獲期，各處理的土壤蔗糖酶活性顯著降低，其中處理C50F50、C50F100降幅最大，并且C50F100處理的土壤蔗糖酶活性最大。在化肥施用 C0水平下，隨菌渣施入量增加，土壤蔗糖酶活性前期隨之降低，但到后期又逐漸升高，但差異并不顯著；在化肥施用 C50水平下，除移栽前期之外，其他3個時期土壤蔗糖酶活性都隨菌渣施入量的增加而增加。在化肥施用C100和菌渣施用F100的水平下，水稻生育前期，隨著菌渣化肥施用量的增加，土壤中蔗糖酶活性隨之增加，但水稻發育后期卻逐漸下降。單施菌渣和單施化肥以及其兩者的交互作用對土壤蔗糖酶活性在水稻的4個生育時期均有顯著(P＜0.05)或極顯著(P＜0.01)影響。在水稻發育的4個時期，單施化肥對土壤蔗糖酶活性均具有顯著影響(P＜0.05)，但單施菌渣對土壤蔗糖酶活性影響不顯著。菌渣與化肥互作效應對土壤蔗糖酶活性在水稻移栽前期和收獲期有極顯著影響(P＜0.01)。

表3 菌渣化肥配施對土壤蔗糖酶活性的影響和互作效應Table 3 Effect and interaction of the application of fungal residue and chemical fertilizer on soil invertase activity

表4 菌渣化肥配施對土壤脲酶活性的影響和互作效應Table 4 Effect and interaction of the application of fungal residue and chemical fertilizer on soil urease activity

2.3 菌渣化肥配施對土壤脲酶活性的影響

由表4可知：水稻不同生育時期各處理中土壤脲酶活性為 0.54～4.80 mg·g?1。與移栽前期相比，水稻土在分蘗盛期、灌漿后期、收獲期各處理的脲酶活性規律比較相似，差異不顯著。除C0F0、C50F50、C0F100處理外，其他處理的土壤脲酶活性從移栽前至分蘗盛期呈持續下降趨勢，到了灌漿后期開始上升，上升趨勢持續至收獲期。在水稻移栽后，大部分處理的土壤脲酶活性均高于對照(C0F0)，并在移栽前期，各處理的土壤脲酶活性極顯著高于對照(P＜0.01)，其中以C100F50處理最大。各處理的土壤脲酶活性在移栽前期之后均有所下降，在分蘗盛期最小，其中C50F100、C100F50、C100F100處理降幅最明顯。在化肥施用C0水平下，菌渣施入量多，土壤中脲酶活性差異不顯著。在化肥施用C50水平下，隨著菌渣施入量增多，土壤脲酶活性從移栽前開始下降，到收獲期又開始回升。在化肥施用C100和菌渣施用F100的水平下，土壤中脲酶活性隨著菌渣和化肥施用量的增加，在不同時期均表現出先增加后減少的趨勢。單施菌渣和單施化肥以及兩者的交互作用對土壤脲酶活性在水稻的4個生育時期均有顯著(P＜0.05)或極顯著(P＜0.01)影響。在水稻的4個生育時期，單施化肥對土壤脲酶活性均具有顯著(P＜0.05)或極顯著(P＜0.01)影響，并且單施菌渣對土壤脲酶活性也均具有極顯著(P＜0.01)影響。除了灌漿后期之外，菌渣化肥配施對土壤脲酶活性在其他3個時期都有顯著(P＜0.05)或極顯著(P＜0.01)影響。在水稻發育前中期，菌渣化肥配施對土壤脲酶活性的互作效應高于蔗糖酶和過氧化氫酶。

2.4 土壤酶與土壤養分的通徑分析

從圖1A可以看出：菌渣化肥配施對各理化因子的間接通徑系數，除土壤有機碳、全氮、有效磷為負值外，其他均為正值。堿解氮對配施效應最大(1.00)，其次是pH(0.17)。速效鉀較低(0.07)。各因素對配施效應的間接效益(絕對值)大小順序依次為堿解氮、全氮、有機碳、pH、有效磷、速效鉀。蔗糖酶對各理化因子的直接通徑系數，除有機碳、全氮、有效磷為負值，其他均為正值，堿解氮對蔗糖酶活性效應最大(1.80)，其次是速效鉀(0.52)，pH較低(0.49)。各因素對蔗糖酶活性的直接效益(絕對值)大小順序依次為堿解氮、全氮、有機碳、速效鉀、pH、有效磷。

圖1B表明：菌渣化肥配施對各理化因子的間接通徑系數，除速效鉀為負值外，其余均為正值。有效磷對配施效應最大(0.30)，其次是全氮(0.24)，有機碳最低(0.03)。各因素對配施效應的間接效益(絕對值)大小順序依次為有效磷、全氮、堿解氮、pH、有機碳、速效鉀。過氧化氫酶對各理化因子的直接通徑系數，除pH為負值外，其余均為正值，有效磷對過氧化氫酶活性效應最大(0.69)，其次是全氮(0.17)和堿解氮(0.17)，速效鉀較低(0.05)。各因素對過氧化氫酶活性的直接效益(絕對值)大小順序依次為有效磷、pH、全氮和堿解氮、有機碳、速效鉀。

由圖1C可知：菌渣化肥配施對各理化因子的間接通徑系數，除pH為負值外，其余均為正值，有效磷對配施效應最大(0.38)，其次是全氮(0.09)，速效鉀較低(0.01)。各因素對配施效應的間接效益(絕對值)大小順序依次為有效磷、pH、堿解氮、全氮、有機碳、速效鉀。脲酶對各理化因子的直接通徑系數，除速效鉀為負值外，其他均為正值，全氮對脲酶活性效應最大(0.56)，其次是有效磷(0.54)，有機碳較低。各因素對脲酶活性的直接效益(絕對值)大小順序依次為全氮、有效磷、速效鉀、pH和堿解氮、有機碳。

圖1 不同土壤理化因子與土壤酶的通徑分析Figure 1 Path analysis of different soil physical and chemical factors and soil enzyme

3 討論

3.1 菌渣化肥配施對土壤過氧化氫酶活性的影響

過氧化氫酶參與土壤中物質循環和能量轉化等過程，在一定程度上可以作為表征土壤生物氧化過程強弱的指標[19]。陳闖等[20]研究認為：在作物發育中后期，有機肥混施能提高土壤過氧化氫酶活性。有研究表明：有機物料還田能有效提高土壤過氧化氫酶活性[21?22]。本研究發現：在化肥施用C0、C50和菌渣施用 F0、F50水平下，過氧化氫酶活性在移栽前期升高，到分蘗盛期、灌漿后期開始下降，最后到收獲期上升到最大。這說明與單施化肥或菌渣相比，中等量菌渣化肥處理的過氧化氫酶活性較好，因為菌渣與化肥配施有利于菌渣在土壤中轉化和積累，土壤氧化還原能力較強[23]。在化肥施用C100和菌渣施用F100的水平下，隨著菌渣和化肥施用量增加，土壤過氧化氫酶活性上升到一定狀態時也會下降，說明就提高過氧化氫酶活性而言，中等量菌渣化肥配施優于高量菌渣化肥配施。這可能是由于化學肥料的過量使用影響了土壤酶活性[24?25]。單施有機肥和單施化肥均能提高土壤過氧化氫酶活性。本研究發現：在水稻發育中后期，菌渣與化肥互作效應對土壤過氧化氫酶活性有極顯著影響，一方面因為在水稻發育中后期，水稻根系生長加快，土壤生物呼吸作用增強；另一方面由于菌渣和化肥配施后，微生物與酶的代謝活動加強，導致過氧化氫酶活性也隨之增加[26?28]。

3.2 菌渣化肥配施對土壤蔗糖酶活性的影響

蔗糖酶是參與土壤碳循環的重要酶類之一[21]。程曼等[26]研究認為：長期不同秸稈還田能提高土壤蔗糖酶活性。也有研究表明：長期施肥能夠提高土壤蔗糖酶活性[29]。本研究發現：在化肥施用C0、C50和菌渣施用 F0、F50水平下，隨著菌渣和化肥施用量的增加，除了分蘗盛期之外，其他時期土壤蔗糖酶活性增加。這說明與單施化肥或菌渣相比，中等量菌渣化肥配施處理的蔗糖酶活性效果好。主要是因為菌渣作為土壤中碳庫，為蔗糖酶提供了更多的酶促基質，菌渣還田使稻田土壤有機質和養分含量顯著增加，并且菌渣中含有大量有機碳，刺激了微生物活性。在化肥施用C100和菌渣施用F100的水平下，隨著菌渣化肥施用量的增加，土壤中蔗糖酶活性也在增加，并在不同時期均表現出先增加后減少的趨勢。說明菌渣化肥配施顯著提高了土壤蔗糖酶活性，但高量菌渣化肥配施下土壤蔗糖酶活性的貢獻反而降低。一方面是因為菌渣本身富含纖維素類等有機成分，致使土壤中有機質增多，從而更加有利于蔗糖酶活性的增加[30]；另一方面可能是由于高量菌渣下含有較高的養分，碳氮比較高，不適于微生物分解，限制了有機物質形成腐殖質并釋放養分[30]。單施有機肥和單施化肥均能提高土壤蔗糖酶活性。本研究發現：在水稻發育中后期，菌渣與化肥互作效應對土壤蔗糖酶活性有極顯著影響，這可能與水稻的生長需求和菌渣還田的養分釋放規律有關。

3.3 菌渣化肥配施對土壤脲酶活性的影響

脲酶是一種酰胺酶，是參與土壤氮循環的重要酶類之一[31]。李東坡等[32]研究認為：脲酶活性在作物生長的前、中期能夠明顯表明培肥方式對土壤生物活性產生的效果。本研究發現：在化肥施用C0、C50和菌渣施用 F0、F50水平下，土壤脲酶活性隨著菌渣和化肥施用量的增加而增加，但在化肥施用C100和菌渣施用F100的水平下表現出先增加后減少的趨勢。這說明菌渣化肥配施能夠顯著提高土壤脲酶活性，但高量菌渣化肥配施下土壤脲酶活性的貢獻反而降低。一方面是因為菌渣腐解可以為土壤提供豐富的有機碳，并且可以為微生物活動和酶活性的提高創造有利的條件[33]；另一方面可能是因為菌渣本身的碳氮比較高，微生物分解需要更多的化肥氮或來自土壤的礦質氮，從而在分解過程會與水稻生長過程之間產生爭氮現象。有研究表明：單施有機肥和單施化肥均能提高土壤脲酶活性，但是與單施化肥相比，有機肥與化肥相結合對土壤脲酶活性有顯著提高的作用[34?35]。本研究發現：在水稻分蘗盛期，菌渣化肥配施對土壤脲酶活性的互作效應高于蔗糖酶和過氧化氫酶。說明在3種酶中，菌渣化肥配施更有利于脲酶活性的增強，暗示菌渣化肥配施處理下，在水稻生育前期，土壤微生物對氮循環的直接影響較大。

3.4 土壤酶與土壤養分的通徑分析

通徑分析是回歸分析的拓展，是具有方向性的相關系數，能表示原因與結果(自變量與因變量)之間的關系，可以用它來估計自變量對應變量直接影響效應的大小，比較其相對重要性[36]。為了進一步研究土壤基本理化性質對土壤酶影響的數量關系，其相關系數可以分解為直接作用系數和間接作用系數，從而揭示各變量對因變量的相對作用。本研究中，菌渣化肥配施對各理化因子的間接通徑系數發現：配施對堿解氮(1.00)這條路徑影響最大。說明菌渣化肥配施主要通過提高速效氮質量分數來促進酶活性。可能因為菌渣促進了氮礦化相關酶的活性，從而加快了有機質的分解和有效氮的釋放。過氧化氫酶對各理化因子的直接通徑系數，有效磷對過氧化氫酶這條路徑影響最大(0.69)。說明有效磷通過直接效應調控土壤過氧化氫酶活性。菌渣的施入有利于耕層土壤有機質的累積，對土壤磷素有活化作用；另外，菌渣還田還增加了磷素向土壤返回的通量，且有機肥中磷的有效性高于土壤磷[37]，從而改善土壤理化性質及酶活性。蔗糖酶對各理化因子的直接通徑系數，堿解氮(1.80)對蔗糖酶這條路徑影響最大，說明堿解氮通過直接效應調控土壤蔗糖酶活性。增施菌渣特別是在水稻生長中后期能使土壤中有效氮質量分數顯著增加，隨著菌渣施入量增加，土壤供氮能力也隨之增加，但并不是越多越好，而是有機無機配施效果更好，更加有利于水稻吸收利用。脲酶對各理化因子的直接通徑系數，全氮對脲酶這條路徑影響最大(0.56)。說明全氮通過直接效應調控土壤脲酶活性。因為脲酶是參與土壤氮循環重要的酶類之一，它可將土壤有機物中碳—氮鍵水解生成氨、二氧化碳和水，其活性的提高能促進土壤中的有機氮向有效氮的轉化[38]。

4 結論

菌渣化肥配施對土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶在水稻不同生育時期有著不同的影響，提高脲酶活性的作用主要體現在水稻生長前中期，而蔗糖酶、過氧化氫酶主要體現在后期，所以在農業生態系統碳、氮循環中，菌渣化肥配施對水稻發育前中期有助于氮循環，后期有助于碳循環。

菌渣化肥配施顯著提高了土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶的活性，但高量菌渣化肥配施對土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶的貢獻反而降低。

土壤有效磷、堿解氮和全氮通過直接效應調控土壤過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶活性，菌渣化肥配施主要通過提高堿解氮質量分數促進土壤酶活性。菌渣化肥配施對脲酶的交互效應高于過氧化氫酶和蔗糖酶，所以在3種酶中，菌渣化肥配施更有利于脲酶活性的增強。

綜合來看，C100F50處理是提高土壤酶活性和碳氮循環的最佳選擇。