施肥方式對連作甘薯田土壤團聚體穩定性及酶活性的影響

李敏 劉亞軍 王文靜 胡啟國 王紅剛 儲鳳麗

摘要：研究施肥措施對連作甘薯田土壤團聚體穩定性及酶活性變化的影響，為豫東地區連作甘薯田有機肥的合理施入提供理論依據。試驗設不施肥（CK）、單施化肥（SF）、單施生物有機肥（SBF）、單施緩控釋肥（SSF）、50%緩控釋肥50%生物有機肥（SF50BF50）、50%化肥配施50%生物有機肥（F50BF50）6個處理，測定了不同施肥處理土壤團聚體組成、穩定性、容重、孔隙度、全土酶活性以及團聚體酶活性等指標。結果表明，與CK相比，化肥、緩控釋肥與生物有機肥配施能夠提高＞2 mm、＞1～2 mm粒級團聚體質量分數和團聚體GMD、MWD和R＞0.25值，降低D值；能夠提高土壤孔隙度，降低土壤容重。其中，F50BF50處理土壤容重顯著降低6.71%，SF50BF50、F50BF50處理土壤孔隙度分別顯著提高7.08%、10.27%；能夠提高全土以及團聚體酶活性和＞2 mm、＞1～2 mm粒級團聚體脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶活性貢獻率。其中，F50BF50處理全土脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性分別顯著提高13.58%、16.90%、16.82%，SF50BF50 處理全土堿性磷酸酶活性顯著提高10.71%；相關性分析結果顯示，土壤酶活性變化與土壤結構及團聚體穩定性變化緊密相連。綜上所述，化肥、緩控釋肥與生物有機肥配施能夠改善土壤結構和團聚體組成，提升團聚體穩定性，提高團聚體酶活性及貢獻率。其中，50%化肥配施50%生物有機肥處理表現較好。

關鍵詞：施肥；團聚體；容重；孔隙度；酶活性

中圖分類號：S531.06；S152.3? 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）13-0252-09

甘薯是我國重要的糧食作物，因具有產量高、易栽活、營養豐富等特點，在我國具有較大的種植面積［1-2］。近年來，隨著甘薯產業升級以及能源作物的開發利用，甘薯需求量逐年遞增［3-4］。而受耕地面積、輪作倒茬時間限制，廣大種植戶在保障甘薯產量的前提下，常年連作種植以及大量施用化肥，造成甘薯根際土壤結構改變，養分及酶活性降低，菌群失衡等問題［5-8］。且隨著施肥時間的延長，連作甘薯田產量下降，品質降低，病蟲害頻發，嚴重影響了甘薯產值及產業健康發展［9-10］。因此，改善連作甘薯田土壤結構，提高土壤生物學活性等問題迫在眉睫。

土壤團聚體是由較小土壤顆粒膠結而成的粒狀或塊狀結構體，是土壤結構的基本單元，也是土壤養分的儲存庫和微生物活動的重要場所，其含量的變化能夠直接影響土壤物理結構以及養分供應能力［11］。土壤酶是農田土壤的重要組成部分，能夠參與土壤中大多數復雜的生物化學過程，是指示土壤肥力和生物學特性的重要指標［12］。有研究表明，無機肥與有機肥配施能夠改變土壤結構，提高土壤酶活性［13-15］。甘雅芬等研究表明，化肥減量與紫云英還田能夠改善土壤團聚體粒徑分布，促進較大團聚體形成，提高土壤團聚體穩定性［16］；聶鑫等研究表明，化肥減量20%配施紫云英30 000 kg/hm2還田能夠顯著促進土壤中>1～2 mm、0.5～1 mm粒級團聚體形成，提高土壤團聚體穩定性，但隨著紫云英還田量增加，＞2 mm粒級團聚體比例及團聚體穩定性降低［17］；張帥等研究表明，與單施化肥或生物炭相比，化肥減量配施生物炭能夠顯著提高 ＞2 mm、>0.25～2 mm、0.053～0.25 mm粒徑團聚體相關碳轉化酶活性，降低>0.25～2 mm、0.053～0.25 mm 粒徑團聚體微生物熵［18］；李委濤等研究表明，化肥與有機肥配施能夠顯著提高土壤團聚體平均當量直徑，增加土壤酶活性，改善土壤團聚體粒徑結構，提高土壤生產力土壤［19］。

緩控釋肥能夠根據作物需肥特性調控施肥，具有肥效長、肥效高等優點，能夠實現簡化施肥，省時省力［20］。生物有機肥含有豐富的營養物質和功能菌群，施入土壤中能夠改善微生態環境，促進微生物繁殖，提高土壤微生物活性［21］。當前，緩控釋肥、生物有機肥在玉米、水稻方面的研究有很多，在甘薯方面的研究相對較少，而關于化肥、緩控釋肥與生物有機肥配施對甘薯田土壤團聚體酶活性影響方面的研究更是未見報道［22-24］。因此，本研究通過化肥、緩控釋肥減量與生物有機肥配施，探究連作甘薯田土壤團聚體粒徑分布、穩定性、容重、孔隙度、酶活性及團聚體酶活性貢獻率的變化規律，找到適宜的施肥模式，旨在為豫東地區連作甘薯田有機肥的合理施入提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2020—2022年在河南省商丘市梁園區雙八鎮朱莊村（116°37′ E，39°93′ N）進行。試驗區域屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均溫度 14.2? ℃，年均降水量675 mm，其中約80%降水量集中在6—9月，無霜期212 d，年日照時數 2 200 h。供試土壤為黃潮土黏土質，基礎土壤（0～20 cm）理化性質：含全氮0.92 g/kg、全磷0.65 g/kg、速效鉀123.37 mg/kg、堿解氮54.69 mg/kg、速效磷 37.68 mg/kg、有機質11.26 g/kg，pH值為 8.02。試驗地塊平整，便于排灌，常年小麥—甘薯輪作種植。

1.2 供試材料

供試品種：商薯18（商丘市農林科學院生物研究所）；商麥167（商丘市農林科學院國家農作物區試站）。

供試肥料，復合肥（N、P2O5、K2O含量分別為10%、10%、20%，河南億豐年生物科技有限公司）；緩控釋肥（N、P2O5、K2O含量分別為18%、9%、18%，湖北金峰農業科技有限公司）；生物有機肥（芽孢桿菌≥0.5億CFU/g，黃腐酸含量≥12%，有機質含量≥40%，山東泉林嘉有機肥料有限責任公司）。

1.3 試驗設計

試驗地種植制度常年冬季種植小麥，夏季種植甘薯。小麥季施肥不做特殊處理，按照當地種植習慣進行，甘薯季采用不同施肥措施處理。試驗設不施肥（CK）、單施化肥（SF）、單施生物有機肥（SBF）、單施緩控釋肥（SSF）、50%緩控釋肥50%生物有機肥（SF50BF50）、50%化肥配施50%生物有機肥（F50BF50）6個處理，各處理重復3次，共18個小區，隨機區組排列。小區面積為56 m2，甘薯株行距為0.28 m×0.8 m，走道0.8 m，保護行3.0 m。單施化肥、緩控釋肥、生物有機肥用量分別為750、750、1 200 kg/hm2。不同施肥處理肥料均作為基肥在旋耕起壟前一次性施入，生育期內不進行追肥。小麥秸稈、甘薯地上部植株均通過粉粹機直接還田。其他田間種植、管理措施按照本地習慣進行，不做特殊處理。小麥生育期10月20日至翌年6月8日，甘薯生育期6月15日至10月15日。

1.4 樣品采集與項目測定

樣品采集與處理。于2022年甘薯收獲前1周通過螺旋土鉆利用五點取樣法采集0～30 cm土壤樣品，混勻后帶回實驗室。撿出根系、碎石等雜物后，將土壤樣品分成2個部分，一部分攤開自然風干，用于全土酶活性指標的測定；另一部分沿其土壤結構輕輕剝開，盡量避免土塊因外力發生形變，自然風干后用于土壤團聚體組成、團聚體酶活性等指標的測定。在用土鉆采集樣品的同時，利用環刀在每個小區內采集0～20 cm環刀樣品1份，用于土壤容重、孔隙度指標的測定。

測試項目與方法。土壤脲酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶活性分別采用苯酚鈉比色法、高錳酸鉀滴定法、磷酸苯二鈉比色法和3，5-二硝基水楊酸比色法［25］測定。土壤容重、孔隙度均采用環刀法［26］測定。土壤團聚體組成采取干篩法測定［27］。然后分別測定粒徑>2 mm、>1～2 mm、>0.25～1 mm、0.053～0.25 mm 和<0.053 mm團聚體質量，用于土壤團聚體穩定性指標計算。土壤團聚體穩定性及酶活性貢獻率計算公式［28-29］如下：

GMD=exp∑ni=1milnXi∑ni=1mi；

D=3-lgW（δ＜Xi）WtlgXiXmax；

MWD=∑ni=1Xi·Wi；

R>0.25=mt>0.25/mt；

團聚體貢獻率=（某粒級團聚體酶活性×某粒級團聚體質量分數）/全土酶活性×100%。

式中：MWD為團聚體平均質量直徑；D為分形維數；GMD為幾何平均直徑；R＞0.25為粒徑 >0.25 mm 團聚體質量分數；mi為i粒徑團聚體質量；Xi為i粒徑團聚體平均直徑；Xmax為最大粒徑團聚體平均直徑；Wi為i粒徑團聚體質量占比；W（δ

1.5 數據處理與分析

采用Excel 2018進行原始數據整理與計算，采用SPSS 19.0進行方差分析與相關性分析。其中，不同處理間差異顯著性采用新復極差法進行檢驗（α=0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤團聚體粒徑分布特征的影響

由表1可知，連續3年不同施肥處理條件下土壤各粒級團聚體質量分數表現出明顯差異。與CK相比，SBF、SF50BF50、F50BF50處理＞2 mm粒級團聚體質量分數分別顯著提高11.95%、8.36%、15.21%，SF、SSF處理無顯著性變化。其中，不同施肥處理間F50BF50處理最大，顯著高于SF、SSF、SF50BF50處理；SBF、SSF、SF50BF50、F50BF50處理＞1～2 mm 粒級團聚體質量分數較CK分別顯著提高15.61%、8.89%、9.49%、13.74%，SF處理無顯著性變化。其中，不同施肥處理間SBF處理最大，顯著高于SF、SSF、SF50BF50處理；SBF、SSF、SF50BF50、F50BF50處理＞1～2 mm粒級團聚體質量分數較CK分別顯著降低6.24%、5.95%、12.64%、11.89%，SF處理無顯著性變化。其中，SF50BF50、F50BF50處理顯著低于其他施肥處理。與CK相比，不同施肥處理0.053～0.25 mm粒級團聚體質量分數顯著降低13.72%～20.42%。其中，F50BF50處理最小，顯著低于SF、SBF處理。SBF、F50BF50處理0.053 mm粒級團聚體質量分數較CK分別顯著降低28.48%、21.68%，其他施肥處理均無顯著性變化。

2.2 不同施肥處理對土壤團聚體穩定性的影響

不同施肥處理土壤團聚體穩定性變化見表2。與CK相比，其他施肥處理土壤團聚體幾何平均直徑（GMD）、平均質量直徑（MWD）、＞0.25 mm粒級團聚體質量分數（R＞0.25）均不同程度提高，分形維數（D）均降低。其中，F50BF50處理GMD值最大，較CK、SF、SSF處理分別顯著提高10.48%、7.87%、7.03%，與其他處理相比無顯著性差異。SBF處理GMD值次之，但也均顯著高于CK、SF、SSF處理。SBF處理MWD值、R＞0.25值均最大，較CK、SF、SSF處理分別顯著提高11.89%、7.81%、5.61%和8.60%、6.25%、6.08%，與F50BF50處理相比均無顯著性差異。與CK相比，不同施肥處理D值均降低，但均無顯著性差異，不同施肥處理間也均無顯著性差異。

2.3 不同施肥處理對土壤容重與孔隙度的影響

不同施肥處理土壤容重與孔隙度變化見圖1。與CK相比，不同施肥處理土壤容重降低，孔隙度增加。其中，SBF、F50BF50處理土壤容重較CK分別顯著降低5.37%、6.71%，其他施肥處理土壤容重均無顯著性變化。不同施肥處理間F50BF50處理土壤容重最低，較SSF處理顯著降低5.44%，與其他處理相比均無顯著性差異。SBF、SF50BF50、F50BF50處理土壤孔隙度較CK分別顯著提高9.37%、7.08%、10.27%，SF、SSF處理土壤孔隙度無顯著性變化。不同施肥處理間F50BF50處理土壤孔隙度最大，較其他施肥處理增加0.82%～7.71%，顯著高于SF、SSF處理。

2.4 不同施肥處理對全土酶活性的影響

不同施肥處理土壤全土酶活性變化見圖2。與CK相比，SBF、SF50BF50、F50BF50處理土壤脲酶活性分別顯著提高9.88%、7.41%、13.58%，SF、SFF處理無顯著性變化。其中，F50BF50處理脲酶活性最高，較其他施肥處理提高5.75%～10.84%，顯著高于除SBF處理外的其他施肥處理。與CK相比，SF、SF50BF50、F50BF50處理土壤堿性磷酸酶活性分別顯著提高5.36%、10.71%、9.82%，SF、SBF處理無顯著性變化。其中，SF50BF50處理堿性磷酸酶活性最高，但與F50BF50處理相比無顯著性差異。不同施肥處理土壤過氧化氫酶、蔗糖酶活性較CK分別顯著提高6.90%～16.90%、5.42%～16.82%。其中，F50BF50處理過氧化氫酶、蔗糖酶活性均最高，過氧化氫酶活性較SF、SBF、SSF處理分別顯著提高6.96%、9.03%、8.33%，蔗糖酶活性較SF、SSF、SF50BF50 處理分別顯著提高10.81%、6.40%、8.97%。SF50BF50處理過氧化氫酶與SBF處理蔗糖酶活性次之，與F50BF50處理相比均無顯著性差異。

2.5 不同施肥處理對土壤團聚體酶活性的影響

不同施肥處理各粒級團聚體酶活性變化見圖3。與CK相比，不同施肥處理各粒級團聚體脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性均有所提高。其中，F50BF50處理＞2 mm、＞1～2 mm、＞0.25～1 mm、＜0.053 mm粒級團聚體脲酶活性最高，較CK分別顯著提高16.05%、13.68%、16.09%、22.67%，顯著高于SF、SBF、SSF處理；SF50BF50處理活性次之，除＜0.053 mm粒級活性顯著低于 F50BF50 處理外，其他粒級均無顯著性差異。SF50BF50 處理0.053～0.25 mm粒級團聚體脲酶活性最高，較CK顯著提高14.10%，顯著高于除 F50BF50 處理外的其他處理，F50BF50處理活性次之。

圖3中F50BF50處理＞2 mm、＞1～2 mm、＞0.25～1 mm、＜0.053 mm粒級團聚體堿性磷酸酶活性最高，較CK分別顯著提高14.15%、26.36%、14.05%、20.20%；＞2 mm、＞1～2 mm粒級活性顯著高于SF、SBF、SSF處理，＞0.25～1 mm、＜0.053 mm粒級活性顯著高于其他處理；SF50BF50處理＞2 mm、＞1～2 mm、＜0.053 mm粒級和SBF處理＞0.25～1 mm粒級活性次之。SF50BF50處理0.053～0.25 mm粒級團聚體堿性磷酸酶活性最高，較CK顯著提高9.17%，顯著高于SF、SSF處理，F50BF50 處理活性次之。

圖3中F50BF50處理＞1～2 mm、＞0.25～1 mm、0.053～0.25 mm粒級團聚體過氧化氫酶活性最高，較CK分別顯著提高16.85%、19.02%、21.99%，顯著高于SF、SBF、SSF處理；SF50BF50 處理活性次之。SF50BF50處理＞2 mm、＜0.053 mm 粒級過氧化氫酶活性最高，較CK分別顯著提高21.58%、13.53%，顯著高于SF、SBF、SSF處理，F50BF50 處理活性次之。

圖3中F50BF50處理＞2 mm、＞1～2 mm粒級團聚體蔗糖酶活性均最高，較CK分別顯著提高21.41%、16.81%。＞2 mm粒級活性顯著高于SF、SBF、SSF處理，＞1～2 mm粒級活性顯著高于SF、SSF、SF50BF50處理；SF50BF50處理＞2 mm粒級與 SBF＞1～2 mm粒級活性次之。SBF處理＞0.25～1 mm、0.053～0.25 mm、＜0.053 mm粒級蔗糖酶活性最高，較CK分別顯著提高15.76%、10.51%、12.07%，顯著高于SF、SBF、SSF處理，F50BF50 處理蔗糖酶活性次之。

2.6 不同施肥措施條件下土壤各粒級團聚體對酶活性的貢獻率變化

不同施肥處理土壤各粒級團聚體對土壤酶活性貢獻率的變化見圖4。與CK相比，不同施肥處理＞2 mm、＞1～2 mm粒級團聚體對各種酶活性的貢獻率均有所提高，0.053～0.25 mm粒級團聚體對各種酶活性的貢獻率以及＞0.25～1 mm、＜0.053 mm 粒級團聚體對過氧化氫酶、蔗糖酶活性的貢獻率均有所降低，＞0.25～1 mm、＜0.053 mm粒級團聚體對脲酶、堿性磷酸酶活性的貢獻率表現出不同的變化。其中，SF50BF50處理＞2 mm與＞1～2 mm 粒級團聚體對脲酶、蔗糖酶活性的貢獻率最高，較CK分別顯著提高18.39%、22.10%與18.96%、14.98%；F50BF50處理＞2 mm粒級團聚體對堿性磷酸酶的貢獻率最高，較CK分別顯著提高19.77%、19.48%，除SF50BF50處理＞1～2 mm粒級團聚體對堿性磷酸酶活性的貢獻率顯著低于F50BF50處理外，其他SF50BF50處理指標與F50BF50處理均無顯著性差異。而SF50BF50、F50BF50處理 ＞0.25～1 mm、0.053～0.25 mm、＜0.053 mm粒級團聚體對各種酶活性的貢獻率較CK均有所降低。整體來看，＞2 mm粒級團聚體對脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性的貢獻率最高，可達30.15%～40.63%；其次為＞1～2 mm粒級團聚體，達到20.96%～30.51%；0.053～0.25 mm粒級團聚體酶活性貢獻率最低，僅為9.14%～12.23%。

2.7 土壤酶活性與土壤結構指標及團聚體穩定性的相關性分析

不同施肥處理條件下土壤酶活性與土壤結構指標及團聚體穩定性的相關性分析見表3。脲酶、蔗糖酶與孔隙度、團聚體穩定性GMD值、MWD值、R＞0.25值呈極顯著正相關（P<0.01），與容重、D值呈極顯著負相關（P<0.01）；堿性磷酸酶與孔隙度、GMD值、MWD值、R＞0.25值呈正相關，與容重、D值呈負相關；過氧化氫酶與孔隙度、GMD值、MWD值、R＞0.25值呈正相關，與容重、D值呈顯著負相關（P<0.05）。由此可見，土壤酶活性變化與土壤結構及團聚體穩定性變化緊密相連，說明不同施肥措施可以通過改善土壤物理結構， 提升團聚體穩定性來促進土壤相關酶活性的提高。

3 討論與結論

3.1 施肥措施對土壤團聚體、容重及孔隙度的影響

土壤團聚體粒徑分布變化不僅能夠調控土壤養分供應，還能夠改變土壤結構與組成［30］。長期施肥對土壤團聚體組成及穩定性具有一定的影響，有研究表明，長期施用有機肥能夠促進土壤大粒徑團聚體形成［31］。但也有研究表明，外源有機物的攝入對土壤團聚體組成的影響并不顯著，甚至能夠導致土壤團聚體穩定性降低［32］。本研究結果表明，化肥、緩控釋肥配施生物有機肥或單施生物有機肥能夠提高土壤＞2 mm、＞1～2 mm粒級團聚體質量分數以及團聚體GMD、MWD和R＞0.25值，降低D值；能提高土壤孔隙度，降低土壤容重。這與李銳等的研究［33］較為一致。分析其原因可能是外源有機物的攝入能夠為土壤較小顆粒的團聚提供較多的膠結物質，且外源有機物的攝入能夠為土壤根際微生物的活動提供較多的碳源，進而增強其代謝活性產生較多的代謝膠結產物，促使大粒徑團聚體形成，提高土壤團聚體穩定性和土壤孔隙度，降低土壤容重，從而改善土壤結構［34-35］。而不同生物有機肥處理間的差異可能是由外源有機物的攝入量引起，也可能是無機肥與有機肥配施前期更宜滿足作物根系吸收利用，從而促進養分轉化與分解，產生更多的膠結物質，進而有利于大顆粒團聚體形成［36］。

3.2 施肥措施對土壤團聚體酶活性及貢獻率的影響

土壤酶活性受田間耕作方式、施肥措施影響較大，有研究表明，施肥措施能夠顯著影響農田土壤酶活性變化［37-39］。本研究結果表明，與對照不施肥處理相比，各施肥處理均能夠提高土壤全土酶和團聚體脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性。其中，生物有機肥處理明顯高于化肥或緩控釋肥單施處理。分析其原因可能是外源有機物的攝入，為土壤微生物生命代謝活動提供豐富的營養物質和益生菌，且有機物的攝入有利于提高土壤孔隙度，降低土壤容重，能夠改善土壤微生態環境，提高微生物代謝水平，促進根系對土壤養分的吸收與利用，從而提高土壤酶活性以及團聚體酶活性［40］。本研究中，與對照不施肥或單施化肥/生物有機肥/緩控施肥處理相比，化肥、緩控釋肥與生物有機肥配施能夠提高＞2 mm、＞1～2 mm粒級團聚體脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶活性貢獻率。分析其原因可能是較大粒級團聚體含有較多的有機碳，為酶促反應提供更多的載體，使得大粒級團聚體的酶促反應效率高于小粒級團聚體［19］。土壤不同粒級團聚體酶活性的差異，表明團聚體粒級對土壤酶活性的貢獻率與其組分有較大關系。而不同施肥處理條件下土壤酶活性與土壤容重、孔隙度及團聚體穩定性的相關分析表明，土壤酶活性的變化與土壤物理結構及團聚體穩定性密切相關。說明合理施肥措施能夠通過改善土壤物理結構與團聚體組成，提升團聚體穩定性來促進土壤酶活性的提高。

經過3年定位試驗發現，與對照不施肥處理相比，化肥、緩控釋肥與生物有機肥配施能夠提高 ＞2 mm、＞1～2 mm粒級團聚體質量分數和團聚體GMD、MWD和R＞0.25值，降低D值；能夠提高土壤孔隙度，降低土壤容重；能夠提高全土酶以及團聚體酶活性和＞2 mm、＞1～2 mm粒級團聚體脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶活性貢獻率。綜合土壤團聚體、容重、孔隙度及酶活性方面結果，50%化肥配施50%生物有機肥處理整體表現優于50%緩控釋肥配施50%生物有機肥處理。

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