烟草是我国一种重要的特种经济作物,近年来随着经济的不断发展烟田对化肥的依赖性越来越大,大量化学肥料的长期施用,导致中国多数烟区土壤微生态环境恶化、土传病害加重、烟叶的产质量下降,从而影响烟区烟叶生产的可持续发展[1-2]。要想改善土壤环境,最为重要的技术措施就是减少化肥的施用、合理烟田轮作等,然而要找到能够替代化肥效果的有机肥料已经成为迫在眉睫的问题。绿肥是中国传统农业的精华,种植并翻压绿肥能够增加土壤中有机质的含量、降低土壤容重和改善土壤微生态环境,与此同时绿肥在生长的过程中能够通过养分吸收、根系分泌和细胞脱落等方式,起到调节平衡土壤养分、活化和富集土壤养分、增加土壤微生物活性等作用[3-4]。通过绿肥翻压进行土壤修复,改善土壤的生态环境、微生物区系和供肥能力,已经成为近年来各地学者研究的热点。土壤是生态系统中物质循环和能量转化过程的重要场所,土壤酶是土壤的重要组成部分,是土壤组分中最活跃的有机成分之一,土壤酶直接参与了土壤营养元素的有效化过程,在一定程度上反映了土壤养分转化的动态,是土壤肥力变化的重要指标之一[5],其活性的高低,常作为评价土壤生态环境质量的重要指标[6-10],对维持土壤生态系统的碳、氮平衡起着重要的作用[11-12]。近年来对土壤酶活性的研究已经成为土壤学界的热点[3,13-16]。而绿肥翻压以及绿肥与化肥配施在黑龙江地区的应用还鲜有研究。笔者通过对绿肥翻压量以及绿肥与化肥配施对烤烟土壤酶活性影响进行研究,旨在探究绿肥翻压量及绿肥与化肥配施对改良植烟土壤的功效,为黑龙江地区烤烟土壤质量的维护和改良提供参考依据。
试验于2016-2017年在黑龙江省牡丹江市宁安范家乡牡丹江烟草科学研究所试验基地内进行。试验田地处寒带东部,属于高纬度大陆季风气候,四季分明,气候寒冷,雨热同季。全年日照时间约2 400 h,年平均气温在6.1 ℃,无霜期130~140 d,年降水量约580 mm。土壤质地为粘壤土,土壤类型为河淤土,2016年初植烟土壤基本理化性质为:土壤pH值7.2,碳、氮、硫含量分别为13.71,1.26,0.73 g/kg,有机质含量为23.10 g/kg,碱解氮为89.55 mg/kg、速效磷为21.587 mg/kg、速效钾为165.453 mg/kg。试验地块土壤肥力均匀一致,前茬作物为烤烟。
供试绿肥为草木犀(一年生)(Melilotus officinalis L.),供试烤烟品种为当地主栽品种龙江911。本试验共设置11个处理(表1),每个处理设置3个重复,随机区组排列。绿肥于2016年6月24日进行播种,播种量37.5 kg/hm2,分别于8月3日、8月18日和9月18日翻压,翻压绿肥的前一天在施绿肥的小区内随机选取1 m2地块,将绿肥连根挖取去除泥土及杂质称质量并计算出每个小区的翻压量,绿肥翻压量分别为19 350,22 930,32 180 kg/hm2。2017年4月起垄,5月10-15日移栽烤烟。大田试验每区5垄,垄距1.1 m,株距0.5 m,行长9 m,密度18 180 株/hm2,小区面积50 m2。田间管理措施按优质特色低危害烟叶生产技术规范进行,各项农事操作及时一致,同一管理措施在同一天内完成。
表1 试验处理
Tab.1 The treatment of the experiment
处理Treatment绿肥种类Type ofgreen manure绿肥翻压时间Time to burygreen manure 施肥量FertilizationamountCK1无-常规施肥T1草木犀(一年生)8月3日常规施肥T2草木犀(一年生)8月18日常规施肥T3草木犀(一年生)9月18日常规施肥T4草木犀(一年生)8月3日减氮30%T5草木犀(一年生)8月18日减氮30%T6草木犀(一年生)9月18日减氮30%CK2无--T7草木犀(一年生)8月3日-T8草木犀(一年生)8月18日-T9草木犀(一年生)9月18日-
注:常规施肥:氮:45.0 kg/hm2、磷:58.5 kg/hm2、钾:144 kg/hm2; 减氮30%:氮:31.5 kg/hm2、磷:58.5 kg/hm2、钾:144 kg/hm2。
Note:Conventional fertilization:nitrogen:45.0 kg/ha,phosphorus:58.5 kg/ha,potassium:144 kg/ha;nitrogen reduction 30%:nitrogen:31.5 kg/ha,phosphorus:58.5 kg/ha,potassium:144 kg/ha.
取样方法:CK1、T1、T2、T3、T4、T5、T6处理分别于烤烟移栽后6,8,10月取样,CK2、T7、T8、T9处理分别于烤烟移栽前4月和烤烟移栽后6,8,10月取样,各处理取样时随机选取烟垄上2株烟正中位置(距烟株27.5 cm处,避开肥点)去除地表凋落物层,五点法采集0~20 cm土层土样,去掉土壤中可见植物根系和动植物残体,混匀风干,研磨过1 mm筛备用。
测定项目及方法:土壤脲酶活性测定采用苯酚钠-次氯酸钠比色法,磷酸酶活性测定采用磷酸苯二钠比色法,蔗糖酶活性测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法[17],过氧化氢酶活性测定采用紫外分光光度法,用20 min内每克土壤分解的H2O2的毫克数表示酶活性[18]。
测定结果采用SPSS和Excel 2003进行统计分析和作图。
土壤酶是土壤的重要组成部分,是土壤组分中最活跃的有机成分之一。土壤微生物活性与土壤酶活性密切相关,土壤酶和土壤微生物一起共同推动土壤的代谢过程[11],其活性反映了土壤中各种生物化学过程的强度和方向[19],是土壤肥力评价的重要指标之一,同时也是土壤自净能力评价的一个重要指标[11]。土壤酶的活性与土壤理化特性、肥力状况和农业措施有着显著的相关性[20],常被作为土壤质量的重要指标来研究,它在一定程度可反映土壤养分转化的动态,在土壤养分循环、能量转化以及植物生长所需养分的供给过程中起到重要作用[21]。
土壤蔗糖酶对增加土壤中易溶性、营养物质起着重要的作用,一般情况下,土壤肥力越高,蔗糖酶活性越强。草木犀翻压的各处理土壤蔗糖酶活性与对照相比均有不同程度的提高(6月T7处理除外)(图1),并且蔗糖酶活性随着草木犀翻压量的增加而增大。在烟株的整个生育期内,各个处理土壤蔗糖酶活性的动态变化都表现出相似的规律,所有处理均在6月出现峰值,说明随着绿肥腐解和养分积累,土壤熟化程度和肥力水平逐渐提高,这样有利于土壤碳的转化,此时烟株也逐渐进入旺长期有利于烟株对养分的吸收,T7、T8、T9处理在6月土壤蔗糖酶活性分别比对照(CK2)提高了-0.9%,20.3%,48.4%。T9处理除了4月与T8处理差异不显著外,其他生育期内均显著高于其他处理(P<0.05),与对照相比,T7、T8、T9处理在不同的生育期内土壤蔗糖酶酶活性提高幅度分别为-0.9%~14.9%,11.8%~30.2%,36.3%~48.4%。由图2 可以看出,除了6月T4处理略低于对照(CK1)外,草木犀翻压与化肥配施的其他各处理土壤蔗糖酶活性与对照相比均有不同程度的提高。从不同翻压时间来看,草木犀+常规施肥和草木犀+减氮30%施肥的所有处理土壤蔗糖酶活性均在6月最高,并且均显著高于对照(除了6月的T4外),与对照相比,T1、T2、T3、T5、T6在6月土壤蔗糖酶活性分别提高了15.9%,16.5%,51.9%,8.6%,27.0%。草木犀+常规施肥的处理中,T3处理在烟株的不同生育期内土壤蔗糖酶活性均显著高于其他处理,T1、T2处理土壤蔗糖酶活性在6月比较接近,与对照相比,T3处理在不同的生育期内土壤蔗糖酶活性提高幅度为45.0%~51.9%,T1、T2处理提高幅度分别为15.9%~28.9%,16.5%~35.4%。草木犀+减氮30%的处理中,T6处理土壤蔗糖酶活性在烟株生长不同的月份均显著高于其他处理(P<0.05),与对照(CK1)相比,T6处理土壤蔗糖酶活性在不同的月份提高幅度为25.9%~32.4%,T4、T5处理提高幅度分别为-4.2%~16.8%,8.6%~16.1%。从草木犀与化肥配比上来看,除了在10月T1处理略低于T4外(不显著,P>0.05),其他月份土壤蔗糖酶活性均表现为T1>T4、T2>T5、T3>T6,即草木犀+常规施肥大于草木犀+减氮30%。图1,2表明草木犀翻压后,无论是否配施化肥,均提高了土壤蔗糖酶活性,提高了土壤熟化程度和土壤肥力。
同月份不同柱上的小写字母表示处理间差异达 5%显著水平,图2-8同。
Values followed different columns letters in a same month are significant
difference among treatments at the 5% level,the same as Fig.2-8.
图1 草木犀翻压对烤烟土壤蔗糖酶活性的影响
Fig.1 Effect of Melilotus officinalis L. burying on the
activity of soil sucrase in flue-cured tobacco
图2 草木犀翻压与化肥配施对烤烟土壤蔗糖酶活性的影响
Fig.2 Effect of Melilotus officinalis L. burying and chemical fertilizer combined application on the activity of soil sucrase in flue-cured tobacco
由图3可以看出,草木犀翻压的各个处理土壤脲酶活性在不同生育期内均显著高于对照(P<0.05),这说明草木犀翻压能够促进土壤中氮元素的转化,与对照相比,T7、T8、T9处理在烟株的不同生育期土壤脲酶活性提高幅度分别为16.2%~62.0%,30.2%~71.7%,43.8%~91.5%。整体来看,所有处理土壤脲酶活性在烟株的整个生育期动态变化规律相似,在烟株不同的生育期内土壤脲酶活性均表现出T9>T8>T7>CK2,并且均在6月出现峰值,与对照相比T7、T8、T9在6月土壤脲酶活性分别提高了42.9%,51.4%,62.6%。草木犀+常规施肥与草木犀+减氮30%的各处理土壤脲酶活性与对照相比均有不同程度的提高(图4),从不同翻压时间上来看,草木犀+常规施肥和草木犀+减氮30%施肥的所有处理土壤脲酶活性均在6月最高,与对照相比,T1、T2、T3、T4、T5、T6在6月土壤脲酶活性分别提高了46.4%,66.4%,65.5%,43.8%,38.8%,55.6%。常规施肥的处理中,T3处理除了在6月略低于T2外其他时期均显著高于其他处理(P<0.05),与对照相比,T3处理在烟株的不同生育期土壤脲酶活性提高幅度为33.9%~65.6%,T1、T2处理提高幅度分别为7.8%~46.4%,13.5%~66.4%。草木犀+减氮30%的处理中,T6处理在烟株不同的生育期土壤脲酶活性均高于其他处理,T5在除了6月略低于T4外其他月份均高于T4处理,与对照(CK1)相比,T6处理在烟株的不同生育期土壤脲酶活性提高幅度为19.4%~55.6%,T4、T5处理提高幅度分别为11.7%~43.8%,16.9%~38.8%。从草木犀与化肥配比上来看,第1批翻压的常规施肥(T1)与减氮30%(T4)处理在6,8,10月差异均不显著(P>0.05),第2批翻压的常规施肥(T2)与减氮30% (T5)处理在8,10月差异不显著(P>0.05),第3批翻压的常规施肥的T3处理土壤酶脲酶活性在6,8,10月均显著高于(P<0.05)减氮30%的T6处理。总体来说,草木犀+常规施肥脲酶活性高于草木犀+减氮30%。图3,4总体来看,草木犀翻压后,无论是否配施化肥,均提高了土壤脲酶活性,提高了土壤供氮能力和土壤肥力,并且所有处理均在6月最高,这可能可能由于绿肥在腐解过程中为土壤微生物提供了大量的有机碳源使微生物活性增强,烟株在6月进入旺长期后对营养的吸收量急剧增加,土壤脲酶活性在这个时期达到最强能够水解出更多的有效氮来供给烟株吸收,促进了土壤中的氮元素向烟株可以直接利用的氮素形式转化,土壤中供氮能力增强,这可能是由于烟草的追肥在团棵期以前,一般是在移栽后25~30 d左右施肥的原因[17]。
图3 草木犀翻压对烤烟土壤脲酶活性的影响
Fig.3 Effect of Melilotus officinalis L. burying on the activity of soil urease activity in flue-cured tobacco
图4 草木犀翻压与化肥配施对烤烟土壤脲酶活性的影响
Fig.4 Effect of Melilotus officinalis L. burying and chemical fertilizer combined application on the activity of soil urease activity in flue-cured tobacco
绿肥翻压的各处理土壤中磷酸酶的活性与对照相比有不同程度的提高(图5),T9处理在烟株不同的生育期土壤磷酸酶活性均高于其他处理(8月除外),T7、T8处理在4,6,10月比较接近,但都高于对照(CK2)。与对照(CK2)相比,T9处理在不同的生育期(4-10月)提高幅度为36.5%~72.4%,T7、T8处理提高幅度分别为12.3%~47.0%,9.8%~85.0%。从整个生育期来看,不同处理土壤中磷酸酶活性的动态变化规律都呈现先上升后下降的趋势,并且均在6月磷酸酶活性出现峰值,随后所有处理快速下降,这可能因为烟株进入旺长期后需要大量的磷素营养来供给植株茎秆以保证烟株的正常生长有关,与对照(CK2)相比,T7、T8、T9处理6月土壤磷酸酶活性分别提高了27.7%,32.6%,49.4%。由图6可以看出,草木犀+常规施肥与草木犀+减氮30%的各处理土壤磷酸酶活性均高于对照。从不同翻压时间上来看,草木犀+常规施肥和草木犀+减氮施肥的各处理磷酸酶活性在烟株生育期的动态变化规律大致相似,均在6月土壤磷酸酶活性达到最高,随后又快速下降,与对照相比,T1、T2、T3、T4、T5、T6处理在6月土壤磷酸酶活性分别提高了37.8%,46.9%,66.8%,4.4%,20.9%,32.1%。草木犀+常规施肥的各处理中在不同的生育期内均表现出T3>T2>T1>CK1,与对照相比,T1、T2、T3处理在不同的生育期内土壤磷酸酶活性提高幅度分别为30.9%~43.8%,46.9%~90.0%,61.1%~131.3%。草木犀+减氮30%的处理中所有月份表现为T6>T5>T4>CK1,与对照相比,T4、T5、T6处理在不同的生育期内土壤磷酸酶活性提高幅度分别为4.4%~60.3%,20.9%~90.6%,32.1%~116.9%。从草木犀与化肥配比上来看,6月同一批翻压时间处理下的常规施肥的处理(T1、T2、T3)土壤磷酸酶活性显著高于减氮30%的处理(T4、T5、T6),但是8,10月常规施肥的处理与减氮30%的处理差异均不显著(P>0.05)。由图5,6综合来看,无论草木犀是否配施化肥均能够提高土壤中磷酸酶的活性,由此可以看出,绿肥能够将自身所携带的磷素进行循环再利用以改善土壤中磷素营养从而降低土壤对磷的吸收,此外绿肥不仅能够通过将无机磷转化成有机磷来提高磷肥的利用效率,而且还可以通过还原、酸溶、络合融解作用,促使解磷微生物的增值等过程将土壤中难以利用的磷转化成可利用的有机磷[22-23]。
图5 草木犀翻压对烤烟土壤磷酸酶活性的影响
Fig.5 Effect of Melilotus officinalis L. burying on the activity of soil acid phosphatase activity in flue-cured tobacco
图6 草木犀翻压与化肥配施对烤烟土壤磷酸酶活性的影响
Fig.6 Effect of Melilotus officinalis L. burying and chemical fertilizer combined application on the activity of soil acid phosphatase activity in flue-cured tobacco
由图7可以看出,绿肥翻压的各处理(T7、T8、T9)土壤中过氧化氢酶活性均显著(P<0.05)高于对照CK2,这说明绿肥翻压后加速了土壤有机质的转化。所有处理在整个烟株生育期内土壤过氧化氢酶活性的动态变化呈现相似的规律,并且除了6月T8略低于T7外, 在不同的生育期各处理土壤过氧化氢酶活性均表现为T9>T8>T7>CK2,与对照相比,T7、T8、T9处理在不同的生育期土壤过氧化氢酶活性提高幅度分别为8.3%~34.1%,13.4%~46.8%,18.5%~51.6%。所有处理均在8月出现峰值,T7、T8、T9在8月分别比对照提高了8.3%,16.4%,24.4%,这是由于烟株在采收前干物质积累达到最大,烟株对养分的吸收量也达到最大的阶段[17]。由图8来看,绿肥+常规施肥与绿肥+减氮30%的各处理土壤过氧化氢酶活性与对照相比均有不同程度的提高。从不同翻压时间上来看,绿肥+常规施肥与绿肥+减氮30%的各处理土壤过氧化氢酶活性在烟株的不同生育期内的动态变化规律相似,均在8月出现峰值,与对照相比,T1、T2、T3、T4、T5、T6处理在8月土壤过氧化氢酶活性分别提高了8.4%,23.8%,33.6%,5.5%,10.0%,19.0%。草木犀+常规施肥的处理中,T3处理除了在10月与T2无显著差异外(P>0.05),其他月份均显著高于其他处理(P<0.05),与对照(CK1)相比,T3处理在不同的生育期土壤过氧化氢酶活性提高幅度为27.0%~56.3%,T1、T2的提高幅度分别为5.3%~36.8%,14.8%~53.8%。草木犀+减氮30%的处理中,T6处理除了在6月略低于T5外其他月份均高于其他处理,与对照相比,T4、T5、T6处理在烤烟不同的生育期土壤过氧化氢酶的活性提高幅度分别为4.6%~38.1%,10.0%~38.0%,16.0%~44.8%。从草木犀与化肥配比来看,第1批翻压的常规施肥处理(T1)与减氮30%(T4)处理相比在6,8,10月差异均不显著,第2批翻压的常规施肥处理(T2)与减氮30%的处理(T5)相比除了在6月差异不显著外(P<0.05),在8,10月土壤过氧化氢酶均表现最为T2显著高于T5,第3批翻压的常规施肥处理(T3)土壤过氧化氢酶活性在6,8,10月均显著高于减氮30%的处理(T6)。由图7,8综合来看,无论草木犀是否配施化肥均能够提高土壤中过氧化氢酶的活性,从而解除烤烟生长的过程中土壤中积累大量的过氧化氢等有毒物质,这说明过氧化氢酶活性与烟株的生长密切相关。
图7 草木犀翻压对烤烟土壤过氧化氢酶活性的影响
Fig.7 Effect of Melilotus officinalis L. burying on the activity of soil catalase activity in flue-cured tobacco
图8 草木犀翻压与化肥配施对烤烟土壤过氧化氢酶活性的影响
Fig.8 Effect of Melilotus officinalis L. burying and chemical fertilizer combined application on the activity of soil catalase activity in flue-cured tobacco
前人有研究指出,向茶园内施用不同种类的有机肥[24],不同种类翻压绿肥[15],施用饼肥[25]等施肥措施均能够提高土壤酶活性。本研究结果显示,翻压绿肥能够显著提高土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶的活性,这与张黎明等[15]研究的不同种类绿肥翻压的结果一致,说明草木犀翻压后不仅能够用增强土壤酶活性,提高土壤中各种生物化学过程的强度和土壤肥力[18],在一定程度上提升土壤质量和土壤自净能力[11]。而且本研究结果还显示,土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶的活性均随着草木犀翻压量增加而增大,这与李正等[9]的研究结果一致。绿肥翻压量不同,翻压后腐解和养分释放特征也存在一定差异[26],与不施化肥的对照(CK2)相比,草木犀第3批(9月18日,生物量为32 180 kg/hm2)翻压,蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢活性提高幅度分别为36.3%~48.4%,43.8%~91.5%,36.5%~72.4%,18.5%~51.6%;草木犀第2批(8月18日,生物量为22 930 kg/hm2)翻压,蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢活性提高幅度分别为11.8%~30.2%,30.2%~71.7%,9.8%~85.0%,13.4%~46.8%;草木犀第1批(8月3日,生物量为19 350 kg/hm2)翻压,蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢活性提高幅度分别为-0.9%~14.9%,16.2%~62.0%,12.3%~47.0%,8.3%~34.1%,说明草木犀翻压后,能够显著提高土壤生物学活性强度、土壤熟化程度和土壤肥力。
草木犀与化肥配施,与常规施肥的对照(CK1)相比,草木犀第3批翻压,常规施肥的处理蔗糖酶活性、脲酶活性、磷酸酶活性、过氧化氢酶活分别增幅分别为:45.0%~51.9%,33.9%~65.6%,61.1%~131.3%,27.0%~56.3%。减氮30%施肥的处理蔗糖酶活性、脲酶活性、磷酸酶活性、过氧化氢酶活分别增幅分别为:25.9%~32.4%,19.4%~55.6%,32.1%~116.9%,16.0%~44.8%。草木犀第2批翻压,常规施肥的处理蔗糖酶活性、脲酶活性、磷酸酶活性、过氧化氢酶活分别增幅分别为:16.5%~35.4%,13.5%~66.4%,46.9%~90.0%,14.8%~53.8%。减氮30%施肥的处理蔗糖酶活性、脲酶活性、磷酸酶活性、过氧化氢酶活分别增幅分别为:8.6%~16.1%,16.9%~38.8%,20.9%~90.6%,10.0%~38.0%。草木犀第一批翻压,常规施肥的处理蔗糖酶活性、脲酶活性、磷酸酶活性、过氧化氢酶活分别增幅分别为:15.9%~28.9%,7.8%~46.4%,30.9%~43.8%,5.3%~36.8%。减氮30%施肥的处理蔗糖酶活性、脲酶活性、磷酸酶活性、过氧化氢酶活分别增幅分别为:-4.2%~16.8%,11.7%~43.8%,4.4%~60.3%,4.6%~38.1%。从差异显著性分析结果看,第3批翻压绿肥+常规施肥的处理土壤酶活性的提升效果好于绿肥+减氮30%的处理,第1批和第2批翻压的绿肥+常规施肥与绿肥+减氮30%的处理土壤酶活性多数差异不显著,脲酶和磷酸酶表现尤为突出。分析其主要原因可能是,草木犀是一种优质的有机肥料,翻压时间较晚生物量较大,第2年烤烟生长过程中仍有较多的绿肥未腐解,绿肥腐解后会释放到土壤中较多的碳,较多的碳需要一定的氮来维持土壤中正常的C/N比,改善土壤的物理性能和微生态环境,从而促进土壤酶活性的提高。绿肥翻压时间较早生物量较小,第2年腐解后需要较少的N就可以维持一个合适的C/N比,因为,不同的碳氮比导致不同的矿化和腐殖化效率的差异,这些差异直接影响土壤中某些有效态的元素含量的高低,特别是大量元素如氮、磷、钾等。当碳氮比大于 25∶1 时,有机物料矿化与植株争氮,造成植株的生长缺氮有直接关系[27],有机物料的 C/N直接影响其矿化程度,进而影响土壤中的不同有效元素的含量[28]。由此推测,绿肥+常规施肥与绿肥+减氮30%施肥的处理差异不显著。
不同土壤酶活性烤烟生育期内的动态变化规律并不一致,土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性均在烟株需肥较大的旺长期(6月)出现峰值,过氧化氢酶活性在烟叶采收前(8月)达到峰值,而李正等[9]认为,绿肥翻压后蔗糖酶活性在移栽60 d后逐渐升高。
总体来看,不管是只翻压草木犀还是草木犀与化肥配施均能够显著提高土壤酶活性,第3批翻压土壤酶活性增加最大。与化肥配比的处理中,常规施肥土壤酶活性好于减氮30% ,且第1批翻压和第2批翻压的减氮30%的处理到烟株生长的后期与常规施肥的处理差异不显著。草木犀同一翻压时期的不同翻压以及草木犀翻压量与化肥的最优化配比是多少,有待今后进行进一步的研究。
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