不同培肥措施对宅基地土壤化学性质、酶、微生物特性的影响

不同培肥措施对宅基地土壤化学性质、酶、微生物特性的影响

随着社会主义新农村建设的推进，农村经济的快速发展和人民生活条件的不断改善，大量废弃和闲置的原有住房导致了巨大的土地利用浪费。据统计,截至2006年底,陕西省农村宅基地约52万hm2,占全省建设用地总面积的64.4%。目前我国的耕地面积日益萎缩,且在用世界7%土地养活世界21%人口的情况下,如果耕地面积继续下滑,后果将不堪设想。为切实保护耕地,按照集约用地和城乡统筹发展的土地利用方针,推进农村宅基地复垦已成当务之急。宅基地存在土壤板结、通气性差及掺杂大量灰土、砖杂质等不利于作物生长的因素。因此,有必要对废弃的宅基地进行快速培育,使之成为新的农田,以缓解耕地紧张的局面。目前对复垦技术的研究比较深入,基本已形成了一定的技术体系和评价方法,但这些研究主要集中在矿区土壤复垦技术和复垦后土壤理化性质、酶及微生物群落等方面,鲜见关于宅基地复垦措施的报道及从生物学角度对复垦效益的评价。为此,本试验研究不同培肥措施对复垦宅基地土壤酶和微生物的影响,从生物学角度探索废弃宅基土壤的快速培育技术,旨在为农村闲置废弃宅基地的复垦、利用、开发提供示范作用和理论依据。1材料和方法1.1适应半湿润地域性气候试验区位于黄土高原的长武县洪家镇王东村。该地海拔1200m,属暖温带半湿润大陆性季风气候,年均气温9.1℃,年降水584mm,无霜期171d,为典型的旱作农业区;试区土壤为中壤质,形成于黄土母质上(堆垫干润均腐土,Cumuli-UsticIsohumosols)。1.2玉米肥的种植与除草试验布置在农户废弃近10年的宅基地上,2009-03布置小区,随机区组排列,重复2次,小区面积60m2(15m×4m),培肥方案见表1。施入小区的总氮量控制在180kg/hm2。当季种植作物为玉米,肥料全部作为底肥于播种时一次施入。作物生长季节人工除草,不使用农药。所用化肥为陕西丰达凯莱农业科技有限公司生产的“好年华”玉米专用肥(加锌),N∶P∶K为≥15%∶5%∶5%;复合肥为杨凌博迪森生物科技发展股份有限公司生产的“博帝森”有机复合肥,N∶P∶K为≥12%∶4%∶4%,有机质≥20%;菌肥为陕西阳光高科技事业有限公司生产的“可利丰”复合微生物肥料,其中有效活菌数≥2.0×108g-1、杂菌率≤15%,含水率为20%～35%,pH为6.0～7.5。1.3土壤酶活性测定肥料均以底肥施入土壤,然后于2009-05播种玉米,于玉米收获后(10月)采集土样。去除0～5cm表层土壤,采集5～20cm土层土样,混匀,风干,过孔径1mm筛后备用。用常规方法测定土壤理化性质。土壤转化酶(Invertase,INA)活性采用3,5-二硝基水杨酸法测定,土壤酶脲酶(Urease,URE)活性采用靛酚蓝法测定,土壤磷酸酶(Phosphatase,PHA)活性采用磷酸苯二钠法测定,土壤脱氢酶(Dehydrogenase,DHA)活性采用TTC法测定,土壤芳基硫酸酯酶(Arylslphatase,ARS)活性采用硝基酚硫酸酯法测定,土壤过氧化氢酶(Catalase,CAT)活性和土壤呼吸强度(Respirationintensity,RE)用高锰酸钾和盐酸滴定法测定。各土壤酶活性分别以每g干土每h生成葡萄糖、麦芽糖、葡萄糖、NH2-N、NH3-N、酚、三苯基甲替、对硝基苯酚的量及消耗0.02mol/L高锰酸钾的体积表示。土壤呼吸强度用每g干土每24h生成CO2的量表示。1.4tei计算土壤酶总体活性指标(Totalenzymaticactivityindex,TEI)计算:TEI=∑Xi/X¯¯¯ΤEΙ=∑Xi/X¯,其中Xi为供试样品第i种酶活性的实测值,X¯¯¯X¯为同种酶活性的平均值。采用EXCEL和DPS7.05软件对试验数据进行相关系数和多重比较等计算。2结果与分析2.1不同施肥处理对宅基地n、p、k含量影响土壤化学性质是土壤肥力的重要指标之一。由表2可知,有机肥、有机肥+菌肥处理宅基地土壤的有机质含量分别较试验前增加了25.22%和25.27%,且差异均达到了极显著水平,同时也极显著高于其他施肥处理。化肥、有机复合肥和有机复合肥+菌肥处理宅基地土壤的有机质含量均显著低于试验前。不同施肥处理对宅基地土壤的N、P、K含量均产生了很大影响。有机肥、有机肥+菌肥处理土壤的全氮含量均极显著高于试验前,分别是试验前的1.69和1.50倍,施用化肥和有机复合肥对土壤全氮含量的提高无明显作用;有机肥+菌肥和化肥处理显著增加了土壤全磷含量,对照处理土壤的全磷含量与试验前相比显著减少,而其他施肥处理土壤的全磷含量维持在试验前的水平;有机肥+菌肥处理显著增加了土壤碱解氮含量,而施用有机肥和有机肥+菌肥处理均可极显著提高土壤速效磷含量;除有机复合肥处理外,其他培肥处理均能显著提高土壤速效钾含量,增幅为13.50%～87.78%。这与北方土壤富含钾素有关,且在作物根系和微生物的作用下,土壤缓效钾逐步转变成速效态。上述研究结果表明,如果宅基地不进行培肥处理而直接种植农作物,只会加速原有土壤养分的消耗,导致土壤更加贫瘠。2.2不同的施肥处理对废弃土地的土壤酶活性的影响2.2.1不同施肥处理对宅基地土壤芳基硫酸酯酶活性的影响表3表明,与试验前相比,有机肥处理宅基地土壤的土壤转化酶活性显著增加,施用有机肥+菌肥虽提高了土壤转化酶活性,但与试验前相比差异不显著,而化肥、有机复合肥、有机复合肥+菌肥和对照处理均极显著降低了土壤的转化酶活性。不同施肥处理土壤转化酶活性大小表现为有机肥>有机肥+菌肥>化肥>有机复合肥>CK>有机复合肥+菌肥,且各处理间差异均达到了极显著水平。表3显示,培肥方式不同时宅基地土壤的脲酶活性变化也有明显差异。有机肥和有机肥+菌肥处理土壤的脲酶活性均极显著大于试验前,分别较试验前增加了1.96和0.57倍。而化肥、有机复合肥、有机复合肥+菌肥和对照处理均极显著降低了土壤脲酶活性,其中有机复合肥处理土壤的脲酶活性最低,仅为试验前的39.71%。各施肥处理脲酶活性均呈极显著差异,其大小顺序为有机肥>有机肥+菌肥>有机复合肥+菌肥>CK>化肥>有机复合肥。由表3可见,宅基地土壤的磷酸酶活性仍以有机肥和有机肥+菌肥处理最高,且均极显著大于试验前,分别较试验前高出1.64和0.91倍。其他4个施肥处理土壤的磷酸酶活性均显著低于试验前,且这4个处理间差异不显著。芳基硫酸酯酶能促进土壤有机硫的矿化,在硫素的转化、循环中具有重要的作用,是反映土壤质量的一个重要生物学指标。表3表明,与试验前相比,除有机复合肥+菌肥处理外,对照和其余施肥处理均能极显著增加宅基地土壤的芳基硫酸酯酶活性,其中以有机肥、有机肥+菌肥处理的增幅最大,分别为试验前的2.23和2.06倍。不同施肥处理间芳基硫酸酯酶的活性大小依次表现为有机肥>有机肥+菌肥>CK>复合肥>化肥>复合肥+菌肥。以上研究表明,施用有机肥能明显增强宅基地土壤中与C、N、P循环有关的水解酶活性,施用化肥、有机复合肥反而使其活性有所降低,这与前人的研究结论相同。与试验前相比,除有机复合肥+菌肥处理外,其余施肥处理宅基地土壤的芳基硫酸酯酶活性均有升高。已有研究表明,在农田中施用化肥、有机肥或秸秆还田,均能增强芳基硫酸酯酶活性。2.2.2不同因素对水解酶的影响过氧化氢酶作为土壤中的氧化还原酶类,在有机质氧化和腐殖质形成过程中发挥着重要作用。不同培肥措施对过氧化氢酶活性的影响与其对水解酶的影响有很大差别。表3表明,与试验前相比,培肥能提高宅基地土壤的过氧化氢酶活性,但差异不显著,说明短期内的培肥措施对土壤过氧化氢酶的影响不明显。不同施肥处理土壤脱氢酶活性变化与水解酶类似,施用有机肥、化肥和单施有机复合肥均可以显著增加宅基地土壤的脱氢酶活性,不施肥或施用有机复合肥+菌肥对脱氢酶活性影响不大。2.3呼吸能力分析土壤呼吸强度是土壤碳库变化的主要途径之一,是表征土壤质量变化的有效指标。同时,土壤呼吸能力也是衡量土壤微生物总体活性的重要指标。表3表明,各施肥处理对宅基地土壤呼吸强度的影响并不相同。经过培肥后,单施有机肥可以极显著提高复垦土壤的呼吸强度,有机肥+菌肥和化肥处理土壤呼吸强度变化不大,而施用复合肥和不施肥则显著降低了土壤呼吸强度。2.4不同处理对土壤真菌数量的影响由表4可知,与试验前相比,所有施肥处理均未显著提高宅基地土壤中的细菌数量,且各处理间差异也不明显。所有施肥处理中,以化肥处理土壤的真菌数量最多,且极显著高于其他处理;有机肥、有机肥+菌肥处理土壤的真菌数量极显著高于对照和有机复合肥、有机复合肥+菌肥处理,但与试验前相比无显著差异;而对照、有机复合肥和有机复合肥+菌肥处理均显著降低了土壤真菌的数量。不同培肥措施对土壤放线菌数量影响较大,施用有机肥和有机复合肥均显著提高了土壤的放线菌数量,其中有机肥和有机肥+菌肥处理土壤的放线菌数量大量增加,与试验前及其他施肥处理间的差异均达到了极显著水平,而施用化肥和不施肥处理对土壤放线菌数量影响不明显。2.5有关土壤酶、微生物和化学性质的恢复分析2.5.1其他指标间的相关性土壤酶及微生物间的相关分析结果(表5)表明,除转化酶与脲酶、芳基硫酸酯酶与脱氢酶没有达到显著相关外,转化酶、脲酶、磷酸酶、芳基硫酸酯酶、脱氢酶、呼吸强度间均呈显著或极显著正相关。细菌总数仅与磷酸酶、放线菌总数呈显著正相关;放线菌总数与转化酶、脲酶、磷酸酶、芳基硫酸酯酶和呼吸强度间分别呈显著或极显著正相关;过氧化氢酶、真菌总数与其他指标间均没有很好的相关性。表明土壤酶较易受到细菌和放线菌的直接影响,且不同土壤酶之间具有很好的相关性,说明土壤酶共同促进土壤中C、N、P等物质的循环。2.5.2各微生物数量与理化指标的关系土壤酶、微生物数量与土壤理化性质之间存在着十分密切的关系。表6表明,土壤转化酶、脲酶、磷酸酶、芳基硫酸酯酶、呼吸强度和放线菌数量与有机质、全氮、速效磷、速效钾含量之间呈显著或极显著正相关;磷酸酶和放线菌数量与碱解氮含量间分别呈显著、极显著正相关;脱氢酶只与全氮、速效磷间到达显著正相关;细菌数量仅与有机质、碱解氮含量呈显著正相关关系;土壤转化酶、脲酶、磷酸酶、芳基硫酸酯酶、脱氢酶及呼吸强度与pH之间呈现显著或极显著负相关。而过氧化氢酶和真菌数量与土壤化学性质间均无很好的相关性。2.6不同施肥方案对土壤酶活性的影响土壤酶作为土壤生态系统的主要组成部分之一,在土壤营养物质转化、肥力水平培育、污染物清除等方面发挥着重要作用,但是凭借单一的土壤酶活性指标评价土壤肥力尚较为片面。为此,可以利用总体酶活性指标(TEI)定量指示不同培肥措施对供试土壤总体酶活性影响的大小,从而反推各培肥措施的优劣。经计算可知,试验前及处理1～6供试宅基地土壤的TEI分别为6.71,5.27,5.71,5.24,5.04,11.90,9.12,对各处理土壤的TEI值进行排序,依次表现为有机肥>有机肥+菌肥>化肥>CK>有机复合肥>有机复合肥+菌肥。由表7可见,TEI除与全磷、碱解氮、过氧化氢酶、细菌和真菌总数的相关性不显著外,与其他指标之间呈显著或极显著相关。由前面分析可知,不同施肥措施下,各种土壤酶活性大小顺序并不一致,因此很难从生物学角度去筛选施肥制度的优劣。而TEI不仅与绝大部分生物指标间有很好的相关性,并且与土壤化学指标也很好地相关,故可以用TEI较为全面地评判外界条件对土壤生化过程的影响。由TEI值大小可知,在进行1年的培肥后,有机肥+菌肥和单施有机肥能够提高土壤酶活性;而施用化肥、有机复合肥或者不施肥,均会对土壤酶活性产生副作用。表明添加有机肥可作为废弃宅基地复垦的有效培肥措施,该措施能够改善土壤养分状况,提高土壤生化活性。3不同处理对宅基地土壤生化活性和肥力学活性的影响本研究结果表明,经过1年的培肥后,施用有机肥+菌肥或单施有机肥均能够增加宅基地复垦土壤的养分含量,土壤有机质、全氮、速效磷、速效钾含量均有显著增加;而施用有机复合肥、化肥处理对上述各项指标的影响较小。参考黄土高原土壤养分丰缺指标可以看出,采用不同施肥措施对宅基地土壤进行复垦后,土壤的有机质含量仍处于中低水平(6～10g/kg),只有有机肥配施菌肥以及单施有机肥处理土壤的有机质含量达到了中等水平(10～12g/kg);在本研究的所有施肥处理条件下,宅基地土壤的全氮含量均处于中等(0.5～0.75g/kg)及以上水平;土壤速效磷与速效钾的含量也较高,但这也可能北方地区土壤一般富钾有关。因此,在宅基地土壤快速培育过程中,要注重土壤有机质的提高,应以施用粪肥为主,施氮磷钾肥为辅。本研究中,与化肥、有机复合肥处理相比,有机肥和有机肥+菌肥处理可以增强宅基地复垦土壤的转化酶、脲酶、磷酸酶、芳基硫酸酯酶、脱氢酶活性;有机复合肥+菌肥处理对土壤水解酶影响不大,说明在土壤较为贫瘠的条件下,菌肥与腐殖质肥料一起施用在较短时间内很难发挥出菌肥的作用和功能;过氧化氢酶对不同施肥制度反应不敏感,佐证了和文祥等的结论。土壤转化酶、脲酶、磷酸酶、芳基硫酸酯酶、脱氢酶及呼吸强度与大多数理化性质均达到显著或极显著相关,说明此5种酶活性和土壤呼吸强度在一定程度上可作为土壤的肥力指标。本研究发现,宅基地土壤经过一轮培肥后,只有放线菌的数量有所提高,而细菌和真菌数量变化不大。所有施肥处理中,有机肥+菌肥处理土壤的细菌和放线