鄧少虹，林明月，李伏生＊，蘇以榮，劉坤平

（1.廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣西 南寧530005；2.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410125；3.中國(guó)科學(xué)院環(huán)江喀斯特農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站，廣西 環(huán)江547100）

活性有機(jī)碳是占土壤有機(jī)碳比例較小而周轉(zhuǎn)速率較快的部分，是有機(jī)碳的重要組成部分。這部分有機(jī)碳是土壤有機(jī)碳中對(duì)環(huán)境變化最敏感，可以指示土壤有機(jī)質(zhì)的早期變化，但并不能為土壤所真正固定［1］。Lefroy等［2］將能夠被0.333mol/L KMnO4氧化的有機(jī)碳稱(chēng)為活性有機(jī)碳，并首次提出碳庫(kù)管理指數(shù)（CPMI）的概念，用以表征土壤管理措施引起土壤有機(jī)碳變化。CPMI因結(jié)合了土壤碳庫(kù)指標(biāo)和土壤碳庫(kù)活度指標(biāo)，既反映外界管理措施對(duì)土壤有機(jī)碳總量的影響，也反映了土壤有機(jī)碳組分的變化情況。土壤酶作為土壤組分中最活躍的有機(jī)成分之一，不僅可以表征土壤物質(zhì)能量代謝旺盛程度，而且可以作為評(píng)價(jià)土壤肥力高低、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣的一個(gè)重要生物指標(biāo)［3］。目前有關(guān)不同農(nóng)藝措施下水稻（Oryzasativa）、玉米（Zeamays）、小麥（Triticumaestivum）、大豆（Glycinemax）等作物產(chǎn)量、土壤酶活性及碳庫(kù)管理指數(shù)變化方面的研究較多，但關(guān)于不同施肥條件對(duì)喀斯特地區(qū)牧草種植地土壤酶活性和活性有機(jī)碳的影響報(bào)道較少［4－9］。

喀斯特地區(qū)土壤土層淺薄，生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤有機(jī)碳易受土地利用變化、耕作、施肥等活動(dòng)的影響［10－11］。前人研究表明，不同植被類(lèi)型之間光合產(chǎn)物的分配模式相差較大，草原植被光合作用所同化的有機(jī)產(chǎn)物中的92%以上分布在地下，而森林植被光合產(chǎn)物分配到地下部分的比例較低，在相同氣候條件下，草地土壤有機(jī)碳約為森林土壤有機(jī)碳的2倍［12］。正是基于此，提出了在喀斯特峰叢洼地發(fā)展“替代性草食畜牧業(yè)”這一既可增加農(nóng)民收入、又有利于土壤有機(jī)碳積累的模式。據(jù)調(diào)查，在桂西北喀斯特地區(qū)發(fā)展牧草種植過(guò)程中，農(nóng)民多注重施用氮肥，輕磷鉀肥，導(dǎo)致牧草生態(tài)系統(tǒng)難以維持土壤養(yǎng)分及有機(jī)碳平衡。為了解施肥對(duì)土壤有機(jī)碳積累及平衡的影響，本文以牧草種植地為研究對(duì)象，比較不同施肥條件下土壤活性有機(jī)碳含量、碳庫(kù)管理指數(shù)和土壤酶活性的變化，以期為喀斯特地區(qū)牧草科學(xué)施肥及農(nóng)田固碳減排提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2011年3－10月在廣西環(huán)江縣扶貧辦養(yǎng)牛場(chǎng)進(jìn)行。試驗(yàn)土壤為紅色石灰土，其pH為4.65，有機(jī)質(zhì)28.87g/kg，全氮1.15g/kg，全磷 0.29g/kg，全鉀 5.45g/kg，堿解氮96.78mg/kg，有效磷（Olsen法）21.8 mg/kg，速效鉀35.9mg/kg。

供試牧草品種為桂牧一號(hào)（Pennisetumpurpureumcv.Guimu No.1），屬多年生禾本科牧草，它是由雜交狼尾草［美國(guó)狼尾草（Pennisetumamericanum）×象草（P.purpureum）］和矮象草（P.purpureum）進(jìn)行雜交育成的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的飼草。針對(duì)當(dāng)?shù)厥┓薁顩r，設(shè)計(jì)了7個(gè)處理，包括CK（不施肥）、N1（N：390kg/hm2）、N2（N：572 kg/hm2）、N1P（P2O5：240kg/hm2）、N2P、N1PK（K2O：360kg/hm2）和 N2PK，每個(gè)處理重復(fù)3次，共21個(gè)小區(qū)。小區(qū)面積為18m2（3m×6m），隨機(jī)區(qū)組排列。供試肥料為硝酸銨鈣（含N 26%）、鈣鎂磷肥（含P2O516%），氯化鉀（含K2O 60%）。磷肥全部作基肥，氮肥40%作基肥，60%于第1次和第2次牧草刈割采樣后分別追施30%，鉀肥33%作基肥、67%于第1次和第2次牧草刈割后分別追施34%和33%。田間管理同一般大田生產(chǎn)。

1.2 土壤采樣與分析

2011年3月施基肥，分別于2011年6月9日、7月28日和9月28日進(jìn)行3次刈割，每個(gè)小區(qū)均收獲全部牧草地上部。3次刈割后，采集0～20cm土層土樣，每個(gè)小區(qū)采集5個(gè)樣點(diǎn)，混勻，將采集的新鮮土樣分成兩份。一份風(fēng)干磨碎過(guò)篩，測(cè)定總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳含量。另一份立即處理或保存于4℃冰箱中，測(cè)定前除去土樣中可見(jiàn)植物殘?bào)w及土壤動(dòng)物，過(guò)2mm孔徑篩，混勻，調(diào)節(jié)土壤濕度至飽和持水量的40%左右，用于測(cè)定土壤酶活性。淀粉酶活性的測(cè)定采用3，5－二硝基水楊酸比色法，活性單位為：mg麥芽糖/（g·24h），用U1表示［13］。蔗糖酶活性的測(cè)定采用3，5－二硝基水楊酸比色法，活性單位為：mg葡萄糖/（g·24h），用U2表示［13］。脲酶活性的測(cè)定采用苯酚－次氯酸鈉比色法，活性單位為：mg NH4＋－N/g，用 U3表示［14］。

土壤有機(jī)碳（SOC）用重鉻酸鉀容量法－外加熱法測(cè)定。

活性有機(jī)碳（LOC）采用KMnO4（333mmol/L）氧化法測(cè)定［15］。為考慮施肥對(duì)土壤有機(jī)碳的影響，本試驗(yàn)將不施肥處理土壤作為參照土壤。碳庫(kù)指數(shù)及碳庫(kù)管理指數(shù)等相關(guān)指標(biāo)參照徐明崗等［16］的方法計(jì)算，計(jì)算公式如下：

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS 16.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥對(duì)土壤活性有機(jī)碳及碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

表1結(jié)果表明，與不施肥（CK）相比，單施氮（N）肥可提高土壤有機(jī)碳（SOC）含量3.82%～6.77%，而N1和N2間SOC含量差異不顯著。在施氮肥基礎(chǔ)上，增施磷（P）肥反而降低SOC含量2.54%～4.20%；在施氮磷肥基礎(chǔ)上，增施鉀（K）肥提高SOC含量7.26%～18.10%，且N1PK和N2PK之間的差異顯著。上述結(jié)果表明，并不是所有施肥處理均能提高SOC含量，而氮、磷、鉀肥配合施用則顯著提高SOC含量。

從表1可見(jiàn)，與CK相比，施肥處理顯著提高土壤活性有機(jī)碳（LOC）含量，以N2PK處理提高最為明顯，達(dá)到695.6%，而N1和N2處理間LOC含量差異不顯著；在施氮肥基礎(chǔ)上，增施磷肥明顯增加土壤LOC含量，且N1P和N2P處理之間的差異顯著；在施N2P肥基礎(chǔ)上，增施鉀肥明顯增加土壤LOC含量，且N1PK和N2PK處理間LOC含量的差異顯著。碳庫(kù)指數(shù)（CPI）變化與SOC的基本一致，表現(xiàn)為N2PK＞N1PK＞N2＞N1＞CK＞N1P＞N2P。碳庫(kù)活度（A）、碳庫(kù)活度指數(shù)（AI）以及碳庫(kù)管理指數(shù)（CPMI）的表現(xiàn)與LOC有著相似的規(guī)律，均表現(xiàn)為N2PK＞N1P＞N1PK＞N2P＞N2＞N1＞CK。N1、N2、N1P，N2P、N1PK和N2PK的CPMI較CK分別增加4.44，5.07，7.74，6.08，6.32和12.77倍。施肥顯著提高 CPMI，在施 N2基礎(chǔ)上，增施磷肥顯著提高土壤 CPMI，且N1P和N2P處理間CPMI的差異顯著；在施N1P基礎(chǔ)上，增施鉀肥提高CPMI，但差異不顯著，而施N2P基礎(chǔ)上，增施鉀肥提高CPMI，且N1PK和N2PK處理之間的差異顯著?？梢?jiàn)，施肥能夠提高土壤碳庫(kù)管理指數(shù)，增加土壤活性有機(jī)碳含量，從而提高土壤肥力。

表1 不同施肥處理下土壤有機(jī)碳、活性有機(jī)碳及碳庫(kù)管理指數(shù)Table 1 Soil organic carbon，labile organic carbon content and carbon pool management index under different fertilization treatments

2.2 施肥對(duì)土壤酶活性的影響

不同施肥處理對(duì)不同土壤酶活性的影響不一致。從圖1可以看出，與CK相比，低N（N1）條件下土壤淀粉酶活性顯著提高，其中N1、N1P和N1PK處理土壤淀粉酶活性分別提高8.65%，10.70%和13.80%；N2P土壤淀粉酶活性顯著降低（17.94%），而N2和N2PK處理對(duì)土壤淀粉酶活性的影響不明顯。

圖1 不同施肥處理下土壤淀粉酶活性Fig.1 The activity of soil amylase under different fertilization treatments

從圖2可以看出，與CK相比，各施肥處理降低土壤蔗糖酶活性2.55%～26.97%，除N2處理外，均達(dá)到顯著水平。在施N2基礎(chǔ)上，增施磷肥顯著降低土壤蔗糖酶活性，且N1P和N2P之間差異顯著；在施N2P基礎(chǔ)上，增施K肥土壤蔗糖酶活性有所提高，但N1PK和N2PK之間的差異顯著。

由圖3可知，與CK相比，各施肥處理顯著提高土壤脲酶活性（87.67%～169.03%），以 N2P處理提高幅度最大。單施氮肥顯著提高脲酶活性，但N1和N2之間的差異不顯著。在低氮（N1）基礎(chǔ)上，增施磷肥顯著降低土壤脲酶活性，在高氮（N2）基礎(chǔ)上，增施磷肥顯著提高土壤脲酶活性，且N1P和N2P之間的差異顯著；在施氮磷肥基礎(chǔ)上，增施鉀肥土壤脲酶活性增加幅度不大，但N1PK和N2PK之間的差異顯著。

圖2 不同施肥處理下土壤蔗糖酶活性Fig.2 The activity of soil invertase under different fertilization treatments

圖3 不同施肥處理下土壤脲酶活性Fig.3 The activity of soil urease under different fertilization treatments

2.3 土壤活性有機(jī)碳、碳庫(kù)管理指數(shù)與土壤酶相關(guān)性

由表2可見(jiàn)，土壤活性有機(jī)碳和CPMI與土壤脲酶活性之間呈極顯著或顯著相關(guān)，土壤有機(jī)碳與LOC和CPMI之間呈顯著相關(guān)，但是與各種酶活性間的相關(guān)性不明顯。CPMI與蔗糖酶和脲酶活性之間呈顯著相關(guān)。淀粉酶與蔗糖酶活性之間呈顯著相關(guān)，此結(jié)果與Ross［17］的研究一致。

表2 土壤活性有機(jī)碳、碳庫(kù)管理指數(shù)與酶活性相關(guān)性系數(shù)（n＝21）Table 2 Correlation coefficient among labile organic matter，carbon pool management index and enzyme activity of soils

3 討論

土壤有機(jī)碳（SOC）主要分布于土壤1m土層深度以?xún)?nèi)，包括植物、動(dòng)物及微生物遺體、排泄物、分泌物及其部分分解產(chǎn)物和土壤腐殖質(zhì)，是進(jìn)入土壤的植物殘?bào)w量以及在土壤微生物作用下分解損失的平衡結(jié)果［18］。單施有機(jī)肥或者有機(jī)肥與化肥配施，都是直接向土壤中輸入外源有機(jī)質(zhì)，能夠顯著提高SOC含量。本研究中，與不施肥對(duì)照相比，氮磷鉀配合施用顯著提高土壤有機(jī)碳含量；因?yàn)榈租浄逝浜鲜┯糜欣谕寥浪傩р浀难a(bǔ)充，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，增加作物殘茬返還和根系分泌物，即增加有機(jī)質(zhì)的輸入，從而提高土壤有機(jī)碳含量［19］；單施氮肥對(duì)土壤有機(jī)碳含量沒(méi)有顯著增加作用，胡誠(chéng)等［20］的研究有類(lèi)似結(jié)果；NP處理甚至還會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量下降。這是因?yàn)橥寥烙墒規(guī)r發(fā)育而來(lái)，土壤鉀含量低，另外由于雨熱同期，土壤養(yǎng)分易被淋溶損失，加重了土壤缺鉀［21］，而鉀是作物生長(zhǎng)必需的大量元素之一，這就導(dǎo)致了不施鉀肥處理牧草生長(zhǎng)不佳，無(wú)法向土壤輸入更多的有機(jī)碳。這表明施肥對(duì)SOC的影響比較復(fù)雜，是作物生長(zhǎng)、土壤礦化條件、土壤性質(zhì)等多種因素綜合的效果。本研究表明，施肥能夠提高土壤活性有機(jī)碳和碳庫(kù)管理指數(shù)，且以N2PK處理提高幅度最大，達(dá)12.77倍，這與前人研究結(jié)果一致［22］。說(shuō)明施肥在提高土壤活性有機(jī)碳和碳庫(kù)管理指數(shù)上有著重要作用，其中以高氮配合磷鉀效果最佳。

土壤淀粉酶來(lái)自植物根系和微生物，能夠?qū)⑼寥乐械牡矸鬯獬蓛煞N還原糖，糊精和麥芽糖，加速有機(jī)殘?bào)w的分解，是參與自然界碳循環(huán)的一種重要的酶。土壤淀粉酶廣泛存在于土壤中，其活性大小表征有機(jī)碳代謝的快慢。施蓉等［23］的研究顯示，單施氮磷肥和氮磷鉀肥配施根際、非根際土壤淀粉酶活性提高。而本研究中，低氮肥處理顯著提高淀粉酶活性，高氮肥處理對(duì)淀粉酶活性促進(jìn)作用不明顯。這可能是因?yàn)槭┤脒m量氮肥為牧草根系生長(zhǎng)提供養(yǎng)分，根系分泌物增加，加快了微生物的繁殖，而根際微生物通過(guò)吸收土壤中的養(yǎng)分，從而有利于土壤淀粉酶活性的提高［24］；而加入較多的無(wú)機(jī)氮改變土壤碳氮比，抑制了土壤微生物的繁殖，不利于土壤淀粉酶活性的提高，并且磷肥也不利于土壤淀粉酶活性的提高，且高氮條件磷的抑制效果大于低氮條件。

蔗糖酶又稱(chēng)土壤轉(zhuǎn)化酶，是有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中重要的水解酶之一，其產(chǎn)物也是土壤微生物的重要能源，對(duì)增加土壤中易溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)起著重要作用［25］。蔗糖酶可使不能直接被植物吸收的蔗糖分解成葡萄糖和果糖，活性大小可以間接的表征土壤中有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化情況［26］。蔗糖酶主要來(lái)源于根系分泌物，當(dāng)根系生物量尤其是細(xì)根生物量大幅增加時(shí)，會(huì)使根系分泌的蔗糖酶增加，土壤酶活性提高［27］。曾艷等［28］對(duì)桑園土壤酶活性的研究表明，施用氮肥有利于增加蔗糖酶活性，且其活性增幅隨著施氮量的增加而增加。張逸飛等［29］研究了長(zhǎng)期施肥處理對(duì)紅壤性水稻土酶活性的影響，結(jié)果表明，配合施用氮、磷、鉀肥能夠增強(qiáng)土壤蔗糖酶活性。本研究NPK處理土壤蔗糖酶下降，而不施肥處理土壤蔗糖酶活性較高，這與上述研究結(jié)果不同，原因不清楚，有待進(jìn)一步研究。

脲酶是專(zhuān)一性的尿素水解酶，能催化土壤中的尿素分解形成氨、水和二氧化碳，提高氮肥利用率并促進(jìn)土壤氮素循環(huán)，其活性可表示土壤氮素供應(yīng)狀況［30］。裴海昆［31］對(duì)天然草地的研究表明，施氮肥后土壤脲酶活性受到抑制，并且在施氮肥37.5g/m2時(shí)，抑制性最強(qiáng)，較低濃度的氮、磷肥混施，促進(jìn)脲酶活性，較高濃度的氮、磷肥混施，抑制脲酶活性。魏猛等［32］研究也表明，與不施肥相比，施用氮、磷肥抑制土壤脲酶活性，且高量氮、磷處理的抑制效應(yīng)大于低量氮、磷處理。本研究結(jié)果與前人不同，施用氮肥顯著提高脲酶活性，尤其是單施氮肥。在低氮基礎(chǔ)上增施磷肥或者磷鉀肥降低土壤脲酶活性，而在高氮基礎(chǔ)上增施磷肥提高脲酶活性，但是增施磷鉀肥則降低脲酶活性，這方面的原因不太清楚，有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

氮磷鉀肥配合施用能夠提高牧草種植土壤有機(jī)碳含量，而氮磷肥配施會(huì)導(dǎo)致牧草種植土壤有機(jī)碳的損失。各施肥處理均可以提高土壤活性有機(jī)碳和碳庫(kù)管理指數(shù)，以氮磷鉀肥配施提高土壤活性有機(jī)碳的作用更為顯著。

不同施肥條件下，不同土壤酶活性表現(xiàn)并不一致。施肥降低土壤蔗糖酶活性，單施氮肥和高氮磷肥配施提高土壤脲酶活性，而低氮磷肥配施降低脲酶活性。

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