蚯蚓糞與化肥配施對西瓜地土壤活性有機碳及酶活性的影響

王明友, 張 紅， 李士平， 薛玉劍

(德州學院 生態與園林建筑學院, 山東 德州 253023)

蚯蚓糞與化肥配施對西瓜地土壤活性有機碳及酶活性的影響

王明友, 張 紅， 李士平， 薛玉劍

(德州學院 生態與園林建筑學院, 山東 德州 253023)

摘要：[目的] 探討蚯蚓糞與化肥配施對西瓜種植的作用，為土壤培肥制度的建立及西瓜生產提供參考。 [方法] 以“黑彤K-8”為試材，通過大田試驗研究了N100(尿素提供100%的氮)、M10N90(蚯蚓糞和尿素分別提供10%和90%的氮)、M30N70(蚯蚓糞和尿素分別提供30%和70%的氮)和M50N50(蚯蚓糞和尿素各提供50%的氮)等不同處理對土壤活性有機碳、碳庫管理指數(CPMI)、酶活性和西瓜產量的影響。 [結果] 同N100處理相比，配施蚯蚓糞處理的高活性、中活性和活性有機碳含量均明顯升高；M30N70處理的活性有機碳含量和CPMI顯著高于其他處理，比N100處理分別高出30.10%和37.28%；同時，脲酶和蔗糖酶活性亦明顯高于其它處理，其中蔗糖酶活性分別較CK， N100， M10N90和M50N50處理提高84.66%，62.33%，47.26%和22.46%。此外，M30N70處理的西瓜產量和肥料生產率最高，它可使西瓜產量分別比N100，M10N90和M50N50處理高出26.49%，13.34%，6.27%；M30N70處理的肥料生產率分別比N100，M10N90和M50N50處理高出166.50%，54.11%，21.37%。相關分析結果表明，運用土壤活性有機碳和碳庫管理指數表征土壤酶活性、西瓜產量及肥料生產率的變化，比土壤總有機碳更具靈敏性。 [結論] 蚯蚓糞與化肥配施對西瓜生長具有顯著的促進生長效果，其中3∶7比例配施的效果優于1∶9和5∶5比例。

關鍵詞：西瓜; 蚯蚓糞; 活性有機碳; 碳庫管理指數; 酶活性; 肥料生產率

土壤有機碳是土壤的重要組成部分，它影響土壤的物理、化學及生物性質，在土壤肥力和植物營養中具有多方面的重要作用[1]。但土壤有機碳的數量只是一個礦化分解和合成的平衡結果，不能很好地反映轉化速率和土壤有機碳質量的變化，而活性有機碳與土壤有效養分、土壤的物理性狀、耕作措施等具有更密切的關系，因而成為評價土壤質量及土壤管理的一個重要指標[2-3]。目前，國內外關于活性有機碳的劃分做了大量的研究，較有代表性的有Logninow等[4]提出KMnO4氧化法,根據有機碳被3種不同濃度的KMnO4(33,167,333 mmol/L)氧化的數量，將易氧化有機碳分成高活性有機碳、中活性有機碳、活性有機碳3個程度不同的級別。1995年Blair等[5]采用KMnO4氧化法測定了活性有機碳，并提出土壤碳庫管理指數(CPMI)。CPMI是土壤管理措施引起土壤有機碳變化的指標，能夠系統、敏感地監測土壤碳的變化，反映農作措施使土壤質量下降或更新的程度[6]。土壤酶活性作為衡量土壤質量變化的預警和敏感指標，表征了土壤的綜合肥力特征及土壤養分轉化進程，它反映了土壤中各種生物化學過程的強度和方向[7]。土壤活性有機碳和土壤酶活性這兩個表征土壤質量和土壤肥力的重要指標，可用來了解或預測某些營養物質的轉化情況以及土壤肥力的演變趨勢。

蚯蚓糞具有良好的團粒結構，疏松適度，酸堿度中性，且有保水保肥性能；同時其礦質養分豐富，有機質含量多，含有多種利于植物生長的酶、腐殖質和植物激素類物質。中國從20世紀80年代開始興起蚯蚓養殖業，北京、河北、寧夏等地區都建有不同規模的蚯蚓養殖場，蚯蚓糞年產量達數1.0×105t[8]。前人關于蚯蚓糞進行了大量的研究，并取得了顯著的成效，但主要集中在黃瓜、花卉等作物上[9-10]，而關于蚯蚓糞在西瓜方面的研究報道較少，尤其是關于蚯蚓糞與化肥配施對西瓜地土壤活性有機碳、土壤酶活性以及它們之間的相關性分析的研究尚屬空白。為此，本研究選用經蚯蚓吞食牛糞后產生的蚓糞為供試原料，探討蚯蚓糞與化肥以不同比例配施對土壤活性有機碳、碳庫管理指數、土壤酶活性和西瓜產量的影響，并對它們之間的相關性進行了分析，旨在為土壤培肥制度的建立及西瓜生產提供參考。

1材料與方法

1.1　試驗地點與供試材料

試驗地點設在德州市運河經濟開發區蘆莊村九龍灣生態園，供試土壤為輕壤土，土壤速效氮、磷和鉀的含量分別為92.07，35.18，105.49 mg/kg，有機質含量為14.89 g/kg。供試蚯蚓糞為蚯蚓吞食牛糞后的產物，全量N，P，K含量分別為1.68%，1.29%和0.95%，有機碳含量為196.35 g/kg，活性有機碳含量為105.72 g/kg；所用化肥為尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)和硫酸鉀(含K2O 50%)。西瓜品種為“黑彤K-8”，拱棚栽培，密度為7 500株/hm2。

1.2　試驗設計

西瓜種子經過40 d的育苗后，在2013年3月28日移栽到拱棚里，隨機區組設計，設5個處理：CK，不施肥；N100，100%的氮由尿素提供；M10N90，10%的氮由蚯蚓糞提供，90%的氮由尿素提供；M30N70，30%的氮由蚯蚓糞提供，70%的氮由尿素提供；M50N50，50%的氮由蚯蚓糞提供，50%的氮由尿素提供。每個處理重復3次，每小區面積為3.8×12=45.6 m2，共計15個小區。除CK外，各處理均為等養分量，N，P和K含量相當于315，75和240 kg /hm2，各處理P和K不足部分分別用過磷酸鈣、硫酸鉀補足。各處理的肥料均在移苗前一次性施入土壤。

1.3　測定項目與方法

2013年6月2日(收獲期)，在各小區按S形選取6點，用土鉆法取0—20 cm土層土樣，混合均勻后帶回實驗室，風干過0.25 mm篩后測定土壤有機碳等指標，過1 mm篩后測定土壤酶活性。同時，每區選擇有代表性的15棵計算產量和肥料生產率。

土壤總有機碳和土壤酶的測定：土壤總有機碳采用重鉻酸鉀氧化外加熱法；過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法；中性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法；脲酶采用靛酚藍比色法；蔗糖酶采用3，5—二硝基水楊酸比色法[11]。

土壤活性有機碳測定及CPMI計算：采用33，167，333 mmol/L KMnO4氧化法分別測定土壤樣品中高活性有機碳、中活性有機碳和活性有機碳含量。以對照處理土壤為參照。碳庫指數及CPMI等相關指標參照徐明崗等[12]的方法計算：

碳庫指數(CPI)=樣品總有機碳含量(g/kg)/參考土壤總有機碳含量(g/kg)

碳庫活度(L)=樣品中的活性有機碳(LOC)/樣品中的非活性有機碳(NLOC)

碳庫活度指數(LI)=樣品碳庫活度/參考土壤碳庫活度

CPMI=CPI·LI×100

1.4　數據處理

采用SPSS 17.0軟件進行數據統計分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同處理組間的差異，顯著性水平設定為α=0.05。

2結果與分析

2.1　土壤活性有機碳和碳庫管理指數

從表1可知，各處理土壤總有機碳含量的大小次序為：M50N50>M30N70>M10N90>N100≈CK，說明配施蚯蚓糞處理相比單施化肥顯著提高了西瓜地土壤的總有機碳含量，且隨蚯蚓糞所占比例的增加，其總有機碳含量呈遞增的趨勢。M30N70處理的活性有機碳含量最高，并顯著高于其它處理；依次是M50N50，M10N90處理，顯著高于CK和N100處理；同N100處理相比，M30N70，M50N50和M10N90處理的活性有機碳含量分別高出30.10%，24.23%和18.62%，且活性有機碳占總有機碳的比重分別達到30.56%，27.19%和28.97%，亦高于N100處理(25.82%)。與活性有機碳相比，中活性有機碳和高活性有機碳含量相對較低，分別為1.04～1.43 g/kg和0.36～0.58 g/kg。M30N70，M50N50和M10N90處理的中活性和高活性有機碳含量較N100處理顯著升高，且中活性和高活性有機碳占總有機碳的比重分別由6.92%和2.37%提高到7.91%～8.33%和3.07%～3.48%；同時可見，M30N70處理的中活性和高活性有機碳占總有機碳的比重均最高。此外，M30N70處理的CPMI顯著高于其它處理，分別比N100，M10N90和M50N50處理高出37.28，14.44和11.87；其次是M50N50和M10N90處理，亦明顯高于N100處理。總之，蚯蚓糞與化肥配施處理的總有機碳、3種活性有機碳含量及碳庫管理指數較對照和單施化肥得到明顯提升，這表明配施蚯蚓糞不僅提高了土壤有機碳數量，而且改善了土壤有機碳質量，提高了土壤的綜合生產力。

表1　不同處理對西瓜地土壤活性有機碳及碳庫管理指數的影響　g/kg

注：表中數據為平均值+標準差；同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。下同。

2.2　土壤酶活性

土壤過氧化氫酶在一定程度上表征了土壤生物氧化過程的強弱和土壤微生物活動的強度，在有機質氧化和腐殖質形成過程中起著重要作用。脲酶、磷酸酶和蔗糖酶作為3種不同水解酶參與有機化合物的水解反應，對于豐富土壤中能被植物和微生物利用的可溶性營養物質有重要作用[13]。由表2可見，各處理過氧化氫酶和中性磷酸酶活性的變化規律為：M30N70≈M50N50>M10N90>N100>CK，得出M30N70與M50N50處理的過氧化氫酶、中性磷酸酶活性均無顯著性差異，但明顯高于其它處理；其次是M10N90處理，也明顯高于CK和N100。M30N70處理的脲酶和蔗糖酶活性最高，并顯著高于其它處理，M30N70處理的脲酶活性分別比CK，N100，M10N90和M50N50處理提高了38.13%，16.36%，10.98%，8.47%，M30N70處理的蔗糖酶活性分別比CK，N100，M10N90和M50N50處理8提高了4.66%，62.33%，47.26%，22.46%。M50N50處理的蔗糖酶活性顯著高于M10N90處理，而脲酶活性與M10N90處理差異不顯著，但顯著高于CK和N100處理。由此可見，配施蚯蚓糞處理的過氧化氫酶、中性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性均明顯高于單施化肥，而在蚯蚓糞與化肥的3個不同配施處理中，隨著蚯蚓糞所占比重的增加，脲酶和蔗糖酶活性呈現先升高后降低的變化趨勢。

表2　不同處理對西瓜地土壤酶活性的影響

注：過氧化氫酶單位為ml/(g· h)；中性磷酸酶單位為mg/(g·24 h)；脲酶單位為mg/(g·h)；蔗糖酶單位為ml/(g·h)。

2.3　西瓜產量與肥料生產率

不同處理對西瓜產量和肥料生產率的影響如圖1所示。由圖1可見，施肥處理的西瓜產量相比對照均有顯著的提高。在各施肥處理中，M30N70處理的產量最高，并顯著高于其它處理，分別比N100，M10N90和M50N50處理高出26.49%，13.34%和6.27%；依次是M50N50和M10N90處理，也明顯高于N100處理。各施肥處理的肥料生產率大小次序為：M30N70>M50N50>M10N90>N100，且處理間差異均達顯著水平。M30N70處理的肥料生產率分別比N100，M10N90和M50N50處理提高166.50%，54.11%和21.37%；其次是M50N50和M10N90處理，分別比N100處理提高119.58%和72.92%，差異達顯著水平。試驗數據表明，與單施化肥相比，配施蚯蚓糞處理明顯提高了西瓜產量和肥料生產率；而在配施蚯蚓糞的3個處理中，3∶7比例配施的產量和肥料生產率顯著高于1∶9和5∶5比例，表明并非蚯蚓糞所占的比重越大，其產量和肥料生產率就越高。

2.4　相關性分析

有研究認為，絕大多數土壤酶活性與土壤有機碳含量呈顯著正相關，在很大程度上影響著土壤肥力水平[3]。對土壤3種不同程度的活性有機碳、總有機碳、碳庫管理指數與土壤酶活性及西瓜產量、肥料生產率進行相關分析結果表明(表3)，3種活性有機碳之間極顯著相關，且與總有機碳呈顯著(或極顯著)相關；CPMI與3種活性有機碳的相關性均高于它與總有機碳的相關性，這表明活性有機碳既區別于總有機碳又與總有機碳密切相關，是土壤總有機碳的一部分。

注：肥料生產率=(處理產量-CK產量)/處理總養分投入量

圖1　不同處理對西瓜產量及肥料生產率的影響

注: *表示顯著性相關(p<0.05)，**表示極顯著性相關(p<0.01)。

土壤酶活性之間的相關分析表明，除過氧化氫酶與蔗糖酶之間相關性不顯著外，其余土壤酶之間的相關性均達到顯著水平，說明土壤酶在進行酶促反應時，不但具有自身專一性，而且還存在著一些共性，可在總體水平上反映土壤肥力水平的高低。西瓜產量、肥料生產率與中活性有機碳、活性有機碳及CPMI極顯著相關，與高活性有機碳顯著相關，而與總有機碳無顯著相關性，表明活性有機碳和CPMI更能準確反映土壤肥力和土壤質量的變化，是描述土壤質量和評價土壤管理的良好指標；同時還發現，肥料生產率與高活性有機碳、中活性有機碳、活性有機碳及CPMI的相關性均高于產量與它們的相關性，這說明肥料生產率相比產量，與活性有機碳和碳庫管理指數的關系更為緊密。土壤總有機碳和活性有機碳與脲酶、中性磷酸酶和蔗糖酶顯著(或極顯著)相關，而與過氧化氫酶相關性不顯著；活性有機碳與土壤酶的相關性基本上高于總有機碳與土壤酶之間的相關性，表明活性有機碳對土壤酶活性的影響更為明顯。

3討 論

土壤有機碳的活性成分對土壤養分、植物生長，乃至環境都有直接的影響，在現代土壤研究中非常重視土壤活性有機碳的作用[14]。對土壤活性有機碳及碳庫管理指數的研究，能夠明確土壤管理和施肥的科學性。試驗結果表明，與單施化肥相比，配施蚯蚓糞處理明顯提高了西瓜地土壤中總有機碳、3種活性有機碳含量及CPMI，這與張迪等[15]在黑土上的研究結果一致。主要原因在于： (1) 蚯蚓糞的施入為土壤提供了直接的有機碳源，增加了土壤的有機碳庫； (2) 配施蚯蚓糞能顯著促進西瓜根系和微生物的活動，刺激了微生物活性，從而增加了進入土壤的根系分泌物及有機殘體數量，故有利于生成活性有機碳，并提高了CPMI。本試驗還得出，單施化肥的CPMI相比對照有下降的趨勢，但未達到顯著水平，這與張繼光等[16]在紅壤上的研究結果不完全一致，可能與土壤理化性狀差異及西瓜生長周期短有關。同時還發現，在配施蚯蚓糞的3個處理中，蚯蚓糞與化肥以3∶7比例配施對土壤活性有機碳和CPMI的提高幅度明顯大于1∶9和5∶5比例，這主要是因為3∶7比例搭配能更好地調節土壤的C/N比，為微生物生長創造了優越的環境。此外，相關性分析表明，CPMI與3種活性有機碳的相關性明顯高于它與總有機碳的相關性，這進一步印證了活性有機碳相比總有機碳對施肥管理措施的反映更靈敏，對植物養分的供應也更直接，能夠更準確、更實際地反映土壤肥力和土壤物理性狀的變化。

土壤酶在生態系統的有機質分解和養分循環所必需的催化反應中起著重要作用，涉及一系列的植物、微生物、動物及其分泌物[17]；土壤酶活性的變化能夠改變作物吸收養分的有效性，而這些變化是土壤質量的潛在敏感指標[18]。本試驗表明，蚯蚓糞與化肥配施處理較單施化肥顯著提高了西瓜地土壤的過氧化氫酶、中性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性，這與申進文等[19]和田小明等[14]的研究結果相似。主要是由于蚯蚓糞與化肥的配施更新和增加了土壤有機質，改良了土壤結構，促進了土壤微粒的團聚作用，增強了通氣與水分的滲透性和保水能力，改善了土壤微生物環境，使土壤微生物數量增加[20]，從而使土壤酶活性得到顯著提高。本試驗還發現，配施蚯蚓糞明顯提高了西瓜產量和肥料生產率，這進一步說明配施有機肥在保持、改善和提高土壤肥力，增強微生物活性，促進農作物高產、優質等方面具有不可替代的作用。同時還得出，配施蚯蚓糞處理的肥料生產率顯著高于單施化肥，這對于提高肥料的利用效率，減輕環境污染、改善生態環境具有重要意義。進一步比較得出，蚯蚓糞與化肥以3∶7比例配施對土壤酶活性、西瓜產量和肥料生產率的總體促進效果明顯優于1∶9和5∶5比例，可能是由于3∶7比例能較好地改善土壤理化性狀和根際微域環境，并能增強根系對養分的吸收能力，故明顯促進了西瓜的生長，且提高了肥料利用率，這也說明蚯蚓糞與化肥的搭配比例是關鍵因素。從相關性分析可知，除過氧化氫酶以外，土壤總有機碳和活性有機碳與中性磷酸酶、脲酶和蔗糖酶均達到顯著(或極顯著)相關，這表明土壤酶活性在總體上可用來指示施肥過程中土壤質量的演變過程。此外，土壤酶活性與活性有機碳的相關性基本上高于其與總有機碳之間的相關性，說明土壤酶活性更適合用來了解或預測某些營養物質的轉化情況以及土壤肥力的演變趨勢。但在其它類型土壤中或施用其它有機肥是否也具有這種相關性，有待于進一步深入研究。

4結 論

與N100處理相比，配施蚯蚓糞處理的高活性、中活性和活性有機碳含量均明顯升高；M30N70處理的活性有機碳含量和CPMI顯著高于其他處理，比N100處理分別高出30.10%和37.28；同時，脲酶和蔗糖酶活性亦明顯高于其它處理，其中蔗糖酶活性分別比CK，N100，M10N90和M50N50處理提高了84.66%，62.33%，47.26%和22.46%。此外，M30N70處理的西瓜產量和肥料生產率最高，并明顯高于其它處理，M30N70處理的西瓜產量分別比N100，M10N90和M50N50處理高出26.49%，13.34%，6.27%，M30N70處理的肥料生產率分別比CK，N100，M10N90和M50N50處理提高了166.50%，54.11%，21.37%。相關分析表明，運用土壤活性有機碳和碳庫管理指數表征土壤酶活性、西瓜產量及肥料生產率的變化，比土壤總有機碳更具靈敏性。綜合分析認為，蚯蚓糞與化肥配施在西瓜種植中具有顯著的促進效果，其中3∶7比例配施的效果優于1∶9和5∶5比例。

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Effects of Vermicompost and Inorganic Fertilizer Co-application on Soil Labile Organic Carbon and Enzyme Activity in Watermelon Farmland

WANG Mingyou, ZHANG Hong, LI Shiping, XUE Yujian

(CollegeofEcologyandGardenArchitecture,DezhouUniversity,Dezhou,Shandong253023,China)

Abstract：[Objective] The effects of vermicompost co-applied with inorganic fertilizer were measured in a watermelon field to provide some references for soil improvement and watermelon plantation. [Methods] Five treatments with different mixture ratios of nitrogen(supplied from urea) and vermicomppost were set in a field experiment they were CK(neither urea nor vermicompost was applied), N100(100% of nitrogen), M10N90(10% vermicompos and 90% of nitrogen), M30N70(30% vermicompost and 70% nitrogen), and M50N50(50% vermicompost and 50% nitrogen). Soil labile organic carbon, carbon pool management index(CPMI), enzyme activity and yield of watermelon were measured. [Results] The contents of highly labile organic carbon, mid-labile organic carbon and labile organic carbon significantly increased under M10N90, M30N70and M50N50treatments in comparison with N100treatment. The labile organic carbon content and CPMI in M30N70treatment were obviously higher than that of other treatments, increased 30.10% and 37.28% as compared with N100treatment, respectively. At the same time, the M30N70treatment markedly increased in urease and invertase activities in comparison with other treatments, showing 84.66%, 62.33%, 47.26% and 22.46% increments in invertase activities over the values of CK, N100, M10N90and M50N50, respectively. In addition, the yield and fertilizer productivity of watermelon also achieved the highest value in M30N70treatment and had significant differences with other treatments, obtained 26.49%, 13.34%, 6.27% and 166.50%, 54.11%, 21.37% increments as compared with the treatments of N100, M10N90and M50N50, respectively. Correlation analysis revealed that soil labile organic carbon and carbon pool management index may be better indicators than soil total organic carbon in reflecting the changes of soil enzyme activities, yield and fertilizer productivity of watermelon. [Conclusion] The application of vermicompost co-applied with inorganic fertilizer, especially the M30N70treatment, had remarkable promotion effect in watermelon plantation.

Keywords:watermelon; vermicompost; labile organic carbon; carbon pool management index; enzyme activity; fertilizer productivity

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0101-06

中圖分類號：S157.4+1

收稿日期：2014-05-29修回日期：2014-06-17

資助項目：山東省科技發展計劃項目“魯西北地區新型日光溫室及其蔬菜生產關鍵技術研究集成與示范”(2012GNC11108)

第一作者：王明友(1964—),男(漢族),山東省安丘市人,學士,教授,主要從事蔬菜高產生理生態方面的教學與研究工作。E-mail:nwmy_sddz@163.com。