蚯蚓糞配施化肥對稻田土壤性狀和酶活的影響

周東興，李 欣，寧玉翠，梁曉艷，王嘉昊，李云飛，劉 煜

（東北農業大學資源與環境學院，哈爾濱 150030）

水稻在我國農業和社會經濟發展中具有重要戰略地位，促進水稻進一步增產和豐收是解決我國糧食安全問題重要舉措[1]。近年來，為保障糧食增產，以追求水稻產量為目標，導致農業生產化肥依賴過度，長期以來，出現土壤肥力下降，土壤板結酸化，水稻抗逆性減弱等問題[2-3]。有機肥配施化肥結合化肥速效性和有機肥持久性優點[4]，是一種改良土壤重要措施[5]。王明友等發現增施有機肥可增加土壤養分并調控土壤酶活性[6]；Liu 等在中部地區開展田間試驗，通過優化穗肥施氮方式，發現施用有機肥可顯著提高土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性[7]。蚯蚓糞有機肥富含N、P、K 等營養元素，可改善土壤理化性狀[8]，提高土壤通透性[9]，增強稻田土壤保水、保肥、供肥能力[10]，有效改善土壤結構，使稻田土壤更加適合水稻生長發育[11]，陳貴等通過長期田間定位試驗發現，有機肥與化肥配施可提高土壤肥力，實現高產高效[12]。

研究采用盆栽試驗方法，以稻田土壤為研究對象，通過蚯蚓糞有機肥配施化肥，設置不同配施梯度，探討其對土壤理化性質、土壤酶活性和產量的影響，旨在為提升稻田土壤肥力，改善農田土壤生態環境和增加東北黑土水稻產量提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019 年5～9 月在東北農業大學校內盆栽試驗場開展，屬中溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫4.2 ℃，年平均降雨量550～650 mm。供試土壤為黑土，其基本理化性質為：全氮1.87 g·kg-1，全磷4.73 g·kg-1，速效鉀77.11 mg·kg-1，pH 6.35，有機質28.94 g·kg-1。供試水稻品種為五優稻4號。

1.2 試驗設計

于2019 年開展盆栽試驗，5 月19 日移栽秧苗，9月16日收獲。盆栽試驗所用容器為塑料方盆（長40 cm，寬30 cm，高35 cm），裝過篩土15 kg，每個塑料方盆插秧4穴。試驗共設置8個處理，具體見表1，每個處理設置10個重復，定期取樣。試驗所需肥料：尿素（N 46%），磷酸二銨（N 18%、P2O 546%），氯化鉀（K2O 60%），蚯蚓糞（含水量30%、N 1.1%、P2O52.56%、K2O 1.6%、有機質含量463.5 g·kg-1、pH 6.95）。

1.3 樣品采集及處理

在水稻分蘗期、拔節期、抽穗期、灌漿期、成熟期，分別于各試驗盆栽隨機選取5 點采集0～20 cm土層土壤，同一處理所取土樣混勻后置于自封袋，土壤樣品風干后，用于測定土壤養分和酶活性。在成熟期，隨機選擇3盆水稻測產。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 土壤養分測定方法

堿解氮測定采用堿解擴散法；全磷采經高氯酸與濃硫酸消煮，采用鉬銻抗比色法測定；速效磷經碳酸氫鈉浸提，采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用火焰光度法測定[13]。

表1 施肥方案Table 1 Fertilization plan

1.4.2 土壤酶活性測定

土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定，以每克土壤37 ℃下24 h內產生NH3-N毫克數表示；土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，以每克土壤37 ℃下24 h內生成葡萄糖毫克數表示；過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀容量法測定，以每克土壤1 min 消耗0.02 mol·L-1KMnO4表示；土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，以每克土壤37 ℃下24 h內酶促反應釋放酚毫克數表示；土壤脫氫酶活性采用TTC分光光度法測定[14]。

1.4.3 數據統計與分析

采用單因素方差分析（one way ANOVA）方法，分析不同施肥措施對不同生育期土壤養分指標和土壤酶活性影響差異（P＜0.05）。采用Pearson 相關分析方法，分析土壤養分指標和土壤酶活性之間相關性。采用Excel 2010 繪圖，SPSS 19 統計分析數據。

2 結果與分析

2.1 不同施肥措施對稻田土壤理化指標的影響

2.1.1 不同施肥措施對稻田土壤堿解氮含量的影響

由表2可見，不同配比施肥顯著影響土壤堿解氮含量，在灌漿期和成熟期，處理T1～T6均高于對照CK，差異顯著（P＜0.05）。水稻成熟期隨有機肥施入量增加，蚯蚓糞配施化肥各處理中，T3 對稻田土壤堿解氮提升效果最優，較CK 提高53.05%（P＜0.05），與CK0相比，提高22.94%（P＜0.05）。

表2 不同處理對稻田土壤堿解氮的影響Table 2 Effects of different treatments on soil alkaline hydrolysis nitrogen in paddy fields

2.1.2 不同施肥措施對稻田土壤全磷和速效磷含量的影響

由表3 可看出，與CK、CK0 相比，在水稻分蘗期和拔節期，土壤全磷含量持平，增長幅度較小；在抽穗期、灌漿期和成熟期，T1～T4處理顯著提高稻田土壤全磷含量（P＜0.05）；在成熟期，T3處理最顯著。與全磷含量變化接近，土壤速效磷含量變化幅度較小，但在水稻分蘗期、抽穗期、灌漿期、成熟期，T1～T6 處理均顯著高于CK 和CK0（P＜0.05），且T3 處理對速效磷含量提升效果最優，在成熟期，較CK 提高30.4%（P＜0.05），較CK0提高16.48%（P＜0.05）。

2.1.3 不同施肥措施對稻田土壤速效鉀的影響

由表4 可知，T1～T6 處理土壤速效鉀含量在水稻分蘗期、抽穗期、灌漿期、成熟期，均高于CK，差異顯著（P＜0.05）。在水稻成熟期，T1～T5處理土壤速效鉀含量較CK 分別顯著提高12.9%、15.2%、12.9%、12.6%、14.6%（P＜0.05），且T3 處理最高。表明有機肥施用提高速效鉀含量。綜上所述，蚯蚓糞有機肥配施化肥可顯著改善土壤養分狀況（P＜0.05），且T3處理效果最顯著。

2.2 不同施肥措施對稻田土壤酶活性的影響

2.2.1 不同施肥措施對稻田土壤脲酶活性的影響

由圖1可看出，脲酶活性從分蘗期開始逐漸上升，拔節期達到最大值，抽穗期開始降低，灌漿期有所升高，在成熟期穩定。在水稻拔節期、抽穗期、灌漿期、成熟期，T1、T2、T3、T4、T5、T6 處理脲酶活性均高于對照CK、CK0，差異顯著（P＜0.05）。除分蘗期外，T3 處理土壤脲酶活性在拔節期、灌漿期、成熟期達最大值。在成熟期，土壤脲酶活性T3 處理較T1、T2 處理分別增加7.6%、10.4%（P＜0.05），T3 處理較T4、T5 處理分別增加5%、22.6%（P＜0.05）。與對照組CK、CK0相比，T1、T2、T3、T4、T5、T6 處理顯著提高脲酶活性，反映蚯蚓糞有機肥配施化肥提高土壤脲酶活性，為水稻生長提供足夠養分。

表3 不同處理對稻田土壤全磷和速效磷的影響Table 3 Effects of different treatments on total phosphorus and available phosphorus in paddy fields

表4 不同處理對稻田土壤速效鉀的影響Table 4 Effects of different treatments on available potassium in paddy fields

2.2.2 不同施肥措施對稻田土壤蔗糖酶活性的影響

如圖2所示，施肥處理土壤蔗糖酶活性在分蘗期、拔節期開始逐漸升高，至抽穗期達最高，灌漿期和成熟期逐漸降低。T1、T2、T3、T4、T5 和T6 處理在分蘗期、拔節期、抽穗期、灌漿期、成熟期土壤蔗糖酶活性均高于CK、CK0，差異顯著（P＜0.05）。在分蘗期、拔節期、抽穗期、灌漿期、成熟期，T3處理土壤蔗糖酶活性均高于其他處理，呈倒“U”型趨勢。其中，在成熟期，T1、T2、T3處理土壤蔗糖酶活性較CK提高17.2%、21.8%、71.6%（P＜0.05），T1、T2、T3 處理土壤蔗糖酶活性較CK0提高3.7%、7.8%、51.9%（P＜0.05）。處理組蔗糖酶活性均高于對照組，且在水稻分蘗期、拔節期、抽穗期、灌漿期、成熟期，T3 處理土壤蔗糖酶活性達最高，T4、T5、T6處理較T3處理有所降低。在水稻不同生育期，相較于常規施肥處理，蚯蚓糞有機肥配施化肥顯著提高土壤蔗糖酶活性。

圖1 不同處理對土壤脲酶活性的影響Fig.1 Effects of different treatments on soil urease activity

圖2 不同處理對土壤蔗糖酶活性的影響Fig.2 Effects of different treatments on soil sucrase activity

2.2.3 不同施肥措施對稻田土壤磷酸酶活性的影響

由圖3可知，土壤磷酸酶活性從分蘗期到拔節期升高，但在抽穗期降低，在灌漿期和成熟期逐漸升高。在水稻拔節期、抽穗期、灌漿期、成熟期，土壤磷酸酶活性均顯著高于CK和CK0，T3處理土壤磷酸酶活性最高。在成熟期，土壤磷酸酶活性變化趨勢呈T3＞T4＞T5＞T2＞T6＞T1，T3 處理土壤磷酸酶活性較T1、T2、T4、T5、T6 處理分別增加28.9%、21.4%、0.9%、8.6%、26.6%（P＜0.05）。在水稻拔節期、灌漿期和成熟期，T3 土壤堿性磷酸酶活性均顯著高于T1、T2、T4、T5、T6，呈倒“U”型趨勢，說明適當配比增施有機肥處理顯著提高土壤磷酸酶活性。與對照組CK、CK0相比，T1～T6施肥處理下土壤磷酸酶活性增強。

2.2.4 不同施肥措施對稻田土壤脫氫酶活性的影響

由圖4 可知，在水稻分蘗期、拔節期和成熟期，T1、T2、T3、T4、T5、T6處理土壤脫氫酶活性均高于對照組CK 和CK0，差異顯著（P＜0.05）。在水稻灌漿期和成熟期，T3 處理土壤脫氫酶活性顯著高于其他處理（P＜0.05）。在成熟期，T3 處理土壤脫氫酶活性達最大值，比T1、T2、T4、T5、T6 處理分別提高55.5%、24.5%、28.5%、9.2%、41.7%（P＜0.05）。可知，不同稻田土壤處理中，T3處理對脫氫酶活性提高最顯著。

圖3 不同處理對土壤磷酸酶活性的影響Fig.3 Effects of different treatments on soil phosphatase activity

圖4 不同處理對土壤脫氫酶活性的影響Fig.4 Effects of different treatments on soil dehydrogenase activity

2.2.5 不同施肥措施對稻田土壤過氧化氫酶活性的影響

如圖5所示，土壤過氧化氫酶含量從分蘗期開始上升，在拔節期達到最高，抽穗期和灌漿期土壤過氧化氫酶活性開始逐漸下降，在成熟期達最低。在水稻分蘗期和拔節期，T1、T2、T3、T4、T5、T6 處理在各生育期對土壤過氧化氫酶活性影響差異不顯著；在抽穗期T1、T2、T3 和在灌漿期T3、T4、T5、T6 處理均顯著高于其他處理；在成熟期，T3 處理最顯著，比CK 和CK0 分別提高1.7%、3.7%（P＜0.05）。綜上，T3 處理對稻田土壤過氧化氫酶酶活性提高最明顯。

圖5 不同處理對土壤過氧化氫酶活性的影響Fig.5 Effects of different treatments on soil catalase activity

2.3 不同施肥措施對稻田產量及產量構成的影響

由表5可知，綜合不同施肥措施對盆栽水稻產量的影響，T3 處理高于其他處理，較T1、T2、T5和T6 處理，T3 處理分別顯著提高38.8%、21.5%、23.5%、31.9%（P＜0.05）；與CK和CK0相比，T3處理分別極顯著提高31.6%和71.8%（P＜0.01）。綜合不同施肥措施對盆栽水稻產量構成（每盆穴數、每穴分蘗數，穗粒數、千粒重和結實率）的影響，T3處理高于其他處理。

2.4 土壤養分與土壤酶活性相關性分析

不同施肥措施下土壤養分、土壤酶活性及二者之間關系見表6。土壤堿解氮與土壤全磷、速效磷呈極顯著正相關，同時土壤堿解氮含量與土壤脫氫酶、脲酶和磷酸酶活性呈顯著正相關，相關系數達0.8以上。土壤全磷含量與土壤磷酸酶、蔗糖酶和脫氫酶活性在0.05 水平（雙側）上顯著相關，與土壤速效磷含量呈正相關。土壤速效磷含量與土壤脫氫酶、磷酸酶活性在0.01 水平（雙側）上顯著正相關，與土壤速效鉀含量、土壤脲酶活性呈正相關。土壤速效鉀含量與土壤磷酸酶、脲酶和脫氫酶活性呈正相關。土壤脫氫酶活性與土壤堿性磷酸酶活性呈極顯著正相關，與土壤蔗糖酶活性呈正相關；土壤堿性磷酸酶活性與土壤蔗糖酶活性呈正相關，另外，土壤過氧化氫酶活性與土壤脫氫酶、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性相關關系均不顯著。

表5 不同處理對盆栽水稻產量及產量構成的影響Table 5 Effects of different treatments on the yield and yield composition of potted rice

表6 土壤養分和酶活性之間線性相關系數Table 6 Linear correlation coefficient between soil nutrient and enzyme activity

2.5 不同施肥措施下土壤養分和土壤酶活性主成分分析

采用SPSS19 對土壤養分和土壤酶活性作主成分分析，由表7可知，前2個主成分累積貢獻率達88.818%，即可解釋大部分數據，主成分1 與2 方差特征值均大于1，所以主成分1 和2 指標對土壤影響顯著，提取分析。

由表8可知，主成分1中，因子載荷量較大變量分別為堿解氮、全磷、速效磷、脫氫酶和磷酸酶。計算各處理主成分得分及綜合得分，由表9可知，綜合得分最高處理為T3，得分較高處理為T2、T4和T5，得分較低處理為CK、CK0和T1。通過上述分析可得出，不同施肥處理中T3 處理效果最佳。

表7 土壤指標方差分解主成分提取分析結果Table 7 Principal component extraction analysis result of soil index variance decomposition

表8 土壤指標主成分載荷矩陣Table 8 Principal component loading matrix of soil index

3 討 論

3.1 不同施肥措施對土壤養分的影響

本研究中蚯蚓糞有機肥配施化肥與對照組相比，顯著提高N、P、K 等土壤養分含量，隨蚯蚓糞施用量增加，T1、T2、T3 處理土壤速效養分含量隨之增加，但相比于T3處理，T4、T5、T6處理土壤養分有所下降，可能是在一定范圍內配施有機肥可顯著提高土壤養分含量，與養分輸入-輸出平衡狀況有關[15]。周喜榮等研究表明，有機無機肥配施顯著增加土壤堿解氮與有效磷含量[16]。王飛等通過施用化肥與不同有機肥花生盆栽試驗發現，不同比例配施有機肥可提高土壤速效磷和速效鉀含量[17]，與本研究結果一致，這是因為蚯蚓糞有機肥中含有豐富營養物質，蚯蚓糞有機肥配施化肥不僅為水稻生長提供充分營養物質，且提高稻田土壤速效養分含量。

表9 主成分得分及綜合得分Table 9 Principal component scores and comprehensive scores

通過主成分分析，因子載荷量較大變量分別是堿解氮、全磷和速效磷，土壤堿解氮是土壤中直接被植被吸收利用的氮素形式，也是衡量土壤供氮能力，反映土壤氮素有效性重要指標[18]。土壤磷素中全磷和有效磷分別反映土壤磷庫容量和可供作物當季吸收利用磷素水平，其中有效磷是評價土壤供磷能力重要指標[19]。盧光明等研究表明，有機肥化肥配合施用可提高堿解氮含量[20]；林誠等研究表明，長期有機無機肥配施比單施化肥顯著提高南方黃泥田土壤有效磷、全磷含量[21]。因此，堿解氮、全磷和速效磷可作為衡量土壤肥力重要指標，通過有機肥配施化肥可有效提高堿解氮、速效磷和全磷含量。

3.2 不同施肥措施對土壤酶活性的影響

土壤酶活性反映土壤養分供給情況[22]。本研究表明，土壤脲酶活性在生長時期表現為先升再降趨勢，在水稻拔節期最高，說明脲酶活性增加與水稻生長時期有關。該趨勢產生原因可能是由于脲酶對尿素轉化發揮關鍵作用，前期催化尿素分解被作物利用，脲酶活性高，尿素轉化快，在作物后期吸收的尿素含量降低，尿素轉化慢，脲酶活性減弱[23]。土壤蔗糖酶活性在水稻分蘗期、拔節期逐漸升高，抽穗期達到峰值，在灌漿期、成熟期回落，這是由于施肥影響土壤養分變化，從而引起蔗糖酶變化，隨水稻逐步發育和肥料對土壤養分含量影響引起土壤蔗糖酶活性變化[24]。土壤磷酸酶活性從分蘗期開始逐漸升高，在拔節期達到最大，在抽穗期、灌漿期逐漸降低，成熟期上升，隨生育期推進呈逐漸降低趨勢，可能是由于在分蘗期、拔節期隨肥料施入，土壤中磷含量升高，土壤磷酸酶活性受到影響也隨之提高，隨生育期推進，水稻磷吸收量增大，土壤中可溶性磷含量降低，磷酸酶活性減弱[25]。土壤脫氫酶變化從分蘗期、拔節期開始上升，抽穗期達到最大，在灌漿期、成熟期呈下降趨勢，土壤脫氫酶活性比較靈敏，任何影響土壤變化因素均改變土壤脫氫酶活性，常作為活躍的微生物指標[26]。蚯蚓糞有機肥中有大量微生物，在水稻生長前期，蚯蚓糞有機肥施入增加土壤中微生物，隨之引起土壤脫氫酶活性增長，隨水稻生育期推進，灌漿期水稻開始發育成熟，生長緩慢，可能導致土壤脫氫酶活性在后期降低。

土壤酶活性顯著反映土壤轉化和肥力水平，施肥顯著提高土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶及脫氫酶活性[27-28]。在水稻同一生育期內，與單施化肥相比，有機肥配施蚯蚓糞各處理可有效增加土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶及脫氫酶活性，化肥減量30%+蚯蚓糞處理對各指標影響最大，說明適當的蚯蚓糞有機肥配施化肥不僅提供豐富能源，有效提高土壤養分，且增加土壤代謝能力，進而提高土壤酶活性，李其勝等和商立榮等也發現蚯蚓糞配施化肥可提高土壤養分和酶活性[29-30]。Bordoloi等通過尿素包膜處理，得出有機肥措施下，可提高脲酶含量[31]，武曉森等研究不同施肥處理對玉米酶活性影響發現，增施有機肥可提高土壤脲酶和過氧化氫酶活性[32]。過氧化氫酶作為土壤物質轉化重要酶，減少過氧化氫對水稻毒害作用，保障水稻植株正常生長，有效控制土壤氧化強度與方向。但在不同施蚯蚓糞處理之間，土壤過氧化氫酶活性變化差異不顯著，與曹慧等研究結果一致[33]。因此，蚯蚓糞有機肥可使土壤中N、P、K經酶作用更易被水稻吸收[34]，土壤經脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶等關鍵酶聯合作用，實現水稻對養分吸收平衡[35]。

通過主成分分析，因子載荷量較大變量分別為土壤脫氫酶和磷酸酶，土壤脫氫酶作為氧化還原酶反映土壤中各種生物化學過程強度和方向，其活性是土壤肥力重要標志[36]，土壤磷酸酶可將土壤有機磷轉化成無機磷供作物吸收，其活性反映土壤供磷狀況[37]。陶磊等研究表明，有機肥替代化肥可增加土壤脫氫酶和磷酸酶含量[38]，從理論上支持本研究中有機肥配施化肥可提高土壤脫氫酶和磷酸酶活性，改良土壤。

3.3 不同施肥措施對稻田產量及產量構成的影響

通過Duncan 分析，T3 處理對稻田產量及產量構成影響高于其他處理，這是因為在一定范圍內產量與施肥量呈正比，超過一定限度產量反而與施肥量呈反比，這與侯紅乾等研究施用有機肥配施化肥對水稻產量研究結果一致[39]。林強等研究表明，在產量構成中，水稻有效分蘗數、穗粒數、千粒重與結實率均與產量呈極顯著正相關[40]；衛平洋等研究也證實水稻有效分蘗數、穗粒數是水稻能否獲得高產關鍵[41]，這與本試驗中采用不同施肥措施對稻田產量及產量構成的影響相符。

3.4 土壤養分和酶活性相關性

通過相關分析發現，土壤養分含量之間存在正相關，這是因為水稻N、P、K 元素之間相互促進吸收[42]。各處理間土壤酶活性與土壤養分含量變化存在相關關系（P＜0.05），說明酶活性變化趨勢與土壤養分存在化學計量平衡[43]。李娟等證明土壤養分和酶活有關，因為土壤酶活性對土壤環境變化尤為敏感[44]，土壤輕微變化可能引起其酶活性變化，蚯蚓糞有機肥配施化肥可顯著提高土壤酶活性，土壤中N、P、K 養分經酶作用更易被水稻吸收[45]。

4 結 論

蚯蚓糞有機肥配施化肥可顯著提高土壤養分狀況、土壤酶活性和產量，其中，以化肥減量30%+蚯蚓糞處理（T3）為最佳，在極低量有機肥處理下，土壤全磷、速效鉀和過氧化氫酶含量未明顯增加，而不同施肥水平下，堿解氮、速效磷、脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和脫氫酶含量均顯著增加。驅動土壤養分和酶活發生變化主要因素為堿解氮、全磷、速效磷、脫氫酶和磷酸酶。綜上，蚯蚓糞有機肥配施化肥在提高土壤養分和增強土壤活性方面應用潛力巨大。