牛糞還田區根際和非根際土壤酶活性特征研究

摘要：畜禽糞便還田深刻影響著土壤質量，而土壤酶活性是反映土壤質量變化的敏感指標，闡明土壤酶活性的變化特征及其影響因素，對畜禽糞便的科學還田具有重要的指導意義。以河南省焦作市某畜禽糞便還田區為研究區，采集了糞便還田區與對照點的根際土和非根際土，測定了土壤理化性質和酶活性，分析了土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性的季節特征及其影響因素。結果表明，與對照點相比，牛糞還田區根際土壤磷酸酶活性和非根際土壤蔗糖酶、磷酸酶活性顯著提高了50.81%、205.96%和32.38%（Plt;0.05）；根際土壤磷酸酶活性和非根際土壤蔗糖酶、磷酸酶活性在不同季節之間具有顯著的差異（Plt;0.05）；土壤磷酸酶活性在根際與非根際之間存在顯著性差異（Plt;0.05）；影響牛糞還田區土壤酶活性的重要因素是土壤pH值、含水率和銨態氮含量。上述研究結果反映了牛糞還田對土壤酶活性的影響具有根際效應和季節效應，而這些效應為深刻認識牛糞還田對土壤質量的影響機制提供了數據支撐和理論依據。

關鍵詞：牛糞還田；土壤酶活性；根際；非根際

中圖分類號：S154.2""文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2025）01-0256-06

我國畜牧養殖規模快速增長的同時也產生了大量的畜禽糞便，據統計，中國每年有38億t畜禽糞便產生，其綜合利用率不足60%^［1］。畜禽糞便中含有較多有機質和氮磷等養分，具有較高的農業價值，是一種重要的有機肥資源。因此畜禽糞便還田一直是國內外農業有機廢棄物資源化利用的重要途徑^［2-3］。畜禽糞便還田后可以提供農作物生長所需的養分和有機質，并且在提高土壤有機碳含量、改善土壤結構和提高作物產量等方面都發揮著重要作用^［4-5］。但是，畜禽糞便本身含有大量的致病菌、抗性基因、微塑料和重金屬等有害物質^［6-9］，還田之后會影響土壤質量、農產品和地下水安全，進而危害人類健康。因此，畜禽糞便還田已成為土壤生態環境安全和農業廢棄物高效利用的重要制約因素之一。

土壤酶是由土壤中動植物和微生物分泌及其殘體分解釋放產生的，在土壤生態系統的養分循環和有機質分解轉化利用等方面有著不可替代的作用。土壤酶活性可以表征土壤肥力狀況，反映土壤養分循環和有機質分解轉化的能力，同時也是衡量土壤質量變化和土壤營養狀況的重要指標之一^［10-12］。Yang等研究發現，土壤酶活性能夠有效指示土壤肥力的動態變化^［13］。Cotrufo等研究發現，土壤酶活性能夠反映出土壤營養元素循環和轉化的強度和方向^［14］。曹慧等的研究結果表明，土壤酶活性比其他指標對土壤擾動的響應更加敏感，能夠更好地反映出土壤質量的變化^［15］。因此，開展畜禽糞便還田區土壤酶活性研究對揭示土壤質量的演變機制具有重要意義。

近年來，有關畜禽糞便還田區開展的研究主要集中于還田養分^［16］、重金屬遷移^［17］和抗性基因^［7］等方面，而對于畜禽糞便還田對根際、非根際土壤酶活性影響的系統研究則相對較少。此外，河南省是我國的畜禽養殖大省，同時也是糧食的主產區。河南省畜禽糞便排放總量位居全國前列，且每年的還田量巨大^［16］，從而給土壤健康和農產品安全帶來了一定的潛在風險。因此，本研究選取河南省焦作市某畜禽糞便還田區作為研究區，研究牛糞還田區根際和非根際土壤酶活性的分布特征，探討影響土壤酶活性的關鍵因素，為畜禽糞便科學還田和農業可持續發展提供理論支撐。

1"材料與方法

1.1"試驗區概況

試驗區位于河南省焦作市武陟縣（34°56′～35°10′N，113°10′～113°39′E），屬于黃沁河沖積平原。該地區屬溫暖帶大陸性季風氣候，日照充足，四季分明。年平均氣溫14.4 ℃，年降水量 575.1 mm，無霜期211 d。耕地土壤分為沙土、沙壤土2類^［18］，種植制度為小麥—玉米輪作。

1.2"樣品的采集及分析方法

1.2.1"土壤樣品采集

試驗設置牛糞還田區（M）和對照區（CK），采樣時間為2021年夏季（8月）、秋季（11月），試驗區施肥方式為表土施肥。在試驗區農田隨機布設3個采樣點，進行根際土壤樣本（RS）和非根際土壤樣本（NS）采樣，各采樣點重復采樣3次，牛糞還田區樣本編號為M1～M3，對照區樣本編號為CK1～CK3，其中非根際土壤采樣層位為上層（0～5 cm）、中層（5～10 cm）、下層（10～20 cm）。

將采樣點表面的枯枝落葉等雜質去除干凈后，使用洛陽鏟采集非根際土壤樣品，在現場將非根際土壤樣品按照不同采樣層位分開放置，同一采樣點重復采樣3次，去除土壤樣品中小石塊和細根等雜物后，放置于無菌自封袋中。每個采樣點采集15株作物植株，將整株作物挖出，采用抖根法輕輕抖落根系上較大顆粒土，用細毛刷將須根上的土壤收集在無菌自封袋中。將土壤樣品置于室外自然風干，去除雜質，研磨后過1 mm篩，用于土壤理化性質和酶活性的測試。

1.2.2"土壤理化性質和酶活性的測定

土壤pH值、含水率和銨態氮含量分別用電位法、烘干法和靛酚藍比色法測定^［19］。土壤中硝態氮、總磷和有機碳的含量分別用酚二磺酸比色法、鉬銻抗比色法和重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法測定^［20］。

土壤酶活性主要測定蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性4種。其中，蔗糖酶活性使用3，5-二硝基水楊酸比色法測定；脲酶活性使用苯酚鈉比色法測定；磷酸酶活性使用磷酸苯二鈉比色法測定；過氧化氫酶活性使用高錳酸鉀滴定法測定^［21］。

1.3"數據處理

試驗結果使用Microsoft Excel進行數據整理，并用SPSS 26.0進行統計分析，使用Origin 2023進行圖像繪制。

2"結果與分析

2.1"牛糞還田區土壤理化性質

牛糞還田區（M）與對照點（CK）根際土壤理化性質如表1所示。由表1可知，在夏季，與對照點相比，施用牛糞提高了根際土壤中硝態氮、銨態氮、總磷和有機質的含量，分別高出了71.08%、12.91%、14.06%和48.11%。在秋季，與對照點相比，施用牛糞提高了根際土壤中含水率、硝態氮、銨態氮、總磷和有機質的含量，分別高出了20.37%、24.41%、5.29%、39.98%和61.17%。

牛糞還田區（M）與對照點（CK）非根際土壤理化性質如表2所示。由表2可知，在夏季，與對照點相比，施用牛糞提高了非根際土壤中銨態氮、總磷和有機質的含量，分別高出了4.27%、10.70%和5.20%。在秋季，與對照點相比，施用牛糞提高了非根際土壤中含水率、硝態氮、銨態氮、 總磷和有機質的含量，分別高出了1.54%、28.83%、21.69%、8.46%和30.25%。

2.2"牛糞還田區根際土壤酶活性特征

夏秋兩季牛糞還田區與對照點根際土壤酶活性分布特征如表3所示。由表3可見，與對照點相比，夏季牛糞還田區根際土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性均相對較高，其活性分別提升了41.70%、18.52%、75.88%和9.60%；秋季牛糞還田區根際土壤蔗糖酶和磷酸酶活性均相對較高，其活性分別提升了609.82%和25.73%。整體上，根際土壤蔗糖酶和磷酸酶活性較對照點分別提高了325.76%和50.81%。

對牛糞還田區與對照點根際土壤酶活性進行牛糞施用和季節維度上的雙因素方差分析，結果如表4所示。由表4可以看出，根際土壤磷酸酶活性在牛糞還田區與對照點之間具有顯著性差異（Plt;0.05）。根際土壤磷酸酶活性在夏季與秋季之間具有顯著性差異（Plt;0.05）。牛糞施用與季節之間的交互作用對根際土壤酶活性沒有顯著影響。

2.3"牛糞還田區非根際土壤酶活性特征

夏秋兩季牛糞還田區與對照點非根際土壤酶活性分布特征如表5所示。由表5可以看出，與對照點相比，夏季牛糞還田區非根際土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性分別在上層（0～5 cm）、中層（5～10 cm）、中層（5～10 cm）和上層（0～5 cm）升幅最大，分別提高了399.06%、34.78%、52.40%和26.35%；秋季牛糞還田區非根際土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性分別在上層、下層和下層升幅最大，分別提高了122.52%、12.00%和34.72%。整體上，非根際土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性較對照點分別提高了205.96%、15.18%和32.38%。

對牛糞還田區與對照點非根際土壤酶活性進行牛糞施用和季節維度上的雙因素方差分析，結果如表6所示。由表6可以看出，非根際土壤蔗糖酶、磷酸酶活性在牛糞還田區與對照點之間具有極顯著差異（Plt;0.01）。非根際土壤蔗糖酶、磷酸酶活性在夏季與秋季之間具有極顯著差異（Plt;0.01），而脲酶與過氧化氫酶活性在季節之間差異不顯著。牛糞施用與季節之間的交互作用對非根際土壤蔗糖酶活性（Plt;0.05）和過氧化氫酶活性（Plt;0.01）具有顯著的影響效應。

2.4"土壤酶活性與土壤理化性質特征之間的相關性

牛糞還田區根際土壤酶活性與土壤理化性質特征的相關性如圖1所示。由圖1可以看出，根際土壤過氧化氫酶活性與pH值（Plt;0.01）、含水率（Plt;0.05）之間有顯著的正相關關系，與硝態氮含量（Plt;0.01）、總磷含量（Plt;0.05）之間有顯著的負相關關系；而根際土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性與土壤理化指標之間相關性不顯著。

牛糞還田區非根際土壤酶活性與土壤理化性質特征的相關性如圖2所示。由圖2可以看出，非根際土壤蔗糖酶活性與pH值、銨態氮含量呈顯著正相關（Plt;0.05），與含水率、有機碳含量呈極顯著正相關（Plt;0.01）；磷酸酶活性與銨態氮含量呈顯著負相關（Plt;0.05），與含水率呈極顯著負相關（Plt;0.01）；過氧化氫酶活性與pH值、含水率、銨態氮含量、有機碳含量之間呈極顯著正相關（Plt;0.01）；而脲酶活性與土壤理化指標相關性不顯著。由此可見，含水率、銨態氮含量、有機碳含量是影響牛糞還田區非根際土壤酶活性的重要因素。

3"討論

3.1"牛糞還田對土壤酶活性的影響

土壤酶活性不僅能反映土壤肥力轉化的能力，而且可作為衡量土壤質量變化的預警和敏感指標。本研究中，與對照點相比，牛糞還田顯著提高了根際土壤磷酸酶活性和非根際土壤蔗糖酶、磷酸酶活性（Plt;0.05）。這是因為牛糞的施用增加了土壤養分的含量，提供了作物生長和微生物繁殖所需的營養物質，促進了根際分泌物的產生^［22-24］，從而導致土壤酶活性增加。這與Jia等的研究結果^［25］是相似的。值得注意的是，根際和非根際土壤酶活性對牛糞還田的響應特征有著明顯的差異，其原因在于根際是土壤-根系-微生物三者相互作用和相互影響的界面區域，是不同于原土體的、復雜的、動態的微型生態系統；它可向根際環境中釋放根系分泌物，改變了土壤中根際微生物區系組成。此外，無論是根際，還是非根際，土壤磷酸酶活性在還田區和對照點之間均具有顯著的差異，表明磷酸酶活性可以作為牛糞還田區土壤質量變化的敏感指標之一。

本研究中，牛糞還田區耕作層（0～20 cm）酶活性的增幅是明顯的，其原因可能是牛糞的施用方式為表土施肥，給耕作層加入了較為充足的營養元素，同時，該層土壤的水熱條件和通氣條件較好，使得微生物的生長和代謝活動增強，酶活性隨之增強^［26-27］。

3.2"牛糞還田區土壤酶活性的影響因素

土壤酶活性會受到作物種類、溫度、濕度、營養物質和施肥制度等因素的影響^［28-29］，導致不同研究區土壤酶活性的季節動態有所差異。本研究中，非根際土壤蔗糖酶活性表現出夏季顯著高于秋季的特點，且土壤蔗糖酶活性與含水率之間呈極顯著正相關（Plt;0.01），表明土壤濕度是驅動蔗糖酶活性變化的關鍵因子，這是因為研究區降水量主要集中在夏季，使得秋季（17.18%）土壤含水率明顯低于夏季（20.48%）。土壤含水率的減少，抑制了土壤微生物生物量，導致土壤蔗糖酶活性降低。與上述研究結果相反的是，非根際土壤磷酸酶活性卻表現出夏季極顯著低于秋季的特點（Plt;0.01），表明土壤磷酸酶酶活性除了受到濕度影響外，還會受到pH值、養分等因素的共同作用。分析其原因可能為，從夏季到秋季，土壤pH值降低和硝態氮含量增加，促進了土壤中反應底物的運輸和反應速率^［30］，并且減弱了微生物的養分限制^［31］，使得微生物和酶的代謝活動隨之增強，進而導致土壤磷酸酶活性增加。

本研究中，還田區土壤磷酸酶活性在根際與非根際之間存在顯著性差異（Plt;0.05）（表7）。這可能是由于土壤顆粒對磷的吸附作用使其在土壤中的擴散速率較慢，使得土壤磷循環速率降低^［32］。而根系分泌物對土壤磷循環具有調控作用，提高根際范圍內土壤磷的吸收利用^［33］，促使根際與非根際土壤間磷酸酶活性呈現出顯著差異。由此可見，對于牛糞還田區來說，由于根際與非根際土壤在物質代謝能力和微生物組成上的差異^［34-35］，導致在不同生境（根際與非根際）之間土壤酶活性存在差異。這指明了在考慮牛糞還田的影響效應時，應區別對待根際與非根際土壤環境。

4"結論

牛糞還田顯著提高了根際土壤磷酸酶活性和非根際土壤蔗糖酶、磷酸酶活性（Plt;0.05）。根際土壤磷酸酶活性和非根際土壤蔗糖酶、磷酸酶活性在不同季節之間具有顯著的差異（Plt;0.05）。影響牛糞還田區土壤酶活性的重要因素是土壤pH值、含水率和銨態氮含量。本研究結果反映了牛糞還田對土壤酶活性的影響具有根際效應和季節效應，而這些效應為深刻認識牛糞還田對土壤質量的影響機制提供了理論支撐。

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