Effects of Controlled Release Compound Fertilizers on Some Biochemical Properties of Soil
Abstract：
The aizoon stonecrop plot experiment is carried out with 2 kinds of controlled release compound fertilizers which have different nutrient ratio but have same total amount of nutrient, and is compared with common fertilizer which has same total amount of nutrient, to study the effects of controlled release compound fertilizer and common fertilizer with same nutrients ratio and 2 kinds of controlled release compound fertilizer with different nutrients ratio on some biochemical properties of soil. Experimental results show that during each growth period of aizoon stonecrop, the nutrient content of the soil is treated with applying different fertilizers, and it has better nutrient content with the controlled release compound fertilizer 1 (CRF1) treatment and the controlled release compound fertilizer 2 (CRF2) treatment, throughout growth period, the requirements of aizoon stonecrop for nutrient can be satisfied; the nutrient of common fertilizer is released rapidly, in the late growth stage of aizoon stonecrop, the problems of short of fertilizer appears; the activity of soil enzyme exhibits a close relationship with soil nutrient content, so it can be used as an indicator for evaluation of soil fertility.
土壤酶不仅能反映土壤生物活性的高低，而且能表征土壤养分转化的快慢，在一定程度上能反映土壤肥力状况。脲酶是催化尿素水解的唯一酶，其活性的变化与土壤氮素状况及土壤理化性状有关[1]。过氧化氢酶是衡量土壤中氧化过程的方向和强度的指标，其活性高低可反映土壤解除呼吸过程中产生过氧化氢的能力[1]，可促进土壤中多种化合物的氧化，防止因过氧化氢积累而对生物体造成毒害[2]。磷酸酶活性能够反映土壤有机磷转化状况，酶促反应产物——有效磷是植物磷素营养源之一[2]。酸性磷酸酶酶促作用能加速土壤有机磷的脱磷速度，可以用来表征土壤磷素有效化强度。
土壤养分含量是土壤肥力的内部表征，其变化反映着土壤管理措施的改变，而土壤酶活性由于其特有的敏感性，也能够反映管理措施等变化[3]。在复杂的土壤体系中，从理化性质方面探讨土壤肥力质量的研究已经多见诸报道，而将土壤速效养分与土壤酶活性指标联系起来，研究两者作为评价土壤肥力指标的优劣尚鲜见报道[4-6]。
控释肥料是近年来肥料研究的热点之一，被誉为“21世纪发展化学肥料生产的最佳途径”[7]。控释复合肥能长期、稳定、均衡地向植物提供所需养分，不会造成植物徒长或滞长，减少菌性病害发生率，使植物生长健壮、根系发达、颜色浓绿[8-9]。
地被植物是城市绿化的重要组成部分，是植物造景的重要材料，是现代生态园林城市建设中不可缺少的建植材料[10]。景天三七除了具有景观功能外，还有很重要的经济价值，其生长需要养分，养分缺乏会导致生长缓慢、植株矮小、花期缩短，从而影响观赏价值；而养分过量，则会导致烧苗等现象，且不合理的补施也会造成浪费。控释复合肥具有一次施入而全生育期有效、操作简便、省工省力的优点，试验研究其在园林花木上的应用，可为今后科学、合理、经济地使用控释复合肥提供依据[11-12]。
本文比较了施用控释复合肥与普通复合肥不同肥料处理的土壤酶活性变化规律及其与土壤速效养分的关系，探讨施用控释复合肥对土壤酶活性的影响以及将土壤酶活性作为土壤肥力质量指标的可能性，以期为评价控释复合肥施用方式和土壤肥力变化提供有效的指标，从而为促进土壤养分良性循环提供科学依据。
1
材料与方法
1.1
控释复合肥静水释放试验
1.1.1
试验材料
供试的2种包膜控释复合肥的w(N) :w(P2O5) :w(K2O)为14 :14 :14(CRF1)和20 :8 :10(CRF2)，是国家缓控释肥工程技术研究中心中试基地生产的花卉专用肥，控释期为4个月。
1.1.2
试验方法
静水释放：称取10.00 g包膜控释复合肥放入150 μm(100目)尼龙纱网制成的小袋中，封口后将小袋放入300 mL带盖玻璃瓶中，加入250 mL蒸馏水，加盖密封，重复3次，置于25 ℃的恒温培养箱中，取样时间分别为第1，3，5，7，10，14，28，42，56 d，之后均间隔28 d，直至养分溶出率达80%以上视为释放完全。取样后，重新加入250 mL蒸馏水，封口后放入培养箱继续培养。
1.1.3
氮的测定方法
吸取浸提液1.0~5.0 mL置于消化管中，加入0.3~0.5 g的铬粉、5 mL浓盐酸，静置5~10 min，然后置于通过7.0~7.5 min沸腾试验的加热消化炉上加热沸腾4~5 min，取下冷却后加入5.0 mL浓硫酸，高温消化至上层溶液清亮，冷却，全部转移后用凯氏定氮仪蒸馏滴定。
1.2
景天三七的田间小区试验
1.2.1
试验材料
景天三七：多年生草本植物，簇生，茎直立，高20~50 cm；根状茎粗壮，近木质化，叶互生，广卵形至狭倒披针形，顶端渐尖，基部楔形，边缘有不整齐的锯齿或近全缘，光滑或略带乳头状突起，是目前重要的景观地被植物。
供试肥料：普通复合肥(CCF)，w(N) :w(P2O5) :w(K2O)=16 :16 :16;包膜控释复合肥为静水释放试验中的CRF1和CRF2。
供试土壤：棕壤，基本理化性状为pH=6.59，密度=2.66 g/cm3，容重=1.21 g/cm3，孔隙度=55.13；质地为w(黏粒)=0.63%，w(砂粒)=47.55%，w(粉砂粒)=51.82%。
1.2.2
试验设计
试验在山东省控释肥工程技术研究中心中试基地试验田中进行。设置普通复合肥与2种包膜控释复合肥总养分量相等，但2种包膜控释复合肥养分比例不同，并设不施肥(CK)作对照。试验共设4个处理，每个处理3次重复。小区面积为1 m2(1 m×1 m)，景天三七的定植密度为行距25 cm、穴距15 cm，每穴种2株。景天三七小区施肥试验设计见表 1。
表 1
|
处理 |
复合肥养分含量w(N):w(P2O5):w(K2O) |
总养分量m(N+P2O5+K2O)/\(g·m-2) |
复合肥施用量/(g·m-2) |
|
CK |
|
0.0 |
0.00 |
|
CCF |
16:16:16 |
31.5 |
65.63 |
|
CRF1 |
14:14:14 |
31.5 |
75.00 |
|
CRF2 |
20:8:10 |
31.5 |
82.89 |
1.2.3
样品采集与分析方法
土壤养分的化学分析：土壤溶液电导率的测定用1 :5的土水比，浸提5 min后用DDSⅡA型电导仪测定；土壤pH测定采用1 :2.5的土水比，用PHSJ-3F型精密pH计测定；土壤硝态氮和铵态氮含量用0.01 mol/L的CaCl2溶液浸提后，用AA3-A001-02e型流动注射分析仪测定；有效磷含量用0.5 mol/L NaHCO3溶液浸提，采用钼锑抗比色法测定；速效钾含量用1.0 mol/L乙酸铵浸提，采用火焰光度计法测定[13]。
土壤酶活性测定：过氧化氢酶活性采用0.1 mol/L高锰酸钾滴定法测定[14]，脲酶活性采用苯酚钠比色法测定[15]，酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定[16]。
数据统计分析：试验数据均采用SAS程序软件进行统计分析[17]。
2
结果与讨论
2.1
2种包膜控释复合肥的养分释放特征
包膜控释复合肥CRF1与CRF2的氮素释放曲线均呈S形，时段释放曲线呈抛物线形，其释放速率明显分为3个阶段，即缓慢释放阶段、加速释放阶段和减速释放阶段，整个释放过程存在1个释放的高峰期。包膜控释复合肥CRF1和CRF2在25 ℃水中的氮素释放曲线如图 1所示。
图 1
包膜控释复合肥CRF1和CRF2在25 ℃水中的氮素释放曲线
从图 1可看出：在包膜控释复合肥释放前期，氮素释放速率较慢；在84 d左右，氮素释放速率最快，达到释放高峰期，而此时景天三七正好进入花苞初现和花苞展开时期，包膜控释复合肥氮素释放速率的加快满足了景天三七此时大量需肥的生长要求；在84 d以后，包膜控释复合肥的氮素释放速率开始下降；到140 d时，氮素累积释放率达到90%。
2.2
施肥后土壤酶活性的动态变化
2.2.1
脲酶活性的动态变化
不同施肥处理对土壤脲酶活性的影响如图 2所示。
图 2
从图 2可见，在景天三七生长周期内，各处理的土壤脲酶活性变化趋势基本相同，且呈现出升高→降低→升高→降低的变化趋势。在移栽后的第30 d和第90 d，即景天三七处于生长和开花阶段，脲酶活性出现高峰。经分析，其原因可能是在这2个阶段，景天三七需要吸收较多的氮素来促进生长和开花，使得脲酶反应底物浓度升高，由于肥料中所含氮素为尿素和磷酸氢二铵，土壤中氢氧化铵浓度升高，溶解或水解的土壤有机质增加，提高了水溶性有机质含量，因而脲酶活性也随之提高；反之，当景天三七所需氮素较少时，脲酶反应底物浓度降低，水溶性有机质含量下降，脲酶活性降低。
与CCF处理相比，2种控释复合肥处理在第30 d和第90 d的脲酶活性变化幅度为5%~12%，而CCF处理则达到了37%，且CRF1与CRF2处理在第90 d的脲酶活性均高于CCF处理。这是由于包膜控释复合肥是通过限制养分溶出速率来发挥作用，养分释放速率与景天三七各个生长期内对养分需求的速率相一致；而普通复合肥具有速溶性，在施入初期即使得土壤中聚集大量养分，脲酶活性的提高在某种程度上增大了氮素的损失，导致后期养分供应不足，脲酶活性低于包膜控释复合肥处理。在移栽后的第30 d测定CRF1与CRF2处理的脲酶活性，结果两者之间达到了显著性差异，CRF2处理的脲酶活性较CRF1处理降低14.1%；在第90 d，两者之间的差异不显著，这与肥料的包膜厚度和氮素释放速率快慢有关。花期之后，各施肥处理的土壤脲酶活性逐渐降低。
2.2.2
过氧化氢酶活性的动态变化
不同施肥处理对土壤过氧化氢酶活性的影响如图 3所示。
图 3
从图 3可见：景天三七生长期间过氧化氢酶的活性呈现出降低→升高的趋势，且CK处理的过氧化氢酶的活性在景天三七整个生长周期内都高于其他施肥处理。CCF处理的过氧化氢酶活性在景天三七生长前30 d呈下降趋势，并在第30 d达到最低值，这是由于普通复合肥在施入土壤初期能够大量释放养分，导致土壤熟化程度过高，过氧化氢自由基含量较低，因此酶活性较低；之后，由于养分的吸收和流失，养分含量逐渐降低，土壤熟化程度下降，过氧化氢自由基含量升高，酶活性随之升高。而包膜控释复合肥养分的累积释放量是逐渐增加的，土壤的熟化程度逐渐增大，过氧化氢自由基含量逐渐降低，过氧化氢酶活性逐渐下降，因此在景天三七移栽后的第90 d，养分释放达到高峰，土壤的熟化程度达到最大，过氧化氢酶活性达到最低。可见，肥料施用在一定程度上抑制了土壤中过氧化氢酶的活性，但不同施肥处理间过氧化氢酶活性差异不显著。
2.2.3
酸性磷酸酶活性的动态变化
不同施肥处理对土壤酸性磷酸酶活性的影响如图 4所示。
图 4
从图 4可看出：在景天三七生长前期，各处理土壤酸性磷酸酶活性逐渐升高。在移栽后第30 d，CCF处理的土壤酸性磷酸酶活性达到最大值，CRF1处理比CCF处理降低22.8%，但2种包膜控释复合肥处理之间的差异不显著。随着生长时间的延长，CCF处理的土壤酸性磷酸酶活性逐渐降低，可能因为普通复合肥没有包膜，其中含有的无机磷成分与酶促反应产物相同，不利于酶促反应向正方向进行；而包膜控释复合肥含有的无机磷成分不会很快释放，对酶促反应的进行影响不大，因此土壤酸性磷酸酶的活性逐渐升高，且在移栽后第90 d(景天三七开花期)达到最大值，这与景天三七此时期吸磷量大有关，此时CRF1处理的土壤酸性磷酸酶活性比CK处理高46.4%，比CCF处理高33.1%，而CRF1与CRF2处理的土壤酸性磷酸酶活性也达到了显著差异，CRF1处理比CRF2处理的土壤酸性磷酸酶活性高10.7%。
2.3
施肥后土壤中速效养分含量的动态变化
2.3.1
${\rm{NO}}_3^ - - {\rm{N}}{\text{和}}{\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}$含量的动态变化
不同施肥处理土壤中${\rm{NO}}_3^ - - {\rm{N}}{\text{和}}{\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}$含量的动态变化如图 5所示。
图 5
不同施肥处理土壤中${\rm{NO}}_3^ - - {\rm{N}}{\text{和}}{\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}$含量的动态变化
从图 5可看出：在景天三七生长过程中，CK处理的土壤中${\rm{NO}}_3^ - - {\rm{N}}{\text{和}}{\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}$含量变化不大，均低于CCF和CRF1处理；移栽后，普通复合肥施入土壤后养分迅速释放，${\rm{NO}}_3^ - - {\rm{N}}{\text{和}}{\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}$含量在短时间内迅速升高，在移栽后的第30 d达到峰值，但随移栽天数延长，养分供给不足而呈下降趋势；CRF1处理的土壤中${\rm{NO}}_3^ - - {\rm{N}}{\text{和}}{\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}$含量的变化较平缓，在移栽后的第90 d，景天三七进入开花期，此时包膜控释复合肥达到养分释放高峰，土壤中的${\rm{NO}}_3^ - - {\rm{N}}{\text{和}}{\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}$含量也达到了峰值，此时CRF1处理与CCF处理之间达到显著差异，CRF1处理比CCF处理高73.60%和37.47%；高峰后，各处理的${\rm{NO}}_3^ - - {\rm{N}}{\text{和}}{\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}$含量开始下降，CRF1处理与CRF2处理之间在生长期内差异不显著。
从图 5中还可看出，${\rm{NO}}_3^ - - {\rm{N}}{\text{和}}{\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}$含量的变化趋势与脲酶活性的变化趋势基本相同，脲酶活性升高，分解更多的氮素，${\rm{NO}}_3^ - - {\rm{N}}{\text{和}}{\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}$含量也随之增加。
2.3.2
有效磷含量的动态变化
不同施肥处理的土壤中有效磷含量的动态变化如图 6所示。
图 6
从图 6可见，土壤中有效磷含量的变化与${\rm{NO}}_3^ - - {\rm{N}}{\text{和}}{\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}$含量的变化基本一致，施肥处理的土壤中有效磷含量高于CK处理；普通复合肥施入土壤后磷素迅速释放，短期内土壤中积聚了大量的有效磷，过高的磷素养分含量不但不会促进景天三七生长发育，反而会被土壤大量吸附固定或随水流失，造成磷素养分利用率下降，以致无法满足景天三七进入开花期后对磷素养分的需求；包膜控释复合肥施入土壤后磷素缓慢释放，景天三七进入开花期后土壤有效磷含量也达到了最大值，随后呈下降趋势，其磷素养分的释放与景天三七的生长需求相一致，有效促进了景天三七的生长发育，提高了肥料利用率。
在营养生长期，包膜控释复合肥和普通复合肥处理的土壤中磷素含量均高于CK处理；在移栽后第90 d，CRF1处理的土壤中磷素含量是CK处理的3.37倍，是CCF处理的2.23倍，是CRF2处理的1.32倍，均达到显著性差异；移栽后第120 d，各处理的磷素含量明显下降，但CRF处理的有效磷含量显著高于CK和普通复合肥处理，表现出良好的持续供肥特性。
2.3.3
速效钾含量的动态变化
钾素可以延长花期，提高观赏价值，增强植株的抗病、抗盐、抗旱和耐寒能力[18]。不同施肥处理的土壤中速效钾含量的动态变化如图 7所示。
图 7
从图 7可见：在整个试验阶段，CK处理的土壤中速效钾含量变化不大，低于所有的施肥处理；普通复合肥施入土壤后，短期内速效钾含量明显高于包膜控释复合肥处理，而后迅速出现显著下降趋势，移栽45 d后，CCF处理的土壤中速效钾含量开始明显低于CRF1处理。这与普通复合肥在浇水过程中淋失和景天三七生长消耗有一定关系，但直接原因是由于包膜控释复合肥的供肥特性，施入土壤后速效钾含量平缓升高，其养分释放与景天三七生长发育对养分的需求相一致，不但充分有效地满足了景天三七生长发育对大量钾肥的需求，而且提高了景天三七的观赏价值和经济价值。
2.4
土壤酶活性与土壤速效养分含量的相关性
许多研究表明，土壤肥力水平在很大程度上受到土壤酶的影响，与土壤酶活性之间存在着非常密切的相关关系。为此，有必要对土壤酶与主要肥力因子之间进行相关分析。脲酶专一性极强，活性仅与土壤中尿素含量有关。随着时间的推移，尿素在土壤中发生一系列复杂的生物化学反应而转化为${\rm{NO}}_3^ - - {\rm{N}}{\text{和}}{\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}$，因此脲酶活性与${\rm{NO}}_3^ - - {\rm{N}}{\text{和}}{\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}$含量之间有较高的相关性(相关系数)，达到极显著水平(表 2)。
表 2
|
酶类 |
${\rm{NO}}_3^ - - {\rm{N}}{\text{和}}{\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}$ |
${\rm{NO}}_3^ - - {\rm{N}}{\text{和}}{\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}$ |
有效磷 |
速效钾 |
|
注：1)*为P＜0.05，* *为P＜0.01。 |
|
脲酶 |
0.882 2** |
0.891 4** |
0.858 5* |
0.845 4* |
|
过氧化氢酶 |
-0.938 5* |
-0.773 9* |
-0.587 3* |
-0.832 2** |
|
酸性磷酸酶 |
0.907 8** |
0.935 1** |
0.835 0** |
0.966 9** |
由表 2可见，过氧化氢酶活性与好氧微生物数量、土壤肥力有密切的联系。土壤肥力较低时，土壤的熟化程度较低，土壤中的过氧化氢自由基含量较高，因此过氧化氢酶活性较高；土壤肥力较高时，土壤熟化程度逐渐增强，过氧化氢酶活性则降低。因此，过氧化氢酶的活性与土壤速效养分含量之间表现出负相关关系。酸性磷酸酶的活性与土壤中有效磷含量之间达到极显著相关关系，而与其他养分含量之间的相关关系则有待于进一步研究。
3
结语
施肥处理不同，酶的活性动态变化存在一定差异。CRF1与CRF2处理的土壤脲酶活性在景天三七生长周期内能够按需提供养分且变化幅度较小，并在景天三七生长后期保持脲酶具有较高活性。过氧化氢酶活性受肥料类型的影响较小，在景天三七生长周期内呈现先下降再升高的趋势，各施肥处理的过氧化氢酶活性较对照处理均有所下降；在景天三七生长后期，包膜控释复合肥处理的过氧化氢酶活性低于普通复合肥。不同处理的酸性磷酸酶活性变化趋势相似，呈升高趋势，其中CRF1处理的酸性磷酸酶活性高于CK和CCF处理，CRF1与CRF2处理间也存在显著性差异。包膜控释复合肥比普通复合肥更有效地提高了土壤中${\rm{NO}}_3^ - - {\rm{N}}{\text{和}}{\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}$以及有效磷、速效钾的含量，其养分释放规律与景天三七的养分需求规律基本同步，更有利于景天三七的生长发育。
脲酶活性与${\rm{NO}}_3^ - - {\rm{N}}{\text{和}}{\rm{NH}}_4^ + - {\rm{N}}$含量之间有较高的相关性，达到极显著相关关系；过氧化氢酶活性在相关性方面与土壤速效养分含量之间表现出负相关关系；酸性磷酸酶活性与土壤中养分含量也达到极显著相关关系。因此，脲酶和酸性磷酸酶活性可以用于指示土壤速效养分的供应容量和强度。
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