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有机肥替代化学氮肥对黄壤活性有机碳组分、酶活性及作物产量的影响

来源：花匠小妙招时间：2024-11-19 18:23

摘要: 以贵州典型黄壤为研究对象, 设置不施肥（CK）、单施化肥（NP）、50%有机肥替代化学氮肥[1/2（NPM）]和100%有机肥替代化学氮肥（M）这4个处理进行田间试验, 研究有机肥替代化学氮肥对黄壤有机碳及其活性组分、土壤碳库管理指数、土壤酶活性及玉米大豆产量的影响, 可为该地区科学施肥和土壤质量提升提供理论依据. 结果表明, 有机肥替代化学氮肥显著提高土壤pH、有机碳（SOC）、全氮（TN）含量和C/N. 与CK和NP处理比, 有机肥替代化学氮肥对土壤活性有机碳组分含量及其分配比例和土壤碳库管理指数（CPMI）均有提升效果, 且均以50%有机肥替代化学氮肥提升效果最佳. 与NP处理相比, 1/2（NPM）处理显著增加了土壤易氧化有机碳（ROC333和ROC167）、可溶性有机碳（DOC）和微生物生物量碳（MBC）含量, 其增幅依次为22.90%、8.10%、29.32%和23.22%. 相对于CK和NP处理, 有机肥替代化学氮肥均提高了土壤酶活性, 1/2（NPM）处理的土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性较NP处理分别显著提高了21.89%、8.24%、34.91%和18.78%；各施肥处理均显著提高了玉米大豆产量, 与NP处理相比, 1/2（NPM）和M处理的玉米产量分别显著提高了44.15%和17.39%, 大豆产量在各施肥处理之间无显著性差异. 相关性分析表明, 土壤SOC与ROC333、ROC167、ROC33、DOC和MBC以及各土壤活性有机碳组分之间呈显著正相关, CPMI与土壤SOC及其活性组分之间呈极显著正相关关系（P < 0.01）. 玉米产量与土壤酶活性、CPMI、土壤SOC及其活性组分均呈显著正相关关系（P < 0.05）. 因此, 从增产和土壤培肥角度看, 50%有机肥替代化学氮肥有利于改善土壤质量, 提高土壤肥力, 是贵州安顺黄壤地区实现作物高产的关键施肥技术.

Effects of Replacing Chemical Nitrogen Fertilizer with Organic Fertilizer on Active Organic Carbon Fractions, Enzyme Activities, and Crop Yield in Yellow Soil

Abstract: Taking the typical yellow soil in Guizhou as the research object, four treatments were set up: no fertilization (CK), single application of chemical fertilizer (NP), 50% organic fertilizer instead of chemical nitrogen fertilizer [1/2(NPM)], and 100% organic fertilizer instead of chemical nitrogen fertilizer (M). The effects of organic fertilizer instead of chemical nitrogen fertilizer on organic carbon and its active components, soil carbon pool management index, soil enzyme activity, and maize and soybean yield in yellow soil were studied in order to provide theoretical basis for scientific fertilization and soil quality improvement in this area. The results showed that the replacement of chemical nitrogen fertilizer by organic fertilizer significantly increased soil pH, organic carbon (SOC), total nitrogen (TN) content, and C/N ratio. Compared with those in the CK and NP treatments, the content and distribution ratio of soil active organic carbon components and soil carbon pool management index (CPMI) were improved by replacing chemical nitrogen fertilizer with organic fertilizer, and the effect of replacing chemical nitrogen fertilizer with 50% organic fertilizer was the best. Compared with those in the NP treatment, the 1/2 (NPM) treatment significantly increased the contents of soil readily oxidizable organic carbon (ROC333, ROC167), dissolved organic carbon (DOC), and microbial biomass carbon (MBC) by 22.90%, 8.10%, 29.32%, and 23.22%, respectively. Compared with those under the CK and NP treatments, organic fertilizer instead of chemical nitrogen fertilizer increased soil enzyme activities. The activities of catalase, urease, sucrase, and phosphatase in the 1/2 (NPM) treatment were significantly increased by 21.89%, 8.24%, 34.91%, and 18.78%, respectively, compared with those in the NP treatment. Compared with that of the NP treatment, the maize yield of the 1/2 (NPM) and M treatments was significantly increased by 44.15% and 17.39%, respectively. There was no significant difference in soybean yield among different fertilization treatments. Correlation analysis showed that soil SOC was significantly positively correlated with ROC333, ROC167, ROC33, DOC, MBC, and soil active organic carbon components, and CPMI was significantly positively correlated with soil organic carbon and its active components (P < 0.01). Corn yield was significantly positively correlated with soil enzyme activity, CPMI, total organic carbon, and its active components (P < 0.05). Therefore, from the perspective of yield increase and soil fertility, 50% organic fertilizer instead of chemical nitrogen fertilizer was conducive to improving soil quality and soil fertility, which is the key fertilization technology to achieve a high yield of crops in the yellow soil area of Anshun, Guizhou.

Key words:yellow soil soil active organic carbon carbon pool management index(CPMI) soil enzyme activity yield

土壤有机碳（SOC）是土壤的重要组成部分, 约占全球陆地生态系统总碳库的71%[1], 与土壤质量、作物高产稳产及温室气体排放等密切相关[2]. 土壤有机碳可分为稳定性有机碳和活性有机碳两部分, 土壤活性有机碳是土壤中稳定性较差、周转速率快且活性较强, 易被微生物分解利用的有机碳组分, 包括易氧化有机碳（ROC）、可溶性有机碳（DOC）和微生物生物量碳（MBC）[2, 3]. 土壤活性有机碳虽然占比很小, 但其能够灵敏反映施肥、耕作等田间管理措施对土壤碳库和潜在生产力的影响, 常被认为是土壤有机碳早期变化或土壤质量改变的敏感指标[4]. 在农田生态系统中, 碳库管理指数（carbon pool management index, CPMI）常与土壤碳库和碳库活度相结合, 用于表征施肥、耕作等不同农业管理措施下土壤碳库状况, 其值越大说明农田管理措施对土壤培肥效果越好[5]. 因此, 了解土壤活性有机碳库的变化对提升土壤质量以及促进农业可持续发展具有重要意义.

长期以来, 人们为了获得作物高产, 过量投入化肥轻施有机肥, 导致贵州旱地黄壤酸化、土壤质量退化、肥力快速下降等问题. 因此, 我国农业部推出“两减”行动, 在保证作物不减产和减少对土壤生态破坏的前提下, 有机肥替代化肥的可行性研究成为热点[6]. 近年来, 关于有机肥替代化学氮肥对土壤活性碳库及作物产量的影响已有大量报道. 林仕芳等[7]研究发现, 施肥可提高土壤中ROC、DOC和MBC含量, 其中50%有机肥替代化学氮肥提升效果最佳. Xu等[8]研究表明, 不同肥料施入土壤后, 土壤SOC、DOC和MBC含量表现为：单施有机肥 > 有机肥化肥配施 > 单施化肥 > 不施肥. 张嫒等[9]研究发现, 与不施肥和单施化肥处理相比, 有机肥替代化学氮肥处理显著增加了土壤总有机碳（TOC）、微生物量碳（MBC）、可溶性有机碳（DOC）、易氧化有机碳（EOC）和土壤碳库管理指数（CPMI）. 施肥是增产稳产的主要农业措施之一. 林治安等[10]研究表明, 化肥减量50%配施有机肥使小麦和玉米产量显著降低. Li等[11]通过30 a的试验发现, 施用化肥在前12 a能迅速提高玉米产量, 但在后期单施化肥的玉米产量低于施用有机肥. 郝小雨等[12]研究表明, 氮磷钾化肥对小麦和玉米的增产效果显著优于有机肥, 而对大豆产量的影响没有显著差异. 土壤酶是土壤生态系统中最活跃的组分, 能推动土壤有机质的矿化分解和土壤养分的循环与转化, 其活性是评价土壤肥力和质量的重要指标[13]. 施肥是影响酶活性的重要因素之一. Li等[14]研究表明, 化肥与猪粪配施可提高土壤微生物活性和脲酶活性, 50%猪粪配施化肥处理土壤过氧化氢酶活性高于不施肥或施化肥处理. 也有研究表明, 施用有机肥可以提高土壤肥力和土壤酶活性[15]. 宋震震等[16]研究发现, 长期施肥虽提高了土壤脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶的活性, 却降低了过氧化氢酶的活性.

综上所述, 前人关于有机肥替代化肥对土壤活性碳库、酶活性及作物产量的影响研究尚未有统一结论, 研究结果因作物种类、肥料种类及施用量、土壤类型不同而有所差异. 此外, 对于旱地黄壤玉米大豆间作覆膜系统下, 有机肥替代化学氮肥对土壤活性碳库、酶活性及作物产量的系统性研究鲜见报道. 因此, 本文以贵州黄壤定位试验为依托, 分析有机肥替代化学氮肥对土壤活性有机碳组分、碳库管理指数、酶活性及作物产量的影响, 并进一步探讨土壤活性有机碳组分含量、碳库管理指数、酶活性及作物产量之间的相关关系, 以期为该地区科学施肥和提升土壤质量提供理论依据.

1 材料与方法1.1 研究区概况

试验地位于贵州省安顺市西秀区鸡场乡（E106°05′59″, N26°06'29″）, 海拔1 271 m, 该研究区属亚热带季风性湿润气候, 年均气温13.2~15.0 ℃, 年均降雨量968~1 309 mm. 土壤类型为黄壤, 试验前其基本性质：pH为4.54、ω（SOC）为17.06 g·kg-1、ω（碱解氮）为126.73 mg·kg-1、ω（速效磷）为20.92 mg·kg-1、ω（速效钾）为159.50 mg·kg-1.

1.2 试验设计及供试材料

本试验始于2020年, 采用随机区组设计, 共设置4个处理：不施肥（CK）、单施化肥（NP）、50%有机肥替代化学氮肥[1/2（NPM）]和100%有机肥替代化学氮肥（M）, 每个处理重复3次, 共12个小区, 每个小区间隔1 m, 小区面积22 m2（6.6 m×3.3 m）, 施肥量见表 1.

表 1 不同处理的施肥量/kg·hm-2Table 1 Fertilization amount of different treatments/kg·hm-2

种植制度为玉米/大豆覆膜系统, 于2022年4月22日播种, 大豆与玉米之间行距为60 cm, 大豆行距为40 cm, 玉米株距30 cm, 大豆株距20 cm, 5月19日间苗, 生育期间定期除草并打药除病虫害, 8月18日收获大豆, 于10月2日收获玉米并采集土样. 供试玉米品种为“黔单16号”（Zea mays Linn.）, 大豆品种为安顺本地春大豆[Glycine max（Linn.）Merr.]. 供试有机肥为贵州天宝丰原生态农业科技有限公司生产的有机肥（含有机质≥45%, 含N+P2O5+K2O≥5%）、氮肥为尿素（含N ≥ 46.2%）和磷肥为过磷酸钙（含P2O5 ≥ 12%）, 所有肥料作为基肥在播种前一次性施入. 供试地膜为市售黑色地膜, 宽度2.50 m, 厚度0.01 mm.

1.3 样品采集

2022年10月2日按小区收获玉米大豆成熟样品后, 让其自然晒干脱粒, 清选称重, 测定籽粒产量. 植物样收获后, 用多点采样法采集耕层（0~20 cm）土壤样品, 剔除土壤中的杂质, 部分直接过2 mm筛置于4 ℃冰箱保存, 用于微生物生物量碳、可溶性有机碳的测定, 其余土样过2、0.25和0.149 mm筛, 用于土壤总有机碳、易氧化有机碳、酶活性和土壤基本理化性质的测定.

1.4 测定和分析方法

土壤pH、有机碳（SOC）、全氮、碱解氮、速效磷和速效钾采用鲍士旦的《土壤农化分析》常规方法测定[17]. 土壤易氧化有机碳（ROC333、ROC167和ROC33）分别采用333、167和33 mmol·L-1 KMnO4氧化法测定[18], 可溶性有机碳（DOC）用K2SO4溶液提取法测定[19], 土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法测定[20]. 过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法, 脲酶活性采用苯酚钠比色法, 蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法, 酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法[21].

1.5 数据计算与分析

本文选取CK处理作为参考土壤, 土壤易氧化有机碳ROC333含量即为公式中的活性有机碳. 计算公式为[22]：

采用Excel 2010和Origin 2021软件进行数据处理和分析作图；用SPSS 19.0软件进行显著性分析, 用Canoco 5做主成分分析.

2 结果与分析2.1 不同施肥处理对土壤基本性质的影响

由表 2可知, 有机肥替代化学氮肥均显著增加了土壤pH值, 1/2（NPM）和M处理的土壤pH较CK处理分别显著提高了2.59%和4.82%, 而NP处理土壤pH较CK处理显著降低了2.82%. 各施肥处理均增加了土壤SOC和TN含量, 与CK处理相比, NP、1/2（NPM）和M处理土壤SOC含量分别显著提高了5.50%、13.39%和19.82%. 与CK处理相比, 1/2（NPM）和M处理均提高了土壤C/N, NP处理降低了土壤C/N；与NP处理相比, 1/2（NPM）和M处理均显著提高了土壤pH、SOC和C/N, 其增幅分别为5.57%~7.86%、7.48%~13.57%和10.97%~14.07%.

表 2 不同施肥处理的土壤基本性质1）Table 2 Basic properties of soil under different fertilization treatments

2.2 不同施肥处理对土壤碳库组分含量的影响2.2.1 不同施肥处理对土壤活性有机碳组分含量的影响

如图 1, 各施肥处理对土壤活性有机碳组分含量均有提升效果, 其大小表现为：1/2（NPM） > M > NP. NP、1/2（NPM）和M处理的土壤ROC333含量较CK处理分别显著提高了13.54%、39.55%和37.09%. 1/2（NPM）和M处理的土壤ROC167含量较CK处理分别显著提高了14.42%和12.21%, NP处理与CK处理无显著差异. NP、1/2（NPM）和M处理的土壤ROC33含量较CK处理分别显著提高了20.71%、26.71%和26.16%. 与CK处理相比, NP、1/2（NPM）和M处理显著增加了土壤DOC含量, 其增幅分别为13.71%、47.04%和31.23%. NP、1/2（NPM）和M处理的土壤MBC含量较CK处理均显著提升, 其增幅分别为13.88%、40.33%和27.92%. 与NP处理相比, 1/2（NPM）处理显著提升了土壤ROC333、ROC167、DOC、和MBC含量, 其增幅分别为22.90%、8.10%、29.32%和23.22%；M处理显著增加了土壤ROC333、ROC167、DOC和MBC含量, 其增幅分别为20.74%、6.01%、15.41%和12.32%. 1/2（NPM）处理的DOC和MBC含量显著高于M处理, 其增幅依次为12.05%和9.7%.

不同小写字母表示不同施肥处理间差异显著（P < 0.05）, 下同图 1 不同施肥处理的土壤活性有机碳组分含量Fig. 1 Content of soil active organic carbon components under different fertilization treatments

2.2.2 不同施肥处理对土壤活性有机碳分配比例的影响

由表 3可知, 各施肥处理土壤ROC333、ROC33、DOC和MBC占总有机碳的比例均提高, 其增幅依次为7.48%~22.79%、5.38%~14.21%、8.26%~29.81%和8.06%~23.70%. 1/2（NPM）和M处理土壤ROC333分配比例较CK处理分别显著提高22.79%和14.22%. 1/2（NPM）处理土壤DOC和MBC分配比例较CK处理分别显著提升29.81%和23.70%. 与NP处理相比, 1/2（NPM）处理土壤ROC333、DOC和MBC分配比例分别显著提高14.25%、19.91%和14.47%. 1/2（NPM）处理土壤DOC和MBC分配比例较M处理分别显著提升17.91%和15.49%, 而1/2（NPM）处理土壤易氧化有机碳（ROC333、ROC167和ROC33）分配比例与M处理均无显著性差异.

表 3 土壤活性有机碳组分占总有机碳的比例1）/%Table 3 Proportion of soil active organic carbon components to total organic carbon/%

2.3 不同施肥处理对土壤碳库管理指数的影响

如表 4, 各施肥处理[NP、1/2（NPM）、M]均提高了IOC、L、CPAI、CPI和CPMI, 其增幅分别为3.46%~15.51%、9.24%~30.28%、9.67%~30.67%、5.33%~18.33%和15.76%~47.97%. 与NP处理相比, 1/2（NPM）处理的L、CPAI、CPI和CPMI分别显著提高了19.26%、19.15%、7.60%和27.83%；1/2（NPM）处理的IOC含量较NP处理提高了3.27%. M处理土壤IOC、CPI和CPMI较NP处理分别显著提高了11.65%、12.34%和21.27%. 1/2（NPM）处理土壤L、CPAI和CPMI高于M处理, 但均未达到显著性水平. 综上所述, 与不施肥和单施化肥相比, 有机肥替代化学氮肥可以提高黄壤IOC、L、CPAI、CPI和CPMI, 总体表现为50%有机肥替代化学氮肥提升效果最佳.

表 4 不同施肥处理的土壤碳库管理指数1）Table 4 Soil carbon pool management index of different fertilization treatments

2.4 不同施肥处理对土壤酶活性及玉米大豆产量的影响2.4.1 不同施肥处理对土壤酶活性的影响

由图 2可知, 有机肥替代化学氮肥处理均显著提高了土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性, 相对于CK处理, 1/2（NPM）处理的土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性分别显著提高了9.50%、12.31%、52.14%和24.36%；M处理的土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性分别显著提高了5.00%、11.23%、39.27%和22.69%；NP处理显著降低了土壤过氧化氢酶活性, 其降幅为10.17%, NP处理的土壤脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性较CK处理分别提高了3.75%、12.77%和4.69%. 与NP处理相比, 1/2（NPM）处理的土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性分别显著提高了21.89%、8.24%、34.91%和18.78%；M处理的土壤过氧化氢酶、蔗糖酶和磷酸酶活性分别显著提高了16.88%、23.50%和17.19%. 1/2（NPM）处理的土壤过氧化氢酶和蔗糖酶活性较M处理显著提高了4.29%和9.24%.

图 2 不同施肥处理的土壤酶活性Fig. 2 Soil enzyme activities under different fertilization treatments

2.4.2 不同施肥处理对玉米大豆产量及产量构成因素的影响

由表 5可知, 与CK处理相比, 各施肥处理均显著提高了玉米穗粒数, NP、1/2（NPM）和M处理玉米穗粒数相较于CK处理显著提高了3.01%、5.78%和4.21%. 1/2（NPM）处理的玉米穗粒数较NP处理显著增加了2.70%. 各施肥处理均显著提高了玉米产量, 其大小顺序为：1/2（NPM） > M > NP, 与CK处理相比, NP、1/2（NPM）和M处理的玉米产量分别显著提高了29.33%、86.43%和51.82%. 与NP处理相比, 1/2（NPM）和M处理的玉米产量分别显著提高了44.15%和17.39%. 1/2（NPM）处理的玉米产量较M处理显著增加了22.80%. 与CK处理相比, 各施肥处理均显著提高了大豆百粒重和单株粒数, 其增幅分别为15.88%~25.06%和30.98%~40.78%. 各施肥处理对大豆产量具有显著性影响, 其大小表现为1/2（NPM） > M > NP处理. NP、1/2（NPM）和M处理的大豆产量较CK处理分别显著提高了42.34%、50.59%和44.68%, 但各施肥处理之间均未达显著性水平.

表 5 不同施肥处理的产量及其构成1）Table 5 Yield and composition of different fertilization treatments

2.5 土壤理化性质、土壤活性有机碳组分、土壤碳库管理指数、酶活性及玉米大豆产量之间的相关性分析

相关性分析表明（图 3）, 土壤SOC与ROC333、ROC167、ROC33、DOC和MBC之间呈显著正相关, 各土壤活性有机碳组分之间也表现出极显著正相关关系. CPMI与土壤SOC、ROC333、ROC167、ROC33、DOC和MBC之间呈极显著正相关关系（P < 0.01）. 土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶和磷酸酶的酶活性与ROC333、DOC和MBC之间呈极显著正相关关系, 土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶的酶活性与ROC167以及土壤蔗糖酶和磷酸酶的酶活性与ROC33之间均呈显著正相关关系. 土壤pH与ROC333、DOC以及过氧化氢酶、蔗糖酶和磷酸酶的酶活性显著正相关, 土壤SOC与脲酶、蔗糖酶和磷酸酶的酶活性呈显著正相关关系. 玉米产量与土壤酶活性、CPMI、土壤SOC及其活性组分均呈显著正相关关系. 而除过氧化氢酶外, 大豆产量与土壤酶活性、CPMI、土壤SOC及其活性组分均呈显著正相关关系（P < 0.05）.

1. ROC333, 2. ROC167, 3.ROC33, 4.DOC, 5.MBC, 6.ROC333 /SOC, 7.ROC167 /SOC, 8.ROC33/SOC, 9.DOC/SOC, 10.qMB, 11.IOC, 12.L, 13.CPAI, 14.CPI, 15.CPMI, 16.过氧化氢酶, 17.脲酶, 18.蔗糖酶, 19.磷酸酶, 20.pH, 21.SOC, 22. TN, 23. C/N, 24.大豆产量, 25.玉米产量；*表示P < 0.05, **表示P < 0.01；椭圆越小表示相关性系数越大, 椭圆越大表示相关性系数越小；红色表示正相关, 蓝色表示负相关, 颜色越红表示正相关性越强, 越蓝表示负相关性越强图 3 各指标之间的相关性分析Fig. 3 Correlation analysis among indicators

如图 4所示, 以SOC、ROC333、ROC167、ROC33、DOC、MBC、CPMI、pH、TN、C/N、过氧化氢酶（HPA）、脲酶（UA）、蔗糖酶（IA）、磷酸酶（NPA）和玉米大豆产量为原始变量, 进行主成分降维分析, 其结果表明, 前两个轴（PC1和PC2）共同解释了93.71%的变异, 其中第一主成分轴（PC1）贡献率为86.84%, 第二轴（PC2）贡献率为6.87%. CK和NP处理主要分布在PC1的正轴, 而1/2（NPM）和M处理主要分布在PC1负轴, 可见, 1/2（NPM）和M处理对土壤SOC及其活性组分、酶活性和产量的贡献较大. 与CK和NP处理相比, 1/2（NPM）和M处理整体往土壤有机碳含量、碳库管理指数、玉米大豆产量提升的方向迁移, 尤其与ROC333、ROC167、MBC、DOC和CPMI等提升的方向高度重合, 同时, 1/2（NPM）处理的迁移距离较M处理更大. 另外, 与CK和NP处理相比, 1/2（NPM）和M处理往pH、UA、IA和NPA提升的方向迁移, 表明有机肥替代化学氮肥通过改善黄壤的pH、C/N和土壤酶活性, 驱动ROC333、ROC167、MBC和DOC等活性有机碳组分的形成和积累, 从而促进SOC的提升, 进而使作物增产.

HPA：过氧化氢酶, UA：脲酶, IA：蔗糖酶, NPA：磷酸酶, SY：大豆产量, MY：玉米产量图 4 土壤有机碳、碳库管理指数、酶活性及产量的主成分分析Fig. 4 Principal component analysis of soil organic carbon, carbon pool management index, enzyme activity, and yield

3 讨论3.1 不同施肥处理对土壤基本性质的影响

本研究表明, 有机肥替代化学氮肥使土壤pH值显著增加, 单施化肥使土壤pH值显著降低, 可能是因为化学氮肥添加后土壤中尿素的氨化和硝化释放了大量质子（H+）, 降低土壤pH值. 与单施化肥相比, 施有机肥可显著提高氮的利用率, 从而降低土壤NO3-和H+含量, 增加了土壤pH值[23, 24]. 王莹等[25]通过9 a设施番茄定位试验发现与单施化肥相比, 有机无机肥配施提高了土壤pH, 这与本研究的结果类似. 本研究还发现, 施有机肥显著增加了土壤SOC和C/N, 且土壤SOC含量随有机肥替代比例的增加而显著增加, 100%有机肥替代化学氮肥对SOC含量的提高效果最佳, 这与前人研究的结论一致[26]. 这可能是因为施用有机肥不仅直接向土壤输入有机碳, 而且改善了土壤的营养状况, 增强了土壤酶的活力和土壤微生物多样性, 从而增加了土壤有机碳含量[27]. 另外, 有研究发现有机肥属于高碳聚合物, 含有丰富的有机养分和具有较高的C/N, 作为碳源施入土壤后, 能够有效提升土壤肥力[28].

单施化肥处理增加了土壤TN含量, 显著降低了土壤C/N含量, 这与万辰等[29]的研究结果类似, 其原因是化肥属于速效养分, 施入土壤后能快速提高土壤氮素含量水平, 从而降低土壤C/N含量. 温延臣等[30]通过连续3 a定位试验发现, 有机肥替代化肥处理的土壤全氮含量显著高于单施化肥处理. 卜容燕等[31]研究发现, 与单施化肥相比, 等氮条件有机肥替代化肥的土壤全氮含量增加, 但差异不显著. 以上结论均与本试验结果不同, 可能是由于有机肥类型及用量、试验地自然环境因素不同.

3.2 不同施肥处理对土壤活性有机碳及其分配比例的影响

土壤活性有机碳只占有机碳很小的一部分, 但其对土壤管理措施响应敏感, 可以作为土壤质量和养分循环的敏感指标[4]. 本研究结果表明, 与CK处理相比, 各施肥处理均提高了土壤ROC333、ROC167、DOC和MBC含量, 可能是施肥促进了作物根系和土壤微生物活动, 增加了分泌代谢物, 从而增加了土壤活性有机碳含量[32]. 本研究结果发现, 与NP处理相比, 有机肥替代化学氮肥处理均提高了土壤ROC333、ROC167、DOC和MBC含量, 这与张瑞等[33]研究的结果相似. 一方面是由于单施化肥, 尤其是无机氮肥, 虽然增加了植物根茬等的残留, 但同时也会引起土壤C/N下降, 加速土壤中原有有机碳的分解矿化, 导致土壤积累的有机碳总量减少, 降低土壤微生物活性, 从而降低了土壤活性有机碳含量；另一方面是施化肥降低了土壤pH, 改变了部分微生物的生境, 减少了土壤微生物的数量和多样性, 使作物的生长发育受限, 作物生物量及秸秆归还量也会随之减少, 从而降低了土壤活性有机碳含量[34]；而有机肥施入土壤为微生物提供充足的碳源和能源物质, 刺激了土壤微生物的生长繁殖, 从而增加了微生物活性, 随之分解释放出更多的活性有机碳, 增加土壤ROC333、ROC167、DOC和MBC含量[7, 35]. 本研究还发现, 随有机肥替代比例增加土壤活性有机碳含量降低, 即50%有机肥替代化学氮肥[1/2（NPM）]较100%有机肥替代化学氮肥（M）土壤活性有机碳提升效果更佳, 一方面是有机肥的摄入虽然能为土壤微生物的活动提供丰富的养分和碳源物质, 提高微生物的代谢能力, 但随着有机肥摄入比例的增加, 超过了微生物的利用能力, 会使土壤微生物活性降低；另一方面可能是100%有机肥替代化学氮肥会使土壤板结, 降低土壤通气性, 影响植物生长发育, 而50%有机肥替代化学氮肥施入土壤改善了土壤环境, 促进作物地上部和根系的生长, 增加根系分泌物和有机残体的数量, 从而提高了土壤活性有机碳含量.

土壤活性有机碳组分与总有机碳的比值可用来表征土壤有机碳的活性[36]. 有研究发现, 有机无机配施能提高土壤易氧化有机碳[37]、可溶性有机碳[38]和微生物量碳[39]的比例. 本研究表明, 单施化肥和100%有机肥替代化学氮肥对土壤易氧化有机碳及微生物量碳的比例均有一定的提升作用, 但效果不及50%有机肥替代化学氮肥, 这与以上研究结论类似. 可能是因为50%有机肥替代化学氮肥改善了土壤理化性质, 促进土壤微团粒结构的形成, 增加了土壤微生物数量和多样性[40], 从而提高了土壤活性有机碳组分的相对比例. 相关性分析表明, 土壤SOC与ROC333、ROC167、ROC33、DOC和MBC之间呈显著正相关, 这说明土壤活性有机碳含量很大程度上依赖于SOC含量.

3.3 不同施肥处理对土壤碳库管理指数的影响

CPMI能灵敏反映土壤有机碳库的质量和数量, 为农田土壤增碳固碳提供量化依据[22]. 本研究发现, 与CK和NP处理相比, 1/2（NPM）和M处理显著增加土壤CPMI, 且1/2（NPM）处理的CPMI高于M处理. 通过相关性分析可知, CPMI与土壤SOC、ROC333、ROC167、ROC33、DOC和MBC之间呈极显著正相关关系（P < 0.01）, 这说明有机肥替代化学氮肥可以改善土壤质量、培肥土壤, 使土壤保持较高的肥力水平, 而单施化肥土壤培肥效果较差. Tang等[41]研究发现, 有机无机肥料配施较单施化肥处理可以显著提高土壤碳库管理指数, 改善土壤质量, 提升土壤肥力. 李小磊等[42]研究也发现, 相较于不施肥处理, 不同施肥措施均能够提高各土层土壤碳库管理指数, 长期施用猪粪配施化肥对0~20 cm土层土壤库管理指数提升效果最好, 以上研究均与本研究结论一致. 而刘强等[43]研究发现, 各施肥处理显著提高0~20 cm土壤CPMI, 其在M处理下提升效果最佳, 这与本研究的结论有差异, 可能是因为土壤基本性质、气候条件、施肥方式及栽培措施等不同.

3.4 不同施肥处理对土壤酶活性及作物产量的影响

土壤酶活性作为表征土壤性质的生物活性指标, 在土壤养分循环以及植物生长所需养分供给过程中起到重要的作用, 其活性可快速反映施肥对土壤肥力及质量的影响[44]. Zhu等[45]研究发现, 与单施化肥相比, 有机肥部分替代化肥不仅能有效刺激土壤酶活性, 而且还能提高土壤中参与复杂有机质分解和养分转化的细菌类群. 本研究发现, 与CK和NP处理相比, 有机肥替代化学氮肥显著提高了土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性, 且以50%有机肥替代化学氮肥处理提升效果最好. 一方面可能是50%有机肥替代化学氮肥能改善土壤结构, 促进更多土壤微粒的团聚, 土壤酶能与土壤中的团粒和有机质形成稳定的复合物, 从而增加了土壤酶活性[46]；另一方面是其含有大量有机质, 能为产酶微生物提供充足的碳源, 促进土壤的生化过程[13]；同时有机肥含有较高的C/N, 使土壤C/N被控制在适宜的范围, 有利于提高土壤微生物的活性和生物量, 而土壤微生物数量增加会使包括酶在内的分泌物增加.

作物产量是农田土壤生产力的直接体现, 是农田土壤肥力变化的最有力指标[47]. 本研究显示, 各施肥处理均显著提高了玉米和大豆产量, 且以50%有机肥替代化学氮肥处理对玉米和大豆产量提升效果最好, 这与谢军等[48]研究的结果一致, 其原因可能是50%有机肥替代化学氮肥改善了土壤环境, 通过调节土壤C/N, 提高了土壤微生物的数量和活性, 增加了土壤酶活性, 促进了土壤碳氮磷养分的矿化循环, 满足了玉米和大豆在生育期对养分需求, 从而促进其产量. 由相关性分析得出玉米和大豆产量与土壤碳库和酶活性之间呈显著正相关关系, 这说明土壤活性有机碳和土壤酶活性在一定程度上能够反映土壤肥力和土壤质量状况, 所以土壤活性有机碳和土壤酶活性可以作为评价土壤肥力高低的活性指标. 隋跃宇等[49]通过长期施肥试验发现, 土壤过氧化氢酶、磷酸酶和转化酶活性与大豆产量显著相关, 刘娇妹等[50]研究也发现, 玉米产量与土壤有机质、养分含量和土壤酶活性呈显著正相关关系, 以上研究均与本研究的结论一致.

4 结论

（1）有机肥替代化学氮肥处理均增加了土壤pH、SOC含量和C/N, 其中, 50%有机肥替代化学氮肥对土壤C/N提升效果最佳.

（2）有机肥替代化学氮肥显著提高了土壤活性有机碳（ROC333、ROC167、DOC和MBC）含量和土壤碳库管理指数, 且均以50%有机肥替代化学氮肥提升效果最好. 相关性分析表明, 土壤SOC与土壤活性有机碳组分以及各土壤活性有机碳组分之间呈显著正相关, CPMI与土壤SOC和土壤活性有机碳组分之间呈极显著正相关关系（P < 0.01）.

（3）有机肥替代化学氮肥显著提高了土壤酶活性, 各施肥处理均显著提高了玉米和大豆产量, 且均以50%有机肥替代化学氮肥提升效果最佳. 玉米产量与土壤酶活性、CPMI、SOC及其活性组分均呈显著正相关关系（P < 0.05）. 因此, 从增产和土壤培肥角度看, 50%有机肥替代化学氮肥有利于改善土壤质量, 提高土壤肥力, 是贵州安顺黄壤地区实现作物高产的关键施肥技术.