不同耕作方式對農田土壤養分含量及土壤酶活性的影響

張德喜， 吳 卿

(1.河南水利與環境職業學院環境工程系，河南鄭州 450008； 2.華北水利水電大學，河南鄭州 450036)

農民為了基本的生活必然須要進行耕種、施肥、犁地甚至噴灑農藥等一系列耕作，這些耕作直接對土壤結構及養分等產生重要影響，適度的耕作方式能夠保持土壤的活性，不同的土壤耕作利用途徑能夠帶來差異顯著的土壤結構，同時對微生物活動及其分布產生不容忽視的影響[1-2]。不同地區的土壤結構、養分含量等特性不同，但都必然受到耕作方式的直接制約，最主要的影響表現在土壤養分含量及活性方面，且呈現出明顯的區域差異性[3]。土壤作為土生作物生長的必備條件，為作物生長提供必需的養分，其肥力及結構變化直接影響作物的生長，因此在生態循環過程中處于核心傳遞區域，植物及土壤在水、氣的共同影響下對環境產生多變性的影響，這也是生態環境的重要組成部分之一。土生植物依賴于土壤養分才能生存，否則就成為了無本之木，而養分是氣候、土質構造作用下的直接產物，同時受人為因素的深入影響，進而對土壤質量形成制約[4]。土壤酶在微生物及腐殖質等共同作用下形成，是土壤重要的活性成分，直接影響土壤質量，它參與有機質分解及能量轉移，間接對作物生長產生影響[5]，可反映土壤中各種生物化學反應的強度等，能夠作為較準確的土壤活性及質量指標之一。隨著土壤污染的日益嚴重，土壤質量備受關注，關于這方面的研究也越來越多，通過研究發現，不同的耕作條件可對土壤酶產生顯著影響，且呈現明顯的區域差異性，因此土壤酶在土壤研究中成為重要主題，也是評價土壤污染的指標之一[6]。不同耕作方式對土壤酶活性及養分含量具有重要影響[7]，因此研究土壤酶活性及養分含量對耕作方式的響應具有重要的現實意義。

江漢平原憑借大面積的平原耕作成為湖北省小麥主產區之一，擁有多達25萬hm2的耕種面積，全省1/3的小麥播種集中在該平原，但該平原面臨著單產低的問題，且該問題已成為該區域農業發展的一大制約因素[8]。長期以來，該區域以傳統壟耕為主，加之不合理的施肥撒藥等問題，最終導致土壤的可耕層大大變淺，土壤養分含量降低，而犁底層變得更厚更硬，這樣極易導致作物產量下降，因此研究江漢平原耕作方式對土壤的影響成為現實問題，只有通過改良耕作方式提升土壤酶活性及質量來提升作物單產[4，9]。有研究表明，農田的免耕及少耕等處理方式能夠較好地恢復土壤酶活性及養分含量，在很大程度上降低風蝕和水蝕問題，對于改良土壤結構、提升單產起到明顯的作用[10]。有學者認為，免耕有利于土壤堿解氮含量的提升，進而增強土壤質量，對土壤進行深松處理能夠進一步拓深犁底層，為根系生長提供更疏松的環境，從而利于根系生長發育[11]。總之，不同的耕作方式對土壤結構及養分含量的影響也不盡相同，必須以合理的耕作方式來開發利用土壤，因此研究江漢平原耕作方式對土壤酶活性及養分含量的影響具有現實意義和緊迫性，以期為合理開發土壤提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

于2016年5—10月在湖北省華中農業大學試驗基地設置試驗，該地區年平均氣溫19.8 ℃，年平均降水量 1 320 mm，全年無霜期236～257 d，降水主要集中在夏季，溫差較大，四季分明。氣候類型屬于溫帶半濕潤大陸性氣候，土壤類型是棕壤，供試農田小麥品種為鄭麥9203，試驗采用隨機區組設計，設置3種耕作方式處理，分別為旋耕、翻耕、免耕。每個處理3次重復，每小區8行，行長50 m，行距 0.65 m，小區面積為260 m2。氮(純N)、磷(P2O5)、鉀肥(K2O)施用量分別為240、120、90 kg/hm2，所用肥料分別為尿素(46% N)、磷酸二銨(46% P2O5、18% N)和硫酸鉀(50% K2O)，其中70%氮肥和全部磷肥、鉀肥作為基肥隨播種一次性施入，剩余30%氮肥于拔節期施入。5月10日播種，種植密度 7.5萬株/hm2，其他田間管理措施均同大田常規栽培。

1.2 土壤養分含量和酶活性測定

于玉米成熟期，在各試驗小區采用“S”形隨機取點法用土鉆分別在行間取0～10 cm土樣用于土壤養分含量的測定。

土壤樣品經自然風干后，去除植物根系等雜物過2 mm篩，土壤pH值的測定采用電極電位法(2.5 ∶1.0水土比浸提液)；土壤電導率的測定采用電導法；采用元素分析儀(Element，意大利)測定有機碳含量和全氮含量；全磷含量的測定采用NaOH堿溶-鉬銻抗比色法；有效磷含量的測定采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；銨態氮、硝態氮含量的測定采用靛酚藍比色法[10-11]。

采用三氯甲烷熏蒸-K2SO4浸提法測定4 ℃保存的新鮮土樣的土壤微生物量碳、氮含量。

土壤蔗糖酶活性的測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法；土壤脲酶活性的測定采用苯酚鈉比色法；土壤酸性磷酸酶活性的測定采用磷酸苯二鈉法；土壤脫氫酶活性的測定采用分光光度法。

土壤微生物數量的測定采用平板梯度稀釋法，其中細菌培養基為牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基，真菌培養基為馬丁氏培養基，放線菌培養基為高氏一號瓊脂培養基；固氮菌培養基為棕色固氮菌M-15培養基；纖維素菌培養基為木霉培養基。

1.3 數據分析

利用Excel 2003和SPSS 13.0軟件對數據進行分析，采用Origin 9.2作圖，單因素方差(One-way ANOVA)進行分析，顯著性分析采用LSD法。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式對土壤粒徑組成及理化性質的影響

由表1可知，0.05(含)～1.00 mm土壤所占比例為15.12%～19.25%，具體表現為翻耕>免耕>旋耕，其中翻耕和免耕差異不顯著(P>0.05)，但均顯著高于旋耕(P<0.05)；0.002(含)～0.050 mm土壤所占比例為51.75%～63.21%，具體表現為旋耕>翻耕>免耕，不同耕作方式差異顯著(P<0.05)；<0.002 mm 土壤所占比例為21.67%～29.95%，具體表現為免耕>翻耕>旋耕，其中免耕顯著大于翻耕和旋耕(P<0.05)，翻耕和旋耕差異不顯著(P>0.05)；土壤容重的變化范圍為0.76～1.03 g/cm3，具體表現為免耕>翻耕>旋耕，其中免耕顯著高于翻耕和旋耕(P<0.05)；不同耕作方式土壤pH值變化范圍為6.05～7.02，具體表現為免耕>旋耕>翻耕，其中免耕顯著高于翻耕和旋耕(P<0.05)；土壤電導率的變化范圍為65.23～85.62 μS/cm2，具體表現為翻耕>旋耕>免耕，且不同耕作方式間差異顯著(P<0.05)。

表1 不同耕作方式對土壤粒徑組成及理化性質的影響

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。表3至表5同。

2.2 不同耕作方式對土壤養分含量的影響

由表2可知，在不同耕作方式下，土壤養分(有機碳、全氮、全磷)含量和有效養分(有效磷、硝態氮和銨態氮)含量變化均呈現出一致性規律，具體表現為翻耕>旋耕>免耕，其中翻耕的土壤有機碳、全氮含量與旋耕差異不顯著(P>0.05)，但均顯著高于免耕(P<0.05)；不同耕作方式土壤全磷含量變化范圍為0.84～0.85 g/kg，具體表現為翻耕>旋耕=免耕，不同耕作方式土壤全磷含量差異不顯著(P>0.05)；不同耕作方式土壤有效磷含量變化范圍為10.78～15.32 mg/kg，具體表現為翻耕>旋耕>免耕，不同耕作方式土壤有效磷含量差異顯著(P<0.05)；不同耕作方式土壤硝態氮含量變化范圍為5.12～8.23 mg/kg，具體表現為翻耕>旋耕>免耕，其中翻耕和旋耕差異不顯著(P>0.05)，但二者顯著高于免耕(P<0.05)；不同耕作方式土壤銨態氮含量變化范圍為2.13～3.02 mg/kg，具體表現為翻耕>旋耕>免耕，其中旋耕和免耕差異不顯著(P>0.05)，但二者顯著低于翻耕(P<0.05)。

2.3 不同耕作方式對土壤微生物量的影響

從表3可以看出，不同耕作方式土壤微生物量碳(MBC)含量和微生物量氮(MBN)含量變化均呈現出一致性規律，具體表現為翻耕>旋耕>免耕；不同耕作方式土壤微生物量碳含量變化范圍為278.03～562.31 mg/kg，不同耕作方式土壤微生物量碳含量差異顯著(P<0.05)；不同耕作方式土壤微生物量氮含量變化范圍為25.78～58.94 mg/kg，不同耕作方式土壤微生物量氮含量差異顯著(P<0.05)；不同耕作方式土壤微生物量碳含量/微生物量氮含量則呈現出相反的變化趨勢，具體表現為翻耕<旋耕<免耕，變化范圍為9.54～10.78，不同耕作方式土壤微生物量碳含量/微生物量氮含量差異不顯著(P>0.05)。

2.4 不同耕作方式對土壤微生物數量的影響

土壤微生物的數量分布不僅可以敏感地反映土壤質量的變化，而且是土壤中生物活性的具體體現。由表4可知，不同耕作方式下土壤各類群微生物數量與總微生物數量均存在較大差異，其中細菌、真菌、放線菌數量與微生物總數量的變化趨勢相一致，細菌、放線菌、真菌為組成微生物種群的三大類，其中細菌數量處于絕對優勢地位。不同耕作方式土壤細菌數量的變化范圍為1.09×105～1.53×105CFU/g，具體表現為翻耕>旋耕>免耕，其中翻耕和旋耕差異不顯著(P>0.05)，但均顯著高于免耕(P<0.05)；土壤放線菌數量的變化范圍為 0.76×105～1.13×105CFU/g，具體表現為翻耕>旋耕>免耕，其中旋耕和免耕差異不顯著(P>0.05)，但二者顯著低于翻耕(P<0.05)；土壤真菌數量變化范圍為0.35×103～0.86×103CFU/g，具體表現為翻耕>旋耕>免耕，其中翻耕和旋耕差異不顯著(P>0.05)，但均顯著高于免耕(P<0.05)；土壤固氮菌數量的變化范圍為6.25×103～9.32×103CFU/g，具體表現為翻耕>旋耕>免耕，不同耕作方式下土壤固氮菌數量差異顯著(P<0.05)；土壤纖維素菌數量的變化范圍為1.85×103～3.02×103CFU/g，具體表現為翻耕>旋耕>免耕，其中旋耕和免耕差異不顯著(P>0.05)，但二者顯著低于翻耕(P<0.05)；微生物總數量與細菌、放線菌、真菌數量變化趨勢相一致。

表2 不同耕作方式對土壤養分含量的影響

表3 不同耕作方式對土壤微生物量的影響

表4 不同耕作方式對土壤微生物數量的影響

2.5 不同耕作方式對土壤酶活性的影響

土壤酶活性能夠靈敏地反映土壤管理措施的變化，可用于表征土壤養分循環速率。由表5可知，不同耕作方式下土壤酶活性存在較大差異，其中土壤蔗糖酶活性的變化范圍為98.74～135.62 mg/(g·d)，具體表現為翻耕>旋耕>免耕，不同耕作方式土壤蔗糖酶活性差異顯著(P<0.05)；脫氫酶活性的變化范圍為0.53～0.85 mg/(g·d)，具體表現為翻耕>旋耕>免耕，其中翻耕和旋耕差異不顯著(P>0.05)，但二者顯著高于免耕(P<0.05)；脲酶活性的變化范圍為 0.51～0.72 mg/(g·d)，具體表現為翻耕>旋耕>免耕，其中翻耕和旋耕差異不顯著(P>0.05)，但二者顯著高于免耕(P<0.05)；酸性磷酸酶活性的變化范圍為187.04～243.21 mg/(g·d)，具體表現為翻耕>旋耕>免耕，不同耕作方式下酸性磷酸酶活性差異顯著(P<0.05)。

2.6 土壤養分含量與酶活性之間的相關性

由表6可知，土壤有機碳、全氮含量與蔗糖酶、脫氫酶、酸性磷酸酶活性和細菌數量呈顯著或極顯著正相關關系，土壤養分為土壤微生物提供了重要碳源和氮源。土壤有效養分與土壤微生物量碳含量、蔗糖酶活性和纖維素菌數量呈顯著正相關，說明土壤微生物量碳仍是有效養分的主要來源，其中土壤pH值對土壤微生物量、微生物數量和酶活性貢獻為負，土壤養分對土壤微生物量、微生物數量和酶活性貢獻為正，這是造成不同耕作方式土壤微生物量、微生物數量和酶活性差異的重要原因，其中有機碳和全氮是土壤微生物量、微生物數量和酶活性的主要養分來源。土壤硝態氮、銨態氮含量與微生物量氮含量和固氮菌數量呈顯著或極顯著正相關關系，說明固氮菌數量主要依賴于土壤硝態氮、銨態氮含量。

表5 不同耕作方式對土壤酶活性的影響

3 討論與結論

通過研究發現，耕作方式的不同會給土壤帶來明顯的影響，主要體現在土壤結構、酶活性及養分含量方面[12]。本研究發現，不同耕作方式造成不同的土壤結構、土壤養分含量，其中土壤容重表現為免耕>翻耕>旋耕，土壤養分(有機碳、全氮)含量和有效養分(有效磷、銨態氮和硝態氮)含量變化均呈現出一致性規律，具體表現為翻耕>旋耕>免耕，由此可

表6 土壤養分與酶活性之間的相關性

注：*、**分別表示在0.05、0.01水平上差異顯著(雙尾)。

知，土壤的利用方式對其理化結構產生了重大影響，進而影響土壤肥力。

土壤pH值與土壤養分含量之間具有明顯相反的變化趨勢，土壤pH值不僅對土壤全量養分含量產生直接影響，同時影響有效養分含量，根系通過分泌有機酸來增強其對土壤養分的吸收，有機酸具有一定的溶解性，pH值降低的情況下能夠加速養分的溶解，從而為土壤養分含量的增加創造條件。不同的耕作方式會對土壤水溶性養分含量產生直接影響，翻耕和深耕能夠增加土壤孔隙度，直接進行土質疏松，有利于微生物富集，在綜合作用下使水溶性較高的養分不斷增加，在這種情況下，微生物作用能夠促進養分快速礦化而被作物高效吸收，因此與免耕相比，這2種耕作方式下的土壤具有更高的養分含量[13]。但土壤全磷含量受耕作方式的影響并不明顯，這主要是由于磷具有很強的沉積性[13]，其分解速度相對較慢，因此差異并不明顯；與免耕相比，翻耕和旋耕作用下硝態氮含量顯著增加，主要是由于這2種耕作方式能夠促進銨態氮的分解，并加速硝態氮的淋溶，在作物生長和微生物活動的共同作用下硝態氮和銨態氮能夠被有效吸收利用。

土壤酶活性代表土壤微生物的新陳代謝能力，同時代表碳素循環效率，是土壤質量的重要指標之一；不同的土壤耕作利用途徑能夠帶來具有顯著差異的土壤結構，同時對微生物活動及其分布產生不容忽視的影響。高明等認為，免耕方式下的真菌數量低于翻耕處理條件下，但細菌等分解菌數量卻明顯較高[14]。張磊等認為，翻耕與免耕條件下土壤微生物在不同的季節具有不同的數量，但免耕方式下的數量相對來說更為穩定[15]。另外，翻耕和旋耕能夠促進腐殖質分解，在很大程度上增加土壤肥力，主要是由于翻耕能夠疏松下層土壤，在氧氣和秸稈作用下微生物分泌與氮循環相關的土壤酶效果增強。與免耕相比，翻耕和旋耕能夠促進土壤微生物量氮、微生物量碳的增加。通過相關分析發現，土壤養分不僅與土壤酶活性息息相關，還與微生物數量密不可分，土壤有機碳能夠促進微生物活動并提高酶活性；土壤微生物量碳能夠促進土壤有效養分的積累，而土壤pH值較高則不利于土壤微生物數量和酶活性的提升。綜合來看，翻耕和旋耕能夠顯著提升表層土壤有機碳、全氮含量，對有效養分含量的增加以及水解酶活性的增強起著不可忽視的影響。

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