激發式秸稈還田對麥季潮土團聚體中酶活性的影響①

趙永超，李曉鵬，閆一凡，王一明，劉建立*

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激發式秸稈還田對麥季潮土團聚體中酶活性的影響①

趙永超1,2，李曉鵬1，閆一凡1,2，王一明1，劉建立1*

(1中國科學院南京土壤研究所，南京 210008；2中國科學院大學，北京 100049)

秸稈還田是提升潮土有機質、改良土壤結構的重要措施。添加有機肥和微生物菌劑可激發土壤微生物活性，促進秸稈腐解、提高土壤酶活性。本研究通過潮土區田間小區試驗，研究激發式秸稈還田及微生物菌劑對土壤團聚體中酶活性的影響，結果表明：在小麥整個生育期：①施加有機肥(8% 氮來自有機肥)的處理，不同級別團聚體中的酶活性(脲酶、蔗糖酶、纖維素酶、堿性磷酸酶)比一次性施肥及常規施肥處理高8.15% ~ 66.93%，且差異顯著(＜0.05)；施加有機肥對0.25 ~ 0.053 mm團聚體中纖維素酶和堿性磷酸酶活性的增加效果明顯；②添加微生物菌劑可提高不同級別團聚體中脲酶、纖維素酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶的活性，不同酶活性的增幅存在差異；③團聚體中脲酶、纖維素酶活性在苗期較低而后逐漸升高；蔗糖酶、堿性磷酸酶的活性在苗期較低，至拔節期大幅升高而后逐漸降低；④氮肥不同基肥與追肥比例對土壤團聚體中酶活性也有一定影響：試驗表明，基追比為5︰5的處理不同級別團聚體中脲酶、纖維素酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶的活性高于基追比6︰4的處理。

潮土；激發式秸稈還田；土壤酶活性；土壤團聚體

土壤酶是一個敏感的生物學指標[1]，可及時、準確、靈敏地反映土壤中各種生化過程的方向和強度[2]，對土壤肥力的演化具有重要影響[3-4]。農業生產中的各種管理措施都會對土壤的理化性質、微生物區系產生影響[5-9]，從而進一步影響土壤酶的活性，因此研究秸稈還田條件下土壤酶活性的變化特征對秸稈還田提升土壤地力有一定的指導意義。

秸稈還田是培肥地力的重要措施，對改善土壤的水、肥、氣、熱等都有重要的作用[10-12]。在秸稈還田過程中添加有機肥作為激發源(激發式秸稈還田)對土壤酶活性等的影響已有報道，許仁良等[13]的研究發現綜合運用秸稈還田、有機肥和氮肥的處理根際真菌的數量、根際生物量態養分、有機質含量顯著增加；王麗娜等[14]的研究表明秸稈還田配施有機肥有利于增加土壤微生物數量和酶活性，明顯改善土壤肥力。但這些研究均以某一土層的均勻混合土壤樣品為研究對象，沒有考慮土壤微環境對酶活性等的影響。實際上土壤是由不同級別團聚體膠結形成的統一整體。已有的研究表明，不同級別團聚體的形成環境和膠結類型不同，其物質和能量的循環轉化速度也存在著差異[15]，因此微生物的代謝和內部物質的組成等會出現差異[16]，導致土壤酶活性產生差異。為了進一步揭示激發式秸稈還田提升地力的效果，了解酶活性在團聚體中的分布，本試驗以黃淮海平原潮土為研究對象，對氮肥不同基追比、微生物菌劑添加條件下激發式秸稈還田對土壤團聚體中酶活性變化進行研究，探討土壤團聚體中酶的分布特征及氮肥不同基追比、微生物菌劑添加條件下對其分布的影響，以期為明確激發式秸稈還田對于潮土地力的培肥機理提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于河南省新鄉市封丘縣。潮土是該縣分布最廣、面積最大的耕作土壤，占全縣土壤面積的98.4%。該地區屬于半干旱半濕潤的暖溫帶季風氣候，多年平均降雨量為605 mm，全年降雨量的60% ~ 90% 多集中在5—10月，年平均氣溫為13.9℃。

1.2 試驗設計

試驗區土壤為典型的潮土，土壤基本理化性狀見表1。種植模式為冬小麥-夏玉米輪作。試驗開始于2014年小麥季，試驗處理如表2所示。每個處理設4次重復，共20個小區，各小區按照隨機區組排列，小區面積45 m × 4.5 m = 202.5 m2，各小區之間起壟隔開。

表1 土壤基本理化性質

注：①8% 氮來自有機肥是指施入有機肥的氮素含量占總施氮量的8%；②基追比：氮肥基肥與追肥的比例。

所有處理均為玉米秸稈粉碎還田，小麥秸稈覆蓋還田，具體操作為：玉米收獲后，采用機械粉碎的方式將玉米秸稈全部翻埋入土壤中，玉米秸稈還田量約為9 000 kg/hm2；小麥收獲后秸稈不移除，覆蓋于土壤表面。根據封丘縣當地生產實踐和前期工作經驗，化肥的施加水平為：N 250 kg/hm2、P2O5160 kg/hm2，不施加鉀肥。微生物菌劑為酵母發酵濃縮物等，由中國科學院南京土壤研究所微生物課題組研制，用量為30 kg/hm2；有機肥為經過腐熟發酵雞糞，由新鄉縣普路托斯農業科技有限公司生產(N 1.5%；P 1%；K 0.6%)。所用化肥為：尿素(N 46%)、磷酸二銨(N 18%、P2O546%)、復合肥(小麥季：N 16%、P2O516%、K2O 16%；玉米季：N 28%、P2O56%、K2O 6%)。

肥料的施用方法：小麥季：機械旋耕作業前將有機肥、化肥(基肥)與微生物菌劑混合均勻后撒施；玉米季：待玉米出苗后將有機肥、化肥(基肥)與微生物菌劑混合均勻后人工穴施。作物灌溉等農事管理均按照當地常規方式進行。

1.3 樣品采集與分析測定

于2015年9月—2016年6月小麥季的苗期、拔節期、孕穗期和成熟期采集表層0 ~ 20 cm土樣，每個小區內隨機選取5個樣點，混合為一個土樣。土壤團聚體樣品采集：田間采集到的原狀土壤樣品放入到硬質塑料盒帶回實驗室，風干至土塊含水量達到土壤塑限(含水量23% 左右)時[17-19]，用手把大土塊沿著其自然結構挀成不同大小的土塊，除去植物根系、小石塊等，然后在室溫下風干[5]。

采用干篩法進行土壤團聚體分級：稱取一定量的風干土樣放入到羅列好的套篩中，套篩由上而下的孔徑大小分別為：2、0.25和0.053 mm，最下面放置一個無孔的底盤，加蓋后采用人工手篩的方法左右震蕩200次，分離出>2 mm、2 ~ 0.25 mm、0.25 ~ 0.053 mm、<0.053 mm的土壤團聚體[20]。

各級團聚體的質量百分含量＝該級團聚體質量/土壤樣品總質量×100%

選取3個粒徑(＞2 mm、2 ~ 0.25 mm、0.25 ~ 0.053 mm)的土壤進行酶活性的測定。脲酶活性(以NH3-N的質量計)采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定，單位為mg/(g·24h)；纖維素酶活性(以葡萄糖質量計)采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，單位為mg/(g·72h)；土壤蔗糖酶活性(以葡萄糖質量計)采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，單位為mg/(g·24h)；土壤堿性磷酸酶活性(以酚質量計)采用磷酸苯二鈉比色法測定，單位為mg/ (g·24h)[5]。

采用SPSS19.0和Excel2010軟件對試驗數據進行分析、作圖，每個試驗處理結果以4個重復的小區數據平均值和標準差來表示。

2 結果與分析

2.1 激發式秸稈還田對土壤干篩團聚體組成的影響

由表3可以看出，不同施肥處理在一定程度上改變了0 ~ 20 cm土層土壤干篩團聚體的分布，同級別團聚體含量各處理間差異不顯著。添加有機肥的處理>0.25 mm團聚體的含量較其他處理(M0、M1、M3)高0.38% ~ 6.44%。這說明了添加有機肥能改善土壤的團聚體結構，增加了大團聚體含量[21]。在整個生育期，>2 mm團聚體含量略有下降，2 ~ 0.25 mm團聚體的含量呈現先下降后上升的變化規律，0.25 ~ 0.053 mm團聚體的含量先上升后下降，這可能是由于前期的冰凍作用使大粒徑團聚體發生破壞[22-23]，后期水熱條件的變化也可能對 >2 mm的團聚體產生了影響，有關這一現象還需要進一步的研究討論。

表3 不同處理土壤干篩團聚體組成(g/kg)

注：同一行中小寫字母不同表示處理間差異顯著(＜0.05)。

2.2 激發式秸稈還田對土壤團聚體酶活性的影響

2.2.1 土壤團聚體脲酶活性 由圖1可以看出，在小麥整個生育期內，不同級別團聚體中脲酶活性呈現相同的變化趨勢：在苗期、拔節期土壤脲酶活性較低，而后逐漸升高。同一級別團聚體中，添加有機肥處理(M2、M4)的土壤團聚體中脲酶活性較其他處理(M0、M1、M3)高22.02% ~ 66.93%，且差異顯著(<0.05)，羅世瓊等[24]的研究有相似的結果。這說明了有機肥能顯著提高脲酶的活性，可能有兩方面的原因：一是加入的有機肥提供了脲酶產生的底物；二是有機肥中大量的營養元素和有機物質為作物的生長和微生物的繁殖創造了條件，提高了土壤脲酶的活性。總體來看，施加有機肥的處理2 ~ 0.25 mm團聚體中脲酶活性較高，施加化肥處理的脲酶活性最大值在不同生育期存在于不同級別團聚體中。

不同基追比對土壤團聚體中脲酶活性也有影響。在整個生育期內，> 2 mm、2 ~ 0.25 mm團聚體中脲酶活性表現為基追比為5︰5的處理較基追比為6︰4處理高8.29% ~ 20.01%，在拔節期這種差異達到了顯著水平(<0.05)。苗期和拔節期，兩種基追比對0.25 ~ 0.053 mm團聚體中脲酶活性的影響也表現為M4>M2，在孕穗期和成熟期卻呈現M2＞M4的現象。

與M0處理相比，施加微生物菌劑對土壤脲酶活性的提高有一定的作用，但是增幅不大，在整個生育期內，最高增幅為8.05%。微生物菌劑提高土壤脲酶活性可能是由于微生物菌劑本身帶有一定的微生物，土壤中豐富的營養物質為微生物的活動創造了條件，微生物代謝功能旺盛，脲酶活性提高。

2.2.2 土壤團聚體纖維素酶活性 纖維素酶由土壤微生物產生，可作用于作物秸稈的分解。由圖2可以看出，整個生育期內，不同大小團聚體中纖維素酶活性呈現從苗期到成熟期逐漸增大的趨勢。同一級別團聚體中，不同處理措施對纖維素酶活性的影響呈現M2、M4＞M3≥M1＞M0的變化規律，且M2、M4與M0、M1、M3處理間纖維素酶活性的差異達到了顯著水平(<0.05)。在整個生育期內，不同施肥處理，0.25 ~ 0.053 mm團聚體中纖維素酶活性的增加較快，在整個生育期最高增幅達215.00%。

(圖中同一生育期小寫字母不同表示處理間差異達到P<0.05顯著水平，下同)

在整個生育期內，0.25 ~ 0.053 mm、>2 mm團聚體中基追比5︰5處理的纖維素酶活性較基追比6︰4處理高12.50% ~ 86.21%。>2 mm團聚體中纖維素酶活性差異在苗期、成熟期達到了顯著水平(<0.05)；0.25 ~ 0.053 mm團聚體中纖維素酶活性在苗期、孕穗期達到了顯著水平(<0.05)。2 ~ 0.25 mm團聚體中纖維素酶活性在苗期、成熟期表現為基追比5︰5處理高于基追比6︰4的處理，且差異顯著；拔節期和孕穗期呈現基追比5︰5處理低于基追比6︰4處理的現象。

與M0處理相比，施加微生物菌劑土壤纖維素酶活性的增幅為2.94% ~ 96.88%，在成熟期0.25 ~ 0.053 mm團聚體中M0、M3處理間纖維素酶活性的差異達到了顯著水平(<0.05)；在整個生育期，施加微生物菌劑 >2 mm、2 ~ 0.25 mm、0.25 ~ 0.053 mm團聚體中纖維素酶活性的增幅分別為：2.94% ~ 10.20%、4.13% ~ 37.50%、31.81% ~ 96.88%；因此施加微生物菌劑能在一定程度上增加土壤纖維素酶的活性，且對于0.25 ~ 0.053 mm團聚體中纖維素酶活性的增加效果明顯。

2.2.3 土壤團聚體蔗糖酶活性 蔗糖酶廣泛存在于土壤中，它能增加土壤中易溶性的營養物質，作為評價土壤熟化程度和肥力的一個指標[5, 25]。蔗糖酶參與土壤有機碳的循環，可以將土壤中的蔗糖分解為有利于微生物利用的單糖[26]。激發式秸稈還田對土壤蔗糖酶活性的影響如圖3所示。在整個生育期內，不同處理、不同級別團聚體中蔗糖酶活性的變化趨勢相似，在拔節期達到峰值。同一生育期，施用有機肥的處理不同級別團聚體中土壤蔗糖酶活性均高于施用化肥的處理，增幅為4.14% ~ 18.03%，且差異顯著(<0.05)。

圖2 不同處理方式對土壤團聚體中纖維素酶活性的影響

在小麥整個生育期，不同級別團聚體中蔗糖酶活性的大小順序為基追比5︰5的處理蔗糖酶活性較基追比6︰4處理高1.13% ~ 5.46%，且>2 mm、2 ~ 0.25 mm、0.25 ~ 0.053 mm團聚體中兩種基追比處理間蔗糖酶活性分別在：成熟期；苗期、孕穗期、成熟期；拔節期、孕穗期、成熟期達到了顯著水平(<0.05)。

與M0處理相比，添加微生物菌劑土壤蔗糖酶活性在苗期和拔節期增幅較小，不同級別團聚體中蔗糖酶活性差異不顯著(>0.05)；孕穗期和成熟期不同級別團聚體中蔗糖酶活性的增幅較大，差異達到了顯著水平(<0.05)。

2.2.4 土壤團聚體堿性磷酸酶活性 在小麥整個生育期，土壤堿性磷酸酶活性在拔節期達到了最大值，孕穗期、成熟期略有下降(圖4)。不同級別團聚體中堿性磷酸酶活性與纖維素酶變化規律相似，即施用有機肥對土壤堿性磷酸酶活性有顯著的提高作用(< 0.05，苗期 > 2 mm團聚體中堿性磷酸酶的活性除外)。成熟期施加有機肥的處理團聚體中堿性磷酸酶活性呈現隨團聚體直徑增大而減小的趨勢，且施加有機肥的處理不同級別團聚體中堿性磷酸酶活性的變幅(19.60%)高于施加化肥(10.66%)的處理，邱莉萍等[27]對長期培肥塿土的研究也有相同的規律。添加微生物菌劑土壤團聚體中堿性磷酸酶活性的增幅為4.44% ~ 20.59%，說明了微生物菌劑的添加對于提高土壤磷素的利用具有一定的作用。

圖3 不同處理方式對土壤團聚體中蔗糖酶活性的影響

不同基追比對土壤堿性磷酸酶活性亦有影響。在整個生育期內，與基追比為6︰4的處理相比，基追比為5︰5的處理不同級別團聚體中土壤堿性磷酸酶活性的增幅為0.51% ~ 9.09%，差異不顯著(>0.05)。

3 討論

3.1 添加有機肥對土壤團聚體中酶活性的影響

施加有機肥的處理不同級別團聚體中土壤酶活性的增幅為4.14% ~ 66.93%，與施加化肥處理相比這種差異達到了顯著水平(<0.05)，該結果與Dick等[28]和Nayak等[29]有關有機肥對土壤酶活性的研究結果一致。有機肥提高土壤酶活性可能是由于有機肥為土壤酶的產生提供了底物，同時有機肥中豐富的營養物質為產酶微生物的活動創造了條件，微生物的代謝功能明顯提高[30]，土壤酶活性提高；此外，有機肥中也含有豐富的酶類，對土壤有“加酶”作用。施加有機肥影響了團聚體內酶的分布，本研究發現不同級別團聚體中脲酶和纖維素酶主要分布在大團聚體中，蔗糖酶和堿性磷酸酶主要分布在0.25 ~ 0.053 mm的小團聚體中。邱莉萍等[27]對長期培肥重質塿土的研究表明脲酶、堿性磷酸酶的活性隨團聚體直徑的增大而減小，不同級別團聚體中蔗糖酶的變化隨培肥措施不同而有所不同；Liu等[31]對砂壤水稻土的研究發現，＜0.053 mm粒級內蔗糖酶、磷酸酶和脲酶是所有粒級中最低的。不同種類酶在不同類型土壤、不同級別團聚體中分布存在差異，這可能是由于不同類型土壤形成的團聚體的穩定性不同，因此對土壤酶的保護程度也存在差異；此外，與不同級別團聚體粘結的主要物質不同[32]，導致團聚體內土壤酶與團聚體的結合方式及吸附能力存在差異[33]，這都影響著不同級別團聚體中酶的活性，因此有關長期培肥條件下潮土不同級別團聚體中酶活性的分布今后還有探討的必要。

圖4 不同處理方式對土壤團聚體中堿性磷酸酶活性的影響

3.2 氮肥不同基肥與追肥比例對土壤團聚體中酶活性的影響

秸稈還田是生產中培肥地力的重要技術措施，但是秸稈還田極易造成土壤碳氮比的失調，秸稈腐解與幼苗“爭氮”，對作物生長不利，因此秸稈還田過程中添加外源氮素顯得尤為重要。已有的研究表明秸稈直接還田后，適宜秸稈腐解的C︰N為(0 ~ 25)︰1[34]，玉米秸稈的C︰N較高，因此在生產上在秸稈還田的同時，要配合施入一定量的氮肥，調節土壤碳氮比。該地區玉米秸稈還田量約為9 000 kg/hm2，還田秸稈的有機碳含量為435.00 g/kg，全氮含量為5.80 g/kg，施氮量為250 g/hm2，按照基追比為6︰4和5︰5計算，基追比為6︰4時，C︰N為19，基追比為5︰5時C︰N為22，因此基追比為5︰5條件下更有利于秸稈的腐解。杜世州等[35]的研究也發現，氮肥基追比為5︰5 ~ 4︰6是實現淮北地區小麥超高產栽培的適宜基追比。作物秸稈含有大量微生物生命活動的營養物質，秸稈腐解后大量的營養物質為微生物的生長和繁衍創造了更多可利用的底物[36]，土壤微生物的代謝功能明顯提高[30]。有的研究表明，土壤微生物的代謝產物是土壤酶的重要來源[37]，土壤團聚體是土壤微生物活動的重要場所[38]，因此基追比為5︰5處理提高了不同級別團聚體中酶的活性。

3.3 微生物菌劑對土壤酶活性的影響

與施用化肥相比，添加微生物菌劑提高了不同級別團聚體中酶的活性，郭新送等[39]、解媛媛等[40]的研究有相似的結果。微生物菌劑提高土壤酶活性可能是由于微生物菌劑本身帶有一定的微生物和酶類，土壤中豐富的營養物質為微生物的生長創造了條件，提高了土壤酶的活性[40]。本研究中，微生物菌劑對不同種類酶活性的增幅不同，這可能是由于微生物菌劑中不同種類的微生物數量存在差異，因此導致土壤酶的產生存在差異。

4 結論

1) 在冬小麥整個生育期，潮土團聚體中脲酶、纖維素酶活性在苗期較低而后逐漸升高；蔗糖酶、堿性磷酸酶的活性呈現苗期較低，至拔節期大幅升高而后降低的趨勢。

2) 有機肥、微生物菌劑和氮肥不同基肥與追肥比例對潮土酶活性均產生影響，但是影響不同：添加有機肥(8% 氮來自有機肥)能顯著提高潮土不同級別團聚體中酶(脲酶、纖維素酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶)的活性，且對0.25 ~ 0.053 mm團聚體中纖維素酶和堿性磷酸酶活性的增加效果明顯；微生物菌劑對潮土酶活性的增加有一定的作用，但差異不顯著；總體來看基追比為5︰5的處理土壤酶的活性高于基追比為6︰4的處理。

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Effects of Straw Returning via Application of Organic Fertilizer as Primer on Fluvo-aquic Soil Enzyme Activities in Soil Aggregates

ZHAO Yongchao1,2, LI Xiaopeng1, YAN Yifan1,2, WANG Yiming1, LIU Jianli1*

(1 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Straw return is an important measure to improve soil organic content and structure on Fluvo-aquic soil. Adding organic fertilizer and microorganism inoculant can stimulate soil biological activity, promote straw decomposition and improve soil enzyme activity. A field experiment on the effects of straw returning via application of organic fertilizer and microorganism inoculant on Fluvo-aquic soil enzyme activities in soil aggregates was conducted. The results showed that: 1) During the entire wheat growing period, compared with onetime and routine fertilization methods, the treatments with organic fertilizer significantly increased the activities of urease, cellulose, invertase and alkaline phosphatase in different size aggregates by 8.15%–66.93%. The treatments with organic fertilizer significantly increased the activities of cellulose and alkaline phosphatase in 0.25–0.053 mm aggregates. 2) Microorganism inoculant addition had increasing effect on the activities of urease, cellulose, invertase and alkaline phosphatase in different size aggregates, but there were differences in the increases of enzyme activities. 3) The enzymes differed in different size aggregates in response to different treatments at different growth stages. Invertase and alakaline phosphatase tended to be lower in seedling stage, peaked at the elongation stage and then decreased at the seedling and booting stages, while urease and cellulose increased steadily throughout the whole growth period. 4) The enzymes differed in different size aggregates in response to different nitrogen fertilizer base/chase ratios, comparatively, the ratio of 5︰5 had higher enzyme activities (urease, cellulose, invertase and alkaline phosphatase) than the ratio of 6︰4.

Fluvo-aquic soil; Priming effect straw return; Soil enzyme activity; Soil aggregates

國家重點研發計劃課題項目(2016YFD0200603，2016YFD0300601)和國家自然科學基金項目(41771265)資助。

(jlliu@issas.ac.cn)

趙永超(1989—)，男，河南平頂山人，碩士研究生，主要從事土壤改良方面的研究。E-mail: zhaoyc@issas.ac.cn

10.13758/j.cnki.tr.2018.03.009

S154.3；S156.92

A