成都平原沖積水稻土土壤酶活性對輪作模式與長期秸稈還田的響應(yīng)

楊瓊會，樊紅柱，李富程，曾祥忠，周子軍，秦魚生

(1.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621000；2.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，四川 成都 610066)

【研究意義】秸稈還田是增加土壤養(yǎng)分含量，提升土壤肥力的有效措施。研究顯示秸稈還田引起土壤中養(yǎng)分含量變化的同時也會導(dǎo)致土壤酶活性發(fā)生變化[1-4]。土壤酶活性是反映土壤肥力及養(yǎng)分循環(huán)的重要生物學(xué)指標(biāo)之一，例如土壤β-葡萄糖苷酶(β-GC)、脲酶(UR)、酸性磷酸酶(ACP)、β-1,4-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和熒光素二乙酸酯水解酶(FDA水解酶)與土壤中碳、氮、磷等營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化與代謝密不可分[5-8]。【前人研究進(jìn)展】土壤酶活性受土壤施肥及作物輪作模式等人為因素影響[9]。劉蘭清等[10]在陜西關(guān)中平原進(jìn)行的小麥-玉米輪作試驗(yàn)表明秸稈還田并配施化肥能有效提高土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性，且土壤酶活性均與土壤養(yǎng)分含量呈正相關(guān)。黃容等[11]在西南丘陵山區(qū)進(jìn)行的水稻-兒菜輪作試驗(yàn)表明秸稈還田配合減量施肥后土壤養(yǎng)分含量提升，土壤脲酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶活性均高于秸稈不還田處理，且酶活性隨還田時限延續(xù)而增強(qiáng)。周東興等[12]在東北進(jìn)行的玉米-大豆輪試驗(yàn)表明有機(jī)肥與無機(jī)肥配施處理可顯著提高土壤微生物生物量碳氮及土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性。鄧歐平等[13]在成都平原進(jìn)行的水稻-小麥輪作試驗(yàn)表明秸稈還田處理的土壤脫氫酶、脲酶、蔗糖酶和中性磷酸酶活性均高于化肥處理，且磷酸酶活性顯著提高。前人有關(guān)土壤酶活性的研究主要集中在單一輪作模式或秸稈還田，而有關(guān)不同輪作模式結(jié)合秸稈還田對土壤酶活性影響研究相對較少[14]。【本研究切入點(diǎn)】本文以成都平原12年長期定位試驗(yàn)為平臺，開展水稻-小麥輪作和水稻-油菜輪作下秸稈還田對土壤酶活性影響研究。探討土壤酶活性對輪作模式和長期秸稈還田的響應(yīng)特征。【擬解決的關(guān)鍵問題】此研究結(jié)果為成都平原沖積水稻土合理施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

長期水稻-小麥輪作和水稻-油菜輪作定位試驗(yàn)位于四川省廣漢市西高鎮(zhèn)，屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，干濕明顯，年平均氣溫16.3 ℃，年平均降水量890.8 mm，平均日照時數(shù)1229.2 h，平均無霜期281 d。兩個長期定位試驗(yàn)供試土壤均為灰棕沖積水稻土，開始于2005年水稻季；水稻-小麥輪作試驗(yàn)前耕層(0～20 cm)土壤主要理化指標(biāo)分析結(jié)果為：pH 5.5、容重1.2 g/cm3、有機(jī)碳31.3 g/kg、全氮2.0 g/kg、堿解氮189.8 mg/kg、全磷0.45 g/kg、速效磷12.6 mg/kg、全鉀7.69 g/kg、速效鉀73.9 mg/kg。水稻-油菜輪作試驗(yàn)前耕層(0～20 cm)土壤主要理化指標(biāo)分析結(jié)果為：pH 6.01、容重1.2 g/cm3、有機(jī)碳27.5 g/kg、全氮2.08 g/kg、堿解氮149.86 mg/kg、全磷0.55 g/kg、有效磷10.26 mg/kg、全鉀7.19 g/kg、速效鉀100.6 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)采用水稻-小麥和水稻-油菜一年兩熟輪作模式，分別在兩種輪作模式下設(shè)秸稈不還田和還田共4個處理，不同處理的具體施肥量見表1。每個處理3次重復(fù)，每個小區(qū)面積為3 m ×4 m = 12 m2，小區(qū)隨機(jī)排列。除第一年試驗(yàn)開始時(2005年5月水稻季)的水稻季沒有秸稈覆蓋外，隨后的每季試驗(yàn)前茬作物秸稈全量還田于本小區(qū)。本試驗(yàn)氮肥為尿素(含N 46 %) ，磷肥為磷酸一銨(含N 10 %、P2O540 %) 、鉀肥為氯化鉀(含 K2O 60 %) 。每季具體施肥方式為：水稻季70 % 氮肥、100 % 磷肥和50 % 鉀肥作為底肥施用，剩余30 % 氮肥和50 %鉀肥在秧苗移栽后7～10 d撒施；小麥季30 % 氮肥、100 % 磷肥和50 % 鉀肥作為底肥施用，剩余70 %氮肥和50 %鉀肥作分蘗肥；油菜季60 % 氮肥、100 % 磷肥和50 %鉀肥作為底肥施用，剩余40 %氮肥和50 %鉀肥在抽薹期窩施。供試水稻品種為川香9838，于每年5月中下旬移栽，9 月上旬收獲；小麥品種為川麥42，每年11月上旬播種，翌年5月中下旬收獲；油菜品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N，于每年10月中旬移栽，翌年5月中下旬收獲。作物生長期間，按照常規(guī)方法進(jìn)行除草和病蟲害防治。

表1 不同輪作模式和秸稈還田下作物施肥量Table 1 Amount of fertilization under different treatments (kg/hm2)

1.3 樣品采集與分析

2016年水稻收割后分別采集不同處理試驗(yàn)地耕層(0～20 cm)混合土壤樣品，1 份土樣保存新鮮樣品測定土壤酶活性，另 1 份土樣自然風(fēng)干后剔除作物根系、殘茬等，過2 mm 篩測定土壤養(yǎng)分。土壤樣品pH采用電位法，有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法、堿解氮采用堿解擴(kuò)散法、有效磷采用碳酸氫鈉—鉬銻抗比色法、速效鉀采用采用醋酸銨浸提—火焰光度計法、全氮采用凱氏定氮法、全磷采用硫酸高氯酸消煮-鉬銻抗比色法、全鉀采用火焰光度法[15]。土壤β-葡萄糖苷酶(β-GC)、脲酶(UR)、酸性磷酸酶(ACP)、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、熒光素二乙酸酯水解酶(FDA水解酶)均使用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司的試劑盒，采用微量法測定[16]。

1.4 統(tǒng)計分析

運(yùn)用單因素LSD多重比較(P<0.05)分析不同輪作模式和長期秸稈還田處理下土壤酶活性及土壤養(yǎng)分差異，采用冗余分析(RDA)探索土壤酶活性對土壤養(yǎng)分的響應(yīng)關(guān)系，RDA排序軸圖由CanoDraw 4.14生成。

2 結(jié)果與分析

2.1 輪作模式與秸稈還田對土壤酶活性的影響

不同種類土壤酶活性對輪作模式和秸稈還田的響應(yīng)特征存在顯著差異(圖1)。水稻-小麥輪作，長期秸稈還田(12年)處理(T2)的FDA水解酶活性相比秸稈不還田處理(T1)顯著增強(qiáng)(P<0.05)，前者比后者增大26.1 %；但β-GC、UR、ACP和NAG活性兩者均無明顯差異，其中，β-GC、UR和ACP活性T2處理分別比T1處理增加13.3 %、2.6 %和2.4 %，NAG活性T2處理比T1處理減弱1.6 %。水稻-油菜輪作，長期秸稈還田處理(T4)的β-GC、UR、ACP、NAG和FDA水解酶活性與秸稈不還田處理(T3)相比均無顯著差異，這5種酶T4處理分別比T3處理提高了29.6 %、12.1 %、8.9 %、16.3 %和8.6 %。比較水稻-小麥輪作與水稻-油菜輪作可以發(fā)現(xiàn)，水稻-小麥輪作下土壤中β-GC活性顯著低于水稻-油菜輪作(P<0.05)，而UR活性水稻-小麥輪作顯著高于水稻-油菜輪作，輪作模式對土壤ACP、NAG和FDA水解酶活性無顯著影響。水稻-小麥輪作下土壤β-GC、ACP和NAG活性分別比水稻-油菜輪作低了44.8 %、5.6 % 和10.5 %，而UR和FDA水解酶活性分別比水稻-油菜輪作提高了44.9 % 和25.8 %。

2.2 輪作模式與秸稈還田對土壤養(yǎng)分的影響

不同輪作模式和長期秸稈還田對土壤養(yǎng)分影響顯著(表2)。水稻-小麥輪作，長期秸稈還田處理(T2)的土壤pH、有機(jī)碳、堿解氮和有效磷含量顯著高于秸稈不還田處理(T1，P<0.05)，而全氮、全磷、全鉀和速效鉀含量無顯著差異。T2處理的土壤全氮含量比T1處理減少4.7 %，而pH、有機(jī)碳、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別比T1處理提高5.1 %、27.0 %、19.6 %、1.4 %、20.8 %、59.4 %和0.6 %。對于水稻-油菜輪作，T4處理的土壤pH、有機(jī)碳、全氮、堿解氮和速效鉀含量均顯著高于T3處理(P<0.05)，而全磷、全鉀和有效磷含量均無顯著差異；T4處理的土壤pH、有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別比T3處理提高4.7 %、26.9 %、11.4 %、14.9 %、1.3 %、19.9 %、6.8 %和14.5 %。比較水稻-小麥輪作與水稻-油菜輪作可以發(fā)現(xiàn)，水稻-小麥輪作下土壤pH、有機(jī)碳、全磷、全鉀、堿解氮和有效磷含量分別比水稻-油菜輪作提高0.2 %、9.2 %、9.8 %、6.8 %、29.3 %和13.0 %，但全氮和速效鉀含量分別下降了5.7 %和20.2 %。

表2 輪作模式與秸稈還田對土壤肥力的影響Table 2 Effects of rotation patterns and straw returning on soil fertility

對于水稻-小麥輪作，與背景土壤相比，T2處理土壤pH和全氮含量分別下降9.8 %和19.0 %，有機(jī)碳、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀分別提高25.1 %、35.6 %、82.4 %、17.0 %、125.7 %和5.2 %；T1處理土壤pH、有機(jī)碳、全氮、堿解氮分別下降14.2 %、1.5 %、15 %、3.1 %，土壤全磷、全鉀、有效磷和速效鉀分別提高13.3 %、80.0 %、41.6 %和4.5 %。對于水稻-油菜輪作，與背景土壤相比，T4處理土壤pH、全氮、全磷分別降低17.8 %、11.1 %和1.8 %，有機(jī)碳、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀分別提高30.4 %、82.6 %、14.2 %、106.0 %和3.1 %；T3處理土壤pH、全氮、全磷、堿解氮和速效鉀分別下降21.5 %、20.2 %、14.5 %、4.8 % 和10.0 %，有機(jī)碳、全鉀和有效磷分別提高2.7 %、80.3 %和92.9 %。

2.3 土壤酶活性與土壤養(yǎng)分關(guān)系分析

由圖2可以看出，RDA1軸和RDA2軸對土壤酶活性變異程度的解釋率分別為74.8 %和21.0 %，兩軸總解釋率達(dá)到95.8 %，表明采用冗余分析研究土壤酶活性與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系是可靠的。T1、T2、T3和T4處理分別處于4個不同象限，表明不同處理間差異顯著，T2處理對FDA水解酶影響最大，T4處理對ACP影響最大，T1和T3處理對酶活性影響較小。同時，不同酶均與土壤pH呈正相關(guān)關(guān)系，UR和FDA水解酶均與土壤有機(jī)碳、全磷、全鉀、堿解氮和有效磷呈正相關(guān)關(guān)系，β-GC與土壤全氮和速效鉀呈正相關(guān)關(guān)系，ACP和NAG均與有機(jī)碳、全氮、全磷、有效磷速效鉀呈正相關(guān)關(guān)系。對土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化影響較大的酶活性因子為：β-GC和FDA水解酶(R2>0.90，P<0.05，表3)。

表3 土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量的顯著性分析Table 3 Significance analysis of soil enzyme activity and soil nutrient content

3 討 論

本研究結(jié)果顯示，無論是水稻-小麥輪作還是水稻-油菜輪作，長期秸稈還田(12年)對土壤β-GC、UR、ACP和NAG活性影響較小，這與以往秸稈還田顯著提高土壤酶活性的研究結(jié)果不一致[10-13,17]。這種差異可能源于秸稈還田方式和保護(hù)性耕作模式以及土壤類型不同。本試驗(yàn)將秸稈直接覆蓋在土壤表面，未進(jìn)行翻埋處理，胡乃娟等[17]是將秸稈進(jìn)行了翻埋處理。秸稈直接覆蓋在土壤表面，使得土壤養(yǎng)分主要集中在土壤表層(0～5 cm)，表層秸稈的分解為微生物提供了大量碳源，激發(fā)了表層土壤酶活性。本試驗(yàn)采集的是0～20 cm混合土樣，酶活性變化較小。同時，本試驗(yàn)采用長期免耕的保護(hù)性耕作方式，長期免耕的土壤缺乏擾動，土壤顆粒之間排列更加緊實(shí)，土壤緊實(shí)度和容重增加導(dǎo)致水氣交換條件變差，這些因素均不利于微生物生長繁殖。唐玉姝等[18]在太湖地區(qū)進(jìn)行的稻-麥輪作長期定位試驗(yàn)的土壤為重壤質(zhì)黃泥土，而本試驗(yàn)中所涉及土壤為灰粽沖積水稻土，這兩種不同類型的土壤在結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)等方面存在差異。

4 結(jié) 論

在成都平原沖積水稻土上，長期水稻-小麥輪作土壤β-GC酶活性顯著低于水稻-油菜輪作，UR活性水稻-小麥輪作顯著高于水稻-油菜輪作。秸稈還田對耕層(0～20 cm)土壤中β-GC、UR、ACP和NAG酶活性影響較小，水稻-小麥輪作秸稈還田土壤FDA水解酶活性顯著高于秸稈不還田處理，這可能與本試驗(yàn)秸稈未粉碎直接覆蓋表土還田和采取免耕保護(hù)性耕作方式有關(guān)。不考慮秸稈還田水稻-小麥輪作下，土壤pH、有機(jī)碳、全磷、全鉀、堿解氮和有效磷含量均比水稻-油菜輪作高，全氮和速效鉀均比水稻-油菜輪作低。長期秸稈還田后，除水稻-小麥輪作土壤全氮含量降低4.7 %外，土壤pH、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮、全磷、全鉀含量比秸稈不還田處理均有不同程度增加。土壤β-GC和FDA水解酶可以作為關(guān)鍵酶活性因子表征稻田養(yǎng)分周轉(zhuǎn)。