不同耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤酶活性及水稻產(chǎn)量的影響

陳婉華，袁 偉，王子陽(yáng)，周正萍，劉世平，4*

（1．揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225009；2．江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 揚(yáng)州 225009；3．江蘇省作物栽培生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 揚(yáng)州 225009；4．江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 揚(yáng)州 225009）

農(nóng)業(yè)是中國(guó)的第一產(chǎn)業(yè)，2016年農(nóng)業(yè)秸稈資源總量達(dá)到了98000萬(wàn)t［1］，但當(dāng)年全國(guó)秸稈的綜合利用率僅為81.68%，且地區(qū)間秸稈利用水平差異較大，田間焚燒和隨意丟棄的現(xiàn)象依舊存在，秸稈的回收利用問(wèn)題正面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。作物秸稈還田是解決秸稈浪費(fèi)最高效的措施之一［2］，許多學(xué)者通過(guò)研究均發(fā)現(xiàn)，秸稈還田能有效優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)環(huán)境［3］，改善土壤理化性質(zhì)［4］，提高作物產(chǎn)量［5］。土壤為作物的生長(zhǎng)發(fā)育提供必需的營(yíng)養(yǎng)元素，所以，土壤環(huán)境的改變會(huì)影響水稻植株的生長(zhǎng)；耕作方式是影響土壤環(huán)境和質(zhì)量的重要因素［6］，目前主要的耕作方式有免耕、翻耕、旋耕、深松耕等，前人研究表明，適宜的耕作方式結(jié)合秸稈還田可以有效改善土壤環(huán)境，提高土壤肥力和酶活性，促進(jìn)作物高產(chǎn)［7-9］。

土壤酶活性是土壤的生物活性指標(biāo)和土壤肥力的評(píng)價(jià)指標(biāo)［10-11］，土壤酶活性與土壤中的微生物數(shù)量、有機(jī)質(zhì)含量和營(yíng)養(yǎng)元素息息相關(guān)，是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要參數(shù)之一［12］。高明等［13］經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)免耕有利于提高土壤酶活性，徐蔣來(lái)等［14］探索蘇中地區(qū)秸稈還田量對(duì)土壤肥力及水稻產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)50%和75%的秸稈還田量可以提高土壤過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性并實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。

目前，多數(shù)學(xué)者只針對(duì)耕作方式或秸稈還田的單一措施對(duì)土壤酶活性及水稻產(chǎn)量展開研究［15-16］，對(duì)同時(shí)進(jìn)行兩種措施產(chǎn)生的影響研究較少，且研究的時(shí)間較短。因此，本試驗(yàn)采用不同耕作方式與秸稈還田相結(jié)合的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，研究二者對(duì)水稻生育中后期土壤酶活性和水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響，以期為本地區(qū)選擇適宜的耕作措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

該試驗(yàn)設(shè)立在揚(yáng)州大學(xué)試驗(yàn)田（119°24′51″E，32°23′36″N），2001年11月開始，設(shè)置稻麥兩熟不同耕法與秸稈還田的小區(qū)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)。供試土壤為砂壤土，有機(jī)質(zhì)17.66 g/kg、全氮1.07 g/kg、堿解氮80.6 mg/kg、有效磷22.6 mg/kg、速效鉀95.5 mg/kg。該地屬北亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均氣溫為14.8～15.3 ℃，年降水量961～1048 mm，年日照時(shí)數(shù)1896～2182 h，光、熱、水三要素時(shí)空配置較為協(xié)調(diào)。

1.2 試驗(yàn)材料

水稻以南粳9108為試驗(yàn)材料，移栽水稻于2020年5月播種，6月移栽（免耕水稻為6月初直播），10月收獲，對(duì)水稻生長(zhǎng)中后期不同處理土壤的酶活性進(jìn)行測(cè)定分析。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共18個(gè)小區(qū)，小區(qū)長(zhǎng)8 m，寬6.25 m，面積50 m2。共設(shè)置6個(gè)處理（表1），3個(gè)重復(fù)。

1.4 測(cè)定方法及內(nèi)容

1.4.1 土壤酶活性測(cè)定

在水稻的抽穗期、灌漿期、成熟期用取土器分別取0～7、7～14、14～21 cm 土層的土壤，重復(fù)3次，在-70℃的超低溫冰箱中冷凍保存鮮土樣備用，用高錳酸鉀滴定法測(cè)定土壤過(guò)氧化氫酶活性，用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定土壤蔗糖酶活性，用靛藍(lán)比色法測(cè)定土壤脲酶活性，用對(duì)硝基苯磷酸二鈉比色法測(cè)定土壤酸性磷酸酶活性。

1.4.2 水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成要素測(cè)定

在水稻成熟期隨機(jī)選取3個(gè)1 m2的點(diǎn)進(jìn)行穗數(shù)調(diào)查，并在各個(gè)小區(qū)隨機(jī)取5穴水稻進(jìn)行考種，測(cè)定穗粒數(shù)、千粒重、結(jié)實(shí)率，并計(jì)算理論產(chǎn)量。在水稻收獲期將水稻脫粒曬干測(cè)定實(shí)際產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與繪制表格，采用SPSS 16.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，LSD法進(jìn)行多重比較（α=0.05），采用Origin Pro 8.5.1作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤酶活性的影響

2.1.1 不同耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性的影響

圖1是水稻生育中后期不同耕作方式與秸稈還田處理下的土壤過(guò)氧化氫酶活性，其在各土層間的差異不顯著，但總體上隨著土壤深度的增加呈下降的趨勢(shì)。從抽穗期到灌漿期土壤過(guò)氧化氫酶活性呈下降趨勢(shì)，在成熟期呈上升趨勢(shì)，但這種趨勢(shì)不明顯。不同處理間的差異較為顯著，NTS處理的土壤過(guò)氧化氫酶活性顯著高于其他處理，其次是RT1、RT2處理，CT處理的土壤過(guò)氧化氫酶活性最小，這種趨勢(shì)在各時(shí)期和耕層表現(xiàn)一致。綜上，耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性影響較大，免耕結(jié)合秸稈還田在一定程度上增加了全耕層的土壤過(guò)氧化氫酶活性，翻耕和少耕降低了土壤過(guò)氧化氫酶活性。

圖1 耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性的影響

2.1.2 不同耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤酸性磷酸酶活性的影響

圖2是水稻生育中后期不同耕作方式與秸稈還田處理下的土壤酸性磷酸酶活性，與過(guò)氧化氫酶活性相似，土壤酸性磷酸酶活性隨土壤深度的增加呈下降趨勢(shì)，但趨勢(shì)并不明顯，在抽穗期、灌漿期、成熟期呈先減后增的趨勢(shì)。在0～7 cm土層，NTS處理顯著高于其他處理，在抽穗期分別比RT1、RT2、CTS、MTS和CT處理高15.76%、16.34%、23.98%、26.99%和57.44%，在灌漿期分別高21.39%、25.03%、29.52%、31.96%和54.81%，在成熟期分別高18.92%、20.77%、23.79%、26.69%和55.96%。在7～14和14～21 cm土層，各處理間的差異顯著變小，抽穗期和灌漿期NTS處理最高，CT處理最低，但成熟期CTS和MTS處理較高，CT處理仍是最低。綜上，免耕結(jié)合秸稈還田促進(jìn)了0～7 cm土層的酸性磷酸酶活性，在7～14和14～21 cm土層中，隨著水稻的生長(zhǎng)，酸性磷酸酶活性受耕作方式的影響逐漸減小，而秸稈還田能刺激酸性磷酸酶活性的增加。

圖2 耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤酸性磷酸酶活性的影響

2.1.3 不同耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤脲酶活性的影響

圖3是水稻生育中后期不同耕作方式與秸稈還田處理下的土壤脲酶活性，與過(guò)氧化氫酶和酸性磷酸酶不同，土壤脲酶活性在耕層間差異較為顯著，隨土壤深度的增加呈下降趨勢(shì)，抽穗期之后活性迅速增加并在灌漿期到達(dá)峰值，灌漿期后緩慢下降。NTS處理的土壤脲酶活性在0～7和7～14 cm土層最高，CT處理最低，RT1、RT2處理略高于CTS、MTS處理，在14～21 cm土層，NTS處理略高于其他處理，RT1、RT2、CTS、MTS處理間的土壤脲酶活性差異均不顯著，且在水稻成熟期的14～21 cm土層中，CT＞MTS＞CTS處理，說(shuō)明免耕、少耕結(jié)合秸稈還田能夠提高0～7和7～14 cm土層的脲酶活性，而在14～21 cm土層中，耕作方式和秸稈還田對(duì)其影響不顯著，尤其是在水稻成熟期。

圖3 耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤脲酶活性的影響

2.1.4 耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響

圖4是水稻生育中后期不同耕作方式與秸稈還田處理下的土壤蔗糖酶活性，土壤蔗糖酶活性在耕層和時(shí)期上的趨勢(shì)與土壤脲酶活性類似。不同處理間的土壤蔗糖酶活性在水稻抽穗期和灌漿期有顯著差異，在0～7和7～14 cm土層中，NTS處理的土壤蔗糖酶活性最高，CT處理最低，其余 表 現(xiàn) 為RT1＞RT2＞CTS＞MTS，而 在14～21 cm土層中，土壤蔗糖酶活性表現(xiàn)為NTS＞RT1＞RT2＞MTS＞CTS＞CT；在水稻成熟期，CT處理的土壤蔗糖酶活性顯著降低，其他處理間的差異不明顯。綜上，在水稻生育中期免耕結(jié)合秸稈還田提高了0～7和7～14 cm土層的蔗糖酶活性，少耕結(jié)合秸稈還田有助于提高14～21 cm土層的蔗糖酶活性，不同耕作方式對(duì)水稻成熟期的土壤蔗糖酶活性影響不顯著，秸稈還田有利于提升其在成熟期的活性。

圖4 耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響

2.2 不同耕作方式和秸稈還田對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

表2為2020年水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的測(cè)定結(jié)果，NTS處理的穗數(shù)較高，CTS、MTS、CT處理的粒數(shù)較高，NTS、RT1和CTS處理的結(jié)實(shí)率顯著較高，因此，從理論產(chǎn)量上來(lái)看，CTS處理和NTS處理顯著較高，其他處理表現(xiàn)為MTS＞CT＞RT1＞RT2。從實(shí)際產(chǎn)量上來(lái)看，CTS和MTS處理的實(shí)際產(chǎn)量最高，與CT相比，CTS和MTS顯著增加了13.71%和12.36%。實(shí)際產(chǎn)量在秸稈還田量相同的情況下，CTS處理顯著高于NTS處理，增加了5.3%；MTS處理顯著高于RT1和RT2處理，分別增加了30.5%和13.2%。總體來(lái)說(shuō)，秸稈還田有利于水稻增產(chǎn)，少耕與翻耕也促進(jìn)水稻增產(chǎn)，長(zhǎng)期免耕水稻直播，水稻每穗粒數(shù)減少，從而影響水稻高產(chǎn)。綜上，適量的秸稈還田結(jié)合翻耕、少耕可以提高水稻產(chǎn)量。

表2 不同耕作方式與秸稈還田處理下水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成要素

2.3 土壤酶活性和產(chǎn)量及其構(gòu)成因素之間的相關(guān)性

表3是水稻成熟期的土壤酶活性和產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的相關(guān)性分析。在0～7 cm土層中，脲酶與穗數(shù)呈顯著正相關(guān)，4種酶與千粒重均呈顯著或極顯著正相關(guān)；在7～14 cm土層中，蔗糖酶與穗數(shù)呈顯著正相關(guān)，過(guò)氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶與千粒重均呈顯著正相關(guān)；在14～21 cm土層中，過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶與穗數(shù)、千粒重均呈顯著或極顯著正相關(guān)，脲酶與結(jié)實(shí)率呈顯著正相關(guān)。從表3中可以看出，4種酶活性對(duì)水稻實(shí)際產(chǎn)量的貢獻(xiàn)均為正值，但未達(dá)到顯著水平，除酸性磷酸酶，其他3種土壤酶與水稻粒數(shù)在全耕層均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明土壤酶活性與水稻產(chǎn)量無(wú)顯著相關(guān)性。

表3 土壤酶活性與產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Pearson相關(guān)性分析

3 討論

3.1 耕作方式與秸稈還田對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶廣泛存在于土壤中，是土壤重要的有機(jī)成分［17］。大量研究表明，土壤酶活性在土壤表層較為活躍［18-19］，本試驗(yàn)同樣發(fā)現(xiàn)，過(guò)氧化氫酶、酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶在耕層上均呈現(xiàn)隨土壤深度的增加而活性下降的規(guī)律，這與宋海燕等［20］對(duì)濱海鹽堿地土壤酶活性的研究結(jié)果基本一致，而在水稻3個(gè)生育期，4種土壤酶對(duì)耕作方式和秸稈還田有不同的響應(yīng)。

過(guò)氧化氫酶促進(jìn)土壤過(guò)氧化氫分解為氧氣和水，是防止土壤和作物受到過(guò)氧化氫毒害的重要土壤酶［21］。徐國(guó)偉等［22］發(fā)現(xiàn)，麥秸稈還田下的土壤過(guò)氧化氫酶活性在分蘗中期和抽穗期達(dá)到峰值之后緩慢下降，與本研究結(jié)果相似，但本研究中這種影響不顯著。研究發(fā)現(xiàn)，免耕結(jié)合適量秸稈還田顯著增加了全耕層土壤過(guò)氧化氫酶活性，這與符冠富等［23］的研究結(jié)果一致。

酸性磷酸酶促進(jìn)土壤無(wú)機(jī)磷的轉(zhuǎn)化，有利于植物根系的吸收，在一定程度上可以表征土壤磷素的的營(yíng)養(yǎng)情況［24］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，免耕結(jié)合秸稈還田促進(jìn)0～7 cm土層的酸性磷酸酶活性，這印證了沈菊培等［25］的研究結(jié)果；而在14～21 cm土層，翻耕結(jié)合秸稈還田處理下的酶活性更高，尤其是在水稻成熟期，其原因可能是多年免耕處理使0～7 cm土層的微生物趨于穩(wěn)定［26］，酸性磷酸酶對(duì)氧氣較為敏感，而翻耕為土壤提供了充足的氧氣以及秸稈［27］，且隨著水稻生育期的推進(jìn)，溫度升高加速秸稈的腐解，使14～21 cm土層中的酸性磷酸酶活性升高。但張德喜等［28］研究表明，不同耕作方式下酸性磷酸酶的活性表現(xiàn)為翻耕＞旋耕＞免耕，與本試驗(yàn)結(jié)果相悖，還需進(jìn)一步探究。

脲酶是一種研究較為深入的土壤酶，它可以促進(jìn)銨態(tài)氮的水解，其活性反應(yīng)為有機(jī)態(tài)氮向有效態(tài)氮的轉(zhuǎn)化能力和土壤無(wú)機(jī)氮的供應(yīng)能力［29］。任萬(wàn)軍等［30］研究免耕及秸稈高留茬對(duì)稻田土壤的酶活性，發(fā)現(xiàn)水稻孕穗期后土壤脲酶活性增加之后緩慢下降，與本試驗(yàn)研究結(jié)果基本一致。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)免耕、少耕結(jié)合秸稈還田有利于0～7和7～14 cm土層的脲酶活性增加，耕作方式對(duì)于14～21 cm土層的脲酶活性影響不大，這與吳建富等［31］所進(jìn)行的多年連續(xù)免耕試驗(yàn)結(jié)果相似，Roldán［32］的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了這一點(diǎn)。這是由于秸稈還田調(diào)節(jié)了農(nóng)田表層的水熱條件且給土壤帶來(lái)了大量微生物，而免耕結(jié)合秸稈還田使得秸稈和作物殘茬均勻地覆蓋在土壤表層，給0～7 cm土層提供充足的水分和有機(jī)質(zhì)，有利于提高酶活性。

蔗糖酶是參與土壤有機(jī)碳循環(huán)的酶，水解蔗糖產(chǎn)生葡萄糖和果糖在一定程度上可以作為土壤肥力狀況和有機(jī)質(zhì)含量的指標(biāo)［33］。本試驗(yàn)認(rèn)為，土壤蔗糖酶水稻生育中后期呈先增加后減小的趨勢(shì)，這與鄧歐平等［34］的研究結(jié)果相近。羅珠珠等［35］指出土壤蔗糖酶活性在小麥全生育期無(wú)顯著差異，且免耕結(jié)合秸稈還田顯著提高了小麥全生育期的土壤蔗糖酶活性，與本試驗(yàn)略有不同，本試驗(yàn)認(rèn)為免耕結(jié)合秸稈還田顯著提高了水稻生育中期的土壤蔗糖酶活性，而在水稻成熟期，耕作方式對(duì)其無(wú)顯著影響，這可能與兩地土壤不同的水熱條件有關(guān)。

3.2 耕作方式與秸稈還田對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

關(guān)于秸稈還田提高水稻產(chǎn)量的作用，前人已進(jìn)行了大量的研究。解文孝等［36］通過(guò)盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，秸稈還田下水稻產(chǎn)量提高4.45%，與本文結(jié)果一致。同時(shí)，本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在秸稈還田的條件下，翻耕和少耕能夠有效提高水稻的每穗粒數(shù)，達(dá)到更高產(chǎn)量，這與成臣等［37］的研究結(jié)果一致，更驗(yàn)證了劉世平等［38］的研究結(jié)果，即翻耕秸稈還田可以提高水稻穗數(shù)和粒數(shù)，以達(dá)到高產(chǎn)。免耕在一定程度上減少了水稻穗粒數(shù)，這可能與免耕使土壤中層的體積質(zhì)量變大，土壤過(guò)于緊實(shí)，抑制了水稻的生長(zhǎng)有關(guān)［39］。

3.3 土壤酶活性與水稻產(chǎn)量的相關(guān)性分析

由相關(guān)性分析得出，4種酶活性與水稻穗數(shù)、千粒重、結(jié)實(shí)率有著不同程度的正相關(guān)性，可以說(shuō)明土壤酶活性在一定程度上反映了土壤的肥力情況和質(zhì)量，從而影響水稻的生長(zhǎng)，為水稻高產(chǎn)創(chuàng)造條件；但土壤酶活性與實(shí)際產(chǎn)量沒(méi)有顯著相關(guān)性，說(shuō)明除了土壤酶活性，還存在其他因素影響水稻的產(chǎn)量。

4 結(jié)論

耕作方式結(jié)合秸稈還田對(duì)土壤酶活性和水稻產(chǎn)量有著顯著的影響。免耕、少耕結(jié)合秸稈還田在很大程度上提高了0～7和7～14 cm土層的酶活性，尤其是在水稻生育中期；耕作方式對(duì)14～21 cm土層脲酶和蔗糖酶無(wú)顯著影響，但免耕結(jié)合秸稈還田提高了過(guò)氧化氫酶活性，翻耕結(jié)合秸稈還田提高了酸性磷酸酶活性。從產(chǎn)量上看，翻耕、少耕結(jié)合秸稈還田的增產(chǎn)效果最好，而在還田量相同的情況下，免耕處理的水稻產(chǎn)量低于翻耕處理，長(zhǎng)期免耕影響水稻的產(chǎn)量提高。因此，在本試驗(yàn)條件下，適量的秸稈還田結(jié)合少耕是最適宜本地區(qū)的耕作方式。