秸稈還田對水稻-油菜輪作體系土壤活性有機碳組分及酶活性的影響

李 霞，羅麗卉，周 婭，楊定清，王 棚，李 森

(1.四川省農業科學院 農業質量標準與檢測技術研究所，四川 成都 610066；2.四川省自然資源科學研究院，四川 成都 610015)

我國是世界上作物秸稈資源最為豐富的國家之一，年產生量約9億t，約占世界秸稈總量的25%[1-3]。作物秸稈含有豐富的碳、氮、磷、鉀等營養元素和纖維物質，將其還田利用既能有效增加農田土壤碳輸入，也能減少因焚燒而產生的溫室氣體及顆粒污染物[4-6]。因此，秸稈還田是維持農田土壤碳平衡、降低農田生態系統碳排放、提高土壤養分含量的重要農業管理措施之一。

土壤有機碳(SOC)作為土壤質量的關鍵指標，與土壤的物理、化學及生物學特性密切相關，其對土壤肥力的貢獻是作物產量的重要決定因素[7-8]。同時，土壤有機碳庫也是陸地生態系統中最大的碳庫，其微小變化都會顯著影響全球氣候。然而，研究表明，SOC對農田管理措施的響應較為緩慢，短期內難以及時、準確地反映土壤質量的內在變化[9]。相反，SOC中的活性組分盡管占總有機碳的比例很小，但在土壤中周轉迅速并對環境變化響應敏感，是評價農業管理措施的常用敏感性指標[10]。此外，土壤碳循環酶參與土壤生態系統中碳循環相關的各種生理生化過程，相比于有機碳，能快速地響應土壤中的細微變化，其活性高低被用作農田生態系統變化的早期預警指標[11-12]。因此，研究土壤有機碳組分及碳循環酶活性的變化對探究土壤質量的變化特征具有重要指導意義。

水稻-油菜輪作是成都平原農業主產區主要的種植模式，每年水稻和油菜秸稈產量巨大。控制秸稈焚燒、實施秸稈還田對于實現土壤碳庫正向培育、改善土壤質量具有重要的意義[13-14]。目前，不同研究者關于秸稈還田對土壤有機碳影響的研究結果并不完全一致。如叢萍等[15]指出，將秸稈還田量從6 000 kg/hm2增加到18 000 kg/hm2，黑土亞表層SOC含量逐漸增加，且高量秸稈還田下土壤肥力維持時間更持久。然而，Wang等[16]和賀美等[17]研究則認為，秸稈還田并不意味著土壤碳投入的直接增加，土壤固碳能力存在飽和上限，秸稈還田量也并不是越多越好。此外，大量秸稈還田后，秸稈分解過程中大量微生物繁殖會與作物爭奪養分，積累有機酸，并成為一些病蟲害的庇護場所[18-19]。可見，明確秸稈還田量對于成都平原秸稈資源的高效利用具有重要的意義。

本研究通過連續3 a田間定位試驗，研究成都平原油菜-水稻輪作體系下不同秸稈用量對土壤活性有機碳組分及碳循環酶活性的變化影響，并分析土壤有機碳組分與理化指標和酶活性之間的相關性，探討該體系下活性有機碳和碳循環酶活性能否作為土壤SOC變化的敏感指標，以期為成都平原現代農業主產區秸稈資源利用提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

本試驗地點位于四川省彭州市三界鎮清涼村，主要輪作方式為水稻-油菜一年兩熟種植制度，屬于亞熱帶濕潤季風氣候區，氣候溫暖濕潤，光照較充足，年均氣溫16 ℃左右，年均降雨量1 200 mm，年均無霜期280 d。供試土壤為水稻土，試驗前土壤0～20 cm基本理化性質為：pH值6.69、容重1.29 g/cm3、陽離子交換量(CEC)16.40 mol/kg、SOC 16.95 g/kg、全氮(TN)1.60 g/kg、全磷(TP)0.84 g/kg、全鉀(TK)25.69 g/kg、堿解氮(AN)122.16 mg/kg、有效磷(AP)10.19 mg/kg、速效鉀(AK)58.26 mg/kg。

1.2 試驗材料與試驗設計

試驗共設置5個處理：對照(CK)、常規化肥(NPK)、常規化肥+1/2量秸稈(SR1)、常規化肥+全量秸稈(SR2)、常規化肥+2倍秸稈(SR3)。油菜季各處理化學肥料施用量為：N 180 kg/hm2、P2O570 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，硼砂7.5 kg/hm2；氮肥按照 60%基肥+40%越冬肥施用，磷、鉀和硼肥均一次性基施。水稻季各處理化學肥料為N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 100 kg/hm2，氮肥按照70%基肥+30%分蘗肥施用，磷、鉀均一次性基施。供試氮、磷、鉀、硼肥分別為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)、氯化鉀(K2O 60%)、硼砂(B 11%)。供試油菜品種為南油9號，水稻品種為川優6203。

試驗始于2017年冬油菜，采用一年兩熟的水稻-冬油菜輪作制度，于每年9月下旬和5月中旬，按照試驗設計用量，分別將前一茬水稻、油菜秸稈粉碎后，均勻撒施到地表，再翻耕混勻。試驗時間從2017年9月至2020年9月。小區面積20 m2，3次重復，隨機區組排列。其他田間管理均按當地最優方式進行。

1.3 樣品采集與測定

在連續水稻-油菜兩季作物秸稈還田完成3周年后，即2020年9月水稻收獲期，按“S”型樣點布設法在各小區選取10點采集0～20 cm耕層土壤樣品，制成混合樣后均勻分成2個部分：一部分直接置于冰箱中4 ℃保鮮保存，用于DOC和碳循環相關酶活性測定，另一部分土壤在室內自然風干過尼龍篩后用于其他指標測定。

土壤pH值采用電位法測定；容重采用環刀法測定；CEC采用乙酸銨交換法測定；TN采用半微量凱氏定氮法測定；TP采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定；TK采用NaOH熔融-火焰光度法測定；AN采用靛酚藍比色法測定；AP采用NaHCO3提取-鉬銻抗比色法測定；AK采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定。

土壤SOC采用重鉻酸鉀外加熱法測定；DOC采用KCl浸提-重鉻酸鉀外加熱法測定；MBC采用氯仿熏蒸培養法測定，ROC采用KMnO4氧化法測定。土壤纖維素酶以羧甲基纖維素鈉為底物，采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定；β-葡萄糖苷酶活性以對硝基苯-β-D-葡萄糖苷為底物，采用比色法測定；過氧化氫酶和多酚氧化酶以左旋多巴(L-3，4-dihydroxyphenylalanine，L-DOPA)為底物，采用比色法測定[8，20]。

1.4 數據處理

本試驗數據采用Excel 2003、SPSS 19.0和OriginPro 9.0軟件進行處理、統計分析和作圖。采用單因素方差分析法(One-way ANOVA)、LSD法和皮爾遜相關系數法(Pearson correlation coefficient)進行方差分析、多重比較和相關性分析，不同字母代表0.05水平差異顯著(P<0.05)。圖表中數據均用平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 不同秸稈還田量對土壤基本理化性質的影響

如表1所示，與CK相比，NPK處理的土壤CEC含量顯著降低了11.00%(P<0.05)，土壤pH值和容重差異不顯著(P>0.05)，土壤TN、TP、TK、AN、AP和AK等指標則分別提升了4.58%，4.88%，17.64%，5.16%，17.84%，37.87%，其中TK和AK差異達顯著水平(P<0.05)。與CK相比，秸稈還田SR1、SR2和SR3處理均顯著提高了土壤TN、TP、TK、AK含量(P<0.05)，分別提高了8.50%～11.11%，10.98%～15.85%，18.38%～22.04%，49.17%～59.59%；部分處理顯著提高了土壤CEC、AN和AP含量(P<0.05)，分別提高了6.95%～16.39%，10.91%～17.88%，25.44%～45.94%，其中SR1處理的AN增幅最大，SR2處理的TN、AP和AK增幅最大；SR3處理的CEC、TP和TK含量增幅最大。

表 1 不同處理土壤基本理化性質Tab.1 Basic physical and chemical properties of soils under different treatments

2.2 不同秸稈還田量對土壤有機碳及活性組分含量的影響

秸稈還田后，土壤SOC、ROC、DOC和MBC含量均有明顯提高，且提升效果隨秸稈還田量的增加而增加，各處理中以SR2和SR3處理效果最好(圖1)。相較于CK處理，3個秸稈還田處理的SOC、ROC、DOC和MBC含量分別顯著提升了5.05%～8.55%，18.40%～36.80%，35.76%～66.93%，27.20%～52.10%(P<0.05)。此外，相比試驗前，各處理土壤SOC、ROC、DOC和MBC含量的增幅分別為3.48%～10.80%，25.42%～44.92%，47.50%～81.35%，43.63%～71.74%。NPK、SR1、SR2和SR3處理間土壤有機碳含量無顯著差異(P>0.05)。在活性組分方面，3個秸稈還田處理ROC、DOC和MBC含量顯著高于CK和NPK處理(P<0.05)，SR2和SR3處理差異均不顯著(P>0.05)，其中土壤活性碳組分中以DOC含量提升效果最佳。

不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)。圖2同。Different small letters mean significant difference at 0.05 level among treatments.The same asFig.2.

2.3 不同秸稈還田量對土壤酶活性的影響

不同處理對土壤碳轉化酶活性具有明顯影響，其中土壤過氧化氫酶的活性最高，多酚氧化酶的活性最低。各處理土壤纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶活性相比試驗前均有顯著提升(P<0.05)，增幅分別為12.06%～141.98%，25.82%～121.36%，25.82%～222.84%，22.43%～153.61%(圖2)。NPK處理的4種土壤酶活性中除多酚氧化酶均顯著高于CK處理(P<0.05)，3個秸稈還田處理的土壤纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶活性又顯著高于NPK處理(P<0.05)；其中SR2處理下的土壤纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶活性值最高，比SR1處理還分別顯著高出16.25%，8.49%，14.69%(P<0.05)，SR3處理下的過氧化氫酶活性最高，比SR1處理顯著高出25.10%(P<0.05)。

圖2 不同處理土壤酶活性變化Fig.2 Changes in soil enzyme activities under different treatments

2.4 各指標間的相關性分析

土壤有機碳組分、碳轉化酶及土壤理化性質間的相關性如圖3所示，土壤有機碳組分與4個碳循環酶顯著正相關(P<0.05)，SOC與TK和AN、AP、AK間也呈顯著正相關(P<0.05)，與TN、TP相關性不顯著(P>0.05)。土壤容重與土壤有機碳組分、碳循環酶、pH值、CEC、TP、TN、TK、AN、AP和AK呈顯著負相關(P<0.05)；土壤pH值與TN相關性不顯著(P>0.05)，土壤各氮、磷、鉀指標之間均呈顯著正相關(P<0.05)。

3 結論與討論

3.1 秸稈還田對土壤理化性質的影響

秸稈以適量、適當的方式還田被證明能有效改善土壤理化性質，顯著提高土壤氮、磷、鉀等養分含量，明顯提升土壤質量[21-22]。本研究結果表明，相比CK處理，水稻-油菜輪作體系下連續3 a秸稈還田可明顯改善土壤CEC值，這與劉楠等[23]研究結果相似。原因可能是因為連續秸稈還田有效改善了土壤結構，促進土壤中膠體含量增加，進而促進CEC值正向提升。其次，本研究結果證實，秸稈還田處理的土壤容重又顯著低于CK處理，這是因為秸稈纖維化程度高，大量秸稈還田后短期內難以完全分解，會占據耕層土壤大量空間，增加土壤孔隙度。此外，秸稈還田能有效提升土壤氮、磷、鉀養分的全量和速效養分含量，有效培肥土壤，這與Hao等[24]的研究結果相似。這是因為秸稈含有豐富的碳、氮、磷、鉀等營養物質，還田被微生物分解后能夠有效補充土壤營養成分，并參與土壤生態系統的物質循環，直接增加土壤中相應養分的儲量，能促進土壤肥力的正向積累。從養分的提升效果來看，本研究中3個秸稈還田處理中SR1處理的AN增幅最大，

*.顯著相關性(P<0.05)。*.Significant correlations(P<0.05).

SR2處理的TN、AP和AK增幅最大，SR3處理TP、和TK含量增幅最大，這與叢萍等[15]高量秸稈還田更有利于土壤的速效養分的提升研究結果有一定差異。可能是與秸稈還田方式和秸稈施入深度有關，也有可能與秸稈還田量過高后，秸稈分解過程中打破微生物平衡與作物爭奪土壤中的養分有關。

3.2 秸稈還田對土壤有機碳及其活性組分的影響

本研究中，連續3 a秸稈還田處理(SR1、SR2和SR3)SOC含量均明顯高于CK處理，且表現為秸稈用量越大有機碳含量越高。這主要是由于秸稈中含有大量碳、氮、磷等營養物質，還田利用能直接增加農田土壤碳輸入，提升土壤SOC含量[25]。然而，不同秸稈還田用量間土壤SOC含量無顯著差異，則可能是由于SOC變化是一個相對緩慢的過程，秸稈還田用量的增加對SOC提升效果短期內不顯著。其次，土壤SOC含量對農業管理措施的響應程度與土壤初始碳含量密切相關，本試驗中土壤SOC本底值較高，不同秸稈還田量下土壤SOC細微變化不能凸顯出來[26]。本研究中，ROC、DOC和MBC土壤活性炭組分變化趨勢相似，連續3 a秸稈還田后3種有機碳活性組分均有所提高，且提升程度均隨秸稈用量的增加而增加，增幅呈先快后慢的趨勢，這與Guo等[27]研究結果一致。究其原因，可能由于秸稈還田直接向土壤輸入難降解和易分解性有機碳，短期難降解的有機碳直接促進SOC積累，易分解有機碳則可直接作為土壤有機碳的碳源，提高土壤微生物活性并加速有機物的分解釋放[28]。土壤DOC較其他活性有機碳組分反應更敏感，可能由于土壤DOC是能溶于水的活性有機碳，還田后易分解有機質部分被微生物分解利用釋放出大量的可溶性有機碳[29]。表明土壤活性有機碳組分具有移動快、穩定性差等特點，在SOC短期變化不顯著的情況下，可以指示其早期的波動情況[30]。

3.3 秸稈還田對土壤酶活性的影響

土壤酶主要來源于微生物代謝過程，參與土壤生態系統中各種生理生化過程，能快速地響應土壤中的細微變化，與土壤有機碳變化密切相關，本研究中所涉及的4種酶與土壤碳循環密切相關[8]。土壤纖維素酶的來源是土壤中的植物殘體，以及細菌和真菌，在自然界生態碳循環中起重要作用[31]。β-葡萄糖苷酶是纖維素分解酶系的重要組成部分，也是纖維素降解的關鍵酶，是影響還田秸稈分解的最重要因素之一[32]。土壤多酚氧化酶參與腐殖質組分芳香族有機化合物的轉化，可以解聚或聚合土壤中的木質素分子和酚類化合物[23]。過氧化氫酶主要來源于土壤微生物和植物根系的分泌物，在SOC的腐殖質化過程中扮演著重要角色[33]。本研究結果表明，長期秸稈還田能夠顯著增加土壤碳循環相關酶活性，并且隨著秸稈還田量的增加，大部分土壤碳循環相關酶活性呈現出先增加后降低的趨勢，其中SR2處理的土壤酶活性最高，這與張鵬鵬等[34]研究結果較為一致。這是因為秸稈還田能調節土壤的碳氮比，促進土壤中有機物質的礦化分解，增強微生物活動強度，為酶活性的提高創造好條件，從而代謝產生更多的土壤酶[35]。此外，土壤酶活性強度與底物濃度密切相關，秸稈還田分解后能為土壤酶提供充足的底物，從而顯著增加酶活性[36]。但隨著秸稈還田量的增加部分土壤酶活性降低，這可能是因為秸稈還田量過多會造成土壤與大氣流通不暢，微生物活性降低，從而導致2倍秸稈還田條件下酶活性降低[37]。

在成都平原水稻-油菜輪作體系下，連續3 a秸稈還田均能不同程度地增加土壤有機碳及活性有機碳組分，均表現為秸稈用量越大碳組分含量越高；同時有利于提高土壤纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶活性，其中全量秸稈還田處理下的土壤纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶活性最高。此外，土壤有機碳組分與理化指標和碳循環酶活性相關分析表明，土壤活性有機碳組分和碳循環酶活性在SOC短期變化不顯著的情況下，可以敏感地指示其早期波動。綜合考慮，在該地區水稻-油菜輪作體系下，以全量秸稈還田最宜。