秸稈還田年限對春玉米土壤酶活性及肥力的影響

于博，武淑敏，邱建鑫，潘瑜，王鈺艷，任琴，黨玉蕾，張志鵬

(集寧師范學院，內蒙古烏蘭察布 012000)

土壤酶是評價土壤肥力的一個重要指標，可直接或間接反映土壤的營養狀態[1]。 土壤酶對土壤中的氧化、還原、吸收、利用等生物化學過程起決定作用[2]。 土壤酶活性與土壤肥力之間聯系密切[3]，與土壤有機質、速效氮含量等之間顯著相關[4]。 玉米秸稈中含有作物生長所必需的營養元素[5]，秸稈還田可有效利用資源，將土壤中的有效營養物質轉化成大量的碳源，還可以減少秸稈焚燒產生的污染性溫室氣體，提高土壤有機質含量、酶活性及肥力等[6，7]。 劉瑋斌等[1]研究表明，秸稈還田將大量有機物帶入土壤，從而增加土壤酶活性。 賀美等[8]研究表明，秸稈還田后土壤碳、氮含量增加，土壤理化性質得到改善，土壤酶活性增強。 閆慧榮等[9]研究表明，10 g/kg 的玉米秸稈還田量能有效提高土壤總體酶活性。 徐忠山[10]研究表明，秸稈全量還田顯著提高土壤酶活性。 高日平等[11]對內蒙古黃土風沙區調研后發現，不同秸稈還田量對土壤酶活性的影響不同。李春陽[12]研究表明，土壤轉化酶活性在玉米生長期表現為前期升高、后期下降趨勢。 劉芳等[13]研究表明，隨著秸稈還田時間的延長，土壤堿性磷酸酶活性會明顯提高，且隨著還田量的增加而提高。除氣候、土壤類型等因素外，秸稈還田年限也影響土壤酶活性[14]。 不同氣候、土壤類型條件下不同秸稈還田年限存在較大差異，隨還田量的增加，土壤酶活性也隨之上升，但當秸稈還田過量時，土壤酶活性會受到抑制，甚至降低[12]。 為解決內蒙古平原灌區春玉米主產區因有機肥投入不足、化肥不合理施用而導致的耕層淺、犁底層堅硬、蓄水保肥能力偏低等問題，本研究基于連續4 年秸稈還田定位試驗，形成秸稈還田1 ～4 年4 個年限處理，分析內蒙古平原灌區春玉米種植季不同秸稈還田年限對土壤酶活性及肥力的影響，以期為春玉米大面積連續高產穩產提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗在內蒙古集寧師范學院玉米試驗田進行。 試驗區屬典型的蒙古高原大陸性氣候，具有晝夜溫差大、無霜期短等特點，年平均無霜期為114 d，年平均氣溫4.3℃，年均日照3000 h，年平均風速3.0 m/s，最大凍土深度為1.9 m。 供試土壤質地為沙壤土，0 ～20 cm 耕層土壤有機質含量1.34%、堿解氮50.23 mg/kg、速效磷11.82 mg/kg、速效鉀136.10 mg/kg，pH 值為8.01。 春玉米生育期(5 月1 日—9 月30 日)平均降水量為384 mm，積溫2150℃。

1.2 試驗設計

定位試驗于2017 年10 月至2021 年10 月進行，玉米秸稈在收獲后全量粉碎深翻(20 cm)還田。 自2017 年起逐年形成秸稈還田1 ～4 年4 個年限處理(分別表示為HT1、HT2、HT3、HT4)，秸稈年均還田量分別為15876.73、15701.09、16504.52、17379.36 kg/hm2(4 年平均還田量為16365.43 kg/hm2)，以秸稈不還田為對照(CK)。秸稈還田量按照1.0 ∶1.2 的籽粒與秸稈比計算。小區長6 m、寬5 m，面積為30 m2。 玉米品種為先玉1619，種植密度75000 株/hm2，60 cm 等行距種植。 秸稈還田試驗設計方案詳見表1。 施肥量:純N 151 kg/hm2、P2O564 kg/hm2、K2O 189 kg/hm2。

表1 秸稈還田試驗設計方案

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤樣品采集 采樣時間為2021 年春玉米種植季。 分別在玉米春播前、拔節期、吐絲期采用五點取樣法采集各處理耕層(0～20 cm)土壤樣品，篩除雜質后用于測定土壤酶活性和土壤養分含量等。

1.3.2 土壤酶活性測定 土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定，堿性磷酸酶活性采用磷酸二鈉比色法測定，過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀容量法測定，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定[15]。

1.3.3 土壤理化指標測定 土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定，全氮采用凱氏定氮法測定，速效氮采用堿解擴散法測定，速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定，pH 值采用酸度計法測定[16]。

1.4 數據處理與分析

用Microsoft Excel 2016 和SPSS 19.0 軟件進行數據處理、方差分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 秸稈還田年限對土壤過氧化氫酶活性的影響

由圖1 可知，玉米春播前HT2 處理土壤過氧化酶活性最高，顯著高于其他處理，HT3 處理與CK 無顯著差異，HT1 和HT4 顯著低于CK；拔節期土壤過氧化酶活性表現為HT2 ＞HT3 ＞HT4 ＞CK＞HT1，與CK 相比，HT2、HT3、HT4 處理分別顯著增加93.28%、52.68%、19.12%；吐絲期土壤過氧化酶活性表現為HT1 ＞CK ＞HT4 ＞HT2 ＞HT3，HT1 與CK 無顯著差異，其他處理顯著低于CK。綜上表明，秸稈還田2 年處理對土壤過氧化氫酶活性影響較大。

圖1 秸稈還田年限對土壤過氧化氫酶活性的影響

2.2 秸稈還田年限對土壤堿性磷酸酶活性的影響

由圖2 可知，玉米春播前土壤堿性磷酸酶活性表現為HT2＞CK＞HT3 ＞HT4 ＞HT1，其中HT1、HT3 和HT4 處理與CK 差異達顯著水平，HT2 處理與CK 無顯著差異；拔節期表現為HT4 ＞CK ＞HT2＞HT1＞HT3，其中，HT1 和HT3 顯著低于其他處理，CK 與HT2、HT4 間無顯著差異；吐絲期土壤堿性磷酸酶活性表現為HT2 ＞HT4 ＞CK ＞HT3 ＞HT1，其中HT2 處理與CK 差異顯著，HT3、HT4 與CK 無顯著差異，HT1 顯著低于CK。 綜上表明秸稈還田2 年處理對玉米吐絲期土壤堿性磷酸酶活性影響較大。

圖2 秸稈還田年限對土壤堿性磷酸酶活性的影響

2.3 秸稈還田年限對土壤蔗糖酶活性的影響

由圖3 可知，玉米春播前，不同秸稈還田年限處理土壤蔗糖酶活性較低，且表現為HT2＞HT3＞HT1＞HT4，其中僅HT4 顯著低于CK，其他處理與CK 差異不顯著；拔節期與吐絲期各處理土壤蔗糖酶活性均表現為HT4＞HT3＞HT2＞HT1，其中拔節期HT3、HT4 顯著高于CK，HT1、HT2 與CK 無顯著差異；吐絲期僅HT1 低于CK，其他處理顯著高于CK。 綜上表明，隨秸稈還田年限的延長玉米拔節期及吐絲期土壤蔗糖酶活性呈遞增趨勢。

圖3 秸稈還田年限對土壤蔗糖酶活性的影響

2.4 秸稈還田年限對土壤脲酶活性的影響

由圖4 可知，玉米春播前，與CK 相比，HT1、HT2、HT3 處理土壤脲酶活性均顯著提高，HT4 處理顯著降低，秸稈還田年限各處理表現為HT2＞HT3＞HT1＞HT4；拔節期，不同秸稈還田年限處理土壤脲酶活性為HT2＞HT4＞HT3＞HT1，其中HT2、HT4 顯著高于CK，HT1、HT3 與CK 無顯著差異；吐絲期，不同秸稈還田年限處理土壤脲酶活性表現為HT2＞HT4 ＞HT3 ＞HT1，其中HT2 顯著高于CK，HT1 顯著低于CK，HT3 和HT4 與CK 無顯著差異。 綜上表明秸稈還田2 年處理對土壤脲酶活性影響較大。

圖4 秸稈還田年限對土壤脲酶活性的影響

2.5 秸稈還田年限對土壤肥力的影響

由表2 可知，玉米春播前，土壤有機質含量以HT2 處理最高，較CK 顯著增加28.5%，其他秸稈還田年限處理則顯著低于CK；HT4 處理土壤全氮及速效鉀含量最高，顯著高于CK 及其他年限處理；土壤速效氮、速效磷含量均以HT2 處理最高，且HT2 處理的速效氮含量與CK 無顯著差異而顯著高于其他處理，速效磷含量與其他處理差異達顯著水平；隨秸稈還田年限的延長，土壤pH 值總體呈下降趨勢，不同秸稈還田年限處理與對照差異達顯著水平。

表2 秸稈還田年限對土壤肥力的影響

玉米吐絲期，土壤有機質含量表現為不同秸稈還田年限處理間差異不顯著，其中HT1、HT3 顯著高于CK；土壤速效氮、磷、鉀含量均隨秸稈還田年限的延長而增加，其中HT4 處理土壤速效氮、磷、鉀含量均顯著高于其他處理，HT3、HT4 全氮含量差異不顯著但顯著高于其他處理。 土壤pH值隨秸稈還田年限延長總體呈下降趨勢，除HT1外，其他還田年限處理與CK 差異達顯著水平。

2.6 不同秸稈還田年限處理下土壤酶活性與土壤肥力的相關性

相關性分析結果(表3)表明，玉米春播前，土壤堿性磷酸酶與速效磷含量及土壤脲酶與速效氮呈顯著正相關；吐絲期，土壤過氧化氫酶與pH 值呈顯著正相關，土壤脲酶與速效氮及土壤蔗糖酶與速效鉀含量呈顯著正相關，土壤蔗糖酶與速效磷含量呈極顯著正相關。

表3 不同秸稈還田年限處理下土壤酶活性與土壤肥力的相關分析

3 討論與結論

土壤酶活性高低決定土壤生化過程強弱，對土壤質量變化非常敏感[17]。 路文濤等[18]研究表明，秸稈還田提高了土壤過氧化氫酶活性，這與本研究結果不完全一致。 本研究中春播前和拔節期秸稈還田2 年處理的土壤過氧化氫酶活性顯著高于CK，吐絲期秸稈還田1 年處理高于CK，但差異不顯著。 說明秸稈逐年還田土壤過氧化氫酶活性有先增加后降低的趨勢，原因可能是秸稈還田土壤有機質增加，作物根系代謝與土壤中的微生物競爭，導致過氧化氫的積累，提高了過氧化氫酶的活性。 秸稈還田3 ～4 年后秸稈腐解過程中土壤酶各類微生物等群落結構和功能發生變化導致酶活性表現出上述規律。

土壤磷酸酶活性能反映土壤磷素的營養狀況，并促進土壤中有機磷的轉化，增加土壤磷含量，秸稈還田后土壤磷酸酶活性顯著增大[6]。 本研究表明玉米春播前和拔節期不同秸稈還田年限處理堿性磷酸酶活性較CK 無顯著增加，甚至降低；吐絲期則表現為秸稈還田2 年處理顯著高于CK，其他處理無顯著變化。

土壤蔗糖酶可以將蔗糖分解為葡萄糖和果糖，從而被植物和微生物吸收，是土壤酶活性的重要指標，秸稈還田后土壤蔗糖酶活性明顯增強[19]。 本研究結果顯示，隨秸稈還田年限的延長，拔節期和吐絲期土壤蔗糖酶活性增強。 原因可能是秸稈還田會釋放一定的碳源和氮源，提升土壤碳氮的供應，從而提高蔗糖酶活性；而春播前土壤蔗糖酶活性表現為秸稈還田各處理與CK 無顯著差異，原因可能與試驗田所處冷涼氣候區的地理環境有關。

土壤脲酶能水解土壤中的尿素，為植物生長提供氮源，秸稈還田可增加土壤脲酶活性[20]。 本研究結果表明，春播前秸稈還田年限1 ～3 年處理的土壤脲酶活性顯著高于CK，拔節期和吐絲期秸稈還田年限2 年處理的土壤脲酶活性顯著提高。

綜上，秸稈還田培肥土壤效果明顯，能提高春玉米吐絲期土壤速效養分含量，降低pH 值；提高拔節期和吐絲期土壤酶活性，秸稈還田2 年處理的玉米拔節期土壤過氧化氫酶活性及吐絲期土壤堿性磷酸酶和脲酶活性顯著高于其他處理，秸稈還田4 年處理的玉米拔節期和吐絲期土壤蔗糖酶活性最高。 4 種土壤酶的活性與土壤速效養分含量存在顯著或極顯著正相關關系。