化肥減量條件下秸稈還田配施腐植酸對白漿土酶活性及養分轉化與吸收的影響

郭偉，邢力文，馬傳芳，孫海燕，3

(1. 黑龍江八一農墾大學農學院，黑龍江大慶 163319；2. 黑龍江省現代農業栽培技術與作物種質改良重點實驗室，黑龍江大慶 163319；3. 農業農村部東北平原農業綠色低碳重點實驗室，黑龍江大慶 163319)

白漿土作為我國東北黑土地主要土壤類型之一，主要分布于半濕潤和濕潤氣候的黑龍江省三江平原和吉林省東部[1]，僅有約15 cm 黑土層，下層為15～30 cm 呈酸性、貧瘠的白漿層[2]。 秸稈還田作為改良利用白漿土的重要方式在黑龍江省三江平原被廣泛應用[3]。 對白漿土進行32 年秸稈還田后發現耕層胡敏素含碳量呈減少趨勢，土壤胡富比在還田24 年時達到峰值1.22，而20～40 cm 土層胡富比逐漸減小[4]。 雖然秸稈心土還田(20～40 cm)提高了土壤堿解氮、有效磷和有機質含量，但耕層(0～20 cm)磷素和鉀素含量低于常規翻耕處理[3]。 為保障作物高產，尤其是連作條件下玉米穩產、豐產，近20 年來化肥施用量居高不下，2018年玉米生產的肥料用量為411.2 kg/hm2，而肥料利用效率僅為39.9%，肥料超量使用達50.8%[5]。在不減少糧食作物產能的基礎上保障農業生產可持續發展，減少化肥施用量，提高其利用效率，培肥地力勢在必行。 自20 世紀60 年代，全國掀起了使用腐植酸肥和利用腐植酸改良土壤的熱潮，國內外大量研究確認了腐植酸在農業上具有“改良土壤、增效肥料、刺激生長、增強抗逆、改善品質”五大作用[6]。 研究表明，腐植酸中含有大量不飽和鍵，可防止土壤脲酶的巰基被氧化，同時螯合土壤中Cu2＋和Hg2＋[7]，在其施入初期抑制土壤脲酶活性，減少尿素水解和氨揮發，而植物生長后期穩定脲酶活性，為植物生長持續供肥；腐植酸含有較多的酸性功能基團和較大的陽離子交換量，能夠絡合氮、磷和鉀素，固持與活化肥料中的養分，提高肥料有效性和利用率[8]。 土壤中氮、磷和鉀的釋放與腐植酸添加量呈線性相關[9]，腐植酸還可直接作用于植物而影響根系生長及其對養分的吸收[10]。 腐植酸通過調控“植物－土壤－肥料”系統促進植物生長和增產。 但將腐植酸作為秸稈還田的配套措施，對秸稈腐解速率的調控效應研究較少，腐植酸作為促腐劑對作物養分吸收的作用機制需進一步探索。 為此，本試驗通過盆栽方式對比研究化肥減量條件下，秸稈還田、腐植酸及其配套施用對白漿土速效養分轉化吸收、化肥利用效率的綜合影響，以豐富白漿土區秸稈還田技術效應研究，為黑龍江省三江平原作物產能與地力保育同步提高技術開發應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗分別于2019 年和2020 年的5—10 月在自然條件下采用盆栽方式進行。 栽培盆規格為高25 cm、直徑22 cm 的塑料圓桶。 盆栽土壤取自于黑龍江八一農墾大學農業科研基地(黑龍江省密山市，131.8754°E，46.5936°N)的白漿土，其理化性狀:堿解氮含量160.7 mg/kg、有效磷44.4 mg/kg、速效鉀110.7 mg/kg，pH 值5.65。

供試玉米品種為鄭單958。 供試肥料為尿素(N 46%)、磷酸二銨(N 18%，P2O546%)、硫酸鉀(K2O 50%)、腐植酸(黃腐酸65%，K2O 12.5%)。秸稈為上一季收獲后自然風干的玉米秸稈。

1.2 試驗設計及方法

試驗采用隨機區組設計，設置化肥常量對照(CF)、化肥減量15%＋腐植酸(FH)、化肥減量15%＋秸稈還田(FS)、化肥減量15%＋秸稈還田＋腐植酸(FSH)共4 個處理。 每處理4 盆，重復4次。 化肥常量按照尿素、磷酸二銨和硫酸鉀分別為375、225、150 kg/hm2施用；化肥減量處理為化肥常量的85%，詳見表1。 FS 和FSH 處理施肥同時埋入5～8 cm 長的整段秸稈4 段。 粉碎秸稈過20 目篩，秸稈用量參照生產中秸稈全量還田計。

表1 試驗處理各物料用量(kg/hm2)

每盆先裝入底土5 kg，后均勻撒施2 kg 試驗處理混料(即化肥、粉碎秸稈、腐植酸與土壤充分混勻的混合物)，并將整段秸稈稱重后埋入其中，覆蓋2 kg 隔離土后播種。 每盆播5 粒玉米種子，之后覆2 kg 表土，出苗后間苗留3 株。 試驗期間定量灌水。

1.3 樣品采集

于玉米拔節期、抽雄期和成熟期分別取土樣，在距植株約5 cm 處用直徑5 cm 土鉆分別取3 個點的10～15 cm 表層土壤，取出混勻后自然風干再粉碎研磨過篩，用于測定各時期土壤速效養分含量及酶活性。

成熟期每處理取4 株玉米地上部，放入105℃烘箱殺青30 min 后80℃烘至恒重，稱重。植株樣品粉碎后備用。

1.4 測定項目與方法

土壤酶活性參照關松蔭[11]的方法測定，土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量參照鮑士旦[12]的方法測定；植株全氮含量采用凱氏定氮法測定，全磷含量采用鉬銻抗比色法測定，全鉀含量采用原子吸收分光光度法測定。

自播種前將整段玉米秸稈埋在土壤中計起，120 d 后將秸稈取出清洗、烘干后稱重，計算秸稈腐解率。

1.5 數據處理與分析

用Microsoft Excel 2010 統計整理試驗數據并作圖，SPSS 25.0 軟件進行統計分析，Duncan’s 新復極差法進行差異顯著性檢驗。

肥料農學效率和秸稈腐解率按下式計算:

肥料農學效率(%)＝(處理植株干重－不施肥對照植株干重)/肥料純養分量×100 ；

秸稈腐解率(%)＝(放置前秸稈干重－取出時秸稈干重)/放置前秸稈干重×100 。

2 結果與分析

2.1 化肥減量條件下秸稈還田配施腐植酸對土壤酶活性的影響

兩年試驗結果(圖1)表明，化肥減量配施腐植酸處理(FH)的土壤脲酶活性與化肥常量對照(CF)間無顯著差異；而化肥減量條件下秸稈還田處理(FS)的土壤脲酶活性顯著高于對照(CF)，尤其是玉米抽雄期后；化肥減量條件下，秸稈還田配施腐植酸處理(FSH)的土壤脲酶活性最高(除2019 年拔節期外)，2019 年和2020 年拔節期脲酶活性較CF 分別增加9.0%和22.6%，抽雄期、成熟期分別顯著增加78. 7%、 64. 3% 和119.0%、133.8%。可見，減少15%化肥用量條件下施入腐植酸，仍基本保持不低于化肥常量情況下的土壤氮素轉化能力；化肥減量下施入秸稈及秸稈還田配施腐植酸均顯著提高土壤脲酶活性。

圖1 化肥減量條件下秸稈還田配施腐植酸對土壤脲酶活性的影響

土壤有機磷在磷酸酶作用下水解釋放供植物生長所需。 秸稈還田(FS 和FSH 處理)增加了土壤有機磷的來源，其土壤酸性磷酸酶活性顯著高于CF(對照)，其中FS 處理在2019 年玉米拔節、抽雄和成熟期的土壤酸性磷酸酶活性較CF 分別顯著提高11.5%、56.2%和23.4%，2020 年則分別顯著增加14.7%、36.0%和30.7%(圖2)。 而化肥減量配施腐植酸對土壤酸性磷酸酶活性的影響兩年試驗中表現有所不同，除2019 年玉米拔節期外， FH 處理的土壤酸性磷酸酶活性均不低于CF(對照)，FSH 與FS 處理間無顯著差異。 可見，秸稈還田是誘導土壤酸性磷酸酶活性增強的主因，腐植酸的作用尚不確定。

由圖3 可知，2019 年玉米拔節期，FH 處理的土壤蔗糖酶活性與CF 無顯著差異，而抽雄期和成熟期則顯著高于CF，但2020 年各生育時期土壤蔗糖酶活性FH 處理與CF 間均無顯著差異。秸稈還田(FS 和FSH)顯著增加土壤蔗糖酶活性，2019 年FS 處理拔節期、抽雄期和成熟期土壤蔗糖酶活性較CF 分別顯著增加26.1%、97.1%和54.6%，2020 年分別顯著增加12.2%、9.9%和22.8%。兩年測定結果得出，FS 處理的土壤蔗糖酶活性與FSH 處理間無顯著差異。 可見，秸稈還田顯著提高土壤蔗糖酶活性，促進土壤碳代謝，配施腐植酸后有增強土壤蔗糖酶活性的趨勢。

土壤過氧化氫酶活性是土壤腐殖化程度的重要體現，與有機質含量積累密切相關。 由圖4 可知，化肥減量條件下，施用腐植酸、秸稈還田及其配施均可顯著提高土壤過氧化氫酶活性，其中以FH 處理最高，2019 年玉米拔節、抽雄和成熟期較CF 分別顯著提高16.0%、23.7%和18.1%，2020 年則分別顯著提高19.5%、20.2%和43.2%。 FSH 處理的土壤過氧化氫酶活性略低于FH 和FS 處理(除成熟期外)。 可見，秸稈還田和施用腐植酸均有加劇土壤腐殖化程度、激發過氧化氫酶活性的作用，其中腐植酸的作用略強。

圖4 化肥減量條件下秸稈還田配施腐植酸對土壤過氧化氫酶活性的影響

2.2 化肥減量條件下秸稈還田配施腐植酸對土壤速效養分含量的影響

兩年試驗結果(圖5A、5B)表明，玉米拔節期和抽雄期土壤堿解氮含量差異較小，而成熟期則明顯降低。 化肥減量條件下，施用腐植酸、秸稈還田及其配施處理(FH、FS 和FSH)的土壤堿解氮含量與CF 間無明顯差異。 可見，化肥減量15%條件下，秸稈還田、施用腐植酸均有補充或刺激土壤氮素轉化的作用，保持與化肥常量對照相同的供氮能力。

圖5 化肥減量條件下秸稈還田配施腐植酸對土壤堿解氮(A、B)、有效磷(C、D)、速效鉀(E、F)含量(mg/kg)的影響

化肥常量施用條件下，玉米拔節期土壤有效磷含量略低于抽雄期，而略高于成熟期，但在玉米各生育期差異不明顯(圖5C、5D)。 化肥減量條件下，秸稈還田對土壤有效磷的影響不明顯，而配施腐植酸則提高土壤有效磷含量；秸稈還田同時配施腐植酸處理則維持與CF 相同水平的土壤磷含量。 可見，腐植酸具有活化白漿土磷素的效應。

隨著玉米生育進程土壤速效鉀含量略有降低(圖5E、5F)。 化肥減量條件下，施用腐植酸、秸稈還田及其配施均可明顯提高速效鉀含量，尤其是配施腐植酸的作用更顯著，且秸稈還田與腐植酸存在顯著互作效應。 可見，腐植酸和秸稈還田均可增加土壤速效鉀含量，原因可能是腐植酸促進秸稈腐解，加速秸稈腐解后速效鉀的釋放。

相關性分析結果(表2)表明，土壤養分的轉化受到秸稈還田的直接影響，土壤脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性與秸稈還田呈顯著或極顯著正相關，土壤過氧化氫酶活性與腐植酸呈顯著正相關，而酸性磷酸酶活性與脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性呈顯著或極顯著負相關；土壤有效磷含量與腐植酸呈顯著正相關，而速效鉀含量與秸稈、腐植酸均呈極顯著正相關。 可見，秸稈還田誘導土壤碳、氮代謝增強，提高了土壤速效鉀的供應；腐植酸促進土壤熟化，活化土壤有效磷、速效鉀；秸稈還田配施腐植酸更有利于白漿土有效磷的轉化。

表2 化肥減量條件下秸稈還田配施腐植酸對土壤速效養分轉化影響的相關分析

2.3 化肥減量條件下秸稈還田配施腐植酸對玉米植株養分吸收的影響

由圖6 看出，化肥減量條件下，FS 處理成熟期玉米植株全氮、全磷含量與CF 間無明顯差異，全鉀含量差異明顯； FH 處理的全氮、全鉀含量明顯高于CF，2019 年和2020 年分別增加59.0%、21.2%和32.2%、12.2%，全磷含量有增加趨勢； 秸稈還田同時配施腐植酸處理(FSH)的全氮、全磷和全鉀含量與FS 處理間差異不明顯。 由此可見，腐植酸的施用提高了玉米植株氮、鉀素的吸收和積累；化肥減量條件下秸稈還田配施腐植酸，玉米植株對速效養分的吸收能力高于化肥常量對照。

圖6 化肥減量條件下秸稈還田配施腐植酸對植株養分含量的影響

2.4 化肥減量條件下秸稈還田配施腐植酸對秸稈腐解率、肥料利用效率及地上部干重的影響

由圖7 看出，化肥減量條件下，2019 年秸稈還田處理(FS)秸稈腐解率為75.9%，2020 年為45.6%；秸稈還田配施腐植酸處理(FSH)秸稈腐解程度顯著提高，2019、2020 年腐解率分別為83.3%、55.2%，較FS 分別提高7.4 個、9.6 個百分點。

圖7 化肥減量條件下秸稈還田配施腐植酸對玉米秸稈腐解率的影響

由圖8 可知，2019 年植株地上部干重明顯高于2020 年。 2019 年FS 和FSH 處理的干重較CF分別顯著提高28.6%和76.7%，而2020 年兩者與CF 無顯著差異，但兩年試驗中FH 處理干重均顯著高于CF，分別提高81.2%和28.4%。 由于兩年試驗盆栽場地差異，2020 年光照條件較差，造成玉米植株地上部干重差異較大。 由此分析，化肥減量條件下秸稈還田配施腐植酸可獲得不低于化肥常量處理的干物質積累能力，尤其是腐植酸作用效果顯著。

圖8 化肥減量條件下秸稈還田配施腐植酸對玉米成熟期植株地上部干重的影響

由表3 可知，2019 年化肥減量各處理的肥料農學效率較常量化肥對照(CF)提高幅度較大，而2020 年變幅相對較小，尤其是化肥減量條件下秸稈還田處理，與CF 對照持平。 通過兩年的對比分析發現，腐植酸處理對肥料農學效率的正向效應較顯著，其中2019 年FH 處理的氮肥、磷肥和鉀肥的農學效率較CF 對照分別顯著提高26.10、43.61、65.31 個百分點；雖然2020 年化肥減量各處理的肥料農學效率較CF 變化較小，但FH 處理的肥料農學效率仍較CF 平均增加96.27%，差異達顯著水平。

表3 化肥減量條件下秸稈還田配施腐植酸對肥料農學效率的影響

3 討論

3.1 化肥減量條件下秸稈還田配施腐植酸對土壤酶活性的影響

土壤酶表征土壤生物學活性，可用于評估土壤某些營養物質的轉化及土壤綜合肥力狀況[13]。秸稈還田顯著增強土壤酸性磷酸酶、水解酶、脲酶、脫氫酶活性，尤其是脲酶和水解酶活性[14]。土壤酶活性會受到秸稈腐解程度的影響，例如，隨著還田的玉米秸稈不斷分解，土壤過氧化氫酶活性呈現出先增加后降低再增加的趨勢[15]。 本研究發現秸稈還田和腐植酸的施用顯著影響土壤酶活性，尤其是玉米抽雄期后效果更明顯。 秸稈還田不但影響與土壤速效養分轉化關系密切的土壤脲酶和磷酸酶活性，也同步提高了土壤蔗糖酶和過氧化氫酶活性，而腐植酸的施用與土壤過氧化氫酶活性顯著相關。 這主要在于秸稈還田增加了土壤有機物質數量，促進了土壤微生物的繁殖，進而增強土壤酶活性。 外源腐植酸的施入加快了土壤腐殖化進程，促進土壤碳代謝，同時，腐植酸通過非特異性機制抑制土壤中蛋白酶的活性，酶與腐植酸通過靜電、疏水和其他類型的分子間相互作用形成聚合物，降低土壤氮代謝活性[16]。 因此，化肥減量條件下秸稈還田配施腐植酸有利于土壤微生態的碳－氮代謝平衡，保持了與化肥常量對照相似的土壤蔗糖酶與脲酶活性比，保障土壤速效養分的轉化效率。 不同施肥方式的研究也表明，秸稈還田配施氮肥土壤蔗糖酶活性和脲酶活性最高[17]，土壤養分代謝達到更高水平的平衡。

3.2 化肥減量條件下秸稈還田配施腐植酸對土壤速效養分供應與吸收的影響

東北黑土區化肥減量條件下秸稈還田在短時間內可以保持土壤有機碳、全氮和全磷含量不降低，減弱土壤酸化程度，對土壤養分庫容、元素供應及其轉化都有一定的改良效應，穩定作物產量[18]。 因為秸稈腐解可以有效降低黑鈣土容重，增加土壤顆粒平均當量直徑和水穩系數，促使土壤胡敏酸結構氧化度和縮合度下降，以及脂族鏈烴和芳香碳含量增加[19]。 化肥減量20%同時秸稈還田，在玉米拔節期和收獲期均可保持與常規化肥施用量相同的土壤速效氮、磷、鉀供應，如能同時配施適量有機肥，還可以進一步增加土壤中有機碳和速效氮、磷、鉀含量，實現玉米增產和增收[20]。 本研究中化肥減量15%條件下，秸稈還田與土壤脲酶活性呈顯著正相關，脲酶活性與土壤堿解氮含量呈極顯著正相關，可見秸稈氮素的轉化、吸收是玉米植株氮素營養的重要來源，在無機氮肥減量的情況下與化肥常量對照的植株氮含量無明顯差異。 Li 等[21]研究發現，無機氮肥的輸入水平對土壤性質的影響是非線性的，在一定氮素供應的基礎上秸稈還田較不還田處理顯著提高土壤脲酶活性，促進土壤氮礦化，這主要是土壤真菌生物量增加的結果。 秸稈還田可以通過誘導微生物固氮，抑制銨態氮的釋放，而銨態氮的固定/釋放是低肥力土壤中礦質氮肥保持和供應的主要過程[22]，因此，化肥減量條件下秸稈還田對于提高氮肥的利用效率具有更重要的意義。 作為東北地區主要土壤類型之一的白漿土，其土壤性狀與黑鈣土存在較大差異[23]，其中有效磷含量低是限制作物產量提升的重要因子[24]。 不同秸稈還田方式對白漿土有效磷含量的影響不同，秸稈還田于白漿土的心土層對活化磷素效果較好[3]，秸稈全量粉碎覆蓋還田后盡管增加土壤堿解氮含量，但對全氮及有效磷含量影響不大[25]。 本研究也發現雖然秸稈還田提高了土壤酸性磷酸酶活性，但土壤有效磷含量并未增加，玉米植株磷含量與化肥常量對照間無明顯差異。 腐植酸雖然可以活化土壤磷素、提高供磷水平，但植株對磷的吸收并未明顯增加。 秸稈還田后土壤速效鉀積累量明顯增加，盡管本研究兩年試驗結果表現差異較大，但土壤速效鉀的積累及植株全鉀含量均明顯提升，鉀肥農學效率也是3 種速效養分中最高的。 可見在白漿土上進行秸稈還田要注重磷素的活化與吸收，提升秸稈還田條件下當季作物磷素利用效率。本研究也表明，秸稈還田同時配施一定量的腐植酸對于白漿土有效磷的釋放效果較好，腐植酸的施用不但有效增加土壤有效磷含量，且大幅提高土壤速效鉀積累，盡管土壤堿解氮含量與對照無明顯差異，但提高了植株全氮含量。 這可能與腐植酸抑制氨揮發和淋溶、減少氮素損失有關[26]。

3.3 化肥減量條件下秸稈還田配施腐植酸對秸稈腐解及玉米生長的影響

以往的研究多集中于外源腐植酸物質施用、秸稈還田對土壤有機質積累，以及腐植酸、秸稈腐解對土壤速效養分積累與吸收的影響機制[6]，鮮有涉及秸稈還田配施腐植酸類物質的互作效應，且缺少腐植酸對田間秸稈腐解的直接證據。 本研究在秸稈粉碎還田的同時設計了整段秸稈填埋試驗，通過觀察整段秸稈的質量損失研究腐植酸對玉米秸稈腐解的影響，結果發現腐植酸具有促進秸稈腐解的直接作用；同時，通過對比化肥減量配施腐植酸處理的土壤速效養分含量及化肥農學效率分析可知，腐植酸具有活化土壤養分的效應；另外，兩年秸稈還田配施腐植酸處理的植株干重均顯著高于秸稈還田處理，但略低于腐植酸處理，說明腐植酸具有促進玉米植株生長發育的作用。 腐植酸對植物根系生長的刺激作用可能是其促生效應的的最初動力[27]，通過刺激植物內生細胞激肽類、生長素的合成，以及蔗糖代謝、ATP 酶、細胞支架蛋白質相關基因的差異性表達等[28]，最終體現在根系長度、數量、吸收面積及根系活力方面的提高[29]。 綜上認為，化肥減量條件下，秸稈還田配施腐植酸更有利于玉米植株的生長，獲得不低于常量化肥的干物質量，其作用途徑可能有兩個:一方面腐植酸加速還田秸稈的腐解，增加土壤速效養分的積累，擴大植株生長的土壤養分庫容；另一方面，腐植酸刺激作物根系生長，提高根系對土壤速效養分的吸收能力，以及植株地上部快速生長對根系養分吸收的“拉動”能力。 化肥減量15%條件下，白漿土上秸稈還田、腐植酸及其配施可促進連作條件下當季玉米生長，穩定產量，但長期效應還有待于試驗觀察，尤其是東北地區白漿土區域大豆種植面積恢復性增長情況下的大豆－玉米輪作體系逐步重構過程中，采用玉米秸稈全量直接還田配施腐植酸類物質，對于白漿土區作物綜合產能與地力培育具有同步提升的作用效果。

4 結論

秸稈作為外源有機物質施入白漿土，顯著增強玉米生育期土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶活性，尤其是抽雄期后土壤酶活性，促進土壤速效養分轉化。 腐植酸顯著提高土壤過氧化氫酶活性，加速還田秸稈的腐解和土壤的腐殖化，活化土壤磷素和鉀素，提高肥料農學效率，促進玉米生長。在常量化肥減少15%基礎上秸稈還田3 750.0 kg/hm2及其配施腐植酸625.0 kg/hm2，可保持與化肥常規用量相同的土壤速效氮、有效磷供應水平，增加土壤速效鉀含量，維持玉米植株生長對速效養分的吸收與干物質積累。