稻草還田對土壤脲酶活性及土壤溶液無機氮含量影響

馬春梅，王家睿，戰(zhàn)厚強，閆　超，顏雙雙，王　亮（.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱　50030；.北大荒墾豐種業(yè)股份有限公司水稻分公司，黑龍江　佳木斯　54007）

?

稻草還田對土壤脲酶活性及土壤溶液無機氮含量影響

馬春梅1，王家睿1，戰(zhàn)厚強1，閆超1，顏雙雙1，王亮2
（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱150030；2.北大荒墾豐種業(yè)股份有限公司水稻分公司，黑龍江佳木斯154007）

摘要：試驗針對我國寒地水稻種植區(qū)，采用室外連續(xù)多年稻草還田小區(qū)和室內(nèi)培養(yǎng)方式，研究水稻種植條件與非種植條件下稻草還田對土壤脲酶活性及土壤溶液無機氮含量影響，為我國寒地水稻秸稈還田技術(shù)提供參考。結(jié)果表明，整個取樣時期，稻草還田處理與不還田處理土壤脲酶活性及土壤溶液無機氮含量變化趨勢基本相同，小區(qū)試驗呈先降后升再降趨勢，室內(nèi)培養(yǎng)試驗呈下降趨勢，土壤脲酶活性與土壤溶液無機氮含量呈顯著正相關(guān)；土壤脲酶活性及土壤溶液無機氮含量隨稻草還田量增加而降低；土壤脲酶活性及土壤溶液無機氮含量在室內(nèi)條件下比較穩(wěn)定，而在室外條件下波動較大。稻草還田使水稻產(chǎn)量略有增加，但差異不顯著。

關(guān)鍵詞：水稻；稻草還田；土壤脲酶活性；土壤溶液；無機氮

馬春梅,王家睿,戰(zhàn)厚強,等.稻草還田對土壤脲酶活性及土壤溶液無機氮含量影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2016,47(3):38-43.

Ma Chunmei,Wang Jiarui,Zhan Houqiang,et al.Effect of rice straw returning on activities of soil urease and inorganic nitrogen contents of soil solution[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(3):38-43.(in Chinese with English abstract)

我國農(nóng)業(yè)資源浪費嚴(yán)重[1]?；适┯眠^量，作物秸稈焚燒等現(xiàn)象屢見不鮮，造成生態(tài)退化與環(huán)境污染，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究日益受到關(guān)注。

稻草是中國第二大作物秸稈，占全國農(nóng)作物秸稈總產(chǎn)量1/5以上。根據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布數(shù)據(jù)[2]，2014年稻谷產(chǎn)量為20 650.7萬t，以谷草比1?1.1估算[3]，稻草量接近2.3億t。但稻草焚燒處理，造成大量營養(yǎng)元素浪費，秸稈還田是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方式，有改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤有機質(zhì)，減少過量施用化肥帶來的土壤退化和污染作用[4]，降低對大氣環(huán)境破壞。但秸稈腐解過程復(fù)雜，對土壤理化性質(zhì)、微生物、酶活性影響顯著[5]。

脲酶是氨基水解酶，促進(jìn)尿素分解。尿素只有在土壤脲酶作用下水解成銨態(tài)氮后，才能被作物吸收利用。因此土壤脲酶活性能反映部分土壤生產(chǎn)力，可作為衡量土壤肥力指標(biāo)之一[6]，而土壤脲酶活性受栽培措施影響較大[7-8]。土壤溶液是指土壤中含有各種可溶性物質(zhì)浸出的水溶液，是土壤液相部分。它是土壤與環(huán)境間物質(zhì)交換的載體，作物吸收養(yǎng)分的介質(zhì)。土壤溶液與土壤固相間保持動態(tài)平衡，能反映土壤的新動態(tài)[9-10]，是土壤營養(yǎng)元素供應(yīng)情況的直接體現(xiàn)。

本試驗綜合室外小區(qū)試驗（水稻種植條件下）和室內(nèi)培養(yǎng)試驗（非種植條件下）情況，研究稻草還田條件下土壤脲酶和土壤溶液無機氮含量變化，為了解稻草還田對土壤理化性質(zhì)影響提供參考。

1　材料與方法

1.1試驗地概況

試驗于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實驗實習(xí)基地進(jìn)行，地理坐標(biāo)東經(jīng)126°22′～126°50′，北緯45°34′～ 45°46′，屬溫帶大陸性氣候，四季分明，年降水量500～550 mm，無霜期140 d，≥10℃積溫2 700℃。試驗土壤是長期種植水稻的黑土，水稻為一年一熟制。

1.2試驗設(shè)計

1.2.1小區(qū)試驗

定位試驗小區(qū)于2008年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實驗實習(xí)基地設(shè)置[11- 12]，小區(qū)采用混凝土筑成2 m× 2 m×0.6 m框池，填入約50 cm供試土壤。試驗設(shè)3個處理：秸稈不還田STM（0 t·hm-2）、低量還田L(fēng)STR（6.25 t·hm-2）、高量還田HSTR（12.50 t·hm-2）。還田時將稻草截成5 cm小段，翻埋方式還入田中，采用隨機排列方式，每個處理3次重復(fù)。每年5月20日翻地，5月25日泡田，5月30日插秧，插秧規(guī)格為30 cm×13 cm×3株·穴-1?；适┯昧棵靠蚰蛩?0 g （N：46%，150 kg·hm-2）、磷酸氫二銨60 g（N：18%，P2O5：46%，150 kg·hm- 2）和硫酸鉀40 g （K2O：30冰，100 kg·hm-2），分蘗期追施尿素60 g （N：46%，150 kg·hm-2），其他管理措施同大田生產(chǎn)。本試驗于2014年在此定位試驗區(qū)進(jìn)行，土壤基礎(chǔ)肥力見表1。供試品種：松粳10。

1.2.2室內(nèi)模擬試驗

室內(nèi)模擬試驗于2014年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院進(jìn)行，試驗設(shè)3個處理：稻草不還田STM（0t·hm-2）、低量還田L(fēng)STR（6.25 t·hm- 2）、高量還田HSTR （12.50 t·hm-2）。室內(nèi)培養(yǎng)采用500 mL棕色廣口瓶，每瓶加入150 g風(fēng)干土（基礎(chǔ)肥力見表1），并按各處理要求，每瓶加入稻草（稻草不還田0 g·瓶-1、低量還田4 g·瓶- 1、高量還田8 g·瓶- 1），每瓶加入溶液250 mL，溶液離子含量：NO3--N+NH4+-N 30 mg·L-1，NO3-N 20 mg·L-1，NH4+-N 10 mg·L-1，P 10 mg·L-1，K 5 mg·L-1；加入溶液后確定水位線并作標(biāo)記，封口防止水分蒸發(fā)，于25℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。取樣時觀察瓶中水位高低，并用蒸餾水補充至水位線。

1.3樣品采集與測定

樣品包括土壤與土壤溶液兩部分，具體采集方法與取樣時間見表2。

秋季測產(chǎn)：小區(qū)試驗種植水稻待秋季收獲后考種測量，包括株高、千粒重、分蘗、有效分蘗、結(jié)實率、產(chǎn)量等。

測定方法：土壤脲酶-靛酚藍(lán)比色法[13]；土壤溶液無機氮-凱氏定氮法[14]。

表1　土壤基礎(chǔ)肥力Table 1 Basic fertility of soil

圖1　土壤溶液采集裝置[11]Fig.1 Soil solution sampling device

表2　樣品采集方法與取樣時間Table 2 Sample collection method and sampling time

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用SPSS17.0和Excel2003進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2　結(jié)果與分析

2.1稻草還田對水田土壤脲酶活性影響

表3為水稻從插秧到收獲生育時期內(nèi)土壤脲酶變化情況，以第一次取樣時間（5月24日）記為1 d。該期間內(nèi)，各處理脲酶活性整體呈先降再升最后降低趨勢，第一個下降趨勢出現(xiàn)在分蘗期及幼穗分化期（7～47 d），第二個下降趨勢出現(xiàn)在臨近收獲期時（87～127 d），整個取樣時期脲酶活性最低峰出現(xiàn)在47 d，最高峰出現(xiàn)在87 d。這主要與分蘗肥施用有關(guān)，土壤脲酶活性受土壤微生物、有機物質(zhì)含量、全氮和速效氮含量等影響[15-17]，尤其是氮肥使用對土壤脲酶活性提升明顯[18]。不同處理間，稻草還田處理脲酶活性與不還田處理相比顯著下降。高量還田處理與低量還田相比脲酶活性降低，但差異不顯著。

表3　稻草還田對土壤脲酶活性影響（小區(qū)試驗）Table 3 Effect of straw returning on activities of soil urease(Plot experiment)(mg·g-1·d-1)

表4為室內(nèi)培養(yǎng)過程中土壤脲酶變化情況，培養(yǎng)全過程中土壤脲酶活性呈現(xiàn)逐漸下降趨勢。不還田處理土壤脲酶活性高于還田處理，培養(yǎng)20 d后差異顯著；隨稻草還田量增加，土壤脲酶活性下降。培養(yǎng)30 d后差異顯著。培養(yǎng)結(jié)束（110 d）

表4　稻草還田對土壤脲酶活性影響（室內(nèi)模擬）Table 4 Effect of straw returning on activities of soil urease(Laboratory simulation experiment)(mg·g-1·d-1)

時各處理土壤脲酶活性下降幅度分別為51.4%（不還田處理）、62.2%（低量還田）、66.8%（高量還田）。

2.2稻草還田對土壤溶液無機氮（NH4+-N+NO3--N）含量影響

表5為在室外小區(qū)試驗中，土壤溶液中無機氮（NH4+-N+NO3--N）含量變化情況，總體趨勢與室外小區(qū)土壤脲酶活性變化趨勢相似，整體呈下降-升高-下降變化，不還田處理高于還田處理。升高原因是土壤脲酶能分解有機物質(zhì)（主要是尿素）促其水解成銨態(tài)氮[19]，受此影響土壤溶液中無機氮含量也隨脲酶活性升高而上升。高量還田與低量還田處理間在取樣前30 d無顯著差異，在此之后規(guī)律不一致，二者之間無機氮含量有升有降。

在室內(nèi)培養(yǎng)試驗中，瓶內(nèi)土壤溶液無機氮（NH4+-N+NO3--N）含量變化情況與室內(nèi)培養(yǎng)土壤脲酶活性變化趨勢相似（見表6），整體呈下降趨勢，不還田處理高于還田處理，低量還田處理高于高量還田處理。培養(yǎng)初期（1～10 d），各處理差異不顯著；而培養(yǎng)20～50 d，三個處理表現(xiàn)為不還田>低量還田>高量還田，且均達(dá)到差異顯著；在此之前后取樣時間內(nèi)，不還田與低量還田間未達(dá)到差異顯著。整個時期（除90～110 d外），低量還田高于高量還田，且差異顯著。到培養(yǎng)結(jié)束（110 d）時各處理土壤溶液無機氮（NH4+-N+NO3--N)含量下降幅度分別為68.8%（不還田處理）、70.5%（低量還田）、72.4%（高量還田）。

表5　土壤溶液中無機氮（NH4+-N+NO3--N）含量（小區(qū)試驗）Table 5 Available N values of soil solution(Plot experiment)　(mg·L-1)

表6　溶液中無機氮（NH4+-N+NO3--N）含量（室內(nèi)模擬）Table 6 Available N values of solution(Laboratory simulation experiment)　(mg·L-1)

2.3土壤脲酶活性與土壤溶液無機氮含量間相關(guān)性分析

對室內(nèi)培養(yǎng)條件（室內(nèi)培養(yǎng)試驗中，土壤脲酶活性受其他外界條件影響較小，故只采用其試驗結(jié)果作相關(guān)性分析）下土壤脲酶活性與無機氮含量間作相關(guān)性分析，其相關(guān)系數(shù)分別為：稻草不還田處理0.930，低量還田處理0.933，高量還田處理0.905。由此可知，土壤脲酶活性與土壤溶液無機氮含量間呈顯著正相關(guān)，可用土壤脲酶活性表征土壤肥力狀況。

2.4稻草還田對水稻產(chǎn)量影響

表7為室外小區(qū)試驗測產(chǎn)結(jié)果，比較各處理水稻株高、分蘗、有效分蘗、千粒重、結(jié)實率、產(chǎn)量等性狀，還田處理總體高于不還田處理，但差異較小，除株高外均未達(dá)到顯著水平，且低量還田處理表現(xiàn)略高于高量還田處理。

表7　稻草還田對水稻產(chǎn)量影響Table 7 Effect of straw returning on rice yield

3　討論與結(jié)論

3.1稻草還田對土壤脲酶活性影響

秸稈還田處理可降低土壤脲酶活性，隨稻草還田量增加而增加，與閆超等[12]和吳俊松等[20]研究結(jié)果一致。原因是在稻草腐解過程中，土壤微生物群體結(jié)構(gòu)和土壤生態(tài)系統(tǒng)生物緩沖性和穩(wěn)定性受影響[21]，與腐解相關(guān)微生物數(shù)量大幅增加，影響土壤脲酶活性。但在利用其他作物（如小麥、玉米等）秸稈還田試驗研究中，秸稈還田增加土壤脲酶活性[22]，這可能與當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境條件、微生物群落特征、旱田與水田土壤差異性等因素有關(guān)。還有一些研究認(rèn)為施用催腐菌劑或熟石灰等加快秸稈腐解可提高土壤脲酶活性[23-24]。目前關(guān)于稻草還田對水田土壤理化性質(zhì)影響研究主要集中在南方稻作區(qū)，而寒地稻草還田對土壤理化性質(zhì)影響效應(yīng)研究較少，稻草腐解過程是復(fù)雜的微生物活動過程，受外界環(huán)境影響很大，分析論證其效應(yīng)還需更多例證。

3.2稻草還田對土壤溶液無機氮含量影響

稻草還田處理可降低土壤溶液無機氮含量，相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤脲酶活性降低，土壤氮素轉(zhuǎn)化率下降，土壤供氮能力降低。作物對氮素吸收有限制，無機氮含量過高，限制氮肥利用率，造成環(huán)境污染[25-26]，因此實際生產(chǎn)中通常采用脲酶抑制劑控制脲酶活性，降低氮素轉(zhuǎn)化速度[27-28]。由室外小區(qū)試驗測產(chǎn)結(jié)果可知，水稻株高、分蘗、有效分蘗、千粒重、結(jié)實率、產(chǎn)量等性狀，還田處理總體上高于不還田處理，但差異較小，除株高外均未達(dá)到顯著水平，且低量還田處理表現(xiàn)略優(yōu)于高量還田處理。說明稻草還田引起土壤溶液無機氮含量下降并未對水稻產(chǎn)量造成負(fù)面影響，且有所提高，其下降效應(yīng)在整個系統(tǒng)承受范圍內(nèi)。

3.3室內(nèi)與室外試驗對比

土壤脲酶活性與土壤溶液無機氮含量呈顯著正相關(guān)，因此整個取樣時期，各處理土壤脲酶活性及土壤溶液無機氮含量變化趨勢基本相同。室內(nèi)試驗中土壤脲酶活性與土壤溶液無機氮含量隨時間增加而降低，且各取樣時間，三個處理差異性基本一致，尤其是培養(yǎng)30 d以后，均表現(xiàn)為不還田處理>低量還田處理>高量還田處理；室外試驗中二者變化呈下降-升高-下降趨勢，縱向趨勢與室內(nèi)試驗不同，主要受追肥影響，而各處理間橫向?qū)Ρ韧寥离迕富钚院屯寥廊芤簾o機氮含量，各取樣時間表現(xiàn)出的規(guī)律性不一致，不還田處理兩者雖然高于還田處理，但高量還田處理與低量還田處理差異不明顯，土壤溶液無機氮含量差異不一致。這說明土壤脲酶活性與土壤溶液無機氮含量受外界其他因素影響較大。室內(nèi)試驗處于較為恒定的外界條件下，試驗結(jié)果規(guī)律，可清晰反映稻草還田對土壤土壤脲酶活性與土壤溶液無機氮含量影響；而室外試驗外界環(huán)境變化較大，如溫度、光照、水稻不同生育時期根系活動等,二者變化由這些因素共同作用決定。

[參考文獻(xiàn)]

[1]尹昌斌,周穎,劉利花.我國循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展理論與實踐[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2013(1):47-53.

[2]國家統(tǒng)計局.主要農(nóng)作物農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量[EB/OL].[2014-12-04].http://data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=C01&zb=A0D0G&sj=.2014.

[3]龔振平,楊悅乾.作物秸稈還田技術(shù)與機具[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2012.

[4]勞秀榮,吳子一,高燕春.長期秸稈還田改土培肥效應(yīng)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2002(2):49-52.

[5]路怡青,朱安寧,張佳寶,等.免耕和秸稈還田對土壤酶活性和微生物群落的影響[J].土壤通報,2014(1):85-90.

[6]張焱華,吳敏,何鵬,等.土壤酶活性與土壤肥力關(guān)系的研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2007(34):11139-11142.

[7]李波,魏亞鳳,汪波,等.稻草還田與不同耕作方式對麥田土壤脲酶和土壤無機氮的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報,2014(1):106-111.

[8]Deng S P,Tabatabai M A.Effect of tillage and residue management on enzyme activities in soils[J].Biology and Fertility of Soils,1996(3):208-213.

[9]孫明德,劉寶存,吳靜,等.原位土壤溶液采樣技術(shù)的應(yīng)用[J].北京農(nóng)業(yè)科學(xué),2001(4):31-33.

[10]宋靜,駱永明,趙其國.土壤溶液采樣技術(shù)進(jìn)展[J].土壤,2000(2):102-106.

[11]刁曉林,曾祥亮,龔振平,等.秸稈還田對水稻生育期間土壤溶液中養(yǎng)分變化的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010,41(4):43-48.

[12]閆超,刁曉林,葛慧玲,等.水稻秸稈還田對土壤溶液養(yǎng)分與酶活性的影響[J].土壤通報,2012(5):1232-1236.

[13]關(guān)松蔭.土壤酶及其研究法[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,1986.

[14]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,1999.

[15]李軍,孫宏德,尚惠賢,等.黑土酶的活性與施肥和產(chǎn)量相關(guān)性分析[J].土壤通報,1986(6):280-282,258.

[16]劉建新.不同農(nóng)田土壤酶活性與土壤養(yǎng)分相關(guān)關(guān)系研究[J].土壤通報,2004(4):523-525.

[17]李東坡,武志杰,陳利軍,等.長期培肥黑土脲酶活性動態(tài)變化及其影響因素[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2003(12):2208-2212.

[18]唐巧玲,陽劍,黃光福,等.栽培模式對水稻土脲酶活性及土壤堿解氮含量的影響[J].作物研究,2013(2):113-116.

[19]李華,陳英旭,梁新強,等.土壤脲酶活性對稻田田面水氮素轉(zhuǎn)化的影響[J].水土保持學(xué)報,2006(1):55-58.

[20]吳俊松,許明敏,王小華,等.水稻秸稈集中溝埋還田對土壤有機質(zhì)、酶活性及作物產(chǎn)量的影響[J].土壤通報,2015(1):203-209.

[21]金海洋,姚政,徐四新,等.秸稈還田對土壤生物特性的影響研究[J].上海農(nóng)業(yè)學(xué)報,2006(1):39-41.

[22]夏強,陳晶晶,王雅楠,等.秸稈還田對土壤脲酶活性·微生物量氮的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2013(10):4345-4349.

[23]周江明,徐大連,薛才余.稻草還田綜合效益研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2002(4):7-10.

[24]倪國榮,涂國全,魏賽金,等.稻草還田配施催腐菌劑對晚稻根際土壤微生物與酶活性及產(chǎn)量的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2012(1):149-154.

[25]王小治,朱建國,寶川靖,等.施用尿素稻田表層水氮素的動態(tài)變化及模式表征[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2004(5):852-856.

[26]Harrison R,Webb J.A review of the effect of N fertilizer type on gaseous emissions[J].Adv Agr,2001,73:65-108.

[27]盛素君,王趁義,朱培飛,等.脲酶抑制劑在水稻增產(chǎn)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,21:10762,10928.

[28]Sanz-Cobena A,Misselbrook T H,Arce A,et al.An inhibitor of urease activity effectively reduces ammonia emissions from soil treated with urea under Mediterranean conditions[J].Agriculture,Ecosystems and Environment,2008(3):243-249.

Effect of rice straw returning on activities of soil urease and inorganic nitrogen contents of soil solution

M
A Chunmei1,WANG Jiarui1,ZHAN Houqiang1,YAN Chao1,YAN Shuangshuang1,WANG Liang2(1.School of Agriculture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China; 2.Rice Branch Company of Beidahuang Kenfeng Seed Co.Ltd.,Jiamusi Heilongjiang 154007,China)

Abstract:The paper focus on the rice in cold planting region,the straw returning affect soil urease activity and soil solution of inorganic nitrogen content studied in the rice-growing conditions and under conditions of non-planting with using the method of outdoor consecutive years straw returning plot trial and an incubation test,in order to provide a reference for the improvement of cold rice straw returning production technology.The results showed that throughout the sampling period,the trends on the soil urease activity and inorganic nitrogen content in soil solution was basically the same of the straw returning treatment or non- returning treatment.Cell tests showed a downward trend again increased last fall,Incubation experiments only showed a downward trend.Between soil urease activity and soil solution of inorganic nitrogen content was significantly positively correlated,urease activity and soil inorganic nitrogen content in soil solution decrease by straw returning,and with returning amount increases to further reduce.Indoor and outdoor test results comparison found,changes and differences of soil urease activity and inorganic nitrogen in soil solution in indoor conditions were relatively stable,book=39,ebook=44but significant changes in outdoors.A slight increase in rice yield by straw returning,but comparing the process not returning its difference was not significant.

Key words:rice; straw returning; soil urease activity; soil solution; inorganic nitrogen

作者簡介：馬春梅（1974-），女，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為保護(hù)性耕作及大豆生理。E-mail:chunmm1974@163.com

基金項目：國家科技支撐計劃項目（2012BAD14B06）

收稿日期：2015-11-03

中圖分類號：S511；S158

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1005-9369（2016）03-0038-06