耕作方式與秸稈還田對砂姜黑土土壤酶活性及冬小麥產(chǎn)量的影響

孟慶陽，王永華，靳海洋，晁岳恩，段劍釗，郭天財

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/國家小麥工程技術(shù)研究中心，河南鄭州 450002；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所，河南鄭州 450002)

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耕作方式與秸稈還田對砂姜黑土土壤酶活性及冬小麥產(chǎn)量的影響

孟慶陽1，王永華1，靳海洋1，晁岳恩2，段劍釗1，郭天財1

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/國家小麥工程技術(shù)研究中心，河南鄭州 450002；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所，河南鄭州 450002)

摘要：為探究耕作方式及秸稈還田處理對砂姜黑土土壤酶活性的影響，在河南省商水縣砂姜黑土地區(qū)設(shè)置深耕秸稈不還田、深耕秸稈還田、旋耕秸稈還田和旋耕秸稈不還田4個處理，以超高產(chǎn)小麥品種周麥27為材料進行大田試驗，對不同處理的土壤過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性及冬小麥籽粒產(chǎn)量進行測定分析。結(jié)果表明，20～40 cm土層土壤過氧化氫酶的活性在不同處理間差異大多不顯著，小麥拔節(jié)期、開花期和成熟期0～20 cm土層深耕秸稈不還田處理與其他處理間差異顯著。0～20 cm土層土壤蔗糖酶活性在小麥生育期內(nèi)不同處理間有顯著差異，秸稈還田處理下土壤蔗糖酶活性高于秸稈不還田處理，而在20～40 cm土層小麥拔節(jié)期和成熟期不同處理間沒有顯著差異。在小麥生育期內(nèi)秸稈還田處理下0～20 cm和20～40 cm土層土壤脲酶活性顯著高于其他處理，深耕秸稈不還田處理在拔節(jié)期和成熟期高于旋耕秸稈不還田處理。不同處理間土壤堿性磷酸酶活性在小麥生育期內(nèi)差異顯著，總體表現(xiàn)為深耕秸稈還田>旋耕秸稈還田>深耕秸稈不還田>旋耕秸稈不還田。深耕秸稈還田處理對比其他處理能夠顯著增加冬小麥籽粒產(chǎn)量及千粒重，但其有效穗數(shù)顯著低于其他處理。

關(guān)鍵詞：砂姜黑土；耕作方式；秸稈還田；土壤酶活性；冬小麥產(chǎn)量

砂姜黑土主要分布于黃淮海平原南部的淮北平原，面積有370萬hm2左右，該地區(qū)是我國小麥主產(chǎn)區(qū)[1]。近年來，該地區(qū)農(nóng)民習(xí)慣性連年采用旋耕等耕作方式，導(dǎo)致土壤耕層變淺、犁底層變厚、透水通氣性變差、土壤持續(xù)生產(chǎn)能力下降等問題產(chǎn)生，嚴重制約砂姜黑土地區(qū)冬小麥的增產(chǎn)。合理改善砂姜黑土的耕層土壤特性，對該地區(qū)作物增產(chǎn)非常重要。研究表明，適宜的土壤耕作方式以及秸稈還田處理可以改善土壤理化和生物學(xué)性狀，提高土壤肥力和酶活性，促進作物增產(chǎn)[2-3]。土壤酶活性不僅能反映出土壤微生物活性的高低，而且能表征土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和運移能力的強弱，是評價土壤肥力的重要參數(shù)之一[4-5]。姜桂英等[6]研究表明，耕作方式對土壤脲酶活性的影響在小麥生長前期不明顯, 但在生長旺盛時期土壤脲酶活性表現(xiàn)為免耕>旋耕>淺耕>深耕; 對磷酸酶活性影響不明顯。高秀君等[7]認為，保護性耕作總體上能增加土壤酶活性，提高土壤肥力，特別對表層和亞表層土壤的效果更明顯。然而目前對于砂姜黑土區(qū)不同耕作條件下土壤酶活性的動態(tài)變化研究尚未見詳細報道。本試驗通過測定淮北平原砂姜黑土麥田土壤蔗糖酶、脲酶等酶活性，研究了不同耕作方式與秸稈還田結(jié)合措施下土壤酶活性的動態(tài)變化規(guī)律，以期為該地區(qū)小麥高產(chǎn)栽培中耕作方式及秸稈還田的選擇提供參考。

1材料與方法

1.1試驗概況

試驗于2013-2014年在河南省周口市商水縣農(nóng)場十四分場進行，供試小麥品種為周麥27，2013年10月8日播種，播量150 kg·hm-2，2014年6月5日收獲。該地區(qū)土壤為砂姜黑土，其0～20 cm土層土壤pH為7.24，有機質(zhì)含量26.92 g·kg-1，全氮含量1.59 g·kg-1，全磷含量1.68 g·kg-1，全鉀含量14.53 g·kg-1，有效磷含量7.06 mg·kg-1，速效鉀含量264.18 mg·kg-1。試驗采用大區(qū)對比設(shè)計，每個小區(qū)占地180 m2(30 m×6 m)，共設(shè)深耕秸稈不還田(DT+NS)、深耕秸稈還田(DT+AS)、旋耕秸稈不還田(RT+NS)、旋耕秸稈還田(RT+AS)4個處理，每處理三次重復(fù)。深耕和旋耕深度分別為30和15 cm。秸稈還田為玉米秸稈全量粉碎還田，還田量為7 200 kg·hm-2(折合干重)。小麥全生育期施純氮240 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2，其中磷、鉀肥全部作底肥一次性施入，氮肥50%于整地時底施，其余50%于拔節(jié)期結(jié)合澆水追施，氮、磷、鉀肥分別采用尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。播種采用機械條播。

1.2測定指標與方法

1.2.1土壤酶活性測定

分別于小麥越冬期、拔節(jié)期、開花期和成熟期用土鉆取0～20和20～40 cm土層土壤，風(fēng)干后過1 mm篩后備用。土壤過氧化氫酶活性測定采用高錳酸鉀滴定法[8]；土壤蔗糖酶活性測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法[8]；土壤脲酶活性測定采用靛藍比色法[9]；土壤堿性磷酸酶活性測定采用磷酸苯二鈉比色法[8](本試驗供試砂姜黑土為堿性，故選用土壤堿性磷酸酶進行測定)。

1.2.2小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成測定

于小麥成熟期各小區(qū)選取10 m2收獲用于計產(chǎn)，脫粒曬干，按含水量12.5%折算成實收產(chǎn)量(kg·hm-2)。

1.3數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2003進行數(shù)據(jù)處理，利用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用Duncan法進行多重比較，顯著性水平取α=0.05。

2結(jié)果與分析

2.1耕作方式和秸稈還田對土壤酶活性的影響

2.1.1對土壤過氧化氫酶活性的影響

圖柱上字母不同表示處理間差異達顯著水平(P<0.05)。下圖同

Different letters on the columns indicate significant difference among the treatments at 0.05 level.The same are as in other figures

圖1不同耕作方式和秸稈還田處理對土壤過氧化氫酶活性的影響

Fig.1Effects of different tillage and straw returning treatments on soil catalase activity

土壤過氧化氫酶的活性在不同處理間差異大多不顯著(圖1)。土壤過氧化氫酶活性在冬小麥越冬期到開花期一直呈上升趨勢，至成熟期下降，但這種趨勢并不明顯。在0～20 cm土層，越冬期不同處理間土壤過氧化氫酶活性差異不顯著，拔節(jié)期至成熟期深耕秸稈不還田處理顯著低于其他處理；秸稈還田處理高于秸稈不還田處理，說明秸稈還田有利于提高0～20 cm土層土壤過氧化氫酶的活性。不同處理間在20～40 cm土層土壤過氧化氫酶活性在各生育時期差異均不顯著，說明20～40 cm土層土壤過氧化氫酶活性受耕作方式和秸稈還田的影響較小。

圖2　不同耕作方式和秸稈還田處理對土壤蔗糖酶活性的影響

2.1.2對土壤蔗糖酶活性的影響

各處理0～20 cm土層土壤蔗糖酶活性在生育期內(nèi)的變化均不明顯(圖2)，但整體上成熟期該酶活性低于其他時期；在0～20 cm土層，不同處理間土壤蔗糖酶活性基本上表現(xiàn)為旋耕秸稈還田處理>深耕秸稈還田>深耕秸稈不還田>旋耕秸稈不還田，其中旋耕秸稈還田處理在各個時期與其他處理差異均顯著，說明旋耕秸稈還田最有利于提高土壤蔗糖酶活性。20～40 cm土層中，越冬期深耕秸稈還田處理的土壤蔗糖酶活性最高，而開花期旋耕秸稈不還田處理顯著低于其他處理，拔節(jié)期與成熟期不同處理間無顯著差異。

2.1.3對土壤脲酶活性的影響

從圖3可以看出，0～20 cm土層土壤脲酶活性在越冬期最低，在拔節(jié)期達到最高，隨后降低，在成熟期與越冬期基本持平，其中除了拔節(jié)期外，秸稈還田處理與秸稈不還田處理差異均顯著；在20～40 cm土層，由越冬期至開花期秸稈不還田處理的土壤脲酶活性呈逐漸下降的趨勢，而秸稈還田處理土壤脲酶活性在成熟期之前基本不變，在成熟期明顯升高，且與秸稈不還田處理差異顯著，說明秸稈還田對土壤脲酶活性具有促進作用。

圖3　不同耕作方式和秸稈還田處理對土壤脲酶活性的影響

2.1.4對土壤堿性磷酸酶活性的影響

在冬小麥生育期內(nèi)，土壤磷酸酶活性在0～20 cm土層先降后升，其中在拔節(jié)期最低，在成熟期最高；開花前，20～40 cm土層與0～20 cm土層變化趨勢一致，在成熟期則相反(圖4)。土壤堿性磷酸酶活性總體表現(xiàn)為深耕秸稈還田>旋耕秸稈還田>深耕秸稈不還田>旋耕秸稈不還田。在0～20 cm土層，除了溫度較低的越冬期外，其他時期深耕秸稈還田處理的土壤堿性磷酸酶活性都顯著高于旋耕秸稈不還田處理；20～40 cm土層下每個時期深耕秸稈還田處理都顯著高于旋耕秸稈不還田處理，說明耕作方式和秸稈還田對砂姜黑土土壤堿性磷酸酶活性影響較為明顯。

2.2耕作方式和秸稈還田對冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

不同耕作方式及秸稈還田處理的產(chǎn)量構(gòu)成因素表現(xiàn)不同(表1)。兩個深耕處理的產(chǎn)量顯著高于兩個旋耕處理，其中深耕還田處理最高，比深耕秸稈不還田、比旋耕秸稈還田和旋耕秸稈不還田處理分別增產(chǎn)16.9%、13.76%和13.94%，而兩個旋耕處理差異不顯著。相比于旋耕秸稈不還田處理，深耕處理的穗粒數(shù)和千粒重均顯著提高，但有效穗數(shù)下降，說明深耕處理的增產(chǎn)作用主要歸因于穗粒數(shù)和千粒重的增加。

圖4　不同耕作與秸稈還田處理對土壤堿性磷酸酶活性的影響

處理Treatment籽粒容重Testweight/(g·L-1)有效穗數(shù)Spikes/(104·hm-2)穗粒數(shù)Grainsperspike千粒重Thousandgrainweight/g產(chǎn)量Grainyield/(kg·hm-2)DT+NS775.26ab596.82b41.53b44.79b8889.72bDT+AS785.98a584.44c42.77a45.50a9440.25aRT+AS775.20ab590.21b37.29c44.31b8297.76cRT+NS760.41c609.08a37.84c41.40c8284.69c

同列數(shù)值后字母不同表示處理間差異達顯著水平(P<0.05)

Different letters after the values in same column indicate significant difference among treatments at 0.05 level

3討 論

土壤過氧化氫酶參與土壤中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化，其活性在一定程度上可以表征土壤生物氧化過程的強弱[10]。本研究結(jié)果表明，土壤過氧化氫酶活性在整個小麥生育期內(nèi)呈先升后降的趨勢，這與前人的研究結(jié)果一致[11-12]，但這個趨勢并不明顯，這可能是由于深耕處理的上一年耕作方式是旋耕，因此一年的耕作效果較小，不同耕作方式間土壤過氧化氫酶活性差異不大。因此耕作方式對砂姜黑土土壤過氧化氫酶活性的影響可能需要后續(xù)幾年的連續(xù)試驗才能得出可靠的結(jié)論。無論在0～20 cm土層還是20～40 cm土層中，深耕秸稈還田處理的過氧化氫酶活性高于深耕不還田處理，表明秸稈還田增強了土壤生物氧化還原活性。在0～20 cm土層中，旋耕秸稈還田處理過氧化氫酶活性在整個生育期都比深耕還田高，可能與旋耕的耕層淺，0～20 cm土層中的秸稈含量比深耕土層多所致；但是，在秸稈不還田處理中，仍然是旋耕處理的酶活性高于深耕，導(dǎo)致這種異?，F(xiàn)象的原因還需進行深入研究和分析。

土壤蔗糖酶又名轉(zhuǎn)化酶，參與土壤中碳水化合物的轉(zhuǎn)化，對增加土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)起著重要作用[13]。本研究中，土壤蔗糖酶活性在小麥生育期內(nèi)呈先升后降的趨勢，這是由于在拔節(jié)至灌漿期內(nèi)小麥處于旺長階段，根系發(fā)達且根系分泌物增多，微生物和酶代謝活動增強，灌漿期后根系對養(yǎng)分的吸收速度減慢有關(guān)[14]。在小麥生育期內(nèi)0～20 cm土層秸稈還田處理的土壤蔗糖酶活性高于秸稈不還田處理；在秸稈還田處理中，旋耕土壤的蔗糖酶活性高于深耕土壤，推測可能是旋耕下0～20 cm土層中的秸稈含量比深耕土層多所致，因為秸稈還田可以增加土壤養(yǎng)分含量，可提高土壤蔗糖酶活性，這與孫瑞蓮等[13]的研究結(jié)果一致。不同耕作方式下土壤蔗糖酶的活性差異只在越冬期和開花期的20～40 cm土層達到顯著水平，可能是與一年的耕作對土壤理化性狀影響較小有關(guān)。

在土壤酶中，脲酶是唯一對尿素的轉(zhuǎn)化作用具有重大影響的酶，脲酶的酶促反應(yīng)產(chǎn)物氨又是植物氮源之一，它的活性可以反映土壤氮素狀況[15]。本研究表明，0～20 cm土層中，土壤脲酶活性在不同處理中均表現(xiàn)為先升后降的趨勢，這與前人的研究結(jié)果一致[16]。拔節(jié)和開花期是小麥生長速度和干物質(zhì)積累最快的時期，0～20 cm土層脲酶活性要高于20～40 cm土層，在生長速度較慢的越冬期和成熟期，0～20 cm土層脲酶活性要低于20～40 cm土層，推測脲酶活性可能與根系的活力相關(guān),但由于試驗設(shè)計沒有空白對照，不能確認脲酶的產(chǎn)生與小麥生長有關(guān)聯(lián)，也有可能是土壤溫度的變化導(dǎo)致這種現(xiàn)象：越冬期土壤溫度較低以及成熟期土壤溫度較高都不適合脲酶的酶促反應(yīng)，從而導(dǎo)致脲酶活性出現(xiàn)這種變化規(guī)律。對比秸稈不還田處理，秸稈還田處理下土壤脲酶活性在成熟期更大，這說明秸稈還田處理可以彌補小麥生育后期氮素缺失。在越冬期和成熟期，0～20 cm土層脲酶活性要低于20～40 cm土層，這與李波等[17]的研究結(jié)果相同。

土壤磷酸酶可加速有機磷的脫磷速度，對土壤磷素的有效性具有重要作用[13]。溫度是影響土壤堿性磷酸酶活性的主要因素[8]。本研究結(jié)果表明，不同耕作處理下堿性磷酸酶活性變化趨勢相近，由越冬期到拔節(jié)期下降，隨后到開花期由于溫度上升，土壤堿性磷酸酶活性略有回升，最后在成熟期0～20 cm土層達到最大值。這是因為小麥孕穗后進入生殖生長階段，對磷的需求增加，此時土壤中無機磷的消耗很大，促使土壤堿性磷酸酶被激活而分解有機態(tài)磷，以滿足小麥正常生長的需求，這與小麥的生長時期對營養(yǎng)的需求規(guī)律相同，也與姜桂英等[6]研究結(jié)果一致。

從產(chǎn)量上看，深耕的增產(chǎn)效果最好，深耕的兩個處理(秸稈還田與不還田)比相應(yīng)的旋耕處理產(chǎn)量高；在旋耕的秸稈還田與不還田處理之間產(chǎn)量沒有顯著差異，但是在深耕的兩個處理之間產(chǎn)量差異顯著，表明耕層加厚有利于秸稈腐熟和提高土壤有效養(yǎng)分含量，進而促進小麥增產(chǎn)；對于秸稈還田導(dǎo)致有效穗數(shù)降低現(xiàn)象，推測可能原因是在前期秸稈腐熟時需要消耗一定的養(yǎng)分，導(dǎo)致有效分蘗數(shù)和有效穗數(shù)降低，但隨著秸稈的腐熟、土壤有效養(yǎng)分會在后期充分釋放，提高了千粒重和穗粒數(shù)，最終促進產(chǎn)量增加。

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Effect of Tillage and Straw Returning on Soil Enzyme Activity and Yield of Winter Wheat in Lime Concretion Black Soil

MENG Qingyang1，WANG Yonghua1， JIN Haiyang1，CHAO Yue’en2，DUAN Jianzhao1，GUO Tiancai1

(1.College of Agronomy, Henan Agricultural University/ National Engineering Research Center for Wheat, Zhengzhou，Henan 450002, China； 2.Wheat Research Institute,Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou,Henan 450002,China)

Abstract:To explore the effects on soil enzyme activities of tillage and straw returning of wheat grown in lime concretion black soil, four treatments of deep tillage with no straw returning(DT+NS), deep tillage with all straw returning(DT+AS), rotary tillage with all straw returning(RT+AS) and rotary tillage with no straw returning(RT+NS) were set in the Vertisol Area of Shangshui, Henan using ultra-high-yielding wheat variety Zhoumai 27 as the material, then the activities of soil catalase, soil invertase, soil urease and soil alkaline phosphatase were investigated and winter wheat grain yield were determined. The results showed that the soil catalase activity in 20-40 cm soil was not significantly different among these treatments, while which was different significantly in 0-20 cm soil between DT+NS treatment and other treatments at jointing, flowering and maturity stages. The invertase activity in 0-20 cm soil was significantly different among different treatments and different growth period of wheat, which was higher in AS treatment than in NS treatment. While there were no significant differences in 20-40 cm soil at jointing and maturity among different treatments. The urease activity 0-20 cm and 20-40 cm soil under AS treatments was significantly higher than that of other treatments during wheat growth period, and that of DT+NS treatment was higher than RT+NS treatment at jointing and maturity. Soil alkaline phosphatase activity during wheat growth period was significantly different among different treatments, which were as that DT+AS> RT+AS> DT+NS>RT+NS. Compared to other treatments, DT+AS treatment significantly increased grain yield and grain weight of winter wheat, but significantly reduced the number of effective spikes.

Key words:Lime concretion black soil; Tillage methods; Straw returning; Soil enzyme activity; Winter wheat yield

中圖分類號：S512.1；S318

文獻標識碼：A

文章編號：1009-1041(2016)03-0341-06

通訊作者：郭天財(E-mail：tcguo888@sina.com)

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(31471439)；黃淮海平原南部(河南)小麥玉米豐產(chǎn)節(jié)水節(jié)肥關(guān)鍵技術(shù)集成與示范(2013BAD07B07)； 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(CARS)

收稿日期：2015-09-25修回日期：2015-11-05

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-03-01

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160301.1342.024.html

第一作者E-mail：mengyin0130@163.com