黃土旱塬長期秸稈還田對土壤養(yǎng)分、酶活性及玉米產(chǎn)量的影響*

程 曼, 解文艷, 楊振興, 周懷平**

黃土旱塬長期秸稈還田對土壤養(yǎng)分、酶活性及玉米產(chǎn)量的影響*

程 曼1,2, 解文艷2, 楊振興2, 周懷平2**

(1. 山西大學(xué)黃土高原研究所 太原 030006; 2. 山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所 太原 030031)

研究黃土旱塬區(qū)玉米生產(chǎn)中長期秸稈還田對土壤性質(zhì)及玉米產(chǎn)量的影響, 可為農(nóng)田土壤可持續(xù)利用及質(zhì)量提升提供科學(xué)依據(jù)。本研究基于連續(xù)24年(1992—2016年)秸稈還田長期定位試驗, 設(shè)置秸稈過腹還田、秸稈直接還田、秸稈覆蓋還田以及不還田處理, 研究長期不同秸稈還田方式對土壤化學(xué)性質(zhì)、酶活性以及玉米產(chǎn)量的影響。研究表明, 秸稈不還田處理累積玉米產(chǎn)量為1.695×105kg?hm-2, 覆蓋還田、直接還田和過腹還田處理累積玉米產(chǎn)量分別為1.885×105kg?hm-2、1.854×105kg?hm-2、2.001×105kg?hm-2, 其增產(chǎn)率分別為10.1%、8.6%、15.3%。3種秸稈還田均可以顯著提高0~20 cm土層土壤有機碳含量6%~14%, 對20~40 cm土層土壤有機碳含量無顯著影響。與秸稈不還田相比, 長期過腹還田可顯著增加土壤全氮、全磷、全鉀、有效氮、有效磷和有效鉀含量, 秸稈直接還田可顯著增加土壤全氮、全鉀、有效氮和有效鉀含量, 長期覆蓋還田僅提高土壤有效氮和有效鉀含量。土壤蔗糖酶活性表現(xiàn)為過腹還田最高, 直接還田和覆蓋還田次之, 不還田處理最低。秸稈直接還田0~20 cm纖維素酶活性最高, 是不還田處理的2.2倍。過腹還田使土壤脲酶活性和堿性磷酸酶活性分別顯著提高13.0%和20.5%, 直接還田和秸稈覆蓋對脲酶和堿性磷酸酶活性無顯著影響。玉米生產(chǎn)中長期連續(xù)秸稈過腹還田和直接還田對土壤養(yǎng)分含量及酶活性產(chǎn)生了深遠的影響, 尤其是土壤蔗糖酶活性的提高與玉米產(chǎn)量穩(wěn)定和提升有非常緊密聯(lián)系。

連續(xù)秸稈還田; 秸稈還田方式; 土壤養(yǎng)分; 土壤酶活性; 玉米產(chǎn)量

作物秸稈是非常重要的有機肥資源之一。2015年我國主要農(nóng)作物秸稈資源量為71 878.53萬t, 所含的氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)養(yǎng)分資源總量分別達6.256′106t、1.979′106t、1.595′106t[1]。農(nóng)作物秸稈作為一類生物質(zhì)資源, 其豐富的氮磷鉀元素并沒有得到合理利用, 大量秸稈被焚燒和丟棄[2]。秸稈還田是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥減施和提質(zhì)增效的有效助力, 高效持續(xù)利用作物秸稈在養(yǎng)分管理、農(nóng)田生產(chǎn)力維持和土壤質(zhì)量提升中具有重要作用。

秸稈還田主要通過兩種途徑影響作物的生長發(fā)育: 一是通過自身分解釋放的營養(yǎng)元素、化學(xué)物質(zhì)等直接影響作物生長, 二是通過影響作物生長的環(huán)境因子間接影響作物的生長[3]。將秸稈施入土壤中, 不僅可以改善土壤環(huán)境[4-6], 還可以緩解由于集中、持續(xù)的傳統(tǒng)耕作所帶來的土壤退化[7]。然而, 秸稈在田間的分解及其養(yǎng)分轉(zhuǎn)化較慢, 秸稈還田對土壤肥力和作物產(chǎn)量的影響在短期內(nèi)的表現(xiàn)并不能反映秸稈還田的實踐意義[8-9]?；陂L期定位試驗的研究則可以較好地反映施肥管理對土壤肥力、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和作物產(chǎn)量的影響[10]。研究長期秸稈還田對作物產(chǎn)量和土壤性質(zhì)的影響, 探討秸稈還田對土壤環(huán)境的長效影響, 對于長期秸稈施用具有非常重大的現(xiàn)實意義。

前人針對長期秸稈還田已開展了許多研究, 主要集中在秸稈還田量、還田方式、還田頻率等對土壤性質(zhì)和作物產(chǎn)量的影響。Zhou等[11]在我國西南地區(qū)水稻()-小麥()輪作系統(tǒng)的研究結(jié)果表明, 12年秸稈覆蓋可以促進土壤有機碳固定并保障基本作物產(chǎn)量。張聰?shù)萚12]在甘肅的長期定位試驗中發(fā)現(xiàn), 持續(xù)秸稈還田可有效增加耕層土壤有機碳、養(yǎng)分和土壤酶活性, 但還田10年后土壤有機碳、養(yǎng)分及作物產(chǎn)量等不再大幅增加。趙士誠等[13]發(fā)現(xiàn)華北小麥-玉米()輪作系統(tǒng)32年秸稈直接還田用量的增加提高了土壤全氮和全磷, 對全鉀沒有影響。廖育林等[14]的研究則表明, 長期施用氮磷的基礎(chǔ)上配施稻草還田不僅能提高水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的能力, 而且可以增強土壤的鉀吸持能力、保持農(nóng)田鉀素平衡和提高土壤供鉀能力。長期不同秸稈還田對土壤性質(zhì)和作物產(chǎn)量等的影響因還田年限、土壤類型等并沒有一致的結(jié)論, 尤其是長期秸稈還田下土壤性質(zhì)的變化對作物產(chǎn)量的影響機制并不清楚。為揭示旱作玉米生產(chǎn)中土壤性質(zhì)和作物產(chǎn)量對長期秸稈還田的響應(yīng), 本研究依托農(nóng)業(yè)部壽陽野外科學(xué)觀測實驗站, 分析長期不同秸稈還田方式中玉米產(chǎn)量的變化特征, 研究長期不同秸稈還田方式對土壤養(yǎng)分和酶活性的影響, 深入探討玉米累積產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分和酶活性的關(guān)聯(lián), 為旱作玉米生產(chǎn)中秸稈資源利用提供技術(shù)支撐, 為黃土旱塬區(qū)旱作農(nóng)田玉米生產(chǎn)及農(nóng)田土壤可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

長期定位試驗在山西壽陽野外科學(xué)觀測實驗站(113°06′E、37°58′N)進行。該實驗站海拔1 130 m, 年均氣溫7.4 ℃, ≥10 ℃積溫3 400 ℃, 無霜期約130 d, 年蒸發(fā)量1 600~1 800 mm, 年日照時數(shù)2 858.3 h, 年均降水量501.1 mm, 70%左右的降水集中在6—9月, 干燥度為1.3, 屬暖溫帶半濕潤偏旱區(qū)。試驗地塊基本平坦, 土層深厚, 地下水埋深在10 m以下。土壤為褐土性土, 成土母質(zhì)為馬蘭黃土, 屬黃土旱塬地。試驗初始時耕層土壤基本性質(zhì)為: 有機碳13.6 g?kg-1, 全氮1.07 g?kg-1, 全磷1.78 g?kg-1, 全鉀14.10 g?kg-1, 有效氮76.40 mg?kg-1, 有效磷2.80 mg?kg-1, 有效鉀95.00 mg?kg-1, pH為8.4。

1.2 試驗設(shè)置

本研究設(shè)4個處理, 分別為: 1)秸稈覆蓋還田: 在前茬玉米收獲后, 將上茬覆蓋未腐解的秸稈鍘碎, 結(jié)合秋季深耕翻直接還田, 次年整地直接播種再進行整稈均勻覆蓋; 2)秸稈直接還田: 在前茬玉米收獲后, 將玉米秸稈鍘碎為15 cm長, 結(jié)合秋季深耕翻直接還田, 次年整地后直接播種; 3)秸稈過腹還田: 在前茬玉米收獲后, 將腐熟濕牛糞均勻撒在地面, 結(jié)合秋季深耕翻直接還田, 次年整地后直接播種; 4)空白對照。無重復(fù), 共4個小區(qū), 每個處理小區(qū)面積54 m2。為消除處理內(nèi)差異, 在各小區(qū)內(nèi)設(shè)置3個虛擬重復(fù)進行采樣。

試驗從1992年4月開始, 種植制度為玉米一年1熟。1993年至1997年玉米品種為‘煙單14號’, 1998年至2003年為‘晉單34號’, 2004年至2011年為‘強盛31號’, 2012年至2016年為‘晉單81號’。玉米播種時間在4月15—25日, 收獲時間為9月20日—10月10日。種植密度為49 500~52 500株?hm-2。各小區(qū)栽培管理措施一致, 田間管理措施主要是除草和防治病蟲害。各小區(qū)統(tǒng)一施肥, 在前茬玉米收獲后結(jié)合秋季深耕翻施肥, 玉米生長期間不施肥, 無補充灌溉。施肥量為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣施肥量(N 150 kg?hm-2、P2O584 kg?hm-2), 施用氮肥為尿素(含N 46%), 磷肥為普通過磷酸鈣(含P2O514%)。秸稈還田量為6 t?hm-2, 過腹還田牛糞(濕)45 000 kg?hm-2。

1.3 樣品采集及測定方法

玉米產(chǎn)量在每年10月5日左右收獲, 將每個試驗處理區(qū)分為3個虛擬小區(qū)(每個小區(qū)18 m2), 將3個小區(qū)玉米穗分別裝袋風(fēng)干, 手工脫粒稱重, 測定含水量, 計算玉米產(chǎn)量。于2016年10月在玉米收獲后于各處理的虛擬小區(qū)內(nèi)采用對角線法采集土壤混合樣品, 分別采集0~20 cm和20~40 cm土層土壤, 并盡快帶回實驗室, 小心去除土壤樣品中的植物殘體和石礫等, 在陰涼處晾干并妥善保存。

土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法測定, 土壤全氮采用凱氏定氮法測定, 土壤全磷采用硫酸高氯酸消煮-鉬銻抗比色法, 土壤全鉀采用火焰光度法; 土壤有效氮采用擴散法, 土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法; 土壤纖維素酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法, 土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法, 土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法, 土壤脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文中所有數(shù)據(jù)利用Excel 2003和SPSS 18.0處理, 采用LSD法對不同處理間玉米產(chǎn)量、土壤化學(xué)性質(zhì)和酶活性的差異顯著性進行分析, 利用Pearson相關(guān)分析研究玉米累積產(chǎn)量、土壤酶活性以及土壤化學(xué)性質(zhì)之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同秸稈還田對玉米產(chǎn)量的影響

長期秸稈還田1993年至2016年玉米籽粒產(chǎn)量變化特征如表1所示。24年定位試驗期間, 1993—1997年玉米產(chǎn)量為3 680~8 360kg?hm-2, 1998—2003年為2 450~8 210 kg?hm-2, 2004—2011年為5 250~10 920 kg?hm-2, 2012—2016年為5 870~15 950 kg?hm-2。除1996年、1997年和2015年, 過腹還田處理玉米籽粒產(chǎn)量均顯著高于不還田處理(<0.05); 1996年和1997年, 3種秸稈還田處理和不還田處理間玉米產(chǎn)量無顯著差異(>0.05); 2015年過腹還田處理和不還田處理的玉米產(chǎn)量間無顯著性差異, 覆蓋還田和直接還田處理顯著高于不還田處理(<0.05)。

由圖1可知, 覆蓋還田、直接還田、過腹還田和不還田處理累積玉米產(chǎn)量分別為1.885′105kg?hm-2、1.854′105kg?hm-2、2.001′105kg?hm-2和1.695′105kg?hm-2。3種秸稈還田方式累積玉米產(chǎn)量均顯著高于不還田處理(<0.05), 過腹還田處理累積玉米產(chǎn)量顯著高于直接還田處理和覆蓋還田處理(<0.05), 直接還田處理和覆蓋還田處理間無顯著差異(0.05)。和不還田處理相比, 覆蓋還田、直接還田和過腹還田處理增產(chǎn)率分別為10.1%、8.6%、15.3%。

表1 1993—2016年不同秸稈還田處理玉米籽粒產(chǎn)量變化特征

CK為不還田處理, SM為秸稈覆蓋還田, DS為秸稈直接還田, AS為秸稈過腹還田; 同列數(shù)據(jù)不同小寫字母表示不同秸稈還田處理間存在顯著性差異(<0.05)。CK means non-straw returning, SM means straw mulching, DS means direct straw returning, AS means animal-digested straw returning. Different lowercase letters following the same column data mean significant differences among different treatments (< 0.05).

圖1 長期不同秸稈還田處理的玉米累積產(chǎn)量及增產(chǎn)率

CK為不還田處理, SM為秸稈覆蓋還田, DS為秸稈直接還田, AS為秸稈過腹還田; 不同大寫字母表示不同秸稈還田處理之間累積玉米產(chǎn)量存在顯著差異(<0.05)。CK means non-straw returning, SM means straw mulching, DS means direct straw returning, AS means animal-digested straw returning. Different capital letters mean significant differences among different straw returning treatments (< 0.05).

2.2 長期不同秸稈還田對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

表2為長期不同秸稈還田下土壤養(yǎng)分分布特征。不同處理土壤有機碳含量在0~20 cm土層表現(xiàn)為直接還田和過腹還田最高, 覆蓋還田居中, 不還田處理最低, 直接還田和過腹還田分別是不還田處理的1.14倍和1.13倍。土壤有機碳含量在20~40 cm土層分布為10.80~11.73 g?kg-1, 不同處理之間無顯著性差異。土壤全氮含量在0~20 cm土層為1.12~1.27 g?kg-1, 在20~40 cm土層為0.83~0.98 g?kg-1, 兩個土層均表現(xiàn)為覆蓋還田和不還田處理間無顯著性差異, 直接還田和過腹還田顯著高于不還田處理, 是不還田處理的1.13倍。土壤全磷含量在0~20 cm土層為0.70~0.91 g?kg-1, 在20~40 cm土層為0.52~0.75 g?kg-1, 過腹還田土壤全磷含量顯著高于不還田處理, 直接還田與覆蓋還田土壤全磷含量和不還田處理無顯著性差異。0~20 cm土層土壤全鉀含量過腹還田和直接還田處理比不還田處理分別高3.76 g?kg-1和1.50 g?kg-1, 20~40 cm僅表現(xiàn)為過腹還田處理顯著高于不還田處理(3.75 g?kg-1), 覆蓋還田處理和不還田處理土壤全鉀含量無顯著性差異(0.05)。

長期秸稈還田對土壤有效養(yǎng)分含量產(chǎn)生了顯著的影響。土壤有效氮含量在0~20 cm和20~40 cm土層分別為53.77~72.31 mg?kg-1和38.94~51.92 mg?kg-1; 0~ 20 cm土層表現(xiàn)為過腹還田土壤有效氮含量最高, 直接還田和覆蓋還田居中, 不還田處理最低; 20~40 cm土層表現(xiàn)為過腹還田和直接還田顯著高于覆蓋還田和不還田處理。直接還田和覆蓋還田處理和不還田處理間土壤有效磷含量無顯著差異, 過腹還田處理土壤有效磷含量顯著高于不還田處理, 其有效磷含量在0~20 cm土層和20~40 cm土層分別是不還田處理的2.53倍和1.56倍。土壤有效鉀在0~20 cm土層和20~40 cm土層均表現(xiàn)為過腹還田處理最高, 覆蓋還田和直接還田處理居中, 不還田處理最低。

2.3 長期不同秸稈還田對土壤蔗糖酶活性和纖維素酶活性的影響

從圖2可知, 長期不同秸稈還田對土壤蔗糖酶活性和纖維素酶活性產(chǎn)生了顯著的影響。不還田處理土壤蔗糖酶活性0~20 cm土層和20~40 cm土層分別為19.6 mg(glucose)?24h-1?g-1和16.1 mg(glucose)?24 h-1?g-1, 長期秸稈還田土壤蔗糖酶活性均顯著高于不還田處理, 其中過腹還田處理在0~20 cm和20~40 cm土層均表現(xiàn)最高, 分別是不還田處理的2.1倍和1.8倍; 秸稈覆蓋還田處理0~20 cm土層土壤蔗糖酶活性為29.0 mg(glucose)?24h-1?g-1, 是不還田處理的1.5倍, 在20~40 cm土層則表現(xiàn)為過腹還田≈覆蓋還田>直接還田>不還田。不還田處理土壤纖維素酶活性0~20 cm土層和20~40 cm土層分別為0.7 mg(glucose)?72h-1?g-1和0.5 mg(glucose)?72h-1?g-1。土壤纖維素酶活性在0~20 cm土層表現(xiàn)為不還田處理最低, 覆蓋還田和過腹還田處理居中, 分別為不還田處理的1.7倍和1.4倍, 直接還田處理最高, 為1.5 mg(glucose)?72h-1?g-1。土壤纖維素酶活性在20~40 cm土層表現(xiàn)為覆蓋還田處理最高[0.9 mg(glucose)?72h-1?g-1], 是不還田處理的1.7倍。

表2 長期不同秸稈還田處理對不同土層土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

不同大寫字母表示不同秸稈還田處理間差異顯著(<0.05), 不同小寫字母表示不同土層間差異顯著(<0.05)。CK means non-straw returning, SM means straw mulching, DS means direct straw returning, AS means animal-digested straw returning. Different capital letters mean significant differences at 0.05 level among different straw returning treatments. Different lowercase letters mean significant differences at 0.05 level between two soil layers.

圖2 長期不同秸稈還田處理對不同土層土壤蔗糖酶活性和纖維素酶活性的影響

CK為不還田處理, SM為秸稈覆蓋還田, DS為秸稈直接還田, AS為秸稈過腹還田。不同大寫字母表示不同秸稈還田處理間差異顯著, 不同小寫字母表示不同土層間差異顯著(<0.05)。CK means non-straw returning, SM means straw mulching, DS means direct straw returning, AS means animal-digested straw returning. Different capital letters mean significant differences among different straw returning treatments (< 0.05). Different lowercase letters mean significant differences between two soil layers (< 0.05).

2.4 長期不同秸稈還田對土壤脲酶活性和堿性磷酸酶活性的影響

長期不同秸稈還田土壤脲酶活性為1.4~1.9 mg(NH3-N)?24h-1?g-1。過腹還田處理0~20 cm土層土壤脲酶活性顯著高于其他處理, 是不還田處理的1.2倍; 其他處理和不還田處理之間無顯著性差異(圖3)。4個處理土壤脲酶活性均表現(xiàn)為0~20 cm土層顯著高于20~40 cm土層。土壤堿性磷酸酶活性為0.19~0.35 mg(phenol)?24h-1?g-1, 0~20 cm土層表現(xiàn)為過腹還田處理最高, 為0.35 mg(phenol)?24h-1?g-1, 高于不還田處理20.0%左右; 覆蓋還田和直接還田處理次之, 為0.30 mg(phenol)?24h-1?g-1, 和不還田處理無顯著差異; 20~40 cm土層表現(xiàn)為過腹還田高于不還田處理21.0%左右, 直接還田和覆蓋還田處理和不還田處理無顯著性差異。

圖3 長期不同秸稈還田對不同土層土壤脲酶活性和堿性磷酸酶活性的影響

CK為不還田處理, SM為秸稈覆蓋還田, DS為秸稈直接還田, AS為秸稈過腹還田。不同大寫字母表示不同秸稈還田處理間差異顯著, 不同小寫字母表示不同土層間差異顯著(<0.05)。CK means non-straw returning, SM means straw mulching, DS means direct straw returning, AS means animal-digested straw returning. Different capital letters mean significant differences among different straw returning treatments (< 0.05). Different lowercase letters mean significant differences between two soil layers (< 0.05).

2.5 土壤酶活性、玉米累積產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分含量之間的相關(guān)性分析

表3為土壤酶活性與土壤化學(xué)性質(zhì)及玉米累積產(chǎn)量的Pearson相關(guān)系數(shù)。玉米累積產(chǎn)量和土壤蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān)(<0.05)。除土壤有機碳和全氮含量, 土壤蔗糖酶與其他養(yǎng)分含量呈顯著正相關(guān)(<0.05); 除土壤全鉀含量, 土壤纖維素酶活性與土壤有機碳、全氮、全磷、有效氮、有效磷和有效鉀含量均呈極顯著正相關(guān)(<0.01); 土壤脲酶活性與土壤全氮呈顯著正相關(guān)(<0.05); 土壤堿性磷酸酶活性與土壤有機碳、土壤全氮、土壤全磷、有效氮、有效磷含量均呈極顯著正相關(guān)(<0.01), 與有效鉀含量呈顯著正相關(guān)(<0.05)。

表3 土壤酶活性與土壤養(yǎng)分及玉米累積產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)

*表示差異顯著(<0.05), **表示差異極顯著(<0.01)。* and ** mean significant correlation at< 0.05 and< 0.01, respectively.

3 討論

3.1 土壤化學(xué)性質(zhì)對長期不同秸稈還田方式的響應(yīng)

農(nóng)田土壤養(yǎng)分是作物生長發(fā)育各階段所必須的營養(yǎng)元素, 是決定土壤肥力高低的決定性因素[22]。秸稈還田可以為作物生長提供養(yǎng)分, 促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和維護生態(tài)平衡, 然而秸稈還田存在腐解速率慢和養(yǎng)分釋放延遲的問題[23]。本研究結(jié)果表明, 從較長時間尺度來看, 長期過腹還田可顯著增加土壤全氮、全磷、全鉀、有效氮、有效磷和有效鉀含量, 秸稈直接還田可顯著增加土壤全氮、全鉀、有效氮和有效鉀含量, 長期覆蓋還田僅提高土壤有效氮和有效鉀含量。這與以往的研究不完全一致, 趙士誠等[13]發(fā)現(xiàn)華北小麥-玉米輪作系統(tǒng)32年秸稈直接還田用量的增加提高了土壤全氮和全磷, 對全鉀沒有影響, 高量秸稈還田對硝態(tài)氮的提高具有促進作用。徐燕等[24]研究證明長期秸稈直接還田能有效提高土壤無機氮、有效磷和有效鉀含量, 連續(xù)還田效果好于隔年還田。張聰?shù)萚12]研究發(fā)現(xiàn)隨著秸稈還田年限延長, 土壤全氮和全磷顯著增加, 且認(rèn)為秸稈還田達到10年以上應(yīng)適當(dāng)減少秸稈的還田量, 從而高效利用玉米秸稈和持續(xù)提高改善土壤性能。農(nóng)作物秸稈中含有大量的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素, 長期將秸稈直接還田和過腹還田, 意味著將含有氮、磷、鉀的有機物料連年補充入土壤中, 這對于土壤中氮、磷、鉀的影響是非常顯著的。植物殘體的輸入可以促進土壤中可溶性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化, 促進土壤中養(yǎng)分的可利用性[25]。秸稈覆蓋還田對土壤養(yǎng)分的影響則主要通過秸稈降解過程中對下層土壤的淋溶作用所引起的[26]?？梢? 長期秸稈直接還田和過腹還田對土壤養(yǎng)分含量及有效性均產(chǎn)生了深遠的影響。

3.2 土壤酶活性對長期不同秸稈還田的響應(yīng)

土壤酶活性可以反映土壤中生物化學(xué)過程的強度和方向, 在土壤養(yǎng)分循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程起著重要作用, 是表征土壤生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo), 可以用來了解和預(yù)測土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化及肥力的演變趨勢[24]。本研究中過腹還田可以顯著提高土壤蔗糖酶、纖維素酶、脲酶和堿性磷酸酶活性, 直接還田和秸稈覆蓋僅有利于提高土壤蔗糖酶活性和纖維素酶活性。這與以往的研究不完全一致。劉建國等[27]發(fā)現(xiàn)棉花(spp.)長期連作結(jié)合秸稈還田, 土壤蔗糖酶隨著還田年限的延長呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢, 連作10年后逐漸升高。羅珠珠等[28]研究發(fā)現(xiàn), 秸稈還田可以有效提高表層土壤蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶, 對深層土壤影響較小。值得注意的是, 本研究中土壤蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶活性對過腹還田的響應(yīng)較大, 土壤纖維素酶活性則對秸稈直接還田的響應(yīng)較大。土壤酶活性在參與土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化、物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量交換中, 不僅存在共性關(guān)系, 土壤含氮有機化合物、有機碳以及磷素的轉(zhuǎn)化是相互影響的[29], 更多的是專一性, 土壤酶的專性特性能反映土壤中各種化合物的轉(zhuǎn)化進程。秸稈還田后土壤酶活性的提高, 其主要原因是酶促反應(yīng)中底物的增加[12]。

土壤中的養(yǎng)分、酶和微生物等都是植物生長發(fā)育中不可或缺的因素, 各因素在玉米生長發(fā)育階段起非常重要的作用, 在各因素的協(xié)同作用下玉米才能高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)[12]。本研究中, 24年的覆蓋還田、直接還田和過腹還田處理的平均增產(chǎn)率分別為10.1%、8.6%、15.3%。玉米產(chǎn)量與土壤蔗糖酶活性呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(<0.05)。土壤蔗糖酶能促進蔗糖分子中果糖基-葡萄糖苷碳鍵的斷裂, 使蔗糖水解成葡萄糖和果糖, 因此對增加土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)有很大作用。隋躍宇等[30]在黑龍江黑土發(fā)現(xiàn)作物產(chǎn)量和土壤蔗糖酶、磷酸酶、過氧化氫酶顯著相關(guān)。楊敏芳等[31]在稻麥兩熟制農(nóng)田中進行秸稈還田, 發(fā)現(xiàn)土壤蔗糖酶與土壤養(yǎng)分存在顯著差異, 是反映土壤生物活性和土壤肥力的重要指標(biāo)。可見, 持續(xù)秸稈還田條件下土壤酶活性與作物產(chǎn)量有著非常緊密的聯(lián)系。

4 結(jié)論

24年不同秸稈還田的長期定位試驗表明, 黃土旱塬地旱作玉米生產(chǎn)中秸稈覆蓋還田、秸稈直接還田和秸稈過腹還田處理均可以顯著提高玉米產(chǎn)量, 其平均增產(chǎn)率分別為10.1%、8.6%和15.3%。長期過腹還田可顯著增加土壤全氮、全磷、全鉀、有效氮、有效磷和有效鉀含量, 秸稈直接還田可顯著增加土壤全氮、全鉀、有效氮和有效鉀含量, 長期覆蓋還田僅提高土壤有效氮和有效鉀含量。過腹還田可以顯著提高土壤蔗糖酶、纖維素酶、脲酶和堿性磷酸酶活性, 直接還田和秸稈覆蓋僅有利于提高土壤蔗糖酶活性和纖維素酶活性。土壤蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶活性對過腹還田的響應(yīng)較大, 土壤纖維素酶活性則對秸稈直接還田的響應(yīng)較大。綜上, 長期不同秸稈還田對土壤養(yǎng)分含量和酶活性均產(chǎn)生了顯著的影響, 土壤蔗糖酶活性的提高對玉米產(chǎn)量的保障和提高有非常緊密的聯(lián)系。

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Effects of long-term straw return on corn yield, soil nutrient contents and enzyme activities in dryland of the Loess Plateau, China*

CHENG Man1,2, XIE Wenyan2, YANG Zhenxing2, ZHOU Huaiping2**

(1. Institute of Loess Plateau, Shanxi University, Taiyuan 030006, China; 2. Institute of Agricultural Environment and Resources, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030031, China)

Incorporation of straw in soil plays an important role in nutrient management, maintenance of crop productivity, and improvement of soil quality, which is considered to be an effective measure as a substitute for chemical fertilization. Understanding the effects of long-term straw incorporation on soil properties and corn yield in the dryland of the Loess Plateau are essential to provide scientific evidence for sustainable utilization and soil quality improvement of cropland. Here, based on a long-term (24 years) straw return field experiment, effects of different straw return regimes, i.e., straw mulching (SM), direct straw return (DS), animal-digested straw return (AS), and non-straw return (CK) on soil chemical properties, enzyme activities, and corn yield were studied. Results showed that the cumulative corn yield under SM, DS, and AS treatments were 1.885×105kg?hm–2, 1.854×105kg?hm–2and 2.001×105kg?hm–2, respectively; the yields increased by 10.1%, 8.6% and 15.3%, respectively, compared to CK treatment (1.695×105kg?hm–2). Besides, the three long-term straw incorporation treatments enhanced soil organic carbon by 6%-14% in 0–20 cm soil layer, whereas they had no significant effect on soil organic carbon in 20–40 cm soil layer. Compared to CK, soil total nitrogen, total phosphorus, total potassium, available nitrogen, available phosphorus and available potassium contents were significantly increased under AS treatment; whereas DS treatment enhanced soil total nitrogen, total potassium, available nitrogen and available potassium contents; and SM treatment increased soil available nitrogen and potassium content. In addition, soil invertase activity was the highest under AS treatment, followed by SM and DS, and the lowest under CK treatment. Soil cellulase activity under DS treatment was 2.2 and 1.3 times higher in 0–20 cm and 20–40 cm soil layers, respectively, than that under CK treatment. Furthermore, AS treatment enhanced soil urease activity by 13.0% and soil alkaline phosphatase by 20.5% compared to CK, while SM and DS treatments had no significant effect on soil urease and alkaline phosphatase activities. Soil activities of invertase, urease and alkaline phosphatase showed a greater response to animal-digested straw return treatment, whereas soil cellulose activity had a greater response to direct straw return treatment. Furthermore, there was a significant positive correlation between corn yield and soil invertase activity. In conclusion, long-term continuous animal-digested straw return and direct straw return had a profound impact on soil nutrients and enzyme activities. Particularly, the increase in soil invertase activity by straw return is closely related to the promotion of corn yield.

Long-term straw returning; Straw returning regimes; Soil nutrient; Soil enzyme activities; Corn yield

, E-mail: huaipingzhou@163.com

Mar. 31, 2019;

Jul. 1, 2019

S158.5

2096-6237(2019)10-1528-09

10.13930/j.cnki.cjea.190235

周懷平, 主要研究方向為旱地土壤培育。E-mail: huaipingzhou@163.com

程曼, 研究方向為土壤生態(tài)。E-mail: chengman@sxu.edu.cn

2019-03-31

2019-07-01

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41807072, 41807025), the Science and Technology Key Program of Shanxi Province (201703D211002)and the Shanxi Province Science Foundation for Youths (201701D221206).

* 國家自然科學(xué)基金青年基金(41807072, 41807025)、山西省重點研發(fā)計劃重點項目(201703D211002)和山西省青年科技研究基金(201701D221206)資助

程曼, 解文艷, 楊振興, 周懷平. 黃土旱塬長期秸稈還田對土壤養(yǎng)分、酶活性及玉米產(chǎn)量的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2019, 27(10): 1528-1536

CHENG M, XIE W Y, YANG Z X, ZHOU H P. Effects of long-term straw return on corn yield, soil nutrient contents and enzyme activities in dryland of the Loess Plateau, China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(10): 1528-1536