不同輪耕方式與生物炭對(duì)土壤酶活性、土壤養(yǎng)分及小麥和玉米產(chǎn)量的影響

郭書亞 尚 賞 湯其寧 張 艷 盧廣遠(yuǎn)

（商丘市農(nóng)林科學(xué)院，476000，河南商丘）

作物良好的生長發(fā)育離不開適宜的土壤條件。然而地處黃淮區(qū)以商丘為代表的豫東平原，長期實(shí)行冬小麥旋耕夏玉米免耕的輪耕模式，造成犁底層上升、耕層變淺和土壤質(zhì)量變差等現(xiàn)象，導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低[1-3]。并且該地區(qū)長期施用化肥造成土壤板結(jié)，肥料利用率低，嚴(yán)重影響作物生長發(fā)育及產(chǎn)量[4-5]。因此，在該地區(qū)開展適宜的輪耕模式和培肥措施研究具有重要意義。不同耕作措施對(duì)土壤酶活性和養(yǎng)分的影響效果不一，Pandey等[6]研究表明，深耕能夠顯著提高土壤酶活性；劉水[7]研究指出，免耕和翻耕能顯著提高土壤表層的土壤酶活性；而劉紅杰等[8]研究發(fā)現(xiàn)，深耕能顯著提高土壤磷酸酶和蔗糖酶活性，降低土壤脲酶活性；劉淑梅等[9]研究表明，翻耕處理可降低土壤表層的脲酶和蔗糖酶活性。龍潛等[10]研究表明，在0～10cm土層，小麥季旋耕，土壤速效養(yǎng)分含量高于深耕處理，20～40cm土層深耕處理土壤速效養(yǎng)分含量高于旋耕處理，朱長偉等[11]研究得出相似結(jié)論。生物炭作為土壤改良劑，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上已被廣泛應(yīng)用，它具有含碳量高、孔隙度高、吸附力強(qiáng)和營養(yǎng)豐富等特點(diǎn)[12-13]。生物炭施入土壤后，能夠改善土壤通氣和水分條件，增加有機(jī)質(zhì)含量，吸附土壤中氮、磷和鉀等元素，減少淋溶，提高肥料利用效率[14]。同時(shí)生物炭為土壤微生物提供了良好的營養(yǎng)和生長場所，增加土壤微生物的活動(dòng)，進(jìn)而影響土壤酶活性。孟繁昊等[15]研究指出，適量生物炭配施氮肥能夠增加土壤碳氮儲(chǔ)量、微生物量和酶活性，改善土壤微生態(tài)環(huán)境。王智慧等[16]研究表明，生物炭的施用改善了土壤養(yǎng)分狀況，提高了土壤酶活性并促進(jìn)產(chǎn)量形成。但也有試驗(yàn)表明，施用生物炭會(huì)降低土壤養(yǎng)分含量和酶活性[17-18]，甚至造成作物減產(chǎn)[19]。可見，施用生物炭和耕作措施能夠顯著影響土壤酶活性和養(yǎng)分含量。而研究輪耕方式、生物炭及其交互效應(yīng)對(duì)土壤酶活性、養(yǎng)分和產(chǎn)量影響的報(bào)道較少，因此，本試驗(yàn)采用不同輪耕方式和生物炭結(jié)合的模式，分析輪耕方式、生物炭單獨(dú)及二者交互效應(yīng)對(duì)夏玉米田土壤酶活性、養(yǎng)分和產(chǎn)量的影響，為豫東地區(qū)玉米田選擇適宜的輪耕培肥方式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

于2018-2021年在河南省商丘市農(nóng)林科學(xué)院示范中心梁園區(qū)（115°42′E，34°31′N）開展田間試驗(yàn)，當(dāng)?shù)睾０?4m，氣候類型為暖溫帶亞濕潤季風(fēng)氣候，年均日照時(shí)數(shù)2372.6h，年均氣溫14.1℃，年均降水量681.1mm，無霜期212d。該區(qū)域常年實(shí)行冬小麥—夏玉米一年兩熟種植制度，小麥采用旋耕播種，玉米采用免耕播種，供試土壤為潮土。試驗(yàn)前0～20cm土層土壤含有機(jī)碳11.4g/kg、堿解氮82.2mg/kg、速效磷10.47mg/kg、速效鉀127.36mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置3種生物炭用量，分別為B1：2.5t/hm2、B2：5.0t/hm2、B3：7.5t/hm2，以及小麥旋耕玉米免耕（R）和小麥深翻耕玉米免耕（D）2種輪耕作模式，以小麥旋耕玉米免耕不施生物炭為對(duì)照（RB0），共7個(gè)處理，隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次。生物炭由河南立澤環(huán)?？萍加邢薰咎峁?，以玉米秸稈為原料在500℃高溫厭氧條件下熱解2h燒制而成，其碳含量為437.82g/kg、全氮16.31g/kg、全磷8.19g/kg、全鉀27.56g/kg、pH 9.0。試驗(yàn)于2018年10月小麥季開始進(jìn)行，生物炭處理隨旋耕或深翻施入土壤，以上全部處理均為常規(guī)施肥，小麥季施用史丹利第四元素復(fù)合肥（N:P:K=26:12:9）525kg/hm2，玉米季施鄂中復(fù)合肥（N:P:K=17:17:17）600kg/hm2，尿素300kg/hm2。栽培管理措施同當(dāng)?shù)卮筇?。供試小麥品種為商麥156，基本苗為300萬/hm2；玉米品種為成玉788，種植密度為75 000株/hm2。每個(gè)小區(qū)分別于2020和2021年玉米收獲后，采用“S”形取樣法取0～20cm和20～40cm土層土壤樣品，用于測定土壤酶活性和養(yǎng)分含量。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

采用靛酚藍(lán)比色法[20]測定土壤脲酶活性，用高錳酸鉀滴定法[20]測定土壤過氧化氫酶活性，采用比色法[19]測定蔗糖酶活性，用磷酸苯二鈉比色法[20]測定堿性磷酸酶活性。

采用重鉻酸鉀外加熱法[21]測定土壤有機(jī)質(zhì)含量，采用堿解擴(kuò)散法[21]測定堿解氮含量，采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法[20]測定有效磷含量，采用火焰光度計(jì)法[21]測定速效鉀含量。

玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素：收獲期，每小區(qū)收取中間2行果穗進(jìn)行測產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用SPSS 24.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

從表1可知，與RB0處理相比，不同處理均能顯著地提高土壤有機(jī)碳含量。在0～20cm土層，2020年DB3處理顯著高于其他處理，RB3處理次之，RB1、RB2、DB1和DB2處理間差異不顯著；2021年DB2、DB3、RB2、RB3處理間差異不顯著，顯著高于其他處理。在20～40cm土層，2021年DB處理高于RB處理，DB3處理土壤有機(jī)碳含量最高，且顯著高于其他處理，DB2處理次之。從不同年份看，不同處理土壤有機(jī)碳含量呈增加趨勢，與2020年相比，在0～20cm土層，RB2、RB3、RB1處理增幅較高，分別為12.54%、8.57%和5.64%，在20～40cm土層，DB2、DB3、DB1處理增幅較高，分別為9.06%、8.56%和4.77%。雙因素方差分析表明，生物炭處理在各年度各土層對(duì)土壤有機(jī)碳含量有極顯著影響，說明生物炭的施用量直接影響土壤有機(jī)碳含量；輪耕方式和生物炭互作對(duì)2020年0～20cm、20～40cm土層及2021年20～40cm土層均有顯著或極顯著影響。

表1 不同處理對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響Table 1 Effects of different treatments on soil organic carbon content g/kg

2.2 不同處理對(duì)土壤速效養(yǎng)分含量的影響

從圖1可知，在0～20cm土層，與RB0處理相比，不同處理均能顯著提高土壤堿解氮含量，不同輪耕方式土壤堿解氮含量隨生物炭施用量增加而增加，RB3處理含量最高，2020和2021年分別較RB0處理高11.39%和18.87%。在20～40cm土層，小麥旋耕玉米免耕處理（RB0、RB1、RB2、RB3）對(duì)土壤堿解氮含量影響不大，處理間差異不顯著；小麥深翻玉米免耕處理顯著高于小麥旋耕玉米免耕處理，DB3處理含量最高，較RB0處理高17.48%、22.09%。從不同年份變化看，不同處理土壤堿解氮含量呈增加趨勢，在0～20cm土層，和2020年相比，2021年RB3、DB3和DB2處理土壤堿解氮含量增幅最高，分別為7.15%、4.86%和3.04%；20～40cm土層，DB2、DB3和DB1處理增幅最高，分別3.60%、3.27%和3.07%。

圖1 不同處理對(duì)土壤速效養(yǎng)分含量的影響Fig.1 Effects of different treatments on soil available nutrient contents

從圖1可知，在0～20cm土層，與RB0處理相比，不同處理均能顯著提高土壤速效磷含量，不同輪作方式土壤速效磷含量隨生物炭施用量增加而增加，RB3和DB3處理含量高，2020年分別較RB0高18.16%和17.63%，2021年高34.18%和35.37%。在20～40cm土層，小麥旋耕玉米免耕處理（RB0、RB1、RB2、RB3）對(duì)土壤速效磷含量影響不大，處理間差異不顯著；小麥深翻玉米免耕處理顯著高于小麥旋耕玉米免耕處理，DB3處理含量最高，2年中較RB0處理高26.13%和40.95%。從不同年份變化看，不同處理土壤速效磷含量呈增加趨勢，在0～20cm土層，和2020年相比，2021年DB3、DB2和RB2處理土壤速效磷含量增幅最高，分別為16.37%、13.93%和12.04%；在20～40cm土層，DB3、DB1和DB2處理增幅最高，分別10.77%、9.71%和7.08%。

從圖1可知，在0～20cm土層，與RB0處理相比，不同處理均能顯著提高土壤速效鉀含量，不同輪作方式土壤速效鉀含量隨生物炭施用量增加而增加，RB3和DB3處理含量高，顯著高于其他處理，2020年分別較RB0高15.46%和14.10%，2021年高18.72%和19.48%。在20～40cm土層，小麥旋耕玉米免耕處理（RB0、RB1、RB2、RB3）對(duì)土壤速效鉀含量影響不大，處理間差異不顯著；小麥深翻玉米免耕處理顯著高于小麥旋耕玉米免耕處理，DB3處理含量最高，2年分別較RB0處理高13.85%和19.56%。從不同年份變化看，不同處理土壤速效鉀含量呈增加趨勢，在不同土層均為DB3、DB2、DB1處理土壤速效鉀含量增幅最高，與2020年相比，2021年3個(gè)處理在0～20cm土層分別增加5.16%、3.76%、3.28%，在20～40cm土層分別增加4.73%、3.49%、3.34%。

2.3 不同處理對(duì)土壤酶活性的影響

從圖2a可以看出，在0～20cm土層，與RB0處理相比，不同處理均能顯著提高土壤脲酶活性，不同輪作方式土壤脲酶活性隨生物炭施用量增加而增加，RB3處理土壤脲酶活性最高，顯著高于其他處理，較RB0處理高29.96%和39.36%。在20～40cm土層，小麥旋耕玉米免耕處理（RB0、RB1、RB2、RB3）對(duì)土壤脲酶活性影響不大，處理間差異不顯著；小麥深翻玉米免耕處理顯著高于小麥旋耕玉米免耕處理，DB3處理活性最高，2年中較RB0處理高10.95%和30.22%。從不同年份變化看，不同處理土壤脲酶活性呈增加趨勢，和2020年相比，在0～20cm土層，2021年RB3、DB2和DB1處理土壤脲酶活性增幅最高，分別為8.10%、7.69%和5.90%；在20～40cm土層，DB3、DB2和DB1處理增幅最高，分別19.08%、10.20%和7.75%。

圖2 不同處理對(duì)土壤酶活性的影響Fig.2 Effects of different treatments on soil enzyme activities

從圖2b可以看出，在0～20cm土層，與RB0處理相比，不同處理均能顯著提高土壤蔗糖酶活性，不同輪作方式土壤蔗糖酶活性隨生物炭施用量增加而增加，2020年，RB3處理土壤蔗糖酶活性最高，顯著高于其他處理，較RB0處理高25.57%；2021年DB3處理顯著高于其他處理，較RB0處理高35.57%。在20～40cm土層，小麥旋耕玉米免耕處理（RB0、RB1、RB2、RB3）對(duì)土壤蔗糖酶活性影響不大，處理間差異不顯著；小麥深翻玉米免耕處理顯著高于小麥旋耕玉米免耕處理，DB3處理活性最高，較RB0高16.14%和21.91%。從不同年份變化看，不同處理土壤蔗糖酶活性呈增加趨勢，和2020年相比，在0～20cm土層，2021年DB2、RB3和DB1處理土壤蔗糖酶活性增幅最高，分別為15.16%、14.22%和8.93%；在20～40cm土層，DB3、DB1、DB2處理增幅最高，分別5.99%、4.79%和4.47%。

從圖2c可以看出，在0～20cm土層，與RB0處理相比，不同處理均能顯著提高土壤堿性磷酸酶活性，不同輪作方式土壤堿性磷酸酶活性隨生物炭施用量增加而增加，RB3處理土壤堿性磷酸酶活性最高，顯著高于其他處理，較RB0處理高27.59%和64.04%。在20～40cm土層，小麥旋耕玉米免耕處理（RB0、RB1、RB2、RB3）對(duì)土壤堿性磷酸酶活性影響不大，處理間差異不顯著；小麥深翻玉米免耕處理顯著高于小麥旋耕玉米免耕處理，DB3處理活性最高，2年中分別較RB0處理高24.56%和51.92%。從不同年份變化看，和2020年相比，在0～20cm土層，不同處理土壤堿性磷酸酶活性呈增加趨勢，DB3、RB3和DB2處理土壤堿性磷酸酶活性增幅最高，分別為35.85、31.53和21.78%；在20～40cm土層，RB1、RB2和RB3處理土壤堿性磷酸酶活性呈下降趨勢，降幅分別為10.34%、5.26%和10.17%，DB1、DB2和DB3處理呈增加趨勢，增幅分別為3.23%、7.46%和11.27%。

2.4 不同處理對(duì)小麥和玉米產(chǎn)量的影響

從表2可知，2020年，不同處理均能顯著提高小麥和玉米產(chǎn)量6.02%～17.52%和5.07%～11.02%，RB3和DB3處理顯著高于其他處理，與DB2處理差異不顯著；2021年，不同處理均能顯著提高小麥和玉米產(chǎn)量7.01%～20.87%和6.53%～18.13%，DB3處理顯著高于其他處理，DB2處理次之。從不同年份看，不同處理小麥玉米產(chǎn)量呈增加趨勢，和2020年相比，不同處理小麥和玉米產(chǎn)量的增幅分別1.66%～3.59%和1.78%～6.93%。雙因素方差分析表明，輪作方式、生物炭對(duì)夏玉米有顯著或極顯著影響，而輪耕方式和生物炭互作對(duì)夏玉米產(chǎn)量影響不顯著。

表2 不同處理對(duì)小麥和玉米產(chǎn)量的影響Table 2 Effects of different treatments on wheat and maize yield kg/hm2

2.5 土壤酶活性與土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)關(guān)系

從表3可知，土壤有機(jī)碳、速效養(yǎng)分含量、土壤酶活性與小麥和玉米產(chǎn)量呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤有機(jī)碳、速效養(yǎng)分含量與土壤酶活性均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，且各指標(biāo)間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

表3 不同處理各指標(biāo)相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of indicators in different treatments

3 討論

不同的耕作方式能夠影響土壤有機(jī)碳和速效養(yǎng)分在土層的分布，長期的小麥旋耕玉米免耕使土壤有機(jī)碳、速效養(yǎng)分在土壤表層（0～20cm）富集。輪耕則能解決這一問題，王玉玲等[22]研究“翻耕—深松”輪耕能夠顯著增加20～40cm土層土壤速效養(yǎng)分含量。龍潛等[10]研究表明，與旋耕—免耕相比，小麥季深耕可以有效增加深層土的土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。朱長偉等[11]研究表明，小麥季深耕—玉米季深松的處理能顯著增加20～40cm土層中的有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量。本研究得出相似結(jié)論，和小麥旋耕玉米免耕處理相比，小麥深翻玉米免耕能夠顯著增加深層（20～40cm）土壤有機(jī)碳和速效養(yǎng)分含量。這可能因?yàn)橐环矫嫔罘軌虼蚱评绲讓?，改善深層土壤的通氣狀況，有利于速效養(yǎng)分的釋放；另一方面深翻能夠?qū)⑸蠈拥耐寥婪较聦?，從而增加下層土壤有機(jī)碳和速效養(yǎng)分含量。同時(shí)，施入生物炭后，能夠顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，吸附土壤養(yǎng)分，減少淋溶，進(jìn)而增加土壤速效養(yǎng)分含量。本研究表明，在0～20cm土層，生物炭能夠顯著增加土壤有機(jī)碳和速效養(yǎng)分含量，并隨著生物炭施用量的增加而增加。這與陳山等[23]研究表明，施用生物炭可以提高全氮和堿解氮含量；高利華等[24]研究發(fā)現(xiàn)，土壤有效磷含量隨施炭量增加而顯著增加；石曉宇等[25]研究指出生物炭能夠提高土壤速效磷和速效鉀含量的結(jié)果基本一致。本研究結(jié)果還表明，不同輪耕配合生物炭能夠顯著增加土壤有機(jī)碳和速效養(yǎng)分含量，在0～20cm土層，RB3和DB3處理效果最好，在20～40cm土層DB3處理效果最好。

土壤酶是表征土壤肥力的重要指標(biāo)，用它來反映土壤生物化學(xué)過程的強(qiáng)度和方向。不同耕作方式對(duì)土壤酶活性有顯著影響。劉水[7]研究指出，免耕和翻耕能顯著提高土壤表層的土壤酶活性；Pandey等[6]研究表明，深耕能夠顯著提高土壤酶活性；冀保毅[26]研究表明，深耕能夠顯著增加下層土壤酶活性；龍潛[27]研究表明，小麥季深耕能夠顯著增加20～40cm土層土壤酶活性。本文得出相似結(jié)論，小麥深翻玉米免耕能顯著提高20～40cm土層土壤酶活性，這是因?yàn)樯罘幚碓黾油寥劳ㄍ感院退蕳l件，有利于根系和微生物的生長，進(jìn)而增加土壤酶活性。本研究表明，施入生物炭后，能夠顯著增加0～20cm土層土壤酶活性，并隨著生物炭施用量的增加而增加，這與王智慧等[16]和尚杰等[28]研究的施用生物炭能夠顯著提高土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性的結(jié)果基本一致。本研究表明，不同輪耕配合生物炭能夠顯著增加土壤酶活性，在0～20cm土層，RB3和DB3處理效果最好，在20～40cm土層DB3處理效果最好。本研究還表明，2年土壤酶活性及土壤養(yǎng)分間均呈極顯著相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)橥寥鲤B(yǎng)分是土壤微生物活動(dòng)和生存的基礎(chǔ)，土壤酶反映微生物的強(qiáng)度，因此二者密切相關(guān)。2年的土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性之間均呈極顯著相關(guān)關(guān)系，這可能是因?yàn)?種酶在微生物活動(dòng)過程中或與底物結(jié)合反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生相互促進(jìn)的化學(xué)或信息物質(zhì)，從而相互促進(jìn)，密切相關(guān)。

合理的耕作方式和培肥措施是作物實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的重要條件。張黛靜等[29]研究指出，深耕+有機(jī)肥處理能夠增加作物產(chǎn)量，李娟等[30]研究也得出相似結(jié)論。趙亞麗等[31]研究指出，深耕+秸稈還田能夠顯著增加玉米產(chǎn)量。本研究表明，與RB0相比，不同處理均能夠顯著增加小麥和玉米產(chǎn)量，2020年增幅分別為6.02%～17.52%和5.07%～11.02%，2021年分別為7.01%～20.87%和6.53%～18.13%，DB3處理產(chǎn)量最高，顯著高于其他大部分處理。小麥深翻玉米免耕處理是在多年小麥旋耕玉米免耕基礎(chǔ)上進(jìn)行的，能夠打破犁底層，增加耕層厚度，改善土壤質(zhì)量的同時(shí)并不會(huì)增加土壤水分滲漏及氮素淋溶[32]，有利于玉米根系的生長[33]和養(yǎng)分吸收，從而顯著增加產(chǎn)量。

4 結(jié)論

與常年小麥旋耕玉米免耕不施生物炭處理相比，小麥旋耕玉米免耕和小麥深翻耕玉米免耕生物炭處理均能夠顯著提高0～20cm土層有機(jī)碳、速效養(yǎng)分含量和土壤酶活性；同時(shí)小麥深翻耕玉米免耕生物炭處理能夠顯著提高20～40cm土層土壤有機(jī)碳、速效養(yǎng)分含量和土壤酶活性。所以小麥深翻耕玉米免耕配合施用生物炭是改善土壤微生物特性及肥力的重要措施，小麥深翻玉米免耕+7.5t/hm2生物炭效果最好，可以推廣應(yīng)用。