秸稈還田對水稻-油菜輪作體系土壤活性有機碳組分及酶活性的影響

李 霞，羅麗卉，周 婭，楊定清，王 棚，李 森

(1.四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所，四川 成都 610066；2.四川省自然資源科學(xué)研究院，四川 成都 610015)

我國是世界上作物秸稈資源最為豐富的國家之一，年產(chǎn)生量約9億t，約占世界秸稈總量的25%[1-3]。作物秸稈含有豐富的碳、氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素和纖維物質(zhì)，將其還田利用既能有效增加農(nóng)田土壤碳輸入，也能減少因焚燒而產(chǎn)生的溫室氣體及顆粒污染物[4-6]。因此，秸稈還田是維持農(nóng)田土壤碳平衡、降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳排放、提高土壤養(yǎng)分含量的重要農(nóng)業(yè)管理措施之一。

土壤有機碳(SOC)作為土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，與土壤的物理、化學(xué)及生物學(xué)特性密切相關(guān)，其對土壤肥力的貢獻(xiàn)是作物產(chǎn)量的重要決定因素[7-8]。同時，土壤有機碳庫也是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，其微小變化都會顯著影響全球氣候。然而，研究表明，SOC對農(nóng)田管理措施的響應(yīng)較為緩慢，短期內(nèi)難以及時、準(zhǔn)確地反映土壤質(zhì)量的內(nèi)在變化[9]。相反，SOC中的活性組分盡管占總有機碳的比例很小，但在土壤中周轉(zhuǎn)迅速并對環(huán)境變化響應(yīng)敏感，是評價農(nóng)業(yè)管理措施的常用敏感性指標(biāo)[10]。此外，土壤碳循環(huán)酶參與土壤生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)相關(guān)的各種生理生化過程，相比于有機碳，能快速地響應(yīng)土壤中的細(xì)微變化，其活性高低被用作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)變化的早期預(yù)警指標(biāo)[11-12]。因此，研究土壤有機碳組分及碳循環(huán)酶活性的變化對探究土壤質(zhì)量的變化特征具有重要指導(dǎo)意義。

水稻-油菜輪作是成都平原農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)主要的種植模式，每年水稻和油菜秸稈產(chǎn)量巨大。控制秸稈焚燒、實施秸稈還田對于實現(xiàn)土壤碳庫正向培育、改善土壤質(zhì)量具有重要的意義[13-14]。目前，不同研究者關(guān)于秸稈還田對土壤有機碳影響的研究結(jié)果并不完全一致。如叢萍等[15]指出，將秸稈還田量從6 000 kg/hm2增加到18 000 kg/hm2，黑土亞表層SOC含量逐漸增加，且高量秸稈還田下土壤肥力維持時間更持久。然而，Wang等[16]和賀美等[17]研究則認(rèn)為，秸稈還田并不意味著土壤碳投入的直接增加，土壤固碳能力存在飽和上限，秸稈還田量也并不是越多越好。此外，大量秸稈還田后，秸稈分解過程中大量微生物繁殖會與作物爭奪養(yǎng)分，積累有機酸，并成為一些病蟲害的庇護(hù)場所[18-19]?？梢?，明確秸稈還田量對于成都平原秸稈資源的高效利用具有重要的意義。

本研究通過連續(xù)3 a田間定位試驗，研究成都平原油菜-水稻輪作體系下不同秸稈用量對土壤活性有機碳組分及碳循環(huán)酶活性的變化影響，并分析土壤有機碳組分與理化指標(biāo)和酶活性之間的相關(guān)性，探討該體系下活性有機碳和碳循環(huán)酶活性能否作為土壤SOC變化的敏感指標(biāo)，以期為成都平原現(xiàn)代農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)秸稈資源利用提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗地點位于四川省彭州市三界鎮(zhèn)清涼村，主要輪作方式為水稻-油菜一年兩熟種植制度，屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫暖濕潤，光照較充足，年均氣溫16 ℃左右，年均降雨量1 200 mm，年均無霜期280 d。供試土壤為水稻土，試驗前土壤0～20 cm基本理化性質(zhì)為：pH值6.69、容重1.29 g/cm3、陽離子交換量(CEC)16.40 mol/kg、SOC 16.95 g/kg、全氮(TN)1.60 g/kg、全磷(TP)0.84 g/kg、全鉀(TK)25.69 g/kg、堿解氮(AN)122.16 mg/kg、有效磷(AP)10.19 mg/kg、速效鉀(AK)58.26 mg/kg。

1.2 試驗材料與試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置5個處理：對照(CK)、常規(guī)化肥(NPK)、常規(guī)化肥+1/2量秸稈(SR1)、常規(guī)化肥+全量秸稈(SR2)、常規(guī)化肥+2倍秸稈(SR3)。油菜季各處理化學(xué)肥料施用量為：N 180 kg/hm2、P2O570 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，硼砂7.5 kg/hm2；氮肥按照 60%基肥+40%越冬肥施用，磷、鉀和硼肥均一次性基施。水稻季各處理化學(xué)肥料為N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 100 kg/hm2，氮肥按照70%基肥+30%分蘗肥施用，磷、鉀均一次性基施。供試氮、磷、鉀、硼肥分別為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)、氯化鉀(K2O 60%)、硼砂(B 11%)。供試油菜品種為南油9號，水稻品種為川優(yōu)6203。

試驗始于2017年冬油菜，采用一年兩熟的水稻-冬油菜輪作制度，于每年9月下旬和5月中旬，按照試驗設(shè)計用量，分別將前一茬水稻、油菜秸稈粉碎后，均勻撒施到地表，再翻耕混勻。試驗時間從2017年9月至2020年9月。小區(qū)面積20 m2，3次重復(fù)，隨機區(qū)組排列。其他田間管理均按當(dāng)?shù)刈顑?yōu)方式進(jìn)行。

1.3 樣品采集與測定

在連續(xù)水稻-油菜兩季作物秸稈還田完成3周年后，即2020年9月水稻收獲期，按“S”型樣點布設(shè)法在各小區(qū)選取10點采集0～20 cm耕層土壤樣品，制成混合樣后均勻分成2個部分：一部分直接置于冰箱中4 ℃保鮮保存，用于DOC和碳循環(huán)相關(guān)酶活性測定，另一部分土壤在室內(nèi)自然風(fēng)干過尼龍篩后用于其他指標(biāo)測定。

土壤pH值采用電位法測定；容重采用環(huán)刀法測定；CEC采用乙酸銨交換法測定；TN采用半微量凱氏定氮法測定；TP采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定；TK采用NaOH熔融-火焰光度法測定；AN采用靛酚藍(lán)比色法測定；AP采用NaHCO3提取-鉬銻抗比色法測定；AK采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定。

土壤SOC采用重鉻酸鉀外加熱法測定；DOC采用KCl浸提-重鉻酸鉀外加熱法測定；MBC采用氯仿熏蒸培養(yǎng)法測定，ROC采用KMnO4氧化法測定。土壤纖維素酶以羧甲基纖維素鈉為底物，采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定；β-葡萄糖苷酶活性以對硝基苯-β-D-葡萄糖苷為底物，采用比色法測定；過氧化氫酶和多酚氧化酶以左旋多巴(L-3，4-dihydroxyphenylalanine，L-DOPA)為底物，采用比色法測定[8，20]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003、SPSS 19.0和OriginPro 9.0軟件進(jìn)行處理、統(tǒng)計分析和作圖。采用單因素方差分析法(One-way ANOVA)、LSD法和皮爾遜相關(guān)系數(shù)法(Pearson correlation coefficient)進(jìn)行方差分析、多重比較和相關(guān)性分析，不同字母代表0.05水平差異顯著(P<0.05)。圖表中數(shù)據(jù)均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田量對土壤基本理化性質(zhì)的影響

如表1所示，與CK相比，NPK處理的土壤CEC含量顯著降低了11.00%(P<0.05)，土壤pH值和容重差異不顯著(P>0.05)，土壤TN、TP、TK、AN、AP和AK等指標(biāo)則分別提升了4.58%，4.88%，17.64%，5.16%，17.84%，37.87%，其中TK和AK差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。與CK相比，秸稈還田SR1、SR2和SR3處理均顯著提高了土壤TN、TP、TK、AK含量(P<0.05)，分別提高了8.50%～11.11%，10.98%～15.85%，18.38%～22.04%，49.17%～59.59%；部分處理顯著提高了土壤CEC、AN和AP含量(P<0.05)，分別提高了6.95%～16.39%，10.91%～17.88%，25.44%～45.94%，其中SR1處理的AN增幅最大，SR2處理的TN、AP和AK增幅最大；SR3處理的CEC、TP和TK含量增幅最大。

表 1 不同處理土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic physical and chemical properties of soils under different treatments

2.2 不同秸稈還田量對土壤有機碳及活性組分含量的影響

秸稈還田后，土壤SOC、ROC、DOC和MBC含量均有明顯提高，且提升效果隨秸稈還田量的增加而增加，各處理中以SR2和SR3處理效果最好(圖1)。相較于CK處理，3個秸稈還田處理的SOC、ROC、DOC和MBC含量分別顯著提升了5.05%～8.55%，18.40%～36.80%，35.76%～66.93%，27.20%～52.10%(P<0.05)。此外，相比試驗前，各處理土壤SOC、ROC、DOC和MBC含量的增幅分別為3.48%～10.80%，25.42%～44.92%，47.50%～81.35%，43.63%～71.74%。NPK、SR1、SR2和SR3處理間土壤有機碳含量無顯著差異(P>0.05)。在活性組分方面，3個秸稈還田處理ROC、DOC和MBC含量顯著高于CK和NPK處理(P<0.05)，SR2和SR3處理差異均不顯著(P>0.05)，其中土壤活性碳組分中以DOC含量提升效果最佳。

不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)。圖2同。Different small letters mean significant difference at 0.05 level among treatments.The same asFig.2.

2.3 不同秸稈還田量對土壤酶活性的影響

不同處理對土壤碳轉(zhuǎn)化酶活性具有明顯影響，其中土壤過氧化氫酶的活性最高，多酚氧化酶的活性最低。各處理土壤纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶活性相比試驗前均有顯著提升(P<0.05)，增幅分別為12.06%～141.98%，25.82%～121.36%，25.82%～222.84%，22.43%～153.61%(圖2)。NPK處理的4種土壤酶活性中除多酚氧化酶均顯著高于CK處理(P<0.05)，3個秸稈還田處理的土壤纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶活性又顯著高于NPK處理(P<0.05)；其中SR2處理下的土壤纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶活性值最高，比SR1處理還分別顯著高出16.25%，8.49%，14.69%(P<0.05)，SR3處理下的過氧化氫酶活性最高，比SR1處理顯著高出25.10%(P<0.05)。

圖2 不同處理土壤酶活性變化Fig.2 Changes in soil enzyme activities under different treatments

2.4 各指標(biāo)間的相關(guān)性分析

土壤有機碳組分、碳轉(zhuǎn)化酶及土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性如圖3所示，土壤有機碳組分與4個碳循環(huán)酶顯著正相關(guān)(P<0.05)，SOC與TK和AN、AP、AK間也呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與TN、TP相關(guān)性不顯著(P>0.05)。土壤容重與土壤有機碳組分、碳循環(huán)酶、pH值、CEC、TP、TN、TK、AN、AP和AK呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；土壤pH值與TN相關(guān)性不顯著(P>0.05)，土壤各氮、磷、鉀指標(biāo)之間均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

3 結(jié)論與討論

3.1 秸稈還田對土壤理化性質(zhì)的影響

秸稈以適量、適當(dāng)?shù)姆绞竭€田被證明能有效改善土壤理化性質(zhì)，顯著提高土壤氮、磷、鉀等養(yǎng)分含量，明顯提升土壤質(zhì)量[21-22]。本研究結(jié)果表明，相比CK處理，水稻-油菜輪作體系下連續(xù)3 a秸稈還田可明顯改善土壤CEC值，這與劉楠等[23]研究結(jié)果相似。原因可能是因為連續(xù)秸稈還田有效改善了土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤中膠體含量增加，進(jìn)而促進(jìn)CEC值正向提升。其次，本研究結(jié)果證實，秸稈還田處理的土壤容重又顯著低于CK處理，這是因為秸稈纖維化程度高，大量秸稈還田后短期內(nèi)難以完全分解，會占據(jù)耕層土壤大量空間，增加土壤孔隙度。此外，秸稈還田能有效提升土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分的全量和速效養(yǎng)分含量，有效培肥土壤，這與Hao等[24]的研究結(jié)果相似。這是因為秸稈含有豐富的碳、氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)，還田被微生物分解后能夠有效補充土壤營養(yǎng)成分，并參與土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)，直接增加土壤中相應(yīng)養(yǎng)分的儲量，能促進(jìn)土壤肥力的正向積累。從養(yǎng)分的提升效果來看，本研究中3個秸稈還田處理中SR1處理的AN增幅最大，

*.顯著相關(guān)性(P<0.05)。*.Significant correlations(P<0.05).

SR2處理的TN、AP和AK增幅最大，SR3處理TP、和TK含量增幅最大，這與叢萍等[15]高量秸稈還田更有利于土壤的速效養(yǎng)分的提升研究結(jié)果有一定差異?？赡苁桥c秸稈還田方式和秸稈施入深度有關(guān)，也有可能與秸稈還田量過高后，秸稈分解過程中打破微生物平衡與作物爭奪土壤中的養(yǎng)分有關(guān)。

3.2 秸稈還田對土壤有機碳及其活性組分的影響

本研究中，連續(xù)3 a秸稈還田處理(SR1、SR2和SR3)SOC含量均明顯高于CK處理，且表現(xiàn)為秸稈用量越大有機碳含量越高。這主要是由于秸稈中含有大量碳、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，還田利用能直接增加農(nóng)田土壤碳輸入，提升土壤SOC含量[25]。然而，不同秸稈還田用量間土壤SOC含量無顯著差異，則可能是由于SOC變化是一個相對緩慢的過程，秸稈還田用量的增加對SOC提升效果短期內(nèi)不顯著。其次，土壤SOC含量對農(nóng)業(yè)管理措施的響應(yīng)程度與土壤初始碳含量密切相關(guān)，本試驗中土壤SOC本底值較高，不同秸稈還田量下土壤SOC細(xì)微變化不能凸顯出來[26]。本研究中，ROC、DOC和MBC土壤活性炭組分變化趨勢相似，連續(xù)3 a秸稈還田后3種有機碳活性組分均有所提高，且提升程度均隨秸稈用量的增加而增加，增幅呈先快后慢的趨勢，這與Guo等[27]研究結(jié)果一致。究其原因，可能由于秸稈還田直接向土壤輸入難降解和易分解性有機碳，短期難降解的有機碳直接促進(jìn)SOC積累，易分解有機碳則可直接作為土壤有機碳的碳源，提高土壤微生物活性并加速有機物的分解釋放[28]。土壤DOC較其他活性有機碳組分反應(yīng)更敏感，可能由于土壤DOC是能溶于水的活性有機碳，還田后易分解有機質(zhì)部分被微生物分解利用釋放出大量的可溶性有機碳[29]。表明土壤活性有機碳組分具有移動快、穩(wěn)定性差等特點，在SOC短期變化不顯著的情況下，可以指示其早期的波動情況[30]。

3.3 秸稈還田對土壤酶活性的影響

土壤酶主要來源于微生物代謝過程，參與土壤生態(tài)系統(tǒng)中各種生理生化過程，能快速地響應(yīng)土壤中的細(xì)微變化，與土壤有機碳變化密切相關(guān)，本研究中所涉及的4種酶與土壤碳循環(huán)密切相關(guān)[8]。土壤纖維素酶的來源是土壤中的植物殘體，以及細(xì)菌和真菌，在自然界生態(tài)碳循環(huán)中起重要作用[31]。β-葡萄糖苷酶是纖維素分解酶系的重要組成部分，也是纖維素降解的關(guān)鍵酶，是影響還田秸稈分解的最重要因素之一[32]。土壤多酚氧化酶參與腐殖質(zhì)組分芳香族有機化合物的轉(zhuǎn)化，可以解聚或聚合土壤中的木質(zhì)素分子和酚類化合物[23]。過氧化氫酶主要來源于土壤微生物和植物根系的分泌物，在SOC的腐殖質(zhì)化過程中扮演著重要角色[33]。本研究結(jié)果表明，長期秸稈還田能夠顯著增加土壤碳循環(huán)相關(guān)酶活性，并且隨著秸稈還田量的增加，大部分土壤碳循環(huán)相關(guān)酶活性呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，其中SR2處理的土壤酶活性最高，這與張鵬鵬等[34]研究結(jié)果較為一致。這是因為秸稈還田能調(diào)節(jié)土壤的碳氮比，促進(jìn)土壤中有機物質(zhì)的礦化分解，增強微生物活動強度，為酶活性的提高創(chuàng)造好條件，從而代謝產(chǎn)生更多的土壤酶[35]。此外，土壤酶活性強度與底物濃度密切相關(guān)，秸稈還田分解后能為土壤酶提供充足的底物，從而顯著增加酶活性[36]。但隨著秸稈還田量的增加部分土壤酶活性降低，這可能是因為秸稈還田量過多會造成土壤與大氣流通不暢，微生物活性降低，從而導(dǎo)致2倍秸稈還田條件下酶活性降低[37]。

在成都平原水稻-油菜輪作體系下，連續(xù)3 a秸稈還田均能不同程度地增加土壤有機碳及活性有機碳組分，均表現(xiàn)為秸稈用量越大碳組分含量越高；同時有利于提高土壤纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶活性，其中全量秸稈還田處理下的土壤纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶活性最高。此外，土壤有機碳組分與理化指標(biāo)和碳循環(huán)酶活性相關(guān)分析表明，土壤活性有機碳組分和碳循環(huán)酶活性在SOC短期變化不顯著的情況下，可以敏感地指示其早期波動。綜合考慮，在該地區(qū)水稻-油菜輪作體系下，以全量秸稈還田最宜。