油稻免耕種植模式的土壤理化特性和酶活性

趙楊，戴力，李超，高杜娟，匡煒，梁玉剛，陳友德，方寶華*

油稻免耕種植模式的土壤理化特性和酶活性

趙楊1,2，戴力1,2，李超3，高杜娟1,2，匡煒1,2，梁玉剛1,2，陳友德1,2，方寶華1,2*

(1.湖南省水稻研究所，湖南 長沙 410125；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游秈稻遺傳育種重點實驗室，湖南 長沙 410125；3.湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125)

2016年，在湖南省益陽市南縣免耕試驗基地開始設(shè)計不同種植模式處理；2018—2020年，采集冬閑–稻(IR)、冬閑–稻–稻(IRR)、油–稻(OR)、油–稻–稻(ORR)等4種油稻種植模式的土壤樣品，測定土壤的容重、微團(tuán)聚體、養(yǎng)分和酶活性，探究免耕條件下不同油稻種植模式對土壤理化特性和酶活性的影響。結(jié)果表明：2018、2019年，同一年內(nèi)不同油稻種植模式土壤容重間的差異無統(tǒng)計學(xué)意義；2020年，IR和IRR的土壤容重顯著高于OR和ORR的；2020年，OR和ORR的0.250～1.000 mm粒級微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)較2018年的分別降低了52.04%和49.41%，不同種植模式對大粒級(>0.010 mm)微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較大，對小粒級(<0.010 mm)的影響較?。?018、2019年，同一年內(nèi)4種種植模式土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)間的差異無統(tǒng)計學(xué)意義，2020年，ORR的土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他模式的；同一年內(nèi)，OR、ORR的土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于IR、IRR的，ORR的土壤纖維素酶、磷酸酶活性均較IRR的高?？梢姡飧麠l件下，油–稻和油–稻–稻種植模式可減緩?fù)寥赖木o實度，改變土壤微團(tuán)聚體組分，延緩有機(jī)質(zhì)含量降低速率，提高土壤纖維素酶和磷酸酶活性。

油稻種植模式；免耕；土壤容重；微團(tuán)聚體；土壤養(yǎng)分；酶活性

免耕是一種保護(hù)性耕作方式。相比于傳統(tǒng)的翻耕，免耕能減輕土壤的風(fēng)蝕和水蝕，改變表層土壤的理化性質(zhì)，增加表層土壤有機(jī)質(zhì)含量，保持地力，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[1]。土壤理化性質(zhì)和酶活性都是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，直接反映土壤養(yǎng)分現(xiàn)狀和周圍生態(tài)環(huán)境的耦合效果[2]。不同栽培措施和管理方式都會影響土壤理化特性和土壤酶活性。鄭鳳君等[3]研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)免耕秸稈還田，可改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，增加土壤水分含量，實現(xiàn)土壤保墑和作物增產(chǎn)的協(xié)同效應(yīng)。劉蘭清等[4]研究發(fā)現(xiàn)，免耕條件下合理施肥，可增加土壤有機(jī)碳、堿解氮、速效磷和速效鉀的含量，提高土壤質(zhì)量。SINGH等[5]采集免耕3年后的土壤樣品，發(fā)現(xiàn)免耕可增加土壤脫氫酶、葡萄糖酶和堿性磷酸酶的活性。

目前，多數(shù)研究主要集中在免耕條件下施肥、秸稈還田、土壤改良劑等方面對土壤質(zhì)量的影響，而不同種植模式下土壤的理化特征和土壤酶活性的變化規(guī)律研究較少。水稻和油菜是湖南省種植面積最大的2種農(nóng)作物。典型的油稻種植模式有冬閑–中稻、冬閑–雙季稻、油菜–一季晚稻、油菜–雙季稻等4種。本研究中，采集免耕條件下經(jīng)過2～4年不同油稻種植模式處理后的土壤樣品，研究免耕條件下油稻種植模式對土壤理化特性和酶活性的影響?，F(xiàn)將結(jié)果報告如下。

1　試驗區(qū)概況

試驗于2018—2020年在湖南省益陽市南縣三仙湖鎮(zhèn)太平橋村(112°24′E，29°09′N)進(jìn)行。試驗區(qū)屬濕潤亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.6 ℃，降水量1238 mm，日照時間1776 h。土壤為湖積物發(fā)育的紫潮泥，其水解氮、有效磷、速效鉀分別為202.2、21.5、80.1 mg/kg，全氮、全鉀、全磷、有機(jī)質(zhì)分別為2.76、1.31、25.91、41.51 g/kg，pH為8.01。

2　材料與方法

2.1　試驗設(shè)計

試驗田于2009年開始免耕，2009—2016年為油–稻雙免耕雙直播模式，2016年油菜季開始設(shè)置4個種植模式處理，分別為冬閑–稻(IR)、油–稻(OR)、油–稻–稻(ORR)、冬閑–稻–稻(IRR)，油菜和水稻收獲后均為高稈還田。采用大區(qū)設(shè)計，每個大區(qū)面積282 m2(47 m×6 m)，大區(qū)進(jìn)行開溝分廂，每個廂面寬1.8 m，溝寬、溝深分別為30、20 cm。

2.1.1冬閑–稻(IR)處理

供試水稻品種為Y兩優(yōu)900，采用免耕人工撒播，播種量為45 kg/hm2。水稻播種后3～4葉期施90 kg/hm2的尿素，5～6葉期施600 kg/hm2的復(fù)合肥(N、P2O5、K2O分別占17%、5%、26%)，幼穗分化期施120 kg/hm2的復(fù)合肥作穗肥。病蟲害和田間灌溉管理措施同一般高產(chǎn)田。

2.1.2油–稻(OR)處理

供試油菜品種為華湘油16，水稻品種為深兩優(yōu)5814，均采用免耕人工撒播，播種量分別為3、45 kg/hm2。油菜播種時用45 kg/hm2的尿素拌種作促苗肥，3～4葉時追施150 kg/hm2的尿素，5～6葉時追施300 kg/hm2的復(fù)合肥(N、P2O5、K2O分別占26%、10%、15%)，以保證冬發(fā)壯苗。水稻施肥、病蟲害和水分管理措施同IR。

2.1.3油–稻–稻(ORR)處理

供試油菜品種為華湘油16，早稻品種為中早39，晚稻品種為H優(yōu)518。油菜播種、施肥、病蟲害和水分管理措施同OR。早、晚稻均采用免耕拋秧。早、晚稻密度分別為40、35 萬穴/hm2。拋秧7 d后施150 kg/hm2的尿素，幼穗分化期施450 kg/hm2的復(fù)合肥(N、P2O5、K2O分別占17%、5%、26%)。

2.1.4冬閑–稻–稻(IRR)

早、晚稻供試品種、播種方式、病蟲害和肥水管理措施同ORR。

2.2　樣品采集及前處理

于2018年10月12日和18日、2019年10月21日、2020年11月12日采集土壤樣品。由于長期免耕土壤擾動較少，作物根系多集中在土壤表層，表層土壤理化性質(zhì)和微生物變化明顯，因此，樣品采集0～5 cm耕層土壤。將每個大區(qū)分為3個小區(qū)，每個小區(qū)分別隨機(jī)取5點原狀土壤和混合土壤。原狀土壤用于測定土壤容重和微團(tuán)聚體；混合土壤剔除石礫和植物殘根等雜物，混合制樣，過孔徑2 mm篩后，于4 ℃冰箱內(nèi)保存，用于測定土壤的酶活性和養(yǎng)分含量。

2.3　測定項目與方法

采用環(huán)刀法測定土壤容重；采用干篩法測定土壤微團(tuán)聚體；依次采用硝基水楊酸比色法、高錳酸鉀滴定法、靛酚藍(lán)比色法和磷酸苯二鈉比色法[6]分別測定土壤纖維素酶、過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶活性。纖維素酶以72 h后10 g土壤中生成葡萄糖的毫克數(shù)表示；過氧化氫酶活性以每克土消耗0.02 mol/L高錳酸鉀毫升數(shù)表示；磷酸酶活性以每克土酚的毫克數(shù)表示；脲酶活性以每100 g土NH3–N的毫克數(shù)表示。參照文獻(xiàn)[7]，采用電位法測定土壤pH值；采用重鉻酸鉀–濃硫酸–加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)；采用凱氏定氮法測定土壤全氮；采用堿解擴(kuò)散法測定土壤堿解氮；采用高氯酸–硫酸法測定土壤全磷；采用碳酸氫鈉法測定土壤有效磷；采用氫氧化鈉熔融法測定土壤全鉀；采用火焰分光光度計法測定土壤速效鉀。

2.4　數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

運(yùn)用Excel 2007處理數(shù)據(jù)和繪圖；運(yùn)用Statistix 8.0進(jìn)行方差分析，采用LSD法進(jìn)行多重比較。

3　結(jié)果與分析

3.1　種植模式對土壤容重的影響

從圖1中可以看出，2018和2019年，4種種植模式對土壤容重的影響較小，模式間差異無統(tǒng)計學(xué)意義；2020年，各模式土壤容重較前2年均有小幅增加，IR和IRR的土壤容重顯著高于OR和ORR的，說明免耕條件下冬季種植油菜可減緩?fù)寥谰o實速率。

同一年內(nèi)圖柱上不同字母示種植模式間差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

3.2　種植模式對土壤微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

從種植年限來看，4種種植模式隨免耕種植年限增加，除2019年IR的0.050～0.250 mm粒級外，0.250～1.000 mm和0.050～0.250 mm粒級土壤微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈不斷減少的趨勢，0.010～0.050 mm和0.005～0.010粒級微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈上升趨勢(表1)。從種植模式來看，2018年，除IR的0.250～ 1.000 mm粒級微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于其他模式的外，其他等級的微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同模式間的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義；2019年，0.250～1.000 mm粒級微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)除OR和IRR間的差異無統(tǒng)計學(xué)意義外，不同模式間的差異均有統(tǒng)計學(xué)意義，IR的0.050～0.250 mm粒級微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他模式的；2020年，IRR的0.250～1.000 mm粒級微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他模式的，IR的0.010～0.050 mm粒級微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于ORR和IRR的?？梢?，不同種植模式對大粒級微團(tuán)聚體(>0.010 mm)的影響較大，而對小粒級(<0.010 mm)的影響較小。OR和ORR的0.250～1.000 mm粒級微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨種植年限增加而下降的幅度較大，2020年其質(zhì)量分?jǐn)?shù)較2018年的分別降低52.04%和49.41%。

表1　不同種植模式的土壤微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)

同一年內(nèi)同列不同字母示種植模式間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義(<0.05)。

3.3　不同種植模式對土壤養(yǎng)分的影響

不同種植模式具有不同的施肥方式，在各模式正常施肥的情況下，2018—2020年，同一年內(nèi)4種種植模式間的土壤pH和全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(表2)；隨種植年限的增加，4種種植模式的土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均不斷下降，在同一年內(nèi)，除2020年ORR的土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他模式的外，4種種植模式間的土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義；2018—2020年，同一年內(nèi)OR、ORR的土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著低于IR、IRR的，IRR的土壤堿解氮、有效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為最高。

表2　不同種植模式的土壤養(yǎng)分含量

同一年內(nèi)同列不同字母示種植模式間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義(<0.05)。

3.4　不同種植模式對土壤酶活性的影響

從圖2中可以看出，同一年內(nèi)4種種植模式中，土壤纖維素酶活性均以O(shè)R的最高，IRR的最低，且除2019年的ORR外，IRR的土壤纖維素酶活性均顯著低于其他種植模式的，表明免耕條件下冬季種植油菜可提高土壤纖維素酶活性；同一年內(nèi)各種植模式的土壤過氧化氫酶活性間的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義；同一年內(nèi)4種種植模式中，土壤磷酸酶活性以O(shè)RR的最高，且2018和2019年ORR的土壤磷酸酶活性顯著高于IRR的，表明兩季水稻免耕連作后，冬季增種油菜，可顯著提升土壤磷酸酶活性；同一年內(nèi)4種種植模式中，土壤脲酶活性均以IR的最低，可能是由于只種植一季水稻，施肥量較其他模式少，參與氮素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶脲酶活性也隨之更低。

同一年內(nèi)圖柱上不同字母示種植模式間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

4　結(jié)論與討論

土壤質(zhì)量的基本定量指標(biāo)主要包括物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)和生物指標(biāo)3個方面。土壤容重和土壤微團(tuán)聚體均為土壤質(zhì)量的物理指標(biāo)，反映土壤的松緊和結(jié)構(gòu)狀況。本研究中，隨種植年限延長，4種種植模式的土壤容重均不斷增加，表明免耕可增加土壤容重，使土壤更加緊實，這與周虎等[8]的研究結(jié)果相似。但土壤容重隨種植年限增加變化較緩慢，2018—2019年，各種植模式的容重增加幅度極小，且各種植模式間的差異無統(tǒng)計學(xué)意義；2020年，不同種植模式對土壤容重的影響才初步顯現(xiàn)出來，冬閑–稻、冬閑–稻–稻模式的土壤容重顯著高于油–稻、油–稻–稻模式的，且土壤容重增加幅度比前2年的大。王志強(qiáng)等[9]經(jīng)過6年的冬季種植合適作物與冬季休閑處理相比，發(fā)現(xiàn)冬季種植油菜土壤容重降低17.12%。表明免耕方式下冬季旱種一季油菜可減緩?fù)寥谰o實速率，鄭思文等[10]的研究也有相似的結(jié)果。

本研究中，4種種植模式下，不同粒級的微團(tuán)聚體的變化規(guī)律不同，2020年，0.050～1.000 mm粒級微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)較2018年減少，而0.005～0.050 mm粒級質(zhì)量分?jǐn)?shù)較2018年增加，可能與各粒級的微團(tuán)聚體在營養(yǎng)元素的保持、供應(yīng)及轉(zhuǎn)化能力等方面發(fā)揮著不同的作用有關(guān)。陳恩鳳等[11]研究發(fā)現(xiàn)，小粒級(<0.010 mm)與大粒級(>0.010 mm)微團(tuán)聚體在水分和養(yǎng)分的保持與釋放及生物轉(zhuǎn)化強(qiáng)度等方面都有不同的作用和明顯的差異；小粒級微團(tuán)聚體有較強(qiáng)的持水性和氮磷儲備潛力，大粒級微團(tuán)聚體具有較強(qiáng)的釋水性和氮磷供應(yīng)能力，只有當(dāng)大、小粒級微團(tuán)聚體的比例適當(dāng)時，才能協(xié)調(diào)土壤水分與養(yǎng)分的儲存與供應(yīng)。

土壤養(yǎng)分是評價土壤質(zhì)量的重要化學(xué)指標(biāo)。本研究中，2018—2020年，4種免耕模式處理在正常施肥的情況下，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨種植年限的增加而不斷降低。李景等[12]和HAO等[13]的研究表明，免耕可增加0～10 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量，本研究的結(jié)果與其不同?？赡苁怯捎诒狙芯恐皇┯没?，未施用有機(jī)肥，且只保留高稈還田，未進(jìn)行全量秸稈還田的原因。2020年，油–稻–稻模式土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他3種模式的，表明在不另外施用有機(jī)肥的前提下，雙季稻模式加一季油菜能減緩?fù)寥烙袡C(jī)質(zhì)含量的下降速率。有研究[14]表明，有機(jī)質(zhì)對土壤氮、磷、鉀具有吸附作用，且能提高氮、磷、鉀的有效性，有機(jī)質(zhì)的不斷減少也造成土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀含量降低。同一年內(nèi)，油–稻、油–稻–稻模式的土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著低于冬閑–稻、冬閑–稻–稻模式的，這與李繼福等[15]的研究結(jié)果相似，秸稈部分還田或不還田，直播油菜更依賴于外源鉀肥投入。

土壤酶活性常被作為土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)來研究[16]。不同種植模式對土壤酶活性產(chǎn)生影響，主要原因可能是作物根系分泌物和熟制具有不同生物量，導(dǎo)致土壤的微生物數(shù)量、種類及代謝過程改變，從而使得主要由土壤微生物產(chǎn)生的土壤酶活性發(fā)生變化[17–18]。本研究中，隨免耕種植年限增加，4種酶活性不斷發(fā)生變化，主要是由于免耕條件下土壤容重增加，土壤越來越緊實，導(dǎo)致土壤孔隙度減小，氧氣含量降低，影響了土壤微生物的繁衍，使好氧微生物生命活動減弱，厭氧微生物生命活動增強(qiáng)，土壤酶活性也相應(yīng)發(fā)生不同的變化。本研究中發(fā)現(xiàn)，多熟制氮肥用量多，可減少脲酶活性降低速率，可能是由于脲酶直接參與尿素形態(tài)轉(zhuǎn)化，其活性通常與全氮和速效氮相關(guān)，這與NING等[19]的研究結(jié)果相似。本研究中還發(fā)現(xiàn)，雙季稻模式下，冬季再加種一季油菜，可促進(jìn)土壤纖維素酶和磷酸酶活性增加，這可能是由于多一季油菜增加了周年生物產(chǎn)量，改善了土壤環(huán)境，有利于土壤微生物和蚯蚓等動物生長所致。

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Soil physical and chemical properties and enzyme activities of rape and rice planting patterns under no-tillage

ZHAO Yang1,2，DAI Li1,2，LI Chao3，GAO Dujuan1,2，KUANG Wei1,2，LIANG Yugang1,2，CHEN Youde1,2，F(xiàn)ANG Baohua1,2*

(1.Hunan Rice Research Institute, Changsha, Hunan 410125, China; 2.Key Laboratory of India Rice Genetics and Breeding in the Middle and Lower Reaches of Yangtze River Valley, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Changsha, Hunan 410125, China; 3.Hunan Soil and Fertilizer Institute, Changsha, Hunan 410125, China)

The study began to design different planting pattern treatments in the rape season at Nanxian no-tillage experimental base in Yiyang City, Hunan Province in 2016. In order to study the effects of different rape and rice planting patterns on soil physical and chemical properties and enzyme activities under no-tillage conditions, soil samples of four planting patterns were collected, including winter idle-rice(IR), winter idle-rice-rice(IRR), rape-rice(OR), rape-rice-rice (ORR), and soil bulk density, microaggregates, nutrients and enzyme activities were determined from 2018 to 2020. The results showed that there was no difference in soil bulk density between different rape and rice planting patterns in 2018 and 2019, and the soil bulk densities of IR and IRR patterns were significantly higher than those of OR and ORR patterns in 2020. In 2020, the mass fractions of soil microaggregates in the 0.025-1.000 mm size of OR and ORR patterns decreased by 52.04% and 49.41% compared with 2018. The effects of different planting patterns on the mass fractions of large grain microaggregates(>0.010 mm) were greater than those of small grain microaggregates(<0.010 mm). There was no difference in soil organic matter mass fraction among the four patterns in 2018 and 2019. The soil organic matter mass fraction of ORR patterns in 2020 was significantly higher than the other three patterns. In the same year, the soil available K mass fractions of OR and ORR patterns were significantly lower than those of IR and IRR patterns, and the soil cellulase and phosphatase activities in ORR pattern were higher than those in IRR pattern. In conclusion, rape-rice and rape-rice-rice patterns under no-tillage could slow down soil compaction rate, change soil microaggregate composition, delay the decrease rate of organic matter mass fraction, and improve soil cellulase and phosphatase activities.

rape and rice planting pattern; no-tillage; soil bulk density; microaggregate; soil nutrient; enzyme activity

趙楊，戴力，李超，高杜娟，匡煒，梁玉剛，陳友德，方寶華．油稻免耕種植模式的土壤理化特性和酶活性[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2022，48(5)：507–512．

ZHAO Y，DAI L，LI C，GAO D J，KUANG W，LIANG Y G，CHEN Y D，F(xiàn)ANG B H．Soil physical and chemical properties and enzyme activities of rape and rice planting patterns under no-tillage[J]．Journal of Hunan Agricultural University(Natural Sciences)，2022，48(5)：507–512．

http://xb.hunau.edu.cn

S344.1+7

A

1007-1032(2022)05-0507-06

10.13331/j.cnki.jhau.2022.05.001

2021–09–12

2022–09–30

湖南省自然科學(xué)基金項目(2019JJ50335)

趙楊(1985—)，女，山西太原人，博士，助理研究員，主要從事水稻高產(chǎn)高效栽培研究，zhaoyang6560@126.com；*通信作者，方寶華，博士，研究員，主要從事水稻高產(chǎn)綠色栽培研究，fangrock@163.com

責(zé)任編輯：鄒慧玲

英文編輯：柳正