免耕覆蓋對小麥—花生輪作體系不同土層微生物量碳、氮含量及相關(guān)酶活性的影響

楊 銘

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南商丘 476000)

華北平原是我國的糧食主產(chǎn)區(qū)之一,其穩(wěn)定的產(chǎn)量輸出對于維持和保護我國糧食安全具有重要意義[1-2]。小麥—花生輪作是華北平原豫東地區(qū)常見的種植模式,生產(chǎn)中由于花生播種前需要進行麥茬粉碎處理,而小麥收獲后至花生播種前的時間較短,不少農(nóng)民為了省時省力,紛紛選擇進行小麥秸稈焚燒處理,不僅浪費了秸稈富含的氮、磷、鉀、碳等營養(yǎng)元素,還對我國環(huán)境保護造成了嚴重影響[3-4]。旋耕是華北平原的主要耕作方式,但長期旋耕不僅會使土壤耕層變淺,還會改變土壤的固有結(jié)構(gòu),導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降等一系列問題[5-7]。因此,為了緩解人類活動對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)帶來的壓力,保護性耕作方式和秸稈還田措施成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要研究課題。有研究發(fā)現(xiàn),合理的耕作方式和秸稈還田措施不僅能夠降低傳統(tǒng)耕作帶來的負面影響(諸如土壤有機質(zhì)含量下降、酶活性降低與土壤微生物群落發(fā)生改變等),還可以提高土壤微生物量碳、氮含量及相關(guān)酶活性[8-10]。徐欣等研究發(fā)現(xiàn),長期免耕秸稈覆蓋不僅能夠提高土壤碳、氮含量,還可以明顯提高作物產(chǎn)量,提高土壤生產(chǎn)力[11]。張奇等研究發(fā)現(xiàn),合理的秸稈還田措施能夠明顯提高土壤氮素及微生物量碳、氮含量,但是不同秸稈還田深度的效果差異較明顯,其中秸稈還田10 cm時對土壤氮素及微生物量碳、氮含量的提高效果最明顯[12]。趙雪淞等研究發(fā)現(xiàn),免耕秸稈覆蓋能夠顯著提高土壤微生物量碳、氮、磷含量和相關(guān)酶活性[13]。由此可見,合理的耕作方式和秸稈還田措施是解決目前困境的有效方法之一。

土壤微生物量碳、氮是土壤碳氮中最活躍的部分,由于其周轉(zhuǎn)速率快,因而能夠敏感地反映土壤碳氮含量的變化,微生物量碳、氮含量的變化是表征土壤肥力的重要依據(jù)之一[14-16]。土壤酶是土壤生物學(xué)特性的重要組成部分,能夠參與土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與分解,是表征土壤肥力、活力的重要依據(jù)之一[17-18]。因此,研究土壤微生物量碳、氮及相關(guān)酶活性變化對不同耕作措施與秸稈還田方式的響應(yīng),探索有利于農(nóng)田生產(chǎn)的最優(yōu)組合,對華北平原地區(qū)農(nóng)田耕作措施和秸稈還田方式的選擇具有重要的生產(chǎn)意義。目前,關(guān)于長期不同耕作措施、秸稈還田方式及耕作結(jié)合秸稈還田措施對耕作層土壤微生物量碳、氮影響的研究有很多[19-21],但是由于氣候、降水量、土壤條件的差異,不同地區(qū)、不同種植體系對耕作方式、秸稈還田措施的響應(yīng)均有所不同。因此,本研究通過分析不同耕作方式、秸稈還田措施對不同土層土壤有機碳含量、全氮含量、微生物量碳含量、微生物量氮含量及相關(guān)酶活性的影響,尋找適宜的組合方式,以期為華北平原地區(qū)小麥—花生輪作體系保護性耕作措施的完善提供幫助。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

田間試驗于2018—2021年在河南省商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院試驗示范基地附近農(nóng)田(116°18′E,39°26′N)進行,該地區(qū)屬于典型的暖溫帶半溫潤大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,冬季寒冷干燥,夏季濕熱多雨。年均氣溫14.2 ℃,年均日照時長1 944 h,無霜期 211 d,年均降水量685 mm。供試土壤為黃潮土二合土,基礎(chǔ)土壤(0～30 cm)肥力:全氮含量0.82 g/kg,全磷含量0.96 g/kg,堿解氮含量72.11 mg/kg,有效磷含量56.73 mg/kg,速效鉀含量123.35 mg/kg,有機質(zhì)含量8.85 g/kg,pH值8.12。試驗區(qū)長期進行小麥—花生輪作種植,試驗前3年均為0～30 cm淺耕,小麥秸稈還田,花生秸稈不還田。

1.2 供試材料

供試小麥品種為百農(nóng)207,購自河南百農(nóng)種業(yè)有限公司、河南華冠種業(yè)有限公司,試驗生育期為10月15日至翌年6月8日;供試花生品種為冀花4號,購自河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油作物研究所,試驗生育期為6月15日至翌年9月25日。

1.3 試驗設(shè)計

于2018年10月15日種植小麥,設(shè)置如下6個處理:(1)免耕、秸稈不還田(PNS);(2)免耕、秸稈還田(PS);(3)淺耕、秸稈不還田(SPNS);(4)淺耕、秸稈還田(SPS);(5)深耕、秸稈不還田(DPNS);(6)深耕、秸稈還田(DPS)。試驗共設(shè)3次重復(fù),共18個小區(qū),小區(qū)面積為64 m2,全部隨機區(qū)組排列,試驗區(qū)周圍設(shè)3 m保護行,小區(qū)走道長0.8 m。小麥季施肥量:255 kg/hm2純氮,75 kg/hm2P2O5,150 kg/hm2K2O?；ㄉ臼┓柿?600 kg/hm2復(fù)合肥(N∶P∶K=15∶15∶15),225 kg/hm2過磷酸鈣,均作為基肥施入,生育期內(nèi)不追肥。秸稈還田處理通過農(nóng)用機械將小麥與花生秸稈埋置于地下不同深度,其中免耕處理置于地表,淺耕處理置于地下 0～30 cm處,深耕處理置于地下30～60 cm處,秸稈不還田處理通過人工移走兩季作物秸稈,免耕處理不進行機械耕作,人工進行播種與收獲。

1.4 土壤樣品的采集與測定

于2021年9月24日花生收獲前1 d進行田間土壤樣品的取樣,通過螺旋形土鉆利用5點取樣法采集0～30 cm和30～60 cm土層的土壤樣品。剔除較大石礫、植物殘根等雜物后,通過裝有冰袋的泡沫箱將樣品帶回實驗室,過1 mm篩后,將一部分樣品自然風(fēng)干,用于土壤理化性質(zhì)的測定,將另一部分樣品置于4 ℃冰箱中,用于土壤微生物量碳、氮含量和酶活性的測定。

土壤有機碳、全氮含量分別采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法、凱氏定氮法測定[22-23];土壤微生物量碳、氮含量均采用三氯甲烷熏蒸-硫酸鉀浸提法測定[24];土壤脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性分別采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法、磷酸苯二鈉比色法、高錳酸鉀滴定法、3,5-二硝基水楊酸比色法測定[25]。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

用Office WPS進行數(shù)據(jù)處理和圖表制作,用SPSS 19.0進行方差與相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同措施對土壤有機碳、全氮含量及其比值的影響

由表1可以看出,各處理30～60 cm土層有機碳、全氮含量及碳氮比均明顯低于0～30 cm土層。從各處理性狀的表現(xiàn)來看,在0～30 cm土層,PS處理的有機碳、全氮含量均最高,分別較其他處理提高6.88%～15.81%、4.49%～27.40%;PS處理的全氮含量除與SPS處理無顯著差異外,均較其他處理顯著提高;DPNS處理的碳氮比最高,與其他處理間差異顯著。在30～60 cm土層,DPS處理的有機碳、全氮含量均最高,分別較其他處理提高3.44%～18.60%、7.27%～22.92%;DPS處理的有機碳含量除與PS處理間無顯著差異外,與其他處理相比均顯著提高;PNS處理的碳氮比最高。整體來看,在相同耕作處理方式下,不同土層的有機碳、全氮含量均表現(xiàn)為秸稈還田>秸稈不還田,碳氮比則沒有表現(xiàn)出規(guī)律性;在相同秸稈處理下,不同土層的有機碳含量均表現(xiàn)為免耕>深耕>淺耕。0～30 cm土層的全氮含量表現(xiàn)為免耕>淺耕>深耕,30～60 cm土層的全氮含量則表現(xiàn)為深耕>淺耕>免耕,碳氮比沒有表現(xiàn)出規(guī)律性。

表1 不同措施對土壤有機質(zhì)、全氮含量及碳氮比變化的影響

2.2 不同措施對土壤微生物量碳、氮及其比值的影響

由表2可以看出,各處理30～60 cm土層的土壤微生物量碳、氮含量均明顯低于0～30 cm土層,而土壤微生物量碳氮比則表現(xiàn)出不同的變化趨勢。在0～30 cm土層,PS處理的微生物量碳、氮含量均最高,分別較其他處理提高5.53%～47.60%、3.02%～29.66%;PS處理的微生物量氮含量除與DPS處理相比無顯著差異外,與其他處理相比均顯著提高,PS處理的碳氮比分別較PNS、SPNS、DPNS處理顯著提高6.05%、13.89%、7.32%, 但與SPS、DPS處理無顯著差異。在30～60 cm土層,DPS處理的微生物量碳、氮含量均最高,分別較其他處理顯著提高10.93%～41.12%、14.10%～27.55%;PS處理的碳氮比較PNS、SPNS、SPS處理分別提高9.96%、11.98%、5.53%,與DPNS、DPS處理間無顯著差異。整體來看,在相同耕作處理下,不同土層的微生物量碳、氮含量及碳氮比均表現(xiàn)為秸稈還田>秸稈不還田;在相同秸稈處理下,當秸稈還田時,0～30 cm土層的微生物量碳、氮含量表現(xiàn)為免耕>深耕>淺耕,當秸稈不還田時,微生物量碳、氮含量表現(xiàn)為深耕>免耕>淺耕,30～60 cm土層的微生物量碳、氮含量均表現(xiàn)為深耕>免耕>淺耕,而不同土層的碳氮比沒有表現(xiàn)出規(guī)律性。

表2 不同措施對土壤微生物量碳、氮含量及碳氮比變化的影響

2.3 不同措施對土壤脲酶活性的影響

由圖1可以看出,不同處理組的土壤脲酶活性隨著土層深度的增加而降低。在0～30 cm土層,PS處理的土壤脲酶活性最高,較其他處理顯著提高6.29%～27.07%,DPNS處理的土壤脲酶活性最低,除與SPNS處理無顯著差異外,均顯著低于其他處理。在30～60 cm土層,DPS處理的土壤脲酶活性最高,較其他處理顯著提高7.53%～28.21%,SPNS處理的土壤脲酶活性最低。整體來看,在相同耕作處理下,土壤脲酶活性表現(xiàn)為秸稈還田>秸稈不還田;在相同秸稈處理下,0～30 cm土層的土壤脲酶活性表現(xiàn)為免耕>淺耕>深耕,30～60 cm土層的土壤脲酶活性表現(xiàn)為深耕>免耕>淺耕。

2.4 不同措施對土壤堿性磷酸酶活性的影響

由圖2可以看出,在不同處理下,土壤堿性磷酸酶活性隨著土層深度的增加而降低, 且不同土層表現(xiàn)出明顯差異。在0～30 cm土層,PS處理的堿性磷酸酶活性最高,較其他處理高1.37%～42.31%,且顯著高于除DPS處理外的其他處理,SPNS處理的堿性磷酸酶活性最低。在30～60 cm土層,DPS處理的堿性磷酸酶活性最高,較其他處理顯著提高9.43%～65.79%,SPNS處理最低。整體來看,在相同耕作處理下,土壤堿性磷酸酶活性表現(xiàn)為秸稈還田>秸稈不還田;在相同秸稈處理下,0～30 cm土層的土壤堿性磷酸酶活性表現(xiàn)為免耕>深耕>淺耕,30～60 cm土層的土壤堿性磷酸酶活性表現(xiàn)為深耕>免耕>淺耕,與土壤脲酶活性的變化趨勢相同。

2.5 不同措施對土壤過氧化氫酶活性的影響

由圖3可以看出,在不同土層,各處理的過氧化氫酶活性差異較明顯。在0～30 cm土層,PS處理的過氧化氫酶活性最高,分別較PNS、SPNS、SPS、DPNS處理顯著提高11.62%、23.83%、6.55%、19.62%,PS處理的過氧化氫酶活性與DPS處理無顯著差異,SPNS處理的過氧化氫酶活性最低,顯著低于除DPNS處理外的其他處理。在30～60 cm土層,PS處理的土壤過氧化氫酶活性仍最高,分別較PNS、SPNS、DPNS處理顯著提高15.84%、18.36%、12.64%,與SPS、DPS處理間無顯著差異,SPNS處理的過氧化氫酶活性最低,顯著低于除PNS處理外的其他處理。整體來看,在相同耕作處理下,過氧化氫酶活性表現(xiàn)為秸稈還田>秸稈不還田;在相同秸稈處理下,0～30 cm土層的土壤過氧化氫酶活性表現(xiàn)為免耕>深耕>淺耕,在30～60 cm土層,秸稈還田處理的過氧化氫酶活性表現(xiàn)為免耕>深耕>淺耕,秸稈不還田處理的過氧化氫酶活性表現(xiàn)為深耕>免耕>淺耕。

2.6 不同措施對土壤蔗糖酶活性的影響

由圖4可以看出,不同措施對不同土層土壤蔗糖酶活性變化產(chǎn)生不同的影響。在0～30 cm土層,PS處理的土壤蔗糖酶活性最高,較其他處理顯著提高18.34%～56.88%,SPNS處理的土壤蔗糖酶活性最低。在30～60 cm土層,DPS處理的土壤蔗糖酶活性最高,較其他處理顯著提高了14.77%～47.45%,SPNS處理的土壤蔗糖酶活性最低。整體來看,在相同耕作處理下,土壤蔗糖酶活性表現(xiàn)為秸稈還田>秸稈不還田;在相同秸稈處理下,0～30 cm 土層的土壤蔗糖酶活性表現(xiàn)為免耕>深耕>淺耕,30～60 cm土層的土壤蔗糖酶活性表現(xiàn)為深耕>免耕>淺耕。

2.7 土壤有機碳、全氮含量及微生物量碳、氮含量與相關(guān)酶活性的相關(guān)性分析

由表3可以看出,微生物量碳含量與堿性磷酸酶、過氧化氫酶活性呈極顯著正相關(guān),與脲酶、蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān);微生物量氮含量與堿性磷酸酶、過氧化氫酶活性呈極顯著正相關(guān),與蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān);有機碳含量與脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶活性呈極顯著正相關(guān),與蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān);全氮含量與脲酶活性呈極顯著正相關(guān),與過氧化氫酶活性呈顯著正相關(guān);土壤有機碳含量、全氮含量及微生物量碳、氮含量與其他酶活性指標均呈正相關(guān)。由此可見,土壤有機碳、全氮含量及微生物量碳、氮含量受酶活性變化的影響較大,土壤酶活性的提高有利于土壤碳、氮的轉(zhuǎn)化及利用。

表3 土土壤有機碳、全氮含量及微生物量碳、氮含量及相關(guān)酶活性的相關(guān)關(guān)系

3 討論

耕作方式與秸稈還田措施是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳、氮轉(zhuǎn)化與周轉(zhuǎn)的主要驅(qū)動因素[26]。作物秸稈中因含有豐富的氮、磷、鉀、碳等元素,還田后能夠迅速補充土壤中的養(yǎng)分,通常與耕作措施配合用于提升土壤地力[27-28]。有研究發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)耕作相比,長期免耕、少耕與秸稈還田配合能夠顯著提高 0～10 cm土層土壤有機碳、全氮含量[29]。李景等研究發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)耕作能夠在一定程度上破壞土壤的團聚體結(jié)構(gòu),增加土壤的擾動性,不利于土壤養(yǎng)分的累積與轉(zhuǎn)化[30]。而微生物量碳、氮是土壤碳氮轉(zhuǎn)化的重要部分,受耕作方式與秸稈還田措施的影響較大[31]。本研究結(jié)果表明,在0～30 cm土層,免耕秸稈還田處理(PS)的土壤有機碳、全氮含量相比其他處理均有不同程度的升高,而在30～60 cm土層,深耕秸稈還田處理(DPS)的土壤有機碳、全氮含量均最高,其中有機碳含量與PS處理間無顯著差異,土壤微生物量碳、氮含量的變化與土壤有機碳、全氮含量的變化相似,這與武均等的研究結(jié)果[32]較為一致。在秸稈還田處理下,土壤有機碳、全氮含量及土壤微生物量碳、氮含量均高于相同耕作方式的秸稈不還田處理,分析認為,秸稈富含營養(yǎng)元素,腐爛分解后能夠補充到土壤中,使得秸稈還田處理的土壤養(yǎng)分含量明顯高于秸稈不還田處理,且作物秸稈中含有豐富的碳源,可供土壤微生物利用,從而提高微生物的代謝能力,促進微生物量碳、氮含量的提高。在0～30 cm土層,相同秸稈還田方式下免耕處理的土壤有機碳、全氮含量及土壤微生物量碳、氮含量均最高,而在30～60 cm土層,深耕處理的相應(yīng)含量最高。分析認為,免耕能夠減少土壤擾動,促使表面營養(yǎng)元素富集累積,有利于土壤碳、氮的轉(zhuǎn)化與合成,深耕時能夠?qū)⒆魑锝斩拵胪寥郎钐?腐爛分解后由于補充了土壤中的碳、氮元素,使得免耕處理深層土壤中的碳、氮含量在短期內(nèi)低于深耕處理。

土壤酶活性能夠在某種程度范圍內(nèi)反映土壤微生物的活性,對耕作方式、秸稈還田措施比較敏感[33]。馮彪等研究發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)耕作相比,深翻、深松能夠顯著提高土壤酶活性、微生物生物量[34]。路怡青等研究發(fā)現(xiàn),與常規(guī)耕作、秸稈不還田處理相比,免耕覆蓋能夠顯著提高土壤脲酶、堿性磷酸酶、脫氫酶、轉(zhuǎn)化酶活性[35]。本研究結(jié)果表明,在0～30 cm土層,與其他處理相比,PS處理的土壤脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性均最高,除堿性磷酸酶、過氧化氫酶活性與DPS處理間無顯著差異外,與其他處理相比均顯著提高;在30～60 cm土層,DPS處理的土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶活性均最高。結(jié)合土壤碳、氮含量的分析結(jié)果可知,免耕秸稈覆蓋能為表層土壤微生物活動提供較穩(wěn)定的生存環(huán)境和各類碳源,促使其代謝能力強于其他處理,從而提高土壤微生物活性,進而促進土壤中各類元素的分解與合成,從而提高土壤酶活性。深耕能夠促使作物秸稈進入深層土壤,不僅可為深層微生物提供充足的碳源,還能提高土壤透氣性、增強土壤中的微生物活性,進而能夠提高土壤中各類酶活性。相關(guān)性分析結(jié)果表明,土壤有機碳、全氮含量及微生物量碳、氮含量受酶活性變化的影響較大,外源碳、氮元素的攝入不僅有利于補充土壤中的碳、氮,還有利于提高土壤微生物活性和土壤酶活性,進而影響土壤對碳、氮的轉(zhuǎn)化與利用能力。

4 結(jié)論

在相同耕作下,秸稈還田處理的土壤有機碳、全氮含量及微生物量碳、氮含量和脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性均高于秸稈不還田處理。

在相同秸稈還田處理下,在0～30 cm土層,免耕處理的土壤有機碳、全氮含量及微生物量碳、氮含量和脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性均最高;在30～60 cm土層,深耕處理的土壤有機碳、全氮含量及微生物量碳、氮含量和脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性均最高。