秸稈還田配施化肥下麥田土壤理化性質(zhì)和酶活性的變化

劉東海 毛慶華 鄧輝 梅亮賢 羅杰 喬艷 張智 胡誠(chéng)

收稿日期：2024-01-04

基金項(xiàng)目：農(nóng)田智慧施肥項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：劉東海（1984-），男，河北邯鄲人，助理研究員，碩士，主要從事土壤肥力及智慧施肥研究，（電話(huà)）027-88430575（電子信箱）396520042@qq.com；通信作者，胡 誠(chéng)（1972-），男，湖北安陸人，研究員，博士，主要從事新型肥料及廢棄物資源化研究，（電子信箱）Huchenghxz@163.com。

劉東海，毛慶華，鄧 輝，等. 秸稈還田配施化肥下麥田土壤理化性質(zhì)和酶活性的變化［J］. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2024，63（5）：12-16．

摘要：為了探明長(zhǎng)期秸稈還田下配施化肥對(duì)麥田土壤酶活性的影響及其主要驅(qū)動(dòng)因子，以持續(xù)4年的廣水長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為依托，設(shè)置秸稈（S，用量為6 000 kg/hm2，其他處理用量相同）、秸稈+施100%N（S100N，純N用量為187.5 kg/hm2，其他施肥處理用量按此用量折算）、秸稈+施80%N（S80N）、秸稈+施60%N（S60N）、秸稈+施80%N+菌劑（S80Nm，秸稈腐熟菌劑用量為30 kg/hm2）、秸稈+施60%N+菌劑（S60Nm，菌劑用量同S80Nm）6個(gè)處理，測(cè)定了土壤酶活性、土壤理化性質(zhì)及小麥產(chǎn)量。結(jié)果顯示，與S相比，S100N和S80N小麥產(chǎn)量分別顯著提高182.82%和179.55%（P<0.05）；秸稈腐熟菌劑的添加對(duì)土壤理化性質(zhì)和小麥產(chǎn)量的效果不顯著。與S100N相比，S80N增加了土壤磷酸酶（Phos）、硫酸酯酶（Sul）、 β-葡萄糖苷酶（βG）、β-木糖苷酶（βX）、α-葡萄糖苷酶（αG）、乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG ）和亮氨酸氨基肽酶（ LAP）的活性；冗余分析（RDA）顯示秸稈還田條件下，土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮的含量是土壤酶變化的主要影響因子。因此，從減肥增效角度來(lái)看，S80N是提升土壤質(zhì)量較適宜的管理措施。

關(guān)鍵詞：麥田；秸稈還田；化肥；土壤理化性質(zhì)；土壤酶

中圖分類(lèi)號(hào)：S157.4???????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2024）05-0012-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.05.003??????????? 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Changes of soil physical and chemical properties and enzyme activity in wheat field under straw returning combined with chemical fertilizer

LIU Dong-hai1， MAO Qing-hua2， DENG Hui3， MEI Liang-xian4， LUO Jie4， QIAO Yan1， ZHANG Zhi1， HU Cheng1

（1.Institute of Plant Protection and Soil Fertilizer， Hubei Academy of Agricultural Sciences， Wuhan? 430064， China； 2.Guangshui Farmland Project Construction Center and Soil Fertilizer Workstation， Guangshui? 432700， Hubei， China； 3.Jingmen Agricultural Comprehensive Law Enforcement Detachment， Jingmen? 448000， Hubei， China；4.Huangmailing Chemical Research Institute Co.， Ltd.， Wuhan? 430061， China）

Abstract： In order to explore the effect of combined application of chemical fertilizer on soil enzyme activity and its main driving factors in the wheat field under long-term straw returning， a four-year long-term positioning experiment in Guangshui was carried out. Six treatments were set up，including straw （S， the amount of 6 000 kg/hm2， the same as other treatments）， straw+100%N （S100N， 187.5 kg/hm2 N， the amount of other fertilization treatments was converted according to this amount）， straw+80%N （S80N）， straw+60%N （S60N）， straw+80%N + microbial inoculant （S80Nm， the amount of the straw decomposition microbial agent was 30 kg/hm2）， straw+60%N+microbial inoculant （S60Nm， the dosage of the microbial agent was the same as S80Nm）. Soil enzyme activity， soil physical and chemical properties and wheat yield were measured. The results showed that compared with S treatment， S100N and S80N significantly increased wheat yield by 182.82% and 179.55%（P<0.05）， respectively. The addition of the straw decomposition microbial agent had no significant effect on soil physical and chemical properties and wheat yield. Compared with S100N treatment， S80N increased the activities of soil phosphatase （Phos）， sulfatase （Sul）， β-glucosidase （βG）， β-xylosidase （βX）， α-glucosidase （αG）， acetylglucosaminidase （NAG） and leucine aminopeptidase （LAP）. Redundancy analysis （RDA） showed that soil organic matter and alkali hydrolyzable nitrogen were the main influencing factors of soil enzyme changes under the condition of straw returning. Therefore， from the point of view of reducing amount and increasing efficiency of fertilizer， S80N was a more suitable management measure to improve soil quality.

Key words： wheat field； straw returning to field； chemical fertilizer； soil physical and chemical properties； soil enzyme

作物秸稈富含有機(jī)質(zhì)及各種營(yíng)養(yǎng)元素，是重要的有機(jī)資源［1，2］，長(zhǎng)期作物秸稈還田影響土壤有機(jī)碳、有機(jī)氮、pH和有效磷等理化性質(zhì)［3，4］，同時(shí)也影響土壤酶活性［5］。土壤酶活性是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化能力的重要指標(biāo)［6］，可分為水解酶和氧化酶，前者負(fù)責(zé)獲取C、N和P以支持初級(jí)新陳代謝，后者可降解木質(zhì)素等頑固化合物［7，8］。土壤酶是由土壤微生物合成和分泌的，是有機(jī)質(zhì)形成和分解的催化劑［9］，在秸稈分解過(guò)程中發(fā)揮著不可替代的作用［10］。Wei等［11］施用農(nóng)作物秸稈提高了磷酸酶、脲酶和轉(zhuǎn)化酶的活性水平。Zhao等［12］的秸稈還田試驗(yàn)表明，0～15 cm土層土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶和過(guò)氧化氫酶活性分別比對(duì)照提高11.4%、41.0%和12.9%。相比于單施化肥處理，秸稈還田配合施用化肥處理顯著提高了土壤β-葡萄糖苷酶、纖維二糖苷酶、β-木糖苷酶、α-葡萄糖苷酶的活性［13］。

土壤水解酶或氧化還原酶活性受到對(duì)應(yīng)土壤養(yǎng)分狀況的影響［14］，研究長(zhǎng)期秸稈還田配施化肥下土壤胞外酶活性特征及與環(huán)境因子的關(guān)系對(duì)深入理解C、N、P等養(yǎng)分物質(zhì)循環(huán)過(guò)程具有重要意義［15］。因此，本研究采用微孔板熒光法測(cè)定了與土壤C、N和P轉(zhuǎn)化相關(guān)的9種酶活性和土壤理化性質(zhì)，利用相關(guān)性分析和冗余分析（RDA）探索土壤酶活性和土壤理化性質(zhì)的內(nèi)在關(guān)系，以期解析秸稈還田下施肥對(duì)影響土壤酶特征的關(guān)鍵理化因子，為科學(xué)合理利用秸稈、培肥土壤、提高土壤質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗(yàn)地

供試小麥品種為鄂麥23號(hào)。

田間試驗(yàn)于2016—2020年在湖北省廣水市十里辦事處紅石塘村進(jìn)行。廣水市屬北亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，冷暖適中，冬干夏雨，雨熱同期，四季分明。年平均氣溫在 13～16 ℃，無(wú)霜期在201～240 d，降水量在 940～1 040 mm，日照時(shí)間為2 083 h。供試土壤類(lèi)型為黃棕壤。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理，分別為秸稈（S）、秸稈+施100%N（S100N）、秸稈+施80%N（S80N）、秸稈+施60%N（S60N）、秸稈+施80%N+菌劑（S80Nm）、秸稈+施60%N+菌劑（S60Nm）。其中，施100%N處理的純N用量為187.5 kg/hm2，其他施肥處理按此用量進(jìn)行折算，氮肥基肥和追肥占比分別為80%和20%；磷肥（P2O5）用量為67.5 kg/hm2，鉀肥（K2O）用量為90.0 kg/hm2，各處理秸稈用量均為6 000 kg/hm2；添加菌劑的處理，菌劑（秸稈腐熟菌劑）用量為30 kg/hm2。每個(gè)處理重復(fù)3次，每個(gè)小區(qū)40 m2。

1.3 研究方法

2020年小麥?zhǔn)斋@后，每個(gè)小區(qū)按“S”形取樣法取6個(gè)點(diǎn)混合為1個(gè)土樣，深度0～20 cm。土樣裝入無(wú)菌密封袋后置于保溫箱帶回實(shí)驗(yàn)室，一部分樣品立即測(cè)定土壤酶活性，另一部分樣品風(fēng)干后測(cè)定理化性質(zhì)。

采用96微孔酶標(biāo)板熒光分析法測(cè)定土壤磷酸酶（Phos）、硫酸酯酶（Sul）、β-葡萄糖苷酶（βG）、β-纖維二糖苷酶（CBH）、纖維素酶（CL）、β-木糖苷酶（βX）、α-葡萄糖苷酶（αG）、乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）和亮氨酸氨基肽酶（LAP）的活性。取1.00 g新鮮土壤樣品，加入100 mL的50 mmol/L醋酸鈉緩沖溶液（pH為土壤樣品pH的平均值，如樣品間pH相差較大，需配制不同緩沖溶液），用磁力攪拌器使其均質(zhì)化后移取200 μL懸浮液于酶標(biāo)板中，以緩沖液為空白，4-甲基羥基香豆素（MUB）為標(biāo)準(zhǔn)物［LAP 采用7-氨基-4-甲基香豆素（AMC）為標(biāo)準(zhǔn)物］，不同酶加入對(duì)應(yīng)的底物，25 ℃黑暗培養(yǎng)4 h后（酸性土壤需加入50 μL的1 mol/L NaOH溶液終止反應(yīng)），在激發(fā)光365 nm、發(fā)射光 450 nm 條件下用Synergy H/M型酶標(biāo)儀測(cè)定其熒光度，酶活性以每克每小時(shí)干物質(zhì)產(chǎn)生底物的納摩爾數(shù)表示。試劑購(gòu)于Sigma-Aldrich公司。

土壤理化性質(zhì)采用常規(guī)方法測(cè)定［16］。土壤pH采用復(fù)合電極測(cè)定，水土比為 2.5∶1；土壤有效磷（AP）含量采用碳酸氫鈉溶液浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤速效鉀（AK）含量采用醋酸銨溶液浸提-原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定；有機(jī)質(zhì)（OM）含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定；堿解氮（AN）含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2019軟件處理數(shù)據(jù)，利用 IBM SPSS20軟件進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA）和LSD多重比較。采用Pearson法對(duì)土壤理化指標(biāo)與酶活性進(jìn)行相關(guān)分析。采用 Canoco 5.0軟件進(jìn)行冗余分析（RDA）。圖表數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥對(duì)土壤理化性質(zhì)和小麥產(chǎn)量的影響

由表1可知，與S相比，各施肥處理提高了有效磷和速效鉀含量，降低了土壤pH；S100N和S80N小麥產(chǎn)量分別比S顯著提高182.82%和179.55%（P<0.05）。與S100N相比，其他施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷的含量均沒(méi)有顯著變化，但S60N和S60Nm土壤速效鉀含量分別提高了10.10%和14.28%，且S80Nm顯著提高了20.75%（P<0.05）。比較S80N和S80Nm及S60N和S60Nm發(fā)現(xiàn)，添加菌劑對(duì)理化性質(zhì)的影響總體不顯著。

2.2 施肥對(duì)土壤酶活性的影響

由表2可知，與S相比，S100N僅顯著降低了LAP活性（P<0.05）；其他酶活性無(wú)顯著差異。與S100N相比，S80N和S60N增加了Phos、Sul、βG、βX、αG、NAG和LAP的活性；S80Nm和S60Nm降低了Phos、Sul、βG、αG和NAG的活性。與S80N相比，S80Nm土壤Phos活性顯著降低45.46%，βG活性顯著降低24.77%（P<0.05）。與S60N比較，S60Nm土壤NAG活性顯著降低37.72%（P<0.05），其他酶（除LAP）活性也呈下降趨勢(shì)，但變化不顯著。

2.3 施肥下土壤酶活性與理化性質(zhì)的相關(guān)性

由表3可知，有機(jī)質(zhì)含量與堿解氮含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與有效磷含量和β-葡萄糖苷酶均呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。有效磷含量與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），與速效鉀含量、纖維素酶活性和有機(jī)質(zhì)含量均呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。α-葡萄糖苷酶活性與硫酸酯酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶和β-木糖苷酶的活性均呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。硫酸酯酶活性與β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶和α-葡萄糖苷酶的活性均呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。磷酸酶活性與β-葡萄糖苷酶活性呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與硫酸酯酶、β-木糖苷酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶的活性均呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。β-葡萄糖苷酶活性與β-纖維二糖苷酶呈顯著正相關(guān)（P<0.05），與乙酰氨基葡萄糖苷酶和β-木糖苷酶的活性均呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。

由RDA分析（圖1）可以看出，長(zhǎng)期不同施肥量對(duì)土壤酶分布產(chǎn)生差異，RDA前兩個(gè)排序軸保留了土壤酶活性數(shù)據(jù)總方差的93.03%，pH與Phos、CBH、βG、NAG和βX均呈負(fù)相關(guān)，與αG、LAP和CL均無(wú)顯著相關(guān)性；OM和AN與 Phos、CBH、βG、NAG和βX均呈正相關(guān)；AP與CL呈正相關(guān)，與LAP和αG均呈負(fù)相關(guān)；AK則與AP正好相反。

[0.8][-0.4][RDA（10.95%）][-0.8][0.4][RDA（82.08%）][OM][AP][CL][βG][AN][CBH][Phos][NAG][βX][Sul][AK][LAP][pH][αG]

空心箭頭表示解釋變量，實(shí)心箭頭表示該土壤性狀與

土壤酶活性顯著相關(guān)

3 討論

3.1 不同施肥對(duì)土壤速效養(yǎng)分含量的影響

農(nóng)作物秸稈是作物生長(zhǎng)所需碳、鉀和微量元素的重要來(lái)源，在還田后有助于維持土壤養(yǎng)分平衡［17］。本研究顯示，施肥降低了土壤pH；有研究指出，黃淮海潮土區(qū)施用化肥及秸稈還田下pH均降低了0.06個(gè)單位［18］，長(zhǎng)期施用推薦施氮量或更高量的氮肥（尿素）是赤紅壤旱地土壤酸化的主要原因，土壤pH下降的拐點(diǎn)出現(xiàn)在定位試驗(yàn)開(kāi)始后的第3年或第4年［19］。本研究減氮20%的產(chǎn)量略有降低，但差異不顯著，與聶勝委等［20］在小麥季減氮20%不減產(chǎn)的結(jié)論一致，但減氮40%，產(chǎn)量顯著下降；添加秸稈腐熟菌劑，產(chǎn)量出現(xiàn)下降，差異不顯著，這與現(xiàn)有的結(jié)論不一致［21，22］，可能是腐熟菌劑進(jìn)入麥田受到土壤水分和溫度的原因?qū)е禄钚圆粡?qiáng)，影響產(chǎn)量，或者是因?yàn)楦炀鷦?duì)土著微生物產(chǎn)生影響，而還田秸稈的降解需由外源微生物和土著菌共同作用，腐稈菌在第一年侵入對(duì)土著微生物造成的影響可能直接導(dǎo)致其第二年無(wú)法與土著菌“合作”促腐［23］，影響作物產(chǎn)量。

有效磷含量與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)，可能是因?yàn)樵谒嵝曰蛑行缘耐寥乐?，pH的升高降低了活性鐵、鋁含量，進(jìn)而使鐵、鋁的吸附固定和沉積作用降低，磷的有效性與鐵離子、鋁離子參與的化學(xué)過(guò)程關(guān)系密切［24，25］，導(dǎo)致磷的有效性與pH呈負(fù)相關(guān)。有機(jī)質(zhì)含量與堿解氮含量呈極顯著正相關(guān)，與湘南稻作煙區(qū)不同土層土壤有機(jī)質(zhì)含量與氮、磷、鉀關(guān)系研究的結(jié)論一致［26］。

3.2 不同施肥對(duì)土壤酶活性的影響

微生物分泌的各種酶在土壤的碳氮循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用［27］。本研究中，與秸稈+施100%N（S100N）相比，減施20%和40%的氮處理增加了土壤磷酸酶、硫酸酯酶、β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、α-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶的活性，可能是因?yàn)榻斩掃€田導(dǎo)致有機(jī)碳的積累［28］，減施氮肥間接造成土壤氮元素的相對(duì)虧缺，當(dāng)?shù)V質(zhì)氮濃度較低時(shí)，參與氮循環(huán)的乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶的活性被激發(fā)，從而去獲取更多有機(jī)氮［29，30］。然而本研究中同樣施氮量下，添加秸稈腐熟菌劑降低了土壤磷酸酶、硫酸酯酶、β-葡萄糖苷酶、α-葡萄糖苷酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶的活性，這與已有的施用秸稈腐熟菌劑提高了酶活性的結(jié)論不一致［31］，可能是大量腐解菌的加入擾亂了土著微生物的群落結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致一些酶的活性降低，所以秸稈腐解菌的加入還需要深入研究。

磷酸酶可以加強(qiáng)酯和磷酸酐的水解，釋放出植物可直接使用的磷酸鹽［32-34］，提高土壤有效磷含量。本研究磷酸酶活性與β-葡萄糖苷酶活性呈極顯著正相關(guān)，與硫酸酯酶、β-木糖苷酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶的活性呈顯著正相關(guān)，與有效磷含量不存在顯著相關(guān)性。土壤微生物和植物根系分泌的硫酸酯酶水解硫酯鍵生成硫酸鹽［35］，在土壤硫循環(huán)和植物生長(zhǎng)中都起著重要作用。硫酸酯酶活性與β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、α-葡萄糖苷酶的活性均呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明土壤中硫元素生物循環(huán)與土壤碳、氮代謝有一定的相關(guān)性。

3.3 土壤酶活性的分布特征及其驅(qū)動(dòng)因子

本研究通過(guò)對(duì)C、N、P和S循環(huán)相關(guān)的酶進(jìn)行冗余分析，得出長(zhǎng)期秸稈還田下不同施肥導(dǎo)致土壤酶分布出現(xiàn)差異。土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮是土壤酶變化的主要影響因子，而夏文建等［36］認(rèn)為土壤全氮和微生物生物量碳是紅壤稻田酶活性的關(guān)鍵影響因子，說(shuō)明不同土壤類(lèi)型對(duì)酶活性存在不同影響。

4 小結(jié)

秸稈還田配施化肥提高了土壤養(yǎng)分含量和小麥產(chǎn)量；S100N和S80N小麥產(chǎn)量分別比S顯著提高182.82%和179.55%。秸稈腐熟菌劑的添加對(duì)土壤理化性質(zhì)和小麥產(chǎn)量的效果不顯著，冗余分析（RDA）顯示秸稈還田條件下，土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮是土壤酶變化的主要影響因子，因此從減肥增效角度分析，秸稈+施80%N是提升土壤質(zhì)量較適宜的管理措施。

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