长期连作棉田不同恢复模式对土壤团聚体及酶活性的影响*

宫　雪，王建军，庞　玮（石河子大学农学院，新疆　石河子832000）



长期连作棉田不同恢复模式对土壤团聚体及酶活性的影响*

宫雪，王建军，庞玮*
（石河子大学农学院，新疆石河子832000）

摘要：选择干旱区玛纳斯河流域绿洲长期连作棉田（20年）为研究对象，研究连作棉田（CM），采用轮作玉米（YL）、轮作大豆（DL）、玉米-大豆间作（YDJ）和休闲免耕（XX）4种轮作模式对农田土壤团聚体及酶活性的影响。结果表明，不同轮作模式均以D53 - 250团聚体含量最高，团聚体含量分布范围为39%～53%；相比连作棉田，短期轮作玉米和轮作大豆模式土壤过氧化氢酶与脲酶酶活性增强。轮作大豆和轮作玉米模式中土壤过氧化氢酶活性在D250团聚体中最高；在不同轮作模式下，蔗糖酶活性表现为D250＞D53 - 250＞D53，随着团聚体粒级的减小，蔗糖酶的活性降低；磷酸酶活性顺序表现为D250＞D53＞D53 - 250。不同轮作模式均能影响土壤酶活性，团聚体酶活性均集中在大团聚体中。大豆轮作和玉米轮作有利于酶活性的增强，可作为长期连作棉田短期轮作倒茬的首选模式。

关键词：长期连作；轮作模式；土壤团聚体；酶活性

土壤团聚体作为土壤的重要组成部分，一方面通过稳定土壤结构，减少土壤的水土流失；另一方面，土壤中团聚体含量高，有利于提高土壤肥力与质量［1］。土壤酶活性作为生物活性的一个重要指标，可以用来衡量土壤肥力，同时，土壤酶对土壤的扰动性是一个敏感的指示性生物指标［2］。不同团聚体粒级下土壤酶的活性不同，土壤酶活性升高，土壤肥力提高［3-4］。土壤酶的活性与土壤的结构之间必然存在着一定的相关性［5］。棉田连作对过氧化氢酶的影响不明显，与荒地比较，随着连作年限增加，碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶均呈现一定的变化趋势。Nakamoto等人［6］研究表明，与玉米相比，虽然大豆根长密度较小，但大豆根系生长对土壤中大团聚体破坏作用更强，种植大豆可降低大团聚体的数量［7］。本研究以长期连作棉田为对象，分析不同轮作模式下土壤团聚体及酶活性的变化，选择适宜于新疆长期连作棉田合适的轮作倒茬模式，为采用有效的土壤管理措施及提高新疆棉田土壤质量提供科学依据。

1　材料与方法

1.1试验区概况

试验区位于新疆北疆最大的植棉产区玛纳斯河流域石河子绿洲西古镇（85°52′～86°10′E，44°52′～45°12′N）。该区地处天山山前冲积洪积平原与古尔班通古特沙漠南缘交接地带，伸入沙漠腹地70 km，年平均气温为6.1℃，各季的平均气温为：春季9.7℃，夏季24.3℃，秋季6.6℃，冬季-16.5℃，平均气温≥10℃积温3 693.8℃，无霜期160～180 d，平均日照时数2 600～3 000 h，属于典型的温带大陆性干旱气候。该区域地势平坦，耕层盐分含量低、热量充足、作物产量当季表现较高，近年连创北疆地区植棉高产记录。试验区土壤为砂壤土，土壤耕层基本理化性质见表1。

1.2试验设计

本试验选择玛纳斯河流域石河子绿洲长期连作棉田（20年）为样地，采用微区控制试验，共设5个处理，分别为连作棉田（CM）、玉米轮作（YL）、大豆轮作（DL）、休闲免耕（XX）和玉米-大豆间作（YDJ）。每个小区面积为286 m2，每个小区重复3次。田间管理统一。

1.3样品采集和测定分析

本试验样品采集在春季播种前和秋季收获时进行田间采样，在5个处理中分别挖取土壤剖面，采集大小一致的土壤耕层原状土样，装入方形塑料盒带回实验室，过8 mm的土筛，风干土样，用于土壤团聚体筛分；同时采用“四分法”，用自封袋采集5点土样混合3份带回实验室，置于通风、阴凉、干燥的室内风干，分别过1.00 mm和0.25 mm筛孔以供测定；团聚体测定：机械稳定性团聚体采用人工筛分法进行测定，共分＞250 μm（D250）、53～250 μm（D53 -250）和＜53 μm（D53）3个粒级；土壤酶测定：土壤蔗糖酶活性采用3，5 -二硝基水杨酸比色法测定；土壤脲酶活性采用苯酚纳比色法测定；土壤磷酸酶活性采用氨基安替比林-铁氰化钾比色法测定；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定；数据分析：采用Microsoft Office Excel 2003软件进行绘图，应用SPSS 11.5软件进行数据的统计分析。

2　结果与分析

2.1不同轮作模式土壤团聚体的分布特征

表2　干筛法测定的各级团聚体的含量　%

由表2可知：不同轮作模式均以D53 - 250团聚体含量最高，团聚体含量分布范围为39%～53%；5种轮作模式下，D250团聚体差异极显著，且作物收获期相对于作物生育期含量均有所增加，在作物生育前期不同轮作模式D250团聚体含量表现为玉米轮作模式含量最高，玉米-大豆模式含量最低；在作物收获期，大豆轮作模式的含量最多，玉米-大豆间作模式含量最少。D53团聚体含量随着作物生育期到作物收获期呈下降趋势，在作物生育期，不同轮作模式D53团聚体含量表现为玉米轮作最高，棉花连作最少；在作物收获期，不同轮作模式D53团聚体含量大豆轮作模式下最多，棉花连作最少。

2.2不同轮作模式土壤团聚体中酶活性

2.2.1团聚体蔗糖酶

由图1可以看出，不同轮作模式下不同团聚体粒级对土壤酶活性的影响显著不同。D250团聚体中蔗糖酶活性的变化顺序为YL＞CM＞XX＞YDJ＞DL，轮作玉米下蔗糖酶活性最强，大豆轮作最低；在D53 - 250团聚体中，土壤蔗糖酶活性变化顺序为XX＞DL＞YL＞YDJ＞CM；在粒径D53团聚体中，土壤蔗糖酶活性变化顺序为YDJ＞DL＞YL＞XX＞CM。在不同轮作模式下，蔗糖酶活性表现为D250 ＞D53 - 250＞D53，随着团聚体粒级的减小，蔗糖酶的活性降低。轮作玉米团聚体蔗糖酶活性最强，对土壤有机碳和作物生长有很好的促进作用。

图1　团聚体中蔗糖酶活性

2.2.2团聚体过氧化氢酶

图2　团聚体过氧化氢酶活性

由图2得出，土壤团聚体中过氧化氢酶在不同轮作模式下D53 - 250和D53粒级的活性的大小顺序基本表现为YDJ＜CM＜DL＜YL＜XX，玉米-大豆间作模式最低，休闲免耕最高；在D250团聚体中大小顺序表现为DL＜YL＜YDJ＜CM＜XX，在各个粒级中休闲免耕过氧化氢酶活性最高。说明休闲免耕模式土的解毒能力最强，能够防止土壤中有毒物质积累。在大豆和玉米轮作模式中，土壤过氧化氢酶活性在D250中最高，但随着团聚体粒级的减小，土壤过氧化氢酶活性逐渐升高。

2.2.3团聚体磷酸酶

从图3可以看出，在D250中不同轮作模式下，土壤磷酸酶活性大小顺序表现为CM＞YL＞DL＞XX＞YDJ，棉花连作磷酸酶活性最高，玉米-大豆间作模式最低；在D53 - 250团聚体中表现为YL＞XX＞CM＞YDJ＞YL，在D53团聚体中则为CM＜YL＜YDJ＜DL＜XX。在不同轮作模式下，磷酸酶活性大小顺序基本为D250＞D53＞D53 - 250。在不同轮作模式下，土壤磷酸酶活性除D53 - 250都差异不显著。在玉米轮作后，D53 - 250和D53团聚体磷酸酶活性高于棉花连作，说明轮作玉米能够使土壤磷素的利用得到提高，有利于作物的生长发育。

图3　团聚体中的磷酸酶活性

3　小结与讨论

不同轮作模式下，土壤团聚体含量以D53 - 250粒径为主，所占比例为39%～53%；同一粒级不同轮作模式下存在差异，其中，D250团聚体含量表现为DL＞YL＞XX＞CM＞YDJ，且各模式之间差异显著，相比连作棉田，大豆轮作、玉米轮作方式可促进团聚体形成，改善土壤结构，增加土壤肥力，有利于提高团聚体机械稳定性增强。玉米轮作使土壤大团聚体的含量降低，但团聚体中的蔗糖酶和磷酸酶的活性很高，过氧化氢酶活性相对较低，且与其他种植模式差异显著，说明玉米轮作对土壤中磷的利用较高，有利于作物生长；在棉花连作模式下，团聚体中的酶活性呈现随着团聚体粒级的减小而降低的趋势，其中蔗糖酶活性在D250中较强，但在D53 - 250 和D53团聚体中最弱，且差异极显著，过氧化氢酶活性以D250最高，D53 - 250最小，磷酸酶在D250最高；休闲模式中，3个粒级的过氧化氢酶的活性最高，且与其他模式差异显著，说明休闲模式对土壤的解毒能力最强，有助于改善土壤的理化性质。本研究表明，大豆轮作和玉米轮作有利于土壤团聚体的形成和稳定，且玉米轮作的土壤蔗糖酶和磷酸酶活性很高，对土壤中磷的利用较高，有利于作物的生长，所以，大豆轮作和玉米轮作可作为较合理的轮作模式。

参考文献

［1］史奕，陈欣，沈善敏.有机胶结形成土壤团聚体的机理及理论模型［J］.应用生态学报，2002，13（11）：1495-1498.

［2］Monreal C M，Bergstrom D W.Soil enzymatic factors expressing the influence of land use，tillage system an d texture on soil biochemical quality［J］.Canadian Journal of Soil Science，2000，80：419-428.

［3］杨玉盛，李振问，俞新妥，等.南平溪后杉木林取代杂木林后土壤肥力变化的研究［J］.植物生态学报，1994（3）：236-242.

［4］杨承栋，焦如珍.杉木人工林根际土壤性质变化的研究［J］.林业科学，1999（6）：2-9.

［5］Marten D A.Management and crop reside influence soil aggregate stability［J］.Journal of Environmental Quality，2000，29 （3）：723-727.

［6］Nakamoto T，Suzuki K.Influence of soybean and maize roots on the seasonal change in soil aggregate size and stability［J］.Plant Pro. Sci.，2001，4（4）：317-319.

［7］Fahad A A，Mielke L N，Flowerday A D，et al.Soil physical properties as affected by soybean and other cropping sequences ［J］.Soil Sci. Soc. Am. J，1982，46：377-381.

收稿日期：2016—03—30

*基金项目：公益性行业（农业）科研专项，项目编号：201503120。

*通讯作者：庞玮（1977-），女，讲师，主要从事干旱区资源与环境研究。E-mail：pangwei7722@163.com。