秸秆还田对瘠薄红壤水稻土团聚体内酶活性及养分分布的影响

李委涛，李忠佩，刘 明，江春玉，吴 萌，陈晓芬

（1中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京210008；2中国科学院大学，北京100049）

秸秆还田对瘠薄红壤水稻土团聚体内酶活性及养分分布的影响

李委涛1，2，李忠佩1，2，刘 明1，江春玉1，吴 萌1，陈晓芬1，2

（1中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京210008；2中国科学院大学，北京100049）

【目的】研究秸秆还田配施粪肥与化肥对红壤水稻土水稳性团聚体粒级组成、团聚体微域空间内养分及酶活性分布的影响，为提高秸秆还田在改造中低产田中的利用效益提供理论依据。【方法】依托于鹰潭农田生态系统国家野外科学观测研究站24年（1990—2014）的长期定位试验，施肥处理包括：不施肥处理（CK）、全量秸秆还田配施粪肥（SM）、全量秸秆还田配施粪肥与氮肥（NSM）、全量秸秆还田配施粪肥与氮磷钾肥（NPKSM）。利用湿筛的方法得到5个粒级的水稳性团聚体：＞2 mm、1—2 mm、0.25—1 mm、0.053—0.25 mm和＜0.053 mm。测定水稳性团聚体内C、N、P养分含量以及转化酶、脲酶和酸性磷酸酶活性。【结果】长期秸秆还田配施粪肥尤其是配施化肥显著增加了大团聚体（＞0.25 mm）含量，降低了微团聚体（＜0.25 mm）的含量，增大了水稳性团聚体平均当量直径，显著改善了土壤团粒结构。秸秆还田配施粪肥与化肥显著提高团聚体微域空间内的酶活性，NSM处理对团聚体内转化酶和脲酶的活性影响最为显著，NPKSM处理对团聚体各粒级内酸性磷酸酶活性影响最为显著。与CK相比，NSM处理的转化酶在5个粒级内增加量是20.3%—396.2%，脲酶的增加量是58.6%—372.1%。NPKSM处理的酸性磷酸酶在各粒级的增加量是48.9%—94.5%。与CK相比，NSM处理下，有机碳在各个粒级的增量是31.6%—65.1%；全氮在各粒级内的增加量是19.8%—51.9%；NPKSM处理下，速效磷含量在各粒级内的增加量最大是：7.4—10倍；集成推进树（ABT）分析表明，有机碳对转化酶活性影响最大，占40.6%。团聚体粒级组成对脲酶活性的相对影响最大，占44.9%；速效磷对酸性磷酸酶的活性影响最大，占41%。非度量多维尺度（NMDS）对团聚体样本排序结果显示，与CK、SM和NSM相比，NPKSM处理对土壤理化性质的影响更为显著，SM及NSM处理的肥效性相似。【结论】秸秆还田与粪肥、化肥配合施用显著提高了水稳性团聚体的平均当量直径，显著增加了团聚体内有机碳、氮和速效磷的含量以及土壤酶活性，是改善土壤团粒结构，提高红壤生物功能和生产力的有效措施。

红壤性水稻土；秸秆还田；水稳性团聚体；土壤养分；土壤酶活性

0 引言

【研究意义】长期以来，秸秆还田被认为是改善土壤质量的重要农耕措施，然而作物秸秆自身较高的C/N比，难以被土壤微生物降解，尤其是瘠薄的土壤，需配合外源肥料调节土壤C/N比，加速秸秆分解和熟化过程，提高养分归还速率，保证其肥效性［1］。秸秆还田能显著提升土壤有机质含量，促进土壤有机质粘结粉粒、砂粒与黏粒团聚形成具有多级孔性［2］的结构；团粒结构与土壤生化特性及作物生长关系密切，是决定土壤肥力的重要因素之一［3-4］。土壤中几乎所有生化过程，例如土壤有机质矿化，都离不开土壤酶作用，土壤酶是评价土壤生物活性与土壤肥力的重要指标［5］，通常土壤酶与有机无机矿物离子结合包被在团聚体内得到物理保护，从而免受降解、变性失活。团聚体、土壤有机质和土壤酶三者之间存在复杂的相互作用关系，而且它们都受施肥等人为活动的影响［6-7］。因此，研究不同施肥处理下，团聚体粒级组成及其中酶活性、养分分布的特异性，可为揭示秸秆还田提升土壤肥力机制提供理论依据。【前人研究进展】秸秆还田培肥地力的研究已有一些报道，劳秀荣等［8］发现长期秸秆还田配施适量化肥可有效改善低肥力潮土的土壤肥力，在一定范围内秸秆还田量与土壤养分及脲酶活性之间显著正相关。WANG等［9］通过研究红壤水稻土添加有机物料可显著提高＞2 mm水稳性团聚体的含量，降低＜1 mm水稳性团聚体的含量，显著增加各粒级内有机碳、氮以及速效磷含量。ZHANG等［10］通过研究黄棕壤水稻土施用有机肥可显著增加各团聚体内的有机碳、氮含量及酶活性，尤其是对63—200 μm粒径团聚体影响最大。土壤有机碳、氮［11］和土壤酶［5］主要赋存于大团粒结构内，秸秆还田可显著提高大团聚体含量，有利于土壤肥力的提升［12］。水稻土的壤质及肥力状况均能影响秸秆还田的肥效性；为深入认识秸秆还田对土壤质量的影响，仍需系统研究团聚体微域空间内养分变化及酶活性与土壤性质之间的关系。【本研究切入点】发育自第四纪红黏土的红壤水稻土，具有质地黏重、酸度较高等特异的土壤性质［13］，虽耕作时期久远，但目前主导产田仍属中低产田［14］。秸秆还田是当地农民普遍采用培肥地力的农耕措施，有关其肥效性的研究相对较少，尤其是在团聚体水平上的报道相对较少；目前，对于新垦的以及中低产的红壤稻田其团聚体粒级分布、有机质变化等具有明显特异性的研究比较缺乏。【拟解决的关键问题】本研究依托鹰潭农田生态系统国家野外科学观测研究站、红壤荒地开垦为水稻田后长达24年的施肥试验，研究秸秆还田与粪肥及化肥配施对红壤水稻土团聚体粒级组成，团聚体微域空间内有机碳、氮、速效磷及酶活性分布的影响，为认识新垦红壤稻田土壤中的施肥效应，制定合理的秸秆还田配施方案改良中低产田提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

长期定位试验设在鹰潭农田生态系统国家野外科学观测研究站，地处江西省余江县（1l6°55′E，28°15′N），属亚热带季风气候，平均气温17.6℃，平均降雨量1 795 mm（降雨集中在3—6月），年蒸发量1 318 mm，无霜期261 d。试验始于1990年，作物轮作制度为双季稻（Oryza sativa L.）。试验小区面积为30 m2，小区之间用水泥埂隔开（地面高15 cm，地下部分深50 cm），并设置有灌排设施。供试土壤发育于第四纪红黏土，试验前土壤的基本理化性质为有机质5.7 g·kg-1、全氮0.43 g·kg-1、全磷（P2O5）0.65 g·kg-1、全钾（K2O）13.4 g·kg-1、速效磷5.6 mg·kg-1、速效钾105.9 mg·kg-1和碱解氮90.2 mg·kg-1，pH4.5及黏粒（＜1 μm）含量38%［15］。

1.2 试验设计与样品采集

各试验处理为：（1）对照（without fertilization，CK）；（2）全量秸秆还田配施粪肥（straw application plus manure，SM）；（3）全量秸秆还田配施粪肥与氮肥（straw application plus manure and nitrogen fertilizer，NSM）；（4）全量秸秆还田配施粪肥与氮磷钾肥（straw application plus manure， nitrogen，phosphorus and potassium fertilizers，NPKSM）。全量秸秆还田是将相应小区内每季秸秆全部施入原小区，另每季施入833.3 kg·hm-2（干重计）猪粪。肥料施用量按各处理要求，每季施肥量为115 kg N·hm-2、68 kg P2O5·hm-2和42 kg K2O·hm-2。其中，氮肥为尿素，磷肥为钙镁磷肥，钾肥为氯化钾。磷肥和钾肥以基肥形式施入，尿素分基肥和追肥按8∶7的比例2次施入。施肥24年，小区水稻产量显著提升，但仍处于中低产田水平（表1）。

于2014年11月下旬采集土壤样品，每个小区随机选取5个点，采集0—15 cm耕层土壤组成混合样品。田间采集的原状土样用硬质塑料盒运回实验室后，在室温下风干，用于土壤团聚体的筛分。样品在风干过程中，沿其自然断裂面掰成10 mm左右的土块，并挑出砾石、侵入体及植物残根等。

表1 2014年不同施肥处理的水稻产量Table1 Rice yields of different fertilization treatments in 2014

1.3 分析方法

参照ELLIOTT［16］的方法筛分水稳性团聚体，称取100 g风干土，倒入2 mm土筛中，放入盛有去离子水的盆中浸泡10 min后，上下移动筛子3 cm，重复50次（2 min内），用同样的筛分方法，依次通过1、0.25和0.053 mm的土筛，收集各级筛子上的团聚体室温下风干后称重。小于0.053 mm的团聚体通过将溶液沉降、离心获得。团聚体风干后保存用于土壤养分及酶活性的测定。通常把大于0.25 mm粒级的团聚体称为水稳性大团聚体，小于0.25 mm粒级的团聚体称为水稳性微团聚体［11］。

测定转化酶、脲酶和酸性磷酸酶活性的方法分别是3，5-二硝基水杨酸法、靛酚蓝比色法和磷酸苯二钠比色法［17］；转化酶活性以μg葡萄糖·g-1土（37℃·h-1）表示，脲酶活性以μg NH3-N·g-1土（37℃·h-1）表示，酸性磷酸酶活性以μg酚·g-1土（37℃·h-1）表示。土壤有机碳用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定，全氮和碱解氮分别用半微量凯式法和扩散法测定，全磷及速效磷分别用碳酸钠熔融-钼锑抗比色法和碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，全钾和速效钾的测定分别用氢氧化钠熔融-火焰光度法和乙酸铵浸提-火焰光度法［18］。

1.4 数据处理与统计分析

采用单因素方差分析比较处理间差异性，差异显著性分析用Duncan法，运用SPSS16.0（SPSS Inc. Chicago， IL， USA）软件进行统计分析。利用R 2.9.2软件里的“gbmplus”统计包和“Vegan”包，分别进行集成推进树分析（aggregated boosted trees，ABT）［19］和非度量多维尺度分析（nonmetric multidimensional scaling，NMDS）。ABT分析：计算团聚组成及团聚体内养分含量对3种酶活性的相对影响。NMDS分析：基于团聚体各粒级组成、团聚体内养分含量及3种酶活性对团聚体样本排序。

计算团聚体各粒级中碳或氮对全土中碳或氮的贡献率（%）：

2 结果

2.1 水稳性团聚体粒级组成

CK、SM、NSM与NPKSM湿筛中团聚体的回收率分别为94.8%、95.8%、96.3%和96.8%。与不施肥对照相比，全量秸秆还田配合粪肥，尤其是配施化肥显著增加大团聚体（＞0.25 mm）的比例，与CK相比，3种施肥处理SM、NSM和NPKSM大团聚体的增加量为25.5%、28.9%和31.7%；降低了微团聚体（＜0.25 mm）的比例，与CK相比，3种施肥处理SM、NSM和NPKSM微团聚体的减少量为：38%、43%和47.2%（图1）；显著增加了各施肥处理的平均当量直径，其中，NPKSM处理的平均当量直径最大，为1.13 mm；与CK相比，各处理SM、NSM和NPKSM的平均当量直径的增加量为49.2%、58.7%和61.9%；各施肥处理间平均当量直径差异不显著，施肥显著提升了水稳性团聚体的稳定性（图2）。

图1 不同施肥处理下水稳性团聚体分布Fig. 1 Aggregate-size distributions under different fertilization treatments

图2 不同施肥处理下水稳性团聚体的平均当量直径Fig. 2 Mean weight diameters （MWD） of water-stable aggregates in different treatments

2.2 水稳性团聚体微域空间内酶活性的分布

施肥提高了团聚体各粒级内转化酶、脲酶和酸性磷酸酶活性，3种酶活性在团聚体内的分布特征并不一致；转化酶和酸性磷酸酶的最大酶活性主要分布在1—2 mm粒级，4种（CK、SM、NSM与NPKSM）处理下，分布在这一粒级内的转化酶及磷酸酶活性范围分别为79.74—143.04 μg葡萄糖·g-1·h-1和61.66—91.81 μg酚·g-1·h-1；脲酶最大酶活性分布在＜0.053 mm粒级内，其范围为2.39—11.28 μg NH3-N·g-1·h-1。

水稳性团聚体5个粒级内（＞2 mm粒级除外），NSM与NPKSM处理下转化酶的活性高于SM，与CK相比，NSM处理下，转化酶在5个粒级内增加量的范围是20.3%—396.2%，其中0.053—0.25 mm粒级内转化酶活性提高了4倍。3种施肥处理下，NSM处理对脲酶的影响最大，与CK相比，NSM处理下，脲酶在5个粒级内增加量的范围为72.1%—372.1%，其中＜0.053 mm粒级内脲酶活性增加了3.7倍；NPKSM处理对酸性磷酸酶活性的影响最大（图3）；NPKSM处理下，酸性磷酸酶在各粒级增加量的范围是48.9%—94.5%，其中＜0.053 mm粒级内酸性磷酸酶活性的增加量最大为94.5%。

图3 不同粒级水稳性团聚体中酶活性Fig. 3 Enzyme activities among different aggregates in different treatments

2.3 水稳性团聚体微域空间内有机碳、氮及速效磷含量的变化特征

水稳性团聚体内有机碳、氮的回收率平均值分别是99.6%和95.9%。大团聚体对全土有机碳、氮的贡献率较大（图4），有机碳、氮主要赋存在大团聚体内，与CK相比，SM、NSM和NPKSM处理下大团聚体对全土有机碳贡献率的增加量为25.2%、28.4%和37.2%；全氮为29.1%、57.8%和61.6%；3种施肥处理下，全量秸秆还田配施粪肥及氮磷钾肥对大团聚体内有机碳、氮的提升幅度高于其他2种施肥处理。全量秸秆还田配施粪肥，尤其是配施化肥，显著增加了团聚体各粒级内的有机碳和速效磷含量，全氮含量在＞2 mm、1—2 mm、0.25—1 mm粒级内出现差异性（表2）；与CK相比，NSM处理下，各粒级内有机碳增加量范围是：31.6%—65.1%，其中0.053—0.25 mm粒级内有机碳的增加量最大为65.1%；全氮的增量范围是：19.8%—51.9%，其中1—2 mm粒级内全氮的增加量最大为51.9%。NPKSM是3种施肥处理中对速效磷含量影响最大的，与CK相比，速效磷在各粒级内的增加量范围为7.4—10倍，其中0.053—0.25 mm粒级内速效磷含量增加了10倍。

图4 不同粒级水稳性团聚体对全土有机碳、全氮的贡献率Fig. 4 Contributions of water-stable aggregates to soil organic carbon and total nitrogen

2.4 团聚体粒级组成及养分含量对酶活性的相对影响

土壤酶包被在团聚体内，酶活性与团聚体内养分含量关系密切，ABT分析表明，团聚体粒级组成及其微域空间内养分含量对3种酶活性的影响并不相同，其中，团聚体粒级组成对脲酶相对影响最大为44.9%；有机碳对转化酶活性影响最大为40.6%，速效磷对酸性磷酸酶的活性影响最大为41%（图5）。

2.5 非度量多维尺度分析对水稳性团聚体样本排序

团聚体粒级组成及其微域空间内的养分含量与酶活性是土壤肥力的重要指标，基于该指标对团聚体样本排序，图6显示，NPKSM处理的5个粒级与其他3个处理的团聚体样本在NMDS1轴上明显分开；SM与NSM重合较多，关系密切，并且与CK有部分重合。表明长期秸秆还田配施粪肥及氮磷钾肥能显著改善土壤理化性质。

3 讨论

在肥力水平低的（有机质含量仅为5.7 g·kg-1）荒地上种植水稻，若只进行秸秆还田很难达到培肥地力的效果，需配施少量的粪肥及化肥提高秸秆还田的肥效性。在瘠薄的红壤水稻土上，添加秸秆与粪肥外源物料可引起土壤系统内的激发效应［20］，显著增强土壤系统中的生化过程，同时为地上作物生长提供更多可利用的矿质元素促使作物产量的提高，进而为地下生态系统输送更多光合产物供给更多的微生物功能群落［21］以促成团聚体结构的形成与稳定。

表2 不同施肥处理下团聚体微域空间内有机碳、氮及速效磷含量分布Table2 Soil organic carbon and nutrient contents in total soil and aggregate sizes among different treatments

图5 土壤理化性质对酶活性的相对影响的ABT分析Fig. 5 Relative importance of extracted predictors for soil enzymes by aggregated boosted tree model

连续24年种植48季水稻后，秸秆还田配施粪肥尤其是与化肥配施，显著影响了土壤团粒结构及其微域空间内的养分分布。长期施肥对红壤水稻土团粒结构及团聚体内养分分布的影响要显著高于其他壤质、高肥力的水稻土［22］；与其他壤质的水稻土相比，红壤水稻土质地黏重，形成的水稳性团粒结构较稳定，对团聚体内有机质保护作用更强。本研究与以往研究结果一致，有机碳、氮主要赋存于大团聚体内［11］，其含量与团聚体的数量及稳定性显著相关［23-24］。作物秸秆富含纤维素、木质素等富碳物质，同时外源粪肥与化肥的配施显著提升了土壤的肥效性，促使更多土壤养分在大团聚体内的富集。本研究各处理均显著提高了水稳性大团聚体含量，同时各粒级有机碳含量显著提高，这也是团聚体稳定的重要原因。

图6 NMDS样本排序图Fig. 6 NMDS plot （showing mean ±SE） of soil samples （Stress=0.145）

长期秸秆还田配施粪肥、化肥显著影响了团聚体微域空间内酶的分布特性，本研究发现团聚体各粒级内转化酶和酸性磷酸酶活性最大值是在1—2 mm，脲酶是在＜0.053 mm粒级。LIU等［22］研究砂壤水稻土发现，＜0.053 mm粒级内转化酶、脲酶及酸性磷酸酶活性是5个粒级中最低的。不同壤质水稻土形成的团聚体稳定性不同，可能造成对土壤酶的保护程度不同。粘结不同粒径团聚体团聚的主要物质并不相同［25］，可能导致包被在团聚体内的土壤酶与团聚体的结合方式及吸附能力不同［26］。另外土壤酶主要是由土壤中微生物产生，分布在大团聚体内的微生物功能群落比微团聚体丰富［27］，这也是导致大多数种类酶主要分布在大团聚体内的重要原因。

秸秆还田配施粪肥，同时配施不同化肥对不同类型酶的影响并不相同。几乎所有的土壤酶均是诱导酶［28］，酶活性与其底物含量显著相关［29-30］；有研究表明酶在团聚体内分布与有机碳的分布显著正相关。不同施肥处理输入土壤中的养分不同，富集的微生物功能群落也有所不同［31］，最终导致酶的分泌量不同。

4 结论

对于瘠薄的红壤水稻土，全量秸秆还田配施粪肥与化肥可显著增加大团聚体的含量，降低微团聚体含量，显著提高水稳性团聚体的平均当量直径，有效改善土壤团粒结构。NSM处理对团聚体各粒级内转化酶、脲酶的影响最大，NPKSM对酸性磷酸酶活性的影响最大；转化酶和酸性磷酸酶的最大酶活性主要是在1—2 mm粒级，脲酶则是在＜0.053 mm粒级。全量秸秆还田配施粪肥与化肥显著增加了水稳性团聚体各粒级内有机碳、氮及速效磷的含量；土壤中的有机碳、氮主要是赋存于大团聚体内，各施肥处理显著增大了大团聚体对全土有机碳、氮的贡献率。有机碳对转化酶活性相对影响较大，团聚粒级组成对脲酶活性相对影响较大，影响酸性磷酸酶活性的主要因素是速效磷。全量秸秆还田配施氮磷钾肥对土壤理化性质的影响最为显著，是培肥地力的重要农耕措施。

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（责任编辑 李莉）

Enzyme Activities and Soil Nutrient Status Associated with Different Aggregate Fractions of Paddy Soils Fertilized with Returning Straw for 24 Years

LI Wei-tao1，2， LI Zhong-pei1，2， LIU Ming1， JIANG Chun-yu1， WU Meng1， CHEN Xiao-fen1，2
（1State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008；2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049）

【Objective】Paddy soils in subtropical China derived from Quaternary red clay are generally deficient in available nutrients， and fertilizers have long been identified as dominant contributors to increase of crop production. Therefore， a long-term experiment was set up in a paddy field that used to be a wasteland earlier to study the distribution of nutrients and enzyme activities in water stable aggregates under long term application of fertilizers， and the findings will provide a sound basis for rationalapplication of fertilizers to ensure sustainable crop production. 【Method】Soil samples were collected from a 24-year long-term field experiment， which was established in 1990 in the Yingtan Red Soil Ecological Experiment Station. The experiment included four treatments: CK （without fertilization）， SM （straw application plus manure）， NSM （straw application plus manure and nitrogen fertilizer）， NPKSM （straw application plus manure， nitrogen， phosphorus and potassium fertilizers）. Undisturbed bulk soils were separated into five aggregate-size classes （＞2 mm， 1-2 mm， 0.25-1 mm， 0.053-0.25 mm and ＜0.053 mm） by wet sieving. Three soil enzymes， invertase， urease， and phosphatase， in water-stable aggregates （WSA） and total nitrogen （TN）， available phosphorus（AP）， and soil organic C （SOC） were determined. 【Result】Application of fertilizers to infertile paddy soil significantly increased the percentage of macro aggregates （larger than 0.25 mm）， decreased the percentage of micro aggregates （smaller than 0.25 mm）， and increased the mean weight diameter （MWD） of WSA， which could improve soil structure. The combined application of straw，manure and inorganic fertilizer significantly increased the soil enzyme activities in each size fraction. NSM treatment had the largest impact on invertase and urease activities. NPKSM treatment had the most significant impact on acid phosphatase activity. Compared with the control， NSM treatment increased invertase activity in five size fractions by 20.3%-396.2%； urease increased by 58.6%-372.1%. In NPKSM treatment， acid phosphatase activity in five size fractions increased by 48.9%-94.5%. Compared with the control， SOC in each size fraction of NSM treatment increased by 31.6%-65.1%. Total N increased by 19.8%-51.9%. In NPKSM treatment， available phosphorus content in each of the size fractions increased by 7.4-10 times. Aggregated boosted trees （ABT）analysis showed that the relative influence of SOC on invertase was the largest， accounting for 40.6% of the variation； the composition of soil particle had the largest relative influence on the activity of urease， accounting for 44.9% of the variation. Soil AP had the largest contribution of 41% to the variation in the activity of acid phosphatase. Nonmetric multidimensional scaling （NMDS）analysis indicated that soil aggregates within NPKSM treatment differed from those in CK， SM and NSM treatments. However， SM and NSM treatments showed similar effect on soil fertility. 【Conclusion】The combined application of straw， manure， and inorganic fertilizer significantly increased the mean weight diameter （MWD） of WSA， the contents of SOC， TN， AP， and soil enzyme activities，which improved the soil structure and biological functions.

paddy soil； straw return； water-stable aggregates； soil nutrients； soil enzymes

2016-04-08；接受日期：2016-06-12

国家自然科学基金（41171233）、国家重点基础研究计划（2013CB127401）

联系方式：李委涛，Tel：13739185955；E-mail：wtli@issas.ac.cn。通信作者李忠佩，Tel：025-86881505；E-mail：zhpli@issas.ac.cn