不同秸秆还田方式对土壤酶活性和玉米产量的影响

刘玮斌，田文博，陈 龙，刘亚亮，于 寒，谷 岩

（吉林农业大学农学院，吉林 长春 130118）

土壤酶主要由植株凋落物、植物根系、残留根系和微生物产生，对土壤物质循环和能量代谢起着重要的催化作用，它是评估土壤肥力的指标，可以真实和间接地反映土壤养分条件［1］，也可用来评估耕作方法和肥料的效果［2］，其活性与土壤质地、土壤水热条件、施肥情况和土壤养分有关。通过秸秆还田既可以解决秸秆焚烧污染环境的问题，还有助于土壤有机质积累，对土壤物理性状有显著改善作用，促进土壤团聚作用，增强土壤蓄水能力［3］。当前吉林省主要采用的秸秆还田方式有深翻还田、粉碎还田、覆盖还田和留高茬还田［4］。研究表明不同秸秆还田方式对土壤物理性状、土壤水分和土壤酶活性有显著影响［5-6］。当秸秆还田时，可以增加土壤氮和碳的供应，从而增加脲酶和蔗糖酶活性［7］；隋鹏祥等［8］研究表明秸秆覆盖还田与翻耕还田均增加了表层土壤酶活性；而另一些研究表明，秸秆覆盖还田对表层土壤酶活性影响差异不显著［9］。刘兰清［10］、战秀梅等［11］研究发现秸秆还田能够改善土壤理化性质，促进农田生态系统良性循环，进而对作物产量有着显著提高作用。

近年来，不同秸秆还田方式对土壤酶变化研究已有报道，而结合作物生育期的不同还田方式的酶活性研究则鲜见。本研究在长春市九台区农业推广中心设置试验，研究秸秆还田方式中运用较广泛的深翻还田和覆盖还田对土壤酶和产量的影响。本研究拟解决的问题：（1）不同秸秆还田方式对土壤酶和产量的影响；（2）不同秸秆还田方式在玉米不同生长时期对土壤酶活性的影响；（3）基于测定指标判断适合该区域的秸秆还田的方式。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年在长春市九台区农业推广中心（N44°9′，E126°49.8′）进行。试验地位于吉林省中部松辽平原，年均气温4.7℃，≥10℃积温2 990.7℃，年均日照2 900 h，无霜期150 d左右，年降水量约507.5 mm。土壤类型为黑土，有机质12.20 g/kg，全氮1.96 g/kg，碱解氮78.14 mg/kg，有效磷12.58 mg/kg，速效钾108.22 mg/kg。

1.2 试验设计

本试验以玉米品种“翔玉998”为供试材料，于2017年5月6日播种，共设3个处理：（1）秸秆不还田（CK），同常规种植；（2）秸秆全量深翻还田（SF），在2016年秋季收获后，用秸秆切碎机将玉米秸秆切短（长度＜10 cm），并均匀抛散于田间；2017年春季，用翻转犁将秸秆深翻进25～30 cm土中，根据实际情况选择液压偏置重耙机或者联合整地机旋耕耙平，达到播种状态；（3）秸秆覆盖还田（FG），播前使用搂草机将宽行秸秆搂到窄行，露出宽行待播苗带，采用免耕机于垄侧精量播种。各处理采用大垄双行种植方式，垄高12 cm，垄上行距40 cm，垄间行距90 cm，垄长大于150 m，3个处理面积均大于1 000 m2，种植密度为6.5万株/hm2。各处理施用复合肥555.6 kg/hm2做底肥，后期追施氯化钾55.5 kg/hm2，尿素228.4 kg/hm2，在玉米整个生育时期均按照高产田进行田间管理。共3次重复，按随机区组排列。

1.3 样品采集与测定方法

在玉米生长过程中（5月22日出苗，10月15日收获），分别在苗期（6月11日）、拔节期（7月5日）、抽雄期（7月25日）、灌浆期（8月29日）和蜡熟期（9月20日）采集3种模式表层（0～20 cm）土壤样品。按照五点取样法取样，并去除样品中的石块、作物残根和杂质，混匀成一个样品，过2 mm筛，一部分冷藏于0～4℃冰柜中，供测定过氧化氢酶使用，剩下的土壤在测定土壤含水量后风干供测定其它土壤指标。土壤养分均按照常规方法测定［12］，土壤酶活性测定参照关松荫［13］相关方法：土壤过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法，蔗糖酶活性的测定采用3，5-二硝基水杨酸比色法，脲酶活性的测定采用苯酚-次氯酸钠比色法，土壤酸性磷酸酶用磷酸苯二钠法测定。

1.4 数据处理

采用Excel 2010计算绘图、汇总数据，选择SPSS 20.0对所得数据进行单因素方差分析，最小显著差数法进行多重比较差异显著性检验（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田方式对土壤含水量的影响

从表1可以看出，在玉米生长阶段，3种模式土壤含水量变化趋势相同，表现为先增加后降低，而后又增加再降低，在拔节期最高，蜡熟期最低；苗期两种还田模式的土壤含水量都较对照低，但差异不显著；后期SF与FG都能显著提升土壤含水量，且SF与FG差异显著，玉米抽雄期SF、FG较CK分别显著增加33.57%、16.20%。由此可见，SF和FG都能够增加土壤含水量，且SF较FG增加作用更明显。

表1 不同秸秆还田方式对土壤含水量的影响 （%）

2.2 不同秸秆还田方式对土壤过氧化氢酶活性的影响

由图1可得，随着玉米的生长过氧化氢酶活性变动较明显，3种模式都表现为先增加后下降，在灌浆期最大。苗期3种模式间过氧化氢酶差异不显著；后期随着玉米的生长，苗期到灌浆期这段时间，酶活性增加倍数表现为SF＞FG＞CK，且抽雄期SF和FG较CK都显著增加了14.91%、9.29%，灌浆期分别较CK显著增加了12.37%和6.02%，但两种还田处理间差异不显著；在蜡熟期3种模式过氧化氢酶活性均降低。因此可见，SF和FG都能够提高土壤过氧化氢酶活性，以SF提高效果最显著。

图1 不同秸秆还田方式对过氧化氢酶活性的影响

2.3 不同秸秆还田方式对土壤蔗糖酶的影响

由图2可知，在玉米生长过程中3种模式蔗糖酶活性变化一致，苗期到灌浆期先增加，灌浆期时为最大，之后又降低至最小，整个时期中以蜡熟期最低，各时期都表现为SF＞FG＞CK；在玉米5个生长时期中SF蔗糖酶活性显著高过CK；在苗期、拔节期和蜡熟期，FG与CK差异不明显，另外两个时期FG显著高过CK；抽雄期SF和FG较CK分别升高了32.20%和20.26%。由此可见，SF和FG都可以提高土壤蔗糖酶活性，且SF较FG提高作用更明显。

图2 不同秸秆还田方式对土壤蔗糖酶的影响

2.4 不同秸秆还田方式对土壤脲酶活性的影响

由图3可知，在玉米生长中3种模式脲酶活性变化一致，都表现为先增加后降低，于蜡熟期降至最低，以灌浆期最大；苗期和蜡熟期3个处理间脲酶活性差异不明显；在拔节期和抽雄期，SF显著高过CK，脲酶活性依次增长29.07%、20.89%，FG较CK脲酶活性分别增加了10.53%和5.84%，但差异不显著；灌浆期SF和FG之间脲酶活性差异显著，且都显著高于CK，与CK相比SF和FG分别增加了28.31%和10.15%。说明秸秆还田能够加速土壤中尿素转化和吸收，以采用深翻还田加速作用最强。

图3 不同秸秆还田方式对土壤脲酶活性的影响

2.5 不同秸秆还田方式对土壤酸性磷酸酶的影响

土壤酸性磷酸酶直接参与有机磷分解和转化。由图4可知，在玉米生长过程中3种模式酸性磷酸酶活性变化一致，都表现为先增加后降低，以灌浆期最高，蜡熟期减小至最低；随不同秸秆还田方式，磷酸酶活性表现为SF＞FG＞CK；在5个时期中除灌浆期外FG和CK的酸性磷酸酶差异不显著；SF与CK除了在苗期差异不显著，其它4个时期SF与CK间差异显著；抽雄期SF和FG较CK升高19.79%和8.59%。因此SF较FG能够更显著提高土壤磷酸酶活性。

图4 不同秸秆还田方式对土壤酸性磷酸酶活性的影响

2.6 秸秆还田方式对土壤养分的影响

由表2可知，3种模式中土壤养分含量在玉米生育期内均表现为先增加后降低，且最高值都在抽雄期，但土壤全氮、全钾和速效钾含量的最小值出现在苗期，碱解氮和有效磷含量的最小值在蜡熟期。在抽雄期，土壤全氮、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量SF模式较CK分别显著增加14.37%、10.05%、3.30%、5.31%和5.24%；而FG较CK依次显著增加5.99%、5.54%、3.09%、2.08%和2.52%。表明秸秆还田可以增加土壤养分含量，且以深翻还田增加最显著。

表2 不同秸秆还田方式对土壤养分含量的影响

2.7 秸秆还田方式对玉米产量的影响

通过表3对比分析各处理产量构成因素可知，秸秆深翻还田、覆盖还田与秸秆不还田处理间穗行数、行粒数、百粒重差异都不显著；根据方差分析SF和FG较CK显著增加穗粒重，分别比CK高3.64%和2.93%；分析产量数据发现SF较CK显著增加了5.59%，FG较CK增加了2.39%，但差异不明显；所以SF和FG都有利于增加玉米产量，且两种还田模式间差异不显著。

表3 不同秸秆还田方式对玉米产量及产量构成因素的影响

3 讨论

3.1 不同秸秆还田方式的土壤含水量状况及影响因素

植物吸收土壤养分的难易程度，既由土壤胶体中速效养分浓度决定，还有赖于迟效养分的有效化进程，而这两个因素都由土壤含水量和土壤酶活性决定［14］。徐莹莹等［15］研究发现，与秸秆不还田相比，还田能提升土层蓄水保墒能力，提高土壤含水量。本试验结果表明，秸秆深翻还田和覆盖还田均有利于增加土壤含水量，其中覆盖还田中秸秆是直接覆盖在土层表面上，可以减少水分蒸发、降低土壤容重，增加表层土壤孔隙度并提高土壤蓄水保墒能力，从而增加土壤含水量，而深翻还田一方面可以打破犁底层，对土层有疏松作用，提高土壤孔隙度，另一方面深翻还田形成的秸秆层能容纳大量雨水，从而更有利于水分保持在土壤中。

3.2 不同秸秆还田方式的土壤酶变化及影响因素

土壤酶活性与土壤理化特征、养分含量和耕作方式有着很紧密的联系，也是评价土壤供肥水平的关键因素［16］。赵亚丽等［17］研究发现各种秸秆还田方式都对土壤酶活性有增强作用，但不同方式增效各异。秸秆在进入土壤的初期，秸秆中的营养物质含量较多，随着玉米的生长，秸秆腐解的速度增加，引起秸秆营养成分含量不断降低，造成土壤酶活性会不断改变［18］。本试验也表明，随着玉米不断生长，各处理土壤酶活性随时间变化明显，均表现为先增加后降低，以灌浆期最大，蜡熟期最小。在深翻还田中因为秸秆在土层中，秸秆可以吸附更多的水分并增加有机质，且能够显著减少土壤水分蒸发，使得秸秆更容易腐解，从而增加土壤微生物和根系数量，进而使土壤中产生的土壤酶更多；覆盖还田时覆盖还田腐解率较低，使得土壤微生物及酶活性低于深翻处理。

3.3 不同秸秆还田对土壤养分含量的影响

在玉米生长初期，根系不发达，所需养分较少，同时施用的肥料会不断释放养分，使得前期土壤养分含量不断增加，后期玉米根系吸收养分的速率高于释放的速率，因此土壤养分在玉米生育期中表现为先增加后降低。秸秆还田后，秸秆与土壤接触面积越大，被微生物分解的机会更大，进而促进了土壤养分积累［19］，秸秆在腐解的过程中，能够增加土壤含水量、酶活性和微生物数量［20］，激活土壤中氮、磷和钾养分，进而提高速效性养分。因此本研究中秸秆深翻还田更有助土壤养分的增加。

3.4 不同秸秆还田方式对玉米产量的影响

秸秆深翻还田能够打破犁底层，提高土壤有机质并减少水分散失，使得玉米生长过程中水分充足，长势旺盛，从而增产显著［21］；且秸秆还田能够提高土壤酶活性，进而能够加快土壤生态系统中物质与能量的循环，从而提高土壤肥力，使得玉米生长过程中养分充足，玉米发育较好，更有利于产量增加［19］，本论文中秸秆深翻后对玉米根系生长和籽粒产量有更好的促进作用。

4 结论

本试验通过探索不同秸秆还田方式对土壤含水量、土壤酶活性、土壤养分含量和玉米产量的影响，分析在玉米不同生育时期的变化得出如下结论：（1）不同秸秆还田方式与秸秆不还田的土壤含水量随着玉米生长均表现为相同的变化趋势，在整个生育时期中，除了苗期秸秆还田土壤含水量低于不还田，其他时期秸秆还田对土壤含水量均有显著提高作用。（2）不同秸秆还田对土壤酶活性的提高有着显著的影响，在玉米生育期土壤酶活性均表现为先增加后降低的趋势，以灌浆期最大，蜡熟期最小。（3）不同秸秆还田对土壤养分的增加有显著作用，在玉米生育期内，均表现为先增加后降低。（4）不同秸秆还田对玉米产量均有增加作用。（5）秸秆深翻还田较秸秆覆盖还田更有利于增加土壤水分，提高土壤酶活性，进而提高土壤养分含量和玉米产量，因此可作为当地玉米田秸秆还田方式的首选模式。