成都平原冲积水稻土土壤酶活性对轮作模式与长期秸秆还田的响应

杨琼会，樊红柱，李富程，曾祥忠，周子军，秦鱼生

(1.西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621000；2.四川省农业科学院土壤肥料研究所，四川 成都 610066)

【研究意义】秸秆还田是增加土壤养分含量，提升土壤肥力的有效措施。研究显示秸秆还田引起土壤中养分含量变化的同时也会导致土壤酶活性发生变化[1-4]。土壤酶活性是反映土壤肥力及养分循环的重要生物学指标之一，例如土壤β-葡萄糖苷酶(β-GC)、脲酶(UR)、酸性磷酸酶(ACP)、β-1,4-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和荧光素二乙酸酯水解酶(FDA水解酶)与土壤中碳、氮、磷等营养元素的转化与代谢密不可分[5-8]。【前人研究进展】土壤酶活性受土壤施肥及作物轮作模式等人为因素影响[9]。刘兰清等[10]在陕西关中平原进行的小麦-玉米轮作试验表明秸秆还田并配施化肥能有效提高土壤脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性，且土壤酶活性均与土壤养分含量呈正相关。黄容等[11]在西南丘陵山区进行的水稻-儿菜轮作试验表明秸秆还田配合减量施肥后土壤养分含量提升，土壤脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶活性均高于秸秆不还田处理，且酶活性随还田时限延续而增强。周东兴等[12]在东北进行的玉米-大豆轮试验表明有机肥与无机肥配施处理可显著提高土壤微生物生物量碳氮及土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性。邓欧平等[13]在成都平原进行的水稻-小麦轮作试验表明秸秆还田处理的土壤脱氢酶、脲酶、蔗糖酶和中性磷酸酶活性均高于化肥处理，且磷酸酶活性显著提高。前人有关土壤酶活性的研究主要集中在单一轮作模式或秸秆还田，而有关不同轮作模式结合秸秆还田对土壤酶活性影响研究相对较少[14]。【本研究切入点】本文以成都平原12年长期定位试验为平台，开展水稻-小麦轮作和水稻-油菜轮作下秸秆还田对土壤酶活性影响研究。探讨土壤酶活性对轮作模式和长期秸秆还田的响应特征。【拟解决的关键问题】此研究结果为成都平原冲积水稻土合理施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

长期水稻-小麦轮作和水稻-油菜轮作定位试验位于四川省广汉市西高镇，属中亚热带湿润季风气候区，干湿明显，年平均气温16.3 ℃，年平均降水量890.8 mm，平均日照时数1229.2 h，平均无霜期281 d。两个长期定位试验供试土壤均为灰棕冲积水稻土，开始于2005年水稻季；水稻-小麦轮作试验前耕层(0～20 cm)土壤主要理化指标分析结果为：pH 5.5、容重1.2 g/cm3、有机碳31.3 g/kg、全氮2.0 g/kg、碱解氮189.8 mg/kg、全磷0.45 g/kg、速效磷12.6 mg/kg、全钾7.69 g/kg、速效钾73.9 mg/kg。水稻-油菜轮作试验前耕层(0～20 cm)土壤主要理化指标分析结果为：pH 6.01、容重1.2 g/cm3、有机碳27.5 g/kg、全氮2.08 g/kg、碱解氮149.86 mg/kg、全磷0.55 g/kg、有效磷10.26 mg/kg、全钾7.19 g/kg、速效钾100.6 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用水稻-小麦和水稻-油菜一年两熟轮作模式，分别在两种轮作模式下设秸秆不还田和还田共4个处理，不同处理的具体施肥量见表1。每个处理3次重复，每个小区面积为3 m ×4 m = 12 m2，小区随机排列。除第一年试验开始时(2005年5月水稻季)的水稻季没有秸秆覆盖外，随后的每季试验前茬作物秸秆全量还田于本小区。本试验氮肥为尿素(含N 46 %) ，磷肥为磷酸一铵(含N 10 %、P2O540 %) 、钾肥为氯化钾(含 K2O 60 %) 。每季具体施肥方式为：水稻季70 % 氮肥、100 % 磷肥和50 % 钾肥作为底肥施用，剩余30 % 氮肥和50 %钾肥在秧苗移栽后7～10 d撒施；小麦季30 % 氮肥、100 % 磷肥和50 % 钾肥作为底肥施用，剩余70 %氮肥和50 %钾肥作分蘖肥；油菜季60 % 氮肥、100 % 磷肥和50 %钾肥作为底肥施用，剩余40 %氮肥和50 %钾肥在抽薹期窝施。供试水稻品种为川香9838，于每年5月中下旬移栽，9 月上旬收获；小麦品种为川麦42，每年11月上旬播种，翌年5月中下旬收获；油菜品种为当地主栽品种，于每年10月中旬移栽，翌年5月中下旬收获。作物生长期间，按照常规方法进行除草和病虫害防治。

表1 不同轮作模式和秸秆还田下作物施肥量Table 1 Amount of fertilization under different treatments (kg/hm2)

1.3 样品采集与分析

2016年水稻收割后分别采集不同处理试验地耕层(0～20 cm)混合土壤样品，1 份土样保存新鲜样品测定土壤酶活性，另 1 份土样自然风干后剔除作物根系、残茬等，过2 mm 筛测定土壤养分。土壤样品pH采用电位法，有机碳采用重铬酸钾容量法、碱解氮采用碱解扩散法、有效磷采用碳酸氢钠—钼锑抗比色法、速效钾采用采用醋酸铵浸提—火焰光度计法、全氮采用凯氏定氮法、全磷采用硫酸高氯酸消煮-钼锑抗比色法、全钾采用火焰光度法[15]。土壤β-葡萄糖苷酶(β-GC)、脲酶(UR)、酸性磷酸酶(ACP)、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、荧光素二乙酸酯水解酶(FDA水解酶)均使用苏州科铭生物技术有限公司的试剂盒，采用微量法测定[16]。

1.4 统计分析

运用单因素LSD多重比较(P<0.05)分析不同轮作模式和长期秸秆还田处理下土壤酶活性及土壤养分差异，采用冗余分析(RDA)探索土壤酶活性对土壤养分的响应关系，RDA排序轴图由CanoDraw 4.14生成。

2 结果与分析

2.1 轮作模式与秸秆还田对土壤酶活性的影响

不同种类土壤酶活性对轮作模式和秸秆还田的响应特征存在显著差异(图1)。水稻-小麦轮作，长期秸秆还田(12年)处理(T2)的FDA水解酶活性相比秸秆不还田处理(T1)显著增强(P<0.05)，前者比后者增大26.1 %；但β-GC、UR、ACP和NAG活性两者均无明显差异，其中，β-GC、UR和ACP活性T2处理分别比T1处理增加13.3 %、2.6 %和2.4 %，NAG活性T2处理比T1处理减弱1.6 %。水稻-油菜轮作，长期秸秆还田处理(T4)的β-GC、UR、ACP、NAG和FDA水解酶活性与秸秆不还田处理(T3)相比均无显著差异，这5种酶T4处理分别比T3处理提高了29.6 %、12.1 %、8.9 %、16.3 %和8.6 %。比较水稻-小麦轮作与水稻-油菜轮作可以发现，水稻-小麦轮作下土壤中β-GC活性显著低于水稻-油菜轮作(P<0.05)，而UR活性水稻-小麦轮作显著高于水稻-油菜轮作，轮作模式对土壤ACP、NAG和FDA水解酶活性无显著影响。水稻-小麦轮作下土壤β-GC、ACP和NAG活性分别比水稻-油菜轮作低了44.8 %、5.6 % 和10.5 %，而UR和FDA水解酶活性分别比水稻-油菜轮作提高了44.9 % 和25.8 %。

2.2 轮作模式与秸秆还田对土壤养分的影响

不同轮作模式和长期秸秆还田对土壤养分影响显著(表2)。水稻-小麦轮作，长期秸秆还田处理(T2)的土壤pH、有机碳、碱解氮和有效磷含量显著高于秸秆不还田处理(T1，P<0.05)，而全氮、全磷、全钾和速效钾含量无显著差异。T2处理的土壤全氮含量比T1处理减少4.7 %，而pH、有机碳、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别比T1处理提高5.1 %、27.0 %、19.6 %、1.4 %、20.8 %、59.4 %和0.6 %。对于水稻-油菜轮作，T4处理的土壤pH、有机碳、全氮、碱解氮和速效钾含量均显著高于T3处理(P<0.05)，而全磷、全钾和有效磷含量均无显著差异；T4处理的土壤pH、有机碳、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别比T3处理提高4.7 %、26.9 %、11.4 %、14.9 %、1.3 %、19.9 %、6.8 %和14.5 %。比较水稻-小麦轮作与水稻-油菜轮作可以发现，水稻-小麦轮作下土壤pH、有机碳、全磷、全钾、碱解氮和有效磷含量分别比水稻-油菜轮作提高0.2 %、9.2 %、9.8 %、6.8 %、29.3 %和13.0 %，但全氮和速效钾含量分别下降了5.7 %和20.2 %。

表2 轮作模式与秸秆还田对土壤肥力的影响Table 2 Effects of rotation patterns and straw returning on soil fertility

对于水稻-小麦轮作，与背景土壤相比，T2处理土壤pH和全氮含量分别下降9.8 %和19.0 %，有机碳、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾分别提高25.1 %、35.6 %、82.4 %、17.0 %、125.7 %和5.2 %；T1处理土壤pH、有机碳、全氮、碱解氮分别下降14.2 %、1.5 %、15 %、3.1 %，土壤全磷、全钾、有效磷和速效钾分别提高13.3 %、80.0 %、41.6 %和4.5 %。对于水稻-油菜轮作，与背景土壤相比，T4处理土壤pH、全氮、全磷分别降低17.8 %、11.1 %和1.8 %，有机碳、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾分别提高30.4 %、82.6 %、14.2 %、106.0 %和3.1 %；T3处理土壤pH、全氮、全磷、碱解氮和速效钾分别下降21.5 %、20.2 %、14.5 %、4.8 % 和10.0 %，有机碳、全钾和有效磷分别提高2.7 %、80.3 %和92.9 %。

2.3 土壤酶活性与土壤养分关系分析

由图2可以看出，RDA1轴和RDA2轴对土壤酶活性变异程度的解释率分别为74.8 %和21.0 %，两轴总解释率达到95.8 %，表明采用冗余分析研究土壤酶活性与土壤养分之间的关系是可靠的。T1、T2、T3和T4处理分别处于4个不同象限，表明不同处理间差异显著，T2处理对FDA水解酶影响最大，T4处理对ACP影响最大，T1和T3处理对酶活性影响较小。同时，不同酶均与土壤pH呈正相关关系，UR和FDA水解酶均与土壤有机碳、全磷、全钾、碱解氮和有效磷呈正相关关系，β-GC与土壤全氮和速效钾呈正相关关系，ACP和NAG均与有机碳、全氮、全磷、有效磷速效钾呈正相关关系。对土壤养分转化影响较大的酶活性因子为：β-GC和FDA水解酶(R2>0.90，P<0.05，表3)。

表3 土壤酶活性与土壤养分含量的显著性分析Table 3 Significance analysis of soil enzyme activity and soil nutrient content

3 讨 论

本研究结果显示，无论是水稻-小麦轮作还是水稻-油菜轮作，长期秸秆还田(12年)对土壤β-GC、UR、ACP和NAG活性影响较小，这与以往秸秆还田显著提高土壤酶活性的研究结果不一致[10-13,17]。这种差异可能源于秸秆还田方式和保护性耕作模式以及土壤类型不同。本试验将秸秆直接覆盖在土壤表面，未进行翻埋处理，胡乃娟等[17]是将秸秆进行了翻埋处理。秸秆直接覆盖在土壤表面，使得土壤养分主要集中在土壤表层(0～5 cm)，表层秸秆的分解为微生物提供了大量碳源，激发了表层土壤酶活性。本试验采集的是0～20 cm混合土样，酶活性变化较小。同时，本试验采用长期免耕的保护性耕作方式，长期免耕的土壤缺乏扰动，土壤颗粒之间排列更加紧实，土壤紧实度和容重增加导致水气交换条件变差，这些因素均不利于微生物生长繁殖。唐玉姝等[18]在太湖地区进行的稻-麦轮作长期定位试验的土壤为重壤质黄泥土，而本试验中所涉及土壤为灰粽冲积水稻土，这两种不同类型的土壤在结构和理化性质等方面存在差异。

4 结 论

在成都平原冲积水稻土上，长期水稻-小麦轮作土壤β-GC酶活性显著低于水稻-油菜轮作，UR活性水稻-小麦轮作显著高于水稻-油菜轮作。秸秆还田对耕层(0～20 cm)土壤中β-GC、UR、ACP和NAG酶活性影响较小，水稻-小麦轮作秸秆还田土壤FDA水解酶活性显著高于秸秆不还田处理，这可能与本试验秸秆未粉碎直接覆盖表土还田和采取免耕保护性耕作方式有关。不考虑秸秆还田水稻-小麦轮作下，土壤pH、有机碳、全磷、全钾、碱解氮和有效磷含量均比水稻-油菜轮作高，全氮和速效钾均比水稻-油菜轮作低。长期秸秆还田后，除水稻-小麦轮作土壤全氮含量降低4.7 %外，土壤pH、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮、全磷、全钾含量比秸秆不还田处理均有不同程度增加。土壤β-GC和FDA水解酶可以作为关键酶活性因子表征稻田养分周转。