秸秆还田对棕壤酶活性的影响

摘 要：为实现秸秆循环利用，提升农田土壤肥力，选择辽宁地区典型棕壤实施秸秆不还田、秸秆粉碎还田、生物炭还田、牛粪还田、粉碎秸秆＋生物炭混合还田、粉碎秸秆＋牛粪混合还田、生物炭＋牛粪混合还田，以探究在不同还田时长下这7种秸秆还田方式对棕壤酶活性的影响。结果表明：相较于还田2个月，还田18个月后的土壤脲酶、蔗糖酶活性显著增加，而土壤磷酸酶和过氧化氢酶活性分别显著降低了52%，72%。还田2个月后，相较于秸秆不还田，6种还田方式对土壤酶活性影响不显著，仅秸秆粉碎还田处理下土壤磷酸酶活性显著增加，约增加72%;而还田18个月后，秸秆粉碎还田处理对土壤蔗糖酶活性无显著影响，但脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性分别显著增加94%，101%，23%。土壤酶活性与土壤理化性质的线性关系随还田时间的增加而增强。秸秆还田时间对土壤磷酸酶和过氧化氢酶活性的方差解释量最大，秸秆还田方式对蔗糖酶活性的方差解释量最大，二者交互作用对土壤脲酶活性的方差解释量最大。本研究结果表明，秸秆粉碎直接还田在激发棕壤酶活性和改良棕壤质量方面效果较为明显。

关 键 词：秸秆还田; 生物炭; 牛粪; 土壤酶活性; 棕壤

中图分类号：S153 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1673-5862.2023.06.004

Effects of straw returning on enzyme activity in brown soils

KONG Jianjian¹， LIU Xiaoqing¹， YANG Yang¹， SUN Guangji¹， QI Nan²

（1. College of Life Science， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China; 2. Department of Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract：To achieve straw recycling and improve farmland soil fertility， typical brown soils in Liaoning Province were sampled to explore the effects of the straw returning methods on brown soil enzyme activities during different returning time by conducting no straw adding， crushed straw returning， biochar returning， cattle manure returning， straw+biochar mixed returning， straw+cattle manure mixed returning and biochar+cattle manure mixed returning. Compared to the 2-month-post-returning soils， soil urease and invertase activities increased significantly in the 18-month-post-returnning soils， while soil phosphatase and catalase activities significantly decreased by 52% and 72%， respectively. In the 2-month-post-returning soils， straw returning methods exerted no effects on soil enzyme activities relative to the no straw adding， and only crushed straw returning treatment significantly increased soil phosphatase activity approximately 72%. In the 18-month-post-returnning soils， crushed straw returning showed no significant effect on soil invertase but significantly increased soil urease， phosphatase and catalase activities by 94%， 101% and 23%， respectively. The linear relationship between soil enzymes activities and soil properties became stronger over time. Straw returning time explained the largest part of the variance in soil phosphatase and catalase activities and straw return method explaining the largest part of the variance in soil invertase activities. Their joint effects explained the largest proportion of the variance in soil urease. Our results indicated that crushed straw returning had obvious effects in stimulating the enzyme activity of brown soils and improving the soil quality.

Key words：straw returning; biochar; cattle manure; soil enzymatic activity; brown soils

作物秸秆是农业生产的主要废弃物。据统计，目前我国每年农业约产生9亿吨秸秆，其综合利用率仅为77.8%，剩余秸秆多被当作燃料或露天焚烧，这不仅会造成资源浪费，还会对生态环境造成诸多不良影响^［1］。随着可持续发展和绿色发展理念的持续深入，以秸秆还田为主的保护性耕作技术在我国得到广泛的推广应用。秸秆含有农作物必需的C， N， P等营养元素，还田后的秸秆在改变土壤理化性质、激发土壤酶活性、提高养分含量等方面有巨大潜力^［2-3］。目前，作物秸秆还田已成为农业废弃物资源化利用的重要措施之一^［4］，同时， 作物秸秆还田也是增加农田土壤固碳量的重要途径。

土壤酶主要来源于植物残体、植物根系、微生物等^［5］，参与土壤内部所有的C，N，P循环及养分转化过程^［6-8］，可以反映土壤养分条件，是评价土壤肥力水平的重要指标之一^［9-10］。关于秸秆还田方式对土壤酶活性影响的研究已取得了一些进展，这些研究主要集中在秸秆直接还田、炭化还田、过腹还田对土壤酶活性的影响^［11-13］。一些研究指出，秸秆直接还田或炭化还田均可以提高脲酶活性、蔗糖酶活性^［14］及磷酸酶活性^［15］;另有一些研究表明，生物炭可以改善土壤内部结构，保持土壤水分，生物炭施用能提高与N，P循环相关的土壤酶活性^［16］，但会抑制参与土壤碳矿化过程的土壤酶活性^［17］。此外，一些学者研究了牛粪还田对土壤酶活性的影响，发现牛粪施入土壤后，土壤肥力和脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性均明显增加^［18-20］。上述研究多集中在单一秸秆还田方式对土壤酶活性的影响，但多种还田方式的交叉使用对土壤酶活性有何影响还有待探究。

东北地区是我国重要的玉米种植区，每年产生大量秸秆废弃物，同时由于多年的高强度开发利用，该区域土壤出现肥力衰退的现象。为遏制土壤质量退化，减少农业秸秆废弃物，秸秆还田已成为东北地区实施保护性耕作的重要举措。客观评价秸秆还田方式对土壤酶活性的影响，有助于深化理解秸秆还田对农田土壤变化过程的影响，在提高秸秆综合利用率和为农业生产者选择合理的农田管理方式等方面具有重要的实践意义。基于此，本研究在鞍山市台安县进行短期田间定位试验，研究不同还田时长下实施秸秆不还田、秸秆粉碎还田、生物炭还田、牛粪还田、粉碎秸秆＋生物炭混合还田、粉碎秸秆＋牛粪混合还田、生物炭＋牛粪混合还田7种秸秆还田方式对土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性的影响。本研究拟解决不同还田时长下秸秆还田方式如何影响土壤酶活性和秸秆还田方式与还田时长对土壤酶活性影响的相对重要性2个关键问题。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点位于辽宁省鞍山市台安县，地处辽宁省中部略偏西南，辽河三角洲腹地，介于东经122°11′～122°40′，北纬41°01′～41°34′，境内无山，地势平坦，河道纵横，北高南低，平均海拔6～7m。该区属于暖温带大陆性季风气候，年平均气温为8.2℃，年平均降水量为650～750mm。土壤类型以黑壤土和砂壤土为主，土壤有机质平均含量低于全省平均水平。台安县玉米种植面积为5万hm²，占可耕地面积的60%。农田管理方式为春季4月底至5月初土壤施肥浅耕，而后进行机械播种，秋季收获后，秸秆均移出农田，没有采取秸秆覆盖保护措施。

1.2 试验设计及样品采集

本研究在台安县毛家村选择典型棕壤玉米种植区设置试验区，于2021年4月中旬，玉米春季种植前，开始布设试验，共设置3种还田物质：秸秆、生物炭、牛粪。其中，秸秆全部碎化还田（长度＜10cm，直径＜0.1cm），生物炭为2020年秋季收集的该样地玉米秸秆，经过高温450℃制备，牛粪为农家湿牛粪。共设置7个处理（表1），4个重复，总共28个试验小区，小区大小为40m²（5m×8m）。试验区化肥施用量与该区域常规施用量相同，一般在初级播种前一次性施用复合肥（氮14%、磷22%、钾14%），用量为750kg·hm^-2。供试材料基本理化性质见表2。

分别于2021年6月中旬、2022年10月上旬，在试验区的各处理小区按照五点取样法采集0～20cm 耕层的土壤样品，并去除样品中的杂质，然后将该试验小区内的5个采集点的土样混匀成一个样品，放置于自封袋中，当天采集完毕后带回实验室进行处理。此外，在每个小区用环刀采集3个样品用于测定土壤容重。

1.3 测试指标及方法

土样带回实验室后，全部过2mm筛，去除杂质，一部分放置冰箱冷藏，用于土壤含水量、pH、微生物生物量磷的测定;另一部分在阴凉处风干，用于土壤酶活性测定，另外研磨过100目筛，测定土壤总有机碳、全氮、全磷。

土壤酶活性测定参照关松荫^［21］的相关方法：土壤脲酶活性测定采用苯酚钠-次氯酸钠比色法;磷酸酶活性测定采用磷酸苯二钠比色法;蔗糖酶活性测定采用3，5-二硝基水杨酸比色法;过氧化氢酶活性测定采用高锰酸钾滴定法。土壤含水量、pH、容重、总有机碳、全氮、全磷、微生物生物量磷均按照土壤农业化学分析方法进行测定^［22］。

1.4 数据处理

首先，采用单因素方差分析检验秸秆处理方式和还田时长对土壤酶活性、理化性质的影响，采用Fisher’s LSD 检验处理组间的差异，统计显著性水平为0.05;其次，采用简单线性回归分析土壤理化性质指标与土壤酶活性间的相关关系;最后，采用方差分离方法分析秸秆还田方式、还田时长及二者交互作用对土壤酶活性影响的相对重要性。所有数据分析均在SPSS 20.0和R4.1.0软件中完成。

2 结果与分析

2.1 还田时间与还田方式对土壤理化性质的影响

相较于还田2个月，还田18个月后土壤含水量和总有机碳含量有所增加，但差异并不显著，其土壤pH和全氮含量显著增加，但土壤容重、全磷、微生物生物量磷却在还田18个月后显著降低，分别显著减少了6.1%，51.1%和86.4%（表3）。

还田2个月后，与对照相比，牛粪、秸炭、秸粪还田处理显著提高了土壤含水量;土壤pH仅在秸炭还田处理下显著降低，全氮含量仅在生物炭还田处理下显著降低，而微生物生物量磷仅在牛粪还田处理下显著增加;除秸炭还田处理外，其余5种处理方式均可以降低土壤容重;全磷含量在生物炭、牛粪还田处理下显著增加，总有机碳在各个处理下均无显著性差异（表4）。

注： 各指标单位见表3。

还田18个月后，土壤含水量、pH、容重、全磷、微生物生物量磷在各还田方式间均无显著差异;秸秆粉碎还田处理下土壤总有机碳含量显著高于生物炭、牛粪、秸炭、秸粪还田处理，但与对照、炭粪还田处理间差异不显著;生物炭还田处理下土壤全氮含量显著低于对照，其他还田方式与对照间差异不显著（表5）。

2.2 还田时间与还田方式对土壤酶活性的影响

相较于还田2个月，还田18个月后的土壤脲酶和蔗糖酶活性显著增加，分别增加了55.6%， 25.4%（图1（a）、图1（c））;而土壤磷酸酶和过氧化氢酶活性分别显著减少了52.3%和72.4%（图1（b）、图1（d））。

还田2个月后，各还田处理方式下的土壤脲酶活性、蔗糖酶活性均无显著差异（图2（a）、图2（c））。秸秆粉碎还田处理下磷酸酶活性最高，为（0.62±0.07）mg·g^-1·d^-1，且显著高于对照、 秸粪 、炭粪还田处理，分别增加了72.2%， 100%， 93.8%;但与秸炭、牛粪和生物炭还田处理间差异不显著（图2（b））。炭粪还田处理下土壤过氧化氢酶活性最高，达到（20.09±0.39）mg·g^-1·20min^-1，分别显著高于添加秸秆、秸炭、牛粪、生物炭还田处理，但与对照和秸粪还田处理间差异不显著;生物炭还田处理下过氧化氢酶活性最低，为（10.78±1.43）mg·g^-1·20min^-1，并与秸粪、炭粪还田处理间差异显著（图2（d））。

还田18个月后，秸秆粉碎还田处理下的脲酶活性最高，达到（0.8±0.04）mg·g^-1·d^-1，显著高于对照、生物炭、牛粪、秸粪、 炭粪和秸炭还田处理（图3（a））。秸秆还田方式显著影响磷酸酶活性，在秸秆粉碎还田处理下其活性最高，且显著高于对照、 生物炭、秸粪、秸炭、 炭粪还田处理，但与牛粪还田处理差异不显著（图3（b））。蔗糖酶在秸秆粉碎还田处理下活性最高，与对照、牛粪还田处理间差异不显著，但却显著高于秸粪、秸炭、生物炭和炭粪还田处理，分别增加了38.5%， 45.7%， 55.3%， 53.2%（图3（c））。过氧化氢酶在秸秆粉碎还田处理下活性最高，分别显著高于对照、生物炭和炭粪还田处理的22.9%， 32.3%， 26.5%，但与秸粪、秸炭和牛粪还田处理间均无显著差异（图3（d））。

2.3 土壤性状指标与酶活性间的线性回归关系

还田2个月后，土壤含水量与脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性间均不存在显著线性关系，但与过氧化氢酶活性呈极显著线性关系;土壤pH与脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性之间均不存在显著线性关系，但与过氧化氢酶活性呈极显著线性关系;土壤容重、总有机碳、全氮与土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性之间均不存在显著线性关系;土壤全磷、微生物生物量磷与脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性之间均不存在显著线性关系，但都与过氧化氢酶活性呈极显著线性关系（表6）。

还田18个月后，土壤含水量、容重与脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性之间均不存在显著线性关系;土壤pH与脲酶活性呈显著线性关系，与磷酸酶活性不存在显著线性关系，而与蔗糖酶和过氧化氢酶活性之间均呈极显著线性关系;土壤总有机碳与脲酶、蔗糖酶活性之间均呈极显著线性关系，与磷酸酶、过氧化氢酶活性之间不存在显著线性关系;土壤全氮与脲酶、蔗糖酶活性之间呈极显著线性关系，与磷酸酶、过氧化氢酶活性之间呈显著线性关系;土壤全磷与脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性之间均呈显著线性关系，但与过氧化氢酶活性不存在显著线性关系;土壤微生物生物量磷与脲酶、过氧化氢酶活性呈显著线性关系，与磷酸酶、蔗糖酶活性不存在显著线性关系（表7）。

2.4 还田时间与还田方式对土壤酶活性影响的相对重要性

方差分离结果表明，还田时间、还田方式及其交互作用对土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性的方差总解释量分别为78.7%， 81%， 65.3%， 91.7%（图4（a）～图4（d））。其中，还田时间对土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性的解释量分别为24.7%， 52.1%， 26.7%， 75.2%;秸秆还田方式对这4种酶活性的方差解释量分别为23.5%， 24.1%， 31.7%， 7.9%;二者交互作用对其方差解释量分别为30.5%， 4.8%， 6.9%， 8.6%。

3 讨 论

研究结果表明，秸秆还田时长对土壤各种酶活性的影响存在一定的差异。相较于还田2个月，还田18个月后土壤脲酶活性显著增加，这可能与这2个时间段玉米作物对土壤氮的吸收利用有关。还田2个月后玉米处于苗期，秸秆正处于腐解阶段，微生物代谢活动与作物生长存在氮素竞争，使得该时期土壤有效氮含量下降，进而可能会抑制脲酶活性^［23］;还田18个月后，玉米已至收获期，部分分解的根茬、落叶等植物残体会增加土壤微生物数量及多样性，进而提高氮素转化能力^［24］。本文中，随着还田时间的延长，土壤磷酸酶活性显著降低，这可能与试验期间过多的降雨有关。经样地实地调查发现，秸秆4月还田至秋季10月期间（6～9月）平均每月降水约12d，7月份降雨量高达18d。王月等^［25］研究发现，降雨会造成土壤磷流失，进而可能引起土壤磷酸酶活性降低。与还田2个月相比，还田18个月后的土壤蔗糖酶活性显著增加，这与之前的研究结果相一致^［26-27］。还田2个月后的过氧化氢酶活性比还田18个月后要高，这可能与农作物根系生长有关。众所周知，农作物生长过程中根系的分泌物可制造一些过氧化氢酶，而还田2个月后正是玉米苗期生长的旺盛阶段，其根系生长较为迅速;而还田18个月后，玉米已处于收获期，玉米根系停止生长，甚至出现了大部分死亡的现象，所以此阶段根系产生的过氧化氢酶较少。

土壤酶活性对外界环境干扰较为敏感^［28］。本研究表明，秸秆还田方式对土壤各种酶活性的影响存在一定差异。还田2个月后，秸秆还田方式对土壤脲酶活性无显著影响;秸秆直接还田显著提高了土壤磷酸酶活性，其他还田方式对土壤磷酸酶活性影响不显著，这与之前的研究结果相一致^［29］。这可能是因为秸秆腐解会引起土壤微生物对有效磷的需求量增加，在磷酸盐缺乏的条件下，磷酸酶基因大量转录从而翻译合成土壤磷酸酶^［30］。而牛粪、生物炭等外源物料均呈碱性，施入土壤中会显著提高土壤pH^［31］，不利于中性磷酸酶活性激发。相比于其他还田方式，秸秆直接还田最大程度上提高了土壤蔗糖酶活性，但差异并不显著，这可能与短期内秸秆快速腐解有关。李祥等^［32］研究发现，由于6～8月地表温度较高，雨水充足，微生物生长繁殖速度加快，所以6～8月秸秆腐解速度最快。秸秆快速腐解不利于土壤有机质积累，进而导致与碳降解相关的蔗糖酶活性增加不显著。而6月份玉米苗正处于拔节期，作物会与土壤微生物竞争大量养分，也会抑制蔗糖酶活性。生物炭与牛粪混施处理下的过氧化氢酶活性最高且显著高于单施生物炭或牛粪还田处理，这可能是因为生物炭与牛粪混施大大增加了土壤根系活力及有益微生物数量^［33］。众所周知，土壤过氧化氢酶主要来源于土壤微生物和植物根系分泌物。王芬等^［33］研究发现，牛粪对有益微生物数量的提高效果优于生物炭，且二者联合效果更好;生物炭与牛粪混施处理下根际活力达到最高，显著高于单施牛粪或生物炭处理。

研究结果表明，还田18个月后，秸秆直接还田相比其他还田方式显著提高了土壤脲酶活性，这可能与秸秆长期还田向土壤中补充了大量氮素有关。任德芹^［34］经过10年的秸秆还田试验发现，在考虑秸秆还田量及还田类型差异的情况下，10年间土壤全氮含量显著增加。郭振威等^［35］研究了棉花秸秆还田对棉花各生育期土壤酶活性的影响，发现碱解氮、全氮含量的增加会明显提高脲酶活性。与对照相比，其余6种秸秆还田处理方式均不同程度上提高了土壤磷酸酶活性，但仅秸秆直接还田处理下磷酸酶活性显著提高，这与之前的研究结果相一致^［36-37］。相较于生物炭还田，秸秆直接还田显著提高了蔗糖酶活性，原因可能是秸秆直接还田腐解后，腐解产物在较长时间内转化成稳定的碳源并直接补充至土壤，进而促使土壤微生物分泌了更多的碳并转化为相关酶^［38］。此外，生物炭还田对土壤蔗糖酶活性影响不显著，其原因可能是生物炭易分解，因而含量较低，其并不能作为长期促进土壤微生物活性的可利用底物，从而无法诱导酶活性提高^［39］。众多研究表明，生物炭孔隙结构可通过吸附底物或酶限制酶促反应，进而阻碍酶活性，且生物炭施用量也是影响酶活性的重要因子^［40-41］。相较于生物炭还田，秸秆直接还田可显著提高过氧化氢酶活性，这可能是因为生物炭的pH较高，添加生物炭可改变土壤酸碱环境，进而对过氧化氢酶活性产生抑制作用^［42］。

本研究结果表明，土壤脲酶活性主要受还田时间与还田方式交互作用的影响，其活性随还田时长增加而增加，这表明短期秸秆还田对土壤脲酶活性的影响较小。磷酸酶活性主要受还田时间的影响，原因可能是随着玉米的生长，秸秆腐解速率逐渐减慢，向土壤中提供的营养物质磷减少，从而降低了土壤磷酸酶活性^［43］。还田方式是影响土壤蔗糖酶活性最为重要的因子，而二者交互作用影响最小，这是因为秸秆还田能增加土壤有机碳含量，无论是哪种秸秆还田方式均是补充土壤碳组分的重要外在途径^［44］。还田时间、还田方式及二者交互作用对过氧化氢酶活性的方差总解释量超过90%，其中，还田时间对过氧化氢酶活性影响最大，这是因为不同生育期植物代谢强度不同，植物的凋落物及根系分泌物等直接影响过氧化氢酶活性变化^［45］。

4 结 论

本研究表明，不同秸秆还田方式对土壤酶活性影响不同，且这种影响随秸秆还田时间而变化。短期秸秆还田对土壤磷酸酶和过氧化氢酶活性激发作用明显。与短期秸秆还田相比，较长时间的秸秆还田对土壤脲酶和蔗糖酶活性激发作用较为明显，但会显著抑制土壤磷酸酶和过氧化氢酶活性。各秸秆还田方式还能通过改变土壤理化性状来影响土壤酶活性。秸秆直接还田对该地区土壤酶活性的影响最为明显，而生物炭和牛粪虽也可在一定程度上提高土壤酶活性，但效果并不明显。因此，选择秸秆处理方式时，不仅要考虑各处理方式对改善土壤肥力的效果，还要考虑土壤本身的理化性质、各秸秆还田处理下的变化机制及该地区的气候变化。

致谢： 感谢沈阳师范大学重大孵化项目（ZD202301）的支持。

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