稻草还田对土壤脲酶活性及土壤溶液无机氮含量影响

马春梅，王家睿，战厚强，闫　超，颜双双，王　亮（.东北农业大学农学院，哈尔滨　50030；.北大荒垦丰种业股份有限公司水稻分公司，黑龙江　佳木斯　54007）



稻草还田对土壤脲酶活性及土壤溶液无机氮含量影响

马春梅1，王家睿1，战厚强1，闫超1，颜双双1，王亮2
（1.东北农业大学农学院，哈尔滨150030；2.北大荒垦丰种业股份有限公司水稻分公司，黑龙江佳木斯154007）

摘要：试验针对我国寒地水稻种植区，采用室外连续多年稻草还田小区和室内培养方式，研究水稻种植条件与非种植条件下稻草还田对土壤脲酶活性及土壤溶液无机氮含量影响，为我国寒地水稻秸秆还田技术提供参考。结果表明，整个取样时期，稻草还田处理与不还田处理土壤脲酶活性及土壤溶液无机氮含量变化趋势基本相同，小区试验呈先降后升再降趋势，室内培养试验呈下降趋势，土壤脲酶活性与土壤溶液无机氮含量呈显著正相关；土壤脲酶活性及土壤溶液无机氮含量随稻草还田量增加而降低；土壤脲酶活性及土壤溶液无机氮含量在室内条件下比较稳定，而在室外条件下波动较大。稻草还田使水稻产量略有增加，但差异不显著。

关键词：水稻；稻草还田；土壤脲酶活性；土壤溶液；无机氮

马春梅,王家睿,战厚强,等.稻草还田对土壤脲酶活性及土壤溶液无机氮含量影响[J].东北农业大学学报,2016,47(3):38-43.

Ma Chunmei,Wang Jiarui,Zhan Houqiang,et al.Effect of rice straw returning on activities of soil urease and inorganic nitrogen contents of soil solution[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(3):38-43.(in Chinese with English abstract)

我国农业资源浪费严重[1]。化肥施用过量，作物秸秆焚烧等现象屡见不鲜，造成生态退化与环境污染，农业可持续发展研究日益受到关注。

稻草是中国第二大作物秸秆，占全国农作物秸秆总产量1/5以上。根据国家统计局发布数据[2]，2014年稻谷产量为20 650.7万t，以谷草比1ϑ1.1估算[3]，稻草量接近2.3亿t。但稻草焚烧处理，造成大量营养元素浪费，秸秆还田是农业可持续发展方式，有改善土壤结构，增加土壤有机质，减少过量施用化肥带来的土壤退化和污染作用[4]，降低对大气环境破坏。但秸秆腐解过程复杂，对土壤理化性质、微生物、酶活性影响显著[5]。

脲酶是氨基水解酶，促进尿素分解。尿素只有在土壤脲酶作用下水解成铵态氮后，才能被作物吸收利用。因此土壤脲酶活性能反映部分土壤生产力，可作为衡量土壤肥力指标之一[6]，而土壤脲酶活性受栽培措施影响较大[7-8]。土壤溶液是指土壤中含有各种可溶性物质浸出的水溶液，是土壤液相部分。它是土壤与环境间物质交换的载体，作物吸收养分的介质。土壤溶液与土壤固相间保持动态平衡，能反映土壤的新动态[9-10]，是土壤营养元素供应情况的直接体现。

本试验综合室外小区试验（水稻种植条件下）和室内培养试验（非种植条件下）情况，研究稻草还田条件下土壤脲酶和土壤溶液无机氮含量变化，为了解稻草还田对土壤理化性质影响提供参考。

1　材料与方法

1.1试验地概况

试验于东北农业大学香坊实验实习基地进行，地理坐标东经126°22′～126°50′，北纬45°34′～ 45°46′，属温带大陆性气候，四季分明，年降水量500～550 mm，无霜期140 d，≥10℃积温2 700℃。试验土壤是长期种植水稻的黑土，水稻为一年一熟制。

1.2试验设计

1.2.1小区试验

定位试验小区于2008年在东北农业大学香坊实验实习基地设置[11- 12]，小区采用混凝土筑成2 m× 2 m×0.6 m框池，填入约50 cm供试土壤。试验设3个处理：秸秆不还田STM（0 t·hm-2）、低量还田LSTR（6.25 t·hm-2）、高量还田HSTR（12.50 t·hm-2）。还田时将稻草截成5 cm小段，翻埋方式还入田中，采用随机排列方式，每个处理3次重复。每年5月20日翻地，5月25日泡田，5月30日插秧，插秧规格为30 cm×13 cm×3株·穴-1。基肥施用量每框尿素60 g （N：46%，150 kg·hm-2）、磷酸氢二铵60 g（N：18%，P2O5：46%，150 kg·hm- 2）和硫酸钾40 g （K2O：30冰，100 kg·hm-2），分蘖期追施尿素60 g （N：46%，150 kg·hm-2），其他管理措施同大田生产。本试验于2014年在此定位试验区进行，土壤基础肥力见表1。供试品种：松粳10。

1.2.2室内模拟试验

室内模拟试验于2014年在东北农业大学农学院进行，试验设3个处理：稻草不还田STM（0t·hm-2）、低量还田LSTR（6.25 t·hm- 2）、高量还田HSTR （12.50 t·hm-2）。室内培养采用500 mL棕色广口瓶，每瓶加入150 g风干土（基础肥力见表1），并按各处理要求，每瓶加入稻草（稻草不还田0 g·瓶-1、低量还田4 g·瓶- 1、高量还田8 g·瓶- 1），每瓶加入溶液250 mL，溶液离子含量：NO3--N+NH4+-N 30 mg·L-1，NO3-N 20 mg·L-1，NH4+-N 10 mg·L-1，P 10 mg·L-1，K 5 mg·L-1；加入溶液后确定水位线并作标记，封口防止水分蒸发，于25℃培养箱中培养。取样时观察瓶中水位高低，并用蒸馏水补充至水位线。

1.3样品采集与测定

样品包括土壤与土壤溶液两部分，具体采集方法与取样时间见表2。

秋季测产：小区试验种植水稻待秋季收获后考种测量，包括株高、千粒重、分蘖、有效分蘖、结实率、产量等。

测定方法：土壤脲酶-靛酚蓝比色法[13]；土壤溶液无机氮-凯氏定氮法[14]。

表1　土壤基础肥力Table 1 Basic fertility of soil

图1　土壤溶液采集装置[11]Fig.1 Soil solution sampling device

表2　样品采集方法与取样时间Table 2 Sample collection method and sampling time

1.4数据统计分析

采用SPSS17.0和Excel2003进行数据统计分析。

2　结果与分析

2.1稻草还田对水田土壤脲酶活性影响

表3为水稻从插秧到收获生育时期内土壤脲酶变化情况，以第一次取样时间（5月24日）记为1 d。该期间内，各处理脲酶活性整体呈先降再升最后降低趋势，第一个下降趋势出现在分蘖期及幼穗分化期（7～47 d），第二个下降趋势出现在临近收获期时（87～127 d），整个取样时期脲酶活性最低峰出现在47 d，最高峰出现在87 d。这主要与分蘖肥施用有关，土壤脲酶活性受土壤微生物、有机物质含量、全氮和速效氮含量等影响[15-17]，尤其是氮肥使用对土壤脲酶活性提升明显[18]。不同处理间，稻草还田处理脲酶活性与不还田处理相比显著下降。高量还田处理与低量还田相比脲酶活性降低，但差异不显著。

表3　稻草还田对土壤脲酶活性影响（小区试验）Table 3 Effect of straw returning on activities of soil urease(Plot experiment)(mg·g-1·d-1)

表4为室内培养过程中土壤脲酶变化情况，培养全过程中土壤脲酶活性呈现逐渐下降趋势。不还田处理土壤脲酶活性高于还田处理，培养20 d后差异显著；随稻草还田量增加，土壤脲酶活性下降。培养30 d后差异显著。培养结束（110 d）

表4　稻草还田对土壤脲酶活性影响（室内模拟）Table 4 Effect of straw returning on activities of soil urease(Laboratory simulation experiment)(mg·g-1·d-1)

时各处理土壤脲酶活性下降幅度分别为51.4%（不还田处理）、62.2%（低量还田）、66.8%（高量还田）。

2.2稻草还田对土壤溶液无机氮（NH4+-N+NO3--N）含量影响

表5为在室外小区试验中，土壤溶液中无机氮（NH4+-N+NO3--N）含量变化情况，总体趋势与室外小区土壤脲酶活性变化趋势相似，整体呈下降-升高-下降变化，不还田处理高于还田处理。升高原因是土壤脲酶能分解有机物质（主要是尿素）促其水解成铵态氮[19]，受此影响土壤溶液中无机氮含量也随脲酶活性升高而上升。高量还田与低量还田处理间在取样前30 d无显著差异，在此之后规律不一致，二者之间无机氮含量有升有降。

在室内培养试验中，瓶内土壤溶液无机氮（NH4+-N+NO3--N）含量变化情况与室内培养土壤脲酶活性变化趋势相似（见表6），整体呈下降趋势，不还田处理高于还田处理，低量还田处理高于高量还田处理。培养初期（1～10 d），各处理差异不显著；而培养20～50 d，三个处理表现为不还田>低量还田>高量还田，且均达到差异显著；在此之前后取样时间内，不还田与低量还田间未达到差异显著。整个时期（除90～110 d外），低量还田高于高量还田，且差异显著。到培养结束（110 d）时各处理土壤溶液无机氮（NH4+-N+NO3--N)含量下降幅度分别为68.8%（不还田处理）、70.5%（低量还田）、72.4%（高量还田）。

表5　土壤溶液中无机氮（NH4+-N+NO3--N）含量（小区试验）Table 5 Available N values of soil solution(Plot experiment)　(mg·L-1)

表6　溶液中无机氮（NH4+-N+NO3--N）含量（室内模拟）Table 6 Available N values of solution(Laboratory simulation experiment)　(mg·L-1)

2.3土壤脲酶活性与土壤溶液无机氮含量间相关性分析

对室内培养条件（室内培养试验中，土壤脲酶活性受其他外界条件影响较小，故只采用其试验结果作相关性分析）下土壤脲酶活性与无机氮含量间作相关性分析，其相关系数分别为：稻草不还田处理0.930，低量还田处理0.933，高量还田处理0.905。由此可知，土壤脲酶活性与土壤溶液无机氮含量间呈显著正相关，可用土壤脲酶活性表征土壤肥力状况。

2.4稻草还田对水稻产量影响

表7为室外小区试验测产结果，比较各处理水稻株高、分蘖、有效分蘖、千粒重、结实率、产量等性状，还田处理总体高于不还田处理，但差异较小，除株高外均未达到显著水平，且低量还田处理表现略高于高量还田处理。

表7　稻草还田对水稻产量影响Table 7 Effect of straw returning on rice yield

3　讨论与结论

3.1稻草还田对土壤脲酶活性影响

秸秆还田处理可降低土壤脲酶活性，随稻草还田量增加而增加，与闫超等[12]和吴俊松等[20]研究结果一致。原因是在稻草腐解过程中，土壤微生物群体结构和土壤生态系统生物缓冲性和稳定性受影响[21]，与腐解相关微生物数量大幅增加，影响土壤脲酶活性。但在利用其他作物（如小麦、玉米等）秸秆还田试验研究中，秸秆还田增加土壤脲酶活性[22]，这可能与当地气候环境条件、微生物群落特征、旱田与水田土壤差异性等因素有关。还有一些研究认为施用催腐菌剂或熟石灰等加快秸秆腐解可提高土壤脲酶活性[23-24]。目前关于稻草还田对水田土壤理化性质影响研究主要集中在南方稻作区，而寒地稻草还田对土壤理化性质影响效应研究较少，稻草腐解过程是复杂的微生物活动过程，受外界环境影响很大，分析论证其效应还需更多例证。

3.2稻草还田对土壤溶液无机氮含量影响

稻草还田处理可降低土壤溶液无机氮含量，相关性分析结果表明，土壤脲酶活性降低，土壤氮素转化率下降，土壤供氮能力降低。作物对氮素吸收有限制，无机氮含量过高，限制氮肥利用率，造成环境污染[25-26]，因此实际生产中通常采用脲酶抑制剂控制脲酶活性，降低氮素转化速度[27-28]。由室外小区试验测产结果可知，水稻株高、分蘖、有效分蘖、千粒重、结实率、产量等性状，还田处理总体上高于不还田处理，但差异较小，除株高外均未达到显著水平，且低量还田处理表现略优于高量还田处理。说明稻草还田引起土壤溶液无机氮含量下降并未对水稻产量造成负面影响，且有所提高，其下降效应在整个系统承受范围内。

3.3室内与室外试验对比

土壤脲酶活性与土壤溶液无机氮含量呈显著正相关，因此整个取样时期，各处理土壤脲酶活性及土壤溶液无机氮含量变化趋势基本相同。室内试验中土壤脲酶活性与土壤溶液无机氮含量随时间增加而降低，且各取样时间，三个处理差异性基本一致，尤其是培养30 d以后，均表现为不还田处理>低量还田处理>高量还田处理；室外试验中二者变化呈下降-升高-下降趋势，纵向趋势与室内试验不同，主要受追肥影响，而各处理间横向对比土壤脲酶活性和土壤溶液无机氮含量，各取样时间表现出的规律性不一致，不还田处理两者虽然高于还田处理，但高量还田处理与低量还田处理差异不明显，土壤溶液无机氮含量差异不一致。这说明土壤脲酶活性与土壤溶液无机氮含量受外界其他因素影响较大。室内试验处于较为恒定的外界条件下，试验结果规律，可清晰反映稻草还田对土壤土壤脲酶活性与土壤溶液无机氮含量影响；而室外试验外界环境变化较大，如温度、光照、水稻不同生育时期根系活动等,二者变化由这些因素共同作用决定。

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Effect of rice straw returning on activities of soil urease and inorganic nitrogen contents of soil solution

M
A Chunmei1,WANG Jiarui1,ZHAN Houqiang1,YAN Chao1,YAN Shuangshuang1,WANG Liang2(1.School of Agriculture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China; 2.Rice Branch Company of Beidahuang Kenfeng Seed Co.Ltd.,Jiamusi Heilongjiang 154007,China)

Abstract:The paper focus on the rice in cold planting region,the straw returning affect soil urease activity and soil solution of inorganic nitrogen content studied in the rice-growing conditions and under conditions of non-planting with using the method of outdoor consecutive years straw returning plot trial and an incubation test,in order to provide a reference for the improvement of cold rice straw returning production technology.The results showed that throughout the sampling period,the trends on the soil urease activity and inorganic nitrogen content in soil solution was basically the same of the straw returning treatment or non- returning treatment.Cell tests showed a downward trend again increased last fall,Incubation experiments only showed a downward trend.Between soil urease activity and soil solution of inorganic nitrogen content was significantly positively correlated,urease activity and soil inorganic nitrogen content in soil solution decrease by straw returning,and with returning amount increases to further reduce.Indoor and outdoor test results comparison found,changes and differences of soil urease activity and inorganic nitrogen in soil solution in indoor conditions were relatively stable,book=39,ebook=44but significant changes in outdoors.A slight increase in rice yield by straw returning,but comparing the process not returning its difference was not significant.

Key words:rice; straw returning; soil urease activity; soil solution; inorganic nitrogen

作者简介：马春梅（1974-），女，教授，博士，博士生导师，研究方向为保护性耕作及大豆生理。E-mail:chunmm1974@163.com

基金项目：国家科技支撑计划项目（2012BAD14B06）

收稿日期：2015-11-03

中图分类号：S511；S158

文献标志码：A

文章编号：1005-9369（2016）03-0038-06