耕作方式与秸秆还田对砂姜黑土土壤酶活性及冬小麦产量的影响

孟庆阳，王永华，靳海洋，晁岳恩，段剑钊，郭天财

(1.河南农业大学农学院/国家小麦工程技术研究中心，河南郑州 450002；2.河南省农业科学院小麦研究所，河南郑州 450002)



耕作方式与秸秆还田对砂姜黑土土壤酶活性及冬小麦产量的影响

孟庆阳1，王永华1，靳海洋1，晁岳恩2，段剑钊1，郭天财1

(1.河南农业大学农学院/国家小麦工程技术研究中心，河南郑州 450002；2.河南省农业科学院小麦研究所，河南郑州 450002)

摘要：为探究耕作方式及秸秆还田处理对砂姜黑土土壤酶活性的影响，在河南省商水县砂姜黑土地区设置深耕秸秆不还田、深耕秸秆还田、旋耕秸秆还田和旋耕秸秆不还田4个处理，以超高产小麦品种周麦27为材料进行大田试验，对不同处理的土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性及冬小麦籽粒产量进行测定分析。结果表明，20～40 cm土层土壤过氧化氢酶的活性在不同处理间差异大多不显著，小麦拔节期、开花期和成熟期0～20 cm土层深耕秸秆不还田处理与其他处理间差异显著。0～20 cm土层土壤蔗糖酶活性在小麦生育期内不同处理间有显著差异，秸秆还田处理下土壤蔗糖酶活性高于秸秆不还田处理，而在20～40 cm土层小麦拔节期和成熟期不同处理间没有显著差异。在小麦生育期内秸秆还田处理下0～20 cm和20～40 cm土层土壤脲酶活性显著高于其他处理，深耕秸秆不还田处理在拔节期和成熟期高于旋耕秸秆不还田处理。不同处理间土壤碱性磷酸酶活性在小麦生育期内差异显著，总体表现为深耕秸秆还田>旋耕秸秆还田>深耕秸秆不还田>旋耕秸秆不还田。深耕秸秆还田处理对比其他处理能够显著增加冬小麦籽粒产量及千粒重，但其有效穗数显著低于其他处理。

关键词：砂姜黑土；耕作方式；秸秆还田；土壤酶活性；冬小麦产量

砂姜黑土主要分布于黄淮海平原南部的淮北平原，面积有370万hm2左右，该地区是我国小麦主产区[1]。近年来，该地区农民习惯性连年采用旋耕等耕作方式，导致土壤耕层变浅、犁底层变厚、透水通气性变差、土壤持续生产能力下降等问题产生，严重制约砂姜黑土地区冬小麦的增产。合理改善砂姜黑土的耕层土壤特性，对该地区作物增产非常重要。研究表明，适宜的土壤耕作方式以及秸秆还田处理可以改善土壤理化和生物学性状，提高土壤肥力和酶活性，促进作物增产[2-3]。土壤酶活性不仅能反映出土壤微生物活性的高低，而且能表征土壤养分转化和运移能力的强弱，是评价土壤肥力的重要参数之一[4-5]。姜桂英等[6]研究表明，耕作方式对土壤脲酶活性的影响在小麦生长前期不明显, 但在生长旺盛时期土壤脲酶活性表现为免耕>旋耕>浅耕>深耕; 对磷酸酶活性影响不明显。高秀君等[7]认为，保护性耕作总体上能增加土壤酶活性，提高土壤肥力，特别对表层和亚表层土壤的效果更明显。然而目前对于砂姜黑土区不同耕作条件下土壤酶活性的动态变化研究尚未见详细报道。本试验通过测定淮北平原砂姜黑土麦田土壤蔗糖酶、脲酶等酶活性，研究了不同耕作方式与秸秆还田结合措施下土壤酶活性的动态变化规律，以期为该地区小麦高产栽培中耕作方式及秸秆还田的选择提供参考。

1材料与方法

1.1试验概况

试验于2013-2014年在河南省周口市商水县农场十四分场进行，供试小麦品种为周麦27，2013年10月8日播种，播量150 kg·hm-2，2014年6月5日收获。该地区土壤为砂姜黑土，其0～20 cm土层土壤pH为7.24，有机质含量26.92 g·kg-1，全氮含量1.59 g·kg-1，全磷含量1.68 g·kg-1，全钾含量14.53 g·kg-1，有效磷含量7.06 mg·kg-1，速效钾含量264.18 mg·kg-1。试验采用大区对比设计，每个小区占地180 m2(30 m×6 m)，共设深耕秸秆不还田(DT+NS)、深耕秸秆还田(DT+AS)、旋耕秸秆不还田(RT+NS)、旋耕秸秆还田(RT+AS)4个处理，每处理三次重复。深耕和旋耕深度分别为30和15 cm。秸秆还田为玉米秸秆全量粉碎还田，还田量为7 200 kg·hm-2(折合干重)。小麦全生育期施纯氮240 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2，其中磷、钾肥全部作底肥一次性施入，氮肥50%于整地时底施，其余50%于拔节期结合浇水追施，氮、磷、钾肥分别采用尿素、过磷酸钙和氯化钾。播种采用机械条播。

1.2测定指标与方法

1.2.1土壤酶活性测定

分别于小麦越冬期、拔节期、开花期和成熟期用土钻取0～20和20～40 cm土层土壤，风干后过1 mm筛后备用。土壤过氧化氢酶活性测定采用高锰酸钾滴定法[8]；土壤蔗糖酶活性测定采用3，5-二硝基水杨酸比色法[8]；土壤脲酶活性测定采用靛蓝比色法[9]；土壤碱性磷酸酶活性测定采用磷酸苯二钠比色法[8](本试验供试砂姜黑土为碱性，故选用土壤碱性磷酸酶进行测定)。

1.2.2小麦产量及其构成测定

于小麦成熟期各小区选取10 m2收获用于计产，脱粒晒干，按含水量12.5%折算成实收产量(kg·hm-2)。

1.3数据处理

使用Excel 2003进行数据处理，利用SPSS 17.0软件对数据进行统计分析，采用Duncan法进行多重比较，显著性水平取α=0.05。

2结果与分析

2.1耕作方式和秸秆还田对土壤酶活性的影响

2.1.1对土壤过氧化氢酶活性的影响

图柱上字母不同表示处理间差异达显著水平(P<0.05)。下图同

Different letters on the columns indicate significant difference among the treatments at 0.05 level.The same are as in other figures

图1不同耕作方式和秸秆还田处理对土壤过氧化氢酶活性的影响

Fig.1Effects of different tillage and straw returning treatments on soil catalase activity

土壤过氧化氢酶的活性在不同处理间差异大多不显著(图1)。土壤过氧化氢酶活性在冬小麦越冬期到开花期一直呈上升趋势，至成熟期下降，但这种趋势并不明显。在0～20 cm土层，越冬期不同处理间土壤过氧化氢酶活性差异不显著，拔节期至成熟期深耕秸秆不还田处理显著低于其他处理；秸秆还田处理高于秸秆不还田处理，说明秸秆还田有利于提高0～20 cm土层土壤过氧化氢酶的活性。不同处理间在20～40 cm土层土壤过氧化氢酶活性在各生育时期差异均不显著，说明20～40 cm土层土壤过氧化氢酶活性受耕作方式和秸秆还田的影响较小。

图2　不同耕作方式和秸秆还田处理对土壤蔗糖酶活性的影响

2.1.2对土壤蔗糖酶活性的影响

各处理0～20 cm土层土壤蔗糖酶活性在生育期内的变化均不明显(图2)，但整体上成熟期该酶活性低于其他时期；在0～20 cm土层，不同处理间土壤蔗糖酶活性基本上表现为旋耕秸秆还田处理>深耕秸秆还田>深耕秸秆不还田>旋耕秸秆不还田，其中旋耕秸秆还田处理在各个时期与其他处理差异均显著，说明旋耕秸秆还田最有利于提高土壤蔗糖酶活性。20～40 cm土层中，越冬期深耕秸秆还田处理的土壤蔗糖酶活性最高，而开花期旋耕秸秆不还田处理显著低于其他处理，拔节期与成熟期不同处理间无显著差异。

2.1.3对土壤脲酶活性的影响

从图3可以看出，0～20 cm土层土壤脲酶活性在越冬期最低，在拔节期达到最高，随后降低，在成熟期与越冬期基本持平，其中除了拔节期外，秸秆还田处理与秸秆不还田处理差异均显著；在20～40 cm土层，由越冬期至开花期秸秆不还田处理的土壤脲酶活性呈逐渐下降的趋势，而秸秆还田处理土壤脲酶活性在成熟期之前基本不变，在成熟期明显升高，且与秸秆不还田处理差异显著，说明秸秆还田对土壤脲酶活性具有促进作用。

图3　不同耕作方式和秸秆还田处理对土壤脲酶活性的影响

2.1.4对土壤碱性磷酸酶活性的影响

在冬小麦生育期内，土壤磷酸酶活性在0～20 cm土层先降后升，其中在拔节期最低，在成熟期最高；开花前，20～40 cm土层与0～20 cm土层变化趋势一致，在成熟期则相反(图4)。土壤碱性磷酸酶活性总体表现为深耕秸秆还田>旋耕秸秆还田>深耕秸秆不还田>旋耕秸秆不还田。在0～20 cm土层，除了温度较低的越冬期外，其他时期深耕秸秆还田处理的土壤碱性磷酸酶活性都显著高于旋耕秸秆不还田处理；20～40 cm土层下每个时期深耕秸秆还田处理都显著高于旋耕秸秆不还田处理，说明耕作方式和秸秆还田对砂姜黑土土壤碱性磷酸酶活性影响较为明显。

2.2耕作方式和秸秆还田对冬小麦产量及其构成的影响

不同耕作方式及秸秆还田处理的产量构成因素表现不同(表1)。两个深耕处理的产量显著高于两个旋耕处理，其中深耕还田处理最高，比深耕秸秆不还田、比旋耕秸秆还田和旋耕秸秆不还田处理分别增产16.9%、13.76%和13.94%，而两个旋耕处理差异不显著。相比于旋耕秸秆不还田处理，深耕处理的穗粒数和千粒重均显著提高，但有效穗数下降，说明深耕处理的增产作用主要归因于穗粒数和千粒重的增加。

图4　不同耕作与秸秆还田处理对土壤碱性磷酸酶活性的影响

处理Treatment籽粒容重Testweight/(g·L-1)有效穗数Spikes/(104·hm-2)穗粒数Grainsperspike千粒重Thousandgrainweight/g产量Grainyield/(kg·hm-2)DT+NS775.26ab596.82b41.53b44.79b8889.72bDT+AS785.98a584.44c42.77a45.50a9440.25aRT+AS775.20ab590.21b37.29c44.31b8297.76cRT+NS760.41c609.08a37.84c41.40c8284.69c

同列数值后字母不同表示处理间差异达显著水平(P<0.05)

Different letters after the values in same column indicate significant difference among treatments at 0.05 level

3讨 论

土壤过氧化氢酶参与土壤中物质和能量转化，其活性在一定程度上可以表征土壤生物氧化过程的强弱[10]。本研究结果表明，土壤过氧化氢酶活性在整个小麦生育期内呈先升后降的趋势，这与前人的研究结果一致[11-12]，但这个趋势并不明显，这可能是由于深耕处理的上一年耕作方式是旋耕，因此一年的耕作效果较小，不同耕作方式间土壤过氧化氢酶活性差异不大。因此耕作方式对砂姜黑土土壤过氧化氢酶活性的影响可能需要后续几年的连续试验才能得出可靠的结论。无论在0～20 cm土层还是20～40 cm土层中，深耕秸秆还田处理的过氧化氢酶活性高于深耕不还田处理，表明秸秆还田增强了土壤生物氧化还原活性。在0～20 cm土层中，旋耕秸秆还田处理过氧化氢酶活性在整个生育期都比深耕还田高，可能与旋耕的耕层浅，0～20 cm土层中的秸秆含量比深耕土层多所致；但是，在秸秆不还田处理中，仍然是旋耕处理的酶活性高于深耕，导致这种异常现象的原因还需进行深入研究和分析。

土壤蔗糖酶又名转化酶，参与土壤中碳水化合物的转化，对增加土壤中易溶性营养物质起着重要作用[13]。本研究中，土壤蔗糖酶活性在小麦生育期内呈先升后降的趋势，这是由于在拔节至灌浆期内小麦处于旺长阶段，根系发达且根系分泌物增多，微生物和酶代谢活动增强，灌浆期后根系对养分的吸收速度减慢有关[14]。在小麦生育期内0～20 cm土层秸秆还田处理的土壤蔗糖酶活性高于秸秆不还田处理；在秸秆还田处理中，旋耕土壤的蔗糖酶活性高于深耕土壤，推测可能是旋耕下0～20 cm土层中的秸秆含量比深耕土层多所致，因为秸秆还田可以增加土壤养分含量，可提高土壤蔗糖酶活性，这与孙瑞莲等[13]的研究结果一致。不同耕作方式下土壤蔗糖酶的活性差异只在越冬期和开花期的20～40 cm土层达到显著水平，可能是与一年的耕作对土壤理化性状影响较小有关。

在土壤酶中，脲酶是唯一对尿素的转化作用具有重大影响的酶，脲酶的酶促反应产物氨又是植物氮源之一，它的活性可以反映土壤氮素状况[15]。本研究表明，0～20 cm土层中，土壤脲酶活性在不同处理中均表现为先升后降的趋势，这与前人的研究结果一致[16]。拔节和开花期是小麦生长速度和干物质积累最快的时期，0～20 cm土层脲酶活性要高于20～40 cm土层，在生长速度较慢的越冬期和成熟期，0～20 cm土层脲酶活性要低于20～40 cm土层，推测脲酶活性可能与根系的活力相关,但由于试验设计没有空白对照，不能确认脲酶的产生与小麦生长有关联，也有可能是土壤温度的变化导致这种现象：越冬期土壤温度较低以及成熟期土壤温度较高都不适合脲酶的酶促反应，从而导致脲酶活性出现这种变化规律。对比秸秆不还田处理，秸秆还田处理下土壤脲酶活性在成熟期更大，这说明秸秆还田处理可以弥补小麦生育后期氮素缺失。在越冬期和成熟期，0～20 cm土层脲酶活性要低于20～40 cm土层，这与李波等[17]的研究结果相同。

土壤磷酸酶可加速有机磷的脱磷速度，对土壤磷素的有效性具有重要作用[13]。温度是影响土壤碱性磷酸酶活性的主要因素[8]。本研究结果表明，不同耕作处理下碱性磷酸酶活性变化趋势相近，由越冬期到拔节期下降，随后到开花期由于温度上升，土壤碱性磷酸酶活性略有回升，最后在成熟期0～20 cm土层达到最大值。这是因为小麦孕穗后进入生殖生长阶段，对磷的需求增加，此时土壤中无机磷的消耗很大，促使土壤碱性磷酸酶被激活而分解有机态磷，以满足小麦正常生长的需求，这与小麦的生长时期对营养的需求规律相同，也与姜桂英等[6]研究结果一致。

从产量上看，深耕的增产效果最好，深耕的两个处理(秸秆还田与不还田)比相应的旋耕处理产量高；在旋耕的秸秆还田与不还田处理之间产量没有显著差异，但是在深耕的两个处理之间产量差异显著，表明耕层加厚有利于秸秆腐熟和提高土壤有效养分含量，进而促进小麦增产；对于秸秆还田导致有效穗数降低现象，推测可能原因是在前期秸秆腐熟时需要消耗一定的养分，导致有效分蘖数和有效穗数降低，但随着秸秆的腐熟、土壤有效养分会在后期充分释放，提高了千粒重和穗粒数，最终促进产量增加。

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Effect of Tillage and Straw Returning on Soil Enzyme Activity and Yield of Winter Wheat in Lime Concretion Black Soil

MENG Qingyang1，WANG Yonghua1， JIN Haiyang1，CHAO Yue’en2，DUAN Jianzhao1，GUO Tiancai1

(1.College of Agronomy, Henan Agricultural University/ National Engineering Research Center for Wheat, Zhengzhou，Henan 450002, China； 2.Wheat Research Institute,Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou,Henan 450002,China)

Abstract:To explore the effects on soil enzyme activities of tillage and straw returning of wheat grown in lime concretion black soil, four treatments of deep tillage with no straw returning(DT+NS), deep tillage with all straw returning(DT+AS), rotary tillage with all straw returning(RT+AS) and rotary tillage with no straw returning(RT+NS) were set in the Vertisol Area of Shangshui, Henan using ultra-high-yielding wheat variety Zhoumai 27 as the material, then the activities of soil catalase, soil invertase, soil urease and soil alkaline phosphatase were investigated and winter wheat grain yield were determined. The results showed that the soil catalase activity in 20-40 cm soil was not significantly different among these treatments, while which was different significantly in 0-20 cm soil between DT+NS treatment and other treatments at jointing, flowering and maturity stages. The invertase activity in 0-20 cm soil was significantly different among different treatments and different growth period of wheat, which was higher in AS treatment than in NS treatment. While there were no significant differences in 20-40 cm soil at jointing and maturity among different treatments. The urease activity 0-20 cm and 20-40 cm soil under AS treatments was significantly higher than that of other treatments during wheat growth period, and that of DT+NS treatment was higher than RT+NS treatment at jointing and maturity. Soil alkaline phosphatase activity during wheat growth period was significantly different among different treatments, which were as that DT+AS> RT+AS> DT+NS>RT+NS. Compared to other treatments, DT+AS treatment significantly increased grain yield and grain weight of winter wheat, but significantly reduced the number of effective spikes.

Key words:Lime concretion black soil; Tillage methods; Straw returning; Soil enzyme activity; Winter wheat yield

中图分类号：S512.1；S318

文献标识码：A

文章编号：1009-1041(2016)03-0341-06

通讯作者：郭天财(E-mail：tcguo888@sina.com)

基金项目：国家自然科学基金项目(31471439)；黄淮海平原南部(河南)小麦玉米丰产节水节肥关键技术集成与示范(2013BAD07B07)； 现代农业产业技术体系专项(CARS)

收稿日期：2015-09-25修回日期：2015-11-05

网络出版时间：2016-03-01

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160301.1342.024.html

第一作者E-mail：mengyin0130@163.com