秸秆还田和施肥方式对绿洲棉田土壤酶活性的影响

刘彦杰，张鹏鹏，张国娟，濮晓珍，张旺锋*

（1石河子大学生命科学学院，新疆 石河子 832003；2石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆 石河子 832003）

秸秆还田和施肥方式对绿洲棉田土壤酶活性的影响

刘彦杰1，张鹏鹏2，张国娟1，濮晓珍2，张旺锋2*

（1石河子大学生命科学学院，新疆 石河子 832003；2石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆 石河子 832003）

采用裂区试验设计，通过测定棉花生长季不同时期土壤pH、微生物生物量碳（MBC）、土壤酶活性，探究施肥方式和秸秆还田对绿洲棉田土壤环境的影响。结果显示：0-20 cm土层土壤pH值低于20-40 cm，但0-20 cm土层的MBC和酶活性均显著高于20-40 cm，其中盛花期土层差异尤为明显。秸秆还田显著增加了MBC、脲酶和蔗糖酶活性。与不施肥相比，单施化肥、单施有机肥和二者混施均显著降低了pH值，增加了MBC和酶活性；而且所有时期，化肥-有机肥混施均有最大的MBC和酶活性。因此绿洲棉田采用氮磷钾化肥与有机肥混施，同时兼用秸秆还田措施，可使棉田土壤pH值降低，生物量碳、酶活性提高，土壤环境得到改善，从而有利于农田土壤的可持续利用。

土壤；管理措施；生物量碳；酶活性；绿洲农田

土壤酶是土壤生态系统中有机质分解和养分循环所必需的生物催化剂[1]。土壤酶不仅能够改变作物吸收养分的有效性[2]，而且可以调控包括土壤生物化学过程在内的物质循环过程[3]。因此，酶活性的高低直接影响土壤物质转化循环的速率。土壤酶活性对土壤环境变化非常敏感，作物种类、土地利用方式、耕作制度和管理措施等均可通过改变土壤理化形状来影响酶活性[4]。有研究表明，人类活动导致土壤pH值的变化，会对土壤酶活性有一定的影响，而且反映土壤微生物总量指标的微生物量C与土壤pH值之间也有着较为密切的关系[5]。Migue等[6]研究表明，向土壤添加有机质能增加土壤酶活性、改善土壤结构、增强土壤酶活性和提高农田生产力，对促进土壤生态系统养分循环和保持土壤养分平衡具有重要意义。

新疆地处亚欧大陆腹地，干旱少雨且光热资源丰富，是我国最重要的商品棉产区。自1990年代初以来，新疆植棉业持续快速发展，目前新疆棉花总产实现了国家棉花“半壁江山”的历史性突破。因此，新疆棉花生产在中国棉业发展中具有举足轻重的地位。分析新疆棉花生产发展历程，采用“密早矮膜”、加大化肥施用量并配合棉花秸秆还田的技术，能使棉花产量显著提高。然而棉花种植面积大，主要植棉区棉花面积占耕地总面积的比例高达80%，但种植的作物种类单一，棉花连作现象严重，导致棉田生态系统微生物区系从高营养的“细菌型”转向低营养的“真菌型”,许多真菌为致病菌，例如黄萎病病菌会影响棉花生长[7]，进而影响棉花产量，这限制了棉花生产的经济效益，使得棉田土壤障碍因素逐渐增多，严重影响棉花产业的健康发展及农田土壤的可持续利用。已有研究表明，长期施用化肥会因耕作措施、作物残体和土壤腐殖质状况的不同而产生不同的效果[8]。陶磊等[9]认为，长期单施化肥、过量施用化肥已造成土壤有机质含量降低，理化性状恶化，肥料利用率下降和土壤微生物性状发生变化；也有研究表明，偏施单一化肥不仅造成土壤结构恶化、肥力下降，导致作物产量和品质降低，而且严重威胁生态环境[10]。因此，制定科学合理的农田管理措施已成为农业生产的重要课题。

土壤酶活性是衡量土壤质量的重要指标，被广泛用于评价土壤营养物质的循环、转化状况以及各种农业措施的利用效果。本研究从绿洲棉田土壤酶活性入手，探讨不同农田管理措施对土壤pH值、微生物量碳以及土壤酶活性的影响，分析棉田土壤健康状况及其影响因素，以期为绿洲农田土壤可持续发展及农田生产力的提高提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在新疆沙湾县乌兰乌苏农业气象试验站（44°17'N，85°49'E）进行。该地区多年平均降水量210.6 mm，平均蒸发量1664.1 mm，无霜期约170 d，年平均气温7.0℃，年日照时数为2861.2 h。试验地土壤类型为灰漠土，土壤质地为砂壤土。试验开始前（2009年4月）测得0-20 cm耕层土壤含有机质17.0 g/kg、全氮1.25 g/kg、全磷2.04 g/kg、碱解氮 84.0 mg/kg、速效磷91.5 mg/kg、速效钾 315 mg/kg。

1.2 试验设计

采用定位试验方法，于2009年建立裂区试验，主区为秸秆管理方式，包括秸秆还田（SR）和秸秆不还田（NSR）。其中秸秆还田处理为前一年棉花收获后将全部棉杆用机械打碎后翻入棉田，秸秆还田量约为7500 kg/hm；副区为施肥方式，包括4种方式：①单施有机肥（OM），②单施氮磷钾化肥（NPK），③氮磷钾化肥和有机肥混施（NPK+OM），④不施肥（CK）。小区面积8 m×3 m，重复3次。播种前不同小区之间均埋宽度为 60 cm的防渗膜（聚乙烯膜），以防串水串肥。试验地在实施处理前为多年连作棉花地。

供试作物为棉花（品种为新陆早48号），种植模式为1膜 4行，“30 cm+50 cm+30 cm”宽窄行距配置，膜面宽 130 cm。2014年4月20日播种，10月3日收获。在单施化肥处理中，所用化学肥料为尿素（N 46%）、磷酸二铵（N 18%，P2O546%）和硫酸钾镁（K2O 22%，Mg 5%，S 14%），棉花的整个生育期共施用 N 440 kg/hm2、P2O5420 kg/hm2、K2O 270 kg/hm2，其中，播种前基施30% 氮肥（N）、70% 磷肥（P2O5）和 100% 钾肥（K2O），其余化肥在生育期根据棉花需肥情况追施。在单施有机肥处理中，有机肥为腐熟鸡粪，施用速率为30 t/hm2，且全部作为基肥在播种前施入土壤。化肥和有机肥混施处理为混合施用上述2种处理的所有肥料。除水肥因子外，其它管理按当地高产田进行。单施化肥和化肥-有机肥混施处理中具体追施化肥的日期及追施化肥量见表1。

表1 棉花生育时期追肥日期与追肥量Tab.1 The date and quantity of manuring in growth period of cotton

1.3 样品采集

分别于2014年棉花播种前、盛花期和收获期采集土壤样品。采用 5点法用土钻对每个小区内0-20 cm和20-40 cm土层分别取样。为了减少误差，将所取的5个同样深度的土壤混匀，剔除石砾和植物残根等杂物，将其装入无菌袋，1 h内带回实验室。一部分新鲜土样保存于4℃冰箱中用于测定土壤微生物量碳；另一部分土样风干后过筛用于测定土壤pH值及土壤脲酶、蔗糖酶、蛋白酶和碱性磷酸酶的活性。

1.4 各项指标的测定

土壤pH值测定采用电位法测定。称取 8 g风干土样于 50 mL的烧杯内，加入20 mL试剂水，然后持续搅拌悬浮液5 min。静置悬浮液约1 h使悬浮液的大部分固体沉淀，以pH仪电极测定其pH值。土壤微生物生物量碳采用氯仿熏蒸-浸提法[11]测定。

土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定，土壤蛋白酶活性采用茚三酮比色法测定，土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定[11]。

1.5 数据处理与分析

所有数据经过Excel 2007处理后，在SPSS17.0 (SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)中进行方差分析，使用两因素方差分析（Two-way ANOVE）检验秸秆还田和施肥方式对各测定指标影响的差异显著性（P<0.05）。

所有数据在被分析之前先检验其方差齐性，如果方差不齐，则采用自然对数等方法进行转化直到方差齐性为止。Tukey’s HSD检验被用来进行单因素比较分析（P<0.05）。所有图示均利用 Sigma Plot 12.0作图。

2 结果与分析

2.1 土壤pH值的变化

土壤酸碱性是土壤重要的化学性质以及土壤肥力特征的综合反映，也是划分土壤类型的重要指标。

由表2可知，棉花秸秆还田处理土壤pH值显著高于秸秆不还田处理（P<0.05）；不同施肥处理下，与CK相比，土壤pH值表现为NPK+OM显著降低了土壤pH（P<0.05）；0-20 cm土层土壤pH值显著小于20-40 cm（P<0.05）；不同取样时期，盛花期土壤pH值最低。棉花秸秆还田与化肥和有机肥配施，其综合作用显著降低了土壤pH值。

表2 秸秆还田和施肥处理对不同时期棉田土壤pH值的影响Tab.2 Effects of treatments of straw-returning and fertilization on soil pH

2.2 土壤MBC的变化

土壤微生物生物量能够较快速的响应外界环境条件变化，最终影响土壤有机物含量的变化。土壤MBC作为土壤有机质中最活跃且最易变化的部分[11]，是土壤碳素循环的驱动力，可调节土壤养分的矿化和固定过程，是指示土壤生物肥力及土壤有机碳库变化的重要指标之一[12]。

由图1可见，秸秆还田处理土壤微生物量碳显著大于秸秆不还田处理（P<0.05）；施肥处理间不同时期表现不同，具体表现为：在播种前秸秆还田处理下OM处理的土壤MBC较高，这可能与有机肥在土壤中分布不均匀有关，其它时期均为（NPK+OM）>OM>NPK>CK，且在盛花期（NPK+OM）、OM、NPK与CK处理间差异显著（P<0.05）；所有处理中，0-20 cm土层的MBC均显著高于20-40 cm（P<0.05）。这表明秸秆还田条件下无机肥配施有机肥有利于增加土壤微生物量碳。

图1 秸秆还田和施肥处理对不同时期棉田土壤微生物量碳的影响Fig.1 Effects of treatments of straw-returning and fertilization on soil MBC

2.3 土壤脲酶活性的变化

土壤脲酶是土壤中唯一催化尿素水解的酶，其活性常用来表示土壤氮素的供应强度，在土壤氮素循环进程中起着重要作用，是土壤肥力状况的重要指标[11]。

由图2可见，所有土层，秸秆还田均显著增加了土壤脲酶活性（P<0.05）；施肥处理间，与CK相比，NPK、OM和NPK+OM均显著影响了脲酶活性（P<0. 05），但NPK和OM两个处理间差异不显著（P>0. 05）；随土层深度增加脲酶活性降低。这表明秸秆还田、无机肥配施有机肥的施肥方式，有利于土壤脲酶活性的增加。

图2 秸秆还田和施肥处理对不同时期棉田土壤脲酶活性的影响Fig.2 Effects of straw-returning and fertilization on soil urease activity

2.4 土壤蛋白酶活性的变化

蛋白酶参与土壤中氨基酸、蛋白质以及其它含蛋白质氮有机化合物的转化，它们的水解产物是高等植物的氮源之一。

由图3可知，与秸秆不还田相比，秸秆还田显著增加了蛋白酶活性（P<0.05）；不同施肥处理间土壤蛋白酶活性变化表现为OM、NPK、NPK＋OM较CK显著增大（P<0.05），且在盛花期尤为显著，具体表现为：在盛花期0-20 cm土层，OM、NPK、NPK+OM较CK相比，分别增加约15.3%、17.75%、28%，在20-40cm土层分别增加了10.25%、13.25%、22.25%。NPK和OM之间无差异（P>0.05）；不同土层土壤蛋白酶活性表现为0-20 cm>20-40 cm。

秸秆还田、施肥均显著增加了土壤蛋白酶活性，尤其化肥与有机肥配施土壤蛋白酶活性提高的幅度最大。

图3 秸秆还田和施肥处理对棉田土壤蛋白酶活性的影响Fig.3 Effects of straw-returning and fertilization on soil protease activity

2.5 土壤碱性磷酸酶活性的变化

磷酸酶活性是评价土壤磷元素生物转化方向与强度的指标。土壤磷酸酶活性的高低可以反映土壤速效磷的供应状况[11]。

图4 秸秆还田和施肥处理对棉田土壤磷酸酶活性的的Fig.4 Effects of straw-returning and fertilization on soil alkaline phosphatase activity

由图4可知，与秸秆不还田相比，秸秆还田对碱性磷酸酶活性的影响不显著（P>0.05）；不同施肥处理间，不同施肥方式表现为（NPK+OM）>OM>CK，且NPK>CK（P<0.05），NPK和 OM之间差异不显著（P>0.05）；与脲酶、蛋白酶活性的季节和土层变化趋势相似，不同时期表现为盛花期最高，不同土层土壤碱性磷酸酶活性表现为0-20 cm>20-40 cm。施肥处理对碱性磷酸酶活性的影响大于秸秆还田处理，且有机肥、无机肥配施对碱性磷酸酶活性影响最大，可显著增强其活性。

2.6 土壤蔗糖酶活性的变化

蔗糖酶（转化酶）能酶促土壤中蔗糖水解成葡萄糖和果糖，常用来表征土壤的熟化程度和肥力水平[11]。由图5可知，秸秆还田处理对土壤蔗糖酶活性的影响不显著（P>0.05）；不同施肥处理间，播种前和收获期表现为（NPK+OM）最大，其次是NPK和OM，CK最低；盛花期表现为（NPK+OM）>NPK>OM>CK，棉花不同生育阶段蔗糖酶活性表现为盛花期>收获期>播种前；不同深度土层土壤蔗糖酶活性表现为0-20 cm>20-40 cm。这表明有机肥和化肥配施的条件下，土壤蔗糖酶活性显著提高，土壤熟化程度增加、肥力水平提高。

图5 秸秆还田和施肥处理对棉田土壤蔗糖酶活性的影响Fig.5 Effects of straw-returning and fertilization on soil invertase activity

3 讨论

3.1 秸秆还田和施肥处理对棉田土壤pH值的影响

棉花吸收的Mn、Fe、Ca、Na等矿质养分大部分富集在秸秆中，随着棉花秸秆的还田，这些矿质养分大部分将归还于耕作层并大量富集[13]。本试验的结果表明，秸秆还田有增强土壤碱性的趋势，这可能与棉杆富集碱性离子有关。与不施肥相比，施肥能够降低土壤碱性。刘炳君等[14]报道，土壤pH值与土壤缓冲物质、微生物代谢活动有关，而土壤缓冲性主要与土壤质地和土壤有机质含量等有关。棉花生产中化肥、有机肥的施入，相当于增加了土壤缓冲物质、有机质和外源酶等，进而改变了土壤pH值。本试验中秸秆还田处理虽然不利于土壤碱性的弱化，但与氮磷钾化肥和有机肥配施，显著降低了因秸秆还田富集的碱性物质对土壤的碱化作用，因此秸秆还田、有机无机肥混施的共同作用有助于降低土壤碱性。

3.2 秸秆还田和施肥处理对棉田土壤微生物生物量碳的影响

本试验中土壤微生物生物量碳随着土壤深度的增加而降低。高旭梅等[15]、刘娟等[16]通过研究耕作措施对土壤微生物的影响证明表层土微生物数量多于深层土。因此，微生物量碳在不同土层的分布可能与微生物在不同土层聚集的量有关。本试验中秸秆还田显著增加了土壤微生物生物量碳，表明微生物生长和繁殖加快，这对提高土壤肥力有直接的影响。路怡青等[17]认为，在较适宜的土壤环境中，秸秆还田为微生物的生长繁殖提供了足够的碳源，土壤有机碳含量增加，相应地改善了土壤微生物的繁殖条件，因此微生物生长加快。卜洪震等[18]研究也认为施用有机肥和作物秸秆还田等都是向土壤添加有机质，这显著增加了土壤有机C含量，进而促进了土壤微生物的活性，土壤微生物量碳增加。而氮磷钾化肥和有机肥配施为土壤提供了更全面地有机物和矿物质养分，为微生物生长提供了更为丰富的营养源，因此显著增加了土壤微生物量碳含量，这是有利于土壤的可持续利用及农田生产力的提高。

3.3 秸秆还田和施肥处理对棉田土壤酶活性的影响

还田的作物秸秆的质量会影响土壤酶活性，这主要是受作物种类、土壤类型和等的影响。Pancholy等[19]指出，在黑钙土中分别添加5%的草木樨、玉米秸秆、麦秆3种有机物料，对蛋白酶活性的影响表现为玉米秸秆>麦秆 >草木樨；王正平[20]用5%草木樨、玉米秸秆培肥棕壤，土壤蛋白酶活性以施入草木樨的效果最大，增加量是对照的2-15倍，玉米秸秆的效应较小，说明不同作物秸杆对土壤酶作用强弱各异，其自身的酶活性和携酶量也不同。李东坡等[21]研究结果中玉米秸肥、棉秸肥和麦秸肥的蔗糖酶活性较高，苜蓿粉具有较高的蔗糖酶、磷酸酶活性，豆秸具有较强的蔗糖酶、蛋白酶、脲酶和磷酸酶活性，说明不同作物秸杆对土壤酶作用强弱各异，其自身的酶活性和携酶量也不同。本研究秸秆还田处理是将上年棉杆全部打碎还田，未能对土壤蛋白酶活性和碱性磷酸酶造成显著影响，这可能与秸秆还田的量和选用的秸秆种类有关。路文涛等[22]对宁南旱作农田土壤进行了不同秸秆还田量处理，发现脲酶和蔗糖酶均有所增加，并认为绝大多数土壤酶活性与土壤有机碳含量呈显著正相关。本试验的结果显示，秸秆还田有利于脲酶、蔗糖酶活性的提高。

在本研究中，氮磷钾化肥和有机肥配施后，土壤脲酶的活性显著提高。樊军等[23]对长期不同施肥水平的旱地冬小麦连作农田土壤脲酶动力学参数的测定表明，有机肥对脲酶及碱性磷酸酶的影响最大。本研究结果与他人研究结果相类似，施用化肥和化肥与有机肥配施提高了土壤碱性磷酸酶和蔗糖酶活性。王树起等[24]研究了不同土地利用和施肥方式对土壤酶活性的影响，得到土壤酶活性大小依次为：NPK+OM（氮、磷、钾肥+有机肥）>NPK+ST（氮、磷、钾肥+秸秆）>NPK（氮、磷、钾肥）>CK（无肥）处理，说明施用有机肥显著提高了土壤酶活性。本研究中，与对照相比施用化肥也显著提高了土壤酶活性。这可能因为施用化肥促进作物根系代谢，使根系分泌物增多，微生物繁殖加快，从而有利于土壤酶活性的提高[25]。因此，秸秆还田和氮磷钾化肥和有机肥合理配施，有利于增加棉田土壤酶活性，促进土壤氮素供应能力。

路文涛等[22]指出，土壤酶活性在土壤剖面上均具有明显的层次性。本研究的结果表明土壤酶活性随土层加深酶活性降低。此外，土壤酶活性的季节动态与土壤温度的季节变化有关，因为土壤温度通过直接影响酶活性或者通过影响微生物的增殖而间接影响酶活性。一般认为冬季酶活性最低，夏季酶活性最高。在本试验中，土样采取时间分别为早春季（4月）、夏季（7月）和秋季（10月），这3个不同季节，土壤温度有较大的差异，盛花期温度最高，因此土壤酶活性也表现为盛花期最高，其次是在收获期和播种前。

4 结论

单施化肥在增加作物产量的同时也使得土壤环境遭到恶化，进而降低了土壤生产力和肥力。本研究通过测定秸秆还田和不同施肥方式对土壤pH、微生物生物量碳以及酶活性的影响并得到如下结论：（1）单一施肥的效果有限，化肥与有机肥配施能改善单一化肥造成的土壤环境变劣的状况，能显著降低干旱区土壤碱性，增加微生物生物量碳和土壤酶活性。（2）秸秆还田处理显著增加微生物生物量碳、土壤酶活性，但是单一实施秸秆还田不能降低土壤碱性，需要化肥和有机肥配施，以削弱棉花秸秆对土壤pH的增强作用。因此，干旱区棉田实施秸秆还田、采用化肥和有机肥配施的施肥方式，有利于土壤微生物量碳、土壤酶活性的提高以及土壤碱性的降低，有助于土壤环境向生态型转变，从而有利于干旱区绿洲棉田土壤生态系统的健康发展。

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Effects of fertilization and straw-returning methods on enzymes activity in oasis cotton field soil

Liu Yanjie1,Zhang Pengpeng2,Zhang Guojuan1,Pu Xiaozhen2,Zhang Wangfeng2*
(1 College of Life Sciences,Shihezi University,Shihezi,Xinjiang 832003,China;2 College of Agriculture,the Key Laboratory of Oasis Eco-agricultural of the Xinjiang Production and Construction Corps,Shihezi University,Shihezi,Xinjiang 832003,China)

The aim of this research is to explore the effects of different treatments on the soil environment in oasis cotton field in different growth periods by measuring the changes of soil pH,soil MBC and enzyme activities with split plot design.The results showed that soil pH in 0-20 cm was lower than that in 20-40cm,however soil MBC and enzyme activities were opposite,especially in flowering.Straw-returning significantly increased soil MBC and the enzyme activities of urease and invertase.Compared with no fertilizer application,the application of chemical fertilizer or organic fertilizer or both significantly decreased soil pH,but increased soil MBC and enzyme activities;no matter which period,chemical fertilizer and organic fertilizer had the highest soil MBC and enzyme activities.Therefore,applying the mixed chemical fertilizer and organic fertilizer combined with straw can decrease soil pH,enhance soil MBC and enzyme activities,make oasis soil environment better,and improve soil environment,which will benefit to the sustainable utility of agricultural soils.

soil;management;microbial biomass carbon;enzyme activities;oasis soil

S154.2；S562

A

10.13880/j.cnki.65-1174/n.2017.01.010

1007-7383(2017)01-0057-08

2016-03-29

国家自然科学基金项目（31471450）

刘彦杰（1989-），女，硕士研究生，专业方向为绿洲生态农业，e-mail:946729495@qq.com。

*通信作者：张旺锋（1965-），男，教授，从事作物栽培生理生态研究，e-mail：zhwf_agr@shzu.edu.cn。