秸秆配施氮肥还田对水稻土酶活性的影响①

王倩倩，尧水红，张 斌，岳龙凯，韩 亚，张月玲，周 璇

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，耕地培肥技术国家工程实验室，北京 100081)

秸秆配施氮肥还田对水稻土酶活性的影响①

王倩倩，尧水红*，张 斌，岳龙凯，韩 亚，张月玲，周 璇

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，耕地培肥技术国家工程实验室，北京 100081)

通过田间试验研究秸秆还田时间及配施氮肥比例对水稻土酶活性的影响，以期为培育水稻土肥力和稳定稻田生态系统功能提供理论依据。试验设置2个秸秆还田时间(WS，冬季还田；SS，春季还田)和4个氮肥配施量(N0，秸秆还田，试验期内全程不添加矿质氮；NB，常规施肥，还田时不添加矿质氮；N30B，秸秆还田时添加早稻基肥用量的30% 矿质氮；N60B，秸秆还田时添加早稻基肥用量的60% 矿质氮)。研究结果表明：①冬季秸秆翻耕还田能增加冬闲期6种与土壤碳周转相关酶(β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、β-木糖苷酶、多酚氧化酶、过氧化物酶和蔗糖酶)的活性，冬闲期冬季秸秆还田条件下土壤酶活性均高于春季还田，生育期内冬季秸秆翻耕还田措施对土壤β-葡糖苷酶和过氧化物酶有增加作用；②秸秆还田并配施氮肥措施显著地增加冬闲期和生育期β-纤维二糖苷酶的活性，但配施氮肥的3个比例间土壤酶活性并无显著差异；③除多酚氧化酶外，其他5种酶均与其有机碳投入量呈显著正相关。因此，冬季秸秆还田及配施氮肥能在一定程度上调控与碳周转相关的土壤酶活性，对推广冬闲期秸秆翻耕还田及保障作物的产量具有重要的生态学意义。

水稻土；秸秆还田时间；秸秆还田配施氮肥；酶活性

水稻土是我国最主要的耕作土壤类型之一，其中约 90% 分布在我国热带亚热带双季稻产区[1]。该区土壤主要为酸性土壤，碳氮转化活性较弱，合理的农田管理措施有利于提高该区土壤生产力[2]。秸秆还田能够增加土壤有机质含量，改善土壤理化性状[3]，提高作物产量和品质[4–7]，被认为是一种有效的农田培肥措施。但由于劳力缺乏、没有冬季耕作习惯和机械耕作作业等因素，在我国双季稻产区目前秸秆还田量只有水稻秸秆收获量的近1/2。因此，改变双季稻产区的冬闲习惯，将水稻秸秆冬季翻耕还田有利于秸秆还田这一农田培肥措施的推广[8]。

农作物秸秆自然状态下碳氮比较高，难以被微生物分解，直接施入土壤会刺激微生物剧烈活动而将固持一部分有效氮，造成与作物争氮的矛盾，从而影响作物苗期生长[9–11]。因此，秸秆还田通常配施一定量无机氮肥，用以补充土壤氮含量[12–14]。秸秆配施氮肥还田不仅能改土培肥、固碳减排[15–18]，还能增加细菌数量[19–20]以及提高土壤酶活性[20–21]，改善土壤微环境。

土壤酶是由微生物、动植物活体分泌及动植物残骸分解释放于土壤中的一类具有催化能力的生物活性物质[22]。土壤酶活性控制土壤中各种生物化学反应的强度和方向[23–24]，可以敏感地反映土壤肥力和生态系统功能的变化[25–27]。秸秆进入土壤后，其微生物分解过程必然影响土壤的酶活性和碳周转[28–29]。秸秆还田在减少环境污染、保持土壤肥力和增加作物产量[14–15,30–33]等方面已有较多研究，而冬闲期合理利用水稻秸秆还田对后季早稻土壤酶活性影响方面的报道较少。因此本研究试图揭示我国双季稻产区冬闲期秸秆还田与氮肥配施模式对稻田土壤秸秆腐解的生物学过程的影响，测量秸秆还田与碳周转相关的土壤酶活性变化，为更好地推广秸秆还田措施和保障土壤肥力提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验地位于江西省鹰潭市余江县邓家埠水稻原种场(116°55'E，28°15′N)，该地区属于典型中亚热带湿润季风气候区，月平均最高气温与最低气温分别为29.9℃ 和 5.5℃，年均温度 17.6℃，全年有效积温6 480℃，年均降雨量1 727 mm，全年无霜期289 d。当地轮作方式为：早稻–晚稻–冬季休闲。本试验供试稻田土壤属于河流冲积物发育而成的潴育型水稻土，供试材料早稻品种为中早33，晚稻品种为农香98，株行距20 cm × 20 cm。2008年晚稻种植前，土壤基础养分含量为有机碳19.20 g/kg、全氮1.64 g/kg、全磷 0.30 g/kg、全钾27.26 g/kg、碱解氮139.04 g/kg、速效磷5.76 mg/kg、速效钾81.60 mg/kg，pH为4.94。

1.2 试验设计

试验采用两因素完全随机区组的裂区设计，主区处理：①冬季还田(WS)；②春季还田(SS)；副区处理：①秸秆还田，试验期内全程不添加矿质氮 (N0)；②常规施肥，还田时不添加矿质氮(NB)；③还田时添加早稻基肥用量的30% 矿质氮(N30B)；④还田时添加早稻基肥用量的60% 矿质氮 (N60B)；⑤秸秆移除(CK)；3次重复，共30个小区，小区面积为10 m × 8 m。

秸秆还田处理是将晚稻收获的全部稻草粉碎至5 ~ 10 cm，均匀分散于田面，并按主区处理分别在冬季(12月中旬)或春季犁田(来年4月中旬)时将田面秸秆翻入小区耕层土壤中，秸秆还田量为7 500 kg/hm2。秸秆移除处理是将晚稻收获的全部稻草移出小区，秸秆不还田，秸秆处理与移除处理的留茬高度均为 10 cm左右。

早稻施肥量氮肥为N 180 kg/hm2，磷肥为P2O575 kg/hm2，钾肥为K2O 150 kg/hm2，所用的肥料氮肥为尿素，磷肥为钙镁磷肥，钾肥为氯化钾；磷肥作为基肥一次性施入，钾肥按基肥︰分蘖肥︰穗肥 = 3︰4︰3 施入。常规施肥的NB处理按基肥︰分蘖肥︰穗肥 = 5︰3︰2施入，其余不施氮肥以及基肥氮前施的处理其氮肥施用方案具体见表1。

表1 大田试验各处理氮肥运筹方案Table 1 Nitrogen fertilization treatments in field experiment

1.3 取样与测定

2013年晚稻收获后，在水稻冬闲期(11月至次年4月)内共取4次样，分别于1—4月的10号定期进行取样(冬季秸秆翻耕在2014年1月10日)，记作：冬闲Ⅰ、冬闲Ⅱ、冬闲Ⅲ 和冬闲 Ⅳ；在2014年早稻生育期(4月中旬至7月中旬)的分蘖期、拔节期、齐穗期和成熟期各取一次。

样品采集于0 ~ 15 cm的耕层土壤，每个小区按“S”形5点采样并混匀。土样放置于冰桶中，迅速带回实验室，拣去土壤中的可见根系、秸秆等杂质后，置于冰箱 –20℃ 冷冻保存，用于土壤酶活性的测定。

1.4 测定项目及方法

蔗糖转化酶(INV)活性的测定：采用改进的二硝基水杨酸比色法测定蔗糖转化酶的活性。土壤与蔗糖在50℃下培养3 h，测定其还原糖释放数量，蔗糖转化酶活性以每克土壤每小时葡萄糖毫克数表示(mg/(g·h)，50℃，3 h)。

β-葡萄糖苷酶(BG)、β-纤维二糖苷酶(CEL)、β-木糖苷酶(BXYL)、多酚氧化酶(PHOX)和过氧化物酶(PEOX)的活性分析采用荧光微型板检测技术[34]。4-羟甲基-7-香豆素(MUB)在365 nm波长处激发，能在460 nm处检测到荧光，它与某些物质(例如β-D-纤维二糖)结合荧光特性消失，通过酶的水解特性将MUB释放出来，通过检测荧光量来表征酶的活性。

首先对 96 孔微型板按照不同测定的酶进行编号、分区，黑色和白色微型板(其中，黑色微型板测定非氧化还原酶活性，白色微型板测定氧化还原酶活性)分为缓冲液+缓冲液区、缓冲液+标准底物区、缓冲液+荧光底物区、待测液+缓冲液区、待测液+标准底物区、待测液+荧光底物区；其次为制备土壤悬浊液试剂：称取相当于1 g干土的鲜土，置于 250 ml灭菌白色塑料瓶中，加入缓冲液125 ml，震荡制备成土壤悬浊液作为待测液；然后将配置好的缓冲液、待测液用 8通道移液枪按照顺序加入已经编号分区的微型板中，最后将配置好的标准底物加入微型板，迅速加入荧光底物溶液，将微型板放入 25℃ 的培养箱黑暗培养，其中黑板培养4 h后上机测定(测定前加10 μl 0.5 mol/L NaOH溶液结束反应)，白板培养20 h上机测定。

1.5 统计分析

酶活性测定每个样品设置8个平行，利用平行数值求平均值，每个样品获得一个测定值，然后利用SPSS19.0 软件进行处理间的方差分析。

2 结果与分析

2.1 稻田土壤酶活性在冬闲期的动态变化

由图1可知，各处理碳周转相关6种土壤酶(BG、 CEL、BXYL、PHOX、PEOX和INV)活性在冬闲期整体随着时间的延长呈现增加的趋势，这可能与冬闲期(12月中旬至次年 4月中旬)气温的上升有关。BXYL、PHOX和冬季还田(Ws)条件下的PEOX活性，在冬闲的4个采样期全程增加，且速度较快；除个别处理外，BG和CEL这2种酶活性冬闲前期增加较快，而在冬闲Ⅳ期却增加平缓；而 INV和春季还田(Ss)条件下的PEOX活性，在冬闲Ⅱ期略有降低，其他2个采样期仍呈增加趋势。

图1 土壤酶活性随水稻冬闲期的动态变化Fig. 1 Dynamic changes of soil enzyme activities under different treatments in wintry fallow period

2.2 秸秆配施氮肥还田对冬闲期稻田土壤酶活性的影响

利用冬闲期秸秆翻耕还田能增加冬闲期土壤碳周转相关酶的活性，冬闲期冬季还田(Ws)条件下各处理酶活性高于春季还田(图 1)。冬季还田(Ws)条件下的BG活性范围在8.90 ~ 26.75 nmol/(h·g)，高于春季还田(Ss)的BG活性7.22 ~ 25.18 nmol/(h·g)。其他5种酶活性CEL、BXYL、PHOX、PEOX和INV冬季还田(Ws)条件下各处理的活性范围分别在1.47 ~ 7.75 nmol/(h·g)、0.68 ~ 2.85 nmol/(h·g)、1.06 ~ 7.21 μmol/(h·g)、2.40 ~ 6.44 μmol/(h·g) 和0.62 ~ 1.42 mg/(h·g)，均高于春季还田(Ss)条件下各处理的酶活性0.90 ~ 6.97 nmol/(h·g)、0.64 ~ 2.64 nmol/(h·g)、0.99 ~ 5.5 μmol/(h·g)、1.98 ~ 5.09 μmol/(h·g) 和0.59 ~ 2.64 mg/(h·g)。

从图2可知，秸秆还田及秸秆还田并配施氮肥的处理显著地增加冬闲期CEL的活性，但秸秆还田时配施氮肥的比例对CEL的活性影响并不显著。冬季还田(Ws)条件下的N0、NB、N30B和 N60B秸秆还田处理CEL活性均值为：3.94 ~ 5.15 nmol/(h·g)，NB、N30B和 N60B3个配施氮肥的处理 CEL活性均值为：5.12 ~ 5.15 nmol/(h·g)，3个处理间无显著差异(P>0.05)；3个配施氮肥的处理 CEL活性均值均显著高于秸秆还田但不施氮肥的N0处理(3.94 nmol/(h·g))和秸秆不还田的CK处理(3.01 nmol/(h·g))。春季还田(Ss)条件下4个秸秆还田处理 CEL活性冬闲期均值为：3.62 ~ 5.14 nmol/(h·g)；3个配施氮肥的处理中，CEL活性在NB(4.62 nmol/(h·g))和N30B(4.55 nmol/(h·g))处理间无显著的差异，且均低于 N60B(5.14 nmol/(h·g))处理；3个配施氮肥的处理春季还田(Ss)条件下的CEL活性均显著高于秸秆还田但不施氮肥的N0处理(3.62 nmol/(h·g))和秸秆不还田的 CK 处理(2.78 nmol/(h·g))。而秸秆还田及秸秆还田并配施氮肥的处理总体上并未显著地改变冬闲期内其他5种酶(BG、BXYL、PHOX、PEOX和INV)的活性(图2)。

图2 各处理冬闲期土壤酶活性Fig. 2 Comparison of soil enzyme activities under different treatments in wintry fallow period

2.3 稻田土壤酶活性在早稻生育期的动态变化

土壤中碳周转相关的BG、CEL、BXYL、PHOX、PEOX和INV 6种酶的活性在早稻生育期均呈现先降低后升高再降低(拔节期低、齐穗期增高、成熟期降低)的趋势(图3)。这可能与拔节期和成熟期排水搁田有关。此外，利用冬闲期秸秆翻耕还田这一农田管理对早稻生育期内与碳周转相关 6种酶的活性并无显著的影响，冬季还田(Ws)条件下的各处理6种酶活性与春季还田(Ss)条件下的各处理无显著差异(P>0.05，图3)。

2.4 秸秆配施氮肥还田对早稻生育期稻田土壤酶活性的影响

由图3可知，秸秆还田处理显著地增加水稻生育期内BG、CEL和BXYL的活性，但对另外3种酶(PHOX、PEOX和INV)无显著的影响。图4的结果进一步证明了上述结论，由图4可知：冬季还田(Ws)条件下的N0、NB、N30B和 N60B秸秆还田处理BG、CEL和BXYL活性在生育期内的均值分别为：19.54 ~ 23.80、3.58 ~ 5.25和2.19 ~ 2.39 nmol/(h·g)，显著高于秸秆不还田的CK处理(17.39、2.39和1.82 nmol/(h·g))；春季还田(Ss)条件下的4个秸秆还田处理的BG、CEL和BXYL酶活性在生育期内的均值分别为：18.38 ~ 23.54、3.79 ~ 5.08和2.01 ~ 2.41 nmol/(h·g)，也显著高于秸秆不还田的CK处理(15.76、2.22和1.86 nmol/(h·g))。但秸秆还田配施氮肥的处理仅增加水稻生育期内BG和CEL的活性(图3，图4)。3个配施氮肥的处理(NB、N30B和 N60B)BG和 CEL活性在水稻生育期内均值为：22.05 ~ 23.67和4.70 ~ 5.06 nmol/(h·g)，均高于秸秆还田但不施氮肥的N0处理(18.96和3.68 nmol/(h·g))；且3个配施氮肥的处理(NB、N30B和 N60B)间BG和 CEL活性无显著的差异(P>0.05)。

2.5 土壤酶活性与有机碳投入量及养分指标的相关性

表 2中各处理土壤酶活性的相关性分析结果表与PEOX呈极显著正相关(P<0.01)；其他酶活性两两之间均呈极显著正相关(P<0.01)。由此可见，催化秸秆分解、促进土壤碳周转的6种酶之间是相互紧密联系的，共同调控土壤的物质循环和能量流动。

图3 土壤酶活性随早稻生育期的动态变化Fig. 3 Dynamic changes of soil enzyme activities under different treatments in early-rice growth stages

图4 各处理早稻生育期土壤酶活性Fig. 4 Comparison of soil enzyme activities under different treatments in early-rice growth stages

表2 土壤酶活性、有机碳投入量及养分指标间的相关性Table 2 Correlation coefficients of soil enzyme activities, organic C input and soil nutrients in early-rice growth period

各处理土壤酶活性与其有机碳投入量及部分养分指标的相关性分析表明(表2)：除PHOX外，其他5种酶与其有机碳投入量呈显著正相关；这表明与碳周转相关的6种酶在促进土壤有机质转化过程中，不仅具有专有特性，同时也存在着共性关系。但由于土壤酶参与土壤物质循环的同时会受到土壤环境的综合影响，因此参与土壤碳周转的6种酶仅与部分土壤养分指标具有一定的相关性。从表2结果可见：PHOX与全磷、有效磷和速效钾这3个养分指标之间存在正相关关系，且达到显著水平(P<0.05)；PEOX与速效钾之间存在显著的正相关关系；INV与碱解氮之间存在显著的正相关关系。

3 讨论

利用冬闲期秸秆翻耕还田，能增加秸秆的腐解时间，提高冬闲期土壤碳周转相关酶的活性，促进土壤有机质转化。据统计，我国南方稻区约有冬闲田2 000万hm2，土地、温度、光照、水分、肥力等自然资源丰富[35]，若能充分利用南方稻田冬、春自然资源，在冬闲期合理进行水稻秸秆还田，不仅可以减少稻草焚烧产生的环境危害，而且可能替代绿肥，在低温和非淹水条件下实现“固碳保氮”[36]。本研究的田间试验位于江西鹰潭，该区冬季 ≥0℃积温为1 737.0 ~ 2 003.2℃，平均气温7.6 ~ 10.5℃，最冷月平均气温3.1 ~ 5.7℃，太阳辐射1 219.9 ~ 1 669.5 MJ/m2[37]。该区冬季太阳辐射较丰富，利于秸秆的腐解。本试验研究结果显示，冬季还田处理在冬闲期碳周转相关6种酶活性均高于春季还田处理，但在生育期仅 BG与PEOX酶的全部处理以及其他4种酶的大部分处理在冬季秸秆还田处理高于春季还田。这进一步说明本试验稻区适合推广冬闲期秸秆翻耕还田的农田管理措施。

秸秆还田时配施氮肥在一定程度上影响土壤酶活性。在秸秆腐熟过程中，大量微生物的繁殖与对秸秆的分解会消耗土壤中大量的氮素，引起与作物生长对氮素的竞争，造成土壤对作物的氮素供应不足，从而影响作物生长[38]，需要配施一定量的氮肥调节C/N比，以满足微生物分解秸秆过程中要吸收土壤速效氮[12]。因此秸秆还田配施氮肥逐渐成为普遍的农田施肥管理措施。钱海燕等[28]研究了秸秆还田配施化肥及微生物菌剂对水田土壤酶活性和微生物数量的影响，结果表明:与单施秸秆相比，秸秆还田配施氮磷钾及微生物菌剂后，土壤过氧化氢酶、转化酶和脲酶活性分别提高了 37.5% ~ 68.8%、32.3% ~ 61.5% 和48.8% ~ 102%。与秸秆不还田处理相比，秸秆还田处理显著提高了土壤脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性[39]，这与矫丽娜等[40]研究高量秸秆不同深度还田对黑土酶活性的影响结果相同。本试验研究结果显示，冬闲期秸秆还田时配施氮肥处理的CEL活性高于秸秆还田但不施氮肥的处理，生育期内秸秆还田配施氮肥处理的BG和CEL酶活性也高于秸秆还田但不施氮肥的处理，而不论是冬季还田还是春季还田，秸秆还田时配施的矿质氮肥比例并未造成3个氮肥处理间酶活性的显著差异。这说明尽管配施氮肥影响水稻土碳周转相关酶的活性，但由于后期基肥、分蘖肥和穗肥追施对氮素的补充，秸秆还田时氮肥前移处理，对土壤酶活性并未造成显著影响。因此，秸秆还田配施氮肥尤其是还田时配施氮肥的量对调控土壤碳周转的酶活性及其动力学机理仍有必要进一步研究。

4 结论

1) 利用冬闲期秸秆翻耕还田能增加冬闲期土壤与碳周转相关酶的活性，但对早稻生育期内这6种土壤酶活性的影响不一致。冬闲期冬季还田条件下各处理酶活性高于春季还田，但生育期内冬季秸秆翻耕还田措施仅对土壤 β-葡糖苷酶和过氧化物酶有增加作用，其他酶个别处理表现不一致。

2) 秸秆还田配施氮肥在一定程度上影响土壤酶活性，但秸秆还田时配施氮肥的比例对土壤酶活性影响并不显著。秸秆还田时配施氮肥措施显著地增加冬闲期 β-纤维二糖苷酶活性，而对生育期内 β-葡糖苷酶活性和 β-纤维二糖苷酶有一定的增加作用，但秸秆还田时配施氮肥的 3个比例间土壤酶活性并无显著差异。

3) 在秸秆还田并配施氮肥处理中，土壤酶活性之间关系密切。除多酚氧化酶与 β-纤维二糖苷酶和蔗糖酶之间无显著相关外，其他酶活性两两之间均呈显著正相关。对与碳周转相关的土壤酶活性影响最大的是各处理的有机碳投入量，除多酚氧化酶外，其他5种酶与其有机碳投入量呈显著正相关。而与碳周转相关的土壤酶活性与大多土壤养分指标间并无显著相关。多酚氧化酶与全磷、有效磷和速效钾之间存在正相关，过氧化物酶与速效钾间、蔗糖酶与碱解氮间存在正相关。

综上所述，在南方稻区尤其是江西双季稻产区，秸秆还田时间的提前能有效利用冬季积温及太阳辐射，增加秸秆的腐解时间，因此，在该区推广冬闲期秸秆翻耕还田措施能增加稻田土壤碳周转相关的酶活性，影响土壤有机质的周转，进而影响土壤的综合肥力水平，对土壤有机培肥的机理研究有重要意义。秸秆还田时配施氮肥能在一定程度上调控与碳周转相关的土壤酶活性，缓解秸秆分解的耗氮过程与作物生长需氮的竞争，对保障作物的生产具有重要的农学指导意义。

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Effects of Rice Straw Returning Timing Combined with Nitrogen Fertilization on Enzyme Activities of Paddy Soil

WANG Qianqian, YAO Shuihong*, ZHANG Bin, YUE Longkai, HAN Ya, ZHANG Yueling, ZHOU Xuan
(Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081, China)

A field experiment was conducted to study the effects of straw returning timing combined with nitrogen (N) fertilizer application ratio on enzyme activities in paddy soil in order to provide theoretical basis for fostering soil fertility and stabilizing paddy field ecosystem function. The experiment consisted of two rice straw returning times (WS: returning in winter; SS: returning in spring) and four N fertilizer application levels (N0, straw returning and no N fertilization during all the experimental course; NB, conventional fertilization, and no N fertilization when straw returning; N30B, 30% N of base fertilizer applied when straw returning; N60B, 60% N of base fertilizer applied when straw returning). The results showed that: 1) Straw returning in winter increased the activities of six soil enzymes (β-Glucosidase, β-Cellobiosidase, β-Xylosidase, Phenol oxidase, Peroxidase and Invertase) related to C turnover. In winter fallow period, enzyme activities were higher at winter straw returning than those at spring straw returning, and winter straw returning increased both the activities of β-Glucosidase and Peroxidase during early-rice growth stage. 2) Rice straw returning combined with N fertilization application significantly increased β-cellobiosidase activity both in winter fallow period and in early-rice growth stage, but there was no significant difference in soil enzyme activities under the three levels of N fertilizer application. 3) All the enzyme activities, except Phenol oxidase, had significantly positive correlations with organic C inputs. Therefore, rice straw returning combined with N fertilizer application in winter can regulate soil enzyme activities related to C turnover to some extent, which has ecological significance to promoting straw returning in winter and ensuring the crop yield.

Paddy soil; Straw returning timing; Straw returning combined with N fertilizer application; Enzyme activities

S154

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.01.004

国家自然科学基金项目 (41471187) 、国家重点研发项目(2016YFD0300907)和中国农业科学院知识创新工程优秀青年项目(634-6)资助。

* 通讯作者(yaoshuihong@caas.cn)

王倩倩(1990—)，女，山西长治人，硕士研究生，主要从事土壤肥力演变和土壤生物物理研究。E-mail: wangqianqian127@163.com