秸秆深还年限对葡萄园土壤腐殖质组分及酶活性的影响

黄立强　赵竹青　刘新伟

摘要：通过在葡萄园设置2年田间定位试验，研究了CK（秸秆不还田）、SRF1（秸秆还田并深埋1年）和SRF2（秸秆还田并深埋2年）3个处理下耕层土壤的腐殖质组分碳含量、酶活性及养分含量等指标变化，旨在探明秸秆还田对土壤腐殖质碳组分和土壤酶活性的影响。结果表明，与CK相比，SRF1和SRF2处理土壤腐殖质碳含量分别增加25.8%和31.6%，且均明显提升了土壤的PQ（胡敏酸碳与腐殖质碳的比值）和胡富比（胡敏酸碳与富里酸碳的比值）；秸秆还田显著提高了土壤酶活性，与CK相比，SRF1和SRF2处理土壤脲酶活性分别增加42.4%和60.6%，酸性磷酸酶活性分别增加9.2%和10.5%，蔗糖酶活性分别增加28.1%和30.6%。与CK相比，SRF1和SRF2处理土壤pH分别由5.86提升至6.48和6.79；秸秆还田后土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、有效锌、有效硼和有效铁含量均显著增加，且随还田年限的延长而增加。通过对土壤腐殖质碳组分和土壤酶活性进行相关性分析发现，二者之间呈显著或极显著相关。综合来看，秸秆还田有利于土壤腐熟化并提高土壤地力，且土壤肥力随还田年限的增加而增加。

关键词：秸秆还田；土壤养分；腐殖质碳；酶活性

中图分类号：S141.9；S154.3 文献标識码：A 文章编号：0439-8114（2017）19-3640-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.19.012

Abstract： The variation of humus compositions，enzyme activity and nutrient content under the treatments of CK （without application of straw），SRF1（straw returned one year） and SRF2（straw returned two years） was studied through two-year field location experiment in the vineyards，aimed to clear the impact of straw on soil humus carbon component and soil enzyme activities. The results showed that，compared to CK，soil humus carbon increased by 25.8% and 31.6% respectively under SRF1 and SRF2，and these two treatments significantly improved the soil of PQ （the ratio of humic acid carbon and humus carbon） and HAC/FAC（the ratio of humic acid carbon and fulvic acid carbon）. Straw significantly increased soil enzyme activities，compared to CK，soil urease activity under SRF1 and SRF2 increased by 42.4% and 60.6% respectively，acid phosphatase activity increased by 9.2% and 10.5% respectively，and invertase activity increased by 28.1% and 30.6% respectively. Compared with CK，soil pH under SRF1 and SRF2 increased from 5.86 to 6.48 and 6.79 respectively. The soil organic mater，alkali-hydrolyzable nitrogen， available phosphorus，rapidly available potassium， available zinc，available boron and available iron after straw returned significantly increased compared with CK， and increased with the extension of straw returned years. Through the soil humus carbon fractions and soil enzyme activities correlation analysis found that， different soil activity and soil humus carbon fractions were significantly associated. In terms of total up， straw returned was beneficial to soil putrescicity and improve soil fertility，and the soil fertility increased with the extension of straw returned years.

Key words： straw returned； soil nutrients； humus carbon； enzyme activity

秸秆是农作物收获后的残留物，同时也是物质及养分的载体，属可再生生物资源[1]。农作物秸秆中不仅含有丰富的碳源，还可提供除N、P、K养分之外的中微量元素及大分子有机化合物养分，因此，秸秆也是农业生产中一种重要的有机肥源[2]。中国秸秆资源量丰富，年产达7亿～8亿t，但利用率却不足50%，有超过30%的秸秆被丢弃或者焚烧[3，4]，这不仅造成资源浪费，还使得土壤表层有机碳下降，养分损失，并且焚烧会使大气环境恶化，进而影响人类健康[5，6]。将其还田利用不仅可以合理处理大量剩余秸秆，还可提高土壤肥力、养分和有机碳含量，改良土壤结构和物理性状[4，7-9]。秸秆利用一直是农业生产研究的热点问题，但利用方式不一，所带来的结果也不尽一致。

近年来，随着秸秆还田在农业生产中的推广应用，其相关的学术研究也得到了相应的发展。有研究[10，11]表明，秸秆直接还田可显著增加土壤有机质积累，提高土壤养分，对改善土壤的理化性状也有明显效果，秸秆还田还可增加土壤团聚体的稳定性、强度，从而增强土壤蓄水能力和田间水的利用效率。Borresen[12]的研究结果表明，秸秆施用可增加作物产量，并且对干旱年间的作用更为明显。矫丽娜等[13]、路文涛等[14]发现在耕作条件下进行秸秆还田，不仅可以快速增加土壤有机碳含量，而且改变了土壤腐殖质组分，提高了土壤腐殖质的品质，同时提高了土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶的活性。

从国内外的研究现状来看，对秸秆还田的研究主要集中在土壤养分、土壤物理性状、作物产量等方面，关于秸秆对土壤腐殖质碳组分及其土壤酶活性的综合影响鲜见详细报道，特别是针对果园土壤秸秆还田的研究，以往研究基本都是以大田粮油作物为研究目标。所以本试验研究了秸秆还田对葡萄种植区土壤腐殖质碳组分、酶活性及有效养分的影响，为明确果园秸秆还田对土壤固碳和肥力的贡献提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2014-2016年在湖北省恩施土家族苗族自治州建始县关口葡萄种植园（30°30′N，109°56′E）内进行。该地区属于亚热带季风湿润型山地气候，海拔为990 m，年均无霜期260 d，年均气温15.5 ℃，年降雨量1 200～1 500 mm，土壤耕作和作物收获均采用传统人工模式。试验共设3个处理，分别为CK（秸秆不还田）、SRF1（秸秆还田并深埋1年）、SRF2（秸秆还田并深埋2年）。秸秆深还处理区（SRF1、SRF2）是将自然晒干、风干之后的玉米秸秆人工折碎后均匀地铺于宽60 cm、深20 cm的葡萄行间沟内并将原土覆上，用量均为15 t/hm2。为加强玉米秸秆的降解速度，所有处理均施用尿素（46%）55 kg/hm2将秸秆还田处理区（SRF1、SRF2）的C/N调节为30。各处理施氮量保持在245 kg/hm2，化肥施用按N∶P2O5∶K2O=1.00∶0.75∶1.20的比例施用，氮、磷均作为基肥施于行间沟内，钾肥75%作为基肥施入，另外利用25%作为追肥，其他均按照葡萄常规栽培方法进行管理。葡萄的种植密度为2 m×2 m，小区面积为4 m×20 m=80 m2。

供试所用的玉米秸秆的C/N为64；供试肥料为尿素（N 46%）、西洋3代复合肥（15-15-15）、硫酸钾（K2O 50%）。供试土壤为黄棕壤，主要化学性质为有机质13.9 g/kg、碱解氮91.4 mg/kg、有效磷19.2 mg/kg、速效钾173.3 mg/kg、pH 5.82。

1.2 土样采集

于2016年3月统一在每个处理小区按照S形路线取10个点的土样，采样深度为20 cm，并将小区所取得10个点的土样充分混匀为1个土样，再利用四分法取1 kg左右，最终每个处理将获得3个土壤样品，3个处理共9个土壤样品，将土壤样品带回实验室风干、磨细，分别过1 mm和0.25 mm的筛，存于密封袋中备用。

1.3 分析方法

1.3.1 土壤养分、pH及微量元素的测定 采用常规方法测定[15]。土壤有机质采用重铬酸钾容量-外加热法测定；土壤碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷采用Olsen法测定；速效钾采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定；pH采用pHS-3C型pH计测定（水土比为2.5∶1）；有效硼采用沸水浸提-姜黄素比色法测定；有效铁、锌、铜采用DTPA-TEA浸提-AAS法测定。

1.3.2 土壤腐殖质碳组分的测定 土壤腐殖质的提取和分离参照腐殖质组成修改法测定[16，17]，土壤腐殖质各组分有机碳均采用重铬酸钾容量-外加热法测定；土壤有机碳（SOC）采用重铬酸钾容量-外加热法测定。

1）可提取腐殖质碳（Humus carbon，HC）。称取2.50 g风干土样于250 mL三角瓶中，准确加入0.1 mol/L焦磷酸钠、0.1 mol/L氢氧化钠混合液50 mL，振荡5 min后静置13～14 h（温度控制在20 ℃左右）， 旋即摇匀、过滤；吸取清亮滤液5.00 mL移入150 mL三角瓶中，加3 mol/L H2SO4约5滴（调节pH至7）至溶液出现浑浊，于水浴锅上蒸干、测碳。加0.800 0 mol/L（1/6 K2Cr2O7）标准液5 mL，迅速注入5 mL浓H2SO4，盖上小漏斗并经沸水浴加热15 min，冷却后加去离子水50 mL稀释，加邻啡罗林指示剂3滴后用0.1 mol/L FeSO4滴定，同时做空白试验。

HC=[0.800 0×5.00×（V0-V1）×0.003/V0]×100/m

式中，V0为5.00 mL标准K2Cr2O7溶液空白试验滴定的FeSO4体积（mL），V1为待测液滴定所用 FeSO4体积（mL），m为与吸取滤液相當的土样质量（g），5.00为空白试验所用K2Cr2O7体积（mL）。

2）胡敏酸碳（Humic acid carbon，HAC）。吸取上述滤液20.00 mL于小烧杯中，置于沸水浴上加热，在玻璃棒搅拌下滴加3 mol/L H2SO4酸化，至絮状沉淀析出。继续加热10 min使HA完全沉淀。过滤后，以0.01 mol/L H2SO4洗涤滤纸和沉淀至滤液无色为止（即完全洗去富里酸）。以热的0.02 mol/L NaOH溶解沉淀，仔细收集溶解液于150 mL三角瓶中，按照“1）”中所述方法酸化、蒸干、测碳（此时土样质量m相当于1 g）。

3）富里酸碳（Fulvic acid carbon，FAC）。用差减法求得，即FAC=HC-HAC。

4）胡敏素碳（Humin carbon，HMC）。用差减法求得，HMC=SOC-HC。

5）腐殖质碳组分比值。胡敏酸碳與可提取腐殖质碳的比值（PQ）=HAC/HC，胡敏酸碳与富里酸碳的比值（胡富比）=HAC/FAC。

1.3.3 酶活性的测定 参照关松荫[18]的方法测定。其中，脲酶活性的测定采用靛酚比色法，以1 g土在37 ℃培养24 h后土壤的NH3-N的质量（mg）表示；蔗糖酶活性测定采用3，5-二硝基水杨酸比色法，以1 g土在37 ℃培养24 h分解蔗糖产生的葡萄糖的质量（mg）表示；酸性磷酸酶活性测定采用磷酸苯二钠比色法，以1 g土在37 ℃培养24 h后土壤中产生的酚的质量（mg）表示。

1.4 统计分析

采用Excel 2007对试验数据进行处理并作图，应用SPSS 17.0数据处理软件进行方差分析和Pearson相关性分析，不同处理之间采用Duncan新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 秸秆深还对土壤有机碳和腐殖质碳组成的影响

由表1可知，秸秆深还后土壤中腐殖质碳和腐殖质组分碳含量明显高于CK，且随深埋时间的延长而增加。土壤有机碳含量随年限的增加而显著增加；腐殖质碳含量SRF1和SRF2处理分别比CK增加了1.19 g/kg和1.46 g/kg，差异显著，SRF2比SRF1增加了0.27 g/kg；与CK相比，秸秆深还的2个处理下胡敏酸碳和富里酸碳含量均明显增加，表现为SRF2>SRF1>CK，但SRF1与SRF2之间无显著差异；各处理间的胡敏素碳含量差异显著，且SRF2>SRF1>CK；腐殖质碳占土壤有机碳的比例随秸秆深埋时间的增加呈先上升后下降趋势，且都高于试验对照。

土壤腐殖质组分碳含量的差异使各组分的相对比例也呈现出一定规律性的变化，其中PQ反映了土壤中有机质的腐殖化程度，胡富比则反映了腐殖酸品质。从表1可以看出，SRF1和SRF2处理下腐殖质的HAC/FAC和PQ均高于CK，而随还田年限的延长，其比值会略有降低。

2.2 秸秆深还对不同土壤酶活性的影响

土壤脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶作为3种不同水解酶参与高分子有机化合物的水解反应对丰富土壤中能被植物或微生物利用的可溶性营养物质有重要的作用。由图1可知，经过秸秆处理后的3种水解酶活性均得到了显著提高，且随秸秆还田年限的延长其土壤酶活性明显提高。与CK相比，SRF1、SRF2土壤脲酶活性分别显著提高了42.4%、60.6%，均达显著水平；酸性磷酸酶活性分别提高了9.2%、10.5%，也均达显著水平；蔗糖酶活性分别提高了28.1%、30.6%，均达显著水平。随秸秆还田年限的延长，其土壤中脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶的酶活性均呈现出增加趋势。

2.3 秸秆还田对土壤中速效养分含量、pH及微量元素的影响

由表2可以看出，施用秸秆可显著提高土壤中有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量，甚至可明显改善酸性土壤性质，且随还田年限的延长其效果越好。与CK相比，SRF1、SRF2处理的土壤有机质含量分别增加了15.2%和24.5%，碱解氮含量分别增加了20.6%和27.0%，有效磷含量分别增加了83.7%和121.1%，速效钾含量分别增加了21.6%和31.7%。土壤pH是土壤养分有效性的一大限制因素，秸秆深埋还田处理（SRF1、SRF2）后土壤pH由原来的5.86（酸性土壤）变化至6.48、6.79（偏中性土壤），可活化大部分养分。

秸秆作为有机体不仅可以提供大量元素养分，还可提高土壤中微量元素养分，且葡萄对土壤中的硼、锌、铁元素比较敏感。由图2可知，与CK相比，秸秆深埋还田后土壤中的有效硼、有效锌和有效铁均显著增加，且随还田时间的延长呈现出增加趋势；但其有效铜含量与其他不同，秸秆深埋还田反而降低其含量，其原因可能是其土壤中含量本来就很高，秸秆中大分子将其吸附，降低有效性，同时可防止植株铜中毒。

2.4 土壤腐殖质碳组分与土壤中不同酶活性的相关性

不同处理土壤总有机碳、腐殖质碳组分与土壤酶活性（脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶）的相关性分析结果如表3所示。土壤总有机碳与脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶之间极显著相关，相关系数分别为0.918、0.902和0.972；腐殖质碳与脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶之间也呈极显著相关，相关系数分别为0.984、0.957和0.974；胡敏酸碳与各类酶之间也呈极显著相关；富里酸碳只与酸性磷酸酶和蔗糖酶之间显著相关，相关系数为0.701、0.736。总有机碳与各腐殖质碳组分之间呈显著或极显著相关。

3 讨论

秸秆还田不仅可以直接补充碳源，还可以通过改善土壤理化性质而提高土壤的自修复能力和肥力，对土壤中养分循环和农业生态系统稳定平衡具有重要作用。

3.1 秸秆还田对土壤腐殖质碳组分的影响

腐殖质的形成是个复杂而循环的过程，土壤腐殖质始终进行着合成和分解，其物质组成一方面来源于植物残体的分解，然而秸秆还田后的分解过程表现为先快速矿化分解，后进行缓慢矿化并形成腐殖物质。崔婷婷等[19]、王胜楠等[20]研究表明，秸秆深还不仅有利于土壤有机碳的固定，还可以促使土壤表层中胡敏酸、富里酸和胡敏素碳含量增加。吴海勇等[21]研究表明，将水稻秸秆直接深埋还田可以提高腐殖酸、富里酸、胡敏酸碳含量和HAC/FAC，可促进腐殖质形成并提高品质。邹洪涛等[22]研究结果表明，秸秆还田后可提高表层土壤有机碳含量，但秸秆深还2年和深还1年相比，其腐殖质碳组分含量及PQ并无显著差异，且第一年含量相对较低。本研究结果表明，秸秆还田可以显著提高有机碳及腐殖酸组分碳含量，并可明显提高胡富比和PQ，且随着秸秆还田年限的增加（第二年和第一年相比），腐殖酸、胡敏酸、富里酸碳含量都有所增加，但其胡富比和PQ略有降低，这与邹洪涛等[22]的研究结果略有不同，可能是由于秸秆种类不同或者环境差异所导致的，土壤中胡敏酸和富里酸可相互转化，后期环境的变化可导致秸秆降解转化为二者的比值会有所不同，但整体来看施用秸秆后土壤腐殖质品质朝一个较好的方向转化，同时也提高了土壤的腐熟化程度，有利于提高地力。

3.2 秸秆还田对土壤酶活性的影响

土壤酶在土壤有机质分解和养分循环所必需的催化反应中起着重要作用[23]，涉及一系列的植物、微生物、动物及其分泌物，土壤酶活性的变化能改变土壤中养分的有效性，而这些变化是土壤质量的潜在敏感指标[24]。本试验得出，与CK相比，秸秆还田能够显著提高土壤中的脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性，且随年限的增加而提升，表明秸秆还田有助于提高土壤的生物活性，原因可能是秸秆还田改善了土壤结构和土壤微生物环境，增强了微生物生命代谢活动，从而提高了土壤酶活性，这与前人研究结果[25-27]一致。

3.3 秸秆还田对土壤养分及pH的影响

农作物秸秆作为重要的有机肥源，还田后经过矿化降解过程可为土壤微生物和作物提供能量和养分，并直接或间接地影响着土壤性状。有研究表明，秸秆还田能够显著改善土壤理化性状及提高土壤肥力，为作物生长创造良好的土壤环境[28，29]。本研究结果显示，经过不同年限的秸秆还田，相比无秸秆还田，土壤中的碱解氮、有效磷、速效钾和有效硼、有效锌、有效铁含量等均有不同程度的提高，土壤pH也随之升高，由原来的酸性土壤缓慢向中性转变，且随着还田年限的增加，其养分及pH也有所增加，这可能是秸秆中养分缓慢释放过程，也可能是秸秆中的活性物质将土壤中的养分活化，这与武志杰等[30]研究结果一致。

4 小结

本试验综合探讨了葡萄园土壤不同年限秸秆还田对土壤腐殖质碳组分、酶活性及有效养分含量的影响，发现在秸秆深还后，土壤中的腐殖质及其组分碳含量、胡富比、PQ、土壤的3类水解酶活性（脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶）均显著提高，秸秆深埋还田2年较深埋还田1年有增加趋势，且腐殖质碳组分含量与酶活性的相关性显著；在土壤养分方面，秸秆还田对其具有促进作用，其有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、有效硼、有效锌、有效铁含量均显著提高，土壤中养分元素的补充可促进葡萄生长发育；在土壤pH方面，秸秆还田后土壤pH由原来的酸性土质缓慢向中性土质变化，秸秆在降解过程中可分解出各类物质，改善土壤理化性质，从而改变土壤营养元素的有效性。由此表明，秸秆还田对土壤腐殖质碳组分含量增加、酶活性提高及土壤养分理化性质改善等方面具有促进作用，且在一定时期内，其效果随还田年限的延长而提升。

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