秸秆还田对土壤养分及酶活性的影响

2021-04-11高梦瑶靳玉婷缪杰杰胡宏祥刘运峰龚静静

红河学院学报 2021年2期

高梦瑶，靳玉婷，缪杰杰，胡宏祥，刘运峰，龚静静

（安徽农业大学资源与环境学院，合肥 230000）

我国农作物秸秆年产量约达7亿吨，秸秆中富含氮、磷、钾等营养元素，是一种天然可再生资源，对提高土壤肥力具有重要价值。[1，2]但近年来秸秆被遗弃和焚烧现象严重，造成了严重的环境污染和资源的浪费。[3]长期以及过量施肥会使土壤盐渍化，土壤肥力急剧下降，农田生态系统遭到破坏。[4]有研究表明秸秆还田可以为土壤中植物生长提供其必需元素与微量元素，因此，现多采用秸秆还田方式替代部分化肥施入土壤，改善土壤养分和土壤结构，维持土壤生产力。但是，秸秆的主要成分为纤维素、半纤维素和木质素，C/N比较高，很难被土壤中微生物分解，因此应以秸秆还田配施一定比例氮肥、磷肥来调节其C/N比，从而加快秸秆的腐解进程，更好地发挥其肥效。[5]

土壤酶是一类具有专一特性的活性生物催化剂[6]，参与了大多数土壤的生化过程，如土壤中多种氧化还原反应以及土壤养分的固定与释放，对土壤营养物质转化和能量代谢起着重要的催化作用[7]，是表征土壤肥力的重要指标。[8]有研究表明，秸秆还田能提供适宜土壤细菌和真菌生存的酸性环境，从而间接提高土壤酶活性。[9]刘善江等[10]研究表明，影响土壤酶活性的因素有土壤养分、土壤微生物以及种植作物。近年来关于秸秆还田对土壤酶活性影响的研究多集中在西北和东北地区，安徽等中部偏南地区研究较少。因此，本研究于2018年11月至2019年5月在安徽巢湖地区开展了田间试验，分析秸秆还田与化肥配施对土壤养分和酶活性的影响，探讨秸秆还田与化肥配施对土壤养分和酶活性的作用效果及原因，以期为优化土地施肥方式提供科学依据，实现秸秆的可持续利用，为农业面源污染贡献力量。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年11月至2019年5月在安徽省巢湖市安徽农业大学试验基地进行。试验点属于北亚热带湿润季风气候区，光照充足，雨量充沛，气候温和，年平均温度15～16 ℃，年平均降水量1100 mm左右。试验区土壤为水稻土，土壤基本的理化性质：土壤pH 6.03，有机质含量24.29 g/kg，碱解氮含量146.56 mg/kg，速效磷含量12.87 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设置4个处理，分别为：（1）CK，无秸秆+无施肥；（2）F，常规施肥；（3）SF，秸秆还田与常规施肥；（4）SFR，秸秆还田与常规施肥减量20%。每个处理3次重复.试验小区面积30 m2，长4 m，宽7.5 m。常规施肥按照当地农民施肥习惯施肥，供试肥料为安徽惠利多公司生产的复合肥料（N+P2O5+K2O≥48%(18-10-18)）502.5 kg/hm2做基肥，中煤集团生产的尿素（N≥46.4%）150kg/hm2做追肥，共2次追肥。供试油菜于11月中旬移栽，次年5月中旬收获。秸秆还田方式为将上季水稻秸秆人工切碎翻耕入土，混匀。除草及病虫害防治等同当地常规管理。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤养分测定

土壤pH值：水浸提电位测定法；土壤有机质：重铬酸钾容量法-外加热法；土壤碱解氮：碱解扩散法；土壤速效磷：0.5 mol/LNaHCO3浸提-钼蓝比色法。[11]

1.3.2 土壤酶活性测定

脲酶活性：苯酚钠-次氯酸钠比色法，以1 d后1 g土壤中NH3-N的毫克数（mg）表示土壤脲酶活性；磷酸酶活性：磷酸苯二钠比色法，以1 d后1 g土壤中释放出的酚的毫克数（mg）表示磷酸酶活性；过氧化氢酶活性：高锰酸钾容量法，以1 g土壤1h内消耗的0.1 mol/LKMnO4的体积数（mL）表示土壤过氧化氢酶活性。[12]

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤养分的影响

由表1可知，秸秆还田能够降低土壤pH值，随油菜生长，SF较F依次降低了0.26、0.37和0.77个单位，且在开花期和成熟期差异显著。较CK相比，F、SF和SFR土壤pH值分别降低了0.40～0.55、0.72～1.32、0.19～0.83个单位，差异显著。有机质是土壤的重要组成部分，其含量高低是评价土壤肥力的重要指标.秸秆还田能够改变有机质的矿化速度[13]，提高土壤有机质含量。如表1所示，在油菜生长过程中，土壤有机质含量高低表现为蕾薹期＞开花期＞成熟期。较F相比，SF和SFR有机质含量均显著提高，分别提高6.57%～8.70%和5.06%～6.42%，可见，秸秆还田配施化肥能提高土壤有机质含量。Akhtar K等[14]研究也得出类似结论。由表1可知，随油菜生长，不同处理对土壤速效养分含量的影响不尽相同。较F相比，SF处理碱解氮含量提高6.05%～11.34%，速效磷含量提高14.39%～20.40%；SFR处理碱解氮含量提高7.73%～17.76%，速效磷含量在蕾薹期和开花期降低，成熟期升高。随油菜生育期延后，SF碱解氮含量呈增加趋势，而速效磷含量却依次降低，由此说明，秸秆还田配施减量化肥更有利于对氮素的积累。

表1 不同处理对土壤养分的影响

2.2 不同处理对土壤脲酶活性的影响

由图 1可知，在油菜生长过程中，4个处理下脲酶活性变化一致，均表现为先降低后增加，于开花期降至最低，以蕾薹期最高，不同处理同一生育期对脲酶活性的影响都表现为SFR＞SF＞F＞CK。随生育期延后，较F相比，SF和SFR脲酶活性均增强，依次增长12.77%、29.03%、25.00%和23.40%、51.61%、36.11%，SF在蕾薹期差异不显著。说明秸秆还田配施化肥能够加速土壤中尿素的转化和吸收，以秸秆还田配施减量化肥效果最佳。

图1 不同处理对土壤脲酶活性的影响

2.3 不同处理对土壤磷酸酶活性的影响

土壤磷酸酶在土壤中直接参与有机磷的分解和转化。由图2可以看出，在油菜生长过程中，磷酸酶活性大小为蕾薹期＞成熟期＞开花期，但变化幅度不大，不同处理的磷酸酶活性变化一致，体现为SFR＞SF＞F＞CK.随油菜生育期，SF和SFR磷酸酶活性均高于F，分别增长17.5%、15.79%、25.00%和21.25%、23.68%、33.33%，差异显著。

图2 不同处理对土壤磷酸酶活性的影响

2.4 不同处理对土壤过氧化氢酶活性的影响

过氧化氢酶活性的测定结果如图 3所示，在整个生育期过氧化氢酶活性大小呈现先降低后升高的趋势，以开花期活性最低。不同处理在各个生育期对过氧化氢酶活性的影响为SFR＞SF＞F＞CK，其中较F相比，SF过氧化氢酶活性依次增长了7.25%、7.11% 和7.17%，但差异不显著；SFR过氧化氢酶活性显著高于F，分别增长了9.41%、14.79%和16.35%。

图3 不同处理对土壤过氧化氢酶活性的影响

3 讨论

作物生长需要适宜的土壤酸碱环境，土壤pH值是表征土壤酸碱度的重要指标。本试验表明秸秆还田能够降低土壤pH值，原因为秸秆还田后土壤有机质含量增加，经过分解释放大量CO2和有机酸，土壤pH值降低。成臣等[15]和胡心意等[16]研究结果与本试验一致。本试验中秸秆还田提高了土壤有机质、碱解氮和速效磷含量，秸秆还田后会增强土壤微生物活性，加速秸秆中有机态物质的分解与释放[17]，有机质含量提高；同时秸秆中碳素丰富，C/N高，秸秆在腐解过程中对土壤氮的矿化作用增强，碱解氮含量增加；秸秆还田能增强土壤磷酸酶的活性，加速土壤有机磷向无机磷的转化，提高土壤中速效磷含量，对磷素的积累起到重要作用。[18]高秀丽等[3]研究表明半量秸秆和全量秸秆还田与化肥配施较常规施肥土壤有机质含量均得到提升，并且处理之间差异显著，汤文光等研究得出不同耕作模式与长期秸秆还田有助于提高土壤速效养分含量，二者结论与本试验结果均保持一致。[19]

土壤酶活性高低对评价土壤肥力有重要意义。有研究表明秸秆还田可以提高土壤中过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶等酶活性[20]，不同秸秆还田方式对酶活性影响不同。[21]本试验随油菜生长，较常规施肥而言，秸秆还田配施化肥处理对脲酶、过氧化氢酶及磷酸酶活性均有提高，可能原因在于秸秆覆盖后，土壤表层的有机质和速效养分含量得到提高，土壤中真菌、细菌和放线菌数量增加，在不同生育期形成新的微生物区系，土壤微生物活性增强，从而土壤酶活性得到提高。

土壤脲酶是一种极为专性的酶，仅能水解尿素，将有机氮素转化为无机氮素，为植物和微生物生长提供氮源。[22]本试验秸秆还田配施化肥较常规处理脲酶活性增强，原因可能是在一定程度上秸秆提供的氮源较低，施加化肥后可为土壤微生物持续提供充足氮源，从而避免微生物在秸秆腐解过程中与油菜竞争土中氮源，这与闫洪奎等[23]研究结果相似。蕾薹期脲酶活性最高的原因可能是此时期为油菜生长的旺盛时期，对土壤养分的需求量大，能够反向刺激土壤酶活性增强，为作物提供更多营养物质，开花期和成熟期活性降低是因为随油菜生长，秸秆的腐解速率逐渐降低[24]，所需营养物质减少，从而对脲酶活性也相应减弱。

土壤磷酸酶是一种水解酶，是鉴别土壤有机磷转化能力的指标，其酶促作用能够加速有机磷的脱磷速度，提高土壤磷的有效性，活性高低直接影响有机磷的转化和土壤磷素状况。本试验中秸秆还田处理磷酸酶活性提高，原因在于秸秆施入后增加了土壤微生物数量和碳氮含量，增强了土壤微生物活性，导致磷酸酶活性提高。[25，26]邱现奎等[27]研究表明，秸秆还田配施化肥能够显著提高土壤磷酸酶活性，并且磷酸酶活性与碱解氮含量呈显著正相关，与本试验各处理对磷酸酶活性和碱解氮含量的影响结果一致。随油菜的生长，秸秆的腐解速度逐渐减慢，为土壤提供营养物质速率减缓，从而导致酶活性降低且趋于平稳，所以各生育期酶活性相差不大。

土壤过氧化氢酶广泛分布于土壤和生物体内，能够将作物代谢产生的过氧化氢分解为H2O和O2，降低土壤中过度累积的过氧化氢对植物根系及微生物的危害，并且其活性大小可以反映土壤过氧化过程的强度。[28]本试验结果显示，秸秆还田能够增强过氧化氢酶活性，原因在于长期秸秆还田后植物根系分泌的过氧化氢含量累积，从而刺激过氧化氢酶活性增强，加快对过氧化氢的分解，以此避免植物根系遭到毒害。