旱作区春玉米秸秆还田方式对土壤微生物量碳氮磷及酶活性的影响

刘子刚卢海博赵海超王炯琪和江鹏王雨晴黄智鸿赵海香魏 东

(河北北方学院,河北省农产品食品质量安全分析检测重点实验室,河北 张家口 075000)

冀西北地区是京津冀的水源涵养区及风沙源地,该区域属于典型的干旱半干旱气候,是重要的生态保护区[1]。近年来随着机械化水平的提高以及劳动力成本的增加,春玉米作为该区域主要农作物出现常年连作模式。在春玉米农田中施用大量的化肥可以提高产量,但同时容易造成氮肥利用率低、土壤酸化、氮肥损失和环境污染等问题[2]。因此,培肥地力是该区域生态农业可持续发展的关键问题。同时春玉米秸秆焚烧带来大气污染,长期移除他用容易导致土壤退化[3]。因此秸秆还田(straw incorporation)是秸秆处置的有效途径之一[4],同时可以改善土壤结构、提高土壤碳库容量及促进土壤氮循环[5],是旱作区保护性耕作的重要措施。但冀西北旱作区春秋低温环境下春玉米秸秆降解速度较慢[6],土壤养分周转时间长、影响出苗、易爆发病虫害以及导致土壤有机酸累积等问题[7],因此急需在现有玉米秸秆还田深松、秸秆还田翻耕、秸秆还田旋耕、整株秸秆还田、秸秆半量还田、膜下秸秆还田等技术[8-9]基础上,研发适宜旱作区春玉米秸秆还田技术是冀西北生态保护区急需解决的关键技术。

研究表明,秸秆还田不仅使土壤碳、氮投入直接提高,还能够改善土壤理化性质,提高土壤酶活性[10]。而不合理的秸秆还田方式使分解秸秆的微生物会与作物争夺土壤或者肥料中的养分,尤其是矿质氮、造成有机酸的累积和成为一些病原菌或虫害的庇护所[11]。土壤微生物组成会受到环境的严重影响[12]。干旱条件通过影响土壤p H、土壤有机碳含量和植物总盖度,间接影响土壤微生物菌群多样性和丰度[13]。土壤微生物的群落是影响土壤生物质量的关键因素,对土壤养分有效性、植物生长发育和环境质量具有重要影响[14-15]。土壤微生物量碳氮磷(microbial biomass C、N、P)是指土壤中体积小于5 000μm3的活的和死的微生物体内碳氮磷的总和,在土壤碳氮磷库中所占比例很小,但能够反映土壤微生物群落结构及土壤微小变化[16]。作物和微生物分泌的土壤酶能高效催化土壤有机质分解,为植物和微生物提供养分,土壤酶活性已成为量化陆地生态系统土壤质量和功能的重要指标[17]。因此,研究旱作区春玉米秸秆还田方式对土壤微生物量及酶活性的影响,能够揭示不同秸秆还田方式对秸秆降解和土壤养分转化的机制,及其对春玉米生长和产量的响应机制,进而优化旱作区春玉米秸秆还田方式。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于河北省西北张家口蔚县(114°13′E～115°04′E,39°34′N～40°10′N),属暖温带大陆性季风气候。气候夏季凉爽﹑秋季气候多变。年降水量为380.0～682.7 mm。平均气温为6.8～7.6℃,是中国典型的春玉米种植旱作区,土壤类型为栗钙土。

1.2 试验秸秆还田方式及采样

试验设计秸秆还田翻耕(JF)处理,玉米收获后全部秸秆粉碎(5～6 cm)覆盖地表,春玉米留茬10～15 cm,播种前进行深翻(深度为20～25 cm);秸秆还田旋耕(JX)处理,播种前进行浅旋耕(深度为10～12 cm);秸秆还田大垄轮播(JL)处理,采用高起垄(垄高20 cm,垄距60 cm)播种,第2年在上一年垄背开沟起垄种植,依次轮换位置开沟起垄种植(图1),以秸秆不还田做对照(CK)。每个处理种植3 335 m2,连续种植3 a,2017年、2018、2019年10月进行秸秆还田,2018年(品种为‘郑单958’)、2019 年(品种为‘福来818’)、2020年(品种为‘诚信16号’)5月初播种,春季随播种每667 m2施入玉米专用肥50 kg,起垄种植,垄距60 cm,株距0.32 cm,每667 m2株数3 500株。在2020年分别于播种前、苗期、拔节期、灌浆期、收获期利用GPS定位,选择3个样方,每个样方4 m2,每个样方按“S”形采样法采集5点,每个样点采集0～100 cm 土壤,按20 cm 分层,现场混匀,去除土壤中植物残体等杂质,置于塑封袋中带回实验室,测定土壤的微生物量碳氮磷、蔗糖酶活性、脲酶活性和理化指标。秋季在相应点位进行测产。不同处理土壤理化性状如表1所示。

图1 春玉米秸秆还田大垄轮播示意图Fig.1 Schematic diagram of spring corn rotation in large ridges

表1 土壤理化指标Table 1 Soil physical and chemical indexes

1.3 样品测定与方法

土壤MBC、MBN、MBP 均采用三氯甲烷熏蒸培养法测定[18-19];脲酶活性:采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定[20],其活性以24 h后1 g土壤中NH3-N 的质量(mg)表示脲酶活性;蔗糖酶活性:采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定[21],以24 h后1 g土壤中葡萄糖的质量(mg)表示蔗糖酶活性;土壤p H 采用电极法(水土比2.5∶1)测定[22];全氮(total nitrogen,TN)采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定[22];全磷(total phosphorus,TP)采用过硫酸钾氧化-分光光度计法测定[22];总有机质(total organic matter,TOM)采用重铬酸钾容量法-外加热测定[22]。

1.4 数据处理

采 用Microsoft Excel 2010 和SPSS 17.0 软件对试验数据进行差异显著性和相关分析,Microsoft Excel 2010作图。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田方式对土壤微生物量碳氮磷的影响

2.1.1 不同秸秆还田方式下土壤微生物量碳氮磷含量垂向变化 图2-A 为不同秸秆处理各层土壤微生物量碳(microbial biomass carbon,MBC)含量,MBC 是土壤有机质中最活跃的部分[23],土 壤 MBC 含 量 为150.40～508.36 mg·kg-1,随着土壤深度的增加总体均呈下降趋势,秸秆还田翻耕(JF)处理在20～40 cm 土层出现波谷。各秸秆还田处理土壤MBC 含量在0～20 cm 土层均显著(P<0.05)高于对照,秸秆还田大垄轮播(JL)处理在0～40 cm 土层显著(P<0.05)高于其他处理,JF处理在40～100 cm 显著高于JX 和对照。图2-B 为土壤微生物量氮(microbial biomass nitrogen,MBN)含量,MBN 是土壤中有机-无机态氮转化的关键环节之一[16],不同秸秆还田处理各层土壤MBN 含量为32.73～110.26 mg·kg-1,随着土壤深度的增加均呈下降趋势,0～40 cm 土层快速下降,40～100 cm 土层变化较小。各土层秸秆还田处理土壤MBN 含量均高于CK,0～20 cm 土层JL 处理显著(P<0.05)高于其他处理,40～60 cm 土层JF 处理显著(P<0.05)高于其他处理。图2-C为土壤微生物量磷(microbial biomass phosphorus,MBP)含量,MBP是土壤中植物有效磷的重要来源[16],不同秸秆还田处理各层土壤 MBP 含量为1.96～9.13 mg·kg-1,随着土壤深度的增加均呈先降后增趋势,60～80 cm 处出现最低值,0～40 cm 土层快速下降。秸秆还田处理0～40 cm土层MBP含量显著(P<0.05)高于CK,40～60 cm 土层JF处理显著(P<0.05)高于其他处理。图2-D 为土壤MBC/MBN,其能够反映微生物群落结构及微生物活性,进而影响秸秆分解速率[24],随着土壤深度的增加MBC/MBN 均呈先升后降趋势,在40～60 cm 土层出现最高值,JL处理显著(P<0.05)高于其他处理。秸秆还田处理0～20 cm 土层MBC/MBN 显著(P<0.05)高于CK。总体来看,秸秆还田能够显著提高0～40 cm 土层土壤MBC、MBN、MBP含量,其中JL 大于其他两个处理,JF有利于提高40～60 cm 土层土壤MBC、MBN、MBP含量。

图2 不同秸秆还田方式下土壤微生物量碳氮磷垂向变化Fig.2 Vertical changes of soil microbial biomass C,N and P under different straw-returning methods

2.1.2 不同秸秆还田方式下土壤微生物量碳氮磷含量随春玉米生育期动态变化 如图3所示,图3-A 为土壤MBC 含量动态变化,随着春玉米生育期的延长各处理土壤MBC 含量均呈先升后降趋势,且在春玉米灌浆期达到最高值,JX 处理最高,JL和JF处理在苗期出现最低值,JX 和CK在播种前出现最低值。图3-B 为土壤MBN 含量动态变化,随着春玉米生育期的延长,JL、JF 和CK 土壤MBN 含量呈波动式上升趋势,收获期达到最高值,JX 土壤MBN 含量呈先升后降波动式变化,在拔节期达到最高值,各秸秆还田处理在苗期出现最低值,CK 在播种前最低。图3-C 为土壤MBP含量动态变化,随着春玉米生育期的延长各处理土壤MBP 含量均呈先降后升趋势,在春玉米灌浆期出现最低值,收获期最高,JL 处理各时期均高于其他处理,苗期-拔节期JX 和JF处理低于CK。图3-D 为MBC/MBN 动态变化,随着春玉米生育期的延长均呈波动式下降趋势,在拔节期出现波谷,苗期JL处理最高,拔节期-灌浆期JF处理最高。可见,在春玉米旺盛生长期增加土壤MBC和MBN 含量,降低MBP含量。JL处理有利于提高土壤MBP含量,JX 有利于提高土壤MBN 含量。

图3 不同秸秆还田方式下土壤微生物量碳氮磷含量动态变化Fig.3 Dynamic changes of soil microbial biomass C,N and P under different straw-returning methods

2.2 不同秸秆还田方式对土壤酶活性的影响

2.2.1 不同秸秆还田方式下土壤酶活性垂向变化 土壤蔗糖酶(Sucrase,SUC)又称转化酶,是表征土壤生物活性的一种重要的水解酶,可以将土壤中的蔗糖水解成葡萄糖和果糖,能作为土壤熟化程度和土壤肥力水平的指标[25-26]。不同秸秆还田处理土壤SUC活性(图4-A)为1.32～16.64 mg·g-1·d-1,随着土壤深度的增加各处理均呈下降趋势,0～20 cm 土层JL 处理显著(P<0.05)高于其他处理,JX 最低,20～60 cm 土层JF显著(P<0.05)高于其他处理,20～40 cm 土层秸秆还田处理均显著(P<0.05)高于CK。脲酶(Urease,URE)是催化尿素水解的唯一酶,可以酶促水解生成氨、CO2和水,脲酶活性的高低可以反映出土壤供氮水平[26-27]。不同秸秆还田处理土壤 URE 活 性(图4-B)为5.82～40.29 mg·g-1·d-1,随着土壤深度的增加各处理均呈下降趋势,0～40 cm 土层快速下降,20～100 cm土层变化较小,0～40 cm 土层JL和JX 处理显著(P<0.05)高于CK,60～100 cm 土层秸秆还田处理均显著(P<0.05)低于CK。可见,随着土壤深度的增加土壤酶活性下降,秸秆还田大垄轮播方式显著(P<0.05)提高0～40 cm 土层酶活性,秸秆还田翻耕有利于提高土壤蔗糖酶活性,秸秆还田旋耕有利于提高土壤脲酶活性。

图4 不同秸秆还田方式下土壤酶活性垂向变化Fig.4 Vertical changes of soil enzyme activities under different straw-returning methods

2.2.2 不同秸秆还田方式下土壤酶活性随春玉米生育期动态变化 如图5所示,图5-A 为土壤SUC活性动态变化,随着春玉米生育期的延长各处理土壤SUC活性均呈先升后降趋势,在灌浆期达到最高值,JL 处理最高,其他时期JF 处理最高,播种前至灌浆期秸秆还田处理均高于CK,收获期JX 处理低于CK。图5-B为土壤URE 活性动态变化,随着春玉米生育期的延长各处理土壤URE活性均呈波动式上升趋势,JL 和JX 处理在苗期出现最高值,JF 和CK 在灌浆期出现最高值,苗期-拔节期2个时期JL处理均最高,灌浆期JX 处理最高,苗期-拔节期秸秆还田处理均高于CK。总体来看,春玉米旺盛生长期促进土壤酶活性的提高,秸秆还田处理有利于促进春玉米生长期土壤酶活性,秸秆还田大垄轮播方式对土壤酶活性的促进作用高于其他2种方式。

图5 不同秸秆还田方式下土壤酶活性动态变化Fig.5 Dynamic changes of soil enzyme activities under different straw-returning methods

2.3 春玉米农田土壤微生物碳氮磷及酶活性与土壤养分及玉米产量指标相关性分析

2.3.1 春玉米农田土壤微生物碳氮磷和酶活性与土壤营养状况的相关性分析 由表2可知,土壤MBC与SOC呈极显著负相关;全氮与URE 呈极显著正相关;体积质量与MBC、MBN、SUC呈极显著负相关,与MBP和URE 呈显著负相关;p H 与MBP呈显著负相关,与其他指标均呈极显著负相关;C/N 与URE 呈极显著负相关,与MBC、MBN和MBP呈显著负相关。这与贺美等[10]研究结果相同。表明土壤微生物及酶活性受体积质量和p H影响,且随体积质量和p H 的增加而降低。

表2 春玉米农田土壤微生物碳氮磷及酶活性与土壤营养性状相关分析Table 2 Correlation Analysis between soil microbial C,N,P,enzyme activities and soil nutrient properties in spring maize field

2.3.2 春玉米农田土壤微生物碳氮磷和酶活性与产量指标的相关性分析 根据土壤微生物量碳氮磷和酶活性与春玉米产量指标相关分析(表3)可见,MBC、MBP和酶活性均与产量呈极显著正相关;MBC和MBP与穗长和行粒数呈极显著正相关;MBN 与百粒质量和穗粒质量呈极显著负相关;URE与穗粗呈显著正相关。可见该区域春玉米产量主要受MBC、MBP 含量和URE、SUC活性的影响,且随着MBC、MBP和酶活性的增加而提高。

表3 春玉米农田土壤微生物碳氮磷及酶活性与玉米产量指标相关分析Table 3 Correlation analysis of activity of carbon,nitrogen,phosphorus and enzyme and maize yield index in soil of spring maize farmland

3 讨论

3.1 土壤微生物量碳氮磷和酶活性对秸秆还田土壤营养及玉米生长状况的响应

春玉米秸秆还田能够增加农田土壤氮磷及有机质养分含量,同时改变土壤物理结构[28],从而改善土壤微生态环境及养分转化机制,在旱作区持续施用化肥的春玉米农田,秸秆还田对土壤的影响更加显著。本研究秸秆还田处理0～40 cm土层MBC、MBN、MBP含量均高于CK。秸秆中养分是提高土壤有机碳的重要来源,外源碳的持续输入能够激发土壤微生物的活性,加强微生物矿化和固定过程,促进秸秆中碳在土壤中的积累[29]。在冀北旱地农田秸秆还田使土壤通气性增加,加速了土壤微生物呼吸作用,使其微生物量提高[30]。各秸秆还田处理下的土壤酶活性高于CK,主要是因为春玉米秸秆的输入为土壤中微生物提供了丰富的能量原料,优化了土壤微生物生存环境,促进微生物新陈代谢活性,刺激微生物分泌参与碳氮循环相关的土壤酶,进而导致土壤中酶活性增加[31-32]。本试验研究区域属于典型的旱作雨养区,土壤偏沙壤、偏碱性,有机质含量低、通气性好,秸秆还田增加土壤大分子有机碳含量,降低土壤体积质量,促进土壤呼吸,由于干旱秸秆腐解速率较慢,使土壤MBC 含量随SOC 和BD 的增加而降低,秸秆还田能够降低土壤BD 和p H,因此随着BD 和p H 的降低微生物量和酶活性增加。由此可见在旱作区农田土壤养分降解速率比土壤养分含量对土壤微生物量及酶活性的影响大,同时对旱作区农田来看,土壤物理性状对土壤微生物量及酶活性的调控作用较强。

玉米根系分泌物及残体是影响土壤微生物及酶活性的重要因素[17]。通过本研究可见,在玉米生长前期(营养生长阶段),随着玉米的生长能够增加土壤MBC和MBN 含量及酶活性,降低土壤MBP含量。在玉米生长后期,玉米开始衰亡,降低土壤MBC 含量及酶活性,增加土壤MBP 和MBN 含量。玉米营养生长期根系活力增加,根系分泌物为土壤微生物及酶活性提供丰富的能量源料,同时根系能够为微生物和酶提供载体,优化土壤微生物生存环境,促进微生物新陈代谢活性,进而提高土壤微生物生物量和酶活性[17,33]。但该区域土壤中活性磷缺乏,玉米快速生长需要吸收大量磷元素,与微生物竞争磷素,使土壤MBP含量降低。在玉米生长后期,玉米逐步衰亡,大量残落物向土壤输入,玉米落叶和残根增加了土壤中的有机物料的添加,氧气充沛的土壤条件加速分解,有利于氮素固存,使MBN 含量略有增高,这与Yang 等[34]的研究结果一致。同时玉米残体中养分的投入活化了土壤磷库[35],使土壤活性磷素供应充足,MBP 含量增高。可见MBC 和MBP主要影响玉米前期穗分化过程,而MBN 主要影响玉米后期灌浆过程。

3.2 旱作区春玉米不同秸秆还田方式对土壤微生物量及酶活性的影响

土壤微生物量及酶活性与农田管理下养分供给密切相关,可以用来预测秸秆还田后土壤微生物群落的响应状况及土壤潜在代谢能力[36]。Bolinder等[37]认为土壤微生物活性尤其是酶活性比SOC对土壤质量的变化更加敏感。因此可以利用土壤MBC、MBN、MBP 和酶活性反映旱作区春玉米秸秆还田方式对土壤微生态的作用机制。本研究发现3种秸秆还田方式均能提高土壤MBC、MBN、MBP 和酶活性,这与Zhao等[38]研究结果相同。但不同秸秆还田方式对微生物量及酶活性的影响存在差异,总体来看JL 处理比JF和JX 处理增幅大,主要是因为本研究区域是旱作区,土壤通气性好,秸秆还田后翻耕和旋耕加速土壤呼吸作用,促进小分子有机质的降解[13],使土壤中微生物能源减少,土壤微生物量与酶活性与BD 呈显著负相关,同时由于该区域降雨量较少,秸秆腐解速率慢,秸秆还田后旋耕,将进一步粉碎秸秆促进秸秆降解为大分子有机物,而难于进一步降解为小分子有机质为微生物提供能源,且旋耕主要是将秸秆混合于表层土壤,进一步降低了秸秆的进一步腐解。秸秆还田翻耕,将秸秆翻压在20～40 cm 土层,该层土壤水分高于表层(0～20 cm),因此比旋耕促进土壤20～60 cm 土层微生物量和酶活性[39]。秸秆还田后大垄轮播方式,将秸秆翻压在10～20 cm 土层,同时两年轮换种植,两年使秸秆腐解率增加,同时比旋耕、翻耕降低土壤呼吸作用,进而促进土壤微生物量和酶活性,同时在玉米生长过程中土壤MBC 和脲酶活性的高峰期比其他处理提前,且高峰期活性较高,进而促进玉米拔节期土壤养分供给能力。因此旱作区春玉米秸秆还田可以采用秸秆还田大垄轮播技术。

4 结论

(1)不同秸秆还田处理土壤MBC 含量为150.40～508.36 mg·kg-1,随着土壤深度的增加总体均呈下降趋势,随着玉米生育期延长呈先升后降趋势,均在春玉米灌浆期达到最高值,JX处理最高,JL 和JF 处理在苗期出现最低值,JX和CK 在播种前出现最低值。土壤MBN 含量为32.73～110.26 mg·kg-1,随着土壤深度的增加均呈下降趋势,随着玉米生育期延长呈波动式上升趋势。土壤 MBP 含量为1.96～9.13 mg·kg-1,随着土壤深度的增加均呈先降后增趋势,随着玉米生育期延长呈先降后升趋势。秸秆还田能提高土壤MBC、MBN 和MBP含量。

(2)不同秸秆还田处理SUC 活性为1.32～16.64 mg·g-1·d-1,随着土壤深度的增加各处理均呈下降趋势,随着玉米生育期的延长呈先升后降趋势。土壤URE 活性为5.82～40.29 mg·g-1·d-1,随着土壤深度的增加各处理均呈下降趋势,随着玉米生育期的延长呈波动式上升趋势。秸秆还田能提高土壤酶活性。

(3)旱作区土壤SOC 与MBC 呈极显著负相关,土壤微生物量和酶活性与BD 和p H 呈极显著负相关,与产量呈显著正相关。玉米生长期主要影响土壤MBC和MBP含量,玉米衰亡期主要影响MBN 含量。秸秆还田大垄轮播方式对土壤微生物及酶活性的促进作用显著(P<0.05)高于秸秆还田翻耕、旋耕。冀西北春玉米旱作区应采用秸秆还田大垄轮播方式。