不同轮耕方式与生物炭对土壤酶活性、土壤养分及小麦和玉米产量的影响

郭书亚 尚 赏 汤其宁 张 艳 卢广远

（商丘市农林科学院，476000，河南商丘）

作物良好的生长发育离不开适宜的土壤条件。然而地处黄淮区以商丘为代表的豫东平原，长期实行冬小麦旋耕夏玉米免耕的轮耕模式，造成犁底层上升、耕层变浅和土壤质量变差等现象，导致作物产量降低[1-3]。并且该地区长期施用化肥造成土壤板结，肥料利用率低，严重影响作物生长发育及产量[4-5]。因此，在该地区开展适宜的轮耕模式和培肥措施研究具有重要意义。不同耕作措施对土壤酶活性和养分的影响效果不一，Pandey等[6]研究表明，深耕能够显著提高土壤酶活性；刘水[7]研究指出，免耕和翻耕能显著提高土壤表层的土壤酶活性；而刘红杰等[8]研究发现，深耕能显著提高土壤磷酸酶和蔗糖酶活性，降低土壤脲酶活性；刘淑梅等[9]研究表明，翻耕处理可降低土壤表层的脲酶和蔗糖酶活性。龙潜等[10]研究表明，在0～10cm土层，小麦季旋耕，土壤速效养分含量高于深耕处理，20～40cm土层深耕处理土壤速效养分含量高于旋耕处理，朱长伟等[11]研究得出相似结论。生物炭作为土壤改良剂，在农业生产上已被广泛应用，它具有含碳量高、孔隙度高、吸附力强和营养丰富等特点[12-13]。生物炭施入土壤后，能够改善土壤通气和水分条件，增加有机质含量，吸附土壤中氮、磷和钾等元素，减少淋溶，提高肥料利用效率[14]。同时生物炭为土壤微生物提供了良好的营养和生长场所，增加土壤微生物的活动，进而影响土壤酶活性。孟繁昊等[15]研究指出，适量生物炭配施氮肥能够增加土壤碳氮储量、微生物量和酶活性，改善土壤微生态环境。王智慧等[16]研究表明，生物炭的施用改善了土壤养分状况，提高了土壤酶活性并促进产量形成。但也有试验表明，施用生物炭会降低土壤养分含量和酶活性[17-18]，甚至造成作物减产[19]。可见，施用生物炭和耕作措施能够显著影响土壤酶活性和养分含量。而研究轮耕方式、生物炭及其交互效应对土壤酶活性、养分和产量影响的报道较少，因此，本试验采用不同轮耕方式和生物炭结合的模式，分析轮耕方式、生物炭单独及二者交互效应对夏玉米田土壤酶活性、养分和产量的影响，为豫东地区玉米田选择适宜的轮耕培肥方式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2018-2021年在河南省商丘市农林科学院示范中心梁园区（115°42′E，34°31′N）开展田间试验，当地海拔54m，气候类型为暖温带亚湿润季风气候，年均日照时数2372.6h，年均气温14.1℃，年均降水量681.1mm，无霜期212d。该区域常年实行冬小麦—夏玉米一年两熟种植制度，小麦采用旋耕播种，玉米采用免耕播种，供试土壤为潮土。试验前0～20cm土层土壤含有机碳11.4g/kg、碱解氮82.2mg/kg、速效磷10.47mg/kg、速效钾127.36mg/kg。

1.2 试验设计

设置3种生物炭用量，分别为B1：2.5t/hm2、B2：5.0t/hm2、B3：7.5t/hm2，以及小麦旋耕玉米免耕（R）和小麦深翻耕玉米免耕（D）2种轮耕作模式，以小麦旋耕玉米免耕不施生物炭为对照（RB0），共7个处理，随机区组排列，重复3次。生物炭由河南立泽环保科技有限公司提供，以玉米秸秆为原料在500℃高温厌氧条件下热解2h烧制而成，其碳含量为437.82g/kg、全氮16.31g/kg、全磷8.19g/kg、全钾27.56g/kg、pH 9.0。试验于2018年10月小麦季开始进行，生物炭处理随旋耕或深翻施入土壤，以上全部处理均为常规施肥，小麦季施用史丹利第四元素复合肥（N:P:K=26:12:9）525kg/hm2，玉米季施鄂中复合肥（N:P:K=17:17:17）600kg/hm2，尿素300kg/hm2。栽培管理措施同当地大田。供试小麦品种为商麦156，基本苗为300万/hm2；玉米品种为成玉788，种植密度为75 000株/hm2。每个小区分别于2020和2021年玉米收获后，采用“S”形取样法取0～20cm和20～40cm土层土壤样品，用于测定土壤酶活性和养分含量。

1.3 测定项目与方法

采用靛酚蓝比色法[20]测定土壤脲酶活性，用高锰酸钾滴定法[20]测定土壤过氧化氢酶活性，采用比色法[19]测定蔗糖酶活性，用磷酸苯二钠比色法[20]测定碱性磷酸酶活性。

采用重铬酸钾外加热法[21]测定土壤有机质含量，采用碱解扩散法[21]测定碱解氮含量，采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法[20]测定有效磷含量，采用火焰光度计法[21]测定速效钾含量。

玉米产量及其构成因素：收获期，每小区收取中间2行果穗进行测产。

1.4 数据处理

采用Excel进行数据处理，用SPSS 24.0进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤有机碳含量的影响

从表1可知，与RB0处理相比，不同处理均能显著地提高土壤有机碳含量。在0～20cm土层，2020年DB3处理显著高于其他处理，RB3处理次之，RB1、RB2、DB1和DB2处理间差异不显著；2021年DB2、DB3、RB2、RB3处理间差异不显著，显著高于其他处理。在20～40cm土层，2021年DB处理高于RB处理，DB3处理土壤有机碳含量最高，且显著高于其他处理，DB2处理次之。从不同年份看，不同处理土壤有机碳含量呈增加趋势，与2020年相比，在0～20cm土层，RB2、RB3、RB1处理增幅较高，分别为12.54%、8.57%和5.64%，在20～40cm土层，DB2、DB3、DB1处理增幅较高，分别为9.06%、8.56%和4.77%。双因素方差分析表明，生物炭处理在各年度各土层对土壤有机碳含量有极显著影响，说明生物炭的施用量直接影响土壤有机碳含量；轮耕方式和生物炭互作对2020年0～20cm、20～40cm土层及2021年20～40cm土层均有显著或极显著影响。

表1 不同处理对土壤有机碳含量的影响Table 1 Effects of different treatments on soil organic carbon content g/kg

2.2 不同处理对土壤速效养分含量的影响

从图1可知，在0～20cm土层，与RB0处理相比，不同处理均能显著提高土壤碱解氮含量，不同轮耕方式土壤碱解氮含量随生物炭施用量增加而增加，RB3处理含量最高，2020和2021年分别较RB0处理高11.39%和18.87%。在20～40cm土层，小麦旋耕玉米免耕处理（RB0、RB1、RB2、RB3）对土壤碱解氮含量影响不大，处理间差异不显著；小麦深翻玉米免耕处理显著高于小麦旋耕玉米免耕处理，DB3处理含量最高，较RB0处理高17.48%、22.09%。从不同年份变化看，不同处理土壤碱解氮含量呈增加趋势，在0～20cm土层，和2020年相比，2021年RB3、DB3和DB2处理土壤碱解氮含量增幅最高，分别为7.15%、4.86%和3.04%；20～40cm土层，DB2、DB3和DB1处理增幅最高，分别3.60%、3.27%和3.07%。

图1 不同处理对土壤速效养分含量的影响Fig.1 Effects of different treatments on soil available nutrient contents

从图1可知，在0～20cm土层，与RB0处理相比，不同处理均能显著提高土壤速效磷含量，不同轮作方式土壤速效磷含量随生物炭施用量增加而增加，RB3和DB3处理含量高，2020年分别较RB0高18.16%和17.63%，2021年高34.18%和35.37%。在20～40cm土层，小麦旋耕玉米免耕处理（RB0、RB1、RB2、RB3）对土壤速效磷含量影响不大，处理间差异不显著；小麦深翻玉米免耕处理显著高于小麦旋耕玉米免耕处理，DB3处理含量最高，2年中较RB0处理高26.13%和40.95%。从不同年份变化看，不同处理土壤速效磷含量呈增加趋势，在0～20cm土层，和2020年相比，2021年DB3、DB2和RB2处理土壤速效磷含量增幅最高，分别为16.37%、13.93%和12.04%；在20～40cm土层，DB3、DB1和DB2处理增幅最高，分别10.77%、9.71%和7.08%。

从图1可知，在0～20cm土层，与RB0处理相比，不同处理均能显著提高土壤速效钾含量，不同轮作方式土壤速效钾含量随生物炭施用量增加而增加，RB3和DB3处理含量高，显著高于其他处理，2020年分别较RB0高15.46%和14.10%，2021年高18.72%和19.48%。在20～40cm土层，小麦旋耕玉米免耕处理（RB0、RB1、RB2、RB3）对土壤速效钾含量影响不大，处理间差异不显著；小麦深翻玉米免耕处理显著高于小麦旋耕玉米免耕处理，DB3处理含量最高，2年分别较RB0处理高13.85%和19.56%。从不同年份变化看，不同处理土壤速效钾含量呈增加趋势，在不同土层均为DB3、DB2、DB1处理土壤速效钾含量增幅最高，与2020年相比，2021年3个处理在0～20cm土层分别增加5.16%、3.76%、3.28%，在20～40cm土层分别增加4.73%、3.49%、3.34%。

2.3 不同处理对土壤酶活性的影响

从图2a可以看出，在0～20cm土层，与RB0处理相比，不同处理均能显著提高土壤脲酶活性，不同轮作方式土壤脲酶活性随生物炭施用量增加而增加，RB3处理土壤脲酶活性最高，显著高于其他处理，较RB0处理高29.96%和39.36%。在20～40cm土层，小麦旋耕玉米免耕处理（RB0、RB1、RB2、RB3）对土壤脲酶活性影响不大，处理间差异不显著；小麦深翻玉米免耕处理显著高于小麦旋耕玉米免耕处理，DB3处理活性最高，2年中较RB0处理高10.95%和30.22%。从不同年份变化看，不同处理土壤脲酶活性呈增加趋势，和2020年相比，在0～20cm土层，2021年RB3、DB2和DB1处理土壤脲酶活性增幅最高，分别为8.10%、7.69%和5.90%；在20～40cm土层，DB3、DB2和DB1处理增幅最高，分别19.08%、10.20%和7.75%。

图2 不同处理对土壤酶活性的影响Fig.2 Effects of different treatments on soil enzyme activities

从图2b可以看出，在0～20cm土层，与RB0处理相比，不同处理均能显著提高土壤蔗糖酶活性，不同轮作方式土壤蔗糖酶活性随生物炭施用量增加而增加，2020年，RB3处理土壤蔗糖酶活性最高，显著高于其他处理，较RB0处理高25.57%；2021年DB3处理显著高于其他处理，较RB0处理高35.57%。在20～40cm土层，小麦旋耕玉米免耕处理（RB0、RB1、RB2、RB3）对土壤蔗糖酶活性影响不大，处理间差异不显著；小麦深翻玉米免耕处理显著高于小麦旋耕玉米免耕处理，DB3处理活性最高，较RB0高16.14%和21.91%。从不同年份变化看，不同处理土壤蔗糖酶活性呈增加趋势，和2020年相比，在0～20cm土层，2021年DB2、RB3和DB1处理土壤蔗糖酶活性增幅最高，分别为15.16%、14.22%和8.93%；在20～40cm土层，DB3、DB1、DB2处理增幅最高，分别5.99%、4.79%和4.47%。

从图2c可以看出，在0～20cm土层，与RB0处理相比，不同处理均能显著提高土壤碱性磷酸酶活性，不同轮作方式土壤碱性磷酸酶活性随生物炭施用量增加而增加，RB3处理土壤碱性磷酸酶活性最高，显著高于其他处理，较RB0处理高27.59%和64.04%。在20～40cm土层，小麦旋耕玉米免耕处理（RB0、RB1、RB2、RB3）对土壤碱性磷酸酶活性影响不大，处理间差异不显著；小麦深翻玉米免耕处理显著高于小麦旋耕玉米免耕处理，DB3处理活性最高，2年中分别较RB0处理高24.56%和51.92%。从不同年份变化看，和2020年相比，在0～20cm土层，不同处理土壤碱性磷酸酶活性呈增加趋势，DB3、RB3和DB2处理土壤碱性磷酸酶活性增幅最高，分别为35.85、31.53和21.78%；在20～40cm土层，RB1、RB2和RB3处理土壤碱性磷酸酶活性呈下降趋势，降幅分别为10.34%、5.26%和10.17%，DB1、DB2和DB3处理呈增加趋势，增幅分别为3.23%、7.46%和11.27%。

2.4 不同处理对小麦和玉米产量的影响

从表2可知，2020年，不同处理均能显著提高小麦和玉米产量6.02%～17.52%和5.07%～11.02%，RB3和DB3处理显著高于其他处理，与DB2处理差异不显著；2021年，不同处理均能显著提高小麦和玉米产量7.01%～20.87%和6.53%～18.13%，DB3处理显著高于其他处理，DB2处理次之。从不同年份看，不同处理小麦玉米产量呈增加趋势，和2020年相比，不同处理小麦和玉米产量的增幅分别1.66%～3.59%和1.78%～6.93%。双因素方差分析表明，轮作方式、生物炭对夏玉米有显著或极显著影响，而轮耕方式和生物炭互作对夏玉米产量影响不显著。

表2 不同处理对小麦和玉米产量的影响Table 2 Effects of different treatments on wheat and maize yield kg/hm2

2.5 土壤酶活性与土壤养分之间的相关关系

从表3可知，土壤有机碳、速效养分含量、土壤酶活性与小麦和玉米产量呈显著或极显著正相关关系，土壤有机碳、速效养分含量与土壤酶活性均呈极显著正相关关系，且各指标间呈极显著正相关关系。

表3 不同处理各指标相关性分析Table 3 Correlation analysis of indicators in different treatments

3 讨论

不同的耕作方式能够影响土壤有机碳和速效养分在土层的分布，长期的小麦旋耕玉米免耕使土壤有机碳、速效养分在土壤表层（0～20cm）富集。轮耕则能解决这一问题，王玉玲等[22]研究“翻耕—深松”轮耕能够显著增加20～40cm土层土壤速效养分含量。龙潜等[10]研究表明，与旋耕—免耕相比，小麦季深耕可以有效增加深层土的土壤硝态氮和铵态氮含量。朱长伟等[11]研究表明，小麦季深耕—玉米季深松的处理能显著增加20～40cm土层中的有机质和速效养分含量。本研究得出相似结论，和小麦旋耕玉米免耕处理相比，小麦深翻玉米免耕能够显著增加深层（20～40cm）土壤有机碳和速效养分含量。这可能因为一方面深翻能够打破犁底层，改善深层土壤的通气状况，有利于速效养分的释放；另一方面深翻能够将上层的土壤翻到下层，从而增加下层土壤有机碳和速效养分含量。同时，施入生物炭后，能够显著增加土壤有机质含量，吸附土壤养分，减少淋溶，进而增加土壤速效养分含量。本研究表明，在0～20cm土层，生物炭能够显著增加土壤有机碳和速效养分含量，并随着生物炭施用量的增加而增加。这与陈山等[23]研究表明，施用生物炭可以提高全氮和碱解氮含量；高利华等[24]研究发现，土壤有效磷含量随施炭量增加而显著增加；石晓宇等[25]研究指出生物炭能够提高土壤速效磷和速效钾含量的结果基本一致。本研究结果还表明，不同轮耕配合生物炭能够显著增加土壤有机碳和速效养分含量，在0～20cm土层，RB3和DB3处理效果最好，在20～40cm土层DB3处理效果最好。

土壤酶是表征土壤肥力的重要指标，用它来反映土壤生物化学过程的强度和方向。不同耕作方式对土壤酶活性有显著影响。刘水[7]研究指出，免耕和翻耕能显著提高土壤表层的土壤酶活性；Pandey等[6]研究表明，深耕能够显著提高土壤酶活性；冀保毅[26]研究表明，深耕能够显著增加下层土壤酶活性；龙潜[27]研究表明，小麦季深耕能够显著增加20～40cm土层土壤酶活性。本文得出相似结论，小麦深翻玉米免耕能显著提高20～40cm土层土壤酶活性，这是因为深翻处理增加土壤通透性和水肥条件，有利于根系和微生物的生长，进而增加土壤酶活性。本研究表明，施入生物炭后，能够显著增加0～20cm土层土壤酶活性，并随着生物炭施用量的增加而增加，这与王智慧等[16]和尚杰等[28]研究的施用生物炭能够显著提高土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性的结果基本一致。本研究表明，不同轮耕配合生物炭能够显著增加土壤酶活性，在0～20cm土层，RB3和DB3处理效果最好，在20～40cm土层DB3处理效果最好。本研究还表明，2年土壤酶活性及土壤养分间均呈极显著相关关系。这是因为土壤养分是土壤微生物活动和生存的基础，土壤酶反映微生物的强度，因此二者密切相关。2年的土壤脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性之间均呈极显著相关关系，这可能是因为3种酶在微生物活动过程中或与底物结合反应过程中会产生相互促进的化学或信息物质，从而相互促进，密切相关。

合理的耕作方式和培肥措施是作物实现高产的重要条件。张黛静等[29]研究指出，深耕+有机肥处理能够增加作物产量，李娟等[30]研究也得出相似结论。赵亚丽等[31]研究指出，深耕+秸秆还田能够显著增加玉米产量。本研究表明，与RB0相比，不同处理均能够显著增加小麦和玉米产量，2020年增幅分别为6.02%～17.52%和5.07%～11.02%，2021年分别为7.01%～20.87%和6.53%～18.13%，DB3处理产量最高，显著高于其他大部分处理。小麦深翻玉米免耕处理是在多年小麦旋耕玉米免耕基础上进行的，能够打破犁底层，增加耕层厚度，改善土壤质量的同时并不会增加土壤水分渗漏及氮素淋溶[32]，有利于玉米根系的生长[33]和养分吸收，从而显著增加产量。

4 结论

与常年小麦旋耕玉米免耕不施生物炭处理相比，小麦旋耕玉米免耕和小麦深翻耕玉米免耕生物炭处理均能够显著提高0～20cm土层有机碳、速效养分含量和土壤酶活性；同时小麦深翻耕玉米免耕生物炭处理能够显著提高20～40cm土层土壤有机碳、速效养分含量和土壤酶活性。所以小麦深翻耕玉米免耕配合施用生物炭是改善土壤微生物特性及肥力的重要措施，小麦深翻玉米免耕+7.5t/hm2生物炭效果最好，可以推广应用。