不同耕作方式与秸秆还田对土壤酶活性及水稻产量的影响

陈婉华，袁 伟，王子阳，周正萍，刘世平，4*

（1．扬州大学，江苏 扬州 225009；2．江苏省作物遗传生理重点实验室，江苏 扬州 225009；3．江苏省作物栽培生理重点实验室，江苏 扬州 225009；4．江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心，江苏 扬州 225009）

农业是中国的第一产业，2016年农业秸秆资源总量达到了98000万t［1］，但当年全国秸秆的综合利用率仅为81.68%，且地区间秸秆利用水平差异较大，田间焚烧和随意丢弃的现象依旧存在，秸秆的回收利用问题正面临严峻的挑战。作物秸秆还田是解决秸秆浪费最高效的措施之一［2］，许多学者通过研究均发现，秸秆还田能有效优化农田生态环境［3］，改善土壤理化性质［4］，提高作物产量［5］。土壤为作物的生长发育提供必需的营养元素，所以，土壤环境的改变会影响水稻植株的生长；耕作方式是影响土壤环境和质量的重要因素［6］，目前主要的耕作方式有免耕、翻耕、旋耕、深松耕等，前人研究表明，适宜的耕作方式结合秸秆还田可以有效改善土壤环境，提高土壤肥力和酶活性，促进作物高产［7-9］。

土壤酶活性是土壤的生物活性指标和土壤肥力的评价指标［10-11］，土壤酶活性与土壤中的微生物数量、有机质含量和营养元素息息相关，是评价土壤质量的重要参数之一［12］。高明等［13］经过长期定位试验发现免耕有利于提高土壤酶活性，徐蒋来等［14］探索苏中地区秸秆还田量对土壤肥力及水稻产量的影响，发现50%和75%的秸秆还田量可以提高土壤过氧化氢酶和蔗糖酶活性并实现增产。

目前，多数学者只针对耕作方式或秸秆还田的单一措施对土壤酶活性及水稻产量展开研究［15-16］，对同时进行两种措施产生的影响研究较少，且研究的时间较短。因此，本试验采用不同耕作方式与秸秆还田相结合的长期定位试验，研究二者对水稻生育中后期土壤酶活性和水稻产量及其构成因素的影响，以期为本地区选择适宜的耕作措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

该试验设立在扬州大学试验田（119°24′51″E，32°23′36″N），2001年11月开始，设置稻麦两熟不同耕法与秸秆还田的小区长期定位试验。供试土壤为砂壤土，有机质17.66 g/kg、全氮1.07 g/kg、碱解氮80.6 mg/kg、有效磷22.6 mg/kg、速效钾95.5 mg/kg。该地属北亚热带湿润气候区，年平均气温为14.8～15.3 ℃，年降水量961～1048 mm，年日照时数1896～2182 h，光、热、水三要素时空配置较为协调。

1.2 试验材料

水稻以南粳9108为试验材料，移栽水稻于2020年5月播种，6月移栽（免耕水稻为6月初直播），10月收获，对水稻生长中后期不同处理土壤的酶活性进行测定分析。

1.3 试验设计

该试验采取随机区组设计，共18个小区，小区长8 m，宽6.25 m，面积50 m2。共设置6个处理（表1），3个重复。

1.4 测定方法及内容

1.4.1 土壤酶活性测定

在水稻的抽穗期、灌浆期、成熟期用取土器分别取0～7、7～14、14～21 cm 土层的土壤，重复3次，在-70℃的超低温冰箱中冷冻保存鲜土样备用，用高锰酸钾滴定法测定土壤过氧化氢酶活性，用3，5-二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶活性，用靛蓝比色法测定土壤脲酶活性，用对硝基苯磷酸二钠比色法测定土壤酸性磷酸酶活性。

1.4.2 水稻产量及其构成要素测定

在水稻成熟期随机选取3个1 m2的点进行穗数调查，并在各个小区随机取5穴水稻进行考种，测定穗粒数、千粒重、结实率，并计算理论产量。在水稻收获期将水稻脱粒晒干测定实际产量。

1.5 数据分析与处理

采用Excel进行数据记录与绘制表格，采用SPSS 16.0进行统计分析，LSD法进行多重比较（α=0.05），采用Origin Pro 8.5.1作图。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式与秸秆还田对土壤酶活性的影响

2.1.1 不同耕作方式与秸秆还田对土壤过氧化氢酶活性的影响

图1是水稻生育中后期不同耕作方式与秸秆还田处理下的土壤过氧化氢酶活性，其在各土层间的差异不显著，但总体上随着土壤深度的增加呈下降的趋势。从抽穗期到灌浆期土壤过氧化氢酶活性呈下降趋势，在成熟期呈上升趋势，但这种趋势不明显。不同处理间的差异较为显著，NTS处理的土壤过氧化氢酶活性显著高于其他处理，其次是RT1、RT2处理，CT处理的土壤过氧化氢酶活性最小，这种趋势在各时期和耕层表现一致。综上，耕作方式与秸秆还田对土壤过氧化氢酶活性影响较大，免耕结合秸秆还田在一定程度上增加了全耕层的土壤过氧化氢酶活性，翻耕和少耕降低了土壤过氧化氢酶活性。

图1 耕作方式与秸秆还田对土壤过氧化氢酶活性的影响

2.1.2 不同耕作方式与秸秆还田对土壤酸性磷酸酶活性的影响

图2是水稻生育中后期不同耕作方式与秸秆还田处理下的土壤酸性磷酸酶活性，与过氧化氢酶活性相似，土壤酸性磷酸酶活性随土壤深度的增加呈下降趋势，但趋势并不明显，在抽穗期、灌浆期、成熟期呈先减后增的趋势。在0～7 cm土层，NTS处理显著高于其他处理，在抽穗期分别比RT1、RT2、CTS、MTS和CT处理高15.76%、16.34%、23.98%、26.99%和57.44%，在灌浆期分别高21.39%、25.03%、29.52%、31.96%和54.81%，在成熟期分别高18.92%、20.77%、23.79%、26.69%和55.96%。在7～14和14～21 cm土层，各处理间的差异显著变小，抽穗期和灌浆期NTS处理最高，CT处理最低，但成熟期CTS和MTS处理较高，CT处理仍是最低。综上，免耕结合秸秆还田促进了0～7 cm土层的酸性磷酸酶活性，在7～14和14～21 cm土层中，随着水稻的生长，酸性磷酸酶活性受耕作方式的影响逐渐减小，而秸秆还田能刺激酸性磷酸酶活性的增加。

图2 耕作方式与秸秆还田对土壤酸性磷酸酶活性的影响

2.1.3 不同耕作方式与秸秆还田对土壤脲酶活性的影响

图3是水稻生育中后期不同耕作方式与秸秆还田处理下的土壤脲酶活性，与过氧化氢酶和酸性磷酸酶不同，土壤脲酶活性在耕层间差异较为显著，随土壤深度的增加呈下降趋势，抽穗期之后活性迅速增加并在灌浆期到达峰值，灌浆期后缓慢下降。NTS处理的土壤脲酶活性在0～7和7～14 cm土层最高，CT处理最低，RT1、RT2处理略高于CTS、MTS处理，在14～21 cm土层，NTS处理略高于其他处理，RT1、RT2、CTS、MTS处理间的土壤脲酶活性差异均不显著，且在水稻成熟期的14～21 cm土层中，CT＞MTS＞CTS处理，说明免耕、少耕结合秸秆还田能够提高0～7和7～14 cm土层的脲酶活性，而在14～21 cm土层中，耕作方式和秸秆还田对其影响不显著，尤其是在水稻成熟期。

图3 耕作方式与秸秆还田对土壤脲酶活性的影响

2.1.4 耕作方式与秸秆还田对土壤蔗糖酶活性的影响

图4是水稻生育中后期不同耕作方式与秸秆还田处理下的土壤蔗糖酶活性，土壤蔗糖酶活性在耕层和时期上的趋势与土壤脲酶活性类似。不同处理间的土壤蔗糖酶活性在水稻抽穗期和灌浆期有显著差异，在0～7和7～14 cm土层中，NTS处理的土壤蔗糖酶活性最高，CT处理最低，其余 表 现 为RT1＞RT2＞CTS＞MTS，而 在14～21 cm土层中，土壤蔗糖酶活性表现为NTS＞RT1＞RT2＞MTS＞CTS＞CT；在水稻成熟期，CT处理的土壤蔗糖酶活性显著降低，其他处理间的差异不明显。综上，在水稻生育中期免耕结合秸秆还田提高了0～7和7～14 cm土层的蔗糖酶活性，少耕结合秸秆还田有助于提高14～21 cm土层的蔗糖酶活性，不同耕作方式对水稻成熟期的土壤蔗糖酶活性影响不显著，秸秆还田有利于提升其在成熟期的活性。

图4 耕作方式与秸秆还田对土壤蔗糖酶活性的影响

2.2 不同耕作方式和秸秆还田对水稻产量及其构成要素的影响

表2为2020年水稻产量及其构成要素的测定结果，NTS处理的穗数较高，CTS、MTS、CT处理的粒数较高，NTS、RT1和CTS处理的结实率显著较高，因此，从理论产量上来看，CTS处理和NTS处理显著较高，其他处理表现为MTS＞CT＞RT1＞RT2。从实际产量上来看，CTS和MTS处理的实际产量最高，与CT相比，CTS和MTS显著增加了13.71%和12.36%。实际产量在秸秆还田量相同的情况下，CTS处理显著高于NTS处理，增加了5.3%；MTS处理显著高于RT1和RT2处理，分别增加了30.5%和13.2%。总体来说，秸秆还田有利于水稻增产，少耕与翻耕也促进水稻增产，长期免耕水稻直播，水稻每穗粒数减少，从而影响水稻高产。综上，适量的秸秆还田结合翻耕、少耕可以提高水稻产量。

表2 不同耕作方式与秸秆还田处理下水稻产量及其构成要素

2.3 土壤酶活性和产量及其构成因素之间的相关性

表3是水稻成熟期的土壤酶活性和产量及其构成因素的相关性分析。在0～7 cm土层中，脲酶与穗数呈显著正相关，4种酶与千粒重均呈显著或极显著正相关；在7～14 cm土层中，蔗糖酶与穗数呈显著正相关，过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶与千粒重均呈显著正相关；在14～21 cm土层中，过氧化氢酶和蔗糖酶与穗数、千粒重均呈显著或极显著正相关，脲酶与结实率呈显著正相关。从表3中可以看出，4种酶活性对水稻实际产量的贡献均为正值，但未达到显著水平，除酸性磷酸酶，其他3种土壤酶与水稻粒数在全耕层均呈显著或极显著负相关，说明土壤酶活性与水稻产量无显著相关性。

表3 土壤酶活性与产量及其构成因素Pearson相关性分析

3 讨论

3.1 耕作方式与秸秆还田对土壤酶活性的影响

土壤酶广泛存在于土壤中，是土壤重要的有机成分［17］。大量研究表明，土壤酶活性在土壤表层较为活跃［18-19］，本试验同样发现，过氧化氢酶、酸性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶在耕层上均呈现随土壤深度的增加而活性下降的规律，这与宋海燕等［20］对滨海盐碱地土壤酶活性的研究结果基本一致，而在水稻3个生育期，4种土壤酶对耕作方式和秸秆还田有不同的响应。

过氧化氢酶促进土壤过氧化氢分解为氧气和水，是防止土壤和作物受到过氧化氢毒害的重要土壤酶［21］。徐国伟等［22］发现，麦秸秆还田下的土壤过氧化氢酶活性在分蘖中期和抽穗期达到峰值之后缓慢下降，与本研究结果相似，但本研究中这种影响不显著。研究发现，免耕结合适量秸秆还田显著增加了全耕层土壤过氧化氢酶活性，这与符冠富等［23］的研究结果一致。

酸性磷酸酶促进土壤无机磷的转化，有利于植物根系的吸收，在一定程度上可以表征土壤磷素的的营养情况［24］。本试验结果表明，免耕结合秸秆还田促进0～7 cm土层的酸性磷酸酶活性，这印证了沈菊培等［25］的研究结果；而在14～21 cm土层，翻耕结合秸秆还田处理下的酶活性更高，尤其是在水稻成熟期，其原因可能是多年免耕处理使0～7 cm土层的微生物趋于稳定［26］，酸性磷酸酶对氧气较为敏感，而翻耕为土壤提供了充足的氧气以及秸秆［27］，且随着水稻生育期的推进，温度升高加速秸秆的腐解，使14～21 cm土层中的酸性磷酸酶活性升高。但张德喜等［28］研究表明，不同耕作方式下酸性磷酸酶的活性表现为翻耕＞旋耕＞免耕，与本试验结果相悖，还需进一步探究。

脲酶是一种研究较为深入的土壤酶，它可以促进铵态氮的水解，其活性反应为有机态氮向有效态氮的转化能力和土壤无机氮的供应能力［29］。任万军等［30］研究免耕及秸秆高留茬对稻田土壤的酶活性，发现水稻孕穗期后土壤脲酶活性增加之后缓慢下降，与本试验研究结果基本一致。本试验发现免耕、少耕结合秸秆还田有利于0～7和7～14 cm土层的脲酶活性增加，耕作方式对于14～21 cm土层的脲酶活性影响不大，这与吴建富等［31］所进行的多年连续免耕试验结果相似，Roldán［32］的试验结果进一步验证了这一点。这是由于秸秆还田调节了农田表层的水热条件且给土壤带来了大量微生物，而免耕结合秸秆还田使得秸秆和作物残茬均匀地覆盖在土壤表层，给0～7 cm土层提供充足的水分和有机质，有利于提高酶活性。

蔗糖酶是参与土壤有机碳循环的酶，水解蔗糖产生葡萄糖和果糖在一定程度上可以作为土壤肥力状况和有机质含量的指标［33］。本试验认为，土壤蔗糖酶水稻生育中后期呈先增加后减小的趋势，这与邓欧平等［34］的研究结果相近。罗珠珠等［35］指出土壤蔗糖酶活性在小麦全生育期无显著差异，且免耕结合秸秆还田显著提高了小麦全生育期的土壤蔗糖酶活性，与本试验略有不同，本试验认为免耕结合秸秆还田显著提高了水稻生育中期的土壤蔗糖酶活性，而在水稻成熟期，耕作方式对其无显著影响，这可能与两地土壤不同的水热条件有关。

3.2 耕作方式与秸秆还田对水稻产量的影响

关于秸秆还田提高水稻产量的作用，前人已进行了大量的研究。解文孝等［36］通过盆栽试验发现，秸秆还田下水稻产量提高4.45%，与本文结果一致。同时，本试验发现在秸秆还田的条件下，翻耕和少耕能够有效提高水稻的每穗粒数，达到更高产量，这与成臣等［37］的研究结果一致，更验证了刘世平等［38］的研究结果，即翻耕秸秆还田可以提高水稻穗数和粒数，以达到高产。免耕在一定程度上减少了水稻穗粒数，这可能与免耕使土壤中层的体积质量变大，土壤过于紧实，抑制了水稻的生长有关［39］。

3.3 土壤酶活性与水稻产量的相关性分析

由相关性分析得出，4种酶活性与水稻穗数、千粒重、结实率有着不同程度的正相关性，可以说明土壤酶活性在一定程度上反映了土壤的肥力情况和质量，从而影响水稻的生长，为水稻高产创造条件；但土壤酶活性与实际产量没有显著相关性，说明除了土壤酶活性，还存在其他因素影响水稻的产量。

4 结论

耕作方式结合秸秆还田对土壤酶活性和水稻产量有着显著的影响。免耕、少耕结合秸秆还田在很大程度上提高了0～7和7～14 cm土层的酶活性，尤其是在水稻生育中期；耕作方式对14～21 cm土层脲酶和蔗糖酶无显著影响，但免耕结合秸秆还田提高了过氧化氢酶活性，翻耕结合秸秆还田提高了酸性磷酸酶活性。从产量上看，翻耕、少耕结合秸秆还田的增产效果最好，而在还田量相同的情况下，免耕处理的水稻产量低于翻耕处理，长期免耕影响水稻的产量提高。因此，在本试验条件下，适量的秸秆还田结合少耕是最适宜本地区的耕作方式。