秸秆还田对水稻-油菜轮作体系土壤活性有机碳组分及酶活性的影响

李 霞，罗丽卉，周 娅，杨定清，王 棚，李 森

(1.四川省农业科学院 农业质量标准与检测技术研究所，四川 成都 610066；2.四川省自然资源科学研究院，四川 成都 610015)

我国是世界上作物秸秆资源最为丰富的国家之一，年产生量约9亿t，约占世界秸秆总量的25%[1-3]。作物秸秆含有丰富的碳、氮、磷、钾等营养元素和纤维物质，将其还田利用既能有效增加农田土壤碳输入，也能减少因焚烧而产生的温室气体及颗粒污染物[4-6]。因此，秸秆还田是维持农田土壤碳平衡、降低农田生态系统碳排放、提高土壤养分含量的重要农业管理措施之一。

土壤有机碳(SOC)作为土壤质量的关键指标，与土壤的物理、化学及生物学特性密切相关，其对土壤肥力的贡献是作物产量的重要决定因素[7-8]。同时，土壤有机碳库也是陆地生态系统中最大的碳库，其微小变化都会显著影响全球气候。然而，研究表明，SOC对农田管理措施的响应较为缓慢，短期内难以及时、准确地反映土壤质量的内在变化[9]。相反，SOC中的活性组分尽管占总有机碳的比例很小，但在土壤中周转迅速并对环境变化响应敏感，是评价农业管理措施的常用敏感性指标[10]。此外，土壤碳循环酶参与土壤生态系统中碳循环相关的各种生理生化过程，相比于有机碳，能快速地响应土壤中的细微变化，其活性高低被用作农田生态系统变化的早期预警指标[11-12]。因此，研究土壤有机碳组分及碳循环酶活性的变化对探究土壤质量的变化特征具有重要指导意义。

水稻-油菜轮作是成都平原农业主产区主要的种植模式，每年水稻和油菜秸秆产量巨大。控制秸秆焚烧、实施秸秆还田对于实现土壤碳库正向培育、改善土壤质量具有重要的意义[13-14]。目前，不同研究者关于秸秆还田对土壤有机碳影响的研究结果并不完全一致。如丛萍等[15]指出，将秸秆还田量从6 000 kg/hm2增加到18 000 kg/hm2，黑土亚表层SOC含量逐渐增加，且高量秸秆还田下土壤肥力维持时间更持久。然而，Wang等[16]和贺美等[17]研究则认为，秸秆还田并不意味着土壤碳投入的直接增加，土壤固碳能力存在饱和上限，秸秆还田量也并不是越多越好。此外，大量秸秆还田后，秸秆分解过程中大量微生物繁殖会与作物争夺养分，积累有机酸，并成为一些病虫害的庇护场所[18-19]。可见，明确秸秆还田量对于成都平原秸秆资源的高效利用具有重要的意义。

本研究通过连续3 a田间定位试验，研究成都平原油菜-水稻轮作体系下不同秸秆用量对土壤活性有机碳组分及碳循环酶活性的变化影响，并分析土壤有机碳组分与理化指标和酶活性之间的相关性，探讨该体系下活性有机碳和碳循环酶活性能否作为土壤SOC变化的敏感指标，以期为成都平原现代农业主产区秸秆资源利用提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

本试验地点位于四川省彭州市三界镇清凉村，主要轮作方式为水稻-油菜一年两熟种植制度，属于亚热带湿润季风气候区，气候温暖湿润，光照较充足，年均气温16 ℃左右，年均降雨量1 200 mm，年均无霜期280 d。供试土壤为水稻土，试验前土壤0～20 cm基本理化性质为：pH值6.69、容重1.29 g/cm3、阳离子交换量(CEC)16.40 mol/kg、SOC 16.95 g/kg、全氮(TN)1.60 g/kg、全磷(TP)0.84 g/kg、全钾(TK)25.69 g/kg、碱解氮(AN)122.16 mg/kg、有效磷(AP)10.19 mg/kg、速效钾(AK)58.26 mg/kg。

1.2 试验材料与试验设计

试验共设置5个处理：对照(CK)、常规化肥(NPK)、常规化肥+1/2量秸秆(SR1)、常规化肥+全量秸秆(SR2)、常规化肥+2倍秸秆(SR3)。油菜季各处理化学肥料施用量为：N 180 kg/hm2、P2O570 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，硼砂7.5 kg/hm2；氮肥按照 60%基肥+40%越冬肥施用，磷、钾和硼肥均一次性基施。水稻季各处理化学肥料为N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 100 kg/hm2，氮肥按照70%基肥+30%分蘖肥施用，磷、钾均一次性基施。供试氮、磷、钾、硼肥分别为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512%)、氯化钾(K2O 60%)、硼砂(B 11%)。供试油菜品种为南油9号，水稻品种为川优6203。

试验始于2017年冬油菜，采用一年两熟的水稻-冬油菜轮作制度，于每年9月下旬和5月中旬，按照试验设计用量，分别将前一茬水稻、油菜秸秆粉碎后，均匀撒施到地表，再翻耕混匀。试验时间从2017年9月至2020年9月。小区面积20 m2，3次重复，随机区组排列。其他田间管理均按当地最优方式进行。

1.3 样品采集与测定

在连续水稻-油菜两季作物秸秆还田完成3周年后，即2020年9月水稻收获期，按“S”型样点布设法在各小区选取10点采集0～20 cm耕层土壤样品，制成混合样后均匀分成2个部分：一部分直接置于冰箱中4 ℃保鲜保存，用于DOC和碳循环相关酶活性测定，另一部分土壤在室内自然风干过尼龙筛后用于其他指标测定。

土壤pH值采用电位法测定；容重采用环刀法测定；CEC采用乙酸铵交换法测定；TN采用半微量凯氏定氮法测定；TP采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；TK采用NaOH熔融-火焰光度法测定；AN采用靛酚蓝比色法测定；AP采用NaHCO3提取-钼锑抗比色法测定；AK采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定。

土壤SOC采用重铬酸钾外加热法测定；DOC采用KCl浸提-重铬酸钾外加热法测定；MBC采用氯仿熏蒸培养法测定，ROC采用KMnO4氧化法测定。土壤纤维素酶以羧甲基纤维素钠为底物，采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定；β-葡萄糖苷酶活性以对硝基苯-β-D-葡萄糖苷为底物，采用比色法测定；过氧化氢酶和多酚氧化酶以左旋多巴(L-3，4-dihydroxyphenylalanine，L-DOPA)为底物，采用比色法测定[8，20]。

1.4 数据处理

本试验数据采用Excel 2003、SPSS 19.0和OriginPro 9.0软件进行处理、统计分析和作图。采用单因素方差分析法(One-way ANOVA)、LSD法和皮尔逊相关系数法(Pearson correlation coefficient)进行方差分析、多重比较和相关性分析，不同字母代表0.05水平差异显著(P<0.05)。图表中数据均用平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田量对土壤基本理化性质的影响

如表1所示，与CK相比，NPK处理的土壤CEC含量显著降低了11.00%(P<0.05)，土壤pH值和容重差异不显著(P>0.05)，土壤TN、TP、TK、AN、AP和AK等指标则分别提升了4.58%，4.88%，17.64%，5.16%，17.84%，37.87%，其中TK和AK差异达显著水平(P<0.05)。与CK相比，秸秆还田SR1、SR2和SR3处理均显著提高了土壤TN、TP、TK、AK含量(P<0.05)，分别提高了8.50%～11.11%，10.98%～15.85%，18.38%～22.04%，49.17%～59.59%；部分处理显著提高了土壤CEC、AN和AP含量(P<0.05)，分别提高了6.95%～16.39%，10.91%～17.88%，25.44%～45.94%，其中SR1处理的AN增幅最大，SR2处理的TN、AP和AK增幅最大；SR3处理的CEC、TP和TK含量增幅最大。

表 1 不同处理土壤基本理化性质Tab.1 Basic physical and chemical properties of soils under different treatments

2.2 不同秸秆还田量对土壤有机碳及活性组分含量的影响

秸秆还田后，土壤SOC、ROC、DOC和MBC含量均有明显提高，且提升效果随秸秆还田量的增加而增加，各处理中以SR2和SR3处理效果最好(图1)。相较于CK处理，3个秸秆还田处理的SOC、ROC、DOC和MBC含量分别显著提升了5.05%～8.55%，18.40%～36.80%，35.76%～66.93%，27.20%～52.10%(P<0.05)。此外，相比试验前，各处理土壤SOC、ROC、DOC和MBC含量的增幅分别为3.48%～10.80%，25.42%～44.92%，47.50%～81.35%，43.63%～71.74%。NPK、SR1、SR2和SR3处理间土壤有机碳含量无显著差异(P>0.05)。在活性组分方面，3个秸秆还田处理ROC、DOC和MBC含量显著高于CK和NPK处理(P<0.05)，SR2和SR3处理差异均不显著(P>0.05)，其中土壤活性碳组分中以DOC含量提升效果最佳。

不同小写字母表示不同处理之间差异显著(P<0.05)。图2同。Different small letters mean significant difference at 0.05 level among treatments.The same asFig.2.

2.3 不同秸秆还田量对土壤酶活性的影响

不同处理对土壤碳转化酶活性具有明显影响，其中土壤过氧化氢酶的活性最高，多酚氧化酶的活性最低。各处理土壤纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶活性相比试验前均有显著提升(P<0.05)，增幅分别为12.06%～141.98%，25.82%～121.36%，25.82%～222.84%，22.43%～153.61%(图2)。NPK处理的4种土壤酶活性中除多酚氧化酶均显著高于CK处理(P<0.05)，3个秸秆还田处理的土壤纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶活性又显著高于NPK处理(P<0.05)；其中SR2处理下的土壤纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶活性值最高，比SR1处理还分别显著高出16.25%，8.49%，14.69%(P<0.05)，SR3处理下的过氧化氢酶活性最高，比SR1处理显著高出25.10%(P<0.05)。

图2 不同处理土壤酶活性变化Fig.2 Changes in soil enzyme activities under different treatments

2.4 各指标间的相关性分析

土壤有机碳组分、碳转化酶及土壤理化性质间的相关性如图3所示，土壤有机碳组分与4个碳循环酶显著正相关(P<0.05)，SOC与TK和AN、AP、AK间也呈显著正相关(P<0.05)，与TN、TP相关性不显著(P>0.05)。土壤容重与土壤有机碳组分、碳循环酶、pH值、CEC、TP、TN、TK、AN、AP和AK呈显著负相关(P<0.05)；土壤pH值与TN相关性不显著(P>0.05)，土壤各氮、磷、钾指标之间均呈显著正相关(P<0.05)。

3 结论与讨论

3.1 秸秆还田对土壤理化性质的影响

秸秆以适量、适当的方式还田被证明能有效改善土壤理化性质，显著提高土壤氮、磷、钾等养分含量，明显提升土壤质量[21-22]。本研究结果表明，相比CK处理，水稻-油菜轮作体系下连续3 a秸秆还田可明显改善土壤CEC值，这与刘楠等[23]研究结果相似。原因可能是因为连续秸秆还田有效改善了土壤结构，促进土壤中胶体含量增加，进而促进CEC值正向提升。其次，本研究结果证实，秸秆还田处理的土壤容重又显著低于CK处理，这是因为秸秆纤维化程度高，大量秸秆还田后短期内难以完全分解，会占据耕层土壤大量空间，增加土壤孔隙度。此外，秸秆还田能有效提升土壤氮、磷、钾养分的全量和速效养分含量，有效培肥土壤，这与Hao等[24]的研究结果相似。这是因为秸秆含有丰富的碳、氮、磷、钾等营养物质，还田被微生物分解后能够有效补充土壤营养成分，并参与土壤生态系统的物质循环，直接增加土壤中相应养分的储量，能促进土壤肥力的正向积累。从养分的提升效果来看，本研究中3个秸秆还田处理中SR1处理的AN增幅最大，

*.显著相关性(P<0.05)。*.Significant correlations(P<0.05).

SR2处理的TN、AP和AK增幅最大，SR3处理TP、和TK含量增幅最大，这与丛萍等[15]高量秸秆还田更有利于土壤的速效养分的提升研究结果有一定差异。可能是与秸秆还田方式和秸秆施入深度有关，也有可能与秸秆还田量过高后，秸秆分解过程中打破微生物平衡与作物争夺土壤中的养分有关。

3.2 秸秆还田对土壤有机碳及其活性组分的影响

本研究中，连续3 a秸秆还田处理(SR1、SR2和SR3)SOC含量均明显高于CK处理，且表现为秸秆用量越大有机碳含量越高。这主要是由于秸秆中含有大量碳、氮、磷等营养物质，还田利用能直接增加农田土壤碳输入，提升土壤SOC含量[25]。然而，不同秸秆还田用量间土壤SOC含量无显著差异，则可能是由于SOC变化是一个相对缓慢的过程，秸秆还田用量的增加对SOC提升效果短期内不显著。其次，土壤SOC含量对农业管理措施的响应程度与土壤初始碳含量密切相关，本试验中土壤SOC本底值较高，不同秸秆还田量下土壤SOC细微变化不能凸显出来[26]。本研究中，ROC、DOC和MBC土壤活性炭组分变化趋势相似，连续3 a秸秆还田后3种有机碳活性组分均有所提高，且提升程度均随秸秆用量的增加而增加，增幅呈先快后慢的趋势，这与Guo等[27]研究结果一致。究其原因，可能由于秸秆还田直接向土壤输入难降解和易分解性有机碳，短期难降解的有机碳直接促进SOC积累，易分解有机碳则可直接作为土壤有机碳的碳源，提高土壤微生物活性并加速有机物的分解释放[28]。土壤DOC较其他活性有机碳组分反应更敏感，可能由于土壤DOC是能溶于水的活性有机碳，还田后易分解有机质部分被微生物分解利用释放出大量的可溶性有机碳[29]。表明土壤活性有机碳组分具有移动快、稳定性差等特点，在SOC短期变化不显著的情况下，可以指示其早期的波动情况[30]。

3.3 秸秆还田对土壤酶活性的影响

土壤酶主要来源于微生物代谢过程，参与土壤生态系统中各种生理生化过程，能快速地响应土壤中的细微变化，与土壤有机碳变化密切相关，本研究中所涉及的4种酶与土壤碳循环密切相关[8]。土壤纤维素酶的来源是土壤中的植物残体，以及细菌和真菌，在自然界生态碳循环中起重要作用[31]。β-葡萄糖苷酶是纤维素分解酶系的重要组成部分，也是纤维素降解的关键酶，是影响还田秸秆分解的最重要因素之一[32]。土壤多酚氧化酶参与腐殖质组分芳香族有机化合物的转化，可以解聚或聚合土壤中的木质素分子和酚类化合物[23]。过氧化氢酶主要来源于土壤微生物和植物根系的分泌物，在SOC的腐殖质化过程中扮演着重要角色[33]。本研究结果表明，长期秸秆还田能够显著增加土壤碳循环相关酶活性，并且随着秸秆还田量的增加，大部分土壤碳循环相关酶活性呈现出先增加后降低的趋势，其中SR2处理的土壤酶活性最高，这与张鹏鹏等[34]研究结果较为一致。这是因为秸秆还田能调节土壤的碳氮比，促进土壤中有机物质的矿化分解，增强微生物活动强度，为酶活性的提高创造好条件，从而代谢产生更多的土壤酶[35]。此外，土壤酶活性强度与底物浓度密切相关，秸秆还田分解后能为土壤酶提供充足的底物，从而显著增加酶活性[36]。但随着秸秆还田量的增加部分土壤酶活性降低，这可能是因为秸秆还田量过多会造成土壤与大气流通不畅，微生物活性降低，从而导致2倍秸秆还田条件下酶活性降低[37]。

在成都平原水稻-油菜轮作体系下，连续3 a秸秆还田均能不同程度地增加土壤有机碳及活性有机碳组分，均表现为秸秆用量越大碳组分含量越高；同时有利于提高土壤纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶活性，其中全量秸秆还田处理下的土壤纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶活性最高。此外，土壤有机碳组分与理化指标和碳循环酶活性相关分析表明，土壤活性有机碳组分和碳循环酶活性在SOC短期变化不显著的情况下，可以敏感地指示其早期波动。综合考虑，在该地区水稻-油菜轮作体系下，以全量秸秆还田最宜。