不同轮耕模式下小麦各生育时期土壤养分及酶活性变化特征

2022-12-01朱长伟孟威威石柯牛润芝姜桂英申凤敏刘芳刘世亮

中国农业科学 2022年21期

朱长伟，孟威威，石柯，牛润芝，姜桂英，申凤敏，刘芳，刘世亮

朱长伟，孟威威，石柯，牛润芝，姜桂英，申凤敏，刘芳，刘世亮

河南农业大学资源与环境学院，郑州 450002

【目的】通过研究黄淮平原潮土区不同轮耕模式下小麦各生育时期土壤养分、微生物量碳氮和酶活性的动态变化，为该地区筛选适宜的耕作制度提供理论依据。【方法】采用大田小区试验，在2016—2019年小麦季设置5个轮耕模式：（1）连续旋耕（RT-RT-RT）；（2）深耕-旋耕-旋耕（DT-RT-RT）；（3）深耕-旋耕-条旋耕（DT-RT-SRT）；（4）深耕-条旋耕-条旋耕（DT-SRT-SRT）；（5）深耕-条旋耕-旋耕（DT-SRT-RT）。3年为一个周期，在3年周期的第3年即2019年小麦返青期（GS）、拔节期（JS）、灌浆期（FS）和成熟期（MS）采集0—40 cm土层土壤样品，测定并分析土壤碱解氮（AN）、有效磷（AP）、速效钾（AK）、微生物量碳（SMBC）、微生物量氮（SMBN）及脲酶、蔗糖酶和中性磷酸酶活性。【结果】整个小麦生育期所有土壤指标均随土层加深而降低。相对于RT-RT-RT，深耕基础上配合旋耕或条旋耕对20—40 cm土层速效养分的提升效果明显高于0—20 cm土层，但均显著影响两土层中土壤微生物量和酶活性。小麦主要生育时期不同处理下各土壤指标的动态变化趋势与作物的生长和需肥规律基本一致。随着小麦生育期的推进，土壤AP、AK、SMBC、SMBN和脲酶、中性磷酸酶活性均呈“增加—降低—增加”的变化趋势，其中在拔节期达到最大峰值，而蔗糖酶活性则表现为逐渐增加的趋势。在0—20 cm土层，拔节期DT-SRT-RT处理的AN、AP和AK含量显著高于RT-RT-RT处理，其值分别为91.74、27.17和139.81 mg·kg-1。不同轮耕模式及土层深度显著影响AN及AP的含量；而小麦生育时期、不同土层和各轮耕模式等因素均能显著影响AK的含量，但各因素之间的交互作用不明显。在整个生育期，DT-RT-RT、DT-SRT-RT处理0—40 cm土层的SMBC、SMBN含量较高。而相较于RT-RT-RT处理，DT-SRT-RT处理则显著提高了土壤脲酶、蔗糖酶及中性磷酸酶活性，其增长率分别为3.79%—27.69%、12.29%—36.10%和8.61%—35.91%。小麦生育时期、不同土层深度和轮耕模式等因素显著影响土壤微生物量和酶活性，但三者对微生物量氮含量以及蔗糖酶、中性磷酸酶活性的交互作用不显著。各耕作处理2019年的小麦季产量显著高于RT-RT-RT处理，其中以DT-SRT-RT处理的产量最优，为6 557 kg·hm-2。【结论】黄淮平原不同轮耕模式中，深耕-条旋耕-旋耕提高了土壤速效养分、微生物量碳氮含量及土壤酶活性，保障了小麦产量。

轮耕模式；土壤养分；土壤微生物量；土壤酶活性；小麦生育时期

0 引言

【研究意义】黄淮平原是我国主要的粮食主产区，但长期单一的旋耕造成该地区耕层变浅、犁底层增厚、土壤紧实、耕层结构变差，进而影响作物对水分和养分的吸收，最终导致作物产量和质量下降[1]。针对黄淮平原粮食产区农田存在的问题，有学者提出可以通过改变耕作模式改善土壤结构，调节土壤的养分供应，进而促进作物生长发育[2]。不同耕作方式因土壤搅动程度的差异，土壤结构和养分含量等理化性状以及微生物活动会发生相应改变，而农田土壤中不同耕作措施的改变势必引起土壤微环境的变化，那么作为土壤养分循环和物质转化的主要驱动力的那部分微生物，其活性及其相关胞外酶活性对农田管理变化所做出的快速响应能在一定程度上反映土壤养分变化，可以作为表征土壤生物活性的主要指标。因此，研究不同轮耕模式下小麦生育期内养分含量、微生物量及相关酶活性的动态变化可对黄淮平原选择适宜的耕作方式提供理论的支撑。【前人研究进展】目前，耕作模式对土壤理化及生物学性质影响的相关研究较多，但结果差异较大。罗玉琼等[3]研究表明，相比于传统耕作，免耕覆盖可以提高0—20 cm土层土壤碱解氮及有效磷含量，其中0—5 cm土层二者差异尤为显著；免耕和深松显著增加0—40 cm土层土壤碱解氮及有效磷含量，同时增加20—40 cm土层土壤速效钾含量[4]。在0—40 cm范围内土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量存在明显的表层高于深层的空间变异特征[5]。不同生育时期土壤养分含量差异显著，碱解氮含量在抽穗期达到最高，越冬期至返青期含量显著低于其他时期，有效磷及速效钾含量均在拔节期达到峰值[6]，而不同耕作措施的土壤蔗糖酶活性均在灌浆期达到最大值，呈倒“V”形变化[7]。对比连续传统耕作，深翻可以提高0—40 cm土层土壤蔗糖酶活性5.33%、脲酶活性6.26%、碱性磷酸酶活性2.02%；同时2年深翻和3年深翻配合秸秆还田可使土壤酶均匀分布在土层中[8]。而陈娟等[9]则认为，相对于传统耕作，免耕及少耕等处理减少土层的扰动，能够较好地改良土壤结构，提高了土壤微生物的种类、数量及土壤酶活性，ZUBER等[10]研究也表明，免耕较传统耕作明显提高表层土壤中的微生物量及酶活性。于淑婷等[11]通过连续6年定位试验研究认为，深耕-旋耕-旋耕的轮耕模式能够有效改善土壤耕层构造，增加碳氮储量并提高土壤酶活性，提高作物产量。【本研究切入点】前人对耕作措施的研究主要集中于单一耕作模式的某一特定生育时期的表层土中，较少关注不同轮耕模式下作物整个生育期内，以及日益退化并限制作物产量的深层土壤中土壤生化指标的动态变化。特别是在黄淮平原潮土小麦-玉米轮作区，有关深耕、条旋耕和旋耕组合的轮耕模式下小麦关键生育时期内微生物含量及微生物活性的变化规律研究还不深入。【拟解决的关键问题】以黄淮平原潮土区冬小麦-夏玉米轮作系统为基础，探究不同轮耕模式组合下冬小麦生育期内土壤速效养分含量、微生物量、土壤酶活性以及作物产量的变化特征，为该地区最适农田轮耕模式的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2016年10月至2019年6月在河南省新乡市原阳县河南农业大学科教园区（35°19′N，113°50′E）进行，该地区属暖温带大陆性季风气候，年均温度为14.5℃，年均降水量615 mm，年均日照时数为2 324 h。试验地土壤类型为典型的砂质潮土，轮作制度为连续的小麦-玉米的轮作，试验前0—20 cm土层基本理化性质为：有机质17.3 g·kg-1，全氮1.00 g·kg-1，碱解氮（AN）71.33 mg·kg-1，有效磷（AP）21.6 mg·kg-1，速效钾（AK）108.0 mg·kg-1，pH 7.2。

1.2 试验设计

试验采用大田小区设计，在前茬作物秸秆全量还田的条件下，以3年一个周期，在小麦季采用5种不同的轮耕模式：（1）连续旋耕（RT-RT-RT）；（2）深耕-旋耕-旋耕（DT-RT-RT）；（3）深耕-旋耕-条旋耕（DT-RT-SRT）；（4）深耕-条旋耕-条旋耕（DT-SRT-SRT）；（5）深耕-条旋耕-旋耕（DT-SRT-RT）。3次重复，共15个小区，小区面积为16 m×6.2 m = 99.2 m2。

旋耕的操作为：玉米收获后，秸秆灭茬粉碎1—2遍，旋耕机整地2遍，深度13—15 cm，常规播种小麦；深耕的操作为：玉米收获后，秸秆灭茬粉碎1—2遍，铧式犁耕翻1遍，深度28—30 cm，旋耕机整地2遍，深度15—18 cm；条旋耕的操作为：玉米收获后，秸秆灭茬粉碎1—2遍，浅旋整地2遍，深度5—8 cm。

播种时间为10月9日，小麦品种为郑麦369，播量232.5 kg·hm-2；基肥施用量为N﹕P2O5﹕K2O= 20﹕16﹕16的复合肥750 kg·hm-2（150 kg N·hm-2，120 kg P2O5·hm-2，120 kg K2O·hm-2），追肥69 kg N·hm-2（150 kg·hm-2尿素，其含氮量为46%）。

玉米种植前上季小麦秸秆全量还田，6月7日玉米播种机进行种肥同播，品种为浚单29，播量67 500 株/hm2；玉米季基施N﹕P2O5﹕K2O=28﹕10﹕12的复合肥750 kg·hm-2（210 kgN·hm-2，75 kgP2O5·hm-2，90 kgK2O·hm-2），期间不追肥，灌溉、病虫害防治等与当地大田管理相同。

1.3 样品的采集与测定

试验于3年周期的第3年即2019年冬小麦的返青期（3月3日），拔节期（4月4日），灌浆期（5月10日），成熟期（5月29日）4个生育时期，按五点取样法，分别采集0—20、20—40 cm土层土样。样品分为两部分：一部分为新鲜土样，去除可见的植物残体和石块，测定土壤微生物量碳、氮；另一部分为风干土样，风干后过0.85和0.25 mm筛，测定土壤碱解氮、有效磷、速效钾及其酶活性。土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提后，用TOC仪(利曼US17192017)测定[12]。

土壤碱解氮采用碱解扩散法进行测定，土壤有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3法测定，土壤速效钾的测定采用NH4OAc浸提-火焰光度法[13]，土壤脲酶活性测定采用苯酚钠比色法，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法，中性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法[14]。

在小麦成熟期，于各小区选取长势均匀的1 m2小麦，3次重复，并随机选取10穗小麦，计算单位面积穗数和穗粒数，风干脱粒，晒干（含水率为12%）后测定产量、千粒重。

氮、磷、钾肥偏生产力=施肥后所获得的作物产量/肥料纯养分（N、P2O5和K2O）的投入量。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2007记录及处理数据，使用IBM SPSS Statistics 20软件处理分析数据，采用最小显著极差法（LSD）进行多重比较；通过IBM SPSS Statistics 20软件建立单因素的一般线性模型，随后进行三因素方差分析，从而说明影响因素对各指标的显著性关系；通过IBM SPSS Statistics 20软件进行各指标间的相关性分析，之后运用Microsoft Excel 2007中条件格式下的色阶将指标间的相关性大小绘制成简易热图。使用Origin 2018对获得数据进行图像绘制。

2 结果

2.1 不同轮耕模式下小麦各生育时期的土壤速效养分

2.1.1 土壤碱解氮含量如图1所示，在整个小麦生育期中各处理土壤碱解氮含量均随土层增加而降低，且在两个土层中均基本呈现为各轮耕模式的碱解氮含量显著高于RT-RT-RT处理。在0—20 cm土层中，相较于RT-RT-RT处理，除返青期DT-RT-RT处理与成熟期DT-SRT-RT处理外，其余各轮耕处理均能显著增加小麦各生育时期碱解氮含量，其中DT-RT-RT处理在拔节期达到最大值，为92.28 mg·kg-1；DT-RT- SRT处理在成熟期达到最大值，为89.01 mg·kg-1。20—40 cm土层，相较于RT-RT-RT处理，各轮耕处理均显著提高小麦生育期土壤碱解氮含量，且各处理间差异显著，但变化趋势无明显规律。总体而言，在小麦各个生育时期，DT-RT-RT、DT-RT-SRT和DT-SRT-RT处理均有利于提高0—40 cm土层碱解氮含量。

图柱上不同小写字母表示同一土层不同轮耕处理间差异显著（P≤0.05）。下同

2.1.2 土壤有效磷含量如图2所示，在整个小麦生育期中各处理不同土层的土壤有效磷含量均呈先增加后降低又增加的变化趋势，在拔节期达到峰值，各处理土壤有效磷含量随土层加深而下降，且处理间差异随土层的加深而缩小。在0—20 cm土层中，相较于RT-RT-RT处理，各轮耕处理均能增加小麦各生育时期的土壤有效磷含量，其中，小麦拔节期（JS）DT-RT- SRT处理的土壤有效磷含量最高，为29.28 mg·kg-1；且DT-RT-SRT和DT-SRT-RT处理小麦各生育时期0—20 cm土层有效磷含量的增加效果均表现较好，其增长率分别为15.35%—28.10%和10.72%—22.37%，而在20—40 cm土层，各生育时期有效磷的变化趋势较小。总体而言，在小麦各个生育时期，DT-RT-SRT和DT-SRT-RT处理有利于提高0—40 cm土层土壤有效磷含量。

2.1.3 土壤速效钾含量如图3所示，在整个生育期中各处理不同土层的土壤速效钾含量随土层加深而下降。0—40 cm土层，相较于RT-RT-RT处理，小麦各生育时期各轮耕处理均能提高土壤速效钾含量，其中，0—20 cm土层DT-SRT- RT处理在各生育时期均表现较好，含量最高为139.81 mg·kg-1，增长率11.07%—12.78%；20—40 cm土层，部分生育时期的变化趋势并不显著，但DT-RT-RT和DT-SRT-RT处理在各生育时期内均表现较好。总体而言，在小麦各个生育时期，DT-RT- RT和DT-SRT-RT处理有利于提高0—40 cm土层土壤速效钾含量。

图2 小麦不同生育时期各轮耕处理的土壤有效磷含量

图3 小麦不同生育时期各轮耕处理的土壤速效钾含量

2.1.4 三因素对土壤速效养分的交互作用三因素方差分析结果表明（表1），土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量不仅受小麦生育时期、轮耕模式和土层深度单一因素的极显著影响，同时也受到三因素两两交互作用的极显著影响。但三因素总的交互作用仅显著影响土壤碱解氮及有效磷的含量，对速效钾含量的影响不显著。

2.2 不同轮耕模式下小麦各生育时期土壤微生物量碳氮

2.2.1 土壤微生物量碳含量如图4所示，在整个生育期中各处理不同土层的土壤微生物量碳的含量随土层加深而下降，均呈先增加后降低又显著增加的趋势，且在拔节期达到峰值。0—20和20—40 cm土层中，对比RT-RT- RT处理，其余各轮耕处理均能显著增加小麦各生育时期SMBC含量，其中DT-RT-RT处理在拔节期（JS）土壤微生物量碳最高，为183.72 mg·kg-1；而DT-SRT-RT处理在各生育时期均表现较好，增长率为6.28%—23.38%。而成熟期20—40 cm土层各处理间的SMBC含量变化较小。总体而言，在小麦各生育时期中，DT-RT-RT和DT-SRT-RT处理有利于提高0—40 cm土层土壤微生物量碳含量。

表1 小麦生育时期、轮耕模式和土层深度下土壤速效养分变化的三因素方差分析

土层深度：0—20、20—40 cm；小麦生育时期：返青期（TGS）、拔节期（JS）、灌浆期（FS）、成熟期（MS）；轮耕模式：连续旋耕（RT-RT-RT）、深耕-旋耕-旋耕（DT-RT-RT）、深耕-旋耕-条旋耕（DT-RT-SRT）、深耕-条旋耕-条旋耕（DT-SRT-SRT）、深耕-条旋耕-旋耕（DT-SRT-RT）。**差异极显著；*差异显著；NS：无显著性差异。下同

Soil depths: 0-20 cm, 20-40 cm; Wheat growth periods: TGS, JS, FS, MS; Rotation tillage patterns: RT-RT-RT, DT-RT-RT, DT-RT-SRT, DT-SRT-SRT, DT-SRT-RT. ** Represented extremely significant difference (≤0.01); * Represented significant difference (≤0.05); NS represented non-significant difference (≥0.05). The same as below

图4 小麦不同生育时期各轮耕处理的土壤微生物量碳

2.2.2 土壤微生物量氮含量如图5所示，各处理土壤微生物量氮含量随土层深度的增加而下降。在整个小麦生育期内，土壤微生物量氮含量在呈先增加后降低又显著增加的趋势，且在拔节期达到峰值。在0—20 cm土层，相较于RT-RT-RT处理，各轮耕处理均能增加土壤微生物量氮含量，且在拔节期（JS）各轮耕处理的增加效果最为显著，其中DT-SRT-RT处理的土壤微生物量氮含量最高，达到92.42 mg·kg-1；在整个生育期内DT-RT-RT和DT-SRT-RT处理的土壤微生物量氮含量均较高，相较于RT-RT-RT最高增长率分别为19.29%和23.59%。20—40 cm土层，返青期各处理间土壤微生物量氮含量无显著差异，而其余生育时期，相较于RT-RT-RT处理，DT-RT-RT和DT-SRT-RT处理能够显著增加土壤微生物量氮的含量。总体而言，在小麦生育期内，土壤微生物量氮含量相较土壤微生物量碳含量有类似的变化趋势，DT- RT-RT和DT- SRT-RT处理有利于提高土壤微生物量氮含量。

图5 小麦不同生育时期各轮耕处理的土壤微生物量氮

2.2.3 三因素对土壤微生物量的交互作用三因素方差分析结果表明（表2），小麦生育时期、土层深度和轮耕模式单一因素均能极显著影响土壤微生物量碳、氮含量。同时，土壤微生物量碳不仅受土层深度与小麦生育时期交互作用的极显著影响，而且还受到三因素共同交互作用的影响，而微生物量氮只受三因素两两间交互作用的影响，并不受三因素总的交互作用的影响。

表2 小麦生育时期、轮耕模式和土层深度下土壤微生物量的三因素方差分析

2.3 不同轮耕模式下小麦各生育时期土壤酶活性

2.3.1 土壤脲酶活性图6可知，0—20 cm土层中，在小麦生育期内土壤脲酶活性呈先上升后下降的趋势，而在20—40 cm土层中，脲酶活性在成熟期又有略微升高的趋势。在0—20 cm土层，各轮耕处理土壤脲酶活性均高于RT-RT-RT，且以拔节期的DT-SRT-RT处理脲酶活性最高，为2.31 mg NH3-N·g-1·(24h)-1。20— 40 cm土层，在小麦整个生育期内DT-RT-RT与DT- SRT-RT两个处理的土壤脲酶活性显著高于RT-RT- RT处理，增长率分别为5.83%—22.60%和3.79%—27.69%。总体而言，土壤脲酶活性有明显的季节性变化，在拔节期活性达到峰值，且两土层中DT-SRT- RT的土壤脲酶活性明显高于其他处理。

2.3.2 土壤蔗糖酶活性由图7可得，在小麦生育期内土壤蔗糖酶活性逐渐增高，在成熟期达到峰值。在0—20 cm土层，各轮耕处理土壤蔗糖酶活性均高于RT-RT-RT处理，其中DT-SRT-SRT和DT-SRT- RT处理土壤蔗糖酶活性较高，增长率分别在9.97%—23.71%与12.29%—18.56%之间，且两者之间无显著差异；在成熟期DT-SRT-RT处理土壤蔗糖酶活性达到最高值，为45.65mg Glu·g-1·(24h)-1。在20—40 cm土层，土壤蔗糖酶活性变化与0—20 cm土层相似，同样在成熟期的DT-SRT-RT达到峰值为20.39 mg Glu·g-1·(24h)-1。除返青期外，其余3个生育时期DT-RT-RT和DT-SRT -RT处理的蔗糖酶活性均显著高于RT-RT-RT处理，最高增长36.10%。总体而言，各处理土壤蔗糖酶活性随生育期的推进逐渐升高。在0—40 cm土层DT-SRT-SRT和DT-SRT-RT处理的土壤蔗糖酶活性增强效果明显。

图6 小麦不同生育时期各轮耕处理土壤脲酶活性

图7 小麦不同生育时期各轮耕处理的土壤蔗糖酶活性

2.3.3 土壤中性磷酸酶如图8所示，在小麦生育期土壤中性磷酸酶活性随土层深度的增加呈下降趋势，且在拔节期达到最高值。0—20 cm土层中，返青期各轮耕处理的土壤中性磷酸酶活性差异不显著，但在之后的3个生育时期，各处理的中性磷酸酶活性总体上显著高于RT-RT-RT处理，均以DT-RT-RT和DT-SRT-RT处理的高，最高为5.67 mg phenol·g-1·(24h)-1。20—40 cm土层，同样表现为DT-SRT-RT处理显著提高了小麦各生育时期的土壤中性磷酸酶活性，其增长率为21.92%—35.91%。总体来说，在小麦的生育期，土壤中性磷酸酶活性具有与土壤脲酶活性相似的变化趋势，均在拔节期达到峰值；0—40 cm土层中DT-SRT-RT的土壤中性磷酸酶活性增高效果最明显。

图8 小麦不同生育时期各轮耕处理的土壤中性磷酸酶活性

2.3.4 三因素对土壤酶的交互作用三因素方差分析结果表明（表3），小麦生育时期、土层深度和轮耕模式及其相互间的交互作用均能极显著影响土壤脲酶活性；蔗糖酶活性不仅受单一因素的极显著影响，而且还受生育时期与土层深度、土层深度与轮耕模式交互作用的影响；而中性磷酸酶活性只受单一因素，以及生育时期与土层深度交互作用的极显著影响，并不受其他交互作用的影响。

2.4 不同轮耕模式下小麦产量及构成因素和肥料偏生产力

如表4所示，各轮耕处理小麦产量显著高于RT-RT-RT处理，其中DT-SRT-RT处理的小麦产量最高，达到6 557 kg·hm-2，相较RT-RT-RT处理提高14%。各轮耕处理单位面积穗数显著高于RT-RT-RT处理，而不同处理间穗粒数、千粒重呈现不同差异，无显著性规律，但均表现为DT-SRT-RT处理显著高于RT- RT-RT。各处理氮偏生产力、磷/钾偏生产力同样显著高于RT-RT-RT处理，对比RT-RT-RT处理分别提高4.94%—14.62%、4.95%—14.65%。总体来说，各轮耕模式处理明显提高了小麦单位面积穗数和产量，其中DT- SRT-RT处理增产效果最为明显。

表3 小麦生育时期、轮耕模式和土层深度下土壤酶活性变化的三因素方差分析

表4 小麦产量及构成因素和肥料偏生产力

2.5 各指标与小麦产量相关性

由图9可知，各指标与产量间的相关性分析热图中颜色的深浅表示指标间相关关系的大小。0—40 cm土层中，产量与土壤有效磷、速效钾含量，微生物量碳、氮含量以及土壤脲酶、蔗糖酶、中性磷酸酶活性均呈正相关关系。0—20 cm土层中，土壤速效钾含量、土壤微生物量碳含量及3种土壤酶活性间达到极显著水平，相关性系数由大到小顺序依次为土壤脲酶活性、土壤蔗糖酶活性、土壤速效钾含量、土壤中性磷酸酶活性、土壤微生物量碳含量；除产量外，土壤蔗糖酶活性与其余各指标均成负相关关系。20—40 cm土层中，土壤速效钾含量与蔗糖酶活性达到显著相关关系，与土壤碱解氮含量达到极显著水平，相关性系数大小顺序依次为土壤碱解氮含量、土壤速效钾含量、土壤蔗糖酶活性；土壤碱解氮、土壤速效钾含量及土壤蔗糖酶活性与多个指标呈负相关关系。

URA：尿酶活性Urease activity；INA：蔗糖酶活性Invertase activity；NPA：中性磷酸酶活性Neutral phosphatase activity

3 讨论

3.1 不同轮耕模式对小麦各生育时期土壤养分含量的影响

不同耕作方式对土壤的扰动程度不同，对土壤理化性状的影响也不同，从而可以调节土壤养分的有效性及其矿化速率，进而影响作物对土壤养分的吸收利用[15]。轮耕有利于均衡养分在土层中的空间分布，有效避免养分表面富集现象[16]。土壤速效养分含量是衡量土壤肥沃程度的重要指标，也是影响植物生长发育的关键因子[17]。有研究表明，免耕可提高表层土壤的氮、磷、钾含量，但对深层土壤养分的影响不显著[18]。龙潜等[19]研究发现，对比深耕，旋耕显著增加0—10 cm土层碱解氮和有效磷含量，而深耕处理30—40 cm土层碱解氮和有效磷含量明显高于旋耕处理。侯贤清等[4]对于宁南旱区相关研究发现免耕和深松的组合显著增加20—40 cm土层速效钾含量。本研究表明，在同一生育时期和相同耕作模式下，20—40 cm土层的AN、AP和AK含量与0—20 cm土层相比显著降低，这与徐海等[5]的研究结果一致。在同一生育时期深耕、旋耕和条旋耕相互组合的轮耕模式的AN、AP和AK含量与传统耕作模式（RT-RT-RT）相比大致均呈增高趋势，其中深耕-条旋耕-旋耕（DT-SRT-RT）处理的增加效果最为显著，这是因为轮耕措施有效促进了土壤养分的释放，进而增加土壤养分含量[20]，而且浅旋耕对下层土壤几乎没有扰动，降低了深层土壤与空气的接触，减少了深层土壤养分的矿化[21]。随着小麦生育期的推进，0—20和20—40 cm土层土壤有效磷和速效钾含量的变化趋势大致相同，这可能是因为拔节期之后小麦进入生殖生长，对养分的需求加快使得土壤速效养分含量降低，而生殖生长后期养分需求减少，养分含量有明显的回升趋势[5]。表层土壤返青期AN含量较高，可能与冬小麦不同时期对氮素的吸收强度和根系在土层的分布有关，20—40 cm土层返青期AN含量最低，而在灌浆期其含量达到峰值，这与邹传俊[6]的研究结果一致。

3.2 不同轮耕模式对小麦各生育时期土壤微生物量碳氮的影响

土壤微生物是土壤养分和物质转化的主要驱动力，而微生物量碳氮的动态变化是土壤微生物种群，数量和活性的风向标，其大小在一定程度上影响着土壤有效养分的含量。不同的耕作模式必然给土壤带来不同程度的扰动，影响着土壤的水、肥、气、热等条件使得微生物量发生改变[8]。前人研究表明，土壤微生物量碳氮在冬小麦整个生育期中基本表现为“N”型的变化趋势，在分蘖期至拔节期土壤微生物量碳（SMBC）和土壤微生物量氮（SMBN）达到最大含量，且拔节期和成熟期二者含量均比灌浆期高[22]。王芸等[23]就保护性耕作对土壤微生物特性的影响结果说明深耕可显著提高土壤微生物量，而刘淑梅等[24]研究表明，与连续旋耕相比，免耕可以显著增加0—20 cm土层SMBC和SMBN含量。张勉[25]研究发现，轮耕能够有效增加SMBC和SMBN含量，且在成熟期表现最为突出。本研究表明，随着土壤深度的增加，SMBC和SMBN含量呈下降趋势，这可能是因为耕作方式引起了土壤有机质的分层分布，从而对土壤微生物的生长繁殖产生的影响[26]，且相较于深层土壤，表层土壤有着相对较好的水气条件和丰富的有机物质，同时表层土更高的土壤温度，更有利于微生物的生殖繁衍[8, 27]。在小麦生育期内，相较于传统耕作模式（RT-RT-RT），各轮耕处理显著提高了SMBC和SMBN含量，其中DT-SRT-RT处理的增长效果最为显著。这与张勉等[25]的研究结果一致，这是因为轮耕措施疏松了土壤有利于气体的交换，改善了土壤的微生态环境，促进好氧性微生物的活化和矿物质的分解，有益于土壤微生物生长。随着小麦生育时期的推进，0—20和20—40 cm土层微生物量碳氮的变化趋势大致一致，均是从返青期开始增长并在拔节期达到峰值随后下降。这是因为小麦返青期之后温度明显回升，小麦进入快速生长期，根系逐渐发达，分泌物质增多，导致进入土壤的新鲜有机物质显著增加，大大刺激了土壤微生物的生长和繁殖，使得土壤微生物量增大[28]，而当进入4、5月后降水量减小，土壤水分下降，不利于土壤微生物的生长，微生物量下降[14]。

3.3 不同轮耕模式对小麦各生育时期土壤酶活性的影响

土壤酶作为土壤中的一种生物催化剂，在土壤生物化学循环中起重要作用，其直接或间接参与土壤有机碳的转化与分解、养分循环和有害物质的分解等过程[29]。土壤酶活性的高低同样能够反映土壤矿化规模和产能强弱，在一定程度上决定了土壤养分的有效性，能够评估与农田耕作管理相关的有机碳氮磷库的变化[30]，而土壤耕作模式及其组合可以通过改善土壤酶活性，改变土壤生化反应的发生速度。前人研究表明，小麦生育时期的推进伴随着季节的更替，日照时长、气温及降水等气候因素的改变，使的土壤性质发生变化，对土壤酶活性产生影响[31]。张莉等[8]与罗珠珠等[32]研究表明，随着生育时期的推进，各耕作模式的蔗糖酶活性呈阶梯状逐渐升高，在灌浆期达到峰值，随后有所下降；而脲酶活性则在拔节期达到峰值。

本研究发现，在同一生育时期各轮耕处理比传统耕作（RT-RT-RT）提高了土壤脲酶、蔗糖酶、中性磷酸酶的活性，其中DT-SRT-RT处理的增加效果较为显著。这主要是因为深耕将前茬作物的秸秆翻埋在土壤亚表层，提高亚表层有机碳、氮的储量，在酶促反应中底物增多，诱发了酶活性的升高[8]，且DT-SRT-RT处理有利于土壤水分的保持，当土壤湿度较大时，也会增加土壤中的酶活性[14]。脲酶与中性磷酸酶均在拔节期达到最高，脲酶随后下降，而中性磷酸酶在成熟期有明显上升，出现这种现象可能是因为在小麦返青期后气温回升，小麦生长旺盛，根系逐渐发达，相应的脲酶和中性磷酸酶活性有所提高；在小麦拔节期后，可能出现微生物和作物争夺氮、磷的现象，导致土壤脲酶与中性磷酸酶活性降低[8, 32]。而中性磷酸酶在成熟期有所提高可能是中性磷酸酶对土壤磷素的变化较灵敏[33]，土壤中磷含量的变化是一个动态可逆的过程，当土壤中无机磷含量较高时，酶促反应受到抑制，酶活性相对较低；而低磷条件下，为了向作物提供生长所需的磷，磷酸酶活性也被诱导出来；在小麦生长后期，磷的吸收量随核蛋白物质的增加而急剧增加，但由于磷不易流动，时间较长后，有效磷迅速下降，从而诱导磷酸酶活性的快速增高[32]。

3.4 不同轮耕模式对小麦产量及构成因素的影响

良好的土壤环境和耕作方式可以改善农田土壤的水肥状况，延缓小麦植株的衰老，有利于产量的形成。研究表明，与旋耕相比，深翻耕及深松处理能够打破土壤犁底层，促进作物根系的发育和下扎，保证了生育后期的水肥供给，提高小麦的单位面积穗数和千粒重，有助于产量和籽粒蛋白质的形成[34]。而轮耕措施能够显著提高土壤的孔隙度和保水性，提高土壤微生物活性，改善小麦的生长发育条件，最终提高小麦产量[25,35]。曹碧芸等[36]研究也表明轮耕较免耕处理显著提高了穗数、穗粒数、千粒重等产量指标，而左右产量的主导因子是单位面积的穗数或穗数与穗粒数的协调关系，因此轮耕模式下产量提高，其中深松/深翻/深松轮耕模式效果较好。本研究表明，相较于连续旋耕处理，轮耕模式提高了小麦单位面积穗数和千粒重，进而提高了小麦产量和肥料偏生产力，其中深耕-条旋耕-旋耕（DT-SRT-RT）增产效果最为显著。与前人研究基本一致。这是因为轮耕措施能够疏松土壤，减少土壤结构的破坏，提高了土壤保水保肥的能力[37]，使得小麦的关键生育时期拥有充足的养分供应。特别是该处理在小麦生长后期土壤肥力高，微生物活性强，光照足，使小麦籽粒灌浆充实，提高了小麦的穗粒数和千粒重，进而形成高产群体结构。

4 结论

深耕-条旋耕-旋耕结合的轮耕模式相较连续旋耕这一传统耕作模式，增加了土壤速效养分、土壤微生物量碳氮含量，提高了土壤脲酶、蔗糖酶及中性磷酸酶活性。有效磷、速效钾、微生物量碳、微生物量氮含量，以及土壤脲酶、中性磷酸酶的活性均在小麦拔节期达到最高值，灌浆期显著下降，到小麦成熟期又有所上升。同时相较于连续旋耕，深耕-条旋耕-旋耕模式显著增加了小麦的穗数、穗粒数及千粒重，进而提高小麦产量，推荐作为黄淮平原培肥增产的轮耕模式。

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The Characteristics of Soil Nutrients and Soil Enzyme Activities During Wheat Growth Stage Under Different Tillage Patterns

ZHU ChangWei, MENG WeiWei, SHI Ke, NIU RunZhi, JIANG GuiYing, SHEN FengMin, LIU Fang, LIU ShiLiang

College of Resource and Environment, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002

【Objective】This study was aimed to select the optimum tillage pattern by investigating the dynamic changes of different tillage patterns on soil nutrients, microbial biomass, and enzyme activities during different wheat growth stages in fluvo-aquic soil in Huang-Huai Plain.【Method】The field experiment was carried out from 2016 to 2019. Five rotation tillage modes were set as: (1) Continuous Rotary Tillage (RT-RT-RT); (2) Deep tillage-Rotary tillage-Rotary tillage (DT-RT-RT); (3) Deep tillage-Rotary tillage-Shallow rotary tillage (DT-RT-SRT); (4) Deep tillage-Shallow rotary tillage-Shallow rotary tillage (DT-SRT-SRT); (5) Deep tillage-Shallow rotary tillage-Rotating tillage (DT-SRT-RT). Three years is a cycle. In the third year of the 3-year cycle, i.e. 2019, 0-40 cm soil layer samples were taken at the wheat greening stage (GS), jointing stage (JS), filling stage (FS), and maturity stage (MS). The contents of alkali hydrolyzed nitrogen (AN), available phosphorus (AP), available potassium (AK), soil microbial biomass carbon (SMBC), soil microbial biomass nitrogen (SMBN), and the activities of urease, invertase, and neutral phosphatase in different soil layers were measured and analyzed.【Result】All soil indicators were decreased with the soil depths during the whole wheat growth stage. Compared with RT-RT-RT, the increment of available nutrients contents at 20-40 cm soil layer were significantly higher than those at 0-20 cm soil layer under the treatments with deep tillage combined with rotary tillage or shallow rotary tillage, but which presented few effects on soil microbial biomass and enzyme activities under soil layers compared with the effects on soil available nutrients. The dynamic changes of each soil indicators under different treatments during the wheat main growth stages were consistent with the growth and fertilizer requirements of crops. The AP, AK, SMBC, SMBN, urease, neutral phosphatase activities were showed an “N” type trend and reached to peak at the jointing stage. The sucrase activity was gradually increased with the growth stage. In 0-20 cm soil layer, the contents of AN, AP and AK under DT-SRT-RT treatment at the jointing stage were significantly higher than that under other treatments, and the highest value were 91.74 mg·kg-1, 27.17 mg·kg-1and 139.81 mg·kg-1, respectively. The AN and AP were significantly affected by rotation tillage patterns and soil depths. While the AK was affected by wheat growth stages, soil layers, and rotation tillage patterns, but the interaction among them was not obvious. During the whole growth period, compared with RT-RT-RT, in 0-40 cm soil layer, the SMBC and SMBN content under DT-RT-RT and DT-SRT-RT treatments were higher. The DT-SRT-RT treatment could significantly increase the activities of soil urease, invertase and neutral phosphatase, and their growth rates were between 3.79%-27.69%, 12.29%-36.10% and 8.61%-35.91%, respectively. In the whole wheat growth period, the soil microbial biomass and enzyme activities were significantly affected by different soil depth and rotation tillage mode, but the interaction between them on SMBN content, invertase, and neutral phosphatase activity was not significant. The wheat yield under the other treatments in 2019 was higher than that under RT-RT-RT, and the highest one was 6 557 kg·hm-2under DT-SRT-RT.【Conclusion】During this experimental period, in Fluvo-aquic soil in Huang-Huai Plain, the DT-SRT-RT treatment had the best effect on improving available nutrients contents, SMBC, SMBN, and soil enzyme activity, thereby further ensuring the high yield of wheat.

rotation tillage pattern; soil nutrient; microbial biomass; enzyme activity; wheat growth period