长期棉花秸秆还田和施用有机肥对棉田土壤养分含量和酶活性的影响*

郭振威,李永山,王慧,陈梦妮,范巧兰,杨 娜,席吉龙,张建诚

(1.山西农业大学农业农村部有机旱作农业重点实验室 太原 030031;2.山西农业大学棉花研究所 运城 044000;3.山西农业大学资源环境学院 太谷 030801;4.运城市农业科学合作研究院 运城 044000)

棉花(Gossypiumspp.)秸秆含有大量纤维素、木质素和多缩戊糖,其营养丰富[1],有大量研究证明棉秆还田有利于改良土壤结构[2]、改善理化性质、增加土壤养分含量[3-5]等诸多益处。此外每年畜牧生产带来大量的粪,易造成污染,有机肥中有机质含量高,肥效较长,且有机肥的肥效相对全面,能够改良土壤理化性质,培肥地力[6],有利于提高农作物的品质,并且有机肥可以促进土壤的物质循环,在环境保护方面也有着重要的意义[7-8]。土壤养分和土壤酶均是土壤生态系统中十分重要的组成部分[9],土壤养分是土壤地力的核心[10],其含量影响着作物的生长与发育。土壤酶参与土壤中各种复杂的生物化学过程[11],影响着土壤有机质的转化,土壤酶的活性也能侧面反映出土壤的肥力状况。

基于以上的认识,前人对秸秆还田和有机肥的施用对土壤酶活性做了大量的研究。刘艳慧等[12]对棉花秸秆还田对土壤酶活性的影响研究发现,棉秆还田显著提高了0～60 cm 土层的脲酶活性,同时相比于未还田的处理,棉秆还田后也显著提高了土壤蔗糖酶和过氧化氢酶的活性;张伟等[13]研究也证明棉秆还田可以显著提高连作棉田土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶的活性;刘增兵等[14]研究发现,有机无机肥配施可显著提高土壤的蔗糖酶、脲酶、蛋白酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶活性和酶活性综合指数。Marcote 等[15]的研究结果发现,有机配施无机肥可提高土壤中β-葡萄糖苷酶、酪蛋白水解酶和脱氢酶活性。李其胜等[16]的研究结果指出,有机肥配施无机肥可显著提高β-葡萄糖苷酶、纤维素酶和木聚糖酶等酶的活性。

前人研究大都是单秸秆还田和单施用有机肥对酶活性的影响,但秸秆还田配施有机肥对长期连作棉田土壤酶活性的影响还少见报道。因此本文以经过长期秸秆还田和有机肥处理后的连作棉田作为研究对象,对土壤养分含量和酶活性状况进行研究,以期揭示棉花秸秆还田与施用有机肥对土壤的影响,及不同处理之间的差异与特点,探讨土壤中养分含量与酶活性的变化,为提高土壤肥力选择优良方案,为棉秆还田和有机肥的推广提供理论依据,为棉花健康生长提供实践经验。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

2007 年4 月始在山西农业大学(山西省农业科学院)棉花研究所牛家凹试验农场进行定位试验。试验基地位于山西省运城市夏县,35°11′N,111°05′E,海拔402 m,年平均温度13.2 ℃,年日照时长为2293.4 h,无霜期212 d,年降雨量530 mm,夏秋季降雨占75%,灾害性天气主要是干旱和春季倒春寒。长期定位试验土壤质地为黄壤土,试验初始0～20 cm土壤养分含量为碱解氮89 mg·kg-1,有效磷53.1 mg·kg-1,速效钾159.6 mg·kg-1。

1.2 试验设计

共设置4 个处理,各处理施肥情况如表1 所示。每处理为360 m2的大条区,从中选取棉花长势均匀一致的试验区域15 m2(2.0 m×7.5 m)作为试验小区,设3 次重复,共计12 个小区。每年棉花收获后秸秆还田处理采用机械粉碎全量还田,不还田处理地块棉花秸秆全部移出,播前旋耕底施氮肥60%,花铃期追施氮肥40%,磷肥和发酵鸡粪播种前一次性施入。于2020 年11 月上旬对各处理进行25 cm 深翻,2021年3 月下旬旋耕整地,4 月中旬地膜覆盖播种,宽窄行种植,密度6.75 万株·hm-2左右,种植品种为转基因抗虫棉‘科能0518’,4 月初进行播前灌溉,7 月10日在花期进行第二次灌溉,各处理以大田常规丰产技术要求进行相同田间管理。

表1 不同处理的施肥种类和施肥量Table 1 Fertilizers and application rates of each treatment

2021 年分别在棉花蕾期(6 月24 日)、花期(7月15 日)、吐絮期(9 月22 日)和拔杆期(10 月27 日)用小型土壤采样器按照“S”型采样法采集土壤样品,采集深度为0～20 cm,每个小区内采集5 个土样组合成1 个混合样品。采集的土壤样品立即放入无菌聚乙烯自封袋带回实验室,土样风干、碾磨、过筛用于测定。

1.3 测定指标及方法

速效磷含量测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法[17],速效钾含量测定采用醋酸铵浸提火焰光度法[17],全磷含量测定采用NaOH 熔融-钼锑抗比色法[17],碱解氮和全氮含量测定采用碱解扩散法[18]。土壤脲酶活性测定采用苯酚一次氯酸钠比色法(NH3+-N 37 ℃,24 h),过氧化氢酶活性测定采用高锰酸钾滴定法,(0.1 mol·L-1KMnO4,mL·g-1),蔗糖酶测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法(glu,mg·g-1,37 ℃,24 h),碱性磷酸酶活性测定采用磷酸苯二钠比色法(PhOH,37 ℃,24 h)[18-19]。

1.4 数据统计分析

用Excel 软件进行数据整理和作图,通过SPSS软件的Duncan 法进行方差分析,利用Pearson 相关系数评价土壤营养元素与土壤酶活性各指标间的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同处理对棉花产量的影响

从表2 可以看出,长期不同施肥的棉花产量为NPSM＞NPM＞NPS＞NP。相比处理NP,处理NPS、NPM 和NPSM 棉田产量分别增加10.23%、11.10%和26.22%,差异均达显著水平(P＜0.05)。其中,施用有机肥的棉田产量比秸秆还田后的棉田高0.78%,差异不显著;秸秆还田配施有机肥相较于单施有机肥和单一秸秆还田处理产量分别提高13.62%、14.51%,差异均显著(P＜0.05)。所以相比于单施有机肥和单一秸秆还田处理来说,长期秸秆还田配施有机肥是提高连作棉田产量的最优方案。

表2 长期不同施肥处理的棉花产量Table 2 Yield of cotton under different treatments of long term fertilization kg·hm-2

2.2 不同处理对土壤养分含量的影响

表3 为长期秸秆还田和施用有机肥下不同处理土壤养分分布特征。棉花秸秆还田和施用有机肥对土壤养分含量影响明显,同一生育期,土壤全氮、全磷、碱解氮、速效钾、有效磷的含量随着长期秸秆还田和有机肥的施用均有不同程度提高。

表3 长期不同施肥处理下棉花不同生育期土壤养分含量Table 3 Soil nutrients contents of cotton fields at different growth stages under different treatments of long term fertilization

4 个处理中,处理NPSM 对土壤全氮、全磷、碱解氮、速效钾、有效磷含量的提升效果最明显。与同期处理NP 相比,全氮含量分别提高48.76%～60.18%(P＜0.05),全磷含量提高91.23%～112.18% (P＜0.05),碱解氮含量增加140.63%～229.17% (P＜0.05),速效钾含量增加35.86%～60.54% (P＜0.05),有效磷含量增加146.92%～483.34% (P＜0.05)。与同期处理NPS 相比,全氮含量增加7.89%～17.53%,除花期外,其他生育期均达显著水平(P＜0.05);全磷含量增加43.73%～63.62%(P＜0.05);碱解氮含量增加32.73%～63.83% (P＜0.05),速效钾含量增加20.47%～35.29% (P＜0.05),有效磷含量增加107.02%～328.81% (P＜0.05)。与同期处理NPM 相比,全氮含量增加20.81%～35.01% (P＜0.05),全磷含量增加12.66%～34.22% (P＜0.05),碱解氮含量增 加78.04%～108.33% (P＜0.05),速效钾含量增加9.80%～13.40% (P＜0.05),有效磷含量增加12.86%～43.07% (P＜0.05)。对于土壤养分而言,长期秸秆还田和施用有机肥对棉田土壤养分均有明显的提高效应,且两者配施是提高土壤养分含量的最佳选择。

2.3 不同处理对土壤酶活性的影响

图1 为长期秸秆还田和施用有机肥后的土壤酶活性变化特征。由图1A 可见,4 个处理的棉田土壤脲酶活性整体上呈先上升后下降的趋势,处理NPM和NPS 在棉花花期(G2)时,土壤脲酶活性达全生育期最高值,处理NPSM 在棉花吐絮期(G3)活性值达最高。长期秸秆还田和施用有机肥对土壤脲酶活性的影响表现为NPSM＞NPM＞NPS＞NP。其中处理NPSM 对棉田土壤脲酶活性的提高效果最明显,在棉花蕾期(G1)、花期(G2)、吐絮期(G3)和拔杆期(G4),相比于处理NP,土壤脲酶活性分别提高151.84%、139.29%、118.50%和121.43% (P＜0.05);相比处理NPS,土壤脲酶活性分别提高113.25%、48.63%、82.94%和74.16% (P＜0.05);比处理NPM,土壤脲酶活性分别提高36.15%、7.40%、20.70%和10.40% (P＜0.05)。

图1 不同处理对棉花不同生育期土壤酶活性的影响Fig.1 Effects of different treatments on soil enzyme activities in different growth stages of cotton

由图1B 可见,整体来看各处理土壤碱性磷酸酶活性在棉花的整个生育期波动不大。长期秸秆还田和施用有机肥对土壤碱性磷酸酶活性的影响表现为NPSM＞NPM＞NPS＞NP,其中各生育期处理NPM 和NPS 间差异不显著。处理NPM、NPS、NPSM 比NP 均显著提高了土壤碱性磷酸酶的活性(P＜0.05)。其中处理NPSM 对土壤磷酸酶活性的提高幅度最大,在棉花蕾期(G1)、花期(G2)、吐絮期(G3)和拔杆期(G4),比处理NP 土壤碱性磷酸酶活性分别提高81.69%、88.86%、93.11%和76.81% (P＜0.05),比处理NPS 分别提高19.85%、28.90%、30.75%和16.46%(P＜0.05),比处理NPM 分别提高11.18%、23.35%、28.47%和9.07% (P＜0.05)。

由图1C 可见,各处理棉田土壤过氧化氢酶活性在棉花整个生育期波动不大。相对于处理NP,3 个处理均显著提高了土壤过氧化氢酶的活性(P＜0.05),各生育期处理NPM 和NPS 间差异不显著。长期秸秆还田和施用有机肥对土壤过氧化氢酶活性的影响表现为NPSM＞NPM＞NPS＞NP,其中处理NPSM 对土壤过氧化氢酶的活性提高幅度最大。在棉花蕾期(G1)、花期(G2)、吐絮期(G3)和拔杆期(G4),处理NPSM 比NP 棉田过氧化氢酶活性提高36.41%、36.25%、30.53%和41.33% (P＜0.05),比处理NPS 分别提高14.20%、11.22%、6.75%和8.88% (P＜0.05);比处理NPM 分别提高12.20%、9.78%、7.27%和9.04% (P＜0.05)。

由图1D 可见,各处理棉田土壤蔗糖酶活性整体呈先上升后下降的趋势,在棉花吐絮期土壤蔗糖酶活性达峰值,而后下降。长期秸秆还田和施用有机肥对土壤过氧化氢酶活性的影响表现为NPSM＞NPS＞NPM＞NP,处理NPSM 对土壤中蔗糖酶活性的提升幅度最大。在棉花各生育期,处理NPSM 蔗糖酶活性比NP 分别提高110.32%、115.76%、129.32%和83.41% (P＜0.05),比NPS 分别提高34.29%、39.05%、34.70%和59.14% (P＜0.05),比NPM 分别提高48.60%、66.54%、78.84%和56.41% (P＜0.05)。

综上,相比于单施化肥处理,无论是秸秆还田还是施用有机肥对土壤酶活性都有不同程度提升,且对土壤酶活性提升效果最佳的方案是长期秸秆还田配施有机肥。

2.4 土壤营养元素含量与酶活性的相关性分析

长期秸秆还田和施用有机肥处理下棉田土壤酶活性与土壤养分相关系数如表4 所示。土壤碱解氮、速效钾、有效磷、全氮、全磷含量均与蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性呈正相关关系。其中,碱解氮含量与蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性呈极显著正相关(P＜0.01),与蔗糖酶活性相关系数最大(0.912);速效钾含量与4 种酶的活性均呈极显著正相关(P＜0.01),与磷酸酶活性的相关系数最大(0.874);有效磷含量与4 种酶活性呈极显著正相关(P＜0.01),与脲酶活性的相关系数最大(0.767);全氮含量与脲酶活性相关性不显著,与其余3 种酶的活性呈极显著正相关(P＜0.01),与过氧化氢酶活性相关系数最大(0.517);全磷含量与4 种酶活性均呈极显著正相关(P＜0.01),与脲酶活性相关系数最大(0.900)。

表4 棉田土壤酶活性与土壤养分相关系数Table 4 Correlation coefficients between soil enzymes activities and nutrients contents of cotton field

3 讨论

连作种植和化肥、农药施用过量导致棉花土壤质地恶化、病害严重、产量和质量均下降,棉花生产也存在着明显的连作障碍,制约着棉花健康发展[20-21]。植物的生长发育与土壤环境密切相关,棉花秸秆和有机肥中含有大量作物生长所需的氮、磷、钾等营养元素[22],施入土壤后不断腐解,氮素、磷素及钾素不断释放,有利于提高土壤碱解氮、速效磷及速效钾含量。张富丽等[23]研究结果指出,棉花秸秆原位还田后,土壤中有效磷、速效钾和碱解氮含量均显著提高。本试验研究结果与其基本一致,经过长期的秸秆还田、有机肥和秸秆还田配施有机肥后对土壤碱解氮、速效钾、有效磷、全氮和全磷含量均有不同程度的提高,除秸秆还田在吐絮期对有效磷含量的影响未达显著水平外,其余均达显著水平,有效降低了棉花连作带来的土壤养分含量降低等危害。尤其是二者结合协同下效果明显更佳,一方面,有机肥的加入对土壤营养元素具有增加效应,配施秸秆还田后共同作用效果更佳;另一方面,随着有机肥的加入会促进棉花秸秆的腐解,使其养分释放更加快速、彻底。长期秸秆还田配施有机肥后对于棉田带来的直接效果是: 相比于单施化肥,单施有机肥和单一秸秆还田可使连作棉田产量和土壤养分显著提高。

土壤酶活性是反映土壤质量的重要指标之一[24-26]。本试验研究发现,随着棉花生长,处理NPM、NPS、NPSM 比处理NP 可显著提高土壤中脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性,这与前人结果相似[12-13]。可能是随着棉花秸秆和有机肥的施入,土壤有机质和速效养分随之增加,同时土壤中微生物数量与活性均会提高,进而土壤酶活性也会提高。此外,有机肥和秸秆本身含有大量微生物,土壤酶主要来自于微生物和植物的分泌作用[27]。另一方面,有机物料的加入,为微生物提供了更多可分解的植物残体[28],从而促使了土壤酶活性的提升。本研究对土壤养分含量与酶活性的相关性分析发现,土壤碱解氮、速效钾、有效磷、全氮、全磷含量的增加会明显提高土壤酶活性。所以秸秆还田和有机肥的施入会大量增加土壤养分含量,进而会提升土壤酶活性,并且不同养分对不同酶的活性影响程度不一,所以根据影响程度可以通过增加不同养分的含量而提高不同酶的活性。此外,除过氧化氢酶外,其余3 种酶活性均呈先升高而后降低趋势,其中脲酶可以促进有机态氮向有效态氮转化,有利于植物的吸收与利用[29],棉花前中期的生长发育需要大量的营养元素,所以为分解提供更多的氮素,脲酶活性也会随之增强。处理NPM 中脲酶活性高于处理NPS,可能是因为棉花秸秆还田后不易被分解,其内养分释放不足,而导致脲酶活性不高;而处理NPSM 一方面会为土壤提供更多的氮素,另一方面有机肥的配施会加速棉花秸秆的分解,所以处理NPSM 的脲酶活性也是最高。同理,处理NPSM 碱性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶的酶活性也是在4 个处理中最高的。

综上,无论从提高棉田产量还是提高土壤养分含量和酶活性而言,秸秆还田和施用有机肥都是不错的解决方案,但是最优的方案是长期的秸秆还田配施有机肥。

4 结论

长期的秸秆还田和施有机肥均可显著提高连作棉田的棉花产量和土壤养分含量,其中秸秆还田配施有机肥对棉花产量和土壤养分含量增加效果最佳。同时,棉秆还田和有机肥的施入,土壤中脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和磷酸酶活性均显著提高,且处理NPSM 对4 种酶活性提升效果最大。除全氮与脲酶呈不显著的正相关外,全氮、全磷、速效钾、有效磷、碱解氮与蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶均呈极显著正相关。