化肥减量条件下秸秆还田配施腐植酸对白浆土酶活性及养分转化与吸收的影响

郭伟，邢力文，马传芳，孙海燕，3

(1. 黑龙江八一农垦大学农学院，黑龙江大庆 163319；2. 黑龙江省现代农业栽培技术与作物种质改良重点实验室，黑龙江大庆 163319；3. 农业农村部东北平原农业绿色低碳重点实验室，黑龙江大庆 163319)

白浆土作为我国东北黑土地主要土壤类型之一，主要分布于半湿润和湿润气候的黑龙江省三江平原和吉林省东部[1]，仅有约15 cm 黑土层，下层为15～30 cm 呈酸性、贫瘠的白浆层[2]。 秸秆还田作为改良利用白浆土的重要方式在黑龙江省三江平原被广泛应用[3]。 对白浆土进行32 年秸秆还田后发现耕层胡敏素含碳量呈减少趋势，土壤胡富比在还田24 年时达到峰值1.22，而20～40 cm 土层胡富比逐渐减小[4]。 虽然秸秆心土还田(20～40 cm)提高了土壤碱解氮、有效磷和有机质含量，但耕层(0～20 cm)磷素和钾素含量低于常规翻耕处理[3]。 为保障作物高产，尤其是连作条件下玉米稳产、丰产，近20 年来化肥施用量居高不下，2018年玉米生产的肥料用量为411.2 kg/hm2，而肥料利用效率仅为39.9%，肥料超量使用达50.8%[5]。在不减少粮食作物产能的基础上保障农业生产可持续发展，减少化肥施用量，提高其利用效率，培肥地力势在必行。 自20 世纪60 年代，全国掀起了使用腐植酸肥和利用腐植酸改良土壤的热潮，国内外大量研究确认了腐植酸在农业上具有“改良土壤、增效肥料、刺激生长、增强抗逆、改善品质”五大作用[6]。 研究表明，腐植酸中含有大量不饱和键，可防止土壤脲酶的巯基被氧化，同时螯合土壤中Cu2＋和Hg2＋[7]，在其施入初期抑制土壤脲酶活性，减少尿素水解和氨挥发，而植物生长后期稳定脲酶活性，为植物生长持续供肥；腐植酸含有较多的酸性功能基团和较大的阳离子交换量，能够络合氮、磷和钾素，固持与活化肥料中的养分，提高肥料有效性和利用率[8]。 土壤中氮、磷和钾的释放与腐植酸添加量呈线性相关[9]，腐植酸还可直接作用于植物而影响根系生长及其对养分的吸收[10]。 腐植酸通过调控“植物－土壤－肥料”系统促进植物生长和增产。 但将腐植酸作为秸秆还田的配套措施，对秸秆腐解速率的调控效应研究较少，腐植酸作为促腐剂对作物养分吸收的作用机制需进一步探索。 为此，本试验通过盆栽方式对比研究化肥减量条件下，秸秆还田、腐植酸及其配套施用对白浆土速效养分转化吸收、化肥利用效率的综合影响，以丰富白浆土区秸秆还田技术效应研究，为黑龙江省三江平原作物产能与地力保育同步提高技术开发应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验分别于2019 年和2020 年的5—10 月在自然条件下采用盆栽方式进行。 栽培盆规格为高25 cm、直径22 cm 的塑料圆桶。 盆栽土壤取自于黑龙江八一农垦大学农业科研基地(黑龙江省密山市，131.8754°E，46.5936°N)的白浆土，其理化性状:碱解氮含量160.7 mg/kg、有效磷44.4 mg/kg、速效钾110.7 mg/kg，pH 值5.65。

供试玉米品种为郑单958。 供试肥料为尿素(N 46%)、磷酸二铵(N 18%，P2O546%)、硫酸钾(K2O 50%)、腐植酸(黄腐酸65%，K2O 12.5%)。秸秆为上一季收获后自然风干的玉米秸秆。

1.2 试验设计及方法

试验采用随机区组设计，设置化肥常量对照(CF)、化肥减量15%＋腐植酸(FH)、化肥减量15%＋秸秆还田(FS)、化肥减量15%＋秸秆还田＋腐植酸(FSH)共4 个处理。 每处理4 盆，重复4次。 化肥常量按照尿素、磷酸二铵和硫酸钾分别为375、225、150 kg/hm2施用；化肥减量处理为化肥常量的85%，详见表1。 FS 和FSH 处理施肥同时埋入5～8 cm 长的整段秸秆4 段。 粉碎秸秆过20 目筛，秸秆用量参照生产中秸秆全量还田计。

表1 试验处理各物料用量(kg/hm2)

每盆先装入底土5 kg，后均匀撒施2 kg 试验处理混料(即化肥、粉碎秸秆、腐植酸与土壤充分混匀的混合物)，并将整段秸秆称重后埋入其中，覆盖2 kg 隔离土后播种。 每盆播5 粒玉米种子，之后覆2 kg 表土，出苗后间苗留3 株。 试验期间定量灌水。

1.3 样品采集

于玉米拔节期、抽雄期和成熟期分别取土样，在距植株约5 cm 处用直径5 cm 土钻分别取3 个点的10～15 cm 表层土壤，取出混匀后自然风干再粉碎研磨过筛，用于测定各时期土壤速效养分含量及酶活性。

成熟期每处理取4 株玉米地上部，放入105℃烘箱杀青30 min 后80℃烘至恒重，称重。植株样品粉碎后备用。

1.4 测定项目与方法

土壤酶活性参照关松荫[11]的方法测定，土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量参照鲍士旦[12]的方法测定；植株全氮含量采用凯氏定氮法测定，全磷含量采用钼锑抗比色法测定，全钾含量采用原子吸收分光光度法测定。

自播种前将整段玉米秸秆埋在土壤中计起，120 d 后将秸秆取出清洗、烘干后称重，计算秸秆腐解率。

1.5 数据处理与分析

用Microsoft Excel 2010 统计整理试验数据并作图，SPSS 25.0 软件进行统计分析，Duncan’s 新复极差法进行差异显著性检验。

肥料农学效率和秸秆腐解率按下式计算:

肥料农学效率(%)＝(处理植株干重－不施肥对照植株干重)/肥料纯养分量×100 ；

秸秆腐解率(%)＝(放置前秸秆干重－取出时秸秆干重)/放置前秸秆干重×100 。

2 结果与分析

2.1 化肥减量条件下秸秆还田配施腐植酸对土壤酶活性的影响

两年试验结果(图1)表明，化肥减量配施腐植酸处理(FH)的土壤脲酶活性与化肥常量对照(CF)间无显著差异；而化肥减量条件下秸秆还田处理(FS)的土壤脲酶活性显著高于对照(CF)，尤其是玉米抽雄期后；化肥减量条件下，秸秆还田配施腐植酸处理(FSH)的土壤脲酶活性最高(除2019 年拔节期外)，2019 年和2020 年拔节期脲酶活性较CF 分别增加9.0%和22.6%，抽雄期、成熟期分别显著增加78. 7%、 64. 3% 和119.0%、133.8%。可见，减少15%化肥用量条件下施入腐植酸，仍基本保持不低于化肥常量情况下的土壤氮素转化能力；化肥减量下施入秸秆及秸秆还田配施腐植酸均显著提高土壤脲酶活性。

图1 化肥减量条件下秸秆还田配施腐植酸对土壤脲酶活性的影响

土壤有机磷在磷酸酶作用下水解释放供植物生长所需。 秸秆还田(FS 和FSH 处理)增加了土壤有机磷的来源，其土壤酸性磷酸酶活性显著高于CF(对照)，其中FS 处理在2019 年玉米拔节、抽雄和成熟期的土壤酸性磷酸酶活性较CF 分别显著提高11.5%、56.2%和23.4%，2020 年则分别显著增加14.7%、36.0%和30.7%(图2)。 而化肥减量配施腐植酸对土壤酸性磷酸酶活性的影响两年试验中表现有所不同，除2019 年玉米拔节期外， FH 处理的土壤酸性磷酸酶活性均不低于CF(对照)，FSH 与FS 处理间无显著差异。 可见，秸秆还田是诱导土壤酸性磷酸酶活性增强的主因，腐植酸的作用尚不确定。

由图3 可知，2019 年玉米拔节期，FH 处理的土壤蔗糖酶活性与CF 无显著差异，而抽雄期和成熟期则显著高于CF，但2020 年各生育时期土壤蔗糖酶活性FH 处理与CF 间均无显著差异。秸秆还田(FS 和FSH)显著增加土壤蔗糖酶活性，2019 年FS 处理拔节期、抽雄期和成熟期土壤蔗糖酶活性较CF 分别显著增加26.1%、97.1%和54.6%，2020 年分别显著增加12.2%、9.9%和22.8%。两年测定结果得出，FS 处理的土壤蔗糖酶活性与FSH 处理间无显著差异。 可见，秸秆还田显著提高土壤蔗糖酶活性，促进土壤碳代谢，配施腐植酸后有增强土壤蔗糖酶活性的趋势。

土壤过氧化氢酶活性是土壤腐殖化程度的重要体现，与有机质含量积累密切相关。 由图4 可知，化肥减量条件下，施用腐植酸、秸秆还田及其配施均可显著提高土壤过氧化氢酶活性，其中以FH 处理最高，2019 年玉米拔节、抽雄和成熟期较CF 分别显著提高16.0%、23.7%和18.1%，2020 年则分别显著提高19.5%、20.2%和43.2%。 FSH 处理的土壤过氧化氢酶活性略低于FH 和FS 处理(除成熟期外)。 可见，秸秆还田和施用腐植酸均有加剧土壤腐殖化程度、激发过氧化氢酶活性的作用，其中腐植酸的作用略强。

图4 化肥减量条件下秸秆还田配施腐植酸对土壤过氧化氢酶活性的影响

2.2 化肥减量条件下秸秆还田配施腐植酸对土壤速效养分含量的影响

两年试验结果(图5A、5B)表明，玉米拔节期和抽雄期土壤碱解氮含量差异较小，而成熟期则明显降低。 化肥减量条件下，施用腐植酸、秸秆还田及其配施处理(FH、FS 和FSH)的土壤碱解氮含量与CF 间无明显差异。 可见，化肥减量15%条件下，秸秆还田、施用腐植酸均有补充或刺激土壤氮素转化的作用，保持与化肥常量对照相同的供氮能力。

图5 化肥减量条件下秸秆还田配施腐植酸对土壤碱解氮(A、B)、有效磷(C、D)、速效钾(E、F)含量(mg/kg)的影响

化肥常量施用条件下，玉米拔节期土壤有效磷含量略低于抽雄期，而略高于成熟期，但在玉米各生育期差异不明显(图5C、5D)。 化肥减量条件下，秸秆还田对土壤有效磷的影响不明显，而配施腐植酸则提高土壤有效磷含量；秸秆还田同时配施腐植酸处理则维持与CF 相同水平的土壤磷含量。 可见，腐植酸具有活化白浆土磷素的效应。

随着玉米生育进程土壤速效钾含量略有降低(图5E、5F)。 化肥减量条件下，施用腐植酸、秸秆还田及其配施均可明显提高速效钾含量，尤其是配施腐植酸的作用更显著，且秸秆还田与腐植酸存在显著互作效应。 可见，腐植酸和秸秆还田均可增加土壤速效钾含量，原因可能是腐植酸促进秸秆腐解，加速秸秆腐解后速效钾的释放。

相关性分析结果(表2)表明，土壤养分的转化受到秸秆还田的直接影响，土壤脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性与秸秆还田呈显著或极显著正相关，土壤过氧化氢酶活性与腐植酸呈显著正相关，而酸性磷酸酶活性与脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性呈显著或极显著负相关；土壤有效磷含量与腐植酸呈显著正相关，而速效钾含量与秸秆、腐植酸均呈极显著正相关。 可见，秸秆还田诱导土壤碳、氮代谢增强，提高了土壤速效钾的供应；腐植酸促进土壤熟化，活化土壤有效磷、速效钾；秸秆还田配施腐植酸更有利于白浆土有效磷的转化。

表2 化肥减量条件下秸秆还田配施腐植酸对土壤速效养分转化影响的相关分析

2.3 化肥减量条件下秸秆还田配施腐植酸对玉米植株养分吸收的影响

由图6 看出，化肥减量条件下，FS 处理成熟期玉米植株全氮、全磷含量与CF 间无明显差异，全钾含量差异明显； FH 处理的全氮、全钾含量明显高于CF，2019 年和2020 年分别增加59.0%、21.2%和32.2%、12.2%，全磷含量有增加趋势； 秸秆还田同时配施腐植酸处理(FSH)的全氮、全磷和全钾含量与FS 处理间差异不明显。 由此可见，腐植酸的施用提高了玉米植株氮、钾素的吸收和积累；化肥减量条件下秸秆还田配施腐植酸，玉米植株对速效养分的吸收能力高于化肥常量对照。

图6 化肥减量条件下秸秆还田配施腐植酸对植株养分含量的影响

2.4 化肥减量条件下秸秆还田配施腐植酸对秸秆腐解率、肥料利用效率及地上部干重的影响

由图7 看出，化肥减量条件下，2019 年秸秆还田处理(FS)秸秆腐解率为75.9%，2020 年为45.6%；秸秆还田配施腐植酸处理(FSH)秸秆腐解程度显著提高，2019、2020 年腐解率分别为83.3%、55.2%，较FS 分别提高7.4 个、9.6 个百分点。

图7 化肥减量条件下秸秆还田配施腐植酸对玉米秸秆腐解率的影响

由图8 可知，2019 年植株地上部干重明显高于2020 年。 2019 年FS 和FSH 处理的干重较CF分别显著提高28.6%和76.7%，而2020 年两者与CF 无显著差异，但两年试验中FH 处理干重均显著高于CF，分别提高81.2%和28.4%。 由于两年试验盆栽场地差异，2020 年光照条件较差，造成玉米植株地上部干重差异较大。 由此分析，化肥减量条件下秸秆还田配施腐植酸可获得不低于化肥常量处理的干物质积累能力，尤其是腐植酸作用效果显著。

图8 化肥减量条件下秸秆还田配施腐植酸对玉米成熟期植株地上部干重的影响

由表3 可知，2019 年化肥减量各处理的肥料农学效率较常量化肥对照(CF)提高幅度较大，而2020 年变幅相对较小，尤其是化肥减量条件下秸秆还田处理，与CF 对照持平。 通过两年的对比分析发现，腐植酸处理对肥料农学效率的正向效应较显著，其中2019 年FH 处理的氮肥、磷肥和钾肥的农学效率较CF 对照分别显著提高26.10、43.61、65.31 个百分点；虽然2020 年化肥减量各处理的肥料农学效率较CF 变化较小，但FH 处理的肥料农学效率仍较CF 平均增加96.27%，差异达显著水平。

表3 化肥减量条件下秸秆还田配施腐植酸对肥料农学效率的影响

3 讨论

3.1 化肥减量条件下秸秆还田配施腐植酸对土壤酶活性的影响

土壤酶表征土壤生物学活性，可用于评估土壤某些营养物质的转化及土壤综合肥力状况[13]。秸秆还田显著增强土壤酸性磷酸酶、水解酶、脲酶、脱氢酶活性，尤其是脲酶和水解酶活性[14]。土壤酶活性会受到秸秆腐解程度的影响，例如，随着还田的玉米秸秆不断分解，土壤过氧化氢酶活性呈现出先增加后降低再增加的趋势[15]。 本研究发现秸秆还田和腐植酸的施用显著影响土壤酶活性，尤其是玉米抽雄期后效果更明显。 秸秆还田不但影响与土壤速效养分转化关系密切的土壤脲酶和磷酸酶活性，也同步提高了土壤蔗糖酶和过氧化氢酶活性，而腐植酸的施用与土壤过氧化氢酶活性显著相关。 这主要在于秸秆还田增加了土壤有机物质数量，促进了土壤微生物的繁殖，进而增强土壤酶活性。 外源腐植酸的施入加快了土壤腐殖化进程，促进土壤碳代谢，同时，腐植酸通过非特异性机制抑制土壤中蛋白酶的活性，酶与腐植酸通过静电、疏水和其他类型的分子间相互作用形成聚合物，降低土壤氮代谢活性[16]。 因此，化肥减量条件下秸秆还田配施腐植酸有利于土壤微生态的碳－氮代谢平衡，保持了与化肥常量对照相似的土壤蔗糖酶与脲酶活性比，保障土壤速效养分的转化效率。 不同施肥方式的研究也表明，秸秆还田配施氮肥土壤蔗糖酶活性和脲酶活性最高[17]，土壤养分代谢达到更高水平的平衡。

3.2 化肥减量条件下秸秆还田配施腐植酸对土壤速效养分供应与吸收的影响

东北黑土区化肥减量条件下秸秆还田在短时间内可以保持土壤有机碳、全氮和全磷含量不降低，减弱土壤酸化程度，对土壤养分库容、元素供应及其转化都有一定的改良效应，稳定作物产量[18]。 因为秸秆腐解可以有效降低黑钙土容重，增加土壤颗粒平均当量直径和水稳系数，促使土壤胡敏酸结构氧化度和缩合度下降，以及脂族链烃和芳香碳含量增加[19]。 化肥减量20%同时秸秆还田，在玉米拔节期和收获期均可保持与常规化肥施用量相同的土壤速效氮、磷、钾供应，如能同时配施适量有机肥，还可以进一步增加土壤中有机碳和速效氮、磷、钾含量，实现玉米增产和增收[20]。 本研究中化肥减量15%条件下，秸秆还田与土壤脲酶活性呈显著正相关，脲酶活性与土壤碱解氮含量呈极显著正相关，可见秸秆氮素的转化、吸收是玉米植株氮素营养的重要来源，在无机氮肥减量的情况下与化肥常量对照的植株氮含量无明显差异。 Li 等[21]研究发现，无机氮肥的输入水平对土壤性质的影响是非线性的，在一定氮素供应的基础上秸秆还田较不还田处理显著提高土壤脲酶活性，促进土壤氮矿化，这主要是土壤真菌生物量增加的结果。 秸秆还田可以通过诱导微生物固氮，抑制铵态氮的释放，而铵态氮的固定/释放是低肥力土壤中矿质氮肥保持和供应的主要过程[22]，因此，化肥减量条件下秸秆还田对于提高氮肥的利用效率具有更重要的意义。 作为东北地区主要土壤类型之一的白浆土，其土壤性状与黑钙土存在较大差异[23]，其中有效磷含量低是限制作物产量提升的重要因子[24]。 不同秸秆还田方式对白浆土有效磷含量的影响不同，秸秆还田于白浆土的心土层对活化磷素效果较好[3]，秸秆全量粉碎覆盖还田后尽管增加土壤碱解氮含量，但对全氮及有效磷含量影响不大[25]。 本研究也发现虽然秸秆还田提高了土壤酸性磷酸酶活性，但土壤有效磷含量并未增加，玉米植株磷含量与化肥常量对照间无明显差异。 腐植酸虽然可以活化土壤磷素、提高供磷水平，但植株对磷的吸收并未明显增加。 秸秆还田后土壤速效钾积累量明显增加，尽管本研究两年试验结果表现差异较大，但土壤速效钾的积累及植株全钾含量均明显提升，钾肥农学效率也是3 种速效养分中最高的。 可见在白浆土上进行秸秆还田要注重磷素的活化与吸收，提升秸秆还田条件下当季作物磷素利用效率。本研究也表明，秸秆还田同时配施一定量的腐植酸对于白浆土有效磷的释放效果较好，腐植酸的施用不但有效增加土壤有效磷含量，且大幅提高土壤速效钾积累，尽管土壤碱解氮含量与对照无明显差异，但提高了植株全氮含量。 这可能与腐植酸抑制氨挥发和淋溶、减少氮素损失有关[26]。

3.3 化肥减量条件下秸秆还田配施腐植酸对秸秆腐解及玉米生长的影响

以往的研究多集中于外源腐植酸物质施用、秸秆还田对土壤有机质积累，以及腐植酸、秸秆腐解对土壤速效养分积累与吸收的影响机制[6]，鲜有涉及秸秆还田配施腐植酸类物质的互作效应，且缺少腐植酸对田间秸秆腐解的直接证据。 本研究在秸秆粉碎还田的同时设计了整段秸秆填埋试验，通过观察整段秸秆的质量损失研究腐植酸对玉米秸秆腐解的影响，结果发现腐植酸具有促进秸秆腐解的直接作用；同时，通过对比化肥减量配施腐植酸处理的土壤速效养分含量及化肥农学效率分析可知，腐植酸具有活化土壤养分的效应；另外，两年秸秆还田配施腐植酸处理的植株干重均显著高于秸秆还田处理，但略低于腐植酸处理，说明腐植酸具有促进玉米植株生长发育的作用。 腐植酸对植物根系生长的刺激作用可能是其促生效应的的最初动力[27]，通过刺激植物内生细胞激肽类、生长素的合成，以及蔗糖代谢、ATP 酶、细胞支架蛋白质相关基因的差异性表达等[28]，最终体现在根系长度、数量、吸收面积及根系活力方面的提高[29]。 综上认为，化肥减量条件下，秸秆还田配施腐植酸更有利于玉米植株的生长，获得不低于常量化肥的干物质量，其作用途径可能有两个:一方面腐植酸加速还田秸秆的腐解，增加土壤速效养分的积累，扩大植株生长的土壤养分库容；另一方面，腐植酸刺激作物根系生长，提高根系对土壤速效养分的吸收能力，以及植株地上部快速生长对根系养分吸收的“拉动”能力。 化肥减量15%条件下，白浆土上秸秆还田、腐植酸及其配施可促进连作条件下当季玉米生长，稳定产量，但长期效应还有待于试验观察，尤其是东北地区白浆土区域大豆种植面积恢复性增长情况下的大豆－玉米轮作体系逐步重构过程中，采用玉米秸秆全量直接还田配施腐植酸类物质，对于白浆土区作物综合产能与地力培育具有同步提升的作用效果。

4 结论

秸秆作为外源有机物质施入白浆土，显著增强玉米生育期土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶活性，尤其是抽雄期后土壤酶活性，促进土壤速效养分转化。 腐植酸显著提高土壤过氧化氢酶活性，加速还田秸秆的腐解和土壤的腐殖化，活化土壤磷素和钾素，提高肥料农学效率，促进玉米生长。在常量化肥减少15%基础上秸秆还田3 750.0 kg/hm2及其配施腐植酸625.0 kg/hm2，可保持与化肥常规用量相同的土壤速效氮、有效磷供应水平，增加土壤速效钾含量，维持玉米植株生长对速效养分的吸收与干物质积累。