秸秆深埋条件下不同施氮水平对农田黑土磷酸酶活性的影响

吕雪梅，许思思，王耀，陈一民，隋跃宇，焦晓光

（1黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080；2中国科学院东北地理与农业生态研究所，哈尔滨 150081；3中国科学院大学，北京 100049）

0 引言

中国是农业大国，秸秆资源十分充沛，据统计，每年的秸秆产量能够达到7亿t以上[1]。在2020年，中国的秸秆综合利用率超过了85%[2]，这就导致了露天禁烧防控十分困难。所以推进秸秆还田，可以显著减少随意堆弃和露天焚烧所带来的温室气体(GHG)排放，有利于治理农业农村污染和提升耕地质量，是促进农业农村减排固碳、实现农业绿色低碳发展的重要举措[3]。土壤酶能参与土壤中许多重要的生物化学过程，在植物生长所需养分的供给和土壤养分的循环方面扮演着重要的角色[4]。土壤磷酸酶不仅能催化土壤有机磷土壤有机磷化合物矿化，表征土壤磷素有效化强度[5-7]，在土壤磷素循环中起重要作用，而且秸秆还田能够影响土壤有效磷水平从而影响作物产量[8-9]，因此探究土壤磷酸酶的活性对于秸秆合理施用有重要意义。康慧玲等[10]发现与秸秆不还田相比，秸秆还田处理均显著提高了土壤蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶的活性。相比于单一的秸秆还田或施用化肥处理，宫秀杰等[11]研究发现秸秆还田配施氮肥可以增加土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶的活性。秸秆还田配施不同比例的化肥也会对土壤酶的活性有影响，徐欣等[12]研究表明在秸秆腐解条件下土壤脲酶活性与土壤氮素随施氮水平的增加而增加，呈极显著正相关。但也有研究发现，在秸秆还田时，不同比例矿质氮肥的配施并未使各个处理间的酶活性差异显著[13]。近年来关于秸秆还田的研究主要集中在秸秆还田方式、土壤微生物、土壤养分、产量等方面，针对秸秆深埋与不施秸秆，同时研究作物不同施氮水平土壤磷酸酶活性的变化，还鲜有报导。本研究探究在秸秆深埋条件下，4种施氮水平对土壤磷酸酶活性变化的影响，测定土壤中磷酸酶的活性以及土壤全磷、有效磷的含量，旨在为秸秆的合理施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验田位于黑龙江省哈尔滨市呼兰区试验基地(126°34.8′ E，45°54′ N)，海拔116 m，气候类型为北温带大陆性季风气候，日均≥10℃的活动积温2700℃左右，年平均气温3.3℃，无霜期145 d 左右，年平均降水量为500.4 mm，最大降水集中在6、7、8月，占全年降水量的66%，试验地土壤类型为农田黑土，试验前测得耕层土壤基础农化性状表1。

表1 土壤基础农化性状

1.2 试验方法

1.2.1 试验区设计本试验于2015年开始，试验地采用裂区设计，每个副区面积为24 m2。设置主区为秸秆深埋和无秸秆处理，下设4个施氮水平为副区，3次重复，随机排列。试验地种植作物为玉米，品种为‘禾丰6号’，种植密度为75000 株/hm2。秸秆深埋处理：将收获的上茬玉米秸秆粉碎（约2 cm），埋于距地表30 cm左右土层中，还田量为7500 kg/hm2。施用化肥：氮肥为尿素(N 46%)，纯N施入量分别为0、135、180、225 kg/hm2；磷肥为过磷酸钙(P2O512%)，P2O5施入量90 kg/hm2；钾肥为硫酸钾(K2O 50%)，K2O 施入量75 kg/hm2。取1/3 氮肥作为基肥施入，剩余2/3 在玉米大喇叭口期追施，磷肥、钾肥全部作为基肥一次性施入。作物生育期内人工进行田间管理。

1.2.2 样品的采集与测定土壤样品在2019 年玉米苗期（5月23日）、拔节期（6月12日）、抽雄期（7月20日）和收获期（10 月8 日）时分别采集。采用五点取样法，用土钻均匀采集0～20 cm 土壤样品，将土壤样品充分混合后，分成2部分装于自封袋中带回实验室，一部分置于4℃保存，用于测定土壤磷酸酶的活性；另一部分自然风干后，粉碎过1 mm 筛，用于土壤全磷、有效磷含量的测定。土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，酶活性以24 h 后1 g 土壤中释放出的酚的质量(mg)表示[14]。土壤全磷、有效磷均采用土壤常规分析方法[15]。

1.3 数据分析

原始数据采用Excel 2019 整理完成，使用SPSS 25.0软件进行统计分析和差异显著性(α=0.05)检验，采用Excel 2019软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 秸秆深埋条件下不同施氮水平对土壤磷酸酶活性的影响

不同施氮水平下秸秆深埋对土壤磷酸酶活性变化的影响如图1所示。在2种秸秆处理下，土壤磷酸酶活性的变化规律均随玉米生育期的延长呈先增加，后降低的变化趋势，在拔节期达到了峰值，为344.66 mg/(g·24 h)，抽雄期逐渐下降，收获期时降至最低，为127.39 mg/(g·24 h)。磷酸酶活性的增幅最大时期在拔节期，增幅最高可达到13.45%；苗期次之，增幅为3.28%～12.35%；而成熟收获期最低，增幅为2.53%～10.61%。

图1 秸秆深埋条件下不同施氮水平的土壤磷酸酶活性动态变化

从图1 中可以看出相对于无秸秆处理，秸秆深埋处理可以显著提高土壤磷酸酶的活性(P＜0.05)，增幅范围在2.53%～13.45%之间。各处理的土壤磷酸酶活性变化趋势一致，随施氮量的增加呈现先增加后减小的变化趋势，施氮处理的土壤磷酸酶活性均高于不施氮处理，在施氮量为180 kg/hm2时磷酸酶活性达到最高，增幅为5.18%～13.45%，增加的范围为11.63～40.87 mg/(g·24 h)；施氮量为0 kg/hm2时，磷酸酶活性增加的最小，增加的范围为3.22～21.08 mg/(g·24 h)。

2.2 秸秆深埋条件下不同施氮水平对土壤全磷、有效磷的影响

秸秆深埋对不同施氮水平土壤全磷含量的影响见图2。无秸秆处理的土壤全磷含量随着施氮水平的增加而减小；而在秸秆深埋处理下，土壤全磷含量则随施氮水平的增加出现先下降，后再上升的变化趋势，在施氮量为0 kg/hm2时最高，为0.856 g/kg。与无秸秆处理相比，秸秆深埋处理的土壤磷素含量均有所提高，增幅为5.90%～9.14%，增加的范围为41.93～68.42 mg/kg。

图2 秸秆深埋条件下不同施氮水平对土壤全磷含量的影响

如图3所示，在玉米生育期内，有无秸秆处理的土壤有效磷含量均随生育期的延长呈先增加再减小的变化趋势，在拔节期时达到最高，为102.17 mg/kg，收获期时降到最低，为44.17 mg/kg。在同一时期，秸秆深埋处理下的有效磷含量均高于无秸秆处理，但变化未达到显著差异水平(P＞0.05)。同一秸秆处理的有效磷随施氮水平的增加呈先增加再降低的趋势，施氮量为0、225 kg/hm2的有效磷含量相较于135、180 kg/hm2低。秸秆深埋处理下施氮量为180 kg/hm2时，有效磷的含量最高，范围在66.79～102.17 mg/kg 之间；秸秆深埋处理下施氮量为0 kg/hm2时，有效磷的含量最低，范围在51.58～94.00 mg/kg之间。

图3 秸秆深埋条件下不同施氮水平的土壤有效磷动态变化

2.3 相关分析

土壤磷酸酶活性和全磷、有效磷的相关性分析见表2。由表2 可知，无论有无秸秆施用，土壤磷酸酶活性与土壤有效磷呈极显著正相关(P＜0.01)，与土壤全磷含量未达到差异显著水平(P＞0.05)。

表2 土壤磷酸酶活性和土壤全磷、有效磷的相关分析

秸秆深埋和施氮水平对土壤磷酸酶活性、全磷和有效磷含量的双因素分析见表2。秸秆深埋对有效磷含量呈极显著正相关(P＜0.01)，对土壤磷酸酶活性、全磷有影响但不显著(P＞0.05)；施氮水平对土壤磷酸酶具有极显著影响(P＜0.01)，对全磷、有效磷含量有影响但不显著(P＞0.05)；秸秆深埋与施氮水平交互项对土壤磷酸酶、全磷和有效磷含量的影响均不显著(P＞0.05)。

因此，在本研究中，无论有无秸秆深埋，土壤磷酸酶活性均能反应土壤有效磷含量的变化，但对全磷无显著影响。秸秆深埋与施氮水平对土壤磷酸酶活性、全磷和有效磷含量均有所影响，但二者的交互项对土壤磷酸酶活性和全磷、有效磷含量影响均不显著。

3 结论

（1）土壤磷酸酶活性在玉米生育期间均呈现先增后降的变化趋势，在拔节期时达到最高。秸秆深埋可显著提高土壤磷酸酶的活性(P＜0.05)，且土壤磷酸酶的活性随施氮量的增加呈现先增加后减小的变化趋势，在施氮量为180 kg/hm2时达到最高，为344.66 mg/(g·24 h)，增幅最高可达13.45%。

（2）秸秆深埋可以提高土壤全磷、有效磷含量。土壤有效磷含量随玉米生育期的延长呈先增加再减小的变化趋势，且同一秸秆处理的有效磷随施氮水平的增加呈先增加再降低的趋势，在秸秆深埋处理下施氮量为180 kg/hm2时，有效磷的含量最高，为102.17 mg/kg。

（3）通过相关性分析得出，土壤磷酸酶活性与土壤有效磷含量呈极显著正相关关系(P＜0.01)，与土壤全磷含量未达到差异显著水平(P＞0.05)。秸秆深埋和施氮水平对土壤磷酸酶活性、全磷和有效磷含量均有所影响，但二者的交互项对土壤磷酸酶活性、全磷和有效磷含量影响不显著。

4 讨论

土壤磷酸酶是决定土壤中磷转化的关键酶，其活性的高低对土壤中有机磷的分解转化及生物有效性有着直接影响[5,16]。本研究发现，秸秆深埋对不同施氮水平的土壤磷酸酶活性均有所提高，这与刘玮斌等[17]、侯贤清等[18]研究发现秸秆还田能显著增加土壤磷酸酶活性的结果相一致。分析原因可能是：（1）秸秆中的营养物质含量较多，可增加酶的反应底物；（2）秸秆深埋可以减少土壤水分的蒸发，从而提高秸秆的腐解速度，进而增加土壤微生物及根系的数量，使土壤中产生更多的酶[17]。本研究中无论有无秸秆深埋处理，土壤磷酸酶活性均随着施氮水平的上升而呈现先增后降的趋势，梁路等[19]也得出相同结果，说明施用适宜的氮肥能显著提升土壤酶活性和氮肥利用效率，但如果氮肥用量超过最大临界范围则会导致酶活性降低。而陈虹等[20]却有不同发现，他们得出随着施氮量的增加土壤酸性磷酸酶活性呈降低趋势，说明氮肥的施用抑制磷酸酶的活性。这是因为供试土壤的磷含量不同，土壤类型、培肥措施、田间管理不同，所以土壤磷酸酶对氮肥的响应也不一样。

土壤磷素作为农业生产中重要的养分限制因子，是作物生长发育所必需的养分元素，直接决定了农田的生产力[21]。土壤磷素中的全磷可反映土壤磷库的大小，有效磷则反映可供当季作物吸收利用的磷素水平，是评价土壤供磷能力的重要指标[22-23]。本研究发现，在秸秆深埋条件下土壤全磷含量随着施肥水平的增加呈先减少后增加的变化趋势，而土壤有效磷含量则随施氮量的增加呈先增加后减小的变化趋势，与周纪东等[24]研究结果较为相似，其原因在于：（1）秸秆腐解后，增加土壤有机质，降低速效养分的淋溶，提高土壤吸附氮磷钾元素的能力，弥补秸秆腐解时土壤微生物对养分的固持[25]；（2）氮肥添加能促使生物体分泌的胞外磷酸酶更多，进而使土壤产生的磷酸盐更多，这就增加了土壤有效磷的含量[26]，加速土壤磷循环。所以随着施氮水平的增加，全磷含量降低而有效磷含量增多。李红宇等[27]发现秸秆还田可以显著提高土壤全磷、有效磷和速效钾含量，与本实验研究结果相同，这是由于秸秆中含有磷，且秸秆还田的投入带入大量有机物料促进土壤有机质的积累，有机质能促进活性形态磷的积累，降低非活性磷素占总磷的比重[28]。目前也有报道发现，秸秆还田也会使土壤中全磷、速效磷含量有所降低，这是因为秸秆中60%的磷以离子态存在，其余部分参与细胞壁的构成，尽管磷素释放较快，但是由于秸秆中含磷较低，故磷释放量少[29]。

郑琴等[30]研究发现，土壤磷酸酶活性与土壤有效磷含量呈显著负相关性，而本研究则发现，土壤磷酸酶活性与土壤有效磷含量呈极显著正相关关系(P＜0.01)，与李艳等[31]研究结果一致。其原因可能是植株根际及微生物是在土壤缺磷状态下通过反馈调节使得磷酸酶活性升高，土壤有效磷含量也随之增加，但之后有效磷的需求量减小而土壤中有效磷含量高，负反馈调节使得酶活性下降。本实验中在施氮量为180 kg/hm2时，磷酸酶活性最大，此时有效磷含量也达到最高值，而在施氮量225 kg/hm2时，磷酸酶活性有所下降，有效磷含量也随之下降，主要是由于施氮量过高，土壤中C/N偏离适宜范围，进而影响土壤微生物活性而降低土壤磷酸酶活性，以致有效磷含量下降[25]。有研究表明，秸秆还田配施一定量的氮肥，能够有效提高耕层土壤酶的活性以及速效养分的含量[25,32]。