秸秆还田配施化肥下麦田土壤理化性质和酶活性的变化

刘东海 毛庆华 邓辉 梅亮贤 罗杰 乔艳 张智 胡诚

收稿日期：2024-01-04

基金项目：农田智慧施肥项目

作者简介：刘东海（1984-），男，河北邯郸人，助理研究员，硕士，主要从事土壤肥力及智慧施肥研究，（电话）027-88430575（电子信箱）396520042@qq.com；通信作者，胡 诚（1972-），男，湖北安陆人，研究员，博士，主要从事新型肥料及废弃物资源化研究，（电子信箱）Huchenghxz@163.com。

刘东海，毛庆华，邓 辉，等. 秸秆还田配施化肥下麦田土壤理化性质和酶活性的变化［J］. 湖北农业科学，2024，63（5）：12-16．

摘要：为了探明长期秸秆还田下配施化肥对麦田土壤酶活性的影响及其主要驱动因子，以持续4年的广水长期定位试验为依托，设置秸秆（S，用量为6 000 kg/hm2，其他处理用量相同）、秸秆+施100%N（S100N，纯N用量为187.5 kg/hm2，其他施肥处理用量按此用量折算）、秸秆+施80%N（S80N）、秸秆+施60%N（S60N）、秸秆+施80%N+菌剂（S80Nm，秸秆腐熟菌剂用量为30 kg/hm2）、秸秆+施60%N+菌剂（S60Nm，菌剂用量同S80Nm）6个处理，测定了土壤酶活性、土壤理化性质及小麦产量。结果显示，与S相比，S100N和S80N小麦产量分别显著提高182.82%和179.55%（P<0.05）；秸秆腐熟菌剂的添加对土壤理化性质和小麦产量的效果不显著。与S100N相比，S80N增加了土壤磷酸酶（Phos）、硫酸酯酶（Sul）、 β-葡萄糖苷酶（βG）、β-木糖苷酶（βX）、α-葡萄糖苷酶（αG）、乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG ）和亮氨酸氨基肽酶（ LAP）的活性；冗余分析（RDA）显示秸秆还田条件下，土壤有机质和碱解氮的含量是土壤酶变化的主要影响因子。因此，从减肥增效角度来看，S80N是提升土壤质量较适宜的管理措施。

关键词：麦田；秸秆还田；化肥；土壤理化性质；土壤酶

中图分类号：S157.4         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）05-0012-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.05.003            开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Changes of soil physical and chemical properties and enzyme activity in wheat field under straw returning combined with chemical fertilizer

LIU Dong-hai1， MAO Qing-hua2， DENG Hui3， MEI Liang-xian4， LUO Jie4， QIAO Yan1， ZHANG Zhi1， HU Cheng1

（1.Institute of Plant Protection and Soil Fertilizer， Hubei Academy of Agricultural Sciences， Wuhan  430064， China； 2.Guangshui Farmland Project Construction Center and Soil Fertilizer Workstation， Guangshui  432700， Hubei， China； 3.Jingmen Agricultural Comprehensive Law Enforcement Detachment， Jingmen  448000， Hubei， China；4.Huangmailing Chemical Research Institute Co.， Ltd.， Wuhan  430061， China）

Abstract： In order to explore the effect of combined application of chemical fertilizer on soil enzyme activity and its main driving factors in the wheat field under long-term straw returning， a four-year long-term positioning experiment in Guangshui was carried out. Six treatments were set up，including straw （S， the amount of 6 000 kg/hm2， the same as other treatments）， straw+100%N （S100N， 187.5 kg/hm2 N， the amount of other fertilization treatments was converted according to this amount）， straw+80%N （S80N）， straw+60%N （S60N）， straw+80%N + microbial inoculant （S80Nm， the amount of the straw decomposition microbial agent was 30 kg/hm2）， straw+60%N+microbial inoculant （S60Nm， the dosage of the microbial agent was the same as S80Nm）. Soil enzyme activity， soil physical and chemical properties and wheat yield were measured. The results showed that compared with S treatment， S100N and S80N significantly increased wheat yield by 182.82% and 179.55%（P<0.05）， respectively. The addition of the straw decomposition microbial agent had no significant effect on soil physical and chemical properties and wheat yield. Compared with S100N treatment， S80N increased the activities of soil phosphatase （Phos）， sulfatase （Sul）， β-glucosidase （βG）， β-xylosidase （βX）， α-glucosidase （αG）， acetylglucosaminidase （NAG） and leucine aminopeptidase （LAP）. Redundancy analysis （RDA） showed that soil organic matter and alkali hydrolyzable nitrogen were the main influencing factors of soil enzyme changes under the condition of straw returning. Therefore， from the point of view of reducing amount and increasing efficiency of fertilizer， S80N was a more suitable management measure to improve soil quality.

Key words： wheat field； straw returning to field； chemical fertilizer； soil physical and chemical properties； soil enzyme

作物秸秆富含有机质及各种营养元素，是重要的有机资源［1，2］，长期作物秸秆还田影响土壤有机碳、有机氮、pH和有效磷等理化性质［3，4］，同时也影响土壤酶活性［5］。土壤酶活性是评价土壤质量和养分转化能力的重要指标［6］，可分为水解酶和氧化酶，前者负责获取C、N和P以支持初级新陈代谢，后者可降解木质素等顽固化合物［7，8］。土壤酶是由土壤微生物合成和分泌的，是有机质形成和分解的催化剂［9］，在秸秆分解过程中发挥着不可替代的作用［10］。Wei等［11］施用农作物秸秆提高了磷酸酶、脲酶和转化酶的活性水平。Zhao等［12］的秸秆还田试验表明，0～15 cm土层土壤脲酶、转化酶和过氧化氢酶活性分别比对照提高11.4%、41.0%和12.9%。相比于单施化肥处理，秸秆还田配合施用化肥处理显著提高了土壤β-葡萄糖苷酶、纤维二糖苷酶、β-木糖苷酶、α-葡萄糖苷酶的活性［13］。

土壤水解酶或氧化还原酶活性受到对应土壤养分状况的影响［14］，研究长期秸秆还田配施化肥下土壤胞外酶活性特征及与环境因子的关系对深入理解C、N、P等养分物质循环过程具有重要意义［15］。因此，本研究采用微孔板荧光法测定了与土壤C、N和P转化相关的9种酶活性和土壤理化性质，利用相关性分析和冗余分析（RDA）探索土壤酶活性和土壤理化性质的内在关系，以期解析秸秆还田下施肥对影响土壤酶特征的关键理化因子，为科学合理利用秸秆、培肥土壤、提高土壤质量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试验地

供试小麦品种为鄂麦23号。

田间试验于2016—2020年在湖北省广水市十里办事处红石塘村进行。广水市属北亚热带大陆性季风气候，冷暖适中，冬干夏雨，雨热同期，四季分明。年平均气温在 13～16 ℃，无霜期在201～240 d，降水量在 940～1 040 mm，日照时间为2 083 h。供试土壤类型为黄棕壤。

1.2 试验设计

试验设置6个处理，分别为秸秆（S）、秸秆+施100%N（S100N）、秸秆+施80%N（S80N）、秸秆+施60%N（S60N）、秸秆+施80%N+菌剂（S80Nm）、秸秆+施60%N+菌剂（S60Nm）。其中，施100%N处理的纯N用量为187.5 kg/hm2，其他施肥处理按此用量进行折算，氮肥基肥和追肥占比分别为80%和20%；磷肥（P2O5）用量为67.5 kg/hm2，钾肥（K2O）用量为90.0 kg/hm2，各处理秸秆用量均为6 000 kg/hm2；添加菌剂的处理，菌剂（秸秆腐熟菌剂）用量为30 kg/hm2。每个处理重复3次，每个小区40 m2。

1.3 研究方法

2020年小麦收获后，每个小区按“S”形取样法取6个点混合为1个土样，深度0～20 cm。土样装入无菌密封袋后置于保温箱带回实验室，一部分样品立即测定土壤酶活性，另一部分样品风干后测定理化性质。

采用96微孔酶标板荧光分析法测定土壤磷酸酶（Phos）、硫酸酯酶（Sul）、β-葡萄糖苷酶（βG）、β-纤维二糖苷酶（CBH）、纤维素酶（CL）、β-木糖苷酶（βX）、α-葡萄糖苷酶（αG）、乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）和亮氨酸氨基肽酶（LAP）的活性。取1.00 g新鲜土壤样品，加入100 mL的50 mmol/L醋酸钠缓冲溶液（pH为土壤样品pH的平均值，如样品间pH相差较大，需配制不同缓冲溶液），用磁力搅拌器使其均质化后移取200 μL悬浮液于酶标板中，以缓冲液为空白，4-甲基羟基香豆素（MUB）为标准物［LAP 采用7-氨基-4-甲基香豆素（AMC）为标准物］，不同酶加入对应的底物，25 ℃黑暗培养4 h后（酸性土壤需加入50 μL的1 mol/L NaOH溶液终止反应），在激发光365 nm、发射光 450 nm 条件下用Synergy H/M型酶标仪测定其荧光度，酶活性以每克每小时干物质产生底物的纳摩尔数表示。试剂购于Sigma-Aldrich公司。

土壤理化性质采用常规方法测定［16］。土壤pH采用复合电极测定，水土比为 2.5∶1；土壤有效磷（AP）含量采用碳酸氢钠溶液浸提-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾（AK）含量采用醋酸铵溶液浸提-原子吸收分光光度计测定；有机质（OM）含量采用重铬酸钾容量法测定；碱解氮（AN）含量采用碱解扩散法测定。

1.4 数据处理分析

试验数据采用Excel 2019软件处理数据，利用 IBM SPSS20软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA）和LSD多重比较。采用Pearson法对土壤理化指标与酶活性进行相关分析。采用 Canoco 5.0软件进行冗余分析（RDA）。图表数据均为平均值±标准偏差。

2 结果与分析

2.1 施肥对土壤理化性质和小麦产量的影响

由表1可知，与S相比，各施肥处理提高了有效磷和速效钾含量，降低了土壤pH；S100N和S80N小麦产量分别比S显著提高182.82%和179.55%（P<0.05）。与S100N相比，其他施肥处理土壤有机质、碱解氮、有效磷的含量均没有显著变化，但S60N和S60Nm土壤速效钾含量分别提高了10.10%和14.28%，且S80Nm显著提高了20.75%（P<0.05）。比较S80N和S80Nm及S60N和S60Nm发现，添加菌剂对理化性质的影响总体不显著。

2.2 施肥对土壤酶活性的影响

由表2可知，与S相比，S100N仅显著降低了LAP活性（P<0.05）；其他酶活性无显著差异。与S100N相比，S80N和S60N增加了Phos、Sul、βG、βX、αG、NAG和LAP的活性；S80Nm和S60Nm降低了Phos、Sul、βG、αG和NAG的活性。与S80N相比，S80Nm土壤Phos活性显著降低45.46%，βG活性显著降低24.77%（P<0.05）。与S60N比较，S60Nm土壤NAG活性显著降低37.72%（P<0.05），其他酶（除LAP）活性也呈下降趋势，但变化不显著。

2.3 施肥下土壤酶活性与理化性质的相关性

由表3可知，有机质含量与碱解氮含量呈极显著正相关（P<0.01），与有效磷含量和β-葡萄糖苷酶均呈显著正相关（P<0.05）。有效磷含量与pH呈极显著负相关（P<0.01），与速效钾含量、纤维素酶活性和有机质含量均呈显著正相关（P<0.05）。α-葡萄糖苷酶活性与硫酸酯酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶和β-木糖苷酶的活性均呈极显著正相关（P<0.01）。硫酸酯酶活性与β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶和α-葡萄糖苷酶的活性均呈极显著正相关（P<0.01）。磷酸酶活性与β-葡萄糖苷酶活性呈极显著正相关（P<0.01），与硫酸酯酶、β-木糖苷酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶的活性均呈显著正相关（P<0.05）。β-葡萄糖苷酶活性与β-纤维二糖苷酶呈显著正相关（P<0.05），与乙酰氨基葡萄糖苷酶和β-木糖苷酶的活性均呈极显著正相关（P<0.01）。

由RDA分析（图1）可以看出，长期不同施肥量对土壤酶分布产生差异，RDA前两个排序轴保留了土壤酶活性数据总方差的93.03%，pH与Phos、CBH、βG、NAG和βX均呈负相关，与αG、LAP和CL均无显著相关性；OM和AN与 Phos、CBH、βG、NAG和βX均呈正相关；AP与CL呈正相关，与LAP和αG均呈负相关；AK则与AP正好相反。

[0.8][-0.4][RDA（10.95%）][-0.8][0.4][RDA（82.08%）][OM][AP][CL][βG][AN][CBH][Phos][NAG][βX][Sul][AK][LAP][pH][αG]

空心箭头表示解释变量，实心箭头表示该土壤性状与

土壤酶活性显著相关

3 讨论

3.1 不同施肥对土壤速效养分含量的影响

农作物秸秆是作物生长所需碳、钾和微量元素的重要来源，在还田后有助于维持土壤养分平衡［17］。本研究显示，施肥降低了土壤pH；有研究指出，黄淮海潮土区施用化肥及秸秆还田下pH均降低了0.06个单位［18］，长期施用推荐施氮量或更高量的氮肥（尿素）是赤红壤旱地土壤酸化的主要原因，土壤pH下降的拐点出现在定位试验开始后的第3年或第4年［19］。本研究减氮20%的产量略有降低，但差异不显著，与聂胜委等［20］在小麦季减氮20%不减产的结论一致，但减氮40%，产量显著下降；添加秸秆腐熟菌剂，产量出现下降，差异不显著，这与现有的结论不一致［21，22］，可能是腐熟菌剂进入麦田受到土壤水分和温度的原因导致活性不强，影响产量，或者是因为腐熟菌剂对土著微生物产生影响，而还田秸秆的降解需由外源微生物和土著菌共同作用，腐秆菌在第一年侵入对土著微生物造成的影响可能直接导致其第二年无法与土著菌“合作”促腐［23］，影响作物产量。

有效磷含量与pH呈极显著负相关，可能是因为在酸性或中性的土壤中，pH的升高降低了活性铁、铝含量，进而使铁、铝的吸附固定和沉积作用降低，磷的有效性与铁离子、铝离子参与的化学过程关系密切［24，25］，导致磷的有效性与pH呈负相关。有机质含量与碱解氮含量呈极显著正相关，与湘南稻作烟区不同土层土壤有机质含量与氮、磷、钾关系研究的结论一致［26］。

3.2 不同施肥对土壤酶活性的影响

微生物分泌的各种酶在土壤的碳氮循环过程中发挥着重要的作用［27］。本研究中，与秸秆+施100%N（S100N）相比，减施20%和40%的氮处理增加了土壤磷酸酶、硫酸酯酶、β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、α-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶的活性，可能是因为秸秆还田导致有机碳的积累［28］，减施氮肥间接造成土壤氮元素的相对亏缺，当矿质氮浓度较低时，参与氮循环的乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶的活性被激发，从而去获取更多有机氮［29，30］。然而本研究中同样施氮量下，添加秸秆腐熟菌剂降低了土壤磷酸酶、硫酸酯酶、β-葡萄糖苷酶、α-葡萄糖苷酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶的活性，这与已有的施用秸秆腐熟菌剂提高了酶活性的结论不一致［31］，可能是大量腐解菌的加入扰乱了土著微生物的群落结构，导致一些酶的活性降低，所以秸秆腐解菌的加入还需要深入研究。

磷酸酶可以加强酯和磷酸酐的水解，释放出植物可直接使用的磷酸盐［32-34］，提高土壤有效磷含量。本研究磷酸酶活性与β-葡萄糖苷酶活性呈极显著正相关，与硫酸酯酶、β-木糖苷酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶的活性呈显著正相关，与有效磷含量不存在显著相关性。土壤微生物和植物根系分泌的硫酸酯酶水解硫酯键生成硫酸盐［35］，在土壤硫循环和植物生长中都起着重要作用。硫酸酯酶活性与β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、α-葡萄糖苷酶的活性均呈极显著正相关，说明土壤中硫元素生物循环与土壤碳、氮代谢有一定的相关性。

3.3 土壤酶活性的分布特征及其驱动因子

本研究通过对C、N、P和S循环相关的酶进行冗余分析，得出长期秸秆还田下不同施肥导致土壤酶分布出现差异。土壤有机质和碱解氮是土壤酶变化的主要影响因子，而夏文建等［36］认为土壤全氮和微生物生物量碳是红壤稻田酶活性的关键影响因子，说明不同土壤类型对酶活性存在不同影响。

4 小结

秸秆还田配施化肥提高了土壤养分含量和小麦产量；S100N和S80N小麦产量分别比S显著提高182.82%和179.55%。秸秆腐熟菌剂的添加对土壤理化性质和小麦产量的效果不显著，冗余分析（RDA）显示秸秆还田条件下，土壤有机质和碱解氮是土壤酶变化的主要影响因子，因此从减肥增效角度分析，秸秆+施80%N是提升土壤质量较适宜的管理措施。

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