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        秸稈還田對(duì)稻麥輪作農(nóng)田活性有機(jī)碳組分含量、酶活性及產(chǎn)量的短期效應(yīng)

        2015-06-15 19:18:24胡乃娟韓新忠楊敏芳張政文卞新民朱利群
        關(guān)鍵詞:田量稻麥碳庫(kù)

        胡乃娟, 韓新忠, 楊敏芳, 張政文, 卞新民, 朱利群*

        (1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 江蘇南京 210095; 2 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 江蘇南京 210095)

        秸稈還田對(duì)稻麥輪作農(nóng)田活性有機(jī)碳組分含量、酶活性及產(chǎn)量的短期效應(yīng)

        胡乃娟1, 韓新忠2, 楊敏芳2, 張政文1, 卞新民1, 朱利群1*

        (1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 江蘇南京 210095; 2 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 江蘇南京 210095)

        【目的】秸稈還田作為一種有效的秸稈處理方式不僅能夠提高土壤肥力,增加作物產(chǎn)量,還可以緩解農(nóng)田生態(tài)壓力。研究稻麥輪作系統(tǒng)下不同秸稈還田量對(duì)土壤活性有機(jī)碳庫(kù)、酶活性和作物產(chǎn)量的短期影響,可為提出適宜當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的秸稈還田量提供理論依據(jù)?!痉椒ā坷玫钧溳喿鬓r(nóng)田定位試驗(yàn)進(jìn)行了研究。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)7個(gè)處理,以稻麥季秸稈均不還田為對(duì)照處理(CK),6個(gè)不同秸稈還田量處理。測(cè)定了秸稈還田后土壤活性有機(jī)碳庫(kù)和土壤酶活性的變化,稻麥產(chǎn)量以及三者之間的相關(guān)關(guān)系?!窘Y(jié)果】 1)與秸稈不還田處理相比,試驗(yàn)范圍內(nèi)的秸稈還田量能在一定程度上提高土壤活性碳組分的含量和土壤酶活性,并能增加水稻和小麥的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素;2)土壤總有機(jī)碳和微生物生物量碳的含量隨著秸稈還田量增加,增幅呈先增大后減小的趨勢(shì),以連續(xù)兩季50%秸稈還田量處理下顯著較高,而水溶性有機(jī)碳、活性有機(jī)碳含量和碳庫(kù)管理指數(shù)在連續(xù)兩季25%秸稈還田量處理下最高;3)相比秸稈不還田處理,連續(xù)兩季25%秸稈還田量對(duì)土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性的影響均最顯著;4)水稻和小麥的產(chǎn)量均為在連續(xù)兩季25%和50%秸稈還田量處理下增產(chǎn)較顯著,與秸稈不還田相比,水稻增產(chǎn)達(dá)9.0%,小麥增產(chǎn)達(dá)11.45%;5)土壤碳庫(kù)、土壤酶活性以及水稻和小麥產(chǎn)量之間均存在顯著相關(guān)?!窘Y(jié)論】在本試驗(yàn)條件下,連續(xù)兩季25%和50%秸稈還田量表現(xiàn)出顯著提高土壤碳匯能力和增加作物產(chǎn)量的優(yōu)勢(shì)。

        秸稈還田; 稻麥輪作; 土壤活性碳組分; 土壤酶活性; 產(chǎn)量

        土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分,它不僅直接或間接地決定著土壤的水、肥、氣、熱條件,還決定著土壤生物化學(xué)過(guò)程[1]。而土壤活性有機(jī)碳組分(水溶性有機(jī)碳、微生物生物量碳和易氧化有機(jī)碳)在土壤中轉(zhuǎn)化較快,不僅能被微生物利用作為能源,也是植物的養(yǎng)分庫(kù),可以提供植物所需要的養(yǎng)分[2]。土壤酶活性能反映土壤中各種生物化學(xué)過(guò)程的強(qiáng)度和方向,在土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)和能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程中起著重要作用[3]。土壤活性有機(jī)碳和土壤酶活性這兩個(gè)表征土壤質(zhì)量和土壤肥力的重要指標(biāo),可用來(lái)了解或預(yù)測(cè)某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化情況以及土壤肥力的演變趨勢(shì)[4]。秸稈還田作為一種秸稈利用的有效途徑,不僅可以減少溫室氣體排放[5-6],而且在改善土壤肥力[7]、增加作物產(chǎn)量[8]方面有顯著影響。

        近年來(lái)秸稈還田方面的研究報(bào)道較多,但大多數(shù)都是關(guān)于保護(hù)性耕作對(duì)土壤養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)含量及溫室氣體排放的影響[9-11],并且主要集中在北方旱地[12-13]。南方地區(qū)雖然也有研究[14-16],但對(duì)稻麥輪作條件下不同秸稈還田量對(duì)土壤活性碳庫(kù)、酶活性及產(chǎn)量的系統(tǒng)性研究鮮少報(bào)道。為此,本文通過(guò)開(kāi)展大田定位試驗(yàn),設(shè)置不同的秸稈還田量,研究長(zhǎng)江中下游稻麥輪作地區(qū)秸稈還田對(duì)土壤活性碳庫(kù)、酶活性、作物產(chǎn)量的影響以及三者的相關(guān)性,以探索適宜當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的秸稈還田量,為完善該地區(qū)秸稈還田技術(shù)、提高土壤生產(chǎn)力以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)地概況

        試驗(yàn)于2011年6月至2012年6月在江蘇省揚(yáng)州市槐泗鎮(zhèn)肖胡村定位試驗(yàn)田進(jìn)行。該區(qū)處于江淮平原南端,屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候向溫帶季風(fēng)氣候的過(guò)渡區(qū),年平均氣溫為14.8℃,日照2140 h,降水量1020 mm,無(wú)霜期220 d,主要種植模式為稻麥輪作。試驗(yàn)地為砂壤土,耕層(0—20 cm)土壤基本理化性狀為: 有機(jī)質(zhì)27.7 g/kg、全氮1.49 g/kg、pH(H2O)6.65、容重1.41 g/cm。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與田間管理

        表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        1.3 樣品采集與測(cè)定

        1.3.1 樣品采集 于小麥?zhǔn)斋@前(2012年6月10日),在各小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇2個(gè)1 m2樣方,分別測(cè)定有效穗數(shù)、每穗粒數(shù)、千粒重,按小區(qū)單收計(jì)實(shí)際產(chǎn)量;同時(shí)按照五點(diǎn)取樣法在各試驗(yàn)小區(qū)取土壤樣品,取樣深度為20 cm。

        1.3.2 測(cè)定方法 土壤總有機(jī)碳(TOC)和水溶性有機(jī)碳(DOC)均采用重鉻酸鉀外加熱法[17];土壤微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸浸提法[18];脲酶采用靛酚比色法[19];過(guò)氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法[20];蔗糖酶采用二硝基水楊酸比色法[19]; 土壤活性有機(jī)碳(LOC)采用333 mmol/L KMnO4氧化法。

        碳庫(kù)指數(shù)(CPI)=農(nóng)田土壤有機(jī)碳(2012年6月10日)/參考農(nóng)田土壤有機(jī)碳;

        碳庫(kù)活度(A)=活性碳/穩(wěn)態(tài)碳;

        碳庫(kù)活度指數(shù)(AI)=農(nóng)田碳庫(kù)活度(2012年6月10日)/參考土壤碳庫(kù)活度;

        碳庫(kù)管理指數(shù)(CPMI)=碳庫(kù)指數(shù)(CPI)×碳庫(kù)活度指數(shù)(AI)×100[21]。

        1.4 數(shù)據(jù)分析

        采用SPSS 16.0進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同量秸稈還田對(duì)土壤活性有機(jī)碳庫(kù)的影響

        從表2可以看出,與秸稈不還田相比,秸稈還田能不同程度的增加土壤TOC、MBC、DOC、LOC含量及CPMI,其中SR1和SR2處理顯著增加了土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳庫(kù)的含量以及碳庫(kù)管理指數(shù)。并且,隨著秸稈還田量的增加,土壤TOC和MBC含量增幅均呈先增大后減小的趨勢(shì),表現(xiàn)為SR2處理下最高,而DOC、LOC和CMPI在SR1處理下最高。由表2還可以看出,相對(duì)CK,SR4和SR5處理對(duì)TOC、MBC、LOC的含量及CPMI影響不顯著,而SR6處理僅對(duì)LOC和CPMI有顯著影響。

        表2 不同秸稈還田量下土壤活性有機(jī)碳含量

        注(Note): TOC—Total soil organic C; MBC—Soil microbial mass C; DOC—Dissolvable organic C; LOC—Labile organic C; CPMI—C pool management index; 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間在0.05水平差異顯著 Values followed by different letters in a column are significantly different among the treatments at the 0.05 level.

        2.2 不同量秸稈還田對(duì)土壤酶活性的影響

        由表3可知,秸稈還田處理相對(duì)于秸稈不還田處理不同程度地增加了土壤酶活性。相對(duì)于CK,SR1處理顯著提高了土壤脲酶活性,其他處理對(duì)脲酶活性沒(méi)有顯著影響;SR1和SR2處理顯著提高了土壤過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶的活性,而其他處理對(duì)過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶的活性影響不顯著,且SR4處理最低。

        2.3 不同量秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

        不同量秸稈還田對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素影響不同。同對(duì)照相比,除SR3處理外,秸稈還田后水稻有效穗數(shù)顯著增加,穗粒數(shù)、千粒重變化不顯著。產(chǎn)量方面,同CK相比,SR1和SR2處理下理論產(chǎn)量和實(shí)際產(chǎn)量均為顯著最高,實(shí)際產(chǎn)量分別比CK增加8.6%和9.0%(表4)。

        表3 不同秸稈還田量下土壤酶活性的影響

        注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著 Values followed by different letters in a column are significantly different among the treatments at the 0.05 level.

        相較CK,不同量秸稈還田對(duì)小麥穗粒數(shù)沒(méi)有顯著差異,SR1和SR2處理小麥穗數(shù)分別顯著增加了9.38%和8.54%,顯著提高了小麥千粒重,其他處理無(wú)顯著影響;產(chǎn)量方面,不同量秸稈還田處理下小麥理論和實(shí)際產(chǎn)量均高于CK,以SR1和SR2處理實(shí)際增產(chǎn)效果最顯著,達(dá)到11.45%和11.23%(表5)。

        2.4 土壤酶活性、活性有機(jī)碳組分及作物產(chǎn)量之間的相關(guān)性分析

        從表6可以看出,CPMI與TOC、DOC以及LOC之間均呈顯著相關(guān),且與DOC和LOC的相關(guān)性均高于它與總有機(jī)碳的相關(guān)性。這說(shuō)明活性碳組分(包括DOC和LOC)既與總有機(jī)碳緊密相關(guān)又區(qū)別于總有機(jī)碳,是土壤總有機(jī)碳的一部分。土壤酶活性之間的相關(guān)分析表明,脲酶與過(guò)氧化氫酶之間的相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平。除DOC外,水稻產(chǎn)量與酶活性和碳庫(kù)均呈顯著相關(guān),而除蔗糖酶外,小麥產(chǎn)量與酶活性和土壤碳庫(kù)之間也均呈顯著相關(guān)。

        表4 不同量秸稈還田處理下水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成

        注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著 Values followed by different letters in a column are significantly different among treatments at the 0.05 level.

        3 討論

        本研究表明,短期條件下,與秸稈不還田相比,秸稈還田處理不僅能增加土壤總有機(jī)碳含量,而且能顯著增加土壤活性有機(jī)碳組分(微生物生物量碳、活性有機(jī)碳和水溶性有機(jī)碳)含量以及碳庫(kù)管理指數(shù),該結(jié)果與楊敏芳等[22]、Li等[23]的研究結(jié)果類(lèi)似。原因是秸稈還田后為微生物提供了碳源等能源物質(zhì),刺激了土壤微生物的生長(zhǎng)、繁殖[24]。本研究發(fā)現(xiàn),與高量秸稈還田相比,中、低量秸稈還田對(duì)提高土壤總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳組分以及碳庫(kù)管理指數(shù)方面有顯著優(yōu)勢(shì),主要因?yàn)榻斩掃€田量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致土壤C/N失衡,土壤中沒(méi)有足夠的氮素供微生物繁殖生長(zhǎng),降低了土壤微生物的數(shù)量和活性,從而導(dǎo)致秸稈腐解率降低。這與蔡太義等[25]、路文濤等[4]的研究結(jié)果類(lèi)似。但土壤有機(jī)碳和活性有機(jī)碳組分的含量是否會(huì)隨著秸稈還田量的增加而增加,由于受到各地土壤質(zhì)地、氣候、研究年限以及采樣時(shí)間等因素影響,各種研究報(bào)道結(jié)果不一。鐘杭等[26]研究發(fā)現(xiàn),稻麥秸稈連續(xù)還田2年后,全量還田與半量還田的有機(jī)碳含量較對(duì)照分別提高7.09%和5.87%,而張振江[27]在黑龍江地區(qū)定位試驗(yàn)結(jié)果表明,長(zhǎng)期麥稈直接還田后土壤有機(jī)碳并未增加。

        表5 不同量秸稈還田處理下小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成

        注(Note): 同列數(shù)據(jù)后不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著 Values followed by different letters in a column are significantly different among the treatments at the 0.05 level.

        表6 土壤酶活性、活性有機(jī)碳組分與作物產(chǎn)量之間的相關(guān)性分析

        注(Note): *,** 相關(guān)性顯著在0.05、0.01水平(n=21)Denotes significant at the 0.05 and 0.01 levels (n=21).

        本研究發(fā)現(xiàn),秸稈還田能顯著提高脲酶、過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶的活性,原因可能是秸稈還田改良了土壤結(jié)構(gòu),促進(jìn)了更多土壤微粒的團(tuán)聚,同時(shí)也改善了土壤微生物的環(huán)境,增加微生物的數(shù)量,從而增加了酶的活性[28]。連續(xù)兩季25%和50%秸稈還田量處理較其他還田量處理效果更顯著,說(shuō)明在該還田量下,C/N被控制在適宜的范圍內(nèi),更有利于提高土壤微生物的生物量和活性,而土壤微生物量的增加又會(huì)進(jìn)一步提高包括土壤酶在內(nèi)的分泌物數(shù)量[29],從而提高土壤酶活性,這與路文濤等[4]的研究結(jié)果一致。而蘇秦[30]研究發(fā)現(xiàn)麥玉輪作模式下,秸稈還田處理下土壤脲酶與蔗糖酶活性有顯著增加,且酶活性隨秸稈還田量增加而增加。這可能與不同的土壤質(zhì)地、種植制度以及氣候條件有關(guān)。

        本試驗(yàn)結(jié)果看出,秸稈還田量處理顯著增加了小麥的有效穗數(shù)和千粒重,從而使小麥的增產(chǎn)效果最明顯,但對(duì)穗粒數(shù)的增加不顯著,該結(jié)果與劉義國(guó)等[31]研究結(jié)果類(lèi)似。在秸稈還田處理中,以連續(xù)兩季25%和50%秸稈還田量處理效果最顯著。可能是因?yàn)橹械土康慕斩掃€田通過(guò)調(diào)節(jié)土壤C/N,在提高土壤微生物數(shù)量和活性的同時(shí),也提高了秸稈的腐解速率,從而更快地向土壤釋放有效養(yǎng)分,更有利于營(yíng)造作物生長(zhǎng)發(fā)育所需的條件。另外,本研究還發(fā)現(xiàn),僅稻季麥秸全量還田處理較秸稈不還田和僅麥季稻秸全量還田處理顯著提高小麥的產(chǎn)量??赡苁且?yàn)榈炯就寥辣砻姹3钟兴畬?,土層溫度較高,稻季麥秸相較于麥季稻秸腐解速率較快,從而釋放更多的有效養(yǎng)分供植物吸收和利用[32]。由相關(guān)性分析得出的水稻和小麥產(chǎn)量與土壤碳庫(kù)、酶活性之間顯著的相關(guān)性也可以說(shuō)明, 土壤酶活性和碳庫(kù)指標(biāo)在一定程度上能夠反映土壤肥力和土壤質(zhì)量狀況。

        4 結(jié)論

        在短期內(nèi),秸稈還田能增加土壤活性有機(jī)碳組分的含量,提高土壤酶的活性,對(duì)作物增產(chǎn)有一定效果。稻麥輪作制度下,兩季連續(xù)25%或50%秸稈還田量,可顯著提高土壤碳匯的能力,增加作物產(chǎn)量。

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        Short-term influence of straw return on the contents of soil organic carbon fractions,enzyme activities and crop yields in rice-wheat rotation farmland

        HU Nai-juan1, HAN Xin-zhong2, YANG Min-fang2, ZHANG Zheng-wen1, BIAN Xin-min1, ZHU Li-qun1*

        (1CollegeofAgronomy,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China; 2CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China)

        【Objectives】 Straw return is an effective way to recycle straw resources, improve soil fertility and increase crop yields. The amount of straw return affects the soil labile organic carbon pool, soil enzyme activity and crop yields in different extent, so it is meaningful to study the suitable straw returning amount for best yield and soil fertility efficiencies. 【Methods】 A field trail with a random block design was carried out in rice-wheat rotation farmland with three replicates. There were totally seven treatments in the trail: non-straw return in both rice and wheat season (CK), 25%, 50%, 75% and 100% of total straw from previous crop returned in rice or wheat season, and 100% of straw returned only in rice or wheat season. Both the rice and wheat yields were investigated and the soil labile organic carbon pool and enzyme activity were measured. 【Results】 1) Compared to the CK, straw return could improve the contents of soil labile organic carbon fractions and soil enzyme activities, and increase both yields and their components of rice and wheat. 2) The highest soil total organic carbon (TOC) and microbial biomass carbon (MBC) contents are turned out with the straw return proportion of 50% in both rice and wheat seasons, and the highest soil dissolved organic carbon (DOC), labile organic carbon (LOC) and carbon pool management index (CPMI) are in proportion of consecutive 25% . 3) The consecutive 25% of total rice and wheat straw return induces the most significantly soil urease, catalase and sucrase activities. 4) Both the yields of rice and wheat in the treatments of consecutive 25% and 50% of rice and wheat straw return are significantly higher than in CK, with the increases of 9.0% and 11.45%, respectively. 5) The correlations among soil carbon pool, soil enzyme activities and the crop yields are significant. 【Conclusions】 Under the condition of this experiment, the consecutive returning of 25% and 50% of the rice and wheat straw could significantly increase soil carbon sink capacity, and improve the crop yields in short term.

        straw return; rice-wheat rotation; soil labile carbon fraction; soil enzyme activity; crop yield

        2013-11-11 接受日期: 2014-04-20

        公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201103001)資助。

        胡乃娟(1991—), 女, 河南固始人, 碩士研究生,主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)研究。E-mail: hunaijuan@163.com * 通信作者 Tel: 025-84395338, E-mail: zhulq@njau.edu.cn

        S141.4; S154.2

        A

        1008-505X(2015)02-0371-07

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