李委濤，李忠佩，劉 明，江春玉，吳 萌，陳曉芬

（1中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210008；2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

秸稈還田對(duì)瘠薄紅壤水稻土團(tuán)聚體內(nèi)酶活性及養(yǎng)分分布的影響

李委濤1，2，李忠佩1，2，劉 明1，江春玉1，吳 萌1，陳曉芬1，2

（1中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210008；2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

【目的】研究秸稈還田配施糞肥與化肥對(duì)紅壤水稻土水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒級(jí)組成、團(tuán)聚體微域空間內(nèi)養(yǎng)分及酶活性分布的影響，為提高秸稈還田在改造中低產(chǎn)田中的利用效益提供理論依據(jù)?！痉椒ā恳劳杏邡椞掇r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站24年（1990—2014）的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，施肥處理包括：不施肥處理（CK）、全量秸稈還田配施糞肥（SM）、全量秸稈還田配施糞肥與氮肥（NSM）、全量秸稈還田配施糞肥與氮磷鉀肥（NPKSM）。利用濕篩的方法得到5個(gè)粒級(jí)的水穩(wěn)性團(tuán)聚體：＞2 mm、1—2 mm、0.25—1 mm、0.053—0.25 mm和＜0.053 mm。測(cè)定水穩(wěn)性團(tuán)聚體內(nèi)C、N、P養(yǎng)分含量以及轉(zhuǎn)化酶、脲酶和酸性磷酸酶活性?！窘Y(jié)果】長(zhǎng)期秸稈還田配施糞肥尤其是配施化肥顯著增加了大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）含量，降低了微團(tuán)聚體（＜0.25 mm）的含量，增大了水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均當(dāng)量直徑，顯著改善了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。秸稈還田配施糞肥與化肥顯著提高團(tuán)聚體微域空間內(nèi)的酶活性，NSM處理對(duì)團(tuán)聚體內(nèi)轉(zhuǎn)化酶和脲酶的活性影響最為顯著，NPKSM處理對(duì)團(tuán)聚體各粒級(jí)內(nèi)酸性磷酸酶活性影響最為顯著。與CK相比，NSM處理的轉(zhuǎn)化酶在5個(gè)粒級(jí)內(nèi)增加量是20.3%—396.2%，脲酶的增加量是58.6%—372.1%。NPKSM處理的酸性磷酸酶在各粒級(jí)的增加量是48.9%—94.5%。與CK相比，NSM處理下，有機(jī)碳在各個(gè)粒級(jí)的增量是31.6%—65.1%；全氮在各粒級(jí)內(nèi)的增加量是19.8%—51.9%；NPKSM處理下，速效磷含量在各粒級(jí)內(nèi)的增加量最大是：7.4—10倍；集成推進(jìn)樹(shù)（ABT）分析表明，有機(jī)碳對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性影響最大，占40.6%。團(tuán)聚體粒級(jí)組成對(duì)脲酶活性的相對(duì)影響最大，占44.9%；速效磷對(duì)酸性磷酸酶的活性影響最大，占41%。非度量多維尺度（NMDS）對(duì)團(tuán)聚體樣本排序結(jié)果顯示，與CK、SM和NSM相比，NPKSM處理對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響更為顯著，SM及NSM處理的肥效性相似?！窘Y(jié)論】秸稈還田與糞肥、化肥配合施用顯著提高了水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均當(dāng)量直徑，顯著增加了團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳、氮和速效磷的含量以及土壤酶活性，是改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，提高紅壤生物功能和生產(chǎn)力的有效措施。

紅壤性水稻土；秸稈還田；水穩(wěn)性團(tuán)聚體；土壤養(yǎng)分；土壤酶活性

0 引言

【研究意義】長(zhǎng)期以來(lái)，秸稈還田被認(rèn)為是改善土壤質(zhì)量的重要農(nóng)耕措施，然而作物秸稈自身較高的C/N比，難以被土壤微生物降解，尤其是瘠薄的土壤，需配合外源肥料調(diào)節(jié)土壤C/N比，加速秸稈分解和熟化過(guò)程，提高養(yǎng)分歸還速率，保證其肥效性［1］。秸稈還田能顯著提升土壤有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)粘結(jié)粉粒、砂粒與黏粒團(tuán)聚形成具有多級(jí)孔性［2］的結(jié)構(gòu)；團(tuán)粒結(jié)構(gòu)與土壤生化特性及作物生長(zhǎng)關(guān)系密切，是決定土壤肥力的重要因素之一［3-4］。土壤中幾乎所有生化過(guò)程，例如土壤有機(jī)質(zhì)礦化，都離不開(kāi)土壤酶作用，土壤酶是評(píng)價(jià)土壤生物活性與土壤肥力的重要指標(biāo)［5］，通常土壤酶與有機(jī)無(wú)機(jī)礦物離子結(jié)合包被在團(tuán)聚體內(nèi)得到物理保護(hù)，從而免受降解、變性失活。團(tuán)聚體、土壤有機(jī)質(zhì)和土壤酶三者之間存在復(fù)雜的相互作用關(guān)系，而且它們都受施肥等人為活動(dòng)的影響［6-7］。因此，研究不同施肥處理下，團(tuán)聚體粒級(jí)組成及其中酶活性、養(yǎng)分分布的特異性，可為揭示秸稈還田提升土壤肥力機(jī)制提供理論依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】秸稈還田培肥地力的研究已有一些報(bào)道，勞秀榮等［8］發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期秸稈還田配施適量化肥可有效改善低肥力潮土的土壤肥力，在一定范圍內(nèi)秸稈還田量與土壤養(yǎng)分及脲酶活性之間顯著正相關(guān)。WANG等［9］通過(guò)研究紅壤水稻土添加有機(jī)物料可顯著提高＞2 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量，降低＜1 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量，顯著增加各粒級(jí)內(nèi)有機(jī)碳、氮以及速效磷含量。ZHANG等［10］通過(guò)研究黃棕壤水稻土施用有機(jī)肥可顯著增加各團(tuán)聚體內(nèi)的有機(jī)碳、氮含量及酶活性，尤其是對(duì)63—200 μm粒徑團(tuán)聚體影響最大。土壤有機(jī)碳、氮［11］和土壤酶［5］主要賦存于大團(tuán)粒結(jié)構(gòu)內(nèi)，秸稈還田可顯著提高大團(tuán)聚體含量，有利于土壤肥力的提升［12］。水稻土的壤質(zhì)及肥力狀況均能影響秸稈還田的肥效性；為深入認(rèn)識(shí)秸稈還田對(duì)土壤質(zhì)量的影響，仍需系統(tǒng)研究團(tuán)聚體微域空間內(nèi)養(yǎng)分變化及酶活性與土壤性質(zhì)之間的關(guān)系。【本研究切入點(diǎn)】發(fā)育自第四紀(jì)紅黏土的紅壤水稻土，具有質(zhì)地黏重、酸度較高等特異的土壤性質(zhì)［13］，雖耕作時(shí)期久遠(yuǎn)，但目前主導(dǎo)產(chǎn)田仍屬中低產(chǎn)田［14］。秸稈還田是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民普遍采用培肥地力的農(nóng)耕措施，有關(guān)其肥效性的研究相對(duì)較少，尤其是在團(tuán)聚體水平上的報(bào)道相對(duì)較少；目前，對(duì)于新墾的以及中低產(chǎn)的紅壤稻田其團(tuán)聚體粒級(jí)分布、有機(jī)質(zhì)變化等具有明顯特異性的研究比較缺乏?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究依托鷹潭農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站、紅壤荒地開(kāi)墾為水稻田后長(zhǎng)達(dá)24年的施肥試驗(yàn)，研究秸稈還田與糞肥及化肥配施對(duì)紅壤水稻土團(tuán)聚體粒級(jí)組成，團(tuán)聚體微域空間內(nèi)有機(jī)碳、氮、速效磷及酶活性分布的影響，為認(rèn)識(shí)新墾紅壤稻田土壤中的施肥效應(yīng)，制定合理的秸稈還田配施方案改良中低產(chǎn)田提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)設(shè)在鷹潭農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，地處江西省余江縣（1l6°55′E，28°15′N(xiāo)），屬亞熱帶季風(fēng)氣候，平均氣溫17.6℃，平均降雨量1 795 mm（降雨集中在3—6月），年蒸發(fā)量1 318 mm，無(wú)霜期261 d。試驗(yàn)始于1990年，作物輪作制度為雙季稻（Oryza sativa L.）。試驗(yàn)小區(qū)面積為30 m2，小區(qū)之間用水泥埂隔開(kāi)（地面高15 cm，地下部分深50 cm），并設(shè)置有灌排設(shè)施。供試土壤發(fā)育于第四紀(jì)紅黏土，試驗(yàn)前土壤的基本理化性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)5.7 g·kg-1、全氮0.43 g·kg-1、全磷（P2O5）0.65 g·kg-1、全鉀（K2O）13.4 g·kg-1、速效磷5.6 mg·kg-1、速效鉀105.9 mg·kg-1和堿解氮90.2 mg·kg-1，pH4.5及黏粒（＜1 μm）含量38%［15］。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

各試驗(yàn)處理為：（1）對(duì)照（without fertilization，CK）；（2）全量秸稈還田配施糞肥（straw application plus manure，SM）；（3）全量秸稈還田配施糞肥與氮肥（straw application plus manure and nitrogen fertilizer，NSM）；（4）全量秸稈還田配施糞肥與氮磷鉀肥（straw application plus manure， nitrogen，phosphorus and potassium fertilizers，NPKSM）。全量秸稈還田是將相應(yīng)小區(qū)內(nèi)每季秸稈全部施入原小區(qū)，另每季施入833.3 kg·hm-2（干重計(jì)）豬糞。肥料施用量按各處理要求，每季施肥量為115 kg N·hm-2、68 kg P2O5·hm-2和42 kg K2O·hm-2。其中，氮肥為尿素，磷肥為鈣鎂磷肥，鉀肥為氯化鉀。磷肥和鉀肥以基肥形式施入，尿素分基肥和追肥按8∶7的比例2次施入。施肥24年，小區(qū)水稻產(chǎn)量顯著提升，但仍處于中低產(chǎn)田水平（表1）。

于2014年11月下旬采集土壤樣品，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取5個(gè)點(diǎn)，采集0—15 cm耕層土壤組成混合樣品。田間采集的原狀土樣用硬質(zhì)塑料盒運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，在室溫下風(fēng)干，用于土壤團(tuán)聚體的篩分。樣品在風(fēng)干過(guò)程中，沿其自然斷裂面掰成10 mm左右的土塊，并挑出礫石、侵入體及植物殘根等。

表1 2014年不同施肥處理的水稻產(chǎn)量Table1 Rice yields of different fertilization treatments in 2014

1.3 分析方法

參照ELLIOTT［16］的方法篩分水穩(wěn)性團(tuán)聚體，稱(chēng)取100 g風(fēng)干土，倒入2 mm土篩中，放入盛有去離子水的盆中浸泡10 min后，上下移動(dòng)篩子3 cm，重復(fù)50次（2 min內(nèi)），用同樣的篩分方法，依次通過(guò)1、0.25和0.053 mm的土篩，收集各級(jí)篩子上的團(tuán)聚體室溫下風(fēng)干后稱(chēng)重。小于0.053 mm的團(tuán)聚體通過(guò)將溶液沉降、離心獲得。團(tuán)聚體風(fēng)干后保存用于土壤養(yǎng)分及酶活性的測(cè)定。通常把大于0.25 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體稱(chēng)為水穩(wěn)性大團(tuán)聚體，小于0.25 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體稱(chēng)為水穩(wěn)性微團(tuán)聚體［11］。

測(cè)定轉(zhuǎn)化酶、脲酶和酸性磷酸酶活性的方法分別是3，5-二硝基水楊酸法、靛酚藍(lán)比色法和磷酸苯二鈉比色法［17］；轉(zhuǎn)化酶活性以μg葡萄糖·g-1土（37℃·h-1）表示，脲酶活性以μg NH3-N·g-1土（37℃·h-1）表示，酸性磷酸酶活性以μg酚·g-1土（37℃·h-1）表示。土壤有機(jī)碳用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測(cè)定，全氮和堿解氮分別用半微量凱式法和擴(kuò)散法測(cè)定，全磷及速效磷分別用碳酸鈉熔融-鉬銻抗比色法和碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，全鉀和速效鉀的測(cè)定分別用氫氧化鈉熔融-火焰光度法和乙酸銨浸提-火焰光度法［18］。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用單因素方差分析比較處理間差異性，差異顯著性分析用Duncan法，運(yùn)用SPSS16.0（SPSS Inc. Chicago， IL， USA）軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用R 2.9.2軟件里的“gbmplus”統(tǒng)計(jì)包和“Vegan”包，分別進(jìn)行集成推進(jìn)樹(shù)分析（aggregated boosted trees，ABT）［19］和非度量多維尺度分析（nonmetric multidimensional scaling，NMDS）。ABT分析：計(jì)算團(tuán)聚組成及團(tuán)聚體內(nèi)養(yǎng)分含量對(duì)3種酶活性的相對(duì)影響。NMDS分析：基于團(tuán)聚體各粒級(jí)組成、團(tuán)聚體內(nèi)養(yǎng)分含量及3種酶活性對(duì)團(tuán)聚體樣本排序。

計(jì)算團(tuán)聚體各粒級(jí)中碳或氮對(duì)全土中碳或氮的貢獻(xiàn)率（%）：

2 結(jié)果

2.1 水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒級(jí)組成

CK、SM、NSM與NPKSM濕篩中團(tuán)聚體的回收率分別為94.8%、95.8%、96.3%和96.8%。與不施肥對(duì)照相比，全量秸稈還田配合糞肥，尤其是配施化肥顯著增加大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）的比例，與CK相比，3種施肥處理SM、NSM和NPKSM大團(tuán)聚體的增加量為25.5%、28.9%和31.7%；降低了微團(tuán)聚體（＜0.25 mm）的比例，與CK相比，3種施肥處理SM、NSM和NPKSM微團(tuán)聚體的減少量為：38%、43%和47.2%（圖1）；顯著增加了各施肥處理的平均當(dāng)量直徑，其中，NPKSM處理的平均當(dāng)量直徑最大，為1.13 mm；與CK相比，各處理SM、NSM和NPKSM的平均當(dāng)量直徑的增加量為49.2%、58.7%和61.9%；各施肥處理間平均當(dāng)量直徑差異不顯著，施肥顯著提升了水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性（圖2）。

圖1 不同施肥處理下水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布Fig. 1 Aggregate-size distributions under different fertilization treatments

圖2 不同施肥處理下水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均當(dāng)量直徑Fig. 2 Mean weight diameters （MWD） of water-stable aggregates in different treatments

2.2 水穩(wěn)性團(tuán)聚體微域空間內(nèi)酶活性的分布

施肥提高了團(tuán)聚體各粒級(jí)內(nèi)轉(zhuǎn)化酶、脲酶和酸性磷酸酶活性，3種酶活性在團(tuán)聚體內(nèi)的分布特征并不一致；轉(zhuǎn)化酶和酸性磷酸酶的最大酶活性主要分布在1—2 mm粒級(jí)，4種（CK、SM、NSM與NPKSM）處理下，分布在這一粒級(jí)內(nèi)的轉(zhuǎn)化酶及磷酸酶活性范圍分別為79.74—143.04 μg葡萄糖·g-1·h-1和61.66—91.81 μg酚·g-1·h-1；脲酶最大酶活性分布在＜0.053 mm粒級(jí)內(nèi)，其范圍為2.39—11.28 μg NH3-N·g-1·h-1。

水穩(wěn)性團(tuán)聚體5個(gè)粒級(jí)內(nèi)（＞2 mm粒級(jí)除外），NSM與NPKSM處理下轉(zhuǎn)化酶的活性高于SM，與CK相比，NSM處理下，轉(zhuǎn)化酶在5個(gè)粒級(jí)內(nèi)增加量的范圍是20.3%—396.2%，其中0.053—0.25 mm粒級(jí)內(nèi)轉(zhuǎn)化酶活性提高了4倍。3種施肥處理下，NSM處理對(duì)脲酶的影響最大，與CK相比，NSM處理下，脲酶在5個(gè)粒級(jí)內(nèi)增加量的范圍為72.1%—372.1%，其中＜0.053 mm粒級(jí)內(nèi)脲酶活性增加了3.7倍；NPKSM處理對(duì)酸性磷酸酶活性的影響最大（圖3）；NPKSM處理下，酸性磷酸酶在各粒級(jí)增加量的范圍是48.9%—94.5%，其中＜0.053 mm粒級(jí)內(nèi)酸性磷酸酶活性的增加量最大為94.5%。

圖3 不同粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體中酶活性Fig. 3 Enzyme activities among different aggregates in different treatments

2.3 水穩(wěn)性團(tuán)聚體微域空間內(nèi)有機(jī)碳、氮及速效磷含量的變化特征

水穩(wěn)性團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳、氮的回收率平均值分別是99.6%和95.9%。大團(tuán)聚體對(duì)全土有機(jī)碳、氮的貢獻(xiàn)率較大（圖4），有機(jī)碳、氮主要賦存在大團(tuán)聚體內(nèi)，與CK相比，SM、NSM和NPKSM處理下大團(tuán)聚體對(duì)全土有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的增加量為25.2%、28.4%和37.2%；全氮為29.1%、57.8%和61.6%；3種施肥處理下，全量秸稈還田配施糞肥及氮磷鉀肥對(duì)大團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳、氮的提升幅度高于其他2種施肥處理。全量秸稈還田配施糞肥，尤其是配施化肥，顯著增加了團(tuán)聚體各粒級(jí)內(nèi)的有機(jī)碳和速效磷含量，全氮含量在＞2 mm、1—2 mm、0.25—1 mm粒級(jí)內(nèi)出現(xiàn)差異性（表2）；與CK相比，NSM處理下，各粒級(jí)內(nèi)有機(jī)碳增加量范圍是：31.6%—65.1%，其中0.053—0.25 mm粒級(jí)內(nèi)有機(jī)碳的增加量最大為65.1%；全氮的增量范圍是：19.8%—51.9%，其中1—2 mm粒級(jí)內(nèi)全氮的增加量最大為51.9%。NPKSM是3種施肥處理中對(duì)速效磷含量影響最大的，與CK相比，速效磷在各粒級(jí)內(nèi)的增加量范圍為7.4—10倍，其中0.053—0.25 mm粒級(jí)內(nèi)速效磷含量增加了10倍。

圖4 不同粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體對(duì)全土有機(jī)碳、全氮的貢獻(xiàn)率Fig. 4 Contributions of water-stable aggregates to soil organic carbon and total nitrogen

2.4 團(tuán)聚體粒級(jí)組成及養(yǎng)分含量對(duì)酶活性的相對(duì)影響

土壤酶包被在團(tuán)聚體內(nèi)，酶活性與團(tuán)聚體內(nèi)養(yǎng)分含量關(guān)系密切，ABT分析表明，團(tuán)聚體粒級(jí)組成及其微域空間內(nèi)養(yǎng)分含量對(duì)3種酶活性的影響并不相同，其中，團(tuán)聚體粒級(jí)組成對(duì)脲酶相對(duì)影響最大為44.9%；有機(jī)碳對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性影響最大為40.6%，速效磷對(duì)酸性磷酸酶的活性影響最大為41%（圖5）。

2.5 非度量多維尺度分析對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體樣本排序

團(tuán)聚體粒級(jí)組成及其微域空間內(nèi)的養(yǎng)分含量與酶活性是土壤肥力的重要指標(biāo)，基于該指標(biāo)對(duì)團(tuán)聚體樣本排序，圖6顯示，NPKSM處理的5個(gè)粒級(jí)與其他3個(gè)處理的團(tuán)聚體樣本在NMDS1軸上明顯分開(kāi)；SM與NSM重合較多，關(guān)系密切，并且與CK有部分重合。表明長(zhǎng)期秸稈還田配施糞肥及氮磷鉀肥能顯著改善土壤理化性質(zhì)。

3 討論

在肥力水平低的（有機(jī)質(zhì)含量?jī)H為5.7 g·kg-1）荒地上種植水稻，若只進(jìn)行秸稈還田很難達(dá)到培肥地力的效果，需配施少量的糞肥及化肥提高秸稈還田的肥效性。在瘠薄的紅壤水稻土上，添加秸稈與糞肥外源物料可引起土壤系統(tǒng)內(nèi)的激發(fā)效應(yīng)［20］，顯著增強(qiáng)土壤系統(tǒng)中的生化過(guò)程，同時(shí)為地上作物生長(zhǎng)提供更多可利用的礦質(zhì)元素促使作物產(chǎn)量的提高，進(jìn)而為地下生態(tài)系統(tǒng)輸送更多光合產(chǎn)物供給更多的微生物功能群落［21］以促成團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成與穩(wěn)定。

表2 不同施肥處理下團(tuán)聚體微域空間內(nèi)有機(jī)碳、氮及速效磷含量分布Table2 Soil organic carbon and nutrient contents in total soil and aggregate sizes among different treatments

圖5 土壤理化性質(zhì)對(duì)酶活性的相對(duì)影響的ABT分析Fig. 5 Relative importance of extracted predictors for soil enzymes by aggregated boosted tree model

連續(xù)24年種植48季水稻后，秸稈還田配施糞肥尤其是與化肥配施，顯著影響了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)及其微域空間內(nèi)的養(yǎng)分分布。長(zhǎng)期施肥對(duì)紅壤水稻土團(tuán)粒結(jié)構(gòu)及團(tuán)聚體內(nèi)養(yǎng)分分布的影響要顯著高于其他壤質(zhì)、高肥力的水稻土［22］；與其他壤質(zhì)的水稻土相比，紅壤水稻土質(zhì)地黏重，形成的水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，對(duì)團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)質(zhì)保護(hù)作用更強(qiáng)。本研究與以往研究結(jié)果一致，有機(jī)碳、氮主要賦存于大團(tuán)聚體內(nèi)［11］，其含量與團(tuán)聚體的數(shù)量及穩(wěn)定性顯著相關(guān)［23-24］。作物秸稈富含纖維素、木質(zhì)素等富碳物質(zhì)，同時(shí)外源糞肥與化肥的配施顯著提升了土壤的肥效性，促使更多土壤養(yǎng)分在大團(tuán)聚體內(nèi)的富集。本研究各處理均顯著提高了水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量，同時(shí)各粒級(jí)有機(jī)碳含量顯著提高，這也是團(tuán)聚體穩(wěn)定的重要原因。

圖6 NMDS樣本排序圖Fig. 6 NMDS plot （showing mean ±SE） of soil samples （Stress=0.145）

長(zhǎng)期秸稈還田配施糞肥、化肥顯著影響了團(tuán)聚體微域空間內(nèi)酶的分布特性，本研究發(fā)現(xiàn)團(tuán)聚體各粒級(jí)內(nèi)轉(zhuǎn)化酶和酸性磷酸酶活性最大值是在1—2 mm，脲酶是在＜0.053 mm粒級(jí)。LIU等［22］研究砂壤水稻土發(fā)現(xiàn)，＜0.053 mm粒級(jí)內(nèi)轉(zhuǎn)化酶、脲酶及酸性磷酸酶活性是5個(gè)粒級(jí)中最低的。不同壤質(zhì)水稻土形成的團(tuán)聚體穩(wěn)定性不同，可能造成對(duì)土壤酶的保護(hù)程度不同。粘結(jié)不同粒徑團(tuán)聚體團(tuán)聚的主要物質(zhì)并不相同［25］，可能導(dǎo)致包被在團(tuán)聚體內(nèi)的土壤酶與團(tuán)聚體的結(jié)合方式及吸附能力不同［26］。另外土壤酶主要是由土壤中微生物產(chǎn)生，分布在大團(tuán)聚體內(nèi)的微生物功能群落比微團(tuán)聚體豐富［27］，這也是導(dǎo)致大多數(shù)種類(lèi)酶主要分布在大團(tuán)聚體內(nèi)的重要原因。

秸稈還田配施糞肥，同時(shí)配施不同化肥對(duì)不同類(lèi)型酶的影響并不相同。幾乎所有的土壤酶均是誘導(dǎo)酶［28］，酶活性與其底物含量顯著相關(guān)［29-30］；有研究表明酶在團(tuán)聚體內(nèi)分布與有機(jī)碳的分布顯著正相關(guān)。不同施肥處理輸入土壤中的養(yǎng)分不同，富集的微生物功能群落也有所不同［31］，最終導(dǎo)致酶的分泌量不同。

4 結(jié)論

對(duì)于瘠薄的紅壤水稻土，全量秸稈還田配施糞肥與化肥可顯著增加大團(tuán)聚體的含量，降低微團(tuán)聚體含量，顯著提高水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均當(dāng)量直徑，有效改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。NSM處理對(duì)團(tuán)聚體各粒級(jí)內(nèi)轉(zhuǎn)化酶、脲酶的影響最大，NPKSM對(duì)酸性磷酸酶活性的影響最大；轉(zhuǎn)化酶和酸性磷酸酶的最大酶活性主要是在1—2 mm粒級(jí)，脲酶則是在＜0.053 mm粒級(jí)。全量秸稈還田配施糞肥與化肥顯著增加了水穩(wěn)性團(tuán)聚體各粒級(jí)內(nèi)有機(jī)碳、氮及速效磷的含量；土壤中的有機(jī)碳、氮主要是賦存于大團(tuán)聚體內(nèi)，各施肥處理顯著增大了大團(tuán)聚體對(duì)全土有機(jī)碳、氮的貢獻(xiàn)率。有機(jī)碳對(duì)轉(zhuǎn)化酶活性相對(duì)影響較大，團(tuán)聚粒級(jí)組成對(duì)脲酶活性相對(duì)影響較大，影響酸性磷酸酶活性的主要因素是速效磷。全量秸稈還田配施氮磷鉀肥對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響最為顯著，是培肥地力的重要農(nóng)耕措施。

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（責(zé)任編輯 李莉）

Enzyme Activities and Soil Nutrient Status Associated with Different Aggregate Fractions of Paddy Soils Fertilized with Returning Straw for 24 Years

LI Wei-tao1，2， LI Zhong-pei1，2， LIU Ming1， JIANG Chun-yu1， WU Meng1， CHEN Xiao-fen1，2
（1State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008；2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049）

【Objective】Paddy soils in subtropical China derived from Quaternary red clay are generally deficient in available nutrients， and fertilizers have long been identified as dominant contributors to increase of crop production. Therefore， a long-term experiment was set up in a paddy field that used to be a wasteland earlier to study the distribution of nutrients and enzyme activities in water stable aggregates under long term application of fertilizers， and the findings will provide a sound basis for rationalapplication of fertilizers to ensure sustainable crop production. 【Method】Soil samples were collected from a 24-year long-term field experiment， which was established in 1990 in the Yingtan Red Soil Ecological Experiment Station. The experiment included four treatments: CK （without fertilization）， SM （straw application plus manure）， NSM （straw application plus manure and nitrogen fertilizer）， NPKSM （straw application plus manure， nitrogen， phosphorus and potassium fertilizers）. Undisturbed bulk soils were separated into five aggregate-size classes （＞2 mm， 1-2 mm， 0.25-1 mm， 0.053-0.25 mm and ＜0.053 mm） by wet sieving. Three soil enzymes， invertase， urease， and phosphatase， in water-stable aggregates （WSA） and total nitrogen （TN）， available phosphorus（AP）， and soil organic C （SOC） were determined. 【Result】Application of fertilizers to infertile paddy soil significantly increased the percentage of macro aggregates （larger than 0.25 mm）， decreased the percentage of micro aggregates （smaller than 0.25 mm）， and increased the mean weight diameter （MWD） of WSA， which could improve soil structure. The combined application of straw，manure and inorganic fertilizer significantly increased the soil enzyme activities in each size fraction. NSM treatment had the largest impact on invertase and urease activities. NPKSM treatment had the most significant impact on acid phosphatase activity. Compared with the control， NSM treatment increased invertase activity in five size fractions by 20.3%-396.2%； urease increased by 58.6%-372.1%. In NPKSM treatment， acid phosphatase activity in five size fractions increased by 48.9%-94.5%. Compared with the control， SOC in each size fraction of NSM treatment increased by 31.6%-65.1%. Total N increased by 19.8%-51.9%. In NPKSM treatment， available phosphorus content in each of the size fractions increased by 7.4-10 times. Aggregated boosted trees （ABT）analysis showed that the relative influence of SOC on invertase was the largest， accounting for 40.6% of the variation； the composition of soil particle had the largest relative influence on the activity of urease， accounting for 44.9% of the variation. Soil AP had the largest contribution of 41% to the variation in the activity of acid phosphatase. Nonmetric multidimensional scaling （NMDS）analysis indicated that soil aggregates within NPKSM treatment differed from those in CK， SM and NSM treatments. However， SM and NSM treatments showed similar effect on soil fertility. 【Conclusion】The combined application of straw， manure， and inorganic fertilizer significantly increased the mean weight diameter （MWD） of WSA， the contents of SOC， TN， AP， and soil enzyme activities，which improved the soil structure and biological functions.

paddy soil； straw return； water-stable aggregates； soil nutrients； soil enzymes

2016-04-08；接受日期：2016-06-12

國(guó)家自然科學(xué)基金（41171233）、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2013CB127401）

聯(lián)系方式：李委濤，Tel：13739185955；E-mail：wtli@issas.ac.cn。通信作者李忠佩，Tel：025-86881505；E-mail：zhpli@issas.ac.cn