賀 美，王立剛*，王迎春，朱 平，李 強(qiáng)，沈 欣

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，長(zhǎng)春 130033；3.全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，北京 100125）

東北黑土面積約1000萬(wàn)hm2，是中國(guó)最肥沃和極具生產(chǎn)力的土壤，從二十世紀(jì)開(kāi)墾以來(lái)特別是八十年代至今，在不合理施用化肥的集約化大規(guī)模種植條件下，黑土耕地土壤肥力不斷退減，土壤有機(jī)質(zhì)明顯下降[1-2]，與此同時(shí)，隨著高稈玉米密植栽培技術(shù)的廣泛應(yīng)用，玉米秸稈生物量不斷增加，玉米秸稈“去往何處”成了一個(gè)亟待解決的環(huán)境問(wèn)題。在農(nóng)業(yè)環(huán)境“一控、兩減、三基本”的政策背景下，控制秸稈焚燒、實(shí)施秸稈有效還田成為保持土壤肥力、減少大氣污染與農(nóng)田化肥投入的重要措施。玉米秸稈中富含有機(jī)碳、氮、磷、鉀、硅和植物生長(zhǎng)的其他必需營(yíng)養(yǎng)元素[3]，適量還田后可以改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤碳庫(kù)容量及促進(jìn)土壤氮循環(huán)，對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重要意義[4-5]。但是秸稈過(guò)量還田也會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面影響，比如分解秸稈的微生物會(huì)與作物爭(zhēng)奪土壤或者肥料中的養(yǎng)分尤其是礦質(zhì)氮、造成有機(jī)酸的積累和成為一些病原菌或蟲(chóng)害的庇護(hù)所等[6-9]。因此，如何合理有效利用秸稈對(duì)資源、環(huán)境和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展是十分重要的命題[10]。

研究表明[11]，秸稈還田不單意味著土壤碳投入的直接提高，對(duì)土壤的影響還表現(xiàn)在還田后土壤理化性質(zhì)以及作物生長(zhǎng)的變化上，可用來(lái)判斷秸稈還田后農(nóng)田土壤有機(jī)碳（SOC）固存的利益有沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。Stewart等[12]和Wang等[13]研究認(rèn)為土壤有機(jī)碳固存潛力存在飽和上限，與秸稈還田碳投入量并非線性遞增關(guān)系，并且黑土區(qū)耕層土壤碳氮含量有較強(qiáng)的空間異質(zhì)性[14]，不同田塊微生物礦化秸稈的數(shù)量與能力迥然不同，加上東北屬于高緯度地區(qū)，冷涼的氣候下秸稈腐解十分緩慢，過(guò)量的秸稈不僅會(huì)增加土壤碳排放而且不利于作物出苗及生長(zhǎng)，因此，明確合適的秸稈還田量對(duì)于黑土區(qū)秸稈資源的有效利用及農(nóng)田土壤管理有重要意義。本研究針對(duì)東北地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)下降的突出問(wèn)題，設(shè)置不同秸稈還田量梯度，探討不同秸稈還田量下土壤有機(jī)碳及其組分含量與有效性變化、土壤碳庫(kù)活度與碳庫(kù)管理指數(shù)特征、土壤酶活性變化和作物產(chǎn)量差異，對(duì)不同秸稈還田量下的土壤碳響應(yīng)情況進(jìn)行綜合評(píng)估，以期為東北地區(qū)合適的秸稈還田數(shù)量提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究地點(diǎn)位于吉林省公主嶺市郊區(qū)（43°30′23″N，124°48′34″E），年平均氣溫5～6 ℃，有效積溫范圍2600～3000℃。降水主要集中在5—10月份，年降水量450～650 mm，屬于一年一季雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。種植模式為春玉米（Zeɑ mɑys L.）連作，種植密度大約6萬(wàn)株每公頃。0～120 cm土壤初始理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)始于2013年，試驗(yàn)開(kāi)始前試驗(yàn)地種植模式為春玉米連作，且未經(jīng)過(guò)有機(jī)物料還田等處理，化肥用量即當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量。試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，每處理3個(gè)重復(fù)，共15個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)面積50 m2（5 m×10 m），隨機(jī)區(qū)組排列。于每年四月中下旬進(jìn)行田間起壟，然后拉樣方劃小區(qū)，每小區(qū)含6條壟，壟寬70 cm，在小區(qū)與小區(qū)之間留1 m寬的空地作為過(guò)道。各施肥處理磷鉀肥播種前作為底肥一次性施入，氮肥1/3播種前用作底肥，2/3于拔節(jié)期追肥，底肥于起壟當(dāng)天人工撒施于壟溝中然后覆土。秸稈還田量根據(jù)當(dāng)?shù)亟斩捘昃a(chǎn)量設(shè)置三個(gè)梯度：1/3秸稈還田（NPKS1）、1/2秸稈還田（NPKS2）和全量還田（NPKS3），每年收獲后將秸稈移出大田，經(jīng)自然風(fēng)干后人工粉碎成2 cm左右小段。為不影響出苗，均于第二年追肥時(shí)進(jìn)行還田，還田前先稱(chēng)取各小區(qū)每壟還田量及追肥的尿素用量，裝袋后運(yùn)入大田，借助馬犁于兩壟間開(kāi)溝，將追施的氮肥和秸稈均撒施于壟溝中然后人工覆土。各處理化肥與秸稈施用量見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)地土壤基礎(chǔ)理化性狀Table 1 Soil physical and chemical properties of the experimental site

表2 不同處理下的施肥量Table 2 The different amount of straw application treatments

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤養(yǎng)分測(cè)定方法

2015年作物收獲后，采集0～20 cm土層土樣，在每小區(qū)按梅花形5點(diǎn)法采樣后混勻作為一個(gè)樣本，各處理的土壤樣本均重復(fù)3次。將采集完的土壤立即用冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室，分裝成兩部分，一部分風(fēng)干后挑出碎石、植物根系殘?jiān)⑦^(guò)2 mm篩，測(cè)定土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、顆粒有機(jī)碳與易氧化有機(jī)碳含量；另一部分過(guò)2 mm篩并保存于4℃冰箱用于鮮樣的測(cè)定，各指標(biāo)測(cè)定均在24 h內(nèi)完成。土壤基本理化性質(zhì)參考文獻(xiàn)[15]；可溶性有機(jī)碳（DOC）采用硫酸鉀浸提后用TOC儀測(cè)定[16]；顆粒有機(jī)碳（POC）測(cè)定采用六偏磷酸鈉分散法[17]；微生物量碳（MBC）分析采用氯仿熏蒸浸提法[18]；易氧化有機(jī)碳（ROC）測(cè)定采用高錳酸鉀氧化法[19]。

1.3.2 碳庫(kù)管理指數(shù)（CMPI）的計(jì)算方法

本研究以不施肥CK處理為參照土壤進(jìn)行計(jì)算。碳庫(kù)指數(shù)（CPI）=農(nóng)田土壤有機(jī)碳/參考土壤有機(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/參考土壤碳庫(kù)活度；碳庫(kù)管理指數(shù)（CMPI）=碳庫(kù)指數(shù)（CPI）×碳庫(kù)活度指數(shù)（AI）×100[20]。

1.3.3 土壤酶活性的測(cè)定

本研究中所涉及的四種土壤酶[包括木聚糖酶（BXYL）、纖維素酶（CBH）、乙?；?β-葡萄糖胺酶（NAG）和β-葡萄糖苷酶（BG）]活性的測(cè)定均采用熒光微型板檢測(cè)技術(shù)[21]，稱(chēng)取相當(dāng)于1 g干土的鮮土，置于200 mL塑料瓶，加入50 mmol·L-1醋酸緩沖液120 mL（pH和待測(cè)土壤基本一致），振蕩制備成土壤懸濁液；然后用8通道移液器依照次序加試劑于微型板中，將加好待測(cè)液、標(biāo)準(zhǔn)底物、熒光底物的微型板放入25℃的培養(yǎng)箱培養(yǎng)，培養(yǎng)4 h后用多功能酶標(biāo)儀（Scientific Fluoroskan Ascent FL 3001，Thermo）測(cè)定。

1.3.4 春玉米產(chǎn)量及植株不同器官干物質(zhì)質(zhì)量測(cè)定

春玉米成熟后，在每個(gè)小區(qū)選3個(gè)10 m2的樣方，將樣方內(nèi)所有玉米棒裝袋，曬干后脫粒稱(chēng)重，并測(cè)試計(jì)算含水量后，折算成公頃產(chǎn)量。收獲時(shí)在各小區(qū)隨機(jī)選2株長(zhǎng)勢(shì)一致的玉米植株，連根拔起整株帶回實(shí)驗(yàn)室，將根、莖、葉、穗軸和籽粒5部分分別裝袋，于105℃下殺青0.5 h，后在80℃下烘干至恒質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定均來(lái)自2015年樣品采集的測(cè)定值，采用Microsoft Excel 2010、OriginPro 9.1和SAS 9.1軟件進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析，基于最小顯著差數(shù)法（Least significant difference）和皮爾遜相關(guān)系數(shù)法（Pearson correlation coefficient）進(jìn)行方差檢驗(yàn)和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田量對(duì)黑土活性碳庫(kù)組分的影響

秸稈還田后土壤DOC、MBC、POC和ROC含量有明顯的上升，且提升效果隨著秸稈還田量的增加而增加，各處理中以NPKS3處理提升碳組分的效果最好（圖1）。與NPK處理相比，不同秸稈還田量對(duì)DOC、MBC、POC和ROC增加幅度分別為18.40%～28.52%、11.28%～30.84%、24.49%～92.13%和53.43%～113.68%，各處理對(duì)土壤ROC含量的提升效果最為顯著。NPKS1、NPKS2和NPKS3處理的DOC、MBC和ROC之間均無(wú)顯著性差異，NPKS2和NPKS3處理的POC分別顯著高于NPKS1處理54.33%和42.45%。

NPKS1、NPKS2和NPKS3處理間土壤有機(jī)碳含量無(wú)顯著差異，NPKS3處理的土壤有機(jī)碳含量顯著高于NPK處理16.56%（表3）。不同秸稈還田量下碳組分分配比率不同，四種碳組分以POC占SOC百分含量最高（11.72%～36.97%），MBC的分配比率最低（0.51%～0.93%）。DOC/SOC、MBC/SOC和POC/SOC三種碳組分分配率均以NPKS2處理最高。NPKS2和NPKS3處理POC/SOC分別顯著高于NPKS1處理42.03%和39.76%，其余三種碳組分分配比率不同秸稈還田量下均無(wú)顯著差異。

2.2 不同秸稈還田量對(duì)黑土碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

圖1 不同秸稈還田量對(duì)土壤活性碳庫(kù)組分的影響Figure 1 Effects of different straw returning amount on soil active carbon components

表3 不同秸稈還田量對(duì)土壤活性碳組分分配比率的影響Table 3 Fractions of soil active carbon in soil total organic carbon under different amounts of straw returning

表4 不同秸稈還田量對(duì)黑土碳庫(kù)指數(shù)、碳庫(kù)活度、活度指數(shù)和碳庫(kù)管理指數(shù)的影響（0～20 cm）Table 4 The effect of different straw returning amounts on CPI、A、AI and CMPI of black soil（0～20 cm）

碳庫(kù)管理指數(shù)可以反映土壤質(zhì)量狀況及其肥力水平。以CK處理為對(duì)照，對(duì)單施化肥與化肥配施秸稈還田下的各處理的碳庫(kù)參數(shù)進(jìn)行分析（表4），結(jié)果表明，各施肥處理土壤碳庫(kù)活度（A）、碳庫(kù)活度指數(shù)（AI）、碳庫(kù)指數(shù)（CPI）和碳庫(kù)管理指數(shù)（CMPI）均有不同程度的增加，且增加規(guī)律一致，均以NPKS3處理最高。NPKS2和NPKS3處理土壤碳庫(kù)活度顯著高于NPK處理76.08%和82.61%。各秸稈還田處理下碳庫(kù)活度指數(shù)無(wú)顯著差異，但是NPKS2和NPKS3處理的碳庫(kù)活度指數(shù)顯著高于NPK處理78.81%和82.80%。NPKS1、NPKS2與NPK處理碳庫(kù)指數(shù)之間無(wú)顯著差異，NPKS3的碳庫(kù)指數(shù)顯著高于NPK處理16.04%。各處理碳庫(kù)管理指數(shù)以NPKS3處理最高，其中NPKS2和NPKS3處理碳庫(kù)管理指數(shù)顯著高于NPK處理86.91%和114.76%，表明秸稈半量及全量還田明顯提高黑土土壤質(zhì)量，使得土壤活性有機(jī)質(zhì)的相對(duì)數(shù)量增加。

2.3 不同秸稈還田量對(duì)黑土酶活性的影響

不同處理對(duì)木聚糖酶（BXYL）、纖維素酶（CBH）、乙酰基β-葡萄糖胺酶（NAG）和β-葡萄糖苷酶（BG）的活性影響明顯（圖2），本試驗(yàn)中BXYL、CBH、NAG和BG的活性變化范圍分別是5.50～17.58、11.16～40.99、12.43～33.36 nmol·g-1·h-1和80.40～164.81 nmol·g-1·h-1。各處理四種酶活性表現(xiàn)一致，均以CK處理最低，NPKS3處理最高。相對(duì)NPK處理，化肥配施秸稈還田后BXYL、CBH、NAG和BG的活性提高了17.18%～140.53%、1.69%～111.40%、15.37%～42.72%和34.03%～64.32%。其中BXYL活性對(duì)秸稈還田響應(yīng)較為敏感，NPKS3處理BXYL活性顯著高于NPKS1和NPKS2處理105.27%和28.22%，NPKS2處理BXYL活性顯著高于NPKS1處理60.08%。NPKS2和NPKS3處理的CBH活性顯著高于NPKS1處理81.31%和107.87%，NPKS2和NPKS3處理之間無(wú)顯著性差異。而NAG和BG活性不同秸稈還田量處理之間則沒(méi)有顯著性差異。

2.4 不同秸稈還田量對(duì)作物產(chǎn)量的影響

圖2 不同秸稈還田量對(duì)土壤酶活性的影響Figure 2 Effects of different straw returning amounts on soil enzyme activities

秸稈還田后春玉米不同分器官干物質(zhì)量均有一定程度的增加（表5），相對(duì)NPK處理，秸稈還田分別提高了玉米單株葉、莖、籽粒、軸和根2.08%～17.14%、22.21%～31.21%、11.74%～16.62%、19.19%～21.02%和25.61%～62.13%。而不同秸稈還田量各分器官干物質(zhì)量均無(wú)顯著差異。相對(duì)CK處理，NPK處理顯著提高了玉米產(chǎn)量47.66%。相對(duì)NPK處理，NPKS1、NPKS2和NPKS3處理的產(chǎn)量提高了2.75%、2.25%和4.55%，NPKS3處理下玉米產(chǎn)量表現(xiàn)最高，但是不同秸稈還田量下玉米產(chǎn)量之間無(wú)顯著差異，說(shuō)明化肥在作物增產(chǎn)方面效果顯著，而不同秸稈還田量對(duì)作物生長(zhǎng)的影響在目前的實(shí)驗(yàn)階段沒(méi)有顯著差異。

2.5 作物產(chǎn)量、土壤有機(jī)碳與各活性有機(jī)碳庫(kù)及土壤酶活性的相關(guān)性分析

綜合各處理的春玉米產(chǎn)量，土壤酶活性，土壤活性碳庫(kù)組分含量進(jìn)行相關(guān)性分析（表6），各處理的作物產(chǎn)量與土壤DOC、MBC和POC含量均呈極顯著相關(guān)（P＜0.01），與土壤ROC、BG、NAG、CBH、BXYL活性顯著相關(guān)（P＜0.05）；SOC除與作物產(chǎn)量和DOC不相關(guān)，與其他指標(biāo)均顯著（P＜0.05）或者極顯著相關(guān)（P＜0.01）。碳組分DOC、MBC、POC、ROC和土壤酶活BXYL、CBH、NAG、BG之間兩兩相關(guān)（P＜0.05）。

表5 不同秸稈還田量對(duì)春玉米不同器官干物質(zhì)分配與產(chǎn)量的影響Table 5 Effects of different amounts of straw return on spring maize yield and its dry matter distribution

表6 作物產(chǎn)量、土壤有機(jī)碳與各活性有機(jī)碳庫(kù)及土壤酶活性之間的相關(guān)系數(shù)Table 6 Correlation coefficients between spring maize yield，soil organic carbon and soil active organic carbon components as well as soil enzyme activities

3 討論

3.1 秸稈還田對(duì)SOC活性組分及其分配比率的影響

SOC是改善土壤功能和性質(zhì)、維持土壤質(zhì)量和肥力不可缺少的組分[22-23]。本試驗(yàn)中SOC隨著秸稈還田量比例的增加而增加，但是不同量秸稈還田對(duì)土壤SOC沒(méi)有顯著影響，主要原因可能為秸稈還田對(duì)SOC含量的改變是一個(gè)比較緩慢的過(guò)程，在本研究地區(qū)高SOC本底值背景下，秸稈還田對(duì)SOC細(xì)微的提升效果在短期內(nèi)沒(méi)有凸顯出來(lái)。有研究認(rèn)為土壤SOC對(duì)碳輸入和其他管理措施的響應(yīng)取決于土壤初始碳含量，例如Lou等[24]發(fā)現(xiàn)秸稈短期（＜5年）還田后并沒(méi)有顯著改變SOC含量，而Liu等[25]通過(guò)meta分析證明持續(xù)不斷的秸稈還田可以進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)田非碳飽和土壤的碳固存，本研究中不同還田量處理下SOC含量之間的差異還需較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)尺度驗(yàn)證。SOC由于較高的本底值及時(shí)間和空間上較大的變異性，它的損耗或者增加在短期很難被監(jiān)測(cè)到[26]，其活性組分如DOC、MBC、POC和ROC對(duì)于管理措施反應(yīng)比SOC更快，被用來(lái)作為SOC變化的早期敏感指標(biāo)[27]。這些活性碳組分含量遠(yuǎn)小于SOC總量，易于被分解，是土壤食物網(wǎng)的“燃料”并強(qiáng)烈影響?zhàn)B分循環(huán)[28-29]。本研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田對(duì)土壤活性碳組分的提升隨著還田量的增加而增加，主要原因是秸稈作為外源有機(jī)物為微生物提供了充足的能量來(lái)源，促進(jìn)微生物的大量繁殖和生長(zhǎng)進(jìn)而釋放更多的活性碳組分進(jìn)入土壤中[30]。土壤DOC被認(rèn)為是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和功能的指標(biāo)，秸稈半量和高量還田顯著提高了土壤DOC含量，這與前人[31]研究相符。相對(duì)NPK處理，秸稈全量和半量還田顯著提高土壤POC和ROC的分配比例，說(shuō)明高量秸稈還田可以提高土壤有機(jī)碳的有效性，進(jìn)而改善土壤質(zhì)量。土壤微生物量作為養(yǎng)分的“源”和“匯”，參與并調(diào)節(jié)養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程，本研究結(jié)果表明秸稈還田明顯提高土壤微生物碳量，這與Zhao等[32]在中國(guó)中北部的研究結(jié)果高量秸稈還田可以進(jìn)一步提高土壤微生物磷脂脂肪酸含量相似，我們的研究還發(fā)現(xiàn)土壤微生物量碳與春玉米產(chǎn)量呈極顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），這可能與微生物參與植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收與循環(huán)有關(guān)。

3.2 秸稈還田對(duì)土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

基于土壤有機(jī)碳及其活性組分變化，碳庫(kù)管理指數(shù)逐步成為評(píng)估SOC變化的速率和狀態(tài)的指標(biāo)，也可用來(lái)指示管理措施對(duì)土壤質(zhì)量提升的能力[33]，進(jìn)而評(píng)估農(nóng)業(yè)實(shí)踐的功效。本研究以不施肥為參考土壤研究碳庫(kù)管理指數(shù)發(fā)現(xiàn)，所有施肥處理的碳庫(kù)管理指數(shù)均大于100，且碳庫(kù)管理指數(shù)隨著秸稈還田量的增加而升高，這與王晶等[34]施肥尤其是有機(jī)無(wú)機(jī)配施更有助于黑土活性有機(jī)碳的增加和CMPI的提高的研究結(jié)果相似。碳庫(kù)管理指數(shù)越大意味著高的SOC儲(chǔ)量和ROC含量及高的有機(jī)物質(zhì)中的養(yǎng)分含量，秸稈還田碳庫(kù)管理指數(shù)的增加與土壤SOC和ROC含量升高表現(xiàn)一致，這也與Li等[35]報(bào)道一致。但是徐明崗等[36]在紅壤上發(fā)現(xiàn)秸稈還田10年后其碳庫(kù)管理指數(shù)呈先下降后上升趨勢(shì)，秸稈還田對(duì)紅壤旱地有機(jī)質(zhì)含量的促進(jìn)效果比較慢，推測(cè)這可能與施肥種類(lèi)、數(shù)量及土壤質(zhì)地等有關(guān)，紅壤地區(qū)酸化比較嚴(yán)重，速效養(yǎng)分較低，而黑土區(qū)域土壤相對(duì)肥沃，盡管處于中溫帶、秸稈腐解較慢，但是土壤條件的差異足以使得不同區(qū)域下碳庫(kù)管理指數(shù)對(duì)秸稈還田的響應(yīng)迥異。曾駿等[37]在灰漠土的研究也發(fā)現(xiàn)施肥均可以提高土壤碳庫(kù)指數(shù)，而何翠翠等[20]發(fā)現(xiàn)以撂荒處理為對(duì)照，化肥配施秸稈還田后其碳庫(kù)管理指數(shù)低于對(duì)照，而本研究中土壤碳本底值稍高于何翠翠等研究地區(qū)，且參考土壤處理不一致，撂荒處理下明顯降低了對(duì)土壤的人為擾動(dòng)，減少了由于作物秸稈移出帶來(lái)的土壤碳的輸出，其土壤有機(jī)質(zhì)含量背景值高于不施肥、單施化肥及化肥配施秸稈還田處理，這可能是造成土壤活性有機(jī)質(zhì)含量與碳庫(kù)管理指數(shù)差異的重要原因。秸稈還田對(duì)碳庫(kù)活度、碳庫(kù)活度指數(shù)、碳庫(kù)指數(shù)和碳庫(kù)管理指數(shù)的提升效果以全量秸稈還田最好，說(shuō)明秸稈還田后增大了土壤活性有機(jī)組分的比重，有利于土壤碳庫(kù)活度指數(shù)的升高，本研究也充分說(shuō)明了秸稈還田可以提高黑土碳庫(kù)管理指數(shù)和土壤質(zhì)量，且以高量秸稈還田效果最佳。

3.3 秸稈還田對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶活性是指示土壤質(zhì)量最重要的指標(biāo)之一，與農(nóng)田管理下SOC變化密切相關(guān)，可以用來(lái)預(yù)測(cè)秸稈還田后土壤微生物群落的響應(yīng)狀況及土壤潛在代謝能力[38-39]。Bolinder等[40]認(rèn)為土壤微生物活性尤其是酶活性比SOC與ROC對(duì)土壤質(zhì)量的變化更敏感。Zhao等[32]發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期秸稈還田顯著增加土壤酶活性，秸稈還田4年后極大地提高了土壤脲酶和蔗糖酶的活性，并且這些酶均與SOC含量相關(guān)。在本文的研究中，BXYL、CBH、NAG、BG四種酶活性的變化趨勢(shì)在不同處理中是相似的，秸稈進(jìn)入土壤后各類(lèi)酶活性均有不同程度的提高，且均隨著秸稈還田量的增加而增加，可能與秸稈還田促進(jìn)了土壤微生物的新陳代謝有關(guān)。唐曉雪等[41]發(fā)現(xiàn)化肥配合秸稈直接還田后，土壤速效氮磷含量均有一定程度降低，且脲酶與轉(zhuǎn)化酶的活性均低于化肥配合秸稈堆肥還田處理，而秸稈還田能夠直接增加黑土酶活性的重要原因可能與黑土屬于偏中性土壤、速效養(yǎng)分含量較高，較好的土壤條件能保證土壤微生物的分解活動(dòng)有關(guān)，這可能是黑土酶活性對(duì)秸稈還田的響應(yīng)區(qū)別于酸性土壤的重要原因之一。各類(lèi)酶活均與SOC及碳組分呈顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），可能是由于秸稈還田加速了與碳循環(huán)有關(guān)的土壤酶活性的刺激作用所致，而存在于酶活性與土壤碳素之間的相關(guān)性（P＜0.05）與我們先前的研究結(jié)論也相符[42]。BG和CBH在土壤有機(jī)質(zhì)的分解中扮演重要角色，相對(duì)NPK處理，秸稈還田顯著提高了BG活性，可能由于秸稈還田后有機(jī)物質(zhì)的降解產(chǎn)生了較多酶解反應(yīng)的底物，促進(jìn)酶促反應(yīng)的進(jìn)行，但是不同還田量之間沒(méi)有顯著性差異，也有可能與秸稈還田量過(guò)多造成土壤與大氣流通不暢，導(dǎo)致缺氧使得微生物活性沒(méi)有顯著增加所致[43]。董明哲等[44]研究發(fā)現(xiàn)纖維素酶活性在水旱輪作下對(duì)秸稈還田的響應(yīng)更為強(qiáng)烈，各種酶對(duì)秸稈還田量響應(yīng)不一，也可能與土地利用和農(nóng)田管理方式有關(guān)。

3.4 秸稈還田對(duì)玉米干物質(zhì)積累與分配及產(chǎn)量的影響

秸稈還田在提高農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量的同時(shí)改善土壤結(jié)構(gòu)，秸稈中含有多種有益微量元素可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)及對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而增加作物各器官干物質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量。目前有關(guān)秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量的影響研究結(jié)論不一，有增加、減少和沒(méi)有影響，其差異主要取決于氣候條件、種植方式、養(yǎng)分和水分管理等[45-46]。本試驗(yàn)中秸稈還田雖然提高了作物產(chǎn)量，且均以秸稈全量還田對(duì)玉米不同器官干物質(zhì)量和產(chǎn)量的提升效果最好，但是不同秸稈還田量處理對(duì)春玉米產(chǎn)量的影響沒(méi)有顯著差異，而王寧等[47]發(fā)現(xiàn)秸稈全量還田并不能提高玉米產(chǎn)量，可能與土壤質(zhì)地貧瘠且施肥量不足有關(guān)，因此，不同還田量之間沒(méi)有顯著差異的主要原因可能是由于研究地區(qū)土壤質(zhì)地肥沃且化肥的作用在很大程度上掩蓋了秸稈還田的功效。徐蔣來(lái)等[48]發(fā)現(xiàn)秸稈半量還田對(duì)小麥增產(chǎn)效果最好，水稻產(chǎn)量則隨著秸稈還田量的增加而增加，但是增幅先快后慢，這可能與秸稈分解礦化過(guò)程相關(guān)，前期秸稈中易分解物質(zhì)如單糖、淀粉等被微生物大量轉(zhuǎn)化吸收，促進(jìn)土壤肥力的提升，后期秸稈中的難分解組分如木質(zhì)素、纖維素和單寧等分解需要較長(zhǎng)的周期，導(dǎo)致對(duì)作物產(chǎn)量的提升效果逐漸下降。辛勵(lì)等[49]研究表明秸稈配施氮肥處理能夠顯著增加玉米產(chǎn)量，且隨著秸稈用量增加玉米籽粒中淀粉和粗脂肪含量越高，因此，我們推測(cè)試驗(yàn)周期較短，土壤肥沃以及化肥增產(chǎn)功效明顯，這三方面是導(dǎo)致本研究不同量還田下玉米產(chǎn)量沒(méi)有顯著差異的主要原因。

許多研究[36，50]表明化肥與有機(jī)肥配合是改善土壤質(zhì)量保證作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的重要措施，從目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，化肥與秸稈還田配施是提高玉米產(chǎn)量、保證土壤碳組分質(zhì)量的重要措施，但是由于本試驗(yàn)缺乏單施秸稈的處理，使得我們難以估算僅由作物秸稈還田后對(duì)作物產(chǎn)量與土壤碳庫(kù)組分增加的貢獻(xiàn)。本研究中作物產(chǎn)量除與SOC相關(guān)性未達(dá)到顯著水平外（P＜0.05），與其他所有碳組分及酶活性均顯著相關(guān)（P＜0.05），而徐明崗等[51]研究認(rèn)為農(nóng)田土壤有機(jī)碳與作物產(chǎn)量的協(xié)同效應(yīng)存在閾值，并且二者之間的關(guān)系會(huì)受到氣候條件及管理措施等的影響，存在一定的不確定性。而本研究中產(chǎn)量與各碳組分、酶活性的顯著相關(guān)性也間接說(shuō)明了這一點(diǎn)，土壤有機(jī)質(zhì)與作物產(chǎn)量間的關(guān)系可能被掩蓋，而活性碳組分可以更加敏感地反映作物產(chǎn)量與土壤有機(jī)碳的關(guān)系。秸稈還田通過(guò)影響土壤微生物的活性及土壤碳組分的有效性同時(shí)影響作物產(chǎn)量，這兩方面的改善有可能掩蓋了土壤有機(jī)碳對(duì)產(chǎn)量的有效性。土壤是不可再生的重要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，需要不斷補(bǔ)充新鮮碳源來(lái)補(bǔ)充其碳輸入維持其生產(chǎn)力，秸稈作為物質(zhì)、養(yǎng)分和能源的載體可以很好地補(bǔ)充地力，但是不同秸稈還田量下土壤性質(zhì)與功能變化仍因氣候、種植條件等差異較大，不同量秸稈還田后增產(chǎn)增肥的效果仍然需要更長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

秸稈還田顯著增加土壤碳組分含量，相對(duì)NPK處理，NPKS1、NPKS2和NPKS3處理對(duì)可溶性有機(jī)碳、微生物量碳、顆粒有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳增加幅度分別為 18.40%～28.52%、11.28%～30.84%、24.49%～92.13%和53.43%～113.68%，且隨著秸稈還田量的增加提升效果越明顯。秸稈還田顯著增加土壤碳庫(kù)活度和碳庫(kù)管理指數(shù)，同時(shí)提高土壤酶活性。秸稈還田后產(chǎn)量有所提升，但是不同還田量之間差異不顯著。綜合土壤活性碳組分與碳庫(kù)管理指數(shù)響應(yīng)、土壤酶活性及作物產(chǎn)量等指標(biāo)情況，秸稈半量還田與全量還田均有利于土壤質(zhì)量改善和作物生長(zhǎng)，即在本試驗(yàn)條件下，秸稈4500～9000 kg·hm-2是比較適宜的秸稈還田量。