程 曼, 解文艷, 楊振興, 周懷平**

黃土旱塬長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)土壤養(yǎng)分、酶活性及玉米產(chǎn)量的影響*

程 曼1,2, 解文艷2, 楊振興2, 周懷平2**

(1. 山西大學(xué)黃土高原研究所 太原 030006; 2. 山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所 太原 030031)

研究黃土旱塬區(qū)玉米生產(chǎn)中長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)土壤性質(zhì)及玉米產(chǎn)量的影響, 可為農(nóng)田土壤可持續(xù)利用及質(zhì)量提升提供科學(xué)依據(jù)。本研究基于連續(xù)24年(1992—2016年)秸稈還田長(zhǎng)期定位試驗(yàn), 設(shè)置秸稈過腹還田、秸稈直接還田、秸稈覆蓋還田以及不還田處理, 研究長(zhǎng)期不同秸稈還田方式對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)、酶活性以及玉米產(chǎn)量的影響。研究表明, 秸稈不還田處理累積玉米產(chǎn)量為1.695×105kg?hm-2, 覆蓋還田、直接還田和過腹還田處理累積玉米產(chǎn)量分別為1.885×105kg?hm-2、1.854×105kg?hm-2、2.001×105kg?hm-2, 其增產(chǎn)率分別為10.1%、8.6%、15.3%。3種秸稈還田均可以顯著提高0~20 cm土層土壤有機(jī)碳含量6%~14%, 對(duì)20~40 cm土層土壤有機(jī)碳含量無顯著影響。與秸稈不還田相比, 長(zhǎng)期過腹還田可顯著增加土壤全氮、全磷、全鉀、有效氮、有效磷和有效鉀含量, 秸稈直接還田可顯著增加土壤全氮、全鉀、有效氮和有效鉀含量, 長(zhǎng)期覆蓋還田僅提高土壤有效氮和有效鉀含量。土壤蔗糖酶活性表現(xiàn)為過腹還田最高, 直接還田和覆蓋還田次之, 不還田處理最低。秸稈直接還田0~20 cm纖維素酶活性最高, 是不還田處理的2.2倍。過腹還田使土壤脲酶活性和堿性磷酸酶活性分別顯著提高13.0%和20.5%, 直接還田和秸稈覆蓋對(duì)脲酶和堿性磷酸酶活性無顯著影響。玉米生產(chǎn)中長(zhǎng)期連續(xù)秸稈過腹還田和直接還田對(duì)土壤養(yǎng)分含量及酶活性產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響, 尤其是土壤蔗糖酶活性的提高與玉米產(chǎn)量穩(wěn)定和提升有非常緊密聯(lián)系。

連續(xù)秸稈還田; 秸稈還田方式; 土壤養(yǎng)分; 土壤酶活性; 玉米產(chǎn)量

作物秸稈是非常重要的有機(jī)肥資源之一。2015年我國主要農(nóng)作物秸稈資源量為71 878.53萬t, 所含的氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)養(yǎng)分資源總量分別達(dá)6.256′106t、1.979′106t、1.595′106t[1]。農(nóng)作物秸稈作為一類生物質(zhì)資源, 其豐富的氮磷鉀元素并沒有得到合理利用, 大量秸稈被焚燒和丟棄[2]。秸稈還田是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥減施和提質(zhì)增效的有效助力, 高效持續(xù)利用作物秸稈在養(yǎng)分管理、農(nóng)田生產(chǎn)力維持和土壤質(zhì)量提升中具有重要作用。

秸稈還田主要通過兩種途徑影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育: 一是通過自身分解釋放的營(yíng)養(yǎng)元素、化學(xué)物質(zhì)等直接影響作物生長(zhǎng), 二是通過影響作物生長(zhǎng)的環(huán)境因子間接影響作物的生長(zhǎng)[3]。將秸稈施入土壤中, 不僅可以改善土壤環(huán)境[4-6], 還可以緩解由于集中、持續(xù)的傳統(tǒng)耕作所帶來的土壤退化[7]。然而, 秸稈在田間的分解及其養(yǎng)分轉(zhuǎn)化較慢, 秸稈還田對(duì)土壤肥力和作物產(chǎn)量的影響在短期內(nèi)的表現(xiàn)并不能反映秸稈還田的實(shí)踐意義[8-9]?；陂L(zhǎng)期定位試驗(yàn)的研究則可以較好地反映施肥管理對(duì)土壤肥力、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和作物產(chǎn)量的影響[10]。研究長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量和土壤性質(zhì)的影響, 探討秸稈還田對(duì)土壤環(huán)境的長(zhǎng)效影響, 對(duì)于長(zhǎng)期秸稈施用具有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。

前人針對(duì)長(zhǎng)期秸稈還田已開展了許多研究, 主要集中在秸稈還田量、還田方式、還田頻率等對(duì)土壤性質(zhì)和作物產(chǎn)量的影響。Zhou等[11]在我國西南地區(qū)水稻()-小麥()輪作系統(tǒng)的研究結(jié)果表明, 12年秸稈覆蓋可以促進(jìn)土壤有機(jī)碳固定并保障基本作物產(chǎn)量。張聰?shù)萚12]在甘肅的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn), 持續(xù)秸稈還田可有效增加耕層土壤有機(jī)碳、養(yǎng)分和土壤酶活性, 但還田10年后土壤有機(jī)碳、養(yǎng)分及作物產(chǎn)量等不再大幅增加。趙士誠等[13]發(fā)現(xiàn)華北小麥-玉米()輪作系統(tǒng)32年秸稈直接還田用量的增加提高了土壤全氮和全磷, 對(duì)全鉀沒有影響。廖育林等[14]的研究則表明, 長(zhǎng)期施用氮磷的基礎(chǔ)上配施稻草還田不僅能提高水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的能力, 而且可以增強(qiáng)土壤的鉀吸持能力、保持農(nóng)田鉀素平衡和提高土壤供鉀能力。長(zhǎng)期不同秸稈還田對(duì)土壤性質(zhì)和作物產(chǎn)量等的影響因還田年限、土壤類型等并沒有一致的結(jié)論, 尤其是長(zhǎng)期秸稈還田下土壤性質(zhì)的變化對(duì)作物產(chǎn)量的影響機(jī)制并不清楚。為揭示旱作玉米生產(chǎn)中土壤性質(zhì)和作物產(chǎn)量對(duì)長(zhǎng)期秸稈還田的響應(yīng), 本研究依托農(nóng)業(yè)部壽陽野外科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站, 分析長(zhǎng)期不同秸稈還田方式中玉米產(chǎn)量的變化特征, 研究長(zhǎng)期不同秸稈還田方式對(duì)土壤養(yǎng)分和酶活性的影響, 深入探討玉米累積產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分和酶活性的關(guān)聯(lián), 為旱作玉米生產(chǎn)中秸稈資源利用提供技術(shù)支撐, 為黃土旱塬區(qū)旱作農(nóng)田玉米生產(chǎn)及農(nóng)田土壤可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)在山西壽陽野外科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站(113°06′E、37°58′N)進(jìn)行。該實(shí)驗(yàn)站海拔1 130 m, 年均氣溫7.4 ℃, ≥10 ℃積溫3 400 ℃, 無霜期約130 d, 年蒸發(fā)量1 600~1 800 mm, 年日照時(shí)數(shù)2 858.3 h, 年均降水量501.1 mm, 70%左右的降水集中在6—9月, 干燥度為1.3, 屬暖溫帶半濕潤(rùn)偏旱區(qū)。試驗(yàn)地塊基本平坦, 土層深厚, 地下水埋深在10 m以下。土壤為褐土性土, 成土母質(zhì)為馬蘭黃土, 屬黃土旱塬地。試驗(yàn)初始時(shí)耕層土壤基本性質(zhì)為: 有機(jī)碳13.6 g?kg-1, 全氮1.07 g?kg-1, 全磷1.78 g?kg-1, 全鉀14.10 g?kg-1, 有效氮76.40 mg?kg-1, 有效磷2.80 mg?kg-1, 有效鉀95.00 mg?kg-1, pH為8.4。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

本研究設(shè)4個(gè)處理, 分別為: 1)秸稈覆蓋還田: 在前茬玉米收獲后, 將上茬覆蓋未腐解的秸稈鍘碎, 結(jié)合秋季深耕翻直接還田, 次年整地直接播種再進(jìn)行整稈均勻覆蓋; 2)秸稈直接還田: 在前茬玉米收獲后, 將玉米秸稈鍘碎為15 cm長(zhǎng), 結(jié)合秋季深耕翻直接還田, 次年整地后直接播種; 3)秸稈過腹還田: 在前茬玉米收獲后, 將腐熟濕牛糞均勻撒在地面, 結(jié)合秋季深耕翻直接還田, 次年整地后直接播種; 4)空白對(duì)照。無重復(fù), 共4個(gè)小區(qū), 每個(gè)處理小區(qū)面積54 m2。為消除處理內(nèi)差異, 在各小區(qū)內(nèi)設(shè)置3個(gè)虛擬重復(fù)進(jìn)行采樣。

試驗(yàn)從1992年4月開始, 種植制度為玉米一年1熟。1993年至1997年玉米品種為‘煙單14號(hào)’, 1998年至2003年為‘晉單34號(hào)’, 2004年至2011年為‘強(qiáng)盛31號(hào)’, 2012年至2016年為‘晉單81號(hào)’。玉米播種時(shí)間在4月15—25日, 收獲時(shí)間為9月20日—10月10日。種植密度為49 500~52 500株?hm-2。各小區(qū)栽培管理措施一致, 田間管理措施主要是除草和防治病蟲害。各小區(qū)統(tǒng)一施肥, 在前茬玉米收獲后結(jié)合秋季深耕翻施肥, 玉米生長(zhǎng)期間不施肥, 無補(bǔ)充灌溉。施肥量為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣施肥量(N 150 kg?hm-2、P2O584 kg?hm-2), 施用氮肥為尿素(含N 46%), 磷肥為普通過磷酸鈣(含P2O514%)。秸稈還田量為6 t?hm-2, 過腹還田牛糞(濕)45 000 kg?hm-2。

1.3 樣品采集及測(cè)定方法

玉米產(chǎn)量在每年10月5日左右收獲, 將每個(gè)試驗(yàn)處理區(qū)分為3個(gè)虛擬小區(qū)(每個(gè)小區(qū)18 m2), 將3個(gè)小區(qū)玉米穗分別裝袋風(fēng)干, 手工脫粒稱重, 測(cè)定含水量, 計(jì)算玉米產(chǎn)量。于2016年10月在玉米收獲后于各處理的虛擬小區(qū)內(nèi)采用對(duì)角線法采集土壤混合樣品, 分別采集0~20 cm和20~40 cm土層土壤, 并盡快帶回實(shí)驗(yàn)室, 小心去除土壤樣品中的植物殘?bào)w和石礫等, 在陰涼處晾干并妥善保存。

土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定, 土壤全氮采用凱氏定氮法測(cè)定, 土壤全磷采用硫酸高氯酸消煮-鉬銻抗比色法, 土壤全鉀采用火焰光度法; 土壤有效氮采用擴(kuò)散法, 土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法; 土壤纖維素酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法, 土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法, 土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法, 土壤脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文中所有數(shù)據(jù)利用Excel 2003和SPSS 18.0處理, 采用LSD法對(duì)不同處理間玉米產(chǎn)量、土壤化學(xué)性質(zhì)和酶活性的差異顯著性進(jìn)行分析, 利用Pearson相關(guān)分析研究玉米累積產(chǎn)量、土壤酶活性以及土壤化學(xué)性質(zhì)之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期不同秸稈還田對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

長(zhǎng)期秸稈還田1993年至2016年玉米籽粒產(chǎn)量變化特征如表1所示。24年定位試驗(yàn)期間, 1993—1997年玉米產(chǎn)量為3 680~8 360kg?hm-2, 1998—2003年為2 450~8 210 kg?hm-2, 2004—2011年為5 250~10 920 kg?hm-2, 2012—2016年為5 870~15 950 kg?hm-2。除1996年、1997年和2015年, 過腹還田處理玉米籽粒產(chǎn)量均顯著高于不還田處理(<0.05); 1996年和1997年, 3種秸稈還田處理和不還田處理間玉米產(chǎn)量無顯著差異(>0.05); 2015年過腹還田處理和不還田處理的玉米產(chǎn)量間無顯著性差異, 覆蓋還田和直接還田處理顯著高于不還田處理(<0.05)。

由圖1可知, 覆蓋還田、直接還田、過腹還田和不還田處理累積玉米產(chǎn)量分別為1.885′105kg?hm-2、1.854′105kg?hm-2、2.001′105kg?hm-2和1.695′105kg?hm-2。3種秸稈還田方式累積玉米產(chǎn)量均顯著高于不還田處理(<0.05), 過腹還田處理累積玉米產(chǎn)量顯著高于直接還田處理和覆蓋還田處理(<0.05), 直接還田處理和覆蓋還田處理間無顯著差異(0.05)。和不還田處理相比, 覆蓋還田、直接還田和過腹還田處理增產(chǎn)率分別為10.1%、8.6%、15.3%。

表1 1993—2016年不同秸稈還田處理玉米籽粒產(chǎn)量變化特征

CK為不還田處理, SM為秸稈覆蓋還田, DS為秸稈直接還田, AS為秸稈過腹還田; 同列數(shù)據(jù)不同小寫字母表示不同秸稈還田處理間存在顯著性差異(<0.05)。CK means non-straw returning, SM means straw mulching, DS means direct straw returning, AS means animal-digested straw returning. Different lowercase letters following the same column data mean significant differences among different treatments (< 0.05).

圖1 長(zhǎng)期不同秸稈還田處理的玉米累積產(chǎn)量及增產(chǎn)率

CK為不還田處理, SM為秸稈覆蓋還田, DS為秸稈直接還田, AS為秸稈過腹還田; 不同大寫字母表示不同秸稈還田處理之間累積玉米產(chǎn)量存在顯著差異(<0.05)。CK means non-straw returning, SM means straw mulching, DS means direct straw returning, AS means animal-digested straw returning. Different capital letters mean significant differences among different straw returning treatments (< 0.05).

2.2 長(zhǎng)期不同秸稈還田對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

表2為長(zhǎng)期不同秸稈還田下土壤養(yǎng)分分布特征。不同處理土壤有機(jī)碳含量在0~20 cm土層表現(xiàn)為直接還田和過腹還田最高, 覆蓋還田居中, 不還田處理最低, 直接還田和過腹還田分別是不還田處理的1.14倍和1.13倍。土壤有機(jī)碳含量在20~40 cm土層分布為10.80~11.73 g?kg-1, 不同處理之間無顯著性差異。土壤全氮含量在0~20 cm土層為1.12~1.27 g?kg-1, 在20~40 cm土層為0.83~0.98 g?kg-1, 兩個(gè)土層均表現(xiàn)為覆蓋還田和不還田處理間無顯著性差異, 直接還田和過腹還田顯著高于不還田處理, 是不還田處理的1.13倍。土壤全磷含量在0~20 cm土層為0.70~0.91 g?kg-1, 在20~40 cm土層為0.52~0.75 g?kg-1, 過腹還田土壤全磷含量顯著高于不還田處理, 直接還田與覆蓋還田土壤全磷含量和不還田處理無顯著性差異。0~20 cm土層土壤全鉀含量過腹還田和直接還田處理比不還田處理分別高3.76 g?kg-1和1.50 g?kg-1, 20~40 cm僅表現(xiàn)為過腹還田處理顯著高于不還田處理(3.75 g?kg-1), 覆蓋還田處理和不還田處理土壤全鉀含量無顯著性差異(0.05)。

長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)土壤有效養(yǎng)分含量產(chǎn)生了顯著的影響。土壤有效氮含量在0~20 cm和20~40 cm土層分別為53.77~72.31 mg?kg-1和38.94~51.92 mg?kg-1; 0~ 20 cm土層表現(xiàn)為過腹還田土壤有效氮含量最高, 直接還田和覆蓋還田居中, 不還田處理最低; 20~40 cm土層表現(xiàn)為過腹還田和直接還田顯著高于覆蓋還田和不還田處理。直接還田和覆蓋還田處理和不還田處理間土壤有效磷含量無顯著差異, 過腹還田處理土壤有效磷含量顯著高于不還田處理, 其有效磷含量在0~20 cm土層和20~40 cm土層分別是不還田處理的2.53倍和1.56倍。土壤有效鉀在0~20 cm土層和20~40 cm土層均表現(xiàn)為過腹還田處理最高, 覆蓋還田和直接還田處理居中, 不還田處理最低。

2.3 長(zhǎng)期不同秸稈還田對(duì)土壤蔗糖酶活性和纖維素酶活性的影響

從圖2可知, 長(zhǎng)期不同秸稈還田對(duì)土壤蔗糖酶活性和纖維素酶活性產(chǎn)生了顯著的影響。不還田處理土壤蔗糖酶活性0~20 cm土層和20~40 cm土層分別為19.6 mg(glucose)?24h-1?g-1和16.1 mg(glucose)?24 h-1?g-1, 長(zhǎng)期秸稈還田土壤蔗糖酶活性均顯著高于不還田處理, 其中過腹還田處理在0~20 cm和20~40 cm土層均表現(xiàn)最高, 分別是不還田處理的2.1倍和1.8倍; 秸稈覆蓋還田處理0~20 cm土層土壤蔗糖酶活性為29.0 mg(glucose)?24h-1?g-1, 是不還田處理的1.5倍, 在20~40 cm土層則表現(xiàn)為過腹還田≈覆蓋還田>直接還田>不還田。不還田處理土壤纖維素酶活性0~20 cm土層和20~40 cm土層分別為0.7 mg(glucose)?72h-1?g-1和0.5 mg(glucose)?72h-1?g-1。土壤纖維素酶活性在0~20 cm土層表現(xiàn)為不還田處理最低, 覆蓋還田和過腹還田處理居中, 分別為不還田處理的1.7倍和1.4倍, 直接還田處理最高, 為1.5 mg(glucose)?72h-1?g-1。土壤纖維素酶活性在20~40 cm土層表現(xiàn)為覆蓋還田處理最高[0.9 mg(glucose)?72h-1?g-1], 是不還田處理的1.7倍。

表2 長(zhǎng)期不同秸稈還田處理對(duì)不同土層土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

不同大寫字母表示不同秸稈還田處理間差異顯著(<0.05), 不同小寫字母表示不同土層間差異顯著(<0.05)。CK means non-straw returning, SM means straw mulching, DS means direct straw returning, AS means animal-digested straw returning. Different capital letters mean significant differences at 0.05 level among different straw returning treatments. Different lowercase letters mean significant differences at 0.05 level between two soil layers.

圖2 長(zhǎng)期不同秸稈還田處理對(duì)不同土層土壤蔗糖酶活性和纖維素酶活性的影響

CK為不還田處理, SM為秸稈覆蓋還田, DS為秸稈直接還田, AS為秸稈過腹還田。不同大寫字母表示不同秸稈還田處理間差異顯著, 不同小寫字母表示不同土層間差異顯著(<0.05)。CK means non-straw returning, SM means straw mulching, DS means direct straw returning, AS means animal-digested straw returning. Different capital letters mean significant differences among different straw returning treatments (< 0.05). Different lowercase letters mean significant differences between two soil layers (< 0.05).

2.4 長(zhǎng)期不同秸稈還田對(duì)土壤脲酶活性和堿性磷酸酶活性的影響

長(zhǎng)期不同秸稈還田土壤脲酶活性為1.4~1.9 mg(NH3-N)?24h-1?g-1。過腹還田處理0~20 cm土層土壤脲酶活性顯著高于其他處理, 是不還田處理的1.2倍; 其他處理和不還田處理之間無顯著性差異(圖3)。4個(gè)處理土壤脲酶活性均表現(xiàn)為0~20 cm土層顯著高于20~40 cm土層。土壤堿性磷酸酶活性為0.19~0.35 mg(phenol)?24h-1?g-1, 0~20 cm土層表現(xiàn)為過腹還田處理最高, 為0.35 mg(phenol)?24h-1?g-1, 高于不還田處理20.0%左右; 覆蓋還田和直接還田處理次之, 為0.30 mg(phenol)?24h-1?g-1, 和不還田處理無顯著差異; 20~40 cm土層表現(xiàn)為過腹還田高于不還田處理21.0%左右, 直接還田和覆蓋還田處理和不還田處理無顯著性差異。

圖3 長(zhǎng)期不同秸稈還田對(duì)不同土層土壤脲酶活性和堿性磷酸酶活性的影響

CK為不還田處理, SM為秸稈覆蓋還田, DS為秸稈直接還田, AS為秸稈過腹還田。不同大寫字母表示不同秸稈還田處理間差異顯著, 不同小寫字母表示不同土層間差異顯著(<0.05)。CK means non-straw returning, SM means straw mulching, DS means direct straw returning, AS means animal-digested straw returning. Different capital letters mean significant differences among different straw returning treatments (< 0.05). Different lowercase letters mean significant differences between two soil layers (< 0.05).

2.5 土壤酶活性、玉米累積產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分含量之間的相關(guān)性分析

表3為土壤酶活性與土壤化學(xué)性質(zhì)及玉米累積產(chǎn)量的Pearson相關(guān)系數(shù)。玉米累積產(chǎn)量和土壤蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān)(<0.05)。除土壤有機(jī)碳和全氮含量, 土壤蔗糖酶與其他養(yǎng)分含量呈顯著正相關(guān)(<0.05); 除土壤全鉀含量, 土壤纖維素酶活性與土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、有效氮、有效磷和有效鉀含量均呈極顯著正相關(guān)(<0.01); 土壤脲酶活性與土壤全氮呈顯著正相關(guān)(<0.05); 土壤堿性磷酸酶活性與土壤有機(jī)碳、土壤全氮、土壤全磷、有效氮、有效磷含量均呈極顯著正相關(guān)(<0.01), 與有效鉀含量呈顯著正相關(guān)(<0.05)。

表3 土壤酶活性與土壤養(yǎng)分及玉米累積產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)

*表示差異顯著(<0.05), **表示差異極顯著(<0.01)。* and ** mean significant correlation at< 0.05 and< 0.01, respectively.

3 討論

3.1 土壤化學(xué)性質(zhì)對(duì)長(zhǎng)期不同秸稈還田方式的響應(yīng)

農(nóng)田土壤養(yǎng)分是作物生長(zhǎng)發(fā)育各階段所必須的營(yíng)養(yǎng)元素, 是決定土壤肥力高低的決定性因素[22]。秸稈還田可以為作物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分, 促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和維護(hù)生態(tài)平衡, 然而秸稈還田存在腐解速率慢和養(yǎng)分釋放延遲的問題[23]。本研究結(jié)果表明, 從較長(zhǎng)時(shí)間尺度來看, 長(zhǎng)期過腹還田可顯著增加土壤全氮、全磷、全鉀、有效氮、有效磷和有效鉀含量, 秸稈直接還田可顯著增加土壤全氮、全鉀、有效氮和有效鉀含量, 長(zhǎng)期覆蓋還田僅提高土壤有效氮和有效鉀含量。這與以往的研究不完全一致, 趙士誠等[13]發(fā)現(xiàn)華北小麥-玉米輪作系統(tǒng)32年秸稈直接還田用量的增加提高了土壤全氮和全磷, 對(duì)全鉀沒有影響, 高量秸稈還田對(duì)硝態(tài)氮的提高具有促進(jìn)作用。徐燕等[24]研究證明長(zhǎng)期秸稈直接還田能有效提高土壤無機(jī)氮、有效磷和有效鉀含量, 連續(xù)還田效果好于隔年還田。張聰?shù)萚12]研究發(fā)現(xiàn)隨著秸稈還田年限延長(zhǎng), 土壤全氮和全磷顯著增加, 且認(rèn)為秸稈還田達(dá)到10年以上應(yīng)適當(dāng)減少秸稈的還田量, 從而高效利用玉米秸稈和持續(xù)提高改善土壤性能。農(nóng)作物秸稈中含有大量的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素, 長(zhǎng)期將秸稈直接還田和過腹還田, 意味著將含有氮、磷、鉀的有機(jī)物料連年補(bǔ)充入土壤中, 這對(duì)于土壤中氮、磷、鉀的影響是非常顯著的。植物殘?bào)w的輸入可以促進(jìn)土壤中可溶性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化, 促進(jìn)土壤中養(yǎng)分的可利用性[25]。秸稈覆蓋還田對(duì)土壤養(yǎng)分的影響則主要通過秸稈降解過程中對(duì)下層土壤的淋溶作用所引起的[26]?？梢? 長(zhǎng)期秸稈直接還田和過腹還田對(duì)土壤養(yǎng)分含量及有效性均產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

3.2 土壤酶活性對(duì)長(zhǎng)期不同秸稈還田的響應(yīng)

土壤酶活性可以反映土壤中生物化學(xué)過程的強(qiáng)度和方向, 在土壤養(yǎng)分循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化過程起著重要作用, 是表征土壤生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo), 可以用來了解和預(yù)測(cè)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化及肥力的演變趨勢(shì)[24]。本研究中過腹還田可以顯著提高土壤蔗糖酶、纖維素酶、脲酶和堿性磷酸酶活性, 直接還田和秸稈覆蓋僅有利于提高土壤蔗糖酶活性和纖維素酶活性。這與以往的研究不完全一致。劉建國等[27]發(fā)現(xiàn)棉花(spp.)長(zhǎng)期連作結(jié)合秸稈還田, 土壤蔗糖酶隨著還田年限的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì), 連作10年后逐漸升高。羅珠珠等[28]研究發(fā)現(xiàn), 秸稈還田可以有效提高表層土壤蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶, 對(duì)深層土壤影響較小。值得注意的是, 本研究中土壤蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶活性對(duì)過腹還田的響應(yīng)較大, 土壤纖維素酶活性則對(duì)秸稈直接還田的響應(yīng)較大。土壤酶活性在參與土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化、物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量交換中, 不僅存在共性關(guān)系, 土壤含氮有機(jī)化合物、有機(jī)碳以及磷素的轉(zhuǎn)化是相互影響的[29], 更多的是專一性, 土壤酶的專性特性能反映土壤中各種化合物的轉(zhuǎn)化進(jìn)程。秸稈還田后土壤酶活性的提高, 其主要原因是酶促反應(yīng)中底物的增加[12]。

土壤中的養(yǎng)分、酶和微生物等都是植物生長(zhǎng)發(fā)育中不可或缺的因素, 各因素在玉米生長(zhǎng)發(fā)育階段起非常重要的作用, 在各因素的協(xié)同作用下玉米才能高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)[12]。本研究中, 24年的覆蓋還田、直接還田和過腹還田處理的平均增產(chǎn)率分別為10.1%、8.6%、15.3%。玉米產(chǎn)量與土壤蔗糖酶活性呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(<0.05)。土壤蔗糖酶能促進(jìn)蔗糖分子中果糖基-葡萄糖苷碳鍵的斷裂, 使蔗糖水解成葡萄糖和果糖, 因此對(duì)增加土壤中易溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有很大作用。隋躍宇等[30]在黑龍江黑土發(fā)現(xiàn)作物產(chǎn)量和土壤蔗糖酶、磷酸酶、過氧化氫酶顯著相關(guān)。楊敏芳等[31]在稻麥兩熟制農(nóng)田中進(jìn)行秸稈還田, 發(fā)現(xiàn)土壤蔗糖酶與土壤養(yǎng)分存在顯著差異, 是反映土壤生物活性和土壤肥力的重要指標(biāo)?？梢? 持續(xù)秸稈還田條件下土壤酶活性與作物產(chǎn)量有著非常緊密的聯(lián)系。

4 結(jié)論

24年不同秸稈還田的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)表明, 黃土旱塬地旱作玉米生產(chǎn)中秸稈覆蓋還田、秸稈直接還田和秸稈過腹還田處理均可以顯著提高玉米產(chǎn)量, 其平均增產(chǎn)率分別為10.1%、8.6%和15.3%。長(zhǎng)期過腹還田可顯著增加土壤全氮、全磷、全鉀、有效氮、有效磷和有效鉀含量, 秸稈直接還田可顯著增加土壤全氮、全鉀、有效氮和有效鉀含量, 長(zhǎng)期覆蓋還田僅提高土壤有效氮和有效鉀含量。過腹還田可以顯著提高土壤蔗糖酶、纖維素酶、脲酶和堿性磷酸酶活性, 直接還田和秸稈覆蓋僅有利于提高土壤蔗糖酶活性和纖維素酶活性。土壤蔗糖酶、脲酶和堿性磷酸酶活性對(duì)過腹還田的響應(yīng)較大, 土壤纖維素酶活性則對(duì)秸稈直接還田的響應(yīng)較大。綜上, 長(zhǎng)期不同秸稈還田對(duì)土壤養(yǎng)分含量和酶活性均產(chǎn)生了顯著的影響, 土壤蔗糖酶活性的提高對(duì)玉米產(chǎn)量的保障和提高有非常緊密的聯(lián)系。

[1] 宋大利, 侯勝鵬, 王秀斌, 等. 中國秸稈養(yǎng)分資源數(shù)量及替代化肥潛力[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2018, 24(1): 1–21 SONG D L, HOU S P, WANG X B, et al. Nutrient resource quantity of crop straw and its potential of substituting[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2018, 24(1): 1–21

[2] 田平, 姜英, 孫悅, 等. 不同還田方式對(duì)玉米秸稈腐解及土壤養(yǎng)分含量的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2019, 27(1): 100–108 TIAN P, JIANG Y, SUN Y, et al. Effect of straw return methods on maize straw decomposition and soil nutrients contents[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(1): 100–108

[3] 梁天鋒, 徐世宏, 劉開強(qiáng), 等. 耕作方式對(duì)還田稻草氮素釋放及水稻氮素利用的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2009, 42(10): 3564–3570 LIANG T F, XU S H, LIU K Q, et al. Influence of tillage patterns on incorporated straw nitrogen release and nitrogen utilization of rice[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2009, 42(10): 3564–3570

[4] MULUMBA L N, LAL R. Mulching effects on selected soil physical properties[J]. Soil and Tillage Research, 2008, 98(1): 106–111

[5] WEI T, ZHANG P, WANG K, et al. Effects of wheat straw incorporation on the availability of soil nutrients and enzyme activities in semiarid areas[J]. PLoS One, 2015, 10(4): e0120994

[6] ZHANG P, CHEN X L, WEI T, et al. Effects of straw incorporation on the soil nutrient contents, enzyme activities, and crop yield in a semiarid region of China[J]. Soil and Tillage Research, 2016, 160: 65–72

[7] LOU Y L, XU M G, WANG W, et al. Return rate of straw residue affects soil organic C sequestration by chemical fertilization[J]. Soil and Tillage Research, 2011, 113(1): 70–73

[8] BRUNETTO G, VENTURA M, SCANDELLARI F, et al. Nutrient release during the decomposition of mowed perennial ryegrass and white clover and its contribution to nitrogen nutrition of grapevine[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2011, 90(3): 299–308

[9] PARTEY S T, QUASHIE-SAM S J, THEVATHASAN N V, et al. Decomposition and nutrient release patterns of the leaf biomass of the wild sunflower (): A comparative study with four leguminous agroforestry species[J]. Agroforestry Systems, 2011, 81(2): 123–134

[10] LIANG Q, CHEN H Q, GONG Y S, et al. Effects of 15 years of manure and inorganic fertilizers on soil organic carbon fractions in a wheat-maize system in the North China Plain[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2012, 92(1): 21–33

[11] ZHOU Z J, ZENG X Z, CHEN K, et al. Long-term straw mulch effects on crop yields and soil organic carbon fractions at different depths under a no-till system on the Chengdu Plain, China[J]. Journal of Soils and Sediments, 2019, 19(5): 2143–2152

[12] 張聰, 慕平, 尚建明. 長(zhǎng)期持續(xù)秸稈還田對(duì)土壤理化特性、酶活性和產(chǎn)量性狀的影響[J]. 水土保持研究, 2018, 25(1): 92–98 ZHANG C, MU P, SHANG J M. Effects of continuous returning corn straw on soil chemical properties, enzyme activities and yield trait[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2018, 25(1): 92–98

[13] 趙士誠, 曹彩云, 李科江, 等. 長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)華北潮土肥力、氮庫組分及作物產(chǎn)量的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2014, 20(6): 1441–1449 ZHAO S C, CAO C Y, LI K J, et al. Effect of long-term straw return on soil fertility, nitrogen pool fractions and crop yields on a fluvo-aquic soil in North China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2014, 20(6): 1441–1449

[14] 廖育林, 魯艷紅, 謝堅(jiān), 等. 長(zhǎng)期施用鉀肥和稻草對(duì)紅壤雙季稻田土壤供鉀能力的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2017, 54(2): 456–467 LIAO Y L, LU Y H, XIE J, et al. Effects of long-term application of chemical potassium fertilizer and incorporation of rice straw on potassium supplying capacity of red soil in double cropping paddy field[J]. Acta Pedologica Sinica, 2017, 54(2): 456–467

[15] AULAKH M S, KHERA T S, DORAN J W, et al. Managing crop residue with green manure, urea, and tillage in a rice-wheat rotation[J]. Soil Science Society of America Journal, 2001, 65(3): 820–827

[16] GANGWAR K S, SINGH K K, SHARMA S K, et al. Alternative tillage and crop residue management in wheat after rice in sandy loam soils of Indo-Gangetic plains[J]. Soil and Tillage Research, 2006, 88(1/2): 242–252

[18] 武均, 蔡立群, 羅珠珠, 等. 保護(hù)性耕作對(duì)隴中黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)田土壤物理性狀的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2014, 28(2): 112–117 WU J, CAI L Q, LUO Z Z, et al. Effects of conservation tillage on soil physical properties of rainfed field of the Loess Plateau in central of Gansu[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2014, 28(2): 112–117

[19] 高云超, 朱文珊, 陳文新. 秸稈覆蓋免耕土壤微生物生物量與養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 1994, 27(6): 41–49 GAO Y C, ZHU W S, CHEN W X. The relationship between soil microbial biomass and the transformation of plant nutrients in straw mulched no-tillage soils[J]. Scientia Agricultura Sinica, 1994, 27(6): 41–49

[20] 高亞軍, 李生秀. 旱地秸稈覆蓋條件下作物減產(chǎn)的原因及作用機(jī)制分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2005, 21(7): 15–19 GAO Y J, LI S X. Cause and mechanism of crop yield reduction under straw mulch in dryland[J]. Transactions of the CSAE, 2005, 21(7): 15–19

[21] MALHI S S, NYBORG M, GODDARD T, et al. Long-term tillage, straw management and N fertilization effects on quantity and quality of organic C and N in a Black Chernozem soil[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2010, 90(2): 227–241

[22] 鄭立臣, 宇萬太, 馬強(qiáng), 等. 農(nóng)田土壤肥力綜合評(píng)價(jià)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2004, 23(5): 156–161 ZHENG L C, YU W T, MA Q, et al. Advances in the integrated evaluation of farmland fertility[J]. Chinese Journal of Ecology, 2004, 23(5): 156–161

[23] CONG P T, DUNG T D, HIEN T M, et al. Inoculant plant growth-promoting microorganisms enhance utilisation of urea-N and grain yield of paddy rice in southern Vietnam[J]. European Journal of Soil Biology, 2009, 45(1): 52–61

[24] 徐燕, 霍仕平, 邱詩春, 等. 玉米秸稈還田對(duì)土壤理化特性影響的研究[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2016, 32(23): 87–92 XU Y, HUO S P, QIU S C, et al. Effects of Maize straw turnover on soil physicochemical property[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2016, 32(23): 87–92

[25] DOLAN M S, CLAPP C E, ALLMARAS R R, et al. Soil organic carbon and nitrogen in a Minnesota soil as related to tillage, residue and nitrogen management[J]. Soil and Tillage Research, 2006, 89(2): 221–231

[26] 毛海蘭, 付鑫, 趙丹丹, 等. 秸稈與地膜覆蓋條件下旱作玉米田土壤氮組分生長(zhǎng)季動(dòng)態(tài)[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2018, 32(4): 246–254 MAO H L, FU X, ZHAO D D, et al. Seasonal dynamics of soil nitrogen fractions in dryland spring maize field under straw and plastic film mulching[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2018, 32(4): 246–254

[27] 劉建國, 卞新民, 李彥斌, 等. 長(zhǎng)期連作和秸稈還田對(duì)棉田土壤生物活性的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 19(5): 1027–1032 LIU J G, BIAN X M, LI Y B, et al. Effects of long-term continuous cropping of cotton and returning cotton stalk into field on soil biological activities[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(5): 1027–1032

[28] 羅珠珠, 黃高寶, LI G D, 等. 保護(hù)性耕作對(duì)旱作農(nóng)田耕層土壤肥力及酶活性的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2009, 15(5): 1085–1092 LUO Z Z, HUANG G B, LI G D, et al. Effects of conservation tillage on soil nutrients and enzyme activities in rainfed area[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2009, 15(5): 1085–1092

[29] 王燦, 王德建, 孫瑞娟, 等. 長(zhǎng)期不同施肥方式下土壤酶活性與肥力因素的相關(guān)性[J]. 生態(tài)環(huán)境, 2008, 17(2): 688–692 WANG C, WANG D J, SUN R J, et al. The relationship between soil enzyme activities and soil nutrients by long-term fertilizer experiments[J]. Ecology and Environment, 2008, 17(2): 688–692

[30] 隋躍宇, 焦曉光, 劉曉冰, 等. 長(zhǎng)期施肥對(duì)農(nóng)田黑土酶活性及作物產(chǎn)量的影響[J]. 土壤通報(bào), 2010, 41(3): 608–610 SUI Y Y, JIAO X G, LIU X B, et al. Effects of long-term fertilizations on the black soil enzyme activities and crop yields[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2010, 41(3): 608–610

[31] 楊敏芳, 朱利群, 韓新忠, 等. 耕作措施與秸稈還田對(duì)稻麥兩熟制農(nóng)田土壤養(yǎng)分、微生物生物量及酶活性的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2013, 27(2): 272–275 YANG M F, ZHU L Q, HAN X Z, et al. Effects of tillage and crop residues incorporation on soil nutrient, microbial biomass and enzyme activity under rice-wheat rotation[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013, 27(2): 272–275

Effects of long-term straw return on corn yield, soil nutrient contents and enzyme activities in dryland of the Loess Plateau, China*

CHENG Man1,2, XIE Wenyan2, YANG Zhenxing2, ZHOU Huaiping2**

(1. Institute of Loess Plateau, Shanxi University, Taiyuan 030006, China; 2. Institute of Agricultural Environment and Resources, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030031, China)

Incorporation of straw in soil plays an important role in nutrient management, maintenance of crop productivity, and improvement of soil quality, which is considered to be an effective measure as a substitute for chemical fertilization. Understanding the effects of long-term straw incorporation on soil properties and corn yield in the dryland of the Loess Plateau are essential to provide scientific evidence for sustainable utilization and soil quality improvement of cropland. Here, based on a long-term (24 years) straw return field experiment, effects of different straw return regimes, i.e., straw mulching (SM), direct straw return (DS), animal-digested straw return (AS), and non-straw return (CK) on soil chemical properties, enzyme activities, and corn yield were studied. Results showed that the cumulative corn yield under SM, DS, and AS treatments were 1.885×105kg?hm–2, 1.854×105kg?hm–2and 2.001×105kg?hm–2, respectively; the yields increased by 10.1%, 8.6% and 15.3%, respectively, compared to CK treatment (1.695×105kg?hm–2). Besides, the three long-term straw incorporation treatments enhanced soil organic carbon by 6%-14% in 0–20 cm soil layer, whereas they had no significant effect on soil organic carbon in 20–40 cm soil layer. Compared to CK, soil total nitrogen, total phosphorus, total potassium, available nitrogen, available phosphorus and available potassium contents were significantly increased under AS treatment; whereas DS treatment enhanced soil total nitrogen, total potassium, available nitrogen and available potassium contents; and SM treatment increased soil available nitrogen and potassium content. In addition, soil invertase activity was the highest under AS treatment, followed by SM and DS, and the lowest under CK treatment. Soil cellulase activity under DS treatment was 2.2 and 1.3 times higher in 0–20 cm and 20–40 cm soil layers, respectively, than that under CK treatment. Furthermore, AS treatment enhanced soil urease activity by 13.0% and soil alkaline phosphatase by 20.5% compared to CK, while SM and DS treatments had no significant effect on soil urease and alkaline phosphatase activities. Soil activities of invertase, urease and alkaline phosphatase showed a greater response to animal-digested straw return treatment, whereas soil cellulose activity had a greater response to direct straw return treatment. Furthermore, there was a significant positive correlation between corn yield and soil invertase activity. In conclusion, long-term continuous animal-digested straw return and direct straw return had a profound impact on soil nutrients and enzyme activities. Particularly, the increase in soil invertase activity by straw return is closely related to the promotion of corn yield.

Long-term straw returning; Straw returning regimes; Soil nutrient; Soil enzyme activities; Corn yield

, E-mail: huaipingzhou@163.com

Mar. 31, 2019;

Jul. 1, 2019

S158.5

2096-6237(2019)10-1528-09

10.13930/j.cnki.cjea.190235

周懷平, 主要研究方向?yàn)楹档赝寥琅嘤?。E-mail: huaipingzhou@163.com

程曼, 研究方向?yàn)橥寥郎鷳B(tài)。E-mail: chengman@sxu.edu.cn

2019-03-31

2019-07-01

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41807072, 41807025), the Science and Technology Key Program of Shanxi Province (201703D211002)and the Shanxi Province Science Foundation for Youths (201701D221206).

* 國家自然科學(xué)基金青年基金(41807072, 41807025)、山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(201703D211002)和山西省青年科技研究基金(201701D221206)資助

程曼, 解文艷, 楊振興, 周懷平. 黃土旱塬長(zhǎng)期秸稈還田對(duì)土壤養(yǎng)分、酶活性及玉米產(chǎn)量的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(10): 1528-1536

CHENG M, XIE W Y, YANG Z X, ZHOU H P. Effects of long-term straw return on corn yield, soil nutrient contents and enzyme activities in dryland of the Loess Plateau, China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(10): 1528-1536