朱長偉，孟威威，石柯，牛潤芝，姜桂英，申鳳敏，劉芳，劉世亮

不同輪耕模式下小麥各生育時(shí)期土壤養(yǎng)分及酶活性變化特征

朱長偉，孟威威，石柯，牛潤芝，姜桂英，申鳳敏，劉芳，劉世亮

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450002

【目的】通過研究黃淮平原潮土區(qū)不同輪耕模式下小麥各生育時(shí)期土壤養(yǎng)分、微生物量碳氮和酶活性的動態(tài)變化，為該地區(qū)篩選適宜的耕作制度提供理論依據(jù)?！痉椒ā坎捎么筇镄^(qū)試驗(yàn)，在2016—2019年小麥季設(shè)置5個(gè)輪耕模式：（1）連續(xù)旋耕（RT-RT-RT）；（2）深耕-旋耕-旋耕（DT-RT-RT）；（3）深耕-旋耕-條旋耕（DT-RT-SRT）；（4）深耕-條旋耕-條旋耕（DT-SRT-SRT）；（5）深耕-條旋耕-旋耕（DT-SRT-RT）。3年為一個(gè)周期，在3年周期的第3年即2019年小麥返青期（GS）、拔節(jié)期（JS）、灌漿期（FS）和成熟期（MS）采集0—40 cm土層土壤樣品，測定并分析土壤堿解氮（AN）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）、微生物量碳（SMBC）、微生物量氮（SMBN）及脲酶、蔗糖酶和中性磷酸酶活性?！窘Y(jié)果】整個(gè)小麥生育期所有土壤指標(biāo)均隨土層加深而降低。相對于RT-RT-RT，深耕基礎(chǔ)上配合旋耕或條旋耕對20—40 cm土層速效養(yǎng)分的提升效果明顯高于0—20 cm土層，但均顯著影響兩土層中土壤微生物量和酶活性。小麥主要生育時(shí)期不同處理下各土壤指標(biāo)的動態(tài)變化趨勢與作物的生長和需肥規(guī)律基本一致。隨著小麥生育期的推進(jìn)，土壤AP、AK、SMBC、SMBN和脲酶、中性磷酸酶活性均呈“增加—降低—增加”的變化趨勢，其中在拔節(jié)期達(dá)到最大峰值，而蔗糖酶活性則表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢。在0—20 cm土層，拔節(jié)期DT-SRT-RT處理的AN、AP和AK含量顯著高于RT-RT-RT處理，其值分別為91.74、27.17和139.81 mg·kg-1。不同輪耕模式及土層深度顯著影響AN及AP的含量；而小麥生育時(shí)期、不同土層和各輪耕模式等因素均能顯著影響AK的含量，但各因素之間的交互作用不明顯。在整個(gè)生育期，DT-RT-RT、DT-SRT-RT處理0—40 cm土層的SMBC、SMBN含量較高。而相較于RT-RT-RT處理，DT-SRT-RT處理則顯著提高了土壤脲酶、蔗糖酶及中性磷酸酶活性，其增長率分別為3.79%—27.69%、12.29%—36.10%和8.61%—35.91%。小麥生育時(shí)期、不同土層深度和輪耕模式等因素顯著影響土壤微生物量和酶活性，但三者對微生物量氮含量以及蔗糖酶、中性磷酸酶活性的交互作用不顯著。各耕作處理2019年的小麥季產(chǎn)量顯著高于RT-RT-RT處理，其中以DT-SRT-RT處理的產(chǎn)量最優(yōu)，為6 557 kg·hm-2?！窘Y(jié)論】黃淮平原不同輪耕模式中，深耕-條旋耕-旋耕提高了土壤速效養(yǎng)分、微生物量碳氮含量及土壤酶活性，保障了小麥產(chǎn)量。

輪耕模式；土壤養(yǎng)分；土壤微生物量；土壤酶活性；小麥生育時(shí)期

0 引言

【研究意義】黃淮平原是我國主要的糧食主產(chǎn)區(qū)，但長期單一的旋耕造成該地區(qū)耕層變淺、犁底層增厚、土壤緊實(shí)、耕層結(jié)構(gòu)變差，進(jìn)而影響作物對水分和養(yǎng)分的吸收，最終導(dǎo)致作物產(chǎn)量和質(zhì)量下降[1]。針對黃淮平原糧食產(chǎn)區(qū)農(nóng)田存在的問題，有學(xué)者提出可以通過改變耕作模式改善土壤結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土壤的養(yǎng)分供應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)作物生長發(fā)育[2]。不同耕作方式因土壤攪動程度的差異，土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分含量等理化性狀以及微生物活動會發(fā)生相應(yīng)改變，而農(nóng)田土壤中不同耕作措施的改變勢必引起土壤微環(huán)境的變化，那么作為土壤養(yǎng)分循環(huán)和物質(zhì)轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動力的那部分微生物，其活性及其相關(guān)胞外酶活性對農(nóng)田管理變化所做出的快速響應(yīng)能在一定程度上反映土壤養(yǎng)分變化，可以作為表征土壤生物活性的主要指標(biāo)。因此，研究不同輪耕模式下小麥生育期內(nèi)養(yǎng)分含量、微生物量及相關(guān)酶活性的動態(tài)變化可對黃淮平原選擇適宜的耕作方式提供理論的支撐。【前人研究進(jìn)展】目前，耕作模式對土壤理化及生物學(xué)性質(zhì)影響的相關(guān)研究較多，但結(jié)果差異較大。羅玉瓊等[3]研究表明，相比于傳統(tǒng)耕作，免耕覆蓋可以提高0—20 cm土層土壤堿解氮及有效磷含量，其中0—5 cm土層二者差異尤為顯著；免耕和深松顯著增加0—40 cm土層土壤堿解氮及有效磷含量，同時(shí)增加20—40 cm土層土壤速效鉀含量[4]。在0—40 cm范圍內(nèi)土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量存在明顯的表層高于深層的空間變異特征[5]。不同生育時(shí)期土壤養(yǎng)分含量差異顯著，堿解氮含量在抽穗期達(dá)到最高，越冬期至返青期含量顯著低于其他時(shí)期，有效磷及速效鉀含量均在拔節(jié)期達(dá)到峰值[6]，而不同耕作措施的土壤蔗糖酶活性均在灌漿期達(dá)到最大值，呈倒“V”形變化[7]。對比連續(xù)傳統(tǒng)耕作，深翻可以提高0—40 cm土層土壤蔗糖酶活性5.33%、脲酶活性6.26%、堿性磷酸酶活性2.02%；同時(shí)2年深翻和3年深翻配合秸稈還田可使土壤酶均勻分布在土層中[8]。而陳娟等[9]則認(rèn)為，相對于傳統(tǒng)耕作，免耕及少耕等處理減少土層的擾動，能夠較好地改良土壤結(jié)構(gòu)，提高了土壤微生物的種類、數(shù)量及土壤酶活性，ZUBER等[10]研究也表明，免耕較傳統(tǒng)耕作明顯提高表層土壤中的微生物量及酶活性。于淑婷等[11]通過連續(xù)6年定位試驗(yàn)研究認(rèn)為，深耕-旋耕-旋耕的輪耕模式能夠有效改善土壤耕層構(gòu)造，增加碳氮儲量并提高土壤酶活性，提高作物產(chǎn)量?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】前人對耕作措施的研究主要集中于單一耕作模式的某一特定生育時(shí)期的表層土中，較少關(guān)注不同輪耕模式下作物整個(gè)生育期內(nèi)，以及日益退化并限制作物產(chǎn)量的深層土壤中土壤生化指標(biāo)的動態(tài)變化。特別是在黃淮平原潮土小麥-玉米輪作區(qū)，有關(guān)深耕、條旋耕和旋耕組合的輪耕模式下小麥關(guān)鍵生育時(shí)期內(nèi)微生物含量及微生物活性的變化規(guī)律研究還不深入?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以黃淮平原潮土區(qū)冬小麥-夏玉米輪作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，探究不同輪耕模式組合下冬小麥生育期內(nèi)土壤速效養(yǎng)分含量、微生物量、土壤酶活性以及作物產(chǎn)量的變化特征，為該地區(qū)最適農(nóng)田輪耕模式的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2016年10月至2019年6月在河南省新鄉(xiāng)市原陽縣河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)（35°19′N，113°50′E）進(jìn)行，該地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均溫度為14.5℃，年均降水量615 mm，年均日照時(shí)數(shù)為2 324 h。試驗(yàn)地土壤類型為典型的砂質(zhì)潮土，輪作制度為連續(xù)的小麥-玉米的輪作，試驗(yàn)前0—20 cm土層基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)17.3 g·kg-1，全氮1.00 g·kg-1，堿解氮（AN）71.33 mg·kg-1，有效磷（AP）21.6 mg·kg-1，速效鉀（AK）108.0 mg·kg-1，pH 7.2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用大田小區(qū)設(shè)計(jì)，在前茬作物秸稈全量還田的條件下，以3年一個(gè)周期，在小麥季采用5種不同的輪耕模式：（1）連續(xù)旋耕（RT-RT-RT）；（2）深耕-旋耕-旋耕（DT-RT-RT）；（3）深耕-旋耕-條旋耕（DT-RT-SRT）；（4）深耕-條旋耕-條旋耕（DT-SRT-SRT）；（5）深耕-條旋耕-旋耕（DT-SRT-RT）。3次重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為16 m×6.2 m = 99.2 m2。

旋耕的操作為：玉米收獲后，秸稈滅茬粉碎1—2遍，旋耕機(jī)整地2遍，深度13—15 cm，常規(guī)播種小麥；深耕的操作為：玉米收獲后，秸稈滅茬粉碎1—2遍，鏵式犁耕翻1遍，深度28—30 cm，旋耕機(jī)整地2遍，深度15—18 cm；條旋耕的操作為：玉米收獲后，秸稈滅茬粉碎1—2遍，淺旋整地2遍，深度5—8 cm。

播種時(shí)間為10月9日，小麥品種為鄭麥369，播量232.5 kg·hm-2；基肥施用量為N﹕P2O5﹕K2O= 20﹕16﹕16的復(fù)合肥750 kg·hm-2（150 kg N·hm-2，120 kg P2O5·hm-2，120 kg K2O·hm-2），追肥69 kg N·hm-2（150 kg·hm-2尿素，其含氮量為46%）。

玉米種植前上季小麥秸稈全量還田，6月7日玉米播種機(jī)進(jìn)行種肥同播，品種為浚單29，播量67 500 株/hm2；玉米季基施N﹕P2O5﹕K2O=28﹕10﹕12的復(fù)合肥750 kg·hm-2（210 kgN·hm-2，75 kgP2O5·hm-2，90 kgK2O·hm-2），期間不追肥，灌溉、病蟲害防治等與當(dāng)?shù)卮筇锕芾硐嗤?/p>

1.3 樣品的采集與測定

試驗(yàn)于3年周期的第3年即2019年冬小麥的返青期（3月3日），拔節(jié)期（4月4日），灌漿期（5月10日），成熟期（5月29日）4個(gè)生育時(shí)期，按五點(diǎn)取樣法，分別采集0—20、20—40 cm土層土樣。樣品分為兩部分：一部分為新鮮土樣，去除可見的植物殘?bào)w和石塊，測定土壤微生物量碳、氮；另一部分為風(fēng)干土樣，風(fēng)干后過0.85和0.25 mm篩，測定土壤堿解氮、有效磷、速效鉀及其酶活性。土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提后，用TOC儀(利曼US17192017)測定[12]。

土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法進(jìn)行測定，土壤有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3法測定，土壤速效鉀的測定采用NH4OAc浸提-火焰光度法[13]，土壤脲酶活性測定采用苯酚鈉比色法，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法，中性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法[14]。

在小麥成熟期，于各小區(qū)選取長勢均勻的1 m2小麥，3次重復(fù)，并隨機(jī)選取10穗小麥，計(jì)算單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)，風(fēng)干脫粒，曬干（含水率為12%）后測定產(chǎn)量、千粒重。

氮、磷、鉀肥偏生產(chǎn)力=施肥后所獲得的作物產(chǎn)量/肥料純養(yǎng)分（N、P2O5和K2O）的投入量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007記錄及處理數(shù)據(jù)，使用IBM SPSS Statistics 20軟件處理分析數(shù)據(jù)，采用最小顯著極差法（LSD）進(jìn)行多重比較；通過IBM SPSS Statistics 20軟件建立單因素的一般線性模型，隨后進(jìn)行三因素方差分析，從而說明影響因素對各指標(biāo)的顯著性關(guān)系；通過IBM SPSS Statistics 20軟件進(jìn)行各指標(biāo)間的相關(guān)性分析，之后運(yùn)用Microsoft Excel 2007中條件格式下的色階將指標(biāo)間的相關(guān)性大小繪制成簡易熱圖。使用Origin 2018對獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像繪制。

2 結(jié)果

2.1 不同輪耕模式下小麥各生育時(shí)期的土壤速效養(yǎng)分

2.1.1 土壤堿解氮含量 如圖1所示，在整個(gè)小麥生育期中各處理土壤堿解氮含量均隨土層增加而降低，且在兩個(gè)土層中均基本呈現(xiàn)為各輪耕模式的堿解氮含量顯著高于RT-RT-RT處理。在0—20 cm土層中，相較于RT-RT-RT處理，除返青期DT-RT-RT處理與成熟期DT-SRT-RT處理外，其余各輪耕處理均能顯著增加小麥各生育時(shí)期堿解氮含量，其中DT-RT-RT處理在拔節(jié)期達(dá)到最大值，為92.28 mg·kg-1；DT-RT- SRT處理在成熟期達(dá)到最大值，為89.01 mg·kg-1。20—40 cm土層，相較于RT-RT-RT處理，各輪耕處理均顯著提高小麥生育期土壤堿解氮含量，且各處理間差異顯著，但變化趨勢無明顯規(guī)律?？傮w而言，在小麥各個(gè)生育時(shí)期，DT-RT-RT、DT-RT-SRT和DT-SRT-RT處理均有利于提高0—40 cm土層堿解氮含量。

圖柱上不同小寫字母表示同一土層不同輪耕處理間差異顯著（P≤0.05）。下同

2.1.2 土壤有效磷含量 如圖2所示，在整個(gè)小麥生育期中各處理不同土層的土壤有效磷含量均呈先增加后降低又增加的變化趨勢，在拔節(jié)期達(dá)到峰值，各處理土壤有效磷含量隨土層加深而下降，且處理間差異隨土層的加深而縮小。在0—20 cm土層中，相較于RT-RT-RT處理，各輪耕處理均能增加小麥各生育時(shí)期的土壤有效磷含量，其中，小麥拔節(jié)期（JS）DT-RT- SRT處理的土壤有效磷含量最高，為29.28 mg·kg-1；且DT-RT-SRT和DT-SRT-RT處理小麥各生育時(shí)期0—20 cm土層有效磷含量的增加效果均表現(xiàn)較好，其增長率分別為15.35%—28.10%和10.72%—22.37%，而在20—40 cm土層，各生育時(shí)期有效磷的變化趨勢較小。總體而言，在小麥各個(gè)生育時(shí)期，DT-RT-SRT和DT-SRT-RT處理有利于提高0—40 cm土層土壤有效磷含量。

2.1.3 土壤速效鉀含量 如圖3所示，在整個(gè)生育期中各處理不同土層的土壤速效鉀含量隨土層加深而下降。0—40 cm土層，相較于RT-RT-RT處理，小麥各生育時(shí)期各輪耕處理均能提高土壤速效鉀含量，其中，0—20 cm土層DT-SRT- RT處理在各生育時(shí)期均表現(xiàn)較好，含量最高為139.81 mg·kg-1，增長率11.07%—12.78%；20—40 cm土層，部分生育時(shí)期的變化趨勢并不顯著，但DT-RT-RT和DT-SRT-RT處理在各生育時(shí)期內(nèi)均表現(xiàn)較好?？傮w而言，在小麥各個(gè)生育時(shí)期，DT-RT- RT和DT-SRT-RT處理有利于提高0—40 cm土層土壤速效鉀含量。

圖2 小麥不同生育時(shí)期各輪耕處理的土壤有效磷含量

圖3 小麥不同生育時(shí)期各輪耕處理的土壤速效鉀含量

2.1.4 三因素對土壤速效養(yǎng)分的交互作用 三因素方差分析結(jié)果表明（表1），土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量不僅受小麥生育時(shí)期、輪耕模式和土層深度單一因素的極顯著影響，同時(shí)也受到三因素兩兩交互作用的極顯著影響。但三因素總的交互作用僅顯著影響土壤堿解氮及有效磷的含量，對速效鉀含量的影響不顯著。

2.2 不同輪耕模式下小麥各生育時(shí)期土壤微生物量碳氮

2.2.1 土壤微生物量碳含量 如圖4所示，在整個(gè)生育期中各處理不同土層的土壤微生物量碳的含量隨土層加深而下降，均呈先增加后降低又顯著增加的趨勢，且在拔節(jié)期達(dá)到峰值。0—20和20—40 cm土層中，對比RT-RT- RT處理，其余各輪耕處理均能顯著增加小麥各生育時(shí)期SMBC含量，其中DT-RT-RT處理在拔節(jié)期（JS）土壤微生物量碳最高，為183.72 mg·kg-1；而DT-SRT-RT處理在各生育時(shí)期均表現(xiàn)較好，增長率為6.28%—23.38%。而成熟期20—40 cm土層各處理間的SMBC含量變化較小?？傮w而言，在小麥各生育時(shí)期中，DT-RT-RT和DT-SRT-RT處理有利于提高0—40 cm土層土壤微生物量碳含量。

表1 小麥生育時(shí)期、輪耕模式和土層深度下土壤速效養(yǎng)分變化的三因素方差分析

土層深度：0—20、20—40 cm；小麥生育時(shí)期：返青期（TGS）、拔節(jié)期（JS）、灌漿期（FS）、成熟期（MS）；輪耕模式：連續(xù)旋耕（RT-RT-RT）、深耕-旋耕-旋耕（DT-RT-RT）、深耕-旋耕-條旋耕（DT-RT-SRT）、深耕-條旋耕-條旋耕（DT-SRT-SRT）、深耕-條旋耕-旋耕（DT-SRT-RT）。**差異極顯著；*差異顯著；NS：無顯著性差異。下同

Soil depths: 0-20 cm, 20-40 cm; Wheat growth periods: TGS, JS, FS, MS; Rotation tillage patterns: RT-RT-RT, DT-RT-RT, DT-RT-SRT, DT-SRT-SRT, DT-SRT-RT. ** Represented extremely significant difference (≤0.01); * Represented significant difference (≤0.05); NS represented non-significant difference (≥0.05). The same as below

圖4 小麥不同生育時(shí)期各輪耕處理的土壤微生物量碳

2.2.2 土壤微生物量氮含量 如圖5所示，各處理土壤微生物量氮含量隨土層深度的增加而下降。在整個(gè)小麥生育期內(nèi)，土壤微生物量氮含量在呈先增加后降低又顯著增加的趨勢，且在拔節(jié)期達(dá)到峰值。在0—20 cm土層，相較于RT-RT-RT處理，各輪耕處理均能增加土壤微生物量氮含量，且在拔節(jié)期（JS）各輪耕處理的增加效果最為顯著，其中DT-SRT-RT處理的土壤微生物量氮含量最高，達(dá)到92.42 mg·kg-1；在整個(gè)生育期內(nèi)DT-RT-RT和DT-SRT-RT處理的土壤微生物量氮含量均較高，相較于RT-RT-RT最高增長率分別為19.29%和23.59%。20—40 cm土層，返青期各處理間土壤微生物量氮含量無顯著差異，而其余生育時(shí)期，相較于RT-RT-RT處理，DT-RT-RT和DT-SRT-RT處理能夠顯著增加土壤微生物量氮的含量?？傮w而言，在小麥生育期內(nèi)，土壤微生物量氮含量相較土壤微生物量碳含量有類似的變化趨勢，DT- RT-RT和DT- SRT-RT處理有利于提高土壤微生物量氮含量。

圖5 小麥不同生育時(shí)期各輪耕處理的土壤微生物量氮

2.2.3 三因素對土壤微生物量的交互作用 三因素方差分析結(jié)果表明（表2），小麥生育時(shí)期、土層深度和輪耕模式單一因素均能極顯著影響土壤微生物量碳、氮含量。同時(shí)，土壤微生物量碳不僅受土層深度與小麥生育時(shí)期交互作用的極顯著影響，而且還受到三因素共同交互作用的影響，而微生物量氮只受三因素兩兩間交互作用的影響，并不受三因素總的交互作用的影響。

表2 小麥生育時(shí)期、輪耕模式和土層深度下土壤微生物量的三因素方差分析

2.3 不同輪耕模式下小麥各生育時(shí)期土壤酶活性

2.3.1 土壤脲酶活性 圖6可知，0—20 cm土層中，在小麥生育期內(nèi)土壤脲酶活性呈先上升后下降的趨勢，而在20—40 cm土層中，脲酶活性在成熟期又有略微升高的趨勢。在0—20 cm土層，各輪耕處理土壤脲酶活性均高于RT-RT-RT，且以拔節(jié)期的DT-SRT-RT處理脲酶活性最高，為2.31 mg NH3-N·g-1·(24h)-1。20— 40 cm土層，在小麥整個(gè)生育期內(nèi)DT-RT-RT與DT- SRT-RT兩個(gè)處理的土壤脲酶活性顯著高于RT-RT- RT處理，增長率分別為5.83%—22.60%和3.79%—27.69%?？傮w而言，土壤脲酶活性有明顯的季節(jié)性變化，在拔節(jié)期活性達(dá)到峰值，且兩土層中DT-SRT- RT的土壤脲酶活性明顯高于其他處理。

2.3.2 土壤蔗糖酶活性 由圖7可得，在小麥生育期內(nèi)土壤蔗糖酶活性逐漸增高，在成熟期達(dá)到峰值。在0—20 cm土層，各輪耕處理土壤蔗糖酶活性均高于RT-RT-RT處理，其中DT-SRT-SRT和DT-SRT- RT處理土壤蔗糖酶活性較高，增長率分別在9.97%—23.71%與12.29%—18.56%之間，且兩者之間無顯著差異；在成熟期DT-SRT-RT處理土壤蔗糖酶活性達(dá)到最高值，為45.65mg Glu·g-1·(24h)-1。在20—40 cm土層，土壤蔗糖酶活性變化與0—20 cm土層相似，同樣在成熟期的DT-SRT-RT達(dá)到峰值為20.39 mg Glu·g-1·(24h)-1。除返青期外，其余3個(gè)生育時(shí)期DT-RT-RT和DT-SRT -RT處理的蔗糖酶活性均顯著高于RT-RT-RT處理，最高增長36.10%?？傮w而言，各處理土壤蔗糖酶活性隨生育期的推進(jìn)逐漸升高。在0—40 cm土層DT-SRT-SRT和DT-SRT-RT處理的土壤蔗糖酶活性增強(qiáng)效果明顯。

圖6 小麥不同生育時(shí)期各輪耕處理土壤脲酶活性

圖7 小麥不同生育時(shí)期各輪耕處理的土壤蔗糖酶活性

2.3.3 土壤中性磷酸酶 如圖8所示，在小麥生育期土壤中性磷酸酶活性隨土層深度的增加呈下降趨勢，且在拔節(jié)期達(dá)到最高值。0—20 cm土層中，返青期各輪耕處理的土壤中性磷酸酶活性差異不顯著，但在之后的3個(gè)生育時(shí)期，各處理的中性磷酸酶活性總體上顯著高于RT-RT-RT處理，均以DT-RT-RT和DT-SRT-RT處理的高，最高為5.67 mg phenol·g-1·(24h)-1。20—40 cm土層，同樣表現(xiàn)為DT-SRT-RT處理顯著提高了小麥各生育時(shí)期的土壤中性磷酸酶活性，其增長率為21.92%—35.91%。總體來說，在小麥的生育期，土壤中性磷酸酶活性具有與土壤脲酶活性相似的變化趨勢，均在拔節(jié)期達(dá)到峰值；0—40 cm土層中DT-SRT-RT的土壤中性磷酸酶活性增高效果最明顯。

圖8 小麥不同生育時(shí)期各輪耕處理的土壤中性磷酸酶活性

2.3.4 三因素對土壤酶的交互作用 三因素方差分析結(jié)果表明（表3），小麥生育時(shí)期、土層深度和輪耕模式及其相互間的交互作用均能極顯著影響土壤脲酶活性；蔗糖酶活性不僅受單一因素的極顯著影響，而且還受生育時(shí)期與土層深度、土層深度與輪耕模式交互作用的影響；而中性磷酸酶活性只受單一因素，以及生育時(shí)期與土層深度交互作用的極顯著影響，并不受其他交互作用的影響。

2.4 不同輪耕模式下小麥產(chǎn)量及構(gòu)成因素和肥料偏生產(chǎn)力

如表4所示，各輪耕處理小麥產(chǎn)量顯著高于RT-RT-RT處理，其中DT-SRT-RT處理的小麥產(chǎn)量最高，達(dá)到6 557 kg·hm-2，相較RT-RT-RT處理提高14%。各輪耕處理單位面積穗數(shù)顯著高于RT-RT-RT處理，而不同處理間穗粒數(shù)、千粒重呈現(xiàn)不同差異，無顯著性規(guī)律，但均表現(xiàn)為DT-SRT-RT處理顯著高于RT- RT-RT。各處理氮偏生產(chǎn)力、磷/鉀偏生產(chǎn)力同樣顯著高于RT-RT-RT處理，對比RT-RT-RT處理分別提高4.94%—14.62%、4.95%—14.65%?？傮w來說，各輪耕模式處理明顯提高了小麥單位面積穗數(shù)和產(chǎn)量，其中DT- SRT-RT處理增產(chǎn)效果最為明顯。

表3 小麥生育時(shí)期、輪耕模式和土層深度下土壤酶活性變化的三因素方差分析

表4 小麥產(chǎn)量及構(gòu)成因素和肥料偏生產(chǎn)力

2.5 各指標(biāo)與小麥產(chǎn)量相關(guān)性

由圖9可知，各指標(biāo)與產(chǎn)量間的相關(guān)性分析熱圖中顏色的深淺表示指標(biāo)間相關(guān)關(guān)系的大小。0—40 cm土層中，產(chǎn)量與土壤有效磷、速效鉀含量，微生物量碳、氮含量以及土壤脲酶、蔗糖酶、中性磷酸酶活性均呈正相關(guān)關(guān)系。0—20 cm土層中，土壤速效鉀含量、土壤微生物量碳含量及3種土壤酶活性間達(dá)到極顯著水平，相關(guān)性系數(shù)由大到小順序依次為土壤脲酶活性、土壤蔗糖酶活性、土壤速效鉀含量、土壤中性磷酸酶活性、土壤微生物量碳含量；除產(chǎn)量外，土壤蔗糖酶活性與其余各指標(biāo)均成負(fù)相關(guān)關(guān)系。20—40 cm土層中，土壤速效鉀含量與蔗糖酶活性達(dá)到顯著相關(guān)關(guān)系，與土壤堿解氮含量達(dá)到極顯著水平，相關(guān)性系數(shù)大小順序依次為土壤堿解氮含量、土壤速效鉀含量、土壤蔗糖酶活性；土壤堿解氮、土壤速效鉀含量及土壤蔗糖酶活性與多個(gè)指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

URA：尿酶活性Urease activity；INA：蔗糖酶活性Invertase activity；NPA：中性磷酸酶活性Neutral phosphatase activity

3 討論

3.1 不同輪耕模式對小麥各生育時(shí)期土壤養(yǎng)分含量的影響

不同耕作方式對土壤的擾動程度不同，對土壤理化性狀的影響也不同，從而可以調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分的有效性及其礦化速率，進(jìn)而影響作物對土壤養(yǎng)分的吸收利用[15]。輪耕有利于均衡養(yǎng)分在土層中的空間分布，有效避免養(yǎng)分表面富集現(xiàn)象[16]。土壤速效養(yǎng)分含量是衡量土壤肥沃程度的重要指標(biāo)，也是影響植物生長發(fā)育的關(guān)鍵因子[17]。有研究表明，免耕可提高表層土壤的氮、磷、鉀含量，但對深層土壤養(yǎng)分的影響不顯著[18]。龍潛等[19]研究發(fā)現(xiàn)，對比深耕，旋耕顯著增加0—10 cm土層堿解氮和有效磷含量，而深耕處理30—40 cm土層堿解氮和有效磷含量明顯高于旋耕處理。侯賢清等[4]對于寧南旱區(qū)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)免耕和深松的組合顯著增加20—40 cm土層速效鉀含量。本研究表明，在同一生育時(shí)期和相同耕作模式下，20—40 cm土層的AN、AP和AK含量與0—20 cm土層相比顯著降低，這與徐海等[5]的研究結(jié)果一致。在同一生育時(shí)期深耕、旋耕和條旋耕相互組合的輪耕模式的AN、AP和AK含量與傳統(tǒng)耕作模式（RT-RT-RT）相比大致均呈增高趨勢，其中深耕-條旋耕-旋耕（DT-SRT-RT）處理的增加效果最為顯著，這是因?yàn)檩喐胧┯行Т龠M(jìn)了土壤養(yǎng)分的釋放，進(jìn)而增加土壤養(yǎng)分含量[20]，而且淺旋耕對下層土壤幾乎沒有擾動，降低了深層土壤與空氣的接觸，減少了深層土壤養(yǎng)分的礦化[21]。隨著小麥生育期的推進(jìn)，0—20和20—40 cm土層土壤有效磷和速效鉀含量的變化趨勢大致相同，這可能是因?yàn)榘喂?jié)期之后小麥進(jìn)入生殖生長，對養(yǎng)分的需求加快使得土壤速效養(yǎng)分含量降低，而生殖生長后期養(yǎng)分需求減少，養(yǎng)分含量有明顯的回升趨勢[5]。表層土壤返青期AN含量較高，可能與冬小麥不同時(shí)期對氮素的吸收強(qiáng)度和根系在土層的分布有關(guān)，20—40 cm土層返青期AN含量最低，而在灌漿期其含量達(dá)到峰值，這與鄒傳俊[6]的研究結(jié)果一致。

3.2 不同輪耕模式對小麥各生育時(shí)期土壤微生物量碳氮的影響

土壤微生物是土壤養(yǎng)分和物質(zhì)轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動力，而微生物量碳氮的動態(tài)變化是土壤微生物種群，數(shù)量和活性的風(fēng)向標(biāo)，其大小在一定程度上影響著土壤有效養(yǎng)分的含量。不同的耕作模式必然給土壤帶來不同程度的擾動，影響著土壤的水、肥、氣、熱等條件使得微生物量發(fā)生改變[8]。前人研究表明，土壤微生物量碳氮在冬小麥整個(gè)生育期中基本表現(xiàn)為“N”型的變化趨勢，在分蘗期至拔節(jié)期土壤微生物量碳（SMBC）和土壤微生物量氮（SMBN）達(dá)到最大含量，且拔節(jié)期和成熟期二者含量均比灌漿期高[22]。王蕓等[23]就保護(hù)性耕作對土壤微生物特性的影響結(jié)果說明深耕可顯著提高土壤微生物量，而劉淑梅等[24]研究表明，與連續(xù)旋耕相比，免耕可以顯著增加0—20 cm土層SMBC和SMBN含量。張勉[25]研究發(fā)現(xiàn)，輪耕能夠有效增加SMBC和SMBN含量，且在成熟期表現(xiàn)最為突出。本研究表明，隨著土壤深度的增加，SMBC和SMBN含量呈下降趨勢，這可能是因?yàn)楦鞣绞揭鹆送寥烙袡C(jī)質(zhì)的分層分布，從而對土壤微生物的生長繁殖產(chǎn)生的影響[26]，且相較于深層土壤，表層土壤有著相對較好的水氣條件和豐富的有機(jī)物質(zhì)，同時(shí)表層土更高的土壤溫度，更有利于微生物的生殖繁衍[8, 27]。在小麥生育期內(nèi)，相較于傳統(tǒng)耕作模式（RT-RT-RT），各輪耕處理顯著提高了SMBC和SMBN含量，其中DT-SRT-RT處理的增長效果最為顯著。這與張勉等[25]的研究結(jié)果一致，這是因?yàn)檩喐胧┦杷闪送寥烙欣跉怏w的交換，改善了土壤的微生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)好氧性微生物的活化和礦物質(zhì)的分解，有益于土壤微生物生長。隨著小麥生育時(shí)期的推進(jìn)，0—20和20—40 cm土層微生物量碳氮的變化趨勢大致一致，均是從返青期開始增長并在拔節(jié)期達(dá)到峰值隨后下降。這是因?yàn)樾←湻登嗥谥鬁囟让黠@回升，小麥進(jìn)入快速生長期，根系逐漸發(fā)達(dá)，分泌物質(zhì)增多，導(dǎo)致進(jìn)入土壤的新鮮有機(jī)物質(zhì)顯著增加，大大刺激了土壤微生物的生長和繁殖，使得土壤微生物量增大[28]，而當(dāng)進(jìn)入4、5月后降水量減小，土壤水分下降，不利于土壤微生物的生長，微生物量下降[14]。

3.3 不同輪耕模式對小麥各生育時(shí)期土壤酶活性的影響

土壤酶作為土壤中的一種生物催化劑，在土壤生物化學(xué)循環(huán)中起重要作用，其直接或間接參與土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化與分解、養(yǎng)分循環(huán)和有害物質(zhì)的分解等過程[29]。土壤酶活性的高低同樣能夠反映土壤礦化規(guī)模和產(chǎn)能強(qiáng)弱，在一定程度上決定了土壤養(yǎng)分的有效性，能夠評估與農(nóng)田耕作管理相關(guān)的有機(jī)碳氮磷庫的變化[30]，而土壤耕作模式及其組合可以通過改善土壤酶活性，改變土壤生化反應(yīng)的發(fā)生速度。前人研究表明，小麥生育時(shí)期的推進(jìn)伴隨著季節(jié)的更替，日照時(shí)長、氣溫及降水等氣候因素的改變，使的土壤性質(zhì)發(fā)生變化，對土壤酶活性產(chǎn)生影響[31]。張莉等[8]與羅珠珠等[32]研究表明，隨著生育時(shí)期的推進(jìn)，各耕作模式的蔗糖酶活性呈階梯狀逐漸升高，在灌漿期達(dá)到峰值，隨后有所下降；而脲酶活性則在拔節(jié)期達(dá)到峰值。

本研究發(fā)現(xiàn)，在同一生育時(shí)期各輪耕處理比傳統(tǒng)耕作（RT-RT-RT）提高了土壤脲酶、蔗糖酶、中性磷酸酶的活性，其中DT-SRT-RT處理的增加效果較為顯著。這主要是因?yàn)樯罡麑⑶安缱魑锏慕斩挿裨谕寥纴啽韺?，提高亞表層有機(jī)碳、氮的儲量，在酶促反應(yīng)中底物增多，誘發(fā)了酶活性的升高[8]，且DT-SRT-RT處理有利于土壤水分的保持，當(dāng)土壤濕度較大時(shí)，也會增加土壤中的酶活性[14]。脲酶與中性磷酸酶均在拔節(jié)期達(dá)到最高，脲酶隨后下降，而中性磷酸酶在成熟期有明顯上升，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是因?yàn)樵谛←湻登嗥诤髿鉁鼗厣←溕L旺盛，根系逐漸發(fā)達(dá)，相應(yīng)的脲酶和中性磷酸酶活性有所提高；在小麥拔節(jié)期后，可能出現(xiàn)微生物和作物爭奪氮、磷的現(xiàn)象，導(dǎo)致土壤脲酶與中性磷酸酶活性降低[8, 32]。而中性磷酸酶在成熟期有所提高可能是中性磷酸酶對土壤磷素的變化較靈敏[33]，土壤中磷含量的變化是一個(gè)動態(tài)可逆的過程，當(dāng)土壤中無機(jī)磷含量較高時(shí)，酶促反應(yīng)受到抑制，酶活性相對較低；而低磷條件下，為了向作物提供生長所需的磷，磷酸酶活性也被誘導(dǎo)出來；在小麥生長后期，磷的吸收量隨核蛋白物質(zhì)的增加而急劇增加，但由于磷不易流動，時(shí)間較長后，有效磷迅速下降，從而誘導(dǎo)磷酸酶活性的快速增高[32]。

3.4 不同輪耕模式對小麥產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

良好的土壤環(huán)境和耕作方式可以改善農(nóng)田土壤的水肥狀況，延緩小麥植株的衰老，有利于產(chǎn)量的形成。研究表明，與旋耕相比，深翻耕及深松處理能夠打破土壤犁底層，促進(jìn)作物根系的發(fā)育和下扎，保證了生育后期的水肥供給，提高小麥的單位面積穗數(shù)和千粒重，有助于產(chǎn)量和籽粒蛋白質(zhì)的形成[34]。而輪耕措施能夠顯著提高土壤的孔隙度和保水性，提高土壤微生物活性，改善小麥的生長發(fā)育條件，最終提高小麥產(chǎn)量[25,35]。曹碧蕓等[36]研究也表明輪耕較免耕處理顯著提高了穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重等產(chǎn)量指標(biāo)，而左右產(chǎn)量的主導(dǎo)因子是單位面積的穗數(shù)或穗數(shù)與穗粒數(shù)的協(xié)調(diào)關(guān)系，因此輪耕模式下產(chǎn)量提高，其中深松/深翻/深松輪耕模式效果較好。本研究表明，相較于連續(xù)旋耕處理，輪耕模式提高了小麥單位面積穗數(shù)和千粒重，進(jìn)而提高了小麥產(chǎn)量和肥料偏生產(chǎn)力，其中深耕-條旋耕-旋耕（DT-SRT-RT）增產(chǎn)效果最為顯著。與前人研究基本一致。這是因?yàn)檩喐胧┠軌蚴杷赏寥?，減少土壤結(jié)構(gòu)的破壞，提高了土壤保水保肥的能力[37]，使得小麥的關(guān)鍵生育時(shí)期擁有充足的養(yǎng)分供應(yīng)。特別是該處理在小麥生長后期土壤肥力高，微生物活性強(qiáng)，光照足，使小麥籽粒灌漿充實(shí)，提高了小麥的穗粒數(shù)和千粒重，進(jìn)而形成高產(chǎn)群體結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

深耕-條旋耕-旋耕結(jié)合的輪耕模式相較連續(xù)旋耕這一傳統(tǒng)耕作模式，增加了土壤速效養(yǎng)分、土壤微生物量碳氮含量，提高了土壤脲酶、蔗糖酶及中性磷酸酶活性。有效磷、速效鉀、微生物量碳、微生物量氮含量，以及土壤脲酶、中性磷酸酶的活性均在小麥拔節(jié)期達(dá)到最高值，灌漿期顯著下降，到小麥成熟期又有所上升。同時(shí)相較于連續(xù)旋耕，深耕-條旋耕-旋耕模式顯著增加了小麥的穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重，進(jìn)而提高小麥產(chǎn)量，推薦作為黃淮平原培肥增產(chǎn)的輪耕模式。

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The Characteristics of Soil Nutrients and Soil Enzyme Activities During Wheat Growth Stage Under Different Tillage Patterns

ZHU ChangWei, MENG WeiWei, SHI Ke, NIU RunZhi, JIANG GuiYing, SHEN FengMin, LIU Fang, LIU ShiLiang

College of Resource and Environment, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002

【Objective】This study was aimed to select the optimum tillage pattern by investigating the dynamic changes of different tillage patterns on soil nutrients, microbial biomass, and enzyme activities during different wheat growth stages in fluvo-aquic soil in Huang-Huai Plain.【Method】The field experiment was carried out from 2016 to 2019. Five rotation tillage modes were set as: (1) Continuous Rotary Tillage (RT-RT-RT); (2) Deep tillage-Rotary tillage-Rotary tillage (DT-RT-RT); (3) Deep tillage-Rotary tillage-Shallow rotary tillage (DT-RT-SRT); (4) Deep tillage-Shallow rotary tillage-Shallow rotary tillage (DT-SRT-SRT); (5) Deep tillage-Shallow rotary tillage-Rotating tillage (DT-SRT-RT). Three years is a cycle. In the third year of the 3-year cycle, i.e. 2019, 0-40 cm soil layer samples were taken at the wheat greening stage (GS), jointing stage (JS), filling stage (FS), and maturity stage (MS). The contents of alkali hydrolyzed nitrogen (AN), available phosphorus (AP), available potassium (AK), soil microbial biomass carbon (SMBC), soil microbial biomass nitrogen (SMBN), and the activities of urease, invertase, and neutral phosphatase in different soil layers were measured and analyzed.【Result】All soil indicators were decreased with the soil depths during the whole wheat growth stage. Compared with RT-RT-RT, the increment of available nutrients contents at 20-40 cm soil layer were significantly higher than those at 0-20 cm soil layer under the treatments with deep tillage combined with rotary tillage or shallow rotary tillage, but which presented few effects on soil microbial biomass and enzyme activities under soil layers compared with the effects on soil available nutrients. The dynamic changes of each soil indicators under different treatments during the wheat main growth stages were consistent with the growth and fertilizer requirements of crops. The AP, AK, SMBC, SMBN, urease, neutral phosphatase activities were showed an “N” type trend and reached to peak at the jointing stage. The sucrase activity was gradually increased with the growth stage. In 0-20 cm soil layer, the contents of AN, AP and AK under DT-SRT-RT treatment at the jointing stage were significantly higher than that under other treatments, and the highest value were 91.74 mg·kg-1, 27.17 mg·kg-1and 139.81 mg·kg-1, respectively. The AN and AP were significantly affected by rotation tillage patterns and soil depths. While the AK was affected by wheat growth stages, soil layers, and rotation tillage patterns, but the interaction among them was not obvious. During the whole growth period, compared with RT-RT-RT, in 0-40 cm soil layer, the SMBC and SMBN content under DT-RT-RT and DT-SRT-RT treatments were higher. The DT-SRT-RT treatment could significantly increase the activities of soil urease, invertase and neutral phosphatase, and their growth rates were between 3.79%-27.69%, 12.29%-36.10% and 8.61%-35.91%, respectively. In the whole wheat growth period, the soil microbial biomass and enzyme activities were significantly affected by different soil depth and rotation tillage mode, but the interaction between them on SMBN content, invertase, and neutral phosphatase activity was not significant. The wheat yield under the other treatments in 2019 was higher than that under RT-RT-RT, and the highest one was 6 557 kg·hm-2under DT-SRT-RT.【Conclusion】During this experimental period, in Fluvo-aquic soil in Huang-Huai Plain, the DT-SRT-RT treatment had the best effect on improving available nutrients contents, SMBC, SMBN, and soil enzyme activity, thereby further ensuring the high yield of wheat.

rotation tillage pattern; soil nutrient; microbial biomass; enzyme activity; wheat growth period

10.3864/j.issn.0578-1752.2022.21.011

2021-09-02；

2021-12-29

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)（2021YFD1700904）、河南省教育廳基金（20A210024）、河南農(nóng)業(yè)大學(xué)本科實(shí)驗(yàn)室開放創(chuàng)新項(xiàng)目（2019-16）

朱長偉，E-mail：1937975636@qq.com。孟威威，E-mail：1436734584@qq.com。朱長偉與孟威威為同等貢獻(xiàn)作者。通信作者姜桂英，E-mail：jgy9090@126.com。通信作者劉世亮，E-mail：shlliu70@163.com

（責(zé)任編輯 李云霞）