呂雪梅，許思思，王耀，陳一民，隋躍宇，焦曉光

（1黑龍江大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學院，哈爾濱 150080；2中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，哈爾濱 150081；3中國科學院大學，北京 100049）

0 引言

中國是農(nóng)業(yè)大國，秸稈資源十分充沛，據(jù)統(tǒng)計，每年的秸稈產(chǎn)量能夠達到7億t以上[1]。在2020年，中國的秸稈綜合利用率超過了85%[2]，這就導致了露天禁燒防控十分困難。所以推進秸稈還田，可以顯著減少隨意堆棄和露天焚燒所帶來的溫室氣體(GHG)排放，有利于治理農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染和提升耕地質量，是促進農(nóng)業(yè)農(nóng)村減排固碳、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色低碳發(fā)展的重要舉措[3]。土壤酶能參與土壤中許多重要的生物化學過程，在植物生長所需養(yǎng)分的供給和土壤養(yǎng)分的循環(huán)方面扮演著重要的角色[4]。土壤磷酸酶不僅能催化土壤有機磷土壤有機磷化合物礦化，表征土壤磷素有效化強度[5-7]，在土壤磷素循環(huán)中起重要作用，而且秸稈還田能夠影響土壤有效磷水平從而影響作物產(chǎn)量[8-9]，因此探究土壤磷酸酶的活性對于秸稈合理施用有重要意義?？祷哿岬萚10]發(fā)現(xiàn)與秸稈不還田相比，秸稈還田處理均顯著提高了土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶的活性。相比于單一的秸稈還田或施用化肥處理，宮秀杰等[11]研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田配施氮肥可以增加土壤過氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶的活性。秸稈還田配施不同比例的化肥也會對土壤酶的活性有影響，徐欣等[12]研究表明在秸稈腐解條件下土壤脲酶活性與土壤氮素隨施氮水平的增加而增加，呈極顯著正相關。但也有研究發(fā)現(xiàn)，在秸稈還田時，不同比例礦質氮肥的配施并未使各個處理間的酶活性差異顯著[13]。近年來關于秸稈還田的研究主要集中在秸稈還田方式、土壤微生物、土壤養(yǎng)分、產(chǎn)量等方面，針對秸稈深埋與不施秸稈，同時研究作物不同施氮水平土壤磷酸酶活性的變化，還鮮有報導。本研究探究在秸稈深埋條件下，4種施氮水平對土壤磷酸酶活性變化的影響，測定土壤中磷酸酶的活性以及土壤全磷、有效磷的含量，旨在為秸稈的合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗田位于黑龍江省哈爾濱市呼蘭區(qū)試驗基地(126°34.8′ E，45°54′ N)，海拔116 m，氣候類型為北溫帶大陸性季風氣候，日均≥10℃的活動積溫2700℃左右，年平均氣溫3.3℃，無霜期145 d 左右，年平均降水量為500.4 mm，最大降水集中在6、7、8月，占全年降水量的66%，試驗地土壤類型為農(nóng)田黑土，試驗前測得耕層土壤基礎農(nóng)化性狀表1。

表1 土壤基礎農(nóng)化性狀

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗區(qū)設計本試驗于2015年開始，試驗地采用裂區(qū)設計，每個副區(qū)面積為24 m2。設置主區(qū)為秸稈深埋和無秸稈處理，下設4個施氮水平為副區(qū)，3次重復，隨機排列。試驗地種植作物為玉米，品種為‘禾豐6號’，種植密度為75000 株/hm2。秸稈深埋處理：將收獲的上茬玉米秸稈粉碎（約2 cm），埋于距地表30 cm左右土層中，還田量為7500 kg/hm2。施用化肥：氮肥為尿素(N 46%)，純N施入量分別為0、135、180、225 kg/hm2；磷肥為過磷酸鈣(P2O512%)，P2O5施入量90 kg/hm2；鉀肥為硫酸鉀(K2O 50%)，K2O 施入量75 kg/hm2。取1/3 氮肥作為基肥施入，剩余2/3 在玉米大喇叭口期追施，磷肥、鉀肥全部作為基肥一次性施入。作物生育期內(nèi)人工進行田間管理。

1.2.2 樣品的采集與測定土壤樣品在2019 年玉米苗期（5月23日）、拔節(jié)期（6月12日）、抽雄期（7月20日）和收獲期（10 月8 日）時分別采集。采用五點取樣法，用土鉆均勻采集0～20 cm 土壤樣品，將土壤樣品充分混合后，分成2部分裝于自封袋中帶回實驗室，一部分置于4℃保存，用于測定土壤磷酸酶的活性；另一部分自然風干后，粉碎過1 mm 篩，用于土壤全磷、有效磷含量的測定。土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，酶活性以24 h 后1 g 土壤中釋放出的酚的質量(mg)表示[14]。土壤全磷、有效磷均采用土壤常規(guī)分析方法[15]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

原始數(shù)據(jù)采用Excel 2019 整理完成，使用SPSS 25.0軟件進行統(tǒng)計分析和差異顯著性(α=0.05)檢驗，采用Excel 2019軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 秸稈深埋條件下不同施氮水平對土壤磷酸酶活性的影響

不同施氮水平下秸稈深埋對土壤磷酸酶活性變化的影響如圖1所示。在2種秸稈處理下，土壤磷酸酶活性的變化規(guī)律均隨玉米生育期的延長呈先增加，后降低的變化趨勢，在拔節(jié)期達到了峰值，為344.66 mg/(g·24 h)，抽雄期逐漸下降，收獲期時降至最低，為127.39 mg/(g·24 h)。磷酸酶活性的增幅最大時期在拔節(jié)期，增幅最高可達到13.45%；苗期次之，增幅為3.28%～12.35%；而成熟收獲期最低，增幅為2.53%～10.61%。

圖1 秸稈深埋條件下不同施氮水平的土壤磷酸酶活性動態(tài)變化

從圖1 中可以看出相對于無秸稈處理，秸稈深埋處理可以顯著提高土壤磷酸酶的活性(P＜0.05)，增幅范圍在2.53%～13.45%之間。各處理的土壤磷酸酶活性變化趨勢一致，隨施氮量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，施氮處理的土壤磷酸酶活性均高于不施氮處理，在施氮量為180 kg/hm2時磷酸酶活性達到最高，增幅為5.18%～13.45%，增加的范圍為11.63～40.87 mg/(g·24 h)；施氮量為0 kg/hm2時，磷酸酶活性增加的最小，增加的范圍為3.22～21.08 mg/(g·24 h)。

2.2 秸稈深埋條件下不同施氮水平對土壤全磷、有效磷的影響

秸稈深埋對不同施氮水平土壤全磷含量的影響見圖2。無秸稈處理的土壤全磷含量隨著施氮水平的增加而減??；而在秸稈深埋處理下，土壤全磷含量則隨施氮水平的增加出現(xiàn)先下降，后再上升的變化趨勢，在施氮量為0 kg/hm2時最高，為0.856 g/kg。與無秸稈處理相比，秸稈深埋處理的土壤磷素含量均有所提高，增幅為5.90%～9.14%，增加的范圍為41.93～68.42 mg/kg。

圖2 秸稈深埋條件下不同施氮水平對土壤全磷含量的影響

如圖3所示，在玉米生育期內(nèi)，有無秸稈處理的土壤有效磷含量均隨生育期的延長呈先增加再減小的變化趨勢，在拔節(jié)期時達到最高，為102.17 mg/kg，收獲期時降到最低，為44.17 mg/kg。在同一時期，秸稈深埋處理下的有效磷含量均高于無秸稈處理，但變化未達到顯著差異水平(P＞0.05)。同一秸稈處理的有效磷隨施氮水平的增加呈先增加再降低的趨勢，施氮量為0、225 kg/hm2的有效磷含量相較于135、180 kg/hm2低。秸稈深埋處理下施氮量為180 kg/hm2時，有效磷的含量最高，范圍在66.79～102.17 mg/kg 之間；秸稈深埋處理下施氮量為0 kg/hm2時，有效磷的含量最低，范圍在51.58～94.00 mg/kg之間。

圖3 秸稈深埋條件下不同施氮水平的土壤有效磷動態(tài)變化

2.3 相關分析

土壤磷酸酶活性和全磷、有效磷的相關性分析見表2。由表2 可知，無論有無秸稈施用，土壤磷酸酶活性與土壤有效磷呈極顯著正相關(P＜0.01)，與土壤全磷含量未達到差異顯著水平(P＞0.05)。

表2 土壤磷酸酶活性和土壤全磷、有效磷的相關分析

秸稈深埋和施氮水平對土壤磷酸酶活性、全磷和有效磷含量的雙因素分析見表2。秸稈深埋對有效磷含量呈極顯著正相關(P＜0.01)，對土壤磷酸酶活性、全磷有影響但不顯著(P＞0.05)；施氮水平對土壤磷酸酶具有極顯著影響(P＜0.01)，對全磷、有效磷含量有影響但不顯著(P＞0.05)；秸稈深埋與施氮水平交互項對土壤磷酸酶、全磷和有效磷含量的影響均不顯著(P＞0.05)。

因此，在本研究中，無論有無秸稈深埋，土壤磷酸酶活性均能反應土壤有效磷含量的變化，但對全磷無顯著影響。秸稈深埋與施氮水平對土壤磷酸酶活性、全磷和有效磷含量均有所影響，但二者的交互項對土壤磷酸酶活性和全磷、有效磷含量影響均不顯著。

3 結論

（1）土壤磷酸酶活性在玉米生育期間均呈現(xiàn)先增后降的變化趨勢，在拔節(jié)期時達到最高。秸稈深埋可顯著提高土壤磷酸酶的活性(P＜0.05)，且土壤磷酸酶的活性隨施氮量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，在施氮量為180 kg/hm2時達到最高，為344.66 mg/(g·24 h)，增幅最高可達13.45%。

（2）秸稈深埋可以提高土壤全磷、有效磷含量。土壤有效磷含量隨玉米生育期的延長呈先增加再減小的變化趨勢，且同一秸稈處理的有效磷隨施氮水平的增加呈先增加再降低的趨勢，在秸稈深埋處理下施氮量為180 kg/hm2時，有效磷的含量最高，為102.17 mg/kg。

（3）通過相關性分析得出，土壤磷酸酶活性與土壤有效磷含量呈極顯著正相關關系(P＜0.01)，與土壤全磷含量未達到差異顯著水平(P＞0.05)。秸稈深埋和施氮水平對土壤磷酸酶活性、全磷和有效磷含量均有所影響，但二者的交互項對土壤磷酸酶活性、全磷和有效磷含量影響不顯著。

4 討論

土壤磷酸酶是決定土壤中磷轉化的關鍵酶，其活性的高低對土壤中有機磷的分解轉化及生物有效性有著直接影響[5,16]。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈深埋對不同施氮水平的土壤磷酸酶活性均有所提高，這與劉瑋斌等[17]、侯賢清等[18]研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田能顯著增加土壤磷酸酶活性的結果相一致。分析原因可能是：（1）秸稈中的營養(yǎng)物質含量較多，可增加酶的反應底物；（2）秸稈深埋可以減少土壤水分的蒸發(fā)，從而提高秸稈的腐解速度，進而增加土壤微生物及根系的數(shù)量，使土壤中產(chǎn)生更多的酶[17]。本研究中無論有無秸稈深埋處理，土壤磷酸酶活性均隨著施氮水平的上升而呈現(xiàn)先增后降的趨勢，梁路等[19]也得出相同結果，說明施用適宜的氮肥能顯著提升土壤酶活性和氮肥利用效率，但如果氮肥用量超過最大臨界范圍則會導致酶活性降低。而陳虹等[20]卻有不同發(fā)現(xiàn)，他們得出隨著施氮量的增加土壤酸性磷酸酶活性呈降低趨勢，說明氮肥的施用抑制磷酸酶的活性。這是因為供試土壤的磷含量不同，土壤類型、培肥措施、田間管理不同，所以土壤磷酸酶對氮肥的響應也不一樣。

土壤磷素作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的養(yǎng)分限制因子，是作物生長發(fā)育所必需的養(yǎng)分元素，直接決定了農(nóng)田的生產(chǎn)力[21]。土壤磷素中的全磷可反映土壤磷庫的大小，有效磷則反映可供當季作物吸收利用的磷素水平，是評價土壤供磷能力的重要指標[22-23]。本研究發(fā)現(xiàn)，在秸稈深埋條件下土壤全磷含量隨著施肥水平的增加呈先減少后增加的變化趨勢，而土壤有效磷含量則隨施氮量的增加呈先增加后減小的變化趨勢，與周紀東等[24]研究結果較為相似，其原因在于：（1）秸稈腐解后，增加土壤有機質，降低速效養(yǎng)分的淋溶，提高土壤吸附氮磷鉀元素的能力，彌補秸稈腐解時土壤微生物對養(yǎng)分的固持[25]；（2）氮肥添加能促使生物體分泌的胞外磷酸酶更多，進而使土壤產(chǎn)生的磷酸鹽更多，這就增加了土壤有效磷的含量[26]，加速土壤磷循環(huán)。所以隨著施氮水平的增加，全磷含量降低而有效磷含量增多。李紅宇等[27]發(fā)現(xiàn)秸稈還田可以顯著提高土壤全磷、有效磷和速效鉀含量，與本實驗研究結果相同，這是由于秸稈中含有磷，且秸稈還田的投入帶入大量有機物料促進土壤有機質的積累，有機質能促進活性形態(tài)磷的積累，降低非活性磷素占總磷的比重[28]。目前也有報道發(fā)現(xiàn)，秸稈還田也會使土壤中全磷、速效磷含量有所降低，這是因為秸稈中60%的磷以離子態(tài)存在，其余部分參與細胞壁的構成，盡管磷素釋放較快，但是由于秸稈中含磷較低，故磷釋放量少[29]。

鄭琴等[30]研究發(fā)現(xiàn)，土壤磷酸酶活性與土壤有效磷含量呈顯著負相關性，而本研究則發(fā)現(xiàn)，土壤磷酸酶活性與土壤有效磷含量呈極顯著正相關關系(P＜0.01)，與李艷等[31]研究結果一致。其原因可能是植株根際及微生物是在土壤缺磷狀態(tài)下通過反饋調節(jié)使得磷酸酶活性升高，土壤有效磷含量也隨之增加，但之后有效磷的需求量減小而土壤中有效磷含量高，負反饋調節(jié)使得酶活性下降。本實驗中在施氮量為180 kg/hm2時，磷酸酶活性最大，此時有效磷含量也達到最高值，而在施氮量225 kg/hm2時，磷酸酶活性有所下降，有效磷含量也隨之下降，主要是由于施氮量過高，土壤中C/N偏離適宜范圍，進而影響土壤微生物活性而降低土壤磷酸酶活性，以致有效磷含量下降[25]。有研究表明，秸稈還田配施一定量的氮肥，能夠有效提高耕層土壤酶的活性以及速效養(yǎng)分的含量[25,32]。