劉東海 毛慶華 鄧輝 梅亮賢 羅杰 喬艷 張智 胡誠

收稿日期：2024-01-04

基金項目：農(nóng)田智慧施肥項目

作者簡介：劉東海（1984-），男，河北邯鄲人，助理研究員，碩士，主要從事土壤肥力及智慧施肥研究，（電話）027-88430575（電子信箱）396520042@qq.com；通信作者，胡 誠（1972-），男，湖北安陸人，研究員，博士，主要從事新型肥料及廢棄物資源化研究，（電子信箱）Huchenghxz@163.com。

劉東海，毛慶華，鄧 輝，等. 秸稈還田配施化肥下麥田土壤理化性質(zhì)和酶活性的變化［J］. 湖北農(nóng)業(yè)科學，2024，63（5）：12-16．

摘要：為了探明長期秸稈還田下配施化肥對麥田土壤酶活性的影響及其主要驅(qū)動因子，以持續(xù)4年的廣水長期定位試驗為依托，設置秸稈（S，用量為6 000 kg/hm2，其他處理用量相同）、秸稈+施100%N（S100N，純N用量為187.5 kg/hm2，其他施肥處理用量按此用量折算）、秸稈+施80%N（S80N）、秸稈+施60%N（S60N）、秸稈+施80%N+菌劑（S80Nm，秸稈腐熟菌劑用量為30 kg/hm2）、秸稈+施60%N+菌劑（S60Nm，菌劑用量同S80Nm）6個處理，測定了土壤酶活性、土壤理化性質(zhì)及小麥產(chǎn)量。結(jié)果顯示，與S相比，S100N和S80N小麥產(chǎn)量分別顯著提高182.82%和179.55%（P<0.05）；秸稈腐熟菌劑的添加對土壤理化性質(zhì)和小麥產(chǎn)量的效果不顯著。與S100N相比，S80N增加了土壤磷酸酶（Phos）、硫酸酯酶（Sul）、 β-葡萄糖苷酶（βG）、β-木糖苷酶（βX）、α-葡萄糖苷酶（αG）、乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG ）和亮氨酸氨基肽酶（ LAP）的活性；冗余分析（RDA）顯示秸稈還田條件下，土壤有機質(zhì)和堿解氮的含量是土壤酶變化的主要影響因子。因此，從減肥增效角度來看，S80N是提升土壤質(zhì)量較適宜的管理措施。

關鍵詞：麥田；秸稈還田；化肥；土壤理化性質(zhì)；土壤酶

中圖分類號：S157.4???????? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）05-0012-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.05.003??????????? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Changes of soil physical and chemical properties and enzyme activity in wheat field under straw returning combined with chemical fertilizer

LIU Dong-hai1， MAO Qing-hua2， DENG Hui3， MEI Liang-xian4， LUO Jie4， QIAO Yan1， ZHANG Zhi1， HU Cheng1

（1.Institute of Plant Protection and Soil Fertilizer， Hubei Academy of Agricultural Sciences， Wuhan? 430064， China； 2.Guangshui Farmland Project Construction Center and Soil Fertilizer Workstation， Guangshui? 432700， Hubei， China； 3.Jingmen Agricultural Comprehensive Law Enforcement Detachment， Jingmen? 448000， Hubei， China；4.Huangmailing Chemical Research Institute Co.， Ltd.， Wuhan? 430061， China）

Abstract： In order to explore the effect of combined application of chemical fertilizer on soil enzyme activity and its main driving factors in the wheat field under long-term straw returning， a four-year long-term positioning experiment in Guangshui was carried out. Six treatments were set up，including straw （S， the amount of 6 000 kg/hm2， the same as other treatments）， straw+100%N （S100N， 187.5 kg/hm2 N， the amount of other fertilization treatments was converted according to this amount）， straw+80%N （S80N）， straw+60%N （S60N）， straw+80%N + microbial inoculant （S80Nm， the amount of the straw decomposition microbial agent was 30 kg/hm2）， straw+60%N+microbial inoculant （S60Nm， the dosage of the microbial agent was the same as S80Nm）. Soil enzyme activity， soil physical and chemical properties and wheat yield were measured. The results showed that compared with S treatment， S100N and S80N significantly increased wheat yield by 182.82% and 179.55%（P<0.05）， respectively. The addition of the straw decomposition microbial agent had no significant effect on soil physical and chemical properties and wheat yield. Compared with S100N treatment， S80N increased the activities of soil phosphatase （Phos）， sulfatase （Sul）， β-glucosidase （βG）， β-xylosidase （βX）， α-glucosidase （αG）， acetylglucosaminidase （NAG） and leucine aminopeptidase （LAP）. Redundancy analysis （RDA） showed that soil organic matter and alkali hydrolyzable nitrogen were the main influencing factors of soil enzyme changes under the condition of straw returning. Therefore， from the point of view of reducing amount and increasing efficiency of fertilizer， S80N was a more suitable management measure to improve soil quality.

Key words： wheat field； straw returning to field； chemical fertilizer； soil physical and chemical properties； soil enzyme

作物秸稈富含有機質(zhì)及各種營養(yǎng)元素，是重要的有機資源［1，2］，長期作物秸稈還田影響土壤有機碳、有機氮、pH和有效磷等理化性質(zhì)［3，4］，同時也影響土壤酶活性［5］。土壤酶活性是評價土壤質(zhì)量和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化能力的重要指標［6］，可分為水解酶和氧化酶，前者負責獲取C、N和P以支持初級新陳代謝，后者可降解木質(zhì)素等頑固化合物［7，8］。土壤酶是由土壤微生物合成和分泌的，是有機質(zhì)形成和分解的催化劑［9］，在秸稈分解過程中發(fā)揮著不可替代的作用［10］。Wei等［11］施用農(nóng)作物秸稈提高了磷酸酶、脲酶和轉(zhuǎn)化酶的活性水平。Zhao等［12］的秸稈還田試驗表明，0～15 cm土層土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶和過氧化氫酶活性分別比對照提高11.4%、41.0%和12.9%。相比于單施化肥處理，秸稈還田配合施用化肥處理顯著提高了土壤β-葡萄糖苷酶、纖維二糖苷酶、β-木糖苷酶、α-葡萄糖苷酶的活性［13］。

土壤水解酶或氧化還原酶活性受到對應土壤養(yǎng)分狀況的影響［14］，研究長期秸稈還田配施化肥下土壤胞外酶活性特征及與環(huán)境因子的關系對深入理解C、N、P等養(yǎng)分物質(zhì)循環(huán)過程具有重要意義［15］。因此，本研究采用微孔板熒光法測定了與土壤C、N和P轉(zhuǎn)化相關的9種酶活性和土壤理化性質(zhì)，利用相關性分析和冗余分析（RDA）探索土壤酶活性和土壤理化性質(zhì)的內(nèi)在關系，以期解析秸稈還田下施肥對影響土壤酶特征的關鍵理化因子，為科學合理利用秸稈、培肥土壤、提高土壤質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗地

供試小麥品種為鄂麥23號。

田間試驗于2016—2020年在湖北省廣水市十里辦事處紅石塘村進行。廣水市屬北亞熱帶大陸性季風氣候，冷暖適中，冬干夏雨，雨熱同期，四季分明。年平均氣溫在 13～16 ℃，無霜期在201～240 d，降水量在 940～1 040 mm，日照時間為2 083 h。供試土壤類型為黃棕壤。

1.2 試驗設計

試驗設置6個處理，分別為秸稈（S）、秸稈+施100%N（S100N）、秸稈+施80%N（S80N）、秸稈+施60%N（S60N）、秸稈+施80%N+菌劑（S80Nm）、秸稈+施60%N+菌劑（S60Nm）。其中，施100%N處理的純N用量為187.5 kg/hm2，其他施肥處理按此用量進行折算，氮肥基肥和追肥占比分別為80%和20%；磷肥（P2O5）用量為67.5 kg/hm2，鉀肥（K2O）用量為90.0 kg/hm2，各處理秸稈用量均為6 000 kg/hm2；添加菌劑的處理，菌劑（秸稈腐熟菌劑）用量為30 kg/hm2。每個處理重復3次，每個小區(qū)40 m2。

1.3 研究方法

2020年小麥收獲后，每個小區(qū)按“S”形取樣法取6個點混合為1個土樣，深度0～20 cm。土樣裝入無菌密封袋后置于保溫箱帶回實驗室，一部分樣品立即測定土壤酶活性，另一部分樣品風干后測定理化性質(zhì)。

采用96微孔酶標板熒光分析法測定土壤磷酸酶（Phos）、硫酸酯酶（Sul）、β-葡萄糖苷酶（βG）、β-纖維二糖苷酶（CBH）、纖維素酶（CL）、β-木糖苷酶（βX）、α-葡萄糖苷酶（αG）、乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）和亮氨酸氨基肽酶（LAP）的活性。取1.00 g新鮮土壤樣品，加入100 mL的50 mmol/L醋酸鈉緩沖溶液（pH為土壤樣品pH的平均值，如樣品間pH相差較大，需配制不同緩沖溶液），用磁力攪拌器使其均質(zhì)化后移取200 μL懸浮液于酶標板中，以緩沖液為空白，4-甲基羥基香豆素（MUB）為標準物［LAP 采用7-氨基-4-甲基香豆素（AMC）為標準物］，不同酶加入對應的底物，25 ℃黑暗培養(yǎng)4 h后（酸性土壤需加入50 μL的1 mol/L NaOH溶液終止反應），在激發(fā)光365 nm、發(fā)射光 450 nm 條件下用Synergy H/M型酶標儀測定其熒光度，酶活性以每克每小時干物質(zhì)產(chǎn)生底物的納摩爾數(shù)表示。試劑購于Sigma-Aldrich公司。

土壤理化性質(zhì)采用常規(guī)方法測定［16］。土壤pH采用復合電極測定，水土比為 2.5∶1；土壤有效磷（AP）含量采用碳酸氫鈉溶液浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀（AK）含量采用醋酸銨溶液浸提-原子吸收分光光度計測定；有機質(zhì)（OM）含量采用重鉻酸鉀容量法測定；堿解氮（AN）含量采用堿解擴散法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2019軟件處理數(shù)據(jù)，利用 IBM SPSS20軟件進行單因素方差分析（One-way ANOVA）和LSD多重比較。采用Pearson法對土壤理化指標與酶活性進行相關分析。采用 Canoco 5.0軟件進行冗余分析（RDA）。圖表數(shù)據(jù)均為平均值±標準偏差。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥對土壤理化性質(zhì)和小麥產(chǎn)量的影響

由表1可知，與S相比，各施肥處理提高了有效磷和速效鉀含量，降低了土壤pH；S100N和S80N小麥產(chǎn)量分別比S顯著提高182.82%和179.55%（P<0.05）。與S100N相比，其他施肥處理土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷的含量均沒有顯著變化，但S60N和S60Nm土壤速效鉀含量分別提高了10.10%和14.28%，且S80Nm顯著提高了20.75%（P<0.05）。比較S80N和S80Nm及S60N和S60Nm發(fā)現(xiàn)，添加菌劑對理化性質(zhì)的影響總體不顯著。

2.2 施肥對土壤酶活性的影響

由表2可知，與S相比，S100N僅顯著降低了LAP活性（P<0.05）；其他酶活性無顯著差異。與S100N相比，S80N和S60N增加了Phos、Sul、βG、βX、αG、NAG和LAP的活性；S80Nm和S60Nm降低了Phos、Sul、βG、αG和NAG的活性。與S80N相比，S80Nm土壤Phos活性顯著降低45.46%，βG活性顯著降低24.77%（P<0.05）。與S60N比較，S60Nm土壤NAG活性顯著降低37.72%（P<0.05），其他酶（除LAP）活性也呈下降趨勢，但變化不顯著。

2.3 施肥下土壤酶活性與理化性質(zhì)的相關性

由表3可知，有機質(zhì)含量與堿解氮含量呈極顯著正相關（P<0.01），與有效磷含量和β-葡萄糖苷酶均呈顯著正相關（P<0.05）。有效磷含量與pH呈極顯著負相關（P<0.01），與速效鉀含量、纖維素酶活性和有機質(zhì)含量均呈顯著正相關（P<0.05）。α-葡萄糖苷酶活性與硫酸酯酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶和β-木糖苷酶的活性均呈極顯著正相關（P<0.01）。硫酸酯酶活性與β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶和α-葡萄糖苷酶的活性均呈極顯著正相關（P<0.01）。磷酸酶活性與β-葡萄糖苷酶活性呈極顯著正相關（P<0.01），與硫酸酯酶、β-木糖苷酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶的活性均呈顯著正相關（P<0.05）。β-葡萄糖苷酶活性與β-纖維二糖苷酶呈顯著正相關（P<0.05），與乙酰氨基葡萄糖苷酶和β-木糖苷酶的活性均呈極顯著正相關（P<0.01）。

由RDA分析（圖1）可以看出，長期不同施肥量對土壤酶分布產(chǎn)生差異，RDA前兩個排序軸保留了土壤酶活性數(shù)據(jù)總方差的93.03%，pH與Phos、CBH、βG、NAG和βX均呈負相關，與αG、LAP和CL均無顯著相關性；OM和AN與 Phos、CBH、βG、NAG和βX均呈正相關；AP與CL呈正相關，與LAP和αG均呈負相關；AK則與AP正好相反。

[0.8][-0.4][RDA（10.95%）][-0.8][0.4][RDA（82.08%）][OM][AP][CL][βG][AN][CBH][Phos][NAG][βX][Sul][AK][LAP][pH][αG]

空心箭頭表示解釋變量，實心箭頭表示該土壤性狀與

土壤酶活性顯著相關

3 討論

3.1 不同施肥對土壤速效養(yǎng)分含量的影響

農(nóng)作物秸稈是作物生長所需碳、鉀和微量元素的重要來源，在還田后有助于維持土壤養(yǎng)分平衡［17］。本研究顯示，施肥降低了土壤pH；有研究指出，黃淮海潮土區(qū)施用化肥及秸稈還田下pH均降低了0.06個單位［18］，長期施用推薦施氮量或更高量的氮肥（尿素）是赤紅壤旱地土壤酸化的主要原因，土壤pH下降的拐點出現(xiàn)在定位試驗開始后的第3年或第4年［19］。本研究減氮20%的產(chǎn)量略有降低，但差異不顯著，與聶勝委等［20］在小麥季減氮20%不減產(chǎn)的結(jié)論一致，但減氮40%，產(chǎn)量顯著下降；添加秸稈腐熟菌劑，產(chǎn)量出現(xiàn)下降，差異不顯著，這與現(xiàn)有的結(jié)論不一致［21，22］，可能是腐熟菌劑進入麥田受到土壤水分和溫度的原因?qū)е禄钚圆粡姡绊懏a(chǎn)量，或者是因為腐熟菌劑對土著微生物產(chǎn)生影響，而還田秸稈的降解需由外源微生物和土著菌共同作用，腐稈菌在第一年侵入對土著微生物造成的影響可能直接導致其第二年無法與土著菌“合作”促腐［23］，影響作物產(chǎn)量。

有效磷含量與pH呈極顯著負相關，可能是因為在酸性或中性的土壤中，pH的升高降低了活性鐵、鋁含量，進而使鐵、鋁的吸附固定和沉積作用降低，磷的有效性與鐵離子、鋁離子參與的化學過程關系密切［24，25］，導致磷的有效性與pH呈負相關。有機質(zhì)含量與堿解氮含量呈極顯著正相關，與湘南稻作煙區(qū)不同土層土壤有機質(zhì)含量與氮、磷、鉀關系研究的結(jié)論一致［26］。

3.2 不同施肥對土壤酶活性的影響

微生物分泌的各種酶在土壤的碳氮循環(huán)過程中發(fā)揮著重要的作用［27］。本研究中，與秸稈+施100%N（S100N）相比，減施20%和40%的氮處理增加了土壤磷酸酶、硫酸酯酶、β-葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、α-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶的活性，可能是因為秸稈還田導致有機碳的積累［28］，減施氮肥間接造成土壤氮元素的相對虧缺，當?shù)V質(zhì)氮濃度較低時，參與氮循環(huán)的乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶的活性被激發(fā)，從而去獲取更多有機氮［29，30］。然而本研究中同樣施氮量下，添加秸稈腐熟菌劑降低了土壤磷酸酶、硫酸酯酶、β-葡萄糖苷酶、α-葡萄糖苷酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶的活性，這與已有的施用秸稈腐熟菌劑提高了酶活性的結(jié)論不一致［31］，可能是大量腐解菌的加入擾亂了土著微生物的群落結(jié)構，導致一些酶的活性降低，所以秸稈腐解菌的加入還需要深入研究。

磷酸酶可以加強酯和磷酸酐的水解，釋放出植物可直接使用的磷酸鹽［32-34］，提高土壤有效磷含量。本研究磷酸酶活性與β-葡萄糖苷酶活性呈極顯著正相關，與硫酸酯酶、β-木糖苷酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶的活性呈顯著正相關，與有效磷含量不存在顯著相關性。土壤微生物和植物根系分泌的硫酸酯酶水解硫酯鍵生成硫酸鹽［35］，在土壤硫循環(huán)和植物生長中都起著重要作用。硫酸酯酶活性與β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-木糖苷酶、α-葡萄糖苷酶的活性均呈極顯著正相關，說明土壤中硫元素生物循環(huán)與土壤碳、氮代謝有一定的相關性。

3.3 土壤酶活性的分布特征及其驅(qū)動因子

本研究通過對C、N、P和S循環(huán)相關的酶進行冗余分析，得出長期秸稈還田下不同施肥導致土壤酶分布出現(xiàn)差異。土壤有機質(zhì)和堿解氮是土壤酶變化的主要影響因子，而夏文建等［36］認為土壤全氮和微生物生物量碳是紅壤稻田酶活性的關鍵影響因子，說明不同土壤類型對酶活性存在不同影響。

4 小結(jié)

秸稈還田配施化肥提高了土壤養(yǎng)分含量和小麥產(chǎn)量；S100N和S80N小麥產(chǎn)量分別比S顯著提高182.82%和179.55%。秸稈腐熟菌劑的添加對土壤理化性質(zhì)和小麥產(chǎn)量的效果不顯著，冗余分析（RDA）顯示秸稈還田條件下，土壤有機質(zhì)和堿解氮是土壤酶變化的主要影響因子，因此從減肥增效角度分析，秸稈+施80%N是提升土壤質(zhì)量較適宜的管理措施。

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