免耕條件下施用有機肥對冬小麥土壤酶及活性有機碳的影響

鄭鳳君，王雪，李景，王碧勝，宋霄君，張孟妮，武雪萍，劉爽，席吉龍，張建誠，李永山

免耕條件下施用有機肥對冬小麥土壤酶及活性有機碳的影響

鄭鳳君1，王雪2，李景3，王碧勝1，宋霄君1，張孟妮1，武雪萍1，劉爽1，席吉龍4，張建誠4，李永山4

（1中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2北京市房山區(qū)琉璃河鎮(zhèn)人民政府，北京 102403；3河北地質大學水資源與環(huán)境學院，石家莊 050031；4山西省農業(yè)科學院棉花研究所，山西運城 044000）

【目的】探討免耕條件下施用有機肥對冬小麥土壤酶活性及活性有機碳含量的影響，明確免耕條件下的科學施肥方法，為提升土壤生物學活性和改善土壤質量提供理論依據(jù)?！痉椒ā炕谏轿鬟\城長期定位試驗，選取免耕（NT）和免耕增施有機肥（NTM）兩個處理，在冬小麥不同生育時期測定與碳轉化相關土壤酶的活性（β葡萄糖苷酶、β木聚糖酶、纖維二糖苷酶、α葡萄糖苷酶）、土壤溫度、土壤含水量和土壤呼吸速率以及成熟期土壤總有機碳（TOC）和活性有機碳組分（可溶性有機碳，DOC；易氧化有機碳，EOC；微生物量碳，MBC）等關鍵指標?！窘Y果】（1）在冬小麥生育期，兩個處理不同土壤酶活性具有明顯的季節(jié)性變化特征。其中β木聚糖酶與α葡萄糖苷酶的活性在拔節(jié)期和灌漿期表現(xiàn)出升高趨勢；但β-葡萄糖苷酶與纖維二糖苷酶的活性隨季節(jié)變化波動較小。不同生育時期β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶的活性的變化趨勢與土壤呼吸速率變化趨勢基本一致。此外，主成分分析結果表明，不同生育時期土壤酶活性主要受土壤含水量和土壤呼吸速率的影響。（2）與NT相比，NTM顯著提高不同生育時期土壤β木聚糖酶的活性（越冬期：17.6%；抽穗期：8.5%；灌漿期：14.1%和成熟期：10.0%）；在越冬期和拔節(jié)期土壤α葡萄糖苷酶的活性分別提高16.7%和10.2%。同時，主成分分析結果表明，不同處理間酶活性主要受土壤溫度和土壤呼吸速率的影響。（3）與NT相比，NTM顯著提升冬小麥生長季TOC、DOC、EOC和MBC含量（TOC：16.9%；DOC：27.7%；EOC：38.4%和MBC：50.7%）。（4）冬小麥生長季土壤生物學指標相關分析表明，β木聚糖酶與α葡萄糖苷酶的活性與總有機碳及其活性組分呈顯著相關關系（相關系數(shù)均大于0.850）。【結論】免耕增施有機肥通過影響生育期土壤含水量和土壤溫度，進而提升β木聚糖酶與α葡萄糖苷酶的活性；同時，秸稈還田基礎上增加有機肥碳投入可進一步提高土壤總有機碳和活性有機碳組分的含量，有利于土壤酶等生物學活性和土壤質量的提升。

免耕；免耕增施有機肥；土壤酶；總有機碳；活性有機碳；冬小麥

0 引言

【研究意義】土壤質量不僅取決于土壤物理和化學特性，還與土壤生物學活性密切相關。作物田間管理過程中土壤生物學活性主要指土壤微生物和酶活性。免耕通過減少土壤擾動，增加地表秸稈覆蓋，可以提高土壤微生物生物量和酶活性[1]。然而，長期免耕表層土壤有機碳和養(yǎng)分層化現(xiàn)象明顯，將會威脅作物可持續(xù)生產(chǎn)[2]，農家肥中含有豐富的易被作物吸收利用的營養(yǎng)物質，且為微生物提供良好的N、P、K和小分子物質，利于秸稈分解和轉化[3]。免耕條件下外源有機肥的添加，通過改善土壤理化性質和調節(jié)土壤碳氮比，進而促進秸稈等有機物料的分解[4]。因此，研究免耕增施有機肥的土壤生物學活性，對土壤質量的提升具有重要的現(xiàn)實指導意義?！厩叭搜芯窟M展】免耕結合秸稈覆蓋可提高作物耕層土壤酶活性和有機碳含量[5]，然而，作物秸稈自然狀態(tài)下碳氮比較高，微生物難以分解利用[6]，動物糞肥等有機肥中富含大量易分解的脂肪酸，微生物容易分解利用[7]。大量研究表明，施用有機肥可降低土壤有效養(yǎng)分的固持，進而提高土壤養(yǎng)分有效容量和強度，對土壤碳庫具有較高的提升潛力[8-9]。有機肥的施用能有效地增加土壤總有機碳含量，并改善活性有機碳質量，進而提升土壤肥力[10]。同時，施用有機肥后，土壤糖苷酶活性顯著增強，且與土壤總有機碳（TOC）、其他速效養(yǎng)分及微生物量關系密切[11]。施用有機肥可以提高土壤相關酶活性及微生物量已被多數(shù)研究證實，但常規(guī)施肥基礎上增施秸稈和有機肥對土壤生物學活性的系統(tǒng)研究相對缺乏?！颈狙芯壳腥朦c】黃土高原是我國重要的糧食生產(chǎn)區(qū)，冬小麥占全國種植面積的44%[12]。黃土高原旱作農業(yè)區(qū)冬小麥種植普遍推行免耕等保護性耕作措施。免耕增施有機肥技術在國外巴西等國家已廣泛推廣[14]，然而我國推行相對較少。另外，免耕增施有機肥對土壤生物學活性（土壤酶活性及活性有機碳含量）相關研究鮮見報道，其作用機制有待進一步探討?！緮M解決的科學問題】本文基于山西省農業(yè)科學院牛家凹冬小麥長期定位試驗，研究分析了免耕增施有機肥對冬小麥土壤酶及活性有機碳的影響，并探討冬小麥不同生育時期土壤酶活性動態(tài)變化和收獲期土壤有機碳含量，旨在為黃土高原區(qū)免耕條件下科學施肥提高土壤生物學活性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于山西省運城市夏縣，隸屬山西省農業(yè)科學院棉花研究所牛家凹試驗基地，地理位置111°05'15.12'' E，35°11'28.33'' N。該區(qū)地處黃土高原東部的汾渭平原黃河北干流中游以東，屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫13.3℃，年平均日照時數(shù)2039 h，無霜期212 d，年平均降水量525 mm，降水集中夏秋季，約占全年的70%。試驗地所在區(qū)域屬于黃河流域沖積平原，土壤類型為粉質壤土（17.5%黏粒，28.0%砂粒，54.5%的粉粒），土壤pH為8.15。2008年試驗開始前各處理土壤總有機碳含量為5.85 g·kg-1；土壤活性有機碳組分DOC、EOC和MBC含量分別為39.21 mg·kg-1、1.88 g·kg-1和80.29 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗開始于2008年，種植作物為冬小麥，10月上旬播種，次年6月上旬收獲，各個生育時期不灌水，夏季休閑，為一年一作的旱作小麥。試驗采用隨機區(qū)組設計，選取免耕（NT）、免耕增施有機肥（NTM）作為供試處理。每個處理設3次重復，共6個小區(qū)，每個小區(qū)面積為60 m2。免耕田間操作：小麥收獲后，留高茬15 cm，將秸稈粉碎覆蓋在農田表面，機械播種，同時施化肥。免耕增施有機肥田間操作：小麥收獲后，留高茬15 cm，將秸稈粉碎覆蓋在農田表面，機械播種，同時施化肥和有機肥。其中各處理秸稈均全量還田，化肥用量一致，純N180 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2，氮肥用量為當?shù)爻Ｒ?guī)氮肥施用量的一半。氮肥品種為尿素（N: 46%），磷肥為過磷酸鈣（P2O5：18%），NTM增施腐熟雞糞1 500 kg·hm-2，雞糞中主要養(yǎng)分的質量分數(shù)為有機質：24.98%、全氮（N）：1.99%、全磷（P2O5）：3.02%和全鉀（K2O）：2.07%。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 土壤呼吸、土壤溫度和土壤水分的測定 采用動態(tài)密閉氣室分析法（IRGA）測定土壤呼吸速率，測定儀器型號為LI-6400-09（LI-COR, Lincoln, NE, USA）。冬小麥播種后將聚乙烯圓柱體PVC圈嵌入土壤中，PVC圈直徑為25 cm，高為13 cm，嵌入土壤深度為20 cm，整個觀測期間保持PVC圈位置不變。分別在冬小麥越冬期（2014.12.1）、拔節(jié)期（2015.3.15）、抽穗期（2015.4.16）、灌漿期（2015.5.9）和成熟期（2015.6.1）測定土壤呼吸，每個生育時期重復3次。測定時間限定在上午8：00—11：00，此時土壤呼吸速率最為接近24 h均值。

分別于冬小麥越冬期（2014.12.1）、拔節(jié)期（2015.3.15）、抽穗期（2015.4.16）、灌漿期（2015.5.9）和成熟期（2015.6.1）上午08：00—11：00，在測定土壤呼吸的同時，將土壤熱電偶探針插入土壤20 cm，測定土壤溫度[15]。同時在探針附近隨機選取深度為20 cm的3個點，用直徑為3 cm的土鉆取樣50 g左右置于提前稱重的鋁盒中，稱重后，密封帶回實驗室，置于105℃烘箱中，烘干至恒重，計算土壤含水量。

1.3.2 樣品的采集 于冬小麥越冬期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期采集土壤樣品，用直徑3 cm的土鉆采用S取樣法采集0—20 cm表層土壤，每個處理3次重復，每次重復為小區(qū)內6個點混合土樣。土樣置于無菌封口塑封袋儲存于移動冰箱中，帶回實驗室，保存于4℃冰箱中，用于測定不同生育時期土壤酶活性和成熟期土壤活性有機碳組分。

1.3.3 土壤有機碳及其組分的測定 總有機碳（TOC）的測定：將風干后的土壤過100目篩，用1 mol·L-1的鹽酸去除碳酸鹽后烘干，利用元素分析儀（Elementar Vario MACRO, Germany）測定土壤總有機碳含量。

可溶性有機碳（DOC）的測定[16]：水浸提法。土壤篩分后，將土壤含水量調節(jié)至50%, 25℃預培養(yǎng)7 d，稱取相當于25 g烘干土重的鮮土3份，加入100 mL 0.5 mol·L-1K2SO4溶液，25℃于往復式振蕩機上振蕩30 min（200 r/min），過濾后將濾液轉移至塑料瓶中。取2 mL浸提液，超純水稀釋5倍到25 mL玻璃瓶中，加入一滴濃度為2 mol·L-1的鹽酸去除無機碳。利用總有機碳分析儀（Elementar TOC，Germany）測定稀釋溶液的濃度即為可溶性有機碳含量。

MBC的測定[17]：采用氯仿熏蒸提取法。土壤篩分后，將土壤含水量調節(jié)至50%, 25℃預培養(yǎng)7 d。稱取25 g烘干土重的鮮土兩份于小鋁盒中，一份作為未熏蒸對照，另一份放入真空干燥器中進行氯仿熏蒸。在熏蒸的干燥器中放入50 mL蒸餾水、50 mL無乙醇氯仿（同時加入10粒小玻璃珠防爆沸），用凡士林密封干燥器，用真空干燥器抽氣至氯仿爆沸2 min，將干燥器于黑暗避光條件下放置24 h。將熏蒸后的土樣與對照土樣放入三角瓶中，分別加入100 mL 0.5 mol·L-1K2SO4溶液，25℃于往復式振蕩機上振蕩30 min（200 r/min），過濾后將濾液轉移至塑料瓶中。取5 mL浸提液，超純水稀釋1倍，利用總有機碳分析儀測定。土壤微生物量碳（MBC）計算采用Bc = Ec / Kc，式中：Ec表示熏蒸與未熏蒸之差，Kc表示轉換系數(shù)，取值0.38。

易氧化有機碳（EOC）的測定[18]：KMnO4氧化法。25℃下，稱取一定量的待測土壤樣品（約含有機碳15 mg），裝入100 mL塑料瓶內，加入333 mmol·L-1的KMnO4溶液25 mL，瓶口密封，25 r/min振蕩1 h，同時進行空白樣制作。樣品振蕩后以4 000 r/min離心5 min，取上清液用去離子水按照1﹕250進行稀釋；在565 nm的分光光度計上通過比色（其標準液的濃度范圍必須包括1 mg碳），進行稀釋樣品吸光率的測定，通過土壤樣品吸光率與空白樣吸光率差值，計算被還原KMnO4的量，進而計算出樣品易氧化有機碳的含量（氧化過程中1 mmol KMnO4消耗0.75 mmol或9 mg碳）。

1.3.4 土壤酶活性的測定 熒光微型板酶標法[19]。

稱量藥品，提前1 d配好所需溶液，放于冰箱內避光保存于棕色試劑瓶中。稱取相當于1.0 g烘干土重的新鮮土樣，放入500 mL的玻璃燒杯中，加入125 mL超純水緩沖液，在磁力攪拌器上1200 r/min攪拌2—3 min，調至400 r/min后10 min加樣，采用移液排槍量取土壤懸浮液200 μL，微孔板上量取200 μL超純水作為對照。按照嚴格的順序加液，依次加入：50 μL的超純水、50 μL的參照液、50 μL的底物。加樣盡量快，底物的加入標志孵化時間的開始。加完樣后，用錫箔紙覆蓋微孔板，防止蒸發(fā)，于20℃培養(yǎng)箱中，黑暗條件下培養(yǎng)4 h，培養(yǎng)后上機測試。試劑購于Sig-ma-Aldrich Co. Ltd公司。測試酶及所用底物[20]見表1。

表1 測試土壤酶種類及所用底物

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

采用Excel 2010處理數(shù)據(jù)，Excel 2010和Origin 9.3制作圖表。利用SAS 9.1軟件單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著性差（LSD）進行多重比較（α=0.05）。采用Pearson法對土壤有機碳組分與酶活性進行相關分析，土壤酶活性值計算參照De Forest[21]的方法。

2 結果

2.1 土壤溫度、土壤含水量和土壤呼吸速率的季節(jié)變化

該區(qū)冬小麥的土壤含水量主要受當?shù)貧夂驐l件和小麥耗水的影響。從圖1可以看出，NT和NTM兩個處理的土壤表層含水量在冬小麥不同生育時期呈現(xiàn)出一致的變化趨勢。其中越冬期土壤含水量最高，為15.8%—16.1%，越冬前氣溫較低，土壤水分耗散量少，冬小麥生長處于休眠期，耗水量低。經(jīng)歷越冬期后，冬小麥對水分的需求急劇增加，致使表層土壤含水量明顯下降，同時隨著外界降雨量的增加，從拔節(jié)期到成熟期，表層土壤含水量呈緩慢增加趨勢，且拔節(jié)期與抽穗期NT和NTM處理之間土壤含水量存在顯著差異。土壤溫度在冬小麥不同生育時期呈現(xiàn)出遞增的趨勢，且僅在抽穗期NT處理的土壤溫度顯著高于NTM處理，其余生育時期兩處理間差異不顯著。

由圖2可以看出，在冬小麥整個生育期，土壤呼吸速率隨小麥生長表現(xiàn)出一定的季節(jié)變化特征，但是不同處理土壤呼吸速率變化趨勢存在差異。NT處理隨生育時期呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢；NTM處理在拔節(jié)期和灌漿期呈現(xiàn)升高趨勢，抽穗期和成熟期呈現(xiàn)降低趨勢。NT和NTM兩處理土壤呼吸速率除拔節(jié)期存在顯著差異外，其余生育期差異均不顯著。

表中字母a，b表示處理間土壤含水量存在顯著差異；“*”表示處理間土壤溫度存在顯著差異

“*”表示處理間土壤呼吸速率存在顯著差異

2.2 土壤酶活性的季節(jié)變化

在冬小麥不同生育時期，通過分析碳轉化的相關酶發(fā)現(xiàn)（圖3），不同處理間β葡萄糖苷酶和纖維二糖苷酶的酶活性沒有表現(xiàn)出顯著的季節(jié)性變化，其中β葡萄糖苷酶的酶活性變化范圍為519—760 nmol·g-1·h-1，纖維二糖苷酶的酶活性變化范圍為766—851 nmol·g-1·h-1；不同處理間β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶的酶活性則表現(xiàn)出顯著的季節(jié)性的變化，其中β木聚糖酶的酶活性變化范圍為2 049—3 407 nmol·g-1·h-1，α葡萄糖苷酶的酶活性變化范圍為1 104—1 991 nmol·g-1·h-1。β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶的酶活性最高值分別出現(xiàn)在拔節(jié)期和灌漿期，其變化趨勢與土壤呼吸速率相似。

由圖3同樣可看出，除了成熟期纖維二糖苷酶的酶活性NTM處理顯著高于NT處理外，其余生育時期兩處理間的β葡萄糖苷酶和纖維二糖苷酶的酶活性均不存在顯著差異。在越冬期、抽穗期、灌漿期和成熟期NTM處理β木聚糖酶的酶活性均顯著高于NT處理。在越冬期和拔節(jié)期NT與NTM兩個處理的α葡萄糖苷酶的酶活性存在顯著差異，而在抽穗期、灌漿期和成熟期無顯著差異。

2.3 土壤酶活性與土壤含水量、土壤溫度、土壤呼吸速率的主成分分析

應用主成分分析，分析冬小麥不同生育時期，NT與NTM處理對土壤酶活性、土壤含水量、土壤溫度和土壤呼吸速率的影響。圖4結果表明，PC1和PC2分別占據(jù)總變異的85.3%和8.5%。PC1將越冬期、成熟期與拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期區(qū)分開；PC2將越冬期、拔節(jié)期與抽穗期、灌漿期和成熟期區(qū)分開。拔節(jié)期和抽穗期NTM處理在第一主成分上與NT處理明顯分開，同時越冬期和拔節(jié)期NTM處理在第二主成分上與NT處理明顯分開。拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期在第一主成分上的荷載值為正，且β木聚糖酶、土壤呼吸速率、土壤溫度、α葡萄糖苷酶和β葡萄糖苷酶5項指標在第一主成分上的荷載值為正值，并且β木聚糖酶、土壤呼吸速率和土壤溫度起主導作用。

2.4 土壤活性有機碳組分

由表2可看出，冬小麥成熟期時，與NT處理相比，NTM處理顯著提升了可溶性有機碳（DOC）和易氧化有機碳（EOC）含量，提高幅度分別為27.7%和38.4%。NT和NTM處理的土壤微生物量碳（MBC）含量分別為97.6和147.2 mg·kg-1，二者間差異顯著。NTM處理的總有機碳（TOC）含量較NT處理顯著增加了16.9%。土壤MBC和TOC的比例（微生物熵，RQ），是衡量有機碳積累或缺失的重要指標，微生物熵相比單一的MBC和TOC指標更能有效的評價土壤質量的變化[22]。NTM處理微生物熵相比NT處理顯著增加了29.0%，表明免耕增施有機肥顯著提升土壤微生物活性。

2.5 冬小麥生長季土壤生物學指標相關分析

由表3可以看出，與土壤碳轉化相關的幾種酶中，有機碳及其活性組分與β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶呈顯著正相關關系，相關系數(shù)達0.85以上。β木聚糖酶與TOC、活性有機碳組分（EOC、DOC、MBC）、土壤含水量、土壤溫度均在0.05水平上顯著相關。α葡萄糖苷酶與TOC、活性有機碳組分（EOC、DOC、MBC）呈顯著正相關關系。TOC與活性有機碳組分在0.01水平上顯著相關，且與土壤溫度呈顯著負相關關系。EOC與DOC、MBC、土壤含水量呈顯著正相關關系。DOC與MBC呈顯著正相關關系，與土壤溫度呈顯著負相關關系。

“*”表示處理間土壤酶活性存在顯著差異“*”indicate significant differences in soil enzyme activities between different treatments

BG表示β葡萄糖苷酶；BXYL表示β木聚糖酶；AG表示α葡萄糖苷酶；CBH表示纖維二糖苷酶；SW表示土壤含水量；ST表示土壤溫度；SR表示土壤呼吸速率。表3同

表2 冬小麥成熟期不同處理總有機碳及活性有機碳組分

表3 冬小麥生長季土壤生物學指標的相關關系

“*”表示在0.05水平上顯著相關；“**”表示在0.01水平上顯著相關

“*” Indicate significant different at α=0.05; “**”Indicate significant different at α=0.01

3 討論

3.1 免耕條件下施用有機肥的土壤酶活性季節(jié)變化

氣候條件會引起土壤生物學活性的變化，土壤酶活性可表征該過程物質代謝的旺盛程度，反映作物對養(yǎng)分的吸收利用情況及其生長發(fā)育狀況[23]。本研究表明，免耕、免耕增施有機肥田間管理條件下，0—20 cm深度土壤溫度表現(xiàn)為冬春季較低，夏季較高的趨勢，冬小麥土壤酶活性隨季節(jié)變化較為明顯，且碳轉化相關的不同酶的變化規(guī)律存在差異。β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶的酶活性相比β葡萄糖苷酶與纖維二糖苷酶，季節(jié)變化更為明顯，這與LóPEZ等[24]發(fā)現(xiàn)的免耕增施有機肥提高β葡萄糖苷酶活性結果存在差異，原因可能是不同有機物料可溶性糖和半纖維素組成的差異，LóPEZ研究中施用粗糙杏仁殼作為覆蓋物，而本研究中覆蓋物為小麥秸稈。β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶在冬小麥生育期存在明顯的季節(jié)變化，表明β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶活性受季節(jié)性氣候條件影響較大，同時圖4主成分分析表明，β木聚糖酶和土壤含水量在第一主成分上起主導作用；表3也表明β木聚糖酶活性與土壤含水量和土壤溫度呈顯著相關關系。

有關免耕條件下土壤微生物量和酶活性的研究很多，包括耕作方式[25]、施肥措施[26]、土地利用方式[27]等，土壤微生物量和土壤酶能夠靈敏、及時、準確地反應土壤質量的變化狀況[25]。外源有機物質的添加對土壤溫度有較大的影響[28]。有研究表明，不同生育時期外源有機物質對土壤溫度調節(jié)效應存在差異[29]。本研究中NT相比NTM處理，具有較高的土壤溫度，且在抽穗期兩處理的土壤溫度差異顯著。大多數(shù)學者認為，免耕條件下土壤熱傳導快，土溫增加迅速，能貯藏更多的太陽輻射熱。土壤溫度高，溫差大，土溫與氣溫變化一致，協(xié)調了土壤水分和養(yǎng)分的遷移、轉化以及土壤內部生物的生物代謝[30]。土壤溫度的變化一方面可能與秸稈和有機肥的導熱性有關[31]；另一方面不同耕作施肥措施下，秸稈分解速率的差異也會引起土壤溫度的變化[32]。本研究也表明NTM處理顯著提高了拔節(jié)期和抽穗期冬小麥土壤含水量，這與大量研究得出的保持土壤表面殘留物可增加雨養(yǎng)地區(qū)土壤含水量的結論一致[33-34]。土壤表面殘留物覆蓋可減少土面蒸發(fā)，減緩土壤表面壓實[35]。拔節(jié)期和抽穗期作為冬小麥營養(yǎng)生長的關鍵生育時期，作物根系呼吸速率及對養(yǎng)分需求的差異引起土壤微生物活性和土壤滲透勢的變化[36]。土壤含水量的高低與土壤呼吸密切相關[37]。土壤水分從干旱到淹水的條件下，短期內土壤CO2排放速率先增加達到穩(wěn)定然后再下降[38]。本研究中NTM處理顯著提升了拔節(jié)期冬小麥的土壤呼吸速率，與該時期較高的含水量呈正相關關系。同時本研究也表明，免耕增施有機肥顯著提升各生育期（除拔節(jié)期外）土壤β木聚糖酶的酶活性，也顯著提升了越冬期和拔節(jié)期土壤α葡萄糖苷酶的酶活性?？梢姡┯袡C肥對土壤酶活性提升效果更佳，主要有以下幾個方面的原因：本研究所用有機肥為雞糞，雞糞中較高的氮含量與秸稈較高的C/N比合理搭配促進了土壤養(yǎng)分的平衡；隨著有機肥中營養(yǎng)元素的施入，促進了作物生長，從而增加植株根系分泌物，提高了土壤酶活性[39]；外源有機肥本身含有豐富的酶類，可以為產(chǎn)酶微生物提供豐富的營養(yǎng)源，提高土壤的生物學活性[40]。

3.2 免耕條件下施用有機肥土壤活性有機碳的變化

土壤的生物學特性與土壤有機碳含量密切相關，作物秸稈還田是保持和提高土壤有機碳的有效途徑[41]，在黃土高原地區(qū)，保護性耕作和秸稈覆蓋田間管理措施因其對作物產(chǎn)量及土壤質量的提升而得到廣泛應用?；钚杂袡C碳是土壤中有效性較高、易被土壤微生物分解礦化的有機碳[42]。土壤活性有機碳常用DOC、EOC、MBC等表征，它們能在土壤總有機碳變化之前反應土壤微小的變化[43]。本研究表明，與NT處理相比，NTM處理顯著提高了DOC、EOC、MBC含量。DOC作為土壤微生物的主要能源，在供應植物營養(yǎng)方面具有重要作用[44]。EOC是土壤碳庫變化快慢的指示性指標，可指示有機碳短期內的變化[45]。微生物生物量的周轉時間往往小于一年，且對土壤質量的改變反應迅速[46]。TOC含量的增加與處理間DOC、EOC和MBC含量的變化密切相關。TOC含量顯著提高，主要因為雞糞有機肥的施用，可改善土壤結構，保持土壤大團聚體的穩(wěn)定性，有利于土壤總有機碳的積累[47]；微生物通過降解外源有機質雞糞物料，短期內產(chǎn)生高濃度水溶性有機物質，是DOC增加的主要原因[48]；EOC含量的變化很大程度上依賴于土壤總有機碳的儲存量和土壤理化性質的變化[49]。施用有機肥對土壤MBC影響相對復雜，一方面，有機肥通過激發(fā)效應促進原有有機碳的分解，增加原有機碳的可利用性，使微生物生長增加，從而增加土壤MBC；另一方面，有機肥的添加提高了微生物生長所需要的碳和其他養(yǎng)分，促進微生物大量繁殖，有機肥中的碳被微生物吸收導致土壤MBC升高[28]。

3.3 土壤活性有機碳與土壤酶活性的關系

土壤有機質的變化過程非常緩慢，土壤質量的短期變化往往可以用活性有機碳組分和土壤酶活性來評估[50]。土壤有機碳的轉化包含一系列復雜生物化學過程，β葡萄糖苷酶、纖維二糖甘酶、β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶是參與有機碳分解和形成的主要調節(jié)者[51]。本研究表明，土壤活性有機碳組分與水解酶活性存在明顯相關關系。通過相關分析進一步發(fā)現(xiàn)，β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶的酶活性與有機碳組分顯著相關。在免耕條件下施用有機肥，外源腐熟雞糞作為底物添加于土壤，提供了大量易被微生物利用的碳水化合物等底物，進而增加土壤微生物量，提高了土壤酶的活性[52]，尤其是提高了參與降解半纖維素（BXYL）和可溶性糖（AG）酶的活性。此外，免耕條件下施用有機肥降低了生育期土壤溫度，并提高了土壤含水量，為酶提供更多的附著位點并且改善了酶促反應的微環(huán)境條件，從而提高了酶的催化反應[53]。而本研究中，β葡萄糖苷酶和纖維二糖甘酶活性與有機碳組分不存在顯著相關關系，β葡萄糖苷酶的與纖維二糖甘酶的是參與降解纖維素的主要酶，可能是有機肥的施用未改變產(chǎn)生這兩種酶的微生物群落結構[54]。此外，季節(jié)性環(huán)境變化影響土壤酶對有機質的分解，在冬季，氣候變化引起土壤可溶性有機碳含量減少，進而間接降低酶活性；在夏季，土壤濕度的降低，直接引起土壤微生物量和與碳轉化相關酶活性的降低[55]。本研究從冬小麥生長季土壤不同生物學指標的相關分析可知，β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶活性與TOC及活性有機碳組分呈顯著正相關關系；TOC與EOC、DOC、MBC呈極顯著正相關關系。在NTM處理中，外源秸稈和有機肥的添加，促進有機質的釋放，提升了土壤有機碳含量，微生物利用豐富的碳源，進而提高了MBC含量和土壤呼吸，促進土壤胞內、胞外酶的釋放，提升了土壤酶活性[28]。

4 結論

4.1 免耕增施有機肥影響小麥生育期土壤含水量和土壤溫度，改變與碳轉化相關的土壤酶的活性，主要提升β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶的活性。

4.2 免耕增施有機肥田間管理中，外源秸稈與有機肥的添加提高了土壤總有機碳和活性有機碳組分的含量。

4.3 免耕條件下，秸稈還田基礎上增加有機肥碳投入有利于土壤酶等生物學活性和土壤質量的提升。

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Effect of No-tillage with Manure on Soil Enzyme Activities and Soil Active Organic Carbon

ZHENG FengJun1, WANG Xue2, LI Jing3, WANG BiSheng1, SONG XiaoJun1, ZHANG MengNi1, WU XuePing1, LIU Shuang1, XI JiLong4, ZHANG JianCheng4, LI YongShan4

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081;2People's Government of Fanshan District Liulihe Town, Beijing 102403;3College of Water Resources and Environment, Hebei University of Geosciences, Shijiazhuang 050031;4Institute of Cotton, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Yuncheng 044000, Shanxi)

【Objective】The purpose of this study was to identify the effect of no-tillage with manure on soil enzyme activities and soil organic carbon content, clarify scientific application of fertilizers under no-tillage system, enhance soil biological activity, and promote soil quality.【Method】Based on the long-term field experiment in Yuncheng, Shanxi, we selected no-tillage (NT) treatment and no-tillage with manure (NTM) to measure soil enzyme activity (β-Glucosidase, β-Xylanase, cellobiohydrolase, and α-1,4-Glucosidase) relating to carbon transformation, soil temperature, soil water content and soil respiration rate in growth stages of winter wheat and soil total organic carbon and soil active organic carbon content (dissolved organic carbon – DOC; Easily oxidized organic carbon – EOC; Microbial biomass carbon –MBC) in productive growth stages of winter wheat.【Result】(1) There were significant seasonal differences in soil enzyme activities among the growth stages of winter wheat. The activities of β-Xylanase and α-1,4-Glucosidase increased in jointing stage and filling stage, while the activity of β-Glucosidase and cellobiohydrolase showed a small fluctuation. The changes of soil respiration at different growth stages were basically consistent with the activities of β-Xylanase and α-1,4-Glucosidase. Besides, the results of principal component analysis showed that the soil enzyme activities were mainly affected by soil water content and soil respiration rate. (2) No-tillage with manure significantly increased β-Xylanase activity at different growth stages (over-wintering stage: 17.6%, heading stage: 8.5%, filling stage: 14.1%, and mature stage: 10.0%). The activity of α-1, 4-Glucosidase increased by 16.7% and 10.2% respectively at the overwintering stage and jointing stage. The results of principal component analysis showed that the enzyme activities were mainly affected by soil temperature and soil respiration rate. (3) No-tillage with manure significantly increased the content of TOC, DOC, EOC and MBC in winter wheat growing season (TOC: 16.9%, DOC: 27.7%, EOC: 38.4% and MBC: 50.7%). (4) The correlation analysis of soil biological indicators were higher between β-Xylanase, α-1, 4-Glucosidase activities and total organic carbon, organic carbon active components in winter wheat growth stages (correlation index were greater than 0.85).【Conclusion】No-tillage with manureincreased β-Xylanase and α-1,4-Glucosidase activities by influencing soil water content and soil temperature. Meanwhile, the addition of manure increased the content of total organic carbon and active organic carbon components on the basis of straw returning to the field, which was beneficial to the improvement in biological activities such as soil enzyme and soil quality.

no-tillage; no-tillage with manure; soil enzymes; total organic carbon; active organic carbon; winter wheat

2019-05-09；

2019-07-30

國家重點研發(fā)計劃（2018YFD0200408、2016YFD0300804）、國家科技支撐計劃課題（2015BAD22B03）、中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項（1610132019033）

鄭鳳君，E-mail：zfengjunhn@163.com。王雪，E-mail：lsr428snow@foxmail.com。鄭鳳君和王雪為同等貢獻作者。通信作者武雪萍，E-mail：wuxueping@caas.cn。通信作者劉爽，E-mail：liushuang@caas.cn

（責任編輯 李云霞）