秸稈還田和耕作方式對(duì)花生土壤微生物量、酶活性和產(chǎn)量的影響

趙雪淞，宋王芳*，高 欣，楊晨曦，于洪波，王冬旭

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000；2.遼寧省風(fēng)沙地改良利用研究所，遼寧 阜新 123000）

花生作為我國重要的油料和經(jīng)濟(jì)作物之一，在國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中占有重要的地位［1-2］。遼寧省55%的花生種植面積位于遼西風(fēng)沙半干旱地區(qū)［3］。由于花生耐干旱耐貧瘠，在營養(yǎng)瘠薄的風(fēng)沙地種植經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)明顯，成為遼西風(fēng)沙干旱區(qū)抗旱避災(zāi)的主要經(jīng)濟(jì)作物并迅速發(fā)展。但該區(qū)域地處科爾沁沙地東南邊緣，風(fēng)沙大，平均年降水量少且分配不均，生態(tài)環(huán)境脆弱。加之遼西地區(qū)農(nóng)業(yè)常年采用傳統(tǒng)旋耕、深翻耕作方式對(duì)土壤進(jìn)行翻耕、耙耱［4］。秋季花生莢果刨收后，地表裸露，土壤在風(fēng)力的作用下易造成地表土壤風(fēng)蝕沙化，使土壤中原本稀少的養(yǎng)分流失加快，耕地質(zhì)量下降，從而降低土地生產(chǎn)力，制約花生產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。

旱作農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展需要維持和提高土壤的生產(chǎn)力。土壤耕作是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，是調(diào)控土壤耕層質(zhì)量，改善土壤作物生長環(huán)境的重要途徑［5-8］。我國每年都有大量的秸稈被露天焚燒和浪費(fèi)，其所帶來的農(nóng)田安全和環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重［9-10］。因此，研究不同耕作措施和秸稈還田方式對(duì)土壤理化性質(zhì)和微生物學(xué)肥力指標(biāo)的影響，探索有助于改善遼西地區(qū)耕地質(zhì)量的耕作和秸稈還田組合，對(duì)當(dāng)?shù)亟斩捹Y源利用和土壤培肥具有重要的意義。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于秸稈還田和耕作方式對(duì)作物產(chǎn)量及土壤性質(zhì)的影響已有大量研究。Hamido等［11］研究表明，秸稈還田不僅在提高土壤養(yǎng)分和肥力等方面有重要影響，而且可以調(diào)控土壤酶并增加其活性，改善土壤質(zhì)量，從而提高作物產(chǎn)量。Nelson等［12］研究表明，長期耕作會(huì)導(dǎo)致土壤微生物生物量碳含量減少。陳金［13］研究表明，秸稈還田與秸稈未還田相比能顯著提高冬小麥產(chǎn)量。張英英［14］研究表明，與傳統(tǒng)耕作相比較，免耕結(jié)合秸稈還田可提高土壤蔗糖酶、淀粉酶、纖維素酶、過氧化物酶、脫氫酶等參與碳循環(huán)的土壤酶活性。

合理的耕作方式和秸稈還田是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一項(xiàng)重要的技術(shù)措施，是確保農(nóng)業(yè)長期可持續(xù)發(fā)展的有效措施和途徑之一。因此，本試驗(yàn)針對(duì)遼西風(fēng)沙半干旱地區(qū)特定的土壤和氣候條件，開展秸稈還田和耕作方式對(duì)花生耕層土壤微生物量碳、氮、磷和酶活性影響的研究，以期為該地區(qū)花生種植篩選出適宜的耕作方式，為遼西風(fēng)沙半干旱區(qū)維持地力和改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，增加作物產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于遼寧省西北邊緣，地處科爾沁沙地東南部，屬于內(nèi)陸季風(fēng)性氣候，年平均溫度6.82℃，無霜期150 d左右，年降水量在500 mm以內(nèi)，時(shí)空分布不均勻，土壤蒸發(fā)量約是降水量的4倍，土壤為風(fēng)沙土。試驗(yàn)區(qū)土壤基礎(chǔ)肥力：pH值6.63，有機(jī)質(zhì)7.94 g/kg，全氮0.79 g/kg，全磷22.11 g/kg，全鉀6.29 g/kg，堿解氮69.32 mg/kg，有效磷11.27 mg/kg，速效鉀94.36 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理（表1），3次重復(fù)，共18個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積100 m2，隨機(jī)區(qū)組排列。還田所用秸稈為玉米秸稈，玉米收獲后，將玉米秸稈移出農(nóng)田，利用秸稈粉碎機(jī)直接將玉米秸稈粉碎至約2～3 cm后還田，秸稈還田量均為每公頃7 500 kg。各處理施肥量均相同，每公頃用磷酸二銨300 kg，硫酸鉀225 kg，尿素225 kg作為底肥，全生育期共追肥兩次，分別在6月20日、7月20日各追施150 kg/hm2尿素。供試材料為“阜花17號(hào)”，種植制度為一年一熟，種植密度為300 000株/hm2，行距為50 cm，穴距15 cm，每穴雙粒。開溝時(shí)先施化肥，培土3 cm，再播種，其他田間管理方式均同大田。作物根據(jù)當(dāng)年天氣情況至多灌溉一次，其余時(shí)間依靠自然降水維持作物正常生長所需。

表1 試驗(yàn)設(shè)置及整理方式

1.3 土樣采集

于2018年9月10日在作物收獲后進(jìn)行田間取樣，每個(gè)小區(qū)分別選5點(diǎn)，取0～20 cm土樣，并將5個(gè)點(diǎn)的土樣混合均勻，除去土壤表面植物根系、礫石等雜物，所采土壤樣品充分混勻后用聚乙烯無菌塑料袋密封包好帶回實(shí)驗(yàn)室。將樣品分為2部分，一部分土樣自然風(fēng)干，過0.5 mm篩用于土壤養(yǎng)分的測定；另一部分新鮮土樣過2 mm篩后放于0～4 ℃的冰箱中保存用于土壤微生物量碳、氮、磷和酶活性的測定。

1.4 測定方法

土壤微生物量的測定：土壤微生物量碳采用三氯甲烷熏蒸提取-容量分析法測定；土壤微生物量氮采用三氯甲烷熏蒸提取-茚三酮比色法測定；土壤微生物量磷采用三氯甲烷熏蒸-碳酸氫鈉提取法測定［15］。

土壤酶活性的測定：土壤蔗糖酶活性采用二硝基水楊酸比色法測定；土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定；土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定；土壤脲酶活性采用苯酚比色法測定；土壤蛋白酶用茚三酮比色法測定；土壤脂肪酶活性用氫氧化鉀滴定法測定［16］。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2007軟件進(jìn)行處理和繪圖，采用SPSS 21軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，處理間的差異顯著性采用單因素方差分析檢驗(yàn)，并用Duncan法進(jìn)行兩兩之間的多重比較，各變量之間采用 Pearson相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田和耕作方式對(duì)土壤微生物量碳、氮、磷含量的影響

由圖1可知，相同耕作條件下，秸稈還田處理組土壤微生物量碳、氮、磷含量均高于無秸稈還田處理組，TN、TS、TD分別較RN、RS、RD顯著提高；相同秸稈還田條件下，免耕處理土壤微生物量碳、氮、磷含量高于常規(guī)耕作和壟耕耕作處理，TN處理組土壤微生物量碳、氮、磷含量比TS和TD處理顯著提高。可見，免耕秸稈還田對(duì)提高耕層土壤微生物量碳、氮、磷含量發(fā)揮了積極作用。

圖1 秸稈還田和耕作方式對(duì)土壤微生物量碳、氮、磷含量的影響

2.2 秸稈還田和耕作方式對(duì)土壤酶活性的影響

2.2.1 秸稈還田和耕作方式對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響

由圖2可知，相同耕作條件下，秸稈還田處理組土壤蔗糖酶活性均高于無秸稈還田處理，TN、TS、TD分別比RN、RS、RD顯著提高14.76%、8.65%、17.62%；相同秸稈還田條件下，免耕處理土壤蔗糖酶活性高于常規(guī)耕作和壟耕處理，TN處理的土壤蔗糖酶活性比TS和TD處理顯著提高了39.83%和30.93%，無秸稈還田處理?xiàng)l件下，免耕處理土壤蔗糖酶活性也高于常規(guī)耕作和壟耕處理，RN比RS和RD處理顯著提高39.83%和30.93%。

圖2 秸稈還田和耕作方式對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響

2.2.2 秸稈還田和耕作方式對(duì)土壤脲酶活性的影響

由圖3可知，相同耕作條件下，秸稈還田處理組土壤脲酶活性高于無秸稈還田處理；相同秸稈還田條件下，免耕處理顯著高于常規(guī)耕作和壟耕處理，TN組土壤脲酶活性比TS和TD顯著提高了38.91%和49.26%。各處理組土壤脲酶活性表現(xiàn)為TN＞RN＞TS＞TD＞RD＞RS。說明秸稈還田和免耕方式能夠提高耕層土壤脲酶活性。

圖3 秸稈還田和耕作方式對(duì)土壤脲酶活性的影響

2.2.3 秸稈還田和耕作方式對(duì)土壤蛋白酶活性的影響

由圖4可知，相同耕作條件下，秸稈還田處理組土壤蛋白酶活性高于無秸稈還田處理，TN、TS、TD分別較RN、RS、RD提高了3.74%、14.27%、16.37%；相同秸稈還田條件下，免耕處理組土壤蛋白酶活性顯著高于常規(guī)耕作和壟耕處理，TN比TS、TD顯著提高了24.03%、20.99%；無秸稈還田處理?xiàng)l件下，免耕土壤蛋白酶活性同樣高于常規(guī)耕作和壟耕處理。

圖4 秸稈還田和耕作方式對(duì)土壤蛋白酶活性的影響

2.2.4 秸稈還田和耕作方式對(duì)土壤磷酸酶活性的影響

由圖5可知，相同耕作條件下，秸稈還田處理組土壤磷酸酶活性高于無秸稈還田處理，TN、TD、TS處理較RN、RD、RS處理分別提高了16.90%、5.67%、15.26%，但是TS與RS、TD與RD的差異不顯著；相同秸稈還田條件下，免耕土壤磷酸酶活性高于壟耕和常規(guī)耕作，TN比TS和TD顯著提高了27.18%和16.40%。整個(gè)試驗(yàn)期，各處理土壤磷酸酶活性表現(xiàn)為 TN＞TD＞RN＞TS＞RD＞RS，秸稈還田結(jié)合保護(hù)性耕作能顯著提高土壤磷酸酶活性。

圖5 秸稈還田和耕作方式對(duì)土壤磷酸酶活性的影響

2.2.5 秸稈還田和耕作方式對(duì)土壤脂肪酶活性的影響

由圖6可知，相同耕作條件下，秸稈還田各處理土壤脂肪酶活性顯著高于無秸稈還田處理；相同的秸稈還田條件下，免耕的土壤脂肪酶活性顯著高于常規(guī)耕作和壟耕，TN較TS和TD顯著提高了17.77%和27.37%，而常規(guī)耕作（TS）和壟耕（TD）方式的土壤脂肪酶活性差異不顯著，TN表現(xiàn)出較好的養(yǎng)分調(diào)節(jié)作用。

圖6 秸稈還田和耕作方式對(duì)土壤脂肪酶活性的影響

2.2.6 秸稈還田和耕作方式對(duì)土壤過氧化氫酶活性的影響

由圖7可知，相同耕作條件下，秸稈還田處理組土壤過氧化氫酶活性顯著高于無秸稈還田處理；相同秸稈還田條件下，免耕的土壤過氧化氫酶活性顯著高于其他處理，具有明顯的養(yǎng)分調(diào)節(jié)作用。各處理土壤過氧化氫酶活性表現(xiàn)為TN＞RN＞TD＞TS＞RS＞RD，TS和TD分別比TN顯著低28.62%和21.96%，說明秸稈還田結(jié)合免耕處理能顯著提高土壤過氧化氫酶活性。

圖7 秸稈還田和耕作方式對(duì)土壤過氧化氫酶活性的影響

2.3 秸稈還田和耕作方式對(duì)花生產(chǎn)量的影響

由圖8可知，相同耕作條件下，秸稈還田處理組花生產(chǎn)量均高于無秸稈還田處理；相同秸稈還田條件下，免耕處理高于壟耕和常規(guī)耕作處理。各處理花生產(chǎn)量表現(xiàn)為 TN＞TD＞TS＞RN＞RD＞RS，其中 TN處理較TS和TD處理分別增加3.78%和2.70%，說明免耕秸稈還田處理對(duì)提高作物產(chǎn)量有促進(jìn)作用。

圖8 秸稈還田和耕作方式對(duì)花生產(chǎn)量的影響

2.4 秸稈還田和耕作方式處理下花生田土壤微生物量及酶活性相關(guān)性分析

土壤微生物量碳、氮、磷含量和酶活性的高低在很大程度上制約著土壤肥力狀況和耕地質(zhì)量，同時(shí)土壤肥力狀況反過來又影響著土壤生物化學(xué)性質(zhì)，兩者相互調(diào)節(jié)并轉(zhuǎn)化，因此分析它們之間的關(guān)系極其重要。由表2可知，土壤微生物量碳、氮、磷含量與土壤酶活性之間有著密切的關(guān)系，土壤微生物量碳與土壤微生物量氮、微生物量磷、土壤蔗糖酶、蛋白酶、磷酸酶、脂肪酶和過氧化氫酶在P=0.01水平上極顯著相關(guān)；土壤微生物量氮與土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶、磷酸酶、脂肪酶和過氧化氫酶在P=0.01水平上極顯著相關(guān)；土壤微生物量磷與土壤蔗糖酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性在P=0.01水平上極顯著相關(guān)，與脲酶、蛋白酶和脂肪酶活性之間相關(guān)性不顯著。

表2 土壤微生物量與酶活性之間的線性相關(guān)關(guān)系

3 討論

土壤微生物生物量是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)，其含量高低受土壤環(huán)境和農(nóng)田耕作措施的影響［17］。本研究表明，秸稈還田條件下，免耕處理能明顯提高花生耕層土壤微生物量碳、氮、磷含量，而壟耕和常規(guī)耕作效果不明顯。這與祝滔等［18］、王靜等［19］研究結(jié)果一致。分析認(rèn)為，壟耕和翻耕對(duì)耕層的翻動(dòng)比較頻繁，破壞了土壤結(jié)構(gòu)，加速土壤有機(jī)質(zhì)的損失和土壤肥力的衰退。相反，免耕耕作對(duì)土層結(jié)構(gòu)擾動(dòng)小，有利于土壤養(yǎng)分含量的存儲(chǔ)和積累，從而為土壤微生物的生長繁殖提供了良好的生態(tài)環(huán)境［12，20］。此外，本研究結(jié)果還表明，相同耕作方式下，玉米秸稈還田能提高花生耕層土壤微生物量碳、氮、磷含量。這與韓新忠［21］研究結(jié)果一致。究其原因，可能是因?yàn)楦采w在地表的秸稈腐解向土壤釋放養(yǎng)分，增加了表層土壤的底物含量，為微生物提供了豐富的碳源和氮源，催生更多微生物生長和繁殖，從而使土壤微生物類群和數(shù)量發(fā)生變化，進(jìn)而提高土壤微生物量碳、氮、磷含量［22］。

土壤酶活性反映土壤微生物的活性，其與土壤肥力狀況、農(nóng)田耕作措施和土壤環(huán)境有著顯著的相關(guān)性，活性高低可客觀地反映土壤肥力狀況［23］。本研究結(jié)果表明，免耕玉米秸稈還田方式能顯著提高花生田土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性。分析認(rèn)為可能是免耕耕作對(duì)耕層土壤結(jié)構(gòu)影響小，加之秸稈還田向土壤提供有機(jī)質(zhì)，為土壤微生物維持生命活動(dòng)提供了充足的營養(yǎng)和良好的滋生環(huán)境，顯著提高各類微生物的數(shù)量，從而提高土壤酶活性。馬慧娟［24］研究表明，秸稈還田可以使土壤脲酶活性、土壤蔗糖酶活性和土壤有機(jī)質(zhì)含量分別高出未還田處理3.3%、2.6%、4.3%。徐瑩瑩等［25］研究表明，免耕秸稈覆蓋還田可提高玉米生育中后期菌群數(shù)量及酶活性。

土壤微生物和酶參與土壤中許多重要的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，是評(píng)價(jià)土壤生物學(xué)肥力的重要指標(biāo)［26-28］。相關(guān)分析結(jié)果表明，土壤微生物量碳、氮、磷含量和土壤酶活性之間存在顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，與操慶等［29］和王光華等［30］研究結(jié)果基本一致。在6種耕作方式中，耕作方式和秸稈還田與土壤微生物量碳、氮、磷含量和土壤酶活性之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系。因此，土壤微生物量和酶活性通過影響土壤肥力來影響作物產(chǎn)量，而免耕秸稈還田處理通過提高土壤微生物量碳、氮、磷含量和土壤酶活性，改善土壤肥力狀況和農(nóng)田質(zhì)量，從而促進(jìn)花生產(chǎn)量的增加。

4 結(jié)論

相同耕作條件下秸稈還田處理組土壤微生物量碳、氮、磷含量和土壤酶活性均高于無秸稈還田處理組；在相同秸稈還田處理?xiàng)l件下，免耕處理組土壤微生物量碳、氮、磷含量和土壤酶活性顯著高于常規(guī)耕作和壟耕耕作處理組。免耕秸稈還田處理下，花生產(chǎn)量高出無秸稈還田處理4.32%。綜上所述，在本試驗(yàn)條件下，玉米秸稈還田加上免耕操作是遼西風(fēng)沙半干旱地區(qū)花生種植適宜的耕作方式。