劉子剛盧海博趙海超王炯琪和江鵬王雨晴黃智鴻趙海香魏 東

(河北北方學院,河北省農(nóng)產(chǎn)品食品質(zhì)量安全分析檢測重點實驗室,河北 張家口 075000)

冀西北地區(qū)是京津冀的水源涵養(yǎng)區(qū)及風沙源地,該區(qū)域?qū)儆诘湫偷母珊蛋敫珊禋夂?是重要的生態(tài)保護區(qū)[1]。近年來隨著機械化水平的提高以及勞動力成本的增加,春玉米作為該區(qū)域主要農(nóng)作物出現(xiàn)常年連作模式。在春玉米農(nóng)田中施用大量的化肥可以提高產(chǎn)量,但同時容易造成氮肥利用率低、土壤酸化、氮肥損失和環(huán)境污染等問題[2]。因此,培肥地力是該區(qū)域生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵問題。同時春玉米秸稈焚燒帶來大氣污染,長期移除他用容易導致土壤退化[3]。因此秸稈還田(straw incorporation)是秸稈處置的有效途徑之一[4],同時可以改善土壤結構、提高土壤碳庫容量及促進土壤氮循環(huán)[5],是旱作區(qū)保護性耕作的重要措施。但冀西北旱作區(qū)春秋低溫環(huán)境下春玉米秸稈降解速度較慢[6],土壤養(yǎng)分周轉(zhuǎn)時間長、影響出苗、易爆發(fā)病蟲害以及導致土壤有機酸累積等問題[7],因此急需在現(xiàn)有玉米秸稈還田深松、秸稈還田翻耕、秸稈還田旋耕、整株秸稈還田、秸稈半量還田、膜下秸稈還田等技術[8-9]基礎上,研發(fā)適宜旱作區(qū)春玉米秸稈還田技術是冀西北生態(tài)保護區(qū)急需解決的關鍵技術。

研究表明,秸稈還田不僅使土壤碳、氮投入直接提高,還能夠改善土壤理化性質(zhì),提高土壤酶活性[10]。而不合理的秸稈還田方式使分解秸稈的微生物會與作物爭奪土壤或者肥料中的養(yǎng)分,尤其是礦質(zhì)氮、造成有機酸的累積和成為一些病原菌或蟲害的庇護所[11]。土壤微生物組成會受到環(huán)境的嚴重影響[12]。干旱條件通過影響土壤p H、土壤有機碳含量和植物總蓋度,間接影響土壤微生物菌群多樣性和豐度[13]。土壤微生物的群落是影響土壤生物質(zhì)量的關鍵因素,對土壤養(yǎng)分有效性、植物生長發(fā)育和環(huán)境質(zhì)量具有重要影響[14-15]。土壤微生物量碳氮磷(microbial biomass C、N、P)是指土壤中體積小于5 000μm3的活的和死的微生物體內(nèi)碳氮磷的總和,在土壤碳氮磷庫中所占比例很小,但能夠反映土壤微生物群落結構及土壤微小變化[16]。作物和微生物分泌的土壤酶能高效催化土壤有機質(zhì)分解,為植物和微生物提供養(yǎng)分,土壤酶活性已成為量化陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量和功能的重要指標[17]。因此,研究旱作區(qū)春玉米秸稈還田方式對土壤微生物量及酶活性的影響,能夠揭示不同秸稈還田方式對秸稈降解和土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的機制,及其對春玉米生長和產(chǎn)量的響應機制,進而優(yōu)化旱作區(qū)春玉米秸稈還田方式。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于河北省西北張家口蔚縣(114°13′E～115°04′E,39°34′N～40°10′N),屬暖溫帶大陸性季風氣候。氣候夏季涼爽﹑秋季氣候多變。年降水量為380.0～682.7 mm。平均氣溫為6.8～7.6℃,是中國典型的春玉米種植旱作區(qū),土壤類型為栗鈣土。

1.2 試驗秸稈還田方式及采樣

試驗設計秸稈還田翻耕(JF)處理,玉米收獲后全部秸稈粉碎(5～6 cm)覆蓋地表,春玉米留茬10～15 cm,播種前進行深翻(深度為20～25 cm);秸稈還田旋耕(JX)處理,播種前進行淺旋耕(深度為10～12 cm);秸稈還田大壟輪播(JL)處理,采用高起壟(壟高20 cm,壟距60 cm)播種,第2年在上一年壟背開溝起壟種植,依次輪換位置開溝起壟種植(圖1),以秸稈不還田做對照(CK)。每個處理種植3 335 m2,連續(xù)種植3 a,2017年、2018、2019年10月進行秸稈還田,2018年(品種為‘鄭單958’)、2019 年(品種為‘福來818’)、2020年(品種為‘誠信16號’)5月初播種,春季隨播種每667 m2施入玉米專用肥50 kg,起壟種植,壟距60 cm,株距0.32 cm,每667 m2株數(shù)3 500株。在2020年分別于播種前、苗期、拔節(jié)期、灌漿期、收獲期利用GPS定位,選擇3個樣方,每個樣方4 m2,每個樣方按“S”形采樣法采集5點,每個樣點采集0～100 cm 土壤,按20 cm 分層,現(xiàn)場混勻,去除土壤中植物殘體等雜質(zhì),置于塑封袋中帶回實驗室,測定土壤的微生物量碳氮磷、蔗糖酶活性、脲酶活性和理化指標。秋季在相應點位進行測產(chǎn)。不同處理土壤理化性狀如表1所示。

圖1 春玉米秸稈還田大壟輪播示意圖Fig.1 Schematic diagram of spring corn rotation in large ridges

表1 土壤理化指標Table 1 Soil physical and chemical indexes

1.3 樣品測定與方法

土壤MBC、MBN、MBP 均采用三氯甲烷熏蒸培養(yǎng)法測定[18-19];脲酶活性:采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定[20],其活性以24 h后1 g土壤中NH3-N 的質(zhì)量(mg)表示脲酶活性;蔗糖酶活性:采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定[21],以24 h后1 g土壤中葡萄糖的質(zhì)量(mg)表示蔗糖酶活性;土壤p H 采用電極法(水土比2.5∶1)測定[22];全氮(total nitrogen,TN)采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定[22];全磷(total phosphorus,TP)采用過硫酸鉀氧化-分光光度計法測定[22];總有機質(zhì)(total organic matter,TOM)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱測定[22]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采 用Microsoft Excel 2010 和SPSS 17.0 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行差異顯著性和相關分析,Microsoft Excel 2010作圖。

2 結果與分析

2.1 不同秸稈還田方式對土壤微生物量碳氮磷的影響

2.1.1 不同秸稈還田方式下土壤微生物量碳氮磷含量垂向變化 圖2-A 為不同秸稈處理各層土壤微生物量碳(microbial biomass carbon,MBC)含量,MBC 是土壤有機質(zhì)中最活躍的部分[23],土 壤 MBC 含 量 為150.40～508.36 mg·kg-1,隨著土壤深度的增加總體均呈下降趨勢,秸稈還田翻耕(JF)處理在20～40 cm 土層出現(xiàn)波谷。各秸稈還田處理土壤MBC 含量在0～20 cm 土層均顯著(P<0.05)高于對照,秸稈還田大壟輪播(JL)處理在0～40 cm 土層顯著(P<0.05)高于其他處理,JF處理在40～100 cm 顯著高于JX 和對照。圖2-B 為土壤微生物量氮(microbial biomass nitrogen,MBN)含量,MBN 是土壤中有機-無機態(tài)氮轉(zhuǎn)化的關鍵環(huán)節(jié)之一[16],不同秸稈還田處理各層土壤MBN 含量為32.73～110.26 mg·kg-1,隨著土壤深度的增加均呈下降趨勢,0～40 cm 土層快速下降,40～100 cm 土層變化較小。各土層秸稈還田處理土壤MBN 含量均高于CK,0～20 cm 土層JL 處理顯著(P<0.05)高于其他處理,40～60 cm 土層JF 處理顯著(P<0.05)高于其他處理。圖2-C為土壤微生物量磷(microbial biomass phosphorus,MBP)含量,MBP是土壤中植物有效磷的重要來源[16],不同秸稈還田處理各層土壤 MBP 含量為1.96～9.13 mg·kg-1,隨著土壤深度的增加均呈先降后增趨勢,60～80 cm 處出現(xiàn)最低值,0～40 cm 土層快速下降。秸稈還田處理0～40 cm土層MBP含量顯著(P<0.05)高于CK,40～60 cm 土層JF處理顯著(P<0.05)高于其他處理。圖2-D 為土壤MBC/MBN,其能夠反映微生物群落結構及微生物活性,進而影響秸稈分解速率[24],隨著土壤深度的增加MBC/MBN 均呈先升后降趨勢,在40～60 cm 土層出現(xiàn)最高值,JL處理顯著(P<0.05)高于其他處理。秸稈還田處理0～20 cm 土層MBC/MBN 顯著(P<0.05)高于CK?？傮w來看,秸稈還田能夠顯著提高0～40 cm 土層土壤MBC、MBN、MBP含量,其中JL 大于其他兩個處理,JF有利于提高40～60 cm 土層土壤MBC、MBN、MBP含量。

圖2 不同秸稈還田方式下土壤微生物量碳氮磷垂向變化Fig.2 Vertical changes of soil microbial biomass C,N and P under different straw-returning methods

2.1.2 不同秸稈還田方式下土壤微生物量碳氮磷含量隨春玉米生育期動態(tài)變化 如圖3所示,圖3-A 為土壤MBC 含量動態(tài)變化,隨著春玉米生育期的延長各處理土壤MBC 含量均呈先升后降趨勢,且在春玉米灌漿期達到最高值,JX 處理最高,JL和JF處理在苗期出現(xiàn)最低值,JX 和CK在播種前出現(xiàn)最低值。圖3-B 為土壤MBN 含量動態(tài)變化,隨著春玉米生育期的延長,JL、JF 和CK 土壤MBN 含量呈波動式上升趨勢,收獲期達到最高值,JX 土壤MBN 含量呈先升后降波動式變化,在拔節(jié)期達到最高值,各秸稈還田處理在苗期出現(xiàn)最低值,CK 在播種前最低。圖3-C 為土壤MBP含量動態(tài)變化,隨著春玉米生育期的延長各處理土壤MBP 含量均呈先降后升趨勢,在春玉米灌漿期出現(xiàn)最低值,收獲期最高,JL 處理各時期均高于其他處理,苗期-拔節(jié)期JX 和JF處理低于CK。圖3-D 為MBC/MBN 動態(tài)變化,隨著春玉米生育期的延長均呈波動式下降趨勢,在拔節(jié)期出現(xiàn)波谷,苗期JL處理最高,拔節(jié)期-灌漿期JF處理最高?？梢?在春玉米旺盛生長期增加土壤MBC和MBN 含量,降低MBP含量。JL處理有利于提高土壤MBP含量,JX 有利于提高土壤MBN 含量。

圖3 不同秸稈還田方式下土壤微生物量碳氮磷含量動態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of soil microbial biomass C,N and P under different straw-returning methods

2.2 不同秸稈還田方式對土壤酶活性的影響

2.2.1 不同秸稈還田方式下土壤酶活性垂向變化 土壤蔗糖酶(Sucrase,SUC)又稱轉(zhuǎn)化酶,是表征土壤生物活性的一種重要的水解酶,可以將土壤中的蔗糖水解成葡萄糖和果糖,能作為土壤熟化程度和土壤肥力水平的指標[25-26]。不同秸稈還田處理土壤SUC活性(圖4-A)為1.32～16.64 mg·g-1·d-1,隨著土壤深度的增加各處理均呈下降趨勢,0～20 cm 土層JL 處理顯著(P<0.05)高于其他處理,JX 最低,20～60 cm 土層JF顯著(P<0.05)高于其他處理,20～40 cm 土層秸稈還田處理均顯著(P<0.05)高于CK。脲酶(Urease,URE)是催化尿素水解的唯一酶,可以酶促水解生成氨、CO2和水,脲酶活性的高低可以反映出土壤供氮水平[26-27]。不同秸稈還田處理土壤 URE 活 性(圖4-B)為5.82～40.29 mg·g-1·d-1,隨著土壤深度的增加各處理均呈下降趨勢,0～40 cm 土層快速下降,20～100 cm土層變化較小,0～40 cm 土層JL和JX 處理顯著(P<0.05)高于CK,60～100 cm 土層秸稈還田處理均顯著(P<0.05)低于CK?？梢?隨著土壤深度的增加土壤酶活性下降,秸稈還田大壟輪播方式顯著(P<0.05)提高0～40 cm 土層酶活性,秸稈還田翻耕有利于提高土壤蔗糖酶活性,秸稈還田旋耕有利于提高土壤脲酶活性。

圖4 不同秸稈還田方式下土壤酶活性垂向變化Fig.4 Vertical changes of soil enzyme activities under different straw-returning methods

2.2.2 不同秸稈還田方式下土壤酶活性隨春玉米生育期動態(tài)變化 如圖5所示,圖5-A 為土壤SUC活性動態(tài)變化,隨著春玉米生育期的延長各處理土壤SUC活性均呈先升后降趨勢,在灌漿期達到最高值,JL 處理最高,其他時期JF 處理最高,播種前至灌漿期秸稈還田處理均高于CK,收獲期JX 處理低于CK。圖5-B為土壤URE 活性動態(tài)變化,隨著春玉米生育期的延長各處理土壤URE活性均呈波動式上升趨勢,JL 和JX 處理在苗期出現(xiàn)最高值,JF 和CK 在灌漿期出現(xiàn)最高值,苗期-拔節(jié)期2個時期JL處理均最高,灌漿期JX 處理最高,苗期-拔節(jié)期秸稈還田處理均高于CK。總體來看,春玉米旺盛生長期促進土壤酶活性的提高,秸稈還田處理有利于促進春玉米生長期土壤酶活性,秸稈還田大壟輪播方式對土壤酶活性的促進作用高于其他2種方式。

圖5 不同秸稈還田方式下土壤酶活性動態(tài)變化Fig.5 Dynamic changes of soil enzyme activities under different straw-returning methods

2.3 春玉米農(nóng)田土壤微生物碳氮磷及酶活性與土壤養(yǎng)分及玉米產(chǎn)量指標相關性分析

2.3.1 春玉米農(nóng)田土壤微生物碳氮磷和酶活性與土壤營養(yǎng)狀況的相關性分析 由表2可知,土壤MBC與SOC呈極顯著負相關;全氮與URE 呈極顯著正相關;體積質(zhì)量與MBC、MBN、SUC呈極顯著負相關,與MBP和URE 呈顯著負相關;p H 與MBP呈顯著負相關,與其他指標均呈極顯著負相關;C/N 與URE 呈極顯著負相關,與MBC、MBN和MBP呈顯著負相關。這與賀美等[10]研究結果相同。表明土壤微生物及酶活性受體積質(zhì)量和p H影響,且隨體積質(zhì)量和p H 的增加而降低。

表2 春玉米農(nóng)田土壤微生物碳氮磷及酶活性與土壤營養(yǎng)性狀相關分析Table 2 Correlation Analysis between soil microbial C,N,P,enzyme activities and soil nutrient properties in spring maize field

2.3.2 春玉米農(nóng)田土壤微生物碳氮磷和酶活性與產(chǎn)量指標的相關性分析 根據(jù)土壤微生物量碳氮磷和酶活性與春玉米產(chǎn)量指標相關分析(表3)可見,MBC、MBP和酶活性均與產(chǎn)量呈極顯著正相關;MBC和MBP與穗長和行粒數(shù)呈極顯著正相關;MBN 與百粒質(zhì)量和穗粒質(zhì)量呈極顯著負相關;URE與穗粗呈顯著正相關。可見該區(qū)域春玉米產(chǎn)量主要受MBC、MBP 含量和URE、SUC活性的影響,且隨著MBC、MBP和酶活性的增加而提高。

表3 春玉米農(nóng)田土壤微生物碳氮磷及酶活性與玉米產(chǎn)量指標相關分析Table 3 Correlation analysis of activity of carbon,nitrogen,phosphorus and enzyme and maize yield index in soil of spring maize farmland

3 討論

3.1 土壤微生物量碳氮磷和酶活性對秸稈還田土壤營養(yǎng)及玉米生長狀況的響應

春玉米秸稈還田能夠增加農(nóng)田土壤氮磷及有機質(zhì)養(yǎng)分含量,同時改變土壤物理結構[28],從而改善土壤微生態(tài)環(huán)境及養(yǎng)分轉(zhuǎn)化機制,在旱作區(qū)持續(xù)施用化肥的春玉米農(nóng)田,秸稈還田對土壤的影響更加顯著。本研究秸稈還田處理0～40 cm土層MBC、MBN、MBP含量均高于CK。秸稈中養(yǎng)分是提高土壤有機碳的重要來源,外源碳的持續(xù)輸入能夠激發(fā)土壤微生物的活性,加強微生物礦化和固定過程,促進秸稈中碳在土壤中的積累[29]。在冀北旱地農(nóng)田秸稈還田使土壤通氣性增加,加速了土壤微生物呼吸作用,使其微生物量提高[30]。各秸稈還田處理下的土壤酶活性高于CK,主要是因為春玉米秸稈的輸入為土壤中微生物提供了豐富的能量原料,優(yōu)化了土壤微生物生存環(huán)境,促進微生物新陳代謝活性,刺激微生物分泌參與碳氮循環(huán)相關的土壤酶,進而導致土壤中酶活性增加[31-32]。本試驗研究區(qū)域?qū)儆诘湫偷暮底饔牮B(yǎng)區(qū),土壤偏沙壤、偏堿性,有機質(zhì)含量低、通氣性好,秸稈還田增加土壤大分子有機碳含量,降低土壤體積質(zhì)量,促進土壤呼吸,由于干旱秸稈腐解速率較慢,使土壤MBC 含量隨SOC 和BD 的增加而降低,秸稈還田能夠降低土壤BD 和p H,因此隨著BD 和p H 的降低微生物量和酶活性增加。由此可見在旱作區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分降解速率比土壤養(yǎng)分含量對土壤微生物量及酶活性的影響大,同時對旱作區(qū)農(nóng)田來看,土壤物理性狀對土壤微生物量及酶活性的調(diào)控作用較強。

玉米根系分泌物及殘體是影響土壤微生物及酶活性的重要因素[17]。通過本研究可見,在玉米生長前期(營養(yǎng)生長階段),隨著玉米的生長能夠增加土壤MBC和MBN 含量及酶活性,降低土壤MBP含量。在玉米生長后期,玉米開始衰亡,降低土壤MBC 含量及酶活性,增加土壤MBP 和MBN 含量。玉米營養(yǎng)生長期根系活力增加,根系分泌物為土壤微生物及酶活性提供豐富的能量源料,同時根系能夠為微生物和酶提供載體,優(yōu)化土壤微生物生存環(huán)境,促進微生物新陳代謝活性,進而提高土壤微生物生物量和酶活性[17,33]。但該區(qū)域土壤中活性磷缺乏,玉米快速生長需要吸收大量磷元素,與微生物競爭磷素,使土壤MBP含量降低。在玉米生長后期,玉米逐步衰亡,大量殘落物向土壤輸入,玉米落葉和殘根增加了土壤中的有機物料的添加,氧氣充沛的土壤條件加速分解,有利于氮素固存,使MBN 含量略有增高,這與Yang 等[34]的研究結果一致。同時玉米殘體中養(yǎng)分的投入活化了土壤磷庫[35],使土壤活性磷素供應充足,MBP 含量增高?？梢奙BC 和MBP主要影響玉米前期穗分化過程,而MBN 主要影響玉米后期灌漿過程。

3.2 旱作區(qū)春玉米不同秸稈還田方式對土壤微生物量及酶活性的影響

土壤微生物量及酶活性與農(nóng)田管理下養(yǎng)分供給密切相關,可以用來預測秸稈還田后土壤微生物群落的響應狀況及土壤潛在代謝能力[36]。Bolinder等[37]認為土壤微生物活性尤其是酶活性比SOC對土壤質(zhì)量的變化更加敏感。因此可以利用土壤MBC、MBN、MBP 和酶活性反映旱作區(qū)春玉米秸稈還田方式對土壤微生態(tài)的作用機制。本研究發(fā)現(xiàn)3種秸稈還田方式均能提高土壤MBC、MBN、MBP 和酶活性,這與Zhao等[38]研究結果相同。但不同秸稈還田方式對微生物量及酶活性的影響存在差異,總體來看JL 處理比JF和JX 處理增幅大,主要是因為本研究區(qū)域是旱作區(qū),土壤通氣性好,秸稈還田后翻耕和旋耕加速土壤呼吸作用,促進小分子有機質(zhì)的降解[13],使土壤中微生物能源減少,土壤微生物量與酶活性與BD 呈顯著負相關,同時由于該區(qū)域降雨量較少,秸稈腐解速率慢,秸稈還田后旋耕,將進一步粉碎秸稈促進秸稈降解為大分子有機物,而難于進一步降解為小分子有機質(zhì)為微生物提供能源,且旋耕主要是將秸稈混合于表層土壤,進一步降低了秸稈的進一步腐解。秸稈還田翻耕,將秸稈翻壓在20～40 cm 土層,該層土壤水分高于表層(0～20 cm),因此比旋耕促進土壤20～60 cm 土層微生物量和酶活性[39]。秸稈還田后大壟輪播方式,將秸稈翻壓在10～20 cm 土層,同時兩年輪換種植,兩年使秸稈腐解率增加,同時比旋耕、翻耕降低土壤呼吸作用,進而促進土壤微生物量和酶活性,同時在玉米生長過程中土壤MBC 和脲酶活性的高峰期比其他處理提前,且高峰期活性較高,進而促進玉米拔節(jié)期土壤養(yǎng)分供給能力。因此旱作區(qū)春玉米秸稈還田可以采用秸稈還田大壟輪播技術。

4 結論

(1)不同秸稈還田處理土壤MBC 含量為150.40～508.36 mg·kg-1,隨著土壤深度的增加總體均呈下降趨勢,隨著玉米生育期延長呈先升后降趨勢,均在春玉米灌漿期達到最高值,JX處理最高,JL 和JF 處理在苗期出現(xiàn)最低值,JX和CK 在播種前出現(xiàn)最低值。土壤MBN 含量為32.73～110.26 mg·kg-1,隨著土壤深度的增加均呈下降趨勢,隨著玉米生育期延長呈波動式上升趨勢。土壤 MBP 含量為1.96～9.13 mg·kg-1,隨著土壤深度的增加均呈先降后增趨勢,隨著玉米生育期延長呈先降后升趨勢。秸稈還田能提高土壤MBC、MBN 和MBP含量。

(2)不同秸稈還田處理SUC 活性為1.32～16.64 mg·g-1·d-1,隨著土壤深度的增加各處理均呈下降趨勢,隨著玉米生育期的延長呈先升后降趨勢。土壤URE 活性為5.82～40.29 mg·g-1·d-1,隨著土壤深度的增加各處理均呈下降趨勢,隨著玉米生育期的延長呈波動式上升趨勢。秸稈還田能提高土壤酶活性。

(3)旱作區(qū)土壤SOC 與MBC 呈極顯著負相關,土壤微生物量和酶活性與BD 和p H 呈極顯著負相關,與產(chǎn)量呈顯著正相關。玉米生長期主要影響土壤MBC和MBP含量,玉米衰亡期主要影響MBN 含量。秸稈還田大壟輪播方式對土壤微生物及酶活性的促進作用顯著(P<0.05)高于秸稈還田翻耕、旋耕。冀西北春玉米旱作區(qū)應采用秸稈還田大壟輪播方式。