陳盛，黃達(dá),2,3*，章二子，朱建彬，郭相平

秸稈隔層還田及水氮管理對土壤無機(jī)氮量及酶活性的影響

陳盛1，黃達(dá)1,2,3*，章二子4，朱建彬1，郭相平1

（1.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098；2.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；3.廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室，廣西 桂林 541004；4.南京市江寧區(qū)水務(wù)局，南京 210098）

【目的】秸稈是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中寶貴的生物質(zhì)資源，資源總量豐富，利用潛力巨大，其中秸稈還田為最主要利用方式。研究確定秸稈隔層埋深以及最優(yōu)的水氮組合，為秸稈還田資源化高效利用提供理論支撐和應(yīng)用依據(jù)。【方法】通過小區(qū)試驗，研究不同秸稈埋深（表面覆蓋、埋深20 cm、埋深30 cm）配合不同灌水量（80%w、w、120%w，其中w為灌水定額）和不同施氮量（180、225、270 kg/hm2）下，在番茄不同生育期土壤無機(jī)氮量及和酶活性受到的影響，對比分析秸稈埋深、灌水量和施氮量耦合作用下對土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮量和脲酶、蔗糖酶及過氧化氫酶活性變化規(guī)律和影響效果?！窘Y(jié)果】上層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量隨時間呈顯著下降趨勢（＜0.05），下層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量隨時間呈顯著上升趨勢（＜0.05）；上層土壤脲酶活性隨時間呈先顯著下降后顯著上升的趨勢（＜0.05），下層土壤脲酶活性呈先不變后顯著上升的趨勢（＜0.05）；上、下層土壤蔗糖酶活性均呈顯著下降的趨勢（＜0.05）；上、下層土壤過氧化氫酶活性變化不顯著（＞0.05）；施氮量和秸稈埋深顯著影響上層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量（＜0.05），高施氮量和秸稈埋深20 cm可顯著提升上層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量（＜0.05）；灌水量對下層土壤的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量影響顯著（＜0.05），增加灌水量有利于上層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮向下層土壤運(yùn)移；秸稈埋深對上、下層土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性均影響顯著（＜0.05），秸稈埋深20 cm可有效提升上、下層土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性?！窘Y(jié)論】秸稈埋深20 cm具有較優(yōu)保水保肥作用。綜合考慮土壤無機(jī)氮量、酶活性、作物生長特點和節(jié)水需求，當(dāng)前水肥管理模式下，秸稈埋深20 cm，灌水量80%w，施氮量270 kg/hm2為最優(yōu)組合。

秸稈隔層還田；銨態(tài)氮；硝態(tài)氮；脲酶；蔗糖酶；過氧化氫酶

0 引言

【研究意義】秸稈是農(nóng)作物重要光合產(chǎn)物和最主要副產(chǎn)品，是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中一種十分寶貴的生物質(zhì)資源。相關(guān)統(tǒng)計公報顯示，農(nóng)田秸稈年產(chǎn)量高達(dá)8.5億t[1]。近年來，國家不斷加大力度推動農(nóng)作物秸稈資源化利用，2020年利用率達(dá)87.6%，實現(xiàn)秸稈肥料化、飼料化、燃料化和原料化等無害化高效利用[2]。秸稈還田是秸稈資源化利用最主要的方式，每年約3億t秸稈進(jìn)行還田處理[2]，數(shù)量巨大。施用化肥是促進(jìn)作物生長及產(chǎn)量、品質(zhì)提升的必要措施，當(dāng)前我國化肥利用情況仍不甚理想，化肥使用量巨大但利用效率較低，過度施肥情況時有發(fā)生，造成面源污染、土壤鹽堿化等嚴(yán)重后果[3]。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田能釋放自身的碳、氮、鉀、磷等營養(yǎng)元素，有效提升土壤肥力，改善土壤結(jié)構(gòu)和作物根系分布，促進(jìn)作物增產(chǎn)[4-7]；具有保水保肥作用，提高土壤含水率，促進(jìn)化肥溶解，減少化肥淋失，提升水肥利用效率[8-10]。對促進(jìn)農(nóng)業(yè)高效生產(chǎn)、發(fā)展綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)、構(gòu)建資源節(jié)約型社會等具有十分重要的意義。

【研究進(jìn)展】秸稈覆蓋還田和隔層還田是最主要的秸稈直接還田方式[11]。傳統(tǒng)秸稈覆蓋還田采用收割機(jī)等機(jī)械，收割打碎后還田，秸稈以10 cm以上的段狀為主，操作較為簡單快捷。但是段狀秸稈短時間大量積聚，易超過土壤消納能力，秸稈腐解緩慢，導(dǎo)致農(nóng)田表層土壤出現(xiàn)“孔洞”現(xiàn)象，影響后茬作物種子萌發(fā)與秧苗根系著土，增加死苗、弱苗比例[12]；秸稈中易攜帶病原菌、蟲卵和草籽等，覆蓋還田容易誘發(fā)或加劇下茬作物病蟲害風(fēng)險[12]，農(nóng)民對秸稈還田產(chǎn)生抵觸情緒，制約秸稈還田技術(shù)的推廣應(yīng)用。秸稈隔層還田較覆蓋還田更利于土壤微生物的生長與繁殖，加快秸稈腐解速度[13]；同時，秸稈掩埋后能有效地消滅病殘體，減少田間菌源量，殺死害蟲幼蟲[14]，從而一定程度上緩解了土壤“孔洞”和病蟲害的問題；而且，秸稈隔層還田的保水保肥效果較表層覆蓋更為顯著[15]。秸稈隔層在土壤中形成異質(zhì)層，土壤理化性質(zhì)發(fā)生突變，形成“毛細(xì)阻滯”和“水力阻滯”，減緩上層土壤水分入滲[16]，阻斷毛管水上升路徑，減少下層土壤水分蒸發(fā)[17]，有效提高土壤含水率，促進(jìn)土壤肥料溶解，有利于肥料積累與作物吸收。然而，由于秸稈碳氮比較高，秸稈腐化過程中微生物大量增殖消耗土壤速效氮，導(dǎo)致土壤氮元素不足，反而影響作物生長，造成作物減產(chǎn)[18]。因此，秸稈還田應(yīng)配合氮肥施用，降低碳氮比，避免還田腐解前期與微生物“爭氮”產(chǎn)生的不利影響，提高作物氮肥偏生產(chǎn)力及氮肥農(nóng)學(xué)利用率[19]。此外，秸稈隔層節(jié)水效果受秸稈還田方式、耕作方式、灌溉方式、氣候環(huán)境、土壤理化性質(zhì)等多種因素影響，需針對不同情況具體分析。

土壤中的無機(jī)氮素主要是以銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）的形式存在，是作物吸收和利用的主要形態(tài)。土壤無機(jī)氮量是衡量土壤肥力大小的重要參數(shù)，表征土壤供氮能力[20]。土壤酶是土壤中最活躍的有機(jī)物質(zhì)之一，其活性可反映土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度和土壤肥力大小，是評價土壤含養(yǎng)分量及土壤環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)[21]。目前，秸稈還田對土壤無機(jī)氮量和土壤酶活性的研究結(jié)果不盡相同，甚至有所矛盾。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田顯著提升無機(jī)氮量[22]或土壤酶活性[23]，但也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)秸稈還田會明顯降低無機(jī)氮量[24]或土壤酶活性[25]，抑或?qū)Χ邿o顯著影響[26-27]。土壤無機(jī)氮量和酶活性影響因素紛繁復(fù)雜，秸稈還田方式、氮肥施用量、土壤含水率、土壤類型及酸堿度、耕作方式等都可能會對其造成一定影響，需結(jié)合實際情況具體研究。

【切入點】目前，秸稈隔層還田結(jié)合水氮管理下土壤不同形態(tài)無機(jī)氮量和土壤酶活性的變化規(guī)律和影響效果研究較少，結(jié)論尚未統(tǒng)一，有待進(jìn)一步探明?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究開展小區(qū)試驗，研究秸稈隔層及水氮管理對土壤無機(jī)氮量和土壤酶活性的影響情況。對比分析不同秸稈埋深、灌水量和氮肥量耦合作用下對土壤中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮量和脲酶、蔗糖酶及過氧化氫酶活性的影響，探明其變化規(guī)律和影響效果，確定最優(yōu)的秸稈隔層埋深及水氮組合，以期為秸稈還田資源化高效利用提供理論支撐和應(yīng)用依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2020年5月17日—8月20日在江蘇省南京市河海大學(xué)江寧校區(qū)節(jié)水園區(qū)溫室大棚內(nèi)（31°57′N，118°50′E）開展，試驗土壤為園區(qū)土壤，土壤類型為黃土，土壤質(zhì)地為黏壤土。種植前深翻園區(qū)土壤，將上、下層土壤充分均勻混合后平整土地。土壤飽和含水率38.2%，田間持水率30.6%，干體積質(zhì)量1.3 g/cm3，初始有機(jī)碳量2.4 g/kg，硝態(tài)氮量1.4 mg/kg，銨態(tài)氮量0.9 mg/kg，速效磷量15.4 mg/kg。試驗作物選用“美國903”番茄（L.），秸稈為試驗園區(qū)2019年收割的水稻秸稈。試驗期內(nèi)氣溫20.7～43.3 ℃，平均氣溫28.3 ℃；濕度35.8%～96.2%，平均濕度80.7%。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用正交試驗，利用正交試驗“均衡分散性”和“整齊可比性”的特點，通過部分代表性強(qiáng)的試驗處理即可判斷各因素對試驗指標(biāo)的影響情況。設(shè)計不同的秸稈隔層埋深（S）、灌水量（W）、氮肥用量（N），設(shè)置3個因素3個水平，總共9個試驗處理，每個處理3次重復(fù)。采用起壟種植，共27壟，每壟長度5 m，間距50 cm，每壟種植10株番茄。秸稈表層覆蓋處理直接起壟，壟高10 cm，壟頂寬20 cm，底寬30 cm。將長度約10 cm水稻秸稈均勻鋪設(shè)于壟上，每壟鋪設(shè)秸稈4 kg。秸稈埋深20 cm和30 cm處理先分別開挖15 cm和25 cm的小溝，溝寬30 cm，長度約5 m；將等質(zhì)量及長度的水稻秸稈均勻鋪設(shè)于溝底并壓實，壓實后的秸稈隔層厚度約5 cm；回填土方并起壟，起壟高度確保秸稈埋深符合設(shè)計要求，壟頂寬20 cm，底寬30 cm。每壟單次中等灌水量為田間持水率70%～90%的凈灌水定額w，經(jīng)計算中等灌水量為32 L；高、低等灌水量分別為120%w和80%w，即38 L和26 L。氮肥選用分析純尿素CO(NH2)2，按實際生產(chǎn)經(jīng)驗，中等施氮量取225 kg/hm2，高、低等施氮量分別取中等施氮量的1.2倍和0.8倍，即270 kg/hm2和180 kg/hm2。具體試驗處理見表1。選取長勢良好且均勻的番茄幼苗于2020年5月17日移栽并澆灌等量定根水。采用水肥一體化的灌溉方式，將尿素溶于灌溉水，均分4次施用，施用時間分別為番茄移栽后15、36、52、74 d。利用滴灌帶進(jìn)行灌水和施肥，滴灌帶鋪設(shè)于壟頂部的番茄根部。

1.3 樣品采集與測定

埋設(shè)秸稈隔層的處理以秸稈隔層為界，隔層以上土壤作為上層土壤，隔層以下20 cm以內(nèi)土壤作為下層土壤。采用直徑5 cm的土鉆自壟頂向下取土，自然風(fēng)干后除去植物根系等雜質(zhì)，過篩（孔徑5 mm）后均勻混合待測。秸稈表層覆蓋的處理分別自壟頂向下依次鉆取0～25 cm土層的土壤作為上層土壤，鉆取25～45 cm土層的土壤作為下層土壤，經(jīng)過晾干、過篩和混合后待測。分別于移栽后30 d（苗期）、51 d（花期）、67 d（坐果期）、89 d（收獲期）測試各指標(biāo)。具體測試指標(biāo)及測試方法見表2。

表1 試驗處理

注 處理代號中S代表秸稈隔層，W代表灌水量，N代表氮素施用量；S的下標(biāo)0、1、2分別表示秸稈表層覆蓋、秸稈隔層埋深20 cm、秸稈隔層埋深30 cm；W、N的下標(biāo)1代表高水平，2代表中水平，3代表低水平；下同。

表2 測試指標(biāo)及測試方法

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel（Excel 2010, Microsoft）對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理并繪圖，利用SPSS（IBM SPSS Statistics 19）中單因素方差分析進(jìn)行組間比較，多重比較采用Duncan法（＜0.05）。正交試驗結(jié)果采用方差分析法，利用SPSS（IBM SPSS Statistics 19）進(jìn)行方差的單變量分析，計算各因素的統(tǒng)計量，并得到對應(yīng)的相伴概率值。值越小，表示該因素對測試指標(biāo)影響越顯著，從而確定各測試指標(biāo)的主次影響因素及其顯著性。計算對比各因素均值，確定各因素的最優(yōu)水平，最終得到各測試指標(biāo)的最優(yōu)組合。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈隔層及水氮管理對土壤銨態(tài)氮量的影響

對比上層土壤銨態(tài)氮量（表3），相同測試期內(nèi)，S1W3N1處理的上層土壤銨態(tài)氮量均為最大值，顯著高于其他處理（＜0.05）；S2W1N3處理的上層土壤銨態(tài)氮量均為最小值，除S0W3N3處理，均顯著低于其他處理（＜0.05）。相同處理的上層土壤銨態(tài)氮量隨時間呈顯著下降趨勢（＜0.05），降幅達(dá)15.86%～26.96%，移栽89 d時的銨態(tài)氮量均顯著低于移栽30 d的銨態(tài)氮量（＜0.05）。對比不同測試期上層土壤銨態(tài)氮量影響因素顯著性（表5），上層土壤銨態(tài)氮量的影響因素主次順序均為：施氮量＞秸稈埋深＞灌水量，除移栽67 d，其他測試期的施氮量和秸稈埋深均影響顯著（＜0.05），在移栽30 d和51 d，施氮量的影響為極顯著水平（＜0.01）；灌水量在各測試期對上層土壤銨態(tài)氮影響不顯著（＞0.05）。分析各影響因素的最優(yōu)水平，上層土壤銨態(tài)氮最優(yōu)組合為S1W3N1處理，提高施氮量和秸稈埋深20 cm可顯著提升上層土壤銨態(tài)氮量（＜0.05）。

表3 上層土壤銨態(tài)氮量

注 表中值為均值±標(biāo)準(zhǔn)差；不同小寫字母表示同一列數(shù)據(jù)差異顯著（＜0.05），即相同測試期內(nèi)不同處理的測試指標(biāo)差異顯著；不同大寫字母表示同一行數(shù)據(jù)差異顯著（＜0.05），即相同處理在不同測試期的測試指標(biāo)差異顯著；下同。

分析下層土壤銨態(tài)氮量（表4），相同測試期內(nèi)，S0W1N1處理的下層土壤銨態(tài)氮量均為最大值，顯著高于其他處理（＜0.05）；S0W3N3處理則均為最小值，除S1W3N1處理，均顯著低于其他處理（＜0.05）。相同處理的下層土壤銨態(tài)氮量隨時間呈顯著上升趨勢（＜0.05），漲幅達(dá)42.44%～121.72%，移栽89 d時的銨態(tài)氮量均顯著高于移栽30 d的銨態(tài)氮量（＜0.05）。對比不同測試期下層土壤銨態(tài)氮量影響因素顯著性（表5），除移栽30 d，下層銨態(tài)氮量的影響因素主次順序均為：灌水量＞施氮量＞秸稈埋深，灌水量和施氮量對下層土壤銨態(tài)氮量影響顯著（＜0.05）；秸稈埋深在各測試期內(nèi)影響均不顯著（＞0.05）。分析可得下層銨態(tài)氮量最優(yōu)組合為S0W1N1處理，缺少秸稈隔層的阻滯作用，銨態(tài)氮更易下滲，加大氮素淋失風(fēng)險。

表4 下層土壤銨態(tài)氮量

表5 不同測試期上、下層土壤銨態(tài)氮量影響因素顯著性分析

注＜0.05表示該因素對指標(biāo)影響顯著，＜0.01表示該因素對指標(biāo)影響極顯著，下同。

2.2 秸稈隔層及水氮管理對土壤硝態(tài)氮量的影響

表6為上層土壤硝態(tài)氮量，由表6可知，相同測試期內(nèi)，S1W3N1處理的上層土壤硝態(tài)氮量始終最高，顯著高于其他處理（＜0.05）；S0W3N3處理的上層土壤硝態(tài)氮量始終最低，除S1W1N3處理，均顯著高于其他處理（＜0.05）。相同處理的上層土壤硝態(tài)氮量隨時間呈顯著下降趨勢（＜0.05），移栽89 d時的硝態(tài)氮量均顯著低于移栽30 d的硝態(tài)氮量（＜0.05），降幅達(dá)23.20%～37.10%。對比不同測試期上層土壤硝態(tài)氮量影響因素及顯著性（表8），上層土壤硝態(tài)氮量的影響因素主次順序均為：施氮量＞秸稈埋深＞灌水量，除移栽51 d，其他測試期的施氮量和秸稈埋深均影響顯著（＜0.05）；除移栽67 d，灌水量對上層土壤硝態(tài)氮量影響不顯著（＞0.05）。分析各影響因素的最優(yōu)水平，上層土壤硝態(tài)氮最優(yōu)組合為S1W3N1處理（埋深20 cm+低水+高氮），與上層土壤銨態(tài)氮結(jié)果相同。

表6 上層土壤硝態(tài)氮量

表7為下層土壤硝態(tài)氮量，由表7可知，相同測試期內(nèi)，S0W1N1處理的下層土壤硝態(tài)氮量均為最大值，顯著高于其他處理（＜0.05）；S0W3N3處理則均為最小值，除移栽30 d和89 d的S1W3N1處理，均顯著低于其他處理（＜0.05）。除S1W2N3處理，相同處理的下層土壤硝態(tài)氮量隨時間呈顯著上升趨勢（＜0.05），移栽89 d時的硝態(tài)氮量均顯著高于移栽30 d的硝態(tài)氮量（＜0.05），漲幅達(dá)16.38%～59.48%。對比下層土壤硝態(tài)氮的影響因素顯著性（表8），下層銨態(tài)氮量的影響因素主次順序均為：灌水量＞施氮量＞秸稈埋深，灌水量對其影響顯著（＜0.05），施氮量和秸稈埋深在各測試期內(nèi)影響均不顯著（＞0.05），施氮量對下層土壤硝態(tài)氮的影響小于對下層土壤銨態(tài)氮的影響。下層硝態(tài)氮量最優(yōu)組合同樣為S0W1N1處理?？傮w上，秸稈隔層及水氮管理對上下層土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮量的影響情況和變化規(guī)律基本相同。

表7 下層土壤硝態(tài)氮量

表8 不同時期上、下層土壤硝態(tài)氮影響因素顯著性分析

2.3 秸稈隔層及水氮管理對土壤脲酶活性的影響

表9為上層土壤脲酶活性，由表9可知，秸稈埋深20 cm的3個處理的上層土壤脲酶活性在各測試期均顯著高于秸稈表層覆蓋和秸稈埋深30 cm的處理（＜0.05）。以移栽89 d為例，秸稈埋深20 cm的3個處理均值為0.76 g/mg，顯著高于表層覆蓋均值31.58%和秸稈埋深30 cm均值47.37%（＜0.05）。S1W3N1處理在移栽30、51 d和67 d時均為最高水平。相同處理的上層土壤脲酶活性隨時間呈先顯著下降后顯著上升的趨勢（＜0.05），在移栽51 d處發(fā)生轉(zhuǎn)折，最終漲幅為3.96%～84.82%。除S2W3N2處理，移栽89 d的上層土壤脲酶活性顯著高于其他測試期的脲酶活性。對比不同測試期上層土壤脲酶活性影響因素顯著性（表10），上層土壤脲酶活性的影響主次順序依次為：秸稈埋深＞施氮量＞灌水量，秸稈埋深的影響在各測試期達(dá)到顯著（＜0.05）甚至極顯著（＜0.01）水平，施氮量（除移栽30 d）和灌水量對上層土壤脲酶活性影響不顯著（＞0.05）。分析得到上層土壤脲酶活性的最優(yōu)組合為S1W3N1處理，秸稈埋深20 cm能顯著提升上層土壤脲酶活性。

表9 上層土壤脲酶活性

表10 不同測試期上、下層土壤脲酶活性影響因素顯著性分析

表11為下層土壤脲酶活性，由表11可知，秸稈埋深20 cm的3個處理的下層土壤脲酶活性總體高于其他處理，移栽后67 d和89 d時差異更為明顯，移栽89 d時秸稈埋深20 cm的均值較秸稈埋深30 cm均值和秸稈表面覆蓋均值分別顯著提高22.22%和11.11%（＜0.05）。除移栽51 d，S1W3N1處理在各測試期均為最高水平。相同處理的下層土壤脲酶活性呈先不變后顯著上升的趨勢，在移栽30 d和51 d無顯著變化（＞0.05），在移栽67 d和89 d顯著上升（＜0.05），漲幅為85.71%～136.59%，各處理移栽89 d的脲酶活性均顯著高于其他測試期脲酶活性（＜0.05）。分析下層土壤脲酶活性影響因素顯著性（表11），下層土壤脲酶活性的影響主次順序為：秸稈埋深＞施氮量＞灌水量，秸稈埋深在各測試期內(nèi)均影響顯著（＜0.05）；施氮量在移栽67 d和89 d時影響顯著（＜0.05），移栽30 d和51 d無顯著影響（＞0.05）；灌水量則在各時期內(nèi)影響均不顯著（＞0.05）。分析得到下層土壤脲酶活性的最優(yōu)組合為S1W3N1處理，與上層土壤脲酶活性的最優(yōu)組合相同。

表11 下層土壤脲酶活性

2.4 秸稈隔層及水氮管理對土壤蔗糖酶活性的影響

表12為上層土壤蔗糖酶活性，由表12可知，除移栽30 d，S1W3N1處理在各自測試期中均處于最高水平，埋深20 cm的3個處理總體上明顯高于其他處理（＜0.05）；S2W1N3處理在各自測試期中均處于最低水平。相同處理的上層土壤蔗糖酶活性均呈現(xiàn)顯著下降的趨勢（＜0.05），降幅為33.33%～70.61%，移栽89 d時的蔗糖酶活性均顯著低于移栽30 d的蔗糖酶活性（＜0.05）。分析其影響因素顯著性（表14），影響上層蔗糖酶活性的主次順序依次為：秸稈埋深＞施氮量＞灌水量，除移栽51 d的施氮量，秸稈埋深與施氮量在各測試期均影響顯著（＜0.05）；灌水量在各測試期影響均不顯著（＞0.05）。分析得到上層土壤蔗糖活性的最優(yōu)組合為S1W2N1處理，秸稈埋深20 cm配合高施氮量有利于上層土壤蔗糖酶活性的提升。

表12 上層土壤蔗糖酶活性

分析下層土壤蔗糖酶活性（表13），總體上，移栽30 d和移栽51 d時，高施氮量的3個處理的蔗糖酶活性均處于較高水平；移栽67 d和89 d時，秸稈埋深20 cm的3個處理與S2W2N1處理均處于較高水平。相同處理的下層土壤蔗糖酶活性均呈顯著下降的趨勢（＜0.05），降幅為31.07%～66.69%，移栽89 d時的蔗糖酶活性均顯著低于移栽30 d的蔗糖酶活性（＜0.05）。對比不同測試期下層土壤蔗糖酶活性影響因素顯著性（表14），移栽30 d和51 d時，下層蔗糖酶活性的影響主次順序依次為：施氮量＞秸稈埋深＞灌水量，施氮量及移栽51 d的秸稈埋深影響顯著（＜0.05）；移栽67 d和89 d時，下層蔗糖酶活性的影響主次順序發(fā)生變化為：秸稈埋深＞施氮量＞灌水量，其中秸稈埋深和移栽67 d時施氮量的影響極顯著（＜0.01），移栽89 d的施氮量影響顯著（＜0.05）；灌水量在各測試期的影響不顯著（＞0.05）。分析得到下層土壤蔗糖活性的最優(yōu)組合同樣為S1W2N1處理，秸稈埋深20 cm亦對下層土壤蔗糖酶有提升作用。

表13 下層土壤蔗糖酶活性

表14 不同測試期上、下層土壤蔗糖酶活性影響因素顯著性分析

2.5 秸稈隔層及水氮管理對土壤過氧化氫酶活性的影響

分析上層土壤過氧化氫酶活性（表15），S1W1N2處理均為各測試期內(nèi)的最大值，顯著高于其他處理（＜0.05）；而S0W3N3處理和S2W3N2處理的過氧化氫酶活性在各測試期均為最小值，顯著低于其他處理（＜0.05）。相同處理的上層過氧化氫酶總體呈先上升后下降的趨勢，但差異顯著性不盡相同。分析不同測試期的影響因素顯著性（表17），上層土壤過氧化氫酶的影響因素主次順序依次為：秸稈埋深＞灌水量＞施氮量，其中秸稈埋深和灌水量的影響顯著（＜0.05），移栽30 d和51 d秸稈埋深的影響達(dá)到極顯著水平（＜0.01），施氮量影響不顯著（＞0.05）。分析得到上層土壤過氧化氫酶活性的最優(yōu)組合為S1W1N2處理，秸稈埋深20 cm配合高灌水量可顯著提升上層土壤過氧化氫酶活性。

表15 上層土壤過氧化氫酶活性

下層土壤過氧化氫酶活性見表16，秸稈埋深20 cm的3個處理各測試期中均處于較高水平，且S1W3N1處理的過氧化氫酶活性均為各測試期的最大值，顯著高于其他處理（＜0.05）；而秸稈表層覆蓋的3個處理在測試期內(nèi)均處于較低水平，S0W3N3處理的過氧化氫酶活性均為各測試期的最小值，顯著低于其他處理（＜0.05）。相同處理的下層土壤過氧化氫酶活性隨時間并無顯著變化（＞0.05）。對比不同測試期下層土壤過氧化氫酶活性影響因素顯著性（表17），其影響因素主次順序依次為：秸稈埋深＞施氮量＞灌水量，秸稈埋深和施氮量的影響極顯著（＜0.01），灌水量則無顯著影響（＞0.05）。分析得到下層土壤過氧化氫酶活性的最優(yōu)組合為S1W2N1處理，秸稈埋深20 cm配合高施氮量顯著提升下層土壤過氧化氫酶活性。

表16 下層土壤過氧化氫酶活性

表17 不同測試期上、下層土壤過氧化氫酶活性影響因素顯著性分析

3 討論

3.1 秸稈隔層及水氮管理對土壤氮元素量的影響

隨著番茄生育期推進(jìn)，上層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量隨時間呈顯著下降趨勢（＜0.05），下層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量呈顯著上升趨勢（＜0.05），這可能與銨態(tài)氮和硝態(tài)氮隨水分向深層土壤的淋溶過程有關(guān)[28]。上層土壤的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量的影響主次順序均為：施氮量＞秸稈埋深＞灌水量，其中施氮量和秸稈埋深在大部分測試期的影響都達(dá)到顯著水平（＜0.05），高施氮量和秸稈埋深20 cm處理上層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量顯著高于其他處理（＜0.05），增加施氮量能顯著提升上層土壤的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量，秸稈埋深20 cm則進(jìn)一步增強(qiáng)提升效果。分析其原因，可能是增加施氮量，引入更多氮素，必然明顯提升土壤中銨態(tài)氮量和硝態(tài)氮量；秸稈埋深20 cm的保水保肥效果較佳，有效阻滯水分和養(yǎng)分下滲，使更多銨態(tài)氮和硝態(tài)氮滯留在上層土壤中。筆者所在課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，秸稈埋深20 cm時上層土壤含水率較表層覆蓋提高了10.5%，秸稈埋深30 cm則提高了4.6%[29]。灌水量對上層銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的影響均不顯著（＞0.05），在秸稈埋深20 cm和增加施氮量的條件下，降低20%灌水量時上層土壤無機(jī)氮量依然維持在最優(yōu)水平，表明了秸稈埋深20 cm起到一定節(jié)水灌溉的效果。

下層土壤的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量的影響主次順序均為：灌水量＞施氮量＞秸稈埋深，灌水量和施氮量在大部分的測試期時影響顯著（＜0.05）。顯然，增加灌水量使更多水分下滲至下層土壤，配合增加施氮量，促使更多無機(jī)氮向下運(yùn)移，提升下層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量。對比發(fā)現(xiàn)，施氮量對下層土壤銨態(tài)氮達(dá)到顯著水平（＜0.05），而對下層土壤硝態(tài)氮影響不顯著（＞0.05），施氮量對銨態(tài)氮的影響比對硝態(tài)氮的影響更大。這可能是銨態(tài)氮中NH4+為陽離子，與大部分土壤膠體電性相反，更多數(shù)量的銨態(tài)氮被吸附在上層土壤中，下滲數(shù)量有所減少。改變施氮量，淋溶至下層土壤的銨態(tài)氮量隨之變化，且變化幅度相對明顯；而硝態(tài)氮中NO3-為陰離子，與大部分土壤膠體電性相同，彼此發(fā)生排斥，更易下滲至下層土壤中，改變施氮量對下層土壤硝態(tài)氮量變化影響程度相對較小。

3.2 秸稈隔層及水氮管理對土壤酶活性的影響

尿素在脲酶的作用下分解成銨態(tài)氮方能被作物吸收利用，脲酶活性可反映尿素分解成銨態(tài)氮的快慢，是衡量供氮能力的重要指標(biāo)[20]。對比分析上、下層土壤脲酶活性和銨態(tài)氮量，上層土壤中，S1W3N1處理和S1W1N2處理的脲酶活性與銨態(tài)氮量在各測試期內(nèi)均為較高水平，S0W3N3處理和S2W1N3處理則均為較低水平，表明上層土壤脲酶活性與銨態(tài)氮量之間存在關(guān)聯(lián)，提升土壤脲酶活性能促進(jìn)尿素分解成銨態(tài)氮，提高銨態(tài)氮量。下層土壤脲酶活性與銨態(tài)氮量之間無明顯規(guī)律。這可能是下層土壤銨態(tài)氮主要來源于上層土壤銨態(tài)氮隨水分下滲，下層土壤經(jīng)脲酶作用，尿素水解成的銨態(tài)氮量較少，因此二者無明顯關(guān)聯(lián)。研究結(jié)果顯示，上、下層土壤脲酶活性均在51 d之后顯著上升（＜0.05），與前人研究結(jié)果相似[30]。這可能因為番茄從移栽30 d（苗期）到移栽51 d（花期），番茄生長處于最旺盛的階段，大量消耗土壤養(yǎng)分，番茄根系和微生物集中的上層土壤無機(jī)氮量顯著降低（＜0.05），造成番茄與微生物競爭養(yǎng)分，抑制了微生物的生長與繁殖[30]；為保證番茄正常生長，促進(jìn)番茄開花與坐果，在移栽52 d進(jìn)行一次灌溉和施肥，土壤養(yǎng)分有所提升，脲酶活性隨之增強(qiáng)；坐果期和收獲期，番茄對養(yǎng)分的吸收有所減少，土壤脲酶活性進(jìn)一步增強(qiáng)。蔗糖酶活性是土壤中微生物和根系活動強(qiáng)度的重要指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，上、下層土壤蔗糖酶活性隨番茄生育期推進(jìn)均顯著下降（＜0.05）。分析其原因，可能是：首先，隨著番茄生育期的推進(jìn)，土壤中營養(yǎng)物質(zhì)逐漸被吸收和利用，微生物生長與繁殖所需營養(yǎng)物質(zhì)不足，導(dǎo)致微生物的數(shù)量減少，其分泌的酶隨之減少；其次，番茄根系逐漸發(fā)育完全，根系活力下降，根系分泌的酶也相應(yīng)減少[31]。兩方面共同影響，蔗糖酶活性顯著下降。過氧化氫酶可分解植物根系呼吸作用產(chǎn)生的過氧化氫，防止其對作物根系產(chǎn)生毒害作用，其與根系呼吸強(qiáng)度密切相關(guān)[32]。研究結(jié)果表明，上層土壤過氧化氫酶活性隨時間總體呈先上升后下降趨勢，在移栽51 d或67 d達(dá)到峰值。其原因可能是番茄生育前期，番茄根系生長旺盛，呼吸強(qiáng)度高，產(chǎn)生大量過氧化氫等有害物質(zhì)，激發(fā)過氧化氫酶活性；隨著番茄生育期推進(jìn)，番茄根系逐漸發(fā)育完全，根系活性減弱，因根系呼吸而產(chǎn)生的過氧化氫減少，過氧化氫酶活性減弱。

秸稈埋深是上、下層土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性的主要影響因素，在大部分測試期內(nèi)均達(dá)到顯著水平（＜0.05），個別測試期甚至達(dá)極顯著水平（＜0.01）。秸稈埋深20 cm可顯著提升上、下層土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性。土壤酶主要來源于微生物和植物根系的分泌物[33]，秸稈埋深20 cm具有較優(yōu)的保水保肥作用，改善土壤水肥條件，促進(jìn)根系和微生物生長與活動，促使其分泌物增加，從而提升脲酶、蔗糖酶和氧化氫酶活性。此外，灌水量對上、下層土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性的影響均不顯著（＞0.05），可能是因為秸稈還田的保水作用使上、下層土壤含水率和養(yǎng)分量維持在較優(yōu)水平，灌溉水減量20%對尿素分解、微生物增殖和番茄根系生長影響均較小，也表明了秸稈還田具有一定的節(jié)水灌溉的作用。

4 結(jié)論

1）施氮量和秸稈埋深顯著影響上層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量（＜0.05），高施氮量和秸稈埋深20 cm可顯著提升上層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量（＜0.05）；灌水量對下層土壤的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮量影響顯著（＜0.05），增加灌水量有利于上層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮向下層土壤運(yùn)移；秸稈埋深對上下層土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性均影響顯著（＜0.05），秸稈埋深20 cm可有效提升上、下層土壤脲酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性。

2）秸稈埋深20 cm具有較優(yōu)的保水保肥作用；綜合考慮銨態(tài)氮量、硝態(tài)氮量、脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性、作物生長特點和節(jié)水需求等因素，在當(dāng)前水肥管理模式（施氮量180～270 kg/hm2，灌水量80%w～120%w）下，秸稈埋深20 cm，灌水量80%w，施氮量270 kg/hm2，即S1W3N1處理為最優(yōu)組合。

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The Effects of Straw Incorporation Depth on Nitrogen Dynamics and Enzymatic Activities in Soil

CHEN Sheng1, HUANG Da1,2,3*, ZHANG Erzi4, ZHU Jianbin1, GUO Xiangping1

(1. College of Agricultural Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;2. College of Civil and Architecture Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China;3.Guangxi Key Laboratory of New Energy and Building Energy Saving, Guilin 541004, China; 4. Nanjing Jiangning Water Authority, Nanjing 210098, China)

【Objective】It has been a consensus that adding organic matter such as crop straws to soil not only improves soil fertility and soil structure but also boosts enzymatic activity and nutrient cycling. However, what is the optimal way of amending soil with straws is poorly understood. The purpose of this paper is to fill this knowledge gap by systematically studying the effects of incorporating straws into different soil depths on nitrogen mineralization and enzymatic activity at different growth stages of tomato.【Method】The plot experiment was conducted in a tomato field, with the straw incorporated over the soil surface, at the depth 20 cm and 30 cm, respectively. For each straw incorporation, there were three irrigation treatments – irrigating 80%, 100% and 120% of water measured from an evaporation pan, and three nitrogen fertilizations: 180 kg/hm2, 225 kg/hm2, 270 kg/hm2. During the experiment, we measured the content of NH4+-N and NO3--N, as well as the activities of urease, sucrase and catalase in the soil at different growing stages.【Result】The contents of NH4+-N and NO3--N in the upper soil decreased with time (<0.05), while in the subsoil they increased with time (<0.05). As time elapsed, the activity of urease in the upper soil declined first followed by an increase, both significantly (<0.05), while in the subsoil it remained unchanged initially followed by an increase (<0.05). In contrast, the activity of sucrase in the soil profile decreased with time (<0.05), and the activity of catalase remained the same (>0.05). Nitrogen fertilization and straw incorporation depth combined to affect the contents of ammonium and nitrate in the upper soil (<0.05), with high nitrogen application combined with straw burial depth of 20 cm increased the contents of ammonium and nitrate nitrogen in the upper soil most (<0.05). Irrigation amount affected the contents of NH4+-N and NO3--N in the lower soil (<0.05), and increasing irrigation amount benefited the downward movement of NH4+-N and NO3--N. The buried depth of straw had significant effects on the activity of urease, sucrase and catalase in both upper and lower soil (<0.05), and the burial depth of 20 cm improved the activities of urease, sucrase and catalase significantly, compared to other treatments.【Conclusion】Straw burial depth, irrigation and nitrogen fertilization combined to affect the dynamics of soil water and nutrient, as well as enzymatic activity. Considering mineral nitrogen, enzymatic activity, crop growth and water saving, burying the straw at the depth of 20 cm, combined with irrigating 80% of water measured from a pan and nitrogen application of 270 kg/hm2was the optimal agronomic practice for tomato production in the studied area.

soil amendment; straw incorporation; soil nitrate and ammonium; urease; sucrase; catalase

1672 - 3317（2022）05 - 0045 -10

S156.4

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022029

陳盛, 黃達(dá), 章二子, 等. 秸稈隔層還田及水氮管理對土壤無機(jī)氮量及酶活性的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2022, 41(5): 45-54.

CHEN Sheng, HUANG Da, ZHANG Erzi, et al. The Effects of Straw Incorporation Depth on Nitrogen Dynamics and Enzymatic Activities in Soil[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(5): 45-54.

2022-01-15

國家重點研發(fā)計劃項目（2020YFD0900703）；國家自然科學(xué)基金項目（52109052）；中國博士后科學(xué)基金資助項目（2021M690873）；廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室（桂科能22-J-21-8）

陳盛（1989-），男。博士，主要從事鹽堿土改良，鹽脅迫下的植物響應(yīng)研究。E-mail: chens@hhu.edu.com

黃達(dá)（1990-），男。講師，博士生，主要從事鹽堿土改良，鹽脅迫下的植物響應(yīng)研究。E-mail: dada-wong@hhu.edu.com

責(zé)任編輯：趙宇龍