免耕覆盖对小麦—花生轮作体系不同土层微生物量碳、氮含量及相关酶活性的影响

杨 铭

(商丘职业技术学院,河南商丘 476000)

华北平原是我国的粮食主产区之一,其稳定的产量输出对于维持和保护我国粮食安全具有重要意义[1-2]。小麦—花生轮作是华北平原豫东地区常见的种植模式,生产中由于花生播种前需要进行麦茬粉碎处理,而小麦收获后至花生播种前的时间较短,不少农民为了省时省力,纷纷选择进行小麦秸秆焚烧处理,不仅浪费了秸秆富含的氮、磷、钾、碳等营养元素,还对我国环境保护造成了严重影响[3-4]。旋耕是华北平原的主要耕作方式,但长期旋耕不仅会使土壤耕层变浅,还会改变土壤的固有结构,导致土壤质量下降等一系列问题[5-7]。因此,为了缓解人类活动对农田生态系统带来的压力,保护性耕作方式和秸秆还田措施成为农业可持续发展的重要研究课题。有研究发现,合理的耕作方式和秸秆还田措施不仅能够降低传统耕作带来的负面影响(诸如土壤有机质含量下降、酶活性降低与土壤微生物群落发生改变等),还可以提高土壤微生物量碳、氮含量及相关酶活性[8-10]。徐欣等研究发现,长期免耕秸秆覆盖不仅能够提高土壤碳、氮含量,还可以明显提高作物产量,提高土壤生产力[11]。张奇等研究发现,合理的秸秆还田措施能够明显提高土壤氮素及微生物量碳、氮含量,但是不同秸秆还田深度的效果差异较明显,其中秸秆还田10 cm时对土壤氮素及微生物量碳、氮含量的提高效果最明显[12]。赵雪淞等研究发现,免耕秸秆覆盖能够显著提高土壤微生物量碳、氮、磷含量和相关酶活性[13]。由此可见,合理的耕作方式和秸秆还田措施是解决目前困境的有效方法之一。

土壤微生物量碳、氮是土壤碳氮中最活跃的部分,由于其周转速率快,因而能够敏感地反映土壤碳氮含量的变化,微生物量碳、氮含量的变化是表征土壤肥力的重要依据之一[14-16]。土壤酶是土壤生物学特性的重要组成部分,能够参与土壤养分的转化与分解,是表征土壤肥力、活力的重要依据之一[17-18]。因此,研究土壤微生物量碳、氮及相关酶活性变化对不同耕作措施与秸秆还田方式的响应,探索有利于农田生产的最优组合,对华北平原地区农田耕作措施和秸秆还田方式的选择具有重要的生产意义。目前,关于长期不同耕作措施、秸秆还田方式及耕作结合秸秆还田措施对耕作层土壤微生物量碳、氮影响的研究有很多[19-21],但是由于气候、降水量、土壤条件的差异,不同地区、不同种植体系对耕作方式、秸秆还田措施的响应均有所不同。因此,本研究通过分析不同耕作方式、秸秆还田措施对不同土层土壤有机碳含量、全氮含量、微生物量碳含量、微生物量氮含量及相关酶活性的影响,寻找适宜的组合方式,以期为华北平原地区小麦—花生轮作体系保护性耕作措施的完善提供帮助。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2018—2021年在河南省商丘职业技术学院试验示范基地附近农田(116°18′E,39°26′N)进行,该地区属于典型的暖温带半温润大陆性季风气候,四季分明,冬季寒冷干燥,夏季湿热多雨。年均气温14.2 ℃,年均日照时长1 944 h,无霜期 211 d,年均降水量685 mm。供试土壤为黄潮土二合土,基础土壤(0～30 cm)肥力:全氮含量0.82 g/kg,全磷含量0.96 g/kg,碱解氮含量72.11 mg/kg,有效磷含量56.73 mg/kg,速效钾含量123.35 mg/kg,有机质含量8.85 g/kg,pH值8.12。试验区长期进行小麦—花生轮作种植,试验前3年均为0～30 cm浅耕,小麦秸秆还田,花生秸秆不还田。

1.2 供试材料

供试小麦品种为百农207,购自河南百农种业有限公司、河南华冠种业有限公司,试验生育期为10月15日至翌年6月8日;供试花生品种为冀花4号,购自河北省农林科学院粮油作物研究所,试验生育期为6月15日至翌年9月25日。

1.3 试验设计

于2018年10月15日种植小麦,设置如下6个处理:(1)免耕、秸秆不还田(PNS);(2)免耕、秸秆还田(PS);(3)浅耕、秸秆不还田(SPNS);(4)浅耕、秸秆还田(SPS);(5)深耕、秸秆不还田(DPNS);(6)深耕、秸秆还田(DPS)。试验共设3次重复,共18个小区,小区面积为64 m2,全部随机区组排列,试验区周围设3 m保护行,小区走道长0.8 m。小麦季施肥量:255 kg/hm2纯氮,75 kg/hm2P2O5,150 kg/hm2K2O。花生季施肥量:600 kg/hm2复合肥(N∶P∶K=15∶15∶15),225 kg/hm2过磷酸钙,均作为基肥施入,生育期内不追肥。秸秆还田处理通过农用机械将小麦与花生秸秆埋置于地下不同深度,其中免耕处理置于地表,浅耕处理置于地下 0～30 cm处,深耕处理置于地下30～60 cm处,秸秆不还田处理通过人工移走两季作物秸秆,免耕处理不进行机械耕作,人工进行播种与收获。

1.4 土壤样品的采集与测定

于2021年9月24日花生收获前1 d进行田间土壤样品的取样,通过螺旋形土钻利用5点取样法采集0～30 cm和30～60 cm土层的土壤样品。剔除较大石砾、植物残根等杂物后,通过装有冰袋的泡沫箱将样品带回实验室,过1 mm筛后,将一部分样品自然风干,用于土壤理化性质的测定,将另一部分样品置于4 ℃冰箱中,用于土壤微生物量碳、氮含量和酶活性的测定。

土壤有机碳、全氮含量分别采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法、凯氏定氮法测定[22-23];土壤微生物量碳、氮含量均采用三氯甲烷熏蒸-硫酸钾浸提法测定[24];土壤脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性分别采用苯酚钠-次氯酸钠比色法、磷酸苯二钠比色法、高锰酸钾滴定法、3,5-二硝基水杨酸比色法测定[25]。

1.5 数据分析与处理

用Office WPS进行数据处理和图表制作,用SPSS 19.0进行方差与相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同措施对土壤有机碳、全氮含量及其比值的影响

由表1可以看出,各处理30～60 cm土层有机碳、全氮含量及碳氮比均明显低于0～30 cm土层。从各处理性状的表现来看,在0～30 cm土层,PS处理的有机碳、全氮含量均最高,分别较其他处理提高6.88%～15.81%、4.49%～27.40%;PS处理的全氮含量除与SPS处理无显著差异外,均较其他处理显著提高;DPNS处理的碳氮比最高,与其他处理间差异显著。在30～60 cm土层,DPS处理的有机碳、全氮含量均最高,分别较其他处理提高3.44%～18.60%、7.27%～22.92%;DPS处理的有机碳含量除与PS处理间无显著差异外,与其他处理相比均显著提高;PNS处理的碳氮比最高。整体来看,在相同耕作处理方式下,不同土层的有机碳、全氮含量均表现为秸秆还田>秸秆不还田,碳氮比则没有表现出规律性;在相同秸秆处理下,不同土层的有机碳含量均表现为免耕>深耕>浅耕。0～30 cm土层的全氮含量表现为免耕>浅耕>深耕,30～60 cm土层的全氮含量则表现为深耕>浅耕>免耕,碳氮比没有表现出规律性。

表1 不同措施对土壤有机质、全氮含量及碳氮比变化的影响

2.2 不同措施对土壤微生物量碳、氮及其比值的影响

由表2可以看出,各处理30～60 cm土层的土壤微生物量碳、氮含量均明显低于0～30 cm土层,而土壤微生物量碳氮比则表现出不同的变化趋势。在0～30 cm土层,PS处理的微生物量碳、氮含量均最高,分别较其他处理提高5.53%～47.60%、3.02%～29.66%;PS处理的微生物量氮含量除与DPS处理相比无显著差异外,与其他处理相比均显著提高,PS处理的碳氮比分别较PNS、SPNS、DPNS处理显著提高6.05%、13.89%、7.32%, 但与SPS、DPS处理无显著差异。在30～60 cm土层,DPS处理的微生物量碳、氮含量均最高,分别较其他处理显著提高10.93%～41.12%、14.10%～27.55%;PS处理的碳氮比较PNS、SPNS、SPS处理分别提高9.96%、11.98%、5.53%,与DPNS、DPS处理间无显著差异。整体来看,在相同耕作处理下,不同土层的微生物量碳、氮含量及碳氮比均表现为秸秆还田>秸秆不还田;在相同秸秆处理下,当秸秆还田时,0～30 cm土层的微生物量碳、氮含量表现为免耕>深耕>浅耕,当秸秆不还田时,微生物量碳、氮含量表现为深耕>免耕>浅耕,30～60 cm土层的微生物量碳、氮含量均表现为深耕>免耕>浅耕,而不同土层的碳氮比没有表现出规律性。

表2 不同措施对土壤微生物量碳、氮含量及碳氮比变化的影响

2.3 不同措施对土壤脲酶活性的影响

由图1可以看出,不同处理组的土壤脲酶活性随着土层深度的增加而降低。在0～30 cm土层,PS处理的土壤脲酶活性最高,较其他处理显著提高6.29%～27.07%,DPNS处理的土壤脲酶活性最低,除与SPNS处理无显著差异外,均显著低于其他处理。在30～60 cm土层,DPS处理的土壤脲酶活性最高,较其他处理显著提高7.53%～28.21%,SPNS处理的土壤脲酶活性最低。整体来看,在相同耕作处理下,土壤脲酶活性表现为秸秆还田>秸秆不还田;在相同秸秆处理下,0～30 cm土层的土壤脲酶活性表现为免耕>浅耕>深耕,30～60 cm土层的土壤脲酶活性表现为深耕>免耕>浅耕。

2.4 不同措施对土壤碱性磷酸酶活性的影响

由图2可以看出,在不同处理下,土壤碱性磷酸酶活性随着土层深度的增加而降低, 且不同土层表现出明显差异。在0～30 cm土层,PS处理的碱性磷酸酶活性最高,较其他处理高1.37%～42.31%,且显著高于除DPS处理外的其他处理,SPNS处理的碱性磷酸酶活性最低。在30～60 cm土层,DPS处理的碱性磷酸酶活性最高,较其他处理显著提高9.43%～65.79%,SPNS处理最低。整体来看,在相同耕作处理下,土壤碱性磷酸酶活性表现为秸秆还田>秸秆不还田;在相同秸秆处理下,0～30 cm土层的土壤碱性磷酸酶活性表现为免耕>深耕>浅耕,30～60 cm土层的土壤碱性磷酸酶活性表现为深耕>免耕>浅耕,与土壤脲酶活性的变化趋势相同。

2.5 不同措施对土壤过氧化氢酶活性的影响

由图3可以看出,在不同土层,各处理的过氧化氢酶活性差异较明显。在0～30 cm土层,PS处理的过氧化氢酶活性最高,分别较PNS、SPNS、SPS、DPNS处理显著提高11.62%、23.83%、6.55%、19.62%,PS处理的过氧化氢酶活性与DPS处理无显著差异,SPNS处理的过氧化氢酶活性最低,显著低于除DPNS处理外的其他处理。在30～60 cm土层,PS处理的土壤过氧化氢酶活性仍最高,分别较PNS、SPNS、DPNS处理显著提高15.84%、18.36%、12.64%,与SPS、DPS处理间无显著差异,SPNS处理的过氧化氢酶活性最低,显著低于除PNS处理外的其他处理。整体来看,在相同耕作处理下,过氧化氢酶活性表现为秸秆还田>秸秆不还田;在相同秸秆处理下,0～30 cm土层的土壤过氧化氢酶活性表现为免耕>深耕>浅耕,在30～60 cm土层,秸秆还田处理的过氧化氢酶活性表现为免耕>深耕>浅耕,秸秆不还田处理的过氧化氢酶活性表现为深耕>免耕>浅耕。

2.6 不同措施对土壤蔗糖酶活性的影响

由图4可以看出,不同措施对不同土层土壤蔗糖酶活性变化产生不同的影响。在0～30 cm土层,PS处理的土壤蔗糖酶活性最高,较其他处理显著提高18.34%～56.88%,SPNS处理的土壤蔗糖酶活性最低。在30～60 cm土层,DPS处理的土壤蔗糖酶活性最高,较其他处理显著提高了14.77%～47.45%,SPNS处理的土壤蔗糖酶活性最低。整体来看,在相同耕作处理下,土壤蔗糖酶活性表现为秸秆还田>秸秆不还田;在相同秸秆处理下,0～30 cm 土层的土壤蔗糖酶活性表现为免耕>深耕>浅耕,30～60 cm土层的土壤蔗糖酶活性表现为深耕>免耕>浅耕。

2.7 土壤有机碳、全氮含量及微生物量碳、氮含量与相关酶活性的相关性分析

由表3可以看出,微生物量碳含量与碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性呈极显著正相关,与脲酶、蔗糖酶活性呈显著正相关;微生物量氮含量与碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性呈极显著正相关,与蔗糖酶活性呈显著正相关;有机碳含量与脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性呈极显著正相关,与蔗糖酶活性呈显著正相关;全氮含量与脲酶活性呈极显著正相关,与过氧化氢酶活性呈显著正相关;土壤有机碳含量、全氮含量及微生物量碳、氮含量与其他酶活性指标均呈正相关。由此可见,土壤有机碳、全氮含量及微生物量碳、氮含量受酶活性变化的影响较大,土壤酶活性的提高有利于土壤碳、氮的转化及利用。

表3 土土壤有机碳、全氮含量及微生物量碳、氮含量及相关酶活性的相关关系

3 讨论

耕作方式与秸秆还田措施是农田生态系统中土壤碳、氮转化与周转的主要驱动因素[26]。作物秸秆中因含有丰富的氮、磷、钾、碳等元素,还田后能够迅速补充土壤中的养分,通常与耕作措施配合用于提升土壤地力[27-28]。有研究发现,与传统耕作相比,长期免耕、少耕与秸秆还田配合能够显著提高 0～10 cm土层土壤有机碳、全氮含量[29]。李景等研究发现,传统耕作能够在一定程度上破坏土壤的团聚体结构,增加土壤的扰动性,不利于土壤养分的累积与转化[30]。而微生物量碳、氮是土壤碳氮转化的重要部分,受耕作方式与秸秆还田措施的影响较大[31]。本研究结果表明,在0～30 cm土层,免耕秸秆还田处理(PS)的土壤有机碳、全氮含量相比其他处理均有不同程度的升高,而在30～60 cm土层,深耕秸秆还田处理(DPS)的土壤有机碳、全氮含量均最高,其中有机碳含量与PS处理间无显著差异,土壤微生物量碳、氮含量的变化与土壤有机碳、全氮含量的变化相似,这与武均等的研究结果[32]较为一致。在秸秆还田处理下,土壤有机碳、全氮含量及土壤微生物量碳、氮含量均高于相同耕作方式的秸秆不还田处理,分析认为,秸秆富含营养元素,腐烂分解后能够补充到土壤中,使得秸秆还田处理的土壤养分含量明显高于秸秆不还田处理,且作物秸秆中含有丰富的碳源,可供土壤微生物利用,从而提高微生物的代谢能力,促进微生物量碳、氮含量的提高。在0～30 cm土层,相同秸秆还田方式下免耕处理的土壤有机碳、全氮含量及土壤微生物量碳、氮含量均最高,而在30～60 cm土层,深耕处理的相应含量最高。分析认为,免耕能够减少土壤扰动,促使表面营养元素富集累积,有利于土壤碳、氮的转化与合成,深耕时能够将作物秸秆带入土壤深处,腐烂分解后由于补充了土壤中的碳、氮元素,使得免耕处理深层土壤中的碳、氮含量在短期内低于深耕处理。

土壤酶活性能够在某种程度范围内反映土壤微生物的活性,对耕作方式、秸秆还田措施比较敏感[33]。冯彪等研究发现,与传统耕作相比,深翻、深松能够显著提高土壤酶活性、微生物生物量[34]。路怡青等研究发现,与常规耕作、秸秆不还田处理相比,免耕覆盖能够显著提高土壤脲酶、碱性磷酸酶、脱氢酶、转化酶活性[35]。本研究结果表明,在0～30 cm土层,与其他处理相比,PS处理的土壤脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性均最高,除碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性与DPS处理间无显著差异外,与其他处理相比均显著提高;在30～60 cm土层,DPS处理的土壤脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶活性均最高。结合土壤碳、氮含量的分析结果可知,免耕秸秆覆盖能为表层土壤微生物活动提供较稳定的生存环境和各类碳源,促使其代谢能力强于其他处理,从而提高土壤微生物活性,进而促进土壤中各类元素的分解与合成,从而提高土壤酶活性。深耕能够促使作物秸秆进入深层土壤,不仅可为深层微生物提供充足的碳源,还能提高土壤透气性、增强土壤中的微生物活性,进而能够提高土壤中各类酶活性。相关性分析结果表明,土壤有机碳、全氮含量及微生物量碳、氮含量受酶活性变化的影响较大,外源碳、氮元素的摄入不仅有利于补充土壤中的碳、氮,还有利于提高土壤微生物活性和土壤酶活性,进而影响土壤对碳、氮的转化与利用能力。

4 结论

在相同耕作下,秸秆还田处理的土壤有机碳、全氮含量及微生物量碳、氮含量和脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性均高于秸秆不还田处理。

在相同秸秆还田处理下,在0～30 cm土层,免耕处理的土壤有机碳、全氮含量及微生物量碳、氮含量和脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性均最高;在30～60 cm土层,深耕处理的土壤有机碳、全氮含量及微生物量碳、氮含量和脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性均最高。