秸稈深還年限對葡萄園土壤腐殖質組分及酶活性的影響

黃立強　趙竹青　劉新偉

摘要：通過在葡萄園設置2年田間定位試驗，研究了CK（秸稈不還田）、SRF1（秸稈還田并深埋1年）和SRF2（秸稈還田并深埋2年）3個處理下耕層土壤的腐殖質組分碳含量、酶活性及養分含量等指標變化，旨在探明秸稈還田對土壤腐殖質碳組分和土壤酶活性的影響。結果表明，與CK相比，SRF1和SRF2處理土壤腐殖質碳含量分別增加25.8%和31.6%，且均明顯提升了土壤的PQ（胡敏酸碳與腐殖質碳的比值）和胡富比（胡敏酸碳與富里酸碳的比值）；秸稈還田顯著提高了土壤酶活性，與CK相比，SRF1和SRF2處理土壤脲酶活性分別增加42.4%和60.6%，酸性磷酸酶活性分別增加9.2%和10.5%，蔗糖酶活性分別增加28.1%和30.6%。與CK相比，SRF1和SRF2處理土壤pH分別由5.86提升至6.48和6.79；秸稈還田后土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效鋅、有效硼和有效鐵含量均顯著增加，且隨還田年限的延長而增加。通過對土壤腐殖質碳組分和土壤酶活性進行相關性分析發現，二者之間呈顯著或極顯著相關。綜合來看，秸稈還田有利于土壤腐熟化并提高土壤地力，且土壤肥力隨還田年限的增加而增加。

關鍵詞：秸稈還田；土壤養分；腐殖質碳；酶活性

中圖分類號：S141.9；S154.3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）19-3640-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.19.012

Abstract： The variation of humus compositions，enzyme activity and nutrient content under the treatments of CK （without application of straw），SRF1（straw returned one year） and SRF2（straw returned two years） was studied through two-year field location experiment in the vineyards，aimed to clear the impact of straw on soil humus carbon component and soil enzyme activities. The results showed that，compared to CK，soil humus carbon increased by 25.8% and 31.6% respectively under SRF1 and SRF2，and these two treatments significantly improved the soil of PQ （the ratio of humic acid carbon and humus carbon） and HAC/FAC（the ratio of humic acid carbon and fulvic acid carbon）. Straw significantly increased soil enzyme activities，compared to CK，soil urease activity under SRF1 and SRF2 increased by 42.4% and 60.6% respectively，acid phosphatase activity increased by 9.2% and 10.5% respectively，and invertase activity increased by 28.1% and 30.6% respectively. Compared with CK，soil pH under SRF1 and SRF2 increased from 5.86 to 6.48 and 6.79 respectively. The soil organic mater，alkali-hydrolyzable nitrogen， available phosphorus，rapidly available potassium， available zinc，available boron and available iron after straw returned significantly increased compared with CK， and increased with the extension of straw returned years. Through the soil humus carbon fractions and soil enzyme activities correlation analysis found that， different soil activity and soil humus carbon fractions were significantly associated. In terms of total up， straw returned was beneficial to soil putrescicity and improve soil fertility，and the soil fertility increased with the extension of straw returned years.

Key words： straw returned； soil nutrients； humus carbon； enzyme activity

秸稈是農作物收獲后的殘留物，同時也是物質及養分的載體，屬可再生生物資源[1]。農作物秸稈中不僅含有豐富的碳源，還可提供除N、P、K養分之外的中微量元素及大分子有機化合物養分，因此，秸稈也是農業生產中一種重要的有機肥源[2]。中國秸稈資源量豐富，年產達7億～8億t，但利用率卻不足50%，有超過30%的秸稈被丟棄或者焚燒[3，4]，這不僅造成資源浪費，還使得土壤表層有機碳下降，養分損失，并且焚燒會使大氣環境惡化，進而影響人類健康[5，6]。將其還田利用不僅可以合理處理大量剩余秸稈，還可提高土壤肥力、養分和有機碳含量，改良土壤結構和物理性狀[4，7-9]。秸稈利用一直是農業生產研究的熱點問題，但利用方式不一，所帶來的結果也不盡一致。

近年來，隨著秸稈還田在農業生產中的推廣應用，其相關的學術研究也得到了相應的發展。有研究[10，11]表明，秸稈直接還田可顯著增加土壤有機質積累，提高土壤養分，對改善土壤的理化性狀也有明顯效果，秸稈還田還可增加土壤團聚體的穩定性、強度，從而增強土壤蓄水能力和田間水的利用效率。Borresen[12]的研究結果表明，秸稈施用可增加作物產量，并且對干旱年間的作用更為明顯。矯麗娜等[13]、路文濤等[14]發現在耕作條件下進行秸稈還田，不僅可以快速增加土壤有機碳含量，而且改變了土壤腐殖質組分，提高了土壤腐殖質的品質，同時提高了土壤過氧化氫酶、脲酶和蔗糖酶的活性。

從國內外的研究現狀來看，對秸稈還田的研究主要集中在土壤養分、土壤物理性狀、作物產量等方面，關于秸稈對土壤腐殖質碳組分及其土壤酶活性的綜合影響鮮見詳細報道，特別是針對果園土壤秸稈還田的研究，以往研究基本都是以大田糧油作物為研究目標。所以本試驗研究了秸稈還田對葡萄種植區土壤腐殖質碳組分、酶活性及有效養分的影響，為明確果園秸稈還田對土壤固碳和肥力的貢獻提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2014-2016年在湖北省恩施土家族苗族自治州建始縣關口葡萄種植園（30°30′N，109°56′E）內進行。該地區屬于亞熱帶季風濕潤型山地氣候，海拔為990 m，年均無霜期260 d，年均氣溫15.5 ℃，年降雨量1 200～1 500 mm，土壤耕作和作物收獲均采用傳統人工模式。試驗共設3個處理，分別為CK（秸稈不還田）、SRF1（秸稈還田并深埋1年）、SRF2（秸稈還田并深埋2年）。秸稈深還處理區（SRF1、SRF2）是將自然曬干、風干之后的玉米秸稈人工折碎后均勻地鋪于寬60 cm、深20 cm的葡萄行間溝內并將原土覆上，用量均為15 t/hm2。為加強玉米秸稈的降解速度，所有處理均施用尿素（46%）55 kg/hm2將秸稈還田處理區（SRF1、SRF2）的C/N調節為30。各處理施氮量保持在245 kg/hm2，化肥施用按N∶P2O5∶K2O=1.00∶0.75∶1.20的比例施用，氮、磷均作為基肥施于行間溝內，鉀肥75%作為基肥施入，另外利用25%作為追肥，其他均按照葡萄常規栽培方法進行管理。葡萄的種植密度為2 m×2 m，小區面積為4 m×20 m=80 m2。

供試所用的玉米秸稈的C/N為64；供試肥料為尿素（N 46%）、西洋3代復合肥（15-15-15）、硫酸鉀（K2O 50%）。供試土壤為黃棕壤，主要化學性質為有機質13.9 g/kg、堿解氮91.4 mg/kg、有效磷19.2 mg/kg、速效鉀173.3 mg/kg、pH 5.82。

1.2 土樣采集

于2016年3月統一在每個處理小區按照S形路線取10個點的土樣，采樣深度為20 cm，并將小區所取得10個點的土樣充分混勻為1個土樣，再利用四分法取1 kg左右，最終每個處理將獲得3個土壤樣品，3個處理共9個土壤樣品，將土壤樣品帶回實驗室風干、磨細，分別過1 mm和0.25 mm的篩，存于密封袋中備用。

1.3 分析方法

1.3.1 土壤養分、pH及微量元素的測定 采用常規方法測定[15]。土壤有機質采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定；土壤堿解氮采用堿解擴散法測定；有效磷采用Olsen法測定；速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定；pH采用pHS-3C型pH計測定（水土比為2.5∶1）；有效硼采用沸水浸提-姜黃素比色法測定；有效鐵、鋅、銅采用DTPA-TEA浸提-AAS法測定。

1.3.2 土壤腐殖質碳組分的測定 土壤腐殖質的提取和分離參照腐殖質組成修改法測定[16，17]，土壤腐殖質各組分有機碳均采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定；土壤有機碳（SOC）采用重鉻酸鉀容量-外加熱法測定。

1）可提取腐殖質碳（Humus carbon，HC）。稱取2.50 g風干土樣于250 mL三角瓶中，準確加入0.1 mol/L焦磷酸鈉、0.1 mol/L氫氧化鈉混合液50 mL，振蕩5 min后靜置13～14 h（溫度控制在20 ℃左右）， 旋即搖勻、過濾；吸取清亮濾液5.00 mL移入150 mL三角瓶中，加3 mol/L H2SO4約5滴（調節pH至7）至溶液出現渾濁，于水浴鍋上蒸干、測碳。加0.800 0 mol/L（1/6 K2Cr2O7）標準液5 mL，迅速注入5 mL濃H2SO4，蓋上小漏斗并經沸水浴加熱15 min，冷卻后加去離子水50 mL稀釋，加鄰啡羅林指示劑3滴后用0.1 mol/L FeSO4滴定，同時做空白試驗。

HC=[0.800 0×5.00×（V0-V1）×0.003/V0]×100/m

式中，V0為5.00 mL標準K2Cr2O7溶液空白試驗滴定的FeSO4體積（mL），V1為待測液滴定所用 FeSO4體積（mL），m為與吸取濾液相當的土樣質量（g），5.00為空白試驗所用K2Cr2O7體積（mL）。

2）胡敏酸碳（Humic acid carbon，HAC）。吸取上述濾液20.00 mL于小燒杯中，置于沸水浴上加熱，在玻璃棒攪拌下滴加3 mol/L H2SO4酸化，至絮狀沉淀析出。繼續加熱10 min使HA完全沉淀。過濾后，以0.01 mol/L H2SO4洗滌濾紙和沉淀至濾液無色為止（即完全洗去富里酸）。以熱的0.02 mol/L NaOH溶解沉淀，仔細收集溶解液于150 mL三角瓶中，按照“1）”中所述方法酸化、蒸干、測碳（此時土樣質量m相當于1 g）。

3）富里酸碳（Fulvic acid carbon，FAC）。用差減法求得，即FAC=HC-HAC。

4）胡敏素碳（Humin carbon，HMC）。用差減法求得，HMC=SOC-HC。

5）腐殖質碳組分比值。胡敏酸碳與可提取腐殖質碳的比值（PQ）=HAC/HC，胡敏酸碳與富里酸碳的比值（胡富比）=HAC/FAC。

1.3.3 酶活性的測定 參照關松蔭[18]的方法測定。其中，脲酶活性的測定采用靛酚比色法，以1 g土在37 ℃培養24 h后土壤的NH3-N的質量（mg）表示；蔗糖酶活性測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法，以1 g土在37 ℃培養24 h分解蔗糖產生的葡萄糖的質量（mg）表示；酸性磷酸酶活性測定采用磷酸苯二鈉比色法，以1 g土在37 ℃培養24 h后土壤中產生的酚的質量（mg）表示。

1.4 統計分析

采用Excel 2007對試驗數據進行處理并作圖，應用SPSS 17.0數據處理軟件進行方差分析和Pearson相關性分析，不同處理之間采用Duncan新復極差法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 秸稈深還對土壤有機碳和腐殖質碳組成的影響

由表1可知，秸稈深還后土壤中腐殖質碳和腐殖質組分碳含量明顯高于CK，且隨深埋時間的延長而增加。土壤有機碳含量隨年限的增加而顯著增加；腐殖質碳含量SRF1和SRF2處理分別比CK增加了1.19 g/kg和1.46 g/kg，差異顯著，SRF2比SRF1增加了0.27 g/kg；與CK相比，秸稈深還的2個處理下胡敏酸碳和富里酸碳含量均明顯增加，表現為SRF2>SRF1>CK，但SRF1與SRF2之間無顯著差異；各處理間的胡敏素碳含量差異顯著，且SRF2>SRF1>CK；腐殖質碳占土壤有機碳的比例隨秸稈深埋時間的增加呈先上升后下降趨勢，且都高于試驗對照。

土壤腐殖質組分碳含量的差異使各組分的相對比例也呈現出一定規律性的變化，其中PQ反映了土壤中有機質的腐殖化程度，胡富比則反映了腐殖酸品質。從表1可以看出，SRF1和SRF2處理下腐殖質的HAC/FAC和PQ均高于CK，而隨還田年限的延長，其比值會略有降低。

2.2 秸稈深還對不同土壤酶活性的影響

土壤脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶作為3種不同水解酶參與高分子有機化合物的水解反應對豐富土壤中能被植物或微生物利用的可溶性營養物質有重要的作用。由圖1可知，經過秸稈處理后的3種水解酶活性均得到了顯著提高，且隨秸稈還田年限的延長其土壤酶活性明顯提高。與CK相比，SRF1、SRF2土壤脲酶活性分別顯著提高了42.4%、60.6%，均達顯著水平；酸性磷酸酶活性分別提高了9.2%、10.5%，也均達顯著水平；蔗糖酶活性分別提高了28.1%、30.6%，均達顯著水平。隨秸稈還田年限的延長，其土壤中脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶的酶活性均呈現出增加趨勢。

2.3 秸稈還田對土壤中速效養分含量、pH及微量元素的影響

由表2可以看出，施用秸稈可顯著提高土壤中有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量，甚至可明顯改善酸性土壤性質，且隨還田年限的延長其效果越好。與CK相比，SRF1、SRF2處理的土壤有機質含量分別增加了15.2%和24.5%，堿解氮含量分別增加了20.6%和27.0%，有效磷含量分別增加了83.7%和121.1%，速效鉀含量分別增加了21.6%和31.7%。土壤pH是土壤養分有效性的一大限制因素，秸稈深埋還田處理（SRF1、SRF2）后土壤pH由原來的5.86（酸性土壤）變化至6.48、6.79（偏中性土壤），可活化大部分養分。

秸稈作為有機體不僅可以提供大量元素養分，還可提高土壤中微量元素養分，且葡萄對土壤中的硼、鋅、鐵元素比較敏感。由圖2可知，與CK相比，秸稈深埋還田后土壤中的有效硼、有效鋅和有效鐵均顯著增加，且隨還田時間的延長呈現出增加趨勢；但其有效銅含量與其他不同，秸稈深埋還田反而降低其含量，其原因可能是其土壤中含量本來就很高，秸稈中大分子將其吸附，降低有效性，同時可防止植株銅中毒。

2.4 土壤腐殖質碳組分與土壤中不同酶活性的相關性

不同處理土壤總有機碳、腐殖質碳組分與土壤酶活性（脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶）的相關性分析結果如表3所示。土壤總有機碳與脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶之間極顯著相關，相關系數分別為0.918、0.902和0.972；腐殖質碳與脲酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶之間也呈極顯著相關，相關系數分別為0.984、0.957和0.974；胡敏酸碳與各類酶之間也呈極顯著相關；富里酸碳只與酸性磷酸酶和蔗糖酶之間顯著相關，相關系數為0.701、0.736。總有機碳與各腐殖質碳組分之間呈顯著或極顯著相關。

3 討論

秸稈還田不僅可以直接補充碳源，還可以通過改善土壤理化性質而提高土壤的自修復能力和肥力，對土壤中養分循環和農業生態系統穩定平衡具有重要作用。

3.1 秸稈還田對土壤腐殖質碳組分的影響

腐殖質的形成是個復雜而循環的過程，土壤腐殖質始終進行著合成和分解，其物質組成一方面來源于植物殘體的分解，然而秸稈還田后的分解過程表現為先快速礦化分解，后進行緩慢礦化并形成腐殖物質。崔婷婷等[19]、王勝楠等[20]研究表明，秸稈深還不僅有利于土壤有機碳的固定，還可以促使土壤表層中胡敏酸、富里酸和胡敏素碳含量增加。吳海勇等[21]研究表明，將水稻秸稈直接深埋還田可以提高腐殖酸、富里酸、胡敏酸碳含量和HAC/FAC，可促進腐殖質形成并提高品質。鄒洪濤等[22]研究結果表明，秸稈還田后可提高表層土壤有機碳含量，但秸稈深還2年和深還1年相比，其腐殖質碳組分含量及PQ并無顯著差異，且第一年含量相對較低。本研究結果表明，秸稈還田可以顯著提高有機碳及腐殖酸組分碳含量，并可明顯提高胡富比和PQ，且隨著秸稈還田年限的增加（第二年和第一年相比），腐殖酸、胡敏酸、富里酸碳含量都有所增加，但其胡富比和PQ略有降低，這與鄒洪濤等[22]的研究結果略有不同，可能是由于秸稈種類不同或者環境差異所導致的，土壤中胡敏酸和富里酸可相互轉化，后期環境的變化可導致秸稈降解轉化為二者的比值會有所不同，但整體來看施用秸稈后土壤腐殖質品質朝一個較好的方向轉化，同時也提高了土壤的腐熟化程度，有利于提高地力。

3.2 秸稈還田對土壤酶活性的影響

土壤酶在土壤有機質分解和養分循環所必需的催化反應中起著重要作用[23]，涉及一系列的植物、微生物、動物及其分泌物，土壤酶活性的變化能改變土壤中養分的有效性，而這些變化是土壤質量的潛在敏感指標[24]。本試驗得出，與CK相比，秸稈還田能夠顯著提高土壤中的脲酶、蔗糖酶和酸性磷酸酶活性，且隨年限的增加而提升，表明秸稈還田有助于提高土壤的生物活性，原因可能是秸稈還田改善了土壤結構和土壤微生物環境，增強了微生物生命代謝活動，從而提高了土壤酶活性，這與前人研究結果[25-27]一致。

3.3 秸稈還田對土壤養分及pH的影響

農作物秸稈作為重要的有機肥源，還田后經過礦化降解過程可為土壤微生物和作物提供能量和養分，并直接或間接地影響著土壤性狀。有研究表明，秸稈還田能夠顯著改善土壤理化性狀及提高土壤肥力，為作物生長創造良好的土壤環境[28，29]。本研究結果顯示，經過不同年限的秸稈還田，相比無秸稈還田，土壤中的堿解氮、有效磷、速效鉀和有效硼、有效鋅、有效鐵含量等均有不同程度的提高，土壤pH也隨之升高，由原來的酸性土壤緩慢向中性轉變，且隨著還田年限的增加，其養分及pH也有所增加，這可能是秸稈中養分緩慢釋放過程，也可能是秸稈中的活性物質將土壤中的養分活化，這與武志杰等[30]研究結果一致。

4 小結

本試驗綜合探討了葡萄園土壤不同年限秸稈還田對土壤腐殖質碳組分、酶活性及有效養分含量的影響，發現在秸稈深還后，土壤中的腐殖質及其組分碳含量、胡富比、PQ、土壤的3類水解酶活性（脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶）均顯著提高，秸稈深埋還田2年較深埋還田1年有增加趨勢，且腐殖質碳組分含量與酶活性的相關性顯著；在土壤養分方面，秸稈還田對其具有促進作用，其有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、有效硼、有效鋅、有效鐵含量均顯著提高，土壤中養分元素的補充可促進葡萄生長發育；在土壤pH方面，秸稈還田后土壤pH由原來的酸性土質緩慢向中性土質變化，秸稈在降解過程中可分解出各類物質，改善土壤理化性質，從而改變土壤營養元素的有效性。由此表明，秸稈還田對土壤腐殖質碳組分含量增加、酶活性提高及土壤養分理化性質改善等方面具有促進作用，且在一定時期內，其效果隨還田年限的延長而提升。

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