秸稈還田對(duì)土壤微環(huán)境的影響

楊強(qiáng) 喻文超 郭峻 秦海燕 倪幸

摘 要：為研究不同秸稈還田量對(duì)土壤微環(huán)境的影響，通過(guò)根際袋盆栽的方法，研究0%、25%、50%、75%、100%秸稈還田量下種植小麥對(duì)小麥生理、土壤養(yǎng)分、微生物酶活性的作用。結(jié)果表明，在相同試驗(yàn)施肥水平以及常規(guī)田間管理?xiàng)l件下，秸稈還田可以提高小麥生物量、土壤微環(huán)境作用，且不同生長(zhǎng)期以75%的秸稈還田量表現(xiàn)出小麥生理、土壤肥力、酶活性綜合顯著性較高。

關(guān)鍵詞：秸稈還田;小麥;土壤酶活性;微生物活性

中圖分類(lèi)號(hào)：S182

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20201115008

收稿日期：2020-10-19

基金項(xiàng)目：溫州市龍灣區(qū)糧食生產(chǎn)功能區(qū)（永興街道部分）提標(biāo)改造—耕地質(zhì)量培肥項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：HYGY-2018092701）

作者簡(jiǎn)介：楊強(qiáng)，碩士，中級(jí)。研究方向：土壤環(huán)境與質(zhì)量。

隨著人口和環(huán)境壓力的增大，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展越來(lái)越受到整個(gè)社會(huì)的重視，密集的農(nóng)業(yè)活動(dòng)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化，產(chǎn)生了大量以秸稈為代表的生物質(zhì)廢棄物。近年來(lái)，農(nóng)作物秸稈已成為農(nóng)村面源污染的新源頭。每年夏收和秋冬之際，大量的作物秸稈在田間焚燒，已造成嚴(yán)重的大氣污染[1]。

秸稈還田是秸稈利用的一種重要方式，已逐步成為秸稈資源化處理主流趨勢(shì)。但農(nóng)民缺乏完善的秸稈還田技術(shù)，在數(shù)量把握不當(dāng)或翻壓質(zhì)量不好的情況下，秸稈還田反而會(huì)造成不利影響，因此，亟需解決秸稈適宜施用量、秸稈還田與耕作方式的結(jié)合及秸稈還田與無(wú)機(jī)化肥的配合等問(wèn)題，以完善秸稈還田技術(shù)[2-4]。本研究為溫州地區(qū)水稻栽培適宜秸稈施用量的選擇提供了有用參數(shù)，為完善合理的秸稈還田技術(shù)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境以及建立土壤培肥制度提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1?材料與方法

1.1?試驗(yàn)地概況

盆栽試驗(yàn)于2018年11月—2019年6月在浙江省溫州市龍灣區(qū)展開(kāi)，龍灣區(qū)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，一年四季分明，氣溫適中，雨量充沛，日照充足。多年平均風(fēng)速為2.1m·s-1，多年平均氣溫為17.9℃。年平均降水量1717.7mm，最大積雪深度120mm，內(nèi)陸最高洪水位6.48m（吳淞高程）;年無(wú)霜期258d，年均日照時(shí)數(shù)1789.9h。

1.2?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試土壤取自當(dāng)?shù)氐湫退递喿魈?～20cm層土壤。土壤基本理化性質(zhì)：pH為8.06，有機(jī)質(zhì)為27.05g·kg-1，全氮為0.77g·kg-1，全磷為0.69g·kg-1。供試小麥品種為“矮抗58”。秸稈取自供試土壤稻田，其在收割機(jī)粉碎至5～10cm后進(jìn)一步粉碎至1～2cm備用。

盆栽試驗(yàn)使用根際袋盆栽的方法，每盆裝土5kg，基肥按每盆尿素5g，磷酸二氫鉀5g用量添加，粉碎秸稈按質(zhì)量0%、25%、50%、75%、100%的比例添加到供試土壤中混勻后裝盆。小麥種子消毒催芽后播種在中央根際袋中。試驗(yàn)期間，盆栽置于防雨旱棚內(nèi)，通過(guò)稱重法使其水分含量保持在田間持水量的80%，保證所有盆栽水分條件一致。每盆播種5粒，定植3株。分蘗期追肥1次，每盆施用尿素5g，磷酸二氫鉀5g，日常管理同常規(guī)大田生產(chǎn)。盆栽試驗(yàn)共計(jì)5個(gè)處理，分別為W0%（種植小麥，秸稈0%）、W25%（種植小麥，秸稈25%）、W50%（種植小麥，秸稈50%）、W75%（種植小麥，秸稈75%），W100%（種植小麥，秸稈100%），每個(gè)處理重復(fù)5次。

1.3?樣品處理與測(cè)定

根據(jù)小麥的生長(zhǎng)特征，分別在越冬期、返青拔節(jié)期、抽穗揚(yáng)花期進(jìn)行小麥樣品和土壤樣品的采集。小麥采集完后，用蒸餾水沖洗干凈，吸水紙除去表面水分，測(cè)定植物株高和鮮重。土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，過(guò)2mm尼龍篩。

土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸浸提法測(cè)定;土壤脲酶采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定;土壤過(guò)氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定;土壤蔗糖酶采用二硝基水楊酸比色法測(cè)定;土壤有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定;土壤全氮采用0.01M CaCl2浸提-AA3流動(dòng)分析儀測(cè)定;土壤全磷用鉬銻抗比色法測(cè)定[5-7]。

1.4?數(shù)據(jù)分析方法

數(shù)據(jù)分析運(yùn)用DPS 7.5數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（Data Processing System）和Excel 2016軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和方差分析。

2?結(jié)果與分析

2.1?秸稈施用量對(duì)小麥生理的影響

表1為不同秸稈施用量在不同時(shí)期對(duì)小麥生理的影響，各處理較對(duì)照秸稈不還田的小麥生理指標(biāo)均有不同程度地提高。在不同生育期的小麥生理變化中可知，50%以上的秸稈施用量的小麥株高和生物量相比W0%處理均達(dá)到顯著水平。

2.2?秸稈施用量對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

表2為生育期不同秸稈施用量對(duì)土壤養(yǎng)分的影響，在不同生育期，各處理較對(duì)照秸稈不還田的小麥生理指標(biāo)均有不同程度的提高，與W0%的對(duì)比，50%以上秸稈施用量對(duì)土壤全磷含量影響較大，75%、100%的土壤全氮量顯著性最高。

75%、100%的土壤有機(jī)質(zhì)含量在返青期和抽穗揚(yáng)花期的含量最高。

2.3?秸稈施用量對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶能夠促進(jìn)土壤中生化反應(yīng)，對(duì)土壤肥力有重要影響。過(guò)氧化氫酶廣泛存在于土壤中和生物體內(nèi)，過(guò)氧化氫酶活性與土壤有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)，與微生物數(shù)量也有關(guān)。蔗糖酶又稱轉(zhuǎn)化酶，其強(qiáng)弱可作為土壤健康狀況、營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)能力、熟化程度和肥力水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)，常被用來(lái)表征土壤的熟化程度和肥力水平[8]。脲酶與尿素的水解關(guān)系比較密切，是決定氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶。脲酶的活性反映了土壤對(duì)酰胺態(tài)氮的轉(zhuǎn)化能力和土壤無(wú)機(jī)氮的供應(yīng)能力[9，10]。

表3為生育期不同秸稈施用量對(duì)土壤酶活性的影響。在越冬期，W75%、W100%的土壤過(guò)氧化氫酶含量比W0%含量顯著增加了1.37mL·（g·h）-1、1.18mL·（g·h）-1;W50%、W75%、W100%的蔗糖酶含量比W0%的顯著增加了5.65mg·（g·d）-1、13.20mg·（g·d）-1、8.13mg·（g·d）-1;W25%、W50%、W75%、W100%的脲酶含量均比W0%的顯著增加了0.08mg·（g·d）-1、0.16mg·（g·d）-1、0.15mg·（g·d）-1、0.15mg·（g·d）-1。在返青期，W50%、W75%、W100%的土壤過(guò)氧化氫含量比W0%的顯著增加了1.17mL·（g·h）-1、2.51mL·（g·h）-1、1.97mL·（g·h）-1;W50%、W75%、W100%的蔗糖酶含量比W0%的顯著增加了6.52mg·（g·d）-1、23.8mg·（g·d）-1、18.01mg·（g·d）-1;W25%、W50%、W75%、W100%的脲酶含量均顯著比W0%的增加了0.08mg·（g·d）-1、0.11mg·（g·d）-1、0.22mg·（g·d）-1、0.24mg·（g·d）-1。在抽穗揚(yáng)花期，W25%、W75%、W100%的土壤過(guò)氧化氫含量與W0%的差異性顯著;W25%、W50%、W75%、W100%的蔗糖酶含量顯著比W0%增加了9.22mg·（g·d）-1、18.42mg·（g·d）-1、32.1mg·（g·d）-1、23.95mg·（g·d）-1;W50%、W75%、W100%的脲酶含量顯著比W0%的增加了0.08mg·（g·d）-1、0.15mg·（g·d）-1、0.13mg·（g·d）-1。

3個(gè)生育期中，與W0%的相比較，秸稈還田超過(guò)50%的秸稈含量對(duì)于土壤中的酶活性含量影響較大，差異性顯著。同時(shí)可以看出秸稈還田過(guò)程中小麥根系對(duì)土壤微生物酶有一定影響，能夠一定程度增加土壤微生物的活性，小麥在生育后期根系生長(zhǎng)旺盛，分泌物增多，從而促進(jìn)了微生物和酶的代謝活動(dòng)。

2.4?秸稈施用量對(duì)土壤微生物碳氮的影響

2.4.1?秸稈施用量對(duì)土壤微生物碳的影響

圖1為不同秸稈施用量對(duì)土壤微生物碳的變化動(dòng)態(tài)圖。在越冬期時(shí)，W50%、W75%、W100%的微生物碳的含量與W0%有顯著性差異，W25%與W0%差異性不顯著。在返青期、抽穗揚(yáng)花期，秸稈還田處理的微生物碳的含量均與W0%的微生物碳的含量有顯著性差異，秸稈還田之后土壤中微生物環(huán)境既補(bǔ)充輸入了有機(jī)碳源又改善土壤物理性狀，促進(jìn)微生物對(duì)秸稈的分解，顯著提高了微生物碳。

2.4.2?秸稈施用量對(duì)土壤微生物氮的影響

圖2為不同秸稈施用量對(duì)土壤微生物氮的變化動(dòng)態(tài)圖。在越冬期和抽穗揚(yáng)花期，秸稈還田處理的微生物氮的含量均與W0%的微生物氮的含量有顯著性差異，秸稈還田顯著提高了土壤中微生物氮的含量，并且在抽穗揚(yáng)花期的微生物氮的含量最大，這與在抽穗時(shí)，向土壤中追施了氮肥也有很大的關(guān)聯(lián)。在返青期，50%以上的秸稈施用量的微生物氮的含量和W0%有顯著性差異。

2.5?不同秸稈施用量中土壤養(yǎng)分、土壤酶活性與土壤微生物碳氮之間的相關(guān)性分析

表1為不同生育期土壤養(yǎng)分、酶活性與微生物碳氮之間的相關(guān)性分析。從表1可以看出在小麥的不同生長(zhǎng)期土壤養(yǎng)分、酶活性和微生物碳氮的兩兩之間的相關(guān)性具有一定的差異。在越冬期，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮、過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶、微生物碳氮呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明土壤中氮素循環(huán)與碳水化合物的轉(zhuǎn)化之間具有密切的協(xié)同效應(yīng)。土壤全氮和過(guò)氧化氫酶、脲酶之間呈顯著關(guān)系，說(shuō)明土壤氮循環(huán)和土壤氧化強(qiáng)度緊密關(guān)聯(lián)。土壤全磷和土壤酶、微生物碳氮之間沒(méi)有顯著關(guān)系，但是呈正相關(guān)的關(guān)系。在返青期，有機(jī)質(zhì)、全氮和土壤酶、微生物碳氮之間顯著關(guān)系較為明顯，說(shuō)明在生長(zhǎng)期內(nèi)土壤微生物對(duì)土壤碳氮循環(huán)起到了重要作用。在抽穗揚(yáng)花期，土壤有機(jī)質(zhì)、全磷和微生物酶、微生物碳氮之間呈顯著正相關(guān)。土壤全氮和土壤過(guò)氧化氫酶有顯著正相關(guān)，說(shuō)明揚(yáng)花期時(shí)土壤全氮含量趨于穩(wěn)定，和外來(lái)氮源供給也有一定的關(guān)系。

3?討論與結(jié)論

3.1?討論

秸稈作為外源碳介入農(nóng)田土壤后，土壤酶促反應(yīng)底物增加及酶來(lái)源增多，土壤微生物可利用碳源增加及其生存環(huán)境得到改善，從而使得土壤酶活性提高、微生物狀況得以改善[11]。本試驗(yàn)秸稈還田中全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)的含量均高于對(duì)照處理，且50%以上的秸稈施用量處理的養(yǎng)分含量顯著提高。周江明等[12]研究表明，在實(shí)行水稻秸稈還田之后，耕層土壤中N、P、K等元素含量均有增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量有明顯的提高作用。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，75%、100%的秸稈施用量的酶活性和微生物碳氮的含量與對(duì)照相比顯著性最高，但是75%和100%之間無(wú)明顯差異，說(shuō)明當(dāng)秸稈施用量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，對(duì)于土壤中的微生物活性作用效果并未明顯變化。已有的研究表明，在同一施肥水平下，秸稈還田過(guò)高會(huì)導(dǎo)致土壤C/N提高，土壤中沒(méi)有足夠的氮素供微生物繁殖生長(zhǎng)，微生物的數(shù)量和活性降低，從而導(dǎo)致秸稈腐解速率降低[13]。本研究發(fā)現(xiàn)75%的秸稈施用量下，C/N被控制在適宜的范圍，這樣有利于提高土壤微生物生物量和微生物活性，而土壤微生物量的增加又會(huì)進(jìn)一步提高包括土壤酶在內(nèi)的分泌物數(shù)量，從而提高土壤酶活性。周文新等[14]研究了不同秸稈施用量對(duì)土壤微生物群落功能多樣性的影響，發(fā)現(xiàn)秸稈還田增加了土壤細(xì)菌數(shù)量，并以2/3秸稈還田效果最好。這些研究結(jié)果都說(shuō)明土壤微生物數(shù)量和活性受到了秸稈施用量等因素的影響，本試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。

3.2?結(jié)論

本文綜合探討了種植小麥條件下，不同秸稈施用量對(duì)小麥生物量、株高、土壤養(yǎng)分、土壤酶活性以及微生物量碳、氮的影響，并分析了各生物指標(biāo)之間的相關(guān)性。在不同時(shí)期中，50%以上秸稈施用量的小麥生物量、土壤的全氮、有機(jī)質(zhì)含量和微生物碳氮顯著高于對(duì)照，75%以上的酶活性較對(duì)照顯著差異性高。不同生育期，養(yǎng)分、酶活性、微生物碳氮之間均有極顯著相關(guān)關(guān)系，表明土壤酶活性和微生物量碳氮在一定程度上能夠反應(yīng)土壤肥力和土壤質(zhì)量狀況，是描述土壤質(zhì)量的良好指標(biāo)。

在本試驗(yàn)的施肥水平以及常規(guī)田間管理?xiàng)l件下，以75%的秸稈還田量處理效果最佳，表現(xiàn)出小麥生物量、土壤肥力、酶活性綜合顯著性較高。鑒于秸稈還田對(duì)作物生理和土壤肥力的長(zhǎng)期效應(yīng)以及對(duì)土壤微生物生理代謝影響的復(fù)雜性，適宜秸稈還田量的選擇還需進(jìn)行長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究。

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（責(zé)任編輯?周康）