2021, Vol. 38
中国作为农业生产大国，每年约产生10.4亿t农作物秸秆，具有丰富的秸秆资源[1]。受传统耕作形式及农民生产习惯影响，大量的作物秸秆被露天堆弃或焚烧，造成严重的资源浪费及土壤肥力降低、空气污染等一系列环境问题，使农田生态系统遭受破坏，对农业生态环境造成严重影响[2]。作物秸秆含有大量的有机碳及氮、磷、钾等大量和微量营养元素，是可被直接利用的可再生纤维素资源[3]。因此，秸秆还田作为一种直接有效的利用方式成为国内外倡导的保护性耕作措施之一[4]。
秸秆还田可以改良土壤物理结构，丰富土壤微生物种类，对土壤理化性质具有重要影响[5]。大量研究表明，农田土壤碳氮水平是表征土壤养分状况的重要指标，受到秸秆还田等多种农艺措施的影响。土壤微生物代谢及动植物活动是土壤酶的主要来源，土壤酶活性受不同农田管理措施影响，其高低程度与土壤养分水平之间存在密切联系，可作为生物学指标来反映土壤质量水平[6-7]。伏星舟等[8]认为，土壤酶活性与土壤有机碳、全氮、矿质氮等理化指标显著相关，且土壤酶较土壤化学指标对土壤质量变化的响应更敏感[9]。秸秆还田对土壤质量的影响可以通过土壤酶活性的变化来反映，但以往关于土壤有机碳、土壤全氮含量及土壤酶活性对秸秆还田响应的研究结果存在差异。张莉等[10]的研究表明，秸秆还田可有效提高土壤有机碳含量，且在还田当年，秸秆颗粒还田较常规粉碎还田可分别提高0~20 cm和20~40 cm土层土壤有机碳含量6.59%和17.36%。胡乃娟等[11]的研究表明，短期条件下旋耕秸秆浅层还田使土壤有机碳含量增加2.1%~6.9%，且提高了土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶活性。于寒等[12]在东北长期玉米连作区的研究表明，秸秆深埋还田(15 cm)可有效改善土壤微生物结构，提高土壤脲酶活性。汪军等[13]的研究发现，旋耕秸秆浅层还田条件下，由于秸秆含氮量较少，主要以有机态存在，对土壤全氮没有产生明显影响。秸秆还田下土壤理化性质及酶活性的变化受还田深度的影响，孙凯等[14]和矫丽娜等[15]的研究指出，玉米秸秆深层还田显著增加了成熟期土壤有机碳、全氮含量，提高了土壤蔗糖酶、脲酶活性。大量研究表明，旋耕、翻埋等传统秸秆还田方式通过影响土壤理化性质及酶活性来发挥其改良土壤的作用。然而当前研究过多关注秸秆还田对耕层土壤质量的影响，对于秸秆还田深度与20 cm以下土层土壤理化性质及酶活性间的相关关系仍不明晰，因此亟需深入研究。
本研究以秸秆不还田处理为对照，通过在东北春玉米产区设置连续3年(2016—2018年)的田间微区定位试验来研究秸秆还田旋耕深度对土壤理化性质和酶活性的影响，进一步明确不同秸秆还田深度条件下土壤理化性质与酶活性的关系，旨在为东北春玉米产区秸秆资源利用和农田土壤肥力提升提供理论基础和技术实践。
1 材料与方法 1.1 研究区概况试验在沈阳农业大学田间试验基地(41°82′ N，123°56′E)进行，该地区属温带半湿润大陆性气候，全年无霜期155~180 d，降雨主要集中在7月和8月，年均降雨量522.2 mm。供试土壤为棕壤土，试验始于2016年，耕层土壤(0~20 cm)基础理化性质为：pH5.77，有机碳9.79 g·kg-1，全氮1.05 g·kg-1，碱解氮66 mg·kg-1，有效磷50.65 mg·kg-1，速效钾130 mg·kg-1。
1.2 试验设计试验在田间微区内采用二因素随机区组设计，设置秸秆处理(S)为主因素，分为秸秆还田(S1)和秸秆移除(S2)2个水平；旋耕深度(D)为副因素，分为10 cm(D1)、20 cm(D2)和30 cm(D3)3个水平，共计6个处理，重复3次。种植密度以67 500株·hm-2为基准，按60 cm行距、25 cm株距在每个微区(1.8 m2，长1.5 m×宽1.2 m)种植12株玉米(郑单958)。2016—2018年玉米收获后，将秸秆切割成2~5 cm小段，采用模拟旋耕方式还田，即分别人工挖取10 cm(S1D1)、20 cm (S1D2)、30 cm(S1D3)土层的土壤，与秸秆混拌均匀后回填压实；秸秆移除处理，即分别人工挖取相应土层土壤10 cm(S2D1)、20 cm(S2D2)、30 cm(S2D3)，混拌均匀后回填压实。基肥为75 kg·hm-2 N，90 kg·hm-2 P2O5和90 kg·hm-2 K2O，在播种时一次性施入，追肥为150 kg·hm-2 N，在拔节期施入。基肥与追肥均采用铁制播种器人工施入，将称量好的肥料施于两株之间，深度为5 cm。
1.3 测定项目与方法 1.3.1 样品采集于2018年10月玉米成熟期采用三点取样法，在每个微区内随机选取3个样点，用内直径为5 cm的土钻，以10 cm为增量分别钻取0~40 cm各土层土样。除去肉眼可见的根系残茬和石砾后，将各微区内3个样点同一土层土样混合均匀。一部分用于测定土壤水分含量；一部分过2 mm筛后在4 ℃条件下贮存，用于土壤酶活性测定；剩余部分自然风干后过0.15 mm筛，用于土壤全量养分含量测定。
1.3.2 土壤理化性质测定方法土壤pH值测定采用电位法，在按土∶水=1∶2.5 (m/V)的浸提液中用PHSJ-3F数字pH计测定；土壤含水量(SWC)采用烘干法测定，土壤含水量=(湿土质量-烘干土质量)/干土质量×100%[16]。土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)使用元素分析仪(EA3000，意大利)测定，在pH呈弱酸性条件下，SOC含量与土壤中全碳含量近似相等[17]。鲜土样经2 mol·L-1 KCl浸提1 h后使用全自动间断化学分析仪(Smartchem200，法国)测定土壤硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N) 含量。
1.3.3 土壤酶活性测定方法采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定蔗糖酶活性，并以24 h后1 g土壤中生成葡萄糖的毫克数表示酶活性[18]；脲酶和过氧化氢酶采用上海邦奕生物科技有限公司的ELISA试剂盒测定[19]。脲酶以24 h后1 g土壤中消耗铵态氮的毫克数表示酶活性；过氧化氢酶以24 h后1 g土壤中被催化降解的过氧化氢的微摩尔数表示酶活性，单位均为U·g-1。
1.4 数据分析试验数据经Excel 2010进行录入整理，并通过SPSS 24软件进行统计分析。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)对秸秆处理、旋耕深度及二者间交互作用对土壤理化性质和酶活性的影响进行探讨，并用最小显著性差异法(LSD)对各处理间差异进行多重比较(α=0.05)。用Pearson法获得土壤理化性质与酶活性间相关系数，并针对处理因素对理化性质及酶活性的影响进行主成分分析(PCA)。PCA图利用Canoco 4.5软件进行绘制。使用Origin 2017软件作图。表格中数据为平均值±标准差。
2 结果与分析 2.1 秸秆处理与旋耕深度对土壤有机碳和全氮含量的影响方差分析结果(表 1)表明，旋耕深度(D)及其与秸秆处理(S)的交互作用(S×D)显著影响SOC含量。从表 2可知，与秸秆移除(S2)相比，S1D1和S1D2处理显著增加了0~10 cm和10~20 cm土层SOC含量，分别增加14.3%~17.3% 和26.5%~27.4%；在20~30 cm土层，S1D1处理SOC含量较S2D1处理显著提高；在30~40 cm土层，S1D2处理SOC含量较S2D2处理增加了20.7%，而S1D1、S1D3处理土壤SOC含量分别较秸秆不还田的S2D1、S2D3处理减少了15.7%、24.8%。秸秆还田处理间比较后发现，在0~10 cm土层，S1D1和S1D2处理SOC含量较S1D3处理分别显著提高了19.5% 和14.3%；在10~20 cm和20~30 cm土层差异不显著；在30~40 cm土层，S1D2处理SOC含量最高。
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表 1 秸秆处理和旋耕深度对土壤理化性质和酶活性影响的方差分析(F) Table 1 Variance analysis of straw treatment and rotary-till depth on soil physicochemical properties and enzymes activity (F) |
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表 2 秸秆处理和旋耕深度对土壤有机碳和全氮含量的影响(g·kg-1) Table 2 Effects of straw treatment and rotary-till depth on soil organic carbon and total nitrogen content (g·kg-1) |
两因素的交互作用显著影响土壤TN含量(表 1)。由表 2可知，在0~10 cm土层，秸秆还田处理土壤TN含量较S2D3处理显著提高；在20~30 cm土层S1D1和S2D1处理土壤TN含量较其他处理显著降低；在30~40 cm土层，S1D2显著提高土壤TN含量。秸秆还田处理间比较后发现，在0~10 cm和10~20 cm土层TN含量差异不显著；在20~30 cm土层，S1D2和S1D3处理土壤TN含量较S1D1处理分别显著提高了11.6%和14.7%；在30~ 40 cm土层，S1D2处理土壤TN含量较其他还田处理显著提高。
2.2 秸秆处理与旋耕深度对土壤硝态氮和铵态氮含量的影响土壤NO3--N含量和NH4+-N含量受秸秆处理、旋耕深度及二者之间的交互作用影响达极显著水平(P < 0.001，表 1)。由表 3可以看出，秸秆还田处理0~40 cm土层土壤NO3--N含量较S2D1和S2D2处理显著提高，增幅分别为19.8%~104.1% 和23.7%~48.0%，与S2D3处理相比，S1D3在20~30 cm土层显著增加，而在其他土层显著降低。秸秆还田处理间比较结果显示，S1D2处理NO3--N含量在0~10 cm土层最低，在10~20 cm和30~40 cm土层高于其他还田处理，在20~30 cm土层显著高于S1D1处理。
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表 3 秸秆处理和旋耕深度对土壤硝态氮和铵态氮含量的影响(mg·kg-1) Table 3 Effects of straw treatment and rotary-till depth on soil nitrate and ammonium contents (mg·kg-1) |
旋耕深度及其与秸秆处理的交互作用显著影响SWC(P < 0.05)，秸秆处理与旋耕深度均对土壤pH影响极显著(P < 0.001，表 1)。由图 1可知，与S2处理相比，0~10 cm土层S1D1处理SWC显著高于其他旋耕深度的处理；20~30 cm土层S1D2处理SWC显著降低；在30~40 cm土层，S1D2和S2D3处理的SWC显著降低。秸秆还田处理间比较后发现，0~10 cm土层S1D1处理SWC最高，20~30 cm土层S1D2处理最低，其他两个土层处理间差异不显著。
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同一土层不同字母表示处理间差异显著(P < 0.05)。下同 Different letters in the same soil layer indicate significant differences among treatments(P < 0.05). The same below 图 1 秸秆处理和旋耕深度对土壤含水量和pH值的影响 Figure 1 Effects of straw treatment and rotary-till depth on soil water content and pH |
此外，两处理因素对不同土层pH影响显著。在0~10 cm土层，S1D1处理土壤pH最低，D3处理下土壤pH最高；在10~20 cm土层，S1D3处理土壤pH最高，并表现出随旋耕深度增加而增大趋势；在20~30 cm土层，S2D1处理土壤pH最低；在30~40 cm土层，S2D2处理土壤pH显著高于其他处理，S1D1处理土壤pH最低。秸秆还田处理间比较，S1D3较其他处理显著提高了0~10、10~20和30~40 cm土层的土壤pH，且土壤pH随还田深度增加呈现增大趋势。
2.4 秸秆处理与旋耕深度对土壤酶活性的影响土壤蔗糖酶和过氧化氢酶活性受秸秆处理、旋耕深度及二者交互作用影响显著，而土壤脲酶活性受秸秆处理及其与旋耕深度的交互作用影响显著(表 1)。从图 2可知，与S2处理相比，S1处理0~10 cm和10~20 cm土层蔗糖酶活性显著提高，增幅分别为6.7%~ 123.0% 和18.1%~29.4%；在20~30 cm和30~40 cm土层，D3处理下S1显著提高蔗糖酶活性，增幅分别为8.6%、53.4%。秸秆还田处理间比较结果显示，在0~ 10 cm土层S1D2处理蔗糖酶活性最低，而在10~20、20~30 cm和30~40 cm土层，土壤蔗糖酶活性均随旋耕深度的增加而显著提高。
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图 2 秸秆处理和旋耕深度对土壤酶活性的影响 Figure 2 Effects of straw treatment and rotary-till depth on soil enzymes activity |
秸秆处理和旋耕深度显著影响0~40 cm各土层土壤脲酶活性。与S2处理相比，S1处理在各旋耕深度下均显著提高了0~10 cm土层脲酶活性，增幅为31.4%~31.6%；在10~20 cm土层，S1处理在D1和D3旋耕深度下显著提高脲酶活性；而在20~30 cm和30~ 40 cm土层分别在D3和D2、D3旋耕深度下显著提高土壤脲酶活性。秸秆还田处理间比较后发现，S1D1和S1D3处理10~20 cm土层土壤脲酶活性较S1D2处理显著增加，增幅分别为14.1%和19.2%(图 2)。
此外，秸秆处理与旋耕深度对各土层过氧化氢酶活性影响显著。由图 2可知，与S2处理相比，0~10 cm土层S1D1处理土壤过氧化氢酶活性显著提高；在10~ 20 cm土层，S1D2与S1D3处理表现出相反的趋势；在20~30 cm土层，S1处理显著降低了土壤过氧化氢酶活性；而在30~40 cm土层，仅S1D3处理显著提高过氧化氢酶活性。秸秆还田处理间比较结果表明，S1D2和S1D3处理除10~20 cm土层外其他土层过氧化氢酶活性均较S1D1处理显著提高，且在30~40 cm土层，随旋耕深度增加而显著提高。
2.5 土壤理化性质与酶活性的相关性分析由表 4可知，SOC、TN、NO3--N、NH4+-N含量之间呈极显著正相关(P < 0.01)，而其与SWC呈极显著负相关(P < 0.01)。SOC、TN含量与土壤pH呈极显著负相关(P < 0.01)，而SWC与pH呈极显著正相关(P < 0.01)。土壤蔗糖酶活性与SOC、TN和NO3--N含量呈极显著正相关(P < 0.01)，与土壤NH4+-N含量呈显著正相关(P < 0.05)，但与SWC呈极显著负相关(P < 0.01)；土壤脲酶活性与SOC含量呈显著负相关(P < 0.05)；土壤过氧化氢酶活性与土壤pH和蔗糖酶活性呈显著正相关(P < 0.05)。
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表 4 土壤酶活性与土壤理化性质间相关系数 Table 4 Correlation coefficients between soil enzymes activity and soil physicochemical properties |
图 3为秸秆处理和旋耕深度对土壤理化性质和酶活性的主成分分析。在0~20 cm土层(图A)，PC1和PC2分别解释了变量的94.0% 和3.5%。S1D2和S1D3分布在第3象限，与S2D2和S2D3明显分开，表明该两组处理对土壤理化指标和酶活性影响差异明显；而S1D1和S2D3分布较为接近，说明它们的影响差异相似在20~40 cm土层(图B)，PC1和PC2解释了91.7% 的秸秆处理和旋耕深度对土壤理化性质和酶活性的变化，并分别解释了变量的74.5% 和17.2%。秸秆还田处理S1D1、S1D2和S1D3均分布在第1、2象限，而秸秆移除处理S2D1、S2D2和S2D3均分布在第3、4象限，说明在该土层土壤理化指标和酶活性对秸秆处理的响应明显，并且SOC、TN、NO3--N、蔗糖酶、过氧化氢酶和pH等指标分布与S2D3和S1D3处理一致，说明秸秆处理和旋耕深度对上述指标的影响明显。
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INV：蔗糖酶；URE：脲酶；CAT：过氧化氢酶 INV: Invertase; URE: Urease; 图 3 秸秆处理和旋耕深度对土壤理化性质和酶活性变化的主成分分析 Figure 3 Principal component analysis of variations in soil physicochemical properties and enzymes activity under straw treatments and rotary-till depth |
土壤有机质是表征土壤质量和肥力的重要指标，作物秸秆中含有木质素、糖、蛋白质和丰富的纤维素、半纤维素，是土壤有机质的重要来源。秸秆作为有机底物归还土壤能引起“激发效应”，刺激微生物分泌参与秸秆腐解的胞外酶，进而将部分秸秆分解为可被利用的有机碳，随着微生物的凋亡，微生物碳和难分解的秸秆碳形成了碳库的“新碳”部分[20]。因此，秸秆还田有利于提高土壤有机质，改善土壤质量和培肥地力[21-23]。土壤有机碳、氮在土壤中的垂直分布情况受秸秆还田深度影响显著，隋鹏祥等[24]的研究发现秸秆还田配合保护性耕作会使土壤有机质出现“表聚”现象，孙凯等[14]的研究发现在秸秆还田条件下深层土壤有机质呈现下降趋势。本研究结果表明，与秸秆不还田处理相比，秸秆旋耕还田10 cm和20 cm处理均显著提高了0~20 cm土层土壤有机碳含量，而秸秆旋耕还田30 cm处理显著降低了深层(20~40 cm)土壤有机碳含量。可能原因是秸秆浅层旋耕还田将秸秆与0~20 cm土层土壤充分混合，促进了以作物残茬为核心的土壤大团聚体的形成，从而使土壤对有机碳的固持作用增强。而秸秆深层(30 cm)还田使秸秆分布在0~30 cm土层，表层土壤秸秆量相对较少，使土壤有机碳的增幅没有达到显著水平[25]。秸秆深层还田还会增加底层土壤微生物活性，加速土壤有机碳矿化，降低深层土壤有机碳含量[24, 26]。值得关注的是，本研究中S2D3处理下20~40 cm土层SOC含量最高，这极有可能是因为土壤经过剧烈的旋耕扰动后，破坏了相应土层的团聚体结构，使土壤碳失去了物理保护，从而使黏粒碳沉降到相应的耕作深度[27]。
土壤硝态氮和铵态氮是可被作物吸收利用的主要氮素形式，除去各种形式的氮肥投入，还田秸秆所释放的氮素成为评价土壤供氮能力的影响因素之一[21]。有研究显示，耕层土壤矿质氮含量受秸秆还田年限和秸秆还田量影响显著，且二者间呈现出显著的正相关关系[28-29]；然而也有部分研究表明，土壤矿质氮含量受秸秆还田效应影响而显著降低[13]，且土壤硝态氮含量的降幅随秸秆还田深度的的增加而增大[30]。本研究结果表明，秸秆旋耕还田10 cm和20 cm处理显著提高了0~40 cm土层土壤硝态氮含量，却降低了相应土层土壤铵态氮含量。这很有可能是因为在浅层秸秆还田条件下，表层土壤通气性得到改善，增强了硝化作用相关微生物活性，提高了铵态氮转化速率，从而增加了硝态氮积累量，因此使土壤硝态氮和铵态氮含量呈现出相反的趋势[30-32]。秸秆还田30 cm处理显著降低了除20~30 cm外其他土层土壤的硝态氮含量，说明随着扰动土层深度的增加，一方面，可能加剧了深层土壤硝态氮的淋溶风险；另一方面，改善了深层土壤通气性，促进作物根系对深层土壤硝态氮的利用[31-33]。同时，秸秆移除条件下，深层土壤铵态氮含量反而高于秸秆还田处理。一方面，在氮素转化上，本研究施入的是铵态类氮肥，秸秆还田后增加了氨氧化过程微生物活性，进而促进铵态氮转化为硝态氮；另一方面，在氮素吸收上，秸秆还田处理下的植株普遍优于秸秆移除处理，其根系活力更强，根系分布较深，能充分利用深层氮素资源[26, 31-32]，这两方面原因造成了秸秆移除处理深层土壤铵态氮含量高于秸秆还田处理的结果。
土壤酶活性可用于指示土壤质量的变化，能迅速响应耕作、秸秆还田等管理措施对土壤质量的影响[3, 34]。土壤蔗糖酶可促进蔗糖分子水解为供植物和微生物吸收利用的低分子量的葡萄糖和果糖，是表征土壤有机碳积累与转化的重要指标[35]。土壤脲酶能够水解尿素，释放被植物吸收利用的氮源氨，是参与土壤氮循环的重要酶[35]。过氧化氢酶可以将植物新陈代谢过程中产生的过氧化氢分解为水和氧气，降低其对生物体的毒害[35]。以往的研究表明，秸秆还田后可使土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶活性得到有效提高，但不同秸秆还田方式和土壤深度间土壤酶活性差异较大[3, 34]。本研究发现，秸秆还田处理显著增强了0~20 cm土层土壤蔗糖酶和脲酶活性，而且秸秆深层(30 cm)还田促进了底层土壤蔗糖酶和脲酶活性的提高。土壤表层酶活性增强主要是由于投入的有机物料(作物秸秆)在良好的土壤通气条件下分解，释放供土壤微生物活动所需的碳源及氮源，促进与土壤碳氮循环相关的土壤酶的分泌，从而加快土壤中碳氮周转[11, 36]。同时增加旋耕深度可使玉米秸秆与深层土壤混合，秸秆所释放的可利用氮素作为氮源供给底层土壤微生物进行生命活动，刺激其分泌相关土壤酶，从而促进土壤有机质的矿化[24, 26]。本研究还发现，秸秆浅层旋耕(10 cm和20 cm)还田促进了表层土壤过氧化氢酶活性的增加，而深层还田则促进了底层土壤过氧化氢酶活性的提高。秸秆浅层还田下，0~20 cm土层秸秆、作物根系和土壤微生物间竞争激烈，根系产生的毒害物质促进了土壤过氧化氢酶活性的提高，而秸秆深层还田促进了根系下扎，根系对土壤环境的影响范围增大，秸秆、根系和土壤微生物在土壤中相互作用的垂向尺度加深，导致根系产生的毒害物质空间分布扩大，从而促进了底层土壤过氧化氢酶活性的提高[33]。
此外，土壤酶活性与土壤养分密切相关。本研究发现，土壤蔗糖酶活性与土壤有机碳、全氮、硝态氮和铵态氮含量呈显著正相关，与土壤含水量呈显著负相关，该结果与伏星舟等[8]的研究结果一致。说明适宜的土壤养分含量促进土壤微生物活性，进而提高了相应的蔗糖酶活性。而土壤含水量增加可能引起土壤温度和含氧水平的降低，从而抑制微生物活性，导致蔗糖酶活性降低[37-38]。土壤脲酶活性与土壤有机碳含量呈显著负相关，说明土壤有机碳水平与土壤氮素转化关系密切。土壤脲酶活性提高表明微生物活动加剧，而微生物活动加剧往往需要更多的易利用碳源，当土壤与秸秆中原有易利用碳源不足以满足其生长发育时，微生物将挖掘土壤有机碳库，从而加速土壤有机碳的利用，发生土壤有机质矿化作用[20]。
4 结论(1) 在0~20 cm土层，秸秆旋耕还田10 cm和20 cm处理增加了土壤有机碳、硝态氮含量和土壤酶活性。
(2) 在20~40 cm土层，秸秆旋耕还田20 cm和30 cm处理提高了土壤有机碳、全氮、硝态氮含量和土壤酶活性。
(3) 综合考虑土壤养分和酶活性对秸秆还田处理的响应，秸秆旋耕还田20 cm能有效提高各土层土壤有机碳、全氮、硝态氮含量和酶活性，是东北春玉米主产区较适宜的还田方式。
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