李 碩，把余玲，2，李有兵，王淑娟，田霄鴻，師江瀾

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2 陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)，陜西 西安 710075)

添加作物秸稈對(duì)土壤有機(jī)碳組分和酶活性的影響

李 碩1，把余玲1，2，李有兵1，王淑娟1，田霄鴻1，師江瀾1

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2 陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)，陜西 西安 710075)

【目的】 研究小麥和玉米秸稈以不同方式還田對(duì)土壤有機(jī)碳及其組分和酶活性的影響，為尋求最佳秸稈還田方式提供依據(jù)?！痉椒ā?采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)法，以連續(xù)7季秸稈均還田土及不還田土為供試土壤，研究培養(yǎng)60 d后，小麥、玉米秸稈與土壤混勻還田和覆蓋于表層還田對(duì)土壤總有機(jī)碳(TOC)、活性有機(jī)碳(LOC)、微生物量碳(MBC)含量，LOC/TOC、MBC/TOC和土壤蛋白酶(PROT)、脫氫酶(DHA)活性的影響?！窘Y(jié)果】 與不添加作物秸稈相比，無論以何種方式還田，添加小麥或玉米秸稈均明顯增加了還田土與不還田土的TOC、LOC、MBC含量，LOC/TOC、MBC/TOC和PROT、DHA活性。還田土的TOC、LOC、MBC含量和PROT、DHA活性均明顯高于不還田土；添加小麥秸稈處理土壤的TOC、LOC含量明顯高于添加玉米秸稈處理；秸稈與土壤混勻還田處理的TOC、LOC含量和PROT、DHA活性均明顯高于秸稈覆蓋于表層還田處理；秸稈類型和還田方式對(duì)MBC含量、MBC/TOC無顯著影響。作物秸稈腐解過程中LOC含量和PROT活性可較為敏感地反映土壤有機(jī)碳和微生物活性的變化?！窘Y(jié)論】 無論是在還田土還是不還田土中，作物秸稈與土壤混勻還田均有利于提高土壤有機(jī)碳各組分含量和土壤酶活性。

土壤種類；作物秸稈；有機(jī)碳組分；酶活性

秸稈還田向農(nóng)田歸還的大量有機(jī)物料經(jīng)腐解后既能為作物生長(zhǎng)提供所必需的養(yǎng)分元素，又能在一定程度上提高土壤各有機(jī)組分含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)田土壤質(zhì)量，因而，作物秸稈還田已成為影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要農(nóng)業(yè)管理措施之一[1-4]。土壤有機(jī)碳可在一定程度上表征土壤肥力、團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和微生物學(xué)特性，其含量在受人類活動(dòng)間接影響的同時(shí)，又直接或間接影響著作物的生長(zhǎng)[5-10]。與土壤總有機(jī)碳(TOC)相比，土壤有機(jī)碳活性組分和土壤酶活性對(duì)由作物秸稈還田所引起的土壤質(zhì)量變化響應(yīng)更為敏感[4-23]。土壤活性有機(jī)碳(LOC)和微生物量碳(MBC)作為土壤有機(jī)碳的活性組分，對(duì)農(nóng)業(yè)管理措施，特別是作物秸稈還田所引起的土壤質(zhì)量變化具有較強(qiáng)的響應(yīng)[11-13]，且微生物量碳對(duì)調(diào)控土壤有機(jī)物料轉(zhuǎn)化的微生物數(shù)量反應(yīng)更為敏感[14-16]；另有研究表明，活性有機(jī)碳、微生物量碳在有機(jī)碳中所占比例較二者各自含量更易于反映土壤碳庫(kù)的敏感性變化[17]。此外，土壤酶作為土壤組分中最活躍的有機(jī)成分，可參與土壤中一切生物化學(xué)過程[8]。其中，土壤蛋白酶(PROT)可將作物殘?bào)w中蛋白類物質(zhì)水解為土壤微生物生長(zhǎng)代謝所必需的氮素小分子物質(zhì)，對(duì)碳氮循環(huán)至關(guān)重要[18-19]；而脫氫酶(DHA)作為評(píng)判土壤微生物氧化還原系統(tǒng)的指標(biāo)之一，可表征土壤微生物的氧化能力，進(jìn)而彰顯作物殘?bào)w的腐解和礦化能力[14,18,20]。

在關(guān)中地區(qū)小麥-玉米一年兩熟輪作體系中，隨著農(nóng)家有機(jī)肥施入量的降低和機(jī)械化秸稈全量還田的推廣，構(gòu)成農(nóng)田土壤肥力基礎(chǔ)的有機(jī)質(zhì)越來越依賴于作物秸稈的投入。王棟等[17]研究表明，免耕覆草旱作可顯著提高稻田土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳含量；田慎重等[5]針對(duì)小麥-玉米兩熟體系的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田各處理0～10 cm土層TOC含量表現(xiàn)為深松>旋耕>免耕>耙耕>傳統(tǒng)翻耕。此外，有研究也表明，作物秸稈覆蓋還田可顯著提高表層土壤微生物量碳含量及脫氫酶和蛋白酶活性，進(jìn)而有利于土壤質(zhì)量的提高[6,8,11,14,23-26]；同時(shí)，作物秸稈還田對(duì)土壤墑情和有效養(yǎng)分釋放等具有不同程度的影響[2-3,19,21-22]。然而，這些研究均側(cè)重于作物秸稈直接還田與其不還田之間的差異，而關(guān)于作物秸稈不同還田方式對(duì)土壤質(zhì)量，特別是對(duì)土壤有機(jī)碳組分、酶活性影響的研究仍不夠深入。為此，本研究采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)方法，以小麥/玉米一年兩熟輪作體系下的7季秸稈均還田土及不還田土為供試土壤，研究小麥、玉米秸稈不同還田方法(覆蓋、混勻)對(duì)土壤總有機(jī)碳、活性有機(jī)碳、微生物量碳含量和脫氫酶、蛋白酶活性的影響，以期明確小麥/玉米秸稈全量還田對(duì)土壤碳庫(kù)和微生物活性反應(yīng)較為敏感的指標(biāo)，并為尋求更有利于農(nóng)田土壤有機(jī)碳積累和土壤質(zhì)量提高的作物秸稈還田方式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤種類為褐土類土婁土亞類紅油土屬，系統(tǒng)分類為土墊旱耕人為土(Eum-Orthic Anthrosol)，采自西北農(nóng)林科技大學(xué)三原試驗(yàn)站秸稈直接還田長(zhǎng)期定位試驗(yàn)區(qū)(108°52′E，34°36′N，海拔427.4 m)。該試驗(yàn)始于2008-06，實(shí)行夏玉米-冬小麥一年兩熟輪作制。于2011-10玉米收獲后(此前已完成4季玉米、3季小麥的連續(xù)種植)采集還田土和不還田土2種土壤(0～20 cm)。其中，還田土(S1)采自小麥秸稈高留茬還田/玉米秸稈粉碎直接還田處理，小麥秸稈留茬高度為35～40 cm，玉米秸稈經(jīng)收割機(jī)粉碎覆蓋于地表后使用旋耕機(jī)將其混入0～10 cm土層，且小麥、玉米秸稈均全量還田，其地上部還田量分別約為6 000，7 500 kg/hm2；不還田土(S2)采自小麥秸稈不還田/玉米秸稈不還田處理，小麥秸稈留茬高度<5 cm，同時(shí)人工移出田間剩余秸稈，玉米秸稈人工齊根砍倒移出。每個(gè)樣地均采用“S”形采樣，多點(diǎn)混合均勻后帶回實(shí)驗(yàn)室，剔除殘茬、風(fēng)干磨細(xì)，過孔徑2 mm篩備用，樣地土壤基本理化性質(zhì)見表1。

小麥、玉米2種供試秸稈均取自同一試驗(yàn)站，即分別于2011-06采集小麥秸稈(R1)、10月采集玉米秸稈(R2)，其中，小麥品種為小偃6號(hào)，玉米品種為農(nóng)華50。取回后風(fēng)干、粉碎過篩，保存于干燥塑封袋內(nèi)備用。小麥、玉米秸稈的碳含量分別為477.4和454.1 g/kg，總氮含量分別為5.55和11.25 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及土壤培養(yǎng)過程

試驗(yàn)以2種土壤(還田土、不還田土)、2種秸稈類型(小麥秸稈、玉米秸稈)以及2種還田方式(作物秸稈與土壤混勻，以下簡(jiǎn)稱混勻(M1)；作物秸稈覆蓋于土壤表層，以下簡(jiǎn)稱覆蓋(M2))為研究因素，并以無秸稈添加的兩種空白土壤作為對(duì)照處理，共組成10個(gè)處理，各處理均重復(fù)4次。采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)方法，培養(yǎng)容器為內(nèi)徑10 cm、高15 cm的非密封培養(yǎng)瓶。

試驗(yàn)過程如下：依據(jù)2種供試土壤初始含水量，調(diào)節(jié)其含水量至田間持水量的60%，預(yù)培養(yǎng)1周以恢復(fù)土壤微生物活性。稱此土壤200 g(以烘干土計(jì))，添加作物秸稈1.5 g(每公頃土壤質(zhì)量約為 2 250 t，每年每公頃小麥或玉米秸稈生物量約為 11.25 t，本研究中秸稈添加量16.875 t/hm2，為田間作物秸稈年生物量的1.5倍)，以混勻、覆蓋2種方式裝入培養(yǎng)瓶，土壤深度約為4 cm，根據(jù)小麥、玉米秸稈C、N含量，加入NH4NO3稀溶液調(diào)節(jié)土壤C/N至28∶1，同時(shí)將土壤含水量調(diào)節(jié)至田間持水量的75%。共40個(gè)培養(yǎng)瓶，隨機(jī)排列、置于培養(yǎng)箱中(26±1) ℃培養(yǎng)60 d，每隔3 d采用稱重法補(bǔ)充水分1次。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

培養(yǎng)60 d結(jié)束后，將覆蓋處理的上層秸稈小心剝除，并將各處理土壤平均分成2層，每層厚度約為2 cm。由于作物秸稈還田主要影響與秸稈接觸的表層土壤性狀，因此，本試驗(yàn)采用上層(0～2 cm)土壤進(jìn)行分析研究。將土壤樣品混勻后分為兩部分，一部分在室溫條件下自然風(fēng)干，磨細(xì)，依次過孔徑0.25和1 mm篩，測(cè)定土壤總有機(jī)碳(重鉻酸鉀-外加熱法)、活性有機(jī)碳(KMnO4氧化法)含量以及蛋白酶(改良茚三酮比色法)、脫氫酶(TTC還原法)活性；另一部分新鮮土樣過孔徑2 mm篩，裝于塑封袋4 ℃保存，1周內(nèi)測(cè)定土壤微生物量碳含量(氯仿熏蒸-K2SO4提取，TOC分析儀測(cè)定)[27-31]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖，采用DPS v7.05統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(LSD法)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤種類、秸稈類型和還田方式對(duì)土壤有機(jī)碳組分的影響

為準(zhǔn)確反映小麥、玉米秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)碳組分變化的敏感性，本研究引用“凈增量”的概念[16]，即將土壤有機(jī)碳各組分凈增量定義為小麥、玉米秸稈添加處理中土壤有機(jī)碳各組分(TOC、LOC、MBC)含量與相應(yīng)對(duì)照的差值。

由表2可知，經(jīng)過60 d培養(yǎng)后，土壤種類對(duì)LOC、MBC含量有極顯著(P<0.01)影響；秸稈類型和還田方式對(duì)TOC含量有極顯著(P<0.01)影響；還田方式對(duì)MBC含量有顯著(P<0.05)影響；同時(shí)，土壤種類與秸稈類型、還田方式的交互作用對(duì)LOC含量也具有極顯著(P<0.01)影響。

由表3和4可知，不論是在還田土還是在不還田土中，與其相應(yīng)對(duì)照相比，添加小麥和玉米秸稈處理均明顯增加了TOC、LOC和MBC含量及LOC/TOC、MBC/TOC。添加作物秸稈各處理TOC含量之間存在明顯差異，且各處理土壤TOC含量表現(xiàn)為S1R1M1>S1R2M1>S1R1M2>S1R2M2>S2R1M1>S2R2M1>S2R1M2>S2R2M2。與不還田土相比，對(duì)照和添加作物秸稈的還田土TOC含量顯著提高了16.9%和15.4%，添加作物秸稈后還田土TOC凈增量較不還田土有所減少，但二者差異未達(dá)到顯著水平。在同一土壤種類和還田方式下，添加小麥秸稈處理的土壤TOC含量和凈增量均明顯高于添加玉米秸稈處理，且添加小麥秸稈處理TOC凈增量為添加玉米秸稈處理的1.57倍。作物秸稈混勻方式較覆蓋方式更易提高TOC含量和凈增量，并且作物秸稈混勻方式的土壤TOC凈增量為覆蓋方式的3.05倍。

注：*表示在P=0.05水平上相關(guān)性顯著；**表示在P=0.01水平上相關(guān)性顯著；ns表示無顯著性；表5同。

Note:*,** mean significant difference atP=0.05 andP=0.01 level,respectively.ns means no significant difference.The same for table 5.

注：S1表示還田土；S2表示不還田土；R1表示小麥秸稈；R2表示玉米秸稈；M1表示作物秸稈與土壤混勻；M2表示作物秸稈覆蓋于土壤表層。同一指標(biāo)下的不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。表4同。

Note:S1means straw-amended soil;S2means un-amended soil;R1means wheat straw;R2means maize straw;M1means incorporation;M2means cover.Different lowercase letters indicate significant differences atP<0.05 for same factor.The same table 4.

由表3和表4可知，添加作物秸稈各處理LOC含量之間的規(guī)律與TOC大致相似，各處理的LOC含量表現(xiàn)為S1R1M1>S1R1M2>S1R2M1>S2R1M2>S2R1M1>S1R2M2>S2R2M1>S2R2M2，其中S1R1M1處理LOC含量最高(3.05 g/kg)，S2R2M2處理最低(2.18 g/kg)。各處理LOC含量之間的差異主要體現(xiàn)在還田土和不還田土之間，還田土的LOC含量平均為2.89 g/kg，而不還田土的LOC含量平均為2.37 g/kg，兩者凈增量分別為 0.53 和0.36 g/kg，且差異達(dá)顯著水平。添加小麥和玉米秸稈處理的LOC平均含量分別為2.74和2.52 g/kg，兩者凈增量分別為0.47和0.41 g/kg，說明添加小麥秸稈處理LOC含量和凈增量高于添加玉米秸稈處理。作物秸稈混勻方式較覆蓋方式更易提高LOC含量和凈增量，但兩者差異均未達(dá)顯著水平。

由表3和表4也可知，添加作物秸稈各處理對(duì)LOC/TOC的影響與LOC有所不同，各處理的LOC/TOC表現(xiàn)為S1R2M2>S1R1M2>S2R1M1>S1R2M1>S2R1M2>S2R2M2>S1R1M1>S2R2M1，其中，S1R2M2處理的LOC/TOC最大，S2R2M1處理的LOC/TOC最小。除S1R1M1處理外，還田土的LOC/TOC均大于不還田土。秸稈還田方式無論是混勻還是覆蓋，在不還田土中添加小麥秸稈處理的LOC/TOC均顯著大于添加玉米秸稈處理，而在還田土中卻與之相反；在還田土中，小麥、玉米秸稈與土壤混勻方式的LOC/TOC均顯著小于覆蓋方式，而在不還田土中卻無顯著差異。

由表3和表4還可知，處理S1R1M2的MBC含量最高，S2R1M2處理最低。與不還田土相比，還田土MBC含量平均值顯著增加了41.5%，且還田土的MBC凈增量為不還田土的3.9倍。秸稈類型及其還田方式對(duì)MBC含量無顯著性影響，而還田方式對(duì)MBC凈增量卻有顯著性影響，其中，混勻處理MBC凈增量較覆蓋處理提高19.8%。與此同時(shí)，MBC/TOC以S1R1M2處理最高，S2R1M2處理最低。還田土的MBC/TOC比不還田土高15.6%。秸稈類型和還田方式對(duì)MBC/TOC無顯著性影響。以上結(jié)果說明，向土壤中添加作物秸稈對(duì)MBC含量的影響主要取決于土壤種類，即培養(yǎng)過程中MBC含量主要取決于原始土壤的MBC含量。

2.2 土壤種類、秸稈類型和還田方式對(duì)土壤酶活性的影響

由圖1和圖2可知，經(jīng)過60 d培養(yǎng)后，在還田土和不還田土中，與其相應(yīng)對(duì)照相比，添加作物秸稈處理均顯著增加了土壤PROT和DHA活性，其中，土壤PROT活性增加幅度為0.43～1.06 μg/(g·h)，而DHA活性增加幅度為22.03～51.76 μg/(g·d)。

由圖1可知，S1R2M2處理PROT活性最高，為3.35 μg/(g·h)；還田土PROT活性平均值較不還田土增加12.7%。在土壤種類和秸稈類型相同時(shí)，作物秸稈與土壤混勻處理PROT活性總體高于覆蓋處理。

由圖2可知，處理S1R1M1的DHA活性最高，為146.1 μg/(g·d)；還田土的DHA活性平均值較不還田土提高了9.8%。在土壤種類和秸稈類型相同時(shí)，作物秸稈與土壤混勻處理的DHA活性均高于覆蓋處理。在土壤種類和還田方式相同時(shí)，添加小麥秸稈處理的DHA活性總體高于添加玉米秸稈處理，且還田土中差異未達(dá)到顯著水平，不還田土中差異達(dá)顯著水平。可見，經(jīng)過60 d培養(yǎng)后，土壤種類、秸稈類型和還田方式對(duì)PROT和DHA活性的影響均表現(xiàn)：還田土>不還田土，混勻處理>覆蓋處理，添加小麥秸稈>添加玉米秸稈。

2.3 土壤種類、秸稈類型和還田方式組合條件下土壤指標(biāo)相關(guān)性分析

由表5可知，TOC與LOC、MBC含量和MBC/TOC以及PROT、DHA活性之間均具有顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)相關(guān)性；LOC與MBC、LOC/TOC和MBC/TOC均有極顯著(P<0.01)相關(guān)性。結(jié)合LOC、MBC含量和LOC/TOC、MBC/TOC及其凈增量對(duì)土壤種類、秸稈類型和還田方式的不同響應(yīng)可知，在一定培養(yǎng)期限內(nèi)，LOC含量比MBC含量更能反映土壤碳庫(kù)的敏感性變化。PROT活性與TOC、LOC、MBC含量和LOC/TOC、MBC/TOC的相關(guān)性均高于DHA活性，且PROT與DHA活性之間相關(guān)性為0.92(P<0.01)?？梢?，PROT活性比DHA活性更能反映作物秸稈腐解過程中土壤微生物活性及其與土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的相關(guān)性。

3 討 論

在自然因素和農(nóng)業(yè)管理措施(耕作、施肥、灌溉和作物秸稈還田等)作用下，農(nóng)田土壤TOC含量一直處在不斷變化中，這主要取決于有機(jī)物料(有機(jī)肥、作物秸稈等)投入與其腐解的平衡。研究表明，隨著作物秸稈還田量和還田年限的增加，土壤TOC含量將會(huì)有不同程度的增加[5,22,32]，而適宜水、熱等條件可加速土壤有機(jī)物料的腐解，不利于TOC的積累[33-34]。在本試驗(yàn)開始前，與不還田土相比，還田土TOC含量平均值提高了13.87%。在本研究中，無論是還田土還是不還田土，各處理土壤TOC、LOC、MBC含量和LOC/TOC、MBC/TOC較相應(yīng)對(duì)照均有明顯增加，且不還田土TOC凈增量大于還田土，但差異不顯著。因此，在關(guān)中地區(qū)小麥-玉米一年兩熟輪作體系下，作物秸稈還田有利于土壤有機(jī)碳的積累。

作物秸稈以不同方式歸還于土壤，可在不同程度上改善土壤理化特性，使其具有不同的腐解效應(yīng)[35-39]。Abiven等[36]研究表明，在高氮條件下，作物秸稈腐解程度與其還田方式的相關(guān)性不顯著；Lu等[37]研究表明，土壤表層覆蓋作物秸稈有利于秸稈腐解過程中的氣體交換，土壤微生物新陳代謝活躍，作物秸稈腐解程度高，而作物秸稈與土壤混勻處理不能滿足土壤微生物代謝所需O2，對(duì)作物秸稈的腐解具有一定程度的抑制；江曉東等[38]和Giacomini等[39]研究發(fā)現(xiàn)，與土壤表層覆蓋秸稈相比，作物秸稈與土壤充分混勻會(huì)使作物秸稈存留量增大，可最大程度地為微生物提供其生長(zhǎng)代謝所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有利于微生物的增殖和作物秸稈的腐解，進(jìn)而提高土壤TOC和LOC含量；Lu等[37]研究也表明，與土壤表層覆蓋秸稈相比，將低N或高C/N的作物秸稈混入土壤可降低作物秸稈的腐解量和CO2排放量，使土壤有機(jī)碳累積量增加。在本研究中，作物秸稈與土壤混勻處理TOC、LOC和MBC含量及其凈增量均明顯高于覆蓋處理，這與江曉東等[38]、Lu等[37]和Giacomini等[39]的研究結(jié)果一致。因此，在關(guān)中地區(qū)小麥-玉米一年兩熟輪作體系下，作物秸稈以混勻方式還田既有利于土壤有機(jī)碳的累積，也利于作物秸稈腐解以及有機(jī)養(yǎng)分的釋放。

添加作物秸稈后，土壤-秸稈混合體的C/N直接制約著作物秸稈的腐解程度[36,38]，其原因可能為：腐解主要取決于土壤微生物的活性，且C/N較低的土壤-秸稈混合體更適合土壤微生物的新陳代謝，利于作物秸稈的腐解、土壤有機(jī)碳的礦化，而C/N較高的土壤-秸稈混合體則相反[34]。Drinkwater等[40]和Bhogal等[41]研究表明，農(nóng)家堆肥比玉米、大豆殘?bào)w更易提高土壤有機(jī)碳含量，且農(nóng)家堆肥可使土壤有機(jī)碳有效累積2年以上。本研究中，玉米秸稈C/N比(40.36/1)小于小麥秸稈(86.02/1)，因而，經(jīng)過60 d恒溫培養(yǎng)后，無論采用何種還田方式，添加小麥秸稈處理的TOC和LOC含量均高于添加玉米秸稈處理，且不還田土LOC/TOC也具有相似規(guī)律，表明玉米秸稈-土壤混合體中有機(jī)組分的腐解礦化程度高于小麥秸稈-土壤混合體。這與梁堯等[42]對(duì)黑土活性有機(jī)碳的研究結(jié)果一致，即秸稈的C/N越高，土壤有機(jī)碳的累積作用越明顯。

土壤微生物活性，特別是土壤微生物量和酶活性，更易于直觀反映作物秸稈的腐解狀況[11,15-20,23-26,32-35]。在本試驗(yàn)中，無論采用何種還田方式，添加作物秸稈均可顯著性提高土壤PROT和DHA活性，其原因可能為作物秸稈經(jīng)腐解后對(duì)土壤有機(jī)組分進(jìn)行了更新，釋放出了土壤微生物生長(zhǎng)代謝所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；同時(shí)，添加小麥、玉米秸稈可有效降低土壤體積質(zhì)量、緊實(shí)度，改善土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤通氣、透水性，利于改善土壤微生物生存環(huán)境[11]，進(jìn)而可在一定程度上提高土壤PROT和DHA活性。與覆蓋處理相比，作物秸稈與土壤混勻處理利于土壤微生物的新陳代謝，進(jìn)而能夠使土壤酶活性得到一定程度的提高。當(dāng)土壤種類相同時(shí)，小麥秸稈與土壤混勻處理土壤的PROT和DHA活性總體高于玉米秸稈相應(yīng)處理，與其TOC、LOC、MBC含量表現(xiàn)一致，其原因可能為玉米秸稈C/N較小，腐解礦化速度快，且主要發(fā)生在培養(yǎng)前期；在培養(yǎng)后期存留于土壤中的有機(jī)碳組分難以被腐解礦化[43]。

4 結(jié) 論

本研究通過室內(nèi)模擬方法，探討了不同土壤種類、秸稈類型和還田方式對(duì)土壤有機(jī)碳及其組分含量和酶活性的影響，并分析了土壤有機(jī)碳及其組分含量和酶活性之間的相關(guān)性，結(jié)論如下：

在還田土和不還田土中，小麥、玉米秸稈以不同方式還田均可明顯提高土壤TOC及其活性組分含量以及PROT和DHA活性，且各處理的TOC、LOC和MBC含量以及PROT和DHA活性均表現(xiàn)為作物秸稈連續(xù)還田土大于不還田土，小麥秸稈大于玉米秸稈，混勻方式大于覆蓋方式。與此同時(shí)，LOC比MBC更能反映土壤碳庫(kù)的敏感性變化，PROT活性比DHA更能反映出作物秸稈腐解過程中土壤微生物活性變化及其與土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化的相關(guān)性。

因此，就土壤有機(jī)碳各組分含量和土壤酶活性而言，作物秸稈與土壤混勻還田有望成為關(guān)中地區(qū)的最佳秸稈還田方式。

[1] Zeng D H,Mao R,Chang S X,et al.Carbon mineralization of tree leaf litter and crop residues from poplar-based agroforestry systems in Northeast China:A laboratory study [J].Applied Soil Ecology,2010,44(2):133-137.

[2] 孫麗敏,李春杰,何 萍,等.長(zhǎng)期施鉀和秸稈還田對(duì)河北潮土區(qū)作物產(chǎn)量和土壤鉀素狀況的影響 [J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2012,18(5):1099-1106.

Sun L M,Li C J,He P,et al.Effects of long-term K application and straw returning on crop yield and soil K status in fluvo-aquic soil of Hebei Province [J].Plant Nutrition and Fertilizer Science,2012,18(5):1099-1106.(in Chinese)

[3] 楊憲龍,路永莉,同延安,等.長(zhǎng)期施氮和秸稈還田對(duì)小麥-玉米輪作體系土壤氮素平衡的影響 [J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2013,19(1):68-77.

Yang X L,Lu Y L,Tong Y A,et al.Effects of long-term N application and straw returning on N budget under wheat-maize rotation system [J].Plant Nutrition and Fertilizer Science,2013,19(1):68-77.(in Chinese)

[4] Buysse P,Roisin C,Aubinet M.Fifty years of contrasted residue management of an agricultural crop:Impacts on the soil carbon budget and on soil heterotrophic respiration [J].Agriculture,Ecosystems & Environment,2013,167:52-59.

[5] 田慎重,寧堂原,王 瑜,等.不同耕作方式和秸稈還田對(duì)麥田土壤有機(jī)碳含量的影響 [J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2010,21(2):373-378.

Tian S Z,Ning T Y,Wang Y,et al.Effects of different tillage methods and straw-returning on soil organic carbon content in a winter wheat field [J].Chinese Journal of Applied Ecology,2010,21(2):373-378.(in Chinese)

[6] Pajares S,Gallardo J F,Masciandaro G,et al.Biochemical indicators of carbon dynamic in an acrisol cultivated under different management practices in the central Mexican highlands [J].Soil and Tillage Research,2009,105:156-163.

[7] Le Guillou C,Angers D A,Leterme P,et al.Changes during winter in water-stable aggregation due to crop residue quality [J].Soil Use and Management,2012,28(4):590-595.

[8] Geisseler D,Horwath W R,Scow K M.Soil moisture and plant residue addition interact in their effect on extracellular enzyme activity [J].Pedobiologia,2011,54(2):71-78.

[9] Imaz M J,Virto I,Bescansa P,et al.Soil quality indicator response to tillage and residue management on semi-arid Mediterranean cropland [J].Soil and Tillage Research,2010,107:17-25.

[10] 邱建軍,王立剛,李 虎,等.農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量對(duì)作物產(chǎn)量影響的模擬研究 [J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,42(1):154-161.

Qiu J J,Wang L G,Li H,et al.Modeling the impacts of soil organic carbon content of croplands on crop yields in China [J].Scientia Agricultura Sinica,2009,42(1):154-161.(in Chinese)

[11] 路文濤,賈志寬,張 鵬,等.秸稈還田對(duì)寧南旱作農(nóng)田土壤活性有機(jī)碳及酶活性的影響 [J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2011,30(3):522-528.

Lu W T,Jia Z K,Zhang P,et al.Effects of straw returning on soil labile organic carbon and enzyme activity in semi-arid areas of southern Ningxia,China [J].Journal of Agro-Environment Science,2011,30(3):522-528.(in Chinese)

[12] Thorburn P J,Meier E A,Collins K,et al.Changes in soil carbon sequestration,fractionation and soil fertility in response to sugarcane residue retention are site-specific [J].Soil and Tillage Research,2012,120:99-111.

[13] Awale R,Chatterjee A,Franzen D.Tillage and N-fertilizer influences on selected organic carbon fractions in a North Dakota silty clay soil [J].Soil and Tillage Research,2013,134:213-222.

[15] Tian L,Dell E,Shi W.Chemical composition of dissolved organic matter in agroecosystems:Correlations with soil enzyme activity and carbon and nitrogen mineralization [J].Applied Soil Ecology,2010,46(3):426-435.

[16] Shaukat A A,把余玲,田霄鴻,等.溫度與微生物制劑對(duì)小麥秸稈腐解及土壤碳氮的影響 [J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,40(1):115-122.

Shaukat A A,Ba Y L,Tian X H,et al.Effect of temperature and microbial agent on wheat straw decomposition and soil carbon or nitrogen [J].Journal of Northwest A&F University:Natural Science Edition,2012,40(1):115-122.(in Chinese)

[17] 王 棟,李輝信,李小紅,等.覆草旱作對(duì)稻田土壤活性有機(jī)碳的影響 [J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,44(1):75-83.

Wang D,Li H X,Li X H,et al.Soil labile organic carbon as affected by non-flooded rice cultivation with straw mulching under different tillages [J].Scientia Agricultura Sinica,2011,44(1):75-83.(in Chinese)

[18] 任萬軍,黃 云,吳錦秀,等.免耕與秸稈高留茬還田對(duì)拋秧稻田土壤酶活性的影響 [J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2011,22(11):2913-2918.

Ren W J,Huang Y,Wu J X,et al.Effects of no-tillage and stubble-remaining on soil enzyme activities in broadcasting rice seed-lings paddy field [J].Chinese Journal of Applied Ecology,2011,22(11):2913-2918.(in Chinese)

[19] Geisseler D,Horwath W R,Joergensen R G,et al.Pathways of nitrogen utilization by soil microorganisms: A review [J].Soil Biology and Biochemistry,2010,42:2058-2067.

[20] 鄭 勇,高勇生,張麗梅,等.長(zhǎng)期施肥對(duì)旱地紅壤微生物和酶活性的影響 [J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2008,14(2):316-321.

Zheng Y,Gao Y S,Zhang L M,et al.Effects of long-term fertilization on soil microorganisms and enzyme activities in an upland red soil [J].Plant Nutrition and Fertilizer Science,2008,14(2):316-321.(in Chinese)

[21] 劉朝巍,王 琦,劉青林,等.留茬方式對(duì)小麥間作玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響 [J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2013,24(2):438-444.

Liu C W,Wang Q,Liu Q L,et al.Effects of stubble-standing mode on the grain yield and water use efficiency of wheat and maize in wheat/maize intercropping system [J].Chinese Journal of Applied Ecology,2013,24(2):438-444.(in Chinese)

[22] Zhang S L,Sadras V,Chen X P,et al.Water use efficiency of dryland wheat in the Loess Plateau in response to soil and crop management [J].Field Crops Research,2013,151:9-18.

[23] Bastida F,Jindo K,Moreno J L,et al.Effects of organic amen-dments on soil carbon fractions,enzyme activity and humus-enzyme complexes under semi-arid conditions [J].European Journal of Soil Biology,2012,53:94-102.

[25] Madejón E,Murillo J M,Moreno F,et al.Effect of long-term conservation tillage on soil biochemical properties in Mediterranean Spanish areas [J].Soil and Tillage Research,2009,105(1):55-62.

[26] López-Garrido R,Deurer M,Madejón E,et al.Tillage influence on biophysical soil properties:The example of a long-term tillage experiment under Mediterranean rainfed conditions in South Spain [J].Soil and Tillage Research,2012,118:52-60.

[27] 鮑士旦.土壤農(nóng)化分析 [M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2002.

Bao S D.Soil and agricultural chemical analysis [M].Beijing:China Agriculture Press,2002.(in Chinese)

[28] 徐明崗,于 榮,王伯仁.長(zhǎng)期不同施肥下紅壤活性有機(jī)質(zhì)與碳庫(kù)管理指數(shù)變化 [J].土壤學(xué)報(bào),2006,43(5):723-729.

Xu M G,Yu R,Wang B R.Labile organic matter and carbon management index in red soil under long-term fertilization [J].Acta Pedologica Sinica,2006,43(5):723-729.(in Chinese)

[29] 吳金水.土壤微生物生物量測(cè)定方法及其應(yīng)用 [M].北京:氣象出版社,2006.

Wu J S.Methods and applied of microbial biomass [M].Beijing:Meteorological Press,2006.(in Chinese)

[30] 關(guān)松蔭.土壤酶學(xué)研究方法 [M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,1986.

Guan S Y.Soil enzyme and research method [M].Beijing:China Agriculture Press,1986.(in Chinese)

[31] 蔡 紅,沈仁芳.改良茚三酮比色法測(cè)定土壤蛋白酶活性的研究 [J].土壤學(xué)報(bào),2005,42(2):306-313.

Cai H,Shen R F.Determination of soil protease activity with modified ninhydrin colorimetry [J].Acta Pedologica Sinica,2005,42(2):306-313.(in Chinese)

[32] 韓新忠,朱利群,楊敏芳,等.不同小麥秸稈還田量對(duì)水稻生長(zhǎng)、土壤微生物生物量及酶活性的影響 [J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2012,31(11):2192-2199.

Han X Z,Zhu L Q,Yang M F,et al.Effects of different amount of wheat straw returning on rice growth, soil microbial biomass and enzyme activity [J].Journal of Agro-Environment Science,2012,31(11):2192-2199.(in Chinese)

[33] 王丹丹,周 亮,黃勝奇,等.耕作方式與秸稈還田對(duì)表層土壤活性有機(jī)碳組分與產(chǎn)量的短期影響 [J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2013,32(4):735-740.

Wang D D,Zhou L,Huang S Q,et al.Short-term effects of tillage practices and wheat-straw returned to the field on topsoil labile organic carbon fractions and yields in Central China [J].Journal of Agro-Environment Science,2013,32(4):735-740.(in Chinese)

[34] 南雄雄,田霄鴻,張 琳,等.小麥和玉米秸稈腐解特點(diǎn)及對(duì)土壤中碳、氮含量的影響 [J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2010,16(3):626-633.

Nan X X,Tian X H,Zhang L,et al.Decomposition characteristics of maize and wheat straw and their effects on soil carbon and nitrogen contents [J].Plant Nutrition and Fertilizer Science,2010,16(3):626-633.(in Chinese)

[35] García O F,Guerrero C,Roldán A,et al.Soil microbial biomass and activity under different agricultural management systems in a semiarid Mediterranean agroecosystem [J].Soil and Tillage Research,2010,109(2):110-115.

[36] Abiven S,Recous S.Mineralisation of crop residues on the soil surface or incorporated in the soil under controlled conditions [J].Biology and Fertility of Soils,2007,43(6):849-852.

[37] Lu L J,Han X Z,You M Y,et al.Carbon and nitrogen mineralization patterns of two contrasting crop residues in a Mollisol:Effects of residue type and placement in soils [J].European Journal of Soil Biology,2012,54:1-6.

[38] 江曉東,遲淑筠,王 蕓,等.少免耕對(duì)小麥/玉米農(nóng)田玉米還田秸稈腐解的影響 [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(10):247-251.

Jiang X D,Chi S Y,Wang Y,et al.Effect of less tillage and no-tillage patterns on decomposition of returned maize straw in wheat/maize system [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2009,25(10):247-251.(in Chinese)

[39] Giacomini S J,Recous S,Mary B,et al.Simulating the effects of N availability, straw particle size and location in soil on C and N mineralization [J].Plant and Soil,2007,301(1/2):289-301.

[40] Drinkwater L E,Wagoner P,Sarrantonio M.Legume-based cropping systems have reduced carbon and nitrogen losses [J].Nature,1998,396(6708):262-265.

[41] Bhogal A,Nicholson F A,Young I,et al.Effects of recent and accumulated livestock manure carbon additions on soil fertility and quality [J].European Journal of Soil Science,2011,62(1):174-181.

[42] 梁 堯,韓曉增,宋 春,等.不同有機(jī)物料還田對(duì)東北黑土活性有機(jī)碳的影響 [J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,44(17):3565-3574.

Liang Y,Han X Z,Song C,et al.Impacts of returning organic materials on soil labile organic carbon fractions redistribution of mollisol in Northeast China [J].Scientia Agricultura Sinica,2011,44(17):3565-3574.(in Chinese)

[43] Wuest S B,Gollany H T.Soil organic carbon and nitrogen after application of nine organic amendments [J].Soil Science of America Journal,2013,77(1):237-245.

Effects of crop straws on soil organic carbon components and enzyme activities

LI Shuo1,BA Yu-ling1,2,LI You-bing1,WANG Shu-juan1,TIAN Xiao-hong1,SHI Jiang-lan1

(1CollegeofResourcesandEnvironment,KeyLaboratoryofPlantNutrientandtheAgri-environmentinNorthwestChina,MinistryofAgriculture,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2ShaanxiLandConstructionGroup,Xi’an,Shaanxi710075,China)

【Objective】 The study aimed to evaluate the effects of different returning methods of wheat and maize straws on soil organic carbon (SOC) components and enzyme activities for seeking optimal straw returning method.【Method】 Two soils (S1:straw-amended soil with straw-returning,and S2:soil without straw-returning) were sampled from a seven-season summer maize/winter wheat rotation system on Guanzhong Plain,Shaanxi,China.Equal amounts of wheat or maize straws were incorporated into soil or covered on surface to study changes in contents of soil total organic carbon (TOC),labile organic carbon (LOC),and microbial biomass carbon (MBC),ratios of LOC/TOC and MBC/TOC,and activities of protease (PROT) and dehydrogenase (DHA) over a 60-day incubation period.【Result】 Compared with treatments without crop straw-returning,contents of TOC,LOC,and MBC,ratios of LOC/TOC and MBC/TOC and activities of enzymes were significantly increased by adding crop straw regardless of soil types and straw-returning methods.Contents of TOC,LOC,and MBC and enzyme activities in S1were significantly higher than those in S2.Soils with amended wheat straw had higher contents of TOC and LOC than those with maize straw.Contents of SOC components and enzyme activities with crop straw incorporated were higher than those with crop straw on soil surface.However,soil types and straw-returning methods had no significant effect on MBC and MBC/TOC.【Conclusion】 Treatment with crop straw incorporated to soil improved contents of SOC components and soil enzyme activities.

soil types;crop straw;organic carbon fractions;enzyme activity

2013-12-24

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD14B11)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371288,31071863)

李 碩(1987-)，男，河北衡水人，在讀碩士，主要從事廢棄物資源農(nóng)業(yè)循環(huán)利用研究。E-mail：l-s-h@hotmail.com

田霄鴻(1967-)，男，甘肅天水人，教授，主要從事廢棄物資源農(nóng)業(yè)循環(huán)利用研究。E-mail：txhong@hotmail.com

時(shí)間:2015-05-11 15:03

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.06.015

S153.6+2;S154.2

A

1671-9387(2015)06-0153-09

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150511.1503.015.html