全 文 ：免耕与秸秆高留茬还田对抛秧稻田土壤酶
活性的影响*
任万军1 摇 黄摇 云1 摇 吴锦秀1 摇 刘代银2 摇 杨文钰1**
( 1四川农业大学农学院, 四川温江 611130; 2四川省农业技术推广总站, 成都 610041)
摘摇 要摇 利用大田试验,研究了免耕+秸秆还田、免耕、常耕+秸秆还田、常耕 4 种耕作方式对
稻田土壤剖面不同层次土壤酶活性的影响.结果表明: 4 种耕作方式的酶活性在土壤剖面上
表现为上层高于下层,其中免耕+秸秆处理上、下土层间的差异大于其他处理.上层土壤的脲
酶、酸性磷酸酶、蛋白酶和纤维素酶活性为免耕处理大于常耕处理,有秸秆还田处理大于无秸
秆还田处理,以免耕+秸秆处理最高,常耕处理最低;下层土壤 4 种酶活性以常耕+秸秆处理最
高,免耕+秸秆处理次之,免耕和常耕处理较低.水稻不同生育时期,脲酶和纤维素酶活性在分
蘖期较低,增加至孕穗期达到峰值,至成熟时又降至低值;酸性磷酸酶活性以分蘖期较高,拔
节期较低;蛋白酶活性在分蘖期和抽穗期分别出现峰值.
关键词摇 免耕摇 留茬摇 土壤酶摇 水稻
文章编号摇 1001-9332(2011)11-2913-06摇 中图分类号摇 S341,S147摇 文献标识码摇 A
Effects of no鄄tillage and stubble鄄remaining on soil enzyme activities in broadcasting rice seed鄄
lings paddy field. REN Wan鄄jun1, HUANG Yun1, WU Jin鄄xiu1, LIU Dai鄄yin2, YANG Wen鄄yu1
( 1 College of Agronomy, Sichuan Agricultural University, Wenjiang 611130, Sichuan, China;
2Sichuan General Popularization Centre of Agricultural Technique, Chengdu 610041, China). 鄄Chin.
J. Appl. Ecol. ,2011,22(11): 2913-2918.
Abstract: A field experiment was conducted to study the effects of four cultivation modes (conven鄄
tional tillage, no鄄tillage, conventional tillage + stubble鄄remaining, and no鄄tillage + stubble鄄remai鄄
ning) on the activities of urease, acid phosphatase, protease, and cellulose in different soil layers
in a broadcasting rice seedlings paddy field. Under the four cultivation modes, the activities of test
enzymes were higher in upper than in deeper soil layers, and had a greater difference between the
soil layers under no鄄tillage + stubble鄄remaining. In upper soil layers, the activities of test enzymes
were higher in the treatments of no鄄tillage than in the treatments of conventional tillage, being the
highest under no鄄tillage + stubble鄄remaining and the lowest under conventional tillage. In deeper
soil layers, the test enzyme activities were the highest under conventional tillage + stubble鄄remai鄄
ning, followed by no鄄tillage + stubble鄄remaining, no鄄tillage, and conventional tillage. During the
growth period of rice, soil urease and cellulose activities were lower at tillering stage, increased to
the maximum at booting stage, and decreased then, soil acid phosphatase activity was higher at till鄄
ering stage but lower at elongating stage, whereas soil protease activity peaked at tillering and head鄄
ing stages.
Key words: no鄄tillage; stubble鄄remaining; soil enzyme; Oryza sativa L.
*国家粮食丰产科技工程项目(2006BAD02A05,2011BAD16B05)和
农业部行业科技项目(200803028,201103001)资助.
**通讯作者. E鄄mail: wenyu. yang@ 263. net
2011鄄02鄄28 收稿,2011鄄08鄄16 接受.
摇 摇 以免耕和秸秆还田为核心的保护性耕作可改善
土壤结构,提高土壤养分含量[1],不同程度地增加
土壤有机质和速效氮、磷、钾含量[2] . 在保护性耕作
方式中,免耕结合前作秸秆高留茬还田具有省工节
本、保护土壤等优势,在国内外得到广泛应用[3-6] .
近年来,四川省将免耕、秸秆立茬覆盖和无盘旱育抛
秧技术集成为一体,形成了免耕高留茬抛秧技术,表
现出良好的增产增收效果[7],其高产稳产的原因在
于免耕和秸秆留茬还田后,水稻生育后期土壤肥力
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 11 月摇 第 22 卷摇 第 11 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Nov. 2011,22(11): 2913-2918
得到提高[8-9],从而延缓了水稻根系和叶片衰
老[10],为籽粒灌浆提供了充足的物质来源,植株单
穗颖花数、籽粒充实率和千粒重均高于对照[11] . 土
壤酶活性反映了土壤综合肥力特征和土壤养分转化
进程,是衡量土壤肥力高低的较好指标.已有研究表
明,以免耕为核心的保护性耕作可提高土壤过氧化
氢酶、脲酶和磷酸酶等土壤酶活性[12-15],而对蔗糖
酶活性的影响不尽相同,有的认为免耕大幅度提高
了其活性[13],但也有相反的结论[14-15] .孙建等[16]在
坡耕旱地的试验结果表明,免耕高留茬和低留茬处
理的土壤碱性磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和脲酶活
性均高于传统翻耕,但有关免耕高留茬处理对稻田
土壤酶活性的影响研究鲜见报道. 本课题组前期的
研究表明,在免耕条件下,秸秆高留茬还田有利于提
高抛秧稻田土壤微生物群落数量[8],而土壤微生物
活动与土壤酶活性关系密切,为此,本文研究了不同
秸秆还田和耕作方式对土壤酶活性的影响,旨在探
讨免耕和秸秆高留茬还田条件下土壤酶活性的变化
特点,以期为明确免耕及秸秆高留茬还田培肥稻田
土壤的机理及推进保护性耕作发展提供一定的理论
依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验设计
试验于 2005 年在四川省郫县古城镇花牌村进
行.供试土壤为潮土,土壤 pH 6郾 1,有机质 18郾 73
g·kg-1, 全 氮 1郾 18 g · kg-1, 碱 解 氮 78郾 26
mg·kg-1,全磷 0郾 21 g·kg-1,速效磷 43郾 53 mg·
kg-1,全钾 22郾 73 g·kg-1,速效钾 42郾 21 mg·kg-1 .
前茬作物为小麦,供试水稻品种为当地大面积推广
的富优 1 号.试验设 4 个处理:免耕与秸秆高留茬还
田(简称免耕+秸秆,NT+S),免耕与秸秆不还田(简
称免耕,NT),常耕与秸秆还田(简称常耕+秸秆,T+
S),常耕与秸秆不还田(简称常耕,T),各处理 3 次
重复,随机排列,小区面积 30 m2,小区间筑埂以防
肥水串流. 2004 年 5 月试验田翻耕耙平栽水稻,水
稻收获后免耕播种小麦.小麦收获后用除草剂除草,
秸秆还田处理在小麦收获时留茬 25 cm 左右,其余
均匀覆盖于地表,其中,常耕处理翻耕深度为 20 cm
左右,在土壤耕作时将秸秆全部翻埋于土壤中,秸秆
还田量约 5 ~ 6 t·hm- 2;免耕处理则不翻耕土壤,提
前将田泡透,在高留茬秸秆间抛栽带土秧苗.秸秆不
还田处理则于收获时齐泥收割,收后将残茬全部清
理出田面.
水稻栽培方式为旱育无盘抛秧,抛栽前将田土
泡透,底肥于移栽前 1 d 施入,分蘖肥于移栽后 7 d
追施,穗肥于倒二叶期追施. 氮、磷、钾肥施用量按
N 颐 P2O5 颐 K2O 为 1 颐 0郾 5 颐 0郾 8 施用,施纯氮 150
kg·hm-2,以底肥 颐 分蘖肥 颐 穗肥=7 颐 2 颐 1 的比例
施入;过磷酸钙施用量为 525 kg·hm-2,折合 P2O5
75 kg·hm-2,作为底肥一次施入;硫酸钾施用量为
240 kg·hm-2,折合 K2O 120 kg·hm-2,以底肥、穗
肥各 50%的比例施用.于 3 月 20 日播种,5 月 23 日
移栽,拔秧前苗床浇透水,带土拔秧,单穴带土 50 g
左右,抛栽密度为 2郾 55伊105穴·hm-2,抛后进行湿
润灌溉,直至立苗成活后再进行浅水湿润交替灌溉,
分蘖末期至幼穗分化初期晒田,孕穗期淹灌,抽穗后
浅水湿润交替灌溉,成熟前断水.其他栽培管理措施
同一般大田生产.
1郾 2摇 样品采集
于水稻分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、成熟期
采集土壤样品.每小区用带刻度的土钻按 5 点取样
法分别取上层(0 ~ 10 cm)和下层(10 ~ 20 cm)土壤
约 100 g,装入无菌封口塑封袋,带回室内置于阴凉
通风处摊晾风干,剔除植物残体和其他杂物后进行
酶活性测定.
1郾 3摇 土壤酶活性测定
土壤酶活性的测定参照关松荫[17]的方法:土壤
脲酶活性用靛酚蓝比色法,以 24 h 后 100 g 土壤中
NH3 + 鄄N的 mg数表示;纤维素酶活性用比色法,以
72 h(37 益)后 100 g土壤中酶促反应生成的葡萄糖
mg数表示;酸性磷酸酶活性用磷酸苯二钠比色法,
以 24 h后 100 g土壤中酶促反应生成的对硝基苯酚
mg数表示;蛋白酶活性用茚三酮比色法,以 24 h 后
100 g土壤中酶促反应生成的甘氨酸 mg数表示.
1郾 4摇 数据处理
采用 Microsoft Excel 2003 和 DPS V3郾 01 软件对
数据进行处理和分析,用 LSD 法进行样本平均数的
差异显著性检验.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同秸秆还田和耕作方式对土壤脲酶活性的
影响
脲酶催化尿素水解生成铵态氮,从而被植物根
系吸收利用.在水稻生育期间,脲酶活性呈单峰曲线
变化,分蘖期至孕穗期,土壤脲酶活性增加,孕穗期
达到峰值,此后逐渐降低(图 1).土壤脲酶活性在剖
面层次上存在差异,上层土壤脲酶活性远高于下层
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图 1摇 不同秸秆还田和耕作方式对稻田上(A)、下层土壤(B)脲酶和酸性磷酸酶活性的影响
Fig. 1摇 Effects of different patterns of tillage and stubble鄄remaining on urease and acid phosphatase activities in upper (A) and deeper
(B) soil layers of paddy field.
TS:分蘖期 Tillering stage; ES:拔节期 Elongating stage; BS:孕穗期 Booting stage; HS:抽穗期 Heading stage; MS:成熟期 Maturity stage. NT+S:免
耕+秸秆 No鄄tillage + stubble鄄remaining; NT:免耕 No鄄tillage; T+S:常耕+秸秆 Conventional tillage + stubble鄄remaining; T:常耕 Conventional tillage郾
不同小写字母表示处理间差异显著(P<0郾 05) Different small letters meant significant difference among treatments at 0郾 05 level. 下同 The same be鄄
low.
土壤,普遍高 1 倍以上,且不同耕作方式和秸秆还田
处理的脲酶活性在上、下层土壤中表现不同.
上层土壤中,水稻各生育时期脲酶活性均为免
耕处理高于翻耕处理,其中,免耕+秸秆处理比常
耕+秸秆处理高 10郾 2% ~ 21郾 9% ,免耕处理比常耕
处理高 8郾 5% ~ 18郾 7% .与不还田处理相比,秸秆还
田处理提高了土壤脲酶活性,免耕+秸秆处理比单
纯免耕处理高 6郾 1% ~16郾 4% ,常耕+秸秆处理比单
纯常耕处理高 4郾 0% ~ 15郾 3% .综合来看,土壤脲酶
活性以免耕+秸秆处理最高,免耕处理次之,常耕处
理最低.
耕作方式对下层土壤脲酶活性的影响因秸秆还
田与否而不同,免耕+秸秆处理比常耕+秸秆处理低
2郾 3% ~12郾 3% ,而常耕与免耕处理在孕穗前差异较
小,孕穗后差异变大,成熟期免耕处理显著高于常耕
处理.而在免耕和常耕两种处理下,秸秆还田均提高
了土壤脲酶活性.
2郾 2摇 不同秸秆还田和耕作方式对土壤酸性磷酸酶
活性的影响
土壤酸性磷酸酶主要来自植物根系分泌物及植
物残体的分解.从图 1 可以看出,酸性磷酸酶活性在
水稻分蘖期较高,以后逐渐降低,拔节后有所起伏.
不同土层间酶活性不同,上层土壤比下层土壤高
16郾 2% ~75郾 9% ,且秸秆还田和耕作方式对上、下层
土壤酸性磷酸酶活性的影响也不相同.
上层土壤在有秸秆还田的情况下,酸性磷酸酶
活性在各生育时期免耕比常耕处理高 5郾 9% ~
20郾 4% ;而无秸秆还田条件下,两者在拔节至抽穗期
差异较小,未达到显著水平,成熟期免耕比常耕处理
高 16郾 3% . 秸秆还田对免耕的影响大于翻耕,各生
育时期免耕+秸秆处理的酶活性比免耕处理平均高
11郾 6% ,而常耕+秸秆处理仅比常耕处理高 6郾 2% .
下层土壤酸性磷酸酶活性受耕作方式的影响相
对较小,免耕和翻耕在不同生育时期互有高低,而受
秸秆还田和土壤淹水状况的影响较大. 在晒田阶段
的拔节期和已放干水的成熟期,将秸秆翻埋至深层
的常耕+秸秆处理酶活性最高,免耕处理酶活性最
低,免耕+秸秆和常耕处理差异较小.在浅水湿润交
替灌溉的分蘖期和抽穗期,以有秸秆还田的常耕+
秸秆和免耕+秸秆处理酶活性较高,而常耕处理最
低.在淹灌阶段的孕穗期,则以免耕+秸秆处理酶活
性最高,常耕 +秸秆和常耕处理次之,免耕处理
519211 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 任万军等: 免耕与秸秆高留茬还田对抛秧稻田土壤酶活性的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
最低.
2郾 3摇 不同秸秆还田和耕作方式对土壤蛋白酶活性
的影响
蛋白酶活性与土壤氮素营养的转化有极其重要
的关系.从图 2 可以看出,土壤蛋白酶活性在分蘖期
较高,之后下降,拔节至孕穗期达到低谷,抽穗期达
到第 2 个峰值,成熟期又略有降低.从土壤剖面不同
层次来看,上层土壤的蛋白酶活性比下层土壤高
22郾 8% ~86郾 0% ,同时,不同耕作方式对上层土壤酶
活性的影响也不同于下层土壤.
上层土壤中,与脲酶活性一样,5 个生育时期的
蛋白酶活性均为免耕处理高于翻耕处理,其中,免
耕+秸秆处理比常耕+秸秆处理高 8郾 2% ~ 28郾 8% ,
免耕处理也比常耕处理高 6郾 9% ~ 17郾 9% .同时,秸
秆还田处理也高于无秸秆还田处理,其中,免耕+秸
秆处理比免耕处理高 5郾 8% ~ 16郾 4% ,常耕+秸秆处
理比常耕处理高 4郾 2% ~ 17郾 4% .综合来看,蛋白酶
活性以免耕+秸秆处理最高,免耕处理其次,常耕+
秸秆处理再次,常耕处理最低.
下层土壤蛋白酶活性则为免耕处理低于常耕处
理,从分蘖至成熟期,免耕+秸秆处理比常耕+秸秆
处理低 2郾 7% ~ 11郾 3% ,免耕处理比常耕处理低
4郾 4% ~22郾 0% .不论是否免耕,秸秆还田均提高了
土壤蛋白酶活性.
2郾 4摇 不同秸秆还田和耕作方式对土壤纤维素酶活
性的影响
纤维的分解利用不仅对提高土壤肥力和增加作
物产量具有重要意义,而且也是自然界碳素循环的
重要环节.从图 2 可以看出,纤维素酶活性与脲酶活
性的变化趋势基本一致,移栽后随水稻生长进程酶
活性逐渐增加,孕穗期达到峰值,以后缓慢降低. 从
土壤剖面不同层次来看,各处理上层土壤的纤维素
酶活性比下层土壤平均高 52郾 2% .
上层土壤中,总体上仍以免耕处理的纤维素酶
活性更高,其中,免耕+秸秆处理除在分蘖期比常
耕+秸秆处理略低外,其他时期比常耕+秸秆处理高
2郾 2% ~14郾 2% ;免耕处理也比常耕处理高 4郾 8% ~
16郾 1% .秸秆还田提高了纤维素酶活性,免耕+秸秆
处理比免耕处理高 3郾 0% ~ 26郾 9% ;常耕+秸秆处理
也比常耕处理高 4郾 5% ~29郾 9% .
下层土壤中,耕作方式对纤维素酶活性的影响
与秸秆还田有关,免耕+秸秆处理的纤维素酶活性
比常耕+秸秆处理低 2郾 9% ~ 19郾 7% ,以水稻生长中
期降低幅度最大,而分蘖期和成熟期降低幅度相对
较小;而均无秸秆还田的免耕处理比常耕处理高
3郾 7% ~18郾 3% .无论是否免耕,秸秆还田均提高了
下层土壤的纤维素酶活性,其中常耕+秸秆处理提
高的幅度(33郾 4% )高于免耕+秸秆处理(13郾 9% ).
图 2摇 不同秸秆还田和耕作方式对稻田上(A)、下层土壤(B)蛋白酶和纤维素酶活性的影响
Fig. 2摇 Effects of different patterns of tillage and stubble鄄remaining on protease and cellulase activities in upper (A) and deeper (B)
soil layers of paddy field.
6192 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 免耕对稻田土壤酶活性的影响
土壤酶来自土壤微生物、动植物活体或残体,是
土壤生化过程的产物.土壤酶参与土壤物质循环,可
以客观反映土壤肥力状况[18] .脲酶、酸性磷酸酶、蛋
白酶和纤维素酶在土壤氮、磷、钾等养分循环和转化
中起着十分重要的作用.本研究表明,4 种土壤酶活
性在不同水稻生育时期和土壤层次间表现出不同的
特点.免耕处理土壤脲酶和纤维素酶活性在分蘖期
较低,之后增加,孕穗期达到峰值,之后持续下降,至
成熟时又降至低值. 免耕处理上层土壤脲酶活性一
直高于翻耕处理,增幅在抽穗期最大,这是由于免耕
处理土壤表层含有丰富的有机质,满足了植物和微
生物对养分的需求,从而促进了微生物的繁
殖[8,19-20],在水稻生长旺盛期(孕穗至抽穗期),免耕
处理土壤表层养分供应更充足.与翻耕处理相比,免
耕处理下层土壤脲酶和纤维素酶活性受秸秆还田的
影响更大,秸秆还田下两种酶活性在各生育期均以
免耕处理低于翻耕处理,主要原因在于通过耕作,秸
秆被翻埋于土壤下层,从而提高了土壤酶活性;而无
秸秆还田下主要表现为免耕处理高于翻耕处理,水
稻生长前期差异较小,后期差异较大,至成熟期差异
达到最大,其原因可能是由于随着生育后期晾田,土
壤通透性增加,免耕处理土壤下层氧化反应加剧,酶
活性得到提高.
磷酸酶促进有机磷向无机磷转化,从而形成有
利于植物吸收的无机磷[21] .免耕处理土壤酸性磷酸
酶活性在不同生育时期上、下层土壤间变化差异较
大,上层土壤在分蘖期较高,拔节期降低,之后再升
高;下层土壤则以分蘖期和孕穗期较高,其他时期较
低,这种差异除与土壤养分在不同生育时期不同有
关外,也与施肥、灌溉等管理措施有关. 且免耕处理
上层土壤酸性磷酸酶活性均高于翻耕处理,下层土
壤则多低于翻耕处理.在土壤中,蛋白酶由于微生物
活动、植物根系分泌和动植物残体的分解而富集,成
为土壤中一种重要的胞外酶,该酶具有离体活性,能
够参与土壤的氮素循环[22],免耕处理土壤蛋白酶活
性在分蘖期和抽穗期较高,而在拔节期、孕穗期和成
熟期较低,与分蘖肥和穗肥的施用有关.与酸性磷酸
酶相同,土壤蛋白酶活性在上层土壤均以免耕处理
高于翻耕处理,下层土壤则相反,主要原因在于免耕
处理土壤上、下层肥力差异较大,土壤养分表层化聚
集[8],而翻耕处理土壤养分在不同层次间较均匀.
因此,免耕处理土壤酶活性在上、下土层的差异更
大,在空间分布上表现出典型的表层富集特性.
3郾 2摇 秸秆还田对稻田土壤酶活性的影响
绝大部分土壤酶是诱导酶,秸秆还田改善了土
壤水热状况,有利于酶活性提高. 本试验结果表明,
无论上层土壤还是下层土壤,不管哪种耕作方式,土
壤脲酶、酸性磷酸酶、蛋白酶和纤维素酶活性均表现
为有秸秆还田处理高于无秸秆还田处理,其原因可
能是秸秆还田提高了土壤微生物数量[8]和微生物
生物量 C、N 含量[16],而土壤微生物数量增加又进
一步提高了包括土壤酶在内的分泌物数量. Bandick
等[23]的研究也表明,有残渣覆盖土壤比没有有机质
补充的土壤酶活性高,与本文结论一致.免耕结合秸
秆还田处理(免耕高留茬抛秧)上层土壤 4 种酶活
性不仅大幅高于下层土壤,而且与常耕+秸秆和常
耕处理相比,其上、下层间的差异更大. 免耕高留茬
抛秧因秸秆立体覆盖(立茬和平铺覆盖结合),表层
土壤碳源和水、肥、气、热条件有所改善,促进了微生
物在田间表面的大量富集,并不断分解新鲜秸秆,微
生物得到大量繁殖,表现为表层土壤细菌、真菌、放
线菌数量、纤维分解强度和矿质营养在各生育时期
均高于其他处理[8],因此其 0 ~ 10 cm土层土壤酶活
性大幅度提高.
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作者简介摇 任万军,男,1972 年生,博士,教授. 主要从事土
壤生态与水稻栽培研究,发表论文 92 篇. E鄄mail: rwjun@
126. com
责任编辑摇 张凤丽
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