郑凤君¹, 王雪², 李景³, 王碧胜¹, 宋霄君¹, 张孟妮¹, 武雪萍^,1, 刘爽^,1, 席吉龙⁴, 张建诚⁴, 李永山⁴1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081
2 北京市房山区琉璃河镇人民政府,北京 102403
3 河北地质大学水资源与环境学院,石家庄 050031
4 山西省农业科学院棉花研究所,山西运城 044000

Effect of No-Tillage with Manure on Soil Enzyme Activities and Soil Active Organic Carbon

ZHENG FengJun¹, WANG Xue², LI Jing³, WANG BiSheng¹, SONG XiaoJun¹, ZHANG MengNi¹, WU XuePing^,1, LIU Shuang^,1, XI JiLong⁴, ZHANG JianCheng⁴, LI YongShan⁴1 Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081
2 People's Government of Fanshan District Liulihe Town, Beijing 102403
3 College of Water Resources and Environment, Hebei University of Geosciences, Shijiazhuang 050031
4 Institute of Cotton, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Yuncheng 044000, Shanxi

通讯作者: 武雪萍,E-mail： wuxueping@caas.cn 刘爽,E-mail： liushuang@caas.cn

郑凤君和王雪为同等贡献作者。
责任编辑: 李云霞
收稿日期:2019-05-9接受日期:2019-07-30网络出版日期:2020-03-16

基金资助:

国家重点研发计划.2018YFD0200408 国家重点研发计划.2016YFD0300804 国家科技支撑计划课题.2015BAD22B03 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项.1610132019033

Received:2019-05-9Accepted:2019-07-30Online:2020-03-16
作者简介 About authors
郑凤君,E-mail：zfengjunhn@163.com。

王雪,E-mail：lsr428snow@foxmail.com。












摘要
【目的】探讨免耕条件下施用有机肥对冬小麦土壤酶活性及活性有机碳含量的影响,明确免耕条件下的科学施肥方法,为提升土壤生物学活性和改善土壤质量提供理论依据。【方法】基于山西运城长期定位试验,选取免耕（NT）和免耕增施有机肥（NTM）两个处理,在冬小麦不同生育时期测定与碳转化相关土壤酶的活性（β葡萄糖苷酶、β木聚糖酶、纤维二糖苷酶、α葡萄糖苷酶）、土壤温度、土壤含水量和土壤呼吸速率以及成熟期土壤总有机碳（TOC）和活性有机碳组分（可溶性有机碳,DOC;易氧化有机碳,EOC;微生物量碳,MBC）等关键指标。【结果】（1）在冬小麦生育期,两个处理不同土壤酶活性具有明显的季节性变化特征。其中β木聚糖酶与α葡萄糖苷酶的活性在拔节期和灌浆期表现出升高趋势;但β-葡萄糖苷酶与纤维二糖苷酶的活性随季节变化波动较小。不同生育时期β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶的活性的变化趋势与土壤呼吸速率变化趋势基本一致。此外,主成分分析结果表明,不同生育时期土壤酶活性主要受土壤含水量和土壤呼吸速率的影响。（2）与NT相比,NTM显著提高不同生育时期土壤β木聚糖酶的活性（越冬期：17.6%;抽穗期：8.5%;灌浆期：14.1%和成熟期：10.0%）;在越冬期和拔节期土壤α葡萄糖苷酶的活性分别提高16.7%和10.2%。同时,主成分分析结果表明,不同处理间酶活性主要受土壤温度和土壤呼吸速率的影响。（3）与NT相比,NTM显著提升冬小麦生长季TOC、DOC、EOC和MBC含量（TOC：16.9%;DOC：27.7%;EOC：38.4%和MBC：50.7%）。（4）冬小麦生长季土壤生物学指标相关分析表明,β木聚糖酶与α葡萄糖苷酶的活性与总有机碳及其活性组分呈显著相关关系（相关系数均大于0.850）。【结论】免耕增施有机肥通过影响生育期土壤含水量和土壤温度,进而提升β木聚糖酶与α葡萄糖苷酶的活性;同时,秸秆还田基础上增加有机肥碳投入可进一步提高土壤总有机碳和活性有机碳组分的含量,有利于土壤酶等生物学活性和土壤质量的提升。
关键词： 免耕;免耕增施有机肥;土壤酶;总有机碳;活性有机碳;冬小麦

Abstract
【Objective】The purpose of this study was to identify the effect of no-tillage with manure on soil enzyme activities and soil organic carbon content, clarify scientific application of fertilizers under no-tillage system, enhance soil biological activity, and promote soil quality.【Method】Based on the long-term field experiment in Yuncheng, Shanxi, we selected no-tillage (NT) treatment and no-tillage with manure (NTM) to measure soil enzyme activity (β-Glucosidase, β-Xylanase, cellobiohydrolase, and α-1,4-Glucosidase) relating to carbon transformation, soil temperature, soil water content and soil respiration rate in growth stages of winter wheat and soil total organic carbon and soil active organic carbon content (dissolved organic carbon - DOC; Easily oxidized organic carbon - EOC; Microbial biomass carbon -MBC) in productive growth stages of winter wheat.【Result】(1) There were significant seasonal differences in soil enzyme activities among the growth stages of winter wheat. The activities of β-Xylanase and α-1,4-Glucosidase increased in jointing stage and filling stage, while the activity of β-Glucosidase and cellobiohydrolase showed a small fluctuation. The changes of soil respiration at different growth stages were basically consistent with the activities of β-Xylanase and α-1,4-Glucosidase. Besides, the results of principal component analysis showed that the soil enzyme activities were mainly affected by soil water content and soil respiration rate. (2) No-tillage with manure significantly increased β-Xylanase activity at different growth stages (over-wintering stage: 17.6%, heading stage: 8.5%, filling stage: 14.1%, and mature stage: 10.0%). The activity of α-1, 4-Glucosidase increased by 16.7% and 10.2% respectively at the overwintering stage and jointing stage. The results of principal component analysis showed that the enzyme activities were mainly affected by soil temperature and soil respiration rate. (3) No-tillage with manure significantly increased the content of TOC, DOC, EOC and MBC in winter wheat growing season (TOC: 16.9%, DOC: 27.7%, EOC: 38.4% and MBC: 50.7%). (4) The correlation analysis of soil biological indicators were higher between β-Xylanase, α-1, 4-Glucosidase activities and total organic carbon, organic carbon active components in winter wheat growth stages (correlation index were greater than 0.85).【Conclusion】No-tillage with manure increased β-Xylanase and α-1,4-Glucosidase activities by influencing soil water content and soil temperature. Meanwhile, the addition of manure increased the content of total organic carbon and active organic carbon components on the basis of straw returning to the field, which was beneficial to the improvement in biological activities such as soil enzyme and soil quality.
Keywords：no-tillage;no-tillage with manure;soil enzymes;total organic carbon;active organic carbon;winter wheat


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本文引用格式
郑凤君, 王雪, 李景, 王碧胜, 宋霄君, 张孟妮, 武雪萍, 刘爽, 席吉龙, 张建诚, 李永山. 免耕条件下施用有机肥对冬小麦土壤酶及活性有机碳的影响[J]. 中国农业科学, 2020, 53(6): 1202-1213 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.06.012
ZHENG FengJun, WANG Xue, LI Jing, WANG BiSheng, SONG XiaoJun, ZHANG MengNi, WU XuePing, LIU Shuang, XI JiLong, ZHANG JianCheng, LI YongShan. Effect of No-Tillage with Manure on Soil Enzyme Activities and Soil Active Organic Carbon[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2020, 53(6): 1202-1213 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.06.012

0 引言

【研究意义】土壤质量不仅取决于土壤物理和化学特性,还与土壤生物学活性密切相关。作物田间管理过程中土壤生物学活性主要指土壤微生物和酶活性。免耕通过减少土壤扰动,增加地表秸秆覆盖,可以提高土壤微生物生物量和酶活性^[1]。然而,长期免耕表层土壤有机碳和养分层化现象明显,将会威胁作物可持续生产^[2],农家肥中含有丰富的易被作物吸收利用的营养物质,且为微生物提供良好的N、P、K和小分子物质,利于秸秆分解和转化^[3]。免耕条件下外源有机肥的添加,通过改善土壤理化性质和调节土壤碳氮比,进而促进秸秆等有机物料的分解^[4]。因此,研究免耕增施有机肥的土壤生物学活性,对土壤质量的提升具有重要的现实指导意义。【前人研究进展】免耕结合秸秆覆盖可提高作物耕层土壤酶活性和有机碳含量^[5],然而,作物秸秆自然状态下碳氮比较高,微生物难以分解利用^[6],动物粪肥等有机肥中富含大量易分解的脂肪酸,微生物容易分解利用^[7]。大量研究表明,施用有机肥可降低土壤有效养分的固持,进而提高土壤养分有效容量和强度,对土壤碳库具有较高的提升潜力^[8,9]。有机肥的施用能有效地增加土壤总有机碳含量,并改善活性有机碳质量,进而提升土壤肥力^[10]。同时,施用有机肥后,土壤糖苷酶活性显著增强,且与土壤总有机碳（TOC）、其他速效养分及微生物量关系密切^[11]。施用有机肥可以提高土壤相关酶活性及微生物量已被多数研究证实,但常规施肥基础上增施秸秆和有机肥对土壤生物学活性的系统研究相对缺乏。【本研究切入点】黄土高原是我国重要的粮食生产区,冬小麦占全国种植面积的44% ^[12]。黄土高原旱作农业区冬小麦种植普遍推行免耕等保护性耕作措施。免耕增施有机肥技术在国外巴西等国家已广泛推广^[14],然而我国推行相对较少。另外,免耕增施有机肥对土壤生物学活性（土壤酶活性及活性有机碳含量）相关研究鲜见报道,其作用机制有待进一步探讨。【拟解决的科学问题】本文基于山西省农业科学院牛家凹冬小麦长期定位试验,研究分析了免耕增施有机肥对冬小麦土壤酶及活性有机碳的影响,并探讨冬小麦不同生育时期土壤酶活性动态变化和收获期土壤有机碳含量,旨在为黄土高原区免耕条件下科学施肥提高土壤生物学活性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于山西省运城市夏县,隶属山西省农业科学院棉花研究所牛家凹试验基地,地理位置111°05'15.12'' E,35°11'28.33'' N。该区地处黄土高原东部的汾渭平原黄河北干流中游以东,属暖温带大陆性季风气候,年均气温13.3℃,年平均日照时数2039 h,无霜期212 d,年平均降水量525 mm,降水集中夏秋季,约占全年的70%。试验地所在区域属于黄河流域冲积平原,土壤类型为粉质壤土（17.5%黏粒,28.0%砂粒,54.5%的粉粒）,土壤pH为8.15。2008年试验开始前各处理土壤总有机碳含量为5.85 g·kg^-1;土壤活性有机碳组分DOC、EOC和MBC含量分别为39.21 mg·kg^-1、1.88 g·kg^-1和80.29 mg·kg^-1。

1.2 试验设计

试验开始于2008年,种植作物为冬小麦,10月上旬播种,次年6月上旬收获,各个生育时期不灌水,夏季休闲,为一年一作的旱作小麦。试验采用随机区组设计,选取免耕（NT）、免耕增施有机肥（NTM）作为供试处理。每个处理设3次重复,共6个小区,每个小区面积为60 m²。免耕田间操作：小麦收获后,留高茬15 cm,将秸秆粉碎覆盖在农田表面,机械播种,同时施化肥。免耕增施有机肥田间操作：小麦收获后,留高茬15 cm,将秸秆粉碎覆盖在农田表面,机械播种,同时施化肥和有机肥。其中各处理秸秆均全量还田,化肥用量一致,纯N180 kg·hm^-2、P₂O₅ 150 kg·hm^-2,氮肥用量为当地常规氮肥施用量的一半。氮肥品种为尿素（N: 46%）,磷肥为过磷酸钙（P₂O₅：18%）,NTM增施腐熟鸡粪1 500 kg·hm^-2,鸡粪中主要养分的质量分数为有机质：24.98%、全氮（N）：1.99%、全磷（P₂O₅）：3.02%和全钾（K₂O）：2.07%。

1.3 样品采集与分析

1.3.1 土壤呼吸、土壤温度和土壤水分的测定 采用动态密闭气室分析法（IRGA）测定土壤呼吸速率,测定仪器型号为LI-6400-09（LI-COR, Lincoln, NE, USA）。冬小麦播种后将聚乙烯圆柱体PVC圈嵌入土壤中,PVC圈直径为25 cm,高为13 cm,嵌入土壤深度为20 cm,整个观测期间保持PVC圈位置不变。分别在冬小麦越冬期（2014.12.1）、拔节期（2015.3.15）、抽穗期（2015.4.16）、灌浆期（2015.5.9）和成熟期（2015.6.1）测定土壤呼吸,每个生育时期重复3次。测定时间限定在上午8：00—11：00,此时土壤呼吸速率最为接近24 h均值。

分别于冬小麦越冬期（2014.12.1）、拔节期（2015.3.15）、抽穗期（2015.4.16）、灌浆期（2015.5.9）和成熟期（2015.6.1）上午08：00—11：00,在测定土壤呼吸的同时,将土壤热电偶探针插入土壤20 cm,测定土壤温度^[15]。同时在探针附近随机选取深度为20 cm的3个点,用直径为3 cm的土钻取样50 g左右置于提前称重的铝盒中,称重后,密封带回实验室,置于105℃烘箱中,烘干至恒重,计算土壤含水量。

1.3.2 样品的采集 于冬小麦越冬期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期采集土壤样品,用直径3 cm的土钻采用S取样法采集0—20 cm表层土壤,每个处理3次重复,每次重复为小区内6个点混合土样。土样置于无菌封口塑封袋储存于移动冰箱中,带回实验室,保存于4℃冰箱中,用于测定不同生育时期土壤酶活性和成熟期土壤活性有机碳组分。

1.3.3 土壤有机碳及其组分的测定 总有机碳（TOC）的测定：将风干后的土壤过100目筛,用1 mol·L^-1的盐酸去除碳酸盐后烘干,利用元素分析仪（Elementar Vario MACRO, Germany）测定土壤总有机碳含量。

可溶性有机碳（DOC）的测定^[16]：水浸提法。土壤筛分后,将土壤含水量调节至50%, 25℃预培养7 d,称取相当于25 g烘干土重的鲜土3份,加入100 mL 0.5 mol·L^-1 K₂SO₄溶液,25℃于往复式振荡机上振荡30 min（200 r/min）,过滤后将滤液转移至塑料瓶中。取2 mL浸提液,超纯水稀释5倍到25 mL玻璃瓶中,加入一滴浓度为2 mol·L^-1的盐酸去除无机碳。利用总有机碳分析仪（Elementar TOC,Germany）测定稀释溶液的浓度即为可溶性有机碳含量。

MBC的测定^[17]：采用氯仿熏蒸提取法。土壤筛分后,将土壤含水量调节至50%, 25℃预培养7 d。称取25 g烘干土重的鲜土两份于小铝盒中,一份作为未熏蒸对照,另一份放入真空干燥器中进行氯仿熏蒸。在熏蒸的干燥器中放入50 mL蒸馏水、50 mL无乙醇氯仿（同时加入10粒小玻璃珠防爆沸）,用凡士林密封干燥器,用真空干燥器抽气至氯仿爆沸2 min,将干燥器于黑暗避光条件下放置24 h。将熏蒸后的土样与对照土样放入三角瓶中,分别加入100 mL 0.5 mol·L^-1 K₂SO₄溶液,25℃于往复式振荡机上振荡30 min（200 r/min）,过滤后将滤液转移至塑料瓶中。取5 mL浸提液,超纯水稀释1倍,利用总有机碳分析仪测定。土壤微生物量碳（MBC）计算采用Bc = Ec / Kc,式中：Ec表示熏蒸与未熏蒸之差,Kc表示转换系数,取值0.38。

易氧化有机碳（EOC）的测定^[18]：KMnO₄氧化法。25℃下,称取一定量的待测土壤样品（约含有机碳15 mg）,装入100 mL塑料瓶内,加入333 mmol·L^-1的KMnO₄溶液25 mL,瓶口密封,25 r/min振荡1 h,同时进行空白样制作。样品振荡后以4 000 r/min离心5 min,取上清液用去离子水按照1﹕250进行稀释;在565 nm的分光光度计上通过比色（其标准液的浓度范围必须包括1 mg碳）,进行稀释样品吸光率的测定,通过土壤样品吸光率与空白样吸光率差值,计算被还原KMnO₄的量,进而计算出样品易氧化有机碳的含量（氧化过程中1 mmol KMnO₄消耗0.75 mmol或9 mg碳）。

1.3.4 土壤酶活性的测定 荧光微型板酶标法^[19]。称量药品,提前1 d配好所需溶液,放于冰箱内避光保存于棕色试剂瓶中。称取相当于1.0 g烘干土重的新鲜土样,放入500 mL的玻璃烧杯中,加入125 mL超纯水缓冲液,在磁力搅拌器上1200 r/min搅拌2—3 min,调至400 r/min后10 min加样,采用移液排枪量取土壤悬浮液200 μL,微孔板上量取200 μL超纯水作为对照。按照严格的顺序加液,依次加入：50 μL的超纯水、50 μL的参照液、50 μL的底物。加样尽量快,底物的加入标志孵化时间的开始。加完样后,用锡箔纸覆盖微孔板,防止蒸发,于20℃培养箱中,黑暗条件下培养4 h,培养后上机测试。试剂购于Sig-ma-Aldrich Co. Ltd公司。测试酶及所用底物^[20]见表1。

Table 1
表1
表1测试土壤酶种类及所用底物
Table 1Soil glycosidase species and corresponding substrates used for measurements

酶 Enzyme	简写 Abbreviation	功能 Function	底物 Substrate
β葡萄糖苷酶 β-Glucosidase	ΒG	降解纤维素,释放葡萄糖 Releases glucose from cellulose	4- MUB -β-D-glucoside
β木聚糖苷酶 β-Xylosidase	BXYL	降解半纤维素 Degrades hemi-cellulose	4- MUB -β-D-xyloside
纤维二糖苷酶 Cellobiohydrolase	CBH	降解纤维素,释放二糖 Releases disaccharides from cellulose	4- MUB -β-D-cellobioside
α葡萄糖苷酶 α-1,4-Gulcosidase	AG	降解可溶性糖类 Releases glucose from soluble saccharides	4- MUB -α-D-glucoside

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1.4 数据分析与处理

采用Excel 2010处理数据,Excel 2010和Origin 9.3制作图表。利用SAS 9.1软件单因素方差分析（one-way ANOVA）和最小显著性差（LSD）进行多重比较（α=0.05）。采用Pearson法对土壤有机碳组分与酶活性进行相关分析,土壤酶活性值计算参照DE FOREST^[21]的方法。

2 结果

2.1 土壤温度、土壤含水量和土壤呼吸速率的季节变化

该区冬小麦的土壤含水量主要受当地气候条件和小麦耗水的影响。从图1可以看出,NT和NTM两个处理的土壤表层含水量在冬小麦不同生育时期呈现出一致的变化趋势。其中越冬期土壤含水量最高,为15.8%—16.1%,越冬前气温较低,土壤水分耗散量少,冬小麦生长处于休眠期,耗水量低。经历越冬期后,冬小麦对水分的需求急剧增加,致使表层土壤含水量明显下降,同时随着外界降雨量的增加,从拔节期到成熟期,表层土壤含水量呈缓慢增加趋势,且拔节期与抽穗期NT和NTM处理之间土壤含水量存在显著差异。土壤温度在冬小麦不同生育时期呈现出递增的趋势,且仅在抽穗期NT处理的土壤温度显著高于NTM处理,其余生育时期两处理间差异不显著。

图1

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图1冬小麦不同生育时期土壤含水量和土壤温度

表中字母a,b表示处理间土壤含水量存在显著差异;“*”表示处理间土壤温度存在显著差异
Fig. 1Soil water content and soil temperature at the different growth stages of winter wheat

a and b indicate significant differences in soil water content between different treatments; “*”indicate significant differences in soil temperature between different treatments


由图2可以看出,在冬小麦整个生育期,土壤呼吸速率随小麦生长表现出一定的季节变化特征,但是不同处理土壤呼吸速率变化趋势存在差异。NT处理随生育时期呈现出逐渐升高的趋势;NTM处理在拔节期和灌浆期呈现升高趋势,抽穗期和成熟期呈现降低趋势。NT和NTM两处理土壤呼吸速率除拔节期存在显著差异外,其余生育期差异均不显著。

图2

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图2冬小麦不同生育时期土壤呼吸速率

“*”表示处理间土壤呼吸速率存在显著差异
Fig. 2Soil respiration rate at the different growth stages of winter wheat

“*”Indicate significant differences in soil respiration rate between different treatments

2.2 土壤酶活性的季节变化

在冬小麦不同生育时期,通过分析碳转化的相关酶发现（图3）,不同处理间β葡萄糖苷酶和纤维二糖苷酶的酶活性没有表现出显著的季节性变化,其中β葡萄糖苷酶的酶活性变化范围为519—760 nmol·g^-1·h^-1,纤维二糖苷酶的酶活性变化范围为766—851 nmol·g^-1·h^-1;不同处理间β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶的酶活性则表现出显著的季节性的变化,其中β木聚糖酶的酶活性变化范围为2 049—3 407 nmol·g^-1·h^-1,α葡萄糖苷酶的酶活性变化范围为1 104—1 991 nmol·g^-1·h^-1。β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶的酶活性最高值分别出现在拔节期和灌浆期,其变化趋势与土壤呼吸速率相似。

图3

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图3冬小麦不同生育时期土壤酶活性

“*”表示处理间土壤酶活性存在显著差异 “*”Indicate significant differences in soil enzyme activities between different treatments
Fig. 3Soil enzyme activities at the different growth stages of winter wheat



由图3同样可看出,除了成熟期纤维二糖苷酶的酶活性NTM处理显著高于NT处理外,其余生育时期两处理间的β葡萄糖苷酶和纤维二糖苷酶的酶活性均不存在显著差异。在越冬期、抽穗期、灌浆期和成熟期NTM处理β木聚糖酶的酶活性均显著高于NT处理。在越冬期和拔节期NT与NTM两个处理的α葡萄糖苷酶的酶活性存在显著差异,而在抽穗期、灌浆期和成熟期无显著差异。

2.3 土壤酶活性与土壤含水量、土壤温度、土壤呼吸速率的主成分分析

应用主成分分析,分析冬小麦不同生育时期,NT与NTM处理对土壤酶活性、土壤含水量、土壤温度和土壤呼吸速率的影响。图4结果表明,PC1和PC2分别占据总变异的85.3%和8.5%。PC1将越冬期、成熟期与拔节期、抽穗期和灌浆期区分开;PC2将越冬期、拔节期与抽穗期、灌浆期和成熟期区分开。拔节期和抽穗期NTM处理在第一主成分上与NT处理明显分开,同时越冬期和拔节期NTM处理在第二主成分上与NT处理明显分开。拔节期、抽穗期和灌浆期在第一主成分上的荷载值为正,且β木聚糖酶、土壤呼吸速率、土壤温度、α葡萄糖苷酶和β葡萄糖苷酶5项指标在第一主成分上的荷载值为正值,并且β木聚糖酶、土壤呼吸速率和土壤温度起主导作用。

图4

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图4冬小麦不同生育时期不同处理土壤酶活性与土壤含水量、土壤温度和土壤呼吸速率的主成分分析图（a）和相应的荷载图（b）

BG表示β葡萄糖苷酶;BXYL表示β木聚糖酶;AG表示α葡萄糖苷酶;CBH表示纤维二糖苷酶;SW表示土壤含水量;ST表示土壤温度;SR表示土壤呼吸速率。表3同
Fig. 4Figure (a) of principal component analysis of soil enzyme activity, soil water content, soil temperature, soil respiration rate and figure (b) of the corresponding loadings under different treatments at different growth stages of winter wheat and

BG: β-Glucosidase; BXYL: β-Xylosidase; AG: α-1,4-Gulcosidase; CBH: Cellobiohydrolase; SW: Soil water content; ST: Soil temperature; SR: Soil respiration rate. The same as Table 3

2.4 土壤活性有机碳组分

由表2可看出,冬小麦成熟期时,与NT处理相比,NTM处理显著提升了可溶性有机碳（DOC）和易氧化有机碳（EOC）含量,提高幅度分别为27.7%和38.4%。NT和NTM处理的土壤微生物量碳（MBC）含量分别为97.6和147.2 mg·kg^-1,二者间差异显著。NTM处理的总有机碳（TOC）含量较NT处理显著增加了16.9%。土壤MBC和TOC的比例（微生物熵,RQ）,是衡量有机碳积累或缺失的重要指标,微生物熵相比单一的MBC和TOC指标更能有效的评价土壤质量的变化^[22]。NTM处理微生物熵相比NT处理显著增加了29.0%,表明免耕增施有机肥显著提升土壤微生物活性。

Table 2
表2
表2冬小麦成熟期不同处理总有机碳及活性有机碳组分
Table 2Total organic carbon and active organic carbon under different treatments in productive growth stages of winter wheat

处理 Treatment	可溶性有机碳 DOC (mg·kg-1)	微生物量碳 MBC (mg·kg-1)		易氧化有机碳 EOC (g·kg-1)	总有机碳 TOC (g·kg-1)		微生物熵 RQ (mg·g-1)
NT	114.2±4.19 b	97.6±2.93 b		2.3±0.12 b	8.9±0.23 b		11.0±0.05 b
NTM	145.8±2.12 a	147.2±2.12 a		3.2±0.09 a	10.4±0.13 a		14.2±0.03 a

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2.5 冬小麦生长季土壤生物学指标相关分析

由表3可以看出,与土壤碳转化相关的几种酶中,有机碳及其活性组分与β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶呈显著正相关关系,相关系数达0.85以上。β木聚糖酶与TOC、活性有机碳组分（EOC、DOC、MBC）、土壤含水量、土壤温度均在0.05水平上显著相关。α葡萄糖苷酶与TOC、活性有机碳组分（EOC、DOC、MBC）呈显著正相关关系。TOC与活性有机碳组分在0.01水平上显著相关,且与土壤温度呈显著负相关关系。EOC与DOC、MBC、土壤含水量呈显著正相关关系。DOC与MBC呈显著正相关关系,与土壤温度呈显著负相关关系。

Table 3
表3
表3冬小麦生长季土壤生物学指标的相关关系
Table 3Correlation of soil biological indexes in winter wheat growing season

	BXYL	AG	CBH	TOC	EOC	DOC	MBC	SW	ST	SR
ΒG	0.432	0.349	0.482	0.340	0.517	0.408	0.523	0.769	-0.229	-0.376
BXYL	1	0.895*	0.502	0.954*	0.980*	0.985*	0.948*	0.853*	-0.888*	0.043
AG		1	0.336	0.897*	0.937*	0.905*	0.866*	0.699	-0.658	0.136
CBH			1	0.654	0.516	0.600	0.717	0.404	-0.454	0.481
TOC				1	0.944**	0.991**	0.978**	0.714	-0.842*	0.289
EOC					1	0.927**	0.953**	0.851*	-0.783	0.077
DOC						1	0.981*	0.796	-0.872*	0.169
MBC							1	0.805	-0.820*	0.191
SW								1	-0.751	-0.400
ST									1	0.059
SR										1

“*”表示在0.05水平上显著相关;“**”表示在0.01水平上显著相关
“*” Indicate significant different at α=0.05; “**”Indicate significant different at α=0.01

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3 讨论

3.1 免耕条件下施用有机肥的土壤酶活性季节变化

气候条件会引起土壤生物学活性的变化,土壤酶活性可表征该过程物质代谢的旺盛程度,反映作物对养分的吸收利用情况及其生长发育状况^[23]。本研究表明,免耕、免耕增施有机肥田间管理条件下,0—20 cm深度土壤温度表现为冬春季较低,夏季较高的趋势,冬小麦土壤酶活性随季节变化较为明显,且碳转化相关的不同酶的变化规律存在差异。β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶的酶活性相比β葡萄糖苷酶与纤维二糖苷酶,季节变化更为明显,这与LÓPEZ等^[24]发现的免耕增施有机肥提高β葡萄糖苷酶活性结果存在差异,原因可能是不同有机物料可溶性糖和半纤维素组成的差异,LÓPEZ研究中施用粗糙杏仁壳作为覆盖物,而本研究中覆盖物为小麦秸秆。β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶在冬小麦生育期存在明显的季节变化,表明β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶活性受季节性气候条件影响较大,同时图4主成分分析表明,β木聚糖酶和土壤含水量在第一主成分上起主导作用;表3也表明β木聚糖酶活性与土壤含水量和土壤温度呈显著相关关系。

有关免耕条件下土壤微生物量和酶活性的研究很多,包括耕作方式^[25]、施肥措施^[26]、土地利用方式^[27]等,土壤微生物量和土壤酶能够灵敏、及时、准确地反应土壤质量的变化状况^[25]。外源有机物质的添加对土壤温度有较大的影响^[28]。有研究表明,不同生育时期外源有机物质对土壤温度调节效应存在差异^[29]。本研究中NT相比NTM处理,具有较高的土壤温度,且在抽穗期两处理的土壤温度差异显著。大多数****认为,免耕条件下土壤热传导快,土温增加迅速,能贮藏更多的太阳辐射热。土壤温度高,温差大,土温与气温变化一致,协调了土壤水分和养分的迁移、转化以及土壤内部生物的生物代谢^[30]。土壤温度的变化一方面可能与秸秆和有机肥的导热性有关^[31];另一方面不同耕作施肥措施下,秸秆分解速率的差异也会引起土壤温度的变化^[32]。本研究也表明NTM处理显著提高了拔节期和抽穗期冬小麦土壤含水量,这与大量研究得出的保持土壤表面残留物可增加雨养地区土壤含水量的结论一致^[33,34]。土壤表面残留物覆盖可减少土面蒸发,减缓土壤表面压实^[35]。拔节期和抽穗期作为冬小麦营养生长的关键生育时期,作物根系呼吸速率及对养分需求的差异引起土壤微生物活性和土壤渗透势的变化^[36]。土壤含水量的高低与土壤呼吸密切相关^[37]。土壤水分从干旱到淹水的条件下,短期内土壤CO₂排放速率先增加达到稳定然后再下降^[38]。本研究中NTM处理显著提升了拔节期冬小麦的土壤呼吸速率,与该时期较高的含水量呈正相关关系。同时本研究也表明,免耕增施有机肥显著提升各生育期（除拔节期外）土壤β木聚糖酶的酶活性,也显著提升了越冬期和拔节期土壤α葡萄糖苷酶的酶活性。可见,施有机肥对土壤酶活性提升效果更佳,主要有以下几个方面的原因：本研究所用有机肥为鸡粪,鸡粪中较高的氮含量与秸秆较高的C/N比合理搭配促进了土壤养分的平衡;随着有机肥中营养元素的施入,促进了作物生长,从而增加植株根系分泌物,提高了土壤酶活性^[39];外源有机肥本身含有丰富的酶类,可以为产酶微生物提供丰富的营养源,提高土壤的生物学活性^[40]。

3.2 免耕条件下施用有机肥土壤活性有机碳的变化

土壤的生物学特性与土壤有机碳含量密切相关,作物秸秆还田是保持和提高土壤有机碳的有效途径^[41],在黄土高原地区,保护性耕作和秸秆覆盖田间管理措施因其对作物产量及土壤质量的提升而得到广泛应用。活性有机碳是土壤中有效性较高、易被土壤微生物分解矿化的有机碳^[42]。土壤活性有机碳常用DOC、EOC、MBC等表征,它们能在土壤总有机碳变化之前反应土壤微小的变化^[43]。本研究表明,与NT处理相比,NTM处理显著提高了DOC、EOC、MBC含量。DOC作为土壤微生物的主要能源,在供应植物营养方面具有重要作用^[44]。EOC是土壤碳库变化快慢的指示性指标,可指示有机碳短期内的变化^[45]。微生物生物量的周转时间往往小于一年,且对土壤质量的改变反应迅速^[46]。TOC含量的增加与处理间DOC、EOC和MBC含量的变化密切相关。TOC含量显著提高,主要因为鸡粪有机肥的施用,可改善土壤结构,保持土壤大团聚体的稳定性,有利于土壤总有机碳的积累^[47];微生物通过降解外源有机质鸡粪物料,短期内产生高浓度水溶性有机物质,是DOC增加的主要原因^[48];EOC含量的变化很大程度上依赖于土壤总有机碳的储存量和土壤理化性质的变化^[49]。施用有机肥对土壤MBC影响相对复杂,一方面,有机肥通过激发效应促进原有有机碳的分解,增加原有机碳的可利用性,使微生物生长增加,从而增加土壤MBC;另一方面,有机肥的添加提高了微生物生长所需要的碳和其他养分,促进微生物大量繁殖,有机肥中的碳被微生物吸收导致土壤MBC升高^[28]。

3.3 土壤活性有机碳与土壤酶活性的关系

土壤有机质的变化过程非常缓慢,土壤质量的短期变化往往可以用活性有机碳组分和土壤酶活性来评估^[50]。土壤有机碳的转化包含一系列复杂生物化学过程,β葡萄糖苷酶、纤维二糖甘酶、β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶是参与有机碳分解和形成的主要调节者^[51]。本研究表明,土壤活性有机碳组分与水解酶活性存在明显相关关系。通过相关分析进一步发现,β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶的酶活性与有机碳组分显著相关。在免耕条件下施用有机肥,外源腐熟鸡粪作为底物添加于土壤,提供了大量易被微生物利用的碳水化合物等底物,进而增加土壤微生物量,提高了土壤酶的活性^[52],尤其是提高了参与降解半纤维素（BXYL）和可溶性糖（AG）酶的活性。此外,免耕条件下施用有机肥降低了生育期土壤温度,并提高了土壤含水量,为酶提供更多的附着位点并且改善了酶促反应的微环境条件,从而提高了酶的催化反应^[53]。而本研究中,β葡萄糖苷酶和纤维二糖甘酶活性与有机碳组分不存在显著相关关系,β葡萄糖苷酶的与纤维二糖甘酶的是参与降解纤维素的主要酶,可能是有机肥的施用未改变产生这两种酶的微生物群落结构^[54]。此外,季节性环境变化影响土壤酶对有机质的分解,在冬季,气候变化引起土壤可溶性有机碳含量减少,进而间接降低酶活性;在夏季,土壤湿度的降低,直接引起土壤微生物量和与碳转化相关酶活性的降低^[55]。本研究从冬小麦生长季土壤不同生物学指标的相关分析可知,β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶活性与TOC及活性有机碳组分呈显著正相关关系;TOC与EOC、DOC、MBC呈极显著正相关关系。在NTM处理中,外源秸秆和有机肥的添加,促进有机质的释放,提升了土壤有机碳含量,微生物利用丰富的碳源,进而提高了MBC含量和土壤呼吸,促进土壤胞内、胞外酶的释放,提升了土壤酶活性^[28]。

4 结论

4.1 免耕增施有机肥影响小麦生育期土壤含水量和土壤温度,改变与碳转化相关的土壤酶的活性,主要提升β木聚糖酶和α葡萄糖苷酶的活性。

4.2 免耕增施有机肥田间管理中,外源秸秆与有机肥的添加提高了土壤总有机碳和活性有机碳组分的含量。

4.3 免耕条件下,秸秆还田基础上增加有机肥碳投入有利于土壤酶等生物学活性和土壤质量的提升。

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