• ISSN 1008-505X
  • CN 11-3996/S

红壤稻田土壤酶活性及水稻产量对翻压冬季绿肥的响应

李亚贞, 韩天富, 柳开楼, 黄天宝, 韩德鹏, 肖国滨, 郑伟

李亚贞, 韩天富, 柳开楼, 黄天宝, 韩德鹏, 肖国滨, 郑伟. 红壤稻田土壤酶活性及水稻产量对翻压冬季绿肥的响应[J]. 植物营养与肥料学报, 2023, 29(7): 1313-1322. DOI: 10.11674/zwyf.2022612
引用本文: 李亚贞, 韩天富, 柳开楼, 黄天宝, 韩德鹏, 肖国滨, 郑伟. 红壤稻田土壤酶活性及水稻产量对翻压冬季绿肥的响应[J]. 植物营养与肥料学报, 2023, 29(7): 1313-1322. DOI: 10.11674/zwyf.2022612
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LI Ya-zhen, HAN Tian-fu, LIU Kai-lou, HUANG Tian-bao, HAN De-peng, XIAO Guo-bin, ZHENG Wei. Response of soil enzyme activity and rice yield to winter green manure incorporation in red paddy soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2023, 29(7): 1313-1322. DOI: 10.11674/zwyf.2022612
Citation: LI Ya-zhen, HAN Tian-fu, LIU Kai-lou, HUANG Tian-bao, HAN De-peng, XIAO Guo-bin, ZHENG Wei. Response of soil enzyme activity and rice yield to winter green manure incorporation in red paddy soil[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2023, 29(7): 1313-1322. DOI: 10.11674/zwyf.2022612
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红壤稻田土壤酶活性及水稻产量对翻压冬季绿肥的响应

  • 1.

    江西省红壤及种质资源研究所，江西南昌 331717

  • 2.

    中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081

基金项目: 江西省重点研发计划项目(20202BBFL63006)；江西省双千计划项目(jxsq2020102116)；国家科技基础资源调查专项(2021FY100504)。
详细信息
    作者简介:

    李亚贞 E-mail: liyazhen626@163.com

    通讯作者:

    柳开楼 E-mail: liukailou@163.com

Response of soil enzyme activity and rice yield to winter green manure incorporation in red paddy soil

  • 1.

    Jiangxi Institute of Red Soil and Germplasm Resources, Nanchang, Jiangxi 331717, China

  • 2.

    Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China

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    摘要
  • 摘要:
    目的 

    土壤酶活性与土壤养分周转和作物生长密切相关，不同绿肥翻压对土壤酶活性的影响不同，因此，调查了我国南方稻区典型冬季绿肥翻压还田条件下土壤关键酶活性的变化。

    方法 

    江西进贤县开展的绿肥定位试验始于2015年，设置冬闲(CK)、冬季种植并翻压紫云英(Astragalus sinicus L.)和肥田油菜(Brassica napus L.) 3个处理。于2018和2019年晚稻成熟期，采集土壤样品测定了微生物量碳氮和速效氮磷钾含量，脲酶(Urea)、α-葡萄糖苷酶(AG)、乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、β-1,4葡萄糖苷酶(BG)、β-纤维二糖苷酶(CBH)、β-木糖苷酶(BXYL)、酸性磷酸酶(ACP)、酚氧化物酶(POX)和过氧化物酶(PER)活性。利用冗余分析(redundancy analysis，RDA)评价了不同土壤酶对水稻土肥力变化的重要性，采用偏最小二乘路径模型(partial least squares path mode，PLS-PM)解析了土壤酶活性、土壤肥力指标以及水稻产量之间的相互关系。

    结果 

    紫云英和肥田油菜还田提高水稻产量的效果没有显著差异，2018和2019年水稻产量分别较CK处理提高了15.05%～15.10%和11.60%～11.82%。紫云英和肥田油菜提高土壤微生物量碳氮和速效氮磷钾含量的效果也无显著差异，翻压肥田油菜的土壤酶活性显著高于翻压紫云英，但两个年度酶活性变化不完全一致。2018年，肥田油菜处理只有Urea、AG和CBH活性较紫云英处理分别提高了22.57%、17.59%和64.89%，而2019年，有6种酶活性显著提高，如Urea、AG、BG、CBH、ACP和POX活性分别提高了54.24%、8.19%、28.84%、28.05%、64.68%和56.46%。RDA结果表明，AG和CBH活性与土壤肥力变化的相关性达到显著水平(P<0.05)。PLS-PM分析表明，土壤酶活性和微生物量碳氮量均可以通过影响土壤有机质和氮磷钾含量调控水稻产量，但土壤酶活性对速效氮磷钾含量的影响程度明显高于有机质含量。

    结论 

    土壤酶活性主要通过提升土壤氮磷钾养分有效性提高水稻产量。绿肥翻压引起的α-葡萄糖苷酶(AG)和β-纤维二糖苷酶(CBH)活性变化是驱动土壤肥力的关键因素。与紫云英相比，肥田油菜翻压更有利于提高土壤酶活性。

    Abstract:
    Objectives 

    Soil enzyme activity is closely related to soil nutrient turnover and sometimes is used to evaluate the fertility of soil. We investigated the effect of typical winter green manures on soil enzyme activities in south China.

    Methods 

    The localized field experiment in red paddy soil from 2015 located in Jinxian county, Jiangxi Province. At maturing stages of late rice in 2018 and 2019, soil samples were collected in the treatment plots of winter fallow (CK), planting in winter and incorporation of milkvetch (Astragalus sinicus L.), and rape (Brassica napus L.). The organic matter and available N, P and K content were measured, and the activities of urease (Urea), α-glucosidase (AG), glucosaminidase (NAG), β-1,4 glucosidase (BG), β-cellobiosidase (CBH), β-xylosidase (BXYL), acid phosphatase (ACP), phenoloxidase (POX) and peroxidase (PER) were analyzed. The importance of enzyme activity driving soil fertility change was evaluated using redundancy analysis (RDA). And the relationship between soil enzyme activity, soil fertility and rice yield were analyzed using partial least squares path mode (PLS-PM).

    Results 

    Compared with CK, both rape and milk vetch treatment increased the annual rice yield by 15.05%−15.10% and 11.60%−11.82% in 2018 and 2019 respectively, and increased soil microbial biomass carbon and nitrogen, available N, P and K content, but there was no significant difference between the two treatments. The rape incorporation was more efficient than milkvetch in enhancing soil enzyme activities in the two years, although the effect was not completely consistent in the two years. In 2018, the Urea, AG and CBH activities in rape treatment were 22.57%, 17.59% and 64.89% higher than in milkvetch, and in 2019, the Urea, AG, BG, CBH, ACP and POX showed higher activities of 54.24%, 8.19%, 28.84%, 28.05%, 64.68% and 56.46% in rape treatment. The results of RDA indicated that AG and CBH activity were the key factors driving soil fertility change. Moreover, PLS-PM analysis showed that soil enzyme activity and microbial biomass carbon and nitrogen regulated rice yield by affecting soil organic matter, N, P and K contents; the influence of enzyme activity on soil N, P and K contents was obviously higher than on soil organic matter.

    Conclusions 

    The planting and turnover of winter green manures induce the change of soil enzyme activities, the activities of AG and CBH play key roles in driving soil fertility change in red paddy soil, and soil enzyme activity regulate rice yield through enhancing soil organic matter and available nutrient contents. Planting in winter and incorporation of rape is more efficient than milkvetch in increasing soil enzyme activities.

    • HTML全文

  • 长江中下游地区的红壤稻田是我国重要的耕地资源。自1980年以来，秸秆还田等措施的大力推广持续提升了该地区的稻田肥力[1]，2011年该地区土壤有机碳含量比1980年增加了6.67～8.83 t/hm2 [2]。但是，随着利用年限的延长，稻田土壤中过氧化氢酶与转化酶活性均呈下降趋势[3]。研究表明，氮肥施用可以显著提高水稻土根际土壤中碳氮循环(矿化、转化等)过程关键酶β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)和β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)活性[4]。在氮肥基础上进行秸秆还田也可以显著地增加双季稻田的β-纤维二糖苷酶活性[5]。长期施肥试验表明，长期施用化肥会导致土壤酶活性显著降低[6−7]。因此，千方百计增加有机肥的投入对该地区土壤的可持续利用具有十分重要的意义。冬季种植并在水稻插秧前翻压绿肥在长江中下游地区有悠久的历史。大量研究表明，绿肥翻压还田措施可以提高土壤速效氮磷钾养分含量，提高土壤微生物活性和土壤酶活性[8−10]。李增强等[11]研究表明，紫云英翻压还田提高土壤活性有机碳含量的主要机理是，直接提高了土壤纤维素酶、蔗糖酶和β-葡萄糖苷酶活性。研究表明，在绿肥翻压还田过程中，绿肥种类、用量和翻压年限等均可显著影响土壤酶活性的提升幅度[12−14]，且不同研究者监测的土壤酶活性指标也存在较大差异。紫云英和肥田油菜是近年来利用面积较大的两种冬闲绿肥，肥田油菜由于投入成本低和生物产量高等特点，其在冬闲田中作为绿肥的发展潜力巨大[15−17]。位于江西进贤县红壤水稻土冬闲绿肥翻压定位试验始于2015年，2018、2019年，本研究连续分析了水稻成熟期，紫云英和肥田油菜种植并翻压还田处理小区的土壤酶活性，结合土壤速效养分和微生物量碳氮以及水稻产量等指标，利用冗余分析(RDA)探讨驱动红壤稻田土壤肥力变化的关键土壤酶活性因子，结合偏最小二乘路径模型(PLS-PM)解析土壤酶活性指标、土壤肥力指标与水稻产量的相互关系，为深入评估土壤酶活性对绿肥还田的响应机制提供理论依据。

    1.   材料与方法

    1.1   试验地概况

    冬闲绿肥种植翻压定位试验于2015年12月在江西省进贤县张公镇进行。该试验地经纬度为28°15′30″N， 116°20′24″E，属中亚热带季风气候，年均气温18.1℃，≥10℃积温6480℃，年均降雨量1537 mm，年蒸发量1100～1200 mm，无霜期约为289天，年日照时数1950 h，干湿季节明显，3—6月为雨季，降雨量占全年雨量的61%～69%；7—9月为旱季，蒸发量占全年蒸发量的40%～59%，地形为典型低山丘陵，供试土壤为第四纪黏土母质发育的红壤水田，质地较黏重，试验地土壤pH 5.33、有机质28.07 g/kg、全氮1.76 g/kg、全磷0.61 g/kg、全钾11.21 g/kg、碱解氮154.35 mg/kg、有效磷14.02 mg/kg、速效钾97.5 mg/kg。

    1.2   试验设计

    本研究选取了定位试验的3个处理：1）冬闲—早稻—晚稻(CK)，2）冬季紫云英翻压还田(Astragalus sinicus L.)—早稻—晚稻，3）冬季肥田油菜翻压还田(Brassica napus L.)—早稻—晚稻，每个处理3次重复，小区面积为32 m2 (宽4 m、长8 m)。

    肥田油菜品种为‘阳光131’，播种量为12 kg/hm2，翻压还田量约为鲜重30 t/hm2，其含水量约为84%，N、P、K 含量约为4.0、1.1、3.5 g/kg。紫云英品种为‘余江大叶’，播种量36 kg/hm2，翻压还田量约为鲜重21 t/hm2，含水量为69%，N、P、K 含量分别约为3.8、1.2、3.4 g/kg。肥田油菜和紫云英均不施肥。早稻和晚稻品种分别为‘株两优538’和‘五优308’。早稻施肥量为：N 150 kg/hm2、P2O5 90 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2，晚稻施肥量为：N 180 kg/hm2、P2O5 90 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2，早晚稻氮肥按基肥：分蘖肥：穗肥比5∶2∶3 分施，磷肥作基肥一次施入，钾肥按照基肥：穗肥用量比7∶3 分施。水稻行株距23.3 cm×16.6 cm，早稻、晚稻均人工插秧。

    1.3   样品采集和分析

    1.3.1   土壤样品采集和指标测定

    于2018和2019年晚稻季收获期，每个小区按5点取样法采集耕层(0—20 cm)土壤混合样品，带回室内，挑出根系、石块等杂质，按四分法分出一半鲜样做土壤酶活性和微生物量碳氮含量分析，剩余一半样品摊匀风干后，磨细过筛分析土壤有机质、全量和速效氮磷钾含量。

    土壤酶活性测定采用96微孔酶标板荧光分析法[18]。多功能酶标仪在激发波长365 nm，发射波长450 nm的条件下测定，主要测定指标为：脲酶(Urea)、α-葡萄糖苷酶(AG)、乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、β-1,4葡萄糖苷酶(BG)、β-纤维二糖苷酶(CBH)、β-木糖苷酶(BXYL)、酸性磷酸酶(ACP)、酚氧化物酶(POX)和过氧化物酶(PER)活性。土壤微生物量碳氮含量采用氯仿熏蒸法—碳氮自动分析法测定[19]。土壤有机质用重铬酸钾氧化法测定；土壤全氮用凯氏定氮法测定，土壤全磷用HF–HClO4消煮—钼锑抗比色法测定，土壤全钾用HF–HClO4消煮—火焰光度计法测定；土壤碱解氮用扩散法测定；有效磷用Olsen法测定；速效钾用1 mol/L NH4OAC浸提—火焰光度法测定。具体分析方法参见《土壤农化分析》[20]。

    1.3.2   早晚稻产量

    在早、晚稻成熟期，每个小区实打实收，晒干后(籽粒含水量约13.5%)称重，测定籽粒产量。

    1.4   数据统计分析

    采用Excel 2003进行数据处理，统计分析采用SAS 9.1进行，各处理的土壤酶活性、土壤微生物量碳氮、速效氮磷钾和产量差异采用LSD进行显著性分析，土壤酶活性与土壤微生物量碳氮、有机质和氮磷钾养分的相互关系采用冗余分析(RDA)方法进行分析，基于R语言对土壤酶活性指标、土壤肥力指标与水稻产量的相互关系采用偏最小二乘路径模型(partial least squares path mode, PLS-PM)进行分析。其余图件均采用Origin 8.1进行制作。

    2.   结果与分析

    2.1   冬季绿肥对土壤酶活性的影响

    在不同处理之间，2018、2019年土壤酶活性对不同绿肥的响应不同(图1)。在2018年，紫云英和肥田油菜处理土壤NAG、ACP和POX活性与对照以及二者之间均无显著差异(P>0.05)，而Urea、AG、BG、CBH和BXYL均高于CK处理，多数有显著差异。与CK处理相比，紫云英处理的Urea、AG、BG、CBH和BXLY分别提高了35.53%、25.58%、40.09%、23.18%、56.25%，肥田油菜处理的增幅分别为66.12%、47.67%、50.94%、103.11%、100.00%，肥田油菜处理的Urea、AG和CBH活性显著高于紫云英处理，增幅分别为22.57%、17.59和64.89%。但是，肥田油菜和紫云英处理的PER活性分别较CK处理降低了37.64%和11.15%。

    图  1  翻压冬季绿肥土壤的酶活性
    注：CK、A和B分别为冬闲、冬季种植翻压紫云英和肥田油菜处理。Urea、AG、NAG、BG、CBH、BXYL、ACP、POX和PER分别为脲酶、α-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-1,4葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、β-木糖苷酶、酸性磷酸酶、酚氧化物酶和过氧化物酶。柱上不同小写字母表示处理间存在显著差异(P<0.05)。
    Figure  1.  Soil enzyme activities as affected by incorporation of winter green manures
    Note: CK, A and B represent winter fallow, milk vetch (Astragalus sinicus L.), and rape (Brassica napus L.) planting in winter and incorporation treatment. Urea, AG, NAG, BG, CBH, BXYL, ACP, POX, and PER are abbreviation of urease, α-glucosidase, acetyl glucosaminidase, β-1,4 glucosidase, β-celloglucosidase, β-xylosidase, acid phosphatase, phenoloxidase and peroxidase, respectively. Different lowercase letters above the bars mean significant difference among treatments at 0.05 level.
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    在2019年，紫云英和肥田油菜翻压处理均对NAG和BXLY活性无显著影响；与CK处理相比，紫云英处理提高了Urea、AG和BG活性，增幅分别为22.49%、16.67%、32.60%；肥田油菜提高了Urea、AG、BG、CBH、ACP和POX活性，较CK处理的增幅分别为88.93%、26.23%、70.85%、37.79%、24.04%和60.06%，较紫云英处理的增幅分别为54.24%、8.19%、28.84%、28.05%、64.68%和56.46%。与2018相似，2019年紫云英和肥田油菜处理均显著降低了PER活性。

    2.2   冬季绿肥对土壤微生物量碳氮的影响

    在2018和2019年，土壤微生物量碳、氮含量对不同施肥的响应基本一致(图2)，紫云英和肥田油菜处理的土壤微生物量碳在2018年分别比CK增加了53.67%和115.86%，2019年增加了40.25%和78.36%，肥田油菜处理的土壤微生物量碳增幅显著高于紫云英。

    图  2  翻压冬季绿肥土壤微生物量碳、氮含量
    注：柱上不同小写字母表示同一年份处理间存在显著差异(P<0.05)。
    Figure  2.  The microbial biomass carbon and nitrogen contents in soils incorporated with winter green manures
    Note: Different lowercase letters above the bars mean significant difference among treatments in the same year (P<0.05).
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    2018和2019年，紫云英和肥田油菜处理的土壤微生物量氮含量均显著高于CK，2018年增幅分别为49.42%和64.02%，2019年分别为52.48%和81.43%，但是紫云英和肥田油菜处理间无显著差异(P>0.05)。

    2.3   冬季绿肥对土壤有机质和全量氮磷钾养分含量的影响

    冬季绿肥处理显著影响土壤有机质含量，但对土壤全氮、全磷和全钾含量则无显著影响(表1)。与冬闲处理相比，紫云英处理的有机质含量在2018和2019年分别提高了3.09%和2.49%，肥田油菜处理在2018和2019年的增幅分别为6.99%和7.84%。虽然肥田油菜处理的土壤有机质含量略高于紫云英，但差异未达显著水平(P>0.05)。

    表  1  翻压不同冬季绿肥土壤有机质和全量氮磷钾含量
    Table  1.  Soil organic matter and nutrient total contents under different winter green manure incorporation
    年份 Year处理 Treatment有机质 Organic matter (g/kg)全氮 Total N (g/kg)全磷 Total P (g/kg)全钾 Total K (g/kg)
    2018冬闲 Winter fallow28.45±0.51 b1.82±0.14 a0.69±0.13 a11.33±0.79 a
    紫云英 Milk vetch29.33±0.46 a1.85±0.29 a0.73±0.15 a11.65±0.91 a
    肥田油菜 Rape30.44±0.79 a1.84±0.44 a0.72±0.11 a11.77±1.01 a
    2019冬闲 Winter fallow28.95±0.67 b1.91±0.13 a0.74±0.25 a11.56±0.88 a
    紫云英 Milk vetch29.67±0.71 a1.93±0.20 a0.79±0.13 a11.74±0.98 a
    肥田油菜 Rape31.22±0.91 a1.96±0.57 a0.82±0.16 a11.85±1.89 a
    注：同列数据后不同小写字母表示同一年份不同处理间存在显著差异 (P<0.05)。
    Note: Different lowercase letters after data in a column mean significant difference among treatments in the same year (P<0.05).
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    2.4   冬季绿肥对土壤速效氮磷钾养分含量的影响

    冬季绿肥处理下土壤碱解氮、有效磷和速效钾在不同年份的变化趋势基本相似(图3)，2018和2019年均呈现出紫云英和肥田油菜处理显著高于冬闲处理，紫云英和肥田油菜处理间无显著差异(P>0.05)。与冬闲处理相比，2018年紫云英处理的碱解氮、有效磷和速效钾含量分别增加了103.87%、55.71%和24.61%，肥田油菜处理的增幅分别为120.83%、70.25%和26.40%。

    图  3  翻压冬季绿肥土壤速效氮磷钾含量
    注：柱上不同小写字母表示同一年份不同处理间存在显著差异(P<0.05)。
    Figure  3.  Soil available N, P and K contents as affected by incorporation of winter green manures
    Note: Different lowercase letters above the bars indicate significant difference among treatments in the same year (P<0.05).
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    在2019年，除了碱解氮表现出明显低于2018之外，有效磷和速效钾均呈现出2018年和2019年无明显差异。在各处理间，紫云英处理的碱解氮、有效磷和速效钾含量分别比冬闲处理增加了27.85%、48.31%和32.93%；肥田油菜处理的增幅分别为34.23%、56.22%和28.88%。

    2.5   冬季绿肥对早晚稻产量的影响

    与冬闲处理相比，紫云英和肥田油菜处理可以显著增加水稻产量(表2)。在2018年，紫云英处理的早稻、晚稻和两季的产量分别比冬闲处理增加了10.08%、19.17%和15.05%，肥田油菜处理的早晚稻和两季的产量分别比冬闲处理提高了10.05%、19.30%和15.10%；2019年也呈现出紫云英和肥田油菜处理显著高于冬闲处理，两季的产量分别增加了11.60%和11.82%。但紫云英和肥田油菜处理间则无显著差异。

    表  2  不同冬季绿肥翻压对水稻产量的影响(kg/hm2)
    Table  2.  Rice grain yield as affected by winter green manure incorporation
    水稻季
    Season    		处理
    Treatment    		20182019
    早稻
    Early rice    		冬闲 Winter fallow5952±47 b6000±175 b
    紫云英 Milkvetch6552±476 a6514±296 a
    肥田油菜 Rape6550±232 a6391±268 ab
    晚稻
    Late rice    		冬闲 Winter fallow7171±124 b7125±254 b
    紫云英 Milkvetch8546±47 a8134±372 a
    肥田油菜 Rape8555±408 a8285±263a
    双季
    Total    		冬闲 Winter fallow13123±120 b13125±365 b
    紫云英 Milkvetch15098±506 a14648±88 a
    肥田油菜 Rape15105±625 a14676±418 a
    注：同列数据后不同小写字母表示同一年份处理间存在显著差异 (P<0.05)。
    Note: Different small letters after data in a column mean significant difference among treatments in the same year (P<0.05).
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    2.6   不同土壤酶活性对土壤肥力变化的影响

    RDA1、RDA2分别是土壤酶活性值在X轴、Y轴上的投影面积，投影面积的大小表征土壤酶活性对土壤肥力指标的解释程度，投影面积越大，解释程度越高。由图4可以看出，2018和2019年，土壤酶活性分别解释了土壤肥力变异程度的96.45%和93.72%，且土壤酶活性对土壤肥力指标的影响效应主要表征在RDA1上，其中RDA1的解释率分别为75.46%和74.73%，RDA2的解释率分别为20.99%和18.99%。但两年份中，影响土壤有机质、氮磷钾、微生物量碳氮指标的酶活性存在明显分异。表3详细列出了土壤酶活性与RAD1和RAD2数据的相关性，根据R2和P发现，2018年Urea、AG、BG、CBH和BXYL对肥力指标具有显著影响(P<0.05)，而在2019年则呈现出AG、CBH和ACP对土壤肥力指标具有显著影响(P<0.05)。其他酶活性对土壤肥力指标的影响不显著。

    图  4  2018和2019年土壤酶活性与肥力指标之间的冗余分析
    注：Urea、AG、NAG、BG、CBH、BXYL、ACP、POX和PER分别为脲酶、α-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-1,4葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、β-木糖苷酶、酸性磷酸酶、酚氧化物酶和过氧化物酶。
    Figure  4.  Redundancy analyze of relationship between soil enzyme activities and fertility indexes
    Note: Urea, AG, NAG, BG, CBH, BXYL, ACP, POX, and PER represent urease, α-glucosidase, acetylglucosaminidase, β-1, 4 glucosidase, β-celloglucosidase, β-xylosidase, acid phosphatase, phenoloxidase and peroxidase, respectively.
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    表  3  土壤酶活性对土壤肥力指标影响效应的显著性分析
    Table  3.  Significance analysis of the effect of soil enzyme activities on soil fertility indexes
    年份
    Year    		土壤酶
    Soil enzyme    		RDA1RDA2R2P
    2018Urea0.93176−0.363070.94290.001
    AG0.88167−0.471860.93010.001
    NAG0.17094−0.985280.45090.134
    BG0.96827−0.249910.77670.016
    CBH0.88743−0.460950.98340.001
    BXYL0.90392−0.427710.88010.001
    ACP0.22486−0.974390.49720.101
    POX0.3654−0.930850.32180.378
    PER−0.78455−0.620070.39990.271
    2019Urea−0.29897−0.045360.44810.161
    AG−0.99223−0.124420.91880.002
    NAG−0.382050.924140.36910.292
    BG−0.59058−0.136930.46520.132
    CBH−0.99669−0.081330.86730.003
    BXYL−0.627580.778550.49180.121
    ACP−0.89334−0.449380.92550.001
    POX−0.48524−0.171150.39290.281
    PER−0.624840.780760.44490.151
    注：Urea、AG、NAG、BG、CBH、BXYL、ACP、POX和PER分别为脲酶、α-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-1,4葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、β-木糖苷酶、酸性磷酸酶、酚氧化物酶和过氧化物酶。
    Note: Urea, AG, NAG, BG, CBH, BXYL, ACP, POX, and PER in the table represent urease, α-glucosidase, acetylglucosaminidase, β-1,4 glucosidase, β-celloglucosidase, β-xylosidase, acid phosphatase, phenoloxidase and peroxidase, respectively.
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    图5为PLS-PM法分析的土壤酶活性、肥力指标以及水稻产量之间的作用方向及通径系数，土壤酶活性主要受土壤微生物量碳氮的影响，且土壤酶活性和微生物量碳氮均可以通过影响土壤有机质和氮磷钾调控水稻产量。结合通经系数表明，土壤酶活性对土壤氮磷钾的影响程度较高(通径系数为0.6918)，而对土壤有机质的影响较小(通径系数为0.3614)；土壤微生物量碳氮对土壤有机质的影响程度较高(通径系数为0.6435)，而对土壤氮磷钾的影响较小(通径系数为0.3226)。同时，土壤有机质也显著影响土壤氮磷钾(通径系数为0.8014)。进一步分析发现，土壤氮磷钾养分是影响水稻产量的关键(通径系数为0.9827)，其影响程度明显高于土壤有机质(通径系数为0.6924)。

    图  5  土壤酶活性、土壤肥力指标和水稻产量的相关关系
    注：线的粗细程度表示各指标之间影响程度的大小。线旁边的数值为通径系数，红色和黑色线分别表示显著(P<0.05)和不显著(P>0.05)水平。
    Figure  5.  Complex interrelationships between soil enzyme activities, soil fertility indexes and rice yield
    Note: The line thickness indicates the strength of the interrelationship between variables, and the attached values are the average path coefficients, the red and black lines indicate significant (P<0.05) and not significant (P>0.05) levels, respectively.
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    3.   讨论

    3.1   冬季绿肥种植下土壤酶活性变化

    在红壤稻田上，不同年份土壤酶活性对绿肥种植的响应不一，但大体呈现出肥田油菜和紫云英更有利于提高土壤酶活性，而冬闲则不利于土壤酶活性的提升。这与前人的研究结果[6−7,21−22]相似。这主要与油菜和紫云英处理提高了土壤有机碳投入，从而促进了土壤微生物活性等有关。同时，肥田油菜处理在2018年Urea、AG和CBH和2019年Urea、AG、BG、CBH、ACP和POX均显著高于紫云英处理。原因主要与油菜处理的有机碳投入量显著高于紫云英处理有关。在本研究中，紫云英还田下有机碳投入量明显低于肥田油菜处理，且已有研究表明土壤酶活性与有机肥投入量呈显著的线性正相关关系[23]。

    在本研究中，与冬闲相比，2018和2019年油菜和紫云英处理的土壤酶活性指标不一，同时，与紫云英相比，油菜处理提升的土壤酶活性指标在2018和2019年也有一定差异。且2019年的酶活性指标明显高于2018年。这可能与绿肥翻压下有机碳投入的累积效应有关，很多研究表明，长期绿肥还田下，土壤物理结构和微生物群落均得到明显改善，从而有利于更多土壤酶活性指标的提升[24−26]。此外，前人的研究表明土壤酶活性在水稻生长旺盛的时期对土壤肥力的表征更为突出[4,27]。而本研究采集土壤的时期则为水稻收获期，且为非根际土壤，因此，关于不同绿肥种植下土壤酶活性的研究仍有待进一步验证。

    3.2   驱动土壤肥力特征和水稻产量的关键土壤酶活性因子

    除了提升土壤酶活性指标之外，紫云英和油菜还田均显著提高了土壤微生物量碳氮、速效氮磷钾含量和作物产量。这与前人的研究结果[8,15−16]相似。但是肥力指标的增幅则明显不同，这主要与绿肥翻压还田量和年限有关。说明在绿肥还田条件下，土壤酶活性指标的变化规律与土壤碳氮指标和作物产量较为吻合。然而，在众多的土壤酶活性指标中，不同酶活性指标参与土壤养分周转的过程不一[28−32]。本研究利用RDA分析方法发现，不同年份驱动土壤肥力变化的关键土壤酶活性因子存在较大差异。其中，在2018年呈现出Urea、AG、BG、CBH和BXYLAG是关键影响因子(P<0.05)，而在2019年的关键酶活性因子则为AG、CBH和ACP (P<0.05)。原因可能与土壤温湿度、作物产量水平和灌排水等因素有关，因为这些人为和环境因素均可以显著改变土壤酶活性[9]。基于长期施肥定位试验的结果也表明，水稻分蘖期、开花期驱动土壤养分周转的土壤酶活性指标与成熟期的结果存在明显分异[33]。综合2018和2019年的结果表明，AG和CBH均是表征土壤肥力指标变化的关键酶活性因子，这为该地区绿肥翻压条件开展土壤酶活性指标筛选提供了理论依据。然而，由于红壤稻田的土壤肥力水平存在较大差异[34]，且本研究中绿肥翻压年限较短，因此，本研究获取的关键酶活性指标还有待进一步验证。

    进一步分析发现，与土壤微生物量碳氮主要通过土壤有机质调控水稻产量的结果不同，土壤酶活性主要通过影响土壤氮磷钾养分调控水稻产量。不同绿肥翻压年限的研究也证明，土壤有机质和氮磷钾养分是影响水稻产量的关键因子[35]。且本研究结合通径系数的研究结果表明，土壤氮磷钾对水稻产量的影响程度明显高于土壤有机质，原因主要与本研究的土壤基础肥力有关，在本试验开始前，除了土壤有机质和碱解氮含量较高之外，土壤有效磷和速效钾含量均处于较低水平[36]。本研究还表明，土壤有机质对土壤氮磷钾养分的影响程度较高，这与很多的研究结果[35,37−38]一致。由于不同绿肥种类对土壤有机质的提升效果不一，因此，在后续的研究中，建议探讨不同绿肥种类的合理配置措施，从而最大程度增加稻田土壤有机质的提升幅度，进而有效改善土壤氮磷钾供给能力，以期为合理减少外源氮磷钾肥的投入提供技术支撑。

    4.   结论

    在红壤稻田上，连续2年的田间试验表明，虽然种植并翻压紫云英和肥田油菜均显著提升了土壤微生物碳氮含量、速效氮磷钾含量和水稻产量，但是，与紫云英相比，肥田油菜更有利于提高红壤稻田的土壤酶活性。进一步分析发现，α-葡萄糖苷酶和β-纤维二糖苷酶活性是驱动绿肥翻压提高土壤肥力的关键因素，且土壤酶活性主要通过提升土壤氮磷钾养分有效性提高水稻产量。

  • 图  1   翻压冬季绿肥土壤的酶活性

    注：CK、A和B分别为冬闲、冬季种植翻压紫云英和肥田油菜处理。Urea、AG、NAG、BG、CBH、BXYL、ACP、POX和PER分别为脲酶、α-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-1,4葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、β-木糖苷酶、酸性磷酸酶、酚氧化物酶和过氧化物酶。柱上不同小写字母表示处理间存在显著差异(P<0.05)。

    Figure  1.   Soil enzyme activities as affected by incorporation of winter green manures

    Note: CK, A and B represent winter fallow, milk vetch (Astragalus sinicus L.), and rape (Brassica napus L.) planting in winter and incorporation treatment. Urea, AG, NAG, BG, CBH, BXYL, ACP, POX, and PER are abbreviation of urease, α-glucosidase, acetyl glucosaminidase, β-1,4 glucosidase, β-celloglucosidase, β-xylosidase, acid phosphatase, phenoloxidase and peroxidase, respectively. Different lowercase letters above the bars mean significant difference among treatments at 0.05 level.

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    图  2   翻压冬季绿肥土壤微生物量碳、氮含量

    注：柱上不同小写字母表示同一年份处理间存在显著差异(P<0.05)。

    Figure  2.   The microbial biomass carbon and nitrogen contents in soils incorporated with winter green manures

    Note: Different lowercase letters above the bars mean significant difference among treatments in the same year (P<0.05).

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    图  3   翻压冬季绿肥土壤速效氮磷钾含量

    注：柱上不同小写字母表示同一年份不同处理间存在显著差异(P<0.05)。

    Figure  3.   Soil available N, P and K contents as affected by incorporation of winter green manures

    Note: Different lowercase letters above the bars indicate significant difference among treatments in the same year (P<0.05).

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    图  4   2018和2019年土壤酶活性与肥力指标之间的冗余分析

    注：Urea、AG、NAG、BG、CBH、BXYL、ACP、POX和PER分别为脲酶、α-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-1,4葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、β-木糖苷酶、酸性磷酸酶、酚氧化物酶和过氧化物酶。

    Figure  4.   Redundancy analyze of relationship between soil enzyme activities and fertility indexes

    Note: Urea, AG, NAG, BG, CBH, BXYL, ACP, POX, and PER represent urease, α-glucosidase, acetylglucosaminidase, β-1, 4 glucosidase, β-celloglucosidase, β-xylosidase, acid phosphatase, phenoloxidase and peroxidase, respectively.

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    图  5   土壤酶活性、土壤肥力指标和水稻产量的相关关系

    注：线的粗细程度表示各指标之间影响程度的大小。线旁边的数值为通径系数，红色和黑色线分别表示显著(P<0.05)和不显著(P>0.05)水平。

    Figure  5.   Complex interrelationships between soil enzyme activities, soil fertility indexes and rice yield

    Note: The line thickness indicates the strength of the interrelationship between variables, and the attached values are the average path coefficients, the red and black lines indicate significant (P<0.05) and not significant (P>0.05) levels, respectively.

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    表  1   翻压不同冬季绿肥土壤有机质和全量氮磷钾含量

    Table  1   Soil organic matter and nutrient total contents under different winter green manure incorporation

    年份 Year处理 Treatment有机质 Organic matter (g/kg)全氮 Total N (g/kg)全磷 Total P (g/kg)全钾 Total K (g/kg)
    2018冬闲 Winter fallow28.45±0.51 b1.82±0.14 a0.69±0.13 a11.33±0.79 a
    紫云英 Milk vetch29.33±0.46 a1.85±0.29 a0.73±0.15 a11.65±0.91 a
    肥田油菜 Rape30.44±0.79 a1.84±0.44 a0.72±0.11 a11.77±1.01 a
    2019冬闲 Winter fallow28.95±0.67 b1.91±0.13 a0.74±0.25 a11.56±0.88 a
    紫云英 Milk vetch29.67±0.71 a1.93±0.20 a0.79±0.13 a11.74±0.98 a
    肥田油菜 Rape31.22±0.91 a1.96±0.57 a0.82±0.16 a11.85±1.89 a
    注：同列数据后不同小写字母表示同一年份不同处理间存在显著差异 (P<0.05)。
    Note: Different lowercase letters after data in a column mean significant difference among treatments in the same year (P<0.05).
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    表  2   不同冬季绿肥翻压对水稻产量的影响(kg/hm2)

    Table  2   Rice grain yield as affected by winter green manure incorporation

    水稻季
    Season    		处理
    Treatment    		20182019
    早稻
    Early rice    		冬闲 Winter fallow5952±47 b6000±175 b
    紫云英 Milkvetch6552±476 a6514±296 a
    肥田油菜 Rape6550±232 a6391±268 ab
    晚稻
    Late rice    		冬闲 Winter fallow7171±124 b7125±254 b
    紫云英 Milkvetch8546±47 a8134±372 a
    肥田油菜 Rape8555±408 a8285±263a
    双季
    Total    		冬闲 Winter fallow13123±120 b13125±365 b
    紫云英 Milkvetch15098±506 a14648±88 a
    肥田油菜 Rape15105±625 a14676±418 a
    注：同列数据后不同小写字母表示同一年份处理间存在显著差异 (P<0.05)。
    Note: Different small letters after data in a column mean significant difference among treatments in the same year (P<0.05).
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    表  3   土壤酶活性对土壤肥力指标影响效应的显著性分析

    Table  3   Significance analysis of the effect of soil enzyme activities on soil fertility indexes

    年份
    Year    		土壤酶
    Soil enzyme    		RDA1RDA2R2P
    2018Urea0.93176−0.363070.94290.001
    AG0.88167−0.471860.93010.001
    NAG0.17094−0.985280.45090.134
    BG0.96827−0.249910.77670.016
    CBH0.88743−0.460950.98340.001
    BXYL0.90392−0.427710.88010.001
    ACP0.22486−0.974390.49720.101
    POX0.3654−0.930850.32180.378
    PER−0.78455−0.620070.39990.271
    2019Urea−0.29897−0.045360.44810.161
    AG−0.99223−0.124420.91880.002
    NAG−0.382050.924140.36910.292
    BG−0.59058−0.136930.46520.132
    CBH−0.99669−0.081330.86730.003
    BXYL−0.627580.778550.49180.121
    ACP−0.89334−0.449380.92550.001
    POX−0.48524−0.171150.39290.281
    PER−0.624840.780760.44490.151
    注：Urea、AG、NAG、BG、CBH、BXYL、ACP、POX和PER分别为脲酶、α-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-1,4葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、β-木糖苷酶、酸性磷酸酶、酚氧化物酶和过氧化物酶。
    Note: Urea, AG, NAG, BG, CBH, BXYL, ACP, POX, and PER in the table represent urease, α-glucosidase, acetylglucosaminidase, β-1,4 glucosidase, β-celloglucosidase, β-xylosidase, acid phosphatase, phenoloxidase and peroxidase, respectively.
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-15
  • 录用日期:  2023-02-27
  • 网络出版日期:  2023-07-12
  • 刊出日期:  2023-07-24

目录

摘要
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  • 1.   材料与方法

  • 1.1   试验地概况

  • 1.2   试验设计

  • 1.3   样品采集和分析

  • 1.3.1   土壤样品采集和指标测定
  • 1.3.2   早晚稻产量

  • 1.4   数据统计分析

  • 2.   结果与分析

  • 2.1   冬季绿肥对土壤酶活性的影响

  • 2.2   冬季绿肥对土壤微生物量碳氮的影响

  • 2.3   冬季绿肥对土壤有机质和全量氮磷钾养分含量的影响

  • 2.4   冬季绿肥对土壤速效氮磷钾养分含量的影响

  • 2.5   冬季绿肥对早晚稻产量的影响

  • 2.6   不同土壤酶活性对土壤肥力变化的影响

  • 3.   讨论

  • 3.1   冬季绿肥种植下土壤酶活性变化

  • 3.2   驱动土壤肥力特征和水稻产量的关键土壤酶活性因子

  • 4.   结论

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