刘艳慧，王双磊，2，李金埔，3，秦都林，张美玲，聂军军，毛丽丽，宋宪亮，孙学振

(1.山东农业大学 农学院，作物生物学国家重点实验室，山东 泰安 271018；2.烟台市农业技术推广中心，山东 烟台 264000；3.平顶山市种子管理站，河南 平顶山 467000)

棉花秸秆还田对土壤微生物数量及酶活性的影响

刘艳慧1，王双磊1，2，李金埔1，3，秦都林1，张美玲1，
聂军军1，毛丽丽1，宋宪亮1，孙学振1

(1.山东农业大学 农学院，作物生物学国家重点实验室，山东 泰安 271018；2.烟台市农业技术推广中心，山东 烟台 264000；3.平顶山市种子管理站，河南 平顶山 467000)

为研究棉花秸秆还田对土壤微生物数量及酶活性的影响，于山东农业大学棉花科研基地德州市抬头寺经济开发区试验田进行试验，设棉花秸秆还田与未还田2个处理，研究连续4年棉花秸秆还田对0～60 cm土层土壤微生物数量及酶活性的影响。结果表明：棉花秸秆还田能够显著增加0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土层周年土壤微生物平均总数量，分别比未还田增加了19.87%，20.07%，56.15%；其中周年土壤细菌和真菌平均数量分别比未还田增加了20.91%、26.38%(0～20)，20.59%、31.18%(20～40)和56.85%、32.30%(40～60)，均达显著差异水平；周年土壤放线菌平均数量分别比未还田增加了4.29%，11.62%，54.00%，其中在20～40 cm和40～60 cm土层提高效果显著。棉花秸秆还田有利于提高土壤脲酶活性，0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土层土壤脲酶活性分别比未还田提高4.27%，13.43%和24.03%，其中对20～40 cm全部取样时期(9月除外)和除7月外40～60 cm土层其他取样时期的提高效果达显著差异水平；秸秆还田使土壤蔗糖酶活性在0～20 cm全部取样时期，除5月外20～40 cm土层其他取样时期，除8月外40～60 cm土层其他取样时期均得到了显著提高，分别比未还田提高了27.08%，46.96%，57.59%；除7，8月外，0～20 cm土层其他取样时期土壤过氧化氢酶活性在棉花秸秆还田条件下得到了显著提高，比未还田提高了8.73%，但除5，6月20～40 cm土层外，秸秆还田对20～40 cm和40～60 cm土层土壤过氧化氢酶活性的提高效果未达显著差异水平。以上结果说明持续棉花秸秆还田有利于保持和改善土壤的生物学特性。

棉花；秸秆还田；土壤；微生物数量；酶活性

土壤微生物是土壤中最活跃的部分，主导土壤生态系统养分循环和能量流动[1]，其数量及活性大小直接影响着土壤有机物质的周转及养分的供应，提高土壤微生物的数量是保持土壤肥力供应和维持土壤生态系统良性循环的重要前提[2]。土壤酶是生物催化剂，参与土壤中许多生物化学反应，对土壤有机质、氮、磷、钾等养分的分解与转化起着重要作用[3]，其活性的高低可反映土壤肥力状况，是表征土壤质量的重要生物学指标[4]。作物秸秆还田既是改善土壤肥力状况的重要措施，也为调控土壤微生物及酶活性提供了重要的物质条件[5-6]。据统计，2010年全国秸秆理论资源量已达8.4亿t，可收集资源量为7亿t[7]。而在实际生产中，被充分利用的秸秆不足2 000万t，既造成资源浪费又污染了环境[8]。

基于以上认识，前人对农作物秸秆还田进行了大量研究，赵亚丽等[9]研究认为冬小麦夏玉米一年两熟种植模式下，冬小麦、夏玉米秸秆还田使0～20 cm土层土壤细菌、真菌、放线菌数量提高 27.5%，24.0%，25.8%。慕平等[10]研究认为连续玉米秸秆还田使0～40 cm土层细菌、真菌、放线菌群体数量明显增加。路怡青等[11]研究玉米小麦轮作种植模式下，小麦秸秆还田对玉米生长期内土壤酶活性和微生物群落的影响认为，有秸秆还田处理土壤脲酶、碱性磷酸酶、脱氢酶、转化酶活性及微生物各类群数量均大于无秸秆还田处理。路文涛等[12]研究认为宁南半旱区谷子、玉米秸秆还田能有效提高土壤过氧化氢酶、脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性。但大多研究针对禾本科作物轮作或连作种植模式下秸秆还田对土壤微生物及酶活性的影响，有关连作条件下，棉花秸秆还田对棉田土壤微生物数量及酶活性的影响研究相对较少。本试验在连续4年棉花一熟种植模式下，研究棉花秸秆连续还田对棉田土壤0～60 cm土层土壤微生物数量及酶活性的影响，以期为棉花秸秆还田的大面积推广提供理论指导，同时为研究连作条件下棉花秸秆还田的长期效应提供理论支撑。

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验在山东农业大学棉花科研基地德州市抬头寺经济开发区试验田进行(北纬37°39′，东经116°40′)，试验田总面积6 300 m2(长90 m，宽70 m)，设SR(棉花秸秆还田)与SNR(秸秆未还田)2个处理，每个处理设3个重复，共6个小区，每个小区面积为957 m2(长33 m，宽29 m)。自2010年开始，于每年棉花收获后进行相应的棉花秸秆粉碎旋耕还田和棉花秸秆拔除工作，还田秸秆数量约为3 500 kg/hm2，还田秸秆氮、磷、钾总量分别约为43.95，17.10，104.70 kg/hm2，基施复合肥600 kg/hm2(N∶P∶K为12∶18∶15)，花铃期追施尿素225 kg/hm2，其余田间土壤操作一致。供试土壤0～20 cm土层土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为11.90 g/kg、85.04 mg/kg、20.39 mg/kg、105.79 mg/kg。种植棉花品种为德农09068，于2014年4月22日进行机械播种，地膜覆盖，宽窄行种植，宽行行距100 cm，窄行行距60 cm，株距25 cm，田间管理按常规高产栽培进行。

1.2 样品采集

于2014年4-9月每月中旬前后进行田间取样。以每小区采5点组成一个混合样品，每处理共3个样品，使用土钻(内径3.5 cm)采集0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm土层的土样，剔除样品中的杂物，将土样混匀装入无菌聚乙烯自封袋，部分置于4 ℃冰箱保存，用于土壤微生物数量的测定；部分自然风干，用于土壤酶活性的测定。

1.3 测定方法

1.3.1 土壤微生物数量的测定 微生物数量的测定采用稀释平板记数法，结果以每克干土中所含微生物数量表示。其中细菌培养采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基[13]，真菌培养采用马丁氏(Martin)培养基[13]，放线菌培养采用高氏1号培养基[13]。

1.3.2 土壤酶的测定 脲酶活性测定采用靛酚蓝比色法；蔗糖酶活性测定采用3，5-二硝基水杨酸比色法；过氧化氢酶活性测定采用KMnO4滴定法。以上方法均参照关松荫[14]的方法进行。

1.4 数据处理

使用Excel 2003进行数据预处理，SPSS 7.05软件分析数据，SigmaPlot 10.0软件作图，以单因素随机区组法分析土壤微生物数量及酶活性等指标的方差，利用Duncan法检验处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 棉花秸秆还田对棉田土壤微生物数量的影响

2.1.1 细菌 土壤细菌是土壤微生物的主要组成部分，一般认为土壤细菌数量的增加是土壤肥力水平提高的重要生物学标志[10]。由表1看出，除4月20～40 cm土层外，秸秆还田在各土层各取样时期的土壤细菌数量均高于未还田，除4月0～20 cm土层，4，5月20～40 cm土层和8月40～60 cm土层，两处理差异不显著外，其他取样时期各土层均达显著差异水平；各土层周年土壤细菌平均数量分别比未还田提高20.91%，20.59%，56.85%，均达显著差异水平。同时试验表明各取样时期土壤细菌数量0～20 cm土层>20～40 cm土层>40～60 cm土层，即在各取样时期土壤细菌数量均随土壤深度的加深不断减少。

表1 棉花秸秆还田对各时期土壤土层细菌数量的影响Tab.1 Effect of cotton straw returning soil on the quantity of soil bacterium of different soil layers at different sampling times ×105 cfu/g

注：同一列中不同小写字母表示数值在0.05的水平上差异显著。表2-4。

Note：Values in each column followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.The same as Tab.2-4.

2.1.2 真菌 土壤真菌在土壤微生物区系中数量最少，但其生物量较大，在土壤中作用不容忽视[15]。由表2看出，秸秆还田在各土层各取样时期的土壤真菌数量均高于未还田，0～20 cm土层各取样时期两处理均达显著差异水平，20～40 cm土层，除4，6，7月两处理差异不显著外，其他取样时期均达显著差异水平；40～60 cm土层，4-6月两处理达显著差异水平；各土层周年土壤真菌平均数量分别比未还田提高26.38%，31.18%，32.30%，均达显著差异水平。两处理周年土壤真菌平均数量均为0～20 cm土层>20～40 cm土层>40～60 cm土层。

表 2 棉花秸秆还田对各时期土壤土层真菌数量的影响Tab.2 Effect of cotton straw returning soil on the quantity of soil fungi of different soil layers at different sampling times ×105 cfu/g

2.1.3 放线菌 放线菌是好气菌[16]，能分解多数土壤细菌和真菌不能分解的化合物，因此，土壤放线菌数量的多少，关系着土壤代谢强度的高低[10]。由表3看出，土壤放线菌数量介于细菌和真菌之间。秸秆还田在各土层各取样时期的土壤放线菌数量均高于未还田，但0～20 cm土层两处理仅在6月份达显著差异水平；20～40 cm土层6-9月，秸秆还田土壤放线菌数量均显著高于未还田；40～60 cm土层除8月外其他取样时期秸秆还田处理土壤放线菌数量的提高效果均达显著差异水平；各土层周年土壤放线菌平均数量分别比未还田提高4.29%，11.62%，54.00%，其中20～40 cm和40～60 cm土层差异达显著水平。在每一取样时期土壤放线菌数量均表现为0～20 cm土层>20～40 cm土层>40～60 cm土层。

表3 棉花秸秆还田对各时期土壤土层放线菌数量的影响Tab.3 Effect of cotton straw returning soil on the quantity of soil actinomycetes of different soil layers at different sampling times ×105 cfu/g

2.1.4 微生物总数量 土壤微生物是土壤分解系统的主要成分，在秸秆腐解过程中作用显著。由表4可知，秸秆还田在各土层各取样时期的土壤微生物总数量均高于未还田，除4月0～20 cm土层，4，5月20～40 cm土层，两处理差异不显著外，其他取样时期各土层差异均达显著水平。各土层周年土壤微生物平均数量分别比未还田提高19.87%，20.07%，56.15%，均达显著差异水平。同时各取样时期土壤微生物总数量均为0～20 cm土层>20～40 cm土层>40～60 cm土层。

表4 棉花秸秆还田对各时期土壤土层微生物总数的影响Tab.4 Effect of cotton straw returning soil on the quantity of total microbe of different soil layers at different sampling times ×105 cfu/g

2.2 棉花秸秆还田对棉田土壤酶活性的影响

2.2.1 脲酶 脲酶能促进尿素分子中酰胺肽键水解生成氨，从而供植物根系吸收利用，是表征土壤供氮能力的重要指标之一[17]。由图1可知，随着土壤深度的加深，土壤脲酶活性有逐渐降低的趋势。0～20 cm土层，秸秆还田土壤脲酶活性高于未还田，其中6，7月两处理差异达显著水平；20～40 cm土层，除9月秸秆还田脲酶活性与未还田差异不显著外，其他月份秸秆还田均显著高于未还田；40～60 cm土层，各月份秸秆还田脲酶活性均高于未还田，除7月外，其他月份均达显著差异水平。各土层周年土壤脲酶平均活性分别比未还田提高4.27%，13.43%，24.03%，其中秸秆还田对20～40 cm和40～60 cm土层土壤脲酶平均活性的提高效果达显著差异水平。

2.2.2 蔗糖酶 蔗糖酶是一种为数极多的重要水解酶，能把高分子化合物蔗糖水解生成葡萄糖和果糖，供植物和微生物利用，对增加土壤中易溶性营养物质具有重要作用[18]。由图2可知，上层土壤蔗糖酶活性高于下层。0～20 cm土层，秸秆还田蔗糖酶活性高于未还田，其中4-9月均达显著差异水平；20～40 cm土层，除5月两处理差异不显著外，其他月份秸秆还田土壤蔗糖酶活性均显著高于未还田；40～60 cm土层，各月份秸秆还田蔗糖酶活性均高于未还田，除8月外，其他月份均达显著差异水平。各土层周年土壤蔗糖酶平均活性分别比未还田提高27.08%，46.96%，57.59%，均达显著差异水平。

SNR.未还田；SR.还田。图2-3同。 SNR.No straw returning soil；SR.Straw returning soil.The same as Fig.2-3.

图2 棉花秸秆还田对各时期土壤土层蔗糖酶活性的影响Fig.2 Effect of cotton straw returning soil on soil sucrase activity of different soil layers at different sampling times

2.2.3 过氧化氢酶 过氧化氢酶在土壤中分布广泛，它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，进而有效防止过氧化氢对生物体的毒害作用，与土壤肥力、好氧微生物数量等密切相关[19-20]。由图3可知，0～20 cm土层，秸秆还田土壤过氧化氢酶活性均高于未还田，其中4，5，6，9月，达显著差异水平；20～40 cm土层，5，6月秸秆还田土壤过氧化氢酶活性显著高于未还田，其他时期差异不显著；40～60 cm土层两处理过氧化氢酶活性差异不显著。各土层周年土壤过氧化氢酶平均活性分别比未还田提高8.73%，2.82%，2.08%，其中秸秆还田对0～20 cm 土层土壤过氧化氢酶平均活性的提高效果达显著差异水平。

图3 棉花秸秆还田对各时期土壤土层过氧化氢酶活性的影响Fig.3 Effect of cotton straw returning soil on soil catalase activity of different soil layers at different sampling times

3 讨论与结论

秸秆归还土壤后，为土壤微生物提供了充足的能源，对土壤微生物的数量和活性具有显著的促进作用[21-23]。不同种群微生物因其特性不同对秸秆还田的响应有一定差异。赵亚丽等[9]研究认为秸秆还田有利于增加土壤微生物数量。认为秸秆还田有利于增加土壤微生物数量。刘定辉等[2]研究认为，水稻、油菜秸秆还田显著增加了土壤微生物的数量，在三大微生物类群中对土壤细菌的增加幅度最大。本试验结果表明，连续4年棉花秸秆还田有利于增加土壤细菌、真菌、放线菌及微生物总数量，分别比秸秆未还田提高20.59%～56.85%，26.38%～32.30%，4.29%～54.00%，19.87%～56.15%，其主要原因为随着秸秆还田年限的增加，土壤中积累的秸秆不断腐解，为土壤微生物提供了充足的有效养分和能量物质，从而催生更多的土壤微生物生长和繁殖，使土壤微生物数量增加。但真菌易引起一些土传病害的发生，随着真菌数量的增加，土壤病虫害发生的几率有可能因此而增大[10]，因此，在进行长期棉花秸秆还田维持土壤生态系统良性循环的基础上，应注意防止土壤病虫害的发生。

土壤酶来自于土壤微生物、动植物活体或残体，在土壤中分布广泛，众多学者关心秸秆还田对土壤酶活性的影响。在玉米不同生育期内，有玉米秸秆还田相比无秸秆处理可使土壤脲酶、碱性磷酸酶、转化酶和脱氢酶活性提高[11]。孟庆阳等[19]研究认为玉米秸秆还田使土壤脲酶活性明显升高。本试验认为连续4年棉花秸秆还田相比未还田，有利于提高土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性，其主要原因为一方面秸秆还田改善了土壤的水热状况，增加了土壤中可利用的能源物质，使土壤微生物数量增加进而增加土壤酶的分泌；另一方面还田秸秆本身也带有大量活的微生物。

连续4年棉花秸秆还田与未还田相比，土壤微生物数量有一定程度的增加，各土层土壤细菌、真菌、放线菌数量均高于未还田棉田；秸秆还田提高了土壤脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性，有利于保持和改善土壤的生物学特性。但在进行长期棉花秸秆还田的同时，应进一步研究和探讨由此可能产生的土壤病虫害问题，以实现土壤生态系统的良性循环。

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Effects of Cotton Straw Returning Soil on Soil Microbes Quantites and Enzyme Activities

LIU Yanhui1，WANG Shuanglei1，2，LI Jinpu1，3，QIN Dulin1，ZHANG Meiling1， NIE Junjun1，MAO Lili1，SONG Xianliang1，SUN Xuezhen1

(1.College of Agronomy，Shandong Agricultural University，State Key Laboratory of Crop Biology，
Tai′an 271018，China；2.Yantai Agricultural Technology Extension Service，Yantai 264000，China； 3.Pingdingshan Seed Service Center，Pingdingshan 467000，China)

To study the effects of cotton straw returning soil on soil microbes quantities and enzyme activities，experiments were conducted at the Experimental Station of Shandong Agricultural University with two treatments(4-year straw returning soil and no straw returning soil) to investigate soil microbes quantities and enzyme activities across 0-60 cm depths after cotton straw returning for four consecutive years.The main results indicated that cotton straw returning soil significantly increased the quantity of total microbe by on average 19.87%(0-20 cm)，20.07%(20-40 cm) and 56.15%(40-60 cm)，including soil bacteria and fungi quantity significantly increased by on average 20.91%，26.38%(0-20 cm)，20.59%，31.18%(20-40 cm)，56.85%，32.30%(40-60 cm)，respectively，comparing to no straw returning soil treatment；soil actinomyces quantity increased by on average 4.29%(P>0.05)，11.62%(P<0.05)，54.00%(P<0.05)across 0-20 cm，20-40 cm，40-60 cm depths，respectively，comparing to no straw returning soil treatment.Cotton straw returning soil had no significant effect on soil urease activities at 0-20 cm depth，comparing to no straw returning soil treatment，while straw returning soil significantly increased soil urease activities across all sampling times except September at 20-40 cm and all sampling times except July at 40-60 cm depths by on average 13.43% and 24.03%，respectively.Except May at 20-40 cm and August at 40-60 cm depths，soil sucrase activities after cotton straw returning soil significantly increased across 0-20 cm，20-40 cm and 40-60 cm depths by on average 27.08%，46.96% and 57.59%，comparing to no straw returning soil treatment.Except July and August at 0-20 cm depth，cotton straw returning soil significantly increased soil catalase activity at by on average 8.73%，comparing to no straw returning soil treatment，while straw returning soil had no significant effect on soil catalase activity across 20-40 cm and 40-60 cm depths except May and June at 20-40 cm depths.These results indicated that cotton straw returning soil could maintain and improved the biological characteristics of the soil.

Cotton；Straw returning soil；Soil；Microbes quantities；Enzyme activities

2016-07-09

国家“十二五”科技支撑计划项目(2013BAD05B06)；国家自然科学基金(31601253)；山东省现代农业产业技术体系(棉花)建设专项资金(SDAIT-03)；山东省自然科学基金项目(ZR2016CQ20)；山东省农业良种工程课题(2013LZ；2014LZ)；山东农业大学盐碱地改良利用项目(2014)

刘艳慧(1990-)，女，山东济宁人，在读硕士，主要从事棉花秸秆还田及高产栽培研究。

孙学振(1964-)，男，山东菏泽人，教授，博士，博士生导师，主要从事棉花生理生态研究。 宋宪亮(1972-)，男，山东淄博人，教授，博士，博士生导师，主要从事棉花育种研究。

S158

A

1000-7091(2016)06-0151-06

10.7668/hbnxb.2016.06.024