在中国半干旱地区秸秆还田对土壤养分含量，酶活性和作物产量的影响外文翻译资料

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在中国半干旱地区秸秆还田对土壤养分含量，酶活性和作物产量的影响

Peng Zhang^a,b,1, Xiaoli Chen^a,b,1, Ting Wei^a,b, Zhen Yang^a,b, Zhikuan Jia^a,b, Baoping Yang^a,b, Qingfang Han^a,b, Xiaolong Ren^a,b(a西北农林科技大学中国农业科学院水农业研究所,陕西杨凌712100; b西北农林科技大学西北农林科技大学黄土高原西北部作物生理生态与耕作学科重点实验室,陕西杨凌712100，中国)

摘要：黄土高原西北部常规耕作与除茬制度使高原地区土壤贫瘠和土壤退化，从而降低了水分利用效率和作物产量降解量。为了确定秸秆还田对土壤肥力和作物产量的影响，我们在宁夏南部半干旱地区进行了4年（2007 - 2010年）的实验。设置四种处理：（i）没有秸秆还田（CK）; （ii）玉米秸秆低还田率4500 kg /ha（L）;（iii）玉米秸秆中等还田率9000 kg /ha（M）;和（iv）玉米秸秆高还田率13500kg /ha（H）。秸秆还田四年后，结果表明，不同秸秆量对土壤肥力指数有不同的影响，其中H还田效果最好。0-40cm土层秸秆还田处理与对照相比，土壤有效氮、全氮、速效磷、全磷、土壤有机碳含量分别高出27.5％，10.8％，16.6％，5.2％和9.8％，特别是0-20cm土壤层增加最明显。0-60cm土层秸秆还田使土壤脲酶，磷酸酶和转化酶活性分别增加了19.6％，39.4％和44.3％，按照以下顺序：Hgt; Mgt; Lgt; CK。而且收益率较高，与对照相比，H，M和L处理下使作物产量分别增加22.5％，22.8％和10.6％，水分利用效率分别高出34.6％，30.7％和15.7％。我们的结果表明，秸秆还田（特别是以13500 kg /ha还田率）是一项中国半干旱地区提高土壤肥力和提高作物产量的有效措施。

关键词：土壤养分；土壤有机碳；土壤酶活性；秸秆还田；作物产量

1引言

近年来，人们一直非常重视旱地农业系统的可持续性（Singh和Singh，1995; 邓等人，2006; Jin等人，2009）问题，其中水和低土壤肥力是两大主要制约农业生产和稳定的因素。在中国西北地区，在半干旱地区的雨水灌溉土壤通常是土壤贫瘠的和水匮乏（Huang等人，2005; Deng等人，2006）。因此，提高土壤肥力有重要意义，这可能会显著促进该地区作物生产力的提高。自从20世纪80年代，在中国西北部作物秸秆的燃烧已经成为收获后普遍处理的方式。但是，燃烧作物残留物减少了C和营养物质到土壤的返回量，特别是N和P（Prasad等，1999; Chan等，2002; Wuest等人，2005）。此外，使用过度化肥可以提高作物生产力，但是也会导致农业环境的恶化污染（Mandal等，2004）。许多研究表明农作物秸秆含有丰富的有机物质和土壤养分，因此被认为是一种重要的天然有机物肥料，它可以代替化肥的作用（Dick et al，1988; Duiker和Lal，1999; Saroa和Lal，2003; Tan等人，2007;Bakht等，2009）。以前的研究表明，土壤养分（如有机碳，氮和磷）是土壤的质量体现和生产力指标，因为它们有利于土壤的物理，化学和生物特性（Karami等，2012）。土壤环境和它们的养分循环，能源转移和环境质量（姚等人，2006; 焦等，2011）密切相关。因此，它们已被用于预测土壤生物学现状及农场管理实践（Eivazi等，2003）。将秸秆直接或间接还田栽培土壤可促进土壤环境的改善（Mulumba和Lal，2008），以及由密集和连续的传统耕作引起土壤退化的现象（Lou等人，2011）。一些研究已经证明了农作物残渣结合秸秆还田以改善土壤肥力的有益作用（Tan等人，2007; Jin等人，2009）。 Li等人（2010）报道了稻草还田可以补充土壤有机质含量和增强碳投入。 Dolan等人（2006）和Tong等人（2014）表明，植物残渣的添加可能有助于化肥或土壤养分转化为缓慢可用营养源，从而提高养分利用率。研究还表明，秸秆还田具有重要意义，能改善土壤酶的活性水平（Garg，和Bahl，2008）。特别是，孙等人（2003）表明还田玉米秸秆可以增加磷酸酶，脲酶和转化酶活性水平。在12年期间，其中的酶活性与土壤中的土壤有机质含量有关。在另外，Jin等人（2009）发现作物生产力是与不同酶的活性呈正相关的耕作管理系统。几项研究报告了秸秆还田对土壤的物理性质的影响（例如土壤结构，土壤水分等）（Mandal等，2004; Zhang等，2014），但在那里很少有人分析土壤农业系统的生物学状况，特别是在半干旱的黄土高原中国地区。在这个地区，旱地作物比灌溉农作物占了更多的农业面积，这使得他们尤其在经济上很重要。在目前的研究中，我们的目标是确定不同秸秆还田率对土壤有机碳含量，营养成分和土壤酶活性的影响，以及​​秸秆还田条件下土壤肥力特征和土壤酶活性，用以评价地区微生物特性。

2材料和方法

2.1试验区概况

在2007-2010年旱地农业研究季节，在中国宁夏彭阳县实验站进行实验（106°45′N，35°79′E和1800 m海拔）。该站位于丘陵沟壑区黄土高原，其特点是半干旱暖温带大陆性季风气候。平均每年降水量为435毫米，主要是6月至9月。该年平均温度为8.1℃和年平均蒸发量为1050毫米，无霜期为155天。在实验期间，降雨量使用一个自动气象站（WS-STD1，Delta-T，英国）测量。实验场地黄土土壤pH值为8.5。在0-40cm土层，有机质，全氮，磷和钾为8.32 g /Kg，0.61 g /Kg，0.58 g /Kg，和5.4 g /Kg，有效的N，P和K分别为46.25 mg /Kg，10.41 mg /Kg，和104.82 mg /Kg。 2007年，该网站被种植在实验前用玉米。实验场是平坦的，根据粮农组织教科文组织土壤分类（FAO / UNESCO 1993），土壤是低生育率的钙雏形土（砂土14％，淤泥26％，粘土60％）。

2.2实验设计和现场管理

该实验使用三个随机区组设计。每块土地宽3米，长6米。本实验包括四种秸秆还田处理率：（i）无秸秆并入（CK）; （ii）低玉米秸秆还田率4500Kg/ha（L）; （iii）中等玉米秸秆还田率9000Kg /ha（M）;（iv）高玉米秸秆还田率13500Kg/ha（H）。在与土壤混合之前，将玉米秸秆切成5cm的碎片。玉米秸秆然后通过人工与土壤混合。将稻草施用于土壤，在种植作物之前进行为期6个月的秸秆分解。秸秆加入土壤中，分别于2006年、2007年、2008年和2009年10月15日收获，轮作过程为包括玉米 - 小米 - 玉米 - 小米。玉米（cv Shendan 16，Zea mays L.）播种时间为在4月中旬，使用播种（直径3 cm）机器播种，并在2007年和2009年10月中旬手动采收。小米（大通10号，Setaria italica L.）播种于在4月初，在手动钻进的情况下，以30万株植物/ha播种，在2008年和2010年10月初收获小米样品，用稻米脱粒机（（JLGJ4.5，浙江）脱皮两次台州食品仪器厂，中国）来计算产量。播种前10天，每公顷施用含102公斤氮肥，90公斤磷肥，均匀地撒在每块地上并手动铲入10-20cm的土壤层，在实验期间提供灌溉。在整个实验中进行除草和使用电动喷雾器喷雾（3WBD-16，台州明辉电动喷雾器公司，中国），在作物生长过程中防治害虫。

2.3采样和测量

降雨数据记录使用标准气象站实验数据。2007年至2010年每年在农作物收获后，土壤样本使用54毫米直径钢芯采样管（T-54，杨凌机器设备厂，中国）收集。收集土壤样品（约500g）用每个地块深度0-20cm和20-40cm的土壤来测定土壤养分含量，并用0-20cm、20-40cm、40-60cm土壤来测定土壤酶活性。土壤样本是从每个小区中的四个点收集并混合产生一个复合样本。每个土壤样品都通过一个8毫米的筛子。并轻轻地打破土块，将鹅卵石，杂草秸秆和稳定土块gt; 8毫米的部分丢弃。在分析土壤养分之前，土壤样品（约200g）在空气中风干24小时。其他土壤样品（约300克）在4℃恒温储存以分析土壤酶活性。所有的分析都是基于已发表过的物理和化学土壤分析方法一书（ISSCAS，1978）。土壤有机碳（SOC）用Walkley-Black法测定。简言之，将10mL 1N重铬酸钾 20mL浓缩H₂SO₄溶液加入0.1g过筛并干燥的土壤中然后通过温和旋转混合1分钟，并在150℃处理持续10分钟，然后冷却至室温。之后样品用去离子水稀释至200mL，并加入10mL磷酸，0.2克氟化铵和10滴二苯胺指示剂。最后，用Morh盐溶液（0.5N FeNH₄SO₄和0.5N）滴定过量的二氯甲烷0.1N H ₂ SO ₄）。土壤全氮（TN）用自动凯氏定氮蒸馏滴定装置（瑞典福斯）。该土壤有效氮（AN）在碱性条件下转化为NH₄ 条件，收集在H₃BO₃溶液中，然后通过测定用标准的0.01mol/ L H ₂ SO ₄滴定。土壤总磷（TP）用钼锑抗显色法测定，土壤样品首先使用H₂SO₄和HClO₄的混合酸溶液混合，然后使用分光光度计钼蓝法（UV2550，日本岛津）测定。有效磷（AP）用钼蓝法（UV2550，Shimadzu，日本）测定，用0.5mol/L NaHCO ₃萃取，pH 为8.5。每个样品重复测定酶活性时用当量土壤表示。尿素酶和酸基用该方法测定时的磷酸酶活性由Tabatabai（1994）的方法描述。分析尿素酶活性时，让潮湿土壤（5g）在37℃与2.5mL尿素溶液一起温育2小时，然后加入20mL硼酸盐缓冲液再进行测定。温育后，加入50mL 1M KCl溶液并将土壤悬浮液摇动30分钟。使用分光光度计在690nm处测量铵（UV2550，日本岛津）。脲酶活性表示为在水解反应过程中释放的NH4 被表示为mg NH ₄ -N 100 g-土^-1 24 h ^-1。确定磷酸酶活性，潮湿的土壤（5克）与10毫升苯基二钠混合磷酸盐混合后在pH7.0的柠檬酸盐缓冲液和1.5mL甲苯中进行在37℃下温育24小时。接着，通过一个25毫米的滤纸过滤出5mL混合物。磷酸酶活性可以使用0.25mL氯化铵-铵（0.5mL）与4-氨基安替比酮（0.5mL）和三乙酸钾（0.5mL）氢氧化物作为缓冲液混合后（pH9.8）在660nm（UV2550，Shimadzu，日本）下测量。为了测量转化酶活性，将5g土壤在37℃下与15mL 8％蔗糖（5mL）一起温育24小时，并加入磷酸盐缓冲液（pH5.5）和0.1mL甲苯。葡萄糖通过转化酶释放，然后与3,5-二硝基水杨酸和3-氨基亚硝基水杨酸混合，并在578nm下测量（UV2550，日本岛津）。转化酶活性被表达作为mg-葡萄糖g-土壤^-11h ^-1（Parthasarathi和Ranganathan，2000）。谷物产量在含水量为12％时手动收集每个地块的三个长度为5米的中心行进行测定。水分利用效率（WUE）为粮食产量除以生长季蒸散（ET）（Hussain和Al-Jaloud 1995）如下,WUE=产量/ET。总的ET是用季节决定的土壤水分平衡方程计算（Huang et al。，2005）：ET = P C （SW₁-SW₂）-D-R。其中ET（mm）是蒸散量，P（mm）是总量生长季节降雨，C是向上流入根部，SW₁（mm）为种植时的土壤蓄水量，SW₂（mm）为土壤量在收获时储水，D是向下排水量，R是地表径流量。在实验中，地下水表仍然保持在80米以下的深度，所以向上流入根部的量是微不足道的。 径流从未观察到，因为实验场是平坦的在200cm的深度上假设排水量是微不足道的。

2.4 统计分析

计算每个变量和ANOVA的平均值用来比较不同的还田效果变量。如果F值显著（P lt;0.05），基于最小的显著差异进行年平均值的多重比较。使用SPSS 13.0执行所有的统计分析。

3结果

3.1雨量

图1显示了40年的月降水量平均值（1971-2010）。2007年、2008年、2009年、2010年作物生长季节的降水量分别为318.2、335.5、275.8和452.6毫米，40年平均值为339毫米。 就这样实验期间的生长期可以被分类为湿润休耕（2010年），干休耕（2009年）和正常休耕（2007年，2008年）。生长季节降水量变化很大（图1）。

3.2秸秆还田对土壤有机碳（SOC）含量的影响

如表1所示，表明SOC含量为通过秸秆还田而增加，其中效应增加随着时间的推移逐渐减少，即平均SOC含量（0-40cm土层）比2007年增加了12.5％。0-20 cm土层，只有H和M处理显著（P lt;0.05），2007 - 2009年中2007年分别比对照增加了8.4％和10.2％，2008年分别增加13.1％和14.2％，2009年分别增加17.6％和18.2％。 2010年，H，M和L下的SOC含量分别为比对照增加28.0％，20.9％和7.2％

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