黄土高原旱区绿肥定位试验土壤化学性质及酶活性特征研究

彭映平，和文祥,2，王紫泉，张 晶，闫慧荣，高亚军,2，曹卫东

(1 西北农林科技大学 a 资源环境学院，b 生命科学学院，陕西 杨凌 712100；2 农业部 西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100；3 中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

黄土高原旱区绿肥定位试验土壤化学性质及酶活性特征研究

彭映平1a，和文祥1a,2，王紫泉1a，张 晶1a，闫慧荣1b，高亚军1a,2，曹卫东3

(1 西北农林科技大学 a 资源环境学院，b 生命科学学院，陕西 杨凌 712100；2 农业部 西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西 杨凌 712100；3 中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

【目的】 研究绿肥和施氮对黄土高原土壤化学性质和酶活性的影响，以期从酶学角度筛选最佳绿肥品种和施氮量。【方法】 样地位于2008年开始的黄土高原长武绿肥长期定位试验站，于2012年6月和9月采集土样，研究不同绿肥品种(大豆、绿豆、怀豆和休闲)及不同施氮量(不施氮肥和施氮量为当地常规施氮量135 kg/hm2的80%，100%，120%)条件下，土壤化学性质(有机质、碱解氮、速效磷、速效钾)和5种酶(蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶、芳基硫酸酯酶、脱氢酶)活性的变化。【结果】 种植和翻压绿肥显著提高了土壤有机质、碱解氮和速效磷含量，对速效钾含量提升效果不明显。除大豆降低了土壤脱氢酶活性外，绿肥均显著提高了5种土壤酶活性，其中怀豆处理土壤总体酶活性增幅最大，绿豆、大豆处理次之，且均显著高于休闲处理。随着施氮量的增加，土壤蔗糖酶、脲酶(6月除外)、芳基硫酸酯酶和脱氢酶活性总体降低，碱性磷酸酶活性变化幅度较小；绿肥和施氮量对土壤酶活性具有较强的交互作用。种植和翻压绿肥后，土壤酶活性和土壤化学性质之间有一定相关关系，且大多达显著或极显著水平。【结论】 在黄土高原旱地怀豆是一种可推广的优质豆科绿肥；种植和翻压绿肥后可减少氮肥施用量，氮肥最佳用量以108 kg/hm2为宜。

豆科绿肥；土壤酶；施氮量；总体酶活性

自20世纪以来，随着人口、粮食、资源与环境的矛盾的日益加剧，导致近20年来在农田土壤上出现了一些突出的问题，如土壤有机质缺乏，过度施用化肥、农药导致的土壤质量下降及污染加剧等，因此如何保持农业可持续发展已成为我国面临的重要课题之一[1]。绿肥作为主要有机肥之一[2]，在提高土壤养分、改良土壤结构、保障粮食安全等方面发挥着重要作用。国内外研究表明，豆科绿肥是固氮减碳作物，其种植后可增加土壤有机质、速效氮含量，改善土壤物理结构[3-4]，而且会减少病虫害发生频率[5]，降低化肥投入带来的污染[6]。

土壤酶作为土壤生态系统的核心之一[7]，在营养物质转化循环、能量代谢、污染物清除等过程中具有重要作用[8]，近年来国内外学者对绿肥的土壤酶效应开展了许多研究，发现绿肥种植总体上提升了土壤硝酸还原酶、脲酶、脱氢酶和芳基硫酸酯酶等活性[9-12]，但在黄土高原旱区土壤相关的研究报道较少，此外大多数研究只是对一种或几种酶活性进行探讨，且结果并不完全一致。为此，本研究拟采用2008年开始的绿肥长期定位试验地为材料，较为系统地分析种植绿肥和施用氮肥后，土壤化学性以及与土壤C、N、P、S循环相关的土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、芳基硫酸酯酶以及脱氢酶的活性变化，探讨绿肥施氮对土壤酶活性的影响规律，从土壤酶角度筛选黄土高原旱区土壤最适绿肥品种及施氮模式，最终为旱地麦田的合理培肥以及绿肥的推广应用和环境保护等提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于黄土高原中南部的陕西省长武县农技中心丁家镇十里铺试验基地(107°44′E，35°12′N)，海拔1 220 m，该地区地势平坦，气候属西北内陆暖温带半湿润大陆性季风气候，四季冷暖、干湿分明，年均气温9.1 ℃，无霜期171 d。试验区土壤为黄盖粘黑垆土(系统分类名堆垫干润均腐土，Cumuli-Ustic Isohumosols)，母质为中壤质马兰黄土，土层深厚，全剖面土质均匀疏松，通透性好，肥力中等。试验前耕层土壤理化性质为：有机质12.0 g/kg,全氮0.79 g/kg，全磷0.66 g/kg，矿质氮13.74 mg/kg，速效磷24.6 mg/kg，速效钾161.39 mg/kg，pH 8.11。研究区属于典型旱作农业区，种植制度为一年一熟或两年三熟。

1.2 试验方案

试验包括2个因素：绿肥(绿豆、大豆、怀豆、休闲)和施氮量(N0：不施氮肥;N1：80%当地常规施氮量(135 kg/hm2)，即施氮肥108 kg/hm2;N2：100%当地常规施氮量，即施氮肥135 kg/hm2;N3：120%当地常规施氮量，即施氮肥162 kg/hm2)，完全组合设计，共16个处理。田间排列采取裂区设计，轮作方式为主区，施氮量为副区，重复3次，副区面积5 m×6 m=30 m2，小区间宽30 cm。

试验开始于2008年，每年 6月底收获小麦后立即播种绿肥，9月中旬收获绿肥并切碎翻压，深度为20 cm，翻压量约2 500 kg/hm2，10月初播种冬小麦。氮肥在冬小麦播前一次施入，同时施用P2O5120 kg/hm2；绿肥种植前不施氮肥，只施用 P2O540 kg/hm2。

1.3 土壤样品采集

1.4 数据处理

数据处理及差异显著性分析采用SPSS 18.0软件进行。

2 结果与分析

2.1 绿肥和施氮对土壤化学性质的影响

表1显示，与休闲处理相比，除速效钾和绿豆处理速效磷外，各绿肥处理土壤有机质、碱解氮、速效磷含量均有不同程度提高，并且9月大于6月，表明种植和翻压绿肥明显提高了土壤有机质、碱解氮、速效磷含量，进而提升了土壤肥力水平。其中，土壤有机质含量6月提升最高的是怀豆处理，增幅为14.7%；9月则是绿豆处理，增幅为30.6%。土壤碱解氮含量增幅最大的是绿豆和怀豆处理，且二者的效果相当，增幅均达到约22.2%(6月)和约28.0%(9月)。土壤速效磷含量6月以大豆处理提升效果最好，增幅为12.9%;9月则是怀豆处理，增幅为12.0%。与休闲处理相比，各绿肥处理速效钾含量均没有明显的变化，说明土壤钾供给充足。

表1还显示，不同施氮处理总体上提高了有机质、碱解氮和速效磷含量，但是增加幅度不大，并且各处理间规律不一致，其中碱解氮含量提升幅度最大。说明施氮处理对土壤化学性质影响较绿肥低。

表1 绿肥和施氮对土壤化学性质的影响Table 1 Effects of green manure and nitrogen fertilizer on soil chemical properties

2.2 绿肥和施氮对土壤蔗糖酶活性的影响

土壤蔗糖酶将蔗糖催化为葡萄糖和果糖，可增加土壤中易溶性营养物质含量，是影响土壤碳素循环的酶类之一[17]。从表2可以看出，与休闲处理相比，6月大豆、绿豆、怀豆处理土壤蔗糖酶活性平均增幅分别为26.5%，36.5%和29.3%，而9月3种绿肥处理的土壤蔗糖酶活性平均增幅达21.6%，18.8%和27.6%，表明绿肥种植与翻压显著提高了土壤蔗糖酶活性。9月各处理土壤蔗糖酶活性远大于6月，表明由于绿肥翻压腐解后土壤养分含量提高，导致土壤中微生物活性增强，分泌到土壤中的蔗糖酶酶量增加，最终表现为土壤蔗糖酶活性升高。6月土壤蔗糖酶活性以绿豆处理最高，大豆和怀豆处理间差异不显著；9月则以怀豆处理最高，大豆、绿豆处理次之。这说明长期轮作后绿豆对土壤蔗糖酶活性提升效果较为明显，绿肥短期腐解以后则以怀豆的提升效果最好。

从表2还可以看出，随着施氮量的增加，土壤蔗糖酶活性产生了显著的变化，6月N2处理土壤蔗糖酶活性最高，N0处理次之；9月以N0处理土壤蔗糖酶活性最高，表明由于绿肥的固氮作用，土壤中氮素增加，导致施氮量对酶活性的贡献率减小，表观上呈现出随着施氮量的增加，土壤蔗糖酶活性总体呈降低的规律，从侧面揭示了绿肥具有明显的减氮效应。

表2 绿肥和施氮对土壤蔗糖酶活性的影响Table 2 Effects of green manure and nitrogen fertilizer on soil invertase activities μg/(g·h)

注：*:同行数据后标不同小写字母表示不同氮水平间差异显著(P<0.05)，同列数据后标不同大写字母表示不同绿肥处理之间差异显著(P<0.05)。下表同。

Note:Valuesfollowedbydifferentlowercaselettersineachrowindicatesignificantdifferencesbetweennitrogenfertilizerlevels(P<0.05),andvaluesfollowedbydifferentcapitallettersineachcolumnindicatesignificantdifferencesbetweendifferentgreenmanuretreatments(P<0.05).Thesamebelow.

2.3 绿肥和施氮对土壤脲酶活性的影响

土壤脲酶可催化尿素水解成氨，其活性在一定程度上决定了尿素氮的利用率，与土壤氮素循环相关[17]。本试验绿肥和施氮对土壤脲酶活性的影响结果见表3。

表3 绿肥和施氮对土壤脲酶活性的影响Table 3 Effects of green manure and nitrogen fertilizer on soil urease activities μg/(g·h)

从表3可看出，种植和翻压绿肥后，土壤脲酶活性增大。与休闲处理相比，6月和9月各绿肥处理土壤脲酶活性平均增幅分别为1.34%～9.99%和31.80%～37.01%，且9月各绿肥处理土壤脲酶活性远大于6月，表明长期种植绿肥对土壤脲酶活性的提升作用一般，而绿肥短期腐解对土壤脲酶活性的提升作用较为明显，这主要是由于绿肥翻压后，增强了土壤的有机质、氮素等养分含量，提高了土壤微生物的活性，改善土壤性状所致。

从表3还可以看出，6月3种豆科绿肥处理中，绿豆和怀豆处理土壤脲酶活性都显著高于休闲处理，大豆与休闲处理差异不显著；9月则以大豆处理最高，怀豆、绿豆处理次之。这说明长期轮作后怀豆和绿豆对脲酶活性提升较为明显，绿肥短期腐解以后则以大豆的提升效果最大。

随着施氮量增加，绿肥种植前和翻压后各处理土壤脲酶活性平均值有较大差异，6月表现为N3>N1>N2>N0，9月表现为N0>N3>N1>N2(表3)。表明绿肥翻压对土壤脲酶活性有重要影响，揭示出6月份施用氮肥对脲酶具有明显的正效应，但在9月施用氮肥则有明显抑制作用，主要是由于绿肥翻压导致土壤中氮素含量增加所致。

2.4 绿肥和施氮对土壤碱性磷酸酶活性的影响

磷酸酶作为土壤磷素循环的重要酶类，其可将有机磷转化为植物可利用的无机磷。土壤有机磷转化受多种因子制约，有机磷转化是有机质矿化过程的基本部分，磷酸酶参与其中。土壤中磷酸酶可分为酸性、中性和碱性3种，在不同酸性、碱性土壤中，这3种磷酸酶的比例是不同的，因供试土壤为碱性土壤，故本研究只考虑碱性磷酸酶活性。表4显示，种植和翻压绿肥后，土壤碱性磷酸酶活性明显增强，其中3种豆科绿肥处理土壤碱性磷酸酶活性在6月和9月的增幅分别为2.2%～7.2%和17.0%～22.4%，可见9月份绿肥翻压后对土壤碱性磷酸酶的影响更明显，其土壤碱性磷酸酶活性值远大于6月。

表4还显示，6月3种豆科绿肥处理中，大豆和怀豆处理土壤碱性磷酸酶活性显著高于休闲处理，绿豆与休闲处理差异不显著；9月则以绿豆处理最高，怀豆与大豆处理之间差异不显著。结果表明,不同绿肥处理在不同月份对土壤碱性磷酸酶活性的提升作用不一致。

不同施氮量对土壤碱性磷酸酶活性影响有差异,6月各施氮量处理中，以N0处理碱性磷酸酶活性最高，其余处理之间差异不显著；9月各施氮处理中，以N1和N3处理土壤碱性磷酸酶活性较高(表4)。

表4 绿肥和施氮对土壤碱性磷酸酶活性的影响Table 4 Effects of green manure and nitrogen fertilizer on soil alkaline phosphatase activities μg/(g·h)

2.5 绿肥和施氮对土壤芳基硫酸酯酶活性的影响

土壤硫基水解酶如芳基硫酸酯酶是参与土壤硫素循环的重要酶类，它能水解土壤有机硫(酯硫)中的硫酯键释放出无机硫。从表5可以看出，种植和翻压绿肥后，土壤芳基硫酸酯酶活性总体增大，表明绿肥处理提高了土壤芳基硫酸酯酶活性，6月和9月3种豆科绿肥处理土壤芳基硫酸酯酶活性平均值较休闲处理的增幅分别达到了12.0%～25.6%和-0.52%～60.41%，其中9月芳基硫酸酯酶活性平均值小于6月，这可能与土壤中硫的循环有关，在9月长武地区处于秋雨季节，土壤较长时间被水浸泡，产生了厌氧环境，加快了反硫化作用的进程，降低了有机硫的分解过程，从而导致土壤芳基硫酸酯酶活性降低，具体原因有待以后进一步探讨。

从表5还可以看出，6月3种豆科绿肥处理土壤芳基硫酸酯酶活性显著高于休闲处理，其中以怀豆处理最高；9月以大豆处理最高，怀豆处理次之，绿豆处理低于休闲处理，这有可能是9月降雨导致土壤厌氧环境产生的负作用掩盖了绿肥的正效应所致。

不同施氮量处理下，6月土壤芳基硫酸酯酶活性平均值最高的为N0处理，N2和N3处理最低，9月则以N1处理最高，N2处理最低(表5)。表明过多施用氮肥对土壤芳基硫酸脂酶活性有一定的抑制作用。6月大豆、绿豆和怀豆处理的土壤芳基硫酸酯酶活性最大值对应施氮处理分别为N1、N3和N0处理，9月相对应的是N0、N1和N1处理，可以看出怀豆与大豆处理的减氮效应最明显。

表5 绿肥和施氮对土壤芳基硫酸酯酶活性的影响Table 5 Effects of green manure and nitrogen fertilizer on soil arylsulfatase activities μg/(g·h)

2.6 绿肥和施氮对土壤脱氢酶活性的影响

脱氢酶能自基质中析出氢而有氧化作用，其活性大小直接反映土壤微生物的数量和活性[18]。表6显示，6月3种豆科绿肥处理土壤脱氢酶活性平均值较休闲处理的增幅为-9.67%～38.3%，而9月则为-10.4%～29.5%，9月土壤脱氢酶活性及其增幅均小于6月，可见翻压绿肥短期内并不能使土壤脱氢酶活性增加，这可能也与秋雨季节土壤的厌氧环境有关。6月绿豆和怀豆处理显著提升了土壤脱氢酶活性，而大豆处理则有显著抑制作用，9月也表现出类似的规律，表明种植大豆在一定程度上抑制了土壤脱氢酶活性，而种植怀豆和绿豆却可增加土壤脱氢酶活性。

表6还显示，土壤脱氢酶活性总体呈现出随着氮肥用量的增加而降低的趋势，具体表现为N0>N1>N3、N2(6月)，N1>N2、N0>N3(9月)，这可能是由于渭北旱塬往年施氮量长期过大，加之绿肥的固氮效应，导致土壤中氮素含量已经满足了微生物生长的需要，此时已经不再需要补充额外的氮素，过多的氮素反而对微生物活性不利。

表6 绿肥和施氮对土壤脱氢酶活性的影响Table 6 Effects of green manure and nitrogen fertilizer on soil dehydrogenase activities μg/(g·h)

2.7 绿肥和施氮交互作用对土壤酶活性的影响

表7显示，绿肥对5种酶活性具有极显著的作用，6月影响幅度大小顺序为脱氢酶>芳基硫酸酯酶>蔗糖酶>脲酶>碱性磷酸酶，9月为脲酶>芳基硫酸酯酶>蔗糖酶>脱氢酶>碱性磷酸酶。总体而言，绿肥处理对芳基硫酸酯酶和蔗糖酶活性影响较大，而对碱性磷酸酶活性影响较小。施氮量对5种土壤酶活性影响均达到极显著水平，其中对脲酶和蔗糖酶影响更为明显。绿肥和氮肥处理对土壤酶活性具有较强的交互作用，这种交互作用对6月芳基硫酸酯酶和9月脲酶活性影响更大，对碱性磷酸酶作用相对较弱，但均达极显著水平。

2.8 绿肥和施氮对土壤总体酶活性的影响

由于不同土壤酶对绿肥种植翻压的响应并不一致，为了更加准确地评价绿肥对土壤总体酶活性水平的影响，本研究计算了各处理的土壤总体酶活性TEI，结果见表8。从表8可以看出，绿肥增加了土壤总体酶活性，6月土壤总体酶活性表现为怀豆>绿豆>大豆>休闲，9月为怀豆>大豆>绿豆>休闲，其中6月和9月怀豆处理的TEI比休闲处理分别提高了26.08%和27.87%。表明怀豆对土壤整体酶活性的提升作用最强，即怀豆可作为当地豆类种植的优势品种。氮肥对土壤总体酶活性参数也有明显影响，除6月大豆和绿豆处理在N3时土壤总体酶活性最大外，其余绿肥处理均在N0或N1时达到最大，其中9月TEI平均值表现为N0>N1>N3>N2，揭示出从土壤总体酶活性角度来看，绿肥的减氮效应十分明显。在种植翻压绿肥的基础上,施氮108kg/hm2的效果是最佳的。

表7 绿肥与施氮对土壤酶活性影响的方差分析结果Table 7 Variance analysis on effects of green manure and nitrogen level on soil enzyme activities

注：**P<0.05；**P<0.01；***P<0.001。表9同。

Note:*P<0.05;**P<0.01;***P<0.001.ThesameforTable9.

表8 绿肥和施氮对土壤总体酶活性的影响Table 8 Effects of green manure and nitrogen fertilizer on soil total enzyme activities index

为了解绿肥种植和翻压后，对土壤化学性质和酶活性的影响是否一致，本研究对土壤酶和化学性质相关性进行了分析，结果见表9。从表9可以看出，不同土壤酶活性间关系极为密切，其中土壤蔗糖酶、脲酶及碱性磷酸酶活性三者之间均呈极显著正相关，芳基硫酸酯酶与脱氢酶活性间呈极显著正相关，而芳基硫酸酯酶和脱氢酶与以上3种酶活性间均呈显著或极显著负相关，表明土壤蔗糖酶、脲酶及碱性磷酸酶活性对绿肥种植和翻压的响应是一致的，而芳基硫酸酯酶和脱氢酶与上述3种酶活性的变化相反。5种土壤酶活性与土壤有机质呈现极显著相关关系，其中芳基硫酸酯酶、脱氢酶活性与有机质呈负相关，其他土壤酶活性与有机质呈正相关，这可能与试验地土壤类型及气候条件有关。除蔗糖酶活性与碱解氮相关性不显著外，土壤蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶活性总体上均与土壤碱解氮、速效磷和速效钾间呈显著或极显著正相关关系，进一步揭示出土壤蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性能反映土壤肥力的变化，可以作为辅助的肥力指标。此外，土壤芳基硫酸酯酶和脱氢酶活性与土壤速效钾含量间均呈极显著负相关。

表 9 种植和翻压绿肥后土壤酶活性与土壤化学性质相关性Table 9 Correlation coefficients between soil enzyme activities and chemical properties

注：*自由度n-2=30。

Note:Freedomn-2=30.

3 结 论

本研究结果显示，种植和翻压绿肥是一种良好的栽培措施，对提升土壤质量具有十分重要的意义，其中长武怀豆是黄土高原地区最适绿肥种植品种，其可显著提高土壤蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶、芳基硫酸酯酶、脱氢酶和总体酶活性，其次为绿豆和大豆。与绿肥相比，施氮量对土壤酶活性影响较小，不施氮或少施氮后，土壤酶活性保持在较高水平，揭示出绿肥具有明显的减氮作用,在种植翻压绿肥的基础上,施氮量以108kg/hm2最佳；绿肥与施氮对土壤酶活性具有显著的交互作用。相关分析显示，5种土壤酶活性与土壤有机质含量间呈极显著关系，土壤蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性与碱解氮、速效磷、速效钾间总体呈显著或极显著正相关关系，表明土壤蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶活性在一定程度上可以表征黄土高原农田土壤的肥力水平。

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Soil chemical properties and enzyme activities in long-term green manure plot in Loess Plateau

PENG Ying-ping1a,HE Wen-xiang1a,2,WANG Zi-quan1a,ZHANG Jing1a, YAN Hui-rong1b,GAO Ya-jun1a,2,CAO Wei-dong3

(1 aCollegeofNaturalResourcesandEnvironment,bCollegeofLifeSciences,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2KeyLaboratoryofPlantNutritionandAgro-environmentinNorthwestChina，MinistryofAgriculture，Yangling,Shaanxi712100，China;3InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China)

【Objective】 This study investigated the effects of green manure and nitrogen fertilizer application on soil chemical properties and enzyme activities to choose optimal green manure species and nitrogen fertilizer application amount.【Method】 Soil samples were collected in June and September 2012 from a long-term green manure experiment plot located in Changwu,China,which started in 2008 with 4 green manure treatments (soybean,mung bean,huai bean and fallow) and 4 nitrogen fertilizer treatments (no nitrogen fertilizer,80%,100% and 120% of the local conventional nitrogen fertilizer rate of 135 kg/hm2).Soil chemical properties (organic matter,alkali-hydrolyzable N,available P,and available K) and activities of five soil enzymes (invertase,urease,alkaline phophatase,arylsulphatase,and dehydrogenase) were analyzed. 【Result】 Growth and incorporation of green manure significantly increased the contents of soil organic matter,alkali-hydrolyzable N and available P,but had little effect on available K content.Except the decrease of soil dehydrogenase activity in soybean treatment,green manure significantly increased soil enzymes activities with the highest increase in total enzyme activity index(TEI) in huai bean treatment followed by mung bean and soybean.TEI of fallow treatment was significantly lower.With the increase of nitrogen application,the activities of soil invertase,urease (except June),and arylsulphatase decreased,while alkaline phosphatase activity was little affected.Green manure and nitrogen application had strong interaction on soil enzyme activities.There were significant correlations between most soil enzyme activities and chemical properties after green manure growth and incorporation.【Conclusion】 Huai bean was a good leguminous green manure in Loess Plateau dryland.Green manure growth and incorporation could reduce the nitrogen application rate and the obtained optimum nitrogen application rate was 108 kg/hm2.

green manure;soil enzyme;nitrogen fertilizer;soil total enzyme activity index

时间:2015-08-05 08:56

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.09.019

2014-02-24

农业部公益性行业(农业)科研专项(201103005,200803029)；西北农林科技大学基本科研业务费科研创新重点项目(ZD2013012)

彭映平(1988-)，男，云南楚雄人，在读硕士，主要从事土壤生化活性研究。E-mail:laopiao50@163.com

和文祥(1968-)，男，陕西黄龙人，教授，博士，博士生导师，主要从事土壤生态毒理及土壤生物化学研究。 E-mail:wxhe1968@163.com

S154.2

A

1671-9387(2015)09-0131-08

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