长期有机无机配施对暗棕壤土壤酶活性及春麦产量品质的影响

丁维婷，武雪萍*，张继宗*，姜 宇，房静静，宋霄君，李婧妤， 郑凤君，张孟妮，刘晓彤

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2.黑龙江省农业科学院黑河分院， 黑龙江 黑河 164300；3.首都师范大学，北京 100048；4.山西师范大学，山西 临汾 041004）

土壤酶作为土壤质量的生物活性指标在土壤生态系统中扮演着重要角色［1-3］，它与土壤养分循环、能量转移以及环境质量等密切相关［4-5］，土壤酶活性的高低可以作为土壤肥力评价的一个重要指标［6-7］，而土壤肥力水平影响作物的产量和品 质［8］。当前关于土壤肥力的理论研究更多集中在土壤化学和土壤物理方面，因此，研究土壤中最活跃和作用最关键的生物学组分-土壤酶活性与土壤状况的关系尤为重要。

有机肥含有大量养分和丰富的酶促基质。研究表明，平衡施肥、施有机肥和有机肥配施化肥可明显提高土壤酶活性［9-10］。施用有机肥促进土壤微生物的生长和繁殖，能改善土壤理化性质，使作物获得增产提质的效果［8］。小麦籽粒产量和品质受生态环境、品种遗传及施肥措施等诸多因素的影响，其中，肥料的调控效果较为明显［11］。选择适宜的肥料种类和配比是提高土壤肥力并使作物获得优质高产的重要手段。

国内外专家和学者关于有机肥配施化肥对土壤肥力以及农作物产量、品质的影响进行了大量的研究［12-13］，但有关东北暗棕壤春小麦有机肥与无机肥的适宜用量及长期的施肥效应等问题有待深入探讨，本研究以暗棕壤41年的长期定位施肥试验为平台，研究长期有机无机配施对土壤酶活性、春麦籽粒产量和品质的影响，因地制宜确定具体施肥措施，结合关键性指标来评价土壤培肥效果，以期为建立科学合理的有机无机肥配施技术体系提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

长期定位施肥试验位于黑龙江省北部黑河农业科学院内（50°15′N，127°27′E），温带湿润季风气候，年均气温为-2.0～1.0℃，无霜期105～120 d，年均降水量为510 mm左右，年均蒸发量650 mm。试验地土壤类型为暗棕壤，是东北地区占地面积最大的森林土壤之一，暗棕壤一般呈微酸性，表层腐殖质积聚，有机质和全氮含量相当高，速效性（氮、磷、钾）养分含量较丰富。试验开展时耕层土壤（0～20 cm）的基本性状为：有机质含量42.2 g·kg-1，全氮2.23 g·kg-1，全磷1.66 g·kg-1，有效磷8.1 mg·kg-1，pH值6.12［14］。

1.2 试验设计

本试验为长期定位施肥试验，开始于1979年。供试春小麦品种为“龙麦35号”，每年4月初播种，8月中旬收获，种植制度为小麦-大豆，一年一熟轮作制，两作物施肥量一致，田间管理与当地常规相一致。有机肥为腐熟的马粪，其含碳287.8 g·kg-1，氮（N）20.6 g·kg-1，磷（P）7.5 g·kg-1，钾（K）19.6 g·kg-1，C/N为13.9。施用有机肥量（湿重）为15 000 kg·hm-2，每3年施1次。氮肥为尿素（N 46%），磷肥为磷酸二铵（N 18%，P2O546%），不施钾肥，氮、磷化肥均在小麦播种前一次性施用。

本试验设6个处理：①不施肥（CK）；②低量化肥（NP）；③中量化肥（2NP）；④高量化肥（4NP）；⑤有机肥（M）；⑥有机肥+中量化肥（M+2NP）。具体施肥量见表1。各小区随机排列，每个小区面积212 m2（10根垄，垄长30 m×垄宽0.7 m）；小麦行距10 cm，株距0.9 cm，大豆行距65 cm，株距4.5 cm；小麦的密度为650万～700万株·hm-2，大豆的密度为34万～35万株·hm-2。试验地周围设有1 m宽保护区，不施肥，种植作物与试验田一致，旱地为雨养农业，无灌溉。

表1 试验处理及施肥量 （kg·hm-2）

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土样采集与处理

土壤样品于小麦收获期（2019年8月11日）进行采集。各小区均匀布点，分别选取3个采样点，采样深度为0～20 cm，除去土壤样品中的植物根系、石砾和其他杂物，将土壤样品过2 mm筛，混匀样品并装入聚乙烯样品袋中，冷藏带回实验室，存放在-20℃冰箱中待测。

1.3.2 土壤酶活性测定

称取1.0 g新鲜土样，放入500 mL的玻璃烧杯中，加入灭菌后冷却的醋酸缓冲液125 mL，用磁力搅拌器充分混匀，严格按照相应要求，使用多通道移液器将缓冲液、土壤样品悬浊液、标准品和相应底物加入到黑底的96孔酶标板中［15］，采用多功能酶标仪（Scientific Fluoroskan Ascent FL，美国）测定5种土壤水解酶活性，即β-葡萄糖苷酶（BG）、β-纤维二糖苷酶（CBH）、乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、酸性磷酸酶（AP）和亮氨酸氨基肽酶（LAP），相应底物见表2。具体测定参照Saiya-Cork等［16］的方法并稍作修改。试剂购于Sigma-Aldrich Co. Ltd公司，用无菌水配置后于4℃冰箱短暂保存待用。

表2 测试酶及所用底物

1.3.3 小麦籽粒产量测定

小麦收获期取样，各小区设3个1.0 m2样方取样，风干后脱粒、称重，计算产量。

1.3.4 小麦综合品质测定

采用DA7200多功能近红外分析仪（瑞典波通公司）测定小麦品质指标，蛋白质含量、容重、出粉率、湿面筋含量、沉降值、吸水率、稳定时间、形成时间、最大拉伸阻力、延展性和拉伸面积等。重复3次。

1.4 数据统计分析

土壤酶活性值计算具体参照 Deforest［17］的方法。

采用Excel 2010和SPSS 16.0软件进行数据、图表处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对暗棕壤土壤酶活性的影响

2.1.1 土壤β-葡萄糖苷酶活性

如图1所示，单施有机肥处理的土壤β-葡萄糖苷酶活性显著高于其他处理，以单施高量化肥处理的土壤酶活性最低。与对照相比，单施化肥（NP、2NP和4NP）处理的土壤β-葡萄糖苷酶活性分别降低了34.58%、15.08%、56.67%，而单施有机肥处理和有机肥配施中量化肥处理的土壤酶活性分别提高了19.11%、2.79%，有机肥配施中量化肥处理较单施中量化肥处理显著提高了21.04%。

图1 不同施肥处理下β－葡萄糖苷酶活性

2.1.2 土壤β-纤维二糖苷酶活性

如图2所示，施有机肥处理的β-纤维二糖苷酶活性高于不施肥和全量化肥处理，单施化肥处理的土壤β-纤维二糖苷酶活性较CK降低了36.99%～54.20%，而单施有机肥处理和有机肥配施中量化肥处理的土壤酶活性分别提高了63.74%、20.64%，有机肥配施中量化肥处理较单施中量化肥处理提高了91.46%，有机肥的施用显著提高了土壤β-纤维二糖苷酶活性。

图2 不同施肥处理下β－纤维二糖苷酶活性

2.1.3 土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性

如图3所示，单施有机肥处理的土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性显著高于其他处理，除单施有机肥处理外，各处理间差异均不显著。与对照相比，单施化肥（NP和4NP）处理的土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性分别降低了19.39%、28.68%，而单施中量化肥、有机肥和有机肥配施中量化肥处理分别提高了11.62%、322.68%、59.58%，有机肥配施中量化肥处理较单施中量化肥处理提高了 42.97%。

图3 不同施肥处理下乙酰氨基葡萄糖苷酶活性

2.1.4 土壤酸性磷酸酶活性

如图4所示，以单施有机肥处理的土壤酸性磷酸酶活性最高，单施高量化肥处理最低。与对照相比，单施化肥（NP、2NP和4NP）处理和有机肥配施中量化肥处理的土壤酸性磷酸酶活性分别降低了42.69%、32.42%、58.30%、3.24%，而单施有机肥处理提高了27.57%，可以看出，配施有机肥使土壤酸性磷酸酶活性下降幅度显著减小。

图4 不同施肥处理下酸性磷酸酶活性

2.1.5 土壤亮氨酸氨基肽酶活性

如图5所示，单施有机肥处理的土壤亮氨酸氨基肽酶活性显著高于其他各处理，单施化肥处理的酶活性随着肥料施入量的增加而减少。与对照相比，单施化肥（NP、2NP和4NP）处理和有机肥配施中量化肥处理的土壤亮氨酸氨基肽酶活性分别降低了2.36%、62.69%、81.71%、26.96%，单施有机肥处理提高了59.65%，有机肥配施中量化肥处理较单施中量化肥处理提高了95.74%。

图5 不同施肥处理下亮氨酸氨基肽酶活性

2.2 不同施肥处理对春小麦籽粒产量的影响

如图6所示，不同施肥处理下小麦籽粒产量存在显著差异。小麦平均产量表现为CK

图6 不同施肥处理小麦平均产量

2.3 不同施肥处理下小麦品质性状分析

将小麦品质性状分为籽粒品质、面粉品质和面团品质3类指标进行分析，见表3。

表3 不同施肥处理对小麦综合品质的影响

2.3.1 不同施肥处理对小麦籽粒品质的影响

小麦籽粒蛋白质含量表现为2NP

小麦籽粒容重整体表现与籽粒蛋白质含量一致。除单施中量化肥处理外，其他处理较CK增加了0.45%～2.05%。单施有机肥处理与有机肥配施中量化肥处理差异不显著，较CK分别提高了1.56%、2.05%，以有机肥配施中量化肥处理对小麦籽粒容重的影响效应最显著。

小麦籽粒出粉率整体表现为NP=2NP

2.3.2 不同施肥处理对小麦面粉品质的影响

各处理面粉沉降值整体表现为2NP

面粉湿面筋含量整体表现为2NP

面粉吸水率整体表现为2NP

2.3.3 不同施肥处理对小麦面团品质的影响

不同施肥处理面团延展性与形成时间整体均 表现为CK=2NP

各施肥处理面团稳定时间、拉伸面积和最大拉伸阻力整体表现为2NP

2.4 不同施肥处理下土壤碳氮转化相关酶与籽粒产量、品质的相关分析

长期不同施肥处理下，碳氮转化相关酶彼此之间密切相关（表4）。本研究发现，β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶和亮氨酸氨基肽酶彼此之间均呈极显著正相关。除亮氨酸氨基肽酶与籽粒产量之间呈负相关，β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶以及酸性磷酸酶与产量之间均呈正相关，但相关性不显著。

籽粒品质中，土壤酶与蛋白质含量、出粉率之间呈正相关，β-纤维二糖苷酶、酸性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶与籽粒容重之间呈极显著或显著正相关；面粉品质中，土壤酶与湿面筋含量呈正相关，β-纤维二糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶与沉降值呈显著正相关。β-纤维二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶和亮氨酸氨基肽酶与吸水率呈极显著或显著正相关；面团品质中，β-葡萄糖苷酶与面粉品质中的各指标均呈正相关，β-纤维二糖苷酶与面团品质指标呈显著或极显著正相关。乙酰氨基葡萄糖苷酶与拉伸面积呈极显著正相关，与其他指标呈显著正相关。酸性磷酸酶与稳定时间和拉伸面积呈显著正相关。亮氨酸氨基肽酶与拉伸面积、稳定时间和最大拉伸阻力呈呈极显著或显著正相关。

表4 土壤酶与籽粒产量、品质的相关分析

3 讨论

崔喜安等［14］进行暗棕壤长期连续施肥的研究，发现无论是单施化肥、有机肥还是有机无机肥料配合施用，与不施肥处理相比都有不同程度的增产，与本试验得出一致结论。在保证农作物稳产、高产的前提下，减少化肥用量，提高肥料利用效率，是当前农业热点问题。从整个试验来看，以单施高量化肥、有机肥配施中量化肥这2个处理增产比例较高，但二者产量差异不显著，有机肥配施中量化肥处理减少化肥用量的同时，也能满足作物生产需求并获得稳产、高产。优良品质的前提是优良的品种，而配施有机肥可以改善小麦品质［18］。本研究结果表明，施用有机肥处理的小麦籽粒品质、面粉品质以及面团品质均表现出一致性的规律，其小麦品质均显著高于单施化肥处理，各品质指标在不同处理间的差异均达到显著水平，体现了施肥对小麦品质的可塑性。本试验综合考虑肥料投入量、小麦产量及品质等指标，有机肥和化肥的配合施用可兼顾较高的产量和品质，这与前人［18-19］的研究结果类似。

有机肥与化肥合理配施能更好地发挥肥料培肥土壤的作用，土壤的肥力水平影响着作物的产量和品质。樊军等［20］通过长期定位试验研究证实，施用有机肥为提高土壤肥力、作物产量和品质奠定基础，有机肥与化肥配施有效提高了粮食作物的产量和品质［21-24］。本研究发现，施用有机肥显著提高土壤酶活性，同时也增加了作物产量，并改善了作物品质。

土壤酶是研究土壤生态效应的有效传感器［25-26］，土壤酶活性的高低可以作为土壤肥力评价的一个重要指标［6-7］，李花等［27］研究了20年小麦-玉米轮作体系不同施肥对生物量和酶活性的影响，结果表明，有机肥配施化肥土壤养分含量、微生物量及酶活性显著高于不施肥和全量化肥处理。陶磊等［28］、孙瑞莲等［7］也得到类似的结果，即有机肥与化肥长期配施可以明显提高土壤酶活性。在土壤碳氮元素的转化过程中，β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶等发挥重要作用，可作为衡量土壤肥力理想的生物化学指标之 一［15］。李科江等［29］在半干旱区的施肥试验表明，施肥与不施肥相比均不同程度地提高了脲酶活性，尤其是施用有机肥的影响最大。本研究结果显示，与对照相比，有机肥处理的β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶以及酸性磷酸酶和亮氨酸氨基肽酶活性均有显著提高，有机肥配施中量化肥处理较单施中量化肥处理土壤酶活性提高了21.04%～95.74%。土壤酶是植物营养元素的活性库，有机肥与化肥长期合理配施显著提高了土壤酶活性，促进了土壤有机物的转化，可以直接或间接供给作物所需养分，满足了农作物对营养元素的需求，既提高了作物的产量和品质，又避免了肥料浪费，减少土壤污染。

合理施用有机肥促进农业高产、高效、持续健康的发展。因此，在提倡化肥减量增效、农业绿色发展的背景下，应平衡施肥，重视有机肥的投入，做到科学施肥，使高产高效、品质优良相统一。本试验中，相对于其他处理，有机肥配施中量化肥处理对提高土壤肥力、增加作物产量和改善作物品质效果显著。

4 结论

本试验各施肥处理以单施高量化肥、有机肥配施中量化肥2个处理产量最高，二者产量差异不显著。与单施高量化肥处理相比，有机肥配施中量化肥处理的土壤酶活性、品质指标分别提高了118.24%～298.87%、0.48%～29.32%，有机肥配施中量化肥处理比单施中量化肥的土壤酶活性、产量和各项品质指标分别提高了21.04%～95.74%、25.13%和1.44%～195.97%。综合考虑化肥用量、土壤肥力、小麦产量及品质等指标，有机肥配施中量化肥处理可兼顾较高的土壤肥力、作物产量和品质，推荐该处理作为东北暗棕壤地区春小麦的适宜施肥方式。