不同水氮处理对马铃薯土壤酶活性和产量的影响

王 顺，尹 娟，2，3，张海军，王 臣

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川750021；2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程中心，银川750021；3.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川750021）

0 引言

我国宁夏回族自治区位于干旱少雨、蒸发量大和水资源匮乏非常严重的干旱半干旱地区[1]。而水和肥料是农业生产的2个基本要素，它们对于作物生长是互相影响和互相制约的[2]。不合理的灌水施肥方式不仅会造成水肥的浪费，还会导致水肥利用率下降，更严重的还会导致土壤生态环境破坏，使得土壤肥力降低，土壤酶活性下降。

土壤酶是具有生物催化活性作用的特殊物质，它参与了土壤中许多重要的生化过程[3]。土壤过氧化氢酶在土壤生态系统中扮演着重要角色，它可以作为生物活性指标用于评估土壤质量的好坏[4]。土壤脲酶可以催化尿素生成NH3，与土壤的氮素循环有关[5]，其活性可以反映土壤的供氮能力。不同的灌溉和施肥条件会影响土壤过氧化氢酶活性和脲酶活性[3]。逯昀等[6]研究得出，不同水肥用量可增加根际土壤中的酶活性。Sardans J[7]等研究结果表明，当土壤水分降低时，脲酶和蛋白酶受水分胁迫影响较大，有着不同程度的降低。Giagnoni L等[8]研究不同氮形态对根际土壤酶活性的影响，发现2 种玉米品种在不同氮素条件下的生物量和土壤酶活性均有所增加。ZENG 等[9]研究了不同施用氮肥水平对桑园土壤酶活性的影响，发现合理的施用氮肥可提高土壤的酶活性。马铃薯对水分有着非常高的敏感性，在其生长发育过程中如果想获得高产必须要有充足的水分[10]。李文证[11]研究结果表明，补水量与施氮量之间的相互作用对马铃薯产量有着正效应，施氮肥时适当的进行补水有助于马铃薯产量的提高。而水分和氮肥的用量并不是越多越有利于马铃薯的生长，金建新等[12]研究发现增加灌水量有助于提高马铃薯产量，但超过一定量后，会出现降低现象。氮肥施用过量将抑制马铃薯的生长发育并降低马铃薯产量，甚至造成地下水资源和土壤环境的污染[13,14]。因此，合理的灌溉定额和氮肥施用量会对马铃薯的生长发育有着一定促进作用，从而使马铃薯产量得到较大的提高[15]。

在宁夏当地，多数研究的关注集中在马铃薯产量及品质方面，而有关马铃薯土壤酶活性的研究却鲜有报道，并且在其他作物酶活性测定当中取土层基本在0～15 cm，而本文研究中取土层为0～60 cm，且取土层次为20 cm 一层。因此本文主要研究了不同水氮处理对马铃薯土壤过氧化氢酶活性和土壤脲酶活性及产量的影响，旨在摸清土壤过氧化氢酶活性和脲酶活性随水氮用量变化而变化的规律，优选出适合宁夏中部干旱地区马铃薯种植和改善土壤生态环境的水氮管理模式。研究成果可为宁夏中部干旱地区马铃薯高效生产及农田土壤生态环境保护提供技术支撑和理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验区概况

试验区地址位于宁夏吴忠市同心县下马关镇五里墩村，属于典型的干旱区。北纬37°4′21″，东经106°26′41″，海拔1 730～1 950 m，年平均降雨量约260 mm，年蒸发量超过2 325 mm，昼夜温差大且紫外线强烈。试验田耕作层2019年基础理化性质见表1。

表1 土壤基础理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of soil foundation

1.2 试验设计

供试品种为“青薯九号”，本次试验设计了灌溉定额和施氮量2个因素，灌溉定额设3个水平（W1、W2、W3）和施氮量（纯氮）设3个水平（N1、N2、N3），试验因素水平表见表2。采取完全随机试验设计，试验共有9 个水氮处理，每个处理设3 次重复，总共设置27 个试验小区，同时设置空白对照处理（按照当地种植习惯，不覆膜且不灌水不施肥）。选用肥料类型分别为尿素（含46%氮），过磷酸钙（含12%磷），硫酸钾（含50 %钾）。每个处理施用磷肥（纯磷）为81.60 kg/hm2，施用钾肥（纯钾）为150 kg/hm2。

表2 试验因素水平Tab.2 Test factor level

马铃薯试验田于2019年4月30日播种，试验地各种植小区面积为16 m2，于播种前划定小区网格。种植模式采用垄作耕作方式，一膜2行，株距为50 cm，行距为60 cm，种子埋深为20 cm，种植密度为33 345 株/hm2。马铃薯在每个生育期阶段的灌水、施氮比例分配表见表3。

表3 各生育期灌水、施氮比例 %Tab.3 Proportion distribution of irrigation and nitrogen application in each growth period

1.3 测定项目及方法

（1）马铃薯土壤酶活性的测定。分别于马铃薯苗期（6月10日取土样）、初花期（7月1日取土样）、盛花期（8月1日取土样）和成熟期（9月5日取土样）在每个试验小区进行取土，每个小区取土层次为0～60 cm，每隔20 cm 取一个土壤样品，每个小区共3个土样，取土样后风干保存。土壤过氧化氢酶活性通过紫外分光光度法测定，土壤脲酶活性采用靛酚比色法测定。

（2）马铃薯产量的测定。从每个试验小区当中随机选取6株长势较好的马铃薯，称量单株产量，然后计算单株平均产量，再根据种植密度计算不同处理马铃薯每公顷产量。

1.4 数据处理

由Excel 2007和Origin 2017软件进行试验得出所有数据的整理和图表的绘制，由DPS 2014 软件进行数据处理之后的统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同水氮处理对0～20 cm土层土壤过氧化氢酶活性的影响

由于0～20 cm 土层是马铃薯土壤耕作层，而土壤耕作层是植物残体和微生物密集层，并且也是在土壤中分布有大量肥料的土层，耕作层对于保证适时供应作物所需营养起着决定性作用，因此主要分析不同水氮处理对马铃薯0～20 cm 土层土壤酶活性的影响。

由图1 可知，在马铃薯0～20 cm 土层中，W1N1、W2N1、W3N1、W3N2、W3N3处理土壤过氧化氢酶活性随生育期变化顺序为：初花期>盛花期>成熟期>苗期；W1N2、W1N3、W2N2、W2N3处理土壤过氧化氢酶活性随生育期变化顺序为：盛花期>初花期>成熟期>苗期。由于在初花期和盛花期，马铃薯土壤地温升高，地上部分植株的茎和叶生长及地下部分根系发育较快，需要吸收较多的养分，且水肥的施入大幅增加了土壤生物量，改善了土壤的呼吸，提高了土壤过氧化氢酶活性并促进有毒过氧化氢的分解；到了成熟期，马铃薯地上部分植株的营养生长趋于稳定，根系活动减弱，需要的水和肥料较少，这会减少土壤生物量，降低土壤呼吸强度，并降低过氧化氢酶活性。因此在0～20 cm 土层中可以说明，土壤过氧化氢酶活性随着马铃薯生育期的递进呈先升高后降低的变化趋势。

图1(a)～图1(c)分别表示在相同灌溉定额W1（900 m3/hm2）、W2（1 500 m3/hm2）和W3（2 100 m3/hm2）条件下不同的氮肥施用量对马铃薯土壤过氧化氢酶活性的影响。由图1(a)～图1(c)可知，在灌溉定额一定时，随着氮肥施用量的增加，马铃薯土壤过氧化氢酶活性呈现先升高后降低的变化趋势。因为施用适量的氮肥会激活酶的效应，从而增加土壤的酶活性，但是在施肥的土壤微环境中，过量的氮肥则会抑制酶促反应，阻碍微生物的合成作用，导致酶活性减弱。说明在相同灌溉定额条件下，与高施氮量相比，中施氮量更有利于马铃薯土壤过氧化氢酶活性的提高，这促进了过氧化氢酶在土壤中的作用，并减少了过氧化氢对农作物的有害影响。

图1(d)～图1(f)分别表示在相同施氮量N1（120 kg/hm2）、N2（210 kg/hm2）、N3（300 kg/hm2）条件下不同灌溉定额对马铃薯土壤过氧化氢酶活性的影响。由图1(d)、图1(e)可知，当施氮量为N1和N2时，随着灌溉定额的增加，马铃薯土壤过氧化氢酶活性呈上升趋势。由于灌溉能够改善土壤水分状况和土壤微生物活动，从而增强土壤酶活性，因此在中低施氮量条件下，灌溉定额越高越有利于增强过氧化氢酶活性；由图1(f)可知，当施氮量为N3 时，随着灌溉定额的增加，马铃薯土壤过氧化氢酶活性呈先上升后降低的变化趋势。尽管灌溉能够增强土壤酶活性，但在施肥过高情况下过度灌溉则会抑制酶活性，因此适当增加灌溉定额可以提高土壤酶活性。说明在高施氮量条件下，中等灌溉定额更有利于土壤过氧化氢酶活性的提高，而高水不利于好氧微生物的活动，使其活性降低。综合分析表明，中水中氮（W2N2）、高水低氮（W3N1）、高水中氮（W3N2）处理有利于增强0～20 cm 土层土壤过氧化氢酶活性，而低水低氮（W1N1）、低水高氮（W1N3）、中水低氮（W2N1）处理不利于0～20 cm 土层土壤过氧化氢酶活性的提高。

图1 不同水氮处理对马铃薯0～20 cm土层土壤过氧化氢酶活性的影响Fig.1 Effects of different water and nitrogen treatments on soil catalase activity of potato in 0～20 cm soil layer

2.2 不同水氮处理对0～20cm 土层土壤脲酶活性的影响

由图2 可知，在马铃薯0～20 cm 土层中，W1N1、W1N2、W2N1、W2N2、W2N3、W3N1 处理土壤脲酶活性随生育期变化顺序为：初花期>盛花期>成熟期>苗期；W3N2、W3N3处理土壤脲酶活性随生育期变化顺序为：盛花期>初花期>成熟期>苗期；W1N3处理土壤脲酶活性随生育期变化顺序为：初花期>成熟期>盛花期>苗期。其基本变化规律与过氧化氢酶活性相似，因此在0～20 cm 土层中，土壤脲酶活性与过氧化氢酶活性一样，均随着马铃薯生育期的递进呈先升高后降低的变化趋势。

图2(a)～图2(c)分别表示在相同灌溉定额W1（900 m3/hm2）、W2（1 500 m3/hm2）和W3（2 100 m3/hm2）条件下不同的氮肥施用量对马铃薯土壤脲酶活性的影响。由图2(a)可知，在灌溉定额为W1时，随着氮肥施用量的增加，马铃薯土壤脲酶活性呈现降低的变化趋势，这是因为在低灌溉定额条件下增加氮肥施用量，土壤溶液氮浓度较高，不利于微生物和植物根系脲酶的分泌，降低了土壤脲酶活性；由图2(b)、图2(c)可知，在灌溉定额为W2 和W3 时，马铃薯土壤脲酶活性随着施氮量的增加呈先升高后降低的趋势，这与在相同灌溉定额下不同施氮量对马铃薯土壤过氧化氢酶活性的变化规律相同。

图2(d)～图2(f)分别表示在相同施氮量N1（120 kg/hm2）、N2（210 kg/hm2）、N3（300 kg/hm2）条件下不同灌溉定额对马铃薯土壤脲酶活性的影响。由图2(d)～图2(f)可知，当施氮量一定时，随着灌溉定额的增加，马铃薯土壤脲酶活性呈先上升后降低的变化趋势。尽管灌溉能够增强土壤酶活性，但在施肥过高情况下过度灌溉则会抑制酶活性，因此适当增加灌溉定额可以提高土壤酶活性。说明相同施氮量条件下，中等灌溉定额更有利于土壤脲酶活性的提高，而高水不利于好氧微生物的活动，使其活性降低。综合分析表明，中水低氮（W2N1）、中水中氮（W2N2）、中水高氮（W2N3）处理有利于增强0～20 cm土层土壤脲酶活性，而低水中氮（W1N2）、低水高氮（W1N3）、高水低氮（W3N1）处理不利于0～20 cm 土层土壤脲酶活性的提高。

图2 不同水氮处理对马铃薯0～20 cm土层土壤脲酶活性的影响Fig.2 Effects of different water and nitrogen treatments on soil urease activity of potato in 0～20 cm soil layer

2.3 不同水氮处理对马铃薯不同土层土壤酶活性的影响

图3表示不同水氮处理对马铃薯不同土层土壤过氧化氢酶活性的影响。由图3可以明显看出初花期和盛花期阶段的土壤过氧化氢酶活性最高，并且在马铃薯不同生育期阶段的不同土层土壤过氧化氢酶活性有着不同的规律变化，但总体上可以看出，在土壤过氧化氢酶活性垂直分布层次上，土壤过氧化氢酶活性随着土层深度的加深而降低，即0～20 cm 土层土壤过氧化氢酶活性>20～40 cm 土层土壤过氧化氢酶活性>40～60 cm土层土壤过氧化氢酶活性。造成这一现象的原因是0～20 cm土壤层次是马铃薯作物耕作层，该层中植物残体及水分和肥料分布量较多，同时也是微生物比较密集的土层，由于该层酶作用底物较多，酶活性通常都很强，并且生化过程也非常活跃，这使土壤有机物质的酶解速度加快，在确保及时提供农作物所需的养分方面起着重要作用。随着土层的加深，马铃薯根系难以达到，微生物数量较耕作层减少，生物活性也较之减弱，所以酶活性降低。

图3 不同水氮处理对马铃薯不同土层土壤过氧化氢酶活性的影响Fig.3 Effects of different water and Nitrogen treatments on soil catalase activity in different soil layers of potato

图4表示不同水氮处理对马铃薯不同土层土壤脲酶活性的影响，由图4可以明显看出初花期和盛花期阶段的土壤脲酶活性最高，并且在马铃薯不同生育期阶段的不同土层土壤脲酶活性同样有着不同的规律变化，但总体上可以看出，在土壤脲酶活性垂直分布层次上，土壤脲酶活性随着土层深度的加深而升高，即0～20 cm 土层土壤脲酶活性<20～40 cm 土层土壤脲酶活性<40～60 cm 土层土壤脲酶活性，这与过氧化氢酶活性在垂直方向的变化规律相反。其变化原因与土壤理化性质以及马铃薯根系分布均匀有着一定的关系，并且有可能是由于土壤脲酶活性测定的试验数据误差导致了土壤脲酶活性随土层深度的加深而升高。

图4 不同水氮处理对马铃薯不同土层土壤脲酶活性的影响Fig.4 Effects of different water and Nitrogen treatments on soil urease activity in different soil layers of potato

2.4 不同水氮处理对马铃薯产量及商品薯率的影响

表4 表示不同水氮处理对马铃薯产量和商品薯率的影响。由表4 得知，马铃薯产量由高到低的顺序为：W2N2>W3N2>W2N3>W2N1>W1N2>W3N1>W1N3>W3N3>W1N1>CK， 其中产量最高的处理为W2N2，为53 698.95 kg/hm2，产量最低的处理为CK，为40 236.90 kg/hm2。由表4 得知，马铃薯商品薯率由高到低的顺序为：W2N2>W3N1>W3N3>W2N1>W2N3>W3N2>W1N1>W1N2>W1N3>CK，其中商品薯率最高的处理为W2N2，为96.4%，商品薯率最低的处理为CK，为84.87%。

表4 不同水氮处理对马铃薯产量及商品薯率的影响Tab.4 Effect of different water and Nitrogen treatments on potato yield and commercial potato rate

试验所有处理马铃薯产量和商品薯率均高于CK 处理，表明灌溉和施氮有利于马铃薯产量和商品薯率的提高。当灌溉定额一定时，低氮和高氮都不利于马铃薯产量和商品薯率的增加；当施氮量一定时，适量的灌溉定额更有利于提高马铃薯产量和商品薯率。以马铃薯产量和商品薯率最高为衡量标准，W2N2为最佳处理，且更符合马铃薯市场需求，更有利于农民增收。

2.5 马铃薯产量方差分析

对马铃薯产量进行方差分析，见表5。由表5 可知，区组间对马铃薯产量的影响差异表现为不显著（P>0.05）。灌溉定额因素对马铃薯产量有着显著影响（P<0.05），施氮量因素也对马铃薯产量有显著影响（P<0.05）。灌溉定额和施氮量2 因素之间的相互作用对马铃薯产量无显著影响（P>0.05）。

表5 马铃薯产量方差分析（固定模型）Tab.5 Potato yield analysis of variance(fixed model)

由表4 可以看出，W2N2 与W1N1 处理之间的马铃薯产量存在着极显著差异（P<0.01），W2N2 与W1N3、W3N1 和W3N3 处理之间的马铃薯产量具有显著差异（P<0.05），W1N1处理与W2N3和W3N2之间马的铃薯产量存在着显著差异（P<0.05），其余各处理之间的马铃薯产量无显著差异（P>0.05）。高水高氮（W3N3）处理在此试验中的产量并不是最高，表明高水高氮并不适合当地的马铃薯生长，并且还会造成水和肥料的浪费。而低水低氮（W1N1）处理也不适合马铃薯的生长。

2.6 马铃薯土壤酶活性与产量的相关分析

表6 表示马铃薯0～20 cm 过氧化氢酶活性均值、20～40 cm过氧化氢酶活性均值、40～60 cm 过氧化氢酶活性均值、0～20 cm 脲酶活性均值、20～40 cm 脲酶活性均值、40～60 cm 脲酶活性均值和产量7个指标之间的相关性，其中各个土层的酶活性均值针对的是所有处理，并不是单独某一处理。通过表7中数据可知，0～20 cm 土层过氧化氢酶活性与马铃薯产量之间呈极显著正相关，0～20 cm脲酶活性和20～40 cm脲酶活性与马铃薯产量之间呈显著正相关，即马铃薯0～20 cm 土层过氧化氢酶活性和0～20 cm 土层脲酶活性及20～40 cm 土层脲酶活性越高，马铃薯产量越高；而20～40 cm 土层和40～60 cm 土层过氧化氢酶活性及40～60 cm 土层脲酶活性与马铃薯产量均表现为负相关。

表6 马铃薯土壤酶活性和产量的相关分析Tab.6 Correlation analysis of potato soil enzyme activity and yield

3 讨论

本试验研究结果中，0～20 cm 土层土壤酶活性随着马铃薯生育期阶段的递进呈现先升高后降低的变化趋势。从垂直方向上来看，随着土层深度的增加，马铃薯土壤过氧化氢酶活性呈现出下降的趋势，这与孙慧等[4]的研究结果相似；相反马铃薯土壤脲酶活性则呈上升趋势，这与关松荫[16]书中结果相违背，这可能与试验得出的数据误差有关，还有待后续进一步研究。对于垂直方向的土壤酶活性，除了土层的变化外，还与有机质和土壤养分等其他因素有关[17]。且土壤酶活性的高低与土壤类型，植被特征，土壤微生物数量，土壤动物类群、数量、多样性以及酶类本身的性质有关[18-20]。而水分和肥料条件也都会对土壤酶活性产生一定的影响，朱同斌等[3]研究结果表明，不同施氮处理和水分的试验组合对土壤酶活性的影响有着显著性的差异，土壤水分和肥料试验条件下对于土壤酶的影响趋势并不一致。因此，合理的水氮处理能够增加土壤酶活性，从而促进植物植株的生长，改善土壤质地和生态环境。

合理的灌溉定额和施氮量更有利于马铃薯产量的提高。在本试验中，当灌溉定额一定时，马铃薯产量随着施氮量的增加呈现出先升高后降低的变化趋势，并在中氮（210 kg/hm2）时达到最高，这与王臣等[21]和商美新等[22]的研究结果相似，表明适量的灌溉可以使马铃薯产量得以提高。当施氮量一定时，马铃薯产量随灌溉定额的增加呈先升高后降低的变化，并在中水（1 500 m3/hm2）时达到最大值，这类似于刘凡等[23]的研究结果，表明适当的灌溉定额可以使马铃薯产量明显提高。总体来说，在本试验中，高出中氮的施氮量和中水的灌溉定额都会对马铃薯的生长起到抑制作用，降低马铃薯产量。

进行土壤过酶活性与产量的相关分析，屠娟丽等[24]研究发现马铃薯产量与土壤过氧化氢酶活性之间的相关性达到了显著水平，但脲酶活性与产量之间却不显著，这与本实验结果得出的0～20 cm 土层土壤过氧化氢酶活性与马铃薯产量呈极显著正相关相似，但与0～20 cm 和20～40 cm 土层土壤脲酶活性与产量之间呈显著正相关却不相同。

4 结论

本试验中，研究了不同水氮处理对马铃薯土壤过氧化氢酶活性和脲酶活性及产量的影响，得出了以下结论。

（1）0～20 cm 土层中的土壤过氧化氢酶活性和脲酶活性均随着马铃薯生育期阶段的递进呈现先升高后降低的趋势。在垂直方向上，随着土壤深度的增加，土壤过氧化氢酶活性呈降低的变化趋势，而土壤脲酶活性则呈升高趋势。不同水氮处理对马铃薯不同生育期阶段酶活性的影响程度不同，综合分析中水中氮（W2N2）有利于增加土壤酶活性，而低水高氮（W1N3）则不利于土壤酶活性的提高；

（2）中水中氮（W2N2）处理的马铃薯产量和商品薯率最高，分别为53 698.95 kg/hm2和96.4%。

（3）0～20 cm 土层过氧化氢酶活性与马铃薯产量呈极显著正相关，0～20 cm 和20～40 cm 土层土壤脲酶活性呈显著正相关，即0～20 cm 土层过氧化氢酶活性和0～20 cm 及20～40 cm 土层土壤脲酶活性越高，马铃薯产量越高

综合考虑，中水中氮（W2N2）为最佳处理，有利于提高马铃薯产量和改善土壤生态环境。因此推荐W2N2处理（灌溉定额为1 500 m3/hm2，施氮量为210 kg/hm2）作为宁夏中部干旱地区马铃薯种植水氮管理模式。