麦-豆周年不同施氮组合对复播大豆土壤肥力及周年产量的影响

房彦飞，徐文修，符小文，唐江华，张永杰，杜孝敬，安崇霄，张 娜，廖思鹏

（新疆农业大学农学院，新疆 乌鲁木齐 830052）

近年来，气候变暖、热量资源的增加使冬小麦-夏大豆周年轮作成为新疆伊犁河谷地区培肥地力、增产增收的主要复种模式之一。然而，熟制的增加使得周年施肥问题也随之产生，一方面表现在不重视夏季作物施肥甚至不施肥，致使后茬作物产量和经济效益低；另一方面，随着农户对麦-豆两熟制生产力要求的不断提高，未考虑到前茬作物的氮肥后效和大豆的固氮特性，仍按单季作物施肥使周年氮肥施用量过多，导致土壤肥力下降和产量不增反降等问题日益突出。为此，将冬小麦-夏大豆种植体系作为整体，统筹前、后茬两季作物周年氮肥施用量，是提高土壤肥力和周年作物产量亟须解决的重要问题。

大多基于单作上的研究认为，土壤养分、酶活性和作物产量之间密切相关，彼此之间存在相互促进的作用，且合理施用氮肥能提高土壤养分含量和酶活性，改善土壤环境，最终有利于增加作物产量［1-3］；而对多季作物的研究主要集中于华北平原麦-玉轮作、长江流域麦-稻轮作以及稻-烟轮作等，研究表明氮肥具有显著的后效作用，后茬作物可以吸收土壤残留的氮肥，且前茬作物施氮越多，后茬作物养分的后效越强，对作物产量的影响也越大［4-6］，但多数研究侧重于周年轮作体系下土壤氮素残留和氮肥吸收利用等方面［7-8］，对土壤养分和酶活性的影响鲜有报道，尤其对于具有固氮能力的复播大豆来说，主要见于麦-豆周年轮作体系生长发育及养分利用等方面的研究［9-10］，而关于农田土壤养分及酶活性的研究未见报道。因此，本试验通过研究冬小麦和夏大豆周年不同施氮组合对后茬大豆农田土壤养分、酶活性及周年产量的影响，揭示前茬施氮的后效作用以及周年施氮的叠加效应对复播大豆土壤养分、酶活性及产量的变化规律，从而为提出有利于提高农田土壤肥力、改善土壤质量和提高两季作物产量的周年施肥组合提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017～2019年连续3年在新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州伊宁县农业科技示范园进行。该区位于新疆维吾尔自治区伊犁河谷中部，属于中温带干旱型内陆山地气候，年均温度为9℃，多年平均日照时数为2900 h左右，全年太阳总辐射量为5.63×105J·cm-2，年均降水量约340 mm，年均蒸发量为1621 mm；全年无霜期为169～175 d。试验区土壤类型为灰钙土，土地平整，土壤基础理化性质见表1。

表1 0～20 cm耕层土壤基础理化性质

1.2 试验设计

试验为双因素裂区试验设计，设冬小麦施氮量为主因子，复播大豆施氮量为副因子。冬小麦共设0、104、173、242 kg·hm-24个施氮水平，分别为N0、N1、N2、N3，各处理重复3次，小区面积为76.5 m2（17 m×4.5 m），共12个小区。在冬小麦收获后，原位于冬小麦的各小区定点划分出同等面积的3个小区作为复播大豆当季施氮量的0、69、138 kg·hm-23个施氮水平小区，分别为S0、S1、S2。小区面积为22.5 m2（5 m×4.5 m），共36个小区。周年施氮量均按N计算，供试氮肥为尿素（N 46%）。

冬小麦分别于2016年10月15日、2017年10月18日和2018年10月14日采用15 cm等行距播种；播种前将麦季各处理氮肥总量的40%和磷肥204 kg·hm-2（P2O544%）结合整地一次性施入，剩余的氮肥于拔节期、抽穗期按各处理总施氮量的30%随水追施，并于2017年7月4日、2018年6月30日和2019年7月2日收获。复播大豆分别于2017年7月6日、2018年7月2日和2019年7月4日采用30 cm等行距播种，种植密度为52.5万株·hm-2，氮肥于复播大豆始花期一次性随水滴施，并于2017年10月16日、2018年10月11日和2019年10月12日收获。供试冬小麦和大豆均为当地主栽品种新冬41号和黑河45号；两季作物灌溉方式均为滴灌，其他田间栽培措施同当地常规。

1.3 土壤样品的采集

采用“S”形取样法，用土钻采集复播大豆收获后各小区0～20 cm耕层的土样，将同一处理各小区土样充分混匀，将混匀的土样在室内自然风干，按要求过筛后，进行土壤养分和土壤酶活性等指标的测定。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤养分测定

土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定；全氮采用凯氏定氮法测定；碱解氮采用碱解氮扩散法测定；有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾采用火焰光度法测定［11］。

1.4.2 土壤酶活性测定

土壤脲酶采用苯酚纳-次氯酸钠比色法，以24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克数表示脲酶活性；土壤蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法，以24 h后1 g土壤中葡萄糖的毫克数表示蔗糖酶活性；土壤过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法，以20 min后1 g土壤中0.1 mol·L-1高锰酸钾毫升数表示过氧化氢酶活性［12］。

1.4.3 产量的测定

冬小麦成熟期，分别在各小区选取长势均匀一致、面积大小为1.11 m×0.6 m的3个样方进行实收，计算各小区的产量。

夏大豆成熟期，分别在各小区选取长势均匀一致、面积大小为1.0 m×0.6 m的3个样方进行实收，计算出各小区的产量。

1.5 数据处理

试验数据的处理及作图采用Excel 2010，方差分析和相关性分析采用SPSS 19.0，多重比较采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 周年不同施氮组合对复播大豆农田土壤养分的影响

麦季施氮不仅影响当季冬小麦土壤养分含量的变化，也对后茬大豆土壤养分有明显的后效作用以及复播大豆施氮后对豆茬土壤养分的叠加效应。3年数据均表明（表2），复播大豆不施氮（S0）条件下，大豆茬口土壤养分含量的高低取决于前茬麦季施氮量的多少，麦季施氮量越高，豆茬土壤养分含量基本也越高，且在N3S0处理基本能显著促进豆茬土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量的提高，3年平均依次比N0S0处理分别高出20.22%、30.59%、40.99%、71.06%和28.46%。在麦季不施氮条件下，豆季施氮量与土壤有机质、全氮含量呈正比，基本均在N0S2处理达到最高，较N0S0处理平均值分别增加20.83%和23.53%，而土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量基本在N0S1处理最高，且基本与N0S0处理存在显著差异（P＜0.05）。

进一步分析麦季不同施氮水平下复播大豆施氮量对土壤养分含量的叠加效应（表2）。在麦季各施氮条件下，大豆季施氮越多土壤全氮含量基本呈持续增加的趋势，以麦季各施氮水平相对应的豆季S2施氮处理组合达到最高，N1S2、N2S2、N3S2处理较N1S1、N2S1、N3S1处理3年平均值依次高出8.11%、4.90%和8.00%。麦季N1、N2、N3施氮处理与大豆S1施氮处理各组合基本能显著增加土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量，较各对应的大豆施氮S2处理各组合土壤有机质含量平均值依次增加了2.89%、6.39%和6.41%，土壤碱解氮含量平均值依次增加3.38%、-0.85%和14.68%，土壤有效磷含量平均值依次显著增加30.68%、35.82%和27.76%，土壤速效钾含量平均依次增加8.16%、6.01%和5.44%。由此表明，在麦-豆周年轮作体系下，两季作物施氮越多，土壤氮肥的叠加效应越明显，主要对豆茬土壤有机质、全氮和碱解氮等与氮相关的指标有较为明显的影响，尤其在豆季中，氮水平下随麦季施氮越多，较麦季相对应的豆季高氮水平土壤有机质和碱解氮含量增幅越大，而土壤有效磷和速效钾在不同年份有差异，呈波动性增加的趋势，可能与施氮间接影响土壤有效磷和速效钾含量有关。

2.2 周年不同施氮组合对复播大豆农田土壤酶活性的影响

土壤酶活性的大小是反映土壤质量好坏的重要指标之一。由表3可知，复播大豆不施氮条件下，豆茬土壤酶活性大小受制于前茬麦季施氮量的高低，表现为豆茬土壤过氧化氢酶、脲酶活性基本在N2S0处理达到最大，土壤蔗糖酶活性基本在N3S0处理最高，较N0S0处理分别平均增加了5.64%、37.29%和30.02%，且均达到显著差异。在麦季不施氮肥条件下，土壤过氧化氢酶和脲酶活性均随豆茬施氮量的增加而增加，N0S2处理的土壤过氧化氢酶和脲酶活性比N0S0处理平均分别显著增加了4.77%和29.32%，而土壤蔗糖酶活性则在N0S1处理达到最高，较N0S0和N0S2处理分别平均增加了29.56%和11.31%，均呈显著性差异。

进一步分析麦季不同施氮水平下大豆施氮量对土壤酶活性的叠加效应（表3），3年数据均表明，麦季N1、N2、N3施氮处理与大豆S1施氮处理各组合有利于增加土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性，较各对应的大豆S2施氮处理各组合土壤过氧化氢酶活性平均值依次增加1.96%、6.60%和2.11%，土壤脲酶活性平均值依次增加3.75%、22.97%和27.42%，土壤蔗糖酶活性平均值依次增加20.22%、13.70%和9.02%，其中N2S1处理的周年施氮组合土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性在所有处理中基本均达到最高峰，最有利于豆茬土壤酶活性的增加，促进土壤中的酶促反应，说明适宜的周年施氮量能提高土壤酶活性，且在麦季高于中氮处理基础上豆茬继续高量施氮甚至抑制土壤酶活性，比豆季不施氮肥还低。

表2 周年不同施氮组合对夏大豆土壤养分的影响

表3 周年不同施氮组合对夏大豆土壤酶活性的影响

2.3 周年不同施氮组合对麦-豆及周年产量的影响

周年不同施氮量组合不仅影响土壤养分含量、酶活性的变化，更影响作物产量。3年的数据均表明（表4），冬小麦产量随当季施氮量的增加呈“先增后降”的变化趋势，均在N2处理产量达到最高，其平均产量为7785.24 kg·hm-2，分别较N0、N1、N3处理平均增加35.99%、19.21%、5.19%，且与其他各处理基本达到显著差异。夏大豆不施氮条件下，随冬小麦施氮量的增加夏大豆产量均表现为N3S0＞N2S0＞N1S0＞N0S0，N3S0处理较其他处理平均增加8.87%～32.43%，周年总产量在N2S0处理达到最高，较其他处理平均增加1.51%～32.10%。在麦季不施氮条件下，豆茬施氮较不施氮基本显著增加夏大豆产量，但豆茬各施氮处理间基本未达到显著性差异。

表4 周年不同施氮组合对麦-豆及周年产量的影响

续表

进一步分析麦季不同施氮水平下大豆季各施氮量对产量的叠加效应，在麦季各施氮条件下，夏大豆产量随当季施氮量增加基本呈先增后降的变化趋势，其中在前茬麦季N2处理、夏大豆当季为S1处理时，3年大豆产量平均达到最高，为3013.24 kg·hm-2，此时麦-豆周年总产量的峰值与夏大豆一致，均在N2S1周年施氮组合下3年平均达到最高，为10798.48 kg·hm-2，且均与N2S0处理达到显著性差异。在麦季N3处理基础上，无论夏大豆是否施氮或施氮多少，对产量基本无显著影响。

2.4 复播大豆产量与土壤有机质、养分、酶活性的相关性分析

周年不同施氮量组合下，夏大豆产量与土壤有机质、养分指标的相关性如表5所示，夏大豆产量与土壤有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量均呈极显著正相关；土壤养分中对产量贡献大小依次为：碱解氮（r=0.890）＞速效钾（r=0.826）＞全氮（r=0.787）＞有机质（r=0.714）＞有效磷（r=0.559）；此外，夏大豆产量与土壤蔗糖酶活性呈极显著正相关，相关系数为0.736，而与土壤脲酶活性呈显著正相关，相关系数为0.676。

表5 复播大豆产量与土壤有机质、养分、酶活性间的相关性

3 讨论

3.1 周年施氮对复播大豆农田土壤养分含量的影响

施氮通过改变土壤养分含量，从而影响作物生长。在周年轮作体系中，大量的研究均表明，氮肥具有一定的后效作用，且氮肥的后效与施氮量成正比［8，13］，这与本研究的结果基本一致。本试验条件下，复播大豆不施氮肥，前茬残留于豆茬土壤中的氮素对土壤养分含量起到促进作用，尤其麦季高氮水平对豆茬土壤有效磷含量的提高更为明显，可能由于氮磷之间具有协同作用［14］，起到以氮促磷的效果，麦季高量施氮能提高大豆茬磷的有效性有关，但对于需氮量大的复播大豆来说，前茬作物的氮肥后效不能满足后茬作物生长所需的氮肥，仍需要补充施足氮肥［6］。本研究发现，施氮越高土壤全氮含量基本也越高，前茬麦季中量施氮基础上复播大豆施氮或麦季高量施氮基础上复播大豆中量施氮均能促进土壤碱解氮含量的增加，而麦季和大豆季均为中量施氮时能促进土壤有机质、有效磷和速效钾含量的增加，这与安志超等［15］在麦-玉周年轮作以及符鲜等［16］在麦/玉套作模式下的研究结果基本一致，说明无论是周年轮作或套作种植模式，适宜的施氮量均可提高土壤养分含量，分析其原因，主要是适量的增施氮肥可加强土壤中微生物代谢，分泌的代谢产物增多有利于促进土壤中腐殖质和难分解有机物的矿化，从而提高了土壤养分含量［17-18］，而在麦季施氮过高的基础上继续过量施氮，氮肥的叠加效应会导致土壤中氮素过多，打破土壤生态环境的养分平衡，破坏土壤生物学性状，从而对土壤的可持续利用能力产生影响［19］。

3.2 周年施氮对复播大豆农田土壤酶活性的影响

土壤酶活性对氮肥有积极的响应［20］。本研究表明，在复播大豆不施氮条件下，前茬麦季的氮肥后效对豆茬土壤酶活性产生不同的影响，土壤过氧化氢酶和脲酶活性在麦季中的氮处理达到最大，土壤蔗糖酶活性在高氮处理达到最高，这与赵孟阳等［21］研究结果有出入，可能与设置的氮肥用量不同有关，说明麦季氮肥后效不仅能增加土壤养分含量，对土壤酶活性同样具有促进作用。本研究发现麦季不施氮基础上，豆茬施氮越多，土壤过氧化氢酶和脲酶活性越高，麦季高氮基础上，豆茬施氮越多土壤过氧化氢酶和蔗糖酶活性越低，可能由于麦季不施氮条件下大豆季土壤肥力低，豆茬施氮对土壤过氧化氢酶和脲酶活性激活作用较大，但在麦季高氮基础上大豆季继续施氮，累积的大量土壤氮素会阻碍微生物的合成作用，不利于土壤微生物区系释放分泌酶类，最终导致酶活性降低［12］；而在麦季低氮、中氮处理基础上大豆季中量施氮对土壤3种酶活性具有显著的促进作用，这与郑斯尹等［22］、付智丹等［23］的研究结果一致，表明周年适宜的施氮量可能会促进前、后茬作物根系分泌物的增加和根际土壤微生物的增殖，而根际微生物通过吸收土壤中的养分，形成了近根缓效供应的养分库，调节作物对土壤中氮素的转化，使土壤中的氮向利于作物吸收的形态转化，提高土壤酶活性［23-25］，且无论在单季作物或是一年两熟的作物上均适用。

3.3 周年施氮对麦-豆产量、周年产量的影响及相关性分析

关于施氮对作物产量的影响，目前研究结果尚不统一。但多数在单作作物上的研究均表明，在合理的施氮范围内，施氮能显著提高小麦［26］、玉米［27］和大豆［28］等作物的产量，当施氮过高时产量均会出现一定程度的降低。在冬小麦-夏玉米轮作体系中，薛泽民等［29］研究表明，在总氮量控制的条件下，麦季施氮231 kg·hm-2和夏玉米季施氮189 kg·hm-2时能够获得轮作最大产量；席吉龙等［30］的研究同样发现，冬小麦、夏玉米单季作物和周年作物产量均以中氮（450 kg·hm-2）水平最高，且施氮量过多均不利于单季作物粒重的增加，进而影响最终产量；本试验结果同上述研究结果基本一致。本试验结果表明，冬小麦产量均在中氮（173 kg·hm-2）水平达到最大，且在麦季中氮处理基础上豆季中量施氮（69 kg·hm-2）夏大豆产量和周年总产量达到最高，说明无论是单季作物还是一年两熟作物，充足的氮肥供给是作物高产、稳产的前提，尤其在周年轮作体系下，周年适宜的施氮组合可保证土壤肥力和周年作物产量的最大化。此外，复播大豆产量与土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾及蔗糖酶活性均呈极显著正相关，与土壤脲酶活性呈显著正相关，但与土壤有效磷和过氧化氢酶活性相关性不显著，这与彭春瑞等［31］、曾艳等［20］在其他作物上的研究结果基本一致，表明土壤养分含量、酶活性与复播大豆产量息息相关，适宜的周年施氮量组合可提高土壤养分含量和土壤酶活性，进而促进土壤碳氮的代谢，土壤养分与土壤酶之间不断地进行物质转化，可保持较高的土壤肥力，最终为复播大豆增产做出贡献。因此，除土壤有效磷和过氧化氢酶，土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾及蔗糖酶活性均可作为衡量土壤肥力的灵敏指标。

4 结论

复播大豆不施氮条件下，土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量及土壤蔗糖酶活性和夏大豆产量在N3S0处理基本最高，较N0S0处理3年平均值依次显著增加了20.22%、30.59%、40.99%、71.06%、28.46%、30.02%和32.43%，而土壤过氧化氢酶、脲酶活性及周年产量基本在N2S0处理达到最大，较N0S0处理3年平均值依次显著增加了5.64%、37.29%和32.10%。在冬小麦不施氮条件下，豆茬S2施氮处理对土壤有机质和全氮含量、土壤过氧化氢酶和脲酶活性、夏大豆产量及周年总产量基本表现为显著的促进作用，土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量和土壤蔗糖酶活性基本在豆茬S1施氮处理时达到最大。

麦季N1、N2、N3处理基础上，豆茬施氮越多，土壤全氮含量越高，在N3S2的周年处理基本达到最大，而与麦季各施氮处理相对应的豆茬S1施氮处理组合较S2施氮处理组合基本有利于提高土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量和土壤酶活性及产量，其中N2S1施氮处理土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量和土壤酶活性及产量基本达到最高。复播大豆产量与土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾含量及蔗糖酶活性均呈极显著正相关，与土壤脲酶活性呈显著正相关。

因此，为获取周年高产高效的施氮组合，应充分利用前茬作物的氮肥后效和后茬大豆氮肥的叠加效应以增加大豆农田土壤养分的有效性和提升土壤酶活性，最终促进作物周年高产。在本研究条件下，麦季施氮水平达到173 kg·hm-2时，大豆季再施69 kg·hm-2的周年氮肥组合不仅可提高复播大豆土壤养分含量和土壤酶活性，而且两季作物产量也达到最高，对提高土壤肥力和维持周年高产稳产具有重要的意义。