地膜覆盖及不同施肥处理对玉米产量和根际土壤酶活性的影响

胡庆兰， 杨 凯， 王金贵，2， 答艺卓， 孙 毅

(1.青海大学农牧学院，青海西宁 810016； 2.省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，青海西宁 810016)

土壤生态系统最具生理活性的一部分是土壤酶，其参与土壤有机化合物和无机化合物的氧化还原反应、腐殖质的形成与矿化、动植物和微生物残体的分解与转化以及其他复杂的生化过程[1]。在参与土壤的能量代谢与物质循环过程中，土壤酶连接着农田生态系统各组分，成为陆地生态系统中最活跃的组成部分之一[2]。土壤酶活性反映了土壤微生物状况和土壤生化反应的强度[3]，可用于评价土壤肥力[4]。地膜覆盖具有保墒、增产、增温的作用，是干旱地区提高粮食产量的重要途径[5]。研究表明，在西北干旱地区，地膜覆盖可保证土壤温度的长时间恒定[6]，提高玉米的产量及水肥利用率[7]，改善土壤微生态环境[8]。

近年来，对覆膜条件下不同施肥处理措施对作物产量和土壤酶活性影响的研究比较多[9-10]，但结合作物不同生育时期采集根际土壤以及非根际土壤研究土壤酶活性的报道较少。因此，本研究以青海省最大的覆膜玉米种植区民和县为研究区域，采用室内分析化验和田间试验相结合的方法，探讨地膜覆盖和不同施肥处理对玉米产量和不同生育时期根际和非根际土壤酶活性的影响，从玉米产量和土壤酶活性的角度评价地膜覆盖和不同施肥处理对土壤质量的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于青海省海东市民和回族土族自治县(102°85′E，36°33′N)，属于高原大陆性干旱气候，年平均气温9 ℃，年降水量约292.2 mm，无霜期约198 d，土壤类型为栗钙土，前茬作物为玉米。试验田的耕作层(0～20 cm)土壤理化性质：有机质含量19.84 g/kg，速效磷含量48.71 mg/kg，速效钾含量59.43 mg/kg，碱解氮含量116.63 mg/kg，pH值 8.59。

1.2 试验设计

采用裂区试验设计，主区2水平为覆膜和无膜，副区4水平分别为对照(CK)、氮磷钾配施(NPK)、氮磷钾配施有机肥(NPK+O)和氮磷钾配施生物炭(NPK+B)，共计8个处理，每个处理重复3次，每个小区的面积为20 m2(5 m×4 m)。玉米于2021年4月12日播种，品种为玉源7879(杂交种)，播种量为6万株/hm2。具体试验处理见表1。供试氮肥为尿素(N含量 46%)，磷肥为磷酸二铵(P2O5含量 46%)，钾肥为硫酸钾(K2O含量50%)，有机肥为商品有机肥[有机质含量≥45%，总养分(N-P2O5-K2O)含量≥5%]；生物炭以玉米秸秆为原料，养分含量分别为有机质含量404.77 g/kg、全氮含量8.45 g/kg、全磷含量2.31 g/kg、全钾含量 15.55 g/kg；地膜为聚乙烯农用地膜，厚度为 0.01 mm。化肥、有机肥和生物炭在播种时一次全部施入。

表1 试验处理组合及肥料用量 kg/hm2

1.3 样品采集和测定

播种后于苗期、大喇叭口期、乳熟期和完熟期，按照五点采样法采集玉米根际土和非根际土。其中，根际土样的采集参照抖根法[11]。由于苗期玉米根系较小，比较脆弱，因此未采集苗期的根际土壤。将各点土壤样品混合均匀，除去根、石子和残膜等杂物后带回实验室，土壤在室内风干，过1 mm筛后用于土壤酶活性的测定。土壤蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定[2]。玉米收获期，每个小区随机选取15株，晾干后测定玉米的穗粒数以及百粒质量，并计算玉米产量。

1.4 数据分析

用 SPSS 18.0软件进行方差分析，采用Duncan’s新复极差法进行数据多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对玉米产量的影响

由表2可知，相同施肥处理下，无膜处理下的玉米产量均显著低于覆膜处理(P<0.05)。覆膜处理的玉米产量表现为NPKO-C>NPK-C>CK-C>NPKB-C，无膜处理的玉米产量表现为NPKO>NPK>CK>NPKB。其中，NPKO-C处理的产量最高(18584.60kg/hm2)，显著高于其他处理，较CK-C、NPK-C、NPKB-C处理分别提高了8.18%、7.03%及11.87%。NPKO-C处理的百粒质量最高，显著高于除CK-C、NPK-C处理外的其他处理。NPKO-C处理的玉米穗粒数显著高于NPK、NPKB处理，分别增加了21.24%、21.06%。

表2 不同施肥和覆膜处理对玉米产量的影响

2.2 不同施肥处理对土壤脲酶活性的影响

土壤脲酶活性与土壤中的微生物数目、有机质含量和氮含量正相关，土壤脲酶活性可反映土壤中的氮素情况[12]。从表3可以看出，同一处理下非根际土壤的脲酶活性在玉米整个生育期有规律变化，总体呈升—降—升的趋势。从表4可以看出，同一处理下根际土壤的脲酶活性在大喇叭口期、乳熟期、完熟期这3个生育期中总体呈下降趋势(CK除外)。

在玉米的各个生育期，同一施肥处理间根际土与非根际土的脲酶活性多数表现为覆膜处理大于无膜处理。由表3可知，对于非根际土，施肥在一定程度使脲酶活性降低，苗期CK-C处理显著高于NPKO-C、NPKB-C处理；大喇叭口期和乳熟期的CK-C处理显著高于NPK-C、NPKO-C、NPKB-C处理。由表4可知，对于根际土的脲酶活性，大喇叭口期的NPKO-C处理显著高于CK-C，与CK-C相比提高了66.01%；乳熟期NPKB-C处理的脲酶活性显著低于NPKB处理，NPKB处理又显著高于CK-C，2个处理与CK-C相比提高了100.00%、61.58%；完熟期NPKO-C、NPKB-C处理脲酶活性均显著高于CK-C，分别提高了47.11%、75.21%。可以看出，覆膜条件下，施肥可以促进根际土壤脲酶活性提高。

2.3 不同施肥处理对土壤蔗糖酶活性的影响

土壤蔗糖酶活性与土壤中水溶性有机质含量、微生物数量、黏粒含量以及腐殖质含量正相关；蔗糖酶活性随着土壤熟化程度增加而增加；因此，常用土壤蔗糖酶活性来表征土壤的肥力水平和熟化程度[12]。从表5可以看出，同一处理非根际土壤的蔗糖酶活性在玉米整个生育期变化是有规律的，总体呈升—降—升的趋势。从表6可以看出，同一处理根际土壤的蔗糖酶活性在大喇叭口期、乳熟期、完熟期这3个生育期中总体呈下降趋势(CK、NPKB处理除外)。在玉米的各个生育期，不同施肥处理间非根际土蔗糖酶活性在苗期表现为NPKB处理显著高于其他处理，与CK相比蔗糖酶活性提高了76.31%；大喇叭口期NPKO处理显著高于其他处理，与CK相比蔗糖酶活性提高了50.20%；乳熟期NPKO、NPKB处理的蔗糖酶活性显著高于CK，分别提高了34.00%和30.14%。不同施肥处理间根际土蔗糖酶活性在大喇叭口期表现为NPK处理显著高于CK，提高了94.77%；乳熟期NPKB-C处理的蔗糖酶活性显著高于CK-C，蔗糖酶活性提高了50.46%；完熟期NPK、NPKO、NPKB处理的蔗糖酶活性显著高于CK，分别提高了40.18%、42.52%和52.79%。由此可见，施肥可以提高土壤蔗糖酶活性。

表3 不同施肥处理和覆膜下非根际土脲酶活性变化

表4 不同施肥和覆膜处理下根际土脲酶活性变化

表5 不同施肥和覆膜处理下非根际土蔗糖酶活性变化

2.4 不同施肥处理对土壤碱性磷酸酶活性的影响

磷酸酶能够促进有机磷化合物的水解，可以用来表征土壤肥力状况[12]。从表7可以看出，同一处理非根际土壤的碱性磷酸酶活性在玉米整个生育期变化是有规律的，苗期至乳熟期升高，乳熟期至完熟期呈下降趋势(NPK处理除外)。从表8可以看出，根际土壤的同一处理碱性磷酸酶活性在大喇叭口期、乳熟期、完熟期这3个生育期中呈先升后降趋势，乳熟期的碱性磷酸酶活性最高(CK除外)。

在玉米的各个生育期， 不同施肥处理间非根际土与根际土壤的碱性磷酸酶活性多数表现为施肥处理大于不施肥处理。从表7可以看出，对于非根际土，大喇叭口期NPKB-C处理的碱性磷酸酶活性显著高于CK-C，提高了28.38%；乳熟期NPK-C、NPKB-C处理显著高于 CK-C，分别提高了21.21%、15.17%；完熟期NPKB-C处理显著高于CK-C，碱性磷酸酶活性提高了39.22%。从表8可以看出，对于根际土，乳熟期NPK处理碱性磷酸酶活性显著高于CK，提高了43.84%。总体而言，施肥处理的碱性磷酸酶活性比不施肥处理要高。

表6 不同施肥和覆膜处理下根际土蔗糖酶活性变化

表7 不同施肥和覆膜处理下非根际土碱性磷酸酶活性变化

表8 不同施肥和覆膜处理下根际土碱性磷酸酶活性变化

3 讨论与结论

本研究表明，覆膜条件下单施化肥、化肥配施有机肥或配施生物炭较CK均能显著增加玉米产量21.50%～35.93%。其中，覆膜条件下化肥配施有机肥(NPKO-C)对玉米产量的提高最为显著，产量达到18 584.6 kg/hm2，这与王小林的研究结果[13]一致。地膜覆盖在一定程度上能够保水、增温，增加土壤孔隙度，改善土壤的结构，使土壤容重下降，田间持水量增加[14-15]。覆膜可以显著增加作物的百粒质量[16]，提高肥料利用效率[17]，提高玉米产量35%～60%[18]，这与本研究的结果相一致。化肥配合有机肥施用(NPKO-C)处理的玉米产量显著高于单独施化肥(NPK-C)或化肥配施生物质炭(NPKB-C)处理。研究表明，有机肥能够优化土壤水肥状况和土壤透性[19]；化肥配合有机肥施用，能够增补土壤有机碳源，使土壤的物理性状变好[20]，提高土壤的保水保肥能力[21]，从而提高玉米产量[22]。

本研究表明，覆膜条件下不同施肥处理对脲酶、蔗糖酶以及碱性磷酸酶活性都有一定的影响。土壤酶活性结合土壤养分因子可用以评价土壤综合的肥力水平[23]。化肥配施有机肥(NPKO-C)可增加非根际土脲酶、根际土与非根际土碱性磷酸酶和蔗糖酶活性，这与高佳妮等的研究结果[24-25]一致。但研究结果表明，不施肥处理的非根际土脲酶活性比施肥处理总体较高，这可能是由于脲酶活性受有机肥种类[26]、施肥方式[27]、土壤质地以及不同水分管理措施的影响[28]。本研究表明，覆膜处理使土壤碱性磷酸酶活性和脲酶活性增加，降低了蔗糖酶活性。覆膜种植可以改善土壤水热状况从而使土壤酶活性增加[29]，覆膜处理使土壤碱性磷酸酶活性和脲酶活性增加，这与赵凯超等的研究结果[30-31]一致。覆膜条件下蔗糖酶的活性降低可能是因为覆膜使土壤有机碳的有效性降低，导致酶活底物减少[32]。

本试验通过探索地膜覆盖和不同施肥处理对玉米产量和土壤酶活性的影响，得出如下结论：(1)无膜处理下的玉米产量均低于覆膜处理。与CK-C相比，NPK-C、NPKO-C、NPKB-C处理的玉米产量均显著增加；其中NPKO-C处理玉米产量最高。(2)施肥能提高脲酶、蔗糖酶及碱性磷酸酶的活性，覆膜能使土壤脲酶和碱性磷酸酶的活性提高。综合来说，覆膜条件下化肥配施有机肥能较好地提高玉米产量，并能改善土壤质量。