不同磷肥水平和种植模式对土壤养分含量和酶活性的影响

2023-07-06姜彧宸冯月王爱萍

山西农业科学 2023年7期

姜彧宸，冯月，池田，温强，王爱萍，董琦

（山西农业大学农学院/黄土高原特色作物优质高效生产省部共建协同创新中心，山西太谷 030801）

小麦是我国重要的商品粮和战略性粮食储藏品种[1]，目前其生产主要依靠高水肥化管理，但不合理的施肥给环境保护以及经济发展带来负担[2]。豌豆作为一种养地作物，是世界重要栽培作物之一[3]，在农业可持续生产中发挥着重要作用。山西省属于我国北方干豌豆主产区[4]，晋南地区广泛存在小麦与豌豆的间作种植方式。间作较单作能提高土壤酶活性，其中，土壤脲酶活性差异最显著[5]。乔月静等[6]研究发现，在燕麦与豆科作物间作条件下，土壤脲酶与蔗糖酶显著高于相应的单作方式。唐艳芬等[7]研究表明，小麦蚕豆间作与单作相比在小麦各个时期内均提高了土壤脲酶活性。在小麦豌豆间作系统中，豆科作物根系分泌大量调动有效磷的化合物[8]，可以改变土壤有效磷含量[9]，从而促进小麦对有效磷的吸收[10]。

磷是限制作物生长的元素，同时又是一种不可再生的矿物资源[8]。施磷对土壤酶活性与养分含量均有影响，适宜施磷能够提高土壤酶活性以及土壤全氮、全磷和有效磷含量[11-12]。刘凯等[13]研究表明，与不施磷相比，施磷能显著提高土壤全磷与有效磷含量，且磷酸酶活性提高38%；孙锋等[14]研究表明，施磷能显著提高土壤酶活性；李志伟等[15]研究表明，随着施磷量的增加，土壤有效磷含量显著增加，但土壤酶活性却显著降低。

前人对小麦豌豆间作模式进行了不同行距、施氮量等方面的研究[16-19]，但关于磷肥施用量对土壤酶活性和土壤养分影响的研究较少。本试验通过研究不同施磷量与不同种植模式对土壤酶活性与土壤养分含量的影响，分析土壤养分含量和酶活性之间的关系，为磷肥的合理施用以及农业可持续发展提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2021年3—7月在山西农业大学太谷校区农作站进行，试验地位于山西省晋中市太谷区（37°25′19.72″N、112°34′34.56″E），年均降水量397.1 mm，年均气温10 ℃，年均无霜期179 d。供试土壤为壤土，全氮含量为0.95 g/kg，碱解氮含量为33.88 mg/kg，全磷含量为0.92 g/kg，有效磷含量为10.45 mg/kg，速效钾含量为157.60 mg/kg，有机碳含量为12.74 g/kg。

1.2 试验材料

供试材料为农家种春麦和中豌11 号。

1.3 试验设计

试验采用完全随机区组设计，设置春麦单作（SS）、春麦豌豆间作（SI）、豌豆单作（PS）3 种种植模式和5 个施磷水平（0（P0）、45（P1）、90（P2）、135（P3）、180 kg/hm2（P4））。间作模式为2 行小麦间作2 行豌豆，行距为20 cm。小区面积为4.8 m×5.2 m，小麦、豌豆播量均为225 kg/hm2，设置3 次重复。施磷量以有效磷计算，所有磷肥均作为基肥，在种植前一次性施入。

1.4 测定项目及方法

于小麦播种后85 d（开花期）采用5 点取样法进行取样，所采土壤样品混合均匀后风干，过2 mm筛。土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶和碱性磷酸酶活性分别采用3,5-二硝基水杨酸、对硝基苯-β-D-吡喃葡糖苷、靛酚和磷酸苯二钠比色法测定；谷氨酰胺酶活性根据《土壤酶及其研究法》[20]进行测定。土壤全氮、全磷、碱解氮、速效磷和有机质含量分别采用凯氏蒸馏法、硫酸-高氯酸消煮法、碱解扩散法、碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法和重铬酸钾外加热法测定。

有机碳＝土壤有机质×0.58［21］（1）

将土壤蔗糖酶活性（X1）、β-葡萄糖苷酶活性（X2）、脲酶活性（X3）、谷氨酰胺酶活性（X4）、碱性磷酸酶活性（X5）、全氮含量（X6）、碱解氮含量（X7）、全磷含量（X8）、有效磷含量（X9）、有机碳含量（X10）进行相关性分析。

1.5 数据处理

试验数据采用Excel 2010、SPSS 25.0 统计分析软件进行处理分析，图表绘制运用Origin 2019进行。

2 结果与分析

2.1 不同施磷水平和种植模式对土壤蔗糖酶活性的影响

土壤中的蔗糖酶又名转化酶，可以将土壤中的蔗糖水解成葡萄糖和果糖，对土壤中碳的矿化具有重要作用[20]。由图1 可知，磷肥施用有利于提高3 种种植模式土壤蔗糖酶活性。SS、SI、PS 种植模式下土壤蔗糖酶活性均表现为随施磷量的增加先升高后降低的趋势，SS 种植模式在P3 水平达到最高，SI和PS 种植模式均在P2 水平达到最高。SS 种植模式下P3 水平的土壤蔗糖酶活性较P0 水平显著提高27.43%（P＜0.05），SI 种植模式下P2 水平的土壤蔗糖酶活性较P0 水平显著提高32.48%（P＜0.05），PS 种植模式下土壤蔗糖酶活性在P2、P3 和P4 水平较P0 水平分别显著提高89.35%、58.66%和51.98%（P＜0.05）。

图1 不同磷水平和种植模式的土壤蔗糖酶活性变化Fig.1 Change of soil sucrase activity under different phosphorus levels and planting patterns

间作有利于提高豌豆土壤蔗糖酶活性。除P3水平外，其余施磷水平的土壤蔗糖酶活性均表现为SI＞SS＞PS。所有施磷水平的SI 种植模式下土壤蔗糖酶活性均较PS 种植模式显著提高31.95%～113.59%（P＜0.05）。除P2 水平外，SS 种植模式下土壤蔗糖酶活性均显著高于PS 种植模式。

2.2 不同施磷水平和种植模式对土壤β-葡萄糖苷酶活性的影响

β-葡萄糖苷酶参与碳循环，可以将糖苷键水解为葡萄糖，供微生物和植物吸收利用，对土壤中活性有机化合物的降解具有重要作用[22]。图2 表明，施磷有利于提高SS 与SI 种植模式下土壤β-葡萄糖苷酶的活性。随施磷水平的提高，SS 与SI种植模式下土壤β-葡萄糖苷酶活性均呈先升高后下降的趋势，且均在P3水平达到最高。SS种植模式下P1、P2、P3、P4 水平与P0 水平相比分别显著提高13.41%、31.98%、35.57%和28.84%（P＜0.05）。SI种植模式下P3 水平较P0 水平显著提高12.87%（P＜0.05）。

图2 不同磷水平和种植模式的土壤β-葡萄糖苷酶活性变化Fig.2 Change of soil β-glucosidase activity under different phosphorus levels and planting patterns

在P0 和P1 水平下，相较单作，间作有利于土壤β-葡萄糖苷酶活性的提高。P0 水平下，SI 种植模式下土壤β-葡萄糖苷酶活性比SS、PS 种植模式分别显著提高19.09%和7.41%（P＜0.05）。P1 水平下，SI 种植模式下土壤β-葡萄糖苷酶活性比SS、PS 种植模式分别显著提高11.33%和12.19%（P＜0.05）。

P2、P3 和P4 水平下，SS 种植模式土壤β-葡萄糖苷酶活性均显著高于PS 种植模式。

2.3 不同施磷水平和种植模式对土壤脲酶活性的影响

脲酶广泛存在于土壤中，其酶促产物是植物的氮源之一[20]。不同磷水平和种植模式的土壤脲酶活性变化如图3 所示。

图3 不同磷水平和种植模式的土壤脲酶活性变化Fig.3 Change of soil urease activity under different phosphorus levels and planting patterns

从图3 可以看出，施用磷肥可以提高3 种种植模式土壤脲酶活性。SS 和SI 种植模式下土壤脲酶活性均随施磷量的增加呈先升高后降低，且均在P2 水平达到最高。PS 种植模式下土壤脲酶活性则随着施磷量的增加而提高。SS 种植模式下4 个施磷水平土壤脲酶活性较P0 水平显著提高47.74%～70.44%（P＜0.05）；SI 种植模式下P2、P3、P4 水平的土壤脲酶活性较P0 水平显著提高33.97%～41.78%（P＜0.05），PS 种植模式下P2、P3、P4 水平土壤脲酶活性较P0 水平显著提高110.30%～167.46%（P＜0.05）。

施磷条件下，间作有利于提高土壤脲酶活性，表现为SI＞SS＞PS。除P1 水平外，其余施磷处理SI 种植模式下土壤脲酶活性均显著高于SS，提高23.28%～34.38%。各施磷处理均为SI 种植模式土壤脲酶活性显著高于PS 种植模式（101.10%～304.22%）。各施磷水平下，SS 种植模式土壤脲酶活性均显著高于PS 种植模式。

2.4 不同施磷水平和种植模式对土壤谷氨酰胺酶活性的影响

谷氨酰胺酶能水解谷氨酰胺的酰胺氮生成谷氨酸和氨，供植物吸收利用[20]。图4 显示，在P2 水平下，SI 和PS 种植模式下土壤谷氨酰胺酶活性显著提高。SI、PS 种植模式的土壤谷氨酰胺酶活性随着施磷量的增加先增加后降低，且均在P2 水平达到最高，较P0 水平分别提高32.34%和24.09%。

图4 不同磷水平和种植模式的土壤谷氨酰胺酶活性变化Fig.4 Change of soil glutaminase activity under different phosphorus levels and planting patterns

P2 水平下，间作有利于提高麦田谷氨酰胺酶活性，显著高于SS 种植模式18.89%。P2 水平下，PS 种植模式的土壤谷氨酰胺酶活性显著高于SS种植模式。

2.5 不同施磷水平和种植模式对土壤碱性磷酸酶活性的影响

由图5 可知，施磷有利于提高土壤碱性磷酸酶活性。随着施磷水平的提高，3 种种植模式的土壤碱性磷酸酶活性均表现为先升高后下降，SI 种植模式在P2 水平达到最高，SS 和PS 种植模式则均在P3 水平达到最高。SS 和PS 种植模式下P3 水平的碱性磷酸酶活性分别较P0 水平显著提高65.69%和112.87%（P＜0.05）；SI 种植模式下P1、P2、P4 水平碱性磷酸酶活性与P0 水平相比显著提高了78.99%～107.44%（P＜0.05）。

图5 不同磷水平和种植模式的土壤碱性磷酸酶活性变化Fig.5 Change of soil alkaline phosphatase activity under different phosphorus levels and planting patterns

间作有利于提高土壤碱性磷酸酶活性。P1、P2 和P4 水平，SI 种植模式土壤碱性磷酸酶活性显著高于SS 种植模式49.32%～78.70%，显著高于PS 种植模式72.96%～142.13%（P＜0.05）。P1 水平，SS 种植模式土壤碱性磷酸酶活性显著高于PS种植模式。

2.6 不同施磷水平和种植模式对土壤养分含量的影响

从表1 可以看出，施磷有利于提高土壤碱解氮含量。3 种种植模式土壤碱解氮含量随施磷量的增加呈先升高后降低，且均在P2 水平达到最高值。SS和PS 种植模式下P2 水平碱解氮含量较P0 水平分别提高11.82%和25.47%。P4 水平SI 种植模式碱解氮含量显著高于PS 种植模式14.11%，P2 水平PS 种植模式碱解氮含量显著高于SI 种植模式9.04%。

表1 不同磷水平和种植模式土壤养分含量Tab.1 Soil nutrient contents under different phosphorus levels and planting patterns

施磷可以提高土壤有效磷含量，但不同磷水平提高程度不一致，SS 和SI 种植模式下P2、P3、P4 水平土壤有效磷含量分别显著高于P0 水平66.73%～84.59% 和77.05%～95.89%（P＜0.05）。PS 种植模式下P3 水平土壤有效磷含量显著高于P0 水平72.76%（P＜0.05）。P4 水平SI 种植模式有效磷含量显著高于PS 种植模式52.74%（P＜0.05）。

磷肥施用可以提高单作土壤有机碳含量。SI和PS 种植模式P3 水平土壤有机碳含量分别显著高于P0 水平12.92%和13.43%（P＜0.05）。

2.7 土壤酶活性和养分含量之间的相关性分析

由表2 可知，土壤蔗糖酶分别与脲酶、碱性磷酸酶、全氮、全磷、有效磷呈极显著相关。土壤脲酶分别与碱性磷酸酶、全氮、有效磷呈极显著相关，与全磷呈显著相关。土壤谷氨酰胺酶与有机碳呈极显著相关。土壤碱性磷酸酶分别与全氮和有效磷呈极显著相关，与全磷和有机碳呈显著相关。土壤全氮与全磷和有效磷呈极显著相关，与碱解氮呈显著相关。碱解氮与全磷和有机碳呈显著相关。土壤全磷与有效磷呈极显著相关。

表2 土壤酶活性和养分含量之间的相关性Tab.2 Correlation between soil enzyme activities and nutrient contents

2.8 不同施磷水平和种植模式的主效应与交互作用

磷水平与种植模式的主效应和交互作用如表3所示。

表3 磷水平与种植模式的主效应和交互作用Tab.3 Main effects and interactions between phosphorus levels and planting patterns

由表3 可知，磷处理对土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶、谷氨酰胺酶、碱性磷酸酶、碱解氮、有效磷有极显著影响，对有机碳有显著影响。种植模式对土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶、碱性磷酸酶、有效磷影响极显著，对谷氨酰胺酶影响显著。磷处理与种植模式二者的交互作用对β-葡萄糖苷酶和脲酶存在极显著影响。

3 讨论

3.1 不同施磷处理与不同种植模式对土壤酶活性的影响

土壤酶是土壤生态系统代谢的重要动力[23]。本研究结果表明，P2 水平（90 kg/hm2）下，SI 种植模式蔗糖酶、脲酶、谷氨酰胺酶、碱性磷酸酶，SS 种植模式脲酶，PS 种植模式蔗糖酶、谷氨酰胺酶活性达到最高；P3 水平（135 kg/hm2）下，SS 种植模式蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、碱性磷酸酶，SI 种植模式β-葡萄糖苷酶，PS 种植模式碱性磷酸酶活性达到最高，说明不同种植模式下施磷均能提高土壤酶活性，这可能是磷肥的施用促进了作物根系生长，使其分泌物增多，土壤微环境得到改变，从而使酶活性得到提高[24-26]，但不同的土壤酶对施磷量的响应不同。前人研究结果表明，施用磷肥后土壤蔗糖酶、脲酶、中性磷酸酶活性均高于不施磷肥处理20% 以上[27-31]，且与不施肥处理相比，施肥处理能不同程度地提高蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性[24，32-33]。相同磷处理时，土壤酶活性整体表现为SI＞SS＞PS，说明小麦豌豆间作有利于土壤酶活性的提高。作物间作时会引起土壤酶活性的变化，间作种植均能不同程度提高土壤蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性[34-35]。

3.2 不同施磷处理与不同种植模式对土壤养分含量的影响

土壤磷是植物生长和物质循环的主要元素。有研究表明，施用磷肥可显著提高土壤全氮、全磷、有效磷的含量，但降低有机碳含量[11,36]，长期单施磷肥可提高有效磷的供应[37-38]。此外，施磷还有利于提高氮的吸收[39]。本研究结果显示，P2 水平能显著提高3 种种植模式碱解氮含量，说明土壤中N、P 元素转化是相互影响[26]，施磷能够显著提高SI、SS 与PS 种植模式土壤的有效磷含量，说明施磷提高了土壤中磷的活化[37]，P3 水平显著提高SI 与PS 种植模式土壤有机碳含量，说明施磷不仅促进了作物地上部分的生长发育，还促进了作物根部的生长，使得还田根茬增多，进而提高土壤中有机碳含量。

3.3 土壤酶活性与养分含量之间的相关性和主效应与交互作用

土壤酶活性与土壤质量很多理化指标是相关的，土壤酶对土壤C、N、P 的循环与迁移有着重要作用[23,40]，可以作为衡量土壤肥力水平的指标[41-42]。不同土壤酶受不同土壤养分含量的影响[26-27,42]，其中，蔗糖酶与有机碳之间的关系因施肥种类及种植模式的不同而不同[31]。本研究表明，蔗糖酶活性与全氮、全磷、有效磷含量显著相关，脲酶活性与全氮、全磷、有效磷含量显著相关，谷氨酰胺酶活性与有机碳含量显著相关，碱性磷酸酶活性与全氮、全磷、有效磷和有机碳含量显著相关。邱莉萍等[43]长期定位试验发现，土壤脲酶和碱性磷酸酶活性与土壤养分之间呈显著或极显著相关关系，说明适量施用磷肥促进土壤养分含量及氮磷养分转化相关土壤酶活性的提高。除此之外，β-葡萄糖苷酶与谷氨酰胺酶活性和有机碳含量存在负相关关系，其原因需进行进一步研究。