施氮与种植方式对北方旱作农田土壤酶活力及养分含量的影响

王爱萍,姜彧宸,冯 月,池 田,温 强,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)

小麦是我国三大粮食作物之一,其产量对我国粮食安全具有重要作用。豌豆是世界第二大食用豆类,也是我国重要的杂粮作物,其根部与根瘤菌共生形成根瘤,可固定空气中游离氮以供植株生长发育,同时给土壤留下氮素,达到提高土壤肥力的目的[1],在农业可持续生产中发挥着重要作用[2]。

施氮是提高作物产量的重要农业措施,大量研究表明,施氮对土壤酶活性与养分含量都有影响,增施氮肥能增加土壤矿质氮浓度[3],提高土壤全氮、无机氮、有机碳含量[4-5];然而,氮肥的过度施用造成土壤严重酸化,影响土壤有机质、土壤微生物和土壤氮的组成[6],对养分在土壤、有机质、微生物连续体之间的循环也会产生不确定的影响,进而影响土壤生态系统的结构与功能。适宜施肥能够提高土壤酶活性[7-8],但长期施氮会降低有效磷含量[9]。土壤酶活性与土壤养分含量有关[10-15]。

在间作系统中,由于2种或2种以上的作物在同一生态系统中共生,增加了农田生物多样性,改善了土壤质量,提高了土壤肥力,促进了资源的获取与利用。豆科和禾本科作物作为一种共生固氮竞争与互补关系存在的间作模式,小麦蚕豆间作条件下土壤微环境得到改变,提高脲酶活性[12],且蚕豆生物固氮量的增加使土壤氮含量增加,能对土壤氮素有效保蓄和供应[16],更多样化的植物群落的根系生产增加了有机质的地下输入,提高了土壤固碳率[17];间作还能提高土壤有效磷含量[18]。对于小麦豌豆间作系统来说,豌豆的加入可以提高小麦土壤有效氮素的含量,从而减少化肥的施用,实现减肥高产[19]。

山西省属于我国北方干豌豆主产区[2],近年来,禾本科与豆科的间作研究逐渐增多,刘振洋等[20]于2017—2018年研究表明,小麦蚕豆间作具有明显产量优势,孟维伟等[21]研究表明,减施氮肥10%(202.5 kg/hm2)会降低小麦干物质积累量、氮素积累量和产量。但关于小麦//豌豆模式中氮肥施用量对土壤酶活性和土壤养分影响的研究报道还较少。

前人对小麦豌豆间作模式进行了多年研究,其中包括不同行距、不同施肥量对小麦豌豆间作农艺性状、产量、氮素积累等的影响[22-25],在此基础上本试验设置小麦单作、豌豆单作以及小麦豌豆间作3种种植方式、4个施氮量水平,探究不同氮水平和不同种植方式对土壤酶活与土壤养分含量的影响规律以及二者对土壤酶活与土壤养分是否存在交互作用,旨在为实现合理高效利用氮肥的农业生产提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验在山西农业大学农作站(37°25′19.72″N,112°34′34.56″E)进行。试验地年均降水量397.1 mm,年平均气温10 ℃,年平均无霜期179 d。土壤类型为壤土,全氮含量0.95 g/kg,碱解氮含量33.88 mg/kg,有效磷含量10.45 mg/kg,速效钾含量157.60 mg/kg,有机碳含量12.74 g/kg。

1.2 试验材料

供试春麦为农家种,供试豌豆为中豌11号。

1.3 试验设计

采用完全随机区组设计,设置3种种植方式:春麦单作(SS)、春麦豌豆间作(SI)、豌豆单作(PS)和4个施氮量:0(N0),90(N1),180(N2),270 kg/hm2(N3)。间作模式为2行小麦间作2行豌豆,行距15 cm。所有小区单施氮肥,施氮量以纯氮量计算,所有氮肥均作为基肥在种植前一次性施入。小区面积为4.8 m×5.2 m,设置3次重复,共计36个小区,小麦、豌豆播量均为225 kg/hm2。

1.4 样品采集及指标测定

在小麦播种后第85天进行样品的采集,此时植株生长达到整个生长周期中的相对旺盛阶段,此时根系互作显著分泌物增多,试验效果明显。用土钻在每个小区内进行五点取样,取样深度0～20 cm,将样品混合均匀后风干碾碎过2 mm筛待测。

蔗糖酶采用磷酸苯二钠比色法测定,β-葡萄糖苷酶采用硝基酚比色法测定,脲酶采用靛酚蓝比色法测定,谷氨酰胺酶根据《土壤酶及其研究法》[26]进行测定,磷酸酶采用3,5二硝基水杨酸比色法测定;土壤中全氮含量采用凯氏蒸馏法测定,全磷含量采用硫酸-高氯酸消煮法测定,碱解氮含量采用碱解扩散法测定,速效磷含量采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定,有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定。

有机碳[27]=土壤有机质×0.58

①

1.5 数据处理

数据处理采用Excel和SPSS 26.0统计分析软件进行分析处理;图表绘制运用Origin 2019进行。

2 结果与分析

2.1 不同施氮处理对不同种植方式下土壤蔗糖酶活性的影响

如图1所示,氮肥的施用有利于提高3种种植模式土壤蔗糖酶活性,随着施氮量的增加,3种种植模式蔗糖酶活性均呈现先升高后降低的趋势,且均在N2水平达到最高;与N0水平相比,PS模式N2、N3水平蔗糖酶活性分别显著提高65.51%,57.88%。施氮条件下,相较于豌豆单作,春麦单作、春麦豌豆间作有利于提高豌豆土壤蔗糖酶活性。在4个氮肥水平的土壤蔗糖酶活性整体均表现为SI>PS(P<0.05)。相同的氮肥水平下,相较于PS,SI种植模式的蔗糖酶活性显著提高31.25%～94.07%(P<0.05)。

不同小写字母表示不同处理数据间差异显著(P<0.05)。图2—5同。Different lowercase letters indicate significant differences between data processed within different treatments(P<0.05).The same as Fig.2—5.

2.2 不同施氮处理对不同种植方式下土壤β-葡萄糖苷酶活性的影响

图2结果表明,施用氮肥可以提高3种种植模式土壤β-葡萄糖苷酶活性,但不同种植方式的β-葡萄糖苷酶活性对氮肥施用量的响应不同,SS模式的β-葡萄糖苷酶活性随施氮量的增加而升高,N3水平酶活最高,且显著高于N0水平17.81%;PS、SI模式下的酶活随施氮量的增加先升高后降低,且均在N2水平达到最高。

图2 不同施氮处理和不同种植方式土壤β-葡萄糖苷酶活性Fig.2 Soil β-glucosidase activity under different nitrogen treatments and planting patterns

2.3 不同施氮处理对不同种植方式下土壤脲酶活性的影响

图3结果显示,施用氮肥可以提高春小麦土壤脲酶活性,SS与SI种植模式脲酶活性随施氮量的增加先升高后降低,且均在N2水平达到最高,PS模式则在N1水平达到最高;SS模式N2、N3水平土壤脲酶活性相较于N0、N1水平均显著提高(相较于N0和N1,N2分别提高106.47%和79.47%,N3分别提高92.29%和67.15%),SI在N2水平显著高于其他氮肥水平,与N0相比提高44.30%。氮肥施用条件下,不同种植模式对土壤脲酶活性影响不同。4个氮肥水平的土壤脲酶活性整体表现为SI>SS>PS。N0、N1水平SI脲酶活性分别比SS显著提高54.90%和59.41%;4个氮肥水平处理SI的土壤脲酶活性相较于PS提高了60.54%～139.55%。

图3 不同施氮处理和不同种植方式土壤脲酶活性Fig.3 Soil urease activity under different nitrogen treatments and planting patterns

2.4 不同施氮处理对不同种植方式下土壤谷氨酰胺酶活性的影响

从图4可以看出,施氮提高了土壤谷氨酰胺酶的活性,SS、SI、PS这3种种植模式土壤谷氨酰胺酶的活性均随施氮量的增加先升高后降低,且均在N2水平达到最高;SS模式N2水平酶活显著高于N0 26.95%;SI模式N2、N3水平酶活分别显著高于N0 67.05%,22.02%;在PS中,N2水平酶活与N0相比显著提高55.03%,且显著高于其他氮肥水平。氮肥处理下,间作有利于提高谷氨酰胺酶活性。4个氮肥处理3种模式土壤谷氨酰胺酶活性表现为SI>PS>SS,且N2、N3水平SI模式分别显著高于SS模式 52.31%,28.03%。

图4 不同施氮处理和不同种植方式土壤谷氨酰胺酶活性Fig.4 Soil glutaminase activity under different nitrogen treatments and planting patterns

2.5 不同施氮处理对不同种植方式下土壤磷酸酶活性的影响

图5结果显示,一定量的氮肥施用提高了土壤磷酸酶的活性,SS、SI磷酸酶活性随施氮量的增加先升高后降低,且均在N2水平达到最高;在SI中,N1、N2、N3磷酸酶活性比N0水平显著提高102.67%～228.78%,其中N2(提高228.78%)效果最佳。氮肥处理下(N1～N3),间作均提高了土壤磷酸酶的活性。相同施氮量处理,土壤磷酸酶的活性均表现为SI>SS>PS,N1、N2水平处理SI模式磷酸酶活性分别显著高于SS模式70.13%和128.35%;N1、N2、N3水平SI酶活均显著高于PS模式(分别提高345.86%,337.21%,201.63%)。

图5 不同施氮处理和不同种植方式土壤磷酸酶活性Fig.5 Soil phosphatase activity under different nitrogen treatments and planting patterns

2.6 不同施氮处理对不同种植方式下土壤养分含量的影响

由表1可知,施氮提高了土壤碱解氮含量,SS、SI、PS模式分别提高了9.60%～15.66%,8.27%～14.03%,8.51%～21.28%;3种种植方式土壤碱解氮的含量随施氮量的增加呈先升高后降低的趋势,且均在N2水平达到最高,SS、SI、PS模式土壤碱解氮含量分别为68.12,69.62,70.36 mg/g。SS、SI模式N2、N3水平处理的碱解氮含量均显著高于N0处理;PS模式N2处理土壤碱解氮含量显著高于N0水平。

施氮提高了土壤全磷含量,但除SI外,SS与PS各氮处理间差异不显著。与N0相比,施氮(N1、N2、N3)能显著提高SI土壤全磷含量16.76%～22.02%。

施氮提高了土壤有效磷含量,3种种植方式下的土壤有效磷含量均随施氮量的增加先升高后降低,且都在N2水平达到最高,SS、SI、PS模式土壤有效磷含量分别为19.38,25.42,25.20 mg/g。SS种植方式N1、N2水平有效磷含量均显著高于N0水平;SI、PS模式N2水平的有效磷含量均显著高于N0。N0、N2、N3水平SI有效磷含量与SS相比显著提高28.49%～31.18%,N3水平SI有效磷含量显著高于PS 55.61%。说明氮肥的施用可以提高有效磷含量,且N2处理效果最佳。不同种植方式和不同氮水平之间的全氮和有机碳含量差异均不显著。

2.7 土壤酶活性和养分含量之间的相关性分析

表2结果表明,氮肥处理土壤蔗糖酶活性与土壤β-葡萄糖苷酶、脲酶、谷氨酰胺酶和磷酸酶活性以及全氮、碱解氮、全磷、有效磷和有机碳含量之间均呈正相关关系,其中与脲酶、磷酸酶活性均呈极显著相关,与有效磷含量呈显著相关;土壤β-葡萄糖苷酶活性与谷氨酰胺酶活性、全氮、碱解氮、全磷、有效磷及有机碳含量呈负相关,与脲酶、磷酸酶活性呈正相关;土壤脲酶活性除与土壤有机碳含量呈负相关外,与其余指标均为正相关,且与磷酸酶活性和碱解氮含量极显著正相关,与全氮、有效磷含量显著正相关;土壤谷氨酰胺酶活性分别与土壤全氮、有效磷含量呈正相关,分别与土壤磷酸酶活性以及土壤碱解氮、全磷、有机碳含量呈负相关;土壤磷酸酶活性与土壤全氮、有效磷含量极显著正相关,与碱解氮显著正相关。表明在施氮条件下,所测的5种酶活性均与所测的6种土壤养分含量有相关性,但不同的酶与不同的养分之间关系不一。土壤全氮含量与土壤碱解氮、全磷、有效磷、有机碳含量均呈正相关,且与碱解氮极显著正相关。土壤碱解氮含量与土壤全磷、有效磷含量呈正相关,但与土壤有机碳含量呈负相关;土壤全磷含量与土壤有效磷、有机碳含量均呈正相关;土壤有效磷含量与有机碳含量也呈正相关。说明施氮条件下,土壤养分之间也有相关关系,但不同养分之间关系不同。

表2 不同氮水平与种植方式土壤酶活性和养分之间的相关性Tab.2 Correlation of soil enzyme activities,nutrients under different nitrogen treatments and planting patterns

2.8 不同施氮处理与种植模式的主效应与交互作用

由表3可知,氮处理对土壤蔗糖酶、脲酶、谷氨酰胺酶、磷酸酶活性和土壤全磷、有效磷含量影响极显著,对土壤碱解氮含量影响显著;种植模式对土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性和土壤有效磷含量影响极显著,对土壤谷氨酰胺酶活性影响显著;氮处理与种植模式对土壤脲酶、谷氨酰胺酶活性存在极显著交互作用,对土壤磷酸酶活性和土壤全磷、有效磷含量存在显著交互作用。

表3 氮处理与种植模式的主效应和交互作用Tab.3 Main effects and interactions between nitrogen treatment and cropping patterns

3 结论与讨论

3.1 不同施氮量与不同种植方式对土壤酶活性的影响

土壤酶是农业生态系统土壤养分转化极其重要的指标,与土壤养分循环密切相关[7,28-29]。施肥通过改变土壤养分元素含量及供给能力而影响土壤酶活性,是影响土壤性质和酶活性的关键农业措施。前人研究结果表明,施氮能提高土壤的β-葡萄糖苷酶的活性[30],随着施氮量的增加土壤蔗糖酶和脲酶的活性先增加后降低[4,31],氮肥对蔗糖酶和碱性磷酸酶活性有激活作用[32]。本研究结果表明,随着施氮量的增加,3种种植模式蔗糖酶活性均呈现先升高后降低的趋势,且均在N2水平达到最高。N3水平SS模式β-葡萄糖苷酶活性达到最高,N2水平PS、SI模式β-葡萄糖苷酶活性达到最高。SS与SI种植模式脲酶活性均在N2水平达到最高。3种模式土壤谷氨酰胺酶的活性均在N2水平达到最高。SS、SI磷酸酶活性均在N2水平达到最高。一定量的施肥促进了作物生长,根系分泌物增多,微生物繁殖加快,从而使得土壤酶活性提高[8,32-34],付智丹等[34]的研究结果也证明了这一点。谷氨酰胺酶存在于某些细菌以及植物根部,催化L-β-谷氨酰胺水解成L-谷氨酸和氨,能调节游离氨含量和尿素代谢,在氮素代谢中具有重要调节作用。本研究中,N2、N3水平SI模式土壤谷氨酰胺酶活性显著高于SS,可能是SI系统中作物根系多样,土壤中微生物增多,进而提高了SI模式土壤谷氨酰胺酶活性;N2水平处理SI土壤磷酸酶活性显著高于SS,N1、N2、N3水平SI磷酸酶活均显著高于PS。说明间作在不同的施氮水平提高的土壤酶活不同,可能是由于间作中小麦和豌豆根系发生交互作用,根系生长发育得到促进,且生理特征与分泌特性得到改变,进一步增加土壤酶的来源[35]。

3.2 不同施氮量与不同种植方式对土壤养分含量的影响

土壤碳、氮、磷是植物生长和物质循环的主要元素,是土壤肥力构成的基础,通过土壤和肥料养分供应与作物需求匹配,可以提高肥料的利用率。研究表明,氮肥施用可显著提高土壤有机碳和全氮含量[5,36],随施氮量的增加土壤无机氮含量及氮积累量增加[4,37],施氮量小于最大施氮量时,土壤碱解氮的含量会随施氮量的增加而升高,超过施氮量阈值则会降低[38-39]。本研究中,施氮显著提高碱解氮、有效磷和全磷含量,N2显著提高3种种植模式土壤碱解氮和有效磷含量,N3水平处理下有所下降,说明在3种种植方式中最佳施氮量为N2(180 kg/hm2),3个施氮水平(N1、N2、N3)均能够显著提高SI土壤全磷含量,长期施肥会影响土壤微生物对氮素的固持与释放,协调土壤供氮与植物吸收氮素之间的关系[36],且土壤中N素的转化与P素的转化相互影响[40],所以氮肥的施用不仅对土壤氮含量产生影响,对土壤磷含量也会产生影响。施氮条件下,土壤养分含量整体表现为间作高于单作,其原因可能是间作改善土壤生态的多样性与稳定性[41],土壤酶活性提高,从而促进间作养分得到不同程度的提高。

3.3 土壤酶活与养分含量之间的相关性

土壤酶与土壤肥力因素关系密切,其可作为衡量土壤肥力的敏感指标[42-43]。前人研究表明,土壤酶活性与土壤养分有较好的相关性[44],土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性分别受土壤全氮、有机质和全氮、全磷和有机质含量的影响[40,43,45],其中蔗糖酶与有机碳之间的关系因施肥种类及种植方式的不同而不同[41]。在冬小麦生育期内,土壤养分的高低对土壤酶的响应不同[46]。本研究结果表明,土壤蔗糖酶活性与脲酶、磷酸酶活性均呈极显著相关(P<0.01),与有效磷含量呈显著相关(P<0.05);土壤脲酶活性与磷酸酶活性、碱解氮含量极显著正相关(P<0.01),与全氮、有效磷含量显著正相关(P<0.05);土壤磷酸酶活性与全氮、有效磷含量极显著正相关(P<0.01),与碱解氮显著正相关(P<0.05);土壤全氮含量与碱解氮极显著正相关(P<0.01);且土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性和土壤碱解氮和有效磷含量均在N2水平下达到最大值,说明适量氮肥施用可促进氮磷养分转化相关土壤酶活性的提高,从而促进土壤养分含量的增加。β-葡萄糖苷酶与谷氨酰胺酶活性在相关性分析中出现负相关结果,其影响机制还需进一步深入研究。

3.4 不同施氮量与种植模式的主效应与交互作用

主效应与交互作用结果表明,施氮与种植模式对土壤蔗糖酶活性有极显著影响,但二者结合起来影响却不显著,说明施氮与种植模式在对土壤蔗糖酶的影响中可能存在相互制约的现象。施氮和种植模式对土壤脲酶、谷氨酰胺酶、磷酸酶活性以及土壤有效磷含量的影响一致,说明施氮和种植模式对氮和磷元素的转化利用方面可能存在相互依赖和协同作用。

本研究表明,N2显著提高3种种植模式土壤碱解氮和有效磷含量,但土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶、谷氨酰胺酶和磷酸酶活性在N2与间作组合情况下提高效果最佳。综上所述,180 kg/hm2施氮量和春麦豌豆间作是适应当地的氮肥用量和种植方式。