地膜覆蓋及不同施肥處理對玉米產(chǎn)量和根際土壤酶活性的影響

胡慶蘭， 楊 凱， 王金貴，2， 答藝卓， 孫 毅

(1.青海大學農(nóng)牧學院，青海西寧 810016； 2.省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點實驗室，青海西寧 810016)

土壤生態(tài)系統(tǒng)最具生理活性的一部分是土壤酶，其參與土壤有機化合物和無機化合物的氧化還原反應、腐殖質的形成與礦化、動植物和微生物殘體的分解與轉化以及其他復雜的生化過程[1]。在參與土壤的能量代謝與物質循環(huán)過程中，土壤酶連接著農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)各組分，成為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的組成部分之一[2]。土壤酶活性反映了土壤微生物狀況和土壤生化反應的強度[3]，可用于評價土壤肥力[4]。地膜覆蓋具有保墑、增產(chǎn)、增溫的作用，是干旱地區(qū)提高糧食產(chǎn)量的重要途徑[5]。研究表明，在西北干旱地區(qū)，地膜覆蓋可保證土壤溫度的長時間恒定[6]，提高玉米的產(chǎn)量及水肥利用率[7]，改善土壤微生態(tài)環(huán)境[8]。

近年來，對覆膜條件下不同施肥處理措施對作物產(chǎn)量和土壤酶活性影響的研究比較多[9-10]，但結合作物不同生育時期采集根際土壤以及非根際土壤研究土壤酶活性的報道較少。因此，本研究以青海省最大的覆膜玉米種植區(qū)民和縣為研究區(qū)域，采用室內分析化驗和田間試驗相結合的方法，探討地膜覆蓋和不同施肥處理對玉米產(chǎn)量和不同生育時期根際和非根際土壤酶活性的影響，從玉米產(chǎn)量和土壤酶活性的角度評價地膜覆蓋和不同施肥處理對土壤質量的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于青海省海東市民和回族土族自治縣(102°85′E，36°33′N)，屬于高原大陸性干旱氣候，年平均氣溫9 ℃，年降水量約292.2 mm，無霜期約198 d，土壤類型為栗鈣土，前茬作物為玉米。試驗田的耕作層(0～20 cm)土壤理化性質：有機質含量19.84 g/kg，速效磷含量48.71 mg/kg，速效鉀含量59.43 mg/kg，堿解氮含量116.63 mg/kg，pH值 8.59。

1.2 試驗設計

采用裂區(qū)試驗設計，主區(qū)2水平為覆膜和無膜，副區(qū)4水平分別為對照(CK)、氮磷鉀配施(NPK)、氮磷鉀配施有機肥(NPK+O)和氮磷鉀配施生物炭(NPK+B)，共計8個處理，每個處理重復3次，每個小區(qū)的面積為20 m2(5 m×4 m)。玉米于2021年4月12日播種，品種為玉源7879(雜交種)，播種量為6萬株/hm2。具體試驗處理見表1。供試氮肥為尿素(N含量 46%)，磷肥為磷酸二銨(P2O5含量 46%)，鉀肥為硫酸鉀(K2O含量50%)，有機肥為商品有機肥[有機質含量≥45%，總養(yǎng)分(N-P2O5-K2O)含量≥5%]；生物炭以玉米秸稈為原料，養(yǎng)分含量分別為有機質含量404.77 g/kg、全氮含量8.45 g/kg、全磷含量2.31 g/kg、全鉀含量 15.55 g/kg；地膜為聚乙烯農(nóng)用地膜，厚度為 0.01 mm。化肥、有機肥和生物炭在播種時一次全部施入。

表1 試驗處理組合及肥料用量 kg/hm2

1.3 樣品采集和測定

播種后于苗期、大喇叭口期、乳熟期和完熟期，按照五點采樣法采集玉米根際土和非根際土。其中，根際土樣的采集參照抖根法[11]。由于苗期玉米根系較小，比較脆弱，因此未采集苗期的根際土壤。將各點土壤樣品混合均勻，除去根、石子和殘膜等雜物后帶回實驗室，土壤在室內風干，過1 mm篩后用于土壤酶活性的測定。土壤蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定，土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定[2]。玉米收獲期，每個小區(qū)隨機選取15株，晾干后測定玉米的穗粒數(shù)以及百粒質量，并計算玉米產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用 SPSS 18.0軟件進行方差分析，采用Duncan’s新復極差法進行數(shù)據(jù)多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對玉米產(chǎn)量的影響

由表2可知，相同施肥處理下，無膜處理下的玉米產(chǎn)量均顯著低于覆膜處理(P<0.05)。覆膜處理的玉米產(chǎn)量表現(xiàn)為NPKO-C>NPK-C>CK-C>NPKB-C，無膜處理的玉米產(chǎn)量表現(xiàn)為NPKO>NPK>CK>NPKB。其中，NPKO-C處理的產(chǎn)量最高(18584.60kg/hm2)，顯著高于其他處理，較CK-C、NPK-C、NPKB-C處理分別提高了8.18%、7.03%及11.87%。NPKO-C處理的百粒質量最高，顯著高于除CK-C、NPK-C處理外的其他處理。NPKO-C處理的玉米穗粒數(shù)顯著高于NPK、NPKB處理，分別增加了21.24%、21.06%。

表2 不同施肥和覆膜處理對玉米產(chǎn)量的影響

2.2 不同施肥處理對土壤脲酶活性的影響

土壤脲酶活性與土壤中的微生物數(shù)目、有機質含量和氮含量正相關，土壤脲酶活性可反映土壤中的氮素情況[12]。從表3可以看出，同一處理下非根際土壤的脲酶活性在玉米整個生育期有規(guī)律變化，總體呈升—降—升的趨勢。從表4可以看出，同一處理下根際土壤的脲酶活性在大喇叭口期、乳熟期、完熟期這3個生育期中總體呈下降趨勢(CK除外)。

在玉米的各個生育期，同一施肥處理間根際土與非根際土的脲酶活性多數(shù)表現(xiàn)為覆膜處理大于無膜處理。由表3可知，對于非根際土，施肥在一定程度使脲酶活性降低，苗期CK-C處理顯著高于NPKO-C、NPKB-C處理；大喇叭口期和乳熟期的CK-C處理顯著高于NPK-C、NPKO-C、NPKB-C處理。由表4可知，對于根際土的脲酶活性，大喇叭口期的NPKO-C處理顯著高于CK-C，與CK-C相比提高了66.01%；乳熟期NPKB-C處理的脲酶活性顯著低于NPKB處理，NPKB處理又顯著高于CK-C，2個處理與CK-C相比提高了100.00%、61.58%；完熟期NPKO-C、NPKB-C處理脲酶活性均顯著高于CK-C，分別提高了47.11%、75.21%。可以看出，覆膜條件下，施肥可以促進根際土壤脲酶活性提高。

2.3 不同施肥處理對土壤蔗糖酶活性的影響

土壤蔗糖酶活性與土壤中水溶性有機質含量、微生物數(shù)量、黏粒含量以及腐殖質含量正相關；蔗糖酶活性隨著土壤熟化程度增加而增加；因此，常用土壤蔗糖酶活性來表征土壤的肥力水平和熟化程度[12]。從表5可以看出，同一處理非根際土壤的蔗糖酶活性在玉米整個生育期變化是有規(guī)律的，總體呈升—降—升的趨勢。從表6可以看出，同一處理根際土壤的蔗糖酶活性在大喇叭口期、乳熟期、完熟期這3個生育期中總體呈下降趨勢(CK、NPKB處理除外)。在玉米的各個生育期，不同施肥處理間非根際土蔗糖酶活性在苗期表現(xiàn)為NPKB處理顯著高于其他處理，與CK相比蔗糖酶活性提高了76.31%；大喇叭口期NPKO處理顯著高于其他處理，與CK相比蔗糖酶活性提高了50.20%；乳熟期NPKO、NPKB處理的蔗糖酶活性顯著高于CK，分別提高了34.00%和30.14%。不同施肥處理間根際土蔗糖酶活性在大喇叭口期表現(xiàn)為NPK處理顯著高于CK，提高了94.77%；乳熟期NPKB-C處理的蔗糖酶活性顯著高于CK-C，蔗糖酶活性提高了50.46%；完熟期NPK、NPKO、NPKB處理的蔗糖酶活性顯著高于CK，分別提高了40.18%、42.52%和52.79%。由此可見，施肥可以提高土壤蔗糖酶活性。

表3 不同施肥處理和覆膜下非根際土脲酶活性變化

表4 不同施肥和覆膜處理下根際土脲酶活性變化

表5 不同施肥和覆膜處理下非根際土蔗糖酶活性變化

2.4 不同施肥處理對土壤堿性磷酸酶活性的影響

磷酸酶能夠促進有機磷化合物的水解，可以用來表征土壤肥力狀況[12]。從表7可以看出，同一處理非根際土壤的堿性磷酸酶活性在玉米整個生育期變化是有規(guī)律的，苗期至乳熟期升高，乳熟期至完熟期呈下降趨勢(NPK處理除外)。從表8可以看出，根際土壤的同一處理堿性磷酸酶活性在大喇叭口期、乳熟期、完熟期這3個生育期中呈先升后降趨勢，乳熟期的堿性磷酸酶活性最高(CK除外)。

在玉米的各個生育期， 不同施肥處理間非根際土與根際土壤的堿性磷酸酶活性多數(shù)表現(xiàn)為施肥處理大于不施肥處理。從表7可以看出，對于非根際土，大喇叭口期NPKB-C處理的堿性磷酸酶活性顯著高于CK-C，提高了28.38%；乳熟期NPK-C、NPKB-C處理顯著高于 CK-C，分別提高了21.21%、15.17%；完熟期NPKB-C處理顯著高于CK-C，堿性磷酸酶活性提高了39.22%。從表8可以看出，對于根際土，乳熟期NPK處理堿性磷酸酶活性顯著高于CK，提高了43.84%。總體而言，施肥處理的堿性磷酸酶活性比不施肥處理要高。

表6 不同施肥和覆膜處理下根際土蔗糖酶活性變化

表7 不同施肥和覆膜處理下非根際土堿性磷酸酶活性變化

表8 不同施肥和覆膜處理下根際土堿性磷酸酶活性變化

3 討論與結論

本研究表明，覆膜條件下單施化肥、化肥配施有機肥或配施生物炭較CK均能顯著增加玉米產(chǎn)量21.50%～35.93%。其中，覆膜條件下化肥配施有機肥(NPKO-C)對玉米產(chǎn)量的提高最為顯著，產(chǎn)量達到18 584.6 kg/hm2，這與王小林的研究結果[13]一致。地膜覆蓋在一定程度上能夠保水、增溫，增加土壤孔隙度，改善土壤的結構，使土壤容重下降，田間持水量增加[14-15]。覆膜可以顯著增加作物的百粒質量[16]，提高肥料利用效率[17]，提高玉米產(chǎn)量35%～60%[18]，這與本研究的結果相一致。化肥配合有機肥施用(NPKO-C)處理的玉米產(chǎn)量顯著高于單獨施化肥(NPK-C)或化肥配施生物質炭(NPKB-C)處理。研究表明，有機肥能夠優(yōu)化土壤水肥狀況和土壤透性[19]；化肥配合有機肥施用，能夠增補土壤有機碳源，使土壤的物理性狀變好[20]，提高土壤的保水保肥能力[21]，從而提高玉米產(chǎn)量[22]。

本研究表明，覆膜條件下不同施肥處理對脲酶、蔗糖酶以及堿性磷酸酶活性都有一定的影響。土壤酶活性結合土壤養(yǎng)分因子可用以評價土壤綜合的肥力水平[23]。化肥配施有機肥(NPKO-C)可增加非根際土脲酶、根際土與非根際土堿性磷酸酶和蔗糖酶活性，這與高佳妮等的研究結果[24-25]一致。但研究結果表明，不施肥處理的非根際土脲酶活性比施肥處理總體較高，這可能是由于脲酶活性受有機肥種類[26]、施肥方式[27]、土壤質地以及不同水分管理措施的影響[28]。本研究表明，覆膜處理使土壤堿性磷酸酶活性和脲酶活性增加，降低了蔗糖酶活性。覆膜種植可以改善土壤水熱狀況從而使土壤酶活性增加[29]，覆膜處理使土壤堿性磷酸酶活性和脲酶活性增加，這與趙凱超等的研究結果[30-31]一致。覆膜條件下蔗糖酶的活性降低可能是因為覆膜使土壤有機碳的有效性降低，導致酶活底物減少[32]。

本試驗通過探索地膜覆蓋和不同施肥處理對玉米產(chǎn)量和土壤酶活性的影響，得出如下結論：(1)無膜處理下的玉米產(chǎn)量均低于覆膜處理。與CK-C相比，NPK-C、NPKO-C、NPKB-C處理的玉米產(chǎn)量均顯著增加；其中NPKO-C處理玉米產(chǎn)量最高。(2)施肥能提高脲酶、蔗糖酶及堿性磷酸酶的活性，覆膜能使土壤脲酶和堿性磷酸酶的活性提高。綜合來說，覆膜條件下化肥配施有機肥能較好地提高玉米產(chǎn)量，并能改善土壤質量。