施氮與種植方式對北方旱作農田土壤酶活力及養分含量的影響

王愛萍,姜彧宸,馮 月,池 田,溫 強,董 琦

(山西農業大學 農學院,黃土高原特色作物優質高效生產省部共建協同創新中心,山西 太谷 030801)

小麥是我國三大糧食作物之一,其產量對我國糧食安全具有重要作用。豌豆是世界第二大食用豆類,也是我國重要的雜糧作物,其根部與根瘤菌共生形成根瘤,可固定空氣中游離氮以供植株生長發育,同時給土壤留下氮素,達到提高土壤肥力的目的[1],在農業可持續生產中發揮著重要作用[2]。

施氮是提高作物產量的重要農業措施,大量研究表明,施氮對土壤酶活性與養分含量都有影響,增施氮肥能增加土壤礦質氮濃度[3],提高土壤全氮、無機氮、有機碳含量[4-5];然而,氮肥的過度施用造成土壤嚴重酸化,影響土壤有機質、土壤微生物和土壤氮的組成[6],對養分在土壤、有機質、微生物連續體之間的循環也會產生不確定的影響,進而影響土壤生態系統的結構與功能。適宜施肥能夠提高土壤酶活性[7-8],但長期施氮會降低有效磷含量[9]。土壤酶活性與土壤養分含量有關[10-15]。

在間作系統中,由于2種或2種以上的作物在同一生態系統中共生,增加了農田生物多樣性,改善了土壤質量,提高了土壤肥力,促進了資源的獲取與利用。豆科和禾本科作物作為一種共生固氮競爭與互補關系存在的間作模式,小麥蠶豆間作條件下土壤微環境得到改變,提高脲酶活性[12],且蠶豆生物固氮量的增加使土壤氮含量增加,能對土壤氮素有效保蓄和供應[16],更多樣化的植物群落的根系生產增加了有機質的地下輸入,提高了土壤固碳率[17];間作還能提高土壤有效磷含量[18]。對于小麥豌豆間作系統來說,豌豆的加入可以提高小麥土壤有效氮素的含量,從而減少化肥的施用,實現減肥高產[19]。

山西省屬于我國北方干豌豆主產區[2],近年來,禾本科與豆科的間作研究逐漸增多,劉振洋等[20]于2017—2018年研究表明,小麥蠶豆間作具有明顯產量優勢,孟維偉等[21]研究表明,減施氮肥10%(202.5 kg/hm2)會降低小麥干物質積累量、氮素積累量和產量。但關于小麥//豌豆模式中氮肥施用量對土壤酶活性和土壤養分影響的研究報道還較少。

前人對小麥豌豆間作模式進行了多年研究,其中包括不同行距、不同施肥量對小麥豌豆間作農藝性狀、產量、氮素積累等的影響[22-25],在此基礎上本試驗設置小麥單作、豌豆單作以及小麥豌豆間作3種種植方式、4個施氮量水平,探究不同氮水平和不同種植方式對土壤酶活與土壤養分含量的影響規律以及二者對土壤酶活與土壤養分是否存在交互作用,旨在為實現合理高效利用氮肥的農業生產提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗在山西農業大學農作站(37°25′19.72″N,112°34′34.56″E)進行。試驗地年均降水量397.1 mm,年平均氣溫10 ℃,年平均無霜期179 d。土壤類型為壤土,全氮含量0.95 g/kg,堿解氮含量33.88 mg/kg,有效磷含量10.45 mg/kg,速效鉀含量157.60 mg/kg,有機碳含量12.74 g/kg。

1.2 試驗材料

供試春麥為農家種,供試豌豆為中豌11號。

1.3 試驗設計

采用完全隨機區組設計,設置3種種植方式:春麥單作(SS)、春麥豌豆間作(SI)、豌豆單作(PS)和4個施氮量:0(N0),90(N1),180(N2),270 kg/hm2(N3)。間作模式為2行小麥間作2行豌豆,行距15 cm。所有小區單施氮肥,施氮量以純氮量計算,所有氮肥均作為基肥在種植前一次性施入。小區面積為4.8 m×5.2 m,設置3次重復,共計36個小區,小麥、豌豆播量均為225 kg/hm2。

1.4 樣品采集及指標測定

在小麥播種后第85天進行樣品的采集,此時植株生長達到整個生長周期中的相對旺盛階段,此時根系互作顯著分泌物增多,試驗效果明顯。用土鉆在每個小區內進行五點取樣,取樣深度0～20 cm,將樣品混合均勻后風干碾碎過2 mm篩待測。

蔗糖酶采用磷酸苯二鈉比色法測定,β-葡萄糖苷酶采用硝基酚比色法測定,脲酶采用靛酚藍比色法測定,谷氨酰胺酶根據《土壤酶及其研究法》[26]進行測定,磷酸酶采用3,5二硝基水楊酸比色法測定;土壤中全氮含量采用凱氏蒸餾法測定,全磷含量采用硫酸-高氯酸消煮法測定,堿解氮含量采用堿解擴散法測定,速效磷含量采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測定,有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定。

有機碳[27]=土壤有機質×0.58

①

1.5 數據處理

數據處理采用Excel和SPSS 26.0統計分析軟件進行分析處理;圖表繪制運用Origin 2019進行。

2 結果與分析

2.1 不同施氮處理對不同種植方式下土壤蔗糖酶活性的影響

如圖1所示,氮肥的施用有利于提高3種種植模式土壤蔗糖酶活性,隨著施氮量的增加,3種種植模式蔗糖酶活性均呈現先升高后降低的趨勢,且均在N2水平達到最高;與N0水平相比,PS模式N2、N3水平蔗糖酶活性分別顯著提高65.51%,57.88%。施氮條件下,相較于豌豆單作,春麥單作、春麥豌豆間作有利于提高豌豆土壤蔗糖酶活性。在4個氮肥水平的土壤蔗糖酶活性整體均表現為SI>PS(P<0.05)。相同的氮肥水平下,相較于PS,SI種植模式的蔗糖酶活性顯著提高31.25%～94.07%(P<0.05)。

不同小寫字母表示不同處理數據間差異顯著(P<0.05)。圖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 不同施氮處理對不同種植方式下土壤β-葡萄糖苷酶活性的影響

圖2結果表明,施用氮肥可以提高3種種植模式土壤β-葡萄糖苷酶活性,但不同種植方式的β-葡萄糖苷酶活性對氮肥施用量的響應不同,SS模式的β-葡萄糖苷酶活性隨施氮量的增加而升高,N3水平酶活最高,且顯著高于N0水平17.81%;PS、SI模式下的酶活隨施氮量的增加先升高后降低,且均在N2水平達到最高。

圖2 不同施氮處理和不同種植方式土壤β-葡萄糖苷酶活性Fig.2 Soil β-glucosidase activity under different nitrogen treatments and planting patterns

2.3 不同施氮處理對不同種植方式下土壤脲酶活性的影響

圖3結果顯示,施用氮肥可以提高春小麥土壤脲酶活性,SS與SI種植模式脲酶活性隨施氮量的增加先升高后降低,且均在N2水平達到最高,PS模式則在N1水平達到最高;SS模式N2、N3水平土壤脲酶活性相較于N0、N1水平均顯著提高(相較于N0和N1,N2分別提高106.47%和79.47%,N3分別提高92.29%和67.15%),SI在N2水平顯著高于其他氮肥水平,與N0相比提高44.30%。氮肥施用條件下,不同種植模式對土壤脲酶活性影響不同。4個氮肥水平的土壤脲酶活性整體表現為SI>SS>PS。N0、N1水平SI脲酶活性分別比SS顯著提高54.90%和59.41%;4個氮肥水平處理SI的土壤脲酶活性相較于PS提高了60.54%～139.55%。

圖3 不同施氮處理和不同種植方式土壤脲酶活性Fig.3 Soil urease activity under different nitrogen treatments and planting patterns

2.4 不同施氮處理對不同種植方式下土壤谷氨酰胺酶活性的影響

從圖4可以看出,施氮提高了土壤谷氨酰胺酶的活性,SS、SI、PS這3種種植模式土壤谷氨酰胺酶的活性均隨施氮量的增加先升高后降低,且均在N2水平達到最高;SS模式N2水平酶活顯著高于N0 26.95%;SI模式N2、N3水平酶活分別顯著高于N0 67.05%,22.02%;在PS中,N2水平酶活與N0相比顯著提高55.03%,且顯著高于其他氮肥水平。氮肥處理下,間作有利于提高谷氨酰胺酶活性。4個氮肥處理3種模式土壤谷氨酰胺酶活性表現為SI>PS>SS,且N2、N3水平SI模式分別顯著高于SS模式 52.31%,28.03%。

圖4 不同施氮處理和不同種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 不同施氮處理對不同種植方式下土壤磷酸酶活性的影響

圖5結果顯示,一定量的氮肥施用提高了土壤磷酸酶的活性,SS、SI磷酸酶活性隨施氮量的增加先升高后降低,且均在N2水平達到最高;在SI中,N1、N2、N3磷酸酶活性比N0水平顯著提高102.67%～228.78%,其中N2(提高228.78%)效果最佳。氮肥處理下(N1～N3),間作均提高了土壤磷酸酶的活性。相同施氮量處理,土壤磷酸酶的活性均表現為SI>SS>PS,N1、N2水平處理SI模式磷酸酶活性分別顯著高于SS模式70.13%和128.35%;N1、N2、N3水平SI酶活均顯著高于PS模式(分別提高345.86%,337.21%,201.63%)。

圖5 不同施氮處理和不同種植方式土壤磷酸酶活性Fig.5 Soil phosphatase activity under different nitrogen treatments and planting patterns

2.6 不同施氮處理對不同種植方式下土壤養分含量的影響

由表1可知,施氮提高了土壤堿解氮含量,SS、SI、PS模式分別提高了9.60%～15.66%,8.27%～14.03%,8.51%～21.28%;3種種植方式土壤堿解氮的含量隨施氮量的增加呈先升高后降低的趨勢,且均在N2水平達到最高,SS、SI、PS模式土壤堿解氮含量分別為68.12,69.62,70.36 mg/g。SS、SI模式N2、N3水平處理的堿解氮含量均顯著高于N0處理;PS模式N2處理土壤堿解氮含量顯著高于N0水平。

施氮提高了土壤全磷含量,但除SI外,SS與PS各氮處理間差異不顯著。與N0相比,施氮(N1、N2、N3)能顯著提高SI土壤全磷含量16.76%～22.02%。

施氮提高了土壤有效磷含量,3種種植方式下的土壤有效磷含量均隨施氮量的增加先升高后降低,且都在N2水平達到最高,SS、SI、PS模式土壤有效磷含量分別為19.38,25.42,25.20 mg/g。SS種植方式N1、N2水平有效磷含量均顯著高于N0水平;SI、PS模式N2水平的有效磷含量均顯著高于N0。N0、N2、N3水平SI有效磷含量與SS相比顯著提高28.49%～31.18%,N3水平SI有效磷含量顯著高于PS 55.61%。說明氮肥的施用可以提高有效磷含量,且N2處理效果最佳。不同種植方式和不同氮水平之間的全氮和有機碳含量差異均不顯著。

2.7 土壤酶活性和養分含量之間的相關性分析

表2結果表明,氮肥處理土壤蔗糖酶活性與土壤β-葡萄糖苷酶、脲酶、谷氨酰胺酶和磷酸酶活性以及全氮、堿解氮、全磷、有效磷和有機碳含量之間均呈正相關關系,其中與脲酶、磷酸酶活性均呈極顯著相關,與有效磷含量呈顯著相關;土壤β-葡萄糖苷酶活性與谷氨酰胺酶活性、全氮、堿解氮、全磷、有效磷及有機碳含量呈負相關,與脲酶、磷酸酶活性呈正相關;土壤脲酶活性除與土壤有機碳含量呈負相關外,與其余指標均為正相關,且與磷酸酶活性和堿解氮含量極顯著正相關,與全氮、有效磷含量顯著正相關;土壤谷氨酰胺酶活性分別與土壤全氮、有效磷含量呈正相關,分別與土壤磷酸酶活性以及土壤堿解氮、全磷、有機碳含量呈負相關;土壤磷酸酶活性與土壤全氮、有效磷含量極顯著正相關,與堿解氮顯著正相關。表明在施氮條件下,所測的5種酶活性均與所測的6種土壤養分含量有相關性,但不同的酶與不同的養分之間關系不一。土壤全氮含量與土壤堿解氮、全磷、有效磷、有機碳含量均呈正相關,且與堿解氮極顯著正相關。土壤堿解氮含量與土壤全磷、有效磷含量呈正相關,但與土壤有機碳含量呈負相關;土壤全磷含量與土壤有效磷、有機碳含量均呈正相關;土壤有效磷含量與有機碳含量也呈正相關。說明施氮條件下,土壤養分之間也有相關關系,但不同養分之間關系不同。

表2 不同氮水平與種植方式土壤酶活性和養分之間的相關性Tab.2 Correlation of soil enzyme activities,nutrients under different nitrogen treatments and planting patterns

2.8 不同施氮處理與種植模式的主效應與交互作用

由表3可知,氮處理對土壤蔗糖酶、脲酶、谷氨酰胺酶、磷酸酶活性和土壤全磷、有效磷含量影響極顯著,對土壤堿解氮含量影響顯著;種植模式對土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性和土壤有效磷含量影響極顯著,對土壤谷氨酰胺酶活性影響顯著;氮處理與種植模式對土壤脲酶、谷氨酰胺酶活性存在極顯著交互作用,對土壤磷酸酶活性和土壤全磷、有效磷含量存在顯著交互作用。

表3 氮處理與種植模式的主效應和交互作用Tab.3 Main effects and interactions between nitrogen treatment and cropping patterns

3 結論與討論

3.1 不同施氮量與不同種植方式對土壤酶活性的影響

土壤酶是農業生態系統土壤養分轉化極其重要的指標,與土壤養分循環密切相關[7,28-29]。施肥通過改變土壤養分元素含量及供給能力而影響土壤酶活性,是影響土壤性質和酶活性的關鍵農業措施。前人研究結果表明,施氮能提高土壤的β-葡萄糖苷酶的活性[30],隨著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],氮肥對蔗糖酶和堿性磷酸酶活性有激活作用[32]。本研究結果表明,隨著施氮量的增加,3種種植模式蔗糖酶活性均呈現先升高后降低的趨勢,且均在N2水平達到最高。N3水平SS模式β-葡萄糖苷酶活性達到最高,N2水平PS、SI模式β-葡萄糖苷酶活性達到最高。SS與SI種植模式脲酶活性均在N2水平達到最高。3種模式土壤谷氨酰胺酶的活性均在N2水平達到最高。SS、SI磷酸酶活性均在N2水平達到最高。一定量的施肥促進了作物生長,根系分泌物增多,微生物繁殖加快,從而使得土壤酶活性提高[8,32-34],付智丹等[34]的研究結果也證明了這一點。谷氨酰胺酶存在于某些細菌以及植物根部,催化L-β-谷氨酰胺水解成L-谷氨酸和氨,能調節游離氨含量和尿素代謝,在氮素代謝中具有重要調節作用。本研究中,N2、N3水平SI模式土壤谷氨酰胺酶活性顯著高于SS,可能是SI系統中作物根系多樣,土壤中微生物增多,進而提高了SI模式土壤谷氨酰胺酶活性;N2水平處理SI土壤磷酸酶活性顯著高于SS,N1、N2、N3水平SI磷酸酶活均顯著高于PS。說明間作在不同的施氮水平提高的土壤酶活不同,可能是由于間作中小麥和豌豆根系發生交互作用,根系生長發育得到促進,且生理特征與分泌特性得到改變,進一步增加土壤酶的來源[35]。

3.2 不同施氮量與不同種植方式對土壤養分含量的影響

土壤碳、氮、磷是植物生長和物質循環的主要元素,是土壤肥力構成的基礎,通過土壤和肥料養分供應與作物需求匹配,可以提高肥料的利用率。研究表明,氮肥施用可顯著提高土壤有機碳和全氮含量[5,36],隨施氮量的增加土壤無機氮含量及氮積累量增加[4,37],施氮量小于最大施氮量時,土壤堿解氮的含量會隨施氮量的增加而升高,超過施氮量閾值則會降低[38-39]。本研究中,施氮顯著提高堿解氮、有效磷和全磷含量,N2顯著提高3種種植模式土壤堿解氮和有效磷含量,N3水平處理下有所下降,說明在3種種植方式中最佳施氮量為N2(180 kg/hm2),3個施氮水平(N1、N2、N3)均能夠顯著提高SI土壤全磷含量,長期施肥會影響土壤微生物對氮素的固持與釋放,協調土壤供氮與植物吸收氮素之間的關系[36],且土壤中N素的轉化與P素的轉化相互影響[40],所以氮肥的施用不僅對土壤氮含量產生影響,對土壤磷含量也會產生影響。施氮條件下,土壤養分含量整體表現為間作高于單作,其原因可能是間作改善土壤生態的多樣性與穩定性[41],土壤酶活性提高,從而促進間作養分得到不同程度的提高。

3.3 土壤酶活與養分含量之間的相關性

土壤酶與土壤肥力因素關系密切,其可作為衡量土壤肥力的敏感指標[42-43]。前人研究表明,土壤酶活性與土壤養分有較好的相關性[44],土壤蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性分別受土壤全氮、有機質和全氮、全磷和有機質含量的影響[40,43,45],其中蔗糖酶與有機碳之間的關系因施肥種類及種植方式的不同而不同[41]。在冬小麥生育期內,土壤養分的高低對土壤酶的響應不同[46]。本研究結果表明,土壤蔗糖酶活性與脲酶、磷酸酶活性均呈極顯著相關(P<0.01),與有效磷含量呈顯著相關(P<0.05);土壤脲酶活性與磷酸酶活性、堿解氮含量極顯著正相關(P<0.01),與全氮、有效磷含量顯著正相關(P<0.05);土壤磷酸酶活性與全氮、有效磷含量極顯著正相關(P<0.01),與堿解氮顯著正相關(P<0.05);土壤全氮含量與堿解氮極顯著正相關(P<0.01);且土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性和土壤堿解氮和有效磷含量均在N2水平下達到最大值,說明適量氮肥施用可促進氮磷養分轉化相關土壤酶活性的提高,從而促進土壤養分含量的增加。β-葡萄糖苷酶與谷氨酰胺酶活性在相關性分析中出現負相關結果,其影響機制還需進一步深入研究。

3.4 不同施氮量與種植模式的主效應與交互作用

主效應與交互作用結果表明,施氮與種植模式對土壤蔗糖酶活性有極顯著影響,但二者結合起來影響卻不顯著,說明施氮與種植模式在對土壤蔗糖酶的影響中可能存在相互制約的現象。施氮和種植模式對土壤脲酶、谷氨酰胺酶、磷酸酶活性以及土壤有效磷含量的影響一致,說明施氮和種植模式對氮和磷元素的轉化利用方面可能存在相互依賴和協同作用。

本研究表明,N2顯著提高3種種植模式土壤堿解氮和有效磷含量,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與間作組合情況下提高效果最佳。綜上所述,180 kg/hm2施氮量和春麥豌豆間作是適應當地的氮肥用量和種植方式。