長期有機(jī)無機(jī)配施對(duì)暗棕壤土壤酶活性及春麥產(chǎn)量品質(zhì)的影響

丁維婷，武雪萍*，張繼宗*，姜 宇，房靜靜，宋霄君，李婧妤， 鄭鳳君，張孟妮，劉曉彤

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院黑河分院， 黑龍江 黑河 164300；3.首都師范大學(xué)，北京 100048；4.山西師范大學(xué)，山西 臨汾 041004）

土壤酶作為土壤質(zhì)量的生物活性指標(biāo)在土壤生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色［1-3］，它與土壤養(yǎng)分循環(huán)、能量轉(zhuǎn)移以及環(huán)境質(zhì)量等密切相關(guān)［4-5］，土壤酶活性的高低可以作為土壤肥力評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)［6-7］，而土壤肥力水平影響作物的產(chǎn)量和品 質(zhì)［8］。當(dāng)前關(guān)于土壤肥力的理論研究更多集中在土壤化學(xué)和土壤物理方面，因此，研究土壤中最活躍和作用最關(guān)鍵的生物學(xué)組分-土壤酶活性與土壤狀況的關(guān)系尤為重要。

有機(jī)肥含有大量養(yǎng)分和豐富的酶促基質(zhì)。研究表明，平衡施肥、施有機(jī)肥和有機(jī)肥配施化肥可明顯提高土壤酶活性［9-10］。施用有機(jī)肥促進(jìn)土壤微生物的生長和繁殖，能改善土壤理化性質(zhì)，使作物獲得增產(chǎn)提質(zhì)的效果［8］。小麥籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)受生態(tài)環(huán)境、品種遺傳及施肥措施等諸多因素的影響，其中，肥料的調(diào)控效果較為明顯［11］。選擇適宜的肥料種類和配比是提高土壤肥力并使作物獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要手段。

國內(nèi)外專家和學(xué)者關(guān)于有機(jī)肥配施化肥對(duì)土壤肥力以及農(nóng)作物產(chǎn)量、品質(zhì)的影響進(jìn)行了大量的研究［12-13］，但有關(guān)東北暗棕壤春小麥有機(jī)肥與無機(jī)肥的適宜用量及長期的施肥效應(yīng)等問題有待深入探討，本研究以暗棕壤41年的長期定位施肥試驗(yàn)為平臺(tái)，研究長期有機(jī)無機(jī)配施對(duì)土壤酶活性、春麥籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，因地制宜確定具體施肥措施，結(jié)合關(guān)鍵性指標(biāo)來評(píng)價(jià)土壤培肥效果，以期為建立科學(xué)合理的有機(jī)無機(jī)肥配施技術(shù)體系提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

長期定位施肥試驗(yàn)位于黑龍江省北部黑河農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)（50°15′N，127°27′E），溫帶濕潤季風(fēng)氣候，年均氣溫為-2.0～1.0℃，無霜期105～120 d，年均降水量為510 mm左右，年均蒸發(fā)量650 mm。試驗(yàn)地土壤類型為暗棕壤，是東北地區(qū)占地面積最大的森林土壤之一，暗棕壤一般呈微酸性，表層腐殖質(zhì)積聚，有機(jī)質(zhì)和全氮含量相當(dāng)高，速效性（氮、磷、鉀）養(yǎng)分含量較豐富。試驗(yàn)開展時(shí)耕層土壤（0～20 cm）的基本性狀為：有機(jī)質(zhì)含量42.2 g·kg-1，全氮2.23 g·kg-1，全磷1.66 g·kg-1，有效磷8.1 mg·kg-1，pH值6.12［14］。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)為長期定位施肥試驗(yàn)，開始于1979年。供試春小麥品種為“龍麥35號(hào)”，每年4月初播種，8月中旬收獲，種植制度為小麥-大豆，一年一熟輪作制，兩作物施肥量一致，田間管理與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)相一致。有機(jī)肥為腐熟的馬糞，其含碳287.8 g·kg-1，氮（N）20.6 g·kg-1，磷（P）7.5 g·kg-1，鉀（K）19.6 g·kg-1，C/N為13.9。施用有機(jī)肥量（濕重）為15 000 kg·hm-2，每3年施1次。氮肥為尿素（N 46%），磷肥為磷酸二銨（N 18%，P2O546%），不施鉀肥，氮、磷化肥均在小麥播種前一次性施用。

本試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理：①不施肥（CK）；②低量化肥（NP）；③中量化肥（2NP）；④高量化肥（4NP）；⑤有機(jī)肥（M）；⑥有機(jī)肥+中量化肥（M+2NP）。具體施肥量見表1。各小區(qū)隨機(jī)排列，每個(gè)小區(qū)面積212 m2（10根壟，壟長30 m×壟寬0.7 m）；小麥行距10 cm，株距0.9 cm，大豆行距65 cm，株距4.5 cm；小麥的密度為650萬～700萬株·hm-2，大豆的密度為34萬～35萬株·hm-2。試驗(yàn)地周圍設(shè)有1 m寬保護(hù)區(qū)，不施肥，種植作物與試驗(yàn)田一致，旱地為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，無灌溉。

表1 試驗(yàn)處理及施肥量 （kg·hm-2）

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土樣采集與處理

土壤樣品于小麥?zhǔn)斋@期（2019年8月11日）進(jìn)行采集。各小區(qū)均勻布點(diǎn)，分別選取3個(gè)采樣點(diǎn)，采樣深度為0～20 cm，除去土壤樣品中的植物根系、石礫和其他雜物，將土壤樣品過2 mm篩，混勻樣品并裝入聚乙烯樣品袋中，冷藏帶回實(shí)驗(yàn)室，存放在-20℃冰箱中待測。

1.3.2 土壤酶活性測定

稱取1.0 g新鮮土樣，放入500 mL的玻璃燒杯中，加入滅菌后冷卻的醋酸緩沖液125 mL，用磁力攪拌器充分混勻，嚴(yán)格按照相應(yīng)要求，使用多通道移液器將緩沖液、土壤樣品懸濁液、標(biāo)準(zhǔn)品和相應(yīng)底物加入到黑底的96孔酶標(biāo)板中［15］，采用多功能酶標(biāo)儀（Scientific Fluoroskan Ascent FL，美國）測定5種土壤水解酶活性，即β-葡萄糖苷酶（BG）、β-纖維二糖苷酶（CBH）、乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、酸性磷酸酶（AP）和亮氨酸氨基肽酶（LAP），相應(yīng)底物見表2。具體測定參照Saiya-Cork等［16］的方法并稍作修改。試劑購于Sigma-Aldrich Co. Ltd公司，用無菌水配置后于4℃冰箱短暫保存待用。

表2 測試酶及所用底物

1.3.3 小麥籽粒產(chǎn)量測定

小麥?zhǔn)斋@期取樣，各小區(qū)設(shè)3個(gè)1.0 m2樣方取樣，風(fēng)干后脫粒、稱重，計(jì)算產(chǎn)量。

1.3.4 小麥綜合品質(zhì)測定

采用DA7200多功能近紅外分析儀（瑞典波通公司）測定小麥品質(zhì)指標(biāo)，蛋白質(zhì)含量、容重、出粉率、濕面筋含量、沉降值、吸水率、穩(wěn)定時(shí)間、形成時(shí)間、最大拉伸阻力、延展性和拉伸面積等。重復(fù)3次。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

土壤酶活性值計(jì)算具體參照 Deforest［17］的方法。

采用Excel 2010和SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)、圖表處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)暗棕壤土壤酶活性的影響

2.1.1 土壤β-葡萄糖苷酶活性

如圖1所示，單施有機(jī)肥處理的土壤β-葡萄糖苷酶活性顯著高于其他處理，以單施高量化肥處理的土壤酶活性最低。與對(duì)照相比，單施化肥（NP、2NP和4NP）處理的土壤β-葡萄糖苷酶活性分別降低了34.58%、15.08%、56.67%，而單施有機(jī)肥處理和有機(jī)肥配施中量化肥處理的土壤酶活性分別提高了19.11%、2.79%，有機(jī)肥配施中量化肥處理較單施中量化肥處理顯著提高了21.04%。

圖1 不同施肥處理下β－葡萄糖苷酶活性

2.1.2 土壤β-纖維二糖苷酶活性

如圖2所示，施有機(jī)肥處理的β-纖維二糖苷酶活性高于不施肥和全量化肥處理，單施化肥處理的土壤β-纖維二糖苷酶活性較CK降低了36.99%～54.20%，而單施有機(jī)肥處理和有機(jī)肥配施中量化肥處理的土壤酶活性分別提高了63.74%、20.64%，有機(jī)肥配施中量化肥處理較單施中量化肥處理提高了91.46%，有機(jī)肥的施用顯著提高了土壤β-纖維二糖苷酶活性。

圖2 不同施肥處理下β－纖維二糖苷酶活性

2.1.3 土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性

如圖3所示，單施有機(jī)肥處理的土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性顯著高于其他處理，除單施有機(jī)肥處理外，各處理間差異均不顯著。與對(duì)照相比，單施化肥（NP和4NP）處理的土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性分別降低了19.39%、28.68%，而單施中量化肥、有機(jī)肥和有機(jī)肥配施中量化肥處理分別提高了11.62%、322.68%、59.58%，有機(jī)肥配施中量化肥處理較單施中量化肥處理提高了 42.97%。

圖3 不同施肥處理下乙酰氨基葡萄糖苷酶活性

2.1.4 土壤酸性磷酸酶活性

如圖4所示，以單施有機(jī)肥處理的土壤酸性磷酸酶活性最高，單施高量化肥處理最低。與對(duì)照相比，單施化肥（NP、2NP和4NP）處理和有機(jī)肥配施中量化肥處理的土壤酸性磷酸酶活性分別降低了42.69%、32.42%、58.30%、3.24%，而單施有機(jī)肥處理提高了27.57%，可以看出，配施有機(jī)肥使土壤酸性磷酸酶活性下降幅度顯著減小。

圖4 不同施肥處理下酸性磷酸酶活性

2.1.5 土壤亮氨酸氨基肽酶活性

如圖5所示，單施有機(jī)肥處理的土壤亮氨酸氨基肽酶活性顯著高于其他各處理，單施化肥處理的酶活性隨著肥料施入量的增加而減少。與對(duì)照相比，單施化肥（NP、2NP和4NP）處理和有機(jī)肥配施中量化肥處理的土壤亮氨酸氨基肽酶活性分別降低了2.36%、62.69%、81.71%、26.96%，單施有機(jī)肥處理提高了59.65%，有機(jī)肥配施中量化肥處理較單施中量化肥處理提高了95.74%。

圖5 不同施肥處理下亮氨酸氨基肽酶活性

2.2 不同施肥處理對(duì)春小麥籽粒產(chǎn)量的影響

如圖6所示，不同施肥處理下小麥籽粒產(chǎn)量存在顯著差異。小麥平均產(chǎn)量表現(xiàn)為CK

圖6 不同施肥處理小麥平均產(chǎn)量

2.3 不同施肥處理下小麥品質(zhì)性狀分析

將小麥品質(zhì)性狀分為籽粒品質(zhì)、面粉品質(zhì)和面團(tuán)品質(zhì)3類指標(biāo)進(jìn)行分析，見表3。

表3 不同施肥處理對(duì)小麥綜合品質(zhì)的影響

2.3.1 不同施肥處理對(duì)小麥籽粒品質(zhì)的影響

小麥籽粒蛋白質(zhì)含量表現(xiàn)為2NP

小麥籽粒容重整體表現(xiàn)與籽粒蛋白質(zhì)含量一致。除單施中量化肥處理外，其他處理較CK增加了0.45%～2.05%。單施有機(jī)肥處理與有機(jī)肥配施中量化肥處理差異不顯著，較CK分別提高了1.56%、2.05%，以有機(jī)肥配施中量化肥處理對(duì)小麥籽粒容重的影響效應(yīng)最顯著。

小麥籽粒出粉率整體表現(xiàn)為NP=2NP

2.3.2 不同施肥處理對(duì)小麥面粉品質(zhì)的影響

各處理面粉沉降值整體表現(xiàn)為2NP

面粉濕面筋含量整體表現(xiàn)為2NP

面粉吸水率整體表現(xiàn)為2NP

2.3.3 不同施肥處理對(duì)小麥面團(tuán)品質(zhì)的影響

不同施肥處理面團(tuán)延展性與形成時(shí)間整體均 表現(xiàn)為CK=2NP

各施肥處理面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間、拉伸面積和最大拉伸阻力整體表現(xiàn)為2NP

2.4 不同施肥處理下土壤碳氮轉(zhuǎn)化相關(guān)酶與籽粒產(chǎn)量、品質(zhì)的相關(guān)分析

長期不同施肥處理下，碳氮轉(zhuǎn)化相關(guān)酶彼此之間密切相關(guān)（表4）。本研究發(fā)現(xiàn)，β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶和亮氨酸氨基肽酶彼此之間均呈極顯著正相關(guān)。除亮氨酸氨基肽酶與籽粒產(chǎn)量之間呈負(fù)相關(guān)，β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶以及酸性磷酸酶與產(chǎn)量之間均呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著。

籽粒品質(zhì)中，土壤酶與蛋白質(zhì)含量、出粉率之間呈正相關(guān)，β-纖維二糖苷酶、酸性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶與籽粒容重之間呈極顯著或顯著正相關(guān)；面粉品質(zhì)中，土壤酶與濕面筋含量呈正相關(guān)，β-纖維二糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶與沉降值呈顯著正相關(guān)。β-纖維二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶和亮氨酸氨基肽酶與吸水率呈極顯著或顯著正相關(guān)；面團(tuán)品質(zhì)中，β-葡萄糖苷酶與面粉品質(zhì)中的各指標(biāo)均呈正相關(guān)，β-纖維二糖苷酶與面團(tuán)品質(zhì)指標(biāo)呈顯著或極顯著正相關(guān)。乙酰氨基葡萄糖苷酶與拉伸面積呈極顯著正相關(guān)，與其他指標(biāo)呈顯著正相關(guān)。酸性磷酸酶與穩(wěn)定時(shí)間和拉伸面積呈顯著正相關(guān)。亮氨酸氨基肽酶與拉伸面積、穩(wěn)定時(shí)間和最大拉伸阻力呈呈極顯著或顯著正相關(guān)。

表4 土壤酶與籽粒產(chǎn)量、品質(zhì)的相關(guān)分析

3 討論

崔喜安等［14］進(jìn)行暗棕壤長期連續(xù)施肥的研究，發(fā)現(xiàn)無論是單施化肥、有機(jī)肥還是有機(jī)無機(jī)肥料配合施用，與不施肥處理相比都有不同程度的增產(chǎn)，與本試驗(yàn)得出一致結(jié)論。在保證農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的前提下，減少化肥用量，提高肥料利用效率，是當(dāng)前農(nóng)業(yè)熱點(diǎn)問題。從整個(gè)試驗(yàn)來看，以單施高量化肥、有機(jī)肥配施中量化肥這2個(gè)處理增產(chǎn)比例較高，但二者產(chǎn)量差異不顯著，有機(jī)肥配施中量化肥處理減少化肥用量的同時(shí)，也能滿足作物生產(chǎn)需求并獲得穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。優(yōu)良品質(zhì)的前提是優(yōu)良的品種，而配施有機(jī)肥可以改善小麥品質(zhì)［18］。本研究結(jié)果表明，施用有機(jī)肥處理的小麥籽粒品質(zhì)、面粉品質(zhì)以及面團(tuán)品質(zhì)均表現(xiàn)出一致性的規(guī)律，其小麥品質(zhì)均顯著高于單施化肥處理，各品質(zhì)指標(biāo)在不同處理間的差異均達(dá)到顯著水平，體現(xiàn)了施肥對(duì)小麥品質(zhì)的可塑性。本試驗(yàn)綜合考慮肥料投入量、小麥產(chǎn)量及品質(zhì)等指標(biāo)，有機(jī)肥和化肥的配合施用可兼顧較高的產(chǎn)量和品質(zhì)，這與前人［18-19］的研究結(jié)果類似。

有機(jī)肥與化肥合理配施能更好地發(fā)揮肥料培肥土壤的作用，土壤的肥力水平影響著作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。樊軍等［20］通過長期定位試驗(yàn)研究證實(shí)，施用有機(jī)肥為提高土壤肥力、作物產(chǎn)量和品質(zhì)奠定基礎(chǔ)，有機(jī)肥與化肥配施有效提高了糧食作物的產(chǎn)量和品質(zhì)［21-24］。本研究發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥顯著提高土壤酶活性，同時(shí)也增加了作物產(chǎn)量，并改善了作物品質(zhì)。

土壤酶是研究土壤生態(tài)效應(yīng)的有效傳感器［25-26］，土壤酶活性的高低可以作為土壤肥力評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)［6-7］，李花等［27］研究了20年小麥-玉米輪作體系不同施肥對(duì)生物量和酶活性的影響，結(jié)果表明，有機(jī)肥配施化肥土壤養(yǎng)分含量、微生物量及酶活性顯著高于不施肥和全量化肥處理。陶磊等［28］、孫瑞蓮等［7］也得到類似的結(jié)果，即有機(jī)肥與化肥長期配施可以明顯提高土壤酶活性。在土壤碳氮元素的轉(zhuǎn)化過程中，β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶等發(fā)揮重要作用，可作為衡量土壤肥力理想的生物化學(xué)指標(biāo)之 一［15］。李科江等［29］在半干旱區(qū)的施肥試驗(yàn)表明，施肥與不施肥相比均不同程度地提高了脲酶活性，尤其是施用有機(jī)肥的影響最大。本研究結(jié)果顯示，與對(duì)照相比，有機(jī)肥處理的β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶以及酸性磷酸酶和亮氨酸氨基肽酶活性均有顯著提高，有機(jī)肥配施中量化肥處理較單施中量化肥處理土壤酶活性提高了21.04%～95.74%。土壤酶是植物營養(yǎng)元素的活性庫，有機(jī)肥與化肥長期合理配施顯著提高了土壤酶活性，促進(jìn)了土壤有機(jī)物的轉(zhuǎn)化，可以直接或間接供給作物所需養(yǎng)分，滿足了農(nóng)作物對(duì)營養(yǎng)元素的需求，既提高了作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，又避免了肥料浪費(fèi)，減少土壤污染。

合理施用有機(jī)肥促進(jìn)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、高效、持續(xù)健康的發(fā)展。因此，在提倡化肥減量增效、農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的背景下，應(yīng)平衡施肥，重視有機(jī)肥的投入，做到科學(xué)施肥，使高產(chǎn)高效、品質(zhì)優(yōu)良相統(tǒng)一。本試驗(yàn)中，相對(duì)于其他處理，有機(jī)肥配施中量化肥處理對(duì)提高土壤肥力、增加作物產(chǎn)量和改善作物品質(zhì)效果顯著。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)各施肥處理以單施高量化肥、有機(jī)肥配施中量化肥2個(gè)處理產(chǎn)量最高，二者產(chǎn)量差異不顯著。與單施高量化肥處理相比，有機(jī)肥配施中量化肥處理的土壤酶活性、品質(zhì)指標(biāo)分別提高了118.24%～298.87%、0.48%～29.32%，有機(jī)肥配施中量化肥處理比單施中量化肥的土壤酶活性、產(chǎn)量和各項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)分別提高了21.04%～95.74%、25.13%和1.44%～195.97%。綜合考慮化肥用量、土壤肥力、小麥產(chǎn)量及品質(zhì)等指標(biāo)，有機(jī)肥配施中量化肥處理可兼顧較高的土壤肥力、作物產(chǎn)量和品質(zhì)，推薦該處理作為東北暗棕壤地區(qū)春小麥的適宜施肥方式。