氮磷分施和間作對春小麥花期土壤養(yǎng)分和酶活性的影響

李丹丹，姜彧宸，落彩林，馮 月，王愛萍，董 琦

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/黃土高原特色作物優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，山西 太谷 030801）

氮、磷是小麥生長發(fā)育過程中必要的營養(yǎng)元素，長期以來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上為追求小麥高產(chǎn)過量施用化肥[1]，然而隨著施肥量的增加，氮、磷肥的吸收利用率卻降低[2]，致使氮肥利用率為25%[3]左右，磷肥利用率為10%～25%[4]。因此，合理控制化肥用量，提高氮、磷肥的利用率，對小麥生產(chǎn)實現(xiàn)可持續(xù)性高產(chǎn)具有重要作用。

間作是我國傳統(tǒng)精耕細作農(nóng)業(yè)的重要組成部分[5]，合理間作可以提高肥料利用率[6]、土地利用效率[7]以及增加單位面積糧食產(chǎn)出[8]。豆科和禾本科植物間作不僅能提高禾本科作物對氮、磷的吸收效率[9-10]，還能通過改變植物生理特征和根系分泌物來間接影響土壤酶活性[11]，改善土壤理化性質(zhì)[12]，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性發(fā)展。

土壤酶活性與土壤有機質(zhì)含量、土壤微生物數(shù)量及土壤養(yǎng)分含量等密切相關(guān)，對土壤中有機物質(zhì)的轉(zhuǎn)化及能量、養(yǎng)分的循壞，作物養(yǎng)分吸收利用效率的提高均有促進作用[12-13]。但長期以來人們對土壤酶活性和土壤養(yǎng)分的研究主要集中在冬小麥[14]上，黃寅玲等[15]、馬忠明等[16]研究表明，適宜施肥或間作種植提高了冬小麥根際土壤酶活性和土壤養(yǎng)分含量。但由于我國北方冬季氣候寒冷導(dǎo)致冬小麥無法越冬，春小麥被大面積種植，而目前關(guān)于不同施肥水平下春小麥間作豌豆對土壤酶活性、土壤養(yǎng)分的研究鮮有報道。

本研究通過大田試驗比較不同施肥量、春小麥單作和間作下小麥開花期土壤酶活性和土壤養(yǎng)分的變化，旨在揭示不同施肥水平下春小麥豌豆間作種植對土壤酶活性和土壤養(yǎng)分的影響，旨在為改善土壤環(huán)境和制定合理施肥量提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)位于山西省晉中市太谷區(qū)農(nóng)作站（北緯37°25′19.72″N，東經(jīng)112°34′34.56″E）。該區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，歷年平均降水量397.1 mm，年平均氣溫10.4℃，無霜期179 d，日照時數(shù)2 527.5 h。供試土壤類型為壤土，基本理化性狀為土壤有機質(zhì)含量21.96 g/kg，全氮含量0.945 g/kg，堿解氮含量33.88 mg/kg，有效磷含量8.99 mg/kg，速效鉀含量157.6 mg/kg，pH值8.19。

1.2 試驗材料

供試春小麥品種為寧春5號，供試豌豆品種為中豌8號。

1.3 試驗設(shè)計

試驗處理設(shè)施肥水平和種植方式2個因素，其中，施肥水平設(shè)4個氮肥處理：0（N0）、90（N1）、180（N2）、270（N3）kg/hm2，3個 磷 肥 處 理：0（P0）、45（P1）、90（P2）kg/hm2，施肥量以純氮和純磷計算，均作為基肥在播前一次性施入；種植方式設(shè)春小麥單作（DC）、春小麥和豌豆間作（JC）。每個小區(qū)面積4.8 m×5.2 m，3次重復(fù)，共42個小區(qū)。春小麥和豌豆均于2020年3月1日播種，20 cm等行距條播種植，每小區(qū)共24行。春小麥間作豌豆為2行小麥間作2行豌豆。春小麥和豌豆的播量均為225 kg/hm2。全生育期無追肥，無灌水，其余措施同當(dāng)?shù)毓芾怼?/p>

1.4 樣品采集與測定

于春小麥開花期，采用五點取樣法，采集0～20 cm土壤樣品，混合后裝袋帶回實驗室，自然風(fēng)干后過篩，用于土壤酶活性和土壤養(yǎng)分含量的測定。

土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法測定，土壤堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，土壤蛋白酶活性采用加勒斯江法測定，土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定[17]。

土壤養(yǎng)分含量的測定主要參照鮑士旦[18]、魯如坤[19]的方法進行。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。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗采用Excel 2003進行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 22.0統(tǒng)計分析軟件進行各處理間的方差分析及多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量和間作對土壤酶活性的影響

從表1可以看出，不同施氮水平下，單作和間作種植土壤脲酶、堿性磷酸酶、蛋白酶、過氧化氫酶活性均隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且土壤脲酶、堿性磷酸酶、蛋白酶活性均在N2水平下達到最大值，過氧化氫酶活性在N1水平下達到最大值。土壤脲酶活性在單作和間作條件下，N1、N2、N3處 理 較N0處 理 分 別 顯 著 提 高 了10.00%、17.33%、7.11%（P＜0.05）和6.67%、18.22%、13.56%（P＜0.05）；土壤堿性磷酸酶活性在單作和間作條件下，N2、N3處理較N0處理分別顯著提高了13.00%、9.98%（P＜0.05）和14.10%、13.39%（P＜0.05）；單作條件下土壤蛋白酶活性N2處理較N0處理顯著提高了44.44%（P＜0.05），間作條件下N3處理較N0處理顯著降低了41.73%（P＜0.05）；單作條件下土壤過氧化氫酶活性N1處理較N0處理顯著提高了10.85%（P＜0.05），N3處理較N0處理顯著降低了6.61%（P＜0.05），間作條件下N1處理較N0處理顯著提高了13.09%（P＜0.05），N3處理較N0處理顯著降低了7.85%（P＜0.05）。表明適宜的施氮量能夠促進土壤酶活性的提高，但過量施肥反而抑制了土壤酶活性的提高。

相同施肥水平下間作土壤酶活性與單作相比，間作種植在一定程度上促進了土壤酶活性的提高，除間作N3處理下蛋白酶、過氧化氫酶活性低于單作。N3處理間作模式的脲酶活性較單作顯著提高了6.02%（P＜0.05），N1處理間作脲酶活性較單作顯著降低了3.03%（P＜0.05）；N0、N2、N3處理的間作堿性磷酸酶活性均顯著高于單作（P＜0.05），較單作分別提高了7.79%、8.83%、11.13%；N3處理的間作蛋白酶活性較單作顯著降低了40.00%（P＜0.05）。

此外，從表1可以看出，種植模式×氮水平對土壤脲酶、蛋白酶活性具有明顯的交互作用，而對堿性磷酸酶、過氧化氫酶活性則沒有明顯的交互作用，表明施氮與間作種植能夠促進土壤脲酶、蛋白酶活性的提高。

表1 不同施氮量和種植模式對土壤酶活性的影響Tab.1 Effects of different nitrogen application amounts and planting modes on soil enzyme activity

2.2 不同施氮量和間作對土壤養(yǎng)分含量的影響

由表2可知，不同施氮水平下，單作和間作種植土壤堿解氮含量均隨著施氮量的增加而增加，且均在N3水平下達到最大值；單作下土壤有效磷含量隨著施氮量的增加而增加，在N3水平下達到最大值，間作下有效磷含量則隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在N2水平下達到最大值。單作下土壤堿解氮含量N2、N3處理較N0處理分別顯著提高了19.47%、34.89%（P＜0.05），間作下N1、N2、N3處 理 較N0處 理 分 別 顯 著 提 高 了11.17%、14.53%、28.01%（P＜0.05）；單作下土壤有效磷含量N2、N3處理較N0處理分別顯著提高了9.95%、10.99%（P＜0.05），間作下N1、N2、N3處理較N0處理分別顯著提高了9.92%、18.11%、17.64%（P＜0.05）；單作和間作種植土壤全氮、全磷含量在N1、N2、N3處理下與N0處理相比均差異不顯著。

在N0、N1、N2、N3處理下間作種植土壤堿解氮含量均顯著高于單作（P＜0.05），且較單作分別提高了14.40%、26.93%、9.67%、8.56%；在N2、N3處理下間作種植土壤有效磷含量均顯著高于單作（P＜0.05），且較單作分別提高了9.31%、7.85%；各處理下間作種植土壤全氮、全磷含量與單作相比均差異不顯著。說明間作種植能夠促進土壤堿解氮、有效磷含量的提高，促進作物對氮、磷的利用。

此外，從表2可以看出，種植模式×氮水平對土壤堿解氮含量的增加具有明顯的交互作用，而對土壤全氮、全磷、有效磷含量的增加沒有明顯的交互作用。表明春小麥和豌豆間作種植下施氮能夠促進土壤堿解氮含量的提高。

表2 不同施氮量和種植模式對土壤養(yǎng)分含量的影響Tab.2 Effects of different nitrogen application amounts and planting modes on soil nutrient contents

2.3 不同施磷量和間作對土壤酶活性的影響

由表3可知，單作下土壤脲酶、堿性磷酸酶、蛋白酶、過氧化氫酶活性隨著施磷量的增加呈現(xiàn)上升趨勢，間作下土壤脲酶、蛋白酶活性變化趨勢與單作模式一致，且均在P2水平下達到最大值，但間作下土壤堿性磷酸酶活性在P1、P2水平下相等，土壤過氧化氫酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在P1水平下達到最大值。單作下土壤脲酶活性P2處理較P0處理顯著增加了12.28%（P＜0.05），間作下P1、P2處理較P0處理分別顯著增加了13.75%、14.63%（P＜0.05）；單作下土壤堿性磷酸酶活性P1、P2處理較P0處理分別顯著增加了10.39%、13.25%（P＜0.05），間作下P1、P2處理較P0處理分別顯著增加了21.93%、21.93%（P＜0.05）；單作下過氧化氫酶活性P2處理較P0處理顯著增加了8.75%（P＜0.05），間作下P1處理較P0處理顯著增加了8.62%（P＜0.05）。

表3 不同施磷量和種植模式對土壤酶活性的影響Tab.3 Effects of different phosphorus application amounts and planting modes on soil enzyme activities

相同施磷水平下，P1處理的間作脲酶活性顯著高于單作（P＜0.05），較單作提高了10.56%；P1、P2處理的間作堿性磷酸酶活性均顯著高于單作（P＜0.05），較單作分別提高了18.69%、15.69%；P1處理的間作過氧化氫酶活性顯著高于單作（P＜0.05），較單作提高了9.19%；P2處理的間作過氧化氫酶活性顯著低于單作（P＜0.05），較單作降低了6.59%。

此外，從表3可以看出，種植模式×磷水平對土壤脲酶、過氧化氫酶的活性具有明顯的交互作用，而對堿性磷酸酶、蛋白酶活性則沒有明顯的交互作用，表明春小麥和豌豆間作種植下施磷能夠促進土壤脲酶、過氧化氫酶活性提高。

2.4 不同施磷量和間作對土壤養(yǎng)分含量的影響

由表4可知，單作下隨著施磷量的增加，土壤堿解氮含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在P1水平達到最大值，間作下隨著施磷量的增加，土壤堿解氮含量呈現(xiàn)上升趨勢，在P2水平下達到最大值；單作和間作下隨著施磷量的增加，土壤有效磷含量均呈現(xiàn)上升趨勢，且均在P2水平達到最大。單作下土壤堿解氮含量在P1、P2處理較P0處理分別顯著增加了19.94%、16.06%（P＜0.05），間作下較P0處理分別顯著增加了8.26%、31.96%（P＜0.05）；單作下土壤有效磷含量P2處理較P0處理顯著增加了18.20%（P＜0.05），間 作 下 較P0處 理 顯 著 增 加23.75%（P＜0.05）；單作和間作種植土壤全氮、全磷含量在P1、P2處理下與P0相比均差異不顯著。

在P0、P1、P2處理下間作種植土壤堿解氮含量均顯著高于單作（P＜0.05），且較單作分別提高了14.35%、3.22%、30.01%；其余各處理下間作種植土壤全氮、全磷、有效磷含量與單作相比均差異不顯著。

此外，從表4可以看出，種植模式×磷水平對土壤堿解氮含量具有明顯的交互作用，而對全氮、全磷、有效磷含量沒有明顯的交互作用，表明春小麥和豌豆間作種植下施磷能夠促進土壤堿解氮含量提高。

表4 不同施磷量和種植模式對土壤養(yǎng)分含量的影響Tab.4 Effects of different phosphorus application amounts and planting modes on soil nutrients

3 結(jié)論與討論

土壤酶活性反映了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和運轉(zhuǎn)能力的強弱，同時也反映了土壤生化反應(yīng)的強度，是評價土壤肥力、質(zhì)量及健康狀況的重要指標之一[20]。本研究結(jié)果表明，不同種植模式下隨著施氮量的增加，土壤脲酶、堿性磷酸酶、蛋白酶、過氧化氫酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，除土壤過氧化氫酶活性在N1處理下最高外，其余土壤酶活性均在N2處理下最高，過量施氮土壤酶活性反而降低。適量的施入氮肥能改善土壤養(yǎng)分狀況，作物根系會分泌出更多相關(guān)的酶來吸收氮素，保證作物的生長，且能促進土壤微生物的繁殖，最終提高了土壤酶活性[21]，這與孫建平等[22]、安婷婷等[23]的研究結(jié)果一致。這表明適宜施氮能夠促進土壤酶活性的提高，但如果肥料用量超過最大臨界范圍，酶活性將會降低[17]。

土壤養(yǎng)分是土壤中含有植物生長代謝所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，是反映土壤肥力的基礎(chǔ)指標[24]。本研究表明，與單作相比，小麥豌豆間作種植促進了土壤養(yǎng)分含量的提高，不同施氮量下間作種植土壤堿解氮含量均顯著高于單作（P＜0.05），其原因可能包括2個方面：（1）豆科作物具有結(jié)瘤固氮能力，與禾本科作物間作時，豆科作物對土壤有效氮的吸收量減少，將有效氮養(yǎng)分節(jié)約供給與之共同生長的間作作物[25]；（2）施肥能促進間作體系下作物根系的生長，使豆科根系分泌物增多[26]，提高了土壤酶活性，增加了土壤微生物數(shù)量[27]，從而促進了土壤中氮養(yǎng)分形態(tài)的轉(zhuǎn)變。說明間作種植能夠降低作物的種間競爭力，因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中要充分利用間作種植的互利作用。此外，同一施氮水平下，土壤堿性磷酸酶活性、有效磷含量在間作下均高于單作，且在N2、N3下達到顯著水平（P＜0.05）。磷在豆科作物的結(jié)瘤與固氮過程中發(fā)揮著十分重要的作用，而土壤中磷素低有效性已成為限制豆科作物根瘤生長發(fā)育的一個重要環(huán)境因素[28-30]。BETENCOURT等[31]、MEI等[32]研究表明，與單作相比間作有利于提高缺磷土壤中作物根區(qū)有效磷含量。本試驗單施氮肥下土壤中磷素供應(yīng)不足，為了維持自身生長，間作種植通過提高土壤堿性磷酸酶的活性，促進土壤中有效磷的活化，從而提高了土壤中有效磷的含量。說明土壤酶活性與間作種植模式作物的生長發(fā)育有良好的協(xié)調(diào)關(guān)系，對作物生長起著積極作用[22，33]。

大量研究表明，施肥和間作種植均會引起田間土壤環(huán)境的改變，從而導(dǎo)致土壤酶活性、土壤養(yǎng)分含量發(fā)生變化。陳虹等[34]研究表明，適宜施肥較不施肥顯著提高了土壤脲酶、堿性磷酸酶活性和土壤堿解氮含量。王慶宇等[35]研究表明，燕麥和豆科間作條件下土壤脲酶、過氧化氫酶活性顯著高于單作種植。范祎瑋等[36]研究發(fā)現(xiàn)，玉米和苜蓿間作提高了土壤脲酶、堿性磷酸酶、蛋白酶活性和土壤有效磷含量。本研究結(jié)果表明，施磷和間作種植均提高了土壤脲酶、堿性磷酸酶、蛋白酶活性，同時也提高了土壤堿解氮、有效磷含量，且均在間作P2下達到最大值。單施磷肥土壤中氮素供應(yīng)不足，間作下豌豆根系分泌物的增加，改變了土壤微生物環(huán)境，提高了土壤酶活性，而土壤蛋白酶能把有機氮轉(zhuǎn)化為無機氮，再在脲酶作用下進行氨化作用，從而提高了土壤中堿解氮的含量[17]。說明施肥對土壤酶活性具有激活作用，且間作種植能夠促進土壤酶活性的提高，促進土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)變。

本試驗研究發(fā)現(xiàn)，種植模式×氮水平的交互作用對土壤過氧化氫酶活性沒有顯著影響，而種植模式×磷水平的交互作用對過氧化氫酶活性有極顯著影響。有研究表明，磷肥對過氧化氫酶活性具有增強作用，而氮肥對過氧化氫酶活性具有抑制作用[37]，可能是由于施用不同的肥料，改變了土壤微環(huán)境[38]，進而對土壤酶活性造成了不同的影響。單施氮、磷肥下隨著施肥量的增加，土壤全氮、全磷含量均沒有顯著的變化，可能因為土壤中營養(yǎng)元素本身供應(yīng)不足，且不同施肥量下作物對氮磷吸收利用率不同，土壤中速效養(yǎng)分的殘留量也不同[26,34]，進而降低了施肥對土壤全氮、全磷含量的影響。此外，DCN0和DCP0處 理、JCN0和JCP0處 理 的 各 個 指標數(shù)據(jù)有所不同，可能因為前一年土壤中氮素、磷素殘留量不同，進而影響了本試驗的結(jié)果，但均沒有顯著性差異，對本試驗結(jié)果影響不大。

本研究結(jié)果表明，施肥和間作種植均能夠促進土壤酶活性和土壤養(yǎng)分含量的提高。隨著施氮量的增加，土壤脲酶、堿性磷酸酶、蛋白酶活性和土壤有效磷含量均在間作N2下達到最大值，種植模式×氮水平交互作用提高了土壤脲酶、蛋白酶活性和土壤堿解氮含量；隨著施磷量的增加，土壤脲酶、蛋白酶活性和土壤堿解氮、有效磷含量均在P2下達到最大值，種植模式×磷水平交互作用提高了土壤脲酶、過氧化氫酶活性和土壤堿解氮含量；春小麥可采用間作豌豆的方式種植。基于本試驗研究范圍下，春小麥和豌豆間作系統(tǒng)中氮肥用量為180 kg/hm2、磷肥用量為90 kg/hm2時，效果最好。