梁 路,馬 臣,張 然,翟丙年*,李紫燕,王朝輝
(1 西北農林科技大學資源環境學院,陜西楊凌 712100;2 農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室,陜西楊凌 712100)
黃土高原是我國傳統旱作農業區,該地區水土流失嚴重,土壤肥力低下,作物產量低[1]。土壤肥力低下已成為該地區糧食產量提高的一個重要限制因素。而隨著經濟的發展和人口的增加,農民為了獲得作物高產長期過量施用化肥,導致了土壤板結、肥力下降、養分不平衡等問題[2]。有機肥料不僅含有作物需要的大量元素和多種微量元素,同時含有大量有機物質,在保持和提高土壤肥力,促進水肥協調等方面有著特殊作用[3]。為了到2020年實現我國化肥用量零增長,有機肥替代化肥成為實現該戰略目標的重要措施之一,也是實現減肥增效的重要措施之一。
近年來,有關配施有機肥對土壤肥力和微生物學性質影響的研究逐漸成為了熱點。許多研究表明,有機無機肥配施可以提高土壤有機質、有效磷、速效鉀等含量,有利于促進作物增產穩產[4-7]。孫瑞蓮等[8]通過長期定位試驗表明,化肥與有機肥配合施用能明顯提高土壤有機質含量,全氮、全磷及速效氮、磷、鉀含量,增強土壤轉化酶、磷酸酶和脲酶的活性。Marcote等[9]在西班牙研究發現,增施有機肥料和微生物肥料有利于改善土壤理化性質和微生物區系,提高土壤轉化酶、磷酸酶、過氧化氫酶和脲酶活性。李娟等[10]長期定位試驗表明,長期有機無機肥料配施可提高作物產量、土壤微生物量碳氮及脲酶活性。Liu等[11]在黃土高原旱地的長期定位試驗發現,有機無機肥配施可以顯著提高微生物活性以及脲酶、堿性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶等酶活性。有機無機肥配合施用可以達到“緩急相濟”的效果,且環境污染小[12]。所以,很有必要研究其對土壤養分和土壤微生物學性質的影響。
土壤酶來源于土壤微生物、植物根部、土壤動物和植物殘體等[13],它們能將土壤中的養分轉化為植物生長所需的形式[14],并控制土壤養分循環的速率[9]。土壤酶是土壤物質循環和能量流動的主要參與者,是土壤生態系統中最活躍的組分,能推動土壤有機質的礦化分解和土壤養分的循環與轉化[15-16],其活性是土壤肥力評價的重要指標之一,可反映出土壤中各種養分代謝活性的強度與方向[17]。有關有機無機肥配施對土壤養分和酶活性的研究并不鮮見,可是旱地農田的水肥耦合及土壤酶活性又受到土壤肥力、底墑及當地水熱分布等因素的影響,具有區域差異性[18],且大多數試驗研究只是設計化肥和有機肥不同用量的配比,或著設計等氮量[19-20],但有機肥當季礦化的氮素養分量很難精確估算,會導致化學氮肥用量的不足或過量。因此,本研究以黃土高原南部旱地冬小麥為研究對象,通過設置不同氮肥用量與定量的有機肥配施的田間試驗,通過數學擬合的方法尋求有機無機肥配施的合理方案,為實現該地區土壤培肥、減少化肥氮用量,保證冬小麥高產穩產,促進土壤生態系統可持續發展具有重要的意義。
田間定位試驗始于2014年10月,試驗地點位于陜西省楊凌示范區西北農林科技大學農作一站 (北緯 34°18′,東經 108°05′)。該站位于黃土高原南部,屬半濕潤易旱地區。海拔525 m,年平均氣溫12.9℃,年均降雨量550 mm左右,且年均降雨量分布不均,60%左右集中在7~9月,年均蒸發量為1400 mm,農業生產主要依靠天然降水。供試土壤為土墊旱耕人為土,試驗開始前0—20 cm土壤平均pH為8.14,有機質含量13.88 g/kg,全氮含量0.83 g/kg,硝態氮含量為4.62 mg/kg,有效磷含量9.17 mg/kg,速效鉀含量156 mg/kg。本文涉及的試驗數據為2016年10月—2017年6月的試驗結果。試驗年度小麥生育期降水量為237 mm,夏閑期為325 mm。
田間小區試驗為裂區設計,在施磷 (P2O5) 90 kg/hm2和鉀 (K2O) 60 kg/hm2基礎上,設5個氮水平為主處理,施氮量分別為0、75、150、225、300 kg/hm2(表示為 N0、N75、N150、N225、N300),設施和不施有機肥2個副處理 (表示為 + M、- M),共10個處理,重復4次,在田間隨機排列,小區面積為28 m2(4 m × 7 m )。試驗中所用氮肥為尿素,磷肥為過磷酸鈣,鉀肥為硫酸鉀。有機肥為腐熟牛糞,用量為30 t/hm2,其pH為8.09、有機質含量401 g/kg、全氮含量18.9 g/kg、全磷含量15.0 g/kg、全鉀含量17.8 g/kg。氮肥70%在播前撒施,30%在拔節期結合降雨追施,有機肥和磷肥、鉀肥均在播前一次撒施并翻入土中。供試小麥品種為小偃22,播種量為150 kg/hm2,田間管理與當地農戶一致。
1.3.1 土壤樣品 在冬小麥的拔節期 (3月29日)、抽穗期 (4月19日)、灌漿期 (5月9日) 和成熟期(6月10日) 四個階段取土樣。每個小區用土鉆在耕層 (0—20 cm) 分別按5點法取樣,剔除石礫和植物殘根等雜物。混勻后,密封帶回實驗室,4℃保存。一部分鮮土樣用于測定土壤硝態氮,一部分土樣風干后用于土壤酶和土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀的測定。
硝態氮含量用1 mol/L KCl 溶液浸提 (土水比為1∶10,振蕩1 h),過濾后用連續流動分析儀 (AA3)測定;有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定;全氮含量用半微量凱氏法測定;有效磷含量采用0.5 mol/L碳酸氫鈉溶液浸提—鉬銻抗比色法測定;速效鉀含量采用1 mol/L乙酸銨溶液浸提—火焰光度法測定。土壤蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水楊酸比色法;堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法;過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法;脲酶活性采用苯酚鈉比色法[21]。
1.3.2 植株樣品 小麥收獲時采集植株樣品,在每個試驗小區隨機選取3個1 m × 2 m代表性樣方,貼地表收割地上部分。同一小區的所有樣方樣品混合,自然風干后脫粒,再取部分籽粒樣品在90℃殺青30 min,65℃烘至恒重,稱量干重用以計算小麥產量。
數據和圖表處理使用Excel 2007 及DPS軟件。采用裂區設計的方差分析檢驗有機肥、氮水平效應,以及二者的交互作用。多重比較采用LSD (Least Significant Difference) 法,差異顯著性水平為5%。

圖 1 不同施肥處理下冬小麥產量Fig. 1 Winter wheat yield under different fertilizations
由圖1可知,無論是否配施有機肥,冬小麥產量均隨著施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢。其中,產量最高值出現在N150 + M處理,較相同氮水平 (N150) 下的單施化肥處理顯著增產12.3%。這說明,隨著施氮量的增加,產量不一定提高,只有適量施用氮肥,小麥產量才能達到最佳水平。此外,單施化肥處理和配施有機肥處理的冬小麥產量的最高值分別出現在N225、N150 + M處理,且兩處理間的產量無顯著性差異。說明在配施有機肥的情況下適當減少化肥用量,并不會導致小麥減產。進一步對施氮量和冬小麥產量進行回歸分析發現,二者之間存在顯著的拋物線關系。由回歸方程可知 (單施化肥,y = -0.0534x2+ 25.09x + 3365.5,R2= 0.9941;配施有機肥, y =-0.069x2+ 26.257x + 4028.1,R2=0.9900),單施化肥處理的氮肥用量為N 235 kg/hm2時,冬小麥產量理論最高值達到6322 kg/hm2;有機無機肥配施處理的氮肥用量為N 190 kg/hm2時,達到理論最高產量6256 kg/hm2。表明有機無機肥配施相比于單施化肥處理能夠在減少19.1%的氮肥用量的條件下,可保證冬小麥穩產高產。
土壤肥力的高低是影響農作物產量的重要因素之一。土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀和硝態氮含量均為衡量土壤肥力的指標。表1表明,在冬小麥整個生長期,有機無機肥配施處理可顯著提高0—20 cm耕層土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀和硝態氮含量,與單施化肥處理相比分別增加18.2%、27.4%、149.3%、31.4%、27.6%。與冬小麥產量變化趨勢相似,土壤有機質、全氮、有效磷和速效鉀含量,無論是在單施化肥處理還是有機無機配施處理下,隨著施氮量的增加均呈現先增加后減少的趨勢,且最高值均為N150 + M處理,較相同氮水平 (N150) 下的單施化肥處理分別增加19.2%、30.8%、147.0%、39.3%;而土壤硝態氮含量隨著施氮量的增加而增加,最高值為N300 + M處理。
土壤酶與土壤養分的循環和轉化密切相關,施氮量、有機肥、生育期以及它們之間的交互作用都有可能影響酶活性。由表2可知,施氮量、有機肥和生育期三因素及其它們的交互效應可顯著影響蔗糖酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶和脲酶活性。這說明酶活性的高低在一定程度上是施氮量、有機肥及生育期的綜合效應的表現。
土壤蔗糖酶能夠將土壤中的蔗糖分子分解成小分子的果糖和葡萄糖,是表征土壤碳素循環和土壤生物化學活性的重要酶[22]。磷酸酶與土壤磷素轉化密切相關,是土壤磷素肥力的指標[23]。由試驗結果 (表3)可知,在冬小麥整個生育期,有機無機肥配施可顯著增加土壤蔗糖酶和堿性磷酸酶活性,相比單施化肥處理分別增加4.0%、4.7%。配施有機肥處理的土壤蔗糖酶活性的平均值在拔節期、抽穗期和成熟期均顯著高于單施化肥處理,而有機無機肥配施處理的土壤堿性磷酸酶活性在抽穗期、灌漿期和成熟期的平均值均顯著高于單施化肥處理。此外,在同生育階段的配施有機肥的處理中,土壤蔗糖酶和堿性磷酸酶活性均隨著施氮量的增加而呈現先增加后降低的趨勢,最高值均出現在N150 + M處理,與單施有機肥處理 (N0 + M) 相比分別增加8.0%、8.5%、3.8%、9.0%、4.1%、20.0%、9.9%、4.9%;與相同氮水平下的單施化肥處理 (N150) 相比,分別增加8.0%、2.2%、5.3%、8.2%、3.4%、3.6%、9.9%、2.7%。可見,氮肥用量過低或過高對土壤蔗糖酶和堿性磷酸酶活性的提高并不能達到最好水平,適量施用氮肥對酶活性的提高比較有利,均以N150 +M處理的效果最佳。
過氧化氫酶能催化過氧化氫分解為水和分子氧,減輕過氧化氫對生物體的毒害作用[19]。通過測定不同施肥處理下冬小麥生育期內的土壤過氧化氫酶活性可以看出 (表3),整個生育期內土壤過氧化氫酶活性變化在1.07~1.34 0.1 mol/L KMnO4mL/(g·min)之間,差異較小。在冬小麥生育期期間,有機無機肥配施處理相比單施化肥處理,土壤過氧化氫酶活性有增加的趨勢,但無顯著性差異。土壤過氧化氫酶活性的變化規律在同生育階段的配施有機肥處理中與蔗糖酶和堿性磷酸酶相似,且酶活性最高值均出現在N150 + M處理,與相同施氮量下的單施化肥處理 (N150) 相比,分別增加6.8%、1.8%、12.6%、0.9%。可知,N150 + M處理對土壤過氧化氫酶活性的激發效應最佳。

表 1 不同施肥處理冬小麥全生育期0—20 cm土層土壤肥力Table 1 Soil fertility in 0-20 cm layer during winter wheat growth stages under different fertilizations

表 2 施氮量、有機肥和生育期對土壤酶活性影響的方差分析Table 2 Variance analysis on the effect of nitrogen rate, manure and growth stage on soil enyzme activities
脲酶是對尿素轉化起關鍵作用的酶,它的酶促反應產物是可供植物利用的氮源,它的活性可以用來表示土壤供氮能力[24]。表3表明,在冬小麥整個生育期中,與單施化肥處理相比,配施有機肥處理可顯著增加土壤脲酶活性,平均提高1.5%。在同生育階段,無論是在單施化肥處理還是配施有機肥的處理中,隨著施氮量的增加,土壤脲酶活性均呈增加趨勢。其中,抽穗期的土壤脲酶活性最高值出現在N225 + M處理,但與N300 + M處理的酶活性無顯著性差異;拔節期、灌漿期和成熟期的脲酶活性最高值均出現在N300 + M處理,與相同氮水平下的單施化肥處理 (N300) 相比,分別增加3.0%、2.6%、2.3%。由此可見,施氮量的增加能提高土壤脲酶活性,以N300 + M處理效果最佳。

表 3 不同施肥處理冬小麥各生育期0—20 cm土層土壤酶活性Table 3 Enzyme activities of 0-20 cm soil layer at each growth stage of wheat under different fertilizations
土壤中的酶活性通常和土壤中的養分含量有較好的相關性[25]。試驗結果表明 (表4),除了堿性磷酸酶與有機質間、脲酶與速效鉀之間均未達顯著相關水平,蔗糖酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶和脲酶與有機質、全氮、有效磷、速效鉀均呈顯著或極顯著正相關,其中僅蔗糖酶和有效磷、堿性磷酸酶與全氮、脲酶與有機質及全氮之間呈顯著正相關;蔗糖酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶和脲酶與硝態氮之間均未達顯著相關水平;堿性磷酸酶與蔗糖酶、脲酶,脲酶與過氧化氫酶,均呈極顯著正相關,堿性磷酸酶與過氧化氫酶呈顯著正相關。
從不同施肥處理對冬小麥經濟收益的影響 (表5)可以看出,N150 + M處理的產量收益最高為12705元/hm2,比相同氮水平的單施化肥處理 (N150) 顯著提高了12.3%。而冬小麥凈收益以N225處理最高,N150、N300與N150 + M處理的凈收益次之。但由于2016—2017年的天氣原因,N225和N300處理的冬小麥在生長后期出現了不同程度的倒伏現象,因此在遇到惡劣天氣的年份中很有可能會減產,進而影響其產量收益和凈收益。進一步對單施化肥處理和配施有機肥處理的施氮量與冬小麥凈收益的回歸方程 (單施化肥y = - 0.1037x2+ 44.754x + 2973.1,配施有機肥y = - 0.134x2+ 47.019x + 2458.5) 分析可知,單施化肥和配施有機肥的氮肥用量分別為N 216、175 kg/hm2時,其凈收益理論最高值分別為7802、6583 元/hm2,其單施化肥和配施有機肥處理的理論凈收益最高值與其相對應的實際最高值的凈收益無顯著性差異。以往研究也表明[26],配施有機肥后,適量的氮肥施用量不僅能提高土壤肥力、保持最高產量收益,而且凈收益也能維持在較高水平,以N150 + M處理最佳。另外,黃土高原易旱區土壤肥力的提高對維持生態系統的可持續發展具有重要意義。因此,N150 + M處理能在保證冬小麥穩產高產的同時,也能使凈收益維持在比較穩定的較高水平。

表 4 冬小麥生育期土壤養分與酶活性的線性相關系數Table 4 Linear correlation coefficients among soil nutrients and enzyme activities during winter wheat growing period

表 5 不同施肥處理冬小麥經濟收益 (yuan/hm2)Table 5 Economic returns of winter wheat under different fertilizations
氮肥的施用量和有機肥的施用都能在一定程度影響作物的產量。Wang等[27]報道氮肥用量為N 221 kg/hm2壤砂土小麥產量可達到最高,而氮肥用量低于或高于此值小麥產量都會降低。呂鳳蓮等[28]報道在陜西 土有機肥替代75%化肥較單施化肥處理可顯著增加小麥、玉米的產量。本試驗通過綜合比較不同施氮量和不同氮肥用量配施有機肥條件下的小麥產量發現,無論是否配施有機肥,冬小麥產量隨著施氮量的增加呈先增加后降低的趨勢,其中N150 +M處理效果最佳。說明施用適量的氮肥配施有機肥,對冬小麥產量的提高能達到最佳水平。此外,本試驗設置不同氮水平與有機肥配施,通過數學擬合計算出更加合理的氮肥用量,也可看出,有機無機肥配施能在減少化肥用量19.0%的同時保持冬小麥穩產高產,這對實現我國化肥用量零增長目標具有重要意義。本試驗研究還表明N150 + M處理在保持冬小麥穩產高產的條件下,凈收益也能維持在較高的水平。土壤肥力低是旱地冬小麥產量提高的一個重要限制因素,眾多研究表明[4-8]有機無機肥配施可以培肥土壤。通過對土壤養分進行分析發現 (表1),與冬小麥產量變化趨勢相似,土壤有機質、全氮、有效磷和速效鉀含量,在冬小麥同一生育階段,無論是單施化肥處理還是有機無機肥配施處理均隨著施氮量的增加,呈現先增加后減少的趨勢,且最高值均出現在N150 + M處理。說明向土壤中施入適量的氮肥有利于調節土壤的C/N比,改善土壤的理化性質,促進作物生長和土壤微生物的活動,進而更好地活化土壤中的養分。另外,在冬小麥整個生育期,有機無機肥配施處理可顯著提高土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀和硝態氮含量,與單施化肥處理相比分別增加18.2%、27.4%、149%、31.4%、27.6%。陳磊等[29]在黃土高原旱地的麥區長期定位試驗的研究結果也表明,與單施化肥處理相比,有機肥培肥作用顯著,可顯著提高土壤養分。究其原因,一方面是由于有機肥的施入會向土壤中帶入一部分的有效磷、速效鉀,同時有機肥中含有易分解的氮和碳,且其礦化損失遠遠小于無機肥[30];另一方面則是由于有機無機肥配施促進了作物生長,從而使地上部和地下部更多的有機殘余物 (根) 進入土壤中[11],從而提高了土壤肥力。
同時,本試驗研究發現,與碳、氮、磷相關的土壤酶活性的變化規律與冬小麥產量變化也是相似的。有關研究表明,土壤酶活性與肥料的種類和用量有關[10]。衛婷等[19]認為有機物料的施用能促進微生物的代謝和繁育,提高了土壤酶活性;郭天財等[31]認為施用適量的氮肥能改善微生物區系,進而提高土壤酶活性。本試驗研究結果表明 (表3),在冬小麥的同一生育階段,配施有機肥處理的酶活性的最大值均高于單施化肥各處理,且有機無機肥配施處理中的蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性,隨著施氮量的增加,均呈現先增加后降低的趨勢,且酶活性均以N150 + M處理最高,而N225 + M、N300 +M處理的酶活性略有降低。這可能是由于有機肥的C/N一般高于土壤中微生物活動適宜的比例范圍[32],補充適宜量的氮肥后,能更好的滿足微生物活動所需養分,使更多的酶伴隨著旺盛的根系活動和土壤動物、微生物的生命活動而進入土壤,從而提高酶活性[31],但如果肥料用量超過最大臨界范圍,酶活性將會降低[33]。夏雪等[34]在黃土高原地區的試驗研究結果表明,在施N 0、60、120、180 kg/hm2范圍內, 土蔗糖酶、堿性磷酸酶活性均以60 kg/hm2處理最高。這表明,施用適量氮肥對酶活性的提高比較有利,而氮肥用量較低或者過量施用氮肥并不一定能取得較為理想的激活效果。此外,本試驗結果還表明,在冬小麥同一生育時期內,無論是在單施化肥處理還是配施有機肥的處理中,隨著施氮量的增加脲酶活性均呈增加的趨勢,以N300 + M處理效果最佳,這與馬冬云等[35]研究發現,在同生育時期內,脲酶活性隨著施氮水平的提高而上升相一致。但脲酶活性的提高不同程度的增加了氮素的損失,這一點有待我們以后進一步的研究。而Dick等[36]在華盛頓的長期定位試驗中發現施用氮肥脲酶活性會降低。產生這種差異的原因可能是由于脲酶活性受土壤質地、施肥方式和施肥用量等多方面因素的影響。另外,在冬小麥整個生育期,有機無機肥配施可顯著增加蔗糖酶、堿性磷酸酶和脲酶活性,相比單施化肥處理分別增加3.9%、4.6%、1.5%。衛婷等[19]在黃土高原南部旱塬區的試驗研究也表明,有機無機肥配施對提高土壤蔗糖酶、堿性磷酸酶和脲酶活性有顯著作用。原因可能是有機無機肥配施提高了土壤有機質的含量,一方面,土壤有機質能提供酶合成所需的底物;另一方面,土壤酶也可以和粘粒、有機質形成復合物,增強其穩定性。Liang等[37]在我國河北省粉質土壤的長期定位試驗研究結果也表明土壤有機質與土壤酶活性緊密相關。同時,本試驗研究結果表明 (表4),蔗糖酶、過氧化氫酶和脲酶活性與土壤有機質和全氮呈顯著正相關,也證明了土壤有機質對土壤酶活性的重要性。而在冬小麥整個生育期,有機無機肥配施相比單施化肥處理,過氧化氫酶活性無顯著性差異。這個結果與武曉森等[38]認為在鹽堿土上長期不同施肥處理對過氧化氫酶活性影響較小相似,但任祖淦等[39]研究認為長期有機無機肥配施可以提高過氧化氫酶活性,這可能與所研究的種植制度和土壤質地不同有關。
通過進一步的分析土壤養分與酶活性的關系,本試驗研究發現土壤中的酶活性與土壤養分存在著密切的聯系,這與前人的研究結果[25]相一致。邱莉萍等[40]在黃土高原的試驗表明,土壤脲酶和堿性磷酸酶活性與土壤養分之間呈顯著或極顯著相關。葉家穎等[41]在柿園的研究顯示,脲酶、轉化酶和蛋白酶與土壤養分之間呈極顯著相關。本試驗相關分析結果表明 (表4),堿性磷酸酶與全氮,蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶與土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀均呈顯著或極顯著正相關,說明彼此之間存在相互促進作用,也進而證明了有機肥配施適量的氮肥,能提高土壤酶活性和養分的可利用性,進而更好地促進作物生長。同時作物更好的生長,其根際分泌物能更好地促進微生物的代謝和繁衍,進而提高酶活性。因此合理的施肥能形成土壤、作物和微生物之間關系的良性循環。這對提高和維持黃土高原南部易旱區土壤生態系統的可持續發展具有重要意義。此外,謝澤宇等[42]在黃土高原的長期定位試驗研究結果表明,蔗糖酶、過氧化氫酶和脲酶均顯著正相關。本試驗結果表明,堿性磷酸酶與蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶,脲酶與過氧化氫酶活性之間的相關性也達顯著水平,表明這4種酶不僅具有自身的專一性,彼此之間也存在著一些共性,從而促進養分循環過程,此結果為今后的深入研究提供了理論依據。
在黃土高原南部雨養條件下,配施有機肥,能夠在減少19.0%的氮肥用量條件下,顯著提高0—20 cm土層土壤養分以及蔗糖酶、堿性磷酸酶和脲酶活性,保證冬小麥穩產高產。
與有機肥配合施用,氮肥用量顯著影響著土壤中酶的活性。脲酶活性以N 300 kg/hm2最高,蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性均以N 150 kg/hm2效果最佳。因此,在生態環境脆弱的易旱農作區,在施用有機肥30 t/hm2的基礎上配施N 150 kg/hm2,有利于為該地區提供良好的土壤生態環境,保證冬小麥穩產高產。