長期有機無機配施對暗棕壤土壤酶活性及春麥產量品質的影響

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.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；2.黑龍江省農業科學院黑河分院， 黑龍江 黑河 164300；3.首都師范大學，北京 100048；4.山西師范大學，山西 臨汾 041004）

土壤酶作為土壤質量的生物活性指標在土壤生態系統中扮演著重要角色［1-3］，它與土壤養分循環、能量轉移以及環境質量等密切相關［4-5］，土壤酶活性的高低可以作為土壤肥力評價的一個重要指標［6-7］，而土壤肥力水平影響作物的產量和品 質［8］。當前關于土壤肥力的理論研究更多集中在土壤化學和土壤物理方面，因此，研究土壤中最活躍和作用最關鍵的生物學組分-土壤酶活性與土壤狀況的關系尤為重要。

有機肥含有大量養分和豐富的酶促基質。研究表明，平衡施肥、施有機肥和有機肥配施化肥可明顯提高土壤酶活性［9-10］。施用有機肥促進土壤微生物的生長和繁殖，能改善土壤理化性質，使作物獲得增產提質的效果［8］。小麥籽粒產量和品質受生態環境、品種遺傳及施肥措施等諸多因素的影響，其中，肥料的調控效果較為明顯［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質高產的重要手段。

國內外專家和學者關于有機肥配施化肥對土壤肥力以及農作物產量、品質的影響進行了大量的研究［12-13］，但有關東北暗棕壤春小麥有機肥與無機肥的適宜用量及長期的施肥效應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為平臺，研究長期有機無機配施對土壤酶活性、春麥籽粒產量和品質的影響，因地制宜確定具體施肥措施，結合關鍵性指標來評價土壤培肥效果，以期為建立科學合理的有機無機肥配施技術體系提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

長期定位施肥試驗位于黑龍江省北部黑河農業科學院內（50°15′N，127°27′E），溫帶濕潤季風氣候，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，年均蒸發量650 mm。試驗地土壤類型為暗棕壤，是東北地區占地面積最大的森林土壤之一，暗棕壤一般呈微酸性，表層腐殖質積聚，有機質和全氮含量相當高，速效性（氮、磷、鉀）養分含量較豐富。試驗開展時耕層土壤（0～20 cm）的基本性狀為：有機質含量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 試驗設計

本試驗為長期定位施肥試驗，開始于1979年。供試春小麥品種為“龍麥35號”，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，田間管理與當地常規相一致。有機肥為腐熟的馬糞，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。

本試驗設6個處理：①不施肥（CK）；②低量化肥（NP）；③中量化肥（2NP）；④高量化肥（4NP）；⑤有機肥（M）；⑥有機肥+中量化肥（M+2NP）。具體施肥量見表1。各小區隨機排列，每個小區面積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。試驗地周圍設有1 m寬保護區，不施肥，種植作物與試驗田一致，旱地為雨養農業，無灌溉。

表1 試驗處理及施肥量 （kg·hm-2）

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土樣采集與處理

土壤樣品于小麥收獲期（2019年8月11日）進行采集。各小區均勻布點，分別選取3個采樣點，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，冷藏帶回實驗室，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，嚴格按照相應要求，使用多通道移液器將緩沖液、土壤樣品懸濁液、標準品和相應底物加入到黑底的96孔酶標板中［15］，采用多功能酶標儀（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 小麥籽粒產量測定

小麥收獲期取樣，各小區設3個1.0 m2樣方取樣，風干后脫粒、稱重，計算產量。

1.3.4 小麥綜合品質測定

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

1.4 數據統計分析

土壤酶活性值計算具體參照 Deforest［17］的方法。

采用Excel 2010和SPSS 16.0軟件進行數據、圖表處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對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%，而單施有機肥處理和有機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%，而單施有機肥處理和有機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，除單施有機肥處理外，各處理間差異均不顯著。與對照相比，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、有機肥和有機肥配施中量化肥處理分別提高了11.62%、322.68%、59.58%，有機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。與對照相比，單施化肥（NP、2NP和4NP）處理和有機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%，而單施有機肥處理提高了27.57%，可以看出，配施有機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。與對照相比，單施化肥（NP、2NP和4NP）處理和有機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%，單施有機肥處理提高了59.65%，有機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 不同施肥處理對春小麥籽粒產量的影響

如圖6所示，不同施肥處理下小麥籽粒產量存在顯著差異。小麥平均產量表現為CK

圖6 不同施肥處理小麥平均產量

2.3 不同施肥處理下小麥品質性狀分析

將小麥品質性狀分為籽粒品質、面粉品質和面團品質3類指標進行分析，見表3。

表3 不同施肥處理對小麥綜合品質的影響

2.3.1 不同施肥處理對小麥籽粒品質的影響

小麥籽粒蛋白質含量表現為2NP

小麥籽粒容重整體表現與籽粒蛋白質含量一致。除單施中量化肥處理外，其他處理較CK增加了0.45%～2.05%。單施有機肥處理與有機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%，以有機肥配施中量化肥處理對小麥籽粒容重的影響效應最顯著。

小麥籽粒出粉率整體表現為NP=2NP

2.3.2 不同施肥處理對小麥面粉品質的影響

各處理面粉沉降值整體表現為2NP

面粉濕面筋含量整體表現為2NP

面粉吸水率整體表現為2NP

2.3.3 不同施肥處理對小麥面團品質的影響

不同施肥處理面團延展性與形成時間整體均 表現為CK=2NP

各施肥處理面團穩定時間、拉伸面積和最大拉伸阻力整體表現為2NP

2.4 不同施肥處理下土壤碳氮轉化相關酶與籽粒產量、品質的相關分析

長期不同施肥處理下，碳氮轉化相關酶彼此之間密切相關（表4）。本研究發現，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。除亮氨酸氨基肽酶與籽粒產量之間呈負相關，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量之間均呈正相關，但相關性不顯著。

籽粒品質中，土壤酶與蛋白質含量、出粉率之間呈正相關，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；面粉品質中，土壤酶與濕面筋含量呈正相關，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。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；面團品質中，β-葡萄糖苷酶與面粉品質中的各指標均呈正相關，β-纖維二糖苷酶與面團品質指標呈顯著或極顯著正相關。乙酰氨基葡萄糖苷酶與拉伸面積呈極顯著正相關，與其他指標呈顯著正相關。酸性磷酸酶與穩定時間和拉伸面積呈顯著正相關。亮氨酸氨基肽酶與拉伸面積、穩定時間和最大拉伸阻力呈呈極顯著或顯著正相關。

表4 土壤酶與籽粒產量、品質的相關分析

3 討論

崔喜安等［14］進行暗棕壤長期連續施肥的研究，發現無論是單施化肥、有機肥還是有機無機肥料配合施用，與不施肥處理相比都有不同程度的增產，與本試驗得出一致結論。在保證農作物穩產、高產的前提下，減少化肥用量，提高肥料利用效率，是當前農業熱點問題。從整個試驗來看，以單施高量化肥、有機肥配施中量化肥這2個處理增產比例較高，但二者產量差異不顯著，有機肥配施中量化肥處理減少化肥用量的同時，也能滿足作物生產需求并獲得穩產、高產。優良品質的前提是優良的品種，而配施有機肥可以改善小麥品質［18］。本研究結果表明，施用有機肥處理的小麥籽粒品質、面粉品質以及面團品質均表現出一致性的規律，其小麥品質均顯著高于單施化肥處理，各品質指標在不同處理間的差異均達到顯著水平，體現了施肥對小麥品質的可塑性。本試驗綜合考慮肥料投入量、小麥產量及品質等指標，有機肥和化肥的配合施用可兼顧較高的產量和品質，這與前人［18-19］的研究結果類似。

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

土壤酶是研究土壤生態效應的有效傳感器［25-26］，土壤酶活性的高低可以作為土壤肥力評價的一個重要指標［6-7］，李花等［27］研究了20年小麥-玉米輪作體系不同施肥對生物量和酶活性的影響，結果表明，有機肥配施化肥土壤養分含量、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］也得到類似的結果，即有機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揮重要作用，可作為衡量土壤肥力理想的生物化學指標之 一［15］。李科江等［29］在半干旱區的施肥試驗表明，施肥與不施肥相比均不同程度地提高了脲酶活性，尤其是施用有機肥的影響最大。本研究結果顯示，與對照相比，有機肥處理的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%。土壤酶是植物營養元素的活性庫，有機肥與化肥長期合理配施顯著提高了土壤酶活性，促進了土壤有機物的轉化，可以直接或間接供給作物所需養分，滿足了農作物對營養元素的需求，既提高了作物的產量和品質，又避免了肥料浪費，減少土壤污染。

合理施用有機肥促進農業高產、高效、持續健康的發展。因此，在提倡化肥減量增效、農業綠色發展的背景下，應平衡施肥，重視有機肥的投入，做到科學施肥，使高產高效、品質優良相統一。本試驗中，相對于其他處理，有機肥配施中量化肥處理對提高土壤肥力、增加作物產量和改善作物品質效果顯著。

4 結論

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