不同水氮處理對馬鈴薯土壤酶活性和產量的影響

王 順，尹 娟，2，3，張海軍，王 臣

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，銀川750021；2.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程中心，銀川750021；3.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川750021）

0 引言

我國寧夏回族自治區位于干旱少雨、蒸發量大和水資源匱乏非常嚴重的干旱半干旱地區[1]。而水和肥料是農業生產的2個基本要素，它們對于作物生長是互相影響和互相制約的[2]。不合理的灌水施肥方式不僅會造成水肥的浪費，還會導致水肥利用率下降，更嚴重的還會導致土壤生態環境破壞，使得土壤肥力降低，土壤酶活性下降。

土壤酶是具有生物催化活性作用的特殊物質，它參與了土壤中許多重要的生化過程[3]。土壤過氧化氫酶在土壤生態系統中扮演著重要角色，它可以作為生物活性指標用于評估土壤質量的好壞[4]。土壤脲酶可以催化尿素生成NH3，與土壤的氮素循環有關[5]，其活性可以反映土壤的供氮能力。不同的灌溉和施肥條件會影響土壤過氧化氫酶活性和脲酶活性[3]。逯昀等[6]研究得出，不同水肥用量可增加根際土壤中的酶活性。Sardans J[7]等研究結果表明，當土壤水分降低時，脲酶和蛋白酶受水分脅迫影響較大，有著不同程度的降低。Giagnoni L等[8]研究不同氮形態對根際土壤酶活性的影響，發現2 種玉米品種在不同氮素條件下的生物量和土壤酶活性均有所增加。ZENG 等[9]研究了不同施用氮肥水平對桑園土壤酶活性的影響，發現合理的施用氮肥可提高土壤的酶活性。馬鈴薯對水分有著非常高的敏感性，在其生長發育過程中如果想獲得高產必須要有充足的水分[10]。李文證[11]研究結果表明，補水量與施氮量之間的相互作用對馬鈴薯產量有著正效應，施氮肥時適當的進行補水有助于馬鈴薯產量的提高。而水分和氮肥的用量并不是越多越有利于馬鈴薯的生長，金建新等[12]研究發現增加灌水量有助于提高馬鈴薯產量，但超過一定量后，會出現降低現象。氮肥施用過量將抑制馬鈴薯的生長發育并降低馬鈴薯產量，甚至造成地下水資源和土壤環境的污染[13,14]。因此，合理的灌溉定額和氮肥施用量會對馬鈴薯的生長發育有著一定促進作用，從而使馬鈴薯產量得到較大的提高[15]。

在寧夏當地，多數研究的關注集中在馬鈴薯產量及品質方面，而有關馬鈴薯土壤酶活性的研究卻鮮有報道，并且在其他作物酶活性測定當中取土層基本在0～15 cm，而本文研究中取土層為0～60 cm，且取土層次為20 cm 一層。因此本文主要研究了不同水氮處理對馬鈴薯土壤過氧化氫酶活性和土壤脲酶活性及產量的影響，旨在摸清土壤過氧化氫酶活性和脲酶活性隨水氮用量變化而變化的規律，優選出適合寧夏中部干旱地區馬鈴薯種植和改善土壤生態環境的水氮管理模式。研究成果可為寧夏中部干旱地區馬鈴薯高效生產及農田土壤生態環境保護提供技術支撐和理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區地址位于寧夏吳忠市同心縣下馬關鎮五里墩村，屬于典型的干旱區。北緯37°4′21″，東經106°26′41″，海拔1 730～1 950 m，年平均降雨量約260 mm，年蒸發量超過2 325 mm，晝夜溫差大且紫外線強烈。試驗田耕作層2019年基礎理化性質見表1。

表1 土壤基礎理化性質Tab.1 Physical and chemical properties of soil foundation

1.2 試驗設計

供試品種為“青薯九號”，本次試驗設計了灌溉定額和施氮量2個因素，灌溉定額設3個水平（W1、W2、W3）和施氮量（純氮）設3個水平（N1、N2、N3），試驗因素水平表見表2。采取完全隨機試驗設計，試驗共有9 個水氮處理，每個處理設3 次重復，總共設置27 個試驗小區，同時設置空白對照處理（按照當地種植習慣，不覆膜且不灌水不施肥）。選用肥料類型分別為尿素（含46%氮），過磷酸鈣（含12%磷），硫酸鉀（含50 %鉀）。每個處理施用磷肥（純磷）為81.60 kg/hm2，施用鉀肥（純鉀）為150 kg/hm2。

表2 試驗因素水平Tab.2 Test factor level

馬鈴薯試驗田于2019年4月30日播種，試驗地各種植小區面積為16 m2，于播種前劃定小區網格。種植模式采用壟作耕作方式，一膜2行，株距為50 cm，行距為60 cm，種子埋深為20 cm，種植密度為33 345 株/hm2。馬鈴薯在每個生育期階段的灌水、施氮比例分配表見表3。

表3 各生育期灌水、施氮比例 %Tab.3 Proportion distribution of irrigation and nitrogen application in each growth period

1.3 測定項目及方法

（1）馬鈴薯土壤酶活性的測定。分別于馬鈴薯苗期（6月10日取土樣）、初花期（7月1日取土樣）、盛花期（8月1日取土樣）和成熟期（9月5日取土樣）在每個試驗小區進行取土，每個小區取土層次為0～60 cm，每隔20 cm 取一個土壤樣品，每個小區共3個土樣，取土樣后風干保存。土壤過氧化氫酶活性通過紫外分光光度法測定，土壤脲酶活性采用靛酚比色法測定。

（2）馬鈴薯產量的測定。從每個試驗小區當中隨機選取6株長勢較好的馬鈴薯，稱量單株產量，然后計算單株平均產量，再根據種植密度計算不同處理馬鈴薯每公頃產量。

1.4 數據處理

由Excel 2007和Origin 2017軟件進行試驗得出所有數據的整理和圖表的繪制，由DPS 2014 軟件進行數據處理之后的統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同水氮處理對0～20 cm土層土壤過氧化氫酶活性的影響

由于0～20 cm 土層是馬鈴薯土壤耕作層，而土壤耕作層是植物殘體和微生物密集層，并且也是在土壤中分布有大量肥料的土層，耕作層對于保證適時供應作物所需營養起著決定性作用，因此主要分析不同水氮處理對馬鈴薯0～20 cm 土層土壤酶活性的影響。

由圖1 可知，在馬鈴薯0～20 cm 土層中，W1N1、W2N1、W3N1、W3N2、W3N3處理土壤過氧化氫酶活性隨生育期變化順序為：初花期>盛花期>成熟期>苗期；W1N2、W1N3、W2N2、W2N3處理土壤過氧化氫酶活性隨生育期變化順序為：盛花期>初花期>成熟期>苗期。由于在初花期和盛花期，馬鈴薯土壤地溫升高，地上部分植株的莖和葉生長及地下部分根系發育較快，需要吸收較多的養分，且水肥的施入大幅增加了土壤生物量，改善了土壤的呼吸，提高了土壤過氧化氫酶活性并促進有毒過氧化氫的分解；到了成熟期，馬鈴薯地上部分植株的營養生長趨于穩定，根系活動減弱，需要的水和肥料較少，這會減少土壤生物量，降低土壤呼吸強度，并降低過氧化氫酶活性。因此在0～20 cm 土層中可以說明，土壤過氧化氫酶活性隨著馬鈴薯生育期的遞進呈先升高后降低的變化趨勢。

圖1(a)～圖1(c)分別表示在相同灌溉定額W1（900 m3/hm2）、W2（1 500 m3/hm2）和W3（2 100 m3/hm2）條件下不同的氮肥施用量對馬鈴薯土壤過氧化氫酶活性的影響。由圖1(a)～圖1(c)可知，在灌溉定額一定時，隨著氮肥施用量的增加，馬鈴薯土壤過氧化氫酶活性呈現先升高后降低的變化趨勢。因為施用適量的氮肥會激活酶的效應，從而增加土壤的酶活性，但是在施肥的土壤微環境中，過量的氮肥則會抑制酶促反應，阻礙微生物的合成作用，導致酶活性減弱。說明在相同灌溉定額條件下，與高施氮量相比，中施氮量更有利于馬鈴薯土壤過氧化氫酶活性的提高，這促進了過氧化氫酶在土壤中的作用，并減少了過氧化氫對農作物的有害影響。

圖1(d)～圖1(f)分別表示在相同施氮量N1（120 kg/hm2）、N2（210 kg/hm2）、N3（300 kg/hm2）條件下不同灌溉定額對馬鈴薯土壤過氧化氫酶活性的影響。由圖1(d)、圖1(e)可知，當施氮量為N1和N2時，隨著灌溉定額的增加，馬鈴薯土壤過氧化氫酶活性呈上升趨勢。由于灌溉能夠改善土壤水分狀況和土壤微生物活動，從而增強土壤酶活性，因此在中低施氮量條件下，灌溉定額越高越有利于增強過氧化氫酶活性；由圖1(f)可知，當施氮量為N3 時，隨著灌溉定額的增加，馬鈴薯土壤過氧化氫酶活性呈先上升后降低的變化趨勢。盡管灌溉能夠增強土壤酶活性，但在施肥過高情況下過度灌溉則會抑制酶活性，因此適當增加灌溉定額可以提高土壤酶活性。說明在高施氮量條件下，中等灌溉定額更有利于土壤過氧化氫酶活性的提高，而高水不利于好氧微生物的活動，使其活性降低。綜合分析表明，中水中氮（W2N2）、高水低氮（W3N1）、高水中氮（W3N2）處理有利于增強0～20 cm 土層土壤過氧化氫酶活性，而低水低氮（W1N1）、低水高氮（W1N3）、中水低氮（W2N1）處理不利于0～20 cm 土層土壤過氧化氫酶活性的提高。

圖1 不同水氮處理對馬鈴薯0～20 cm土層土壤過氧化氫酶活性的影響Fig.1 Effects of different water and nitrogen treatments on soil catalase activity of potato in 0～20 cm soil layer

2.2 不同水氮處理對0～20cm 土層土壤脲酶活性的影響

由圖2 可知，在馬鈴薯0～20 cm 土層中，W1N1、W1N2、W2N1、W2N2、W2N3、W3N1 處理土壤脲酶活性隨生育期變化順序為：初花期>盛花期>成熟期>苗期；W3N2、W3N3處理土壤脲酶活性隨生育期變化順序為：盛花期>初花期>成熟期>苗期；W1N3處理土壤脲酶活性隨生育期變化順序為：初花期>成熟期>盛花期>苗期。其基本變化規律與過氧化氫酶活性相似，因此在0～20 cm 土層中，土壤脲酶活性與過氧化氫酶活性一樣，均隨著馬鈴薯生育期的遞進呈先升高后降低的變化趨勢。

圖2(a)～圖2(c)分別表示在相同灌溉定額W1（900 m3/hm2）、W2（1 500 m3/hm2）和W3（2 100 m3/hm2）條件下不同的氮肥施用量對馬鈴薯土壤脲酶活性的影響。由圖2(a)可知，在灌溉定額為W1時，隨著氮肥施用量的增加，馬鈴薯土壤脲酶活性呈現降低的變化趨勢，這是因為在低灌溉定額條件下增加氮肥施用量，土壤溶液氮濃度較高，不利于微生物和植物根系脲酶的分泌，降低了土壤脲酶活性；由圖2(b)、圖2(c)可知，在灌溉定額為W2 和W3 時，馬鈴薯土壤脲酶活性隨著施氮量的增加呈先升高后降低的趨勢，這與在相同灌溉定額下不同施氮量對馬鈴薯土壤過氧化氫酶活性的變化規律相同。

圖2(d)～圖2(f)分別表示在相同施氮量N1（120 kg/hm2）、N2（210 kg/hm2）、N3（300 kg/hm2）條件下不同灌溉定額對馬鈴薯土壤脲酶活性的影響。由圖2(d)～圖2(f)可知，當施氮量一定時，隨著灌溉定額的增加，馬鈴薯土壤脲酶活性呈先上升后降低的變化趨勢。盡管灌溉能夠增強土壤酶活性，但在施肥過高情況下過度灌溉則會抑制酶活性，因此適當增加灌溉定額可以提高土壤酶活性。說明相同施氮量條件下，中等灌溉定額更有利于土壤脲酶活性的提高，而高水不利于好氧微生物的活動，使其活性降低。綜合分析表明，中水低氮（W2N1）、中水中氮（W2N2）、中水高氮（W2N3）處理有利于增強0～20 cm土層土壤脲酶活性，而低水中氮（W1N2）、低水高氮（W1N3）、高水低氮（W3N1）處理不利于0～20 cm 土層土壤脲酶活性的提高。

圖2 不同水氮處理對馬鈴薯0～20 cm土層土壤脲酶活性的影響Fig.2 Effects of different water and nitrogen treatments on soil urease activity of potato in 0～20 cm soil layer

2.3 不同水氮處理對馬鈴薯不同土層土壤酶活性的影響

圖3表示不同水氮處理對馬鈴薯不同土層土壤過氧化氫酶活性的影響。由圖3可以明顯看出初花期和盛花期階段的土壤過氧化氫酶活性最高，并且在馬鈴薯不同生育期階段的不同土層土壤過氧化氫酶活性有著不同的規律變化，但總體上可以看出，在土壤過氧化氫酶活性垂直分布層次上，土壤過氧化氫酶活性隨著土層深度的加深而降低，即0～20 cm 土層土壤過氧化氫酶活性>20～40 cm 土層土壤過氧化氫酶活性>40～60 cm土層土壤過氧化氫酶活性。造成這一現象的原因是0～20 cm土壤層次是馬鈴薯作物耕作層，該層中植物殘體及水分和肥料分布量較多，同時也是微生物比較密集的土層，由于該層酶作用底物較多，酶活性通常都很強，并且生化過程也非?；钴S，這使土壤有機物質的酶解速度加快，在確保及時提供農作物所需的養分方面起著重要作用。隨著土層的加深，馬鈴薯根系難以達到，微生物數量較耕作層減少，生物活性也較之減弱，所以酶活性降低。

圖3 不同水氮處理對馬鈴薯不同土層土壤過氧化氫酶活性的影響Fig.3 Effects of different water and Nitrogen treatments on soil catalase activity in different soil layers of potato

圖4表示不同水氮處理對馬鈴薯不同土層土壤脲酶活性的影響，由圖4可以明顯看出初花期和盛花期階段的土壤脲酶活性最高，并且在馬鈴薯不同生育期階段的不同土層土壤脲酶活性同樣有著不同的規律變化，但總體上可以看出，在土壤脲酶活性垂直分布層次上，土壤脲酶活性隨著土層深度的加深而升高，即0～20 cm 土層土壤脲酶活性<20～40 cm 土層土壤脲酶活性<40～60 cm 土層土壤脲酶活性，這與過氧化氫酶活性在垂直方向的變化規律相反。其變化原因與土壤理化性質以及馬鈴薯根系分布均勻有著一定的關系，并且有可能是由于土壤脲酶活性測定的試驗數據誤差導致了土壤脲酶活性隨土層深度的加深而升高。

圖4 不同水氮處理對馬鈴薯不同土層土壤脲酶活性的影響Fig.4 Effects of different water and Nitrogen treatments on soil urease activity in different soil layers of potato

2.4 不同水氮處理對馬鈴薯產量及商品薯率的影響

表4 表示不同水氮處理對馬鈴薯產量和商品薯率的影響。由表4 得知，馬鈴薯產量由高到低的順序為：W2N2>W3N2>W2N3>W2N1>W1N2>W3N1>W1N3>W3N3>W1N1>CK， 其中產量最高的處理為W2N2，為53 698.95 kg/hm2，產量最低的處理為CK，為40 236.90 kg/hm2。由表4 得知，馬鈴薯商品薯率由高到低的順序為：W2N2>W3N1>W3N3>W2N1>W2N3>W3N2>W1N1>W1N2>W1N3>CK，其中商品薯率最高的處理為W2N2，為96.4%，商品薯率最低的處理為CK，為84.87%。

表4 不同水氮處理對馬鈴薯產量及商品薯率的影響Tab.4 Effect of different water and Nitrogen treatments on potato yield and commercial potato rate

試驗所有處理馬鈴薯產量和商品薯率均高于CK 處理，表明灌溉和施氮有利于馬鈴薯產量和商品薯率的提高。當灌溉定額一定時，低氮和高氮都不利于馬鈴薯產量和商品薯率的增加；當施氮量一定時，適量的灌溉定額更有利于提高馬鈴薯產量和商品薯率。以馬鈴薯產量和商品薯率最高為衡量標準，W2N2為最佳處理，且更符合馬鈴薯市場需求，更有利于農民增收。

2.5 馬鈴薯產量方差分析

對馬鈴薯產量進行方差分析，見表5。由表5 可知，區組間對馬鈴薯產量的影響差異表現為不顯著（P>0.05）。灌溉定額因素對馬鈴薯產量有著顯著影響（P<0.05），施氮量因素也對馬鈴薯產量有顯著影響（P<0.05）。灌溉定額和施氮量2 因素之間的相互作用對馬鈴薯產量無顯著影響（P>0.05）。

表5 馬鈴薯產量方差分析（固定模型）Tab.5 Potato yield analysis of variance(fixed model)

由表4 可以看出，W2N2 與W1N1 處理之間的馬鈴薯產量存在著極顯著差異（P<0.01），W2N2 與W1N3、W3N1 和W3N3 處理之間的馬鈴薯產量具有顯著差異（P<0.05），W1N1處理與W2N3和W3N2之間馬的鈴薯產量存在著顯著差異（P<0.05），其余各處理之間的馬鈴薯產量無顯著差異（P>0.05）。高水高氮（W3N3）處理在此試驗中的產量并不是最高，表明高水高氮并不適合當地的馬鈴薯生長，并且還會造成水和肥料的浪費。而低水低氮（W1N1）處理也不適合馬鈴薯的生長。

2.6 馬鈴薯土壤酶活性與產量的相關分析

表6 表示馬鈴薯0～20 cm 過氧化氫酶活性均值、20～40 cm過氧化氫酶活性均值、40～60 cm 過氧化氫酶活性均值、0～20 cm 脲酶活性均值、20～40 cm 脲酶活性均值、40～60 cm 脲酶活性均值和產量7個指標之間的相關性，其中各個土層的酶活性均值針對的是所有處理，并不是單獨某一處理。通過表7中數據可知，0～20 cm 土層過氧化氫酶活性與馬鈴薯產量之間呈極顯著正相關，0～20 cm脲酶活性和20～40 cm脲酶活性與馬鈴薯產量之間呈顯著正相關，即馬鈴薯0～20 cm 土層過氧化氫酶活性和0～20 cm 土層脲酶活性及20～40 cm 土層脲酶活性越高，馬鈴薯產量越高；而20～40 cm 土層和40～60 cm 土層過氧化氫酶活性及40～60 cm 土層脲酶活性與馬鈴薯產量均表現為負相關。

表6 馬鈴薯土壤酶活性和產量的相關分析Tab.6 Correlation analysis of potato soil enzyme activity and yield

3 討論

本試驗研究結果中，0～20 cm 土層土壤酶活性隨著馬鈴薯生育期階段的遞進呈現先升高后降低的變化趨勢。從垂直方向上來看，隨著土層深度的增加，馬鈴薯土壤過氧化氫酶活性呈現出下降的趨勢，這與孫慧等[4]的研究結果相似；相反馬鈴薯土壤脲酶活性則呈上升趨勢，這與關松蔭[16]書中結果相違背，這可能與試驗得出的數據誤差有關，還有待后續進一步研究。對于垂直方向的土壤酶活性，除了土層的變化外，還與有機質和土壤養分等其他因素有關[17]。且土壤酶活性的高低與土壤類型，植被特征，土壤微生物數量，土壤動物類群、數量、多樣性以及酶類本身的性質有關[18-20]。而水分和肥料條件也都會對土壤酶活性產生一定的影響，朱同斌等[3]研究結果表明，不同施氮處理和水分的試驗組合對土壤酶活性的影響有著顯著性的差異，土壤水分和肥料試驗條件下對于土壤酶的影響趨勢并不一致。因此，合理的水氮處理能夠增加土壤酶活性，從而促進植物植株的生長，改善土壤質地和生態環境。

合理的灌溉定額和施氮量更有利于馬鈴薯產量的提高。在本試驗中，當灌溉定額一定時，馬鈴薯產量隨著施氮量的增加呈現出先升高后降低的變化趨勢，并在中氮（210 kg/hm2）時達到最高，這與王臣等[21]和商美新等[22]的研究結果相似，表明適量的灌溉可以使馬鈴薯產量得以提高。當施氮量一定時，馬鈴薯產量隨灌溉定額的增加呈先升高后降低的變化，并在中水（1 500 m3/hm2）時達到最大值，這類似于劉凡等[23]的研究結果，表明適當的灌溉定額可以使馬鈴薯產量明顯提高?？傮w來說，在本試驗中，高出中氮的施氮量和中水的灌溉定額都會對馬鈴薯的生長起到抑制作用，降低馬鈴薯產量。

進行土壤過酶活性與產量的相關分析，屠娟麗等[24]研究發現馬鈴薯產量與土壤過氧化氫酶活性之間的相關性達到了顯著水平，但脲酶活性與產量之間卻不顯著，這與本實驗結果得出的0～20 cm 土層土壤過氧化氫酶活性與馬鈴薯產量呈極顯著正相關相似，但與0～20 cm 和20～40 cm 土層土壤脲酶活性與產量之間呈顯著正相關卻不相同。

4 結論

本試驗中，研究了不同水氮處理對馬鈴薯土壤過氧化氫酶活性和脲酶活性及產量的影響，得出了以下結論。

（1）0～20 cm 土層中的土壤過氧化氫酶活性和脲酶活性均隨著馬鈴薯生育期階段的遞進呈現先升高后降低的趨勢。在垂直方向上，隨著土壤深度的增加，土壤過氧化氫酶活性呈降低的變化趨勢，而土壤脲酶活性則呈升高趨勢。不同水氮處理對馬鈴薯不同生育期階段酶活性的影響程度不同，綜合分析中水中氮（W2N2）有利于增加土壤酶活性，而低水高氮（W1N3）則不利于土壤酶活性的提高；

（2）中水中氮（W2N2）處理的馬鈴薯產量和商品薯率最高，分別為53 698.95 kg/hm2和96.4%。

（3）0～20 cm 土層過氧化氫酶活性與馬鈴薯產量呈極顯著正相關，0～20 cm 和20～40 cm 土層土壤脲酶活性呈顯著正相關，即0～20 cm 土層過氧化氫酶活性和0～20 cm 及20～40 cm 土層土壤脲酶活性越高，馬鈴薯產量越高

綜合考慮，中水中氮（W2N2）為最佳處理，有利于提高馬鈴薯產量和改善土壤生態環境。因此推薦W2N2處理（灌溉定額為1 500 m3/hm2，施氮量為210 kg/hm2）作為寧夏中部干旱地區馬鈴薯種植水氮管理模式。