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有机无机肥配施提高旱地麦田土壤养分有效性及酶活性

梁路 马臣 张然 翟丙年 李紫燕 王朝辉

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有机无机肥配施提高旱地麦田土壤养分有效性及酶活性

    作者简介: 梁路 E-mail:lianglu19930206@163.com;
    通讯作者: 翟丙年, E-mail:bingnianzhaitg@126.com

Improvement of soil nutrient availability and enzyme activities in rainfed wheat field by combined application of organic and inorganic fertilizers

    Corresponding author: Bing-nian ZHAI, E-mail:bingnianzhaitg@126.com ;
  • 摘要: 【目的】有机无机肥配施可显著提高土壤微生物活性,改善土壤养分供应状况。深入理解不同氮肥用量配施有机肥下土壤的生物化学性状,为充分发挥肥料效益,实现冬小麦高产稳产提供科学施肥依据。【方法】以冬小麦为供试作物,在黄土高原南部半湿润易旱区连续三年进行了田间定位试验。采用裂区试验,设置5个氮肥用量 (N 0、75、150、225、300 kg/hm2),配施或不施有机肥 (30 t/hm2)。在冬小麦拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期,取0—20 cm土层样品,采用常规方法测定土壤养分和酶活性。在收获期,调查了冬小麦籽粒产量。【结果】1) 冬小麦产量以施氮量N 150 kg/hm2配施有机肥处理最高,且有机无机肥配施与单施化肥处理相比能够在减少19.1%的氮肥用量条件下,保证冬小麦产量稳产高产,此外在天气不理想的状况下,冬小麦的净收益也能保持在较高水平。2)在冬小麦的整个生育期,有机无机肥配施处理可显著提高0—20 cm土层土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾、硝态氮含量以及土壤蔗糖酶、碱性磷酸酶和脲酶活性,与单施化肥处理相比分别增加18.2%、27.4%、149.3%、31.4%、27.6%、4.0%、4.7%、1.5%,但对过氧化氢酶活性无明显促进作用,且除了脲酶以施氮量N 300 kg/hm2配施有机肥的活性最高,其余指标均以施氮量N 150 kg/hm2配施有机肥处理效果最佳。3) 施氮量、有机肥、冬小麦生育期显著影响土壤蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和脲酶活性,施氮量和有机肥的交互效应显著影响碱性磷酸酶活性,施氮量和冬小麦生育期的交互效应显著影响土壤蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性,有机肥和冬小麦生育期的交互效应显著影响土壤碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性,施氮量、有机肥和冬小麦生育期三者的交互效应显著影响土壤蔗糖酶活性。4) 相关分析表明,土壤碱性磷酸酶与有机质间、脲酶与速效钾之间均未达显著相关水平,土壤蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和脲酶与有机质、全氮、有效磷、速效钾均呈显著或极显著正相关。【结论】土壤养分、酶活性和冬小麦产量之间密切相关,在施用有机肥30 t/hm2的基础上配施氮肥N 150 kg/hm2,有利于增强黄土高原南部半湿润易旱区冬小麦土壤生态系统的可持续性。
  • 图 1  不同施肥处理下冬小麦产量

    Figure 1.  Winter wheat yield under different fertilizations

    表 1  不同施肥处理冬小麦全生育期0—20 cm土层土壤肥力

    Table 1.  Soil fertility in 0–20 cm layer during winter wheat growth stages under different fertilizations

    处理
    Treatment
    有机质 (g/kg)
    SOM
    全氮 (g/kg)
    Total N
    有效磷 (mg/kg)
    Avail. P
    速效钾 (mg/kg)
    Avail. K
    硝态氮 (mg/kg)
    NO3-N
    − M+ M− M+ M− M+ M− M+ M− M+ M
    N015.91 b18.72 b0.98 b1.30 b9.14 a21.63 b 165.96 ab205.66 bc2.04 b2.13 c
    N75 16.27 ab19.81 a 1.06 ab1.39 a9.34 a23.78 ab167.34 ab219.27 ab2.85 b3.46 c
    N15016.65 a19.84 a 1.07 ab1.40 a10.40 a 25.69 a 168.37 a 234.53 a 5.20 b 8.23 bc
    N22516.89 a19.68 a1.10 a 1.36 ab9.18 a22.91 ab161.69 ab218.32 ab10.32 ab13.11 ab
    N30016.87 a 19.58 ab1.10 a1.32 b8.61 a22.31 ab155.21 b 197.84 c 16.69 a 20.40 a
    平均Average 16.52 B 19.53 A 1.06 B 1.35 A 9.33 B 23.26 A163.71 B 215.12 A 7.42 B 9.47 A
    FF value
    有机肥 Manure (M)7.198**6.577**3.962*6.271**5.235*
    施氮量N rate (N) 195.687** 100.693** 178.344** 253.380** 28.156**
    M × N0.533ns0.654ns 0.197ns2.201ns3.417*
    注(Note):表中的数值为各个生育期测定结果的平均值 The values in the table are the average values of each growth period; −M—单施化肥 Single chemical fertilizer; +M—有机无机肥配施 Combined application of manure and chemical fertilizers;ns—P > 0.05; *—P < 0.05;**—P < 0.01。同列数值后不同小写字母表示不同施氮水平间差异显著,不同大写字母表示是否施用有机肥处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters in the same column mean significant difference among the treatments,and different capital letters in the same row mean significant difference between − M and + M treatments (P < 0.05).
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    表 2  施氮量、有机肥和生育期对土壤酶活性影响的方差分析

    Table 2.  Variance analysis on the effect of nitrogen rate, manure and growth stage on soil enyzme activities

    变异来源Source of variation蔗糖酶Invertase碱性磷酸酶APtase过氧化氢酶Catalase脲酶Urease
    施氮量N rate (N)********
    有机肥Manure (M)********
    生育期Stage (S)********
    N × Mns**nsns
    N × S****ns
    M × Sns***ns
    N × M × S**nsnsns
    注(Note):APtase—Alkaline phosphatase;*—P < 0.05; **—P < 0.01; ns—P > 0.05.
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    表 3  不同施肥处理冬小麦各生育期0—20 cm土层土壤酶活性

    Table 3.  Enzyme activities of 0–20 cm soil layer at each growth stage of wheat under different fertilizations

    土壤酶
    Enzyme
    处理Treatment拔节期Jointing抽穗期Heading灌浆期Filling成熟期Maturity
    − M+ M− M+ M− M+ M− M+ M
    蔗糖酶
    Invertase
    [mg/ (g·d) ]
    N01.22 c1.37 b1.28 b1.30 b1.29 a1.33 ab1.34 a1.33 b
    N751.38 ab1.41 ab1.35 ab1.40 a1.31 a1.36 ab1.35 a1.44 a
    N1501.37 ab1.48 a1.38 a1.41 a1.31 a1.38 a1.34 a1.45 a
    N2251.41 a1.37 b1.29 b1.36 ab1.34 a1.37 a1.29 a1.35 b
    N3001.29 bc1.37 b1.29 ab1.35 ab1.33 a1.29 b1.25 a1.31 b
    平均Mean1.33 B1.40 A1.32 B1.36 A1.32 A1.35 A1.31 B1.38 A
    碱性磷酸酶
    Alkaline phosphatase
    [Phenol mg/(g·d)]
    N01.51 a1.47 a1.20 a1.20 b1.41 a1.42 b1.30 b1.43 a
    N751.51 a1.53 a1.36 a1.45 a1.40 a1.46 ab1.30 b1.48 a
    N1501.48 a1.53 a1.39 a1.44 a1.42 a1.56 a1.46 a1.50 a
    N2251.40 a1.44 ab1.27 a1.43 ab1.41 a1.45 ab1.45 a1.50 a
    N3001.46 a1.44 b1.28 a1.41 a1.31 a1.36 b1.37 ab1.47 a
    平均Mean1.47 A1.48 A1.30 B1.39 A1.39 B1.45 A1.38 B1.48 A
    过氧化氢酶
    Catalase
    [0.1 mol/L KMnO4 mL/(g·min)]
    N01.12 b1.15 a1.11 a1.09 b1.16 a1.24 ab1.07 a1.09 a
    N751.10 b1.16 a1.11 a1.11 ab1.17 a1.25 ab1.09 a1.10 a
    N1501.18 a1.26 a1.11 a1.13 a1.19 a1.34 a1.10 a1.11 a
    N2251.14 ab1.24 a1.11 a1.12 ab1.16 a1.29 ab1.10 a1.10 a
    N3001.11 b1.16 a1.08 a1.11 ab1.16 a1.17 b1.10 a1.09 a
    平均Mean1.13 B1.19 A1.10 A1.11 A1.17 B1.26 A1.09 A1.10 A
    脲酶
    Urease
    [NH3-N mg/(g·d)]
    N0256 a264 b252 a251 b256 a263 a256 a248 b
    N75261 a266 b252 a251 b263 a263 a259 a261 a
    N150263 a266 b254 a257 ab263 a268 ab258 a265 a
    N225264 a271 ab257 a262 a264 a271 a261 a268 a
    N300265 a273 a256 a257 ab265 a272 a262 a268 a
    平均Mean262 B268 A254 A256 A262 B267 A259 A262 A
    注(Note):−M—单施化肥 Single chemical fertilizer;+M—有机无机肥配施 Combined application of manure and chemical fertilizers 同列数值后不同小写字母表示不同施氮水平间差异显著,不同大写字母表示是否施用有机肥处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters in the same column mean significant difference among the treatments, and different capital letters in the same row mean significant difference between − M and + M treatments (P < 0.05).
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    表 4  冬小麦生育期土壤养分与酶活性的线性相关系数

    Table 4.  Linear correlation coefficients among soil nutrients and enzyme activities during winter wheat growing period

    项目
    Item
    有机质
    SOM
    全氮
    Total N
    有效磷
    Avail. P
    速效钾
    Avail. K
    硝态氮
    NO3-N
    蔗糖酶
    Invertase
    碱性磷酸酶
    APtase
    过氧化氢酶
    Catalase
    脲酶
    Urease
    蔗糖酶Invertase0.3727*0.4338**0.3953*0.6000**–0.11951.0000
    碱性磷酸酶APtase0.22990.3491*0.4094**0.4705**–0.23700.4571**1.0000
    过氧化氢酶HPdase0.5884**0.5238**0.4903**0.4454**0.07580.27650.3890*1.0000
    脲酶Urease0.3208*0.3821*0.4028**0.25510.22110.23090.4572**0.5603**1.0000
    注(Note):APtase—Alkaline phosphatase;n = 40;*—P < 0.05;**—P < 0.01.
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    表 5  不同施肥处理冬小麦经济收益 (yuan/hm2)

    Table 5.  Economic returns of winter wheat under different fertilizations

    处理
    Treatment
    支出Cost产量收益
    Yield income
    净收益
    Net income
    肥料Fertilizer其他Other合计Total
    N0100625503556 65823026
    N75130025503850 95505700
    N150159425504144113177173
    N225188825504438125198081
    N300218225504732116876955
    N0 + M280625505356 78242468
    N75 + M310025505650107755125
    N150 + M339425505944127056761
    N225 + M368825506238122506012
    N300 + M398225506532111194587
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-05-14
  • 网络出版日期:  2019-04-23
  • 刊出日期:  2019-04-01

有机无机肥配施提高旱地麦田土壤养分有效性及酶活性

    作者简介:梁路 E-mail:lianglu19930206@163.com
    通讯作者: 翟丙年, bingnianzhaitg@126.com
  • 1. 西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌 712100
  • 2. 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室,陕西杨凌 712100

摘要: 目的有机无机肥配施可显著提高土壤微生物活性,改善土壤养分供应状况。深入理解不同氮肥用量配施有机肥下土壤的生物化学性状,为充分发挥肥料效益,实现冬小麦高产稳产提供科学施肥依据。方法以冬小麦为供试作物,在黄土高原南部半湿润易旱区连续三年进行了田间定位试验。采用裂区试验,设置5个氮肥用量 (N 0、75、150、225、300 kg/hm2),配施或不施有机肥 (30 t/hm2)。在冬小麦拔节期、抽穗期、灌浆期、成熟期,取0—20 cm土层样品,采用常规方法测定土壤养分和酶活性。在收获期,调查了冬小麦籽粒产量。结果1) 冬小麦产量以施氮量N 150 kg/hm2配施有机肥处理最高,且有机无机肥配施与单施化肥处理相比能够在减少19.1%的氮肥用量条件下,保证冬小麦产量稳产高产,此外在天气不理想的状况下,冬小麦的净收益也能保持在较高水平。2)在冬小麦的整个生育期,有机无机肥配施处理可显著提高0—20 cm土层土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾、硝态氮含量以及土壤蔗糖酶、碱性磷酸酶和脲酶活性,与单施化肥处理相比分别增加18.2%、27.4%、149.3%、31.4%、27.6%、4.0%、4.7%、1.5%,但对过氧化氢酶活性无明显促进作用,且除了脲酶以施氮量N 300 kg/hm2配施有机肥的活性最高,其余指标均以施氮量N 150 kg/hm2配施有机肥处理效果最佳。3) 施氮量、有机肥、冬小麦生育期显著影响土壤蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和脲酶活性,施氮量和有机肥的交互效应显著影响碱性磷酸酶活性,施氮量和冬小麦生育期的交互效应显著影响土壤蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性,有机肥和冬小麦生育期的交互效应显著影响土壤碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性,施氮量、有机肥和冬小麦生育期三者的交互效应显著影响土壤蔗糖酶活性。4) 相关分析表明,土壤碱性磷酸酶与有机质间、脲酶与速效钾之间均未达显著相关水平,土壤蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和脲酶与有机质、全氮、有效磷、速效钾均呈显著或极显著正相关。结论土壤养分、酶活性和冬小麦产量之间密切相关,在施用有机肥30 t/hm2的基础上配施氮肥N 150 kg/hm2,有利于增强黄土高原南部半湿润易旱区冬小麦土壤生态系统的可持续性。

English Abstract

  • 黄土高原是我国传统旱作农业区,该地区水土流失严重,土壤肥力低下,作物产量低[1]。土壤肥力低下已成为该地区粮食产量提高的一个重要限制因素。而随着经济的发展和人口的增加,农民为了获得作物高产长期过量施用化肥,导致了土壤板结、肥力下降、养分不平衡等问题[2]。有机肥料不仅含有作物需要的大量元素和多种微量元素,同时含有大量有机物质,在保持和提高土壤肥力,促进水肥协调等方面有着特殊作用[3]。为了到2020年实现我国化肥用量零增长,有机肥替代化肥成为实现该战略目标的重要措施之一,也是实现减肥增效的重要措施之一。

    近年来,有关配施有机肥对土壤肥力和微生物学性质影响的研究逐渐成为了热点。许多研究表明,有机无机肥配施可以提高土壤有机质、有效磷、速效钾等含量,有利于促进作物增产稳产[4-7]。孙瑞莲等[8]通过长期定位试验表明,化肥与有机肥配合施用能明显提高土壤有机质含量,全氮、全磷及速效氮、磷、钾含量,增强土壤转化酶、磷酸酶和脲酶的活性。Marcote等[9]在西班牙研究发现,增施有机肥料和微生物肥料有利于改善土壤理化性质和微生物区系,提高土壤转化酶、磷酸酶、过氧化氢酶和脲酶活性。李娟等[10]长期定位试验表明,长期有机无机肥料配施可提高作物产量、土壤微生物量碳氮及脲酶活性。Liu等[11]在黄土高原旱地的长期定位试验发现,有机无机肥配施可以显著提高微生物活性以及脲酶、碱性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶等酶活性。有机无机肥配合施用可以达到“缓急相济”的效果,且环境污染小[12]。所以,很有必要研究其对土壤养分和土壤微生物学性质的影响。

    土壤酶来源于土壤微生物、植物根部、土壤动物和植物残体等[13],它们能将土壤中的养分转化为植物生长所需的形式[14],并控制土壤养分循环的速率[9]。土壤酶是土壤物质循环和能量流动的主要参与者,是土壤生态系统中最活跃的组分,能推动土壤有机质的矿化分解和土壤养分的循环与转化[15-16],其活性是土壤肥力评价的重要指标之一,可反映出土壤中各种养分代谢活性的强度与方向[17]。有关有机无机肥配施对土壤养分和酶活性的研究并不鲜见,可是旱地农田的水肥耦合及土壤酶活性又受到土壤肥力、底墒及当地水热分布等因素的影响,具有区域差异性[18],且大多数试验研究只是设计化肥和有机肥不同用量的配比,或着设计等氮量[19-20],但有机肥当季矿化的氮素养分量很难精确估算,会导致化学氮肥用量的不足或过量。因此,本研究以黄土高原南部旱地冬小麦为研究对象,通过设置不同氮肥用量与定量的有机肥配施的田间试验,通过数学拟合的方法寻求有机无机肥配施的合理方案,为实现该地区土壤培肥、减少化肥氮用量,保证冬小麦高产稳产,促进土壤生态系统可持续发展具有重要的意义。

    • 田间定位试验始于2014年10月,试验地点位于陕西省杨凌示范区西北农林科技大学农作一站 (北纬34°18′,东经108°05′)。该站位于黄土高原南部,属半湿润易旱地区。海拔525 m,年平均气温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,年均蒸发量为1400 mm,农业生产主要依靠天然降水。供试土壤为土垫旱耕人为土,试验开始前0—20 cm土壤平均pH为8.14,有机质含量13.88 g/kg,全氮含量0.83 g/kg,硝态氮含量为4.62 mg/kg,有效磷含量9.17 mg/kg,速效钾含量156 mg/kg。本文涉及的试验数据为2016年10月—2017年6月的试验结果。试验年度小麦生育期降水量为237 mm,夏闲期为325 mm。

    • 田间小区试验为裂区设计,在施磷 (P2O5) 90 kg/hm2和钾 (K2O) 60 kg/hm2基础上,设5个氮水平为主处理,施氮量分别为0、75、150、225、300 kg/hm2 (表示为 N0、N75、N150、N225、N300),设施和不施有机肥2个副处理 (表示为 + M、− M),共10个处理,重复4次,在田间随机排列,小区面积为28 m2 (4 m × 7 m )。试验中所用氮肥为尿素,磷肥为过磷酸钙,钾肥为硫酸钾。有机肥为腐熟牛粪,用量为30 t/hm2,其pH为8.09、有机质含量401 g/kg、全氮含量18.9 g/kg、全磷含量15.0 g/kg、全钾含量17.8 g/kg。氮肥70%在播前撒施,30%在拔节期结合降雨追施,有机肥和磷肥、钾肥均在播前一次撒施并翻入土中。供试小麦品种为小偃22,播种量为150 kg/hm2,田间管理与当地农户一致。

    • 在冬小麦的拔节期 (3月29日)、抽穗期 (4月19日)、灌浆期 (5月9日) 和成熟期 (6月10日) 四个阶段取土样。每个小区用土钻在耕层 (0—20 cm) 分别按5点法取样,剔除石砾和植物残根等杂物。混匀后,密封带回实验室,4℃保存。一部分鲜土样用于测定土壤硝态氮,一部分土样风干后用于土壤酶和土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾的测定。

      硝态氮含量用1 mol/L KCl 溶液浸提 (土水比为1∶10,振荡1 h),过滤后用连续流动分析仪 (AA3) 测定;有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定;全氮含量用半微量凯氏法测定;有效磷含量采用0.5 mol/L碳酸氢钠溶液浸提—钼锑抗比色法测定;速效钾含量采用1 mol/L乙酸铵溶液浸提—火焰光度法测定。土壤蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法;碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法;过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法;脲酶活性采用苯酚钠比色法[21]

    • 小麦收获时采集植株样品,在每个试验小区随机选取3个1 m × 2 m代表性样方,贴地表收割地上部分。同一小区的所有样方样品混合,自然风干后脱粒,再取部分籽粒样品在90℃杀青30 min,65℃烘至恒重,称量干重用以计算小麦产量。

    • 数据和图表处理使用Excel 2007 及DPS软件。采用裂区设计的方差分析检验有机肥、氮水平效应,以及二者的交互作用。多重比较采用LSD (Least Significant Difference) 法,差异显著性水平为5%。

    • 图1可知,无论是否配施有机肥,冬小麦产量均随着施氮量的增加呈先增加后降低的趋势。其中,产量最高值出现在N150 + M处理,较相同氮水平 (N150) 下的单施化肥处理显著增产12.3%。这说明,随着施氮量的增加,产量不一定提高,只有适量施用氮肥,小麦产量才能达到最佳水平。此外,单施化肥处理和配施有机肥处理的冬小麦产量的最高值分别出现在N225、N150 + M处理,且两处理间的产量无显著性差异。说明在配施有机肥的情况下适当减少化肥用量,并不会导致小麦减产。进一步对施氮量和冬小麦产量进行回归分析发现,二者之间存在显著的抛物线关系。由回归方程可知 (单施化肥,y = −0.0534x2 + 25.09x + 3365.5,R2 = 0.9941;配施有机肥, y =−0.069x2 + 26.257x + 4028.1,R2 = 0.9900),单施化肥处理的氮肥用量为N 235 kg/hm2时,冬小麦产量理论最高值达到6322 kg/hm2;有机无机肥配施处理的氮肥用量为N 190 kg/hm2时,达到理论最高产量6256 kg/hm2。表明有机无机肥配施相比于单施化肥处理能够在减少19.1%的氮肥用量的条件下,可保证冬小麦稳产高产。

      图  1  不同施肥处理下冬小麦产量

      Figure 1.  Winter wheat yield under different fertilizations

    • 土壤肥力的高低是影响农作物产量的重要因素之一。土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾和硝态氮含量均为衡量土壤肥力的指标。表1表明,在冬小麦整个生长期,有机无机肥配施处理可显著提高 0—20 cm耕层土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾和硝态氮含量,与单施化肥处理相比分别增加18.2%、27.4%、149.3%、31.4%、27.6%。与冬小麦产量变化趋势相似,土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量,无论是在单施化肥处理还是有机无机配施处理下,随着施氮量的增加均呈现先增加后减少的趋势,且最高值均为N150 + M处理,较相同氮水平 (N150) 下的单施化肥处理分别增加19.2%、30.8%、147.0%、39.3%;而土壤硝态氮含量随着施氮量的增加而增加,最高值为N300 + M处理。

      处理
      Treatment
      有机质 (g/kg)
      SOM
      全氮 (g/kg)
      Total N
      有效磷 (mg/kg)
      Avail. P
      速效钾 (mg/kg)
      Avail. K
      硝态氮 (mg/kg)
      NO3-N
      − M+ M− M+ M− M+ M− M+ M− M+ M
      N015.91 b18.72 b0.98 b1.30 b9.14 a21.63 b 165.96 ab205.66 bc2.04 b2.13 c
      N75 16.27 ab19.81 a 1.06 ab1.39 a9.34 a23.78 ab167.34 ab219.27 ab2.85 b3.46 c
      N15016.65 a19.84 a 1.07 ab1.40 a10.40 a 25.69 a 168.37 a 234.53 a 5.20 b 8.23 bc
      N22516.89 a19.68 a1.10 a 1.36 ab9.18 a22.91 ab161.69 ab218.32 ab10.32 ab13.11 ab
      N30016.87 a 19.58 ab1.10 a1.32 b8.61 a22.31 ab155.21 b 197.84 c 16.69 a 20.40 a
      平均Average 16.52 B 19.53 A 1.06 B 1.35 A 9.33 B 23.26 A163.71 B 215.12 A 7.42 B 9.47 A
      FF value
      有机肥 Manure (M)7.198**6.577**3.962*6.271**5.235*
      施氮量N rate (N) 195.687** 100.693** 178.344** 253.380** 28.156**
      M × N0.533ns0.654ns 0.197ns2.201ns3.417*
      注(Note):表中的数值为各个生育期测定结果的平均值 The values in the table are the average values of each growth period; −M—单施化肥 Single chemical fertilizer; +M—有机无机肥配施 Combined application of manure and chemical fertilizers;ns—P > 0.05; *—P < 0.05;**—P < 0.01。同列数值后不同小写字母表示不同施氮水平间差异显著,不同大写字母表示是否施用有机肥处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters in the same column mean significant difference among the treatments,and different capital letters in the same row mean significant difference between − M and + M treatments (P < 0.05).

      表 1  不同施肥处理冬小麦全生育期0—20 cm土层土壤肥力

      Table 1.  Soil fertility in 0–20 cm layer during winter wheat growth stages under different fertilizations

    • 土壤酶与土壤养分的循环和转化密切相关,施氮量、有机肥、生育期以及它们之间的交互作用都有可能影响酶活性。由表2可知,施氮量、有机肥和生育期三因素及其它们的交互效应可显著影响蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和脲酶活性。这说明酶活性的高低在一定程度上是施氮量、有机肥及生育期的综合效应的表现。

      变异来源Source of variation蔗糖酶Invertase碱性磷酸酶APtase过氧化氢酶Catalase脲酶Urease
      施氮量N rate (N)********
      有机肥Manure (M)********
      生育期Stage (S)********
      N × Mns**nsns
      N × S****ns
      M × Sns***ns
      N × M × S**nsnsns
      注(Note):APtase—Alkaline phosphatase;*—P < 0.05; **—P < 0.01; ns—P > 0.05.

      表 2  施氮量、有机肥和生育期对土壤酶活性影响的方差分析

      Table 2.  Variance analysis on the effect of nitrogen rate, manure and growth stage on soil enyzme activities

      土壤蔗糖酶能够将土壤中的蔗糖分子分解成小分子的果糖和葡萄糖,是表征土壤碳素循环和土壤生物化学活性的重要酶[22]。磷酸酶与土壤磷素转化密切相关,是土壤磷素肥力的指标[23]。由试验结果 (表3)可知,在冬小麦整个生育期,有机无机肥配施可显著增加土壤蔗糖酶和碱性磷酸酶活性,相比单施化肥处理分别增加4.0%、4.7%。配施有机肥处理的土壤蔗糖酶活性的平均值在拔节期、抽穗期和成熟期均显著高于单施化肥处理,而有机无机肥配施处理的土壤碱性磷酸酶活性在抽穗期、灌浆期和成熟期的平均值均显著高于单施化肥处理。此外,在同生育阶段的配施有机肥的处理中,土壤蔗糖酶和碱性磷酸酶活性均随着施氮量的增加而呈现先增加后降低的趋势,最高值均出现在N150 + M处理,与单施有机肥处理 (N0 + M) 相比分别增加8.0%、8.5%、3.8%、9.0%、4.1%、20.0%、9.9%、4.9%;与相同氮水平下的单施化肥处理 (N150) 相比,分别增加8.0%、2.2%、5.3%、8.2%、3.4%、3.6%、9.9%、2.7%。可见,氮肥用量过低或过高对土壤蔗糖酶和碱性磷酸酶活性的提高并不能达到最好水平,适量施用氮肥对酶活性的提高比较有利,均以N150 + M处理的效果最佳。

      土壤酶
      Enzyme
      处理Treatment拔节期Jointing抽穗期Heading灌浆期Filling成熟期Maturity
      − M+ M− M+ M− M+ M− M+ M
      蔗糖酶
      Invertase
      [mg/ (g·d) ]
      N01.22 c1.37 b1.28 b1.30 b1.29 a1.33 ab1.34 a1.33 b
      N751.38 ab1.41 ab1.35 ab1.40 a1.31 a1.36 ab1.35 a1.44 a
      N1501.37 ab1.48 a1.38 a1.41 a1.31 a1.38 a1.34 a1.45 a
      N2251.41 a1.37 b1.29 b1.36 ab1.34 a1.37 a1.29 a1.35 b
      N3001.29 bc1.37 b1.29 ab1.35 ab1.33 a1.29 b1.25 a1.31 b
      平均Mean1.33 B1.40 A1.32 B1.36 A1.32 A1.35 A1.31 B1.38 A
      碱性磷酸酶
      Alkaline phosphatase
      [Phenol mg/(g·d)]
      N01.51 a1.47 a1.20 a1.20 b1.41 a1.42 b1.30 b1.43 a
      N751.51 a1.53 a1.36 a1.45 a1.40 a1.46 ab1.30 b1.48 a
      N1501.48 a1.53 a1.39 a1.44 a1.42 a1.56 a1.46 a1.50 a
      N2251.40 a1.44 ab1.27 a1.43 ab1.41 a1.45 ab1.45 a1.50 a
      N3001.46 a1.44 b1.28 a1.41 a1.31 a1.36 b1.37 ab1.47 a
      平均Mean1.47 A1.48 A1.30 B1.39 A1.39 B1.45 A1.38 B1.48 A
      过氧化氢酶
      Catalase
      [0.1 mol/L KMnO4 mL/(g·min)]
      N01.12 b1.15 a1.11 a1.09 b1.16 a1.24 ab1.07 a1.09 a
      N751.10 b1.16 a1.11 a1.11 ab1.17 a1.25 ab1.09 a1.10 a
      N1501.18 a1.26 a1.11 a1.13 a1.19 a1.34 a1.10 a1.11 a
      N2251.14 ab1.24 a1.11 a1.12 ab1.16 a1.29 ab1.10 a1.10 a
      N3001.11 b1.16 a1.08 a1.11 ab1.16 a1.17 b1.10 a1.09 a
      平均Mean1.13 B1.19 A1.10 A1.11 A1.17 B1.26 A1.09 A1.10 A
      脲酶
      Urease
      [NH3-N mg/(g·d)]
      N0256 a264 b252 a251 b256 a263 a256 a248 b
      N75261 a266 b252 a251 b263 a263 a259 a261 a
      N150263 a266 b254 a257 ab263 a268 ab258 a265 a
      N225264 a271 ab257 a262 a264 a271 a261 a268 a
      N300265 a273 a256 a257 ab265 a272 a262 a268 a
      平均Mean262 B268 A254 A256 A262 B267 A259 A262 A
      注(Note):−M—单施化肥 Single chemical fertilizer;+M—有机无机肥配施 Combined application of manure and chemical fertilizers 同列数值后不同小写字母表示不同施氮水平间差异显著,不同大写字母表示是否施用有机肥处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different lowercase letters in the same column mean significant difference among the treatments, and different capital letters in the same row mean significant difference between − M and + M treatments (P < 0.05).

      表 3  不同施肥处理冬小麦各生育期0—20 cm土层土壤酶活性

      Table 3.  Enzyme activities of 0–20 cm soil layer at each growth stage of wheat under different fertilizations

      过氧化氢酶能催化过氧化氢分解为水和分子氧,减轻过氧化氢对生物体的毒害作用[19]。通过测定不同施肥处理下冬小麦生育期内的土壤过氧化氢酶活性可以看出 (表3),整个生育期内土壤过氧化氢酶活性变化在1.07~1.34 0.1 mol/L KMnO4 mL/(g·min)之间,差异较小。在冬小麦生育期期间,有机无机肥配施处理相比单施化肥处理,土壤过氧化氢酶活性有增加的趋势,但无显著性差异。土壤过氧化氢酶活性的变化规律在同生育阶段的配施有机肥处理中与蔗糖酶和碱性磷酸酶相似,且酶活性最高值均出现在N150 + M处理,与相同施氮量下的单施化肥处理 (N150) 相比,分别增加6.8%、1.8%、12.6%、0.9%。可知,N150 + M处理对土壤过氧化氢酶活性的激发效应最佳。

      脲酶是对尿素转化起关键作用的酶,它的酶促反应产物是可供植物利用的氮源,它的活性可以用来表示土壤供氮能力[24]表3表明,在冬小麦整个生育期中,与单施化肥处理相比,配施有机肥处理可显著增加土壤脲酶活性,平均提高1.5%。在同生育阶段,无论是在单施化肥处理还是配施有机肥的处理中,随着施氮量的增加,土壤脲酶活性均呈增加趋势。其中,抽穗期的土壤脲酶活性最高值出现在N225 + M处理,但与N300 + M处理的酶活性无显著性差异;拔节期、灌浆期和成熟期的脲酶活性最高值均出现在N300 + M处理,与相同氮水平下的单施化肥处理 (N300) 相比,分别增加3.0%、2.6%、2.3%。由此可见,施氮量的增加能提高土壤脲酶活性,以N300 + M处理效果最佳。

    • 土壤中的酶活性通常和土壤中的养分含量有较好的相关性[25]。试验结果表明 (表4),除了碱性磷酸酶与有机质间、脲酶与速效钾之间均未达显著相关水平,蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和脲酶与有机质、全氮、有效磷、速效钾均呈显著或极显著正相关,其中仅蔗糖酶和有效磷、碱性磷酸酶与全氮、脲酶与有机质及全氮之间呈显著正相关;蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶和脲酶与硝态氮之间均未达显著相关水平;碱性磷酸酶与蔗糖酶、脲酶,脲酶与过氧化氢酶,均呈极显著正相关,碱性磷酸酶与过氧化氢酶呈显著正相关。

      项目
      Item
      有机质
      SOM
      全氮
      Total N
      有效磷
      Avail. P
      速效钾
      Avail. K
      硝态氮
      NO3-N
      蔗糖酶
      Invertase
      碱性磷酸酶
      APtase
      过氧化氢酶
      Catalase
      脲酶
      Urease
      蔗糖酶Invertase0.3727*0.4338**0.3953*0.6000**–0.11951.0000
      碱性磷酸酶APtase0.22990.3491*0.4094**0.4705**–0.23700.4571**1.0000
      过氧化氢酶HPdase0.5884**0.5238**0.4903**0.4454**0.07580.27650.3890*1.0000
      脲酶Urease0.3208*0.3821*0.4028**0.25510.22110.23090.4572**0.5603**1.0000
      注(Note):APtase—Alkaline phosphatase;n = 40;*—P < 0.05;**—P < 0.01.

      表 4  冬小麦生育期土壤养分与酶活性的线性相关系数

      Table 4.  Linear correlation coefficients among soil nutrients and enzyme activities during winter wheat growing period

    • 从不同施肥处理对冬小麦经济收益的影响 (表5)可以看出,N150 + M处理的产量收益最高为12705元/hm2,比相同氮水平的单施化肥处理 (N150) 显著提高了12.3%。而冬小麦净收益以N225处理最高,N150、N300与N150 + M处理的净收益次之。但由于2016—2017年的天气原因,N225和N300处理的冬小麦在生长后期出现了不同程度的倒伏现象,因此在遇到恶劣天气的年份中很有可能会减产,进而影响其产量收益和净收益。进一步对单施化肥处理和配施有机肥处理的施氮量与冬小麦净收益的回归方程 (单施化肥y = − 0.1037x2 + 44.754x + 2973.1,配施有机肥y = − 0.134x2 + 47.019x + 2458.5) 分析可知,单施化肥和配施有机肥的氮肥用量分别为N 216、175 kg/hm2时,其净收益理论最高值分别为7802、6583 元/hm2,其单施化肥和配施有机肥处理的理论净收益最高值与其相对应的实际最高值的净收益无显著性差异。以往研究也表明[26],配施有机肥后,适量的氮肥施用量不仅能提高土壤肥力、保持最高产量收益,而且净收益也能维持在较高水平,以N150 + M处理最佳。另外,黄土高原易旱区土壤肥力的提高对维持生态系统的可持续发展具有重要意义。因此,N150 + M处理能在保证冬小麦稳产高产的同时,也能使净收益维持在比较稳定的较高水平。

      处理
      Treatment
      支出Cost产量收益
      Yield income
      净收益
      Net income
      肥料Fertilizer其他Other合计Total
      N0100625503556 65823026
      N75130025503850 95505700
      N150159425504144113177173
      N225188825504438125198081
      N300218225504732116876955
      N0 + M280625505356 78242468
      N75 + M310025505650107755125
      N150 + M339425505944127056761
      N225 + M368825506238122506012
      N300 + M398225506532111194587

      表 5  不同施肥处理冬小麦经济收益 (yuan/hm2)

      Table 5.  Economic returns of winter wheat under different fertilizations

    • 氮肥的施用量和有机肥的施用都能在一定程度影响作物的产量。Wang等[27]报道氮肥用量为N 221 kg/hm2壤砂土小麦产量可达到最高,而氮肥用量低于或高于此值小麦产量都会降低。吕凤莲等[28]报道在陕西土有机肥替代75%化肥较单施化肥处理可显著增加小麦、玉米的产量。本试验通过综合比较不同施氮量和不同氮肥用量配施有机肥条件下的小麦产量发现,无论是否配施有机肥,冬小麦产量随着施氮量的增加呈先增加后降低的趋势,其中N150 + M处理效果最佳。说明施用适量的氮肥配施有机肥,对冬小麦产量的提高能达到最佳水平。此外,本试验设置不同氮水平与有机肥配施,通过数学拟合计算出更加合理的氮肥用量,也可看出,有机无机肥配施能在减少化肥用量19.0%的同时保持冬小麦稳产高产,这对实现我国化肥用量零增长目标具有重要意义。本试验研究还表明N150 + M处理在保持冬小麦稳产高产的条件下,净收益也能维持在较高的水平。土壤肥力低是旱地冬小麦产量提高的一个重要限制因素,众多研究表明[4-8]有机无机肥配施可以培肥土壤。通过对土壤养分进行分析发现 (表1),与冬小麦产量变化趋势相似,土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量,在冬小麦同一生育阶段,无论是单施化肥处理还是有机无机肥配施处理均随着施氮量的增加,呈现先增加后减少的趋势,且最高值均出现在N150 + M处理。说明向土壤中施入适量的氮肥有利于调节土壤的C/N比,改善土壤的理化性质,促进作物生长和土壤微生物的活动,进而更好地活化土壤中的养分。另外,在冬小麦整个生育期,有机无机肥配施处理可显著提高土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾和硝态氮含量,与单施化肥处理相比分别增加18.2%、27.4%、149%、31.4%、27.6%。陈磊等[29]在黄土高原旱地的麦区长期定位试验的研究结果也表明,与单施化肥处理相比,有机肥培肥作用显著,可显著提高土壤养分。究其原因,一方面是由于有机肥的施入会向土壤中带入一部分的有效磷、速效钾,同时有机肥中含有易分解的氮和碳,且其矿化损失远远小于无机肥[30];另一方面则是由于有机无机肥配施促进了作物生长,从而使地上部和地下部更多的有机残余物 (根) 进入土壤中[11],从而提高了土壤肥力。

      同时,本试验研究发现,与碳、氮、磷相关的土壤酶活性的变化规律与冬小麦产量变化也是相似的。有关研究表明,土壤酶活性与肥料的种类和用量有关[10]。卫婷等[19]认为有机物料的施用能促进微生物的代谢和繁育,提高了土壤酶活性;郭天财等[31]认为施用适量的氮肥能改善微生物区系,进而提高土壤酶活性。本试验研究结果表明 (表3),在冬小麦的同一生育阶段,配施有机肥处理的酶活性的最大值均高于单施化肥各处理,且有机无机肥配施处理中的蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性,随着施氮量的增加,均呈现先增加后降低的趋势,且酶活性均以N150 + M处理最高,而N225 + M、N300 + M处理的酶活性略有降低。这可能是由于有机肥的C/N一般高于土壤中微生物活动适宜的比例范围[32],补充适宜量的氮肥后,能更好的满足微生物活动所需养分,使更多的酶伴随着旺盛的根系活动和土壤动物、微生物的生命活动而进入土壤,从而提高酶活性[31],但如果肥料用量超过最大临界范围,酶活性将会降低[33]。夏雪等[34]在黄土高原地区的试验研究结果表明,在施N 0、60、120、180 kg/hm2范围内,土蔗糖酶、碱性磷酸酶活性均以60 kg/hm2处理最高。这表明,施用适量氮肥对酶活性的提高比较有利,而氮肥用量较低或者过量施用氮肥并不一定能取得较为理想的激活效果。此外,本试验结果还表明,在冬小麦同一生育时期内,无论是在单施化肥处理还是配施有机肥的处理中,随着施氮量的增加脲酶活性均呈增加的趋势,以N300 + M处理效果最佳,这与马冬云等[35]研究发现,在同生育时期内,脲酶活性随着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损失,这一点有待我们以后进一步的研究。而Dick等[36]在华盛顿的长期定位试验中发现施用氮肥脲酶活性会降低。产生这种差异的原因可能是由于脲酶活性受土壤质地、施肥方式和施肥用量等多方面因素的影响。另外,在冬小麦整个生育期,有机无机肥配施可显著增加蔗糖酶、碱性磷酸酶和脲酶活性,相比单施化肥处理分别增加3.9%、4.6%、1.5%。卫婷等[19]在黄土高原南部旱塬区的试验研究也表明,有机无机肥配施对提高土壤蔗糖酶、碱性磷酸酶和脲酶活性有显著作用。原因可能是有机无机肥配施提高了土壤有机质的含量,一方面,土壤有机质能提供酶合成所需的底物;另一方面,土壤酶也可以和粘粒、有机质形成复合物,增强其稳定性。Liang等[37]在我国河北省粉质土壤的长期定位试验研究结果也表明土壤有机质与土壤酶活性紧密相关。同时,本试验研究结果表明 (表4),蔗糖酶、过氧化氢酶和脲酶活性与土壤有机质和全氮呈显著正相关,也证明了土壤有机质对土壤酶活性的重要性。而在冬小麦整个生育期,有机无机肥配施相比单施化肥处理,过氧化氢酶活性无显著性差异。这个结果与武晓森等[38]认为在盐碱土上长期不同施肥处理对过氧化氢酶活性影响较小相似,但任祖淦等[39]研究认为长期有机无机肥配施可以提高过氧化氢酶活性,这可能与所研究的种植制度和土壤质地不同有关。

      通过进一步的分析土壤养分与酶活性的关系,本试验研究发现土壤中的酶活性与土壤养分存在着密切的联系,这与前人的研究结果[25]相一致。邱莉萍等[40]在黄土高原的试验表明,土壤脲酶和碱性磷酸酶活性与土壤养分之间呈显著或极显著相关。叶家颖等[41]在柿园的研究显示,脲酶、转化酶和蛋白酶与土壤养分之间呈极显著相关。本试验相关分析结果表明 (表4),碱性磷酸酶与全氮,蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶与土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾均呈显著或极显著正相关,说明彼此之间存在相互促进作用,也进而证明了有机肥配施适量的氮肥,能提高土壤酶活性和养分的可利用性,进而更好地促进作物生长。同时作物更好的生长,其根际分泌物能更好地促进微生物的代谢和繁衍,进而提高酶活性。因此合理的施肥能形成土壤、作物和微生物之间关系的良性循环。这对提高和维持黄土高原南部易旱区土壤生态系统的可持续发展具有重要意义。此外,谢泽宇等[42]在黄土高原的长期定位试验研究结果表明,蔗糖酶、过氧化氢酶和脲酶均显著正相关。本试验结果表明,碱性磷酸酶与蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶,脲酶与过氧化氢酶活性之间的相关性也达显著水平,表明这4种酶不仅具有自身的专一性,彼此之间也存在着一些共性,从而促进养分循环过程,此结果为今后的深入研究提供了理论依据。

    • 在黄土高原南部雨养条件下,配施有机肥,能够在减少19.0%的氮肥用量条件下,显著提高0—20 cm土层土壤养分以及蔗糖酶、碱性磷酸酶和脲酶活性,保证冬小麦稳产高产。

      与有机肥配合施用,氮肥用量显著影响着土壤中酶的活性。脲酶活性以N 300 kg/hm2最高,蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性均以N 150 kg/hm2效果最佳。因此,在生态环境脆弱的易旱农作区,在施用有机肥30 t/hm2的基础上配施N 150 kg/hm2,有利于为该地区提供良好的土壤生态环境,保证冬小麦稳产高产。

参考文献 (42)

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