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(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中必要的營(yíng)養(yǎng)元素，長(zhǎng)期以來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上為追求小麥高產(chǎn)過(guò)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(duì)小麥生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性高產(chǎn)具有重要作用。

間作是我國(guó)傳統(tǒng)精耕細(xì)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(duì)氮、磷的吸收效率[9-10]，還能通過(guò)改變植物生理特征和根系分泌物來(lái)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(jī)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(duì)土壤中有機(jī)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(jìn)作用[12-13]。但長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)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(guó)北方冬季氣候寒冷導(dǎo)致冬小麥無(wú)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(duì)土壤酶活性、土壤養(yǎng)分的研究鮮有報(bào)道。

本研究通過(guò)大田試驗(yàn)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(duì)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(yàn)地概況

試驗(yàn)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(wú)霜期179 d，日照時(shí)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(jī)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(yàn)材料

供試春小麥品種為寧春5號(hào)，供試豌豆品種為中豌8號(hào)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)處理設(shè)施肥水平和種植方式2個(gè)因素，其中，施肥水平設(shè)4個(gè)氮肥處理：0（N0）、90（N1）、180（N2）、270（N3）kg/hm2，3個(gè) 磷 肥 處 理：0（P0）、45（P1）、90（P2）kg/hm2，施肥量以純氮和純磷計(jì)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(gè)小區(qū)面積4.8 m×5.2 m，3次重復(fù)，共42個(gè)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(wú)追肥，無(wú)灌水，其余措施同當(dāng)?shù)毓芾怼?/p>

1.4 樣品采集與測(cè)定

于春小麥開花期，采用五點(diǎn)取樣法，采集0～20 cm土壤樣品，混合后裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干后過(guò)篩，用于土壤酶活性和土壤養(yǎng)分含量的測(cè)定。

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

土壤養(yǎng)分含量的測(cè)定主要參照鮑士旦[18]、魯如坤[19]的方法進(jìn)行。土壤中全氮含量采用凱氏蒸餾法測(cè)定，全磷含量采用硫酸—高氯酸消煮法測(cè)定，堿解氮含量采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定，速效磷含量采用碳酸氫鈉提取—鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)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(duì)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(guò)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(shì)，且土壤脲酶、堿性磷酸酶、蛋白酶活性均在N2水平下達(dá)到最大值，過(guò)氧化氫酶活性在N1水平下達(dá)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(guò)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(jìn)土壤酶活性的提高，但過(guò)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(jìn)了土壤酶活性的提高，除間作N3處理下蛋白酶、過(guò)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(duì)土壤脲酶、蛋白酶活性具有明顯的交互作用，而對(duì)堿性磷酸酶、過(guò)氧化氫酶活性則沒(méi)有明顯的交互作用，表明施氮與間作種植能夠促進(jìn)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(duì)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(duì)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(dá)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(dá)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(shì)，在N2水平下達(dá)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(shuō)明間作種植能夠促進(jìn)土壤堿解氮、有效磷含量的提高，促進(jìn)作物對(duì)氮、磷的利用。

此外，從表2可以看出，種植模式×氮水平對(duì)土壤堿解氮含量的增加具有明顯的交互作用，而對(duì)土壤全氮、全磷、有效磷含量的增加沒(méi)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(jìn)土壤堿解氮含量的提高。

表2 不同施氮量和種植模式對(duì)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(duì)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(guò)氧化氫酶活性隨著施磷量的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，間作下土壤脲酶、蛋白酶活性變化趨勢(shì)與單作模式一致，且均在P2水平下達(dá)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(guò)氧化氫酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在P1水平下達(dá)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(guò)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(duì)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(guò)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(guò)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(duì)土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶的活性具有明顯的交互作用，而對(duì)堿性磷酸酶、蛋白酶活性則沒(méi)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(jìn)土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶活性提高。

2.4 不同施磷量和間作對(duì)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(shì)，在P1水平達(dá)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(shì)，在P2水平下達(dá)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(shì)，且均在P2水平達(dá)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(duì)土壤堿解氮含量具有明顯的交互作用，而對(duì)全氮、全磷、有效磷含量沒(méi)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(jìn)土壤堿解氮含量提高。

表4 不同施磷量和種植模式對(duì)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(yùn)轉(zhuǎn)能力的強(qiáng)弱，同時(shí)也反映了土壤生化反應(yīng)的強(qiáng)度，是評(píng)價(jià)土壤肥力、質(zhì)量及健康狀況的重要指標(biāo)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(guò)氧化氫酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，除土壤過(guò)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(guò)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(huì)分泌出更多相關(guān)的酶來(lái)吸收氮素，保證作物的生長(zhǎng)，且能促進(jìn)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(jìn)土壤酶活性的提高，但如果肥料用量超過(guò)最大臨界范圍，酶活性將會(huì)降低[17]。

土壤養(yǎng)分是土壤中含有植物生長(zhǎng)代謝所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是反映土壤肥力的基礎(chǔ)指標(biāo)[24]。本研究表明，與單作相比，小麥豌豆間作種植促進(jìn)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(gè)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(shí)，豆科作物對(duì)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(zhǎng)的間作作物[25]；（2）施肥能促進(jìn)間作體系下作物根系的生長(zhǎng)，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(jìn)了土壤中氮養(yǎng)分形態(tài)的轉(zhuǎn)變。說(shuō)明間作種植能夠降低作物的種間競(jìng)爭(zhēng)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(dá)到顯著水平（P＜0.05）。磷在豆科作物的結(jié)瘤與固氮過(guò)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(zhǎng)發(fā)育的一個(gè)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(yàn)單施氮肥下土壤中磷素供應(yīng)不足，為了維持自身生長(zhǎng)，間作種植通過(guò)提高土壤堿性磷酸酶的活性，促進(jìn)土壤中有效磷的活化，從而提高了土壤中有效磷的含量。說(shuō)明土壤酶活性與間作種植模式作物的生長(zhǎng)發(fā)育有良好的協(xié)調(diào)關(guān)系，對(duì)作物生長(zhǎng)起著積極作用[22，33]。

大量研究表明，施肥和間作種植均會(huì)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(guò)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(shí)也提高了土壤堿解氮、有效磷含量，且均在間作P2下達(dá)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(jī)氮轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)氮，再在脲酶作用下進(jìn)行氨化作用，從而提高了土壤中堿解氮的含量[17]。說(shuō)明施肥對(duì)土壤酶活性具有激活作用，且間作種植能夠促進(jìn)土壤酶活性的提高，促進(jìn)土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)變。

本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，種植模式×氮水平的交互作用對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性沒(méi)有顯著影響，而種植模式×磷水平的交互作用對(duì)過(guò)氧化氫酶活性有極顯著影響。有研究表明，磷肥對(duì)過(guò)氧化氫酶活性具有增強(qiáng)作用，而氮肥對(duì)過(guò)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(jìn)而對(duì)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(méi)有顯著的變化，可能因?yàn)橥寥乐袪I(yíng)養(yǎng)元素本身供應(yīng)不足，且不同施肥量下作物對(duì)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(jìn)而降低了施肥對(duì)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(gè) 指標(biāo)數(shù)據(jù)有所不同，可能因?yàn)榍耙荒晖寥乐械?、磷素殘留量不同，進(jìn)而影響了本試驗(yàn)的結(jié)果，但均沒(méi)有顯著性差異，對(duì)本試驗(yàn)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(jìn)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(dá)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(dá)到最大值，種植模式×磷水平交互作用提高了土壤脲酶、過(guò)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(yàn)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(shí)，效果最好。