青海东部地区地膜覆盖对玉米地土壤无机氮含量和酶活性的影响

杨 凯，刘颖川，张发莲，才 才，李宗仁，王金贵,2*

(1.青海大学农牧学院，青海 西宁 810016；2.省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，青海大学，青海 西宁 810016)

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于青海省海东市民和县(102°26′～103°04′E，35°45′～36°26′N)，属高原大陆性干旱气候，年均温度9 ℃，年均降水量360 mm左右，无霜期198 d。海拔最高4 220 m，最低1 650 m，平均海拔2 200 m。2020年全县农作物播种面积4.45万hm2，其中覆膜玉米种植面积超过2.67万 hm2，为青海省最大覆膜玉米种植区。试验地位于民和县川口镇东垣村( 102°50′E，36°19′N)，海拔1 824 m，土壤类型为灰钙土。试验地0～20 cm土层土壤pH 8.07，有机质18.91 g/kg，碱解氮101.90 mg/kg，速效磷24.57 mg/kg，速效钾151.71 mg/kg。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计 供试玉米品种为金凯3号(玉米杂交种)，于2019年4月12日进行全膜覆盖并点播种植，行距为55 cm，株距为35 cm，于10月5日收获。白色地膜厚度为0.01 mm，前茬作物为玉米。试验设置覆膜和无膜两个处理，小区面积为4 m×5 m，每个处理设置3个小区。各小区均不施基肥，只在播种时使用一次玉米配方肥，肥料分析式18-12-15(N-P2O5-K2O)，总养分≥45%，用量为300 kg/hm2，其他田间管理均和大田一致。

1.2.2 土壤样品采集 播种后于出苗期(5月12日)、拔节期(6月20日)、抽雄期(7月22日)、孕穗期(8月23日)和成熟期(9月25日)采集土壤样品，每个小区按照“S”型5点采样法进行采样，每10 cm取1个样，共采集了0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm土层土壤样品。将各层土壤混合均匀，然后除去根系、残膜和石子等杂物后留1 kg左右装自封袋带回实验室，将新鲜土样过2 mm筛后保存于4 ℃的冰箱中备用。

1.2.4 数据处理 采用SPSS 16.0软件进行统计方差分析、Duncan法进行多重比较、Excel 2013进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 土壤酶活性随生育时期和土层深度变化特征

两个处理条件下生育时期均显著影响土壤脲酶和土壤蔗糖酶活性(图1)。覆膜处理0～50 cm土层的平均土壤脲酶活性在5个生育期呈拔节期>抽雄期>孕穗期>出苗期>成熟期的变化规律，其活性值分别为1.02、0.93、0.86、0.73和0.58 mg /(g·d)(图1a)，无膜处理土壤脲酶活性呈拔节期>抽雄期>孕穗期>出苗期>成熟期的变化规律，其活性值分别为0.82、0.70、0.66、0.66和0.49 mg /(g·d)(图1b)，两个处理土壤脲酶活性具有相似的变化规律。但也可以明显看出，覆膜处理各生育期平均土壤脲酶活性均高于无膜处理各生育期平均土壤脲酶活性，其差值分别为0.20、0.23、0.20、0.07和0.09 mg/(g·d)，其中出苗期和拔节期在无膜和覆膜处理下的差异显著(P<0.05)，其余3个生育期的差异不显著(P>0.05)。两个处理0～50 cm土层的平均土壤蔗糖酶活性在5个生育期呈相同的变化规律，即抽雄期>拔节期>孕穗期>出苗期>成熟期，覆膜处理其活性值分别为13.48、12.57、10.97、10.08和6.78 mg /(g·d)(图1c)，无膜处理其活性值分别为11.11、10.95、8.81、8.65和5.39 mg /(g·d)(图1d)，两个处理土壤脲酶活性均在抽雄期达到最高。各生育时期平均土壤蔗糖酶活性和土壤脲酶活性一样均为覆膜处理大于无膜处理，其差值分别为2.36、1.61、2.16、1.43、1.38 mg /(g·d)，其中抽雄期和成熟期在无膜和覆膜处理条件下的差异显著(P<0.05)，其余3个生育时期的差异不显著(P>0.05)。

图1 土壤脲酶和蔗糖酶活性随生育时期和土层深度变化特征Fig.1 Variation characteristics of soil urease and invertase activity with growth period and soil depth

各生育时期土壤脲酶和土壤蔗糖酶活性随着土层深度的增加均呈显著降低的趋势(P<0.05)(图1)。覆膜处理中，相对0～20 cm土层，20～50 cm土层土壤尿酶活性在出苗期、拔节期、抽雄期、孕穗期和成熟期的降幅分别为78.9%、67.9%、78.6%、79.1%和82.7%(图1a)，而土壤蔗糖酶活性的降幅分别为91.50%、73.17%、59.25%、76.98%和81.05%(图1c)。无膜处理中，相对0～20 cm土层，20～50 cm土层土壤尿酶活性在出苗期、拔节期、抽雄期、孕穗期和成熟期的降幅分别为84.8%、73.3%、76.3%、73.0%和87.0%(图1b)，而土壤蔗糖酶活性的降幅分别为93.9%、78.5%、78.4%、90.3%和86.8%(图1d)。由此可见，土壤脲酶和土壤蔗糖酶主要分布在耕层土壤中(0～20 cm)。

2.2 土壤无机氮随生育期和土层深度变化特征

图2 土壤和含量随生育时期和土层深度变化特征Fig.2 Variation characteristics of the contents of and NH4 +- N with growth period and soil depth

2.3 土壤养分含量与土壤酶活性的相关性分析

土壤酶作为土壤的重要组成部分，参与土壤各种生化反应，常被用作预测土壤肥力的指标[15]。由表2可知，两个处理条件下土壤速效磷含量与土壤脲酶活性呈极显著正相关(P<0.01)，与土壤蔗糖酶活性呈显著正相关关系(P<0.05)；除此之外，土壤有机质、碱解氮和速效钾含量均与土壤脲酶和土壤蔗糖酶活性呈极显著正相关(P<0.01)。由此可知，土壤脲酶和土壤蔗糖酶活性与土壤养分含量之间呈显著或极显著正相关关系，则土壤脲酶和土壤蔗糖酶活性在一定程度上也可以用来表征土壤肥力水平的高低。

表1土壤养分含量与土壤酶活性的关系Tab.1 Correlation of the contents between soil nutrient and enzymatic activities

3 讨论与结论

(1)从生育期来看，土壤脲酶活性在拔节期达到峰值，而土壤蔗糖酶活性则在抽雄期达到峰值，共同点是两种酶活性均在成熟期为最低，而且覆膜处理土壤脲酶和土壤蔗糖酶活性均高于无膜处理。其原因可能是因为生育前期，刚施肥的土壤中底物相对充足，使酶与底物接触面积增大[16]，再者生育前期遮阴效果不明显，土壤温度高，增强了土壤微生物的活动，从而促进了土壤酶活性的提高；生育后期，由于作物生长继续吸收土壤中的氮素，使底物浓度减小，同时也会导致作物与土壤微生物形成氮素竞争关系[17]，另外，生长后期遮阴效果明显，土壤温度相对较低，故在以上综合因素的作用下土壤酶活性逐渐减小，该结果与白雪等[18]的研究结果相似。从土层深度来看，土壤脲酶和土壤蔗糖酶表现为0～20 cm处的活性均显著高于20～50 cm(P<0.05)，具有明显的表聚性。其原因：①表层土壤结构疏松，土壤通气性良好，且直接与空气接触；②表层土壤受太阳辐射的直接影响，温度较高；③表层土壤具有较高的有机质含量，土壤生物活动活跃，其分泌的催化剂酶类较多；④表层土壤由于受施肥的影响，其底物较充足，很多专性水解酶活性远大于底层土壤[18]。