氮磷分施和间作对春小麦花期土壤养分和酶活性的影响

李丹丹，姜彧宸，落彩林，冯 月，王爱萍，董 琦

（山西农业大学农学院/黄土高原特色作物优质高效生产省部共建协同创新中心，山西 太谷 030801）

氮、磷是小麦生长发育过程中必要的营养元素，长期以来农业生产上为追求小麦高产过量施用化肥[1]，然而随着施肥量的增加，氮、磷肥的吸收利用率却降低[2]，致使氮肥利用率为25%[3]左右，磷肥利用率为10%～25%[4]。因此，合理控制化肥用量，提高氮、磷肥的利用率，对小麦生产实现可持续性高产具有重要作用。

间作是我国传统精耕细作农业的重要组成部分[5]，合理间作可以提高肥料利用率[6]、土地利用效率[7]以及增加单位面积粮食产出[8]。豆科和禾本科植物间作不仅能提高禾本科作物对氮、磷的吸收效率[9-10]，还能通过改变植物生理特征和根系分泌物来间接影响土壤酶活性[11]，改善土壤理化性质[12]，有利于农业生产的可持续性发展。

土壤酶活性与土壤有机质含量、土壤微生物数量及土壤养分含量等密切相关，对土壤中有机物质的转化及能量、养分的循坏，作物养分吸收利用效率的提高均有促进作用[12-13]。但长期以来人们对土壤酶活性和土壤养分的研究主要集中在冬小麦[14]上，黄寅玲等[15]、马忠明等[16]研究表明，适宜施肥或间作种植提高了冬小麦根际土壤酶活性和土壤养分含量。但由于我国北方冬季气候寒冷导致冬小麦无法越冬，春小麦被大面积种植，而目前关于不同施肥水平下春小麦间作豌豆对土壤酶活性、土壤养分的研究鲜有报道。

本研究通过大田试验比较不同施肥量、春小麦单作和间作下小麦开花期土壤酶活性和土壤养分的变化，旨在揭示不同施肥水平下春小麦豌豆间作种植对土壤酶活性和土壤养分的影响，旨在为改善土壤环境和制定合理施肥量提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验区位于山西省晋中市太谷区农作站（北纬37°25′19.72″N，东经112°34′34.56″E）。该区属于温带大陆性气候，历年平均降水量397.1 mm，年平均气温10.4℃，无霜期179 d，日照时数2 527.5 h。供试土壤类型为壤土，基本理化性状为土壤有机质含量21.96 g/kg，全氮含量0.945 g/kg，碱解氮含量33.88 mg/kg，有效磷含量8.99 mg/kg，速效钾含量157.6 mg/kg，pH值8.19。

1.2 试验材料

供试春小麦品种为宁春5号，供试豌豆品种为中豌8号。

1.3 试验设计

试验处理设施肥水平和种植方式2个因素，其中，施肥水平设4个氮肥处理：0（N0）、90（N1）、180（N2）、270（N3）kg/hm2，3个 磷 肥 处 理：0（P0）、45（P1）、90（P2）kg/hm2，施肥量以纯氮和纯磷计算，均作为基肥在播前一次性施入；种植方式设春小麦单作（DC）、春小麦和豌豆间作（JC）。每个小区面积4.8 m×5.2 m，3次重复，共42个小区。春小麦和豌豆均于2020年3月1日播种，20 cm等行距条播种植，每小区共24行。春小麦间作豌豆为2行小麦间作2行豌豆。春小麦和豌豆的播量均为225 kg/hm2。全生育期无追肥，无灌水，其余措施同当地管理。

1.4 样品采集与测定

于春小麦开花期，采用五点取样法，采集0～20 cm土壤样品，混合后装袋带回实验室，自然风干后过筛，用于土壤酶活性和土壤养分含量的测定。

土壤脲酶活性采用苯酚钠比色法测定，土壤碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，土壤蛋白酶活性采用加勒斯江法测定，土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定[17]。

土壤养分含量的测定主要参照鲍士旦[18]、鲁如坤[19]的方法进行。土壤中全氮含量采用凯氏蒸馏法测定，全磷含量采用硫酸—高氯酸消煮法测定，碱解氮含量采用碱解扩散法测定，速效磷含量采用碳酸氢钠提取—钼锑抗比色法测定。

1.5 数据分析

试验采用Excel 2003进行数据整理，采用SPSS 22.0统计分析软件进行各处理间的方差分析及多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量和间作对土壤酶活性的影响

从表1可以看出，不同施氮水平下，单作和间作种植土壤脲酶、碱性磷酸酶、蛋白酶、过氧化氢酶活性均随着施氮量的增加呈现先升高后降低的趋势，且土壤脲酶、碱性磷酸酶、蛋白酶活性均在N2水平下达到最大值，过氧化氢酶活性在N1水平下达到最大值。土壤脲酶活性在单作和间作条件下，N1、N2、N3处 理 较N0处 理 分 别 显 著 提 高 了10.00%、17.33%、7.11%（P＜0.05）和6.67%、18.22%、13.56%（P＜0.05）；土壤碱性磷酸酶活性在单作和间作条件下，N2、N3处理较N0处理分别显著提高了13.00%、9.98%（P＜0.05）和14.10%、13.39%（P＜0.05）；单作条件下土壤蛋白酶活性N2处理较N0处理显著提高了44.44%（P＜0.05），间作条件下N3处理较N0处理显著降低了41.73%（P＜0.05）；单作条件下土壤过氧化氢酶活性N1处理较N0处理显著提高了10.85%（P＜0.05），N3处理较N0处理显著降低了6.61%（P＜0.05），间作条件下N1处理较N0处理显著提高了13.09%（P＜0.05），N3处理较N0处理显著降低了7.85%（P＜0.05）。表明适宜的施氮量能够促进土壤酶活性的提高，但过量施肥反而抑制了土壤酶活性的提高。

相同施肥水平下间作土壤酶活性与单作相比，间作种植在一定程度上促进了土壤酶活性的提高，除间作N3处理下蛋白酶、过氧化氢酶活性低于单作。N3处理间作模式的脲酶活性较单作显著提高了6.02%（P＜0.05），N1处理间作脲酶活性较单作显著降低了3.03%（P＜0.05）；N0、N2、N3处理的间作碱性磷酸酶活性均显著高于单作（P＜0.05），较单作分别提高了7.79%、8.83%、11.13%；N3处理的间作蛋白酶活性较单作显著降低了40.00%（P＜0.05）。

此外，从表1可以看出，种植模式×氮水平对土壤脲酶、蛋白酶活性具有明显的交互作用，而对碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性则没有明显的交互作用，表明施氮与间作种植能够促进土壤脲酶、蛋白酶活性的提高。

表1 不同施氮量和种植模式对土壤酶活性的影响Tab.1 Effects of different nitrogen application amounts and planting modes on soil enzyme activity

2.2 不同施氮量和间作对土壤养分含量的影响

由表2可知，不同施氮水平下，单作和间作种植土壤碱解氮含量均随着施氮量的增加而增加，且均在N3水平下达到最大值；单作下土壤有效磷含量随着施氮量的增加而增加，在N3水平下达到最大值，间作下有效磷含量则随着施氮量的增加呈现先升高后降低的趋势，在N2水平下达到最大值。单作下土壤碱解氮含量N2、N3处理较N0处理分别显著提高了19.47%、34.89%（P＜0.05），间作下N1、N2、N3处 理 较N0处 理 分 别 显 著 提 高 了11.17%、14.53%、28.01%（P＜0.05）；单作下土壤有效磷含量N2、N3处理较N0处理分别显著提高了9.95%、10.99%（P＜0.05），间作下N1、N2、N3处理较N0处理分别显著提高了9.92%、18.11%、17.64%（P＜0.05）；单作和间作种植土壤全氮、全磷含量在N1、N2、N3处理下与N0处理相比均差异不显著。

在N0、N1、N2、N3处理下间作种植土壤碱解氮含量均显著高于单作（P＜0.05），且较单作分别提高了14.40%、26.93%、9.67%、8.56%；在N2、N3处理下间作种植土壤有效磷含量均显著高于单作（P＜0.05），且较单作分别提高了9.31%、7.85%；各处理下间作种植土壤全氮、全磷含量与单作相比均差异不显著。说明间作种植能够促进土壤碱解氮、有效磷含量的提高，促进作物对氮、磷的利用。

此外，从表2可以看出，种植模式×氮水平对土壤碱解氮含量的增加具有明显的交互作用，而对土壤全氮、全磷、有效磷含量的增加没有明显的交互作用。表明春小麦和豌豆间作种植下施氮能够促进土壤碱解氮含量的提高。

表2 不同施氮量和种植模式对土壤养分含量的影响Tab.2 Effects of different nitrogen application amounts and planting modes on soil nutrient contents

2.3 不同施磷量和间作对土壤酶活性的影响

由表3可知，单作下土壤脲酶、碱性磷酸酶、蛋白酶、过氧化氢酶活性随着施磷量的增加呈现上升趋势，间作下土壤脲酶、蛋白酶活性变化趋势与单作模式一致，且均在P2水平下达到最大值，但间作下土壤碱性磷酸酶活性在P1、P2水平下相等，土壤过氧化氢酶活性呈现先升高后降低的趋势，在P1水平下达到最大值。单作下土壤脲酶活性P2处理较P0处理显著增加了12.28%（P＜0.05），间作下P1、P2处理较P0处理分别显著增加了13.75%、14.63%（P＜0.05）；单作下土壤碱性磷酸酶活性P1、P2处理较P0处理分别显著增加了10.39%、13.25%（P＜0.05），间作下P1、P2处理较P0处理分别显著增加了21.93%、21.93%（P＜0.05）；单作下过氧化氢酶活性P2处理较P0处理显著增加了8.75%（P＜0.05），间作下P1处理较P0处理显著增加了8.62%（P＜0.05）。

表3 不同施磷量和种植模式对土壤酶活性的影响Tab.3 Effects of different phosphorus application amounts and planting modes on soil enzyme activities

相同施磷水平下，P1处理的间作脲酶活性显著高于单作（P＜0.05），较单作提高了10.56%；P1、P2处理的间作碱性磷酸酶活性均显著高于单作（P＜0.05），较单作分别提高了18.69%、15.69%；P1处理的间作过氧化氢酶活性显著高于单作（P＜0.05），较单作提高了9.19%；P2处理的间作过氧化氢酶活性显著低于单作（P＜0.05），较单作降低了6.59%。

此外，从表3可以看出，种植模式×磷水平对土壤脲酶、过氧化氢酶的活性具有明显的交互作用，而对碱性磷酸酶、蛋白酶活性则没有明显的交互作用，表明春小麦和豌豆间作种植下施磷能够促进土壤脲酶、过氧化氢酶活性提高。

2.4 不同施磷量和间作对土壤养分含量的影响

由表4可知，单作下随着施磷量的增加，土壤碱解氮含量呈现先升高后降低的趋势，在P1水平达到最大值，间作下随着施磷量的增加，土壤碱解氮含量呈现上升趋势，在P2水平下达到最大值；单作和间作下随着施磷量的增加，土壤有效磷含量均呈现上升趋势，且均在P2水平达到最大。单作下土壤碱解氮含量在P1、P2处理较P0处理分别显著增加了19.94%、16.06%（P＜0.05），间作下较P0处理分别显著增加了8.26%、31.96%（P＜0.05）；单作下土壤有效磷含量P2处理较P0处理显著增加了18.20%（P＜0.05），间 作 下 较P0处 理 显 著 增 加23.75%（P＜0.05）；单作和间作种植土壤全氮、全磷含量在P1、P2处理下与P0相比均差异不显著。

在P0、P1、P2处理下间作种植土壤碱解氮含量均显著高于单作（P＜0.05），且较单作分别提高了14.35%、3.22%、30.01%；其余各处理下间作种植土壤全氮、全磷、有效磷含量与单作相比均差异不显著。

此外，从表4可以看出，种植模式×磷水平对土壤碱解氮含量具有明显的交互作用，而对全氮、全磷、有效磷含量没有明显的交互作用，表明春小麦和豌豆间作种植下施磷能够促进土壤碱解氮含量提高。

表4 不同施磷量和种植模式对土壤养分含量的影响Tab.4 Effects of different phosphorus application amounts and planting modes on soil nutrients

3 结论与讨论

土壤酶活性反映了土壤养分转化和运转能力的强弱，同时也反映了土壤生化反应的强度，是评价土壤肥力、质量及健康状况的重要指标之一[20]。本研究结果表明，不同种植模式下随着施氮量的增加，土壤脲酶、碱性磷酸酶、蛋白酶、过氧化氢酶活性呈现先升高后降低的趋势，除土壤过氧化氢酶活性在N1处理下最高外，其余土壤酶活性均在N2处理下最高，过量施氮土壤酶活性反而降低。适量的施入氮肥能改善土壤养分状况，作物根系会分泌出更多相关的酶来吸收氮素，保证作物的生长，且能促进土壤微生物的繁殖，最终提高了土壤酶活性[21]，这与孙建平等[22]、安婷婷等[23]的研究结果一致。这表明适宜施氮能够促进土壤酶活性的提高，但如果肥料用量超过最大临界范围，酶活性将会降低[17]。

土壤养分是土壤中含有植物生长代谢所需要的营养物质，是反映土壤肥力的基础指标[24]。本研究表明，与单作相比，小麦豌豆间作种植促进了土壤养分含量的提高，不同施氮量下间作种植土壤碱解氮含量均显著高于单作（P＜0.05），其原因可能包括2个方面：（1）豆科作物具有结瘤固氮能力，与禾本科作物间作时，豆科作物对土壤有效氮的吸收量减少，将有效氮养分节约供给与之共同生长的间作作物[25]；（2）施肥能促进间作体系下作物根系的生长，使豆科根系分泌物增多[26]，提高了土壤酶活性，增加了土壤微生物数量[27]，从而促进了土壤中氮养分形态的转变。说明间作种植能够降低作物的种间竞争力，因此，在农业生产中要充分利用间作种植的互利作用。此外，同一施氮水平下，土壤碱性磷酸酶活性、有效磷含量在间作下均高于单作，且在N2、N3下达到显著水平（P＜0.05）。磷在豆科作物的结瘤与固氮过程中发挥着十分重要的作用，而土壤中磷素低有效性已成为限制豆科作物根瘤生长发育的一个重要环境因素[28-30]。BETENCOURT等[31]、MEI等[32]研究表明，与单作相比间作有利于提高缺磷土壤中作物根区有效磷含量。本试验单施氮肥下土壤中磷素供应不足，为了维持自身生长，间作种植通过提高土壤碱性磷酸酶的活性，促进土壤中有效磷的活化，从而提高了土壤中有效磷的含量。说明土壤酶活性与间作种植模式作物的生长发育有良好的协调关系，对作物生长起着积极作用[22，33]。

大量研究表明，施肥和间作种植均会引起田间土壤环境的改变，从而导致土壤酶活性、土壤养分含量发生变化。陈虹等[34]研究表明，适宜施肥较不施肥显著提高了土壤脲酶、碱性磷酸酶活性和土壤碱解氮含量。王庆宇等[35]研究表明，燕麦和豆科间作条件下土壤脲酶、过氧化氢酶活性显著高于单作种植。范祎玮等[36]研究发现，玉米和苜蓿间作提高了土壤脲酶、碱性磷酸酶、蛋白酶活性和土壤有效磷含量。本研究结果表明，施磷和间作种植均提高了土壤脲酶、碱性磷酸酶、蛋白酶活性，同时也提高了土壤碱解氮、有效磷含量，且均在间作P2下达到最大值。单施磷肥土壤中氮素供应不足，间作下豌豆根系分泌物的增加，改变了土壤微生物环境，提高了土壤酶活性，而土壤蛋白酶能把有机氮转化为无机氮，再在脲酶作用下进行氨化作用，从而提高了土壤中碱解氮的含量[17]。说明施肥对土壤酶活性具有激活作用，且间作种植能够促进土壤酶活性的提高，促进土壤养分的转变。

本试验研究发现，种植模式×氮水平的交互作用对土壤过氧化氢酶活性没有显著影响，而种植模式×磷水平的交互作用对过氧化氢酶活性有极显著影响。有研究表明，磷肥对过氧化氢酶活性具有增强作用，而氮肥对过氧化氢酶活性具有抑制作用[37]，可能是由于施用不同的肥料，改变了土壤微环境[38]，进而对土壤酶活性造成了不同的影响。单施氮、磷肥下随着施肥量的增加，土壤全氮、全磷含量均没有显著的变化，可能因为土壤中营养元素本身供应不足，且不同施肥量下作物对氮磷吸收利用率不同，土壤中速效养分的残留量也不同[26,34]，进而降低了施肥对土壤全氮、全磷含量的影响。此外，DCN0和DCP0处 理、JCN0和JCP0处 理 的 各 个 指标数据有所不同，可能因为前一年土壤中氮素、磷素残留量不同，进而影响了本试验的结果，但均没有显著性差异，对本试验结果影响不大。

本研究结果表明，施肥和间作种植均能够促进土壤酶活性和土壤养分含量的提高。随着施氮量的增加，土壤脲酶、碱性磷酸酶、蛋白酶活性和土壤有效磷含量均在间作N2下达到最大值，种植模式×氮水平交互作用提高了土壤脲酶、蛋白酶活性和土壤碱解氮含量；随着施磷量的增加，土壤脲酶、蛋白酶活性和土壤碱解氮、有效磷含量均在P2下达到最大值，种植模式×磷水平交互作用提高了土壤脲酶、过氧化氢酶活性和土壤碱解氮含量；春小麦可采用间作豌豆的方式种植。基于本试验研究范围下，春小麦和豌豆间作系统中氮肥用量为180 kg/hm2、磷肥用量为90 kg/hm2时，效果最好。