小麥播量與減氮對潮土微生物量碳氮及土壤酶活性的影響

石柯，董士剛，申鳳敏，龍潛，姜桂英，劉芳，劉世亮

小麥播量與減氮對潮土微生物量碳氮及土壤酶活性的影響

石柯，董士剛，申鳳敏，龍潛，姜桂英，劉芳，劉世亮

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450002）

【】以我國黃淮平原糧食主產(chǎn)區(qū)潮土為研究對象，通過探討小麥-玉米輪作體系下，不同小麥播量與減量氮肥下，土壤微生物量碳、氮和酶活性的差異和變化，以了解小麥播量和氮肥對土壤微生物量的影響?！尽吭囼炘O(shè)4個處理，分別為：（1）常規(guī)播量+常規(guī)施氮肥（CK）；（2）增播30%+常規(guī)施氮（T1）；（3）增播30%+減氮20%（T2）；（4）常規(guī)播量+減氮20%（T3）。2016—2018年3季作物收獲后，采取不同土層土壤，測定有機碳（SOC）、全氮（TN）、微生物量碳氮（SMBC、SMBN）及其相關(guān)酶活性。【】總體上，3季中各處理土壤微生物量碳氮、有機碳、全氮以及3種酶活性均隨土壤深度增加而下降。常規(guī)施肥處理（CK和T1）的SMBC的含量在2017年的小麥和玉米季0—20 cm土層以及2018年小麥季則0—30 cm基本表現(xiàn)為顯著高于減氮處理（T2和T3），其中T1處理最高為170.89 mg×kg-1。SMBN與SMBC表現(xiàn)出類似的趨勢，在3季中均以常規(guī)施肥處理顯著高于減氮處理，其中CK處理的SMBN在3季中0—30 cm土層均表現(xiàn)較高，最高為57.24 mg×kg-1。各處理SOC含量的差異在前兩季主要集中在0—20 cm土層，而第3季則集中在10—30 cm土層；其中2017年玉米季0—20 cm土層減氮處理的SOC含量顯著高于常規(guī)施肥處理，以T3處理SOC含量最高，為12.85 g×kg-1。2017年小麥季各處理TN含量在0—30 cm土層基本差異不顯著；而在2017年玉米季和2018年小麥季的0—20 cm土層均以CK處理TN含量顯著高于其他處理，最高為1.57 g×kg-1。各處理土壤碳氮比（C/N）在2017年小麥季沒有明顯規(guī)律，而在2017年玉米季和2018年小麥季的0—20 cm土層基本表現(xiàn)為減氮處理的C/N顯著高于常規(guī)施肥處理。各處理的微生物熵（Cmic/Corg）、微生物量氮/全氮（Nmic/Ntotal）分別在0.5%—2.5%、2%—6%之間，微生物量碳氮比（Cmic/Nmic）在5﹕1以下。各處理Cmic/Corg除2017年小麥季10—20 cm土層，其他作物季節(jié)和土層均表現(xiàn)為常規(guī)施肥處理顯著高于減氮處理。各處理Nmic/Ntotal與Cmic/Corg類似，除2017年玉米季的10—20 cm和2018年小麥季處理間Nmic/Ntotal基本差異不顯著，其他季節(jié)和土層則表現(xiàn)為常規(guī)施肥處理顯著高于減氮處理。2017年T1處理的Cmic/Nmic在0—20 cm土層均顯著高于其他處理；而在后兩季的0—10 cm處理間Cmic/Nmic均差異不顯著。土壤脲酶活性在2018年小麥季顯示增播處理顯著高于常播處理。各處理蔗糖酶活性在玉米季明顯高于小麥季，其中在2017年玉米季10—30 cm土層的減氮處理高于常規(guī)施肥處理。減氮處理的土壤中性磷酸酶活性在2017年小麥季0—30 cm土層均顯著高于常規(guī)施肥處理。減氮處理2018年小麥季產(chǎn)量顯著高于常規(guī)施肥處理，同時提高了地上部氮素積累量，最高達到了322.30 kg×hm-2?！尽吭邳S淮平原小麥-玉米輪作區(qū)，在供試條件下，減氮處理降低了土壤微生物量和全氮含量，但提高了土壤酶活性和地上部氮素積累量，能增加或維持小麥產(chǎn)量，其中小麥常規(guī)播量下減氮20%處理綜合效果較好。

小麥；播種量；減氮；微生物量；土壤酶；黃淮平原

0 引言

【研究意義】小麥是世界上最重要的糧食作物之一，其產(chǎn)量水平直接影響著全球糧食安全。合理的種植密度、合理施肥都是確保高產(chǎn)高效的重要栽培措施，同時也是減少資源浪費，降低環(huán)境面源污染的必要措施[1]。種植密度的改變可有效改善作物對肥料資源的利用狀況，是作物增產(chǎn)重要途徑之一[2]。同時，種植密度也直接影響土壤有機碳投入[3]，以及氮素轉(zhuǎn)化和吸收[4-5]。長期過量施用化肥（特別是氮肥），在保障糧食生產(chǎn)的同時也造成了環(huán)境污染和資源浪費，因此，減肥（特別是氮肥）增效已經(jīng)成為當今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要任務(wù)。種植密度和氮肥的合理運籌則是一項有效的栽培措施。種植密度和氮肥施用的改變勢必會直接影響土壤碳、氮投入，進而影響土壤中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化。而土壤微生物是土壤能量和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的重要驅(qū)動力[6]。微生物分泌的酶類作為土壤酶的重要組成，是土壤中一切生化反應(yīng)的“催化劑”，提高酶活性可以顯著增加土壤有效養(yǎng)分含量，有利于土壤培肥增產(chǎn)[7]。研究小麥種植密度和氮肥不同運籌組合下土壤微生物及其相關(guān)酶活性變化特征可以進一步豐富減氮增效機理，為篩選適宜的種、肥組合提供依據(jù)?！厩叭搜芯窟M展】適宜的栽培密度和施氮量能較好地發(fā)揮群體優(yōu)勢，有利于協(xié)調(diào)個體與群體之間的矛盾，從而提高作物產(chǎn)量。增密既可有效彌補減氮所造成的減產(chǎn)風險，又可顯著降低氮素損失，增加土壤殘留氮，增強土壤氮素供應(yīng)能力[8]。有研究表明，適量施氮量（135 kg×hm-2），可使土壤微生物量碳氮均達到最大值，過量施氮（＞135 kg×hm-2）則會使土壤微生物量碳氮有所降低[9]。肖小平等[10]研究發(fā)現(xiàn)，減氮增密（基肥減施總氮量的20%，增密27.3%）處理下0—10 cm、10—20 cm土層的土壤全氮含量與常規(guī)施氮常規(guī)播量無顯著差異。侯賢清等[11]研究發(fā)現(xiàn)施氮量在300、450 kg×hm-2時，玉米成熟期土壤有機碳、全氮含量最高，施氮量在300 kg×hm-2微生物量碳、土壤酶活性最高，施氮量在450 kg×hm-2微生物量氮最高。而LI等[12]發(fā)現(xiàn)土壤微生物量氮隨秸稈添加量增加，而不受氮素添加影響。ZANG等[13]認為氮肥施用，特別是根際氮肥有效性減少了土壤微生物量，造成根際負激發(fā)效應(yīng)，促進了根際碳累積。LI等[14]研究發(fā)現(xiàn)氮素有效性直接決定了土壤碳及其激發(fā)效應(yīng)和土壤微生物量大小，且不同生態(tài)類型反應(yīng)不同。趙俊曄等[15]和段文學(xué)等[16]研究發(fā)現(xiàn)施氮量顯著影響土壤酶活性。郭天財?shù)萚17]研究表明，根際土壤脲酶活性隨著施氮水平提高而上升，并且在小麥種植密度為150萬株·hm-2和225萬株·hm-2時土壤脲酶活性最高[18]。而夏雪等[19]研究發(fā)現(xiàn)隨施氮量的增加蔗糖酶和脲酶活性表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢?！颈狙芯壳腥朦c】雖然前人對施氮量、種植密度等影響小麥產(chǎn)量和土壤肥力的主要栽培措施有諸多研究，但大多是單一研究施氮量或種植密度下，同時研究結(jié)果因方法或地域不同仍存在一些爭議。本研究擬通過大田試驗，研究小麥播量和施氮量互作下對不同時期不同土層土壤微生物量碳氮及土壤酶活性的變化特征分析，篩選適宜的小麥種植密度和氮肥配比生產(chǎn)措施?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以我國黃淮平原小麥-玉米輪作制度下潮土區(qū)為研究對象，通過探討小麥播量和施氮量對微生物量碳氮和酶活性的影響，推薦合理的種、肥配比方案，為該地區(qū)制定高效密肥管理的栽培措施提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年10月至2018年6月在河南省原陽縣河南農(nóng)業(yè)大學(xué)旱地農(nóng)業(yè)試驗園區(qū)（34°47′N，113°40′E）實施。該地區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風氣候。四季分明，光照充足，年平均氣溫14.5℃，年均降水量616 mm，年蒸發(fā)量1 461 mm，年均日照時數(shù)2 323 h。試驗地土壤為旱地潮土，成土母質(zhì)為黃河沖積物，試驗開始時表層（0—20 cm）土壤理化性質(zhì)為：有機質(zhì)含量 17.3 g×kg-1，全氮1.25 g×kg-1，堿解氮 50.2 mg×kg-1，有效磷 21.6 mg×kg-1，速效鉀108.0 mg×kg-1，pH 7.2。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗為大田小區(qū)試驗，隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)。小區(qū)面積12.5 m×5.5 m=68.75 m2。采用小麥-玉米輪作模式，其中小麥季試驗共設(shè)置4個處理：（1）常規(guī)播量+常規(guī)施氮肥（農(nóng)民習慣播種量和農(nóng)民習慣施氮肥量，CK）；（2）增播30%+常規(guī)施氮（T1）；（3）增播30%+減氮20%（T2）；（4）常規(guī)播量+減氮20%（T3）。2016年10月玉米收獲后玉米秸稈全量還田，常規(guī)旋耕后于2016年10月10日進行小麥播種，2017年3月15日進行小麥追肥，2017年6月16日小麥收獲后玉米進行貼茬種、肥同播，2017年10月10日玉米收獲后秸稈全量還田，常規(guī)旋耕后于2017年10月13日進行小麥播種，2018年3月15日進行小麥追肥，2018年6月10日將小麥收獲。播種、施肥方式為增播處理采用人工播種，常規(guī)播量與施肥均采用機械操作，試驗期間采取的其他田間管理措施，諸如澆水、防病、除草等各試驗小區(qū)實施水平嚴格一致。

試驗的玉米品種為浚單29，玉米各處理播量均為67 500株/hm2；玉米施肥量為N﹕P2O5﹕K2O = 28﹕10﹕12的玉米專用肥750 kg×hm-2（合計210 kg N×hm-2，75 kg P2O5×hm-2，90 kg K2O×hm-2）。小麥品種為鄭麥369，其中常規(guī)施肥量為基肥施用量150 kg N·hm-2、120 kg P2O5·hm-2，120 kg K2O·hm-2，追肥69 kg N×hm-2（150 kg×hm-2尿素，其含氮量為46%）。各處理小麥播種量與施肥量如表1。

表1 各處理小麥播種量與施肥量

“+”后代表小麥季追肥量

“+” representation of fertilizer topdressing rate in wheat season

1.3 樣品采集及測定方法

分別于2017年6月小麥成熟期、2017年10月玉米成熟期和2018年6月小麥成熟期取樣。采用5點取樣法分別采集0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm 3個層次的土樣。各土樣混合均勻后過2 mm篩，篩完后一部分土裝袋并于4℃冰箱中保存，用于測定微生物量碳、氮，測定項目均在取土后一個月內(nèi)完成；另一部分土樣自然風干后用于測定土壤養(yǎng)分含量及酶活性。土壤全氮采用凱氏定氮法，有機碳采用重鉻酸鉀外加熱容量法，土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[20]。土壤脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法；中性磷酸酶采用苯磷酸二鈉比色法；蔗糖酶采用3, 5-二硝基水楊酸比色法[21]。

1.4 地上部氮素積累量計算方法

根據(jù)魯艷紅等[22]計算地上部氮積累量。

小麥籽粒氮積累量（wheat grain nitrogen accumulation，WGNA，kg×hm-2）=小麥籽粒產(chǎn)量×小麥籽粒氮含量；

小麥秸稈氮積累量（wheat straw nitrogen accumulation，WSNA，kg×hm-2）=小麥秸稈產(chǎn)量×小麥秸稈氮含量；

小麥地上部氮積累量（wheat above-ground nitrogen accumulation，WANA，kg×hm-2）= WGNA + WSNA；

玉米籽粒氮積累量（maize grain nitrogen accumulation，MGNA，kg×hm-2）=玉米籽粒產(chǎn)量×玉米籽粒氮含量；

玉米秸稈氮積累量（maize straw nitrogen accumulation，MSNA，kg×hm-2）=玉米秸稈產(chǎn)量×玉米秸稈氮含量；

玉米地上部氮積累量（maize above-ground nitrogen accumulation，MANA，kg×hm-2）=MGNA + MSNA。

1.5 統(tǒng)計及分析

采用Microsoft Office 2010、SPSS 23.0進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，Origin 8.5作圖，單因素方差分析采用LSD法檢驗處理間的差異顯著性，以≤0.05作為顯著性差異水平。

2 結(jié)果

2.1 播量和氮肥互作對微生物量碳、氮的影響

總體上，3季土壤微生物量碳（soil microbial biomass carbon, SMBC）均隨土層深度增加而下降；且后兩季SMBC總體略高于第一季（圖1）。2017年小麥季0—30 cm土層中T1處理SMBC顯著高于其他處理，最高達到了170.89 mg×kg-1。2017年玉米季0—20 cm土層中CK處理SMBC顯著高于其他處理，20—30 cm土層T3處理顯著低于其他處理，且其他3個處理間差異不顯著。2018年小麥季0—10 cm中CK處理SMBC顯著高于其他處理，為140.95 mg×kg-1。但10—30 cm土層中，常規(guī)氮肥處理（CK和T1處理）SMBC顯著高于減氮肥處理（T2和T3處理）。整體來看，在本試驗期內(nèi)常規(guī)施氮量處理較減氮肥處理更有利于提升土壤微生物量碳。

不同小寫字母表示同一層次不同處理間差異顯著（P≤0.05）。下同

整體上，3季中各處理土壤微生物量氮（soil microbial biomass nitrogen, SMBN）均隨土壤深度增加逐漸減少；3季中各處理SMBN總體變化不明顯（圖2）。2017年小麥季0—10 cm土層中CK和T1處理SMBN顯著高于T2和T3，分別達到了57.24、56.20 mg×kg-1。10—30 cm土層CK處理的SMBN顯著高于其他處理。2017年玉米季0—30 cm土層中CK和T1處理的SMBN顯著高于T2和T3，其中以0—10 cm土層的CK處理SMBN最高，為54.94 mg×kg-1。2018年小麥季0—20 cm土層中CK處理的SMBN顯著高于其他處理，但20—30 cm土層中的CK與T1處理SMBN差異不顯著?？傮w來說，常規(guī)播量+常規(guī)施氮肥（CK）對保持土壤微生物量氮效果明顯。

2.2 播量和氮肥互作對有機碳、全氮含量及碳氮比的影響

3季中各處理土壤有機碳（soil organic carbon, SOC）含量隨著土壤深度的增加逐漸減少（圖3）。2017年小麥季0—10 cm土層，T3處理SOC含量顯著高于其他處理，為11.31 g?kg-1；10—30 cm土層均以T2處理有機碳含量最低。2017年玉米季0—20 cm土層中T2和T3處理的SOC含量顯著高于其他處理；20—30 cm土層中，處理間差異不顯著。2018年小麥季，0—10 cm土層中，處理間差異不顯著；而10—30 cm土層則均是T3處理顯著高于CK處理?？傮w來看，小麥播量和氮肥量互作隨時間延長，表現(xiàn)出常規(guī)播量+減氮20%可以一定程度上增加土壤有機碳含量。

圖2 不同處理不同時期不同層次土壤微生物量氮含量

圖3 不同處理不同時期不同層次土壤有機碳含量

3季中各處理土壤全氮含量隨著土壤深度增加逐漸減少，且處理間差異隨深度在縮?。▓D4）。2017年小麥季0—30 cm土層處理間差異不明顯。2017年玉米季0—10 cm CK各土層中全氮含量最高，為1.51 g×kg-1；10—20 cm土層中，CK處理的全氮含量顯著高于其他處理，分別提高了12.7%、18.1%、14.8%；20—30 cm土層中處理間差異不顯著。2018年小麥季0—10 cm中CK的全氮含量顯著高于其他處理，達到了1.57 g×kg-1；10—20 cm中T2處理顯著低于其他處理。20—30 cm處理間差異不顯著?？偟膩碚f，常規(guī)播量+常規(guī)施氮肥處理對土壤全氮影響效果最好。

圖4 不同處理不同時期不同層次土壤全氮含量

如圖5所示，在2017年小麥季，在0—10 cm土層，T3處理的碳氮比顯著高于其他處理，10—20、20—30 cm土層T2的碳氮比最低，分別為6.69、5.81。在2017年玉米季中，0—20 cm土層，T2、T3的碳氮比顯著高于其他處理，最高為8.99，20—30 cm處理間差異不顯著。在2018年小麥季中，0—10 cm土層T2、T3顯著高于CK，10—20 cm減氮處理較高，最高達到了11.26。整體上看，減氮處理可以提高土壤碳氮比。

2.3 播量和氮肥互作下土壤微生物量與土壤有機碳和全氮關(guān)系

2.3.1 土壤微生物熵（Cmic/Corg） 土壤微生物熵（Cmic/Corg）是反應(yīng)土壤碳動態(tài)的有效指標[23]。圖6所示，2017年小麥季0—10 cm中，常規(guī)施肥處理（CK和T1）的Cmic/Corg顯著高于減肥處理（T2和T3）；10—20 cm中T1處理的Cmic/Corg顯著高于其他處理；20—30 cm中增播處理（T1和T2）處理的Cmic/Corg顯著高常播處理（CK和T3）。2017年玉米季0—30 cm土層中均以CK的Cmic/Corg顯著高于其他處理，且以0—10 cm土層CK處理的Cmic/Corg最高，為1.96%。2018年小麥季0—30 cm土層中CK的Cmic/Corg最高，最高達到了2.13%。總的來說，施氮量較高可以提高微生物熵。

2.3.2 土壤微生物量氮/土壤全氮（Nmic/Ntotal） 圖7顯示，3季中不同處理的土壤微生物量氮/土壤全氮（Nmic/Ntotal）在2.00%—6.00%。2017年小麥季0—10 cm土層，常規(guī)氮肥處理（CK和T1）的Nmic/Ntotal顯著高于減氮處理（T2和T3）；10—30 cm土層CK處理顯著高于其他處理，最高為5.71%。2017年玉米季0—10 cm土層中，T3處理的Nmic/Ntotal顯著低于其他處理；10—20 cm土層處理間差異不顯著；20—30 cm土層常規(guī)氮肥處理（CK和T1）的Nmic/Ntotal顯著高于減氮處理（T2和T3）。2018年小麥季0—10 cm中CK處理的Nmic/Ntotal最高，為3.06%。10—30 cm中處理間差異不顯著。整體來看，氮肥量高可以提高微生物量氮占全氮的比例。

2.3.3 播量和氮肥互作下土壤微生物量碳與土壤微生物量氮的關(guān)系 土壤微生物量碳氮比（Cmic/Nmic）與微生物群落結(jié)構(gòu)有關(guān)，可反映土壤中真菌和細菌的比例[24]。圖8顯示，2017年小麥季0—30 cm均以T1處理的Cmic/Nmic最高，最高達到了3.26。2017年玉米季0—20 cm土層中，處理間差異不顯著；20—30 cm土層T2處理的Cmic/Nmic顯著高于CK和T1處理，為3.27。2018年小麥季0—30 cm土層處理間差異不顯著?？偟膩碚f，增加小麥播量在一定程度上可以增加土壤微生物量碳/氮比。

圖5 不同處理不同時期不同層次土壤有機碳/全氮

圖6 不同處理不同時期不同層次土壤微生物熵

圖7 不同處理不同時期不同層次土壤微生物量氮/全氮

圖8 不同處理不同時期不同層次土壤微生物量碳/土壤微生物量氮

2.4 播量和氮肥互作對土壤酶活性的影響

2.4.1 對土壤脲酶活性的影響 如圖9所示，3季中各處理土壤脲酶活性總體均隨土層深度增加呈下降趨勢。2017年小麥季0—20 cm土層T3處理的脲酶活性顯著高于T1處理；20—30 cm，CK處理的脲酶活性最高，為1.97 mg NH3-N×g-1×24h-1。2017年玉米季0—10 cm土層中T1處理脲酶活性最低；10—20 cm中T3處理的脲酶活性顯著高于其他處理；20—30 cm中T2、T3處理間差異不顯著，以T3處理的數(shù)值最高，為2.53 mg NH3-N×g-1×24h-1。2018年小麥季0—30 cm中增播處理（T1和T2）的脲酶活性顯著高于其他處理。整體來看，常規(guī)播量+減氮20%對2017年的土壤脲酶活性提高效果較好，而2018年小麥增播處理提高了土壤脲酶活性。

2.4.2 對土壤蔗糖酶活性的影響 如圖10所示，3季中各處理土壤蔗糖酶活性隨土壤深度增加逐漸降低。2017年小麥季0—20 cm土層T3處理顯著高于其他處理；20—30 cm土層T1的蔗糖酶活性顯著高于其他處理，為1.06 mg Glu×g-1×24h-1。2017年玉米季0—10 cm土層處理間差異不顯著；10—30 cm土層減氮處理（T2和T3）的蔗糖酶活性較高。2018年小麥季0—10 cm中CK顯著高于其他處理，10—30 cm土層中T1的蔗糖酶活性較高?？傮w來說常規(guī)播量+減氮20%處理的效果最好。

圖9 不同處理不同時期不同層次土壤脲酶活性

圖10 不同處理不同時期不同層次土壤蔗糖酶活性

2.4.3 對土壤中性磷酸酶活性的影響 如圖11所示，3季中各處理土壤中性磷酸酶活性隨著土壤深度增加逐漸降低。2017年小麥季0—20 cm土層中，T3處理顯著高于其他處理，20—30 cm土層中，T2顯著高于其他處理。2017年玉米季0—10 cm土層T3顯著高于其他處理，10—20 cm、20—30 cm土層T3的中性磷酸酶活性最高，分別為2.31、1.90 mg Phenol×g-1×24h-1。2018年小麥季0—10 cm土層中，各處理間中性磷酸酶活性差異不顯著，10—20 cm和20—30 cm土層T3處理的中性磷酸酶活性最高，分別為3.48、2.25 mg Phenol×g-1×24h-1?？傮w來看，常規(guī)播量+減氮20%對土壤中性磷酸酶活性提高效果較好。

2.5 不同處理下各指標相關(guān)性分析

由表2得出2017年小麥季土壤有機碳、全氮、微生物量碳氮、脲酶、蔗糖酶各指標之間均呈極顯著相關(guān)關(guān)系，中性磷酸酶與土壤有機碳、全氮、脲酶、蔗糖酶呈極顯著相關(guān)關(guān)系。2017年玉米季和2018年小麥季各指標之間均呈極顯著相關(guān)關(guān)系。

表2 不同時期各指標之間的相關(guān)性

*表示顯著相關(guān)（＜0.05），**表示極顯著相關(guān)（＜0.01）

* Represented significant correlation（＜0.05），** Represented extremely significant correlation（＜0.01）

2.6 播量和氮肥互作對作物產(chǎn)量及地上部氮積累量的影響

如圖12所示，在2017年小麥季和2017年玉米季中，各處理產(chǎn)量差異均不顯著，但是隨著試驗周期延長，到2018年玉米季，T3處理顯著高于其他處理，比CK增加了30.83%。

圖11 不同處理不同時期不同層次土壤中性磷酸酶活性

圖12 不同處理不同時期作物產(chǎn)量

如圖13所示，2017年小麥季中，各處理地上部氮素積累量差異不顯著，在2017年玉米季中T2的地上部積累量最多，為374.31 kg×hm-2，顯著高于T3。而在2018年小麥季中，T3的地上部氮素積累量達到最大，為322.30 kg×hm-2，顯著高于T1?？傊?，減氮處理可提高地上部氮素積累量。

3 討論

3.1 播量和氮肥互作與微生物量碳、氮

土壤微生物量氮綜合體現(xiàn)了土壤微生物對氮素的礦化與固持作用，對土壤氮的供應(yīng)、氮素的循環(huán)與轉(zhuǎn)化具有重要作用[25-26]。微生物生物量碳是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的活性源或庫，可反映土壤有效養(yǎng)分狀況和生物活性的變化[27]，是評價土壤肥力和質(zhì)量的重要指標[28]。有研究認為，施氮量是影響微生物量碳、氮的主要因素，適量施用氮肥能有效提高土壤微生物量碳、氮含量，但過量施用氮肥反而會降低土壤微生物量氮含量[29]。還有研究認為，土壤微生物量氮含量與土壤的供氮水平關(guān)系密切，土壤含氮量高可提高微生物對氮的固持，從而提高土壤微生物量氮含量，但并不是土壤中氮含量越高微生物量氮也越高[30]。WANG等[31]通過meta分析綜合研究發(fā)現(xiàn)氮素施用會降低土壤微生物量和多樣性。LI等[32]研究發(fā)現(xiàn)氮素有效性直接決定了土壤碳及其激發(fā)效應(yīng)和土壤微生物量大小，且不同生態(tài)類型反應(yīng)不同。符鮮等[33]研究表明，小麥最佳施肥量為165.9—187.5 kg?hm-2，玉米最佳施肥量為227.5—287.9 kg?hm-2，施用此施肥量可顯著增加土壤微生物量碳、氮含量。本試驗研究表明，2017和2018年小麥季相對施氮量高的處理微生物量碳、氮含量較高。2017年玉米季也有類似趨勢，在小麥季施氮量較高的處理，其微生物量碳氮含量在后續(xù)的玉米季也較高。這與門倩等[34]的研究結(jié)果類似，造成土壤微生物量增加的原因也可能是因為原有土壤有機質(zhì)的進一步分解引起（利用土壤腐殖質(zhì)所含能源和養(yǎng)分）[35]以及秸稈添加增加環(huán)境可利用氮素含量[36]。

圖13 不同處理不同時期作物地上部氮素積累量

3.2 播量和氮肥互作與有機碳、全氮含量

土壤碳氮是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的兩大元素，碳氮循環(huán)在維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高土壤生產(chǎn)力和改善土壤環(huán)境中扮演著重要的角色[37]。李文西等[38]研究表明，氮肥使用量的增加對土壤有機碳影響較小。而ZANG等[39]認為氮肥施用，特別是根際氮肥有效性減少了土壤微生物量，造成根際負激發(fā)效應(yīng)，促進了根際碳累積。KAY等[40]認為，表層土壤具有較高的有機碳含量，比深層土壤具有更高的穩(wěn)定性。俞華林等[41]研究表明土壤全氮含量和有機碳含量隨施氮量增加而增加，當施氮量超過140 kg×hm-2，土壤全氮不再隨施氮量增加而顯著增加，土壤有機碳含量隨施氮量增加而降低。在陳思懌[42]等研究發(fā)現(xiàn)種植密度為200萬株·hm-2時，土壤的有機碳、全氮含量達到最高值。也有研究表明，施氮肥可以增加土壤全氮、土壤堿解氮含量[43]，在減少施氮量的前提下，提高種植密度可以促進小麥對深層土壤氮素的吸收，減少土壤氮素殘留量[44-45]。同時種植密度越高，土壤持有有機體總量增加，氮肥及有機肥含量越多[46-47]。在通過小麥秸稈還田后，對后茬作物玉米能夠促進土壤微生物的增殖，使土壤微生物量氮的含量增加。而土壤微生物量氮的礦化速率較高[48]，在土壤中很快發(fā)生礦化作用而釋放出有效態(tài)氮，從而有利于提高土壤氮素活性[49]。本試驗玉米季土壤氮素較前茬作物成熟期相比增加不顯著，原因可能是因為種植年限較短，需進一步探究。增加種植密度是提高地上部氮素積累量的重要栽培措施，但超過一定量后，地上部氮素積累量不再升高甚至降低。ARDUINI等[50]研究表明，小麥種植密度從200萬株/hm2增至400萬株/hm2時，雖然植株氮含量下降，但干物質(zhì)積累量顯著增加，地上部氮素積累量達到最高。石祖梁等[51]研究認為隨種植密度的增加，小麥氮素積累量呈先增后降的趨勢，以種植密度為225萬株/hm2最高。在張娟等[52]研究中，在不施氮和施氮肥條件下，小麥地上部氮素積累量均隨種植密度水平的提高而增加，種植密度最高為240萬株/hm2。本研究發(fā)現(xiàn)，2017年小麥季，在0—20 cm土層中，常規(guī)播量+減氮20%對有機碳增加較多，這與前人研究結(jié)果有所不同，前人研究表明，增加種植密度有利于固碳[53]，但是減氮并不能顯著影響有機碳的含量[54]。這可能是由于減施一定量的氮肥促進了作物地上部及根系的生長，大量的根系分泌物進入土壤，使土壤活性有機碳含量增加[55]。2017年玉米和2018年小麥，減氮對有機碳影響效果最好。2017年小麥的全氮含量變化不明顯，2017年玉米和2018年小麥，常規(guī)播量+常規(guī)施氮肥的全氮含量最高，這與肖小平等[10]研究結(jié)果類似，氮肥與播量互作對全氮影響尚不明顯。2017年小麥季的地上部氮素積累量變化不明顯，但到了玉米季卻顯現(xiàn)出增播30%+減氮20%提高了地上部氮素積累量，這主要是由于干物質(zhì)積累量的增加引起的。2018年小麥季減氮處理增加了地上部氮素積累量，這與前人研究結(jié)果類似，原因是減施氮肥有利于氮素利用效率的改善。通過增加種植密度提高的氮素吸收能力在一定程度上彌補了氮肥施用量降低導(dǎo)致的小麥氮素積累量的減少。

3.3 播量和氮肥互作與土壤酶活性

脲酶是促進尿素氮素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶，是其進行酶促反應(yīng)的直接底物，但當?shù)孜锖窟^多時，產(chǎn)生的氨化物會進行負反饋調(diào)節(jié)，抑制脲酶活性[56]。前人研究表明，施氮處理土壤酶活性較缺氮處理顯著提高[57]，還有研究表明，當小麥種植密度為200萬株/hm2時可以增加土壤酶活性[42]。若氮肥適量，土壤中NPK養(yǎng)分比例適宜，植株收獲盛期會平衡吸收NPK養(yǎng)分，供需平衡使磷酸酶消耗后能得到補充，因此，適量減少氮肥有利于磷酸酶活性提高。蔗糖酶主要參與多糖分解，為植物生長提供必要的碳源，施入有機肥會增加土壤有機質(zhì)，提高蔗糖酶活性[58]。蔗糖酶活性與氮素有顯著相關(guān)性，高氮低氮均抑制其活性，只有當水氮協(xié)調(diào)時蔗糖酶活性才最高[59]。綜上所述，適宜施氮肥水平有利于土壤酶活性的提高。本研究表明，2017年小麥季，在0—20 cm土層中，常規(guī)播量+減氮20%對土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶活性增加較為明顯。2017年玉米的土壤酶活性與2017小麥大致相同。在20—30 cm土層的土壤酶活性變化規(guī)律不明顯，這可能由于本研究采用旋耕處理，秸稈還田與基肥主要集中在土壤表層[60]，因此對較深土層中的土壤酶活性影響變化不大。2018年常規(guī)播量+減氮20%提高了中性磷酸酶活性，這與吳昕怡[61]的研究結(jié)果類似。本研究表明，2018年小麥季0—30 cm土層增播30%+常規(guī)施氮對土壤脲酶活性、蔗糖酶活性影響較好，主要是因為增加種植密度降低了小麥根際土壤pH值，pH值的降低致使根區(qū)酸化，從而增加土壤養(yǎng)分的吸收和利用及土壤酶活性。

4 結(jié)論

通過兩年試驗表明，減氮以及小麥增播減氮降低了不同季度、不同土層土壤中微生物量碳氮、土壤全氮的含量，增加了不同土層土壤有機碳含量，提升了土壤酶活性，提高了土壤生物活性，加速了土壤有機碳的周轉(zhuǎn)率；此外，減氮處理降低了土壤中微生物熵、微生物量氮/土壤全氮比、微生物量碳/氮比，提高了作物地上部氮素積累量；而適當?shù)脑霾ν寥烂富钚砸约拔⑸锾嫉Ч伙@著，但提高了土壤中微生物熵、微生物量氮/土壤全氮比、微生物量碳/氮比，提高了土壤中的生物產(chǎn)量、土壤微生物量以及有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化率。且隨著試驗時間的增加，土壤有機碳、全氮、微生物量碳氮、土壤酶活性之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系。隨著試驗?zāi)晗拊黾?，盡管常規(guī)播量+減氮20%處理下微生物碳氮、全氮并非處理間最高，但有機碳、土壤酶活性均表現(xiàn)為各處理中最優(yōu)，且與常規(guī)播量+常規(guī)施氮處理相比表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。從綜合角度考慮，常規(guī)播量+減氮20%的組合達到了氮肥高效利用與作物的增產(chǎn)增效的目標。

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Effects of Wheat Seeding Rate with Nitrogen Fertilizer Application Reduction on Soil Microbial Biomass Carbon, Nitrogen and Enzyme Activities in Fluvo-aquic Soil in Huang-Huai Plain

SHI Ke, DONG ShiGang, SHEN FengMin, LONG Qian, JIANG GuiYing, LIU Fang, LIU ShiLiang

(College of Resources and Environment, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002)

【】The effects of wheat sowing rate and nitrogen fertilizer interaction on soil microbial biomass carbon/ nitrogen (SMBC/N) and enzyme activities in the Huang-Huai Plain of China was studied, aimed to select the optimum management in this area. 【】Field experiment was conducted, and four treatments were set as: (1) conventional seeding + conventional nitrogen fertilizer (CK); (2) 30% additional seeding + conventional nitrogen application (T1); (3) 30% additional seeding + 20% nitrogen reduction (T2); (4) conventional seeding + 20% nitrogen reduction (T3). The soil organic carbon (SOC), total nitrogen (TN), soil microbial biomass carbon (SMBC), soil microbial biomass nitrogen (SMBN), and soil enzyme activities were measured and analyzed in different soil depths during the three crop seasons in 2016-2018. 【】Generally, all the indexes decreased with soil depth. The SMBC was significantly higher under conventional nitrogen (N) treatments (i.e. CK and T1) than that under nitrogen reduction treatments (i.e. T2 and T3) in 0-20 cm in wheat and maize season 2017 and 0-30 cm in wheat season 2018, and the highest one was 170.89 mg×kg-1. The dynamics of SMBN was similar as SMBC, which was significantly higher under conventional N treatments than that under N reduction treatments during the all the crop seasons, and with the highest value as 57.24 mg×kg-1under CK treatment. The differences of SOC content among treatments were focused on 0-20 cm during the first and second seasons, and 10-30 cm during the third season. Therein, the SOC content under N reduction treatments was significantly higher than that under conventional N treatments, with the highest one as 12.85 g×kg-1under T3. The TN content under all the treatments was no different in wheat season 2017, which was significantly higher under CK treatment than that under the others in 0-20 cm in maize season 2017 and wheat season 2018. The C/N was no obviously trend in wheat season 2017, while it was significantly higher under N reduction treatments in 0-20 cm during maize season 2017 and wheat season 2018. The SMBC/SOC under all treatments ranged from 0.5% to 2.5%. And it was higher under conventional N treatments than that under N reduction treatments, except which in 10-20 cm during wheat season 2017. The SMBN/TN under all treatments ranged from 2% to 6%. The SMBC/SMBN under all treatments was below 5:1. The SMBN/TN was higher under conventional N treatments than that under N reduction treatments, except which in 10-20 cm during wheat season 2017 and 0-30 cm during wheat season 2018. The SMBC/SMBN under T1 treatment was higher in 2017 wheat season. The urease activity under sowing rate increase treatment (i.e. T1 and T2) was higher in wheat season 2018. The invertase activity in 10-30 cm during maize season 2017 and neutral phosphatase activity in 0-30 cm during wheat season under N reduction treatments was higher than that under conventional treatments. The wheat yield and the aboveground N accumulation was higher under N reduction treatments in wheat season 2018, with the highest value as 6 822.27 kg×hm-2and 322.30 kg×hm-2, respectively, under T3 treatment.【】Generally, in the Huang-Huai Plain, under the nitrogen reduction, the soil microbial biomass and TN content were decreased, while the soil enzyme activities and aboveground N accumulation was increased. Meanwhile, the wheat yield was increased or maintained. Therein, the treatment with conventional seeding + 20% nitrogen reduction was suggested as the optimum practice in this study.

wheat; sowing rate; nitrogen reduction; soil microbial biomass; soil enzyme;Huang-Huai Plain

2019-01-29；

2019-04-11

國家重點研發(fā)計劃重點專項項目（2016YFD0300803）、國家自然科學(xué)基金（41401327）、河南省教育廳基金（14B210024）

石柯，E-mail：2817838243@qq.com。

姜桂英，E-mail：jgy9090@126.com。通信作者劉世亮，E-mail：shlliu70@163.com

（責任編輯 李云霞）