不同磷肥水平和種植模式對(duì)土壤養(yǎng)分含量和酶活性的影響

姜彧宸，馮月，池 田，溫 強(qiáng)，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）

小麥?zhǔn)俏覈匾纳唐芳Z和戰(zhàn)略性糧食儲(chǔ)藏品種[1]，目前其生產(chǎn)主要依靠高水肥化管理，但不合理的施肥給環(huán)境保護(hù)以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來負(fù)擔(dān)[2]。豌豆作為一種養(yǎng)地作物，是世界重要栽培作物之一[3]，在農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。山西省屬于我國北方干豌豆主產(chǎn)區(qū)[4]，晉南地區(qū)廣泛存在小麥與豌豆的間作種植方式。間作較單作能提高土壤酶活性，其中，土壤脲酶活性差異最顯著[5]。喬月靜等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在燕麥與豆科作物間作條件下，土壤脲酶與蔗糖酶顯著高于相應(yīng)的單作方式。唐艷芬等[7]研究表明，小麥蠶豆間作與單作相比在小麥各個(gè)時(shí)期內(nèi)均提高了土壤脲酶活性。在小麥豌豆間作系統(tǒng)中，豆科作物根系分泌大量調(diào)動(dòng)有效磷的化合物[8]，可以改變土壤有效磷含量[9]，從而促進(jìn)小麥對(duì)有效磷的吸收[10]。

磷是限制作物生長(zhǎng)的元素，同時(shí)又是一種不可再生的礦物資源[8]。施磷對(duì)土壤酶活性與養(yǎng)分含量均有影響，適宜施磷能夠提高土壤酶活性以及土壤全氮、全磷和有效磷含量[11-12]。劉凱等[13]研究表明，與不施磷相比，施磷能顯著提高土壤全磷與有效磷含量，且磷酸酶活性提高38%；孫鋒等[14]研究表明，施磷能顯著提高土壤酶活性；李志偉等[15]研究表明，隨著施磷量的增加，土壤有效磷含量顯著增加，但土壤酶活性卻顯著降低。

前人對(duì)小麥豌豆間作模式進(jìn)行了不同行距、施氮量等方面的研究[16-19]，但關(guān)于磷肥施用量對(duì)土壤酶活性和土壤養(yǎng)分影響的研究較少。本試驗(yàn)通過研究不同施磷量與不同種植模式對(duì)土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量的影響，分析土壤養(yǎng)分含量和酶活性之間的關(guān)系，為磷肥的合理施用以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2021年3—7月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)太谷校區(qū)農(nóng)作站進(jìn)行，試驗(yàn)地位于山西省晉中市太谷區(qū)（37°25′19.72″N、112°34′34.56″E），年均降水量397.1 mm，年均氣溫10 ℃，年均無霜期179 d。供試土壤為壤土，全氮含量為0.95 g/kg，堿解氮含量為33.88 mg/kg，全磷含量為0.92 g/kg，有效磷含量為10.45 mg/kg，速效鉀含量為157.60 mg/kg，有機(jī)碳含量為12.74 g/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

供試材料為農(nóng)家種春麥和中豌11 號(hào)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置春麥單作（SS）、春麥豌豆間作（SI）、豌豆單作（PS）3 種種植模式和5 個(gè)施磷水平（0（P0）、45（P1）、90（P2）、135（P3）、180 kg/hm2（P4））。間作模式為2 行小麥間作2 行豌豆，行距為20 cm。小區(qū)面積為4.8 m×5.2 m，小麥、豌豆播量均為225 kg/hm2，設(shè)置3 次重復(fù)。施磷量以有效磷計(jì)算，所有磷肥均作為基肥，在種植前一次性施入。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

于小麥播種后85 d（開花期）采用5 點(diǎn)取樣法進(jìn)行取樣，所采土壤樣品混合均勻后風(fēng)干，過2 mm篩。土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶和堿性磷酸酶活性分別采用3,5-二硝基水楊酸、對(duì)硝基苯-β-D-吡喃葡糖苷、靛酚和磷酸苯二鈉比色法測(cè)定；谷氨酰胺酶活性根據(jù)《土壤酶及其研究法》[20]進(jìn)行測(cè)定。土壤全氮、全磷、堿解氮、速效磷和有機(jī)質(zhì)含量分別采用凱氏蒸餾法、硫酸-高氯酸消煮法、堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法和重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定。

有機(jī)碳＝土壤有機(jī)質(zhì)×0.58［21］（1）

將土壤蔗糖酶活性（X1）、β-葡萄糖苷酶活性（X2）、脲酶活性（X3）、谷氨酰胺酶活性（X4）、堿性磷酸酶活性（X5）、全氮含量（X6）、堿解氮含量（X7）、全磷含量（X8）、有效磷含量（X9）、有機(jī)碳含量（X10）進(jìn)行相關(guān)性分析。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010、SPSS 25.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行處理分析，圖表繪制運(yùn)用Origin 2019進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施磷水平和種植模式對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響

土壤中的蔗糖酶又名轉(zhuǎn)化酶，可以將土壤中的蔗糖水解成葡萄糖和果糖，對(duì)土壤中碳的礦化具有重要作用[20]。由圖1 可知，磷肥施用有利于提高3 種種植模式土壤蔗糖酶活性。SS、SI、PS 種植模式下土壤蔗糖酶活性均表現(xiàn)為隨施磷量的增加先升高后降低的趨勢(shì)，SS 種植模式在P3 水平達(dá)到最高，SI和PS 種植模式均在P2 水平達(dá)到最高。SS 種植模式下P3 水平的土壤蔗糖酶活性較P0 水平顯著提高27.43%（P＜0.05），SI 種植模式下P2 水平的土壤蔗糖酶活性較P0 水平顯著提高32.48%（P＜0.05），PS 種植模式下土壤蔗糖酶活性在P2、P3 和P4 水平較P0 水平分別顯著提高89.35%、58.66%和51.98%（P＜0.05）。

圖1 不同磷水平和種植模式的土壤蔗糖酶活性變化Fig.1 Change of soil sucrase activity under different phosphorus levels and planting patterns

間作有利于提高豌豆土壤蔗糖酶活性。除P3水平外，其余施磷水平的土壤蔗糖酶活性均表現(xiàn)為SI＞SS＞PS。所有施磷水平的SI 種植模式下土壤蔗糖酶活性均較PS 種植模式顯著提高31.95%～113.59%（P＜0.05）。除P2 水平外，SS 種植模式下土壤蔗糖酶活性均顯著高于PS 種植模式。

2.2 不同施磷水平和種植模式對(duì)土壤β-葡萄糖苷酶活性的影響

β-葡萄糖苷酶參與碳循環(huán)，可以將糖苷鍵水解為葡萄糖，供微生物和植物吸收利用，對(duì)土壤中活性有機(jī)化合物的降解具有重要作用[22]。圖2 表明，施磷有利于提高SS 與SI 種植模式下土壤β-葡萄糖苷酶的活性。隨施磷水平的提高，SS 與SI種植模式下土壤β-葡萄糖苷酶活性均呈先升高后下降的趨勢(shì)，且均在P3水平達(dá)到最高。SS種植模式下P1、P2、P3、P4 水平與P0 水平相比分別顯著提高13.41%、31.98%、35.57%和28.84%（P＜0.05）。SI種植模式下P3 水平較P0 水平顯著提高12.87%（P＜0.05）。

圖2 不同磷水平和種植模式的土壤β-葡萄糖苷酶活性變化Fig.2 Change of soil β-glucosidase activity under different phosphorus levels and planting patterns

在P0 和P1 水平下，相較單作，間作有利于土壤β-葡萄糖苷酶活性的提高。P0 水平下，SI 種植模式下土壤β-葡萄糖苷酶活性比SS、PS 種植模式分別顯著提高19.09%和7.41%（P＜0.05）。P1 水平下，SI 種植模式下土壤β-葡萄糖苷酶活性比SS、PS 種植模式分別顯著提高11.33%和12.19%（P＜0.05）。

P2、P3 和P4 水平下，SS 種植模式土壤β-葡萄糖苷酶活性均顯著高于PS 種植模式。

2.3 不同施磷水平和種植模式對(duì)土壤脲酶活性的影響

脲酶廣泛存在于土壤中，其酶促產(chǎn)物是植物的氮源之一[20]。不同磷水平和種植模式的土壤脲酶活性變化如圖3 所示。

圖3 不同磷水平和種植模式的土壤脲酶活性變化Fig.3 Change of soil urease activity under different phosphorus levels and planting patterns

從圖3 可以看出，施用磷肥可以提高3 種種植模式土壤脲酶活性。SS 和SI 種植模式下土壤脲酶活性均隨施磷量的增加呈先升高后降低，且均在P2 水平達(dá)到最高。PS 種植模式下土壤脲酶活性則隨著施磷量的增加而提高。SS 種植模式下4 個(gè)施磷水平土壤脲酶活性較P0 水平顯著提高47.74%～70.44%（P＜0.05）；SI 種植模式下P2、P3、P4 水平的土壤脲酶活性較P0 水平顯著提高33.97%～41.78%（P＜0.05），PS 種植模式下P2、P3、P4 水平土壤脲酶活性較P0 水平顯著提高110.30%～167.46%（P＜0.05）。

施磷條件下，間作有利于提高土壤脲酶活性，表現(xiàn)為SI＞SS＞PS。除P1 水平外，其余施磷處理SI 種植模式下土壤脲酶活性均顯著高于SS，提高23.28%～34.38%。各施磷處理均為SI 種植模式土壤脲酶活性顯著高于PS 種植模式（101.10%～304.22%）。各施磷水平下，SS 種植模式土壤脲酶活性均顯著高于PS 種植模式。

2.4 不同施磷水平和種植模式對(duì)土壤谷氨酰胺酶活性的影響

谷氨酰胺酶能水解谷氨酰胺的酰胺氮生成谷氨酸和氨，供植物吸收利用[20]。圖4 顯示，在P2 水平下，SI 和PS 種植模式下土壤谷氨酰胺酶活性顯著提高。SI、PS 種植模式的土壤谷氨酰胺酶活性隨著施磷量的增加先增加后降低，且均在P2 水平達(dá)到最高，較P0 水平分別提高32.34%和24.09%。

圖4 不同磷水平和種植模式的土壤谷氨酰胺酶活性變化Fig.4 Change of soil glutaminase activity under different phosphorus levels and planting patterns

P2 水平下，間作有利于提高麥田谷氨酰胺酶活性，顯著高于SS 種植模式18.89%。P2 水平下，PS 種植模式的土壤谷氨酰胺酶活性顯著高于SS種植模式。

2.5 不同施磷水平和種植模式對(duì)土壤堿性磷酸酶活性的影響

由圖5 可知，施磷有利于提高土壤堿性磷酸酶活性。隨著施磷水平的提高，3 種種植模式的土壤堿性磷酸酶活性均表現(xiàn)為先升高后下降，SI 種植模式在P2 水平達(dá)到最高，SS 和PS 種植模式則均在P3 水平達(dá)到最高。SS 和PS 種植模式下P3 水平的堿性磷酸酶活性分別較P0 水平顯著提高65.69%和112.87%（P＜0.05）；SI 種植模式下P1、P2、P4 水平堿性磷酸酶活性與P0 水平相比顯著提高了78.99%～107.44%（P＜0.05）。

圖5 不同磷水平和種植模式的土壤堿性磷酸酶活性變化Fig.5 Change of soil alkaline phosphatase activity under different phosphorus levels and planting patterns

間作有利于提高土壤堿性磷酸酶活性。P1、P2 和P4 水平，SI 種植模式土壤堿性磷酸酶活性顯著高于SS 種植模式49.32%～78.70%，顯著高于PS 種植模式72.96%～142.13%（P＜0.05）。P1 水平，SS 種植模式土壤堿性磷酸酶活性顯著高于PS種植模式。

2.6 不同施磷水平和種植模式對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

從表1 可以看出，施磷有利于提高土壤堿解氮含量。3 種種植模式土壤堿解氮含量隨施磷量的增加呈先升高后降低，且均在P2 水平達(dá)到最高值。SS和PS 種植模式下P2 水平堿解氮含量較P0 水平分別提高11.82%和25.47%。P4 水平SI 種植模式堿解氮含量顯著高于PS 種植模式14.11%，P2 水平PS 種植模式堿解氮含量顯著高于SI 種植模式9.04%。

表1 不同磷水平和種植模式土壤養(yǎng)分含量Tab.1 Soil nutrient contents under different phosphorus levels and planting patterns

施磷可以提高土壤有效磷含量，但不同磷水平提高程度不一致，SS 和SI 種植模式下P2、P3、P4 水平土壤有效磷含量分別顯著高于P0 水平66.73%～84.59% 和77.05%～95.89%（P＜0.05）。PS 種植模式下P3 水平土壤有效磷含量顯著高于P0 水平72.76%（P＜0.05）。P4 水平SI 種植模式有效磷含量顯著高于PS 種植模式52.74%（P＜0.05）。

磷肥施用可以提高單作土壤有機(jī)碳含量。SI和PS 種植模式P3 水平土壤有機(jī)碳含量分別顯著高于P0 水平12.92%和13.43%（P＜0.05）。

2.7 土壤酶活性和養(yǎng)分含量之間的相關(guān)性分析

由表2 可知，土壤蔗糖酶分別與脲酶、堿性磷酸酶、全氮、全磷、有效磷呈極顯著相關(guān)。土壤脲酶分別與堿性磷酸酶、全氮、有效磷呈極顯著相關(guān)，與全磷呈顯著相關(guān)。土壤谷氨酰胺酶與有機(jī)碳呈極顯著相關(guān)。土壤堿性磷酸酶分別與全氮和有效磷呈極顯著相關(guān)，與全磷和有機(jī)碳呈顯著相關(guān)。土壤全氮與全磷和有效磷呈極顯著相關(guān)，與堿解氮呈顯著相關(guān)。堿解氮與全磷和有機(jī)碳呈顯著相關(guān)。土壤全磷與有效磷呈極顯著相關(guān)。

表2 土壤酶活性和養(yǎng)分含量之間的相關(guān)性Tab.2 Correlation between soil enzyme activities and nutrient contents

2.8 不同施磷水平和種植模式的主效應(yīng)與交互作用

磷水平與種植模式的主效應(yīng)和交互作用如表3所示。

表3 磷水平與種植模式的主效應(yīng)和交互作用Tab.3 Main effects and interactions between phosphorus levels and planting patterns

由表3 可知，磷處理對(duì)土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶、谷氨酰胺酶、堿性磷酸酶、堿解氮、有效磷有極顯著影響，對(duì)有機(jī)碳有顯著影響。種植模式對(duì)土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶、堿性磷酸酶、有效磷影響極顯著，對(duì)谷氨酰胺酶影響顯著。磷處理與種植模式二者的交互作用對(duì)β-葡萄糖苷酶和脲酶存在極顯著影響。

3 討論

3.1 不同施磷處理與不同種植模式對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)代謝的重要?jiǎng)恿23]。本研究結(jié)果表明，P2 水平（90 kg/hm2）下，SI 種植模式蔗糖酶、脲酶、谷氨酰胺酶、堿性磷酸酶，SS 種植模式脲酶，PS 種植模式蔗糖酶、谷氨酰胺酶活性達(dá)到最高；P3 水平（135 kg/hm2）下，SS 種植模式蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、堿性磷酸酶，SI 種植模式β-葡萄糖苷酶，PS 種植模式堿性磷酸酶活性達(dá)到最高，說明不同種植模式下施磷均能提高土壤酶活性，這可能是磷肥的施用促進(jìn)了作物根系生長(zhǎng)，使其分泌物增多，土壤微環(huán)境得到改變，從而使酶活性得到提高[24-26]，但不同的土壤酶對(duì)施磷量的響應(yīng)不同。前人研究結(jié)果表明，施用磷肥后土壤蔗糖酶、脲酶、中性磷酸酶活性均高于不施磷肥處理20% 以上[27-31]，且與不施肥處理相比，施肥處理能不同程度地提高蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性[24，32-33]。相同磷處理時(shí)，土壤酶活性整體表現(xiàn)為SI＞SS＞PS，說明小麥豌豆間作有利于土壤酶活性的提高。作物間作時(shí)會(huì)引起土壤酶活性的變化，間作種植均能不同程度提高土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性[34-35]。

3.2 不同施磷處理與不同種植模式對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

土壤磷是植物生長(zhǎng)和物質(zhì)循環(huán)的主要元素。有研究表明，施用磷肥可顯著提高土壤全氮、全磷、有效磷的含量，但降低有機(jī)碳含量[11,36]，長(zhǎng)期單施磷肥可提高有效磷的供應(yīng)[37-38]。此外，施磷還有利于提高氮的吸收[39]。本研究結(jié)果顯示，P2 水平能顯著提高3 種種植模式堿解氮含量，說明土壤中N、P 元素轉(zhuǎn)化是相互影響[26]，施磷能夠顯著提高SI、SS 與PS 種植模式土壤的有效磷含量，說明施磷提高了土壤中磷的活化[37]，P3 水平顯著提高SI 與PS 種植模式土壤有機(jī)碳含量，說明施磷不僅促進(jìn)了作物地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育，還促進(jìn)了作物根部的生長(zhǎng)，使得還田根茬增多，進(jìn)而提高土壤中有機(jī)碳含量。

3.3 土壤酶活性與養(yǎng)分含量之間的相關(guān)性和主效應(yīng)與交互作用

土壤酶活性與土壤質(zhì)量很多理化指標(biāo)是相關(guān)的，土壤酶對(duì)土壤C、N、P 的循環(huán)與遷移有著重要作用[23,40]，可以作為衡量土壤肥力水平的指標(biāo)[41-42]。不同土壤酶受不同土壤養(yǎng)分含量的影響[26-27,42]，其中，蔗糖酶與有機(jī)碳之間的關(guān)系因施肥種類及種植模式的不同而不同[31]。本研究表明，蔗糖酶活性與全氮、全磷、有效磷含量顯著相關(guān)，脲酶活性與全氮、全磷、有效磷含量顯著相關(guān)，谷氨酰胺酶活性與有機(jī)碳含量顯著相關(guān)，堿性磷酸酶活性與全氮、全磷、有效磷和有機(jī)碳含量顯著相關(guān)。邱莉萍等[43]長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤脲酶和堿性磷酸酶活性與土壤養(yǎng)分之間呈顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系，說明適量施用磷肥促進(jìn)土壤養(yǎng)分含量及氮磷養(yǎng)分轉(zhuǎn)化相關(guān)土壤酶活性的提高。除此之外，β-葡萄糖苷酶與谷氨酰胺酶活性和有機(jī)碳含量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，其原因需進(jìn)行進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，施磷量為90 kg/hm2時(shí)，春麥豌豆間作和豌豆單作土壤蔗糖酶和谷氨酰胺酶活性，春麥豌豆間作和春麥單作土壤脲酶活性，春麥豌豆間作土壤堿性磷酸酶活性以及春麥、豌豆單作堿解氮含量提高效果最佳。

施磷量為135 kg/hm2時(shí)，春麥單作土壤蔗糖酶活性、春麥單作與春麥豌豆間作土壤β-葡萄糖苷酶活性、春麥單作與豌豆單作土壤堿性磷酸酶活性以及春麥豌豆間作和豌豆單作的土壤有機(jī)碳含量提高效果最佳。

磷肥施用與種植模式對(duì)5 種土壤酶活性均有顯著影響，且二者對(duì)碳氮代謝相關(guān)土壤酶活性（谷氨酰胺酶、脲酶）存在顯著交互作用，磷肥與種植模式不僅對(duì)植株磷代謝有影響，對(duì)碳氮代謝也有影響。