长期施肥对黄土丘陵坡地农田土壤质量和谷子产量的影响

高小峰，闫本帅，吴春晓，王国梁

(1.中国科学院水利部水土保持研究所，黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西 杨凌 712100;2. 中国科学院大学,北京 100049; 3. 西北农林科技大学水土保持研究所,陕西 杨凌 712100)

土壤酶是由土壤中植物根系和微生物细胞分泌的一类起催化作用的蛋白质总称[1]。土壤中的生物化学循环过程与土壤酶活性密切相关。因此，土壤酶活性常被作为评价和衡量土壤肥力和土壤生物学性质的重要指标[2]。一方面，土壤酶活性的高低可以反映土壤养分(尤其是氮、磷)周转的快慢[1]；另一方面，目前的研究中常用涉及C-(β-1,4-葡萄糖苷酶,βG)、N-(β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶与亮氨酸氨基肽酶,NAG+LAP)、P-(碱性磷酸酶,AP)循环的酶化学计量比来表征土壤中碳、氮、磷养分平衡关系，如：ln(βG)/ln(NAG+LAP)(C∶N)、ln(βG)/ln(AP)(C∶P)、ln(NAG+LAP)/ln(AP)(N∶P)[3]。

植物从土壤中吸收氮、磷营养元素以维持其生长。在植物的生长过程中，由于养分含量的匮乏，氮、磷往往是植物生长的主要限制元素。试验表明，长期增施氮、磷肥可显著增加农田土壤中氮、磷储量，从而显著影响了土壤酶活性[4-5]。如：已有研究发现单施氮肥能明显提高土壤有机质、全氮与碱解氮的含量[6]，而王智慧等[7]认为相较于常规施肥，氮磷肥配施的土壤有机质、全磷、有效磷、有效钾含量均不同程度升高。此外，张敏等[8]认为长期施用氮、磷肥会降低土壤碱性磷酸酶活性，夏雪等[9]认为施用氮肥可以提高碳源酶活性。宋永林等[10-11]和李桃祯等[12]的试验结论同样也证实了这一观点。总之，氮磷肥配合施用不仅增加了土壤全磷和有效磷的含量，可以为作物生长提供养分；还可以改变土壤营养元素(C、N、P)的计量比，使得土壤微生物养分需求发生变化进而影响土壤酶活性。

长期施肥不仅可直接影响土壤酶活性以及养分利用与积累，还可通过对生态环境的改变进一步影响农作物产量及农业的可持续发展[13-14]。黄土高原地区土壤保水保肥能力较差、土壤有机质含量较低，降雨进一步使土壤养分严重流失。大量施氮虽然提高了作物产量，但是造成土壤板结、酸化和淋溶现象，进而降低土壤肥力，形成恶性循环[15]。科学合理施肥是改善土壤质量、提高作物产量的有效措施[16]。不同氮磷含量配比施肥对作物生长和产量有显著影响，适宜的氮、磷配比及用量可提高作物的生物量和产量，提高作物对氮、磷养分的吸收。目前，长期施肥如何通过影响土壤酶活性进而影响土壤对氮、磷养分的吸收还需深入研究。以往的研究更多是关于长期施肥对小麦、玉米和水稻的产量影响[17-20]，而关于黄土丘陵区谷子产量的研究还比较少。本研究以长期施肥定位试验为基础，探究长期不同施肥(裸地、不施肥对照、单施氮肥、氮磷肥配施)对黄土高原坡地农田土壤理化性质、土壤酶活性和谷子产量的影响，进一步为农田土壤施肥管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点为中国科学院安塞水土保持综合试验站。该站位于陕西省安塞县(107°41′E,35°14′N)，属典型的旱作农业区，海拔1 200 m，年均降水量500 mm，无霜期160 d，年均气温8.8℃，土壤类型为黄绵土，养分比较贫瘠，氮、磷缺乏，钾富足。试验开始前耕层土壤基本养分含量为有机碳3.57 g·kg-1，全氮2.41 g·kg-1，全磷1.33 g·kg-1，有效磷19.00 mg·kg-1，速效钾67.00 g·kg-1，缓效钾708.00 g·kg-1，pH值8.51。

1.2 试验设计

长期定位施肥试验共6个处理：1)不施肥处理(CK)；2)低氮施肥处理(N1)；3)高氮施肥处理(N2)；4)低氮配施磷肥处理(N1P)；5)高氮配施磷肥处理(N2P)；6)裸地(LD)。施肥量分别为:过磷酸钙P(P2O5)90 kg·hm-2，尿素(N1)55.2 kg·hm-2、(N2)110.4 kg·hm-2。施肥方法为将磷肥作种肥一次施入，尿素施总量的20%作种肥，余下80%的尿素在作物拔节期追施。于1995年开始长期定位施肥试验，试验作物种植制度是谷子-糜子-谷子-大豆轮作，农作制一年一熟，当季作物为谷子。6个试验处理采用随机区组设计，每个处理4次重复(n=4)，分4个区组，每个区组有6个小区，各小区为3 m×7 m的矩形，坡度15°，实际的投影面积为20 m2。

1.3 试验方法

2019年10月谷子收获后，利用土钻在每个小区中按“S”形采样法采集5个点的耕层(0～20 cm)土壤混匀，去除杂质，取一半测定土壤酶活性；剩余土样风干保存，测定土壤理化指标。选取10株形态一致的样株，保证根、茎、叶、穗部的完整性，用塑料纸包扎好，写好标签。带回室内脱粒后，将样品按照根、茎、叶、籽粒分类采集。样品清洗后自然干燥，然后在70～80℃下烘干7～8 h，直至样品质量恒定，称量谷子器官烘干质量，准确记录各处理的称量结果作为器官生物量。各有4个重复。

土壤酶活性采用微孔板荧光法[21]分析，利用基质与酶水解4-甲基伞形酮酰-β-D-吡喃葡糖酸苷(MUB)和7-氨基4-甲基香豆素(AMC)进行荧光检测的原理，使用多功能酶标仪(SynergyH4, Bio Teak)测定。亮氨酸氨基肽酶(LAP)以7-氨基4-甲基香豆素(AMC)为底物，β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、葡萄糖苷酶(βG)、碱性磷酸酶(AP)以4-甲基伞形酮酰-β-D-吡喃葡糖酸苷(MUB)为底物。

土壤有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法[22]测定；土壤全磷用高氯酸-浓硫酸法测定；土壤全氮采用全自动凯氏定氮仪测定；土壤速效磷采用分光光度计测定；碱解氮含量采用碱解扩散法测定；有机碳采用TOC仪灼烧测定；土壤含水量采用烘干法测定；土壤pH值采用酸度计测定，水∶土=2.5∶1。器官生物量(g·m-2)=单株生物量(干质量)×株数·m-2，式中株数·hm-2通过每小区的株数换算；谷子成熟后的籽粒干质量为产量，单株生物量、产量为各小区10株典型植株的平均值。

1.4 数据处理

采用SPSS 18.0软件对数据进行单因素方差分析(ANOVA)，Duncan多重比较。用Excel 2010软件处理数据和绘图。采用Canoco 5软件对长期不同施肥处理下的土壤理化性质、土壤酶活性和谷子产量、生物量进行冗余分析(RDA)。图表中的数据为4个重复的平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 长期不同施肥处理对土壤理化性质的影响

连续25 a的长期施肥后，土壤理化性质发生了显著的变化(表1)。与裸地相比，长期轮作种植作物的土壤有机碳、全氮和全磷含量显著增加了46.23%～75.00%。此外，在坡地农田中长期单施氮肥土壤碱解氮含量提高了24.81%～39.92%，长期氮磷肥配施土壤有机碳、全磷、碱解氮和有效磷含量分别提高了7.82%～16.81%、58.18%、21.59%～22.89%、450.5%～660.3%，且土壤有机碳、全磷和有效磷均在N1P处理达到最大值。与CK相比，N1处理土壤C/P增加，其余处理C/P均降低，长期施肥显著提高了C/N，降低了土壤 N/P。同时，长期施肥和种植作物降低了土壤的pH值。土壤含水量在长期N1施肥处理下最大，N1P处理下最低。土壤容重在长期不同处理下无显著差异。

2.2 长期不同施肥处理对土壤酶活性的影响

与裸地相比，长期种植作物显著提高了葡萄糖苷酶(βG)、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶与亮氨酸氨基肽酶(NAG+LAP)、碱性磷酸酶(AP)活性(图1A～图1C)。此外，与CK相比，长期单施氮肥使AP活性提高了13.34%～19.43%，N2处理的AP活性最大；长期氮磷平衡施肥使βG、NAG+LAP活性分别提高了16.76%～71.01%、47.12%～59.94%，且在N1P处理达到最大值。与裸地相比，长期轮作种植作物显著提高了ln(βG)/ln(NAG+LAP)、ln(βG)/ln(AP)比值，显著降低了ln(NAG+LAP)/ln(AP)比值(图1D～图1F)。与CK相比，长期N1P施肥处理显著提高了土壤中的ln(βG)/ln(NAG+LAP)、ln(βG)/ln(AP)、ln(NAG+LAP)/ln(AP)； ln(NAG+LAP)/ln(AP)在N1P处理中接近于1∶1稳态(图1F)。

2.3 长期不同施肥处理对谷子产量、冠根比、氮、磷含量和器官生物量的影响

从图2可见，长期施肥处理显著提高了谷子的产量，且氮磷配施处理产量显著高于单施氮肥处理，在N1P处理达到最大值1 743.80 kg·hm-2(图2A)。谷子的冠根比随施肥梯度而增加，长期施肥谷子的冠根比值增加了16.19%～46.88% (图2B)。

谷子的氮、磷养分含量对长期施肥响应明显，长期施肥显著提高了植株地上部全氮含量，N1P、N2处理显著高于其他处理；谷子全磷含量在氮磷配施处理下显著高于单施氮肥和不施肥处理，且在N1P处理最高；植株氮、磷含量均表现为在籽粒中最高，根系中最低。长期施肥使谷子的器官(籽粒、叶子、茎秆、根系)生物量显著提高了105.25%～230.05%。其中不同施肥处理下，籽粒生物量在65.51～216.22 g·m-2之间变化；叶生物量在47.00～99.40 g·m-2之间变化；茎秆生物量在 30.88～95.29 g·m-2之间变化；根系生物量在 16.63～ 34.13 g·m-2之间变化。而且，不同器官的生物量均在N1P处理下达到最大值，具体规律表现为：N1P>N2P>N2>N1>CK(图2E)。

2.4 土壤性质对谷子生物量、产量的影响

通过对土壤性质和谷子生物量指标做冗余分析(RDA),从图3可以看出，土壤理化特性解释了77.91%长期不同施肥谷子产量的变异。第1轴解释了其变异的54.23%，第2轴解释了23.68%。其中，土壤有效磷(SAP)含量作用最明显，解释了谷子产量变化的45.5%(F=15.0，P=0.002)。SAP、TP、pH是最主要的影响因子，土壤有效磷(SAP)、土壤全磷(TP)和根系生物量(RB)、地上部生物量(AB)、产量(CY)呈正相关关系，土壤pH与根系生物量(RB)、地上部生物量(AB)、产量(CY)呈负相关关系(图3)。土壤有效磷、土壤全磷对产量均呈显著(P<0.01)正相关作用;土壤pH值对谷子生物量、产量呈显著负相关作用(P<0.01)(表2)。

表2 土壤显著影响因子与谷子生物量、产量的相关关系Table 2 Correlation between main soil factors and millet biomass and yield

3 讨 论

3.1 长期不同施肥处理对土壤理化性质的影响

本研究发现，长期施氮、磷肥显著增加了土壤有机碳、全磷、碱解氮和有效磷含量。这与孔令聪等[23]对砂姜黑土的研究结果一致。相对于农田，裸地土壤养分含量显著减少，可能是由于长期轮作种植作物有助于减少土壤的水分、养分流失，保持土壤养分含量。本研究发现，长期施肥显著提高了土壤中有机碳含量，且在N1P处理的土壤中有机碳含量最高，这是由于施肥有利于提高微生物活性，从而加速土壤中碳的循环，进而提高了有机碳积累。这与廖敏等[25]的研究结果一致，但许咏梅等[20]关于新疆灰漠土的研究表明，施用化肥不能维持土壤有机碳含量，不利于土壤肥力的保持，与本研究部分结果不符，可能是新疆灰漠土与本研究的黄绵土性质不同，黄绵土有机碳含量较低，施肥促进碳源微生物对土壤碳的利用率[9]。张水清等[26]的研究结果表明，长期施用化学氮肥处理，土壤全氮和碱解氮含量均显著增加。在本研究中，与对照相比，土壤中碱解氮对长期不同施肥处理的响应为N2>N1>N2P>N1P>CK>LD，可能是施氮肥越多土壤碱解氮增量越大，即由原来的20. 84 mg·kg-1上升到29. 16 mg·kg-1，说明长期施肥土壤碱解氮增加，农田土壤肥力增强。此外，当植物缺少磷元素时，蛋白质的合成将会受阻，细胞分裂也会受到限制，导致植物生长缓慢[27]。在本研究中，长期氮磷配施显著提高了土壤全磷和有效磷含量，且在低氮与磷肥配施下显著提高，说明磷肥的施用明显提高了土壤中总磷含量和土壤可利用的磷素含量，并且在N1P配施磷素时富集效果最佳，有利于缓解该地区磷素缺乏问题[19]。卢志红等[28]认为在等量氮、磷养分的前提下，长期氮磷配施比无肥或单施氮肥更有利于土壤有机质的积累。本研究发现，与对照相比，长期施肥处理中土壤C/N显著提高，且N1P处理土壤C/N比最高，说明长期施肥提高了土壤的固碳能力，长期N1P处理下最有利于土壤有机质积累。习斌等[29]和王淑英等[30]认为磷肥施用不仅造成表层土壤磷素含量积累，还会造成深层土壤磷素积累。本研究发现，长期氮磷配施显著降低了土壤C/P、N/P，说明长期施用氮磷肥导致土壤磷增加，且土壤磷素比氮素相对富集。孟红旗等[31]和徐宣斌等[32]对哈尔滨黑土和黄土丘陵区黄绵土的研究结果表明，长期施肥农田耕层土壤的pH有不同程度的降低。而本研究中随施肥梯度pH值降低了0.01～0.06，说明长期施肥会导致一定程度的土壤酸化，但是对土壤pH值的影响不大。总之，长期氮磷施肥降低了土壤pH值，提高了土壤有机碳、全磷、碱解氮和有效磷含量。

3.2 长期不同施肥处理对土壤酶活性的影响

在本研究中，与裸地相比，长期轮作种植处理显著提高了土壤葡萄糖苷酶(βG)、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶与亮氨酸氨基肽酶(NAG+LAP)、碱性磷酸酶(AP)活性。长期单施氮肥提高了碳源酶、磷源酶活性和ln(βG)∶ln(NAG+LAP)比值，说明长期施氮肥可以提高土壤微生物群落对碳、磷养分的利用率，但碳源酶活性提高幅度大于氮源酶活性提高幅度，马亚娟等[33]对华北人工林的研究结果也证实了这一点。范淼珍等[34]对红壤土的研究表明，长期施用化肥降低了磷酸酶活性。夏雪等[9]对塿土的研究表明，氮肥的施用可以提高土壤微生物群落碳源利用率。本研究发现，长期氮磷肥配施显著提高了土壤碳源酶、氮源酶活性和ln(βG)∶ln(AP)、ln(NAG+LAP)∶ln(AP)比值，降低了磷源酶活性，说明长期氮磷肥配施显著提高了微生物对碳源、氮源的利用率，抑制了微生物对磷源的利用率。本研究中，长期氮磷配施显著提高土壤全磷含量，长期施用过磷酸钙作为磷肥可以提高土壤中全磷的含量，使得土壤中磷酸根含量相对较高，土壤全磷对碱性磷酸酶(AP)活性有抑制作用[8]，故长期氮磷配施处理的碱性磷酸酶(AP)活性低于长期单施氮肥处理和不施肥处理。Spiers等[35]的5 a试验研究表明，连续5 a施钙磷肥土壤中磷酸酶活性减少了约20%。本试验进行了25 a，每年以90 kg·hm-2的量施用磷肥，土壤碱性磷酸酶(AP)活性比对照减少了23%，说明长期施用无机磷肥，土壤中有充足的速效养分可以利用，微生物不需要分泌更多的磷源酶来获取养分。N1P施肥和N2P处理下的C、N和P源酶的比值是1∶0.97∶1.28和1∶0.94∶1.36，表明长期氮磷肥配施处理的土壤酶化学计量比值均偏离全球水平1∶1∶1，对照的比值是1∶0.86∶1.21，氮磷配比施肥偏离程度小于对照，说明长期施肥改变了养分配比，使得微生物在获取C、N和P源酶资源上有显著不同。换句话说，氮限制和磷限制均存在于黄土高原坡地农田中，在供试条件下，氮磷肥在N1P(尿素+过磷酸钙=55.2+90 kg·hm-2)配施条件下的土壤养分平衡关系最佳。

3.3 长期不同施肥处理对谷子生长及产量的影响

在本研究中，长期施肥显著增加了谷子的器官生物量(籽粒、根系、叶子、茎秆)、冠根比和产量。施肥增加了谷子生长所必需的氮、磷元素含量，有利于干物质的累积，进而提高了生物量和产量。这种现象在长期N1P处理下最为明显，这表明均衡施肥条件更有利于谷子生长和产量的提高。这与蔡苗等[18]和张晓云等[36]的研究结果一致，其研究表明氮磷平衡施肥能够促进玉米根生长，提高作物生物量。但是，肖雪玉等[37]和马东辉等[38]研究表明，过量或过高施用氮肥将会降低产量，农作物吸收大量的氮元素，会提高光合产物的消耗，降低干物质积累，导致减产。同样地，过量施氮肥限制了谷子产量，本研究发现N1P处理谷子产量显著高于N2P处理，同时过量施氮肥可能会造成农田的氮面源污染[39]。此外，冠根比随施肥梯度而增加，长期施肥处理显著提高谷子的冠根比值，氮磷配施处理下冠根比值最大，谷子籽粒全氮、全磷含量显著高于其他器官，这与功能平衡假说[40]一致，Shipley等[41]发现功能平衡假说可较好地反映光合产物分配对环境因子变化的响应。本研究中，氮磷配施后的养分资源更倾向于地上部分中的籽粒。

土壤理化性质对植物的产量影响作用显著[42]。磷素对蛋白质的合成、细胞分裂有影响作用，这使得植物缺少磷素将会导致生长受限[26,29]。李银水等[43]对油菜的研究表明，施磷促进油菜生长,提高油菜对磷素的吸收和累积,显著增加籽粒需磷量。俄胜哲等[44]的小麦试验结果表明，小麦籽粒产量和土壤有效磷含量显著正相关。叶会财等[19]对水稻的研究表明，水稻产量增加量随土壤有效磷的增加而增加。本研究发现，土壤全磷和土壤有效磷与谷子产量、生物量有显著正相关关系，可能是磷素对蛋白质的合成、细胞分裂有积极影响作用，磷素充足使得植物生长不再受限，极大缓和了土壤本身的磷限制，提高了谷子产量。已有研究[45]表明，土壤pH值对作物产量有显著影响。马亚娟等[33]的研究表明，施肥会降低土壤pH值，从而影响土壤生物学和化学性质。本研究发现，土壤pH值对谷子产量呈显著负相关，可能是土壤pH值过高，将会降低谷子器官储藏干物质的转换率，不利于干物质的积累，从而导致减产。

4 结 论

长期施肥显著影响了土壤酶活性、土壤理化性质、谷子器官生物量、冠根比和产量。与CK相比，长期单施氮肥(N1、N2)显著提高了土壤有机碳、碱解氮含量和碱性磷酸酶(AP)活性，长期氮磷肥配施(N1P、N2P)显著提高了土壤有机碳、全磷、碱解氮和有效磷含量和土壤β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶与亮氨酸氨基肽酶(NAG+LAP)活性、葡萄糖苷酶(βG)活性。长期施肥降低了土壤pH值。长期轮作种植作物和化学施肥对土壤碳源、氮源、磷源酶活性均有显著提高，且低氮高磷(N1P)处理的土壤酶化学计量比最接近1∶1∶1稳态。与CK 相比，长期氮磷肥配施，尤其是N1P处理，显著增加了谷子生物量和籽粒产量。土壤全磷、有效磷对谷子产量、生物量呈显著正相关，土壤pH对谷子产量呈显著负相关。与其他处理相比，N1P处理下土壤全磷、土壤有效磷含量、冠根比、器官生物量和氮源酶活性均是最大值。因此，减施氮肥并配施磷肥(N1P)是本试验中最佳施肥配比，减少氮肥投入、配施磷肥有利于缓解氮素面源污染问题，可以改善黄土高原地区土壤质量，促进谷子综合品质的提高，研究为提高农田土壤质量和谷子产量及合理施肥提供了科学依据。