长期施肥对农牧交错区农田肥力因子及作物产量的影响

张婷婷，段 玉*，梁俊梅，张 君，安 昊，范 霞，韩振勇

（1 内蒙古自治区农牧业科学院资源环境与可持续发展研究所，内蒙古呼和浩特 010031；2 呼和浩特市赛罕区农牧业技术推广中心，内蒙古呼和浩特 010020）

内蒙古自治区是我国相对干旱但又重要的农业产区，全区化肥投入较低，作物产量也比较低，2019 年全区化肥投入量平均为245.8 kg/hm2，粮食作物产量平均为4.11 t/hm2[1]。全区大约70%的耕地为雨养农业，年降水量不足400 mm，旱作农田化肥的投入量更少，作物产量更低，生物产量也很少，导致秸秆在农田中的循环利用不足，满足不了土壤有机质分解平衡的需求，使土壤潜在肥力和生产能力日益下降[2]，制定必要的培肥施肥措施，通过改进养分管理扭转土壤肥力下降的趋势是本地区急需研究的问题[3]。施肥是提高土壤肥力的最有效措施之一，氮磷钾配合可获得高产稳产，化肥与有机肥配合可进一步提高产量[4]。长期施用有机肥对提高土壤有机质含量和各种酶活性有显著效果，可促进作物的生长发育，提高作物产量[5-6]。旱地通过长期施用有机肥或与无机肥配施，不仅能显著提高土壤有机质的含量和质量，而且能增加酶活性，有效提高土壤肥力和综合生产能力[7]。长期氮磷钾化肥配施或有机无机肥配施可提高土壤养分含量，促进土壤酶活性并保障作物产量[8-10]，是改善土壤质量和提高作物产量的有效措施[11-13]，从而满足土壤生态系统服务功能持续发挥的需要[14-15]。土壤酶是土壤生物化学反应的重要指标之一，土壤中许多重要的物理、化学、生物化学性质、团粒结构、土壤有机质、腐殖质及微生物活性物质，都与土壤酶有着密切的相关性[16]。氮磷钾肥优化施用和氮磷钾有机肥配施是旱作农田作物高产稳产、提高土壤肥力、保证农田可持续利用的关键养分管理技术，但目前研究多侧重于作物产量、理化性质、肥料利用率、经济效益等方面[17-19]，探索长期定位施肥对旱作农田土壤酶活性、土壤化学性质的影响及其关系的报道相对较少，仍未归纳出系统性结论。为明确旱作农田土壤养分演变特征，研究提高土壤肥力的有效途径，我们于2004 年开始在旱地栗钙土上开展长期施肥定位试验。本研究以阴山北麓旱作农田18 年的长期定位施肥试验为平台，研究长期不同施肥对土壤化学特性、土壤酶活性及作物产量的影响，为科学合理的养分管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在内蒙古自治区农牧业科学院武川旱作试验站 (41°08′23″N，111°17′44″E)进行，气候类型属中温带大陆性季风气候。年平均气温2.4℃，最冷月为1 月，平均气温-14.8℃，最热月为7 月，平均气温18.8℃。无霜期110 天左右，月平均气温大于或等于5℃的年积温，历年平均为1800℃。历年平均降水为350 mm 左右，主要集中于7—9 月，海拔1570 m，气候干旱冷凉，是典型的半干旱偏旱农牧交错区。历年降水量变化见图1。2005、2006、2007、2015 和2017 年生育期降水较少，气候干旱，其余年份属于降水正常年份。试验于2004 年开始实施，采用马铃薯-油菜-莜麦三年轮作制，一年一熟，2021年种植作物为莜麦。

图1 试验区2004—2021 年生育期降雨量变化Fig.1 Variation of precipitation in the experimental area during the growing period from 2004 to 2021

试验地土壤为栗钙土，质地为壤土，肥力属中下等，试验开始时耕层土壤有机质含量12.5 g/kg，碱解氮含量75 mg/kg，速效磷含量7.5 mg/kg，速效钾含量70.4 mg/kg，pH 8.4。

1.2 试验设计

试验设CK (不施肥)、N (氮肥)、NP (氮磷肥)、NK (氮钾肥)、PK (磷钾肥)、NPK (氮磷钾肥)、M(羊粪)、NPKM (氮磷钾肥配施羊粪) 8 个处理，各年度不同处理施肥情况见表1。每个处理3 次重复，完全随机排列，小区面积50 m2。所用有机肥为羊粪，平均养分含量 N、P2O5和K2O 分别为0.57%、0.24%和1.05%，于每年作物收获后均匀撒在地表，人工翻入土中。氮肥用尿素，磷肥用重过磷酸钙，钾肥用氯化钾，化肥均在播种时开沟侧深施入土壤，所有肥料均做基肥一次施入。

表1 不同处理化学养分及有机肥年施用量 (kg/hm2)Table 1 Annual application rates of chemical nutrients and organic manure in different treatments

1.3 采样及测定项目与方法

土壤样品采集和测定：2021 年莜麦收获后取新鲜土样，将采集的土壤样品去除杂质，一部分装入无菌袋密封后带回实验室存放于4℃冰箱，用于各种酶活性的测定；另一部分自然风干过2 mm 筛，风干处理后测定pH、有机质、碱解氮、有效磷和速效钾。土壤 pH (2.5∶1)采用酸度计电位法测定，有机质 (SOM) 采用重铬酸钾外加热法测定，碱解氮 (AN)用碱解扩散法测定，有效磷 (AP) 采用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法测定，速效钾 (AK)采用乙酸铵浸提火焰光度计法测定[20]。

肥料贡献率= (施肥处理的产量-不施肥处理的产量)/施肥处理的产量×100%

酶活性的测定：土壤酶活性测定采用96 微孔板荧光法[21]。利用荧光物质 4-羟甲基-7-香豆素 (MUB)共轭物质作为测定底物，添加土壤悬液至96 孔微孔板中，测定具有代表性酶活性，包括磷酸酶 (phosphatase, PA)，硫酸酯酶 (sulfatase, SU)，4 种参与碳循环的酶 (α-葡糖苷酶α-glucosidase, AG；β-葡糖苷酶βglucosidase, BG；β-纤维二糖苷酶β-cellobiosidase,BCBH；β-木糖苷酶β-xylosidase, BX)和两种参与氮循环的酶 (亮氨酸氨基肽酶L-leucine aminopeptidase,LAP；乙酰氨基葡萄糖苷酶N-acetyl-glucosaminidase,NAG)。用1 g 样品1 h 的基质转化率表示样品酶活性[nmol/ (g· h)]。

1.4 数据处理

试验数据用 Excel 2019 整理、计算，图表数据为平均值±标准误 (SE)，采用Canoco 5.0 软件进行主成分分析 (PCA)和冗余分析 (RDA)。

2 结果与分析

2.1 长期施肥对作物产量和土壤化学特性的影响

连续18 年不同施肥处理对作物产量有显著影响，特别是NPKM 处理，其莜麦产量、土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量，以及肥料对产量的贡献率均显著高于其他处理。其次是NPK 处理，其产量显著高于除NPKM 外的其他处理，但是土壤速效养分含量低于M 处理，肥料对产量的贡献率也显著高于M 处理。莜麦产量由高到低为NPKM＞NPK＞NP≈M＞NK＞N＞PK＞CK，施肥处理分别比CK增产140.5%、108.7%、76.3%、71.1%、57.5%、48.2%和20.8%，肥料对产量的贡献率分别为58.4%、52.1%、43.3%、41.5%、36.4%、32.5%和 17.0%。由于供试土壤有效钾含量较高，因此，NP 处理产量与M 处理差异不显著 (表2)。NPKM 处理产量分别较NPK 和M 处理增产15.3%和40.5%。NPK 处理产量分别较M、PK、NK 和NP 处理增产21.9%、72.8%、32.5%和18.4%。

表2 长期施肥对莜麦产量和土壤化学性质的影响Table 2 Effects of long-term fertilization on naked oats yield and soil chemical properties

长期施肥不同程度地提高了土壤有机质和速效氮、磷、钾含量，提高幅度均以NPKM 处理最高，分别是CK 的5.35、2.29、10.07 和4.89 倍。

经过18 年的长期不同施肥，土壤化学性质发生了显著变化 (表2)。除PK 处理外，其余施肥处理土壤pH 均显著低于CK；NPKM、NPK、NP、NK 处理间土壤 pH 没有显著差异，NPKM 和NPK 显著低于除NP 和NK 处理外的其他施肥处理。

2.2 连续18 年不同施肥措施下土壤化学特性之间及与作物产量的相关分析

表3 结果表明，土壤有机质与pH、碱解氮呈极显著相关，与土壤有效磷显著相关；土壤碱解氮与速效钾、有效磷和pH 相关极显著；土壤 有效磷与速效钾相关极显著，与pH 没有显著相关性。

表3 连续18 年不同施肥措施下土壤化学特性间及其与作物产量间的相关性分析Table 3 Correlation between soil nutrients and crop yield after 18 consecutive years of fertilizations

土壤有机质和速效养分含量与莜麦产量存在极显著相关关系；pH 与产量呈极显著负相关，与有机质和碱解氮呈极显著负相关，与速效钾含量呈显著负相关。

2.3 连续18 年不同施肥措施对土壤酶活性的影响

连续施肥显著增加了土壤酶活性，参与碳循环的酶 (α-葡糖苷酶、β-葡糖苷酶、β-木糖苷酶和β-纤维二糖苷酶)、氮循环的酶 (亮氨酸氨基肽酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶)、磷循环酶 (磷酸酶) 以及硫循环酶(硫酸酯酶) 的增幅不同 (表4)。

表4 连续18 年不同施肥措施对土壤酶活性[nmol/ (g·h)]的影响Table 4 Effects of 18 consecutive years of fertilization treatments on soil enzyme activities

NPKM、M 和NPK 处理可以增加碳循环酶活性，α-葡糖苷酶、β-葡糖苷酶、β-木糖苷酶和β-纤维二糖苷酶的变化趋势基本一致，NPK 和 M 处理均能增加酶活性且二者配施后的NPKM 处理酶活性最高，这4 种碳循环酶活性分别是 CK 的1.71、1.87、2.05 和 2.11 倍，其次是M 处理，分别是CK 的1.45、1.59、1.85 和1.59 倍，NPK 处理位列第三，分别是CK 的1.44、1.38、1.68 和1.54 倍。NP 与NPK 处理只有β-木糖苷酶活性有显著差异，α-葡糖苷酶、β-葡糖苷酶和β-纤维二糖苷酶活性没有显著差异。

在参与氮循环的酶 (亮氨酸氨基肽酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶) 中，NPKM 处理酶活性最高，与其他处理差异显著，其次是M 处理，CK 和PK 处理的亮氨酸氨基肽酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶活性最低。施氮 (N、NP、NK 和NPK) 处理的亮氨酸氨基肽酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶显著高于CK 和PK处理。NPKM 和M 处理的亮氨酸氨基肽酶活性分别是CK 处理的1.97 和1.72 倍，NPKM 和M 处理的乙酰氨基葡萄糖苷酶活性分别是CK 处理的2.24 和1.91 倍。

参与磷代谢的磷酸酶活性NPKM 处理最高，其次是M 处理，分别是CK 的2.24 和1.85 倍，与不施磷肥 (CK、N 和NK) 处理的磷酸酶活性差异显著。

参与硫代谢的硫酸酯酶活性NPKM 处理最高，与其他处理差异显著，其次是M 和NPK 处理，分别是CK 的3.11、2.62 和2.42 倍。CK、NK 和N 处理的硫酸酯酶活性较低。

2.4 土壤酶活性与土壤化学特性和作物产量的相关分析

土壤酶活性与土壤养分含量和作物产量的相关关系见表5。土壤有机质、碱解氮和速效钾均与4 个碳循环酶 (α-葡糖苷酶、β-葡糖苷酶、β-木糖苷酶和β-纤维二糖苷酶)、2 个氮循环酶 (亮氨酸氨基肽酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶)、1 个磷酸酶 (磷酸酶)和1 个硫酸酯酶 (硫酸酯酶)有极显著相关关系，碱解氮与8 种酶的相关系数达到0.797～0.946，速效钾与8 种酶的相关系数在0.610～0.899。除亮氨酸氨基肽酶外，土壤有效磷与其余7 种酶均存在极显著相关关系。pH 与磷酸酶没有显著相关，与其余7 种酶极显著负相关。

表5 连续18 年不同施肥后土壤酶活性、土壤化学特性和作物产量之间的相关关系Table 5 Correlation among soil enzyme activities, soil nutrients and crop yield after 18 consecutive years of fertilizations

8 种酶活性与籽实产量之间均有极显著相关关系，其中参与碳循环的酶 (α-葡糖苷酶、β-葡糖苷酶、β-木糖苷酶和β-纤维二糖苷酶) 与产量相关系数达到0.854～0.915，参与氮循环的酶 (亮氨酸氨基肽酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶) 与产量相关系数达到0.806～0.890，参与磷循环的酶 (磷酸酶)活性与产量的相关系数为0.599。

2.5 长期不同施肥措施下土壤酶活性和土壤化学特性的主成分分析

通过对8 种土壤酶活性和5 个土壤特性进行主成分分析，第1 主成分的贡献率为83.9%，已经解释了数据的绝大部分变异，第2 主成分的贡献率仅为8.8%，前2 个主成分的累计贡献率达92.7%，基本解释了数据的全部变异 (图2)。通过和该轴的夹角和投影长度显示，长期不同施肥措施使土壤酶活性、土壤化学特性的分布产生差异，有效磷、磷酸酶、速效钾、硫酸酯酶、β-木糖苷酶、α-葡糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、碱解氮、β-葡糖苷酶、土壤有机质、亮氨酸氨基肽酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶在第一主成分上有较高载荷，位于PC1 轴的正轴上，正相关性强。第一主成分集中反映了土壤养分含量和酶活性状况；pH 位于PC1 轴的负轴上，且有较高载荷，主要反映了土壤化学性质。

图2 长期不同施肥措施下土壤酶活性和化学特性的主成分分析 (PCA)Fig.2 Principal component analysis (PCA) of soil enzyme activities and chemical properties under long-term fertilization

长期不同施肥对土壤肥力因子影响差异显著，长期NPKM、M、NPK 和NP 处理均位于PC1 轴的正轴，显著提高土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量及磷酸酶、硫酸酯酶、β-木糖苷酶、α-葡糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、β-葡糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶的活性。NPK 和NP 分布于右下方且在中心原点附近，与β-纤维二糖苷酶、β-葡糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶的活性关系密切，提高了土壤有机质和碱解氮含量；NK 和N 处理分布于左下方，与酶活性和土壤养分相关关系差；CK 和PK 处理位于PC1 轴的负轴，提高了土壤pH。

2.6 长期不同施肥措施下土壤酶活性和土壤化学特性的冗余分析

以土壤酶活性为响应变量，土壤化学性质为解释变量进行RDA 分析 (图3)。RDA 前两个排序轴土壤酶活性特征累计解释量为97.2%，能够反映土壤酶活性与化学性质的绝大部分信息。其中，第一轴 (RDA1)能解释92.4% 的变化，第二轴 (RDA2)能解释4.8%的变化。碱解氮、有效磷、速效钾、土壤有机质和pH 对酶活性有极显著的解释作用 (P＜0.01)，其中碱解氮对土壤酶活性的影响最大，解释比例达到75.1% (F=66.5,P＜0.01)，土壤有机质和有效磷也有较大影响，解释比例分别为5.7%和4.6%(F=6.2 和6.3，P＜0.01)。pH 和速效钾对土壤酶活性的影响较小 (F=1.2 和0.9，P＞0.05)，未达到显著水平。

图3 土壤酶活性与化学性质的冗余分析 (RDA)Fig.3 Redundancy analysis (RDA) of soil enzyme activities and soil chemical properties

从RDA 排序图可以看出土壤碱解氮 与 硫酸酯酶、α-葡糖苷酶、β-木糖苷酶、β-葡糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和β-纤维二糖苷酶之间夹角较小[22]，相关关系显著；土壤有效磷与磷酸酶相关性较高，土壤速效钾与硫酸酯酶相关性较高，土壤有机质与乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶相关性较高，pH 与乙酰氨基葡萄糖苷酶、α-葡糖苷酶、硫酸酯酶、β-葡糖苷酶、β-木糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、β-纤维二糖苷酶之间呈负相关关系，且与土壤有机质和乙酰氨基葡萄糖苷酶相关性强，与表5的结果一致。

3 讨论

3.1 长期施肥对作物产量和土壤化学性质的影响

连续13 年施肥 (2016 年马铃薯[17]) NPKM、NPK和M 较CK 分别增产110.5%、85.3 和94.1%。各施肥处理对作物产量的影响趋势与2021 年莜麦产量基本一致，NPKM 产量最高，NPK 次之。适宜的养分平衡供应可以保证作物持续增产，氮钾是影响作物产量的主要因素，从2013 年开始试验方案增加了氮和钾肥的投入。长期氮磷钾肥优化施用以及氮磷钾肥与有机肥配施以更合理氮、磷、钾配合施用对土壤质量有明显改善作用[23]，可有效增加土壤有机碳、碱解氮和有效磷养分含量，调节土壤pH，是提高土壤质量的有效施肥措施[24-25]。温延臣等[26]研究表明，单施有机肥以及有机无机肥配施与单施化肥相比，土壤有机碳、全氮、土壤速效磷、土壤速效钾含量分别增加95%～136%、69%～137%、5～72 倍和81%～103%；与不施肥相比，长期有机无机肥配合和单施有机肥土壤pH 分别下降了0.37 和 0.23 个单位。本研究表明，单施有机肥 (M)和有机无机肥配施 (NPKM)与化肥优化 (NPK)处理比较，土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别增加10.6%～27.1%、32.6%～71.7%、43.4%～204.1%和109.4%～186.2%。有机无机肥配施 (NPKM)及化肥优化 (NPK)处理与不施肥 (CK) 处理比较，土壤pH 分别下降0.30 和0.26 个单位，和温延臣等[26]研究结果基本一致。旱作栗钙土区长期施用有机肥、有机无机肥配施和氮磷钾优化施用可以显著增加土壤有机质含量和养分供应，调节土壤pH。

3.2 长期施肥对旱作农田土壤酶活性的影响

化肥和有机肥配施会增加土壤有机物和土壤微生物的生物量，刺激微生物产生对应的酶，从而引起土壤酶活性的增加，土壤酶活性的变化主要由土壤养分因子驱动[22]，土壤酶是土壤生态系统养分循环和代谢的主要驱动力，土壤酶活性作为较为敏感的土壤生物学指标，反映了土壤的生物活性和生化反应的活跃程度[27-29]。长期施用有机肥或有机无机肥配施，能改善土壤的理化性状，增加土壤酶活性，从而显著提高土壤肥力和土壤持续生产力[30]。长期施用有机肥和NPK 化肥优化施用能增强土壤微生物的物质分解代谢能力，促进土壤营养物质循环[31]。化肥投入可增加参与土壤碳氮循环的酶活性[32-33]，有机肥与化肥配施，比单施有机肥能更好地增强土壤酶活性[34]。本研究表明，长期NPK 优化施用、施用有机肥 (M)及有机无机肥配施 (NPKM)均显著提高了酶活性。长期氮磷钾化肥优化施用 (NPK)可以保证作物氮磷钾养分的需求，与对照相比，作物产量和生物产量显著提高，土壤氮磷钾养分含量显著增加，为土壤酶提供了反应底物，因而各种酶活性显著提高。增施有机肥可以显著提高土壤养分含量，增加了土壤养分库容[35]，同时也将相当量的酶带入了土壤，增强了养分转化能力。有机无机肥配施 (NPKM)各种酶活性最高，α-葡糖苷酶、β-葡糖苷酶、β-木糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、磷酸酶和硫酸酯酶的活性分别比单施有机肥增加18.0%、17.6%、11.0%、32.8%、14.6%、17.3%、21.0%和18.5%。

3.3 长期施肥条件下土壤化学性质和酶活性的关系

土壤酶直接参与土壤中物质的转化、养分释放和固定过程，与土壤供肥密切相关[36]。土壤酶作为土壤生态系统物质循环和能量流动过程中最为活跃的生物活性物质，驱动着土壤中碳、氮、磷等营养元素的生物化学循环过程，对土壤养分及微环境的变化十分敏感。不同施肥处理影响土壤养分循环，进而影响土壤酶活性[37-38]。土壤有机质、速效氮磷钾和pH 均与土壤碳、氮、磷代谢酶活性有极显著相关关系[39]。对土壤酶活性与土壤化学性质的RDA 分析表明，土壤碱解氮、有机质 和有效磷分别解释了酶活性变异的75.1%、5.7%和4.6%，表明碱解氮、土壤有机质和有效磷是影响农牧交错区农田土壤酶活性的关键因素，土壤有机质与碱解氮相关极显著，土壤有机质解释酶活性比例较低，可能通过碱解氮影响酶活性。土壤碱解氮含量高，硫酸酯酶、α-葡糖苷酶、β-木糖苷酶、β-葡糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和β-纤维二糖苷酶活性就高，土壤有机质含量高，乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶活性就高，而土壤有机质含量和乙酰氨基葡萄糖苷酶活性低，pH 就高。因此，较高的土壤碱解氮和有机质有利于酶活性提高，而pH 升高抑制酶活性。

4 结论

长期氮磷钾化肥优化施用，氮磷钾与有机肥配施可显著提高莜麦产量，提高土壤养分含量，增加土壤酶活性，是维持作物高产和提升土壤质量的优化施肥管理措施。其中土壤碱解氮对土壤酶活性的影响最大，土壤有机质 和有效磷也有较大影响。