糜子是黄土高原旱作区重要的粮食作物，在当地种植业结构调整和产业发展中有不可替代的作用^[1]。当前糜子生产中施氮普遍以尿素为主，肥料种类单一。控释氮肥作为一种环境友好型肥料，可有效协调氮素供应与作物养分需求的关系，在该地区糜子生产中有较大的应用前景。土壤微生物是土壤有机无机养分循环的动力，其含量在一定程度上能表征土壤对养分的固持和有效化能力^[2]。土壤酶参与土壤有机质分解、养分循环及物质代谢过程，其活性直接决定土壤中各类生化反应的强度及方向^[3]。土壤微生物量和土壤酶对土壤内部环境变化十分敏感，较其他理化指标能更快地反映出土壤质量的变化。研究控释氮肥减量施用下微生物量碳和土壤酶活性的变化对明确氮肥减肥增效机理有积极意义。

控释氮肥施入土壤后显著改变了作物生育期内土壤氮素时空分布，与普通化肥相比，控释氮肥可改善土壤生物学环境，增强土壤养分供应能力，降低土壤养分盈余^[4]。施用控释氮肥能增加土壤脲酶活性、提高土壤有机碳含量并协调土壤氮磷钾元素的平衡^[5]。在施用尿素时配施控释氮肥可提高水稻和小麦田土壤微生物量氮含量和土壤酶活性，增强土壤有机态氮的转化，保证作物生育后期氮素的有效性^[6]。叶洁^[7]研究表明，辣椒栽培基质中过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶活性均随着控释氮肥用量的增加而提高。卢家柱^[8]认为，控释氮肥可提高土壤中蔗糖酶活性，但显著降低了土壤过氧化氢酶活性。控释氮肥的聚合物包膜材料施入土壤后也可影响土壤理化性状。刘明等^[9]研究表明，控释氮肥树脂残膜可增强土壤营养供应，改变土壤生物学特征。在小麦-水稻轮作上的研究表明，土壤过氧化氢酶、脲酶活性变化趋势均为树脂残膜加施肥处理高于单纯施肥处理，且在部分时期差异显著^[10]。

综上所述，近年来关于控释氮肥和土壤生物学特性的研究较多，但关于控释氮肥减量下黄土高原丘陵区糜子田土壤酶活性及微生物量碳时空分布的研究鲜见报道。本试验以黄土高原旱作区糜子为研究对象，设置普通尿素及不同控释氮肥减量处理，探究其对糜子田土壤酶活性及微生物量碳含量的影响，以期为控释氮肥在糜子上的应用提供理论依据及技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于 2018 和 2019 年在内蒙古清水河县五良太乡后脑包村（39°57′N，111°39′E）进行（两年不同地块的重复试验），该地区是长城沿线典型的旱作丘陵地区，丘陵山地占 90% 以上，平均海拔 1374 m。该区域属典型的中温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温 7.1℃，≥ 10℃积温 2370℃，无霜期 140 d，年日照时数为 2914 h，年平均大风（指瞬间风速达 17 m·s^-1，即八级以上）日数达 19 d，年总辐射量 570.6 kJ·cm^-2，干燥度 3.94，春旱尤为严重。试验地土壤类型为黄绵土，土壤肥力情况见表1。试验地 2018 和 2019 年 1—9 月总降水量及月平均气温情况见图1。

1.2 供试材料和试验设计

1.2.1 供试材料

供试糜子品种为当地主栽品种“黑糜子”，清水河农业农村局提供。供试肥料：控释氮肥（释放期 90 d 的树脂包衣尿素，N 46%），尿素（N 46%），过磷酸钙（P₂O₅ 12%），硫酸钾（K₂O 51%）。

1.2.2 试验设计

试验采用随机区组设计，以当地习惯施尿素 N 120 kg·hm^-2 为对照（TN），设置控释氮肥 N 120 kg·hm^-2（T1）、108 kg·hm^-2（T2）、96 kg·hm^-2 （T3）、84 kg·hm^-2（T4）、72 kg·hm^-2（T5）和不施氮肥（T0）7 个处理，各处理氮肥均于播种前一次性基施，并于播种时基施过磷酸钙和硫酸钾，用量为 P₂O₅ 80 kg·hm^-2、K₂O 25 kg·hm^-2。试验在 2018 和 2019 年分别于 5 月 28 日和 5 月 31 日播种，于 9 月 27 日和 9 月 26 日收获。采用机械条播，行距 25 cm。小区面积 30 m²，重复 3 次。

1.3 测定指标及方法

两年分别于糜子苗期、抽穗期和成熟期在每小区内选取三点，先除去样点土壤表层杂草等杂物，然后用土钻取 0～20、20～40 cm 土层土壤样品，混匀后带回实验室。土壤样品部分过 2 mm 筛后置于4℃冰箱冷藏用于土壤微生物量碳含量测定，剩余土壤避光风干后过 1 mm 筛进行土壤酶活性测定。

土壤微生物量碳含量采用氯仿熏蒸-K₂SO₄ 提取法^[11]测定；土壤脲酶活性采用靛酚比色法^[12]测定，过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法^[13]测定，蔗糖酶活性采用 3，5-二硝基水杨酸比色法^[12]测定。土壤酶活性综合指数（GEM）是将土壤蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶活性求取几何平均数，作为衡量土壤质量的综合酶活性指标，计算公式为^[14]：

$\mathrm{G}\mathrm{E}\mathrm{M}=\sqrt[3]{\text{脲酶}\times \text{蔗糖酶}\times \text{过氧化氢酶}}$

于糜子成熟期取 30 株进行考种，测定主茎穗第一分枝基部到穗头的长度，即为穗长，测定每株穗重和千粒重，计算其平均值。在每个处理各重复中选择 1 m² 晾晒风干后脱粒称重，然后折算成公顷产量。

1.4 数据分析

试验数据采用 Excel 2021 进行处理并绘图，用 SAS 9.4 进行单因素方差分析（P<0.05）及相关性分析，不同处理间多重比较采用最小显著差异法（LSD）。

2 结果与分析

2.1 控释氮肥减量对土壤过氧化氢酶活性的影响

土壤过氧化氢酶活性随控释氮肥用量的变化见图2。随着生育期推进土壤过氧化氢酶活性呈现先升高后下降的倒 V 字趋势，且各处理 0～20 cm 土层过氧化氢酶活性均高于 20～40 cm 土层。施氮肥对土壤过氧化氢酶活性有促进作用，两年各生育期施肥处理土壤过氧化氢酶活性均高于 T0。在苗期各处理土壤过氧化氢酶活性均以 TN 处理最高且显著高于 T3、T4 和 T5 处理，T1 处理过氧化氢酶活性较 TN 降低 2.61%～17.69%，两年 T4 和 T5 处理均显著低于 T1 处理，这表明过量减氮不利于苗期过氧化氢酶活性提高。在抽穗期和成熟期，各处理土壤过氧化氢酶活性均以 T1 处理最高，且随控释氮肥减量呈降低趋势。以成熟期为例，T1 和 T2 处理两年平均较 TN 在 0～20 cm 土层提高 3.81% 和 2.50%，T1 处理在 20～40 cm 土层较 TN 提高 0.80%，其中 T1 处理与 TN 两年差异均不显著。 T3、T4 和 T5 处理土壤过氧化氢酶活性两年平均较 TN 在 0～20 cm 土层分别降低 3.11%、7.49% 和 11.02%，在 20～40 cm 土层分别降低 4.92%、8.72% 和 10.90%。从苗期到抽穗期，T3 处理土壤过氧化氢酶活性变幅较大，从抽穗期到成熟期两年变幅较大的分别为 T4 和 T5 处理，这表明控释氮肥减氮量过大不利于过氧化氢酶在作物生育期内的稳定性。

注：图柱上不同小写字母表示相同土层同一生育期不同处理在 0.05 水平上差异显著。下同。

2.2 控释氮肥减量对土壤脲酶活性的影响

控释氮肥减量下土壤脲酶活性变化见图3。糜子生育期内土壤脲酶活性呈现先升高后下降的趋势，两土层均在抽穗期达到最大。在苗期到抽穗期和抽穗期到成熟期两个阶段，0～20 cm 土层脲酶活性变化幅度均高于 20～40 cm 土层，这可能与表层土壤微生物和植物根系活动频繁有关。整个生育期内施氮肥可显著提高土壤脲酶活性，且降幅随控释氮肥减量呈降低趋势。在苗期，各处理土壤脲酶活性表现为 TN>T1>T2>T3>T4>T5>T0，控释氮肥处理土壤脲酶活性较 TN 降低 0.03%～15.75%，其中 2018 年 T3、T4 和 T5 处理脲酶活性显著低于 TN。在抽穗期和成熟期，除 2018 年抽穗期 20～40 cm TN 处理最高外，各土层脲酶活性均以 T1 处理最高，且随施氮量降低呈下降趋势。以成熟期为例，T1 和 T2 处理土壤脲酶活性两年均高于 TN 处理，在 0～20 cm 土层两年平均较 TN 分别提高 4.55% 和 1.68%，20～40 cm 土层两年平均较 TN 分别提高 4.52% 和 1.82%。T3、T4 和 T5 处理在 0～20 cm 土层较 TN 降幅为 2.59%～9.36%， 20～40 cm 土层较 TN 降幅为 3.16%～12.06%，其中 T5 处理土壤脲酶活性两年均显著低于 TN。

2.3 控释氮肥减量对土壤蔗糖酶活性的影响

不同处理对土壤蔗糖酶活性的影响见图4。蔗糖酶活性随着生育期的推进呈先升高后下降的趋势，在抽穗期达到最大。施氮肥可显著提高土壤蔗糖酶活性，各施氮处理两年 0～20 cm 土层较 T0 提高 5.18%～33.28%，20～40 cm 土层较 T0 提高 0.21%～32.18%。在苗期，各处理蔗糖酶活性均以 TN 处理最高，表现出随控释氮肥的减量有降低的趋势；其中 T4 和 T5 处理蔗糖酶活性两年均显著低于 TN，T5 处理两年均显著低于 T1 处理，这表明控释氮肥减量 40% 不利于糜子苗期土壤碳代谢水平的提高。在抽穗期和成熟期，土壤蔗糖酶活性均以 T1 处理最高，但与 TN 差异不显著。以抽穗期为例，T1 处理 0～20 cm 土层和 20～40 cm 土层蔗糖酶活性两年分别为 18.11 和 13.21 mg·g^-1、19.31 和 11.29 mg·g^-1，较 TN 提高 3.06% 和 1.59%、2.24% 和 1.56%。T2、T3、T4 和 T5 处理蔗糖酶活性较 TN 均降低，在 0～20 cm 土层降低 0.28%～11.18%，在 20～40 cm 土层降低 3.66%～15.75%。但总的来说控释氮肥适量减氮对土壤蔗糖酶活性影响较小，各控释氮肥处理中仅 T5 处理两年显著低于 TN 处理。

2.4 控释氮肥减量对土壤酶综合指数的影响

年际间酶综合指数表现为 2018 年 >2019 年，这可能与 2018 年降水量大，试验地土壤肥力高有关（图5）。生育期间土壤酶综合指数表现为苗期最低，抽穗期达到最高后到成熟期有小幅降低，施氮肥可显著提高土壤酶综合指数，各施氮处理较不施肥增幅达 2.18%～23.93%。在苗期，TN 处理土壤酶综合指数较 T1 处理提高 2.06%～3.41%，但在抽穗期和成熟期 T1 处理土壤酶综合指数较 TN 增幅达 0.14%～6.21%，说明控释氮肥在提高糜子生育中后期土壤酶综合指数的同时会抑制苗期酶综合指数。随控释氮肥减量土壤酶综合指数呈降低趋势。以 2018 年成熟期 0～20 cm 土层为例，T1、T2 和 T3 处理土壤酶综合指数较 TN 提高 6.21%、5.27% 和 0.56%，T4 和 T5 处理土壤酶综合指数较 TN 分别降低 4.57%、9.95%，其中 T3、T4 和 T5 处理土壤酶综合指数显著低于 TN。综合来看，T1 和 T2 处理在两年各生育期均与 TN 差异不显著，T3 处理仅在 2019 年苗期和成熟期 0～20 cm 土层显著低于 TN，这说明控释氮肥适量减氮并不显著降低土壤酶综合指数。

2.5 控释氮肥减量对土壤微生物量碳含量的影响

两年数据表明，土壤微生物量碳含量在糜子生育期内呈先上升后下降的趋势（图6）。苗期各施肥处理微生物量碳含量在 0～20 cm 土层较 T0 增加 9.98%～30.90%，20～40 cm 土层较 T0 增加 3.17%～20.86%，表明施氮肥对表层土壤微生物量碳含量影响较大。苗期 TN 处理微生物量碳含量较 T1 高 1.7%～3.95%，但差异未达显著水平，抽穗期和成熟期 T1 微生物量碳较 TN 处理高 3.86%～5.58%，其中抽穗期 0～20 cm 土层差异显著，表明施用控释氮肥较普通尿素对土壤微生物量碳的影响主要体现在生育后期。控释氮肥减量影响了土壤微生物活性，微生物量碳含量随之降低。以成熟期为例，T1 和 T2 处理土壤微生物量碳含量在 0～20 cm 土层两年平均较 TN 提高 4.67% 和 1.12%，在 20～40 cm 土层两年平均较 TN 提高 4.17% 和 1.60%。T3、T4 和 T5 处理微生物量碳含量均低于 TN，在 0～20 cm 土层两年平均较 TN 分别降低 4.07%、7.38% 和 11.02%，在 20～40 cm 土层两年平均较 TN 降低 1.14%、3.86% 和 9.14%。但各施肥处理间仅 T4、T5 处理显著低于 TN，其他各处理与 TN 差异不显著。

2.6 控释氮肥减量对糜子产量及其构成因素的影响

控释氮肥减量对糜子产量及其构成因素的影响见表2，施氮肥可显著提高糜子产量，较 T0 增加 29.06%～44.31%。施用等量控释氮肥糜子产量两年分别较 TN 显著提高 4.97% 和 3.88%。随着控释氮肥减量，糜子产量呈降低趋势，其中 T1 和 T2 处理糜子产量两年均显著高于 TN，T3 处理与 TN 差异不显著，T4 和 T5 处理显著低于 TN。穗长是糜子产量构成的重要因素，T1、T2 和 T3 处理糜子穗长两年均与 TN 差异不显著，T5 处理两年均显著低于 TN。施氮肥可显著提高糜子千粒重，但控释氮肥及减氮处理与施尿素间差异不显著。公顷穗数和穗重是影响糜子产量的主要因素，随着控释氮肥减量，糜子公顷穗数呈降低趋势，其中 T1、T2 和 T3 处理两年均与 TN 差异不显著，T4 和 T5 处理 2018 年显著低于 TN，降幅为 0.40%～5.75%。糜子穗重受氮肥减量影响显著，与普通尿素相比， T1 和 T2 处理糜子穗重两年平均较 TN 提高 4.44% 和 1.86%，T3、T4 和 T5 处理两年平均较 TN 降低 2.19%、7.64% 和 9.22%。

2.7 土壤生物学性状与产量的相关性分析

在苗期，过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶、酶综合指数、微生物量碳和产量间均呈极显著相关，土壤生物学指标除脲酶与过氧化氢酶呈显著相关外其他指标间均呈极显著相关（表3）。在抽穗期，土壤微生物量碳与产量呈显著相关，其他指标间极显著相关。在成熟期，土壤生物学指标间呈极显著相关，脲酶和酶综合指数与产量呈极显著相关，过氧化氢酶、蔗糖酶和微生物量碳与产量呈显著相关。这也说明生育前期和中期土壤生物学特性变化对糜子产量影响更大，不同控释氮肥处理下脲酶和酶综合指数是影响糜子产量的主要土壤生物学指标。

续表

注：表中 * 和 ** 分别表示相关性为显著（P<0.05）和极显著（P<0.01）。

3 讨论

3.1 氮肥处理下土壤生物学特性的时空分布规律

土壤酶和微生物量是表征土壤质量的重要生物学指标^[15]。本研究中，土壤酶活性、酶综合指数及微生物量碳含量在糜子生育期内表现为先升高后下降的趋势，这与冯爱青等^[16]的研究结果相同。土壤酶活性和微生物量与土壤水热条件密切相关，糜子生育前期土壤酶活性和微生物量碳含量相对较低可能与土壤温度低有关，加之翻耕等措施加快了水分散失，进一步制约了土壤微生物量的提高^[17]。随着生育期推进，土壤温度逐渐升高，降水量增加及作物根系分泌物增多等因素共同促进土壤微生物生长繁殖，提高了土壤微生物量碳含量及土壤酶活性。糜子生长后期根系活动减弱，土壤养分含量达到整个生育期最低则是土壤微生物量碳和酶活性降低的主要原因^[3]。控释氮肥养分在作物生长前期和后期释放慢，中间释放速率加快，整个过程高峰期与抽穗期重合，这也导致酶活性呈先高后低变化^[18]。

3.2 控释氮肥减量对土壤酶活性的影响

施用氮肥可改善土壤养分环境，促进腐殖质腐解，进而增加土壤有机质含量，明显提高土壤氮素的矿化作用，增强土壤内物质代谢水平^[19-20]。本试验中，施氮显著提高土壤过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶活性。土壤过氧化氢酶有减轻作物过氧化氢毒害的作用，可促进作物的养分吸收利用^[21]。部分研究表明，施用控释氮肥可以提高土壤过氧化氢酶活性，且效果较尿素更好^[22-23]。但本试验中施用控释氮肥较普通尿素并未显著提高糜子生育中后期土壤过氧化氢酶活性。也有结果表明施用控释氮肥抑制了土壤中过氧化氢酶活性，适当减氮可以降低对土壤过氧化氢酶活性的抑制作用^[24]。本试验中，随控释氮肥减量土壤过氧化氢酶活性呈降低趋势，但仅在减氮 40% 时土壤过氧化氢酶显著低于 TN。黄土高原丘陵区土壤有机质含量低，土壤酶活性普遍偏小，这一结果也表明控释氮肥适当减氮对当地过氧化氢酶影响较小。脲酶是唯一对尿素的转化作用有重要影响的胞外酶，其活性可以指示土壤的氮素状况^[23]。有研究表明普通尿素掺混控释尿素 40% 以上能明显提升拔节期以后稻、麦田脲酶等土壤酶活性^[25]。对比普通肥料施用控释氮肥可提高脲酶活性 15.70%，并抑制过氧化氢酶活性，当控释氮肥减量 20% 时显著降低了脲酶活性^[24]。本试验表明，施用控释氮肥较普通尿素可提高土壤脲酶活性 3.62%～5.48%，减氮 20% 显著降低了抽穗期和成熟期土壤脲酶活性达 8.76%。土壤脲酶活性与铵态氮含量呈显著正相关，与硝态氮含量呈极显著正相关^[26]。这一结果提示在该地区控释氮肥减量 20% 及以上时可能会影响土壤的供氮能力。土壤蔗糖酶主要参与多糖分解，为植物生长提供必要的碳源，大部分研究表明施用控释氮肥可以显著提高土壤蔗糖酶活性^[27-28]。本试验表明，施用控释氮肥可以提高糜子生育中后期土壤蔗糖酶活性，但仅个别生育期差异达显著水平。随着控释氮肥减量，土壤蔗糖酶活性均呈降低趋势，但减氮 30% 时差异不显著。土壤蔗糖酶酶活性与土壤水热和有机质等因素密切相关^[29]，施肥对土壤蔗糖酶活性影响较小可能是当地有机质含量较低，制约了蔗糖酶活性的提升，具体原因还需进一步研究。

3.3 控释氮肥减量对土壤酶综合指数及微生物量碳含量的影响

施氮可为土壤微生物提供大量氮源，促进土壤无机氮素向微生物氮转化，协同提高土壤微生物量碳氮含量^[30]。氮肥施入土壤后根系分泌物增加可为微生物提供碳源，促进土壤中微生物的生长和酶活性的提高^[31]。土壤酶促反应在具有特异性的同时也具有共性，土壤酶综合指数可以较好地反映土壤生物学特性^[14]。两年结果表明，施用控释氮肥并未显著提高土壤酶综合指数，减氮处理土壤酶综合指数也仅在 T5 处理时显著低于 TN。这说明施用控释氮肥减量 40% 以下对该地区土壤生物学特性影响较小。土壤养分变化可直接影响土壤微生物的生长环境，改变微生物群落结构，进而影响土壤微生物量碳含量^[32]。施用控释尿素可以显著提高油菜、夏玉米生长后期土壤微生物量碳含量^[33-34]。本研究表明，施用控释氮肥较普通尿素提高了抽穗期和成熟期土壤微生物碳含量，减氮 40% 时土壤微生物量碳含量显著低于全量处理。本试验中，燕麦产量与各生育期土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、酶综合指数及微生物量碳均呈显著或极显著相关，这说明较高的土壤生物学特性对糜子产量提高有积极意义。

4 结论

糜子生育期内土壤酶活性、酶综合指数及微生物量碳含量均呈先上升后下降的单峰曲线变化，且随土层加深呈降低趋势。等量施用控释氮肥并未显著影响土壤酶活性及微生物量碳含量，控释氮肥减量土壤生物学活性呈降低趋势，减量 30% 时土壤脲酶和酶综合指数显著低于 TN 处理，降幅分别为 3.65%～7.12% 和 2.62%～9.60%，减氮 40% 时土壤过氧化氢酶、蔗糖酶和微生物量碳含量显著低于 TN，降幅分别为 2.84%～12.77%、 4.85%～16.63% 和 5.45%～13.90%。施用控释氮肥显著提高糜子籽粒产量 3.88%～4.97%，控释氮肥减量 10%～20% 时糜子产量与 TN 处理差异不显著，减量 30%～40% 时产量显著降低 3.19%～5.23%。

综上所述，在黄土高原丘陵区糜子生产中控释氮肥一次性基施肥效优于尿素，表现出较大的减肥潜力。在试验地区推荐控释氮肥全量施用，为降低种植成本也可适量减氮 10%～20%。

参考文献