氮是陆地生态系统中影响植物生长和发育的主要限制性因子，其含量直接影响着植物的生长和发育^[1]。土壤中氮素存在形式主要分为有机氮和无机氮^[2]。有机氮需要通过微生物的矿化作用转化为无机氮才能被植物直接吸收利用；而植物通过生长和代谢释放的有机物又成为微生物分解的底物^[3]。这种有机氮与无机氮之间的转化和循环组成了土壤-植物氮素循环系统，维持着土壤肥力平衡并促进作物的生长和发育^[4]。土壤酶作为土壤生物活性的重要组成部分，其活跃程度直接影响着生化反应的强度及方向，同时也是农田生态系统氮素转化的重要因素^[5]。

农田管理措施直接影响着土壤中氮组分含量和相关酶活性，尤其是灌溉和施肥措施^[6]。水分变化对土壤氮组分含量及相关酶的影响是一个复杂的过程，受氮素形态转化、淋失、植物吸收利用以及微生物活动等因素的综合作用^[7-8]。研究表明，过量灌溉会导致土壤中氮元素的淋失，形成水层，降低土壤的通气透水能力，从而影响土壤中微生物和酶的活性^[9]；曹飞^[10]研究发现，适宜的灌溉量改善了土壤的水分状况，提高氮肥利用率，并对土壤中的微生物和酶活性产生了积极影响，从而促进有机氮向铵态氮（NH₄ ⁺-N）和硝态氮 （NO₃^--N）方向的转化。此外，氮肥的施用量是影响土壤氮成分含量及相关酶活性的重要因素，过量施氮会导致土壤中 NH₄ ⁺-N 和 NO₃^--N 积累在深层土壤（20～40 cm）中，从而增加了土壤中无机氮淋失的风险^[11]。适宜的施氮量能有效提升蔗糖酶、碱性磷酸酶（ALP）和脲酶（URE）活性，且施氮量为 240 kg/hm² 时，酶活性达到峰值^[12]。因此，亟须探究适宜的灌溉和施肥模式，以提高农田土壤养分含量及相关酶活性。目前，基于水肥一体的耦合管理技术体系已开展了大量研究，但能否通过优化滴灌和施氮模式来增加土壤养分的管理措施却少见报道。

河西走廊因其独特的气候、水肥条件，已成为我国重要的玉米生产基地和优势产区^[13]。青贮玉米具有适口性好、消化率高、保存方便等特点^[14]。近年来，由于该地区大水漫灌、施氮过量，导致玉米的增产弹性降低、养分失衡，从而在一定程度上影响农业生产的可持续性^[15]。因此，在实际种植过程中，优化水氮配比、提高氮肥利用率迫在眉睫。本研究以张掖市青贮玉米土壤氮组分含量及其相关酶活性为突破口，在不同的水氮协同条件下，探讨增加土壤养分的可行性，旨在为提高青贮玉米增产潜力、优化试区高产高效的青贮玉米种植管理模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于 2022—2023 年 4 月至 9 月下旬于甘肃省张掖市华瑞牧场（37°56′—38°48′N， 100°22′—101°13′E）进行。该地区海拔 1592.2 m，属温带大陆性荒漠草原气候，无霜期 140 d，具有丰富的日照时长和光热资源，年平均日照时间为 2794 h。年温差大，年平均气温 3.4～5.6℃，年平均降水量 290 mm。供试青贮玉米品种为青贮金岭 67。2022 与 2023 年降水量分别为 181.42、 193.20 mm，该地区完全依赖于地下水灌溉，供试土壤类型为风沙土，试验前样地 0～30 cm 土壤基础肥力见表1。

1.2 样地设置

基于对当地青贮玉米种植习惯的调查和走访，以及对前人研究数据进行分析总结^[16-17]，参照当地传统滴灌量（6150 m³ /hm²）和习惯施氮量（311 kg/hm²），采用随机区组试验，设节水和减氮两因素。灌水量设定为 W₁（较传统滴灌量节水 10%， 5535 m³ /hm²），W₂（ 传统滴灌量，6150 m³ /hm²）； 施氮水平设定为：N₁（较习惯施氮量减氮 20%， 249 kg/hm²）、N₂（较习惯施氮量减氮 10%，280 kg/ hm²）、N₃（习惯施氮量，311 kg/hm²）；共 6 个处理，3 次重复，共计 18 个小区。小区长 25 m，宽 1.6 m，面积 40 m²。为防止小区间的相互干扰，各小区设 1 m 的隔离带。青贮玉米采用覆膜播种，株距 25 cm，行距 50 cm。

1.3 水肥管理方法

灌溉采用膜下滴灌，滴灌带选用内镶贴片式，毛管直径 16 mm，壁厚 0.2 mm，滴头间距 300 mm，滴头流量 2.2 L/h，滴灌带与青贮玉米种植方向平行，间距为 60 cm。当土壤含水量低于各处理体积含水量下限的 60% 时开始灌水；播种前均匀施牛粪肥 4500 kg/hm² 作为底肥，使用液压泵装置进行施肥，并随灌水施入，试验所用氮肥为尿素 （N 46%），同时在不同生育期根据传统方案，所有处理均施磷、钾肥，磷、钾肥采用磷酸脲（P₂O₅ 44.06%）和氯化钾（K ₂O 57%），施入总量分别为 146 和 107 kg/hm²，同氮肥一起分别在拔节期前 （拔节期前 2 周）（5.9%）拔节期（64.7%）、抽雄期（29.4%）施入，具体灌溉和施氮见图1，其他管理措施同大田一致。

1.4 样品采集

于青贮玉米成熟期（9 月 25 日）各处理分别取 0～10、10～20、20～30 cm 土层土样，采用“S”形五点法取样，将相同处理下 3 个小区土样混匀，去除碎石、杂草等杂物，装入密封袋内，将其中一部分新鲜土经 2 mm 筛网进行过滤，以测定 ${\mathrm{N}\mathrm{O}}_3^{-}$-N、NH₄ ⁺-N 和微生物量氮（MBN）。另外一部分土样则平铺在干净的白纸上，在室内整洁的通风环境下自然风干，严禁曝晒。在风干过程中，需要定期翻动土样，待其完全风干后，经 0.25 mm 筛网进行过滤，以测定全氮（TN）和酶活性。

1.5 指标测定

采用环刀法测定土壤容重（BD），用 TRIME-T3 管式水分仪测定土壤含水量（WC）；采用半微量凯氏法测定土壤 TN 含量；土壤 NH₄ ⁺-N、 NO₃^--N 用 MgO-代氏合金蒸馏法测定；MBN 采用氯仿熏蒸-K₂SO₄ 浸提法测定^[18]；URE 活性采用靛酚蓝比色法测定；ALP 活性采用磷酸苯二钠法测定；蛋白酶（PRO）活性采用干酪素比色法测定； 过氧化氢酶活性（CAT）采用高锰酸钾滴定法测定^[19]。

于青贮玉米成熟期各小区随机选取（1.6 m× 1 m）的 3 个样地，保证各样地有相同数量植株 （12 株），称取地上部分鲜重，换算成公顷鲜重作为青贮玉米公顷产量^[20]。

1.6 数据处理与分析

采用 Origin 2022 绘图，SPSS 27.0 进行数据统计分析。针对不同水氮协同条件下各变量之间的差异显著性（α=0.05）进行了三因素方差分析和多重比较（LSD）分析，同时，利用 Pearson 相关分析描述各因子之间的相关关系。

2 结果与分析

2.1 水氮协同下青贮玉米土壤氮组分含量变化特征

水氮协同对土壤氮组分含量的影响如图2 所示。2022 与 2023 年，不同处理下青贮玉米土壤 TN、NH₄ ⁺-N、NO₃^--N 和 MBN 含量均随土层深度的增加而降低。在相同滴灌条件下，随着施氮量的增加，0～30 cm 土层土壤 TN、MBN 含量也随之增加，而 NH₄ ⁺-N、NO₃^--N 含量呈先增加后降低的变化趋势。2022 与 2023 年，随着施氮量的增加，W₁ 相较 W₂ 土壤 TN 含量分别增加了 13.79%、 19.73%、23.27% 与 7.33%、21.43%、20.86%，土壤 NH₄ ⁺-N 和 NO₃^--N 含量分别增加了 14.46%、29.01%、 15.79% 和 20.47%、25.79%、20.30% 与 24.60%、 24.30%、24.63% 和 20.32%、32.97%、22.57%，MBN 含量分别增加了 59.13%、43.51%、43.44% 与 39.20%、 44.19%、28.25%。可见，在 0～30 cm 土层土壤中， W₁N₃ 处理有效提高 TN、MBN 含量，W₁N₂ 处理有效提高 NH₄ ⁺-N、NO₃^--N 含量。

三因素方差分析表明（表2），滴灌量对氮组分存在极显著影响（P ＜ 0.01）；滴灌量和施氮量交互对 TN、NH₄ ⁺-N、NO₃^--N 和 MBN 存在极显著 （P ＜ 0.01）或显著（P ＜ 0.05）影响。土层和滴灌量的交互作用对 MBN 有极显著影响；土层和施氮量的交互作用对 NH₄ ⁺-N、MBN 和 NO₃^--N 有极显著（P ＜ 0.01）或显著（P ＜ 0.05）的影响；土层、滴灌量和施氮量的交互作用与土层和施氮量的交互作用一致。

2.2 水氮协同下青贮玉米土壤酶活性变化特征

水氮协同对土壤酶活性的影响如图3 所示。2022 与 2023 年，不同处理下青贮玉米土壤 URE、PRO、ALP 和 CAT 活性均随土层深度的增加而降低。在相同滴灌条件下，随着施氮量的增加，0～30 cm 土层土壤 URE、PRO 活性也随之增加，而 ALP、CAT 活性呈先升高后降低的变化趋势。2022 与 2023 年，随着施氮量的增加，W₁ 相较W₂ 土壤 URE 活性分别增加了 18.60%、 15.56%、12.00% 与 19.57%、16.33%、18.00%，PRO 活性分别增加了 22.35%、20.10%、21.71% 与 21.67%、 19.14%、21.72%，ALP 和 CAT 活性分别增加了 25.00%、 37.73%、37.50% 和 6.38%、7.68%、5.16% 与 9.20%、 34.04%、25.84% 和 9.40%、9.30%、8.45%。可见，在 0～30 cm 土层土壤中，W₁N₃ 处理有效提高 URE、 PRO 活性，W₁N₂ 处理有效提高 ALP、CAT 活性。

注：不同小写字母表示不同水氮协同处理间差异显著（P<0.05），下同。

三因素方差分析表明（表3），滴灌量和施氮量对土壤酶活性产生极显著（P<0.01）或显著（P<0.05）影响。由 F 值可知，滴灌量对 URE、 PRO 和 CAT 活性的影响程度大于施氮量。水氮交互对酶活性存在极显著（P<0.01）或显著（P<0.05） 的交互作用。土层与滴灌量、土层与施氮量、土层和滴灌量及施氮量间的交互作用仅对 URE 产生极显著交互作用（P<0.01）。

2.3 水氮协同下青贮玉米产量变化

由图4 可知，2022 与 2023 年，不同处理下青贮玉米产量在 90.13～112.46 t/hm2 之间与 85.16～117.14 t/hm² 之间；W₁N₂ 处理下青贮玉米产量最高，而 W₂N₁ 处理最低；除 W₁N₃ 处理外，W₁N₂ 处理下青贮玉米产量显著（P<0.05）高于其他处理 5.76%～24.78% 与 9.26%～37.35%，而 W₁N₂ 与 W₁N₃ 处理间产量无显著差异。

注：不同小写字母表示处理间产量差异显著（P<0.05）。

2.4 土壤氮组分含量、酶活性及产量间的相关性分析

由图5 可知，氮组分间、酶活性间均呈极显著 （P<0.01）或显著（P<0.05）正相关关系；除 TN 和 MBN 外，NH₄ ⁺-N 和 NO₃^--N 与 4 种酶之间均呈极显著（P<0.01）或显著（P<0.05）正相关关系；氮组分、酶活性与产量之间均存在极显著（P<0.01） 或显著（P<0.05）正相关关系。

注：TN：全氮；NH₄ ⁺-N：铵态氮；NO₃^--N：硝态氮；MBN：微生物量氮； URE：脲酶；PRO：蛋白酶；ALP：碱性磷酸酶；CAT：过氧化氢酶；Y：青贮玉米产量。** 表示极显著相关（P<0.01），* 表示显著相关（P<0.05）。

2.5 土壤理化性质对土壤氮组分及酶活性的相关性分析由表

由表4 可知，土壤 BD 与 TN、MBN 呈极显著负相关关系（P<0.01），与 URE、PRO 呈显著正相关关系（P<0.05）；土壤 WC 与土壤氮组分呈极显著负相关关系（P<0.01），与酶活性呈不同水平的显著正相关（P<0.05）；pH 与 NH₄ ⁺-N、NO₃^--N 呈极显著负相关关系（P<0.01），与 URE、PRO、 CAT 呈极显著正相关关系（P<0.01）。

注：BD：容重；WC：含水量；** 表示极显著相关（P<0.01），* 表示显著相关（P<0.05）。

3 讨论

3.1 水氮协同对土壤氮组分含量的影响

氮是植物从土壤中获取量最大的营养元素之一，在灌溉农业中，水、肥、气、热等环境因子显著影响土壤氮素含量^[21]。MBN 是土壤氮素矿化势的重要组成部分，适宜的灌溉和施肥条件可以改善土壤微生物的种群结构，提升土壤中微生物的数量和碳、氮含量^[22]。本研究发现，W₁N₃ 处理显著提升 0～30 cm 土层土壤 TN、MBN 含量。这是由于节水滴灌提高水分利用效率、降低土壤 BD、减少氮素损失，从而促进土壤氮素积累^[23]，同时节水灌溉改善了土壤水分环境和通气状况，有利于植物生长和微生物繁殖，促进有机物质的分解，从而增加了土壤 TN、MBN 含量^[24]。相反，过量滴灌会降低土壤通气性，限制微生物活动和腐殖质分解，导致微生物数量减少、影响氮素循环，从而降低土壤 TN、MBN 含量^[25]。在传统施氮条件下，除被植物吸收部分外，过量的氮素积累并贮存在土壤中，这有助于弥补氮素的消耗，增强土壤对氮素的固持，从而提高微生物活性，进而增加土壤 TN、MBN 含量^[26]。

土壤 NH₄ ⁺-N 和 NO₃^--N 均为水溶性无机态氮可直接被植物吸收利用，二者之间可以相互转化，受到水氮管理模式、土壤环境、微生物等多方面因素的共同影响^[27]。本研究发现，W₁N₂ 处理显著提升 0～30 cm 土层土壤 NH₄ ⁺-N、NO₃^--N 含量。这与雒文鹤等^[28]的研究结果一致，这可能是因为适宜的滴灌和施氮有助于氮肥溶解，提高了肥料利用率，增加了土壤肥力；同时土壤中的微生物活性增强，有机物质更容易被微生物分解，从而释放出更多的 NH₄ ⁺-N 和 NO₃^--N^[29]。而过量滴灌和施氮会使土壤孔隙度减小，通气性变差，耕性降低，地面支持能力减弱，抑制土壤呼吸作用和微生物活性，从而减缓了有机氮的矿化速率，导致 NH₄ ⁺-N、 NO₃^--N 含量降低^[30]。

本研究中，土壤 TN、NH₄ ⁺-N、NO₃^--N、MBN 均随土层深度的增加而降低，这可能是由于外源氮的表层输入导致养分在土壤表层富集，形成了明显的养分梯度^[31]。此外，各氮组分间均呈极显著 （P<0.01）或显著（P<0.05）正相关关系（图5），这表明表层氮含量的提高促进了微生物活性的增强，进一步促进氮组分的累积。

3.2 水氮协同对土壤酶活性的影响

URE 在土壤中起到了分解尿素、供应植物可利用氮源以及调节土壤氮素循环的重要作用^[32]， URE 受土壤水分、养分及其他因素的多重影响^[33]。 PRO 是土壤中分解有机氮化合物的关键水解酶，对调节土壤中氮素矿化速率和反映土壤环境状况至关重要^[34]。本研究发现，W₁N₃ 处理显著提升 0～30 cm 土层土壤 URE、PRO 活性。这可能是因为滴灌量对土壤 URE、PRO 具有极显著影响（P<0.01）（表3），表明适宜的滴灌量有利于提升了土壤的通气性，增加微生物数量，从而提高 URE、PRO 活性^[35]。相反，过量滴灌导致土壤过湿，降低土壤通气性，限制氧气供应，影响微生物代谢活动，从而抑制 URE、PRO 活性^[36]；同时过量滴灌还会改变土壤 pH，使其偏向酸性或碱性，由于 URE 和 PRO 对于 pH 敏感，当环境 pH 偏离最适范围时，它们的活性受到影响^[37]；相关性分析也表明，URE、PRO 与 pH 呈极显著正相关关系（P<0.01）（表4）也证实了这一结论。在传统施氮条件下，过量氮肥为土壤 URE、PRO 提供大量的基质，刺激了 URE、PRO 活性^[38]，同时土壤 URE、PRO 与 TN 之间呈极显著正相关关系 （P<0.01），这表明增施氮肥还能促进作物根系生长，增加土壤中微生物数量，进而增强 URE、PRO活性。

土壤 ALP 是一种具有催化作用的水解酶，其作用直接影响土壤中有机磷的降解和转化，并对其生物有效性产生直接影响^[39]。生物呼吸过程和有机物的生物化学氧化反应产生的过氧化氢对生物和土壤均具有一定毒性，而土壤中的 CAT 则能酶促过氧化氢分解为水和氧气，从而减少或解除过氧化氢的毒害作用^[40]。本研究发现，W₁N₂ 处理显著提升 0～30 cm 土层土壤 ALP、CAT 活性。这与肖新等^[41]的研究结果相似，这是由于适宜的滴灌和施氮会提高土壤中有机质的分解速率，促进土壤微生物的活动，在有机物分解过程中，微生物产生的 ALP、CAT 等酶类活性也会随之增强^[42]。而过量滴灌和施氮会导致土壤中氧气含量降低、氮素竞争加剧、酸碱度和微生物群落发生改变，从而在一定程度上影响土壤 ALP、CAT 活性^[43]。

本研究中，土壤 URE、PRO、ALP、CAT 均随土层深度的增加而降低，这主要是由于随着土层深度的增加，氮含量和养分供应通常会减少（图2），导致微生物数量和酶活性降低。此外，深层土壤温度较低、湿度较高，这会导致有机物分解速度减慢，从而对土壤中的微生物数量和酶活性产生负面影响^[44]。

3.3 水氮协同对青贮玉米产量的影响

青贮玉米生长除受品种、气候条件影响之外，土壤水分和养分含量也是影响青贮玉米生长及产量形成的关键因素^[45]。本研究中，W₁N₂ 处理下青贮玉米产量最高，而 W₂N₁ 处理下青贮玉米产量最低；W₁N₂ 与 W₁N₃ 处理间产量差异不显著，且显著高于其他水氮协同处理。这表明适宜的节水、减氮并未降低青贮玉米产量，反而相对于其他水氮协同处理而言，对青贮玉米产量具有一定促进作用。这主要是因为在 W₁N₂ 处理下青贮玉米土壤氮组分和相关酶活性的提高，不仅改善了土壤的养分环境，还提高了养分利用率^[46]。这有助于促进植物生长发育、调解植物代谢，进而提升青贮玉米产量。

4 结论

通过对河西走廊青贮玉米土壤水氮协同条件下土壤氮组分含量及相关酶活性的特征性分析，结论如下：

（1）W₁N₂（节水 10%、减氮 10%）处理有效提高 0～30 cm 土层土壤 NH₄ ⁺-N、NO₃^--N 含量及 ALP、CAT 活性；W₁N₃（节水 10%、传统施氮）处理有效提高 0～30 cm 土层土壤 TN、MBN 含量及 URE、PRO 活性。

（2）表层（0～10 cm）土壤氮含量和酶活性最高，随着土层深度的增加，氮含量和酶活性相应下降。

（3）W₁N₂ 处理下青贮玉米产量最高，但 W₁N₂ 与 W₁N₃ 处理间产量无显著差异。

（4）相关性分析表明，土壤氮组分、酶活性与产量间均存在不同水平的显著正相关关系 （P<0.05）。因此，适宜的水氮协同模式（W₁N₂）可以改善青贮玉米土壤养分状况，促进植物生长发育，进而提高青贮玉米产量。

参考文献