摘要
黄土高原降水少，蒸发量大，农田土壤肥力较低，探究不同覆盖措施对春小麦农田土壤氮素、氮储量及酶活性的影响。试验基于 2016 年开始的不同覆盖措施的春小麦连作定位试验，设玉米秸秆带状覆盖（SM）、地膜覆盖（PM），以露地平作为对照（CK），测定分析 2019 年收获期、2020 年开花期和收获期春小麦农田 0 ～ 20、 20 ～ 40 和 40 ～ 60 cm 土层土壤全氮、铵态氮、硝态氮、微生物量氮及土壤脲酶、过氧化氢酶、硝酸还原酶和亚硝酸还原酶的时空分布，计算土壤氮储量。SM 处理增加了表层土壤（0 ～ 20 cm）的土壤氮储量、无机氮含量、微生物量氮含量、硝酸还原酶活性、过氧化氢酶活性和脲酶活性，增幅分别为 33.72%、23.42%、19.10%、10.95%、 16.90% 和 76.05%；SM 处理降低了亚硝酸还原酶活性。PM 处理增加了表层无机氮含量、硝酸还原酶活性和过氧化氢酶活性，提高幅度分别为 22.46%、7.26% 和 20.56%；降低了土壤氮储量、微生物量氮含量、脲酶活性和亚硝酸还原酶活性。土壤氮转化酶的活性直接影响氮的转化速率，且酶有助于维持土壤中不同形态氮之间的动态平衡，秸秆带状覆盖能够有效提高土壤全氮及氮组分和硝酸还原酶、过氧化氢酶、脲酶活性，降低亚硝酸还原酶活性。脲酶和硝酸还原酶是氮循环的关键酶，两者协同作用来提高氮的有效性和全氮的稳定；过氧化氢酶通过改变土壤微环境来提高微生物活性，间接影响全氮含量；亚硝酸还原酶降低了亚硝态氮的积累，促进氮循环中氮的固定和转化。秸秆带状覆盖通过改变相关酶的活性，有效增加了土壤氮储量，提高了土壤氮素供应能力，改善了土壤肥力水平。
Abstract
It has low rainfall，high evaporation and low soil fertility in the Loess Plateau. The effects of different mulching measures on soil nitrogen，nitrogen storage and enzyme activity in spring wheat farmland were investigated，which of great significance to improve nitrogen utilization efficiency and reduce nitrogen loss. This experiment was based on the positioning experiment of spring wheat continuous cropping with different coverage measures，which began in 2016，with corn straw strip mulching（SM）and plastic full mulching（PM），and no mulching（CK）as control. The spatiotemporal distribution of soil total nitrogen，ammonium nitrogen，nitrate nitrogen，microbial biomass nitrogen，urease，catalase，nitrate reductase， and nitrite reductase activities in the 0–20，20–40，and 40–60 cm soil layers during the 2019 harvest period，2020 flowering and harvest periods were studied and the soil nitrogen storage were calculated. SM treatment increased the contents of nitrogen strorage，inorganic nitrogen，microbial biomass nitrogen，nitrate reductase activity，catalase activity，and urease activity in topsoil（0-20 cm）by 33.72%，23.42%，19.10%，10.95%，16.90% and 76.05%，respectively，while SM treatment decreased the activity of nitrite reductase. PM treatment increased inorganic nitrogen content，nitrate reductase activity and catalase activity by 22.46%，7.26%，20.56%，respectively，but the soil nitrogen storage，microbial biomass nitrogen，urease activity and nitrite reductase activity were decreased. The activity of soil nitrogen invertase directly affected the conversion rate of nitrogen，and the enzyme helped to maintain the dynamic balance between different forms of nitrogen in the soil. Straw strip mulching effectively improved soil total nitrogen and nitrogen components and nitrate reductase， catalase，urease activity，reduced nitrite reductase activity. Urease and nitrate reductase were key enzymes in the nitrogen cycle，and they worked together to improve the effectiveness of nitrogen and the stability of total nitrogen. Catalase improved microbial activity by changing soil microenvironment and indirectly affects total nitrogen content. Nitrite reductase reduced the accumulation of nitrite nitrogen and promoted the fixation and transformation of nitrogen in the nitrogen cycle. Straw strip mulching effectively increased soil nitrogen storage，improved soil nitrogen supply capacity and improved soil fertility level by changing the activity of related enzymes.
黄土高原区域作为一种特定的气候区域，在全球农业发展中占据着重要的地位，该地区降水少且分布不均，与作物需水规律错位，且蒸发量远大于降水量[1]。小麦是该地区重要的粮食作物，在粮食安全方面具有重要的作用[2]。
土壤氮库作为农田生态系统中最重要的部分，对于作物的生长发育是不可或缺的[3]。土壤酶作为土壤中最活跃的成分，在土壤的氮素循环中起着催化剂的作用[4]。覆盖措施通过影响土壤中水热环境、物理结构、氮素可用性和酶的活性，使作物更利于吸收土壤中的养分，进一步提高氮素利用率。农田覆盖栽培技术是旱作农业发展的重要组成部分，覆盖能够形成农田小气候，改善生态环境，具有调节土壤温度、增加土壤的保肥保水作用[5]。地膜覆盖虽然可以提高作物产量，但地膜回收难度大，残膜微塑料会对土壤造成污染，而秸秆带状覆盖是一项利用玉米秸秆进行田间覆盖的技术[6]，在提高或积蓄土壤含水量的同时解决实现农业废弃物的再利用。郭萍等[7]研究表明，秸秆覆盖显著提高了土壤含水量以及表层全氮含量，刘长源等[8] 在华北平原发现，秸秆带状覆盖对表层土壤脲酶活性有增加作用，王静等[9]在旱地研究中表明覆盖能够增加土壤硝酸还原酶活性。已有研究结果表明，生态区域不同，由覆盖方式所引起的土壤氮素和酶活性的结果不一。因此，本试验在黄土高原半干旱雨养区研究秸秆带状覆盖中种植带、覆盖带和地膜覆盖的氮组分和土壤酶活性的差异，探究不同覆盖措施对土壤氮素和酶活性的影响，为该地区覆盖种植提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
该试验为自 2016 年开始的不同覆盖措施下的春小麦连作定位试验，本研究所使用相关数据为 2019 和 2020 年。试验在甘肃省通渭县甘肃农业大学试验基地（35°11′N，105°19′E）进行，年日照时长 2100～2430 h，无霜期 120～170 d，年平均气温 7.2℃，多年平均降水量 339.7 mm；2019 和 2020 年生育期内有效降水量分别为 248.1 mm[10]、 231.2 mm[11]，为典型半干旱雨养农业区，半干旱气候，作物一年一熟，本试验为春小麦连作。试验区土壤为黄绵土，土壤有机质 5.52 g/kg，全氮 0.79 g/ kg，有效磷 11.63 mg/kg，速效钾 122.7 mg/kg。
1.2 试验设计
采用单因素随机区组设计，设秸秆带状覆盖 （SM）、地膜覆盖（PM）和露地平作（CK）3 个处理，各处理 3 次重复，共 9 个小区，小区面积为 60 m2 （10 m×6 m），各处理种植方式见表1。
表1不同覆盖措施下的种植方式
供试春小麦品种为‘西旱 3 号’，播种量均为 225 kg/hm2，春小麦于 3 月中旬播种，7 月下旬收获，前茬作物为春小麦。春小麦收获后，将上一季覆盖带所覆盖的玉米秸秆铡成 5 cm 左右的碎秆继续覆盖于覆盖带，在种植带重新覆盖当季玉米秸秆，次年春季将上一季覆盖带进行旋耕还田（种植带不旋耕），作为本季种植带。施肥量为 N 120 kg/ hm2、P2O5 90 kg/hm2，肥料为尿素（N 46%）和磷酸二氢铵（P2O5 46%，N 18%），生育时期内不灌水、不追肥，其他田间管理措施同当地生产。
1.3 样品采集与处理
于 2019 年收获期、2020 年开花期和收获期在各小区按 0～20、20～40 和 40～60 cm 深度，用土钻按照五点取样法进行取样，PM 处理取地膜下株、行间的土壤，SM 处理取种植带株、行间（SMu）和覆盖带株、行间（SM-d）的土壤，SM 按照覆盖带和种植带带宽 50 cm ∶ 70 cm 比例进行计算。
1.4 测定项目与计算
1.4.1 测定项目及方法
土壤全氮：凯氏定氮法测定[12]；土壤无机氮：连续流动分析仪测定[12]；土壤微生物量氮：氯仿熏蒸-茚三酮比色法测定[12]；土壤脲酶：靛酚蓝比色法测定[13]；土壤过氧化氢酶：紫外分光光度法测定[13]；土壤亚硝酸还原酶：亚硝酸钠比色法测定[14]；土壤硝酸还原酶：酚二磺酸比色法测定[14]； 土壤容重：环刀法测定[15]。
1.4.2 计算方法
土壤氮储量[16]计算公式：
(1)
式中，SNS 为单位面积土壤氮储量，单位为 t/hm2；Di 为 i 层土层厚度，单位为 cm；Bi 为 i 层土壤容重，单位为 g/cm3；CTNi 为 i 层土壤全氮含量，单位为 g/kg。
1.5 数据处理
用 Excel 2016 进行数据整理；用 Origin 2021 作图，采用 Duncan 法进行差异显著性分析，显著性水平设置为 α=0.05。
2 结果与分析
2.1 不同覆盖措施的土壤氮储量和含量变化
2.1.1 不同覆盖措施对土壤氮储量的影响
土壤氮储量随土层深度的增加而不断降低。不同覆盖措施的土壤氮储量有显著差异（P<0.05）。 SM 处理可以增加土壤氮储量，PM 处理较 CK 降低了土壤氮储量（图1）。
0～20 cm 土层，与 CK 相比，SM-u 和 SM 处理的氮储量在 2019 收获期分别显著增加了100.60%、88.41%，在 2020 年开花期分别增加了 10.50%、3.60%，在 2020 年收获期增加了 5.50%、 4.80%（P<0.05）；20～40 cm 土层，与 CK 相比， SM 处理的氮储量在 2019 年收获期增加了 26.92% （P<0.05），在 2020 年开花期和 2020 年收获期， SM、PM 处理与 CK 差异不显著。
图1不同覆盖措施对 2019—2020 年小麦开花期和收获期 0～60 cm 土壤氮储量的影响
注：不同小写字母表示同一时期同一土层不同处理间差异显著，P<0.05。下同。
0～40 cm 土层，与 CK 相比，SM-u 和 SM 处理的氮储量在 2019 年收获期分别显著增加了 70.01%、58.26%，在 2020 年开花期分别增加了 5.49%、2.28%（P<0.05），在 2020 年收获期各处理无显著差异；0～60 cm 全土层，与 CK 相比，SM-u、 SM 处理的氮储量在 2019 年收获期分别显著增加了 35.2%、43.6%，在 2020 年开花期分别增加了 4.6%、 5.49%，在 2020 年收获期分别增加了 8.03%、5.61% （P<0.05）（表2）。
2.1.2 不同覆盖措施对土壤无机氮的影响
土壤无机氮的含量随土层深度的增加而不断降低（图2）。SM、PM 处理较 CK 增加了无机氮含量。
0～20 cm 土层，与 CK 相比，PM、SM-u 和 SM 处理的无机氮含量在 2019 年收获期分别显著增加了 34.97%、50.73% 和 53.68%，在2020 年开花期分别增加了 10.69%、18.05% 和 9.31%，在 2020 年收获期分别增加了 14.38%、4.89% 和 5.91% （P<0.05）；20～40 cm 土层，与 CK 相比，PM、 SM-u 和 SM 处理的无机氮含量在 2019 年收获期显著增加了 2.20%、21.71% 和 3.32%，在2020 年开花期增加了 8.86%、5.96% 和 8.27%，在2020 年收获期增加了 6.02%、8.71% 和 7.74%（P<0.05）； 40～60 cm 土层，与 CK 相比，在 2019 和 2020 年收获期 PM、SM-u 和 SM 处理的无机氮含量分别增加了 27.52%、30.91% 和 31.98%（P<0.05）。
表2不同覆盖措施对 2019—2020 年小麦开花期和收获期全土层土壤氮储量的影响
注：不同小写字母表示同一时期同一土层不同处理间差异显著， P<0.05。
2.1.3 不同覆盖措施对土壤微生物量氮的影响
土壤微生物量氮含量随着土层的加深而逐渐降低，开花期微生物量氮含量高于收获期，且表层 SM 处理高于 PM 和 CK 处理（图3）。
0～20 cm 土层，与 CK 相比，在 2020 年开花期 SM-u、SM 处理的微生物量氮含量分别增加了 17.89%、28.18%，PM 处理的微生物量氮含量降低了 13.16%，在 2020 年收获期 SM 处理的微生物量氮含量较 CK 增加了 39.49%，PM 处理的微生物量氮含量较 CK 降低了 9.23%（P<0.05）；20～40 cm 土层，与 CK 相比，SM 处理的微生物量氮含量在 2020 开花期增加了 91.00%，在 2020 收获期增加了 23.99%（P<0.05），PM 和 CK 处理之间无显著差异。
图2不同覆盖措施对 2019—2020 年小麦开花期和收获期 0～60 cm 土壤无机氮的影响
图3不同覆盖措施对 2020 年小麦开花期和收获期 0～60 cm 土壤微生物量氮的影响
2.2 不同覆盖措施的土壤酶活性变化
2.2.1 不同覆盖措施对土壤脲酶活性的影响
覆盖措施显著影响了脲酶活性，土壤脲酶活性随着土层深度的增加逐渐降低。与 CK 相比，PM处理降低了土壤脲酶活性，SM 处理则提高了土壤脲酶活性（图4）。
0～20 cm 土层，与 CK 相比，在 2019 年收获期和 2020 年开花期，PM 处理的脲酶活性分别降低了 6.85%、77.35%，SM 处理的脲酶活性分别增加了 35.09%、117%（P<0.05）；20～40 cm 土层，与 CK 相比，2020 年收获期 SM-u、SM 处理的脲酶活性分别增加了 19.8%、34.43%（P<0.05）；40～60 cm 土层，在 2019 年收获期和 2020 年开花期 SM 与 CK 处理间无显著差异。
图4不同覆盖措施对 2019—2020 年小麦开花期和收获期 0～60 cm 土壤脲酶活性的影响
2.2.2 不同覆盖措施对土壤过氧化氢酶的影响
不同覆盖措施的过氧化氢酶活性有显著差异。土壤过氧化氢酶活性随着土层的增加而逐渐降低，覆盖措施提高了过氧化氢酶活性，且 SM 处理提高效果更为显著（图5）。
0～20 cm 土层，与 CK 相比，PM、SM-u 和 SM 处理的过氧化氢酶活性在 2019 年收获期分别增加了 6.86%、5.34% 和 9.06%，PM、SM-d 处理在 2020 年开花期分别增加了 1.10%、8.55%，PM、 SM-u 和 SM 处理在 2020 年收获期分别增加了 23.35%、7.86% 和 9.51%（P<0.05）；20～40 cm 土层，与 CK 相比，PM、SM 处理的过氧化氢酶活性在 2019 年收获期分别增加了 3.19%、11.16%，在 2020 年开花期分别增加了 49.59%、38.39%，在 2020 年收获期分别增加了 45.99%、19.92%（P<0.05）。
2.2.3 不同覆盖措施对土壤硝酸还原酶活性的影响
硝酸还原酶活性随着土层深度加深不断降低，在 40 cm 及以下趋于稳定（图6）。覆盖能够显著提高表层硝酸还原酶活性，且 SM 处理硝酸还原酶活性最高。
0～20 cm 土层，与 CK 相比，PM、SM 处理的硝酸还原酶活性在 2019 年收获期分别增加了 5.88%、11.09%，在 2020 年开花期分别增加了 7.37%、 10.83%，在 2020 年收获期分别增加了 8.53%、10.95% （P<0.05）；20～40 cm 土层，与 CK 相比，SM 处理的硝酸还原酶活性在 2019 年收获期增加了 7.70%，在 2020 年开花期增加了 7.79%（P<0.05），在 2020 年收获期增加了 0.52%；40～60 cm 土层，各时期 SM 与 CK 处理之间差异不显著。
2.2.4 不同覆盖措施对土壤亚硝酸还原酶活性的影响
覆盖措施显著影响了亚硝酸还原酶活性。随着土壤深度的加深，土壤亚硝酸还原酶活性逐渐降低 （图7）。
0～20 cm 土层，与 CK 相比，2019 年收获期 PM、SM 处理的亚硝酸还原酶活性分别降低了 8.00%、3.85%（P<0.05），2020 年开花期 PM 处理降低了酶活性，SM 处理增加了酶活性，但处理之间差异不显著，2020 年收获期 PM 处理的亚硝酸还原酶活性降低了 5.41%，SM 处理的亚硝酸还原酶活性增加了 5.66%（P<0.05）；20～40 cm 土层，与 CK 相比，PM、SM 处理亚硝酸还原酶活性在 2019 年收获期分别降低了 9.64%、2.94%，在 2020 开花期 SM 处理的亚硝酸还原酶活性降低了 5.00%，PM 处理的亚硝酸还原酶活性增加了 5.95%（P<0.05）。
图5不同覆盖措施对 2019—2020 年小麦开花期和收获期 0～60 cm 土壤过氧化氢酶活性的影响
图6不同覆盖措施对 2019—2020 年小麦开花期和收获期 0～60 cm 土壤硝酸还原酶活性的影响
图7不同覆盖措施对 2019—2020 年小麦开花期和收获期 0～60 cm 土壤亚硝酸还原酶活性的影响
2.3 氮组分与酶活性相关性分析
通过各指标进行相关性分析可知（图8），土壤全氮与氮储量呈极显著正相关关系，铵态氮和硝态氮呈极显著正相关关系，说明土壤氮含量可以相互影响，并且在一定程度上相互作用。微生物量氮与氮储量呈正相关关系，脲酶、亚硝酸还原酶、硝酸还原酶与土壤氮储量呈显著相关关系，微生物量氮与亚硝酸还原酶、硝酸还原酶呈正相关关系，说明酶活性对土壤氮含量有很大的影响。
图8不同覆盖措施土壤氮组分及酶活性间的相关性分析
注：TN 为全氮，SNS 为土壤氮储量，NH4 +-N 为铵态氮，NO3--N 为硝态氮，MBN 为微生物量氮，Urease 为脲酶，NiR 为亚硝酸还原酶，NR 为硝酸还原酶，CAT 为过氧化氢酶。* 表示 P≤0.05，** 表示 P≤0.01， *** 表示 P≤0.001。
3 讨论
3.1 不同覆盖措施对土壤氮储量及氮组分的影响
土壤全氮含量是土壤肥力表征的重要指标，在农业持续生产以及环境保护等方面具有重要意义[17]。本研究中 SM 处理较 CK 提高了表层氮储量 32.3%（图1），这与周子军等[18]研究结果一致，这可能是由于覆盖补充了外源氮、促进了有机物的降解，以此增加土壤全氮储量[19]。与 CK 相比， PM 处理降低了土壤氮储量，这与李世清等[20]研究结果一致，地膜覆盖提高了土壤温度，从而加速了土壤有机物矿化，因此不利于土壤氮储量的积累[21]。 SM、PM 处理较 CK 增加了土壤无机氮，分别增加了 22.96%、20.01%（ 图3），这与 Wang 等[22] 的研究结果一致。覆盖通过促进土壤无机氮的积累来提高土壤的供氮能力[23]。
3.2 不同覆盖措施对微生物量氮及酶活性的影响
微生物量氮是是衡量土壤健康的指标之一[24]。本研究结果表明，PM 处理较 CK 降低了微生物量氮，降低了 11.20%（图3），这与张成娥等[25]的研究结果一致，主要是因为地膜覆盖能够减少雨水的冲击，影响了微生物的活动，导致微生物活性降低[26]。SM 处理较CK 增加了微生物量氮，增加了 33.84%（图3），这与付鑫等[19] 研究结果一致，秸秆带状覆盖通过提供碳源、改善土壤环境、调节水分和温度、促进养分循环等多种机制，共同作用于土壤微生物群落，最终导致土壤微生物量氮含量的增加[27]。两个时期微生物量氮表层覆盖带显著高于种植带（图3），说明覆盖带的环境更利于土壤微生物量氮的积累。这是因为覆盖的秸秆在随着时间和微生物的分解作用下进入到土壤养分循环中，增加了微生物活性，有利于土壤氮素含量的增加，从而减少氮素的损失[28]。
土壤酶活性可作为更灵敏的指标来指示土壤健康对管理方式的响应[29]。本试验结果表明，PM 处理较 CK 降低了脲酶 29.28%（图4），这与 Sun 等[30]研究结果一致，这是因为覆膜后，土壤含水量增加，作物及土壤呼吸加剧，从而抑制了脲酶活性[31]。SM 处理较 CK 增加了脲酶 33.84%（图4），这是因为秸秆带状覆盖可以调节土壤中的水、热环境，增加土壤孔隙度，改善的水热环境提高了养分的可利用性，从而促进了秸秆的腐解，提高土壤脲酶活性[32]，这与刘长源等[8]研究结果一致。本研究结果表明 SM、PM 处理较 CK 都显著增加了过氧化氢酶和硝酸还原酶，分别增加了 16.9%、20.78% （图5）和 10.95%、7.26%（图6），这与 Wang 等[33] 研究结果一致，这是因为覆盖促进了微生物活动，使更多的酶进入土壤，从而提高了酶活性[9]。本试验 SM 处理较 CK 降低了亚硝酸还原酶，降低了 2.69%（图7），这与白雪等[31]研究结果一致。这可能是因为秸秆带状覆盖降低了土壤的水分，从而降低了酶活性[34]，在减少的亚硝酸还原酶作用下，无机氮可以转化为植物可吸收利用的形式，同时降低了亚硝酸盐毒性，间接促进了植物的生长发育。 SM-u 处理较 CK 提高了土壤表层过氧化氢酶、脲酶，这是因为秸秆覆盖带和种植带年际间轮换，因此本季的种植带为上一季的覆盖带，玉米秸秆的残留效应导致外源氮素的增加，提高了微生物活性，从而提高了酶活性所导致的[35]。微生物量氮与过氧化氢酶、硝酸还原酶和亚硝酸还原酶呈极显著正相关关系，微生物量氮、脲酶、硝酸还原酶和亚硝酸还原酶与氮储量呈极显著正相关关系。微生物量氮含量影响了土壤酶活性，土壤酶活性进一步影响了土壤氮储量。
4 结论
秸秆带状覆盖和地膜覆盖增加了无机氮含量、硝酸还原酶活性、过氧化氢酶活性；玉米秸秆带状覆盖在小麦全生育时期内增加了氮储量、微生物量氮含量、脲酶活性，降低了亚硝酸还原酶活性；地膜覆盖则降低了表层氮储量、微生物量氮含量、脲酶活性、亚硝酸还原酶活性。
综上所述，在黄土高原生态气候区，玉米秸秆带状覆盖可以有效提高土壤氮组分、酶活性及氮储量，增强土壤供氮能力，提高土壤质量，为该区农业可持续发展提供依据。