施肥制度对川中丘陵区玉米不同生育期土壤反硝化酶活性的影响

王苏平，辉建春，林立金，朱雪梅，朱 波

（1.四川农业大学 资源环境学院，成都 611130；2.雅安水土保持生态环境监测分站，四川 雅安 625000；3.中国科学院 水利部 成都山地灾害与环境研究所，成都 610041）

氮作为作物体内叶绿素、蛋白质和酶的重要组成元素，素有“生命元素”的美誉［1］。氮以氨或铵盐的形式进入土壤，经微生物矿化形成无机态氮（NO3—N等）［2］。NO－3作为旱地作物的主要氮源，经高活性硝酸还原酶（NR:Nitrate Reduetase）催化形成亚硝态氮（NO－2），后经高活性的亚硝酸还原酶（NiR:Nitrite Reductase）催化形成羟胺（NH2OH），再经高活性的羟胺还原酶（HyR:Hydroxylamine Reductase）进一步催化还原成NH＋4，被作物吸收利用（同化反硝化作用），能提高氮元素的利用率。但经硝酸还原酶催化形成的NO－2被高活性的亚硝酸还原酶还原为NH2OH后，若羟胺还原酶的活性处于低水平，则会生成分子态氮（N2O，N2和NH3）及其氧化物（异化反硝化作用），造成氮元素的浪费［3－5］。由此可知，农业生产活动中参与土壤反硝化作用的硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和羟胺还原酶活性的高低是影响土壤中氮素的存在形式、氮素的利用率及温室气体（N2O，NH3等）排放的重要影响因子［6－9］。已有研究发现，土壤硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和羟胺还原酶的活性表现出明显的季节变化规律，并会受到土壤水分、土壤温度、CO2浓度及施肥（不同化学肥料）的影响［4，7，9］。还有学者研究发现，不同施肥制度对提高土壤脲酶、过氧化氢酶、转化酶和磷酸酶的活性，增加作物产量的效果差异明显［10－11］。此外，有机肥的施入可显著提高土壤反硝化酶（硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和羟胺还原酶）的活性，且有机肥与化肥配施的效果最佳［8］。但此类研究主要针对的是西北黄土区，而针对川中丘陵区紫色土坡耕地土壤反硝化酶（硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和羟胺还原酶）活性影响的文章尚未见报道。

本文通过对川中丘陵区紫色土坡耕地进行不同施肥制度处理，研究玉米不同生育期土壤硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和羟胺还原酶的活性，探索合理的施肥制度，提高氮元素的利用率，以期为川中丘陵区紫色土坡耕地的农业生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所盐亭站，地理位置为105°12′—105°42′E，30°53′—31°30′N，该地区地貌以丘陵和低山为主，是一个典型的山丘地区［12］。该地区土壤以紫色土和水稻土为主，是川中丘陵地区紫色土主要的分布地区之一，耕地平均坡度为7°。

1.2 试验设计

对川中丘陵区紫色土坡耕地进行不施肥（CK）、单施氮肥（N）、有机肥（OM）、NPK肥配施（NPK）、有机肥＋NPK肥配施（OMNPK）和秸秆＋NPK肥配施（RSDNPK）处理，见表1。

各施肥制度全氮维持在同一水平。猪粪:含氮（0.6%，鲜重）；秸秆（小麦）:含氮（0.5%，干重）。本试验设定18个小区（1m2／个），依试验场呈南北排列布置，分设A、B、C和保护行（四排），共18m2（长6m，宽3m），坡度均为7°，各处理采用完全随机设计进行布设，每个处理设3个重复。试验小区布置见图1。

1.3 试验材料及种植密度

供试玉米品种为中单808，由中科院山地所盐亭站提供。种植行距为50cm，窝距为40cm，种植密度为5100 株／hm2。A，B和C区种植8×15＝120株。玉米种植时间为2010年6月10日，播种方式采用穴播，管理模式为当地常规田间管理。玉米地施肥以穴施底肥方式一次性施用，后期不再追肥。

表1 供试土壤施肥处理

图1 试验小区布设图

1.4 样品采集与前处理

分别于玉米拔节期（2010年7月9日）、灌浆期（2010年8月15日）和成熟期（2010年9月18日）对0—10cm的土壤进行采集。采集时，每个小区用不锈钢土钻采集一个多点混合样，用四分法取1kg土样装入己消毒过的聚乙烯袋中带回实验室，放入冰箱（4℃）冷冻保存。

1.5 测定方法

土壤硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和羟氨还原酶活性按照关松荫的方法进行测定［13］。

1.6 数据处理

用SPSS 17.0进行多重比较，用Excel 2003作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥制度对玉米不同生育期土壤硝酸还原酶活性的影响

土壤硝酸还原酶是催化NO－3转化为NO－2的专性酶，其活性的高低直接影响土壤硝态氮和亚硝态氮的含量［9］。由图2可知，在玉米拔节期和成熟期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK处理均提高了土壤硝酸还原酶活性。分析得出RSDNPK和OMNPK处理的效果最好，在拔节期较对照分别提高了1198 .9%，914.8%，成熟期较对照分别提高了540.3%，508.4%，但NPK配施处理较对照的差异不明显。在玉米灌浆期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK处理均提高了土壤硝酸还原酶活性。分析得出RSDNPK和OMNPK处理的效果最好，较对照分别提高了1139 .4%，989.7%，但单施N和NPK配施较对照差异不明显。由此说明，RSDNPK和OMNPK处理有效的提高了玉米各生育期土壤硝酸还原酶的活性。该作用效果一方面得益于秸秆和有机肥的施入能有效提高土壤有机质含量［14］，而有机物可以提高土壤反硝化酶的活性［8］。与此同时，OMNPK和RSDNPK施用的秸秆和有机肥能降低土壤C／N［15］，傅利剑等研究表明当碳氮比较低时，NO－3相对增加［16］，从而增强了硝酸还原酶活性。另一方面有机质和秸秆的加入能有效增加土壤微生物的数量，改变了微生物区系，提高了土壤中反硝化细菌的活性［17］，进而提高了土壤硝酸还原酶的活性。和文祥等［8］人针对黄土区不同培肥方式对土壤反硝化酶活性的影响进行了研究，发现有机肥与无机肥配施可有效提高土壤硝酸还原酶活性，这与本试验针对紫色土区的研究结果是一致的。此外，在玉米灌浆期，CK、N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK处理下土壤硝酸还原酶的活性较拔节期和成熟期都要低。主要因为灌浆期玉米对养分需求量较大，大量吸收土壤中无机离子（NO－3，NH＋4），NH＋4含量减少导致土壤硝化作用产生的NO－3［18］含量减少，致使土壤中NO－3总积累量降低（硝酸还原酶反应底物含量降低）。

图2 不同施肥制度下玉米不同生育期土壤硝酸还原酶活性

2.2 不同施肥制度对玉米不同生育期土壤亚硝酸还原酶活性的影响

土壤亚硝酸还原酶的作用是催化NO－2还原成羟胺（NH2OH），为羟胺还原酶将NH2OH催化还原为农作物可吸收氮素（NH＋4）的反应提供充足的反应底物［8］。由图3可知，在玉米拔节期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK处理均提高了土壤亚硝酸还原酶的活性。分析得出RSDNPK和OMNPK处理的效果最好，较对照分别提高了600.8%，600.3%，但单施N处理较对照差异不明显。在玉米灌浆期和成熟期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK处理均提高了土壤亚硝酸还原酶的活性。分析得出RSDNPK和OMNPK处理的效果最好，在灌浆期较对照分别提高了507.2%，512.5%，在成熟期较对照分别提高了443.8%，382.5%。RSDNPK和OMNPK处理能有效的提高土壤亚硝酸还原酶的活性:一方面归因于RSDNPK和OMNPK处理下土壤硝酸还原酶活性处于高活性水平，生成了充足的NO－2，有利于土壤亚硝酸还原酶催化NO－2生成NH2OH反应的进行；另一方面归因于RSDNPK和OMNPK处理中含有丰富的有机物，为某些特殊微生物的繁殖（如:反硝化微生物）创造了良好条件，异养微生物可还原态的氮化物转变为NO－2［19］（土壤亚硝酸还原酶底物增加）进而有利于提高土壤亚硝酸还原酶的活性。此外，在玉米不同生育期，CK、N、OM、NPK、OMNPK和 RSDNPK处理下土壤亚硝酸还原酶活性规律为:拔节期＞灌浆期＞成熟期，一方面原因是随着玉米生长对无机肥（有效N、速效P、速效K）的吸收，降低了土壤肥力，进而降低了土壤亚硝酸还原酶活性。另一方面紫色土区土壤有机质含量低，有机质矿化作用强，矿化率高，使土壤有机质难于积累［20］，致使有机质对土壤亚硝酸还原酶吸附固定容量逐渐减小，且有机质被微生物分解利用导致土壤肥力下降，进而酶活性变低。证明紫色土区，肥力较高的土壤，酶（亚硝酸还原酶）活性也较高。和文祥［8］等人针对黄土区不同施肥方式对土壤反硝化酶活性的影响进行了研究，也得出相同结论。

图3 不同施肥制度下玉米不同生育期土壤亚硝酸还原酶活性

2.3 不同施肥制度对玉米不同生育期土壤羟胺还原酶活性的影响

羟胺（NH2OH）在土壤中的存在时间短，致使其在土壤中的存在量极少［5］。当土壤羟胺还原酶的活性高时，其酶促反应是催化NH2OH转化为能被作物吸收利用的NH＋4。维持该酶的活性处于高活性水平，可以提高作物对氮元素的利用率，减少N2O或NH3的排放［5］。由图4可知，在玉米拔节期和成熟期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK处理均提高了土壤羟胺还原酶的活性。分析得出RSDNPK和OMNPK处理的效果最好，在拔节期分别较对照提高了408.3%，449.1%。在成熟期较对照分别提高了257.2%，253.8%。在灌浆期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK处理均提高了土壤羟胺还原酶的活性。分析得出RSDNPK和OMNPK处理效果最好，较对照分别提高了48.6%、33.5%，但单施N肥较对照差异不明显。RSDNPK和OMNPK有效的提高了土壤羟胺还原酶的活性，一方面RSDNPK和OMNPK处理维持土壤硝酸还原酶和土壤亚硝酸还原酶的处于高活性水平，有充足的反应底物（NH2OH）产生，以供土壤羟胺还原酶进行酶促反应生成NH＋4。与此同时，RSDNPK和OMNPK有机质含量丰富，提高了土壤微生物活性，特别是反硝化细菌的活性，同时有机质对土壤羟胺还原酶的吸附固定作用是提高土壤羟胺还原酶活性的又一重要因素。RSDNPK和OMNPK有机质含量丰富能有效改良土壤结构，调节土壤通气性［20］，有利于NH＋4结合氧气生成NO－3（减少了酶促反应生成物），增加酶活性，同时为硝酸还原酶提供底物，符合本实验结果规律。CK、N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK处理下土壤羟胺还原酶活性在拔节期表现绝对优势，原因是紫色土区土壤有机质含量低，有机质矿化作用强，矿化率高，使土壤有机质难于积累［20］，土壤中有机碳除作电子供体外，还作为异养微生物生长代谢过程的碳源营养物而被消耗［16］，而土壤有机质含量与土壤酶活性存在显著相关性［10］，使得土壤羟胺还原酶在拔节期高于灌浆期和成熟期。

图4 不同施肥制度下玉米不同生育期土壤羟胺还原酶活性

此外，土壤酶活性和土壤细菌活性还受无机肥（有效N、速效P、K）含量的影响较大，拔节期土壤养分高于灌浆期和成熟期，利于土壤羟胺还原酶的催化作用的进行。解媛媛等［17］对黄土区不同配比化肥＋秸秆对玉米不同生育期土壤酶活性的影响规律研究结果为:自抽雄期后土壤脲酶活性逐渐升高，至灌浆期后土壤脲酶活性持续上升，成熟期呈现最大值，这和本试验结果有较大差异，说明不同施肥对玉米不同时期不同土壤酶活性影响差异较大。

3 结论

在玉米拔节期、灌浆期和成熟期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK处理均提高了土壤硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和羟胺还原酶的活性，且RSDNPK和OMNPK处理的效果最好。表明，秸秆＋NPK肥配施和有机肥＋NPK肥配施能有效提高紫色土区玉米坡耕地硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和羟胺还原酶活性，有利于土壤NO3—N转化为NH4—N反应的进行，益于作物对氮元素的吸收，且RSDNPK和OMNPK处理对增加土壤中NH＋4含量效果最好。

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