再生水地下滴灌对玉米生育期土壤脲酶活性和硝态氮的影响

仇振杰，李久生，赵伟霞(中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048)

0 引 言

随着城市化进程地快速推进，再生水已成为一种可利用水源[1]，同时再生水大量用于农田灌溉已成为缓解农业用水的重要举措[2]。Chen[3]等通过对美国加州长期利用再生水灌溉样地调查研究指出，脲酶、碱性磷酸酶、酸性磷酸酶、脱氢酶和过氧化氢酶活性可以作为评价长期再生水灌溉土壤微生物效应的指标。其中脲酶参与尿素水解，生成铵和二氧化碳[4],对土壤氮素循环有重大作用，可以表征土壤氮素状况[5]。Das和Varma[6]研究指出土壤脲酶主要来源于植物和微生物，并且脲酶活性在土壤中的分布受微生物群落和养分基质含量的影响[7]。与喷灌和地面灌相比，地下滴灌能够降低土壤污染[8]，减少人畜与有害物质的接触[9]，是较为安全的再生水灌溉方式[10]。然而地下滴灌滴灌带埋设在地表以下，其水分养分运移规律不同于地表滴灌[11,12]，对作物根系和水分吸收模式的影响也与地表滴灌有较大差异[13,14]，因此地下滴灌技术参数必然会影响脲酶活性和养分在土壤中的分布。

硝态氮(NO-3-N)易随土壤水分运移，是植物吸收的主要氮素来源[15]。土壤氮素作为土壤养分中最重要的成分与脲酶活性关系密切。郭永盛等研究指出施氮肥能够显著增加荒漠草原生态系统的土壤脲酶活性[5]。李东坡[16]等研究表明，长期不同培肥黑土的土壤脲酶活性与土壤全氮、硝态氮、速效氮和碱解氮均有极显著正相关关系。Kang[17]等对不同滴灌年限的盐碱地酶活性和养分进行研究，指出脲酶活性和速效氮由不相关向极显著正相关转变，而窦超银[18]等对多年膜下滴灌的盐碱地进行采样，发现脲酶活性与速效氮成显著负相关。与上述研究结果不同，王灿等对长期不同施肥方式下土壤酶活性和养分的相关性进行研究，指出脲酶活性与硝态氮和铵态氮之间没有显著性关系。尽管前人对土壤脲酶活性和氮素的关系开展了大量研究，但均集中在作物生育期末的脲酶和氮素关系，而对作物生育期内两者关系的变化研究较少。与此同时，地下滴灌条件下脲酶活性和硝态氮在土壤中的时空分布规律及其对灌溉技术参数的响应规律目前仍不清楚，再生水滴灌对土壤脲酶活性的影响研究仍较少。因此，研究再生水地下滴灌条件下的土壤脲酶活性及其与硝态氮分布间的关系十分必要，研究结果对揭示再生水地下滴灌养分运移规律，提高地下滴灌水肥管理水平具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在国家节水灌溉北京工程技术研究中心大兴试验研究基地(N 39°39′，E 116°15′)进行。供试作物为玉米，品种为“京科389”。试验于2014年6月16日-2014年9月27日和2015年5月5日-2015年9月2日进行。灌溉水质为二级再生水(水质指标见表1)，灌溉方式采用地下滴灌，灌水器间距0.4 m，滴灌带间距1 m，1条滴灌带控制2行玉米。试验因素为灌水量和滴灌带埋深，分别设置3个水平。其中，灌水量按照占作物需水量的不同比例设为70%、100%和130%，记为I1、I2和I3；滴灌带埋深设为0、15和30 cm，记为D1、D2和D3。采用全组合试验设计，共9个处理(I1D1、I1D2、I1D3、I2D1、I2D2、I2D3、I3D1、I3D2和I3D3)；另外，将地下水灌溉设置为对照处理，2014年灌水量为I2(2015年灌水量为I3)，滴灌带埋深为0、15和30 cm，共3个处理，记为C1、C2和C3。每个处理3个重复小区，每个小区尺寸为4 m×10 m，共36个小区。

地下滴灌处理的作物需水量由计算时段内作物需水量ETc与有效降雨量P0(≥5 mm)的差值得到，当二者差值≥20 mm时进行灌水。2014和2015年玉米生育期内降雨量分别为276和219 mm，较大降雨均主要集中在7-9月。2014和2015年玉米生育期内参考作物腾发量ET0分别为424和431 mm，玉米腾发量ETc分别为359和365 mm(图1)。

表1 再生水和地下水水质指标测试结果Tab.1 Test results of treated sewage effluent and groundwater

图1 玉米生育期内降雨量和参考作物腾发量(ET0)Fig.1 Precipitation and reference crop evapotranspiration during the growing seasons of maize

1.2 灌水施肥

2014和2015年玉米生育期内的灌水施肥制度见表2。由表可知，2014和2015年分别灌水3次和6次；2014年I1、I2和I3分别灌水52.5、75和97.5 mm，2015年则分别灌水112、160和208 mm。2014年分别在4月27日、7月21日和8月3日施入纯N 40、100和60 kg/hm2，并于4月27日施入P2O5150 kg/hm2。2015年未施入P2O5，分别在6月8日和6月30日施入纯N 100和80 kg/hm2。肥料选用尿素(含氮量46.4%)和过磷酸钙。除2014年4月27日肥料作为基肥在播前翻耕和平整过程一次施入，其余阶段施肥时先将尿素在水中充分溶解，然后将肥液用比例施肥泵(Mis Rite Model 2504，Tefen)施入。

表2 玉米灌水与施肥制度Tab.2 Schedules of irrigation and fertilization for maize

1.3 土壤样本采集

分别在玉米播种前(2014年6月6日，2015年5月1日)、苗期末(2015年6月8日)、拔节期(2014年7月20日，2015年6月20日)、抽穗期(2014年8月17日，2015年7月12日)、灌浆期(2014年9月1日，2015年8月3日)和成熟期(2014年9月26日，2015年9月2日)用土钻在0～50 cm土层内分5层(0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm)取样。每个小区设置1个采样点，采样点位于垂直滴灌带方向距滴头10 cm处。土样采集后经仔细剔除杂质，一部分立即用105 ℃烘干法测定土壤含水率，剩余部分经过风干后研磨过1 mm筛，放入自封袋保存。

1.4 测试项目与分析方法

土壤脲酶活性测定依据《土壤酶及其研究法》[19]采用靛酚蓝比色法，用分光光度计(DR/4000U，HACH，美国)进行测定。土壤硝态氮含量用1 mol/L的KCl溶液浸提(浸提土液比为1∶2.5)，再用流动分析仪(Auto Analyzer 3，BRAN+LUEBBE，德国)进行测定。所有数据均采用SPSS软件(V19.0)进行统计分析，显著水平设定为α=0.05。

2 结果与讨论

2.1 灌水量和滴灌带埋深对硝态氮和脲酶活性的影响

2.1.1硝态氮

图2和表3分别给出了玉米抽穗期0～50 cm硝态氮含量分布和方差分析结果。由图2和表3可知，灌水量显著影响了2014和2015年玉米抽穗期0～40 cm硝态氮分布，0～40 cm硝态氮含量大体随灌水量增加而减小，这是因为较大灌水量会促进硝态氮向深层土壤运移。滴灌带埋深显著影响了2014年0～20、40～50 cm和2015年0～40 cm硝态氮分布；2014年0～10和10～20 cm硝态氮含量分别以D1和D2最高，40～50 cm硝态氮含量则以D3处理最高，这与地下滴灌水分养分运移分布趋势相似[12]。2015年0～20 cm硝态氮含量以地下滴灌较高(D2和D3)，20～40 cm硝态氮含量以地表滴灌最高(D1)，这可能与2015年抽穗期土壤样本采集前(7月8日)灌水30 mm有关，地表滴灌处理硝态氮受灌水淋洗向深层土壤运移，而地下滴灌处理硝态氮受土壤水吸力向上运移。

随着玉米由营养生长进入生殖生长，对养分需求进一步增加，玉米灌浆期和成熟期0～50 cm土壤中平均硝态氮含量整体低于抽穗期，灌水量和滴灌带埋深对硝态氮含量分布影响也相对较小(数据未给出)。地下滴灌条件下，较大灌水量和滴灌带埋深均会增加硝态氮的运移深度。

注:同一深度具有相同字母，表示在α=0.05水平上差异不显著。图2 玉米抽穗期0～50 cm硝态氮含量Fig.2 Nitrate content in 0～50 cm depths during the heading period of maize

2.1.2脲酶活性

图3和表4分别给出了玉米各生育阶段0～50 cm脲酶活性分布和方差分析结果。由图3和表4可知，灌水量显著影响了2014年玉米抽穗期30～40 cm脲酶活性，I3处理脲酶活性显著高于I1处理，这可能是因为相对I1处理，I3能够将较多的水分和硝态氮运移至30～40 cm，而水分和硝态氮含量的增加会刺激植物根系和微生物活性，促进脲酶的分泌[5]；滴灌带埋深对2014和2015年抽穗期20～30 cm脲酶活性产生了显著影响，脲酶活性均以D3处理最高，这可能与滴灌带埋深30 cm能够提高20～30 cm深度的水分和硝态氮含量有关。

表3 灌水量和滴灌带埋深对玉米抽穗期0～50 cm硝态氮含量的影响Tab.3 Effects of irrigation level and lateral depth on nitrate content in 0～50 cm depths during the heading period of maize

注：*代表在α=0.05水平上显著；**代表在α=0.01水平上显著；NS代表在α=0.05水平上不显著。

注:同一深度具有相同字母，表示在α=0.05水平上差异不显著。图3 玉米各生育阶段0～50 cm脲酶活性Fig.3 Urease activities in 0～50 cm depths during the growing seasons of maize

与抽穗期相比，灌水量显著影响了2014年灌浆期0～10和30～50 cm脲酶活性，其中0～10 cm脲酶活性随灌水量增加而减小，30～50 cm脲酶活性以I3处理最高，且显著高于I2和I1处理。滴灌带埋深对2014年灌浆期0～10、20～30、30～40、40～50 cm和2015年灌浆期20～30 cm脲酶活性造成了显著影响，0～10 cm脲酶活性随滴灌带埋深增加而减小，20～30 cm脲酶活性以D3处理最高，这是因为相对地下滴灌(D2和D3)，地表滴灌(D1)能够将较多的水分和硝态氮分配至0～10 cm，而埋深30 cm处理能够提高20～30 cm水分和硝态氮含量。在试验中，2014年灌浆期地表滴灌30～40和40～50 cm脲酶活性显著高于地下滴灌，这可能与玉米根际的激发效应(priming effects)促进脲酶分泌有关。侯振安[20]等研究指出，氮肥滴灌(地表滴灌)施入后主要分布在0～20 cm，20 cm以下氮素含量较低，而当土壤有效氮含量较低时，植物会将较多的光合产物投资到地下，通过增加根系分泌物输入促进微生物的生长和活性，从而增加胞外酶的分泌[21]。

表4 灌水量和滴灌带埋深对玉米各生育阶段0～50 cm脲酶活性的影响Tab.4 Effects of irrigation level and lateral depth on urease activities in 0～50 cm depths during the growing seasons of maize

注：*代表在α=0.05水平上显著；**代表在α=0.01水平上显著；NS代表在α=0.05水平上不显著。

由表4可知，灌水量显著影响了2014年成熟期10～20 cm和2015年成熟期40～50 cm脲酶活性。10～20 cm脲酶活性以I2处理较高，比I1和I3分别高29%和21%；40～50 cm脲酶活性随灌水量增加而减少，I1处理脲酶活性显著高于I3，这可能与玉米根际激发效应有关。滴灌带埋深显著影响了2014年成熟期0～10、20～30、30～40 cm和2015年成熟期20～30、30～40、40～50 cm脲酶活性；受水分和硝态氮分布影响，D1处理0～10 cm脲酶活性比D2和D3处理分别高12%和28%，而20～30、30～40和40～50 cm脲酶活性均以D3处理最高。

2.2 玉米生育期脲酶活性和硝态氮含量的相关性

土壤脲酶活性能够反映土壤中氮素的转化和能量交换过程[18]，其变化特征与土壤氮素状况密切相关[16]。表5给出了玉米各生育阶段脲酶活性和硝态氮含量之间的相关系数，2014年和2015年播种前-玉米拔节期，土壤脲酶活性和硝态氮含量之间呈极显著正相关关系，但相关系数呈下降趋势，这可能是因为在播种前-玉米拔节期作物生长吸收影响较小，脲酶活性和硝态氮含量在土壤中的分布主要受土壤有机质和微生物影响。随着玉米由营养生长进入生殖生长，土壤脲酶活性和硝态氮含量的正相关关系减弱，至成熟期脲酶活性和硝态氮含量呈负相关，这是因为玉米进入生长旺盛时期后对硝态氮吸收进一步增强以及灌水施肥和降雨对硝态氮在土壤中的运移分布，改变了硝态氮在土壤剖面上自表层沿深度依次减小的分布模式，并在玉米成熟期受土壤水分向下运移影响，硝态氮在深层土壤累积，而土壤脲酶活性在玉米生育期受灌水量和滴灌带埋深影响呈现一定的动态变化，但酶活性水平较稳定并未出现数量级上的改变，脲酶活性在土壤剖面上仍然以表层最高且随土壤深度增加而减小。这与李东坡[16]等的研究结果相似，在玉米生育期脲酶活性变化与硝态氮动态变化不同步，两者间没有显著相关关系。

表5 玉米各生育阶段脲酶活性和硝态氮含量之间的相关系数Tab.5 Correlation coefficients between urease activity and nitrate content during the growing seasons of maize

注：*代表在α=0.05水平上显著；**代表在α=0.01水平上显著；NS代表在α=0.05水平上不显著。

2.3 再生水灌溉对脲酶活性的影响

长期(10 a以上)再生水灌溉能够提高土壤酶活性[3]。图4给出了2014和2015年再生水滴灌前后脲酶活性在土壤剖面的分布。由图可知，2014和2015年经多次再生水滴灌后玉米成熟期各深度土壤脲酶活性大体高于播种前，2014年试验0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm分别提高了18%、53%、119%、32%和41%，2015年0～10、20～30和30～40 cm分别提高了4%、12%和28%。与再生水滴灌一致，地下水滴灌也提高了脲酶活性，2014年0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm分别提高了10%、35%、47%、34%和76%，2015年0～10、20～30、30～40和40～50 cm分别提高了1%、20%、35%和41%。与地下水相比，再生水滴灌后各深度脲酶活性并没有明显的增加，再生水与地下水处理间脲酶活性没有显著性差异(P>0.05)，这与潘能等研究结果相似[22]，他们认为农田因常年种植作物，耕作和施肥等管理措施优良，其养分分布较均匀，不同水质灌溉脲酶活性差异不显著。

图4 不同水质处理土壤脲酶活性在播种前和玉米成熟期的分布Fig.4 Distribution of urease activities irrigated with different water qualities in mature period and prior to sowing

3 结 语

通过2 a再生水地下滴灌玉米试验，研究了灌水量和滴灌带埋深对土壤脲酶活性和硝态氮的影响，并分析了脲酶活性和硝态氮在玉米生育期的变化关系，主要结论如下。

(1)滴灌施肥后，灌水量和滴灌带埋深均对玉米生育期土壤硝态氮和脲酶活性产生了显著影响。较大灌水量和滴灌带埋深均会增加硝态氮的运移深度；而脲酶活性受水分和硝态氮分布影响，0～10 cm脲酶活性以70%灌溉需水量和滴灌带埋深0 cm较高，10～50 cm脲酶活性以130%灌溉需水量和滴灌带埋深30 cm较高。

(2)玉米生育期土壤脲酶活性和硝态氮含量的相关关系由极显著正相关向负相关转变，这是因为的土壤剖面中硝态氮含量和脲酶活性在玉米生育期的变化不同步。再生水和地下水地下滴灌均提高了0～50 cm脲酶活性，再生水与地下水灌溉脲酶活性差异不明显。

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