不同形态氮源对玉米幼苗生长及根际环境的影响

刘会玲+沙晓晴+彭正萍

摘要：为合理调控氮素营养，减少氮素损失及不良环境效应，以玉米为材料，通过盆栽试验方法，研究了不同氮源处理的玉米幼苗生长、养分吸收和土壤微生物、酶活性、养分状况，以及植物根际环境因素之间的相互作用。结果表明，施用氮肥处理的根际土壤，脲酶活性平均提高2.36 μg/（g·d），细菌数量提高4%～60%，硝态氮提高13747～174.10 mg/kg，pH值平均下降0.12～0.14；根际土壤中的玉米幼苗根冠比下降0.01～0.05，氮吸收量提高86%～193%。铵态氮、有机态氮处理的玉米幼苗磷吸收量分别比对照提高20.36%和15.57%，钾吸收量提高153%和141%。与非根际土壤相比，根际土壤脲酶活性平均提高1.74 μg/（g·d），细菌数量提高1.4～3.8倍，速效磷含量平均提高14.38 mg/kg，速效钾含量平均降低31.53 mg/kg。根际土壤的磷酸酶活性与株高和地上部干重、铵态氮含量与氮吸收量、细菌数量与钾吸收量、脲酶活性与速效钾含量呈显著正相关；硝态氮含量与速效磷含量、pH值与铵态氮含量呈显著负相关。说明施用氮肥降低玉米幼苗根冠比，提高氮吸收量，提高根际土壤脲酶活性、细菌数量、硝态氮含量，降低pH值。不同形态氮源对土壤磷酸酶活性、铵态氮含量无显著影响。根际土壤脲酶活性、细菌数量、速效磷含量高于非根际土壤，速效钾含量低于非根际土壤，细菌的根际效应较大。根际土壤的磷酸酶活性、铵态氮含量、细菌数量显著影响植株生长和养分吸收量。不同形态氮源中，铵态氮和有机态氮有利于根际土壤性状改善和玉米生长，促进玉米对磷和钾的吸收。

关键词：玉米；根际环境；土壤酶；氮源

中图分类号： S513.06文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）06-0135-04

收稿日期：2015-11-24

基金项目：国家科技支撑计划粮食丰产科技工程（编号：2011BAD16B08、2012BAD04B06、2013BAD07B05）。

作者简介：刘会玲（1973—），女，硕士，实验师，主要从事农业资源利用研究。E-mail：liuhuiling2009@126.com。

通信作者：彭正萍，博士，教授，博士生导师，主要从事植物营养生态研究。E-mail：pengzhengping@sina.com。根际是受植物根系活动影响的微区，是一个根系—土壤—微生物相互作用而形成的复杂的、动态的特殊微生态系统，是植物和土壤之间物质和能量转化、交换的重要场所，具有独特的物理、化学和生物学性质[1]。近年来，根际环境对作物根系生长、病理、营养吸收及环境适应性的研究越来越受到重视。许多研究结果表明，根际与非根际土壤在pH值、水分及养分的有效性、微生物、酶活性等方面有明显差异。根际环境的营养状况对植物生长有重要影响，根际土壤中的有效养分为“实际有效”养分，能直接为根系吸收，决定着作物实际吸收的养分量；非根际土壤是植物的营养储源，其中的有效养分是“潜在有效”养分，需要通过迁移等过程才能被根系吸收，因此，根际养分与作物生长的关系极为密切[2]。

根际环境的性质是可以调节的，施肥尤其是氮肥可改变植物特别是禾本科植物的根际pH值。不同形态氮肥在土壤和根际中的生物化学过程不同，如尿素涉及根际脲酶活性，铵态氮涉及硝化过程等等[1]。氮肥的施用在促进农业生产发展的同时，其不当施用也对环境以及食品安全构成了严重威胁，例如蔬菜硝酸盐积累、水体污染、农田N2O的增温效应等问题。玉米是我国主要的粮食作物，在种植业中占重要地位。据中国种植业信息网-农作物数据库显示，2013年我国玉米种植面积3 631.8万hm2，总产量21 848.9万t。本研究以玉米为材料，在纯氮用量相似的情况下，从根际微环境探讨氮肥的转化和对根际养分吸收的影响，了解土壤与植物供求关系，探索根系吸收土壤养分机制，揭示不同形态氮源对玉米生长和根际环境的影响，通过调控根际环境发挥作物的生物学潜力，提高养分资源利用效率和作物生产力，以微观研究指导宏观生产，以利于生产上采取相应的技术措施，合理调控氮肥种类和养分供应以满足作物需求，达到节省资源保护环境、减少投入提高效益的目的。

1材料与方法

1.1供试材料

供试土壤为潮褐土，有机质18.8 g/kg，全氮4.8 g/kg，碱解氮44.7 mg/kg，速效磷12.9 mg/kg，速效钾54.7 mg/kg，pH值 8.13。

供试玉米品种为蠡玉16。

1.2试验处理及方法

采用盆栽试验，于2014年4—6月在河北农业大学人工培养室进行。共设4个处理，分别为对照（不施氮）、有机态氮（尿素）、铵态氮[（NH4）2SO4]、硝态氮[Ca（NO3）2]。各形态氮肥均按纯氮250 mg/kg土施用，另外所有处理均按1 kg土P2O5 250 mg、K2O 250 mg施用磷肥和钾肥，磷肥、钾肥分别用过磷酸钙（含P2O5 16%）和氯化钾（含K2O 60%）。

选用内径14 cm、高13 cm的塑料盆，每盆装土2.5 kg。每个处理重复5次，共20盆。将各处理的肥料与土壤混合均匀。将用400目尼龙网缝制的根袋放入盆中央，根袋内、外的土壤分别视为根际土和非根际土。按根际土壤0.5 kg、非根际土壤2 kg分别装好。装好盆后，在根袋内播入2粒玉米种子，在幼苗长到3叶期时每盆留1株。生长期间定期称重浇水，控制土壤含水量在田间持水量的70%左右。玉米生长到40 d，分地上部和根系收获，测定植株和土壤各项指标。

1.3测定项目及方法

（1） 株高：测量植株的自然高度。（2） 叶面积：用LI-3000C型便携式叶面积仪测量所有叶片叶面积。（3） 地上部干质量、根系干质量及氮磷钾含量：所有处理的地上部和根系用蒸馏水冲洗干净后装入纸袋，于105 ℃杀青30 min后，在75 ℃烘至恒质量，称干质量。粉碎后，用H2SO4-H2O2消煮，分别用凯氏定氮法、钒钼黄比色法和火焰光度计法测定氮、磷、钾含量[3]。（4） 土壤微生物和理化性状：土壤分根际和非根际取。鲜土用稀释平板计数法测定细菌和放线菌数量[4]。风干土过筛后，用常规农化分析方法测定pH值、速效磷、铵态氮和硝态氮[3]，用磷酸苯二钠比色法测定磷酸酶活性、柠檬酸比色法测定脲酶活性[5]。

1.4数据处理分析

采用Microsoft Excel 2007和SPSS17.0进行数据处理及方差分析。

2结果与分析

2.1不同形态氮源对玉米幼苗生长和养分吸收的影响

从表1可见，与对照比，铵态氮处理增加株高、叶面积、地上部干质量，对根干质量无显著影响。有机态氮处理增加叶面积，对株高、地上部干质量和根干质量的影响不显著。硝态氮处理降低株高、叶面积、地上部干质量和根干质量，该处理的玉米幼苗生长性状是4个处理中最弱的。

施用氮肥的处理玉米根冠比均低于对照，其中有机态氮处理的根冠比最小。说明施用氮肥增加玉米苗期氮素供应，氮素少时，首先满足根的生长，运到冠部的氮素少，根冠比增大；氮素充足时，大部分氮素与光合产物用于枝叶生长，供应根部的数量相对较少，根冠比降低。

不同处理的玉米养分吸收情况见图1。玉米幼苗对氮磷钾的吸收量表现为氮>钾>磷，氮和钾的吸收量较大，磷的吸收量较小。与对照比，施用氮肥显著提高玉米氮吸收量，提高幅度表现为铵态氮>有机态氮>硝态氮，吸收量分别增加58.3、52.7、25.9 mg，分别是对照的2.93倍、2.74倍、1.86倍；玉米幼苗的氮肥利用率分别为23.32%、21.08%、10.36%；铵态氮和有机态氮处理的肥料利用率相近，二者明显高于硝态氮处理。铵态氮、有机态氮处理的磷钾吸收量均高于对照和硝态氮处理，磷的吸收量分别增加3.4 mg和 2.6 mg，提高20.36%和15.57%；钾的吸收量提高49.2 mg和45.3 mg，分别是对照的2.53倍和2.41倍。说明铵态氮、有机态氮促进玉米对磷和钾的吸收，硝态氮对磷和钾的吸收没有促进作用。

2.2不同形态氮源对土壤酶活性、细菌数量的影响

由图2可以看出，根际土壤脲酶活性高于非根际土壤，平均高1.74 μg/（g·d）；与对照比，铵态氮和有机态氮处理提高土壤脲酶活性0.60～4.06 μg/（g·d），铵态氮处理脲酶活性高于有机态氮处理。根际土壤和非根际土壤磷酸酶活性平均值分别为1.14、1.05 mg/（100 g·d），根际磷酸酶活性略高；处理间无显著差异，说明氮素形态对土壤磷酸酶活性无显著影响。

细菌占土壤微生物总量的70%～90%，在土壤中数量最多、分布最广，是土壤中最活跃的因素，细菌数量的多寡直接反映了土壤的环境条件及肥力状况[6]。与对照比，施氮肥提高了玉米根际土壤细菌数量，提高幅度表现为铵态氮>有机态氮>硝态氮，比对照提高了4%～60%，分别是对照的1.60倍、1.52倍、1.04倍；非根际土壤细菌数量略有下降，根际土壤细菌数量明显高于非根际土壤。说明施用铵态氮和有机态氮后的根际微环境有利于细菌繁殖生长。

2.3不同形态氮源对土壤pH值和养分含量的影响

对照、铵态氮、有机态氮、硝态氮处理的根际土壤pH值分别为7.86、7.72、7.74、7.74，铵态氮处理略低、硝态氮处理略高。非根际土壤pH值分别为8.13、8.00、7.95、7.96；与非根际土壤相比，根际土壤pH值降低，下降0.22～0.27。与对照比，施用氮肥处理pH值降低，根际土壤下降0.12～0.14，非根际土壤下降0.13～0.18，非根际土壤pH值下降幅度较大。

从图3可以看出，根际土壤和非根际土壤铵态氮含量比较接近，二者平均值分别为14.62、14.50 mg/kg；硝态氮含量相差较大。与对照比，施用氮肥的处理根际土壤铵态氮含量略有提高，非根际土壤略有降低。根际土壤硝态氮含量高于

非根际土壤，施用氮肥显著提高根际土壤和非根际土壤的硝态氮含量，硝态氮的提高效果>有机态氮>铵态氮，其中根际土壤提高幅度较大，分别提高137.47、148.23、174.10 mg/kg；非根际土壤分别提高52.5、72.0、116.1 mg/kg。说明施氮肥显著提高土壤的硝态氮含量，根际环境有利于铵态氮和有机态氮向硝态氮转化。同时也说明铵态氮和有机态氮在土壤中经过40 d转化，大部分都成为了硝态氮形态。由于玉米吸收的氮量较多，所以铵态氮和有机态氮处理转化生成的硝态氮含量低于硝态氮处理。

根际土壤速效钾含量明显低于非根际土壤，二者平均值分别为62.14、93.67 mg/kg，说明玉米吸收的根际土壤速效钾较多。土壤钾主要以扩散方式运移，因此一般存在根际亏缺现象[7]。铵态氮和有机态氮处理的根际土壤和非根际土壤速效钾含量显著高于对照，根际分别提高23.22%、7.98%，非根际分别提高78.24%、37.39%。硝态氮处理土壤速效钾含量接近对照。说明施用铵态氮和有机态氮后的土壤环境有利于土壤钾素的转化，提高土壤速效钾含量，施用硝态氮对土壤速效钾含量无显著影响。

与对照比，施用氮肥的处理根际土壤和非根际土壤速效磷含量下降，说明施用氮肥促进了玉米对磷的吸收，加剧了土壤磷素的消耗，减少了土壤中磷肥残留。根际土壤速效磷含量高出非根际土壤11.81～19.31 mg/kg，说明根际的低pH值环境有利于土壤磷素的转化。

2.4不同因素的根际效应及各因素之间相关性分析

植物具有明显的根际效应，用R/S（根际与非根际的比值）表示。不同因素的根际效应见表2。表2表明，细菌的根际效应较大，速效磷的根际效应也较大；施用氮肥，提高细菌、脲酶、铵态氮和硝态氮的根际效应。

试验结果的相关分析（表3）表明，株高与地上部干质量、根际磷酸酶活性与株高、根际磷酸酶活性与地上部干质量、根际铵态氮含量与氮吸收量、根际细菌数量与钾吸收量、根际脲酶活性与速效钾含量、非根际pH值与细菌数量有显著或极显著的正相关关系；根际硝态氮含量与速效磷含量、根际pH值与铵态氮含量、非根际磷酸酶含量与速效磷含量有显著或极显著的负相关关系。说明根际的磷酸酶活性显著影响玉米的株高和地上部干质量，根际的铵态氮含量显著影响植株对氮素的吸收，根际细菌数量显著影响植株对钾素营养的吸收量，根际脲酶活性显著影响根际速效钾含量，根际硝态氮含量显著影响根际速效磷含量，根际pH值显著影响根际铵态氮的含量；而在非根际土壤中，pH值显著影响细菌含量，磷酸酶活性显著影响速效磷含量。

3讨论

3.1不同形态氮源与玉米生长及养分吸收

根系是吸收养分和水分的重要器官，根冠比的大小反映了植物地下部分与地上部分的相关性。大量研究表明，作物对土壤养分的高效吸收利用主要取决于根系的生物学特征，包括根系形态与生理特征。养分供应不足时，根系变细，侧根数量与根毛密度增加，在低氮或干旱胁迫时，光和产物优先分配给根系，根冠比增大 [8-9]。本试验中对照处理的玉米根冠比高于施氮肥处理。说明在没有氮肥供应的情况下，玉米为了应对养分胁迫，将体内有限的养分及干物质作更合理的分配，根系充分发挥其“趋肥性”的生物学潜能而尽力生长，从而获得较大的根冠比，以吸收更多的养分，创造良好的营养条件，满足植株生长需求。施用氮肥则增强了氮素供应，降低了根冠比。

研究表明，与硝态氮肥相比，铵态氮肥有利于植株地上部生物量的增加和干物质的积累[10-11]。本试验中铵态氮处理增加玉米叶面积、地上部干质量，提高氮磷钾吸收量；说明在不同形态氮源中，铵态氮更有利于玉米生长和养分吸收利用。

3.2不同形态氮源与土壤理化性状

根际土壤理化性质对植物根系生长和养分吸收具有重要影响。根际的生物和化学过程影响根际生物的活性，从而间接影响养分的有效性及土壤养分资源的高效利用。土壤中的铵态氮和硝态氮是植物能直接吸收利用的生物氮。根系在吸收大量铵态氮的同时，向土壤释放H+使根际pH值下降；吸收硝态氮时，向土壤释放OH-致使pH值升高。根际pH值的改变对于根际养分的有效性具有显著影响。引起根际pH值改变的原因很多，一般认为主要原因是根系吸收阴阳离子不平衡，生物呼吸代谢产生的CO2、根系分泌的有机酸对根际pH值也有一定的影响。在加入硝化抑制剂DCD的前提下，铵态氮处理根际pH值降低，硝态氮处理根际pH值升高。pH值变化的方向与幅度主要取决于氮源及其浓度，在同一浓度时铵态氮处理使根际pH值下降的幅度大于硝态氮处理使根际pH值升高的幅度[12]。本试验中，不同形态氮源处理的土壤pH值都有降低趋势，说明植株吸收的铵态氮较多向土壤中释放的H+较多，吸收硝态氮较少向土壤中释放的OH-较少，所以根际pH值下降。

土壤是植物生长的物质基础，其养分状况对植物生长影响很大。土壤pH值的改变，会引起土壤理化性质的改变，影响营养元素有效性，从而影响植物根系生长以及养分吸收。根系通过其分泌物和吸收养分元素影响根际土壤性质。根际养分供应强度过低会造成作物养分缺乏；过高则抑制根系生长发育，造成作物营养不均衡，同时增大过量养分向环境中迁移的风险[12]。植物在缺素或受到某一元素胁迫时，根系分泌专一性分泌物如质子或有机物质，活化某些难溶态养分元素或者钝化根际环境中的营养元素，从而控制其浓度以利于植株养分吸收[2]。本研究中根际速效磷含量增加，可能是根系及根际微生物分泌有机酸，使土壤pH值降低，加速土壤中难溶性磷的溶解，速效磷含量增加、有效性提高，促进了根系磷吸收利用，利于玉米生长。

植物对不同养分离子需要量不同，各种离子在土壤中迁移转化过程也存在差异，因此根际和非根际土壤中出现养分状况差异。研究表明，小麦根际碱解氮、速效钾低于非根际[13]；棉花根际碱解氮、速效钾低于非根际，速效磷高于非根际[14-15]。本试验中，根际速效钾含量低于非根际，硝态氮、速效磷含量高于非根际，与玉米养分需求和土壤中养分的迁移转化有关。

3.3不同形态氮源与土壤生物活性

土壤酶和微生物是土壤生物学活性的重要组成部分和指标。土壤酶参与土壤有机质矿化分解和营养物质转化循环。土壤酶活性比微生物数量更能表达土壤的生物活性，常作为判定土壤质量的重要指标。研究表明，棉花根际土壤磷酸酶、脲酶活性高于非根际[14-15]。本试验中根际土壤酶活性高于非根际，铵态氮处理的根际和非根际土壤磷酸酶活性提高。与根系分泌物有关，根系分泌酶类等多种物质进入土壤，影响根际微生物的数量和种类，从而影响它们产生酶和死亡后释放酶的能力，致使根际和非根际酶活性产生较大差异[12]。

微生物是土壤的重要组成部分，参与土壤中物质的分解与转化，是表征土壤肥力的主要生物学指标。受根际分泌物的影响，根际与非根际土壤微生物数量有所不同。根际环境对三大类微生物产生不同的根际效应，对细菌有明显的正效应，对放线菌和真菌有正负两方面的影响[2]。本试验中，根际土壤细菌数量增加，说明根际环境有利于细菌生长和繁殖。

3.4各因素间的相关性

研究表明，棉花非根际的土壤速效磷与土壤磷酸酶呈极显著正相关[14]；根际的土壤脲酶活性与速效钾含量呈显著正相关，与土壤铵态氮含量相关性却不大，这可能与酶促反应底物尿素和产物氨含量对酶活性的影响有关，因为脲酶是一种专性较强的酶，其酶促产物氨溶于水生成NH+4，被植物吸收或被土壤微生物迅速转化利用[15]。本试验也出现了一致的结果。

4结论

施用氮肥增加土壤氮素供应，降低玉米根冠比，显著提高玉米氮吸收量。根际的磷酸酶活性、铵态氮含量、细菌数量显著影响植株生长和养分吸收量。

施用氮肥提高根际土壤脲酶活性、细菌数量、硝态氮含量，降低pH值，有利于土壤磷素的转化提高根际速效磷含量。不同形态氮源对土壤根际和非根际磷酸酶活性、铵态氮含量无显著影响。

根际土壤脲酶活性、细菌数量、速效磷含量高于非根际土壤，速效钾含量低于非根际土壤。根际的微环境有利于细菌繁殖生长，细菌的根际效应较大。

不同形态氮源中，铵态氮、有机态氮有利于根际土壤性状改善和玉米生长，促进玉米对磷、钾的吸收。

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