氮素形态配比对添加玉米秸秆白浆土微生物学特性的影响

2017-07-05徐俊平赵志祎李玉玺

河南农业科学 2017年6期

关键词：铵态氮脲酶硝态

王楠，徐俊平，赵志祎，李玉玺，姚凯，王帅*

(1.吉林农业科技学院植物科学学院，吉林吉林 132101； 2.中国农业大学农学院，北京 100193)

氮素形态配比对添加玉米秸秆白浆土微生物学特性的影响

王楠1，徐俊平1，赵志祎2，李玉玺1，姚凯1，王帅1*

(1.吉林农业科技学院植物科学学院，吉林吉林 132101； 2.中国农业大学农学院，北京 100193)

探讨了不同氮素形态配比(铵态氮∶硝态氮为4∶1、1∶1、 1∶4)对添加玉米秸秆白浆土酶活性以及微生物生物量碳、氮含量的影响，以期筛选对于白浆土微生物学特性有优化作用的最佳氮素形态配比。结果表明，随培养时间增加，添加玉米秸秆的所有铵态氮与硝态氮配比处理白浆土的脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶、蛋白酶和过氧化氢酶活性以及微生物生物量碳、氮含量均表现为先增加后降低的趋势。与培养初始时相比，培养结束时，除了过氧化氢酶活性有较大程度提高外，其余酶活性及微生物生物量碳、氮含量均不同程度地下降。与其他2个处理相比，铵硝等比例混合处理土壤脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶活性以及微生物生物量碳、氮含量的下降程度在一定程度上得到缓冲；同时，其对过氧化氢酶活性的促进作用更强。比较培养初始和培养结束时的结果可知，以硝态氮为主的处理对添加玉米秸秆白浆土的脲酶、蔗糖酶活性及微生物生物量氮含量有较强的抑制作用，而以铵态氮为主的处理则对碱性磷酸酶、蛋白酶、过氧化氢酶活性及微生物生物量碳含量有较强的抑制作用。

氮素形态；白浆土；微生物学特性；酶活性；微生物生物量

秸秆还田是最为常见的土壤培肥方法，但无论秸秆以何种方式还田，都必须辅以适量氮素才能发挥微生物转化的优势作用。就氮素而言，土壤中利于植物吸收、微生物利用的速效氮形态主要有铵态氮和硝态氮2种[1]，其中后者是一种更为耗能的无机氮形态，用量较大时易引发土壤反硝化作用致使氮素以N2、NO和N2O形式损失，对植物而言又易造成体内硝酸盐积累。而铵态氮施用过量会抑制植物对K+、Ca2+的吸收，进而引起植物体内多方面的代谢失调，使植物发生铵中毒[2]。可见，2种氮素形态单施哪一类都会有些许弊端，因此，在秸秆还田过程中施用氮素应尽量考虑两者的配比。

微生物对于铵态氮和硝态氮有着不同的偏好性，2种氮素形态间配比的改变会引起土壤微生物学特性的改变，该微生物特性涵盖微生物生物量及酶活性两方面内容，两者皆为土壤有机质及养分周转的关键因子[3]。因此，氮素形态配比的改变会对土壤生物肥力产生影响。张平等[4]研究表明，氮素形态间配比的改变能够引起微生物活性的改变，间接对土壤有机碳矿化分解程度产生影响。李强[5]研究表明，铵硝比为1∶1或3∶1时更有利于土壤脲酶活性的提高。马宗斌等[6]认为，施用铵态氮肥处理的小麦根际土壤蛋白酶活性高于硝态氮肥处理。另有报道指出，不同形态氮肥配施可有效改善土壤微生物区系，硝态氮肥有利于土壤细菌和放线菌数量的提高[7]；而铵态氮肥比例增加可有效提高土壤中真菌数量和脲酶、中性磷酸酶活性[2]。此外，土壤中不同氮素形态间的相互作用亦会对植物营养供应产生一定影响[8-9]。综上，氮素形态间的合理配比能够改善微生物学特性，提高秸秆还田土壤养分有效性，促进腐殖化进程。

然而，如何调控铵态氮和硝态氮间的配比来提高微生物活性，使微生物学特性更符合秸秆还田培肥地力的实际情况，并未见系统性报道。为此，采用室内培养法，在氮素用量相同且不栽种任何作物的前提下，研究不同氮素形态配比对添加玉米秸秆白浆土微生物学特性的影响，旨在探索秸秆还田条件下不同氮素形态的适宜配比，为氮素多形态掺混化肥的研制提供参考。

1 材料和方法

1.1 供试材料

白浆土于2015年3月取自吉林农业科技学院北大地玉米试验田(126°28′48.66″ E、43°57′34.85″ N)，经风干、粉碎后过0.25 mm筛；玉米秸秆于2015年11月采收于吉林农业科技学院西侧玉米试验田，带回实验室后在55 ℃条件下烘干至恒质量，粉碎过0.25 mm筛。

1.2 试验设计

基于同等氮素添加量(200 mg/kg)，试验共设3个不同氮素形态配比处理，即铵态氮∶硝态氮(摩尔比)分别为4∶1(AD)、1∶1(AN)、1∶4(ND)，氮素形态主要来源为NH4Cl、NH4NO3和NaNO3。按照质量比7∶3称取白浆土和玉米秸秆粉末，然后将两者充分混匀。用蒸馏水将各处理含氮试剂溶解并喷洒于混料中，使其含水量达到田间持水量的80%，混匀后，取150 g(按照混料干质量计)装入250 mL塑料烧杯中，用可透气的塑料薄膜封口，置于28 ℃恒温培养箱中培养。每隔48 h对样品进行称量并补足水分，确保恒湿条件。培养后0、15、30、60、90、120、180 d取样，各时间点均设置3个重复，从所取样品中称取一部分直接置于4 ℃冰箱中保存，用于微生物生物量碳、氮含量的测定；剩余部分风干后磨碎，过0.25 mm筛，装入玻璃磨口瓶中，用于土壤酶活性测定。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 酶活性脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和蛋白酶活性分别采用苯酚钠-次氯酸钠比色法、磷酸苯二钠比色法、3，5-二硝基水杨酸比色法、高锰酸钾滴定法和茚三酮比色法进行测定[10]。

1.3.2 微生物生物量碳、氮含量微生物生物量碳、氮的浸提采取氯仿熏蒸—K2SO4浸提法进行[11]。称取一定数量4 ℃冰箱中保存的土壤样品，分别在氯仿熏蒸前后用K2SO4溶液浸提，提取液中有机碳含量采用K2Cr2O7氧化法测定；提取液中全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定。微生物生物量碳含量=EC/KC，其中，EC为未熏蒸与熏蒸土壤浸提有机碳含量的差值，KC为转换系数(取值0.38)；微生物生物量氮含量=EN/KN，其中EN为熏蒸与未熏蒸土壤浸提全氮含量的差值，KN为转换系数(取值0.45)。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2003处理，采用SPSS 18.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 氮素形态配比对添加玉米秸秆白浆土酶活性的影响

2.1.1 脲酶活性作为参与土壤氮循环的关键酶，脲酶可加速土壤中潜在氮素的有效化，与土壤供氮水平密切相关[12]。由图1可知，随着培养时间增加，3个处理脲酶活性均呈先增加后降低的趋势，脲酶活性表现为AD>AN>ND。对于AD和AN 2个处理，在培养0～30 d时，脲酶活性随培养时间增加有所升高，30 d时最高，较培养初始时分别增加6.8%和4.5%，之后降低。对于ND处理，在培养0～15 d时，脲酶活性随着培养时间增加有所提高，15 d时最高，较培养初始时提高3.2%，之后降低。在培养结束时，与培养初始时相比，脲酶活性均受到不同程度的抑制，AD、AN、ND处理脲酶活性的降低幅度分别为15.5%、13.3%、22.4%。

综上，当添加的氮素中铵态氮占50%以上(AD和AN)时，脲酶活性提高并能维持至培养后30 d。当添加的氮素中硝态氮占优势时，脲酶活性亦有所提高，但仅能维持至15 d，即硝态氮在维持土壤脲酶活性方面的能力较弱。

图1 氮素形态配比对添加玉米秸秆白浆土脲酶活性的影响

2.1.2 碱性磷酸酶活性碱性磷酸酶活性能够表示土壤有机磷的转化状况，其酶促作用产物是土壤有效磷的重要来源[12]。由图2可知，随着培养时间的增加，3个处理碱性磷酸酶活性的变化趋势大体相似，均表现为先增加后降低的趋势，总体上，碱性磷酸酶活性表现为AD>AN>ND。以铵态氮占优的供氮处理AD在培养15 d时，碱性磷酸酶活性达到峰值[0.75 mg/(g·d)]，而后逐渐降低。AN和ND处理碱性磷酸酶活性变化相对平稳，最大值均出现在培养30 d时，随后逐渐降低。培养结束时，脲酶活性均受到不同程度的抑制，与培养初始时相比，AD、AN、ND 处理脲酶活性的降低幅度分别为9.8%、5.9%、8.7%。这一结果表明，以铵态氮为主的处理尽管在培养初期使碱性磷酸酶活性有所提高，但最终使其活性受到抑制的程度最大，其次是硝态氮占优的处理，而铵硝等比例混合处理则更有利于减缓碱性磷酸酶活性的下降程度。

图2 氮素形态配比对添加玉米秸秆白浆土碱性磷酸酶活性的影响

2.1.3 蔗糖酶活性蔗糖酶能够催化蔗糖水解过程，生成葡萄糖和果糖，其活性强弱能够反映土壤熟化程度和肥力水平，是土壤参与有机碳循环的重要转化酶[12-13]。由图3可见，随培养时间增加，3个处理蔗糖酶活性总体均表现为先增加后降低的趋势，培养60 d内，蔗糖酶活性表现为AD>AN>ND，之后表现为AN>AD>ND。在AD和AN处理条件下，蔗糖酶活性的峰值出现在培养30 d时，而ND处理出现在培养15 d时，尽管在各处理条件下，蔗糖酶活性均经历峰值，但与培养初始时相比，培养结束时蔗糖酶活性均受到不同程度抑制，AD、AN、ND处理蔗糖酶活性的降低幅度分别达到7.2%、5.8%、9.8%。另外，在培养90 d后，以铵态氮为主的处理氮素受到硝化作用影响，氮素形态会逐渐向硝态氮转化，受其影响蔗糖酶活性也会有所下降，此时，铵硝等比例混合处理更有益于减缓秸秆-白浆土混料中蔗糖酶活性的下降趋势。

图3 氮素形态配比对添加玉米秸秆白浆土蔗糖酶活性的影响

2.1.4 蛋白酶活性作为水解蛋白质肽键的一类酶的总称，蛋白酶广泛存在于植物茎叶和微生物中。由图4可知，随培养时间增加，3个处理蛋白酶活性均表现为先增加后降低的趋势。在培养0～30 d时，以铵态氮为主的处理对蛋白酶活性的提高幅度最大，达到2.4%，其次是铵硝等比例混合处理；3个处理蛋白酶活性均在培养30 d时达到峰值；随后，铵态氮历经硝化作用，其不断被氧化成硝态氮，因微生物对硝态氮的亲和力较差，因此，AD和ND 2个处理蛋白酶活性均大幅降低。相反，铵硝等比例混合处理更易稳定氧化还原电位，在促进微生物活性的同时，通过硝态氮的反硝化作用，使其充当氧化剂来加速腐殖化进程，能够在较大程度上缓解蛋白酶活性的下降趋势。在培养结束时，与培养初始时相比，AD、AN和ND处理蛋白酶活性均不同程度地下降，降幅分别为6.0%、2.9%和5.8%。可见，铵硝等比例混合处理在改善蛋白酶活性方面的作用最佳。

图4 氮素形态配比对添加玉米秸秆白浆土蛋白酶活性的影响

2.1.5 过氧化氢酶活性过氧化氢酶可由植物根系或土壤微生物分泌，用于表征土壤生物氧化过程的强弱[2]，其可清除植物体内多余的H2O2，从而使细胞免受毒害，是生物防御体系的关键酶之一。由图5可知，随培养时间增加，3个处理过氧化氢酶活性均表现为先增加后降低的趋势，过氧化氢酶活性总体表现为AN>AD>ND。ND处理过氧化氢酶活性的峰值出现在培养120 d，而AD和AN处理可使该酶活性峰值提早至培养90 d时出现。在培养结束时，与培养初始时相比，各处理过氧化氢酶活性均不同程度地增加，AD、AN和ND处理的增幅分别为40.1%、64.5%和53.3%。

上述结果表明，微生物在3种氮素形态配比(AD、AN和ND)条件下均能有效促进细胞内H2O2的分解，使其在培养90 d或120 d时达到最佳效果，而后随微生物活性减弱而受到抑制。综合来看，铵硝等比例混合处理更有利于过氧化氢酶活性的整体提高，其次是硝态氮为主的处理，而以铵态氮为主的处理最差。

图5 氮素形态配比对添加玉米秸秆白浆土过氧化氢酶活性的影响

2.2 氮素形态配比对添加玉米秸秆白浆土微生物生物量碳、氮含量的影响

2.2.1 微生物生物量碳含量微生物生物量碳可参与调控土壤有机质的分解及养分的循环，因此，对陆地生态系统功能的维系起到至关重要的作用[14]。由图6可知，随培养时间增加，3个处理微生物生物量碳含量均表现为先增加后降低的趋势，微生物生物量碳含量总体表现为AN>AD>ND。在培养0～15 d时，以铵态氮为主的处理更有利于微生物生物量碳含量的增加，而硝态氮占优势的处理增加效果最弱；在培养15 d时，3个处理微生物生物量碳含量均达到峰值，这说明微生物在外源氮素供应下活性得以提高，数量得到扩增，从而引起微生物生物量碳含量的增加；之后，各处理微生物生物量碳含量均下降，AD处理下降幅度最大，其次为ND处理。与培养初始时相比，培养结束时，AD、AN和ND处理微生物生物量碳含量均不同程度地下降，降低幅度分别为53.0%、32.8%和49.3%。综上，铵硝等比例混合处理更有利于微生物生物量碳含量的保蓄。

图6 氮素形态配比对添加玉米秸秆白浆土微生物生物量碳含量的影响

2.2.2 微生物生物量氮含量微生物生物量氮是土壤有机态氮中最为活跃的组分[15]，可作为土壤潜在氮库中最为重要的氮源[16]。由图7可知，随培养时间增加，3个处理微生物生物量氮含量均表现为先增加后降低的趋势，微生物生物量氮含量总体表现为AN>AD>ND。在培养0～30 d时，3个处理微生物生物量氮含量较高，并较平稳；之后，3个处理微生物生物量氮含量骤然降低。AD和ND处理微生物生物量氮含量的峰值均出现在培养15 d时，而铵硝等比例混合处理微生物生物量氮含量的峰值出现在培养30 d时。与培养初始时相比，培养结束时，AD、AN和ND处理微生物生物量氮含量均不同程度地下降，降幅分别为67.4%、55.6%和71.0%。相比之下，铵硝等比例混合处理更有利于减缓微生物生物量氮的损耗。

图7 氮素形态配比对添加玉米秸秆白浆土微生物生物量氮含量的影响

3 结论与讨论

本研究结果表明，随着培养时间的增加，添加玉米秸秆的所有铵态氮与硝态氮配比处理白浆土的脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶、蛋白酶和过氧化氢酶活性以及微生物生物量碳、氮含量均表现为先增加后降低的趋势。与培养初始时相比，培养结束时，除了过氧化氢酶活性有较大程度提高外，其余酶活性及微生物生物量碳、氮含量均不同程度地下降。这些结果表明，在培养初期，微生物在氮素供应充分的条件下，对新添加的秸秆进行较为强烈地矿化，使结构相对简单的有机碳分解，不断释放速效养分使微生物易于获取能量[16]，微生物在摄取营养物质后迅速合成细胞物质，繁衍速度增加，进而提高了微生物量碳、氮含量及相关酶活性。然而，随着秸秆中易于分解的有机碳成分减少以及养分渐趋耗竭，加之微生物活性的自然衰退，上述微生物学特性指标降低。

[1] Kaštovská E,ková H.Comparison of uptake of different N forms by soil microorganisms and two wet-grassland plants:A pot study[J].Soil Biology & Biochemistry,2011,43(6)：1285-1291.

[2] 张雪,刘守伟,吴凤芝,等.不同氮素形态对黄瓜根区土壤微生物数量及土壤酶活性的影响[J].中国蔬菜,2014(3):19-25.

[3] 贾伟,周怀平,解文艳,等.长期有机无机肥配施对褐土微生物生物量碳、氮及酶活性的影响[J].植物营养与肥料学报,2008,14(4):700-705.

[4] 张平,洪坚平,李娜.不同氮肥对酥梨品质及土壤养分的影响[J].山西农业大学学报(自然科学版),2016,36(2):120-127.

[5] 李强.不同氮素形态配比对冬小麦田土壤速效养分含量及酶活性的影响[D].洛阳:河南科技大学,2013.

[6] 马宗斌,熊淑萍,何建国,等.氮素形态对专用小麦中后期根际土壤微生物和酶活性的影响[J].生态学报,2008,28(4):1544-1551.

[7] 熊淑萍,车芳芳,马新明,等.氮肥形态对冬小麦根际土壤氮素生理群活性及无机氮含量的影响[J].生态学报,2012,32(16):5138-5145.

[8] Kronzucker H J,Glass A D M,Siddiqi M Y.Inhibition of nitrate uptake by ammonium in barley:Analysis of component fluxes[J].Plant Physiology,1999,120:283-292.

[9] Thornton B,Robinson D.Uptake and assimilation of nitrogen from solutions containing multiple N sources[J].Plant,Cell and Environment,2005,28(6):813-821.

[10] 关松荫.土壤酶学研究方法[M].北京:中国农业出版社,1986:274-324.

[11] 鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京:中国农业科技出版社,2000:107-178.

[12] 李倩,张睿,贾志宽.玉米旱作栽培条件下不同秸秆覆盖量对土壤酶活性的影响[J].干旱地区农业研究,2009,27(4):152-154,162.

[13] 于天一,逄焕成,唐海明,等.不同母质类型水稻土酶活性及其与理化性质的关系[J].土壤学报,2013,50(5):1043-1047.

[14] He Z L,Yang X E,Baligar V C,etal.Microbiological and biochemical indexing systems for assessing acid soil quality[J].Advances in Agronomy,2003,78:89-138.

[15] 仇少君,彭佩钦,刘强,等.土壤微生物生物量氮及其在氮素循环中作用[J].生态学杂志,2006,25(4):443-448.

[16] 陈昕，姜成浩，罗安程.秸秆微生物降解机理研究[J].安徽农业科学，2013，41(23)：9728-9731，9740.

[17] 张中杰，朱波，项红艳.氮肥施用对西南地区紫色土冬小麦N2O释放和反硝化作用的影响[J].农业环境科学学报，2010，29(10)：2033-2040.

Effect of Ratios of Nitrogen Forms on Microbiological Characteristics of Albic Soil Amended with Corn Stalk

WANG Nan1,XU Junping1,ZHAO Zhiyi2,LI Yuxi1,YAO Kai1,WANG Shuai1*

(1.College of Plant Science,Jilin Agricultural Science and Technology University,Jilin 132101,China;2.College of Agronomy and Biotechnology,China Agricultural University,Beijing 100193,China)