氮素形态对甘薯土壤微生物及酶活性的影响

2017-10-20陈晓光李洪民张爱君唐忠厚

西南农业学报 2017年3期

关键词：栽秧铵态氮脲酶

陈晓光, 李洪民, 张爱君, 唐忠厚, 魏猛

(江苏徐州甘薯研究中心, 江苏徐淮地区徐州农业科学研究所，江苏徐州 221131)

氮素形态对甘薯土壤微生物及酶活性的影响

陈晓光, 李洪民, 张爱君, 唐忠厚, 魏猛

(江苏徐州甘薯研究中心, 江苏徐淮地区徐州农业科学研究所，江苏徐州 221131)

研究氮素形态对土壤微生物特性的影响对于土壤管理具有重要意义。本试验在大田条件下，采用随机区组设计研究了硝态氮、铵态氮和酰胺态氮对甘薯地土壤微生物生物量碳、活跃微生物生物量、土壤呼吸及土壤酶活性的影响。结果表明，土壤微生物生物量碳、活跃微生物量、呼吸速率和土壤酶活性对不同氮素形态的响应不同。土壤微生物生物量碳在块根膨大前中期以铵态氮处理最大，而在收获期以硝态氮处理最大。土壤活跃微生物量以铵态氮处理最大。土壤呼吸速率、呼吸熵、脲酶和蔗糖酶活性均以酰胺态氮处理最大。甘薯施用铵态氮肥有利于提高土壤活跃微生物量和微生物生物量碳，适当增施铵态氮是保证土壤生物健康的较好施氮模式。

甘薯；氮素形态；土壤微生物；土壤酶

土壤微生物和酶是土壤生物化学特性的重要组成部分，是土壤有机质和土壤养分转化循环的动力，在土壤微生态环境中发挥着重要作用，对土壤营养物质转化、有机质分解等方面起重要作用[1-3]。提高土壤微生物和土壤酶活性能够促进作物生长、防治和减轻病虫害危害，促进植物所需营养元素的循环、土壤肥力的保持及能量转化，增加作物产量[4-7]。施肥是影响土壤质量及其可持续利用最深刻的农业措施之一，会对土壤结构、生物肥力和生产力产生重要影响[8]。适宜的施肥量能够调控土壤养分，提高土壤酶活性，增加土壤微生物数量[9-12]。因此探究施肥对土壤微生物和土壤酶活性的影响对维护和提高土壤质量具有重要意义。施用氮肥显著影响甘薯块根产量的形成，在一定范围内，增施氮肥可以提高甘薯的干物质生产能力和块根产量，而过量施氮则会导致块根旺长，降低块根产量和氮肥利用效率[13]。甘薯对氮素的吸收利用除受施用量的影响外，还受氮素形态的影响。氮素形态对甘薯的生长发育、产量和品质形成具有显著影响，尤其是影响块根生理活性[14-15]。甘薯根系生长及块根的膨大又会影响根系土壤微环境中土壤微生物活动及土壤酶活性。但前人就氮素对甘薯土壤中微生物和土壤酶活性的影响还鲜见报道。本试验以徐薯28为材料，在大田条件下研究了铵态氮、硝态氮和酰胺态氮对甘薯土壤微生物和土壤酶活性的影响，以期阐明氮肥形态对土壤微生物特性及土壤酶活性的调控作用，为合理施氮和土壤培肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2014年在江苏徐州甘薯研究中心试验农场进行。试验地前茬为小麦，收获后小麦秸秆还田。供试土壤为黄潮土，土壤含有机质8.42 g·kg-1，碱解氮59.58 mg·kg-1，速效磷28.61 mg·kg-1和速效钾75.82 mg·kg-1。供试甘薯品种为徐薯28。

试验设不施氮肥(CK)、硝酸钠(T1，含氮13 %)、硫酸铵(T2，含氮21 %)和尿素(T3，含氮46 %) 4个处理，重复4次，随机区组排列。采用大垄双行种植模式，小区面积为24 m2，栽插时间为6月28日。各处理氮肥施用量为7.5 kg·hm-2，钾肥施用量为10 kg·hm-2，磷肥使用量为6 kg·hm-2，所用肥料均作为基肥一次性施入。除草等其他管理措施同一般大田。

1.2 取样方法与测定项目

1.2.1 取样方法分别于栽秧后45、80和115 d进行取样，每小区选取6个样点，取样点为“S”形分布。使用3 cm×20 cm土钻采集0～20 cm耕层土壤，每个样品重复3次，土壤样品混匀后四分法取样，一部分土样用于微生物学特性的研究，另一部分土样室内风干，过1 mm筛，用于土壤脲酶和蔗糖酶活性测定。

1.2.2 测定项目土壤微生物生物量碳的测定采用基质诱导呼吸法；土壤活跃微生物量测定用呼吸曲线数学分析法[16-17]。土壤呼吸的测定采用CO2释放量法[17]。其中CO2的产生量均用北京分析仪器厂的GXH-305便携式红外线分析器测定。呼吸商是基础呼吸与微生物量C间比率，即每单位微生物生物量碳的具体呼吸速率[18]。

土壤脲酶活性采用靛酚比色法测定，蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定[17]。

1.3 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2003作图，用SPSS13.0进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 氮素形态对土壤微生物碳的影响

土壤微生物生物量碳能够反映土壤养分的有效状况和生物活性。各处理土壤微生物生物量碳含量均表现在栽秧后80 d最大，且施氮处理的微生物生物量碳含量显著高于不施氮处理(表1)。在栽秧后40～80 d，不同形态氮肥处理的土壤微生物生物量碳含量表现为铵态氮>酰胺态氮>硝态氮；在栽秧后115 d，土壤微生物生物量碳含量表现为硝态氮>酰胺态氮>铵态氮。这可能是由于甘薯对不同氮素形态的吸收利用差异造成的。

2.2 氮素形态对土壤活跃微生物量的影响

由表2可以看出，甘薯种植地土壤中活跃微生物量在甘薯栽秧后80 d达到峰值。在整个生育期内，各施氮处理的活跃微生物量总体趋势是铵态氮处理>硝态氮处理、酰胺态氮处理>对照处理，施氮有利于提高土壤活跃微生物量，其中以施用铵态氮最为显著。土壤活跃微生物量在甘薯生长后期大于前期，这可能是因为随着甘薯地下部块根的膨大生长、根系活动的增强，土壤活跃微生物量也随之增加。

2.3 氮素形态对土壤呼吸速率和呼吸熵的影响

由图1可以看出，施氮处理显著提高了土壤呼吸速率。在栽秧后40 d，不同氮素形态处理的土壤呼吸速率无明显差异。在栽秧后80～115 d，各施肥处理的土壤呼吸速率以施尿素处理最大，显著高于施硝态氮和铵态氮处理；而施硝态氮和铵态氮处理的土壤呼吸速率无明显差异。

表1 氮素形态对土壤微生物生物量碳的影响

注：数据后不同的小写字母表示在(P<0.05)水平上的差异显著性，下同。

Note：Different small letters means significant difference at 0.05 level. The same as below.

表2 氮素形态对土壤活跃微生物量的影响

表3 氮素形态对土壤脲酶活性的影响

呼吸熵将微生物量的大小与微生物的生物活性与功能联系起来，代表了微生物群落的维持能大小和对基质的利用效率，qCO2值大意味着微生物呼吸消耗的碳比例较大，释放的CO2较多[19]。各施氮处理的土壤呼吸熵在栽秧后45 d时明显低于不施肥处理，且各施氮处理之间无明显差异(图2)。在栽秧后80 d时各处理的土壤呼吸熵表现为酰胺态氮>对照>铵态氮、硝态氮。在栽秧后115 d时各处理的土壤呼吸熵表现为酰胺态氮>铵态氮、硝态氮>对照。

2.4 氮素形态对土壤脲酶活性的影响

由表3可以看出，甘薯块根膨大期内，各处理土壤脲酶活性变化表现为先升高后降低的趋势，在栽秧后80 d最大。不同形态氮素处理相比，酰胺态氮素处理下的土壤脲酶活性最高，硝态氮和铵态氮处理的脲酶活性则较为接近。

图1 土壤呼吸速率变化Fig.1 Changes of soil respiration rate

2.5 氮素形态对土壤蔗糖酶活性的影响

蔗糖酶是土壤中广泛存在的酶，能促进蔗糖分解，是土壤中碳循环转化的关键酶。由表4可以看出，各施肥处理的蔗糖酶活性显著高于对照处理。在栽秧后40 d时不同氮素形态处理的土壤蔗糖酶活性物明显差异。在栽秧后80和115 d，各施氮处理的土壤蔗糖酶活性表现为酰胺态氮素>铵态氮、硝态氮。

3 讨论

3.1 氮素形态对土壤微生物的影响

图2 土壤呼吸熵的变化Fig.2 Changes of respiration quotient

表4 氮素形态对土壤蔗糖酶活性的影响

土壤微生物是控制土壤生态系统中养分流的关键因子，参与调控土壤中能流和养分循环，其多少与变化可以表征土壤肥力高低及其变化趋势[20]。微生物生物量碳约占土壤有机碳的1 %～5 %，能反映土壤碳库的微小变化及微生物群落的大小[21]。土壤微生物量和微生物生物量碳因肥料种类和用量不同而产生变化，并最终决定于土壤有机质含量的变化[22]。罗兰芳、李花等[23-24]研究表明施氮能明显提高土壤微生物生物量碳含量。本研究发现，施用不同形态氮肥均显著提高了甘薯地土壤微生物生物量碳的含量，但甘薯不同时期土壤微生物生物量碳含量对氮素形态的反应不同。在甘薯块根膨大前中期，土壤微生物生物量碳含量表现为铵态氮>酰胺碳氮、硝态氮，造成这种差异的原因可能是在甘薯生育前期，铵态氮可直接被植物根系吸收，快速促进甘薯根系生长，根系分泌物增多，同时根系吸收NH4-N后分泌H+使根际土壤的pH降低，溶磷能力提高。在甘薯生育后期，土壤微生物生物量碳含量表现为硝态氮、酰胺碳氮>铵态氮。总之，植物可以通过根系分泌物和残体向土壤提高有机碳、氮，促进微生物生长，进而增加土壤微生物生物量碳、氮含量[25]。然而不同形态氮素下土壤微生物生物量碳含量差异的原因尚需进一步研究。

土壤呼吸能够在一定程度上反映微生物的整体活性。前人研究表明，土壤温度与土壤呼吸呈指数关系[26]。本试验结果也显示，土壤呼吸速率在栽秧后80 d数值最大，正是温度和土壤湿度较大的时期。随甘薯块根膨大进程，不同形态氮素处理对土壤呼吸速率的影响有较大差异。在甘薯块根膨大前期，不同形态氮素处理无明显差异，这可能是因为前期根系生长量相对较少，土壤呼吸以微生物呼吸为主。在块根快速膨大期，不同形态氮素处理的土壤呼吸速率表现为酰胺态氮>铵态氮、硝态氮，这可能是因为酰胺态氮提高了吸收根数量，引起有机碳向地下分配增加，同时激活了土壤脲酶的活性，促进了凋落物和有机质的分解，进一步促进了土壤呼吸。其最终机理尚需进一步研究。

3.2 氮素形态对甘薯地土壤脲酶和蔗糖酶活性的影响

土壤酶活性是维持土壤肥力的潜在指标，其高低反映了土壤养分转化的强弱。不同的土壤酶专一地作用于某一种基质，并反映与其相关的土壤有机化合物转化过程。土壤蔗糖酶可以增加土壤中易溶性营养物质，其活性与有机质的转化和呼吸强度密切相关。土壤脲酶促进土壤中含氮有机化合物的转化和尿素的分解，其活性在某方面可以反映土壤供氮水平和能力[27]。土壤酶活性受施肥等栽培管理措施的影响。前人研究表明[10, 29]，适量施用氮肥明显提高土壤脲酶和蔗糖酶活性。氮素形态也会影响土壤脲酶活性。王光华、严君等[29-30]报道，在硫酸铵处理下大豆根际脲酶活性最高；而马宗斌等[31]的结果显示小麦根际土壤脲酶活性以酰胺态氮处理最高。本试验结果表明，酰胺态氮肥处理的土壤脲酶活性显著高于铵态氮和硝态氮处理，铵态氮和硝态氮处理之间无明显差异。结果与马宗斌等的研究一致，而与王光华等的研究不一致。可能的原因是，一方面可能是由于作物对养分吸收差异有关，另一方面可能是垄作栽培条件下甘薯土壤水热状况、理化性质和微生物区系差异造成的，其具体原因尚需进一步研究。土壤蔗糖酶活性在块根形成初期各处理无显著差异，但在块根膨大中后期，表现为酰胺态氮>铵态氮、硝态氮，这与此时各处理的土壤微生物生物量碳的变化趋势并不完全相同，表明土壤蔗糖酶活性与微生物生物量碳相关性不大。

土壤微生物特性和酶活性影响作物的生长发育，作物的生长发育情况又影响土壤微生物特性及土壤酶活性[10]。在实际生产中，应进一步研究何种氮形态配比及其用量，能使土壤微生物及酶活性更有利于甘薯块根膨大及产量的提高。

4 讨论

土壤微生物生物量碳、活跃微生物量、呼吸速率和土壤酶活性对不同氮素形态的响应不同。其中，酰胺态氮肥处理的土壤脲酶活性最高，铵态氮肥处理的土壤活跃微生物量和微生物生物量碳最高。总之，适当增施铵态氮是保证土壤生物健康的较好施氮模式。

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(责任编辑陈虹)

EffectofNitrogenFormsonSoilMicrobesandSoilEnzymeActivitiesinSweetPotatoYield

CHEN Xiao-guang, LI Hong-min, ZHANG Ai-jun, TANG Zhong-hou, WEI Meng
(Xuzhou Sweetpotato Research Center of Jiangsu, Xuzhou Institute of Agricultural Science of Xuhuai District, Jiangsu Xuzhou 221131, China)