不同氮素水平及施氮方式对老芒麦根际土壤特性的影响

2021-04-08宿敬龙刘艳君

草地学报 2021年2期

宿敬龙，祁娟，刘艳君，杨航，李明

(甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，甘肃省草业工程实验室，中-美草地畜牧业可持续研究中心，甘肃兰州 730070)

施氮作为提高作物产量和品质的重要农艺措施之一被学者广泛研究[1]。有研究结果表明[2]，合理施氮能够有效提高农业生产效率，而不合理的施氮则会造成氮肥损失、利用率下降、土壤中大量残留等不良后果。有学者研究表明，在禾本科牧草施氮过程中，氮素添加过量使得土壤肥力下降，氮素利用效率降低[3]。与此同时多年生禾本科牧草的连续施氮也会导致土壤肥力下降，土壤养分缺失[4]。因此，如何合理的进行氮素添加，从而提高根际土壤肥力，仍是我们需要攻克的难题之一[5]。

土壤酶是土壤中具有生物活性的蛋白质，是土壤新陈代谢的重要因素[6]。氮素添加为微生物生长提供充足的氮源，使土壤酶活性显著提高[7]。马东云等[8]研究发现，在一定氮素水平内，脲酶活性随氮素水平的升高而提高，且在尿素含量为782 kg·hm-2时其活性最大。吴祥颖等[9]研究表明，施用氮肥可提高土壤脲酶活性，追施氮肥亦可使土壤脲酶和转化酶活性提高。同时也有研究表明[10]，不同氮素添加方式对土壤酶活性有不同的影响，进而导致土壤养分的不同。合理的氮素添加可以显著改善土壤物理性状以及不同程度地增加土壤有机质、全磷和全氮的含量[11-12]，杨晨璐等[13]人研究发现进行连续的追施氮肥能显著提高土壤有效钾及速效磷含量；张玉娥等[14]研究表明，土壤全氮和碱解氮含量均会随着氮肥施用总量的增加而升高，在氮肥施用量相同条件下，土壤全氮和碱解氮含量均随着追施氮量的增加而升高。

老芒麦(ElymussibiricusL.)是禾本科披碱草属的多年生牧草，具有抗逆性强、产草量高、适口性好等特点[15]。近年来，随着畜牧业的大力发展，老芒麦被大量地用于西北天然草地和人工草地的改良及建植，同时老芒麦的种植面积也不断扩大[16]。有研究表明，老芒麦在种植多年以后，其根际土壤养分及其酶活性均有所下降[17]。目前，在老芒麦的建植研究中，关于氮素水平和施氮方式对老芒麦影响方面有零星报道，但大多都是从单一因素进行研究，有关不同氮素水平及施氮方式对老芒麦根际土壤特性的综合效应研究鲜见报道。为此，本研究通过不同氮素水平及施氮方式对不同生长年限老芒麦根际土壤特性进行研究，旨在揭示不同氮素水平及施氮方式对老芒麦根际土壤养分的调控作用，为老芒麦人工草地建植及可持续利用提供科学理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为不同建植年限(4年生、5年生)的‘青牧1号’老芒麦人工草地

1.2 试验地概况

试验地位于青海省海北州海晏县西海镇。地理坐标为东经36°59.36′，北纬100°52.848′，海拔3 156 m，气候寒冷潮湿，无霜期，年均气温0.5℃，年降水量369.1 mm，多集中在7，8和9三个月，年蒸发量1 400 mm，全年日照时数2 980 h，平均无霜期93 d，土壤为栗钙土。试验地基况如表1所示。

表1 试验地土壤理化性状

1.3 试验方法

试验采用双因素设计，因素A：设6个氮素(纯N)水平0，45，60，75，90和105 kg·hm-2，分别表示为N0，N45，N60，N75，N90和N105(表2)。因素B：不同的施氮方式(第4年和第5年施氮、第4年施氮后第5年追施氮，分别表示为Y4，Y5和Y4-5)[18]。以N0为CK作为对照(不做施氮处理)，2015年进行‘青牧1号’老芒麦的种植，播种量为14 kg·hm-2，播种行距为30 cm，共54个试验小区(每个小区共10行5 m样段)。为防止各个小区间相互影响，每个小区设置一个2 m宽的保护行。2018年5月返青期进行4龄老芒麦根部施氮处理，施入方式为沟施(即每行开沟)，沟深为10 cm，根据每小区的用量，精确到每行的用量，将尿素(氮含量为46%)均匀撒入，然后覆土。2019年5月返青期，以同样的方式进行5龄老芒麦施氮和4龄老芒麦施氮后到5龄追施每个处理重复3次，在此期间不施肥、不浇水、也不定期除杂草。

在蜡熟期进行取样，每个试验小区中随机选取老芒麦植株，以20 cm样段为基准把老芒麦根系挖出，将浮土去掉，采用抖落法收集根际土壤，装入保鲜袋，用冰袋进行保存，带回实验室测定相关指标，每个处理3次重复。

表2 小区施肥设计

1.4 测定指标及计算方法

1.4.1根际土壤化学性质将风干土样研磨，分别过1 mm和0. 25 mm筛后，按鲍士旦[19]的分析方法进行根际土壤理化性质的各指标测定。根际土壤有机质：重铬酸钾氧化-外加热法；全氮：凯氏定氮法；全钾：火焰光度法；速效磷：碳酸氢钠法；有效钾：醋酸铵-火焰光度计法。

1.4.2根际土壤酶活性参照关松荫[20]的分析方法进行根际土壤酶活性的测定。

蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法；脲酶活性采用苯酚钠—次氯酸钠比色法；碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法。

1.5 数据处理

采用Excel 2010进行数据处理和制作图表，用SPSS 20.0软件进行单因素(one-way ANOVA)、最小显著差异法(LSD法)进行方差分析和多重比较(α=0.05)。选择双因素方差分析(two-way ANOVA)对施氮方式、氮素水平及其交互作用对老芒麦根际土壤特性进行定量分析。

运用灰色关联度分析方法[21]对各处理的老芒麦根际土壤有机质、全氮、全钾、速效钾、有效磷含量及蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性进行综合分析。根据关联度分析原则，关联度值大小与综合性状表现呈正相关，分析步骤如下：

假设参考数列为x0，比较数列为xi，i = 1, 2, 3, ……, n, 且x0= {x0(1), x0(2), x0(3), …, x0(n) }, xi={xi(1), xi(2), xi(3), …, xi(n) }，则称ζi(k) 为x0与xi在第k点的关联系数，计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 不同氮素水平及施氮方式对老芒麦根际土壤化学性质的影响

2.1.1不同氮素水平及施氮方式对根际土壤有机质含量的影响由图1可知，施氮可以提高老芒麦根际土壤有机质含量。Y4和Y4-5处理，老芒麦根际土壤有机质含量显著高于对照(P<0.05)，Y4处理在90 kg·hm-2氮素水平下根际土壤有机质含量最高，较对照提高了57.5%；Y4-5处理在75 kg·hm-2氮素水平下根际土壤有机质含量最高，较对照提高了80.2%。Y5处理，老芒麦根际土壤有机质含量在45 kg·hm-2，60 kg·hm-2和75 kg·hm-2氮素水平下较对照均显著提高(P<0.05)，且60 kg·hm-2氮素水平下根际土壤有机质含量最高，较对照提高了48.2%。45和75 kg·hm-2氮素水平下，Y4-5和Y5施氮方式之间根际土壤有机质含量均差异显著(P<0.05)，且Y4-5较Y5施氮方式下的根际土壤有机质含量高。

2.1.2不同氮素水平及施氮方式对根际土壤全氮含量的影响由图2可知，施氮可以提高老芒麦根际土壤全氮含量。Y4和Y4-5处理，老芒麦根际土壤全氮含量在各氮素水平下较对照均差异显著(P<0.05)，且在90 kg·hm-2氮素水平下，根际土壤全氮含量均最高，较对照分别提高了10倍、13.9倍。Y5处理，老芒麦根际土壤全氮含量在60 kg·hm-2，90 kg·hm-2和105 kg·hm-2氮素水平下较对照均差异显著(P<0.05)，且在90 kg·hm-2氮素水平下根际土壤全氮含量最高，较对照提高了421.8%。除0 kg·hm-2氮素水平外，在其余同一氮素水平下Y4，Y4-5和Y5施氮方式之间根际土壤全氮含量均差异显著(P<0.05)。

图1 不同氮素水平及施氮方式对老芒麦根际土壤有机质含量的影响

图2 不同氮素水平及施氮方式对老芒麦根际土壤全氮含量的影响

2.1.3不同氮素水平及施氮方式对根际土壤全钾含量的影响由图3可知，Y4和Y4-5处理下，老芒麦根际土壤全钾含量在各氮素水平下较对照显著提高(P<0.05)。Y4处理在90 kg·hm-2氮素水平下根际土壤全钾含量最高，较对照提高了42.0%；Y4-5处理在75 kg·hm-2氮素水平下根际土壤全钾含量最高，较对照提高了38.6%。Y5处理，老芒麦根际土壤全钾含量在45 kg·hm-2，60 kg·hm-2和105 kg·hm-2氮素水平下较对照均差异显著(P<0.05)，且在60 kg·hm-2氮素水平下根际土壤全钾含量最高，较对照提高了11.7%。在60和75 kg·hm-2氮素水平下，Y4，Y4-5和Y5施氮方式之间根际土壤全钾含量均差异显著(P<0.05)。

图3 不同氮素水平及施氮方式对老芒麦根际土壤全钾含量的影响

2.1.4不同氮素水平及施氮方式对根际土壤有效钾含量的影响由图4可知，Y4和Y4-5处理，施氮可以提高老芒麦根际土壤有效钾含量。Y4处理在60 kg·hm-2氮素水平下有效钾含量最高，较对照提高了75.3%；Y4-5处理在45 kg·hm-2氮素水平下根际土壤有效钾含量最高，较对照提高了63.7%。Y5处理，老芒麦根际土壤有效钾含量除在90 kg·hm-2氮素水平外，其余氮素水平均较对照均显著提高(P<0.05)，且在60 kg·hm-2氮素水平时根际土壤有效钾含量最高，较对照提高了60.0%。90 kg·hm-2氮素水平下，Y4，Y4-5和Y5施氮方式之间根际土壤有效钾含量均差异显著(P<0.05)，且Y4施氮方式下的有效钾含量最高。

图4 不同氮素水平及施氮方式对老芒麦根际土壤有效钾含量的影响

2.1.5不同氮素水平及施氮方式对根际土壤速效磷含量的影响由图5可知，Y4处理下，老芒麦根际土壤速效磷含量在45 kg·hm-2，60 kg·hm-2和105 kg·hm-2氮素水平下较对照均显著提高(P<0.05)，在60 kg·hm-2氮素水平下根际土壤速效磷含量最高，较对照提高了119.2%，在75 kg·hm-2氮素水平下根际土壤速效磷含量最低，较对照降低了25.7%；Y4-5处理，在各个氮素水平下根际土壤速效磷含量较对照均显著提高(P<0.05)，且在60 kg·hm-2氮素水平下根际土壤速效磷含量最高，较对照提高了142.6%；Y5处理下，老芒麦根际土壤速效磷含量在90 kg·hm-2氮素水平下显著低于对照(P<0.05)。75，90和105 kg·hm-2氮素水平下，Y4，Y4-5和Y5施氮方式之间根际土壤速效磷含量均差异显著(P<0.05)，且Y4-5施氮方式下的根际土壤速效磷含量均高于Y4和Y5施氮方式。

图5 不同氮素水平及施氮方式对老芒麦根际土壤速效磷含量的影响

2.1.6不同施氮方式及氮素水平对老芒麦根际土壤化学性质的双因素分析表3双因素方差分析结果表明，施氮方式、氮素水平及其互作对老芒麦根际土壤全钾、全氮、有效钾和速效磷含量会产生极显著影响(P<0.01)，而施氮方式与氮素水平的交互作用对根际土壤有机质含量无显著影响。

2.2 不同氮素水平及施氮方式对老芒麦根际土壤酶活性的影响

2.2.1不同氮素水平及施氮方式对根际土壤蔗糖酶活性的影响由图6可知，Y4处理下，老芒麦根际土壤蔗糖酶活性除在45 kg·hm-2氮素水平外，其余氮素水平较对照均显著提高(P<0.05)，且在60 kg·hm-2氮素水平下根际土壤蔗糖酶活性最高，较对照提高了90.5%；Y4-5处理下，老芒麦根际土壤蔗糖酶活性在各氮素水平下较对照均差异显著(P<0.05)，且在105 kg·hm-2氮素水平下根际土壤蔗糖酶活性最高，较对照提高了86.6%；Y5处理下，老芒麦根际土壤蔗糖酶活性在45 kg·hm-2氮素水平下较对照差异显著(P<0.05)，其余各氮素水平较对照均差异不显著。除0 kg·hm-2氮素水平外，在其余同一氮素水平下Y4-5和Y5施氮方式之间根际土壤蔗糖酶活性均差异显著(P<0.05)。

2.2.2不同氮素水平及施氮方式对根际土壤脲酶活性的影响由图7可知，施氮可以提高老芒麦根际土壤脲酶活性。Y4处理下，老芒麦根际土脲酶活性在各氮素水平下较对照均显著提高(P<0.05)，且在60 kg·hm-2氮素水平下根际土壤脲酶活性最高，较对照提高了340.6%；Y4-5处理下，老芒麦根际土壤脲酶活性除在60 kg·hm-2氮素水平外，其余各氮素水平下较对照均显著提高(P<0.05)，且在75 kg·hm-2氮素水平下根际土壤脲酶活性最高，较对照提高了382.6%；Y5处理下，老芒麦根际土壤脲酶活性除了在105 kg·hm-2氮素水平外，其余各氮素水平下较对照均显著提高(P<0.05)，且在45 kg·hm-2氮素水平下根际土壤脲酶活性最高，较对照提高了234.0%。60和105 kg·hm-2氮素水平下，Y4，Y4-5和Y5施氮方式之间根际土壤脲酶活性均差异显著(P<0.05)，且在60 kg·hm-2氮素水平下，Y4施氮方式下的根际土壤脲酶活性最高；105 kg·hm-2氮素水平下，Y4-5施氮方式下的根际土壤脲酶活性最高。

图6 不同氮素水平及施氮方式对老芒麦根际土壤蔗糖酶活性的影响

图7 不同氮素水平及施氮方式对老芒麦根际土壤脲酶活性的影响

2.2.3不同氮素水平及施氮方式对根际土壤碱性磷酸活性的影响由图8可知，施氮可以提高老芒麦根际土壤碱性磷酸酶活性。Y4处理下，老芒麦根际土壤碱性磷酸酶活性在各氮素水平下较对照均显著提高(P<0.05)，且Y4处理在105 kg·hm-2氮素水平下根际土壤碱性磷酸酶活性最高，较对照提高了51.9%；Y4-5处理在60 kg·hm-2氮素水平下根际土壤碱性磷酸酶活性最高，较对照提高了49.8%;Y5处理下，老芒麦根际土壤碱性磷酸酶活性在45，60和90 kg·hm-2氮素水平下较对照均显著提高(P<0.05)，且在60 kg·hm-2氮素水平下根际土壤碱性磷酸酶活性最高，较对照提高了57.3%。105 kg·hm-2氮素水平下，Y4-5和Y5施氮方式之间根际土壤碱性磷酸酶活性差异显著(P<0.05)，且Y4-5施氮方式下的根际土壤碱性磷酸酶活性高于Y5施氮方式。

图8 不同氮素水平及施氮方式对老芒麦根际土壤碱性磷酸酶活性的影响

2.2.4不同施氮方式及氮素水平对老芒麦根际土壤酶活性的双因素分析表4双因素方差分析结果表明，施氮方式、氮素水平及其互作用对老芒麦根际土壤脲酶和蔗糖酶活性均会产生极显著影响(P<0.01)；施氮方式对碱性磷酸酶活性无显著影响，施氮方式与氮素水平的互作对碱性磷酸酶活性影响显著(P<0.05)。

表4 施氮方式及氮素水平对老芒麦根际土壤酶活性的双因素分析

2.3 灰色关联度综合分析

为进一步明确不同氮素水平及施氮方式对老芒麦根际土壤特性的影响，本研究对老芒麦根际土壤化学性质和酶活性各指标进行灰色关联度综合分析。由表5可知，关联值排列顺序为：Y4-5N75>Y4N60>Y4-5N90>Y4-5N60>Y4N90>Y4-5N105>Y4-5N45>Y4N105>Y5N60>Y4N75>Y4N45>Y5N45>Y5N75>Y5N90>Y5N105>CK

表5 灰色关联度综合分析

3 讨论

3.1 不同氮素水平及施氮方式对老芒麦根际土壤化学性质的影响

有研究表明，氮素添加可以增加腐殖质的腐解，进而增加土壤有机质的含量[22]。随着有机质含量的增加，土壤氮素矿化能力明显增强[23]。本研究结果表明，老芒麦在第4-5年追施氮素，根际土壤有机质含量较对照显著提高，且在不同施氮方式下，各氮素水平均高于对照。这与董守坤等[24]在氮肥施用方式对土壤有机质与氮素含量影响的研究结果相似，即施氮在一定程度上能提高土壤有机质含量，并且追施氮肥能明显增加土壤有机质含量。这表明追施氮肥能有效提高老芒麦根际土壤的供氮效率，从而为老芒麦的生长提供更优的生长环境[25]。蔡艳等[26]研究发现，土壤全氮含量随着施氮量增加呈现先增加后降低趋势，在施氮量为90 kg·hm-2时，根际土壤全氮含量达到最高值。肖建南等[27]研究发现，在一定范围内，追施氮肥可以提高土壤全氮和有机质的含量。以上结论与本试验的结论相一致，说明在一定范围内，老芒麦根际土壤全氮和有机质的含量随施氮量的增加而提高。

土壤速效磷含量是判断土壤供磷能力的一项重要指标[28]。本研究中发现，根际土壤速效磷含量随着施氮量的增加而提高，且在60 kg·hm-2氮素水平下达到最高。夏昊等[29]研究发现，随着施氮量由45.0 kg·hm-2增加至135.0 kg·hm-2，土壤速效磷含量呈现“先升高，后降低”的变化规律，当施氮量为67.5 kg·hm-2时，速效磷含量为较大值；段崇香等[30]的研究表明，追施氮肥可促进土壤中缓效磷向速效磷的释放和转化，从而提高土壤速效磷的含量。

速效钾含量是表征土壤钾素供应状况的重要指标之一[31]。本试验结果表明，老芒麦根际土壤全钾和有效钾含量呈现“先升后降”的变化趋势。李蝶等[32]研究表明，在0，40，160 kg·hm-2氮素水平处理下土壤全钾及有效钾无显著差异，施氮处理未显著影响土壤全钾及有效钾含量。这与本试验结果有所不同，可能是由于老芒麦为多年生禾本科牧草，生长至第4年、5年时其根部的凋落叶较多，再加上施氮使其生长旺盛，作物根茬、落叶等进一步增多，使得凋落物中的营养元素增加，从而导致老芒麦根际土壤中的全钾和有效钾含量增加[33]；也有可能是因为施氮使老芒麦吸收过多的氮素养分，导致其减少对根际土壤有效钾养分的吸收，使得根际土壤中的有效钾养分过剩[34]。但管宇等[35]研究表明，在不同时期进行追施氮肥会抑制土壤中速效钾向植株中运转，影响大豆对钾素的吸收利用，导致其根际土壤全钾和速效钾含量增多，这与本研究结果一致。

双因素方差分析结果发现，施氮方式、氮素水平和及其交互作用均会对老芒麦根际土壤全钾、全氮、有效钾和速效磷含量产生极显著影响，这表明施氮方式和氮素水平均对老芒麦根际土壤化学性质有重要影响。

3.2 不同氮素水平及施氮方式对老芒麦根际土壤酶活性的影响

土壤酶主要来自于植物根系分泌物及土壤微生物的活动，并参与土壤各种生物化学过程，是土壤环境质量监测的敏感指标[36]。蔗糖酶作为促进蔗糖分解的重要酶，能够提高土壤的生物活性，是表征土壤氮素循环及肥力水平的重要指标[37]。本试验结果表明，施氮可以有效提高根际土壤蔗糖酶活性，且在60和90 kg·hm-2氮素水平时，蔗糖酶活性达到最高。夏雪等[38]在研究施氮水平对土壤水解酶活性和作物产量的影响中发现，施氮能有效提高土壤蔗糖酶活性，且施氮量达到60 kg·hm-2时，蔗糖酶活性较高，这与本试验研究结果相一致。鲁艳红等[39]研究表明，在不同时期追施生物菌肥，土壤蔗糖酶活性呈现先升高后降低的趋势。这说明在一定氮素范围内，氮素添加对蔗糖酶有激活效应。

脲酶主要来源于植物和微生物，是一种专性水解尿素的酰胺酶，其活性通常与土壤有机质、全氮和速效磷含量及微生物数量呈正相关，可在一定水平上反映土壤的供氮能力与水平[40]。本研究表明，0～105 kg·hm-2氮素水平下，施氮能有效提高老芒麦根际土壤脲酶活性；追施氮素对脲酶活性的影响更加明显，且在75 kg·hm-2氮素水平下脲酶活性最高，这与关颂娜等[41]人在不同氮效率黄瓜品种根际土壤生态环境特征中的研究结果相一致。

碱性磷酸酶是土壤磷素循环的关键作用酶，可水解有机磷为无机磷[42]。本试验结果表明，不同氮素水平及施氮方式能有效提高老芒麦根际土壤碱性磷酸酶活性，而严焕焕等[43]人的研究结果表明，随氮肥施用量的增加碱性磷酸酶活性下降。这可能是因为碱性磷酸酶是土壤磷素循环的关键作用酶，而不同的氮素水平及施氮方式有效提高了土壤速效磷含量，进而促进了土壤碱性磷酸酶活性的提高[44]。

双因素方差分析结果表明，施氮方式、氮素水平及其互作对老芒麦根际土壤脲酶和蔗糖酶活性会产生极显著影响，这与汪立等[45]在生物炭与氮肥配比对土壤微生物特性和红枣产量的影响中研究结果相类似。

3.3 不同氮素水平及施氮方式对老芒麦根际土壤特性的影响综合分析

评价老芒麦根际土壤特性不能局限于某一个指标，而灰色关联度综合分析方法可以避免用单一指标评价的缺点，能对其做出综合性评价。研究利用灰色关联度综合分析不同氮素水平及施氮方式下的老芒麦根际土壤特性得出最优氮素水平及施氮方式。由表6结果得出，第4—5年追施氮且氮素水平为75 kg·hm-2处理最适，不同的氮素水平及施氮方式对老芒麦根际土壤特性的影响较为明显。但本研究只是从不同氮素水平及施氮方式对老芒麦根际土壤特性进行了研究，具体其他因素对其根际土壤特性的影响还需进一步探讨研究。