水肥管理对设施黑土茄子土壤硝酸还原酶活性的影响

侯 萌，李思聪，陈一民，焦晓光，隋跃宇

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150081；2.黑龙江大学 现代农业与生态环境学院，黑龙江 哈尔滨 150080；3.中国科学院大学，北京 100049)

0 引 言

设施栽培已经成为抵御自然灾害，实现淡季高效栽培的重要手段，近年来种植面积不断增加[1]。设施菜田种植体系中高氮素投入和高灌溉量的管理模式会显著影响土壤氮素的反硝化过程，导致氮素流失和温室气体排放等问题[2]。硝酸还原酶(NR)催化反硝化作用的第一阶段，是具有催化能力的生物活性物质，在一定条件下限制着反硝化速率[3-4]。因此，研究硝酸还原酶的活性对于合理施肥、减少氮损失有重要意义。

土壤硝酸还原酶活性受施肥模式、土壤理化性质及环境因子等影响。杨海滨等[5]研究表明，有机肥配施尿素显著增加了茶园土壤硝酸还原酶活性；聂兆君等[6]通过氮锌肥料配施降低了冬小麦生育后期土壤硝酸还原酶活性。邢肖毅等[7]进一步指出，有机质和pH是影响黑土区反硝化过程的重要因素，且硝酸还原酶活性随有机质升高而增强，随pH降低而减弱[8]。已有研究证明，油菜中硝态氮积累量多，则叶片中的硝酸还原酶活性高[9]。但这些研究都集中在大田中，对设施菜田土壤硝酸还原酶活性相关内容却鲜有报道。本文以此为切入点，对设施黑土菜田硝酸还原酶活性影响展开研究。以“设施黑土菜田田间定位试验”为试验平台，对常规水肥，减肥，减水处理对0～60 cm土层土壤硝酸还原酶活性和硝态氮含量影响进行分析，探究减水和减肥条件下土壤硝酸还原酶活性和土壤硝态氮含量的变化，旨在揭示设施菜田黑土氮素在不同水肥管理下迁移转化机理，对减少设施菜田黑土氮素损失，提高化肥利用效率，减少对环境污染，确定合理水肥方式提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验区域概况

试验地位于黑龙江省农业科学院园艺分院的蔬菜大棚(45°37.83′N，126°39.05′E)，海拔173.1 m，设施大棚面积为324 m2(27 m×12 m)。土壤类型为草甸黑土，试验前测得耕层土壤基本理化性质为有机碳20.0 g·kg-1，全氮1.83 g·kg-1，全磷1.27 g·kg-1，pH 6.73，容重1.20 g·cm-3。

1.2 试验设计

试验共设3个处理，分别为(1)常规水肥处理(WF)；(2)80%常规化肥+常规水处理(W80%F)；(3)80%常规水+常规化肥(80%WF)，3次重复，随机排列。

所有处理均施用颗粒有机肥5 000 kg·hm-2(有机质含量为40%)，不同处理的具体施肥量、追肥量和灌溉量分别见表1和表2，其中氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为硫酸钾。小区面积为18 m2(6 m长×3 m宽)。设施菜田种植方式为茄子连作，供试茄子品种为龙杂201，栽种模式为大垄双行，种植密度为4株·m-2。试验区采用条施的方式施用基肥，采用穴施方式的进行追肥；灌溉方式为滴灌，人工进行田间管理。

表1 生育期内不同处理具体施肥量Table 1 Fertilizations in different treatments during the eggplant growth period

表2 生育期内不同处理具体灌溉量Table 2 Irrigations in different treatments during the eggplant growth period

1.3 土壤样品采集

2019年于茄子生长的苗期(5月26日)、初果期(6月21日)、盛果期(7月19日)和拉秧期(10月17日)，在每个试验小区随机选取3个点，用土钻采集0～20 cm，20～40 cm和40～60 cm土层土壤样品，将每个小区每层的3个土壤样品经充分混合后装于自封袋，带回实验室后置于4℃保存，用于土壤硝酸还原酶活性和硝态氮含量的测定。

1.4 测定方法

1.5 数据统计与分析

原始数据采用Excel 2019进行整理，使用SPSS 22.0软件进行统计分析和差异显著性(α=0.05)检验，使用SigmaPlot 12.5进行绘图。

2 结果与分析

2.1 水肥管理设施菜田土壤硝酸还原酶活性变化特征

0～20 cm土层土壤硝酸还原酶活性随茄子生育期延长呈现表现为降-升-降的变化趋势，以盛果期最高，初果期最低(图1)。与WF处理相比，80%WF处理和W80%F处理土壤硝酸还原酶活性在苗期分别显著增加了130%和159%，在初果期显著增加了113%和104%(P<0.05)。盛果期和拉秧期的不同水肥处理对硝酸还原酶活性影响不显著(P>0.05)。

图1 0～20 cm土层土壤硝酸还原酶活性的季节性变化Fig.1 Changes of soil nitrate reductase activities at 0～20 cm soil depth in different growth stages

盛果期土壤硝酸还原酶活性随土壤深度增加呈下降的变化趋势(图2)。与WF处理相比，W80%F和80%WF处理均未显著影响同一土层的土壤硝酸还原酶活性(P>0.05)。同一处理下，硝酸还原酶活性在40～60 cm土层与0～20 cm和20～40 cm土层差异显著(P<0.05)，与WF相比，W80%F处理0～20 cm和40～60 cm土层土壤硝酸还原酶活性分别增加了22.0%和33.2%；而80%W处理20～40 cm和40～60 cm土层土壤硝酸还原酶活性分别降低了5.37%和23.7%。

注：不同大写字母代表同一处理不同土层间差异显著(P<0.05)；不同小写字母代表同一土层不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。Note：Different capital letters indicate significant differences between different soil depths in the same treatment(P<0.05);different lowercase letters indicate significant differences among different treatments in the same soil depth(P<0.05).The same is as below.图2 盛果期不同土层土壤硝酸还原酶活性变化特征Fig.2 Changes of soil nitrate reductase activities at different soil depths in full fruit period

2.2 水肥管理对设施菜田土壤硝态氮含量的变化

土壤硝态氮含量随茄子生育期延长呈现为先降低后增加的变化趋势，在盛果期达到最低值(图3)。与WF相比，W80%F处理土壤硝态氮含量在苗期和盛果期分别显著降低了25.8%和31.6%(P<0.05)，在初果期和拉秧期分别降低了7.91%和20.2%；80%WF处理土壤硝态氮含量在初果期和盛果期显著降低了69.6%和54.2%(P<0.05)，但是在苗期和拉秧期分别增加了9.49%和13.5%。

图3 0～20 cm土层不同生育期土壤硝态氮含量变化特征Fig.3 Changes of soil nitrate nitrogen contents at 0～20 cm soil depth in different growth stages

盛果期土壤硝态氮含量随土层深度增加的变化特征见图4。三个处理土壤硝态氮含量均表现为随土层深度增加而降低，80%WF处理和W80%F处理硝态氮含量均显著低于WF处理。同一处理，0～20 cm至20～40 cm土层土壤硝态氮含量降低幅度较大，在61.9%～69.7%范围之内，20～40 cm至40～60 cm土层持续降低，幅度在27.2%～44.5%范围之内。同一土层不同处理硝态氮含量表现为WF>W80%F>80%WF。与WF相比，W80%F处理0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土层土壤硝态氮含量分别显著降低了31.6%、20.2%和36.6%；80%WF处理各土层土壤硝态氮含量分别显著降低了54.2%、42.3%和39.9%。

图4 盛果期不同土层土壤硝态氮含量变化特征Fig.4 Characteristics of nitrate nitrogen contents at different soil depths in full fruit period

2.3 土壤硝酸还原酶活性与硝态氮含量的相关性分析

为了探究土壤硝酸还原酶活性与硝态氮含量之间的关系，将0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层土壤硝酸还原酶活性和硝态氮含量进行相关分析(表3)。各土层硝酸还原酶活性和硝态氮含量的相关性不一致。0～20 cm土层硝酸还原酶活性与硝态氮含量呈负相关关系，相关性不显著；20～40 cm硝酸还原酶活性与硝态氮含量呈正相关关系，相关性也不显著；40～60 cm土层硝酸还原酶活性与硝态氮含量呈显著正相关关系(P<0.05)。因此，在本研究中，40～60 cm土层土壤硝酸还原酶活性能够反映土壤硝态氮含量变化。

表3 土壤硝酸还原酶活性与硝态氮含量相关性分析Table 3 Correlation analysis between soil nitrate reductase activity and nitrate nitrogen

3 讨 论

本研究中土壤硝酸还原酶活性随土壤深度加深降低，在40 cm以下土层硝酸还原酶活性显著降低，这与岳中辉等[12]研究发现的黑土土壤剖面中硝酸还原酶活性递减变化规律一致。本研究发现，减水和减肥处理均没有显著影响0～20 cm和20～40 cm土层土壤硝酸还原酶活性，但是减肥处理显著提高了40～60 cm土层土壤硝酸还原酶活性，减水处理降低该层硝酸还原酶活性。分析原因可能是：(1)所有处理的设施茄子种植过程在0～20 cm土层施入了较大量的有机肥，减水和减肥处理均没有改变0～40 cm土壤有机质含量和可溶性碳氮含量[13]，因此，不能显著影响硝酸还原酶活性；(2)与其他处理相比，减肥处理仅减少化肥施入而有机肥的施用量与其他处理相同，导致了土壤较低C/N比和充足的有机质的存在[14]。已有研究表明，土壤有机质不仅是酶促底物的供源，还能作为有机载体保持土壤酶的活性和稳定性[15]；(3)减水处理有效降低氮素的向下淋溶，从而降低硝酸还原酶活性。

王文锋等[16]研究结果表明，土壤中的α-葡萄苷酶、β-葡萄苷酶和几丁质酶等多种酶活性在番茄生育期间总体上均呈先增后降的变化趋势，均在番茄长势旺盛时土壤酶活性相对较高。本研究结果与其相似，土壤酶硝酸还原酶活性在茄子的生育时期内表现出了显著的季节性变化，在盛果期活性相对较高。值得注意的是，在土壤硝酸还原酶活性最高时，减水和减肥处理均没有显著影响土壤硝酸还原酶活性。可能是盛果期茄子根系分泌物数量和种类都增多，根系分泌物中含有大量的土壤酶、糖类和氨基酸等，这些均是影响土壤酶活性的主要因素[17]。硝酸还原酶催化的反硝化作用是由微生物的驱动[18]，不同水肥管理会如何影响反硝化细菌的群落结构，影响硝酸还原酶活性还需要进一步研究。

本研究中土壤硝态氮含量随土层深度和季节性变化与杜春先等[19]研究一致，随深度逐渐降低，随生育期延长也降低。水肥综合调控中土壤硝态氮的含量，合理搭配施肥和灌溉能够减少其在土壤中迁移淋失。在0～20 cm和20～40 cm土层土壤硝酸还原酶活性与硝态氮含量无显著相关，在40～60 cm土层两者呈显著正相关关系，原因可能是0～20 cm和20～40 cm土层土壤不仅存在较高含量的硝态氮，而且减水减肥处理引起土壤pH、土壤含水量、土壤温度和容重等多个土壤的理化性质因素的改变，这些因素综合影响硝酸还原酶活性[20]。在40～60 cm土层土壤硝态氮含量作为底物成为酶促反应的限制因素，从而影响硝酸还原酶活性。

4 结 论

(1)设施茄子菜田土壤硝酸还原酶活性随土层深度增加而降低。不同处理仅显著影响40～60 cm土层硝酸还原酶活性：减肥处理显著增加该土层土壤硝酸还原酶活性，而减水处理显著降低该土层土壤硝酸还原酶活性。

(2)减水和减肥处理均增加了苗期和初果期内土壤硝酸还原酶活性，但对盛果期和拉秧期硝酸还原酶活性增加不显著，3种处理间硝酸还原酶活性随深度和随生育期变化趋势均保持一致。

(3)设施菜田土壤硝态氮含量随土层深度增加而降低，减水处理和减肥处理均显著降低各土层土壤硝态氮的含量。减肥处理降低茄子生育期内土壤硝态氮含量；减水处理增加苗期和拉秧期的土壤硝态氮含量，降低初果期和盛果期土壤硝态氮含量。

(4)40～60 cm土层中土壤硝酸还原酶活性与硝态氮含量呈显著正相关关系，土壤硝酸还原酶活性充分反映硝态氮含量变化，可以作为表征设施菜田黑土氮淋溶的有效指标。