控施氮肥对马铃薯根际土壤微生物及酶活性的影响

崔 亮KRISTIINA Laanemets刘冠求TERJE TähtjärvMATI Koppel万 博孟令文

(1.辽宁省农业科学院作物研究所,辽宁 沈阳 110161; 2.爱沙尼亚作物研究所,爱沙尼亚 耶盖瓦 48309)

马铃薯是我国重要的粮食作物,在保障国家粮食安全生产和脱贫攻坚战中发挥了重要的作用[1]。氮肥是马铃薯生长过程中需求最大的矿质元素,合理施用氮肥是实现高产的有效措施之一[2～3]。近年来,由于氮肥的过量施用,导致土壤酸化板结、土壤氮素淋溶等系列问题日趋突出,对土壤结构和肥力产生严重影响[4～5]。土壤微生物数量和土壤酶活性是衡量土壤质量和土壤综合肥力水平的重要指标,对外界环境因素引起的变化较敏感,易受肥料类型、施用量及栽培措施等因素的影响[6～7]。因此,开展滴施控氮对马铃薯根际土壤微生物和土壤酶活性影响的研究对于揭示土壤微生物和土壤酶活性对氮肥的响应机制,改进施肥制度,提高土壤肥力和生产力,具有重要意义。

科学的肥料管理及耕作制度可以通过影响土壤微生物量、菌群结构和土壤酶活性,进而影响土壤养分和作物产量。杨亚东等研究表明,有机肥配施比例显著改变了水稻土氨氧化古菌和氨氧化细菌的数量、多样性和群落结构[8]。李依韦等研究表明,不同施肥处理下,生物菌肥可显著提高玉米根际菌群数量和多样性,进而提高土壤的养分和肥力[9]。贾健等研究发现,在等氮条件下,有机无机配施有助于提高烤烟根际土壤微生物功能多样性[10]。李延亮等在黄土旱塬垄膜沟播种植条件下,通过控施肥配施生物有机肥,有效提高了冬小麦产量和土壤微生物量[11]。谷岩等通过有机无机肥配施处理,提高了大豆土壤微生物量、土壤脲酶和转化酶活性[12]。陈晓光等通过施用铵态氮有利于提高甘薯土壤微生物量和生物量碳[13]。目前,围绕施肥量、肥料种类、施肥方式和栽培措施对水稻、玉米、甘薯等作物土壤微生物数量、结构和酶活性的影响的研究已有大量报道,但鲜见针对马铃薯土壤微生物和酶活性的研究报道。因此,本研究紧密围绕马铃薯根际土壤微生物和酶活性对氮肥施用量的响应特征,采用滴施控氮的施肥方式,研究氮肥施用量对马铃薯根际土壤微生物和酶活性的影响,以期为马铃薯氮肥施用策略的制定提供科学依据和理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年4～7月在辽宁省农业科学院试验地(东经123°56′,北纬41°83′)进行,属温带大陆性季风气候;土壤类型为沙壤土,土壤含有机质23.7 g/kg,碱解氮94.6 mg/kg,有效磷19.8 mg/kg和速效钾101.5 mg/kg。

1.2 供试材料

供试材料为辽宁省普推马铃薯品种辽薯6号。

1.3 试验设计

大田试验采用单因素随机区组设计,设置5个滴施氮肥量,分别为 0 kg/hm2(N1)、60 kg/hm2(N2)、105 kg/hm2(N3)、180 kg/hm2(N4),225 kg/hm2(N5)。各施肥处理分别在出苗后10 d、20 d、30 d、40 d、50 d进行滴施追肥,每次施肥量为相应处理的1/5。底肥施用氮磷钾(15∶15∶15)复合肥750 kg/hm2。小区面积30 m2,重复3次,随机区组排列,采用大垄双行膜下滴灌种植模式,幅宽120 cm,大行距80 cm,小行距40 cm,株距20 cm,密度为8.25万株/hm2。于2020年4月8日播种,7月10日收获,其他田间管理措施按照实际生产田进行。

1.4 取样方法与测定项目

1.4.1 取样方法分别于马铃薯出苗后10 d、20 d、30 d、40 d、50 d进行取样,每小区选取5个样点,取样点为“S”形分布。使用土钻采集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,将土壤均匀分为2份,一份土壤用于土壤细菌、真菌和放线菌的测定,另一部分土壤室内风干过筛,用于土壤酶活性测定。

1.4.2 测定项目采用稀释涂抹平板法对所获得备用土样进行细菌、真菌和放线菌的培养和计数。土壤脲酶活性采用靛酚比色法测定,土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法,土壤过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定,土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定[14]。

1.5 数据处理与分析

采用SigmaPlot 10.0作图,用SPSS 13.0进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 氮肥施用量对马铃薯根际土壤细菌数量的影响

从图1可以看出,氮肥施用量对马铃薯根际土壤细菌数量具有显著(P＜0.05)影响。随着施氮量的增加,处理间马铃薯根际土壤细菌数量呈现先升高后降低的变化趋势,且N3处理下马铃薯根际土壤细菌数量显著高于其他处理。不同生育时期下马铃薯根际土壤细菌数量总体趋势为:出苗后30 d＞出苗后40 d＞出苗后50 d＞出苗后20 d＞出苗后10 d,出苗后30 d达到峰值。

图1 氮肥施用量对马铃薯根际土壤细菌数量的影响Figure 1 Effect of nitrogen application rate on bacteria in rhizosphere soil of potato

2.2 氮肥施用量对马铃薯根际土壤真菌数量的影响

从图2可以看出,氮肥施用量对马铃薯根际土壤真菌数量具有显著(P＜0.05)影响。随着施氮量的增加,处理间马铃薯根际土壤真菌数量呈现先升高后降低的变化趋势,且N4处理下马铃薯根际土壤真菌数量显著高于其他处理。不同生育时期下马铃薯根际土壤真菌数量总体趋势为:出苗后10 d＞出苗后20 d＞出苗后30 d＞出苗后40 d＞出苗后50 d,出苗后10 d达到峰值。

图2 氮肥施用量对马铃薯根际土壤真菌数量的影响Figure 2 Effect of nitrogen application rate on fungi in rhizosphere soil of potato

2.3 氮肥施用量对马铃薯根际土壤放线菌数量的影响

从图3可以看出,氮肥施用量对马铃薯根际土壤放线菌数量具有显著(P＜0.05)影响。随着施氮量的增加,处理间马铃薯根际土壤放线菌数量呈现先升高后降低的变化趋势,且N3处理下马铃薯根际土壤放线菌数量显著高于其他处理。不同生育时期下马铃薯根际土壤放线菌数量总体趋势为:出苗后40 d＞出苗后30 d＞出苗后20 d＞出苗后10 d＞出苗后50 d,出苗后40 d达到峰值。

图3 氮肥施用量对马铃薯根际土壤放线菌数量的影响Figure 3 Effect of nitrogen application rate on actinomycetes in rhizosphere soil of potato

2.4 氮肥施用量对马铃薯根际土壤脲酶活性的影响

从图4可以看出,氮肥施用量对马铃薯根际土壤脲酶活性具有显著(P＜0.05)影响。随着施氮量的增加,处理间马铃薯根际土壤脲酶活性呈现先升高后降低的变化趋势,且N3处理下马铃薯根际土壤脲酶活性显著高于其他处理。不同生育时期下马铃薯根际土壤脲酶活性总体趋势为:出苗后40 d＞出苗后50 d＞出苗后30 d＞出苗后20 d＞出苗后10 d,出苗后40 d达到峰值。

图4 氮肥施用量对马铃薯根际土壤脲酶活性的影响Figure 4 Effect of nitrogen application rate on soil urease activity in rhizosphere soil of potato

2.5 氮肥施用量对马铃薯根际土壤蔗糖酶活性的影响

从图5可以看出,氮肥施用量对马铃薯根际土壤蔗糖酶活性具有显著(P＜0.05)影响。随着施氮量的增加,处理间马铃薯根际土壤蔗糖酶活性呈现先升高后降低的变化趋势,且N3处理下马铃薯根际土壤蔗糖酶活性显著高于其他处理。不同生育时期下马铃薯根际土壤蔗糖酶活性总体趋势为:出苗后40 d＞出苗后30 d＞出苗后50 d＞出苗后20 d＞出苗后10 d,出苗后40 d达到峰值。

图5 氮肥施用量对马铃薯根际土壤蔗糖酶活性的影响Figure 5 Effect of nitrogen application rate on soil urease activity in rhizosphere soil of potato

2.6 氮肥施用量对马铃薯根际土壤磷酸酶活性的影响

从图6可以看出,氮肥施用量对马铃薯根际土壤磷酸酶活性具有显著(P＜0.05)影响。随着施氮量的增加,处理间马铃薯根际土壤磷酸酶活性呈现先升高后降低的变化趋势,且N3处理下马铃薯根际土壤磷酸酶活性显著高于其他处理。不同生育时期下马铃薯根际土壤磷酸酶活性总体趋势为:出苗后20 d＞出苗后10 d＞出苗后30 d＞出苗后50 d＞出苗后40 d,出苗后20 d达到峰值。

图6 氮肥施用量对马铃薯根际土壤磷酸酶活性的影响Figure 6 Effect of nitrogen application rate on soil neutral phosphatase activity in rhizosphere soil of potato

2.7 氮肥施用量对马铃薯根际土壤过氧化氢酶活性的影响

从图7可以看出,氮肥施用量对马铃薯根际土壤过氧化氢酶活性具有显著(P＜0.05)影响。随着施氮量的增加,处理间马铃薯根际土壤过氧化氢酶活性呈现先升高后降低的变化趋势,且N3处理下马铃薯根际土壤过氧化氢酶活性显著高于其他处理。不同生育时期下马铃薯根际土壤过氧化氢酶活性总体趋势为:出苗后40 d＞出苗后50 d＞出苗后30 d＞出苗后20 d＞出苗后10 d,出苗后40 d 达到峰值。

图7 氮肥施用量对马铃薯根际土壤过氧化氢酶活性的影响Figure 7 Effect of nitrogen application rate on soil catalase activity in rhizosphere soil of potato

3 结论与讨论

土壤微生物是土壤养分转化和循环的动力,它们参与土壤有机质分解、腐殖质合成,并受肥料用量、施肥方式、种植模式等系列因素的综合影响[15～16]。马冬云等研究结果表明,施用氮肥能够有效调节根际微生物区系,小麦根际微生物总量、细菌、放线菌和真菌数量随着尿素施用量的增加呈先增加后下降的趋势[17]。本研究表明,马铃薯根际土壤细菌、真菌和放线菌数量均随着施氮水平的增加呈现先增加后降低的趋势,其中N3处理下细菌和放线菌数量显著高于真菌数量,这与前人的研究结果一致[18]。本试验条件下,施氮量为105 kg/hm2时显著增加了马铃薯根际土壤细菌和放线菌数量,并抑制真菌数量的增加,这可能是由于适宜的施氮量可以为土壤微生物提供充足的养分,促进根系分泌物的增加,为微生物的繁殖生存提供了丰富的碳源,进而优化了土壤微生物类群的数量和结构。

土壤酶活性是维持土壤肥力的潜在指标,土壤酶活性的强弱受施肥等栽培措施影响[19～20]。前人研究表明,适宜施氮水平有利于土壤酶活性的提高[21～22]。研究表明,施氮处理下土壤酶活性显著高于不施氮处理,且随着施氮量的增加呈现先增加后降低的趋势,同时,N3处理下马铃薯根际土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性均显著高于其他处理,与前人研究结果一致[23～24],这说明适宜氮肥施用量能显著促进马铃薯根系的生长,并改善土壤微生物环境,进而提高根际土壤酶活。叶协锋等研究发现,小麦不同生育阶段,土壤酶活性与土壤养分的相关性不同[25]。本试验条件下,马铃薯根际土壤酶活性的峰值出现在不同生育阶段,可能是由于马铃薯不同生育阶段下根际土壤酶活性对氮肥施用量响应差异造成的。

适宜的氮肥施用量可有效调控马铃薯根际土壤菌群数量和结构,提高土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和过氧化氢酶的活性。本文通过采用滴施控氮的施肥方式显著提高了马铃薯根际土壤细菌和放线菌的数量,抑制真菌数量,保障了马铃薯根际土壤微生态的稳定性,为制定合理的氮肥施用策略提供参考。