综合调理剂对集约化设施土壤氮素吸收及其形态转化的影响

郭刘明，卢树昌，朱梦梦，李婧涵，刘树宇，赵鑫霞

（1.天津农学院 农学与资源环境学院，天津 300392；2.喀喇沁旗王爷府镇人民政府综合保障和技术推广中心，赤峰，内蒙古自治区 024421）

近年来，天津市设施菜田规模快速发展，农民为追求高产，盲目过量施用氮肥，造成了蔬菜生产效益不断下降。老菜田在高度集约化管理模式下，土壤氮养分过量积累，氮素通过地表径流、淋洗等方式进入地表和地下水，导致面源污染，给生态环境与人类健康造成很大威胁。土壤调理剂也称土壤改良剂，是指加入土壤中用于改善土壤物理、化学性质及其生物活性的物料，能够提高作物对养分的吸收利用，实现作物增产。近些年，关于施用调理剂改善土壤氮素供应状况的研究报道较多，但大多是对施用单一调理剂效果的研究，调理剂组合施用研究较少，对作物生长及土壤氮的研究不够深入。因此，本研究采用不同土壤调理剂配合施用对高氮土壤植物氮素吸收利用及土壤氮素形态进行深入研究，旨在探索土壤调理剂配合施用的效果，为设施菜田提高土壤质量、促进作物生长、控制土壤氮素环境风险提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验地点

本研究在天津农学院特用作物生长环境试验温室进行。供试土壤来自天津市武清区大孟庄镇后幼庄村设施菜田，该区域种植制度以番茄、黄瓜等果菜—叶菜为主，棚龄大部分在10 年以上，养分投入偏高，土壤氮环境风险较高。具体土壤性状见表1。

表1 供试土壤基本性状

1.2 试验材料

供试作物：糯玉米‘ 澳早60’，生育期约85 d。

供试土壤调理剂：草本生物炭、腐植酸、白云石和明矾，常规用量分别2.40，0.15，0.22，0.22 kg·m，各调理剂具体性状如表2 所示。

表2 供试土壤调理剂基本理化性状

1.3 试验设计与管理

本试验共设置11 个处理，分别为：CK（对照，无调理剂和肥料）、T1（生物炭100%，百分数为常规用量占比）、T2（腐植酸100%）、T3（明矾100%）、T4（白云石100%）、T5（生物炭50%+明矾50%）、T6（生物炭70%+明矾30%）、T7（白云石50%+明矾50%）、T8（白云石100%+明矾50%）、T9（生物炭30%+腐植酸30%+明矾30%）、T10（生物炭30%+明矾30%+白云石70%）。试验盆规格为高22 cm，上口径30 cm，下口径18 cm，每盆土质量为5 kg。每盆播种3粒种子，出苗后留取2 株长势均匀一致的玉米植株。每个处理重复3 次。

试验于2021 年5 月9 日进行布置和播种，5 月15 日出苗，8 月6 日（玉米11～12 叶）时收获。每1～2 d 于8：00 至9：00 间灌水1 次，每次每盆灌水600 mL，灌水量根据土壤含水量情况进行适当调整，夏天温度较高时，可增加灌水量，每次不超过900 mL。试验期间不施用任何肥料。

1.4 调查采样与测试

1.4.1 农艺性状 玉米出苗后每7 d 进行1 次长势调查。其中，株高采用米尺测定玉米根部到顶部最高叶片的距离；茎粗采用游标卡尺测量地上第二节间中部茎的直径；叶色（SPAD 值）采用SPAD-502 仪测定顶部倒三叶叶中部及两端叶片读数的平均值；干物质积累量采用每盆收获鲜植株的风干质量进行计算。

1.4.2 植物吸收氮素积累量 采集整株植物样品（包含根、茎、叶、果穗部位），风干样粉碎后，采用HSO-HO消煮，凯氏定氮法测定含氮量。

1.4.3 土壤氮素测定 收获时，采集土壤样品。土壤有机碳采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法测定，土壤全氮采用凯氏定氮法测定，土壤硝态氮采用紫外分光光度计法测定，土壤铵态氮采用氯化钾浸提-靛酚蓝比色法测定，土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定。

1.5 数据处理

试验数据采用Excel 2019 方法进行处理，采用SPSS 22.0 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同调理剂配合处理糯玉米长势状况

2.1.1 前期长势情况 由表3 可知，施用单一调理剂的处理，株高以T4 处理最高，T2 处理最低；施用组合调理剂处理，株高以T5 处理最高，T10、T6 处理次之，但各处理间株高差异不显著。施用单一调理剂的处理，茎粗以T4 处理最大，T2 处理最小，变化与株高相近；施用组合调理剂，茎粗以T6、T5 处理较好，其次为T10 处理。从叶片数来看，施用调理剂的处理大多好于不施用调理剂的处理。施用调理剂的处理，叶片数以T6 处理最多，除T2 处理较少，表现出显著差异外，与其他处理均无显著差异。从叶色值看，施用单一调理剂的处理，叶色值以T2 处理较好；施用组合调理剂的处理中T5、T6 表现更好，但各处理间亦无显著差异。

表3 不同调理剂配合处理糯玉米前期长势状况

从前期总体长势看，施用调理剂处理的株高、茎粗、叶片数好于不施调理剂处理，但调理剂组合处理与单一施用调理剂的处理差异不显著。

2.1.2 中期长势情况 由表4 可知，从株高来看，施用单一调理剂的处理，株高以T3 处理最高，较CK 处理高22.31%，其次是T4 处理。施用组合调理剂的处理中，株高表现为：T8＞T5＞T7＞T10＞T6＞T9＞CK，株高以T8 处理株高最高，其次是T5 处理，但各处理间差异均不显著。从茎粗来看，除T7和T9 处理外，施用调理剂的处理较不施用调理剂的处理茎粗大，尤以T8、T2 处理最为明显，分别高于CK 处理23.68%，11.09%。从叶片数来看，各处理的变化与茎粗相似，同样以T2、T8 处理表现较好。从叶色值看，施用组合调理剂的处理中以T9 处理较高；施用单一调理剂的处理中以T3 处理较高。从中期总体长势看，施用调理剂的处理各指标略好于不施调理剂的处理，施用调理剂的处理以综合调理剂T8 处理（白云石100%+明矾50%）较佳。

表4 不同调理剂配合处理糯玉米中期长势状况

2.2 不同调理剂配合处理糯玉米干物质质量状况

由图1 可知，单一调理剂的处理中，T4 处理的干物质质量最高，高于CK 处理10.81%，T2 处理的干物质量最低。在组合调理剂的处理中，T8 处理的干物质量最高，为95.0 g·盆，高于CK 处理16.7%，其次是T5、T6 处理。总体来看，组合调理剂的处理干物质积累量较大，其中T8 处理的干物质积累量最高，其次是T4、T5 处理。

图1 不同调理剂配合处理糯玉米干物质质量状况

2.3 不同调理剂配合处理糯玉米吸收氮

由图2 可知，单一调理剂的处理中，T3 处理的作物吸氮量最高，高于CK 处理29.07%，其次是T4处理。T2 处理的作物吸氮量显著低于CK 处理，与CK 处理相比，作物吸氮量减少26.99%。在各组合调理剂处理中，以T10 处理的作物吸氮量最高，为1.514 g·盆，显著高于CK 处理33.38%，其次是T8、T5 处理，T7 处理的作物吸氮量最低。总体来看，T10处理的作物吸氮量最高，其次是T3、T4 处理。

图2 不同调理剂配合处理糯玉米的吸氮量

2.4 不同调理剂配合处理土壤氮形态转化状况

2.4.1 土壤全氮 由图3 可知，从施用单一调理剂的处理来看，土壤全氮含量排序为：T3＞T1＞T2＞CK＞T4。从施用组合调理剂的处理来看，土壤全氮含量T8＞T10＞T7＞CK＞T6＞T9＞T5。总体来看，部分施用组合调理剂的处理均降低了土壤全氮含量，降幅为7.13%～11.78%，施用组合调理剂的处理对降低土壤全氮含量的效果略大于施用单一调理剂的处理。

图3 不同调理剂配合处理土壤全氮含量

2.4.2 土壤硝态氮 由图4 可知，从施用单一调理剂的处理来看，施用调理剂后，各处理土壤硝态氮含量均有不同程度的增加，增幅为9.20%～135.64%。其中，土壤硝态氮含量增加最多的是T3 处理，硝态氮含量为14.07 mg·kg，显著高出CK 处理135.64%，其次是T4、T2 处理。从施用组合调理剂的处理来看，T8 处理较CK 处理土壤硝态氮有所减少，低于CK 处理14.12%，T10 处理土壤硝态氮含量较CK 处理增加显著，增加了207.35%。总体来看，大部分施用调理剂处理均提高了土壤硝态氮含量，但T8（白云石100%+明矾50%）处理土壤硝态氮含量有所降低。

图4 不同调理剂配合处理土壤硝态氮含量

2.4.3 土壤铵态氮 由图5 可知，从施用单一调理剂的处理来看，土壤铵态氮含量与CK 处理相比，总体呈现增加的趋势，其中T4 处理较CK 处理显著增加，增加了29.49%。从施用组合调理剂的处理来看，T10 处理土壤铵态氮含量较CK 处理显著增加，高出CK 处理32.53%，其次T9、T8 处理，土壤铵态氮含量分别较CK 处理显著增加了30.23%，27.78%，土壤铵态氮含量最少的是T5 处理，土壤铵态氮含量为8.20 mg·kg，与CK 处理相比减少了1.56%。综合来看，T10、T4、T9 处理可提高土壤对铵态氮的吸附固定作用，T5 处理有利于促进植物对铵态氮的吸附。

图5 不同调理剂配合处理土壤铵态氮含量

2.4.4 土壤无机氮与有机氮的比较 不同调理剂配合处理，土壤无机氮与有机氮含量如表5 所示。施用单一调理剂的处理中，土壤无机氮占比以T4 处理最高，占全氮比重为0.95%，T1 处理的无机氮占比最低，仅为0.5%；施用组合调理剂的处理中，T6 处理无机氮占比最高为0.98%，其次是T10、T5 处理。T8 处理中无机氮占比最少，为0.50%。

表5 不同调理剂配合处理土壤无机氮与有机氮含量比较

2.4.5 土壤脲酶活性 不同调理剂配合处理，土壤脲酶活性如图6 所示。施用单一调理剂的处理，与CK 处理相比，土壤脲酶活性呈显著降低的趋势，其中T4 处理土壤脲酶活性下降最多，与CK 组相比下降了34.62%。从施用组合调理剂的处理来看，T9、T6、T7 处理土壤脲酶活性显著低于CK 处理，分别降低了41.58%，41.11%，40.65%，T10、T8 处理土壤脲酶活性与CK 处理相比，分别降低了32%，28.99%。总体来看，综合调理剂处理对土壤脲酶活性的抑制作用强于单一调理剂处理。

图6 不同调理剂配合处理土壤脲酶活性

2.4.6 土壤碳氮比 从土壤C/N 来看，单一调理剂的处理中，T1、T2、T3 与CK 相比有所下降，其中T3处理减少最多，减少了20.59%。施用组合调理剂的处理中，土壤C/N 与CK 相比，均有不同程度的提高，增长幅度为21.67%～51.78%，其中T9 处理的C/N比显著增高，原因可能是组合调理剂的施用，促进了植物对土壤中氮元素的吸收，而有机碳含量变化不明显，从而提高了土壤C/N。综合来看，施用组合调理剂的处理改善土壤碳氮状况方面好于单一调理剂处理，见图7。

图7 不同调理剂配合处理土壤碳氮比状况

3 结论与讨论

相关研究表明，不同调理剂配合施用可以提高各调理剂作用，但配合不当，亦不利于作物生长和产量提高。本研究结果显示，施用综合调理剂对糯玉米生长、氮素吸收状况具有促进作用，T4(白云石100%)、T8（白云石100%+明矾50%）处理均显著提高了作物干物质质量，其对应的吸氮量也较高，表现出促进作用，但有的配合处理作用反而不如单一调理剂处理。

本研究使用组合调理剂的处理土壤全氮含量与对照相比均有所降低，进而土壤中的C/N 有所提高。原因可能是明矾溶于水产生的酸性环境，以及生物炭对土壤性具有状改善作用，提高了土壤中氮素的吸收性能。另外，土壤中酶和真菌的活性变化对土壤中有机质的分解和矿化过程也起着重要的作用。处理T7（白云石50%+明矾50%）、T8（白云石100%+明矾50%）、T10（生物炭30%+明矾30%+白云石70%）均含有强碱性材料白云石，白云石的加入可能影响了土壤中纤维素酶的活性，减弱了土壤有机碳的矿化，从而提高了土壤C/N。但Ahmad 等研究表明，土壤中添加石灰性物质可以促进土壤有机碳的矿化，这可能是试验条件与本试验选用的土壤条件不同造成的，具体原因还需要进一步探究。

土壤脲酶是一种具有高度专一性的酶，能促进土壤中有机氮的矿化分解，其活性对土壤中硝态氮的转化和氮素的运移具有很大的影响。抑制脲酶的活性可以减慢氮素转化，降低硝态氮的淋溶流失，提高氮肥的利用率，降低土壤面源污染的风险。袁凤英等研究表明，施用腐植酸可以很好地抑制土壤中脲酶的活性，这与本试验结果一致，单独施用腐植酸和T9（生物炭30%+腐植酸30%+明矾30%）处理中的腐植酸与其他调理剂配合施用都不同程度地降低了土壤脲酶活性。

施用调理剂的处理，其糯玉米的株高、茎粗、叶片数等指标略好于不施调理剂的处理，施用调理剂处理以综合调理剂T8 处理较佳，并且T8 处理更有利于糯玉米干物质质量积累和氮素吸收；从土壤氮素形态变化看，施用组合调理剂处理对减少土壤全氮含量的效果大于单一调理剂的处理，其中T9（生物炭30%+腐植酸30%+明矾30%）组合处理效果较好，并且对土壤碳氮比提高作用明显，而在降低土壤硝态氮含量方面，T8 处理作用显著，可减少土壤有效氮素积累。综合调理剂处理对土壤脲酶活性的抑制作用大于单一调理剂处理。综合来看，T8（白云石100%+明矾50%）处理在糯玉米生长、干物质质量积累以及氮素吸收方面表现更好。