长期不同施肥制度下植烟土壤氮组分变化及影响因素分析

肖 鑫，丛 萍，徐艳丽，况 帅，杨如意，战徊旭，姜淑祯，张 燕，董建新*

长期不同施肥制度下植烟土壤氮组分变化及影响因素分析

肖 鑫1,2，丛 萍1，徐艳丽1，况 帅1，杨如意1,2，战徊旭1，姜淑祯1,2，张 燕1,2，董建新1*

（1.中国农业科学院烟草研究所，农业部烟草生物学与加工重点实验室，中国农业科学院青岛烟草资源与环境野外科学观测试验站，青岛 266101；2.中国农业科学院研究生院，北京 100081）

探究不同施肥处理土壤氮组分变化及其与土壤化学性质、酶活性和基因丰度之间的关系。试验共设5个处理：不施肥（CK）、无机肥（NPK）、有机肥（OM）、无机肥与有机肥配施（NPKO）和无机肥与冬闲季种植绿肥（NPKG）。结果表明：（1）与CK和NPK相比，OM和NPKO处理显著增加土壤全氮、微生物量氮、可溶性有机氮和硝态氮含量。（2）与CK相比，OM和NPKO处理显著增加土壤中全碳、微生物量碳和有效磷含量；与NPK相比，OM处理对碳组分和有效磷含量提升效果显著。（3）与CK相比，OM、NPKO和NPKG处理显著提高土壤氨单加氧酶、硝酸还原酶及土壤脲酶活性和、、及功能基因丰度，增幅分别为9.47%～31.13%、46.46%～1613.48%、50.41%～323.72%、108.19%～611.02%、64.19%～252.15%、153.20%～373.21%和56.90%～299.47%，而NPK处理显著降低土壤硝酸还原酶、土壤脲酶及土壤亮氨酸氨基肽酶活性和及功能基因丰度。（4）土壤硝酸还原酶、脲酶和氧化亚氮还原酶是土壤氮组分变化的主要影响因子且土壤硝酸还原酶与土壤氮组分之间具有极显著相关性（<0.01）。在长期施肥条件下，土壤氮转化关键酶活性是影响植烟土壤氮素转化的关键因素。

植烟土壤；氮组分；环境因子；土壤酶活性；基因丰度；结构方程；冗余分析

氮素是植物生长不可或缺的营养元素之一，对烤烟烟叶产量和质量都有重要影响[1]。氮素供应不足和过多都会对烟叶产量和品质产生负面影响[2]。在我国烟叶生产过程中，化学氮肥普遍过量施用，加之在土壤中极易损失，利用率较低[3]，会增加土壤硝酸盐淋溶风险，加剧植烟土壤酸化和面源污染[4]。

土壤氮素矿化及其微生物多样性与土壤类型及耕作、施肥、秸秆还田等措施关系密切[5-6]。其中，施肥是影响植烟土壤氮素转化和酶活性最为关键的因素之一。长期施肥会改变土壤养分的有效性和平衡。王亚麟[7]研究认为，单施无机肥会使土壤中有机氮少量增加，但不能明显提高土壤有机质及全氮含量。朱梦遥[8]、杨子仪等[9]研究结果表明，施肥能够显著增加植烟土壤全氮、微生物量碳和氮含量。土壤酶作为土壤质量的生物活性指标在土壤生态系统中扮演着重要角色，与土壤养分循环、能量转移和环境质量等密切相关[10]。刘威等[11]、李想等[12]、杨海滨等[13]研究结果表明，长期施肥下植烟土壤和植茶土壤脲酶（UE）、硝酸还原酶（NR）和亚硝酸还原酶（NiR）活性有不同程度增强。然而，长期施肥对植烟土壤氮组分变化的影响研究还少有报道，植烟土壤氮组分与理化性质、酶活性及基因丰度之间的关系也需要进一步研究。因此，研究长期施肥下植烟土壤氮组分变化特征，了解土壤氮组分与环境因子和氮转化的微生物特性之间的关系，对科学认识植烟土壤肥力演变特征和指导合理施肥具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与供试材料

试验地为中国农业科学院青岛烟草资源与环境野外科学观测试验站（36°26′ N，120°34′ E，海拔75.0 m），地势平坦，属温带季风气候，年平均气温12.7 ℃，降水量662.1 mm，蒸发量1 612.0 mm，无霜期203 d。试验始于2009年，烤烟单作，生育期为每年5月中下旬至9月中下旬。土壤类型为棕壤，试验前耕层（0～20 cm）土壤pH为5.56，有机质为1.66 g/kg，碱解氮、有效磷和速效钾分别为52.69、10.6和105.25 mg/kg。

1.2 试验设计

试验共设置5个处理：①不施肥（CK）；②无机肥（NPK）；③有机肥（OM）；④无机肥与有机肥配施（NPKO）；⑤无机肥与冬闲季种植绿肥（NPKG）。有机肥为牛粪，绿肥为黑麦草。每个处理3次重复，随机区组设计，各小区面积为22 m2。供试烤烟品种为NC89，每年5月下旬移栽，行株距为1.1 m×0.5 m，各小区栽烟40株。供试肥料：牛粪（含有机碳201.27 g/kg，N 11.40 g/kg，P2O510.15 g/kg，K2O 19.55 g/kg，钙25.20 g/kg，镁16.00 g/kg），复合肥（N 15%，P2O515%，K2O 15%），硫酸钾（K2O 50%），磷酸二铵（N 16%，P2O540%），硝酸钾（N 13%，K2O 46%），冬季绿肥黑麦草播种量为172.5 kg/hm2。田间管理措施按照当地种植习惯进行。各处理具体施肥量见表1。

1.3 样品采集与测定

于2022年烤烟旺长期（移栽后50 d），在每个小区内用五点取样法采集耕层（0～20 cm）土壤，充分混匀后四分法留取1.5 kg土样：一部分样品4 ℃保存，用于测定土壤硝态氮（NO− 3-N）、铵态氮（NH+ 4-N）、微生物量碳（MBC）和可溶性有机碳（DOC）等指标；另一部分风干研磨过筛后用于测定土壤pH、全氮（TN）、全碳（TC），速效钾（AK）和有效磷（AP）含量。

表1 试验处理肥料施用

1.3.1 土壤化学性质测定 全氮（TN）采用半微量凯氏定氮法测定，铵态氮（NH+ 4-N）和硝态氮（NO− 3-N）采用1 mol/L氯化钾溶液浸提SEAL AA3连动流动分析仪测定，全碳（TC）采用HT3100分析仪（Jena Analytik，德国）测定，微生物量碳（MBC）和氮（MBN）采用氯仿熏蒸-硫酸钾浸提法测定，可溶性有机碳（DOC）、可溶性有机氮（DON）采用K2SO4-MultiC/N3100分析仪（Jena Analytik，德国）测定，有效磷（AP）采用钼锑抗比色法测定，速效钾（AK）采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定。

1.3.2 土壤酶活性测定 土壤硝酸还原酶（NR）、亚硝酸还原酶（NiR）、脲酶（UE）和亮氨酸氨基肽酶（LAP）采用苏州科铭生物技术有限公司提供的试剂盒进行测定，氨单加氧酶（AMO）和氧化亚氮还原酶（NOS）采用上海酶联生物科技有限公司提供的试剂盒进行测定。

1.3.3 荧光定量PCR 采用Real-time PCR法测定、、、和基因丰度，反应在ABI7300 型荧光定量（Applied Biosystems，美国）上进行。反应体系为：2×ChamQ SYBR Color qPCR Maste Mix（南京诺唯赞生物科技有限公司）10 μL，上下游引物（5 μmol/L）各0.8 μL，50×ROXReference 0.4 μL，DNA模板2 μL，最后用超纯水补充至20 μL。荧光定量PCR采用两步法进行，条件为：95 ℃ 3 min；95 ℃ 5 s；58 ℃ 30 s；72 ℃ 1 min，40个循环。荧光定量PCR扩增效率为98.49%，2为0.997 3；扩增效率为89.18%，2为0.999 1；扩增效率为99.13%，2为0.999 8；扩增效率为103.61%，2为0.994 1；扩增效率为94.67%，2为0.990 1。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016对试验数据进行整理分析，利用IBM Statistics SPSS 26.0采用LSD法进行单因素方差分析和主成分分析，Origin 2021作图；SPSS-AMOS进行结构方程建模（SEM）分析假设的途径，以解释氮组分变化的影响；Canoco 5.0软件进行冗余分析（RDA）。

2 结 果

2.1 不同施肥处理对植烟土壤氮组分的影响

不同施肥处理后植烟土壤氮组分见图1。与CK处理相比，各施肥处理均能显著提高土壤TN含量；与NPK处理相比，施用有机肥处理TN含量增幅为21.87%～88.40%，其中，OM处理显著高于其他处理。与CK和NPK处理相比，施用有机肥处理均提高了土壤MBN和DON含量，增幅分别为25.28%～104.55%和29.10%～83.04%，其中OM和NPKO处理增幅最大。与CK处理相比，NPK处理显著增加NH+ 4-N含量，增幅为44.47%；与NPK处理相比，OM处理处理显著降低NH+ 4-N含量，降幅为71.19%。与CK处理相比，各施肥处理均显著增加NO− 3-N含量，其中NPKO处理增幅最大，为459.49%；与NPK处理相比，OM和NPKO处理显著提高NO− 3-N含量，增幅分别为37.02%和115.00%。

注：不同小写字母表示处理间差异显著（<0.05），下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (<0.05), the same below.

图1 不同施肥处理对植烟土壤氮组分的影响

Fig. 1 Effects of different fertilization treatments on nitrogen composition of tobacco-planting soil

2.2 不同施肥处理对植烟土壤氮转化关键酶活性的影响

从图2可知，与CK处理相比，施用有机肥处理显著提高AMO、NR和UE活性，其中OM处理提升幅度最大，增幅分别为31.13%、1613.48%和323.72%，而NPK处理显著降低NR、UE和LAP活性，降幅分别为36.11%、44.08%和10.88%。与NPK处理相比，OM处理显著提高AMO、NR、NiR、UE和LAP活性，增幅分别为24.60%、2 582.05%、71.26%、657.73%和50.25%。与其余处理相比，NPKG显著降低NOS活性，降幅为14.92%～18.10%。

图2 不同施肥处理对植烟土壤氮转化关键酶活性的影响

2.3 不同施肥处理对植烟土壤氮转化功能基因丰度的影响

由图3可知，土壤、、、和基因丰度范围分别为3.14×107～7.94×107、5.67×106～5.62×107、2.13×107～9.03×107、4.42×107～ 2.31×108和7.26×107～3.45×108copies/g。其中，OM处理的、、、和基因丰度显著高于其他处理。与CK处理相比，NPK处理显著降低和基因丰度，降幅分别为45.31%和17.03%。与CK和NPK处理相比，NPKO和NPKG处理的、、和基因丰度显著增加。

图3 不同施肥处理对植烟土壤氮转化功能基因丰度的影响

2.4 不同施肥处理对植烟土壤化学性质的影响

2.4.1 不同施肥处理对土壤碳组分的影响 不同施肥处理后植烟土壤碳组分如图4所示。与CK处理相比，OM处理显著提高TC、MBC和DOC含量，增幅分别为48.30%、75.14%和38.80%，NPKO处理显著提高TC和MBC含量，增幅分别为30.36%和53.16%。与NPK处理相比，OM处理显著提高3种碳组分含量，增幅分别为44.00%、64.86%和35.40%，NPKO处理显著提高TC和MBC含量，增幅分别为26.58%和44.16%。

图4 不同施肥处理对土壤碳组分的影响

2.4.2 不同施肥处理对土壤pH的影响 不同施肥处理后植烟土壤pH如图5。与CK处理相比，NPK处理显著降低pH，降低了0.24个单位，pH为5.08；OM处理显著提高pH，增加了1.01个单位，pH为6.33；NPKO和NPKG处理土壤pH与CK相比较无显著差异。综上所述，长期施用无机肥（NPK处理）导致土壤pH显著下降，而长期施用有机肥（OM处理）显著提升土壤pH。

图5 不同施肥处理对土壤pH的影响

2.4.3 不同施肥处理对土壤速效钾和有效磷的影响 不同施肥处理对植烟土壤速效养分的影响如图6所示。AK含量由高到低依次为NPK>NPKG> NPKO>OM>CK，与CK处理相比，NPK、NPKO和NPKG处理均显著增加AK含量，增幅为18.44%～ 762.84%。与NPK处理相比，OM和NPKO处理显著降低AK含量，降幅分别为79.18%和27.93%。AP含量由高到低依次为NPKG>OM>NPK>NPKO>CK，与CK处理相比，各施肥处理均显著提高土壤AP含量，增幅为206.03%～363.29%。

图6 不同施肥处理对土壤速效钾和有效磷的影响

2.5 影响氮素转化的关键因子分析

图7为氮组分变化的结构方程模型（SEM）（GFI=0.953，SRMR=0.009 4），进一步反映了肥料施入后，土壤养分因子、氮转化酶活性和氮转化相关功能基因对氮组分变化的影响路径。图中显示氮转化相关酶活性与氮组分极显著正相关（=0.713，<0.01）。同时氮转化相关功能基因分别与土壤养分因子（=0.358，<0.01）和氮转化相关酶活性（=0.866，<0.01）极显著正相关。结果表明，氮转化相关酶活性对氮组分的改变产生直接影响。

注：箭头旁的数字表示标准化路径系数。***代表<0.001。

Note: Numbers beside arrows denote standardized path coefficients. Significanes indicated with *** at< 0.001.

图7 氮组分变化的结构方程模型

Fig. 7 Structural equation model for nitrogen composition changes

从氮组分和土壤化学性质的冗余分析（图8a）结果来看，前两轴累计解释率79.47%，说明这些指标能够很好地反映氮组分变化。在这些土壤化学因子中，MBC、AK和AP对氮组分的影响达到极显著水平（<0.01），对氮组分的解释率分别为65.6%、16.5%和10.7%。其中，MBC和AP与NH+ 4-N之间具有负相关关系，而与NO− 3-N、DON、MBN和TN之间均表现为正相关关系；其余土壤化学因子与氮组分之间相关性较弱。通过氮组分和氮转化关键酶活性的冗余分析（图8b）可知，前两轴累计解释土壤氮组分变异的77.3%。其中，NR和UE与NH+ 4-N之间表现为负相关关系，而与其余氮组分均表现为正相关关系；NOS与无机氮组分和有机氮组分之间均表现为正相关关系，而与TN表现出负相关关系；其余氮转化相关酶活性与氮组分之间的相关性不显著。土壤硝酸还原酶对TN及氮组分变异的解释率达到了极显著水平（<0.01），土壤脲酶和氧化亚氮还原酶达到了显著水平（<0.05）。通过氮组分与氮转化功能基因的冗余分析（图8c）可知，氮转化功能基因与NH+ 4-N呈负相关关系，与其余氮组分呈正相关关系；、和基因对TN及氮组分变异的解释率达到了极显著水平（<0.01）。

图8 氮组分与土壤化学性质（a）、氮转化关键酶活性（b）和氮转化功能基因（c）的冗余分析

3 讨 论

3.1 不同施肥处理下植烟土壤氮组分

氮素是作物生长的必需营养元素之一，作物吸收的氮素50%以上来自土壤，其余来源于当季施用的肥料[14]。本研究结果表明，长期无机肥与有机肥配施处理土壤TN含量较单施化肥增加，这与宋邦鹏[15]的研究一致。这可能是施入无机肥与有机肥后影响微生物活性，增加土壤养分含量。土壤MBN含量能够反映土壤肥力状况和土壤供氮水平[16]。本研究中，长期施肥能够增加耕层土壤MBN和DON含量，且施用有机肥处理中微生物量含量高于单施无机肥处理，这可能是因为施肥为土壤微生物生长提供了良好的环境条件，充足的碳源和营养物质可促进微生物繁殖，进而提高土壤微生物生物量水平[17-18]。土壤无机氮是反映土壤质量和植物生长状况的关键指标，可以反映土壤氮素供应能力[19]。本研究中，长期施肥增加了土壤中的NO− 3-N含量，与前人的研究结论一致[20]。

3.2 不同施肥处理下植烟土壤酶活性及氮转化功能基因丰度

土壤酶活性能反映土壤生物活性和生化反应强度，被认为是评价土壤肥力的重要指标[21]。NR和NiR是硝酸盐转化为NO过程中的重要土壤酶[22-23]，其中NR活性可以表示氮素转化强度[24]。本研究中，长期施用有机肥能显著增强植烟土壤NR和NiR活性，从而提升土壤生物肥力，促进根系吸收更多氮素，增强氮转化关键酶活性[25-26]，在一定程度上也会促进土壤反硝化作用进行[27]。UE是参与土壤氮素循环酶类中唯一能够直接水解尿素的酶[28]。LAP在氮循环过程中可水解蛋白质，其活性可以充分反映土壤氮素转化和供给情况[29]。本研究表明施用有机肥处理的UE和LAP活性与CK和NPK相比均有不同程度增强，其中，OM处理的UE和LAP活性较高，这与王鹏等[30]的研究结果一致。这可能是有机肥为微生物的繁殖和生长提供了必需碳源，增加了酶作用底物从而间接提高酶活性[31]。相反长期施用化肥处理的LAP活性显著降低，可能是由于铵态氮含量显著增加抑制了该酶活性，表现出一定的负反馈调节作用[32]。冗余分析表明，NR和UE活性与TN、MBN、DON和NO− 3-N之间具有正相关关系，表明反硝化作用关键酶与土壤氮含量之间存在密切联系。因此，长期施肥显著提高了氮转化关键酶活性，增强了土壤氮库的周转能力，增加土壤有效氮含量。

土壤硝化作用的氨氧化过程是主要限速步骤[33]。本研究表明，硝化相关基因丰度高于，这与Chen等[34]、Boyle-Yarwood等[35]研究结果一致。长期施用有机肥处理显著增加和基因丰度，可能是有机肥为硝化细菌提供了更多可利用的无机营养物质和碳源[36]，有助于促进硝化作用。反硝化作用是生物固氮的主要途径，也是实现氮素完整循环的重要环节[37]。解开治等[38]、龚伟等[39]研究发现无机肥与有机肥配施处理显著提高土壤和基因丰度，这与本研究结果一致。这可能是因为土壤养分能够满足反硝化微生物生长繁殖的要求，从而刺激反硝化微生物的大量繁殖。陈娜等[40]等发现有机肥处理、和反硝化细菌丰富显著高于无机肥处理，这是因为长期施入有机肥为反硝化细菌和其他微生物提供了大量生物有效性碳源，促进微生物的大量繁殖，微生物活性的提高反过来又促进有机物的降解，从而增加土壤中的速效养分，为微生物的生长繁殖提供适宜的环境。

3.3 不同施肥处理下植烟土壤化学性质

本研究当中，与CK相比，各施肥处理均提高AK和AP含量。OM和NPKG处理AP含量显著高于NPK，这可能是因为有机肥中含磷量较高，且有机肥的施入影响微生物活动及区系组成，进一步影响磷素的有效性[41]。长期施用有机肥处理的土壤碳全量和有机量均有不同程度提高，这可能是由于有机肥中含有大量的有机物，通过进一步腐解间接提高土壤碳含量[42]。OM和NPKO处理的TC和MBC含量均高于其余施肥处理，可能是有机肥不仅能为土壤微生物提供生命活动所必需的C、N等营养元素，而且能够构建合理的土壤C/N，改变土壤物理性状，为微生物营造适宜的生长环境和营养条件，从而提高土壤中微生物生物量[43]。冗余分析也表明，MBC、pH和TC含量与TN、MBN、DON和NO− 3-N之间具有极显著正相关关系。

4 结 论

长期施肥能够增加植烟土壤中氮组分含量和其他土壤养分含量，其中施用有机肥增加幅度最大。长期施用有机肥能够增加土壤氮转化关键酶活性和功能基因丰度，而无机肥处理显著降低和基因丰度。土壤氮转化关键酶活性是影响氮组分变化的直接因素，在长期施肥条件下，土壤硝酸还原酶、脲酶和氧化亚氮还原酶是影响氮组分变化的重要因子。

[1] 李青山，王德权，高政绪，等. 氮肥配施纳米碳对植烟土壤氮素转化及N2O排放的影响[J]. 土壤，2021，53（2）：258-264.

LI Q S, WANG D Q, GAO Z X, et al. Effects of nano-carbon on nitrogen transformation and N2O emissions from tobacco planting soils[J]. Soils, 2021, 53(2): 258-264.

[2] 刘青丽，张云贵，焦永鸽，等. 西南烟区氮素供应与烤烟氮素吸收的关系[J]. 植物营养与肥料学报，2017，23（3）：757-764.

LIU Q L, ZHANG Y G, JIAO Y G, et al. Relationship between nitrogen supply and nitrogen absorption of flue-cured tobacco in southwest China[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2017, 23(3): 757-764.

[3] 张弘，李影，张玉军，等. 生物炭对不同氮水平下植烟土壤碳氮转化的影响[J]. 农学学报，2018，8（9）：27-32.

ZHANG H, LI Y, ZHANG Y J, et al. Biochar affects carbon and nitrogen conversion under different nitrogen application rates in tobacco-planting soil[J]. Journal of Agriculture, 2018, 8(9): 27-32.

[4] 吴洪生，马文舟，丁军，等. 不同形态和用量氮肥对玉米生长及氮素利用率影响[J]. 中国农学通报，2023，39（17）：9-16.

WU H S, MA W Z, DING J, et al. Effects of different N fertilizer forms and doses on maize growth and nitrogen use efficiency[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2023, 39(17): 9-16.

[5] 徐一兰，唐海明，肖小平，等. 长期施肥对双季稻田土壤微生物学特性的影响[J]. 生态学报，2016，36（18）：5847-5855.

XU Y L, TANG H M, XIAO X P, et al. Effects of different long-term fertilization regimes on the soil microbiological properties of a paddy field[J]. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(18): 5847-5855.

[6] ASHRAF N M, HU C, WU L, et al. Soil and microbial biomass stoichiometry regulate soil organic carbon and nitrogen mineralization in rice-wheat rotation subjected to long-term fertilization[J]. Journal of Soils and Sediments, 2020 (prepublish): 1-11.

[7] 王亚麒. 长期种植施肥模式对烟地生产力和养分状况的影响[D]. 重庆：西南大学，2021.

WANG Y Q. Effects of long-term cultivation and fertilization on tobacco-grown soil productivity and nutrients[D]. Chongqing: Dissertation of Southwest University, 2021.

[8] 朱梦遥. 长期施用有机肥对植烟土壤理化性质和微生物群落的影响[D]. 武汉：华中农业大学，2022.

ZHU M Y. Effects of long-term apply organic fertilizers on physicochemical properties and microbial community of tobacco planting soil[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2022.

[9] 杨子仪，包玲凤，濮永瑜，等. 深耕配合培肥对植烟根际土壤性质及烟叶产量的影响[J/OL]. 西南农业学报：1-11[2023-10-21]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1213.S.20230721.1415.056.html.

YANG Z Y, BAO L F, PU Y Y, et al. Effects of deep tillage and fertilization on soil properties and tobacco yield[J]. Southwest China Journal of Agricultural Sciences: 1-11[2023-10-21]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1213.S.20230721.1415.056.html.

[10] 丁维婷，武雪萍，张继宗，等. 长期有机无机配施对暗棕壤土壤酶活性及春麦产量品质的影响[J]. 中国土壤与肥料，2020（6）：1-8.

DING W T, WU X P, ZHANG J Z, et al. Effects of long-term organic-inorganic combined application on enzyme activity of dark brown soil and yield, quality of spring wheat[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2020(6): 1-8.

[11] 刘威，陈小龙，赵园园，等. 有机肥施用对植烟土壤氮素矿化及土壤酶和微生物群落的影响[J/OL]. 土壤：1-11[2023-10-21]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1118.p.20230117.1714.001.html

LIU W, CHEN X L, ZHAO Y Y, et al. Effects of organic fertilizers on nitrogen mineralization, soil enzyme activities and microbial communities in tobacco-planting soil[J]. Soils: 1-11[2023-10-21]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1118.p.20230117.1714.001.html.

[12] 李想，刘艳霞，陈风雷，等. 长期不同施肥处理对贵州植烟土壤酶活及微生物群落的影响[J]. 中国烟草学报，2019，25（6）：50-59.

LI X, LIU Y X, CHEN F L, et al. Effects of long-term different fertilization treatments on soil enzyme activity and microbial community in tobacco-growing soil of Guizhou Province[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2019, 25(6): 50-59.

[13] 杨海滨，李中林，邓敏，等. 不同施肥措施对重庆茶园土壤氮转化酶活性的影响[J]. 应用与环境生物学报，2020，26（5）：1107-1114.

YANG H B, LI Z L, DENG M, et al. Effects of the combined application of different fertilizers and urea on nitrogen transformation enzyme activities in tea-garden soil from Chongqing[J]. Chinese Journal of Applied and Environmental Biology, 2020, 26(5): 1107-1114.

[14] 孙昭安，陈清，朱彪，等. 化肥氮对冬小麦氮素吸收的贡献和土壤氮库的补偿[J]. 植物营养与肥料学报，2020，26（3）：413-430.

SUN Z A, CHEN Q, ZHU B, et al. Contributions of fertilizer N to winter wheat N uptake and compensation of soil N pool in farmland[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2020, 26(3): 413-430.

[15] 宋邦鹏. 不同施氮水平配施有机肥对棉花养分吸收、产量及土壤养分的影响[D]. 乌鲁木齐：新疆农业大学，2022.

SONG B P. Effects of different nitrogen levels combined with organic fertilizer application on cotton nutrient absorption, yield and soil nutrien[D]. Urumqi: Xinjiang Agricultural University, 2022.

[16] SEQUEIRA C H, ALLEY M M, JONES B P. Evaluation of potentially labile soil organic carbon and nitrogen fractionation procedures[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2011, 43(2): 438-444.

[17] 李春越，郝亚辉，薛英龙，等. 长期施肥对黄土旱塬农田土壤微生物量碳、氮、磷的影响[J]. 农业环境科学学报，2020，39（8）：1783-1791.

LI C Y, HAO Y H, XUE Y L, et al. Effects of long-term fertilization on soil microbial biomass carbon, nitrogen, and phosphorus in the farmland of the loess plateau, China[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2020, 39(8): 1783-1791.

[18] 戚瑞敏，温延臣，赵秉强，等. 长期不同施肥潮土活性有机氮库组分与酶活性对外源牛粪的响应[J]. 植物营养与肥料学报，2019，25（8）：1265-1276.

QI R M, WEN Y C, ZHAO B Q, et al. Response of soil organic nitrogen fractions and enzyme activities to cattle manure addition in long-term fertilized fluvo-aquic soil[J]. Journal of Plant Nutrition Fertilizers, 2019, 25(8): 1265-1276.

[19] LI Z L, ZENG Z Q, TIAN D S, et al. Global variations and controlling factors of soil nitrogen turnover rate[J]. Earth-Science Reviews, 2020, 207: 103250.

[20] 邢云霞，刘世亮，刘芳，等. 施氮量对豫中烟区植烟土壤无机氮含量和氮素吸收的调控[J]. 水土保持学报，2015，29（5）：266-272.

XING Y X, LIU S L, LIU F, et al. Effect of nitrogen fertilizer application rate on inorganic nitrogen content and nitrogen absorption of tobacco-planted soil in midland of Henan Province[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(5): 266-272.

[21] 王含瑞，徐得雨，肖雯丽，等. 生物有机肥替代化肥对旱地玉米土壤养分和产量的影响[J]. 山西农业科学，2022，50（8）：1105-1110.

WANG H R, XU D Y, XIAO W L, et al. Effects of bio-organic fertilizer replacing chemical fertilizer on soil nutrients and yield of maize in dryland[J]. Journal of Shanxi Agricultural Sciences, 2022, 50(8): 1105-1110.

[22] 丁济娜，李东坡，武志杰，等. 土壤理化性质与生物活性对持续施用缓/控释尿素肥料的响应[J]. 生态学杂志，2014，33（7）：1769-1778.

DING J N, LI D P, WU Z J, et al. Responses of soil physicochemical properties and biological activity to continuous application of slow/controlled releasing urea[J]. Chinese Journal of Ecology, 2014, 33(7): 1769-1778.

[23] 王苏平，辉建春，林立金，等. 施肥制度对川中丘陵区玉米不同生育期土壤反硝化酶活性的影响[J]. 水土保持研究，2012，19（3）：274-277，283.

WANG S P, HUI J C, LIN L J, et al. Effect of fertilizer on soil denitrification enzyme activity at different growth stages of maize in hilly regions of middle Sichuan[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2012, 19(3): 274-277, 283.

[24] 刘天. 添加秸秆和生物炭对烟田生态系统净碳收支的影响[D]. 郑州：河南农业大学，2022.

LIU T. Effects of biochar and straw returning on net carbon budget of tobacco-field ecosystem[D]. Zhengzhou: Henan Agricultural University, 2022.

[25] 王书停，李文广，蔡慧芳，等. 有机无机肥配施对旱地冬小麦产量和氮素吸收利用的影响[J]. 农业资源与环境学报，2023，40（2）：393-402.

WANG S T, LI W G, CAI H F, et al. Effects of the combined application of organic and inorganic fertilizers on yield and nitrogen uptake and utilization by winter wheat in drylands[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2023, 40(2): 393-402.

[26] 陶瑞. 化肥减量有机替代下滴灌农田氮素转化与N2O排放[D]. 石河子：石河子大学，2015.

TAO R. Response of soil N transformation and nitrous oxide emission to organic fertilizer partial substitution for chemical fertilizer on drip irrigated cotton field[D]. Shihezi: Shihezi University, 2015.

[27] 罗跃. 河西绿洲灌区玉米间作绿肥根茬还田的氮肥减施效应[D]. 贵阳：贵州大学，2022.

LUO Y. Effects of nitrogen fertilizer reduction on maize intercropping with green manure root returning to field in Hexi oasis irrigation area[D]. Guiyang: Guizhou University, 2022.

[28] 朱孔鑫，庄舜尧，钱壮壮，等. 套种绿肥对尾巨桉人工林土壤细菌群落特征的影响[J]. 土壤，2023，55（2）：313-320.

ZHU K X, ZHUANG S Y, QIAN Z Z, et al. Effects of green manure intercropping on soil bacterial community of×plantation[J]. Soils, 2023, 55(2): 313-320.

[29] 钱佳彤. 不同轮作与施肥方式下土壤固碳特征及碳氮转化研究[D]. 重庆：西南大学，2022.

QIAN J T. Study on soil carbon fixation characteristics and carbon and nitrogen transformation under different rotation and fertilization[D]. Chongqing: Southwest University, 2022.

[30] 王鹏，温明霞，金龙飞，等. 不同施肥处理对柑橘根围土壤质量及丛枝菌根定殖的影响[J/OL]. 应用生态学报：1-9[2023-10-21]. DOI:10.13287/j.1001-9332.202310.012.

WANG P, WEN M X, JIN L F, et al. Effects of different fertilizer applications on citrus rhizosphere soil quality and arbuscular mycorrhizae colonization[J]. Chinese Journal of Applied Ecology: 1-9[2023-10-21]. DOI:10.13287/j.1001-9332.202310.012.

[31] 王兴龙，朱敏，杨帆，等. 配施有机肥减氮对川中丘区土壤微生物量与酶活性的影响[J]. 水土保持学报，2017，31（3）：271-276.

WANG X L, ZHU M, YANG F, et al. Effects of reducing nitrogen and applying organic fertilizers on soil microbial biomass carbon and enzyme activity in the hilly area of central Sichuan basin[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2017, 31(3): 271-276.

[32] 闵凯凯，何向阳，吴倩怡，等. 参与碳氮磷转化的水解酶对不同施肥响应的差异[J]. 土壤，2020，52（4）：718-727.

MIN K K, HE X Y, WU Q Y, et al. Different responses of soil hydrolases involved in transformation of carbon, nitrogen and phosphorus to different fertilizers[J]. Soils, 2020, 52(4): 718-727.

[33] DE BOER W, KOWALCHUK G A. Nitrification in acid soils: micro-organisms and mechanisms[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2001, 33(7-8): 853-866.

[34] CHEN X P, ZHU Y G, XIA Y, et al. Ammonia-oxidizing archaea: important players in paddy rhizosphere soil?[J]. Environmental Microbiology, 2008, 10(8): 1978-1987.

[35] BOYLE-YARWOOD S A, BOTTOMLEY P J, MYROLD D. D. Community composition of ammonia-oxidizing bacteria and archaea in soils under stands of red alder and Douglas fir in oregon[J]. Environmental Microbiology, 2008, 10(11): 2956-2965.

[36] 赵普生，韩苗，熊子怡，等. 长期定位施肥对中性紫色土硝化作用及氨氧化微生物的影响[J]. 中国土壤与肥料，2018（5）：85-90.

ZHAO P S, HAN M, XIONG Z Y, et al. Effects of long-term fertilization on the nitrification and ammoxidation in neutral purple soil[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2018(5): 85-90.

[37] WALLENSTEIN M D, MYROLD D D, FIRESTONE M, et al. Environmental controls on denitrifying communities and denitrification rates: insights from molecular methods[J]. Ecological applications, 2006, 16(6): 2413-2152.

[38] 解开治，徐培智，蒋瑞萍，等. 有机无机肥配施提升冷浸田土壤氮转化相关微生物丰度和水稻产量[J]. 植物营养与肥料学报，2016，22（5）：1267-1277.

XIE K Z, XU P Z, JIANG R P, et al. Combined application of inorganic and organic fertilizers improve rice yield and the abundance of soil nitrogen-cycling microbes in cold waterlogged paddy fields[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(5): 1267-1277.

[39] 龚伟，颜晓元，王景燕. 长期施肥对土壤肥力的影响[J]. 土壤，2011，43（3）：336-342.

GONG W, YAN X Y, WNAG J Y. Effect of long-term fertilization on soil fertility[J]. Soils, 2011, 43(3): 336-342.

[40] 陈娜，刘毅，黎娟，等. 长期施肥对稻田不同土层反硝化细菌丰度的影响[J]. 中国环境科学，2019，39（5）：2154-2160.

CEHN N, LIU Y, LI J, et al. Effects of long-term fertilization on the abundance of the key denitrifiers in profile of paddy soil profiles[J]. China Environmental Science, 2019, 39(5): 2154-2160.

[41] 张秀芝. 长期施肥对黑土及团聚体中有机磷形态的影响及转化研究[D]. 长春：吉林农业大学，2020.

ZHANG X Z. Effects of long-term fertilization on phosphorus characteristic and transformation in black soil and its aggregates[D]. Changchun: Jilin Agricultural University, 2022.

[42] SPIELES D J, MITSCH W J. Macroinvertebrate community structure in high-and low-nutrient constructed wetlands [J]. Wetlands, 2000, 20: 716-729.

[43] 李春越，苗雨，薛英龙，等. 长期施肥黄土旱塬农田土壤-微生物-植物系统碳氮磷生态化学计量特征[J]. 生态学报，2022，42（1）： 370-378.

LI C Y, MIAO Y, XUE Y L, et al. Ecological stoichiometric characteristics of soil-microorganism-plant system in the Loess upland under long-term fertilization [J]. Acta Ecologica Sinica, 2022, 42(1): 370-378.

Analysis of Changes in Nitrogen Components and Influencing Factors in Tobacco Soil under Different Long-term Fertilization Regimes

XIAO Xin1,2, CONG Ping1, XU Yanli1, KUANG Shuai1, YANG Ruyi1,2, ZHAN Huaixu1,JIANG Shuzhen1,2, ZHANG Yan1,2, DONG Jianxin1*

(1. Institute of Tobacco Research of CAAS, Key Laboratory of Tobacco Biology and Processing, Ministry of Agriculture, Qingdao Tobacco Resources and Environment Feild Station of CAAS, Qingdao 266101, China; 2. Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)

Five treatments were analyzed to investigate the changes in soil N fractions and their relationship with soil chemical properties, enzyme activities and gene abundance in different fertilization treatments, including no fertilization (CK), single application of inorganic fertilizer (NPK), single application of organic fertilizer (OM), combined application of inorganic fertilizer and organic fertilizer (NPKO), and combined application of inorganic fertilizer and winter green manure (NPKG). The results showed that: (1) Compared with CK and NPK, the OM and NPKO treatments significantly increased the contents of soil total nitrogen, microbial biomass nitrogen, water-soluble organic nitrogen and nitrate nitrogen. (2) Compared with CK, the OM and NPKO treatments significantly increased whole carbon, microbial biomass carbon and effective phosphorus contents of the soil; Compared with NPK, the OM treatment had a significant effect on carbon composition and available phosphorus contents. (3) Compared with CK, the OM, NPKO and NPKG treatments significantly increased soil ammonia monooxygenase, nitrate reductase and urease activities and functional gene abundance of,,andby 9.47%～31.13%, 46.46%～1613.48%, 50.41%～323.72%, 108.19%～611.02%, 64.19%～252.15%, 153.20%～373.21% and 56.90%～299.47%, respectively, while NPK significantly reduced the activities of soil nitrate reductase, urease and leucine aminopeptidase andandfunctional gene abundance. (4) Soil nitrate reductase, urease and nitrous oxide reductase were the main influencing factors for the change of soil nitrogen composition, and there was a highly significant correlation between soil nitrate reductase and soil N fractions (p<0.01). Under long-term fertilization conditions, the activities of key enzymes related to soil nitrogen conversion was a key factor affecting nitrogen conversion in tobacco-planting soils.

tobacco-planting soils; nitrogen components; environmental factors; soil enzyme activity; gene abundance; model of structural equations; Redundant analysis

S572.01

A

1007-5119(2023)06-0012-09

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（1610232023011）；山东临沂烟草有限公司技术开发项目（2021371300260162）

肖 鑫（1998-），男，硕士研究生，主要从事植烟土壤肥力研究。E-mail：xinxiao981208@163.com。*通信作者，E-mail：dongjianxin@caas.cn

2023-08-24

2023-10-28

10.13496/j.issn.1007-5119.2023.06.003