氮肥减量配施壳寡糖对棉花根系生长及根际土壤酶活性的影响

摘要：改善根际土壤环境以及促进棉花根系发育对棉花健康生长及产量和品质的提高意义重大。为探究氮肥减量配施壳寡糖促进棉花根系生长及调节土壤酶活性的作用，以盆栽试验和田间小区试验为研究方法，设置了不施肥、常规施肥（施N 400 kg/hm2、P2O5 140 kg/hm2、K2O 130 kg/hm2）、常规减氮20%施肥、常规减氮20%施肥+聚合度2～6型壳寡糖450 g/hm2、常规减氮20%施肥+聚合度2～20型壳寡糖450 g/hm2等5个处理，研究了氮肥减量配施不同聚合度类型壳寡糖对棉花根系生长和根际土壤酶活性的影响。结果表明，除土壤过氧化氢酶外，2个配施壳寡糖的处理均不同程度上降低了土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶活性，其中酶活性降幅最大的为土壤磷酸酶，常规减氮20%施肥配施聚合度2～6型壳寡糖处理和常规减氮20%施肥配施聚合度2～20型壳寡糖处理分别比常规减氮20%施肥处理降低10.6%和5.5%。常规减氮20%施肥配施聚合度2～6型壳寡糖处理较常规减氮20%施肥处理土壤硝态氮含量增加了38.1%，而常规减氮20%施肥配施聚合度2～20型壳寡糖处理较常规减氮20%施肥处理土壤硝态氮含量降低了43.4%。并且施加聚合度2～6型、聚合度2～20型2种不同聚合度类型壳寡糖后，棉花根长较常规减氮20%施肥处理分别增加64.2%、40.1%，根表面积较常规减氮20%施肥处理增加74.8%、54.4%，根体积较常规减氮20%施肥处理增加106.2%和73.2%。由此可见，聚合度2～6型壳寡糖对促进棉花根系生长效果要优于聚合度2～20型壳寡糖。

关键词：棉花；氮肥减量；配施；壳寡糖；根系生长；土壤酶活性

中图分类号：S562；S147.2 文献标志码：A 文章编号：2097-2172（2024）08-0752-07

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2024.08.010

Effects of Nitrogen Reduction Combined with Chitosan Oligosaccharides

on the Root Growth and Rhizosphere Soil Enzyme Activity of Cottons

LI Jiancheng 1， 2， WU Weimo 1， 2， ZHAO Changwei 1， 2， TAN Yujie 1， DONG Lijun 1， 2， ZHI Jinhu 1， 2

（1. College of Agriculture， Tarim University， Alar Xinjiang 843300， China; 2. Southern Xinjiang Oasis Agricultural Resources

and Environment Research Centre， Alar Xinjiang 843300， China）

Abstract： Improving the rhizosphere soil environment and promoting the development of cotton roots are of great significance for the healthy growth， yield， and quality of cotton. To explore the effect of reduced nitrogen fertilizer application combined with chitosan oligosaccharide on promoting cotton root growth and regulating soil enzyme activity， a pot experiment and field plot experiment were conducted. Five treatments were set， i.e.， no fertilizer， conventional fertilization（N 400 kg/ha， P2O5 140 kg/ha， K2O 130 kg/ha）， 20% nitrogen reduction fertilization， 20% nitrogen reduction fertilization+450 g/ha chitosan oligosaccharide with a degree of polymerization of 2 to 6， and 20% nitrogen reduction fertilization+450 g/ha chitosan oligosaccharide with a degree of polymerization of 2 to 20. The effects of nitrogen fertilizer reduction combined with chitosan oligosaccharide with different degree of polymerization on cotton root growth and rhizosphere soil enzyme activity were studied. The results showed that， except for soil catalase， the two chitosan oligosaccharide treatments reduced soil urease， sucrase， and phosphatase activities to varying degrees. The largest decrease was observed in soil phosphatase activity， with reductions of 10.6% and 5.5% compared to the 20% nitrogen reduction treatment， for the 2 to 6 and 2 to 20 degree polymerization chitosan oligosaccharide treatments， respectively. The 2 to 6 degreepoly merization chitosan oligosaccharide treatment increased soil nitrate nitrogen content by 38.1% compared to the 20% nitrogen reduction treatment， while the 2 to 20 degree polymerization chitosan oligosaccharide treatment decreased soil nitrate nitrogen content by 43.4%. Additionally， the 2 to 6 and 2 to 20 degreepoly merization chitosan oligosaccharide treatments increased cotton root length by 64.2% and 40.1%， root surface area by 74.8% and 54.4%， and root volume by 106.2% and 73.2%， respectively， compared to those in the 20% nitrogen reduction treatment. These findings indicate that chitosan oligosaccharide with a degree of polymerization of 2 to 6 is more effective in promoting cotton root growth than that with a polymerization degree of 2 to 20.

Key words： Cotton; Nitrogen reduction; Combined application; Chitosan oligosaccharide; Root growth; Soil enzyme activity

棉花是我国重要的经济作物，2023年新疆棉花的种植面积为236.93万hm2，占全国种植面积的85%，产量高达511.2万t，占全国总产的91%［1 ］。目前由于氮肥的不合理施用导致氮肥利用率过低，氮素大量淋溶损失，从而造成土壤环境的恶化［2 ］，不利于农业生产，农业农村部明确提出化肥减量增效，优化施肥是当前工作的重点，难点以及未来农业发展的趋势［3 ］。棉花根系是棉花吸收水分和营养物质的重要器官，根系土壤酶是促进作物吸收和养分利用的重要物质［4 ］，根系的生长状况及土壤酶活性的高低能够反映作物对根际土壤养分吸收和转化能力。因此，改善根际土壤环境以及促进棉花根系发育对棉花健康生长及产量和品质的提高具有重要的研究意义。

壳寡糖是由壳聚糖经过降解得到的产物，由β-1，4糖苷键形成的聚合度在2～20的低聚糖［5 ］，它既是农药，也作为一种杀菌剂，并且还是一种糖类，施入土壤中能够起到杀菌、供给微生物碳源等作用，会对土壤中的微生物活动起到调节作用，微生物通过代谢活动，能够产生土壤酶等物质［6 ］，分解土壤有机质促进作物对养分的吸收及利用［7 ］，可以调节土壤中酶活性，促进植株健康生长。

许多研究表明，壳寡糖具有促进植株生长［8 ］，提高抗逆能力［9 ］，防控作物病虫害［10 ］，以及能够调节土壤中微生物的活动的作用［6 ］，如孙凯等［11 ］研究表明，壳寡糖能够诱导苎麻对苎麻夜蛾产生抗性，降低其虫害；在烟草施加一定量的壳寡糖能够促进烟草的生长［12 ］；崔世宇［13 ］使用壳寡糖配施根际促生菌后，壳寡糖对棉花枯萎病具有良好的拮抗作用，棉花地上部干重、主根长、根干重分别提高了192.72%、64.79%、176.66%，匡银近等［14 ］用稀土配施壳寡糖处理大豆种子，显著提高了根长，根干重，陈伟益［15 ］发现在山药上施用壳寡糖后降低了土壤脲酶，磷酸酶，过氧化氢酶等酶活性。以上结果均表明合理配施壳寡糖具有减量增效的作用，但仅有少数学者研究了壳寡糖对作物根系及土壤酶活性的影响，在棉花上的应用极为缺乏，因此本试验以此为创新，利用壳寡糖作为一种核心添加物，研究氮肥减量配施壳寡糖对棉花根系生长及根际土壤酶活性的影响，以期为壳寡糖在棉花上的应用提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

指示棉花品种为塔河2号陆地棉（由新疆塔里木河种业股份有限公司选育并提供）。供试壳寡糖为聚合度2～6型壳寡糖（由大连中科格莱克生物有限公司生产，分子量≤2 000，含量≥80％）、聚合度2～20型壳寡糖（由青岛颂田生物有限公司生产，分子量≤2 000，脱乙酰度≥90％，含量≥90％）。供试肥料为尿素（含N 46%，由阿克苏华锦化肥有限责任公司生产）、磷酸一铵（含N 11%、P2O5 47%，由瓮福有限责任公司生产）、硫酸钾（含K2O 50%，由邦力达农资有限公司生产）。

1.2 试验方法

1.2.1 盆栽试验 盆栽试验的目的是评价壳寡糖对根系生长的影响且方便采集根系，其土壤基础理化性质为有机质11.12 g/kg、全氮0.66 g/kg、全磷0.90 g/kg、全钾21.95 g/kg、碱解氮47.74 mg/kg、有效磷37.94 mg/kg。盆栽试验用盆规格为高40 cm、直径30 cm。每盆装土27 kg。于2023年5月1日播种，每盆种植4株棉花。

1.2.2 田间试验 田间试验的目的是评价大田生长条件下壳寡糖对棉花根际土壤酶活性的影响，耕层土壤基础理化性质为有机质11.12 g/kg、全氮0.66 g/kg、全磷0.90 g/kg、全钾21.95 g/kg、碱解氮47.74 mg/kg、有效磷37.94 mg/kg。田间试验在中国农业科学院棉花研究所阿拉尔试验站（新疆阿拉尔第一师十团）进行。小区面积54.72 m2（8.00 m×6.84 m）。于2023年4月14日按株行距65 cm×10 cm播种。

盆栽试验和田间试验均设5个处理，分别为处理T1，不施肥；处理T2，常规施肥，施N 400 kg/hm2、P2O5 140 kg/hm2、K2O 130 kg/hm2；处理T3，减氮20%施肥，常规施肥量的基础上减施氮肥20%，即施N 320 kg/hm2、P2O5 140 kg/hm2、K2O 130 kg/hm2；处理T4，常规减氮20%施肥（施N 320 kg/hm2、P2O5 140 kg/hm2、K2O130 kg/hm2）+施聚合度2～6型壳寡糖450 g/hm2；处理T5，常规减氮20%施肥（施N 320 kg/hm2、P2O5 140 kg/hm2、K2O 130 kg/hm2）+施聚合度2～20型壳寡糖450 g/hm2。试验均采用单因素完全随机区组设计，均重复6次。

盆栽试验和田间试验相同处理施肥水平保持一致。棉花生育期间共灌水10次，灌水总量为 4 500 m3/hm2。肥料和壳寡糖均采用水肥一体化设施施用，共施8次。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 盆栽试验棉花根系生长指标的测定 在花铃期每盆选取棉花4株，采集根系装入自封袋带回实验室用水冲洗根表面附着的土壤，使用LA-s植物根系扫描仪进行测量及分析棉花根长，根体积，根表面积，平均直径等指标。

1.3.2 田间小区试验根际土壤酶活性、土壤硝态氮、铵态氮的测定 在花铃期，各小区选取长势一致的棉花4株，挖出后抖落根系土壤装入自封袋，低温-20 ℃保存用于酶活性及土壤硝态氮、铵态氮的测定。

参照关松荫［16 ］的方法测定脲酶（采用靛酚蓝比色法）、磷酸酶（采用磷酸苯二钠比色法）、过氧化氢酶（采用高锰酸钾滴定法）、蔗糖酶（采用3，5-二硝基水杨酸比色法），采用紫外分光光度法测定硝态氮［17 ］，采用靛酚蓝比色法测定铵态氮［18 ］。

1.4 数据处理及分析

采用Excel 2021进行数据处理，运用SPSS 26.0软件进行数据统计及方差分析［19 - 20 ］，采用邓肯式新复极差法进行多重比较，采用Origin 2022软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对棉花根系的影响

根系能够反映植株对养分吸收和利用能力的大小，它受到很多因素的影响，如施肥、灌水等因素，合理的施肥能够促进根系的健康生长。由表1可知，各处理间根系指标均有不同程度的差异。T1（CK）、T2、T3处理间根长差异不显著，而T4处理和T5处理与其他处理相比，则明显增加了棉花根长，其中T4处理根长最长，为301.02 cm/株，较T1（CK）增加88.3%；其次为T5处理；根长为256.79 cm/株，较T1（CK）增加60.6%；同时可看出，T4处理、T5处理分别比T3处理增加了64.2%、40.1%。各处理较T1（CK）根体积均有不同程度的增加，其中T4处理与T1（CK）差异显著，其余处理间差异均不显著。T4处理根体积最大，为57.75 cm3/株，较T1（CK）增加134.6%；T5处理次之，为48.50 cm3/株，较T1（CK）增加97.0%。同时可看出，T4处理、T5处理的根体积分别较T3处理增加了106.3%、73.2%。棉花根表面积各处理间也出现显著性差异，其中棉花根表面积以T4处理最大，为284.38 cm2/株，较T1（CK）增加86.7%；其次为T5处理，为251.17 cm2/株，较T1（CK）增加64.9%。T4处理、T5处理的棉花根表面积分别较T3处理增加了74.8%、54.4%。棉花根系平均直径各处理间均差异不显著，其中以T1（CK）最大，为1.93 mm；其余处理均较T1（CK）减小，减幅为2.1%～e2a9tT1rfnPh623oqanY9+RNprDWEthnQzxqeHCtV/A=14.5%。以上结果表明，施用壳寡糖的T4处理和T5处理对棉花根长、根体积、根表面积的增加具有不同程度促进作用，其对促进棉花根长增加的效果较为显著。

2.2 不同处理对棉花根际土壤硝态氮和铵态氮的影响

土壤硝态氮和铵态氮是植株吸收土壤氮素的主要形态，由图1可知，各处理间铵态氮含量差异均不显著，说明不同施肥处理下土壤铵态氮含量变化差异较小。而土壤硝态氮含量处理间出现显著差异，除T1（CK）外，各处理硝态氮含量均达到较高水平，其中T4处理硝态氮含量最高，较T3处理增加了38.1%；其次为T2处理；T5处理最低，较T3处理降低了43.4%，说明施加壳寡糖（聚合度2～6型）的T4处理能够促进氮素向硝态氮形态的转变，促进植株对土壤硝态氮含量的吸收及利用，而施加壳寡糖（聚合度2～20型）的T5处理能够降低土壤硝态氮的含量，说明该类型壳寡糖能够抑制土壤中氮素向硝态氮形态的转变。

2.3 不同处理对棉花根际土壤脲酶的影响

土壤脲酶主要参与土壤中氮素的转化及植物对氮素吸收，脲酶活性的高低能够反映土壤的供氮水平［21 ］。从图2可知，脲酶的活性与氮素具有显著的相关关系，不同处理下，脲酶活性最高的为T2处理，显著高于最低的T1（CK）；其他施肥处理下土壤脲酶均不同程度高于T1（CK），施加壳寡糖的T4处理和T5处理较T3处理分别降低了9.9%、1.9%，说明施加壳寡糖的2个处理能够一定程度上降低土壤脲酶的活性，从而能够影响到植株对氮素的吸收和利用。

2.4 不同处理对棉花根际土壤蔗糖酶活性的影响

土壤蔗糖酶能够分解蔗糖，提供能量和碳源以促进有机物的分解和转化，影响土壤的酸碱性，因此是评价土壤肥力的一个重要指标［22 ］。从图3可知，施加壳寡糖后的T4处理和T5处理相较于其他处理土壤蔗糖酶的活性变化没有显著差异，但各施肥处理的土壤蔗糖酶活性均高于T1（CK）。相较于T3处理，T4处理和T5处理均有一定程度降低，降幅分别为3.0%、1.8%。由此可见，施加壳寡糖的T4处理和T5处理均能在一定程度上降低土壤蔗糖酶的活性，这会影响到土壤中酸碱性和有机质的变化，从而影响到土壤质量及棉株对养分的吸收和利用情况。

2.5 不同处理对棉花根际土壤磷酸酶活性影响

土壤磷酸酶是一种水解酶，它参与土壤中有机磷和无机磷的转化，可将其转化为供作物吸收利用的磷酸盐［23 ］，土壤中的磷酸酶分为碱性和酸性磷酸酶，两种类型的酶都能够促进作物对磷酸盐的吸收作用，从而具有间接调节植物生长的作用。从图4可知，各施肥处理较T1（CK）相比，土壤磷酸酶均有一定程度的增加，施加不同聚合度类型的壳寡糖的T4处理及T5处理较其他各处理相比均未出现显著性差异，但在2种不同聚合度类型的壳寡糖处理下，土壤磷酸酶活性也有一定程度降低，其中T4处理、T5处理分别比T3处理降低了10.6%、5.5%，因此2种施加壳寡糖的T4处理、T5处理在一定程度上也能够引起土壤中有机磷和无机磷的变化，进而改变棉花对土壤中磷素的吸收和利用状况。

2.6 不同处理对棉花根际过氧化氢酶活性的影响

土壤过氧化氢酶的主要作用为分解土壤中的氢过氧化物，从而促进土壤中的氧化还原反应，提高土壤的通气性和水分利用率，增加土壤肥力，有利于作物生长发育，维持生态系统的稳定性，减少过氧化氢对细胞的毒害作用［24 ］。从图5可知，T1（CK）的土壤过氧化氢酶含量均高于其余处理，说明施肥能够降低土壤过氧化氢酶的活性。T4处理相较于其他施肥处理土壤过氧化氢酶的活性均不同程度降低，其中较T3处理降低了2.5%；而T5处理较T3处理相比能够一定程度上增加过氧化氢酶的活性，较T3处理增加了3.7%，说明聚合度2～20型壳寡糖处理能够减轻过氧化物对细胞的毒害作用。由此可见，2种不同类型壳寡的糖处理对过氧化氢酶的活性有不同程度的影响。

2.7 棉花根系指标间的相关性

由图6可知，棉花根系指标根长、根体积、根表面积之间均存在极显著正相关关系，平均直径与根长、根体积、根表面积之间无显著相关关系。

2.8 棉花根际土壤酶活性与硝态氮，铵态氮的相关性

由图7可知，土壤过氧化氢酶与根际土壤酶、氮素等各指标之间均存在负相关关系，其中与硝态氮存在极显著负相关关系。除过氧化氢酶外，土壤氮素养分与根际土壤酶之间均存在一定的正相关关系，其中脲酶与蔗糖酶之间存在极显著正相关关系。

3 讨论与结论

根系是影响到棉花健康生长和发育的重要营养器官，根系生长的好坏直接决定着棉花对养分吸收及利用的情况，胡蒙爱等［25 ］用芽孢杆菌和壳寡糖配施处理，研究了壳寡糖对黄瓜根系生长的促进作用，结果表明壳寡糖对其根长的生长具有一定的促进作用，显著提高了根系平均直径，根体积。毛小涛等［26 ］利用不同乙酰度的壳寡糖对马家柚进行喷施处理，结果表明10%乙酰度的壳寡糖处理能够显著增加其幼苗的根长，根表面积及根干质量。孙学花等［27 ］使用不同聚合度的壳寡糖拌种研究其对促进小麦发芽的作用，表明不同聚合度的壳寡糖对小麦的发芽及根系生长均具有促进作用，这与本试验的研究结果一致。大量研究表明壳寡糖具有生根促长的作用，但是针对壳寡糖在棉花上的应用较少。本研究探究了壳寡糖对促进棉花根系生长的作用，结果表明壳寡糖对棉花根系及根际土壤酶活性均有不同程度的影响。

陈伟益等［15 ］研究表明在山药上施加一定量的壳寡糖，能够不同程度降低土壤脲酶，磷酸酶，过氧化氢酶活性，这与本研究的结果基本一致，但不同的是，经施加聚合度2～20型壳寡糖的处理后，土壤过氧化氢酶活性有所增加，原因可能由于不同聚合度类型的壳寡糖对各土壤酶活性的影响具有不同的差异。

试验结果表明，除土壤过氧化氢酶外，聚合度2～6型和2～20型2种壳寡糖处理均不同程度上降低了土壤脲酶，蔗糖酶，磷酸酶活性，其中酶活性降幅最大的为土壤磷酸酶，减氮20%施肥并施加聚合度2～6型壳寡糖的处理（施N 320 kg/hm2、P2O5 140 kg/hm2、K2O 130 kg/hm2+施聚合度2～6型壳寡糖450 g/hm2）和减氮20%施肥并施加聚合度2～20型壳寡糖的处理（施N 320 kg/hm2、P2O5 140 kg/hm2、K2O 130 kg/hm2）+施聚合度2～20型壳寡糖450 g/hm2）分别比减氮20%施肥处理（施N 320 kg/hm2、P2O5 140 kg/hm2、K2O 130 kg/hm2）降低10.6%和5.5%。减氮20%施肥并施加聚合度 2～6型壳寡糖的处理和较减氮20%施肥处理土壤硝态氮含量增加了38.1%，减氮20%施肥并施加聚合度2～20型壳寡糖的处理较减氮20%施肥处理土壤硝态氮含量降低了43.4%。并且施加聚合度2～6型、聚合度2～20型2种不同聚合度类型壳寡糖后，棉花根长较常规减氮20%施肥处理分别增加64.2%、40.1%，根表面积较常规减氮20%施肥处理增加74.8%和54.4%，根体积较常规减氮20%施肥处理增加106.3%、73.2%。说明2种不同类型的壳寡糖处理能够不同程度促进棉花根系的生长，影响棉花根际土壤酶活性，聚合度2～6型壳寡糖对棉花的根系的生长促进作用要优于聚合度2～20型壳寡糖。

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