根區(qū)局部灌溉和有機無機氮比例對種植玉米土壤酶活性的影響

余江敏,李伏生,農(nóng)夢玲

(廣西大學農(nóng)學院,廣西南寧530005)

分根區(qū)交替灌溉(APRI)是一種作物局部根系受旱時,既能控制蒸騰耗水滿足作物水分需求,又能發(fā)揮肥料最大肥效,提高作物產(chǎn)質(zhì)的農(nóng)田水分調(diào)控新思路。有關APRI對作物生理、生長發(fā)育、養(yǎng)分吸收、產(chǎn)量和提高水分利用效率等方面的影響研究已取得較大的進展[1-2]。Li等[3]研究表明,在施肥和充分供水條件下,與常規(guī)灌溉相比,APRI節(jié)水38.4%,水分利用效率和氮肥表觀利用率分別提高24.3%和16.4%。目前有關APRI對土壤微生物的影響也有報道,Wang等[4]認為,在同一灌水方式下,輕度水分虧缺處理下微生物數(shù)量占有一定的優(yōu)勢,交替1/2根系灌水根系兩側(cè)土壤微生物數(shù)量分布均勻。土壤水分含量大小影響土壤酶活性。一般情況下,土壤干旱時,土壤酶活性下降,重新濕潤時又能稍許提高酶活性[5];但土壤過濕或土壤含水量減少時,酶活性都會減弱[6]。有機無機肥配施是我國農(nóng)田施肥的有效制度,它能提高土壤微生物和酶活性[7-12]。何炎森等[11]的試驗表明,有機無機肥配施可提高土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶、過氧化氫酶的活性,但在不同有機無機氮配施條件下,根區(qū)局部灌溉對土壤酶活性的影響研究較少。本試驗在不同有機無機氮比例下,研究根區(qū)局部灌溉(PRI)對玉米拔節(jié)期、大喇叭口期和灌漿期土壤中酶活性的影響,旨在為根區(qū)局部灌溉應用和保持土壤質(zhì)量提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

盆栽試驗在廣西大學農(nóng)學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境教學實習基地網(wǎng)室大棚中進行。供試土壤采自廣西大學農(nóng)科教學基地的赤紅土,土壤pH值為5.1、堿解氮79.9 mg/kg(1 mol/L NaOH堿解擴散法)、速效磷19.4 mg/kg(0.5 mol/L NaHCO3法)、速效鉀 88.2 mg/kg(1 mol/L中性NH4Ac法),田間持水量為28%(質(zhì)量百分數(shù))。供試玉米(Zea mays)品種為強盛12。

試驗采用完全方案設計,設3種灌水方式和3種有機無機氮比例,共9個處理,重復3次。灌水方式分別為常規(guī)灌溉(CI),每次對盆內(nèi)土壤全部均勻灌水;分根區(qū)交替灌溉(APRI),每次交替對盆內(nèi)1/2區(qū)域土壤灌水;固定部分根區(qū)灌溉(FPRI),每次固定對盆內(nèi)其中一個1/2區(qū)域土壤灌水;在土壤采集時,FPRI處理灌水區(qū)為濕潤區(qū)(FPRI-W);非灌水區(qū)為干燥區(qū)(FPRI-D);APRI處理取樣前最后一次灌水區(qū)域為濕潤區(qū)(APRI-W);非灌水區(qū)域稱為干燥區(qū)(APRI-D)。3種有機無機氮比例分別為100%無機氮(F1)、70%無機氮+30%有機氮(F2)、40%無機氮+60%有機氮(F3)?；实媚蛩?分析純)供給,0.15 g/kg;磷用磷酸二氫鉀(分析純)供給、磷酸二氫鉀中鉀不足時,用氯化鉀(分析純)補給,施用量分別為P2O50.10 g/kg和K2O 0.15 g/kg。有機肥為漚熟的牛糞(含N量為0.53%),其用量以純N量計算。有機肥和無機肥均以基肥施入,裝盆前與土壤充分拌勻。

試驗用聚乙烯塑料桶(盆高23 cm、直徑30 cm),所有處理盆中間均用塑料薄膜隔開,以阻止水分交換,兩邊各裝風干土7 kg,每盆共裝風干土14 kg。每盆均放置塑料灌水管到桶底部,灌水管的下半截均勻打數(shù)個小孔,底部與四周均有細紗布包裹,可以防止土壤因灌水而引起的土壤板結(jié),在播種前將其澆至田間持水量的80%。

2008年4月13 日每盆播6粒已催芽露白的玉米種子播在塑料薄膜隔開處;4月27日選擇均勻株間苗,每盆在塑料薄膜隔開處保留1株玉米苗;3～5片葉時(5月3日)開始對供試玉米進行灌水處理,控水前保持土壤含水量范圍在田間持水量70%～ 80%。常規(guī)灌溉(CI)處理苗期土壤含水量保持在60%～80%,拔節(jié)期、大喇叭口期和灌漿期土壤含水量保持在85%～90%;固定部分根區(qū)灌溉(FPRI)與分根區(qū)交替灌溉(APRI)處理每次按CI灌水量的60%進行灌水。每次均于下午4至6點稱重確定每次灌水量,苗期至拔節(jié)期間隔3d稱1次,拔節(jié)期至收獲間隔2 d稱1次,用量筒量取灌水量,并記下各個處理的灌水量。6月9日收玉米植株。

1.2 樣品采集和測定

試驗分3次采集土樣,即5月14日(播后31 d,拔節(jié)期)、5月24日(播后41 d,大喇叭口期)、6月 9日(播后56 d,灌漿期)。每次用土鉆分別在濕潤區(qū)和干燥區(qū)分別采樣,每次采樣時間為灌水后第2天上午8:00至11:00,采土前用采土區(qū)土壤擦拭1～2次,每次每個區(qū)域分2點采0—16 cm土層土壤,風干,過0.1mm篩,封袋保存,同時用烘干法測定土壤水分含量(質(zhì)量百分數(shù)),以便計算每克干土中酶活性。

過氧化氫酶用高錳酸鉀滴定法[0.1 mol/L KMnO4mL/(g?h)];脲酶用苯酚-次氯酸鈉比色法[NH3-N mg/(kg?d)];酸性磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法[Phenol mg/(kg?d)];轉(zhuǎn)化酶用3,5-二硝基水楊酸比色法[Glu.mg/(g?d)][6]測定。

試驗數(shù)據(jù)的方差分析用SPSS12.0軟件;多重比較用Duncan法,采用SPSS12.0軟件進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 根區(qū)局部灌溉和有機無機氮比例對土壤含水量的影響

本次試驗共分3次采樣。第1次采樣(拔節(jié)期,圖1A):單施無機氮(F1)時,固定部分根區(qū)灌溉濕潤區(qū)(FPRI-W)土壤含水量明顯高于常規(guī)灌溉(CI)和分根區(qū)交替灌溉濕潤區(qū)(APRI-W),但CI和APRI-W之間的差異不明顯;70%無機氮+30%有機N(F2)時,則以CI處理土壤含水量最高,但并未明顯高于根區(qū)局部灌溉(PRI)濕潤區(qū);40%無機氮+60%有機N(F3)也以CI處理土壤含水量最高,明顯高于APRI-W,但與FPRI-W之間差異不明顯。第2次采樣(大喇叭口期,圖1B):3種有機無機氮比例均以FPRI-W土壤含水量最高,但并未明顯高于CI和APRI-W。第3次采樣(灌漿期,圖1C):F1時,以FPRI-W土壤含水量最高,與CI差異不顯著,但明顯高于APRI-W;F2、F3時,以APRI-W土壤含水量最高,與CI和FPRI-W的差異不顯著。另外,在3種有機無機氮比例條件下,3次采樣根區(qū)局部灌溉(PRI)處理的干燥區(qū)土壤含水量均明顯低于CI和PRI濕潤區(qū)。

2.2 根區(qū)局部灌溉和有機無機氮比例對土壤酶活性的影響

試驗表明,灌溉方式、有機無機氮比例和采樣時期均明顯影響土壤過氧化氫酶和轉(zhuǎn)化酶活性;土壤脲酶和酸性磷酸酶活性,不僅灌溉方式、有機無機氮比例和采樣時期對它們有顯著影響,而且兩因素和三因素之間的交互作用也有明顯影響(表1)。

2.2.1 過氧化氫酶 過氧化氫酶促進土壤過氧化氫的分解,有利于防止它對生物體的毒害作用,它是參與土壤中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化的一種重要氧化還原酶,在一定程度上可以表征土壤生物氧化過程的強弱[13]。表2看出,CI處理相比,F1時,大喇叭口期APRI干、濕兩區(qū)土壤過氧化氫酶活性分別提高8.9%、2.0%,3個時期FPRI處理干、濕區(qū)過氧化氫酶活性均降低;F2時,拔節(jié)期APRI干、濕兩區(qū)分別提高9.6%、5.6%,FPRI分別提高4.4%、11.9%,大喇叭口期和灌漿期均降低;F3時,拔節(jié)期APRI和FPRI干、濕兩區(qū)過氧化氫酶活性有所提高,大喇叭口期和灌漿期FPRI-W均有所提高,增幅為2.0%～9.8%。統(tǒng)計分析表明,APRI處理,3個時期各有機無機氮比例干、濕兩區(qū)和FPRI處理,拔節(jié)期各有機無機氮比例干、濕兩區(qū)過氧化氫酶活性差異均不顯著,而大喇叭口期和灌漿期過氧化氫酶活性干、濕兩區(qū)差異顯著,且均是濕潤區(qū)過氧化氫酶活性大于干燥區(qū)。

圖1 根區(qū)局部灌溉和有機無機氮比例對土壤含水量的影響Fig.1 Effects of partial root-zone irrigation and ratio of organic to inorganic N on soil water content

表1 灌溉方式、有機無機氮比例和采樣時期對4種土壤酶活性的影響方差分析Table 1 Probabilities of treatment differences in four soil enzymatic activities treated with the irrigation methods,ratios of organic to inorganic N and sampling stages

表2還看出,3種灌溉方式下,3個時期土壤過氧化氫酶活性以F3處理最高,以灌漿期過氧化氫酶活性最大。CI處理,F2處理拔節(jié)期、大喇叭口期和灌漿期分別比F1提高5.0%、24.8%和18.7%;F3時分別提高40.6%、54.2%和21.4%。APRI處理,與F1干、濕兩區(qū)相比,拔節(jié)期、大喇叭口期和灌漿期,F2時干、濕區(qū)分別平均提高14.8%、19.6%,F3時分別平均提高39.1%、40.6%。FPRI處理,與F1干、濕兩區(qū)相比,拔節(jié)期、大喇叭口期和灌漿期,F2干、濕區(qū)平均分別提高27.9%、23.9%,F3分別平均提高51.4%、48.4%。

2.2.2 脲酶 在土壤酶中,脲酶對尿素的轉(zhuǎn)化作用具有重大影響的酶,酶促反應的最終產(chǎn)物—氨是植物氮源之一[13]。與 CI處理相比,F1時,拔節(jié)期,APRI-D和FPRI-W脲酶活性提高0.6%和0.9%;F2時,拔節(jié)期FPRI-D提高6.3%,大喇叭口期FPRI-W提高6.9%;F3時,APRI和FPRI干、濕兩區(qū)在拔節(jié)期分別提高 25.2%、14.9%和 16.0%和 6.4%。APRI處理,各有機無機氮比例干、濕區(qū)兩區(qū)脲酶活性在灌漿期沒有顯著差異,而在拔節(jié)期和大喇叭口期有明顯差異。FPRI處理,各有機無機氮比例3個時期脲酶活性干、濕兩區(qū)差異均顯著,一般是濕潤區(qū)脲酶活性大于干燥區(qū)(表2)。

表2 根區(qū)局部灌溉和有機無機氮比例對土壤過氧化氫酶和脲酶活性的影響Table 2 Effects of partial root-zone irrigation and ratio of organic to inorganic N on soil catalase and urease activities

表2表明,CI處理,與F1相比,F2拔節(jié)期、大喇叭口期和灌漿期脲酶活性分別提高45.0%、31.7%和7.9%,F3分別提高 37.7%、61.1%和 21.7%。APRI處理,與F1干、濕區(qū)相比,F2干燥區(qū)拔節(jié)期、大喇叭口期和灌漿期脲酶活性分別提高13.8%、30.7%和1.0%,濕潤區(qū)分別提高20.2%、38.7%和8.1%。FPRI處理,與F1干、濕兩區(qū)相比,3個時期F2干、濕區(qū)分別平均提高28.8%和36.6%;F3干、濕區(qū)分別平均提高37.4%和33.7%。

2.2.3 酸性磷酸酶 在pH 4～9的土壤中均有磷酸酶,磷酸酶對土壤磷素的有效性具有重要的作用,土壤中有機磷通過磷酸酶作用轉(zhuǎn)化為無機磷供植物吸收利用,其活性是評價土壤磷素生物轉(zhuǎn)化方向與強度的指標[13]。表3看出,與CI處理相比,F1時,灌漿期FPRI-W磷酸酶活性提高4.6%,F2時,拔節(jié)期FPRI-W提高41.5%,F3時,灌漿期APRI-D和FPRI-W提高2.8%和6.5%;其它條件下,根區(qū)局部灌溉土壤磷酸酶活性有所下降。APRI處理,F3干、濕兩區(qū)磷酸酶活性拔節(jié)期差異顯著,F1、F2處理3個時期差異均不顯著,FPRI處理,F2分別在大喇叭口期磷酸酶活性差異不顯著,F1、F3干、濕區(qū)在拔節(jié)期、大喇叭口期和灌漿期差異均顯著,F3拔節(jié)期磷酸酶活性干燥區(qū)大于濕潤區(qū),大喇叭口期和灌漿期則相反。

3種灌溉方式下,CI處理,與F1相比,F2和F3拔節(jié)期到大喇叭口期,大喇叭口期到灌漿期,磷酸酶活性分別平均提高9.1%和3.6%。APRI處理,與F1干區(qū)相比,拔節(jié)期到灌漿期,F2、F3干區(qū)磷酸酶活性分別平均提高8.9%和8.7%;與F1濕區(qū)相比,F2、F3濕區(qū)灌漿期分別降低2.4%和1.4%,拔節(jié)期和大喇叭口期均有所提高。FPRI處理,與F1干、濕區(qū)相比,F2濕潤區(qū)在拔節(jié)期提高58.3%,在大喇叭口期和灌漿期有所下降,F2干燥區(qū)則在灌漿期下降4.1%,拔節(jié)期和大喇叭口期均有所提高;F3濕潤區(qū)在大喇叭口期下降8.3%,在拔節(jié)期和灌漿期以及F3干燥區(qū)在3個時期均有所提高。

表3 根區(qū)局部灌溉和有機無機氮比例對土壤酸性磷酸酶和轉(zhuǎn)化酶活性的影響Table 3 Effects of partial root-zone irrigation and ratio of organic to inorganic N on soil acid-phosphatase and invertase activities

2.2.4 轉(zhuǎn)化酶 土壤轉(zhuǎn)化酶又叫蔗糖酶,它參與土壤中碳水化合物的轉(zhuǎn)化,使蔗糖水解成葡萄糖和果糖,轉(zhuǎn)化為植物和微生物能夠利用的營養(yǎng)物質(zhì)[13]。與CI處理相比,F1時,APRI干、濕區(qū)在拔節(jié)期、大喇叭口期、灌漿期則分別提高1.7%、6.6%、138.3%和14.7%、2.9%、144.2%;FPRI-W3個時期均低于CI處理,FPRI-D拔節(jié)期、大喇叭口期、灌漿期平均提高78.2%。F2時,APRI干區(qū)在拔節(jié)期、大喇叭口期、灌漿期分別提高9.4%、21.9%和9.7%,濕區(qū)分別提高6.7%、15.6%和0.4%;3個時期FPRI-W均低于CI處理,FPRI-D則平均提高136.7%。F3時,APRI-W在拔節(jié)期、大喇叭口期分別提高12.6%和20.0%;APRI-D在拔節(jié)期、大喇叭口期及灌漿期分別提高6.7%、15.6%和0.4%;3個時期FPRI-W均低于 CI處理,而 FPRI-D平均提高了 139.9%。APRI處理,F1在拔節(jié)期、F2在拔節(jié)期及大喇叭口期干、濕兩區(qū)轉(zhuǎn)化酶活性差異顯著,3個時期F3干、濕區(qū)差異均不顯著;FPRI處理,3種有機無機氮比例3個時期轉(zhuǎn)化酶活性均是干燥區(qū)大于濕潤區(qū)且差異均顯著(表3)。

表3還看出,3種灌溉方式下,CI處理,與F1相比,拔節(jié)期灌漿期F2、F3轉(zhuǎn)化酶平均分別提高了26.8%和 36.6%。APRI處理,與 F1干、濕區(qū)相比,F2、F3干、濕區(qū)灌漿期轉(zhuǎn)化酶活性低于F1干、濕區(qū),拔節(jié)期和大喇叭口期則分別平均提高了24.8%、17.3%和 28.1%、38.8%。FPRI處理,與 F1干、濕區(qū)相比,F2、F3干、濕區(qū) 3個時期分別平均提高了101.2%、35.9%和 113.9%、99.3%。

3 討論和結(jié)論

據(jù)報道,土壤干燥磷酸酶活性較低,在一定范圍內(nèi)隨著土壤含水量的增加脲酶有增強的趨勢[14];亦有研究認為,土壤過氧化氫酶、脲酶和酸性磷酸酶隨著供水水平降低顯著下降[15]。本試驗表明,在相同施肥條件下,F1時,拔節(jié)期過氧化氫酶活性最大值出現(xiàn)在CI,此時土壤含水量最大,而大喇叭口期和灌漿期過氧化氫酶活性最大值出現(xiàn)在APRI-W和CI,而這兩個時期土壤含水量分別以CI和APRI-W最大(圖1),F2、F3時亦出現(xiàn)相似規(guī)律。除土壤轉(zhuǎn)化酶的最高值出現(xiàn)在土壤含水量相對較低的PRI-D,FPRI-W由于長時間灌水,轉(zhuǎn)化酶活性逐漸下降。3個時期脲酶和磷酸酶與過氧化氫酶活性呈相似規(guī)律。由此可知,過氧化氫酶、脲酶和磷酸酶的最高值均出現(xiàn)土壤含水量較高的PRI-W與CI區(qū)域,說明土壤含水量高低影響土壤酶活性,但對不同土壤酶活性的影響有所不同。

與CI處理相比,APRI不僅顯著節(jié)約灌水量(約15%),并使根區(qū)維持較高的含水量。由于這種干濕交替循環(huán)模式使土壤微生物數(shù)量有所提高,避免由于過度干燥(FPRI-D)或缺氧(FPRI-W或CI)影響微生物的繁殖和代謝[4,16]。同時,APRI處理下微生物的增加能保證較高的土壤酶活性,且在3個時期和有機無機氮比例處理下,其干燥區(qū)和濕潤區(qū)土壤酶活性差異并不顯著。FPRI-D由于水分脅迫造成不利于土壤微生物生長的環(huán)境從而降低微生物數(shù)量,因此除轉(zhuǎn)化酶外,其它土壤酶的活性均降低。

植物根系分泌物是土壤酶的重要來源。Gramss等[17]的研究表明,將近90%的土壤酶活性可能是通過植物根系分泌物提供的。植物生長旺盛時對養(yǎng)分需要較多,根系代謝旺盛,根系分泌物增多,微生物、酶代謝活動增強,活性上升[18-19]。本試驗條件下,3次采集的樣本中,土壤過氧化氫酶、脲酶、轉(zhuǎn)化酶都在玉米生長旺盛的大喇叭口期或灌漿期出現(xiàn)最大值。

增施有機肥能提高土壤酶活性[20],尿素與有機肥配合的處理,土壤酶活性有較大幅度的增加[21-23]。本研究表明,土壤過氧化氫酶、脲酶及轉(zhuǎn)化酶活性均隨著有機氮比例的增加而提高;低磷脅迫促進植物根系分泌磷酸酶是植物適應低磷脅迫的機理之一[24],但也有研究表明,當有機肥施用超過某臨界用量時也會抑制堿性磷酸酶的活性[25]。本研究看出,土壤酸性磷酸酶在F2處理時達到最大,原因可能是施用較多的有機肥,土壤有效磷增加,從而抑制玉米根系分泌磷酸酶。

綜上所述,本試驗條件下,土壤過氧化氫酶、脲酶和酸性磷酸酶活性的最大值均出現(xiàn)在CI或PRIW區(qū)域;但轉(zhuǎn)化酶活性的最高值卻出現(xiàn)在土壤含水量較低的PRI-D區(qū)域;土壤含水量大小會影響土壤酶活性,但對不同土壤酶活性的影響有所不同。與CI、FPRI相比 ,F1、F2、F3 時APRI在 3 個時期均能保證較高土壤酶活性且干、濕兩區(qū)域差異不顯著。與單施無機氮相比,土壤過氧化氫酶、脲酶及轉(zhuǎn)化酶活性隨著有機氮比例的增加而提高,酸性磷酸酶活性則在F2時達到最大。

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