施肥制度對(duì)川中丘陵區(qū)玉米不同生育期土壤反硝化酶活性的影響

王蘇平，輝建春，林立金，朱雪梅，朱 波

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，成都 611130；2.雅安水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)分站，四川 雅安 625000；3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041）

氮作為作物體內(nèi)葉綠素、蛋白質(zhì)和酶的重要組成元素，素有“生命元素”的美譽(yù)［1］。氮以氨或銨鹽的形式進(jìn)入土壤，經(jīng)微生物礦化形成無(wú)機(jī)態(tài)氮（NO3—N等）［2］。NO－3作為旱地作物的主要氮源，經(jīng)高活性硝酸還原酶（NR:Nitrate Reduetase）催化形成亞硝態(tài)氮（NO－2），后經(jīng)高活性的亞硝酸還原酶（NiR:Nitrite Reductase）催化形成羥胺（NH2OH），再經(jīng)高活性的羥胺還原酶（HyR:Hydroxylamine Reductase）進(jìn)一步催化還原成NH＋4，被作物吸收利用（同化反硝化作用），能提高氮元素的利用率。但經(jīng)硝酸還原酶催化形成的NO－2被高活性的亞硝酸還原酶還原為NH2OH后，若羥胺還原酶的活性處于低水平，則會(huì)生成分子態(tài)氮（N2O，N2和NH3）及其氧化物（異化反硝化作用），造成氮元素的浪費(fèi)［3－5］。由此可知，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中參與土壤反硝化作用的硝酸還原酶、亞硝酸還原酶和羥胺還原酶活性的高低是影響土壤中氮素的存在形式、氮素的利用率及溫室氣體（N2O，NH3等）排放的重要影響因子［6－9］。已有研究發(fā)現(xiàn)，土壤硝酸還原酶、亞硝酸還原酶和羥胺還原酶的活性表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化規(guī)律，并會(huì)受到土壤水分、土壤溫度、CO2濃度及施肥（不同化學(xué)肥料）的影響［4，7，9］。還有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，不同施肥制度對(duì)提高土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶和磷酸酶的活性，增加作物產(chǎn)量的效果差異明顯［10－11］。此外，有機(jī)肥的施入可顯著提高土壤反硝化酶（硝酸還原酶、亞硝酸還原酶和羥胺還原酶）的活性，且有機(jī)肥與化肥配施的效果最佳［8］。但此類研究主要針對(duì)的是西北黃土區(qū)，而針對(duì)川中丘陵區(qū)紫色土坡耕地土壤反硝化酶（硝酸還原酶、亞硝酸還原酶和羥胺還原酶）活性影響的文章尚未見(jiàn)報(bào)道。

本文通過(guò)對(duì)川中丘陵區(qū)紫色土坡耕地進(jìn)行不同施肥制度處理，研究玉米不同生育期土壤硝酸還原酶、亞硝酸還原酶和羥胺還原酶的活性，探索合理的施肥制度，提高氮元素的利用率，以期為川中丘陵區(qū)紫色土坡耕地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所鹽亭站，地理位置為105°12′—105°42′E，30°53′—31°30′N，該地區(qū)地貌以丘陵和低山為主，是一個(gè)典型的山丘地區(qū)［12］。該地區(qū)土壤以紫色土和水稻土為主，是川中丘陵地區(qū)紫色土主要的分布地區(qū)之一，耕地平均坡度為7°。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)川中丘陵區(qū)紫色土坡耕地進(jìn)行不施肥（CK）、單施氮肥（N）、有機(jī)肥（OM）、NPK肥配施（NPK）、有機(jī)肥＋NPK肥配施（OMNPK）和秸稈＋NPK肥配施（RSDNPK）處理，見(jiàn)表1。

各施肥制度全氮維持在同一水平。豬糞:含氮（0.6%，鮮重）；秸稈（小麥）:含氮（0.5%，干重）。本試驗(yàn)設(shè)定18個(gè)小區(qū)（1m2／個(gè)），依試驗(yàn)場(chǎng)呈南北排列布置，分設(shè)A、B、C和保護(hù)行（四排），共18m2（長(zhǎng)6m，寬3m），坡度均為7°，各處理采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行布設(shè)，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)小區(qū)布置見(jiàn)圖1。

1.3 試驗(yàn)材料及種植密度

供試玉米品種為中單808，由中科院山地所鹽亭站提供。種植行距為50cm，窩距為40cm，種植密度為5100 株／hm2。A，B和C區(qū)種植8×15＝120株。玉米種植時(shí)間為2010年6月10日，播種方式采用穴播，管理模式為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)田間管理。玉米地施肥以穴施底肥方式一次性施用，后期不再追肥。

表1 供試土壤施肥處理

圖1 試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)圖

1.4 樣品采集與前處理

分別于玉米拔節(jié)期（2010年7月9日）、灌漿期（2010年8月15日）和成熟期（2010年9月18日）對(duì)0—10cm的土壤進(jìn)行采集。采集時(shí)，每個(gè)小區(qū)用不銹鋼土鉆采集一個(gè)多點(diǎn)混合樣，用四分法取1kg土樣裝入己消毒過(guò)的聚乙烯袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，放入冰箱（4℃）冷凍保存。

1.5 測(cè)定方法

土壤硝酸還原酶、亞硝酸還原酶和羥氨還原酶活性按照關(guān)松蔭的方法進(jìn)行測(cè)定［13］。

1.6 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 17.0進(jìn)行多重比較，用Excel 2003作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥制度對(duì)玉米不同生育期土壤硝酸還原酶活性的影響

土壤硝酸還原酶是催化NO－3轉(zhuǎn)化為NO－2的專性酶，其活性的高低直接影響土壤硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的含量［9］。由圖2可知，在玉米拔節(jié)期和成熟期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK處理均提高了土壤硝酸還原酶活性。分析得出RSDNPK和OMNPK處理的效果最好，在拔節(jié)期較對(duì)照分別提高了1198 .9%，914.8%，成熟期較對(duì)照分別提高了540.3%，508.4%，但NPK配施處理較對(duì)照的差異不明顯。在玉米灌漿期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK處理均提高了土壤硝酸還原酶活性。分析得出RSDNPK和OMNPK處理的效果最好，較對(duì)照分別提高了1139 .4%，989.7%，但單施N和NPK配施較對(duì)照差異不明顯。由此說(shuō)明，RSDNPK和OMNPK處理有效的提高了玉米各生育期土壤硝酸還原酶的活性。該作用效果一方面得益于秸稈和有機(jī)肥的施入能有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量［14］，而有機(jī)物可以提高土壤反硝化酶的活性［8］。與此同時(shí)，OMNPK和RSDNPK施用的秸稈和有機(jī)肥能降低土壤C／N［15］，傅利劍等研究表明當(dāng)碳氮比較低時(shí)，NO－3相對(duì)增加［16］，從而增強(qiáng)了硝酸還原酶活性。另一方面有機(jī)質(zhì)和秸稈的加入能有效增加土壤微生物的數(shù)量，改變了微生物區(qū)系，提高了土壤中反硝化細(xì)菌的活性［17］，進(jìn)而提高了土壤硝酸還原酶的活性。和文祥等［8］人針對(duì)黃土區(qū)不同培肥方式對(duì)土壤反硝化酶活性的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥配施可有效提高土壤硝酸還原酶活性，這與本試驗(yàn)針對(duì)紫色土區(qū)的研究結(jié)果是一致的。此外，在玉米灌漿期，CK、N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK處理下土壤硝酸還原酶的活性較拔節(jié)期和成熟期都要低。主要因?yàn)楣酀{期玉米對(duì)養(yǎng)分需求量較大，大量吸收土壤中無(wú)機(jī)離子（NO－3，NH＋4），NH＋4含量減少導(dǎo)致土壤硝化作用產(chǎn)生的NO－3［18］含量減少，致使土壤中NO－3總積累量降低（硝酸還原酶反應(yīng)底物含量降低）。

圖2 不同施肥制度下玉米不同生育期土壤硝酸還原酶活性

2.2 不同施肥制度對(duì)玉米不同生育期土壤亞硝酸還原酶活性的影響

土壤亞硝酸還原酶的作用是催化NO－2還原成羥胺（NH2OH），為羥胺還原酶將NH2OH催化還原為農(nóng)作物可吸收氮素（NH＋4）的反應(yīng)提供充足的反應(yīng)底物［8］。由圖3可知，在玉米拔節(jié)期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK處理均提高了土壤亞硝酸還原酶的活性。分析得出RSDNPK和OMNPK處理的效果最好，較對(duì)照分別提高了600.8%，600.3%，但單施N處理較對(duì)照差異不明顯。在玉米灌漿期和成熟期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK處理均提高了土壤亞硝酸還原酶的活性。分析得出RSDNPK和OMNPK處理的效果最好，在灌漿期較對(duì)照分別提高了507.2%，512.5%，在成熟期較對(duì)照分別提高了443.8%，382.5%。RSDNPK和OMNPK處理能有效的提高土壤亞硝酸還原酶的活性:一方面歸因于RSDNPK和OMNPK處理下土壤硝酸還原酶活性處于高活性水平，生成了充足的NO－2，有利于土壤亞硝酸還原酶催化NO－2生成NH2OH反應(yīng)的進(jìn)行；另一方面歸因于RSDNPK和OMNPK處理中含有豐富的有機(jī)物，為某些特殊微生物的繁殖（如:反硝化微生物）創(chuàng)造了良好條件，異養(yǎng)微生物可還原態(tài)的氮化物轉(zhuǎn)變?yōu)镹O－2［19］（土壤亞硝酸還原酶底物增加）進(jìn)而有利于提高土壤亞硝酸還原酶的活性。此外，在玉米不同生育期，CK、N、OM、NPK、OMNPK和 RSDNPK處理下土壤亞硝酸還原酶活性規(guī)律為:拔節(jié)期＞灌漿期＞成熟期，一方面原因是隨著玉米生長(zhǎng)對(duì)無(wú)機(jī)肥（有效N、速效P、速效K）的吸收，降低了土壤肥力，進(jìn)而降低了土壤亞硝酸還原酶活性。另一方面紫色土區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量低，有機(jī)質(zhì)礦化作用強(qiáng)，礦化率高，使土壤有機(jī)質(zhì)難于積累［20］，致使有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤亞硝酸還原酶吸附固定容量逐漸減小，且有機(jī)質(zhì)被微生物分解利用導(dǎo)致土壤肥力下降，進(jìn)而酶活性變低。證明紫色土區(qū)，肥力較高的土壤，酶（亞硝酸還原酶）活性也較高。和文祥［8］等人針對(duì)黃土區(qū)不同施肥方式對(duì)土壤反硝化酶活性的影響進(jìn)行了研究，也得出相同結(jié)論。

圖3 不同施肥制度下玉米不同生育期土壤亞硝酸還原酶活性

2.3 不同施肥制度對(duì)玉米不同生育期土壤羥胺還原酶活性的影響

羥胺（NH2OH）在土壤中的存在時(shí)間短，致使其在土壤中的存在量極少［5］。當(dāng)土壤羥胺還原酶的活性高時(shí)，其酶促反應(yīng)是催化NH2OH轉(zhuǎn)化為能被作物吸收利用的NH＋4。維持該酶的活性處于高活性水平，可以提高作物對(duì)氮元素的利用率，減少N2O或NH3的排放［5］。由圖4可知，在玉米拔節(jié)期和成熟期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK處理均提高了土壤羥胺還原酶的活性。分析得出RSDNPK和OMNPK處理的效果最好，在拔節(jié)期分別較對(duì)照提高了408.3%，449.1%。在成熟期較對(duì)照分別提高了257.2%，253.8%。在灌漿期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK處理均提高了土壤羥胺還原酶的活性。分析得出RSDNPK和OMNPK處理效果最好，較對(duì)照分別提高了48.6%、33.5%，但單施N肥較對(duì)照差異不明顯。RSDNPK和OMNPK有效的提高了土壤羥胺還原酶的活性，一方面RSDNPK和OMNPK處理維持土壤硝酸還原酶和土壤亞硝酸還原酶的處于高活性水平，有充足的反應(yīng)底物（NH2OH）產(chǎn)生，以供土壤羥胺還原酶進(jìn)行酶促反應(yīng)生成NH＋4。與此同時(shí)，RSDNPK和OMNPK有機(jī)質(zhì)含量豐富，提高了土壤微生物活性，特別是反硝化細(xì)菌的活性，同時(shí)有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤羥胺還原酶的吸附固定作用是提高土壤羥胺還原酶活性的又一重要因素。RSDNPK和OMNPK有機(jī)質(zhì)含量豐富能有效改良土壤結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)土壤通氣性［20］，有利于NH＋4結(jié)合氧氣生成NO－3（減少了酶促反應(yīng)生成物），增加酶活性，同時(shí)為硝酸還原酶提供底物，符合本實(shí)驗(yàn)結(jié)果規(guī)律。CK、N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK處理下土壤羥胺還原酶活性在拔節(jié)期表現(xiàn)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，原因是紫色土區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量低，有機(jī)質(zhì)礦化作用強(qiáng)，礦化率高，使土壤有機(jī)質(zhì)難于積累［20］，土壤中有機(jī)碳除作電子供體外，還作為異養(yǎng)微生物生長(zhǎng)代謝過(guò)程的碳源營(yíng)養(yǎng)物而被消耗［16］，而土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤酶活性存在顯著相關(guān)性［10］，使得土壤羥胺還原酶在拔節(jié)期高于灌漿期和成熟期。

圖4 不同施肥制度下玉米不同生育期土壤羥胺還原酶活性

此外，土壤酶活性和土壤細(xì)菌活性還受無(wú)機(jī)肥（有效N、速效P、K）含量的影響較大，拔節(jié)期土壤養(yǎng)分高于灌漿期和成熟期，利于土壤羥胺還原酶的催化作用的進(jìn)行。解媛媛等［17］對(duì)黃土區(qū)不同配比化肥＋秸稈對(duì)玉米不同生育期土壤酶活性的影響規(guī)律研究結(jié)果為:自抽雄期后土壤脲酶活性逐漸升高，至灌漿期后土壤脲酶活性持續(xù)上升，成熟期呈現(xiàn)最大值，這和本試驗(yàn)結(jié)果有較大差異，說(shuō)明不同施肥對(duì)玉米不同時(shí)期不同土壤酶活性影響差異較大。

3 結(jié)論

在玉米拔節(jié)期、灌漿期和成熟期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK處理均提高了土壤硝酸還原酶、亞硝酸還原酶和羥胺還原酶的活性，且RSDNPK和OMNPK處理的效果最好。表明，秸稈＋NPK肥配施和有機(jī)肥＋NPK肥配施能有效提高紫色土區(qū)玉米坡耕地硝酸還原酶、亞硝酸還原酶和羥胺還原酶活性，有利于土壤NO3—N轉(zhuǎn)化為NH4—N反應(yīng)的進(jìn)行，益于作物對(duì)氮元素的吸收，且RSDNPK和OMNPK處理對(duì)增加土壤中NH＋4含量效果最好。

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