有機肥C/N優(yōu)化下氮肥運籌對煙株根際無機氮和酶活性的影響

丁效東，閆慧峰，張士榮，陳偉賢，郭俊杰，魏 彬，王 軍

（1.青島農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，青島 266109；2.中國農(nóng)業(yè)科學院煙草研究所，青島 266101；3.廣東煙草梅州市有限公司，廣東 梅州 514011；4.廣東省煙草南雄科學研究所，廣東 南雄 512400；5.廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，廣州 510650）

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有機肥C/N優(yōu)化下氮肥運籌對煙株根際無機氮和酶活性的影響

丁效東1，5，閆慧峰2，張士榮1，陳偉賢3，郭俊杰3，魏 彬3，王 軍4*

（1.青島農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，青島 266109；2.中國農(nóng)業(yè)科學院煙草研究所，青島 266101；3.廣東煙草梅州市有限公司，廣東 梅州 514011；4.廣東省煙草南雄科學研究所，廣東 南雄 512400；5.廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所，廣州 510650）

摘 要：大田條件下研究了基于有機肥C/N優(yōu)化下不同氮肥用量和基追比對烤煙根際土壤無機氮、碳氮轉(zhuǎn)化及酶活性的影響。結(jié)果表明：（1）低、中氮（48.0、108.0 kg/hm2）條件下，根際NH4+-N含量隨生育期延長而降低；高氮（168.0 kg/hm2）條件下，根際NH4+-N含量在團棵期至旺長期增加，隨后降低；不同處理根際硝態(tài)氮含量均隨著生育期的延長而降低；（2）土壤微生物量碳隨生育期的延長和施氮量的增加而增加；（3）土壤脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性均隨施氮水平增加而增強，低氮和中氮條件下脲酶活性在成熟期時略微下降，而高氮條件下土壤脲酶活性在整個生育期持續(xù)增加。低氮基追比（5∶5）處理的土壤轉(zhuǎn)化酶活性在團棵期后高于中高氮基追比處理。高氮水平因施氮量過大促使土壤有效氮持續(xù)供應(yīng)，致使成熟期不能及時“氮素調(diào)虧”，降低煙葉品質(zhì)；而中氮水平各處理的土壤脲酶活性呈先增加后降低趨勢，并以氮肥適當后移，基追比（5∶5）時煙株“旺長-現(xiàn)蕾”階段土壤酶活性較高，與該階段煙株氮素需求規(guī)律相吻合。

關(guān)鍵詞：氮素；基追比；微生物量碳氮；硝態(tài)氮；銨態(tài)氮；酶活性

隨著烤煙種植集約化程度不斷提高，對土壤高強度、掠奪性利用，導致土壤板結(jié)、酸化、耕層淺薄、碳氮比及養(yǎng)分失衡等問題尤為突出［1-2］。目前我國烤煙生產(chǎn)中氮素管理主要存在兩大問題：一是施氮量過大，易導致煙葉品質(zhì)下降；二是氮肥施肥基追比與烤煙根系吸氮規(guī)律不吻合。在一定施氮量下，若基肥施用量過大，前期煙株不能及時吸收利用導致氮肥損失加大，若氮肥追肥施用量過大，易造成烤煙生育后期供氮過多，煙葉貪青晚熟［3］。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，廣東梅州砂泥田烤煙土壤速效氮含量偏高（137.2 mg/kg）、施氮量大且基肥追肥比例不合理問題突出。而且梅州砂泥田土壤C/N失調(diào)（偏低），且“施氮量過大，重基肥，輕追肥”的施肥方式，導致氮素供應(yīng)與烤煙各生育期對氮素需求不協(xié)調(diào)，煙葉感官品質(zhì)下降。研究表明，餅肥與化肥配施顯著提高土壤微生物量碳和氮，提高土壤脂肪酶、轉(zhuǎn)化酶和脲酶活性，改善烤后煙葉的香氣質(zhì)，提高香氣量［4］。而土壤酶活性與有機肥種類（碳氮比）［5-6］、腐熟程度［7］及土壤類型［8］等因素密切相關(guān)。

優(yōu)質(zhì)烤煙對氮素的需求是團棵前氮素需求量少，旺長期需要供氮較多，后期需適時控氮［3］。有機碳輸入可以有效調(diào)控煙株根際土壤碳氮轉(zhuǎn)化過程及酶活性，通過土壤微生物的“蓄水池”功能，控制大田煙株生育期內(nèi)土壤有效氮的供應(yīng)，以滿足烤煙生長發(fā)育過程的氮素需求特點，最終改善煙葉的香氣質(zhì)、提高其香氣量。本試驗在相同有機肥施用量條件下，探討砂泥田土壤不同氮肥水平及基肥與追肥比例對烤煙各生育期根際土壤氮供應(yīng)及酶活性的影響，闡明基于碳氮比優(yōu)化下不同施氮水平與基追比的土壤酶催化反應(yīng)對根際土壤養(yǎng)分供應(yīng)的調(diào)控機理，以期為華南砂泥田土壤烤煙種植過程氮素管理提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1 試驗材料

供試烤煙品種為云煙87，由廣東煙草粵北煙葉生產(chǎn)技術(shù)中心（廣東省煙草南雄科學研究所）提供。試驗于2012年度在梅州市蕉嶺縣廣福鎮(zhèn)開展，土壤類型為砂泥田，土壤基本理化性質(zhì)：pH 6.15，有機質(zhì)16.8 g/kg、堿解氮130.46 mg/kg、速效磷34.79 mg/kg、速效鉀96.63 mg/kg。供試肥料為硝酸銨（N 30%）、鈣鎂磷肥（P2O512%）、硫酸鉀（K2O 50%）、腐熟花生餅肥［N 4.60%，P2O51.00%，K2O 1.00%，w（C）/w（N） =10.65］和腐熟豬廄肥［N 0.50%，P2O50.20%，K2O 0.25%，w（C）/w（N）=94.5］。

1.2 試驗設(shè)計

采用裂區(qū)設(shè)計，主處理為施氮量（無機氮），設(shè)3個水平，N1，48.0 kg/hm2；N2，108.0 kg/hm2；N3，168.0 kg/hm2。副處理為氮肥基追比，設(shè)3個水平S1：（10∶0）；S2（7∶3）；S3（5∶5），每處理重復4次?；试谝圃郧皸l施后覆膜時施用，采用當?shù)馗旎ㄉ灧屎拓i廄肥配制碳氮比w（C）/w（N）=25的有機肥，豬廄肥3750 kg/hm2、花生餅肥300 kg/hm2；其中有機肥全部作基肥施用，無機氮肥采用基肥與團棵期追肥；所有處理的P2O5施用量為鈣鎂磷肥1512.45 kg/hm2，全部作基肥施入；K2O施用量為硫酸鉀231.3 kg/hm2，采用基肥（50%）與現(xiàn)蕾期追肥（50%）。

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，每個小區(qū)面積 30.0 m2，每小區(qū)種植1行，行距×株距=1.2 m×0.6 m，每處理4次重復，共36個小區(qū)。其他栽培及田間管理措施按照當?shù)亓晳T進行。

1.3 取樣及測定方法

在烤煙大田生育期內(nèi)（團棵期，移栽后30 d；旺長期，移栽后45 d；現(xiàn)蕾期，移栽后60 d；成熟期，移栽后90 d）分次采用抖落法取根際土壤樣，其中一部分新鮮土樣裝入自封袋中帶回實驗室，過2 mm篩，置于4 ℃冰箱貯存，供分析微生物生物量碳和氮、微生物數(shù)量；另一部分在室溫下風干，過1.0和0.25 mm篩，用于土壤理化性狀和土壤酶活性的測定。

1.3.1 土壤無機氮測定 參照鮑士旦方法測定［9］。樣品采用0.01 M CaCl2提?。籒O3--N的測定采用聯(lián)氨還原比色法，紫外可見分光光度計540 nm下比色。NH4+-N的測定采用靛酚藍比色法，在625 nm下比色。土壤無機氮=NH4+-N+NO3--N，折算為土壤干重含量表示。

1.3.2 土壤酶活性測定 脲酶用靛酚藍比色法測定：土樣5.00 g加入1 mL甲苯15 min后添加10 mL不同濃度（0.01，0.025，0.05，0.1，0.2 mol/L）尿素溶液20 mL，pH 6.7檸檬酸緩沖液37 ℃下培養(yǎng)，培養(yǎng)結(jié)束后濾液中被脲酶水解成的氨氮用靛酚蘭比色測定，計算脲酶活性及脲酶動力學參數(shù)（以 NH4+計）；土壤轉(zhuǎn)化酶活性采用硫代硫酸鈉滴定法測定［10］。

1.3.3 微生物量碳、氮測定 土樣微生物量碳和氮采用Joergensen和Mueller［11］及Vance等［12］的氯仿熏蒸-K2SO4浸提法，浸提液中的微生物量碳采用K2Cr2O7加熱氧化，F(xiàn)eSO4滴定法；浸提液中的微生物量氮采用凱氏定氮法。每個土樣重復測定3次。微生物量碳（Bc）=EC/KC，EC表示未熏蒸與熏蒸對照土壤的浸取有機碳的差值，KC為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值0.45。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用 SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進行單因素顯著性檢驗（SAS Institute Inc.，1989）。用 LSD法在P=0.05水平進行多重比較。

2　結(jié)果

2.1 氮水平與基追比對烤煙葉片氮素含量的影響

在團棵期、旺長期，煙葉氮含量在中氮、高氮處理間無差異，高于同期低氮處理，表明低氮處理在團棵-旺長期不能滿足煙株對氮素的吸收和積累（圖1）；煙株旺長期，煙葉氮素含量在同一施氮水平下，隨基追比降低呈增加趨勢。在團棵期至成熟期高氮及低基追比處理煙葉氮含量顯著高于中氮三個基追比處理，而中氮處理基追比為7∶3時旺長期至現(xiàn)蕾期煙葉氮含量顯著降低；中氮及基追比為 5∶5時能夠滿足烤煙生育前、中期對氮素的需求，且生育后期能適時脫氮，與優(yōu)質(zhì)烤煙“少時富，老來貧”的氮素需求規(guī)律相吻合。

圖1　不同氮水平與基追比對煙葉氮含量的影響Fig. 1 Effects of different nitrogen level and the basal to top-dressing ratio on N content in leaves

2.2 氮水平與基追比對根際土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響

團棵期時，高氮（N3）處理根際土壤NH4+-N含量顯著高于低氮（N1）和中氮（N2）處理（圖2）。同一施氮水平根際NH4+-N和NO3--N含量隨基追比降低而下降；同等基追比下，“移栽-團棵”時根際NH4+-N和NO3--N隨基施氮肥數(shù)量增加而增加。旺長時，根際NH4+-N和NO3--N含量在同一施氮水平下，隨基追比降低呈增加趨勢。

根際NO3--N含量隨氮水平而增加（圖2）。從整個生育期來看，團棵-旺長期時各處理根際NO3--N含量急劇下降，可能是揭膜后降雨增加導致NO3--N淋失；“旺長-現(xiàn)蕾”階段保持平穩(wěn)，而中氮（N2）處理有增加趨勢，可能是中氮（N2）處理無機氮與有機碳輸入量相匹配，團棵-旺長期利于微生物繁殖和生長，固定部分有效氮，進入“旺長-現(xiàn)蕾”階段微生物量氮轉(zhuǎn)化為無機氮，提高根際NO3--N含量；煙株現(xiàn)蕾進入成熟期后各處理不同程度下降。

2.3 氮水平與基追比對根際土壤微生物量碳、氮含量的影響

根際微生物量碳隨氮水平增加而增加，且隨生育進程增加（圖3）。低氮（N1）時，不同基追比間微生物量碳在同一生育期內(nèi)無差異。中氮（N2）和高氮（N3）時，土壤微生物量碳隨生育進程而增加；現(xiàn)蕾期后高氮（N3）時基追比為7∶3、5∶5時微生物量碳顯著高于其他處理，表明無機氮有效促進根際微生物對土壤水溶性碳固定，微生物量碳提高。

2 氮水平與基追比對根際土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響Fig. 2 Effects of nitrogen level and ratio of basal to topdressing fertilizer on ammonium and nitrate contents in rhizosphere soil

根際微生物量氮隨氮水平增加而增加，且在團棵-現(xiàn)蕾時高氮（N3）處理微生物量氮顯著高于低氮（N1）和中氮（N2）處理（圖3）。低氮（N1）時不同基追比處理微生物量碳在各生育期間、同一生育期內(nèi)無差異；中氮（N2）和高氮（N3）時微生物量氮隨生育進程而增加。同一氮水平下，團棵期時微生物氮隨基追比增加而增加；旺長期后，追施氮肥提高微生物量氮，且隨基追比增加而增加，表明施入土壤無機氮，部分氮迅速被微生物固持，成為土壤活性氮“庫”和“源”，對煙株氮素供應(yīng)有效調(diào)控。而高氮（N3）顯著提高成熟期土壤微生物量氮，且隨基追比增加而增加，表明施氮量能夠促使成熟期土壤活性氮“庫”和“源”豐盈，烤煙正常成熟落黃具有較大風險。

圖3　氮水平與基追比對根際土壤微生物量碳、氮含量的影響Fig. 3 Effects of nitrogen level and ratio of basal to topdressing fertilizer on soil microbial carbon and microbial nitrogen contents in rhizosphere soil

2.4 氮水平與基追比對根際土壤脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性的影響

隨氮水平增加根際土壤脲酶活性顯著增強，低氮（N1）、中氮（N2）時土壤脲酶活性在成熟期時降低，而高氮（N3）時整個生育期持續(xù)增加（圖4）。低氮（N1）時脲酶活性較低，反映該施氮水平根際土壤氮素轉(zhuǎn)化較弱，不能滿足煙株正常生長發(fā)育對氮素需求；高氮（N3）時因施氮量過大而導致土壤有效氮持續(xù)供應(yīng)過強，不能在成熟期及時“氮素調(diào)虧”；而中氮（N2）時各處理土壤脲酶活性先增加后降低，符合烤煙各生育期對氮素需求，而在此施氮水平下，基追比為7∶3時以適當增加追施比（5∶5）致使其在“旺長-現(xiàn)蕾”階段保持相對較高脲酶活性，與該階段煙株對氮需求規(guī)律相吻合。團棵期時無機氮基追比較高時轉(zhuǎn)化酶活性強，而團棵后無機氮的基追比較低其轉(zhuǎn)化酶活性強（圖4）。表明根際土壤轉(zhuǎn)化酶活性與土壤無機氮含量呈正相關(guān)關(guān)系，土壤速效氮較高時，微生物活性較強，其繁殖和生長加快，可供微生物利用的土壤碳消耗加劇，促使酶促反應(yīng)進程加快，轉(zhuǎn)化酶活性增強。

圖4　氮水平與基追比對根際土壤轉(zhuǎn)化酶和脲酶活性的影響Fig. 4 Effects of nitrogen level and ratio of basal to topdressing fertilizer on invertase and urease activities in rhizosphere soil

3　討論

3.1 無機氮施用量及基追比調(diào)控烤煙不同生育期根際土壤供氮強度，具有直接性和時效性

不同供氮方式和施氮量對烤煙生長和氮素吸收的影響較大［13-14］，根際土壤速效氮含量與移栽時基施、團棵時追施的無機氮絕對量呈正相關(guān)；隨時間推移施入土壤無機氮受土壤生物化學過程影響趨于變大［15］。本試驗表明，中氮（N2）且基追比為5∶5處理根際土壤NH4+-N在“團棵-旺長”階段呈緩慢上升趨勢，而后緩慢下降至現(xiàn)蕾期，再以較大速率下降至成熟期（圖2）；NO3--N則在“團棵-旺長”急劇下降，“旺長-現(xiàn)蕾”保持平穩(wěn)并稍有增加趨勢，而后在成熟期又能適時下降（圖2）。充分反映了該施肥方式在大田煙株“團棵-旺長-現(xiàn)蕾”具有持續(xù)充足的速效氮供應(yīng)，而在成熟期適時氮素調(diào)虧，較符合優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)中煙株對氮素需求規(guī)律。

施入土壤的無機氮、有機氮、有機碳在微生物和土壤酶作用下經(jīng)復雜的生物化學過程，調(diào)控煙株不同生育期養(yǎng)分供應(yīng)［4，16］。本試驗條件下，因無機氮施入量和基追比不同，加之大田生育期環(huán)境因子的變化，導致煙株生長發(fā)育過程中根際土壤生物化學過程存在差異。各處理在旺長前根際有機質(zhì)皆表現(xiàn)為不同程度積累，可能是因為“移栽-旺長”階段特定氣候條件導致土壤有機質(zhì)合成過程強于其礦化分解過程所致［1］。進入旺長后，隨氣溫升高和降雨增多，加上團棵期追施無機氮肥的“激發(fā)效應(yīng)”，有機質(zhì)礦化分解加劇，土壤無機氮濃度較高時（N3基追比7∶3、N3基追比5∶5、N2基追比7∶3），有機質(zhì)礦化分解加快，表現(xiàn)為土壤有機質(zhì)含量下降，其中高氮水平（N3）且增加追施比（5∶5）處理在成熟期高溫高濕環(huán)境下，加劇土壤有機質(zhì)礦化，土壤速效氮含量增加，不利于烤煙正常成熟落黃，而低氮（N1）且一次性基施（10∶0）最有利于成熟期有機質(zhì)積累轉(zhuǎn)化，此期根際速效氮含量也相應(yīng)處于較低水平。

3.2 無機氮施用量及基追比通過影響土壤生物化學過程調(diào)控土壤供氮，具有一定的滯后性

土壤水溶性碳為微生物提供可利用碳源，加速微生物繁殖和生長［1，17］。無機氮對有機質(zhì)礦化分解具有“激發(fā)效應(yīng)”，使土壤水溶性碳隨無機氮增加而增加。隨水溶碳增加，微生物可利用碳和氮充足，根際微生物繁殖生長速度加快，水溶性碳被土壤微生物固定積累，表現(xiàn)為根際水溶性碳隨煙株生育進程逐漸下降，但被微生物固定的微生物量碳和氮卻隨施氮量增加而呈增加趨勢［5，18］。本試驗條件下，施入無機-有機氮在土壤酶和微生物作用下，通過有機質(zhì)積累、礦化以及微生物的“蓄水池”作用實現(xiàn)土壤氮素供應(yīng)調(diào)節(jié)；在移栽基施和團棵追施后團棵期和旺長期土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶活性隨施氮量增加而增強，土壤氮、碳轉(zhuǎn)化趨于活躍，土壤微生物利用碳、氮增加直接促進土壤微生物繁殖與生長，促進微生物量碳、氮積累。在烤煙生育前期（團棵-旺長期）因有機質(zhì)礦化量小于合成量而表現(xiàn)為隨生育進程呈積累狀態(tài)。進入現(xiàn)蕾期和成熟期后，南方降雨增多和溫度升高促使有機質(zhì)礦化，在大量無機氮（N3）“激發(fā)”下，有機質(zhì)礦化加劇，表現(xiàn)為脲酶活性持續(xù)較高，土壤微生物繁殖和生長旺盛，水溶性碳降低，微生物量碳和氮積累，不利于烤煙正常成熟落黃。而中氮（N2）時基追比為5∶5處理能有效增加煙田土壤當季有機質(zhì)積累，同時其脲酶活在煙株大田生育期呈先增加后下降趨勢，且在“旺長-現(xiàn)蕾”階段保持相對較高的脲酶活性，并能在成熟期適時下降，這與該階段煙株對氮素需求較高的規(guī)律最為吻合。

4　結(jié)論

在一定時間內(nèi)，基施-團棵，團棵-旺長煙株根際土壤速效氮與此期（移栽時基施、團棵時追施）施入無機氮量呈正相關(guān)；隨時間推移施入土壤無機氮受土壤微生物過程影響趨于變大。本試驗條件下，高氮（168.0 kg/hm2）時因施氮量過大導致根際土壤有效氮持續(xù)供應(yīng)過強，成熟期時不能及時“氮素調(diào)虧”而降低煙葉品質(zhì)；而中氮（108 kg/hm2）時，各處理脲酶活性呈先增加后下降趨勢，較符合煙株各生育期對氮素需求，而此施氮水平下，以適當增加追施比（5∶5）使其在“旺長-現(xiàn)蕾”階段保持相對較高脲酶活性，與該階段煙株對氮素需求規(guī)律相一致。

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The Effect of Nitrogen Management on Nmin and Enzyme Activities in Rhizosphere Soil of Flue-cured Tobacco under the Optimization of C/N with Organic Fertilizer

DING Xiaodong1，5，YAN Huifeng2，ZHANG Shirong1，CHEN Weixian3，GUO Junjie3，WEI Bin3，WANG Jun4*
（1. College of Resources and Environment，Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，China；2. Tobacco Research Institute of CAAS，Qingdao 266101，China；3. Guangdong Meizhou Tobacco Co.，Ltd.，Meizhou，Guangdong 514011，China；4. Nanxiong Tobacco Science Institute of Guangdong，Nanxiong，Guangdong 512400，China；5. Guangdong Institute of Eco-Environment and Soil Sciences，Guangzhou 510650，China）

Abstract:A field experiment was carried out to study the effect of nitrogen management on soil Nmin，soil carbon and the enzyme activities in tobacco rhizosphere under the optimization of C/N with organic fertilizers. The results showed that∶ （1） In the lower nitrogen treatments N1 and N2，NH4+-N contents in the rhizosphere soil decreased during the growth season while in the higher nitrogen N3 treatment，NH4+-N content increased at the rosette to vigorous growth stage，then decreased，.and nitrate nitrogen decreased for all treatments；（2） The microbial carbon and nitrogen increased with the nitrogen level and the growth process. （3） The soil urease and invertase activities increased with the nitrogen level，the soil urease activities were slightly reduced in the lower N1 and N2 treatments at the mature stage，whereas that of the higher N3 treatment increased during the whole growth period；The soil invertase activities were higher at the rosette stage in the S1 and S2 treatments，while it was higher after the rosette stage in S3 treatment. In the higher nitrogen level treatment （N3），soil nitrogen was continuously excessively supplied，and nitrogen was not reduced to the "nitrogen deficit" level during the mature period，which led to reduced tobacco quality；while at the N2 level，the soil urease activities of the S3 treatment increased first then decreased，which was more consistent with the nitrogen demand of the plants.

Keywords:nitrogen fertilizer rate；the ratio of basic to dressing application；microbial biomass C and N；NO3--N；NH4+-N；enzyme activity

中圖分類號：S572.062

文章編號：1007-5119（2016）01-0026-06

DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2016.01.005

基金項目：廣東省煙草專賣局科技項目“改善梅州砂泥田烤煙香氣品質(zhì)的優(yōu)化施肥技術(shù)研究”（201012）；廣東省中國科學院全面戰(zhàn)略合作項目（2011B090300100）；廣東省煙草專賣局科技項目“廣東植煙土壤時空演變特征研究”（201303）；廣東省煙草專賣局科技項目“提高煙葉田間耐熟性綜合生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)與示范”（201306）

作者簡介：丁效東（1978-）男，博士，副教授，主要從事土壤與植物營養(yǎng)方面的研究。E-mail：xiaodongding2004@163.com*通信作者，E-mail：wangjun4170@126.com

收稿日期：2015-10-12 修回日期：2015-11-14