不同氮素形態(tài)及配比對土壤養(yǎng)分和酶活性及玉米產(chǎn)量的影響

武 鵬，王玉鳳，楊克軍，張翼飛，薛盈文，張鵬飛，陳天宇，龐 晨，王懷鵬，尹雪巍，楊 麗

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院/黑龍江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)與作物種質(zhì)改良重點實驗室，黑龍江 大慶 163319)

玉米是我國重要糧食作物，其產(chǎn)量高低影響國家糧食安全和玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。目前常用施肥方式為種肥加拔節(jié)期追肥，玉米根系活躍吸收區(qū)隨生育進程會逐漸下移，但由于施肥過淺引起深層玉米根系長期得不到養(yǎng)分補充導(dǎo)致中后期營養(yǎng)不足早衰減產(chǎn)嚴(yán)重，而玉米生長對氮素需求量較大[2]，大多數(shù)農(nóng)田中土壤自身氮素儲量不能有效滿足玉米高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的需求，生產(chǎn)中需施入氮肥滿足需求[3-4]，普通尿素為速溶性肥料，施入土壤后在短期內(nèi)溶解但不能全部被植物吸收利用[5]，同時施用方式不當(dāng)導(dǎo)致氮肥利用率較低[6]。提高肥料利用率主要有兩種方法：一是改變施肥方式，氮肥深施可減少肥料揮發(fā)和流失等，提高肥料利用率[7]，二是施用緩釋肥，通過包膜技術(shù)使肥料的釋放和供應(yīng)速率與玉米生長營養(yǎng)需求相一致，實現(xiàn)氮素長效供應(yīng)管理[8-9]，有效提高土壤養(yǎng)分含量和酶活性，解決長期施用化學(xué)肥料導(dǎo)致土壤產(chǎn)生的系列問題[10-12]。氮素含量和土壤酶活性影響土壤養(yǎng)分，因此土壤酶作為土壤組分之一，在營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、有機質(zhì)分解、腐殖質(zhì)降解及修復(fù)等方面起著極為重要的作用，成為表征土壤中營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、能量代謝旺盛程度的重要生物指標(biāo)[13]。土壤養(yǎng)分是影響土壤酶活性高低的重要因素[14]，是作物生長發(fā)育過程中可利用土壤氮素的重要來源，也直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程。有研究發(fā)現(xiàn)氮肥深施可以促進玉米根系下移，增加根系數(shù)量，提高肥料利用率[15]；蘇志峰等[16]、舒時富等[17]、王鑫等[18]研究發(fā)現(xiàn)肥料深施和施用緩釋尿素可以提高土壤酶活性和有效養(yǎng)分含量；鄒忠君等[19]、吳景貴等[20]通過田間對比試驗研究發(fā)現(xiàn)分層施肥可以滿足玉米整個生育期對養(yǎng)分的需求，植株長勢良好，比常規(guī)分期施肥增產(chǎn)12.1%，經(jīng)濟效益得到提高。科學(xué)合理的氮素運籌是提高玉米產(chǎn)量和土壤肥力的重要措施，現(xiàn)階段關(guān)于普通尿素深施和緩釋尿素在玉米種植中作底肥一次施用的研究較多，緩釋尿素與普通尿素以3∶7和5∶5居多，但是把二者結(jié)合起來進行分層配施的研究未見報道。本試驗選用東北地區(qū)較為常見的玉米品種“慶單3號”，研究聚氨酯包膜的樹脂包膜尿素與普通尿素以不同比例配合分層施用于不同深度土壤對耕層養(yǎng)分及酶活性的影響，為東北半干旱區(qū)緩釋尿素推廣及科學(xué)施肥提供理論指導(dǎo)，達到減投提質(zhì)增產(chǎn)目的。

1 材料與方法

1.1 試驗條件

試驗于2016年5月30日至10月18日和2017年5月23日至10月7日在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)實習(xí)試驗基地(大慶，46°62′N，125°19′E)進行。供試土壤為鹽化草甸土，0～30 cm土層土壤基礎(chǔ)肥力見表1。供試玉米品種為慶單3號，供試肥料為樹脂包膜尿素(PCU，N 45%)，普通尿素(PU，N 46%)，硫酸鉀(K2O 50%)，過磷酸鈣(P2O512%)。

表1 土壤基礎(chǔ)地力

1.2 試驗設(shè)計

本試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)置8個處理，所有處理進行分層設(shè)置，各處理3次重復(fù)，每小區(qū)面積52 m2(10 m行長，8行區(qū)，0.65 m行距)。根據(jù)當(dāng)?shù)匦璺室?guī)律，各處理施用氮、磷、鉀為N 220 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，除PU2的氮肥外，其他肥料均播種時一次施入。磷肥和鉀肥施在種下5～10 cm，氮肥分別施在種下5～10、15～20、25～30 cm(表2)。根據(jù)本實驗室前期篩選試驗篩出緩釋肥與普通尿素以3∶7和5∶5配施，播種時間2016年5月30日和2017年5月23日，株距20.5 cm，保苗數(shù)75 000株/hm2，田間管理同當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)。

表2 施肥方案

1.3 樣品采集與測定

整地前取0～30 cm耕層土壤測定基礎(chǔ)肥力。在玉米成熟期各處理分別取0～10、10～20、20～30 cm土層土樣，每小區(qū)5個樣點混合均勻，采用四分法，自然風(fēng)干后過0.25 mm篩，采用半微量凱氏法測定土壤全氮含量[21]，土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀法測定，堿解氮含量采用堿解蒸餾法測定，有效磷含量采用鉬藍比色法測定，速效鉀含量測定采用火焰光度法[22]，脲酶活性測定采用靛酚藍比色法[23]，蔗糖酶活性測定采用二硝基水楊酸比色法[23]，過氧化氫酶活性測定采用高錳酸鉀滴定法[24]，堿性磷酸酶活性測定采用磷酸苯二鈉法[24]。

玉米成熟期，收獲各小區(qū)中間兩壟連續(xù)5 m長的所有果穗，統(tǒng)計有效穗數(shù)，計算平均穗鮮重，選取具代表性的20個果穗，進行室內(nèi)考種，記錄穗粒數(shù)及百粒重。

產(chǎn)量(kg/hm2)=有效穗數(shù)×穗粒數(shù)×百粒重/105×(1-含水率%)/(1-14%)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

由于兩年試驗結(jié)果基本一致，故除產(chǎn)量用兩年數(shù)據(jù)外其他數(shù)據(jù)取2017年測定值，采用Excel 2003軟件進行試驗數(shù)據(jù)處理和相關(guān)分析，DPS統(tǒng)計軟件進行方差分析，LSD檢驗法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同形態(tài)氮素運籌對土壤有機質(zhì)、養(yǎng)分及酶活性的影響

2.1.1 不同形態(tài)氮素運籌對耕層土壤有機質(zhì)含量影響

從圖1看出，隨著土層加深，各處理有機質(zhì)含量變化較小，0～10 cm土層中有機質(zhì)含量以傳統(tǒng)施肥PU2最高，顯著高于其它處理；10～20 cm土層中緩釋尿素與普通尿素配施處理有機質(zhì)含量較一次施肥PU1、常規(guī)施肥PU2和普通尿素施肥PU3提高0.48%～5.66%，其中PCU4處理最高，為24.30 g/kg；20～30 cm土層中緩釋尿素與普通尿素配施處理有機質(zhì)含量較PU1、PU2和PU3提高0.68%～7.32%，其中PCU2處理有機質(zhì)含量最高，為24.13 g/kg。

圖1 不同形態(tài)氮素運籌對耕層土壤有機質(zhì)含量影響

2.1.2 不同形態(tài)氮素運籌對耕層土壤全氮含量影響

從圖2看出，未施肥的CK在不同土層中全氮含量都顯著低于其他處理，隨著土層深度加深，一次施肥PU1、傳統(tǒng)施肥PU2和普通尿素施肥PU3土壤全氮含量不斷減小，緩釋尿素處理的分層施肥先升高后減小。0～10 cm土層中PU2土壤全氮含量最高，可能是由于傳統(tǒng)施肥在拔節(jié)期追肥導(dǎo)致；10～20 cm土層緩釋尿素與普通尿素配施處理較PU1、PU2和PU3顯著提高2.61%～7.64%，其中PCU4含量最高，達1.61 g/kg；20～30 cm土層中PCU2處理全氮含量最高，為1.33 g/kg，緩釋尿素與普通尿素配施處理比PU1、PU2和PU3高3.37%～9.04%。10～20和20～30 cm土層緩釋尿素與普通尿素配施處理全氮含量均顯著高于其他處理，說明緩釋尿素與普通尿素配施處理能有效提高10～30 cm耕層土壤全氮含量，且緩釋尿素含量越高耕層土壤全氮含量越高。

圖2 不同形態(tài)氮素運籌對耕層土壤全氮含量影響

2.1.3 不同形態(tài)氮素運籌對耕層土壤堿解氮含量影響

如圖3所示，隨著土層深度加深，PU1和PU2處理堿解氮含量不斷減小，分層施肥處理先增大后減小，在10～20 cm含量最高。0～10 cm中，PU2堿解氮含量顯著高于其他處理；10～20 cm中，緩釋尿素與普通尿素配施處理堿解氮含量比PU1、PU2和PU3高11.57%～43.30%，分層施肥處理中PCU4含量最高，為84.28 mg/kg，PCU2次之，可能是由于PCU4和PCU2中緩釋尿素含量高于其他處理所致；20～30 cm土壤中PCU2堿解氮含量最高，為72.23 mg/kg，但緩釋尿素與普通尿素配施各處理間無顯著差異，同時表現(xiàn)為PCU2>PCU3>PCU1>PCU4，緩釋尿素與普通尿素配施處理比PU1、PU2和PU3顯著高2.51%～26.17%。

圖3 不同形態(tài)氮素運籌對耕層土壤堿解氮含量影響

2.2 不同形態(tài)氮素運籌對土壤酶活性的影響

2.2.1 不同形態(tài)氮素運籌對耕層土壤脲酶活性影響

圖4中，各處理脲酶活性隨土層深度變化不大。0～10 cm耕層土壤中，傳統(tǒng)施肥PU2脲酶活性最大，可能是由于拔節(jié)期追肥導(dǎo)致；10～20 cm土層中，除CK外，各處理之間無顯著差異，緩釋尿素與普通尿素配施處理的脲酶含量比PU1、PU2和PU3提高2.49%～8.33%，其中PCU4處理脲酶活性最高，為0.60 mg/kg；20～30 cm土層中PCU2脲酶活性最高，為0.60 mg/kg，緩釋尿素與普通尿素配施處理間無顯著差異但顯著高于全施普通尿素處理，較PU1、PU2和PU3提高9.52%～15.91%。

圖4 不同形態(tài)氮素運籌對耕層土壤脲酶活性影響

2.2.2 不同形態(tài)氮素運籌對耕層土壤過氧化氫酶活性影響

由圖5可以看出，0～10 cm土壤中，過氧化氫酶活性以PU2顯著高于其它處理；10～20 cm土壤中，PCU4處理過氧化氫酶活性最高(1.04 mol/L)，且與PCU2無顯著差異，除PU1與PU2間無顯著差異外，其他各處理之間差異顯著，緩釋尿素與普通尿素配施處理比PU1、PU2和PU3提高7.25%～28.12%；20～30 cm土壤中，PCU2處理過氧化氫酶活性最高(1.07 mol/L)，且顯著高于其他處理，同時緩釋尿素與普通尿素配施處理比PU1、PU2和PU3提高9.60%～32.14%。

圖5 不同形態(tài)氮素運籌對耕層土壤過氧化氫酶活性影響

2.2.3 不同形態(tài)氮素運籌對耕層土壤蔗糖酶活性影響

圖6可以看出，0～10 cm土壤中，PU2的蔗糖酶活性顯著高于其他處理；10～20 cm處，PCU4活性最高(29.15 mg/g),且除與PCU2無顯著差異外顯著高于其他處理，緩釋尿素與普通尿素配施處理蔗糖酶活性比PU1、PU2和PU3提高1.05%～13.79%；20～30 cm土層蔗糖酶活性比0～20 cm土層低，其中PCU2最高，為25.27 mg/g，緩釋尿素與普通尿素配施處理蔗糖酶活性較PU1、PU2和PU3提高12.26%～36.39%。

圖6 不同形態(tài)氮素運籌對耕層土壤蔗糖酶活性影響

2.2.4 不同形態(tài)氮素運籌對耕層土壤堿性磷酸酶活性影響

如圖7所示，0～10 cm耕層土壤中堿性磷酸酶活性除CK外其他處理之間無顯著差異；10～20 cm土層中，緩釋尿素與普通尿素配施處理比PU1、PU2和PU3堿性磷酸酶活性高14.57%～73.16%，PCU4處理最高，為0.98 mg/g；20～30 cm土層中PCU2堿性磷酸酶活性最高，為0.87 mg/g，緩釋尿素與普通尿素配施處理堿性磷酸酶活性比PU1、PU2和PU3高26.40%～45.42%；10～20和20～30 cm土層緩釋尿素與普通尿素配施處理間無顯著差異，但是顯著高于全部施普通尿素的PU3處理。

圖7 不同形態(tài)氮素運籌對耕層土壤堿性磷酸酶活性的影響

2.3 不同形態(tài)氮素運籌對玉米產(chǎn)量的影響

由圖8可知，兩年試驗產(chǎn)量變化趨勢基本一致，2017年較2016年有所提高，說明統(tǒng)一設(shè)置分層施肥條件下，緩釋尿素與普通尿素配施處理產(chǎn)量高于一次施肥、常規(guī)施肥及普通尿素施肥處理，緩釋尿素與普通尿素配施(PCU)較全部施普通尿素(PU3)2016年和2017年分別增產(chǎn)1.78%～15.85%、2.32%～24.56%，PCU4產(chǎn)量最高，分別為13 016和13 899 kg/hm2。

圖8 不同形態(tài)氮素運籌對玉米產(chǎn)量的影響

3 討論

科學(xué)施肥方式是增加玉米產(chǎn)量的重要舉措，而產(chǎn)量增加誘使化肥用量激增，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響，土壤靠有機營養(yǎng)物的不斷供應(yīng)得以維持運轉(zhuǎn)生態(tài)環(huán)境這個有機體，肥料過量使用導(dǎo)致土壤有機物含量不斷減少，土壤板結(jié)和肥力下降。肥料深施技術(shù)及緩釋尿素的施用在一定程度上能改善土壤肥力，提高肥料利用率，增加玉米產(chǎn)量。目前生產(chǎn)上多采用種肥加拔節(jié)期追肥的施肥方式，費工費時，且追肥深度大多不足10 cm，施肥稍多就會燒苗，而玉米根系在土壤中的高效密集層一般位于0～30 cm左右，施肥過淺致深層根系長期得不到養(yǎng)分補充，故中后期營養(yǎng)不足，造成早衰減產(chǎn)嚴(yán)重。分層施肥將玉米生長周期所需肥料一次性、分多層施入土壤，使所施肥料到達預(yù)定部位，在打破犁底層限制的同時有效改善根系密集層水肥環(huán)境，促進根系下移[25]，提高肥料利用效率，增加作物產(chǎn)量，省時省工，提高經(jīng)濟效益[26]。蘇志峰等[16]和陳霞等[27]研究發(fā)現(xiàn)肥料深施能夠提高土壤中有機質(zhì)和堿解氮的含量。王全輝等[28]和劉威等[29]通過不同類型包膜尿素施用研究認(rèn)為緩釋尿素能夠提高土壤供氮能力。徐久凱等[30]通過室內(nèi)模擬試驗，采用“靜態(tài)吸收法”和“土壤培養(yǎng)法”，研究了緩釋尿素與普通尿素混施條件下土壤氮素動態(tài)變化特征，結(jié)果表明，在植株生育后期土壤中緩釋摻混肥處理的全氮、堿解氮含量明顯高于普通尿素處理。本研究所有處理進行分層設(shè)置，表明與不施氮肥CK、一次施肥PU1、傳統(tǒng)施肥PU2和全施普通尿素PU3相比較，緩釋尿素與普通尿素配施處理PCU1、PCU2、PCU3和PCU4能夠提高10～30 cm耕層土壤中的有機質(zhì)、全氮、堿解氮含量，這與許海濤等[31]的研究結(jié)果一致?？赡苁鞘┯镁忈屇蛩馗淖兞擞衩赘档姆置谔卣鳎鹞⑸锓N類結(jié)構(gòu)和多種酶活性和養(yǎng)分有效性改變。同時由于緩釋尿素施用后，土壤中供微生物吸收利用的氮量較高且供應(yīng)時間相對延長，土壤微生物數(shù)量和活性相對增加和增強，進而提高有機質(zhì)含量[32]。本研究結(jié)果與王鑫等[18]的研究一致，認(rèn)為緩釋尿素由于包膜氮素釋放較慢，后期釋放量較大，提高土壤中全氮和堿解氮含量，這可能是緩釋尿素較普通尿素能夠增強土壤多酚氧化酶和脲酶活性，這些酶和土壤養(yǎng)分之間存在顯著相關(guān)性[33]，緩釋尿素在玉米生長中后期繼續(xù)保持大量氮素供應(yīng)，更有利于氮素在耕層土壤富集。土壤養(yǎng)分含量隨著緩釋尿素施用量提高而增加，在10～20 cm耕層土壤中PCU4處理養(yǎng)分含量最高，20～30 cm土壤中PCU2養(yǎng)分含量最高。在0～10 cm耕層土壤中，除不施氮肥CK外，其他各處理之間以一次施肥PU1和傳統(tǒng)施肥PU2養(yǎng)分含量較高，可能是由于PU1尿素全部作種肥施在種下5～10 cm，PU2處理60%尿素作種肥和拔節(jié)期追施40%的普通尿素，其它分層施肥處理在種下5～10 cm，施肥量為全部氮肥的20%所致。

土壤酶是由微生物、動植物活體及殘體分泌和釋放到土壤中的一類具有催化能力的生物活性物質(zhì)，在土壤生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動方面有重要影響，對土壤中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和吸收起著舉足輕重的作用，其活性與土壤理化特性、肥力狀況和農(nóng)業(yè)措施有著顯著相關(guān)性，間接反映農(nóng)業(yè)耕作方式的可持續(xù)性，是土壤肥力評價的重要指標(biāo)[34-36]。本研究結(jié)果表明，緩釋尿素與普通尿素以不同比例配合深施能提高10～30 cm耕層土壤脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性，其中10～20 cm土壤酶活性以PCU4處理最高，20～30 cm以PCU2處理最高。這與Piotrowska等[37]、張莉等[38]研究一致，可能是由于脲酶活性受氮肥水平的影響，樹脂包膜尿素能較好地控制尿素的釋放速率，進而控制尿素水解速度與進程，使土壤中長時間有尿素存在，土壤中脲酶作用底物持續(xù)保持相對較高的濃度，使脲酶長時間保持相對較高活性；也可能是土壤中有機氮含量較高，在一定程度上對土壤脲酶有激發(fā)效應(yīng)，促進脲酶產(chǎn)生有關(guān)；還可能是由于本地區(qū)為半干旱區(qū)，緩釋尿素的聚氨酯包膜材料一定程度上改善了土壤孔隙結(jié)構(gòu)，促進了硝化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌繁殖，刺激脲酶的催化，提高脲酶活性。同時分層施肥也在一定程度上改善了耕層土壤物理結(jié)構(gòu)，影響有機質(zhì)的積累，創(chuàng)造適宜微生物繁殖的土壤環(huán)境，進而影響10～30 cm土層微生物數(shù)量[39]，增加土壤酶的來源。Guo等[40]研究發(fā)現(xiàn)，施用氮肥會促進磷循環(huán)，增加磷酸酶活性。本試驗中，分層施肥與施用樹脂包膜尿素處理的蔗糖酶和堿性磷酸酶活性均較高，可能是由于分層施肥與樹脂包膜尿素提高了土壤養(yǎng)分含量，間接提高了酶活性，這與蔣曉梅等[41]研究認(rèn)為蔗糖酶活性與速效磷活性有正相關(guān)關(guān)系的結(jié)果一致。過氧化氫酶廣泛存在于土壤和生物體中，是好氧微生物的指示物，能夠分解生物呼吸過程和有機物生物化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的過氧化氫，從而降低其毒害作用。本試驗中分層施肥與施用樹脂包膜尿素處理提高土壤過氧化氫酶活性，可能是由于分層施肥改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤通風(fēng)性，增加土壤微生物，促進礦物質(zhì)分解，提高過氧化氫酶活性，也可能是施氮有助于過氧化氫酶催化過氧化氫反應(yīng)生成水和氧氣，在細(xì)胞內(nèi)而起到解毒作用，從而改善土壤環(huán)境[42-43]。本研究中施用緩釋尿素可以提高土壤蔗糖酶活性的結(jié)果與張俊麗等[44]的研究結(jié)果一致，可能是由于本緩釋尿素的包膜材料樹脂殘膜改善了土壤的物理結(jié)構(gòu)，為微生物及根系生長提供了良好的環(huán)境，從而分泌更多的酶類或促酶物質(zhì)。

玉米產(chǎn)量受到多種因素的影響，前人研究認(rèn)為施用緩釋尿素可以提高作物產(chǎn)量[45-48]，本試驗中緩釋尿素與普通尿素以不同比例進行摻混配施于不同深度土層，通過兩種肥料不同的氮素釋放速率，優(yōu)劣互補，緩急并重，供肥平衡，提高產(chǎn)量[49]。本試驗中，由于地處松嫩平原半干旱區(qū)，耕層較淺，玉米根系密集層主要分布在地下0～30 cm，在15～20和25～30 cm施用不同比例摻混肥料，整個生育時期都能滿足植株生長對氮素的需求，后期氮素供應(yīng)充足，根系數(shù)量多且活力強，提高土壤養(yǎng)分和酶活性，促進干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)移，進而提高玉米產(chǎn)量。

4 結(jié)論

緩釋尿素與普通尿素配施能夠增加玉米產(chǎn)量，提高10～30 cm耕層土壤全氮、堿解氮和有機質(zhì)含量，增加土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性，但對土壤0～10 cm速效養(yǎng)分和酶活性無顯著影響，其中10～20和20～30 cm土壤養(yǎng)分和酶活性分別為PCU4和PCU2處理最高，PCU4處理玉米產(chǎn)量最高。