基施氮肥形態(tài)及用量對小麥根際土壤脲酶活性垂直分布的影響

李軍輝，夏 清，楊珍平，張 霞，孫 敏，高志強(qiáng)，耿偉娜，廖平強(qiáng)，張曉琰，楊孟麗

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷030801）

土壤酶活性不僅是反映土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和運(yùn)移能力的重要指標(biāo)，同時還能反映出土壤微生物活性的高低，是評價土壤肥力的重要參數(shù)之一[1-3]。土壤脲酶作為一種活性穩(wěn)定的水解酶，對土壤有機(jī)物質(zhì)中碳氮鍵具有水解作用，對氮肥的轉(zhuǎn)化具有重要意義，可以很好地反映土壤的氮素狀況[4]。關(guān)于施肥種類、施肥用量對脲酶活性的影響，已有相關(guān)報(bào)道。劉淑英等[5]研究認(rèn)為，不同的施肥處理對土壤脲酶活性有不同的影響，其中有機(jī)肥處理的脲酶活性大于無機(jī)肥處理。嚴(yán)君等[6]研究表明，施氮量在0～103.5 kg/hm2時，隨著氮肥施用量的增加，脲酶活性顯著增加。郭天財(cái)?shù)萚7]研究表明，一定范圍內(nèi)氮肥施用量越多，土壤脲酶活性越高，但如果肥料施用量過大，則酶活性會降低。但有關(guān)不同氮肥形態(tài)對土壤脲酶活性的影響報(bào)道相對較少。

本研究擬通過施用不同形態(tài)氮肥，分析土壤脲酶與氮肥形態(tài)之間的關(guān)系，旨在為高效、合理施用氮肥提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2016年10月至2017年6月在山西省晉中市太谷縣山西農(nóng)業(yè)大學(xué)根系研究室進(jìn)行。該地位于山西省晉中盆地東北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°28′～113°01′，北緯 37°12′～37°32′。屬溫帶大陸性氣候，平均氣溫一般介于5～10℃，四季分明，降雨分布不均勻，年降水量約458 mm左右。

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 供試土壤 試驗(yàn)土壤為黃土母質(zhì)發(fā)育而來的褐土，土質(zhì)中壤土，從山西農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場的試驗(yàn)田取得。0～40 cm土層土壤養(yǎng)分含量為：全氮含量 1.80～1.98 g/kg，全磷量 0.27～0.32 g/kg，有機(jī)質(zhì)12.6～13.9 g/kg[8]。pH值為8.0。

1.2.2 供試材料 供試小麥品種為CA0547（冬性，強(qiáng)筋），由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子研究所提供。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用根管土柱法[9]。所用根管為硬質(zhì)PE塑料管，規(guī)格為：直徑25 cm，高度100 cm，管壁厚度1 cm。將根管沿直徑縱向垂直等分鋸成兩半，每一半的兩端及中部均裝有可相互連接與固定的鋼板、鐵環(huán)，使用時將根管的兩半沿鋸開的等分線對接、合攏、固定，接口處用塑料薄膜密封，同時將根管下部的端口用塑料薄膜封住；之后，將根管垂直立于根室內(nèi)，備用。

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主處理為氮肥形態(tài)（A）：銨態(tài)氮（硫酸銨，含N20.5%，山西宏安焦化科技有限公司）、硝態(tài)氮（NPK復(fù)合肥料，N∶P2O5∶K2O＝30%∶14%∶7%，山東潤和肥業(yè)有限公司）、酰胺態(tài)氮（尿素，含N46.4%，山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司）；副處理為氮肥用量（純 N）：75，150，225 kg/hm2共3個梯度；以不施任何肥料的處理作為對照（CK），重復(fù)3次，共10個處理。所有處理統(tǒng)一施磷肥和鉀肥，其中，磷肥為過磷酸鈣（含磷量16%，云南安寧萬合磷肥廠），施用量按135 kg/hm2折算；鉀肥為農(nóng)業(yè)用硫酸鉀（含鉀量51%，國投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司），施用量按30 kg/hm2折算。具體試驗(yàn)方案列于表1。

表1 試驗(yàn)處理

2016年10月8日，將供試土壤噴水，達(dá)到適宜程度（攥在手中成團(tuán)，撒在地上散開），按20 cm一層所需土量稱質(zhì)量（約25 kg），依次裝入根管80～100，60～80，40～60 cm 處，壓實(shí)；再將 20～40 cm土層所需土量稱質(zhì)量，按上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)加入所需肥料，攪拌均勻，裝入根管20～40 cm處，壓實(shí)；最后將0～20 cm土層所需土量稱質(zhì)量，裝入根管0～20 cm處壓實(shí)。將裝好的根管澆足水，待水分下滲后，每管播種15粒小麥，淺覆土，并蓋一薄層細(xì)沙。出苗后，留健壯苗9株，常規(guī)管理。

1.4 土樣采集與處理

分別于2017年5月6號（小麥拔節(jié)期）、6月27號（小麥?zhǔn)斋@期）采集土壤樣品。具體采集方法為：把根管從根室中取出，先收獲地上部分，然后將根管兩部分拆開，從上到下按照0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm的順序，使用滅菌后的小牙簽輕輕獲取各層的根際土壤，并且將獲得的土壤立即放入滅菌后的自封袋內(nèi)，用于土壤脲酶的測定。

1.5 測定項(xiàng)目及方法

土壤脲酶活性測定采用靛酚藍(lán)比色法[10]。將上述土樣風(fēng)干，研磨，過1 mm篩。稱取5 g過篩土樣置于100 mL三角瓶內(nèi)。每個土樣稱取4份（一份為無基質(zhì)對照，另3份為有基質(zhì)的3個重復(fù)）。向三角瓶中加入1 mL甲苯，輕輕晃動三角瓶，盡量使甲苯能完全浸沒土樣。靜置15 min后，依次加入10 mL的10%尿素溶液（無基質(zhì)CK中用等量蒸餾水代替）和20 mL的檸檬酸鹽緩沖液，輕輕搖勻，然后用保鮮膜將瓶口封住。將封口后的三角瓶置于37℃恒溫培養(yǎng)箱，培養(yǎng)24 h。培養(yǎng)完成后，將三角瓶取出，冷卻至室溫，使用雙層濾紙進(jìn)行過濾。吸取濾液3 mL置于50 mL容量瓶中，依次加入3 mL次氯酸鈉和4 mL苯酚鈉，充分搖勻。靜置20 min左右，試劑顯色之后，將樣品定容至50 mL。1 h內(nèi)以試劑空白為參比，在分光光度計(jì)578 nm處測定吸光度值。整體試驗(yàn)除無基質(zhì)對照外，另設(shè)一個無土樣對照。脲酶活性用mg/g表示。

式中，A土樣（mg）為從標(biāo)準(zhǔn)曲線查得的土樣中NH4+-N的毫克數(shù)；A無基質(zhì)（mg）為從標(biāo)準(zhǔn)曲線查得的無基質(zhì)對照中 NH4+-N的毫克數(shù)；A無土壤有基質(zhì)（mg）為從標(biāo)準(zhǔn)曲線查得的無土對照中NH4+-N的毫克數(shù)；M（g）為烘干土質(zhì)量；N為分取倍數(shù)，等于浸出液的體積除以吸取濾液的體積；V為顯色液體積（mL）。

1.6 數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SAS8.0軟件進(jìn)行方差分析與多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮肥形態(tài)及用量對拔節(jié)期小麥根際土壤脲酶活性的影響

由表2可知，未施肥對照組CK的脲酶活性以0～20 cm土層最高，且隨著土壤深度的增加呈逐漸降低趨勢（P＜0.05）；施肥明顯提高了絕大多數(shù)土層（A2N1和A2N2的0～20 cm土層除外）的土壤脲酶活性（P＜0.05），且以20～40 cm土層的脲酶活性最大，0～20 cm土層次之，40 cm以下，隨著土層加深，脲酶活性逐漸減小；同一N肥形態(tài)，隨施肥用量的增加，0～80 cm各層土壤土壤脲酶活性均有不同程度提高；3種氮肥，以酰胺態(tài)氮肥尿素處理的脲酶活性最高（P＜0.05）。土壤脲酶活性最高的處理是 A3N3（酰胺態(tài)氮（尿素）、純氮用量 225 kg/hm2），各層土壤脲酶活性分別為 1.19，1.43，0.98，0.70，0.28 mg/g。

表2 不同形態(tài)氮肥、不同施肥量對拔節(jié)期小麥根際土壤脲酶活性的影響 mg/g

通過SAS軟件ANOVA過程對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行3因素（氮肥形態(tài)A、氮肥用量B、土層深度C）互作方差分析，其結(jié)果列于表3。

表3 拔節(jié)期不同處理、不同土層根際土壤脲酶活性方差分析

從表3可以看出，3種氮肥形態(tài)之間、3個氮肥梯度之間、5個土層之間的差異均達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），試驗(yàn)總模型差異極顯著（P＜0.01），R2＝0.998 6，說明本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。從表3還可以看出，A×B，A×C，B×C兩兩因素互作對小麥根際土壤脲酶活性的影響差異亦達(dá)到了極顯著水平（P＜0.01）。

進(jìn)一步對拔節(jié)期土壤脲酶活性在不同氮肥形態(tài)、不同純N用量、不同土層之間分別進(jìn)行多重比較分析結(jié)果如表4所示，不同氮肥形態(tài)的酶活性大小為酰胺態(tài)氮＞銨態(tài)氮＞硝態(tài)氮＞未施肥；隨著氮肥施用量的增加，土壤脲酶活性有了顯著性提高（P＜0.05）。脲酶活性在土層間的垂直分布，平均以20～40 cm最高，其次是0～20 cm，40 cm以下逐漸遞減。

表4 拔節(jié)期不同處理、不同土層根際土壤脲酶活性多重比較

2.2 不同氮肥形態(tài)及用量對成熟期小麥根際土壤脲酶活性的影響

從表5可以看出，對照組CK的脲酶活性在0～20 cm土層最高，且隨著土層深度增加呈下降趨勢（P＜0.05）；施肥明顯提高了絕大多數(shù)土層（A2肥料的0～20，60～80 cm土層除外）的脲酶活性（P＜0.05），且施肥后20～40 cm土層的脲酶活性最大，0～20 cm土層次之，40～100 cm隨著土層加深脲酶活性逐漸減小。

3種氮肥，仍以酰胺態(tài)氮處理的脲酶活性最高（P＜0.05），且以 A3N3（酰胺態(tài)氮（尿素）、純氮用量225 kg/hm2）的土壤脲酶活性最高，各土層依次為1.00，1.14，0.81，0.47，0.24 mg/g。

通過SAS軟件ANOVA過程對表5數(shù)據(jù)進(jìn)行3因素（氮肥形態(tài)A、純氮用量B、取土層次C）互作方差分析，其結(jié)果列于表6。從表6可以看出，3種氮肥形態(tài)之間、3個氮肥梯度之間、5個土層之間的差異均達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），試驗(yàn)總模型差異極顯著（P＜0.01），R2=0.994 6，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠。從表6同樣得出成熟期A×B，A×C，B×C兩兩因素互作對小麥根際土壤脲酶活性的影響差異達(dá)到了極顯著水平（P＜0.01）。

進(jìn)一步對成熟期土壤脲酶活性在不同氮肥形態(tài)、不同純N用量、不同土層之間分別進(jìn)行多重比較分析（表7），結(jié)果表明，不同氮肥形態(tài)的酶活性差異顯著（P＜0.05），排序?yàn)闉轷０窇B(tài)氮＞銨態(tài)氮＞硝態(tài)氮＞未施肥；隨著氮肥施用量的增加，土壤脲酶活性顯著提高（P＜0.05）；土層之間，仍以20～40 cm最高，其次是0～20 cm，40 cm以下逐漸遞減。與拔節(jié)期結(jié)果類似。

表5 不同形態(tài)氮肥、不同施肥量對成熟期小麥根際土壤脲酶活性的影響 mg/g

表6 成熟期不同還田處理、不同土層根際土壤脲酶活性方差分析

表7 成熟期不同處理、不同土層根際土壤脲酶活性多重比較

2.3 拔節(jié)期與成熟期脲酶活性比較

將拔節(jié)期數(shù)據(jù)和成熟期數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算（成熟期-拔節(jié)期）/拔節(jié)期×100%，結(jié)果如表8所示。結(jié)合表2，5，8可以看出，隨生長發(fā)育從拔節(jié)期生長高峰到成熟期，所有處理的土壤脲酶活性均不同程度的降低；未施肥對照組CK在拔節(jié)期和成熟期2個時期的土壤脲酶活性整體較低，不同土層的降低幅度亦較少，介于2.13%～9.90%，且以20～80 cm土層降低最多；與CK相比，所有施肥處理的土壤脲酶活性總體較高，但40～100 cm土層的土壤脲酶活性均比CK處理降低幅度大，而0～40 cm耕層土壤的脲酶活性降低幅度在不同處理之間存在差異，其中，20～40 cm土層，銨態(tài)氮肥A1和硝態(tài)氮肥A2降低較少（不及CK）；0～20 cm土層，A2N3，A1N1 和A1N2的降低幅度高于CK；而酰胺態(tài)氮肥A3在各土層的降低幅度均較大。說明尿素對促進(jìn)土壤脲酶活性的效率高且快，但純N用量仍需進(jìn)一步研究。

表8 成熟期相對拔節(jié)期脲酶活性降低的百分比

3 討論

3.1 基施氮肥形態(tài)對小麥根際土壤脲酶活性的影響

馬宗斌等[11]研究了不同氮肥形態(tài)對小麥土壤根際微生物和脲酶活性的影響，結(jié)果表明，小麥根際土壤脲酶對酰胺態(tài)氮最為敏感，其活性顯著高于銨態(tài)氮處理和硝態(tài)氮處理，而銨態(tài)氮和硝態(tài)氮處理之間沒有顯著差異。嚴(yán)君等[12]研究結(jié)果表明，大豆根際脲酶活性以銨態(tài)氮處理較高。而本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，酰胺態(tài)氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮對小麥土壤根際脲酶活性的影響差異顯著，表現(xiàn)為酰胺態(tài)氮＞銨態(tài)氮＞硝態(tài)氮。究其原因，一方面可能與作物種類有關(guān)，比如大豆是固氮作物，易吸收固定銨態(tài)氮，而銨態(tài)氮在堿性環(huán)境中易轉(zhuǎn)化為氨，從而被吸收固定，進(jìn)一步提高了土壤脲酶活性，小麥?zhǔn)遣荒弯@作物，但可能更易吸收酰胺態(tài)氮。另一方面，可能與3種氮肥的化學(xué)特征有關(guān)，銨態(tài)氮（NH4+）為正電荷，易被土壤膠體（負(fù)電荷）吸附固定，不易隨水（雨水、漫灌等）流失，在土壤中，銨態(tài)氮可以直接以銨離子形式被植物吸收，也可以氧化成硝酸鹽，再以硝酸根（NO3-）形式被植物吸收，在堿性環(huán)境中，銨離子易轉(zhuǎn)化成氨氣而被揮發(fā)；硝態(tài)氮（NO3-）是負(fù)電荷，不能被土壤膠體所吸附，但易溶于水，在土壤中移動較快，容易隨水流失，硝態(tài)氮可以提供即時的氮源被作物快速吸收[13]，也容易通過反硝化作用還原成氣體狀態(tài)（NO，N2O，N2），從土壤中逸失；酰胺態(tài)氮尿素（CO（NH2）2）屬于有機(jī)氮肥，在土壤中經(jīng)脲酶水解成碳酸銨或碳酸氫銨后，才能被作物吸收利用。作為催化反應(yīng)基質(zhì)（底物），尿素含量越高，脲酶活性也越高。本試驗(yàn)中，供試土壤為堿性褐土，部分銨態(tài)氮可能隨氨氣揮發(fā)而損失；部分硝態(tài)氮可能通過反硝化作用還原成氣體狀態(tài)從土壤中逸失；更為關(guān)鍵的原因是這2種氮肥本身不是脲酶催化反應(yīng)的底物；另外，本試驗(yàn)為根管試驗(yàn)，土體局限性可能造成澆水引起硝態(tài)氮隨水下滲，銨態(tài)氮則不易隨水流失。因此，綜合而言，3種氮肥中，就對小麥根際土壤脲酶活性的促進(jìn)作用而言，酰胺態(tài)氮＞銨態(tài)氮＞硝態(tài)氮。目前，生產(chǎn)上為提高作物產(chǎn)量水平多選擇NPK復(fù)合肥，其中的N多為硝態(tài)氮，本研究認(rèn)為，從提高土壤脲酶活性的角度出發(fā)，是否可以考慮將酰胺態(tài)氮作為N形態(tài)制作NPK復(fù)合肥。

3.2 基施氮肥用量對小麥根際土壤脲酶活性的影響

楊保平等[14]研究表明，當(dāng)?shù)适褂昧吭?～220.8 kg/hm2時，在同一生育期內(nèi)，土壤脲酶活性隨著施氮量的增加而增加。這與本研究所得的結(jié)論相一致，在本研究中，3種施肥處理的脲酶活性均在施氮量為225 kg/hm2時達(dá)到了最大，且在施氮量增加的同時，脲酶活性顯著增加。這是由于適量地增加氮肥能夠起到對土壤養(yǎng)分狀況的改善，使作物根系分泌出更多的相關(guān)酶吸收氮素，用以保證作物生長，同時還會促進(jìn)土壤微生物的繁殖,最終提高土壤酶活性[15]。但是，由于本試驗(yàn)的局限性，設(shè)置施用梯度較少，未能得出氮肥最佳施用量，還有待進(jìn)一步研究。

3.3 不同生育時期土壤脲酶活性的變化

根據(jù)羅來超等[16]的研究，拔節(jié)期和灌漿期是土壤脲酶活性的2個高峰，其余時期沒有明顯規(guī)律。本研究亦表明，與成熟期相比，拔節(jié)期的土壤脲酶活性較高；從拔節(jié)期到成熟期土壤脲酶活性不同程度下降，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮處理在0～40 cm土層下降較慢，分別為7%和5.7%；酰胺態(tài)氮處理則下降最快，高達(dá)20%。這與熊淑萍等[17]的研究結(jié)論相一致。同時也說明酰胺態(tài)氮對于提高土壤脲酶活性的作用體現(xiàn)在增加脲酶催化反應(yīng)的底物，成熟期隨小麥根系衰老，吸收能力減弱，催化反應(yīng)的產(chǎn)物碳酸銨或碳酸氫銨累積，反過來抑制了脲酶活性，這種促進(jìn)或抑制作用是直接而明顯的，因而2個時期相比差異較大；相對而言，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮都以無機(jī)離子形式直接被小麥吸收利用，拔節(jié)期小麥生長迅速，根系吸收能力強(qiáng)，根系分泌能力也強(qiáng)，間接地促進(jìn)了脲酶活性提高，成熟期根系衰老，吸收作用減弱，其分泌作用亦弱，也間接地影響了脲酶活性。因此，2個時期相比差異相對較小。

3.4 不同土層深度脲酶活性的垂直分布變化

姬興杰等[18]的研究表明，將基肥施入20 cm耕層中，各個時期小麥根際土壤脲酶均在0～20 cm活性最大，然后逐層遞減。本試驗(yàn)中，選擇在20～40 cm土層進(jìn)行施肥，則施肥土層20～40 cm脲酶活性最大，0～20 cm次之，40～100 cm逐層遞減；這主要是由于隨著土層的加深，土壤的溫度、濕度以及微生物的含量都下降的原因[19]。與空白對照相比，施肥處理在各個土層（個別處理的0～20 cm土層除外）的脲酶活性在整體趨勢上均要高于空白不施肥對照。說明施肥是提高脲酶活性的良好措施，且肥料施在哪個土層，哪個土層的脲酶活性就高。

4 結(jié)論

小麥根際土壤脲酶含量受到氮肥形態(tài)和氮肥使用量的影響很大。本研究表明，不同氮肥形態(tài)下小麥根際土壤脲酶活性受到顯著影響，影響排序?yàn)轷０窇B(tài)氮＞銨態(tài)氮＞硝態(tài)氮。同一生育時期，氮肥施用量從不施肥（CK）到高量施氮（N3）225 kg/hm2，土壤脲酶活性均呈現(xiàn)從低到高的顯著增長趨勢。同一氮肥處理，從拔節(jié)期到成熟期，土壤脲酶活性降低，以酰胺態(tài)氮降低幅度最大。施肥在20～40 cm土層，使20～40 cm土層脲酶活性更高，其次是0～20 cm，40 cm以下遞減。當(dāng)施肥種類為酰胺態(tài)氮、施氮量為225 kg/hm2時，0～100 cm土層脲酶活性在所有處理中最大。