北疆春小麥-青貯玉米優(yōu)化施氮量配置下土壤微生物對(duì)后茬不同施氮頻次的響應(yīng)

楊 燕，朱金成，于泳鑫，王江麗

（石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000）

0 引言

作物產(chǎn)量的形成受多方面因素的影響，包括作物品種、施肥、灌溉等。民間諺語有云：“莊稼一枝花，全靠肥當(dāng)家”。其中，氮素為作物生長發(fā)育所需大量營養(yǎng)元素之一，而氮肥施用量、施氮水平、氮素類型等，都會(huì)不同程度的影響氮素施用的效果。因此，氮肥施用對(duì)作物生長、產(chǎn)量、氮素利用率、土壤肥力等因素的影響一直是氮素效應(yīng)研究的重點(diǎn)。當(dāng)前農(nóng)田氮肥不合理施用以及環(huán)境污染日益嚴(yán)重的現(xiàn)狀，使人們?nèi)找嬲J(rèn)識(shí)到適宜施氮是化解作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和環(huán)境破壞之間矛盾的有效手段[1]。

土壤酶是土壤中具有生物催化功能的一些特殊蛋白質(zhì)類化合物的總稱，是數(shù)量極微而作用極大的土壤組成部分。土壤酶活性可作為判斷土壤生物化學(xué)過程強(qiáng)度及評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)之一[2]。土壤酶參與土壤中各種生物化學(xué)過程，土壤微生物、土壤理化性質(zhì)、農(nóng)業(yè)種植模式等都對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生一定的影響[3]。土壤脲酶在土壤中起到促進(jìn)氮轉(zhuǎn)化的作用，土壤過氧化氫酶能有效分解土壤有機(jī)質(zhì)，在土壤酶的作用下植物可利用的營養(yǎng)元素被釋放出來，從而促進(jìn)作物的生長發(fā)育。其中土壤酶最主要的來源是通過土壤中微生物的活動(dòng)[4]，Taylor 等[5]研究表明，土壤酶活性和細(xì)菌數(shù)量、有機(jī)質(zhì)含量有一定關(guān)系。土壤酶的垂直分布與水平分布均有一定規(guī)律性：在垂直方向上土壤酶的活性隨土壤層次加深而減弱，在水平方向上，根際內(nèi)酶的活性大于根際外酶的活性[6-7]。

目前關(guān)于施肥處理及耕作方式對(duì)土壤中脲酶、過氧化氫酶等酶活性的研究較多，但施氮頻次對(duì)土壤中過氧化氫酶、脲酶活性的影響研究較少，尤其是復(fù)種體系中前后茬施氮優(yōu)化配置下的施氮頻次對(duì)土壤酶活性、土壤微生物多樣性等的影響研究更少，因此本試驗(yàn)在北疆地區(qū)滴灌春小麥－青貯玉米種植模式前后茬最優(yōu)施氮量配置基礎(chǔ)上，通過在后茬作物滴灌青貯玉米中設(shè)置不同氮素施用頻次處理，研究其對(duì)土壤酶活性、土壤微生物多樣性及作物產(chǎn)量的影響，以探究該復(fù)播體系最優(yōu)施氮量條件下后茬玉米最適施氮頻次及作物高產(chǎn)、氮素高效利用的機(jī)理，為促進(jìn)北疆地區(qū)滴灌小麥-青貯玉米模式的推廣利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)于2018年在新疆天業(yè)農(nóng)業(yè)高新技術(shù)有限公司試驗(yàn)場(chǎng)開展，試驗(yàn)地點(diǎn)位于44°19′26″N，85°59′47″E，土壤質(zhì)地為中壤土，有機(jī)質(zhì)含量為18.1mg·kg-1，全氮為1.23g·kg-1，速效磷為38.4mg·kg-1，速效鉀為242.6mg·kg-1，堿解氮為29.4mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)前茬春小麥品種選用寧春16號(hào)，采用優(yōu)化施氮方式（NW1：春小麥?zhǔn)┑?0kg·667m-2、施氮頻次5 次），設(shè)對(duì)照（NW0：春小麥不施氮），等行距15cm 種植。后茬青貯玉米品種為新飼玉13 號(hào)，在前茬基礎(chǔ)上設(shè)置最佳施氮量和對(duì)照（NC1：青貯玉米施氮10kg·667m-2、NC0：青貯玉米不施氮），3 個(gè)施氮頻次處理（TC1：后茬青貯玉米施氮4 次、TC2：后茬青貯玉米施氮3次、TC3：后茬青貯玉米施氮2次），每個(gè)處理4 次重復(fù)，共48 個(gè)小區(qū)。小區(qū)面積15m2，行距60cm，株距18.6cm。播種前基施磷酸二氫鉀9kg·667m-2。前茬氮肥20%基施，80%追施；后茬氮肥100%追施。追肥采用隨水滴施，具體施氮、滴灌時(shí)間和次數(shù)見表1～表4。其它管理同大田。

表1 滴灌小麥-青貯玉米施氮量（單位：kg·667m-2）Table 1 Nitrogen application amount of drip irrigated wheat-silage corn

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 土壤樣品采集

于2018 年8 月16 日（S1：后茬青貯玉米生長前期）、9月25日（S2：后茬青貯玉米生長中期）、10月15日（S3：后茬青貯玉米生長后期），均在施肥后3天內(nèi)取樣，共采樣3 次。各處理隨機(jī)采集3 株作物的根際土壤和非根際土壤，將植株根系從土壤中整體挖出，抖掉與根系松散結(jié)合的土體土，然后將與根系緊密結(jié)合的根表土刷下來作為根際土土樣，采用干冰泡沫盒包裝，快遞給測(cè)序公司，測(cè)定土壤微生物多樣性。非根際土壤取0～20cm 耕層土壤，剔除土壤樣品中石礫等雜物，混勻，四分之一法留取土樣，自然風(fēng)干后過1mm篩，放入-20℃冰箱冷凍保存，用于測(cè)定土壤酶活性。

1.3.2 測(cè)試方法

土壤過氧化氫酶活性測(cè)定采用高錳酸鉀滴定法，土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法[8]。

土壤微生物多樣性的測(cè)定：高通量測(cè)序技術(shù)[9]，送檢。

產(chǎn)量測(cè)定：收獲之前，在每個(gè)處理選取3 個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)調(diào)查2m距離的植株數(shù)，再于每個(gè)重復(fù)選取具有代表性的植株3 株，測(cè)定葉片數(shù)、株高、穗位高和單株鮮重，換算成單位面積青貯玉米產(chǎn)量，采用烘干法測(cè)定植株含水率。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

測(cè)定數(shù)據(jù)利用Microsoft Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和方差分析；采用Sigma Plot 12.5軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤酶活性對(duì)后茬施氮頻次的響應(yīng)

表2 前茬滴灌小麥?zhǔn)┑蚀螖?shù)和比例（單位：%）Table 2 Frequency and proportion of nitrogen applied to drip irrigated wheat

表3 后茬滴灌青貯玉米施氮追肥時(shí)間、次數(shù)和比例（單位：%）Table 3 Frequency，times and proportion of nitrogen applied to silage corn

表4 后茬青貯玉米各生育時(shí)期灌溉比例及灌溉量（單位：m3·667m-2）Table 4 Ratio and amount of irrigation water applied to silage corn in different stages

2.1.1 土壤過氧化氫酶活性對(duì)后茬施氮頻次的響應(yīng)

由圖1可以看出，不同施氮頻次處理下，后茬玉米不同時(shí)期根際與非根際土壤過氧化氫酶活性存在一定差異，根際土壤過氧化氫酶活性略高于非根際土壤，各生長階段相比較為：S1時(shí)期（8月16日）＞S2時(shí)期（9 月25 日）＞S3時(shí)期（10 月15 日），S3時(shí)期土壤酶活性降到最低，均在0.04mg·g-1·h左右。

對(duì)于根際土壤而言（a和b），前茬不施氮條件下（a），S1時(shí)期土壤過氧化氫酶活性隨施氮頻次減少而降低，且均低于對(duì)照，S2時(shí)期酶活性NW0NC1TC2＞NW0NC1TC1＞NW0NC1TC3＞CK，S3時(shí)期各處理酶活性降到最低；前茬施氮條件下（b），S1時(shí)期與S2時(shí)期土壤酶活性變化趨勢(shì)一致，酶活性都隨施氮頻次減少而升高，S1時(shí)期各處理間酶活性的差異略大于S2時(shí)期，S3時(shí)期各處理酶活性差異不大。

對(duì)于非根際土壤而言（c和d），前茬不施氮條件下（c），S1時(shí)期施氮頻次少的處理（NW0NC1TC3）過氧化氫酶活性高，施氮頻次多的處理（NW0NC1TC1、NW0NC1TC2）酶活性反而低，S2時(shí)期與S1時(shí)期酶活性變化趨勢(shì)相反，隨施氮頻次降低酶活性也降低，且都低于對(duì)照處理，S3時(shí)期酶活性差異變?。磺安缡┑獥l件下（d），S1時(shí)期施氮頻次少的處理（NW1NC1TC2、NW1NC1TC3）過氧化氫酶活性低，施氮頻次多的處理（NW1NC1TC1）酶活性較高，與前茬施氮變化趨勢(shì)相反，S2時(shí)期各處理比較為：NW1NC1TC3＞NW1NC1TC1＞NW1NC1TC2，NW1NC1TC1與CK酶活性差異較小，S3時(shí)期與S2時(shí)期酶活性變化趨勢(shì)相同，只是S3時(shí)期比S2時(shí)期酶活性低，且各處理之間差異減小。

2.1.2 土壤脲酶活性對(duì)后茬施氮頻次的響應(yīng)

圖1 不同施氮頻次對(duì)后茬土壤過氧化氫酶活性影響Figure 1 Effects of different N application frequencies on soil catalase activity in the following corn season

由圖2可知，后茬玉米不同施氮頻次處理下，土壤脲酶活性在各生長階段相比較為：S2時(shí)期＞S1時(shí)期＞S3 時(shí)期，總體來看，根際土壤脲酶活性在各時(shí)期略高于非根際土壤，且各時(shí)期土壤脲酶活性差異越來越顯著。

對(duì)于根際土而言（e 和f），前茬不施氮條件下（e），處理NW0NC1TC2土壤脲酶活性最低，CK、NW0NC1TC1和NW0NC1TC1均在17.00mg·g-1·h左右，差異不明顯，S2時(shí)期和S3時(shí)期土壤脲酶活性變化趨勢(shì)基本一致，都是隨著施氮頻次的減少，酶活性降低；前茬施氮條件下（f），S1時(shí)期各處理酶活性均在16.80mg·g-1·h左右，差異不顯著，S2時(shí)期各處理酶活性比較為：NW1NC1TC2＞NW1NC1TC1＞NW1NC1TC3，而S3時(shí)期各處理酶活性比較為：NW1NC1TC2＞NW1NC1TC3＞NW1NC1TC1，都是NW1NC1TC2處理酶活性最高，且與其他處理之間的差異性較大。

對(duì)于非根際土而言（g和h），前茬不施氮條件下（g），S1時(shí)期土壤脲酶活性隨施氮頻次的減少而降低，各處理之間差異性較小，S2時(shí)期各處理酶活性比較為：NW0NC1TC2＞NW0NC1TC1＞NW0NC1TC3，S3時(shí)期與S2時(shí)期變化趨勢(shì)相反，差異逐漸顯著；前茬施氮條件下（h），S1時(shí)期與S2時(shí)期土壤脲酶活性變化趨勢(shì)相同，均是NW1NC1TC1＞NW1NC1TC3＞NW1NCITC2，各處理的酶活性之間的差異性在S2時(shí)期更顯著，S3時(shí)期酶活性隨施氮頻次的減少而升高，NW1NC1TC3酶活性顯著高于其他處理13.00mg·g-1·h左右。

2.2 土壤細(xì)菌生物多樣性對(duì)后茬施氮頻次的響應(yīng)

圖2 不同施氮頻次對(duì)后茬土壤脲酶活性影響Figure 2 Effects of different N application frequencies on soil urease activity in the following corn season

土壤微生物多樣性指數(shù)在一定程度上可反映生物種群的豐富度及多樣性，ACE指數(shù)和Chao指數(shù)表征物種的豐富度，值越高表明細(xì)菌群落的物種豐富度越高，Shannon 指數(shù)表征細(xì)菌群落的多樣性程度。

由表5 可以看出，多樣性測(cè)序結(jié)果覆蓋指數(shù)均接近于1，說明測(cè)序深度已經(jīng)基本覆蓋到樣品中所有的物種，ACE指數(shù)差異性不顯著（P＞0.05），ACE指數(shù)與Chao指數(shù)均表現(xiàn)為NW0NC1TC2>NW0NC0＞NW0NC1TC1＞NW0NC1TC3和NW1NC0＞NW1NC1TC1＞NW1NC1TC3＞NW1NC1TC2，Shannon 指 數(shù) 表 現(xiàn) 為NW0NC1TC1＞NW0NC1TC3＞NW0NC0＞NW0NC1TC2和NW1NC1TC1＞NW1NC0＞NW1NC1TC2＞NW1NC1TC3，這說明，前茬是否施氮對(duì)后茬土壤微生物多樣性都有影響，氮肥的施用均降低了細(xì)菌的多樣性，但不一定會(huì)降低細(xì)菌的豐富度，并且施氮頻次最多的處理豐富度最高。

2.3 施氮頻次對(duì)后茬青貯玉米產(chǎn)量的影響分析

從表6 可以看出，后茬玉米葉片數(shù)均在10～11片之間，葉片數(shù)為11的占較大比例。前茬施氮處理與不施氮處理的株高、穗位高和產(chǎn)量都有較大差距。整體而言，前茬適量施氮條件下后茬青貯玉米產(chǎn)量高于前茬不施氮。在前茬不施氮條件下，隨著后茬施氮頻次的減少，產(chǎn)量逐漸增加，表現(xiàn)為NW0NC0＜NW0NC1TC1＜NW0NC1TC2＜NW0NC1TC3；而 在 前 茬施氮條件下，后茬施氮頻次最少的處理（NW1NC1TC3）產(chǎn)量最高。

3 討論

土壤酶活性會(huì)因?yàn)榉N植模式的不同而產(chǎn)生反應(yīng)，土壤酶活性也能更好地反映農(nóng)業(yè)種植模式對(duì)土壤環(huán)境的影響[10-13]，并且土壤酶與土壤的新陳代謝有著密切關(guān)系。有研究表明，根際土壤受到徑向系統(tǒng)的影響，根際代謝分泌的碳水化合物正是根際微生物的碳和能量來源，使根際土壤獲得足夠的有機(jī)物和營養(yǎng)物，從而增加根際土壤的微生物的生物量[14]。土壤酶活性的根際分布特征都是以根系作為中心，與非根際土壤相比，根際土壤酶活性有逐漸下降的趨勢(shì)[6，15]，作物根際土壤比非根際土壤酶活性更強(qiáng)[16-17]。有研究指出，施氮量過高或過低都會(huì)降低土壤酶活性[18]。在本研究中，各處理根際土壤過氧化氫酶活性和脲酶活性均高于非根際土壤，這是因?yàn)橹参锔捣置诹舜罅坑袡C(jī)物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)，供土壤中微生物的繁殖生活，從而促進(jìn)根際土壤之間的物質(zhì)交換[13]。

表5 不同施氮處理對(duì)土壤菌群多樣性指數(shù)的影響Table 5 Effects of different nitrogen application treatments on soil flora diversity index

表6 不同施氮頻次對(duì)后茬青貯玉米產(chǎn)量的影響Table 6 Effects of different n application frequency on the yield of silage maize in the later stubble

有研究表明分期施氮會(huì)降低玉米的產(chǎn)量[19-21]，在本試驗(yàn)中產(chǎn)量低可能原因：T1、T2處理施氮頻次較多，抑制土壤微生物的生長，從而影響土壤酶活性，使土壤肥力不足，導(dǎo)致后茬青貯玉米產(chǎn)量低。

4 結(jié)論

根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果可以看出，后茬青貯玉米施氮頻次與土壤酶活性、土壤微生物多樣性及產(chǎn)量有著密切關(guān)系。

（1）隨施氮頻次減少，前茬不施氮條件下，土壤過氧化氫酶活性逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，土壤脲酶活性逐漸降低，各處理之間差距越來越顯著；前茬施氮條件下，土壤過氧化氫酶活性逐漸升高，土壤脲酶活性呈先升后降的趨勢(shì)。

（2）前茬小麥?zhǔn)欠袷┑獙?duì)后茬青貯玉米的產(chǎn)量也有很大影響。后茬青貯玉米的產(chǎn)量隨施氮頻次的減少而增大，施氮頻次相同的處理在前茬小麥?zhǔn)┑獥l件下的產(chǎn)量更高。

（3）前茬是否施氮對(duì)后茬土壤微生物的多樣性、豐富度及均勻度都有一定的影響。前茬施氮能增加土壤微生物多樣性、豐富度。

綜合上述，本試驗(yàn)中NW1NC1T3處理下（后茬施氮2 次）的土壤酶活性較高，其對(duì)應(yīng)的產(chǎn)量最高，從產(chǎn)量角度來看，本試驗(yàn)條件下，后茬青貯玉米施氮2次為宜。