水肥管理對(duì)設(shè)施黑土茄子土壤硝酸還原酶活性的影響

侯 萌，李思聰，陳一民，焦曉光，隋躍宇

(1.中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150081；2.黑龍江大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

設(shè)施栽培已經(jīng)成為抵御自然災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)淡季高效栽培的重要手段，近年來(lái)種植面積不斷增加[1]。設(shè)施菜田種植體系中高氮素投入和高灌溉量的管理模式會(huì)顯著影響土壤氮素的反硝化過(guò)程，導(dǎo)致氮素流失和溫室氣體排放等問(wèn)題[2]。硝酸還原酶(NR)催化反硝化作用的第一階段，是具有催化能力的生物活性物質(zhì)，在一定條件下限制著反硝化速率[3-4]。因此，研究硝酸還原酶的活性對(duì)于合理施肥、減少氮損失有重要意義。

土壤硝酸還原酶活性受施肥模式、土壤理化性質(zhì)及環(huán)境因子等影響。楊海濱等[5]研究表明，有機(jī)肥配施尿素顯著增加了茶園土壤硝酸還原酶活性；聶兆君等[6]通過(guò)氮鋅肥料配施降低了冬小麥生育后期土壤硝酸還原酶活性。邢肖毅等[7]進(jìn)一步指出，有機(jī)質(zhì)和pH是影響黑土區(qū)反硝化過(guò)程的重要因素，且硝酸還原酶活性隨有機(jī)質(zhì)升高而增強(qiáng)，隨pH降低而減弱[8]。已有研究證明，油菜中硝態(tài)氮積累量多，則葉片中的硝酸還原酶活性高[9]。但這些研究都集中在大田中，對(duì)設(shè)施菜田土壤硝酸還原酶活性相關(guān)內(nèi)容卻鮮有報(bào)道。本文以此為切入點(diǎn)，對(duì)設(shè)施黑土菜田硝酸還原酶活性影響展開研究。以“設(shè)施黑土菜田田間定位試驗(yàn)”為試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)常規(guī)水肥，減肥，減水處理對(duì)0～60 cm土層土壤硝酸還原酶活性和硝態(tài)氮含量影響進(jìn)行分析，探究減水和減肥條件下土壤硝酸還原酶活性和土壤硝態(tài)氮含量的變化，旨在揭示設(shè)施菜田黑土氮素在不同水肥管理下遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理，對(duì)減少設(shè)施菜田黑土氮素?fù)p失，提高化肥利用效率，減少對(duì)環(huán)境污染，確定合理水肥方式提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)地位于黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝分院的蔬菜大棚(45°37.83′N，126°39.05′E)，海拔173.1 m，設(shè)施大棚面積為324 m2(27 m×12 m)。土壤類型為草甸黑土，試驗(yàn)前測(cè)得耕層土壤基本理化性質(zhì)為有機(jī)碳20.0 g·kg-1，全氮1.83 g·kg-1，全磷1.27 g·kg-1，pH 6.73，容重1.20 g·cm-3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理，分別為(1)常規(guī)水肥處理(WF)；(2)80%常規(guī)化肥+常規(guī)水處理(W80%F)；(3)80%常規(guī)水+常規(guī)化肥(80%WF)，3次重復(fù)，隨機(jī)排列。

所有處理均施用顆粒有機(jī)肥5 000 kg·hm-2(有機(jī)質(zhì)含量為40%)，不同處理的具體施肥量、追肥量和灌溉量分別見表1和表2，其中氮肥為尿素，磷肥為過(guò)磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。小區(qū)面積為18 m2(6 m長(zhǎng)×3 m寬)。設(shè)施菜田種植方式為茄子連作，供試茄子品種為龍雜201，栽種模式為大壟雙行，種植密度為4株·m-2。試驗(yàn)區(qū)采用條施的方式施用基肥，采用穴施方式的進(jìn)行追肥；灌溉方式為滴灌，人工進(jìn)行田間管理。

表1 生育期內(nèi)不同處理具體施肥量Table 1 Fertilizations in different treatments during the eggplant growth period

表2 生育期內(nèi)不同處理具體灌溉量Table 2 Irrigations in different treatments during the eggplant growth period

1.3 土壤樣品采集

2019年于茄子生長(zhǎng)的苗期(5月26日)、初果期(6月21日)、盛果期(7月19日)和拉秧期(10月17日)，在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)，用土鉆采集0～20 cm，20～40 cm和40～60 cm土層土壤樣品，將每個(gè)小區(qū)每層的3個(gè)土壤樣品經(jīng)充分混合后裝于自封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室后置于4℃保存，用于土壤硝酸還原酶活性和硝態(tài)氮含量的測(cè)定。

1.4 測(cè)定方法

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

原始數(shù)據(jù)采用Excel 2019進(jìn)行整理，使用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和差異顯著性(α=0.05)檢驗(yàn)，使用SigmaPlot 12.5進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥管理設(shè)施菜田土壤硝酸還原酶活性變化特征

0～20 cm土層土壤硝酸還原酶活性隨茄子生育期延長(zhǎng)呈現(xiàn)表現(xiàn)為降-升-降的變化趨勢(shì)，以盛果期最高，初果期最低(圖1)。與WF處理相比，80%WF處理和W80%F處理土壤硝酸還原酶活性在苗期分別顯著增加了130%和159%，在初果期顯著增加了113%和104%(P<0.05)。盛果期和拉秧期的不同水肥處理對(duì)硝酸還原酶活性影響不顯著(P>0.05)。

圖1 0～20 cm土層土壤硝酸還原酶活性的季節(jié)性變化Fig.1 Changes of soil nitrate reductase activities at 0～20 cm soil depth in different growth stages

盛果期土壤硝酸還原酶活性隨土壤深度增加呈下降的變化趨勢(shì)(圖2)。與WF處理相比，W80%F和80%WF處理均未顯著影響同一土層的土壤硝酸還原酶活性(P>0.05)。同一處理下，硝酸還原酶活性在40～60 cm土層與0～20 cm和20～40 cm土層差異顯著(P<0.05)，與WF相比，W80%F處理0～20 cm和40～60 cm土層土壤硝酸還原酶活性分別增加了22.0%和33.2%；而80%W處理20～40 cm和40～60 cm土層土壤硝酸還原酶活性分別降低了5.37%和23.7%。

注：不同大寫字母代表同一處理不同土層間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母代表同一土層不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note：Different capital letters indicate significant differences between different soil depths in the same treatment(P<0.05);different lowercase letters indicate significant differences among different treatments in the same soil depth(P<0.05).The same is as below.圖2 盛果期不同土層土壤硝酸還原酶活性變化特征Fig.2 Changes of soil nitrate reductase activities at different soil depths in full fruit period

2.2 水肥管理對(duì)設(shè)施菜田土壤硝態(tài)氮含量的變化

土壤硝態(tài)氮含量隨茄子生育期延長(zhǎng)呈現(xiàn)為先降低后增加的變化趨勢(shì)，在盛果期達(dá)到最低值(圖3)。與WF相比，W80%F處理土壤硝態(tài)氮含量在苗期和盛果期分別顯著降低了25.8%和31.6%(P<0.05)，在初果期和拉秧期分別降低了7.91%和20.2%；80%WF處理土壤硝態(tài)氮含量在初果期和盛果期顯著降低了69.6%和54.2%(P<0.05)，但是在苗期和拉秧期分別增加了9.49%和13.5%。

圖3 0～20 cm土層不同生育期土壤硝態(tài)氮含量變化特征Fig.3 Changes of soil nitrate nitrogen contents at 0～20 cm soil depth in different growth stages

盛果期土壤硝態(tài)氮含量隨土層深度增加的變化特征見圖4。三個(gè)處理土壤硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)為隨土層深度增加而降低，80%WF處理和W80%F處理硝態(tài)氮含量均顯著低于WF處理。同一處理，0～20 cm至20～40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量降低幅度較大，在61.9%～69.7%范圍之內(nèi)，20～40 cm至40～60 cm土層持續(xù)降低，幅度在27.2%～44.5%范圍之內(nèi)。同一土層不同處理硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為WF>W80%F>80%WF。與WF相比，W80%F處理0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層土壤硝態(tài)氮含量分別顯著降低了31.6%、20.2%和36.6%；80%WF處理各土層土壤硝態(tài)氮含量分別顯著降低了54.2%、42.3%和39.9%。

圖4 盛果期不同土層土壤硝態(tài)氮含量變化特征Fig.4 Characteristics of nitrate nitrogen contents at different soil depths in full fruit period

2.3 土壤硝酸還原酶活性與硝態(tài)氮含量的相關(guān)性分析

為了探究土壤硝酸還原酶活性與硝態(tài)氮含量之間的關(guān)系，將0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層土壤硝酸還原酶活性和硝態(tài)氮含量進(jìn)行相關(guān)分析(表3)。各土層硝酸還原酶活性和硝態(tài)氮含量的相關(guān)性不一致。0～20 cm土層硝酸還原酶活性與硝態(tài)氮含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性不顯著；20～40 cm硝酸還原酶活性與硝態(tài)氮含量呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性也不顯著；40～60 cm土層硝酸還原酶活性與硝態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。因此，在本研究中，40～60 cm土層土壤硝酸還原酶活性能夠反映土壤硝態(tài)氮含量變化。

表3 土壤硝酸還原酶活性與硝態(tài)氮含量相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between soil nitrate reductase activity and nitrate nitrogen

3 討 論

本研究中土壤硝酸還原酶活性隨土壤深度加深降低，在40 cm以下土層硝酸還原酶活性顯著降低，這與岳中輝等[12]研究發(fā)現(xiàn)的黑土土壤剖面中硝酸還原酶活性遞減變化規(guī)律一致。本研究發(fā)現(xiàn)，減水和減肥處理均沒有顯著影響0～20 cm和20～40 cm土層土壤硝酸還原酶活性，但是減肥處理顯著提高了40～60 cm土層土壤硝酸還原酶活性，減水處理降低該層硝酸還原酶活性。分析原因可能是：(1)所有處理的設(shè)施茄子種植過(guò)程在0～20 cm土層施入了較大量的有機(jī)肥，減水和減肥處理均沒有改變0～40 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量和可溶性碳氮含量[13]，因此，不能顯著影響硝酸還原酶活性；(2)與其他處理相比，減肥處理僅減少化肥施入而有機(jī)肥的施用量與其他處理相同，導(dǎo)致了土壤較低C/N比和充足的有機(jī)質(zhì)的存在[14]。已有研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)不僅是酶促底物的供源，還能作為有機(jī)載體保持土壤酶的活性和穩(wěn)定性[15]；(3)減水處理有效降低氮素的向下淋溶，從而降低硝酸還原酶活性。

王文鋒等[16]研究結(jié)果表明，土壤中的α-葡萄苷酶、β-葡萄苷酶和幾丁質(zhì)酶等多種酶活性在番茄生育期間總體上均呈先增后降的變化趨勢(shì)，均在番茄長(zhǎng)勢(shì)旺盛時(shí)土壤酶活性相對(duì)較高。本研究結(jié)果與其相似，土壤酶硝酸還原酶活性在茄子的生育時(shí)期內(nèi)表現(xiàn)出了顯著的季節(jié)性變化，在盛果期活性相對(duì)較高。值得注意的是，在土壤硝酸還原酶活性最高時(shí)，減水和減肥處理均沒有顯著影響土壤硝酸還原酶活性?？赡苁鞘⒐谇炎痈捣置谖飻?shù)量和種類都增多，根系分泌物中含有大量的土壤酶、糖類和氨基酸等，這些均是影響土壤酶活性的主要因素[17]。硝酸還原酶催化的反硝化作用是由微生物的驅(qū)動(dòng)[18]，不同水肥管理會(huì)如何影響反硝化細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)，影響硝酸還原酶活性還需要進(jìn)一步研究。

本研究中土壤硝態(tài)氮含量隨土層深度和季節(jié)性變化與杜春先等[19]研究一致，隨深度逐漸降低，隨生育期延長(zhǎng)也降低。水肥綜合調(diào)控中土壤硝態(tài)氮的含量，合理搭配施肥和灌溉能夠減少其在土壤中遷移淋失。在0～20 cm和20～40 cm土層土壤硝酸還原酶活性與硝態(tài)氮含量無(wú)顯著相關(guān)，在40～60 cm土層兩者呈顯著正相關(guān)關(guān)系，原因可能是0～20 cm和20～40 cm土層土壤不僅存在較高含量的硝態(tài)氮，而且減水減肥處理引起土壤pH、土壤含水量、土壤溫度和容重等多個(gè)土壤的理化性質(zhì)因素的改變，這些因素綜合影響硝酸還原酶活性[20]。在40～60 cm土層土壤硝態(tài)氮含量作為底物成為酶促反應(yīng)的限制因素，從而影響硝酸還原酶活性。

4 結(jié) 論

(1)設(shè)施茄子菜田土壤硝酸還原酶活性隨土層深度增加而降低。不同處理僅顯著影響40～60 cm土層硝酸還原酶活性：減肥處理顯著增加該土層土壤硝酸還原酶活性，而減水處理顯著降低該土層土壤硝酸還原酶活性。

(2)減水和減肥處理均增加了苗期和初果期內(nèi)土壤硝酸還原酶活性，但對(duì)盛果期和拉秧期硝酸還原酶活性增加不顯著，3種處理間硝酸還原酶活性隨深度和隨生育期變化趨勢(shì)均保持一致。

(3)設(shè)施菜田土壤硝態(tài)氮含量隨土層深度增加而降低，減水處理和減肥處理均顯著降低各土層土壤硝態(tài)氮的含量。減肥處理降低茄子生育期內(nèi)土壤硝態(tài)氮含量；減水處理增加苗期和拉秧期的土壤硝態(tài)氮含量，降低初果期和盛果期土壤硝態(tài)氮含量。

(4)40～60 cm土層中土壤硝酸還原酶活性與硝態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤硝酸還原酶活性充分反映硝態(tài)氮含量變化，可以作為表征設(shè)施菜田黑土氮淋溶的有效指標(biāo)。