控施氮肥對(duì)馬鈴薯根際土壤微生物及酶活性的影響

崔 亮KRISTIINA Laanemets劉冠求TERJE T?htj?rvMATI Koppel萬(wàn) 博孟令文

(1.遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所,遼寧 沈陽(yáng) 110161; 2.愛(ài)沙尼亞作物研究所,愛(ài)沙尼亞 耶蓋瓦 48309)

馬鈴薯是我國(guó)重要的糧食作物,在保障國(guó)家糧食安全生產(chǎn)和脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)中發(fā)揮了重要的作用[1]。氮肥是馬鈴薯生長(zhǎng)過(guò)程中需求最大的礦質(zhì)元素,合理施用氮肥是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的有效措施之一[2～3]。近年來(lái),由于氮肥的過(guò)量施用,導(dǎo)致土壤酸化板結(jié)、土壤氮素淋溶等系列問(wèn)題日趨突出,對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和肥力產(chǎn)生嚴(yán)重影響[4～5]。土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性是衡量土壤質(zhì)量和土壤綜合肥力水平的重要指標(biāo),對(duì)外界環(huán)境因素引起的變化較敏感,易受肥料類型、施用量及栽培措施等因素的影響[6～7]。因此,開(kāi)展滴施控氮對(duì)馬鈴薯根際土壤微生物和土壤酶活性影響的研究對(duì)于揭示土壤微生物和土壤酶活性對(duì)氮肥的響應(yīng)機(jī)制,改進(jìn)施肥制度,提高土壤肥力和生產(chǎn)力,具有重要意義。

科學(xué)的肥料管理及耕作制度可以通過(guò)影響土壤微生物量、菌群結(jié)構(gòu)和土壤酶活性,進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分和作物產(chǎn)量。楊亞?wèn)|等研究表明,有機(jī)肥配施比例顯著改變了水稻土氨氧化古菌和氨氧化細(xì)菌的數(shù)量、多樣性和群落結(jié)構(gòu)[8]。李依韋等研究表明,不同施肥處理下,生物菌肥可顯著提高玉米根際菌群數(shù)量和多樣性,進(jìn)而提高土壤的養(yǎng)分和肥力[9]。賈健等研究發(fā)現(xiàn),在等氮條件下,有機(jī)無(wú)機(jī)配施有助于提高烤煙根際土壤微生物功能多樣性[10]。李延亮等在黃土旱塬壟膜溝播種植條件下,通過(guò)控施肥配施生物有機(jī)肥,有效提高了冬小麥產(chǎn)量和土壤微生物量[11]。谷巖等通過(guò)有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理,提高了大豆土壤微生物量、土壤脲酶和轉(zhuǎn)化酶活性[12]。陳曉光等通過(guò)施用銨態(tài)氮有利于提高甘薯土壤微生物量和生物量碳[13]。目前,圍繞施肥量、肥料種類、施肥方式和栽培措施對(duì)水稻、玉米、甘薯等作物土壤微生物數(shù)量、結(jié)構(gòu)和酶活性的影響的研究已有大量報(bào)道,但鮮見(jiàn)針對(duì)馬鈴薯土壤微生物和酶活性的研究報(bào)道。因此,本研究緊密圍繞馬鈴薯根際土壤微生物和酶活性對(duì)氮肥施用量的響應(yīng)特征,采用滴施控氮的施肥方式,研究氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤微生物和酶活性的影響,以期為馬鈴薯氮肥施用策略的制定提供科學(xué)依據(jù)和理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020年4～7月在遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)地(東經(jīng)123°56′,北緯41°83′)進(jìn)行,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候;土壤類型為沙壤土,土壤含有機(jī)質(zhì)23.7 g/kg,堿解氮94.6 mg/kg,有效磷19.8 mg/kg和速效鉀101.5 mg/kg。

1.2 供試材料

供試材料為遼寧省普推馬鈴薯品種遼薯6號(hào)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

大田試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),設(shè)置5個(gè)滴施氮肥量,分別為 0 kg/hm2(N1)、60 kg/hm2(N2)、105 kg/hm2(N3)、180 kg/hm2(N4),225 kg/hm2(N5)。各施肥處理分別在出苗后10 d、20 d、30 d、40 d、50 d進(jìn)行滴施追肥,每次施肥量為相應(yīng)處理的1/5。底肥施用氮磷鉀(15∶15∶15)復(fù)合肥750 kg/hm2。小區(qū)面積30 m2,重復(fù)3次,隨機(jī)區(qū)組排列,采用大壟雙行膜下滴灌種植模式,幅寬120 cm,大行距80 cm,小行距40 cm,株距20 cm,密度為8.25萬(wàn)株/hm2。于2020年4月8日播種,7月10日收獲,其他田間管理措施按照實(shí)際生產(chǎn)田進(jìn)行。

1.4 取樣方法與測(cè)定項(xiàng)目

1.4.1 取樣方法分別于馬鈴薯出苗后10 d、20 d、30 d、40 d、50 d進(jìn)行取樣,每小區(qū)選取5個(gè)樣點(diǎn),取樣點(diǎn)為“S”形分布。使用土鉆采集0～20 cm耕層土壤,每個(gè)樣品重復(fù)3次,土壤樣品混勻后四分法取樣,將土壤均勻分為2份,一份土壤用于土壤細(xì)菌、真菌和放線菌的測(cè)定,另一部分土壤室內(nèi)風(fēng)干過(guò)篩,用于土壤酶活性測(cè)定。

1.4.2 測(cè)定項(xiàng)目采用稀釋涂抹平板法對(duì)所獲得備用土樣進(jìn)行細(xì)菌、真菌和放線菌的培養(yǎng)和計(jì)數(shù)。土壤脲酶活性采用靛酚比色法測(cè)定,土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法,土壤過(guò)氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定,土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定[14]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SigmaPlot 10.0作圖,用SPSS 13.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤細(xì)菌數(shù)量的影響

從圖1可以看出,氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤細(xì)菌數(shù)量具有顯著(P＜0.05)影響。隨著施氮量的增加,處理間馬鈴薯根際土壤細(xì)菌數(shù)量呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì),且N3處理下馬鈴薯根際土壤細(xì)菌數(shù)量顯著高于其他處理。不同生育時(shí)期下馬鈴薯根際土壤細(xì)菌數(shù)量總體趨勢(shì)為:出苗后30 d＞出苗后40 d＞出苗后50 d＞出苗后20 d＞出苗后10 d,出苗后30 d達(dá)到峰值。

圖1 氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤細(xì)菌數(shù)量的影響Figure 1 Effect of nitrogen application rate on bacteria in rhizosphere soil of potato

2.2 氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤真菌數(shù)量的影響

從圖2可以看出,氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤真菌數(shù)量具有顯著(P＜0.05)影響。隨著施氮量的增加,處理間馬鈴薯根際土壤真菌數(shù)量呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì),且N4處理下馬鈴薯根際土壤真菌數(shù)量顯著高于其他處理。不同生育時(shí)期下馬鈴薯根際土壤真菌數(shù)量總體趨勢(shì)為:出苗后10 d＞出苗后20 d＞出苗后30 d＞出苗后40 d＞出苗后50 d,出苗后10 d達(dá)到峰值。

圖2 氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤真菌數(shù)量的影響Figure 2 Effect of nitrogen application rate on fungi in rhizosphere soil of potato

2.3 氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤放線菌數(shù)量的影響

從圖3可以看出,氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤放線菌數(shù)量具有顯著(P＜0.05)影響。隨著施氮量的增加,處理間馬鈴薯根際土壤放線菌數(shù)量呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì),且N3處理下馬鈴薯根際土壤放線菌數(shù)量顯著高于其他處理。不同生育時(shí)期下馬鈴薯根際土壤放線菌數(shù)量總體趨勢(shì)為:出苗后40 d＞出苗后30 d＞出苗后20 d＞出苗后10 d＞出苗后50 d,出苗后40 d達(dá)到峰值。

圖3 氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤放線菌數(shù)量的影響Figure 3 Effect of nitrogen application rate on actinomycetes in rhizosphere soil of potato

2.4 氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤脲酶活性的影響

從圖4可以看出,氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤脲酶活性具有顯著(P＜0.05)影響。隨著施氮量的增加,處理間馬鈴薯根際土壤脲酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì),且N3處理下馬鈴薯根際土壤脲酶活性顯著高于其他處理。不同生育時(shí)期下馬鈴薯根際土壤脲酶活性總體趨勢(shì)為:出苗后40 d＞出苗后50 d＞出苗后30 d＞出苗后20 d＞出苗后10 d,出苗后40 d達(dá)到峰值。

圖4 氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤脲酶活性的影響Figure 4 Effect of nitrogen application rate on soil urease activity in rhizosphere soil of potato

2.5 氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤蔗糖酶活性的影響

從圖5可以看出,氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤蔗糖酶活性具有顯著(P＜0.05)影響。隨著施氮量的增加,處理間馬鈴薯根際土壤蔗糖酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì),且N3處理下馬鈴薯根際土壤蔗糖酶活性顯著高于其他處理。不同生育時(shí)期下馬鈴薯根際土壤蔗糖酶活性總體趨勢(shì)為:出苗后40 d＞出苗后30 d＞出苗后50 d＞出苗后20 d＞出苗后10 d,出苗后40 d達(dá)到峰值。

圖5 氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤蔗糖酶活性的影響Figure 5 Effect of nitrogen application rate on soil urease activity in rhizosphere soil of potato

2.6 氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤磷酸酶活性的影響

從圖6可以看出,氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤磷酸酶活性具有顯著(P＜0.05)影響。隨著施氮量的增加,處理間馬鈴薯根際土壤磷酸酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì),且N3處理下馬鈴薯根際土壤磷酸酶活性顯著高于其他處理。不同生育時(shí)期下馬鈴薯根際土壤磷酸酶活性總體趨勢(shì)為:出苗后20 d＞出苗后10 d＞出苗后30 d＞出苗后50 d＞出苗后40 d,出苗后20 d達(dá)到峰值。

圖6 氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤磷酸酶活性的影響Figure 6 Effect of nitrogen application rate on soil neutral phosphatase activity in rhizosphere soil of potato

2.7 氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤過(guò)氧化氫酶活性的影響

從圖7可以看出,氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤過(guò)氧化氫酶活性具有顯著(P＜0.05)影響。隨著施氮量的增加,處理間馬鈴薯根際土壤過(guò)氧化氫酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì),且N3處理下馬鈴薯根際土壤過(guò)氧化氫酶活性顯著高于其他處理。不同生育時(shí)期下馬鈴薯根際土壤過(guò)氧化氫酶活性總體趨勢(shì)為:出苗后40 d＞出苗后50 d＞出苗后30 d＞出苗后20 d＞出苗后10 d,出苗后40 d 達(dá)到峰值。

圖7 氮肥施用量對(duì)馬鈴薯根際土壤過(guò)氧化氫酶活性的影響Figure 7 Effect of nitrogen application rate on soil catalase activity in rhizosphere soil of potato

3 結(jié)論與討論

土壤微生物是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的動(dòng)力,它們參與土壤有機(jī)質(zhì)分解、腐殖質(zhì)合成,并受肥料用量、施肥方式、種植模式等系列因素的綜合影響[15～16]。馬冬云等研究結(jié)果表明,施用氮肥能夠有效調(diào)節(jié)根際微生物區(qū)系,小麥根際微生物總量、細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量隨著尿素施用量的增加呈先增加后下降的趨勢(shì)[17]。本研究表明,馬鈴薯根際土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量均隨著施氮水平的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),其中N3處理下細(xì)菌和放線菌數(shù)量顯著高于真菌數(shù)量,這與前人的研究結(jié)果一致[18]。本試驗(yàn)條件下,施氮量為105 kg/hm2時(shí)顯著增加了馬鈴薯根際土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量,并抑制真菌數(shù)量的增加,這可能是由于適宜的施氮量可以為土壤微生物提供充足的養(yǎng)分,促進(jìn)根系分泌物的增加,為微生物的繁殖生存提供了豐富的碳源,進(jìn)而優(yōu)化了土壤微生物類群的數(shù)量和結(jié)構(gòu)。

土壤酶活性是維持土壤肥力的潛在指標(biāo),土壤酶活性的強(qiáng)弱受施肥等栽培措施影響[19～20]。前人研究表明,適宜施氮水平有利于土壤酶活性的提高[21～22]。研究表明,施氮處理下土壤酶活性顯著高于不施氮處理,且隨著施氮量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),同時(shí),N3處理下馬鈴薯根際土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和過(guò)氧化氫酶活性均顯著高于其他處理,與前人研究結(jié)果一致[23～24],這說(shuō)明適宜氮肥施用量能顯著促進(jìn)馬鈴薯根系的生長(zhǎng),并改善土壤微生物環(huán)境,進(jìn)而提高根際土壤酶活。葉協(xié)鋒等研究發(fā)現(xiàn),小麥不同生育階段,土壤酶活性與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性不同[25]。本試驗(yàn)條件下,馬鈴薯根際土壤酶活性的峰值出現(xiàn)在不同生育階段,可能是由于馬鈴薯不同生育階段下根際土壤酶活性對(duì)氮肥施用量響應(yīng)差異造成的。

適宜的氮肥施用量可有效調(diào)控馬鈴薯根際土壤菌群數(shù)量和結(jié)構(gòu),提高土壤脲酶、蔗糖酶、磷酸酶和過(guò)氧化氫酶的活性。本文通過(guò)采用滴施控氮的施肥方式顯著提高了馬鈴薯根際土壤細(xì)菌和放線菌的數(shù)量,抑制真菌數(shù)量,保障了馬鈴薯根際土壤微生態(tài)的穩(wěn)定性,為制定合理的氮肥施用策略提供參考。