不同水氮處理對(duì)馬鈴薯品質(zhì)及土壤脲酶活性的影響

胡朋成 尹娟 魏小東 王臣

摘要：針對(duì)寧夏中部干旱帶農(nóng)田馬鈴薯根際生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，研究水肥一體化條件下不同水氮處理對(duì)馬鈴薯品質(zhì)和土壤脲酶活性的影響。結(jié)果表明，不同水氮處理對(duì)0～20 cm土層土壤脲酶活性影響較大，其中灌水量為 1 500 m3/hm2，施氮量為210 kg/hm2的處理對(duì)土壤脲酶活性影響最大。低水條件下，隨著施氮量的增加，脲酶活性逐漸降低;中水和高水條件下，脲酶活性隨施氮量的增加而先升高后降低。施氮量一定時(shí)，脲酶活性隨灌水量的增加先升高后降低。其中，中水低氮、中水中氮、中水高氮處理有利于馬鈴薯生育期內(nèi)土壤脲酶活性的升高，中水低氮處理淀粉含量最高，高水高氮處理馬鈴薯維生素C含量最高。綜合考慮，中水中氮處理有利于提高馬鈴薯塊莖淀粉、維生素C含量，且此處理還原糖含量最低。在0～20 cm土層中，脲酶活性與馬鈴薯塊莖維生素C含量呈顯著正相關(guān)（P<005），與塊莖淀粉含量無(wú)顯著相關(guān)性，較高的脲酶活性有利于提高馬鈴薯塊莖維生素C含量。

關(guān)鍵詞：水氮處理;土壤脲酶活性;馬鈴薯品質(zhì);淀粉;還原糖;維生素C

中圖分類(lèi)號(hào)： S532.06;S532.07? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2022）06-0087-06

收稿日期：2021-06-30

基金項(xiàng)目：寧夏高等學(xué)校一流學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：NXYLXK2021A03）。

作者簡(jiǎn)介：胡朋成（1997—），男，四川廣安人，碩士研究生，從事水資源高效利用研究。E-mail：894431934@qq.com。

通信作者：尹 娟，博士，教授，從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)、水文及水資源、水資源高效利用研究。E-mail：yj7115@126.com。

在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，水肥對(duì)馬鈴薯品質(zhì)的影響較大，水分作為環(huán)境因素之一，對(duì)作物生長(zhǎng)有著重要影響，對(duì)促進(jìn)馬鈴薯生長(zhǎng)有很大作用，必須重視肥料的合理施用[1]。馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）為茄科茄屬1年生草本塊莖作物，既可用于食品加工業(yè)，又可作為糧菜兩用[2]。馬鈴薯是寧夏第一大農(nóng)作物，已經(jīng)有300多年的種植歷史，寧夏的馬鈴薯種植面積目前已經(jīng)超1.86億hm2，位居全國(guó)第11位[3]。土壤酶是土壤成分之一，具有很高的催化活性，是一種生物催化劑[4]。土壤酶活性的高低與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的強(qiáng)弱有著密切聯(lián)系，它為各種生化過(guò)程提供動(dòng)力，是維持土壤肥力的一個(gè)潛在指標(biāo)[5]，可以反映土壤的表觀(guān)肥力，而土壤肥力又對(duì)馬鈴薯塊莖品質(zhì)有著重要影響。土壤酶會(huì)對(duì)土壤微環(huán)境產(chǎn)生影響，且對(duì)植物的生長(zhǎng)有著更重要的影響，影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的土壤酶主要包括過(guò)氧化氫酶和脲酶等[6]。土壤酶活性的主要來(lái)源有2個(gè)方面，一是在土壤中不斷積累，二是土壤中微生物在繁殖過(guò)程中釋放[7]。

羅慧等的研究表明，通過(guò)采用合理的灌水措施，能夠有效提高土壤酶活性[8];熊湖等的研究表明，存在于土壤中的脲酶活性，會(huì)受到酚酸的抑制作用，采取施用液態(tài)有機(jī)肥的方法，可以有效減輕這種抑制作用[9]。寧夏回族自治區(qū)同心縣馬鈴薯主要種植區(qū)域位于下馬關(guān)鎮(zhèn)、預(yù)旺鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，品種主要是青薯9號(hào)[10]。同心縣已經(jīng)大面積覆蓋馬鈴薯種植，但大部分農(nóng)戶(hù)種植馬鈴薯都是通過(guò)自然生長(zhǎng)，通過(guò)人為灌水施肥策略干預(yù)馬鈴薯生長(zhǎng)的幾乎沒(méi)有，進(jìn)行馬鈴薯水肥管理模式的探究對(duì)當(dāng)?shù)伛R鈴薯生產(chǎn)具有重要意義。

本試驗(yàn)通過(guò)研究不同水氮處理對(duì)土壤脲酶活性及馬鈴薯品質(zhì)的影響，旨在摸清在寧夏中部干旱帶水肥一體化條件下馬鈴薯品質(zhì)及土壤脲酶活性隨水氮變化的規(guī)律，優(yōu)選出最佳水肥管理模式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2019 年5月在同心縣下馬關(guān)鎮(zhèn)進(jìn)行大田試驗(yàn)。馬鈴薯供試品種為青薯9號(hào)，該品種有耐旱、耐寒、塊莖抗環(huán)腐病等諸多優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)試驗(yàn)地氣候且在當(dāng)?shù)赜休^大種植面積。試驗(yàn)區(qū)海拔1 730～1 950 m，位于寧夏中部干旱帶，多年平均降水量在260 mm 左右，大多集中在 7、8、9月這3個(gè)月，屬于大陸性干旱氣候，干旱少雨，紫外線(xiàn)強(qiáng)，光照充足，蒸發(fā)大，蒸發(fā)量在2 325 mm以上。夏秋短，春冬長(zhǎng)，四季分明[11]。試驗(yàn)地土壤以黑壚土和灰鈣土為主，主要特點(diǎn)是土質(zhì)疏松，土壤質(zhì)地較均勻且多孔，能有效保持土壤中的水分和肥料，富含鉀素，為試驗(yàn)地馬鈴薯植株提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境。

每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積為16 m2，長(zhǎng)5 m，寬3.2 m。馬鈴薯栽種方式為壟作，一膜兩行，膜寬1.2 m，行距、株距分別設(shè)置為60 、50 cm，種子埋深20 cm。種植馬鈴薯時(shí)，每行種植10株，每小區(qū)種植40株，種植密度33 345株/hm2。每個(gè)小區(qū)相互獨(dú)立，設(shè)有支管控制單元，水表、閘閥、壓力表、施肥罐各1個(gè)。

2019年預(yù)旺鎮(zhèn)試驗(yàn)田耕作層土壤理化性質(zhì)：pH值為8.19，有機(jī)質(zhì)含量為12.1 g/kg，速效鉀含量為133 mg/kg，全氮含量為0.69 g/kg，全磷含量為 0.77 g/kg，全鉀含量為20.4 g/kg，脲酶活性為 0.215 mg/（g·d）。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)灌水量和施氮量2個(gè)因素，灌水量設(shè)3個(gè)水平，分別為W1（低水，900 m3/hm2）、W2（中水，1 500 m3/hm2）、W3（高水，2 100 m3/hm2）;施氮量（純氮）設(shè)3個(gè)水平，分別為N1（低氮，120 kg/hm2）、N2（中氮，210 kg/hm2）、N3（高氮，300 kg/hm2），共9個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，同時(shí)設(shè)置空白對(duì)照CK（按照當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣，不覆膜且不灌水施肥），共28個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，采用兩因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。試驗(yàn)中磷肥、鉀肥為純磷、純鉀，選定的施肥量為825、150 kg/hm2，磷肥以基肥的形式施入（一次性底施）。施用肥料選用尿素（氮含量46%）、過(guò)磷酸鈣（磷含量12%）、硫酸鉀（鉀含量50%）。鉀肥和氮肥采用水肥一體化的方式施加，目的是為了保證馬鈴薯的正常生長(zhǎng)（表1）。

1.3 取樣測(cè)定及分析方法

1.3.1 土壤脲酶活性測(cè)定 在全生育期每個(gè)小區(qū)內(nèi)用土鉆隨機(jī)分層（0～20、20～40、40～60 cm）取土，將待測(cè)土裝于塑封袋封閉保存，采用靛酚比色法測(cè)定土壤脲酶活性。

1.3.2 馬鈴薯塊莖品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定 馬鈴薯塊莖品質(zhì)性狀有淀粉含量、還原糖含量、維生素C含量3個(gè)指標(biāo)。測(cè)定方法如下：淀粉含量采用用碘比色法測(cè)定;維生素C含量采用2， 6-二氯靛酚滴定法 （mg/100 g） 測(cè)定;還原糖含量采用比色法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均采用Excel 2019和DPS v 9.01數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下0～20 cm土壤脲酶活性的變化規(guī)律

土壤脲酶活性可以反映表土壤的肥沃程度，在土壤氮素轉(zhuǎn)化時(shí)，脲酶是關(guān)鍵酶。土壤酶有專(zhuān)一性和綜合性的特點(diǎn)，它參與土壤中各種生物化學(xué)過(guò)程，環(huán)境的生物、物理和化學(xué)特性容易對(duì)土壤酶產(chǎn)生影響，土壤狀況在一定程度上可以由土壤酶來(lái)反映，在土壤生態(tài)系統(tǒng)變化時(shí)，土壤酶能夠發(fā)揮預(yù)警作用，且可以作為敏感指標(biāo)[12-13]。脲酶主要是對(duì)尿素產(chǎn)生作用，催化尿素水解為氨和二氧化碳，土壤無(wú)機(jī)氮的供應(yīng)能力可通過(guò)脲酶活性反映[14-15]。

圖1-a、圖1-b、圖1-c分別表示低水（灌水量900 m3/hm2）、中水（灌水量1 500 m3/hm2）、高水（灌水量2 100 m3/hm2）條件下不同施氮量對(duì)馬鈴薯生育期土壤脲酶活性的影響。隨著馬鈴薯生育期的推進(jìn)，土壤脲酶活性均呈先升高后降低趨勢(shì)，土壤脲酶活性最大值出現(xiàn)在初花期，盛花期略有下降。主要是因?yàn)槌趸ㄆ隈R鈴薯生長(zhǎng)既有地下根系發(fā)育，又有地面莖葉部分的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，氮素需求量較大，在作物大量需肥期間，土壤中有機(jī)碳含量和微生物總量大幅增加，土壤脲酶活性明顯提高;到了盛花期，地面生長(zhǎng)逐步趨于穩(wěn)定，主要集中于地下塊莖生長(zhǎng)膨大，氮素需求相比初花期有所降低，所以土壤脲酶活性相比初花期也有所下降。在低水條件下，土壤脲酶活性隨施氮量的增加而降低，因?yàn)樵诘退畻l件下，土壤溶液高濃度的氮不利于植物根系和土壤微生物對(duì)尿素的轉(zhuǎn)化，影響土壤脲酶活性的提高;在中水條件下，脲酶活性隨施氮量增加先升高后降低，中水中氮（W2N2）處理的土壤脲酶活性明顯高于中水低氮（W2N1）和中水高氮（W2N3）處理，說(shuō)明在中水條件下，中水中氮處理最有利于提高土壤脲酶活性;在高水條件下，土壤脲酶活性隨施氮量的增加先升高后降低，但降幅不大，高水中氮（W3N2）和高水高氮（W3N3）處理土壤脲酶活性差別不大，高水低氮（W3N1）處理的土壤脲酶活性明顯低于高水中氮和高水高氮處理，因?yàn)樵诟咚偷╓3N1）條件下，土壤過(guò)濕，氮素濃度較低，降低了酶促作用和土壤中生物化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度，導(dǎo)致脲酶活性降低[7]。說(shuō)明在灌溉量一定時(shí)，過(guò)低或過(guò)高的施氮量對(duì)提高土壤脲酶活性效果均不明顯。

圖2-a、圖2-b、圖2-c分別表示低氮（施氮量120 kg/hm2）、中氮（施氮量210 kg/hm2）、高氮（施氮量300 kg/hm2）條件下不同灌水處理對(duì)馬鈴薯生育期土壤脲酶活性的影響，生育期馬鈴薯土壤脲酶活性變化的趨勢(shì)也是先升高后降低。低氮中水（W2N1）處理的土壤脲酶活性明顯高于低氮低水（W1N1）和低氮高水（W3N1）處理;中氮中水（W2N2）處理的脲酶活性明顯高于中氮低水（W1N2）和中氮高水（W3N2）處理，且初花期差距最為明顯，因?yàn)樵撎幚淼耐寥浪峙c氮素濃度最適于土壤微生物及植物根系脲酶分泌，所以脲酶活性最高[7];高氮中水（W2N3）處理的土壤脲酶活性顯著高于高氮低水（W1N3）和高氮高水（W3N3）處理，因?yàn)橥寥篮窟^(guò)高或者過(guò)低時(shí)，土壤中酶促作用受到抑制，同時(shí)也會(huì)降低土壤生化反應(yīng)強(qiáng)度，導(dǎo)致土壤脲酶活性降低[7]。說(shuō)明在施氮量一定時(shí)，過(guò)高或過(guò)低的灌水量對(duì)提高土壤脲酶活性的效果均不明顯。通過(guò)以上分析，中水中氮處理最有利于提高 0～20 cm土層土壤脲酶活性。

2.2 不同水氮處理0～20 cm土層土壤脲酶活性顯著性分析

馬鈴薯生育期各水氮處理0～20 cm土層脲酶活性詳見(jiàn)表2。初花期，W2N2處理與W1N3處理差異顯著，其他各處理間土壤脲酶活性差異均不顯著;盛花期，W2N2處理與W1N2處理差異顯著，W2N2與W1N3、W3N1處理之間差異極顯著，說(shuō)明不同水氮處理對(duì)土壤脲酶活性的影響在馬鈴薯初花期和盛花期開(kāi)始顯現(xiàn);成熟期，除W2N2處理和W3N1處理之間差異顯著外，其他各處理土壤脲酶活性差異均不顯著。

2.3 同一水氮處理對(duì)馬鈴薯不同土層土壤脲酶活性的影響

由圖1和圖2可知，在馬鈴薯整個(gè)生育期過(guò)程中，0～20 cm土層土壤脲酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，且在初花期達(dá)到最大值。在馬鈴薯初花期，中水中氮（W2N2）處理0～20 cm土層土壤脲酶活性在9個(gè)處理中最高。以中水中氮處理為例，分析馬鈴薯生育期不同土層土壤脲酶活性，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知，在初花期，3個(gè)土層范圍的土壤脲酶活性達(dá)到最大值，且隨土層深度增加，酶活性逐漸降低。相較于20～40、40～60 cm土層，0～20 cm土層的脲酶活性明顯最高。原因是0～20 cm土層屬于農(nóng)業(yè)耕作層，脲酶底物多，化學(xué)活性強(qiáng)，土壤有機(jī)質(zhì)酶解速度快，有效養(yǎng)分含量高;20～40、40～60cm土層較深，在這一范圍內(nèi)土壤的通暢性很差，基質(zhì)含量大大低于0～20 cm土層，生物活性弱，生物化學(xué)轉(zhuǎn)化弱，植物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量明顯低于土層0～20 cm，導(dǎo)致這2個(gè)土層的脲酶活性也相應(yīng)低于土層0～20 cm。說(shuō)明馬鈴薯生育期土壤脲酶活性隨土層深度增加而降低[7]。

2.4 不同水氮處理對(duì)馬鈴薯品質(zhì)的影響

由表3可以看出，部分水氮處理對(duì)馬鈴薯的淀粉、還原糖、維生素C含量的影響顯著。

在進(jìn)行馬鈴薯品質(zhì)分析時(shí)，淀粉含量、還原糖含量和維生素C含量是3個(gè)非常重要的指標(biāo)，各處理馬鈴薯塊莖淀粉、還原糖和維生素C的含量見(jiàn)表3。結(jié)果表明，9個(gè)處理馬鈴薯淀粉含量均高于CK，主要原因在于9個(gè)試驗(yàn)處理均施加了氮肥，而氮肥是馬鈴薯生育期淀粉形成必不可少的養(yǎng)分。中水低氮處理馬鈴薯塊莖淀粉含量最高，為 16.1 g/100 g。因?yàn)樵谠摴嗨┑獥l件下，馬鈴薯輸送到地下部分的光合產(chǎn)物明顯增多，所以該處理下馬鈴薯生長(zhǎng)旺盛，光合作用較強(qiáng)，有利于馬鈴薯塊莖淀粉的積累。說(shuō)明中水低氮處理更有利于提高馬鈴薯塊莖淀粉含量。還原糖含量不僅會(huì)影響馬鈴薯營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和口感，還會(huì)影響馬鈴薯加工工藝和產(chǎn)品品質(zhì)，一般要求還原糖含量低一點(diǎn)[15-16]。

土壤氮肥是影響馬鈴薯塊莖維生素C 含量的重要因素，馬鈴薯塊莖中豐富的維生素C除了與土壤氮肥密切相關(guān)之外，還與土壤的水分狀況有關(guān)。高水高氮處理的馬鈴薯塊莖維生素C含量最高，為30.65 mg/100 g。且在灌溉量一定時(shí)，馬鈴薯塊莖的維生素C含量隨施氮量的增加而增加（低水中氮處理除外），但上升幅度不大，這是因?yàn)榈蕿轳R鈴薯生育期內(nèi)合成維生素C提供了大量的原材料，充足的氮肥有利于提高馬鈴薯塊莖的維生素C含量。其中，高水高氮處理最有利于提高馬鈴薯塊莖維生素C含量。

綜合分析3個(gè)品質(zhì)指標(biāo)，中水中氮處理的馬鈴薯淀粉和維生素C含量在各個(gè)處理中表現(xiàn)最優(yōu)，且還原糖含量最低。所以中水中氮的水肥管理方式最有利于提高馬鈴薯品質(zhì)，這對(duì)今后的大田試驗(yàn)也提供了參考價(jià)值。

2.5 馬鈴薯全生育期土壤脲酶活性與馬鈴薯品質(zhì)的相關(guān)性分析

表4反映了馬鈴薯塊莖淀粉含量、還原糖含量、維生素C含量、0～20 cm土層脲酶活性均值、20～40 cm土層脲酶活性均值、40～60cm土層脲酶活性均值6個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)性，分別用X1、X2、X3、X4、X5、X6表示。由表4可以看出，馬鈴薯土壤0～20 cm 土層脲酶活性與馬鈴薯塊莖維生素C含量呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明在0～20 cm土層中，較高的脲酶活性有利于提高馬鈴薯塊莖維生素C含量。馬鈴薯0～20、20～40、40～60 cm土層脲酶活性土壤脲酶活性與馬鈴薯塊莖淀粉含量之間相關(guān)性不顯著。

3 討論

本試驗(yàn)研究了不同水氮處理對(duì)土壤脲酶活性、馬鈴薯品質(zhì)及土壤脲酶與馬鈴薯品質(zhì)之間的相互關(guān)系，結(jié)果表明，不同水氮處理對(duì)馬鈴薯0～20 cm耕層土壤脲酶活性影響較大。在整個(gè)馬鈴薯生育期，土壤脲酶活性先升高后降低，最低值出現(xiàn)在苗期。苗期到初花期，由于土壤溫度升高和馬鈴薯根系生長(zhǎng)發(fā)育影響脲酶活性迅速升高，在初花期達(dá)到全生育期最高水平;初花期到成熟期，土壤脲酶活性又呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，馬鈴薯成熟期的土壤脲酶活性較出苗期高。從本試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在灌水量或施氮量一定時(shí)，適當(dāng)提高另一個(gè)因素的水平均有利于提高土壤脲酶活性。本試驗(yàn)得出，在寧夏中部干旱地區(qū)，最有利于提高土壤脲酶活性的灌水量為 1 500 m3/hm2，施氮量為210 kg/hm2。馬鈴薯品質(zhì)的各性狀在灌水量為1 500 m3/hm2、施氮量為 210 kg/hm2 時(shí)表現(xiàn)最優(yōu)，但施氮量的不同對(duì)馬鈴薯的淀粉、維生素C的含量的影響又有一定差異，所以在尋找最適合馬鈴薯的施氮量上，還需要進(jìn)一步研究。

評(píng)價(jià)土壤肥力往往采用土壤酶活性，土壤營(yíng)養(yǎng)物轉(zhuǎn)化能力以及土壤生物活性都可以用土壤酶活性來(lái)反映，因此土壤酶活性是一項(xiàng)重要的指標(biāo)[16]。周禮愷認(rèn)為，當(dāng)土壤水分充足或較高時(shí)，土壤脲酶活性會(huì)增強(qiáng)，但當(dāng)灌溉量過(guò)高、土壤水分過(guò)高時(shí)，土壤脲酶活性會(huì)減弱[17]。朱同彬等的研究結(jié)果表明，與較低的土壤水分含量相比，土壤脲酶活性會(huì)在土壤水分含量過(guò)高時(shí)受到抑制[18]。

為了幫助馬鈴薯生長(zhǎng)，減少肥料的浪費(fèi)，需要合理施用氮肥，在其栽培過(guò)程中提高肥料的利用率是降低成本的重要途徑[19]。對(duì)本試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)灌溉次數(shù)相同時(shí)，灌溉量越高，馬鈴薯塊莖淀粉含量越高，這與馬微等的研究結(jié)論[20]一致。施氮量對(duì)淀粉的產(chǎn)生和含量影響最大，主要原因可能是氮參與蛋白合成，促進(jìn)后期馬鈴薯淀粉的積累[21]。

在同一灌溉量下，馬鈴薯塊莖維生素含量隨施氮量的增加而增加，但上升幅度不大，這與李仕杰的研究結(jié)論[22]一致。

4 結(jié)論

馬鈴薯全生育期0～20、20～40、40～60 cm土層脲酶活性變化均是初花期土壤脲酶活性最高，且隨土層深度增加而降低。中水中氮處理更有利于提高0～20 cm土層土壤脲酶活性。綜合淀粉含量和維生素C含量這2個(gè)馬鈴薯塊莖品質(zhì)指標(biāo)分析，中水中氮處理的馬鈴薯塊莖淀粉、維生素C含量表現(xiàn)最優(yōu)，還原糖含量最低。馬鈴薯土壤0～20 cm土層脲酶活性與馬鈴薯塊莖維生素C含量呈顯著正相關(guān)，馬鈴薯0～20 cm土層土壤脲酶活性與馬鈴薯塊莖淀粉含量之間無(wú)明顯相關(guān)。

在本試驗(yàn)條件下，中水中氮處理最有利于提高土壤脲酶活性，土壤脲酶活性升高有利于提高馬鈴薯植株對(duì)土壤氮素的吸收率，有利于馬鈴薯塊莖中淀粉積累以及維生素C的合成，所以此處理下馬鈴薯的淀粉、維生素C含量表現(xiàn)較優(yōu)，還原糖含量最低。因此灌水量為1 500 m3/hm2、施氮量為 210 kg/hm2 處理可推薦作為寧夏中部干旱帶農(nóng)業(yè)區(qū)馬鈴薯的水氮管理模式。

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