綜合調(diào)理劑對(duì)集約化設(shè)施土壤氮素吸收及其形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響

郭劉明，盧樹昌，朱夢夢，李婧涵，劉樹宇，趙鑫霞

（1.天津農(nóng)學(xué)院 農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300392；2.喀喇沁旗王爺府鎮(zhèn)人民政府綜合保障和技術(shù)推廣中心，赤峰，內(nèi)蒙古自治區(qū) 024421）

近年來，天津市設(shè)施菜田規(guī)?？焖侔l(fā)展，農(nóng)民為追求高產(chǎn)，盲目過量施用氮肥，造成了蔬菜生產(chǎn)效益不斷下降。老菜田在高度集約化管理模式下，土壤氮養(yǎng)分過量積累，氮素通過地表徑流、淋洗等方式進(jìn)入地表和地下水，導(dǎo)致面源污染，給生態(tài)環(huán)境與人類健康造成很大威脅。土壤調(diào)理劑也稱土壤改良劑，是指加入土壤中用于改善土壤物理、化學(xué)性質(zhì)及其生物活性的物料，能夠提高作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)。近些年，關(guān)于施用調(diào)理劑改善土壤氮素供應(yīng)狀況的研究報(bào)道較多，但大多是對(duì)施用單一調(diào)理劑效果的研究，調(diào)理劑組合施用研究較少，對(duì)作物生長及土壤氮的研究不夠深入。因此，本研究采用不同土壤調(diào)理劑配合施用對(duì)高氮土壤植物氮素吸收利用及土壤氮素形態(tài)進(jìn)行深入研究，旨在探索土壤調(diào)理劑配合施用的效果，為設(shè)施菜田提高土壤質(zhì)量、促進(jìn)作物生長、控制土壤氮素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本研究在天津農(nóng)學(xué)院特用作物生長環(huán)境試驗(yàn)溫室進(jìn)行。供試土壤來自天津市武清區(qū)大孟莊鎮(zhèn)后幼莊村設(shè)施菜田，該區(qū)域種植制度以番茄、黃瓜等果菜—葉菜為主，棚齡大部分在10 年以上，養(yǎng)分投入偏高，土壤氮環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較高。具體土壤性狀見表1。

表1 供試土壤基本性狀

1.2 試驗(yàn)材料

供試作物：糯玉米‘ 澳早60’，生育期約85 d。

供試土壤調(diào)理劑：草本生物炭、腐植酸、白云石和明礬，常規(guī)用量分別2.40，0.15，0.22，0.22 kg·m，各調(diào)理劑具體性狀如表2 所示。

表2 供試土壤調(diào)理劑基本理化性狀

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與管理

本試驗(yàn)共設(shè)置11 個(gè)處理，分別為：CK（對(duì)照，無調(diào)理劑和肥料）、T1（生物炭100%，百分?jǐn)?shù)為常規(guī)用量占比）、T2（腐植酸100%）、T3（明礬100%）、T4（白云石100%）、T5（生物炭50%+明礬50%）、T6（生物炭70%+明礬30%）、T7（白云石50%+明礬50%）、T8（白云石100%+明礬50%）、T9（生物炭30%+腐植酸30%+明礬30%）、T10（生物炭30%+明礬30%+白云石70%）。試驗(yàn)盆規(guī)格為高22 cm，上口徑30 cm，下口徑18 cm，每盆土質(zhì)量為5 kg。每盆播種3粒種子，出苗后留取2 株長勢均勻一致的玉米植株。每個(gè)處理重復(fù)3 次。

試驗(yàn)于2021 年5 月9 日進(jìn)行布置和播種，5 月15 日出苗，8 月6 日（玉米11～12 葉）時(shí)收獲。每1～2 d 于8：00 至9：00 間灌水1 次，每次每盆灌水600 mL，灌水量根據(jù)土壤含水量情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，夏天溫度較高時(shí)，可增加灌水量，每次不超過900 mL。試驗(yàn)期間不施用任何肥料。

1.4 調(diào)查采樣與測試

1.4.1 農(nóng)藝性狀 玉米出苗后每7 d 進(jìn)行1 次長勢調(diào)查。其中，株高采用米尺測定玉米根部到頂部最高葉片的距離；莖粗采用游標(biāo)卡尺測量地上第二節(jié)間中部莖的直徑；葉色（SPAD 值）采用SPAD-502 儀測定頂部倒三葉葉中部及兩端葉片讀數(shù)的平均值；干物質(zhì)積累量采用每盆收獲鮮植株的風(fēng)干質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算。

1.4.2 植物吸收氮素積累量 采集整株植物樣品（包含根、莖、葉、果穗部位），風(fēng)干樣粉碎后，采用HSO-HO消煮，凱氏定氮法測定含氮量。

1.4.3 土壤氮素測定 收獲時(shí)，采集土壤樣品。土壤有機(jī)碳采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤全氮采用凱氏定氮法測定，土壤硝態(tài)氮采用紫外分光光度計(jì)法測定，土壤銨態(tài)氮采用氯化鉀浸提-靛酚藍(lán)比色法測定，土壤脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2019 方法進(jìn)行處理，采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同調(diào)理劑配合處理糯玉米長勢狀況

2.1.1 前期長勢情況 由表3 可知，施用單一調(diào)理劑的處理，株高以T4 處理最高，T2 處理最低；施用組合調(diào)理劑處理，株高以T5 處理最高，T10、T6 處理次之，但各處理間株高差異不顯著。施用單一調(diào)理劑的處理，莖粗以T4 處理最大，T2 處理最小，變化與株高相近；施用組合調(diào)理劑，莖粗以T6、T5 處理較好，其次為T10 處理。從葉片數(shù)來看，施用調(diào)理劑的處理大多好于不施用調(diào)理劑的處理。施用調(diào)理劑的處理，葉片數(shù)以T6 處理最多，除T2 處理較少，表現(xiàn)出顯著差異外，與其他處理均無顯著差異。從葉色值看，施用單一調(diào)理劑的處理，葉色值以T2 處理較好；施用組合調(diào)理劑的處理中T5、T6 表現(xiàn)更好，但各處理間亦無顯著差異。

表3 不同調(diào)理劑配合處理糯玉米前期長勢狀況

從前期總體長勢看，施用調(diào)理劑處理的株高、莖粗、葉片數(shù)好于不施調(diào)理劑處理，但調(diào)理劑組合處理與單一施用調(diào)理劑的處理差異不顯著。

2.1.2 中期長勢情況 由表4 可知，從株高來看，施用單一調(diào)理劑的處理，株高以T3 處理最高，較CK 處理高22.31%，其次是T4 處理。施用組合調(diào)理劑的處理中，株高表現(xiàn)為：T8＞T5＞T7＞T10＞T6＞T9＞CK，株高以T8 處理株高最高，其次是T5 處理，但各處理間差異均不顯著。從莖粗來看，除T7和T9 處理外，施用調(diào)理劑的處理較不施用調(diào)理劑的處理莖粗大，尤以T8、T2 處理最為明顯，分別高于CK 處理23.68%，11.09%。從葉片數(shù)來看，各處理的變化與莖粗相似，同樣以T2、T8 處理表現(xiàn)較好。從葉色值看，施用組合調(diào)理劑的處理中以T9 處理較高；施用單一調(diào)理劑的處理中以T3 處理較高。從中期總體長勢看，施用調(diào)理劑的處理各指標(biāo)略好于不施調(diào)理劑的處理，施用調(diào)理劑的處理以綜合調(diào)理劑T8 處理（白云石100%+明礬50%）較佳。

表4 不同調(diào)理劑配合處理糯玉米中期長勢狀況

2.2 不同調(diào)理劑配合處理糯玉米干物質(zhì)質(zhì)量狀況

由圖1 可知，單一調(diào)理劑的處理中，T4 處理的干物質(zhì)質(zhì)量最高，高于CK 處理10.81%，T2 處理的干物質(zhì)量最低。在組合調(diào)理劑的處理中，T8 處理的干物質(zhì)量最高，為95.0 g·盆，高于CK 處理16.7%，其次是T5、T6 處理?？傮w來看，組合調(diào)理劑的處理干物質(zhì)積累量較大，其中T8 處理的干物質(zhì)積累量最高，其次是T4、T5 處理。

圖1 不同調(diào)理劑配合處理糯玉米干物質(zhì)質(zhì)量狀況

2.3 不同調(diào)理劑配合處理糯玉米吸收氮

由圖2 可知，單一調(diào)理劑的處理中，T3 處理的作物吸氮量最高，高于CK 處理29.07%，其次是T4處理。T2 處理的作物吸氮量顯著低于CK 處理，與CK 處理相比，作物吸氮量減少26.99%。在各組合調(diào)理劑處理中，以T10 處理的作物吸氮量最高，為1.514 g·盆，顯著高于CK 處理33.38%，其次是T8、T5 處理，T7 處理的作物吸氮量最低?？傮w來看，T10處理的作物吸氮量最高，其次是T3、T4 處理。

圖2 不同調(diào)理劑配合處理糯玉米的吸氮量

2.4 不同調(diào)理劑配合處理土壤氮形態(tài)轉(zhuǎn)化狀況

2.4.1 土壤全氮 由圖3 可知，從施用單一調(diào)理劑的處理來看，土壤全氮含量排序?yàn)椋篢3＞T1＞T2＞CK＞T4。從施用組合調(diào)理劑的處理來看，土壤全氮含量T8＞T10＞T7＞CK＞T6＞T9＞T5?？傮w來看，部分施用組合調(diào)理劑的處理均降低了土壤全氮含量，降幅為7.13%～11.78%，施用組合調(diào)理劑的處理對(duì)降低土壤全氮含量的效果略大于施用單一調(diào)理劑的處理。

圖3 不同調(diào)理劑配合處理土壤全氮含量

2.4.2 土壤硝態(tài)氮 由圖4 可知，從施用單一調(diào)理劑的處理來看，施用調(diào)理劑后，各處理土壤硝態(tài)氮含量均有不同程度的增加，增幅為9.20%～135.64%。其中，土壤硝態(tài)氮含量增加最多的是T3 處理，硝態(tài)氮含量為14.07 mg·kg，顯著高出CK 處理135.64%，其次是T4、T2 處理。從施用組合調(diào)理劑的處理來看，T8 處理較CK 處理土壤硝態(tài)氮有所減少，低于CK 處理14.12%，T10 處理土壤硝態(tài)氮含量較CK 處理增加顯著，增加了207.35%?？傮w來看，大部分施用調(diào)理劑處理均提高了土壤硝態(tài)氮含量，但T8（白云石100%+明礬50%）處理土壤硝態(tài)氮含量有所降低。

圖4 不同調(diào)理劑配合處理土壤硝態(tài)氮含量

2.4.3 土壤銨態(tài)氮 由圖5 可知，從施用單一調(diào)理劑的處理來看，土壤銨態(tài)氮含量與CK 處理相比，總體呈現(xiàn)增加的趨勢，其中T4 處理較CK 處理顯著增加，增加了29.49%。從施用組合調(diào)理劑的處理來看，T10 處理土壤銨態(tài)氮含量較CK 處理顯著增加，高出CK 處理32.53%，其次T9、T8 處理，土壤銨態(tài)氮含量分別較CK 處理顯著增加了30.23%，27.78%，土壤銨態(tài)氮含量最少的是T5 處理，土壤銨態(tài)氮含量為8.20 mg·kg，與CK 處理相比減少了1.56%。綜合來看，T10、T4、T9 處理可提高土壤對(duì)銨態(tài)氮的吸附固定作用，T5 處理有利于促進(jìn)植物對(duì)銨態(tài)氮的吸附。

圖5 不同調(diào)理劑配合處理土壤銨態(tài)氮含量

2.4.4 土壤無機(jī)氮與有機(jī)氮的比較 不同調(diào)理劑配合處理，土壤無機(jī)氮與有機(jī)氮含量如表5 所示。施用單一調(diào)理劑的處理中，土壤無機(jī)氮占比以T4 處理最高，占全氮比重為0.95%，T1 處理的無機(jī)氮占比最低，僅為0.5%；施用組合調(diào)理劑的處理中，T6 處理無機(jī)氮占比最高為0.98%，其次是T10、T5 處理。T8 處理中無機(jī)氮占比最少，為0.50%。

表5 不同調(diào)理劑配合處理土壤無機(jī)氮與有機(jī)氮含量比較

2.4.5 土壤脲酶活性 不同調(diào)理劑配合處理，土壤脲酶活性如圖6 所示。施用單一調(diào)理劑的處理，與CK 處理相比，土壤脲酶活性呈顯著降低的趨勢，其中T4 處理土壤脲酶活性下降最多，與CK 組相比下降了34.62%。從施用組合調(diào)理劑的處理來看，T9、T6、T7 處理土壤脲酶活性顯著低于CK 處理，分別降低了41.58%，41.11%，40.65%，T10、T8 處理土壤脲酶活性與CK 處理相比，分別降低了32%，28.99%?？傮w來看，綜合調(diào)理劑處理對(duì)土壤脲酶活性的抑制作用強(qiáng)于單一調(diào)理劑處理。

圖6 不同調(diào)理劑配合處理土壤脲酶活性

2.4.6 土壤碳氮比 從土壤C/N 來看，單一調(diào)理劑的處理中，T1、T2、T3 與CK 相比有所下降，其中T3處理減少最多，減少了20.59%。施用組合調(diào)理劑的處理中，土壤C/N 與CK 相比，均有不同程度的提高，增長幅度為21.67%～51.78%，其中T9 處理的C/N比顯著增高，原因可能是組合調(diào)理劑的施用，促進(jìn)了植物對(duì)土壤中氮元素的吸收，而有機(jī)碳含量變化不明顯，從而提高了土壤C/N。綜合來看，施用組合調(diào)理劑的處理改善土壤碳氮狀況方面好于單一調(diào)理劑處理，見圖7。

圖7 不同調(diào)理劑配合處理土壤碳氮比狀況

3 結(jié)論與討論

相關(guān)研究表明，不同調(diào)理劑配合施用可以提高各調(diào)理劑作用，但配合不當(dāng)，亦不利于作物生長和產(chǎn)量提高。本研究結(jié)果顯示，施用綜合調(diào)理劑對(duì)糯玉米生長、氮素吸收狀況具有促進(jìn)作用，T4(白云石100%)、T8（白云石100%+明礬50%）處理均顯著提高了作物干物質(zhì)質(zhì)量，其對(duì)應(yīng)的吸氮量也較高，表現(xiàn)出促進(jìn)作用，但有的配合處理作用反而不如單一調(diào)理劑處理。

本研究使用組合調(diào)理劑的處理土壤全氮含量與對(duì)照相比均有所降低，進(jìn)而土壤中的C/N 有所提高。原因可能是明礬溶于水產(chǎn)生的酸性環(huán)境，以及生物炭對(duì)土壤性具有狀改善作用，提高了土壤中氮素的吸收性能。另外，土壤中酶和真菌的活性變化對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)的分解和礦化過程也起著重要的作用。處理T7（白云石50%+明礬50%）、T8（白云石100%+明礬50%）、T10（生物炭30%+明礬30%+白云石70%）均含有強(qiáng)堿性材料白云石，白云石的加入可能影響了土壤中纖維素酶的活性，減弱了土壤有機(jī)碳的礦化，從而提高了土壤C/N。但Ahmad 等研究表明，土壤中添加石灰性物質(zhì)可以促進(jìn)土壤有機(jī)碳的礦化，這可能是試驗(yàn)條件與本試驗(yàn)選用的土壤條件不同造成的，具體原因還需要進(jìn)一步探究。

土壤脲酶是一種具有高度專一性的酶，能促進(jìn)土壤中有機(jī)氮的礦化分解，其活性對(duì)土壤中硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化和氮素的運(yùn)移具有很大的影響。抑制脲酶的活性可以減慢氮素轉(zhuǎn)化，降低硝態(tài)氮的淋溶流失，提高氮肥的利用率，降低土壤面源污染的風(fēng)險(xiǎn)。袁鳳英等研究表明，施用腐植酸可以很好地抑制土壤中脲酶的活性，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致，單獨(dú)施用腐植酸和T9（生物炭30%+腐植酸30%+明礬30%）處理中的腐植酸與其他調(diào)理劑配合施用都不同程度地降低了土壤脲酶活性。

施用調(diào)理劑的處理，其糯玉米的株高、莖粗、葉片數(shù)等指標(biāo)略好于不施調(diào)理劑的處理，施用調(diào)理劑處理以綜合調(diào)理劑T8 處理較佳，并且T8 處理更有利于糯玉米干物質(zhì)質(zhì)量積累和氮素吸收；從土壤氮素形態(tài)變化看，施用組合調(diào)理劑處理對(duì)減少土壤全氮含量的效果大于單一調(diào)理劑的處理，其中T9（生物炭30%+腐植酸30%+明礬30%）組合處理效果較好，并且對(duì)土壤碳氮比提高作用明顯，而在降低土壤硝態(tài)氮含量方面，T8 處理作用顯著，可減少土壤有效氮素積累。綜合調(diào)理劑處理對(duì)土壤脲酶活性的抑制作用大于單一調(diào)理劑處理。綜合來看，T8（白云石100%+明礬50%）處理在糯玉米生長、干物質(zhì)質(zhì)量積累以及氮素吸收方面表現(xiàn)更好。