不同氮素形態(tài)對木薯生長及根際土壤養(yǎng)分與酶活性的影響

姜舒雅 孫彬杰 林萱 劉文杰 朱杰輝 宋勇

關(guān)鍵詞：木薯；氮素形態(tài)；土壤養(yǎng)分；土壤酶活；產(chǎn)量；品質(zhì)

木薯（Manihot esculenta Crantz）為大戟科木薯屬旱地作物，是全球三大薯類作物之一[1]，木薯作為非糧能源作物，具有重大的發(fā)展?jié)摿?，主要用于制作淀粉、酒精等一系列產(chǎn)品，在工業(yè)和農(nóng)業(yè)上都存在重大利用價值[2]。隨著木薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國對木薯干片和淀粉的需求日益增大，而國內(nèi)木薯生產(chǎn)量較低，木薯進(jìn)口需求依存度較高[3]。而提高木薯產(chǎn)量的措施之一便是合理施用氮肥[4]，常見的氮肥形態(tài)有銨態(tài)氮、酰胺態(tài)氮和硝態(tài)氮[5-6]。作物對氮素形態(tài)的偏好會為植物有效劃分有限的土壤氮提供一種機(jī)制，促進(jìn)物種共存與維持生物多樣性[7]。氮素形態(tài)的差異影響植物對氮的吸收，貯藏，運輸，同化等，從而也會影響植物的生理生長過程[8]，選擇合適的氮肥類型可以促進(jìn)作物生長發(fā)育，改善營養(yǎng)水平，提高產(chǎn)量和品質(zhì)。

前人研究表明，氮素限制作物物質(zhì)的累積，直接或間接影響作物的生長發(fā)育[9]。氮素的缺失會造成木薯植株矮小、葉片枯黃、塊根數(shù)量縮減、質(zhì)量下降[10]。前人關(guān)于氮素形態(tài)對蔬菜作物的研究發(fā)現(xiàn)，施用尿素結(jié)球甘藍(lán)的株高，莖粗效果都優(yōu)于其他處理，產(chǎn)量也最高[11]；馬拉新[12]的研究表明正常灌溉下施用硝酸銨木薯產(chǎn)量最高；和銳敏等[13]發(fā)現(xiàn)銨態(tài)氮促進(jìn)甘蔗鮮重增加、側(cè)根和不定根的形成，硝態(tài)氮促進(jìn)根系縱向增長。氮素通過影響植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、糖、維生素、礦質(zhì)元素等含量來影響品質(zhì)[14]。代新俊[15]發(fā)現(xiàn)施用酰胺態(tài)氮肥小麥的淀粉、可溶性蛋白含量更高。土壤富含氮磷鉀和其他微量元素，土壤養(yǎng)分含量高低決定作物是否健康生長[16]。土壤酶廣泛存在于土壤中，調(diào)控土壤物質(zhì)循環(huán)和多種生物化學(xué)反應(yīng)[17]。吳勇等[18]的研究結(jié)果表明施氮可以提高紫花苜蓿根際土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮含量；梁悅[19]發(fā)現(xiàn)硫酸銨處理土壤速效鉀含量顯著高于其他處理；陳曉光等[20]的研究結(jié)果顯示甘薯土壤蔗糖酶活性在尿素處理下顯著高于施硝酸鈣、硫酸銨。王光華[21]發(fā)現(xiàn)大豆根際土壤脲酶活性在銨態(tài)氮條件下表現(xiàn)為最高。馬宗斌等[22]的試驗結(jié)果顯示酰胺態(tài)氮處理下小麥根際土壤脲酶活性最高?？梢?，不同氮素形態(tài)對不同種類作物的生長及土壤環(huán)境的影響不同。近年來，我國學(xué)者就施氮量、施氮時期、施氮方式及施氮深度等對木薯生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響進(jìn)行了研究，而關(guān)于不同氮素形態(tài)對木薯生長及根際土壤環(huán)境的研究卻鮮有報道[23-25]。本試驗通過研究不同氮素形態(tài)對木薯生長及根際土壤養(yǎng)分、土壤酶活性的影響，以期為木薯提供科學(xué)施肥依據(jù)和理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為華南9 號（SC9）木薯品種，由湖南省馬鈴薯工程技術(shù)研究中心提供。SC9 于2021 年5 月2 日在湖南省長沙縣湘研種業(yè)基地（28?3119N，113?3005E）種植，2021 年11 月13 日收獲。試驗地氣候條件為亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年均氣溫為18.8 ℃，年降水量為1472.9 mm。木薯種植前采用五點交叉取樣法采取土樣測量土壤基本理化性質(zhì)，土質(zhì)為紅壤土，土壤pH 5.46，土壤堿解氮含量為137 mg/kg，有效磷為5.2 mg/kg，速效鉀為121 mg/kg，全氮為1.28 g/kg，全磷為0.50 g/kg，全鉀為10.9 g/kg，有機(jī)質(zhì)為19.5 g/kg。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計 試驗設(shè)CK（不施氮肥）、T1（酰胺態(tài)氮—尿素46%N）、T2（ 銨態(tài)氮—硫酸銨21%N）、T3（硝態(tài)氮—硝酸鈣15%N）4 個處理，每處理重復(fù)3 次，另設(shè)3 次重復(fù)進(jìn)行破壞性取樣。鉀肥選用氯化鉀（60%K2O），磷肥選用過磷酸鈣（12%P2O5），施氮、磷、鉀肥各180 kg/hm2，所有肥料種植前一次施入。試驗處理采用隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)寬1.8 m，長18 m，小區(qū)面積32.4 m2。木薯采用斜插法，一壟雙行種植，寬行距1 m，窄行距0.8 m，株距1 m，每小區(qū)36 株木薯。

1.2.2 樣品采集 分別于木薯塊根形成期（8 月9日）、塊根膨大期（10 月9 日）、塊根成熟期（11月13 日）取土樣。于破壞性取樣區(qū)每小區(qū)選取5株長勢均勻的木薯連根拔起，將附著于木薯塊根的土壤取下收集，去除雜根、石粒等雜質(zhì)，裝入無菌自封袋，放入冰盒帶回實驗室。鮮土樣風(fēng)干后過60 目篩，一部分測定土壤酶活性，另一部分測定土壤養(yǎng)分含量。

1.2.3 指標(biāo)測定 （1）木薯生長指標(biāo)及產(chǎn)量和品質(zhì)測定。每小區(qū)選取5 株長勢均勻的植株分別于同期測定木薯株高、莖粗；于塊根成熟期測定木薯單株塊根產(chǎn)量，計算小區(qū)產(chǎn)量，折算公頃產(chǎn)量。塊根干物率采用烘干法[26]，每株取鮮薯100 g 放于65 ℃烘箱中烘干稱重計算干物率。鮮薯淀粉、可溶性蛋白、維生素C 均采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司提供的試劑盒測定。

（2）木薯根際土壤養(yǎng)分與酶活性測定。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法、土壤堿解氮采用水解性擴(kuò)散法、土壤有效磷采用鉬銻抗比色法、土壤速效鉀采用火焰光度法測定[27]；土壤脲酶采用靛酚藍(lán)比色法、土壤蔗糖酶采用3，5–二硝基水楊酸比色法、土壤過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法、土壤硝酸還原酶采用酚二磺酸比色法測定[28-29]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS 26.0 軟件進(jìn)行方差分析及相關(guān)性分析，采用GraphPad Prism 8.0 軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮素形態(tài)對木薯生長的影響

由圖1A 可知，在塊根形成期、塊根膨大期和塊根成熟期，施氮處理木薯株高均高于CK 處理，在塊根成熟期，株高表現(xiàn)為T2 處理最高。塊根形成期，T1、T2 處理木薯株高分別較CK 處理顯著提高33.07%、19.82%；塊根膨大期，T2 處理株高較CK、T3 處理分別顯著提高16.71%、9.15%；塊根成熟期，T1、T2、T3 處理較CK 處理分別顯著提高8.39%、13.51%、7.22%。

由圖1B 可知，施氮對木薯莖粗有促進(jìn)作用，木薯塊根膨大期T2 處理木薯莖粗最大。塊根形成期T1、T2 處理木薯莖粗較CK 處理顯著提高28.23%、10.52%；塊根膨大期T2 處理木薯莖粗較CK、T1、T3 處理顯著提高34.19%、13.58%、13.83%，塊根成熟期T1、T2、T3 處理較CK 處理顯著提高27.38%、32.24%、25.79%。

2.2 不同氮素形態(tài)對木薯根際土壤養(yǎng)分的影響

由圖2A 可知，施氮改變了木薯根際土壤有機(jī)質(zhì)含量，塊根形成期及膨大期，T2 處理土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于CK 處理，表明T2 處理促進(jìn)木薯根際土壤有機(jī)質(zhì)含量增加。塊根形成期，T2 處理較CK、T1、T3 處理分別顯著提高20.63%、16.56%、10.14%；塊根膨大期，T2 處理較CK 處理顯著提高8.65%，其他處理間差異不顯著；塊根成熟期，T2、T3 處理較T1 處理分別顯著提高11.05%、8.57%。

由圖2B 可知，在各時期下，T2 處理木薯根際土壤堿解氮含量顯著高于CK 處理，表明T2 處理對木薯根際土壤堿解氮含量有明顯促進(jìn)作用。塊根形成期，T2 處理較CK、T1 處理分別顯著提高7.92%、10.36%，其他處理間差異不顯著；塊根膨大期，T2 處理較CK、T3 處理分別顯著提高8.22%、14.91%；塊根成熟期，T2 處理較CK、T1、T3 處理分別顯著提高8.28%、7.17%、10.21%，其他處理間差異不顯著。

由圖2C 可知，在木薯不同生育時期，不同氮素形態(tài)對木薯根際土壤有效磷的影響不同。塊根形成期，T2、T1 處理較T3 處理分別顯著提高21.33%、25.93%，其他處理間差異不顯著；塊根膨大期，T2 處理較T1 處理顯著提高13.64%，其他處理間差異不顯著；塊根成熟期，CK 處理顯著高于其他處理，T3 處理顯著高于T1 處理。

由圖2D 可知，隨著生育期的推移，土壤速效鉀含量呈逐漸降低的趨勢，施氮處理對根際土壤速效鉀的影響在不同生育時期各不相同。塊根形成期，T2 處理較CK、T1、T2 處理分別顯著提高35.41%、24.52%、32.40%，其他處理間差異不顯著；塊根膨大期，T3 處理顯著低于其他處理，CK 與T2、T1 處理差異不顯著；塊根成熟期，T3處理顯著高于其他處理，T2 處理顯著高于T1 處理，與CK 處理無顯著差異。

2.3 不同氮素形態(tài)對木薯根際土壤酶活性的影響

由圖3A 可知，施氮改變根際土壤脲酶活性。在木薯不同時期，T3 處理根際土壤脲酶活性均顯著高于其他處理，從塊根形成期到成熟期，T3 處理較CK 處理顯著提高38.15%、33.05%、49.68%，這表明T3 處理更促進(jìn)木薯根際土壤脲酶活性提高。塊根膨大期，T1 處理脲酶活性顯著高于CK處理；塊根成熟期，T2 處理脲酶活性顯著高于CK處理。

由圖3B 可知，隨著木薯生育期的推移，根際土壤蔗糖酶活性先降后增，在塊根膨大期達(dá)到最低。在各時期只有T2 處理土壤蔗糖酶活性均顯著高于CK 處理，且T2 處理土壤蔗糖酶活性最高，從塊根形成期到成熟期，T2 處理較CK 處理分別顯著提高30.21%、22.51%、21.02%，這表明T2較其他處理更好地促進(jìn)土壤蔗糖酶活性提高。

由圖3C 可知，隨著木薯生育期的推移，根際土壤過氧化氫酶活性表現(xiàn)為先增后降，塊根膨大期最高。在不同時期，各氮素處理過氧化氫酶活性均顯著高于CK 處理，這表明施氮提高了土壤過氧化氫酶活性。塊根形成期，T3 處理土壤過氧化氫酶活性較CK、T1 處理分別顯著提高68.07%、29.65%；塊根膨大期，T3 處理其活性較CK、T1處理分別顯著提高22.18%、11.56%；塊根成熟期，T3 處理其活性較CK、T1、T2 處理分別顯著提高70.32%、30.41%、19.15%。

由圖3D 可知，隨著木薯生育期的推移，根際土壤硝酸還原酶呈先升后降的趨勢，在塊根膨大期達(dá)到最大。土壤塊根形成期，T2 處理硝酸還原酶活性較CK、T1、T3 處理分別顯著提高31.15%、43.28%、56.09%；塊根膨大期及成熟期，T1 處理硝酸還原酶活性顯著高于CK 處理，分別提高33.33%、33.15%，3 種氮素處理間無顯著差異。

2.4 不同氮素形態(tài)對木薯產(chǎn)量的影響

由表1 可知，T2、T3、T1 處理木薯小區(qū)產(chǎn)量分別為125.01、94.50、80.67 kg，較CK 處理分別增加61.69%、22.23%、3.36%；T2、T3、T1 處理木薯產(chǎn)量分別為38.54、29.09、24.87 t/hm2，較CK 分別增產(chǎn)61.72%、22.07%、4.36%。T2 處理木薯產(chǎn)量最高（38.54 t/hm2），分別較T3、T1、CK處理顯著增產(chǎn)31.45%、54.96%、61.72%。

2.5 不同氮素形態(tài)對木薯品質(zhì)的影響

由表2 可知，T2 處理木薯塊根干物率、淀粉含量較CK 處理分別顯著提高6.44%、19.86%，其他處理間差異不顯著，T1 處理木薯塊根可溶性蛋白含量較CK 處理顯著提高12.10%，T3 處理木薯塊根維生素C 含量較CK、T1、T2 處理分別顯著提高52.94%、72.06%、44.28%，這表明不同氮素形態(tài)處理對木薯塊根品質(zhì)的影響不同。

3 討論

3.1 不同氮素形態(tài)對木薯產(chǎn)量、品質(zhì)的影響

株高、莖粗是植物營養(yǎng)生長最直觀的表型，產(chǎn)量與品質(zhì)是作物對環(huán)境最直接的答復(fù)[30]。研究表明，不同種類氮肥對木薯的生長及產(chǎn)量、品質(zhì)均有促進(jìn)效果。本研究發(fā)現(xiàn)，T2 處理下木薯的株高、莖粗表現(xiàn)效果最好；木薯產(chǎn)量表現(xiàn)為T2>T3>T1>CK，這與史春余等[31]的研究結(jié)果一致，銨態(tài)氮可以促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)向塊根轉(zhuǎn)移，有利于產(chǎn)量提高；芶久蘭等[32]的結(jié)果也表明，銨態(tài)氮有利于氮、鉀元素的吸收，且硫元素可提高木薯對氮肥的利用率進(jìn)而提高產(chǎn)量[33]；HARGROVE[34]認(rèn)為，尿素在酸性土壤中NH4+的損失潛力最大，且當(dāng)年長沙地區(qū)雨水過多，尿素肥效流失致使木薯產(chǎn)量與不施肥無差異。干物質(zhì)與淀粉含量一般呈正相關(guān)，干物率高淀粉含量高[26]，本研究中，銨態(tài)氮處理干物率、淀粉含量最高，說明銨態(tài)氮較促進(jìn)干物質(zhì)、淀粉的累積；酰胺態(tài)氮處理可溶性蛋白含量顯著高于對照，這與代新俊[15]的結(jié)果一致；硝態(tài)氮處理維生素C 含量顯著高于其他處理，這與李會合[35]的結(jié)果一致；各氮素處理對品質(zhì)的影響不一，原因可能是氮素形態(tài)具有性質(zhì)上的差異，植物吸收利用代謝轉(zhuǎn)化的途徑不同，導(dǎo)致植物體內(nèi)形成糖、蛋白、維生素等營養(yǎng)物質(zhì)的含量不同進(jìn)而影響品質(zhì)[36]。

3.2 不同氮素形態(tài)對木薯根際土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分為植物吸收營養(yǎng)提供來源，影響作物根、莖、葉的生長發(fā)育，提高養(yǎng)分含量是作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要保障措施[37]。本研究只測量了施肥前的土壤理化性質(zhì)，從5 月種植到8 月塊根形成，木薯地上部分的生長吸收了大量的養(yǎng)分，并且此時期長沙地區(qū)多雨，養(yǎng)分流失，導(dǎo)致多數(shù)處理的有機(jī)質(zhì)含量低于種植前。本研究中，T2 處理土壤有機(jī)質(zhì)含量高，礦化作用強(qiáng)，促進(jìn)無效氮向有效氮的轉(zhuǎn)化，提高土壤有效氮含量，從而使作物吸收更多的氮提高作物的株高與莖粗；木薯塊根成熟期，CK 處理土壤有效磷含量高于3 種氮素處理，這可能是施氮改變了土壤磷元素含量，促進(jìn)木薯對磷元素的吸收，土壤磷素的消耗率提高，土壤有效磷含量降低。張錫州等[38]的研究結(jié)果表明，銨態(tài)氮更能提高土壤速效鉀含量，這與本研究結(jié)果一致。這是因為NH4+和K+吸附固定機(jī)制相似，二者競爭結(jié)合位點，NH4+會影響K+被土壤固化。此外，NH4+也可與K+進(jìn)行交換，減少K+固定，土壤速效鉀含量增高[39]。

3.3不同氮素形態(tài)對木薯根際土壤酶活性的影響

土壤酶是衡量土壤肥力的重要指標(biāo)，驅(qū)動養(yǎng)分吸收與轉(zhuǎn)化。脲酶在一定程度上可以反映土壤的供氮能力。蔗糖酶可以增加土壤易溶性營養(yǎng)物質(zhì)，在一定程度上表征土壤肥力水平[40]。過氧化氫酶可以表征有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化速度，減輕土壤和生物體在代謝過程中產(chǎn)生的過氧化氫毒害作用[41]。硝酸還原酶是反硝化過程的關(guān)鍵酶，其活性大小反映氮素的損失[42]。本研究發(fā)現(xiàn)，T3 處理脲酶、過氧化氫酶活性高于其他處理，原因是T3 處理提供的有效氮含量較低，木薯長勢較差，提高脲酶活性可促進(jìn)土壤營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和無機(jī)氮的轉(zhuǎn)化速度，導(dǎo)致土壤微生物活動增強(qiáng)，代謝產(chǎn)生的過氧化氫增多，刺激過氧化氫酶活性提高以減輕對植物的毒害作用。本研究中，木薯根際土壤蔗糖酶活性先降后升，在塊根膨大期達(dá)到最低，嚴(yán)君等[43]的研究表明，土壤蔗糖酶活性隨大豆生長期表現(xiàn)為先升后降，出現(xiàn)結(jié)果不一致的原因是塊根膨大期木薯營養(yǎng)生長和生殖生長旺盛，對土壤氮素營養(yǎng)、含碳化合物的利用率高，土壤養(yǎng)分含量降低，土壤肥力水平下降導(dǎo)致土壤蔗糖酶活性降低。本研究中，施氮提高了硝酸還原酶活性，但后期生長過程中3 種氮素形態(tài)對硝酸還原酶活性的影響并無顯著差異，這可能與土壤pH、土壤水熱、土壤通氣狀況、土壤氮含量有關(guān)，具體原因還需進(jìn)一步研究探討。

4 結(jié)論

綜上所述，在湖南地區(qū)，施用銨態(tài)氮肥（T2）更有利于木薯SC9 株高和莖粗的增加，提高土壤有機(jī)質(zhì)，堿解氮含量，最利于木薯SC9 產(chǎn)量增加，且銨態(tài)氮明顯提高木薯干物率、淀粉含量。氮肥的不同形態(tài)對土壤酶的影響各不相同，還需進(jìn)一步研究植物生長期內(nèi)氮素形態(tài)對土壤酶的影響，進(jìn)而探索酶活性對產(chǎn)量的影響。