王 楠，徐俊平，趙志祎，李玉璽，姚 凱，王 帥*

(1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 植物科學(xué)學(xué)院，吉林 吉林 132101； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，北京 100193)

氮素形態(tài)配比對(duì)添加玉米秸稈白漿土微生物學(xué)特性的影響

王 楠1，徐俊平1，趙志祎2，李玉璽1，姚 凱1，王 帥1*

(1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 植物科學(xué)學(xué)院，吉林 吉林 132101； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，北京 100193)

探討了不同氮素形態(tài)配比(銨態(tài)氮∶硝態(tài)氮為4∶1、1∶1、 1∶4)對(duì)添加玉米秸稈白漿土酶活性以及微生物生物量碳、氮含量的影響，以期篩選對(duì)于白漿土微生物學(xué)特性有優(yōu)化作用的最佳氮素形態(tài)配比。結(jié)果表明，隨培養(yǎng)時(shí)間增加，添加玉米秸稈的所有銨態(tài)氮與硝態(tài)氮配比處理白漿土的脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶、蛋白酶和過(guò)氧化氫酶活性以及微生物生物量碳、氮含量均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)。與培養(yǎng)初始時(shí)相比，培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，除了過(guò)氧化氫酶活性有較大程度提高外，其余酶活性及微生物生物量碳、氮含量均不同程度地下降。與其他2個(gè)處理相比，銨硝等比例混合處理土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶活性以及微生物生物量碳、氮含量的下降程度在一定程度上得到緩沖；同時(shí)，其對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的促進(jìn)作用更強(qiáng)。比較培養(yǎng)初始和培養(yǎng)結(jié)束時(shí)的結(jié)果可知，以硝態(tài)氮為主的處理對(duì)添加玉米秸稈白漿土的脲酶、蔗糖酶活性及微生物生物量氮含量有較強(qiáng)的抑制作用，而以銨態(tài)氮為主的處理則對(duì)堿性磷酸酶、蛋白酶、過(guò)氧化氫酶活性及微生物生物量碳含量有較強(qiáng)的抑制作用。

氮素形態(tài)； 白漿土； 微生物學(xué)特性； 酶活性； 微生物生物量

秸稈還田是最為常見(jiàn)的土壤培肥方法，但無(wú)論秸稈以何種方式還田，都必須輔以適量氮素才能發(fā)揮微生物轉(zhuǎn)化的優(yōu)勢(shì)作用。就氮素而言，土壤中利于植物吸收、微生物利用的速效氮形態(tài)主要有銨態(tài)氮和硝態(tài)氮2種[1]，其中后者是一種更為耗能的無(wú)機(jī)氮形態(tài)，用量較大時(shí)易引發(fā)土壤反硝化作用致使氮素以N2、NO和N2O形式損失，對(duì)植物而言又易造成體內(nèi)硝酸鹽積累。而銨態(tài)氮施用過(guò)量會(huì)抑制植物對(duì)K+、Ca2+的吸收，進(jìn)而引起植物體內(nèi)多方面的代謝失調(diào)，使植物發(fā)生銨中毒[2]?？梢?jiàn)，2種氮素形態(tài)單施哪一類(lèi)都會(huì)有些許弊端，因此，在秸稈還田過(guò)程中施用氮素應(yīng)盡量考慮兩者的配比。

微生物對(duì)于銨態(tài)氮和硝態(tài)氮有著不同的偏好性，2種氮素形態(tài)間配比的改變會(huì)引起土壤微生物學(xué)特性的改變，該微生物特性涵蓋微生物生物量及酶活性?xún)煞矫鎯?nèi)容，兩者皆為土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分周轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因子[3]。因此，氮素形態(tài)配比的改變會(huì)對(duì)土壤生物肥力產(chǎn)生影響。張平等[4]研究表明，氮素形態(tài)間配比的改變能夠引起微生物活性的改變，間接對(duì)土壤有機(jī)碳礦化分解程度產(chǎn)生影響。李強(qiáng)[5]研究表明，銨硝比為1∶1或3∶1時(shí)更有利于土壤脲酶活性的提高。馬宗斌等[6]認(rèn)為，施用銨態(tài)氮肥處理的小麥根際土壤蛋白酶活性高于硝態(tài)氮肥處理。另有報(bào)道指出，不同形態(tài)氮肥配施可有效改善土壤微生物區(qū)系，硝態(tài)氮肥有利于土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量的提高[7]；而銨態(tài)氮肥比例增加可有效提高土壤中真菌數(shù)量和脲酶、中性磷酸酶活性[2]。此外，土壤中不同氮素形態(tài)間的相互作用亦會(huì)對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)產(chǎn)生一定影響[8-9]。綜上，氮素形態(tài)間的合理配比能夠改善微生物學(xué)特性，提高秸稈還田土壤養(yǎng)分有效性，促進(jìn)腐殖化進(jìn)程。

然而，如何調(diào)控銨態(tài)氮和硝態(tài)氮間的配比來(lái)提高微生物活性，使微生物學(xué)特性更符合秸稈還田培肥地力的實(shí)際情況，并未見(jiàn)系統(tǒng)性報(bào)道。為此，采用室內(nèi)培養(yǎng)法，在氮素用量相同且不栽種任何作物的前提下，研究不同氮素形態(tài)配比對(duì)添加玉米秸稈白漿土微生物學(xué)特性的影響，旨在探索秸稈還田條件下不同氮素形態(tài)的適宜配比，為氮素多形態(tài)摻混化肥的研制提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

白漿土于2015年3月取自吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院北大地玉米試驗(yàn)田(126°28′48.66″ E、43°57′34.85″ N)，經(jīng)風(fēng)干、粉碎后過(guò)0.25 mm篩；玉米秸稈于2015年11月采收于吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院西側(cè)玉米試驗(yàn)田，帶回實(shí)驗(yàn)室后在55 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，粉碎過(guò)0.25 mm篩。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于同等氮素添加量(200 mg/kg)，試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)不同氮素形態(tài)配比處理，即銨態(tài)氮∶硝態(tài)氮(摩爾比)分別為4∶1(AD)、1∶1(AN)、1∶4(ND)，氮素形態(tài)主要來(lái)源為NH4Cl、NH4NO3和NaNO3。按照質(zhì)量比7∶3稱(chēng)取白漿土和玉米秸稈粉末，然后將兩者充分混勻。用蒸餾水將各處理含氮試劑溶解并噴灑于混料中，使其含水量達(dá)到田間持水量的80%，混勻后，取150 g(按照混料干質(zhì)量計(jì))裝入250 mL塑料燒杯中，用可透氣的塑料薄膜封口，置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每隔48 h對(duì)樣品進(jìn)行稱(chēng)量并補(bǔ)足水分，確保恒濕條件。培養(yǎng)后0、15、30、60、90、120、180 d取樣，各時(shí)間點(diǎn)均設(shè)置3個(gè)重復(fù)，從所取樣品中稱(chēng)取一部分直接置于4 ℃冰箱中保存，用于微生物生物量碳、氮含量的測(cè)定；剩余部分風(fēng)干后磨碎，過(guò)0.25 mm篩，裝入玻璃磨口瓶中，用于土壤酶活性測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 酶活性 脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶、過(guò)氧化氫酶和蛋白酶活性分別采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法、磷酸苯二鈉比色法、3，5-二硝基水楊酸比色法、高錳酸鉀滴定法和茚三酮比色法進(jìn)行測(cè)定[10]。

1.3.2 微生物生物量碳、氮含量 微生物生物量碳、氮的浸提采取氯仿熏蒸—K2SO4浸提法進(jìn)行[11]。稱(chēng)取一定數(shù)量4 ℃冰箱中保存的土壤樣品，分別在氯仿熏蒸前后用K2SO4溶液浸提，提取液中有機(jī)碳含量采用K2Cr2O7氧化法測(cè)定；提取液中全氮含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定。微生物生物量碳含量=EC/KC，其中，EC為未熏蒸與熏蒸土壤浸提有機(jī)碳含量的差值，KC為轉(zhuǎn)換系數(shù)(取值0.38)；微生物生物量氮含量=EN/KN，其中EN為熏蒸與未熏蒸土壤浸提全氮含量的差值，KN為轉(zhuǎn)換系數(shù)(取值0.45)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003處理，采用SPSS 18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮素形態(tài)配比對(duì)添加玉米秸稈白漿土酶活性的影響

2.1.1 脲酶活性 作為參與土壤氮循環(huán)的關(guān)鍵酶，脲酶可加速土壤中潛在氮素的有效化，與土壤供氮水平密切相關(guān)[12]。由圖1可知，隨著培養(yǎng)時(shí)間增加，3個(gè)處理脲酶活性均呈先增加后降低的趨勢(shì)，脲酶活性表現(xiàn)為AD>AN>ND。對(duì)于AD和AN 2個(gè)處理，在培養(yǎng)0～30 d時(shí)，脲酶活性隨培養(yǎng)時(shí)間增加有所升高，30 d時(shí)最高，較培養(yǎng)初始時(shí)分別增加6.8%和4.5%，之后降低。對(duì)于ND處理，在培養(yǎng)0～15 d時(shí)，脲酶活性隨著培養(yǎng)時(shí)間增加有所提高，15 d時(shí)最高，較培養(yǎng)初始時(shí)提高3.2%，之后降低。在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，與培養(yǎng)初始時(shí)相比，脲酶活性均受到不同程度的抑制，AD、AN、ND處理脲酶活性的降低幅度分別為15.5%、13.3%、22.4%。

綜上，當(dāng)添加的氮素中銨態(tài)氮占50%以上(AD和AN)時(shí)，脲酶活性提高并能維持至培養(yǎng)后30 d。當(dāng)添加的氮素中硝態(tài)氮占優(yōu)勢(shì)時(shí)，脲酶活性亦有所提高，但僅能維持至15 d，即硝態(tài)氮在維持土壤脲酶活性方面的能力較弱。

圖1 氮素形態(tài)配比對(duì)添加玉米秸稈白漿土脲酶活性的影響

2.1.2 堿性磷酸酶活性 堿性磷酸酶活性能夠表示土壤有機(jī)磷的轉(zhuǎn)化狀況，其酶促作用產(chǎn)物是土壤有效磷的重要來(lái)源[12]。由圖2可知，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，3個(gè)處理堿性磷酸酶活性的變化趨勢(shì)大體相似，均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，總體上，堿性磷酸酶活性表現(xiàn)為AD>AN>ND。以銨態(tài)氮占優(yōu)的供氮處理AD在培養(yǎng)15 d時(shí)，堿性磷酸酶活性達(dá)到峰值[0.75 mg/(g·d)]，而后逐漸降低。AN和ND處理堿性磷酸酶活性變化相對(duì)平穩(wěn)，最大值均出現(xiàn)在培養(yǎng)30 d時(shí)，隨后逐漸降低。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，脲酶活性均受到不同程度的抑制，與培養(yǎng)初始時(shí)相比，AD、AN、ND 處理脲酶活性的降低幅度分別為9.8%、5.9%、8.7%。這一結(jié)果表明，以銨態(tài)氮為主的處理盡管在培養(yǎng)初期使堿性磷酸酶活性有所提高，但最終使其活性受到抑制的程度最大，其次是硝態(tài)氮占優(yōu)的處理，而銨硝等比例混合處理則更有利于減緩堿性磷酸酶活性的下降程度。

圖2 氮素形態(tài)配比對(duì)添加玉米秸稈白漿土堿性磷酸酶活性的影響

2.1.3 蔗糖酶活性 蔗糖酶能夠催化蔗糖水解過(guò)程，生成葡萄糖和果糖，其活性強(qiáng)弱能夠反映土壤熟化程度和肥力水平，是土壤參與有機(jī)碳循環(huán)的重要轉(zhuǎn)化酶[12-13]。由圖3可見(jiàn)，隨培養(yǎng)時(shí)間增加，3個(gè)處理蔗糖酶活性總體均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，培養(yǎng)60 d內(nèi)，蔗糖酶活性表現(xiàn)為AD>AN>ND，之后表現(xiàn)為AN>AD>ND。在AD和AN處理?xiàng)l件下，蔗糖酶活性的峰值出現(xiàn)在培養(yǎng)30 d時(shí)，而ND處理出現(xiàn)在培養(yǎng)15 d時(shí)，盡管在各處理?xiàng)l件下，蔗糖酶活性均經(jīng)歷峰值，但與培養(yǎng)初始時(shí)相比，培養(yǎng)結(jié)束時(shí)蔗糖酶活性均受到不同程度抑制，AD、AN、ND處理蔗糖酶活性的降低幅度分別達(dá)到7.2%、5.8%、9.8%。另外，在培養(yǎng)90 d后，以銨態(tài)氮為主的處理氮素受到硝化作用影響，氮素形態(tài)會(huì)逐漸向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，受其影響蔗糖酶活性也會(huì)有所下降，此時(shí)，銨硝等比例混合處理更有益于減緩秸稈-白漿土混料中蔗糖酶活性的下降趨勢(shì)。

圖3 氮素形態(tài)配比對(duì)添加玉米秸稈白漿土蔗糖酶活性的影響

2.1.4 蛋白酶活性 作為水解蛋白質(zhì)肽鍵的一類(lèi)酶的總稱(chēng)，蛋白酶廣泛存在于植物莖葉和微生物中。由圖4可知，隨培養(yǎng)時(shí)間增加，3個(gè)處理蛋白酶活性均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)。在培養(yǎng)0～30 d時(shí)，以銨態(tài)氮為主的處理對(duì)蛋白酶活性的提高幅度最大，達(dá)到2.4%，其次是銨硝等比例混合處理；3個(gè)處理蛋白酶活性均在培養(yǎng)30 d時(shí)達(dá)到峰值；隨后，銨態(tài)氮?dú)v經(jīng)硝化作用，其不斷被氧化成硝態(tài)氮，因微生物對(duì)硝態(tài)氮的親和力較差，因此，AD和ND 2個(gè)處理蛋白酶活性均大幅降低。相反，銨硝等比例混合處理更易穩(wěn)定氧化還原電位，在促進(jìn)微生物活性的同時(shí)，通過(guò)硝態(tài)氮的反硝化作用，使其充當(dāng)氧化劑來(lái)加速腐殖化進(jìn)程，能夠在較大程度上緩解蛋白酶活性的下降趨勢(shì)。在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，與培養(yǎng)初始時(shí)相比，AD、AN和ND處理蛋白酶活性均不同程度地下降，降幅分別為6.0%、2.9%和5.8%?？梢?jiàn)，銨硝等比例混合處理在改善蛋白酶活性方面的作用最佳。

圖4 氮素形態(tài)配比對(duì)添加玉米秸稈白漿土蛋白酶活性的影響

2.1.5 過(guò)氧化氫酶活性 過(guò)氧化氫酶可由植物根系或土壤微生物分泌，用于表征土壤生物氧化過(guò)程的強(qiáng)弱[2]，其可清除植物體內(nèi)多余的H2O2，從而使細(xì)胞免受毒害，是生物防御體系的關(guān)鍵酶之一。由圖5可知，隨培養(yǎng)時(shí)間增加，3個(gè)處理過(guò)氧化氫酶活性均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，過(guò)氧化氫酶活性總體表現(xiàn)為AN>AD>ND。ND處理過(guò)氧化氫酶活性的峰值出現(xiàn)在培養(yǎng)120 d，而AD和AN處理可使該酶活性峰值提早至培養(yǎng)90 d時(shí)出現(xiàn)。在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，與培養(yǎng)初始時(shí)相比，各處理過(guò)氧化氫酶活性均不同程度地增加，AD、AN和ND處理的增幅分別為40.1%、64.5%和53.3%。

上述結(jié)果表明，微生物在3種氮素形態(tài)配比(AD、AN和ND)條件下均能有效促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)H2O2的分解，使其在培養(yǎng)90 d或120 d時(shí)達(dá)到最佳效果，而后隨微生物活性減弱而受到抑制。綜合來(lái)看，銨硝等比例混合處理更有利于過(guò)氧化氫酶活性的整體提高，其次是硝態(tài)氮為主的處理，而以銨態(tài)氮為主的處理最差。

圖5 氮素形態(tài)配比對(duì)添加玉米秸稈白漿土過(guò)氧化氫酶活性的影響

2.2 氮素形態(tài)配比對(duì)添加玉米秸稈白漿土微生物生物量碳、氮含量的影響

2.2.1 微生物生物量碳含量 微生物生物量碳可參與調(diào)控土壤有機(jī)質(zhì)的分解及養(yǎng)分的循環(huán)，因此，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)功能的維系起到至關(guān)重要的作用[14]。由圖6可知，隨培養(yǎng)時(shí)間增加，3個(gè)處理微生物生物量碳含量均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，微生物生物量碳含量總體表現(xiàn)為AN>AD>ND。在培養(yǎng)0～15 d時(shí)，以銨態(tài)氮為主的處理更有利于微生物生物量碳含量的增加，而硝態(tài)氮占優(yōu)勢(shì)的處理增加效果最弱；在培養(yǎng)15 d時(shí)，3個(gè)處理微生物生物量碳含量均達(dá)到峰值，這說(shuō)明微生物在外源氮素供應(yīng)下活性得以提高，數(shù)量得到擴(kuò)增，從而引起微生物生物量碳含量的增加；之后，各處理微生物生物量碳含量均下降，AD處理下降幅度最大，其次為ND處理。與培養(yǎng)初始時(shí)相比，培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，AD、AN和ND處理微生物生物量碳含量均不同程度地下降，降低幅度分別為53.0%、32.8%和49.3%。綜上，銨硝等比例混合處理更有利于微生物生物量碳含量的保蓄。

圖6 氮素形態(tài)配比對(duì)添加玉米秸稈白漿土微生物生物量碳含量的影響

2.2.2 微生物生物量氮含量 微生物生物量氮是土壤有機(jī)態(tài)氮中最為活躍的組分[15]，可作為土壤潛在氮庫(kù)中最為重要的氮源[16]。由圖7可知，隨培養(yǎng)時(shí)間增加，3個(gè)處理微生物生物量氮含量均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，微生物生物量氮含量總體表現(xiàn)為AN>AD>ND。在培養(yǎng)0～30 d時(shí)，3個(gè)處理微生物生物量氮含量較高，并較平穩(wěn)；之后，3個(gè)處理微生物生物量氮含量驟然降低。AD和ND處理微生物生物量氮含量的峰值均出現(xiàn)在培養(yǎng)15 d時(shí)，而銨硝等比例混合處理微生物生物量氮含量的峰值出現(xiàn)在培養(yǎng)30 d時(shí)。與培養(yǎng)初始時(shí)相比，培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，AD、AN和ND處理微生物生物量氮含量均不同程度地下降，降幅分別為67.4%、55.6%和71.0%。相比之下，銨硝等比例混合處理更有利于減緩微生物生物量氮的損耗。

圖7 氮素形態(tài)配比對(duì)添加玉米秸稈白漿土微生物生物量氮含量的影響

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，添加玉米秸稈的所有銨態(tài)氮與硝態(tài)氮配比處理白漿土的脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶、蛋白酶和過(guò)氧化氫酶活性以及微生物生物量碳、氮含量均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)。與培養(yǎng)初始時(shí)相比，培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，除了過(guò)氧化氫酶活性有較大程度提高外，其余酶活性及微生物生物量碳、氮含量均不同程度地下降。這些結(jié)果表明，在培養(yǎng)初期，微生物在氮素供應(yīng)充分的條件下，對(duì)新添加的秸稈進(jìn)行較為強(qiáng)烈地礦化，使結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的有機(jī)碳分解，不斷釋放速效養(yǎng)分使微生物易于獲取能量[16]，微生物在攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)后迅速合成細(xì)胞物質(zhì)，繁衍速度增加，進(jìn)而提高了微生物量碳、氮含量及相關(guān)酶活性。然而，隨著秸稈中易于分解的有機(jī)碳成分減少以及養(yǎng)分漸趨耗竭，加之微生物活性的自然衰退，上述微生物學(xué)特性指標(biāo)降低。

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Effect of Ratios of Nitrogen Forms on Microbiological Characteristics of Albic Soil Amended with Corn Stalk

WANG Nan1,XU Junping1,ZHAO Zhiyi2,LI Yuxi1,YAO Kai1,WANG Shuai1*

(1.College of Plant Science,Jilin Agricultural Science and Technology University,Jilin 132101,China;2.College of Agronomy and Biotechnology,China Agricultural University,Beijing 100193,China)

nitrogen forms; albic soil; microbiological characteristics; enzyme activity; microbial biomass

2016-11-20

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(吉教科合字[2015]第375號(hào))；吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院博士啟動(dòng)基金(吉農(nóng)院合字[2016]第B03號(hào))；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401251)；吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院重點(diǎn)學(xué)科培育項(xiàng)目(吉農(nóng)院合字[2015]第X004號(hào))

王 楠(1982-)，女，吉林九臺(tái)人，講師，博士，主要從事土壤肥力調(diào)控研究。E-mail:wangnan664806@126.com

*通訊作者：王 帥(1982-)，男，吉林通化人，副教授，博士，主要從事土壤生物及環(huán)境化學(xué)研究。 E-mail:wangshuai419@126.com

S153.1

A

1004-3268(2017)06-0056-06