程萬(wàn)莉,樊廷錄,張建軍,趙 剛,黨 翼,王 磊,李尚中

(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所/甘肅省旱作區(qū)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

氮是植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的大量營(yíng)養(yǎng)元素，在作物產(chǎn)量和品質(zhì)形成中起著關(guān)鍵作用。同時(shí)，土壤氮又易于耗竭成為限制植物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)元素之一，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中單純追求作物產(chǎn)量，長(zhǎng)期單一過(guò)量施用化肥導(dǎo)致土壤理化性狀惡化，生物活性降低，引起土壤退化[1]，投入產(chǎn)出比降低[2]，尤其是無(wú)機(jī)氮過(guò)量導(dǎo)致地下水和植物體硝酸鹽含量超標(biāo)，作物品質(zhì)下降[3-5]。因此合理施氮是作物獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的關(guān)鍵措施。用有機(jī)肥替代部分無(wú)機(jī)肥是到2020年實(shí)現(xiàn)化肥零增長(zhǎng)目標(biāo)的一個(gè)重要途徑，不僅可減肥增效，提高養(yǎng)分資源利用效率，也可以有機(jī)促無(wú)機(jī)，提高化肥利用率，改良土壤肥力，提高土壤生物活性。近年來(lái)我國(guó)科研人員已針對(duì)不同有機(jī)替代方式及施肥管理措施對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化及酶活性的影響開(kāi)展了大量研究，但由于其變化受氣候條件、土壤質(zhì)地、施肥方式以及耕作制度等環(huán)境條件和人為活動(dòng)的影響很大，研究結(jié)果不盡相同[6-8]。

本研究始于2005年在隴東旱塬布設(shè)的等氮條件下長(zhǎng)期施用有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮的定位試驗(yàn)，探索等氮條件下長(zhǎng)期施用有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮對(duì)黑壚土土壤氮素轉(zhuǎn)化及土壤酶活性變化的影響，以探明用何種有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮更有利于改良黑壚土土壤肥力，提高酶活性，旨在為該區(qū)農(nóng)業(yè)投入實(shí)現(xiàn)化肥使用零增長(zhǎng)，確保黃土旱塬區(qū)糧食生產(chǎn)穩(wěn)定可持續(xù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于甘肅省鎮(zhèn)原縣上肖鄉(xiāng)梧桐村塬面上，屬黃土高原殘塬溝壑區(qū)，依托農(nóng)業(yè)部西北旱作營(yíng)養(yǎng)與施肥科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站(N 35°29′42″，E107°29′36″)進(jìn)行。該區(qū)平均海拔1 200 m，年平均氣溫8.7℃，全年無(wú)霜期285 d，年平均降水量520 mm，降水量少且季節(jié)分布不均，主要集中在7～9月，地下水埋深80 m，無(wú)灌溉水源，屬半濕潤(rùn)偏旱區(qū)，是典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。供試土壤為發(fā)育良好的覆蓋黑壚土。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)0～20 cm土壤養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)11.70 g/kg、全氮0.98 g/kg、全磷0.68 g/kg、全鉀33.6 g/kg、堿解氮60.3 mg/kg、有效磷10.7 mg/kg、速效鉀121.2 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

等氮條件下長(zhǎng)期施用有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮定位試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理(表1)，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，分別為CK(不施肥)，CF(單施無(wú)機(jī)肥)、FM(農(nóng)家肥+無(wú)機(jī)肥)、FS(小麥秸稈+無(wú)機(jī)肥)、FB(生物有機(jī)肥+無(wú)機(jī)肥)。肥料施用量除CK處理外,FS、FM和FB處理是在等氮、磷的條件下，根據(jù)相應(yīng)有機(jī)物料所含氮、磷量乘以其施用量，得到所施用有機(jī)物料的總氮、磷含量，其不足180 kg/hm2氮和不足105 kg/hm2磷的部分養(yǎng)分用化肥氮、磷補(bǔ)足。小區(qū)面積24 m2(4 m×6 m)。無(wú)機(jī)氮肥為尿素(N 46%)，基肥∶追肥質(zhì)量比為7∶3，追肥于返青期施入；磷肥為過(guò)磷酸鈣(P2O512%)，一次性基肥施入；生物有機(jī)肥養(yǎng)分含量為：N 5.0%、P2O52.5%,有機(jī)質(zhì)≥45%，有效活菌數(shù)≥2億個(gè)/g，腐植酸≥10%，一次性基肥施入；農(nóng)家肥即土糞，由豬糞與干土混勻自然堆制而成，其養(yǎng)分含量為：有機(jī)質(zhì)14.7%，N 0.27%，P2O50.25%，一次性基肥施入；小麥秸稈養(yǎng)分含量為：N 0.93%，P2O50.36%，于每年夏休閑期結(jié)合土壤耕翻施入。采用冬小麥連作種植模式，供試冬小麥品種為“隴鑒301”，每年9月下旬播種，次年6月下旬收獲，一年一熟。各處理定期除草松土，除肥料種類不同外，其它栽培管理措施同大田。

表1 肥料種類及用量 (kg/hm2)

1.3 測(cè)定方法

供試土壤于2017年6月小麥?zhǔn)斋@前，采用對(duì)角線5點(diǎn)混合采樣法，用土鉆按0～10和10～20 cm分層采集土壤樣品，將采集的土樣混合，一部分裝于無(wú)菌采樣袋，置于裝有冰袋的保溫盒帶回實(shí)驗(yàn)室，過(guò)2 mm篩后4℃保存，用于測(cè)定土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、微生物生物量氮(SMN)和熒光素二乙酸酯(FDA)水解酶；另一部分風(fēng)干過(guò)篩，用于測(cè)定土壤脲酶、硝酸還原酶以及全氮、pH值、有機(jī)質(zhì)。

土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法；土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮采用1 mol/L KCl浸提，流動(dòng)注射儀測(cè)定；SMN采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法(FE)測(cè)定，換算系數(shù)為0.45；脲酶采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法；FDA水解酶采用熒光素二乙酸酯比色法；硝酸還原酶采用酚二磺酸比色法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究所列結(jié)果為3次重復(fù)測(cè)定值的平均值，數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2016整理后，采用SPSS 22軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析，多重比較采用Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 等氮條件下長(zhǎng)期施用有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮對(duì)土壤基本理化性質(zhì)的影響

等氮下長(zhǎng)期有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表2。與長(zhǎng)期連作不施肥處理(CK)相比，用有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮及單施化肥處理(CF)均可明顯提高0～20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量和C/N值，降低pH值。土壤有機(jī)質(zhì)含量在0～10 cm土層由大到小為FB>FM>FS>CF>CK，其中FB處理有機(jī)質(zhì)含量最高，分別較CK和CF增加13.62%、10.13%。10～20 cm變化趨勢(shì)與0～20 cm土層一致，F(xiàn)B處理有機(jī)質(zhì)含量較CK增加24.18%，較CF增加13.72%。各處理上土層有機(jī)質(zhì)含量高于下土層。

土壤C/N上下土層呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，0～10 cm土層由大到小依次為FB>FS>FM>CK>CF，10～20 cm土層為FM>FS>FB>CF>CK。

土壤pH值在0～10和10～20 cm土層均為CK顯著高于其它施肥處理，CF最低，用有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮的處理pH值略高于CF，但差異不顯著。

表2 等氮條件下長(zhǎng)期施用有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮對(duì)土壤基本理化性質(zhì)的影響

注：在同一列中，相同小寫(xiě)字母表示各指標(biāo)在不同施肥處理下差異不顯著(F

2.2 等氮條件下長(zhǎng)期施用有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮對(duì)土壤氮含量的影響

等氮下長(zhǎng)期有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和微生物生物量氮在兩個(gè)土層的含量見(jiàn)表3。全氮含量在0～10和10～20 cm土層均表現(xiàn)為上層高于下層，施肥處理顯著高于不施肥處理，用有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮處理高于CF，其中FB含量最高，其次為FM、FS。

土壤銨態(tài)氮含量在0～10 cm土層為1.42～2.35 mg/kg，與CK相比，施肥處理顯著增加了土壤銨態(tài)氮含量，增幅達(dá)到49.30%～65.49%，其中FB處理土壤銨態(tài)氮含量增幅最大，顯著高于CF，較CF增加10.85%。10～20 cm土層中銨態(tài)氮的含量為1.23～2.20 mg/kg，含量大小依次為FB>FM>FS>CF>CK。各個(gè)處理土壤銨態(tài)氮含量均表現(xiàn)為上層高于下層。

土壤硝態(tài)氮含量在0～10和10～20 cm土層變化趨勢(shì)一致，均為FB>FM>FS>CF>CK。與CF相比，長(zhǎng)期用有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮上層和下層土壤硝態(tài)氮含量分別增加15.52%～31.83%、21.26%～26.35%。所有處理上層土壤硝態(tài)氮含量均高于下層。

0～10 cm土層微生物生物量氮含量范圍為59.39～94.45 mg/kg。FB含量最高，比CF增加43.95%，F(xiàn)M和FS分別較CF增加25.65%、24.02%，CK較CF降低10.47%。10～20 cm土層微生物生物量氮的含量范圍是38.66～83.75 mg/kg，均低于上層土壤，含量順序與上層土壤一致，由高到低依次是FB>FM>FS>CF>CK。

相關(guān)性分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，銨態(tài)氮與微生物生物量氮呈極顯著正相關(guān)，全氮和微生物生物量氮顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.77和0.65。

表3 等氮條件下長(zhǎng)期施用有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮對(duì)土壤氮含量的影響

2.3 等氮條件下長(zhǎng)期施用有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮對(duì)土壤酶的影響

2.3.1 對(duì)土壤脲酶活性的影響

土壤脲酶是一種專性水解酶，與土壤氮素轉(zhuǎn)化利用關(guān)系密切，酶促反應(yīng)產(chǎn)物氨是植物氮素的主要來(lái)源，其活性是衡量土壤氮素水平的重要指標(biāo)之一。各處理脲酶活性如圖1所示。0～10 cm土層，脲酶活性順序?yàn)镕B>FM>FS>CF>CK，與CK相比，施肥處理增幅為185%～138%；與CF相比，用有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮的FB、FM和FS增幅分別為134%、116%和104%。10～20 cm土層，F(xiàn)B、FM、FS和CF分別較CK增幅為225%、150%、166%和144%，F(xiàn)B、FM和FS分別較CF增幅為157%、104%和115%。脲酶在0～10 cm土層的活性顯著高于10～20 cm。

圖1 等氮條件下長(zhǎng)期施用有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮對(duì)土壤脲酶活性的影響注：不同小寫(xiě)字母表示差異達(dá)5%顯著水平，下同。

2.3.2 對(duì)土壤硝酸還原酶活性的影響

硝酸還原酶是反硝化過(guò)程需要的一種重要的酶，是在嫌氣條件下將土壤中硝酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)閬喯跛猁}的限速酶和調(diào)節(jié)酶，通過(guò)影響土壤氮素的轉(zhuǎn)化強(qiáng)度，從而影響植物氮代謝和生長(zhǎng)發(fā)育[9]。如圖2所示，0～10 cm土層，F(xiàn)B和FS處理硝酸還原酶活性顯著高于CK和CF，其中FB活性最高，較CF和CK增幅分別為6.94%和19.12%。10～20 cm土層，土壤硝酸還原酶的活性為有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮的處理顯著高于CF和CK，由大到小依次為FB>FS>FM>CF>CK。兩個(gè)土層之間，土壤硝酸還原酶活性為上層低于下層。

圖2 等氮條件下長(zhǎng)期施用有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮對(duì)土壤硝酸還原酶活性的影響

2.3.3 對(duì)土壤FDA水解酶活性的影響

熒光素二乙酸酯(FDA)水解酶能夠很好地反應(yīng)土壤生物的活性，間接影響土壤氮素的轉(zhuǎn)化，因此被認(rèn)為是土壤健康質(zhì)量的生物學(xué)指標(biāo)之一[10]。如圖3所示，0～10 cm土層，用有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮處理的FDA水解酶活性顯著高于CF和CK，F(xiàn)B、FM和FS分別較CF增幅為114%、111%和111%，分別較CK增幅為116%、113%和113%，但3種有機(jī)物料氮處理間差異不顯著。10～20 cm土層，土壤FDA水解酶活性為FB>FS>FM>CF>CK，有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮的處理均顯著高于CK和CF，且CF活性低于CK。所有處理上層土壤FDA水解酶活性均顯著高于下層。

圖3 等氮條件下長(zhǎng)期施用有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮對(duì)土壤FDA水解酶活性的影響

2.4 土壤氮素形態(tài)和相關(guān)酶活性之間的相關(guān)性分析

如表4所示，脲酶和全氮、微生物生物量氮極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.88和0.80，與銨態(tài)氮顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.72。硝酸還原酶與銨態(tài)氮顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.62。FDA水解酶活性與全氮、銨態(tài)氮和微生物生物量氮極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.79、0.75和0.89。

表4 等氮條件下長(zhǎng)期施用有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮土壤酶活性與氮素含量的相關(guān)系數(shù)

注：*表示P<0.05，**表示P<0.01。

3 討論

3.1 等氮條件下長(zhǎng)期施用有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮對(duì)土壤氮素含量和分布的影響

本研究結(jié)果表明，連續(xù)12年用不同種類的有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮顯著提高了土壤中不同形態(tài)氮素的含量。不同施肥處理土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和微生物生物量氮含量整體表現(xiàn)是施肥處理高于不施肥，有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮的處理高于單施化肥的處理，不同有機(jī)物料氮的處理由大到小為FB>FM>FS。這主要是因?yàn)椋?)有機(jī)物料氮含有大量的有效碳源，特別是施用生物有機(jī)肥，相當(dāng)于接種微生物于土壤中，可提高土壤微生物活性及其生物量，促使微生物同化更多銨態(tài)氮，顯著提高土壤中銨態(tài)氮含量[11-12]；2)長(zhǎng)期施用有機(jī)物料氮后土壤pH值略高于單施化肥，可激發(fā)自養(yǎng)硝化，提高硝態(tài)氮含量[13-14]；3)有機(jī)物料氮的施用提高了異養(yǎng)硝化過(guò)程，可促進(jìn)銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)變的氧化作用，提高硝態(tài)氮含量[15]。

各處理0～10 cm土層不同形態(tài)氮含量均顯著高于10～20 cm，這一方面是由于植物凋落物主要分布在上層，另一方面是因?yàn)橹参锔导蟹植荚谙聦?，可吸收利用大量氮素，減少積累量。

3.2 等氮條件下長(zhǎng)期施用有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮對(duì)土壤酶活性的影響

植物-土壤-根際微生物組成了極其復(fù)雜的土壤微生態(tài)系統(tǒng)，在種植制度、耕作方式、作物根系分泌物和土壤背景值相同的條件下，肥料種類及施用量能夠影響土壤微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)、生理類群及酶活性[16-18]。在本研究中，長(zhǎng)期用生物有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮的處理土壤脲酶、硝酸還原酶和熒光素二乙酸酯水解酶活性最高，顯著高于不施肥和單施化肥處理。前人已有研究認(rèn)為，土層越深土壤酶的活性越低[19]。這主要是因?yàn)樵谕寥郎蠈?，植物根系、根系周圍及有機(jī)殘?bào)w等含有大量的酶原，植物根系、土壤動(dòng)物和微生物的種類和數(shù)量越多，生理活性越強(qiáng)，就會(huì)釋放出更多的酶[20]。本研究中上層土壤中的脲酶和熒光素二乙酸酯水解酶活性顯著高于下層，而硝酸還原酶活性為上層低于下層，這可能是因?yàn)橄聦油寥揽諝夂康?，更有利于反硝化作用的進(jìn)行。

脲酶活性和銨態(tài)氮顯著相關(guān)，與全氮和微生物生物量氮極顯著相關(guān)。這是由于脲酶的主要作用是將尿素轉(zhuǎn)化為銨，其活性越高轉(zhuǎn)換能力越強(qiáng)，銨態(tài)氮含量就越高。土壤脲酶活性變化與銨態(tài)氮含量變化基本一致，這與前人研究結(jié)果一致[21]。Eivazi[22]研究也發(fā)現(xiàn)微生物生物量氮與脲酶活性極顯著相關(guān)。熒光素二乙酸酯水解酶活性與全氮、銨態(tài)氮和微生物生物量氮極顯著相關(guān)，這與馬星竹[23]在長(zhǎng)期施肥的黑土和棕壤上熒光素二乙酸酯水解酶活性變化的相關(guān)研究結(jié)果一致。已有研究認(rèn)為速效氮是影響土壤硝酸還原酶活性的主要因素[24]，也有研究認(rèn)為硝態(tài)氮濃度增加會(huì)激活反硝化進(jìn)程，提高硝酸還原酶活性[25]，而本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)硝酸還原酶活性僅與土壤銨態(tài)氮含量顯著相關(guān)，這主要是因?yàn)橥寥烂富钚允苤T多因素影響，有關(guān)硝酸還原酶活性與氮素形態(tài)的相關(guān)性尚需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

與長(zhǎng)期不施肥和單施化肥相比，用不同有機(jī)物料氮替代部分無(wú)機(jī)氮對(duì)土壤不同形態(tài)氮素含量和酶活性均具有積極促進(jìn)作用。其中，采用33.33%生物有機(jī)肥替代無(wú)機(jī)氮肥(FB處理)土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和微生物生物量氮含量及脲酶、硝酸還原酶和熒光素二乙酸酯水解酶活性均最高。這表明，在隴東旱塬黑壚土農(nóng)業(yè)區(qū)實(shí)現(xiàn)有機(jī)替代的最佳有機(jī)物料為生物有機(jī)肥。

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