再生水地下滴灌對玉米生育期土壤脲酶活性和硝態氮的影響

仇振杰，李久生，趙偉霞(中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100048)

0 引 言

隨著城市化進程地快速推進，再生水已成為一種可利用水源[1]，同時再生水大量用于農田灌溉已成為緩解農業用水的重要舉措[2]。Chen[3]等通過對美國加州長期利用再生水灌溉樣地調查研究指出，脲酶、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶、脫氫酶和過氧化氫酶活性可以作為評價長期再生水灌溉土壤微生物效應的指標。其中脲酶參與尿素水解，生成銨和二氧化碳[4],對土壤氮素循環有重大作用，可以表征土壤氮素狀況[5]。Das和Varma[6]研究指出土壤脲酶主要來源于植物和微生物，并且脲酶活性在土壤中的分布受微生物群落和養分基質含量的影響[7]。與噴灌和地面灌相比，地下滴灌能夠降低土壤污染[8]，減少人畜與有害物質的接觸[9]，是較為安全的再生水灌溉方式[10]。然而地下滴灌滴灌帶埋設在地表以下，其水分養分運移規律不同于地表滴灌[11,12]，對作物根系和水分吸收模式的影響也與地表滴灌有較大差異[13,14]，因此地下滴灌技術參數必然會影響脲酶活性和養分在土壤中的分布。

硝態氮(NO-3-N)易隨土壤水分運移，是植物吸收的主要氮素來源[15]。土壤氮素作為土壤養分中最重要的成分與脲酶活性關系密切。郭永盛等研究指出施氮肥能夠顯著增加荒漠草原生態系統的土壤脲酶活性[5]。李東坡[16]等研究表明，長期不同培肥黑土的土壤脲酶活性與土壤全氮、硝態氮、速效氮和堿解氮均有極顯著正相關關系。Kang[17]等對不同滴灌年限的鹽堿地酶活性和養分進行研究，指出脲酶活性和速效氮由不相關向極顯著正相關轉變，而竇超銀[18]等對多年膜下滴灌的鹽堿地進行采樣，發現脲酶活性與速效氮成顯著負相關。與上述研究結果不同，王燦等對長期不同施肥方式下土壤酶活性和養分的相關性進行研究，指出脲酶活性與硝態氮和銨態氮之間沒有顯著性關系。盡管前人對土壤脲酶活性和氮素的關系開展了大量研究，但均集中在作物生育期末的脲酶和氮素關系，而對作物生育期內兩者關系的變化研究較少。與此同時，地下滴灌條件下脲酶活性和硝態氮在土壤中的時空分布規律及其對灌溉技術參數的響應規律目前仍不清楚，再生水滴灌對土壤脲酶活性的影響研究仍較少。因此，研究再生水地下滴灌條件下的土壤脲酶活性及其與硝態氮分布間的關系十分必要，研究結果對揭示再生水地下滴灌養分運移規律，提高地下滴灌水肥管理水平具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗在國家節水灌溉北京工程技術研究中心大興試驗研究基地(N 39°39′，E 116°15′)進行。供試作物為玉米，品種為“京科389”。試驗于2014年6月16日-2014年9月27日和2015年5月5日-2015年9月2日進行。灌溉水質為二級再生水(水質指標見表1)，灌溉方式采用地下滴灌，灌水器間距0.4 m，滴灌帶間距1 m，1條滴灌帶控制2行玉米。試驗因素為灌水量和滴灌帶埋深，分別設置3個水平。其中，灌水量按照占作物需水量的不同比例設為70%、100%和130%，記為I1、I2和I3；滴灌帶埋深設為0、15和30 cm，記為D1、D2和D3。采用全組合試驗設計，共9個處理(I1D1、I1D2、I1D3、I2D1、I2D2、I2D3、I3D1、I3D2和I3D3)；另外，將地下水灌溉設置為對照處理，2014年灌水量為I2(2015年灌水量為I3)，滴灌帶埋深為0、15和30 cm，共3個處理，記為C1、C2和C3。每個處理3個重復小區，每個小區尺寸為4 m×10 m，共36個小區。

地下滴灌處理的作物需水量由計算時段內作物需水量ETc與有效降雨量P0(≥5 mm)的差值得到，當二者差值≥20 mm時進行灌水。2014和2015年玉米生育期內降雨量分別為276和219 mm，較大降雨均主要集中在7-9月。2014和2015年玉米生育期內參考作物騰發量ET0分別為424和431 mm，玉米騰發量ETc分別為359和365 mm(圖1)。

表1 再生水和地下水水質指標測試結果Tab.1 Test results of treated sewage effluent and groundwater

圖1 玉米生育期內降雨量和參考作物騰發量(ET0)Fig.1 Precipitation and reference crop evapotranspiration during the growing seasons of maize

1.2 灌水施肥

2014和2015年玉米生育期內的灌水施肥制度見表2。由表可知，2014和2015年分別灌水3次和6次；2014年I1、I2和I3分別灌水52.5、75和97.5 mm，2015年則分別灌水112、160和208 mm。2014年分別在4月27日、7月21日和8月3日施入純N 40、100和60 kg/hm2，并于4月27日施入P2O5150 kg/hm2。2015年未施入P2O5，分別在6月8日和6月30日施入純N 100和80 kg/hm2。肥料選用尿素(含氮量46.4%)和過磷酸鈣。除2014年4月27日肥料作為基肥在播前翻耕和平整過程一次施入，其余階段施肥時先將尿素在水中充分溶解，然后將肥液用比例施肥泵(Mis Rite Model 2504，Tefen)施入。

表2 玉米灌水與施肥制度Tab.2 Schedules of irrigation and fertilization for maize

1.3 土壤樣本采集

分別在玉米播種前(2014年6月6日，2015年5月1日)、苗期末(2015年6月8日)、拔節期(2014年7月20日，2015年6月20日)、抽穗期(2014年8月17日，2015年7月12日)、灌漿期(2014年9月1日，2015年8月3日)和成熟期(2014年9月26日，2015年9月2日)用土鉆在0～50 cm土層內分5層(0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm)取樣。每個小區設置1個采樣點，采樣點位于垂直滴灌帶方向距滴頭10 cm處。土樣采集后經仔細剔除雜質，一部分立即用105 ℃烘干法測定土壤含水率，剩余部分經過風干后研磨過1 mm篩，放入自封袋保存。

1.4 測試項目與分析方法

土壤脲酶活性測定依據《土壤酶及其研究法》[19]采用靛酚藍比色法，用分光光度計(DR/4000U，HACH，美國)進行測定。土壤硝態氮含量用1 mol/L的KCl溶液浸提(浸提土液比為1∶2.5)，再用流動分析儀(Auto Analyzer 3，BRAN+LUEBBE，德國)進行測定。所有數據均采用SPSS軟件(V19.0)進行統計分析，顯著水平設定為α=0.05。

2 結果與討論

2.1 灌水量和滴灌帶埋深對硝態氮和脲酶活性的影響

2.1.1硝態氮

圖2和表3分別給出了玉米抽穗期0～50 cm硝態氮含量分布和方差分析結果。由圖2和表3可知，灌水量顯著影響了2014和2015年玉米抽穗期0～40 cm硝態氮分布，0～40 cm硝態氮含量大體隨灌水量增加而減小，這是因為較大灌水量會促進硝態氮向深層土壤運移。滴灌帶埋深顯著影響了2014年0～20、40～50 cm和2015年0～40 cm硝態氮分布；2014年0～10和10～20 cm硝態氮含量分別以D1和D2最高，40～50 cm硝態氮含量則以D3處理最高，這與地下滴灌水分養分運移分布趨勢相似[12]。2015年0～20 cm硝態氮含量以地下滴灌較高(D2和D3)，20～40 cm硝態氮含量以地表滴灌最高(D1)，這可能與2015年抽穗期土壤樣本采集前(7月8日)灌水30 mm有關，地表滴灌處理硝態氮受灌水淋洗向深層土壤運移，而地下滴灌處理硝態氮受土壤水吸力向上運移。

隨著玉米由營養生長進入生殖生長，對養分需求進一步增加，玉米灌漿期和成熟期0～50 cm土壤中平均硝態氮含量整體低于抽穗期，灌水量和滴灌帶埋深對硝態氮含量分布影響也相對較小(數據未給出)。地下滴灌條件下，較大灌水量和滴灌帶埋深均會增加硝態氮的運移深度。

注:同一深度具有相同字母，表示在α=0.05水平上差異不顯著。圖2 玉米抽穗期0～50 cm硝態氮含量Fig.2 Nitrate content in 0～50 cm depths during the heading period of maize

2.1.2脲酶活性

圖3和表4分別給出了玉米各生育階段0～50 cm脲酶活性分布和方差分析結果。由圖3和表4可知，灌水量顯著影響了2014年玉米抽穗期30～40 cm脲酶活性，I3處理脲酶活性顯著高于I1處理，這可能是因為相對I1處理，I3能夠將較多的水分和硝態氮運移至30～40 cm，而水分和硝態氮含量的增加會刺激植物根系和微生物活性，促進脲酶的分泌[5]；滴灌帶埋深對2014和2015年抽穗期20～30 cm脲酶活性產生了顯著影響，脲酶活性均以D3處理最高，這可能與滴灌帶埋深30 cm能夠提高20～30 cm深度的水分和硝態氮含量有關。

表3 灌水量和滴灌帶埋深對玉米抽穗期0～50 cm硝態氮含量的影響Tab.3 Effects of irrigation level and lateral depth on nitrate content in 0～50 cm depths during the heading period of maize

注：*代表在α=0.05水平上顯著；**代表在α=0.01水平上顯著；NS代表在α=0.05水平上不顯著。

注:同一深度具有相同字母，表示在α=0.05水平上差異不顯著。圖3 玉米各生育階段0～50 cm脲酶活性Fig.3 Urease activities in 0～50 cm depths during the growing seasons of maize

與抽穗期相比，灌水量顯著影響了2014年灌漿期0～10和30～50 cm脲酶活性，其中0～10 cm脲酶活性隨灌水量增加而減小，30～50 cm脲酶活性以I3處理最高，且顯著高于I2和I1處理。滴灌帶埋深對2014年灌漿期0～10、20～30、30～40、40～50 cm和2015年灌漿期20～30 cm脲酶活性造成了顯著影響，0～10 cm脲酶活性隨滴灌帶埋深增加而減小，20～30 cm脲酶活性以D3處理最高，這是因為相對地下滴灌(D2和D3)，地表滴灌(D1)能夠將較多的水分和硝態氮分配至0～10 cm，而埋深30 cm處理能夠提高20～30 cm水分和硝態氮含量。在試驗中，2014年灌漿期地表滴灌30～40和40～50 cm脲酶活性顯著高于地下滴灌，這可能與玉米根際的激發效應(priming effects)促進脲酶分泌有關。侯振安[20]等研究指出，氮肥滴灌(地表滴灌)施入后主要分布在0～20 cm，20 cm以下氮素含量較低，而當土壤有效氮含量較低時，植物會將較多的光合產物投資到地下，通過增加根系分泌物輸入促進微生物的生長和活性，從而增加胞外酶的分泌[21]。

表4 灌水量和滴灌帶埋深對玉米各生育階段0～50 cm脲酶活性的影響Tab.4 Effects of irrigation level and lateral depth on urease activities in 0～50 cm depths during the growing seasons of maize

注：*代表在α=0.05水平上顯著；**代表在α=0.01水平上顯著；NS代表在α=0.05水平上不顯著。

由表4可知，灌水量顯著影響了2014年成熟期10～20 cm和2015年成熟期40～50 cm脲酶活性。10～20 cm脲酶活性以I2處理較高，比I1和I3分別高29%和21%；40～50 cm脲酶活性隨灌水量增加而減少，I1處理脲酶活性顯著高于I3，這可能與玉米根際激發效應有關。滴灌帶埋深顯著影響了2014年成熟期0～10、20～30、30～40 cm和2015年成熟期20～30、30～40、40～50 cm脲酶活性；受水分和硝態氮分布影響，D1處理0～10 cm脲酶活性比D2和D3處理分別高12%和28%，而20～30、30～40和40～50 cm脲酶活性均以D3處理最高。

2.2 玉米生育期脲酶活性和硝態氮含量的相關性

土壤脲酶活性能夠反映土壤中氮素的轉化和能量交換過程[18]，其變化特征與土壤氮素狀況密切相關[16]。表5給出了玉米各生育階段脲酶活性和硝態氮含量之間的相關系數，2014年和2015年播種前-玉米拔節期，土壤脲酶活性和硝態氮含量之間呈極顯著正相關關系，但相關系數呈下降趨勢，這可能是因為在播種前-玉米拔節期作物生長吸收影響較小，脲酶活性和硝態氮含量在土壤中的分布主要受土壤有機質和微生物影響。隨著玉米由營養生長進入生殖生長，土壤脲酶活性和硝態氮含量的正相關關系減弱，至成熟期脲酶活性和硝態氮含量呈負相關，這是因為玉米進入生長旺盛時期后對硝態氮吸收進一步增強以及灌水施肥和降雨對硝態氮在土壤中的運移分布，改變了硝態氮在土壤剖面上自表層沿深度依次減小的分布模式，并在玉米成熟期受土壤水分向下運移影響，硝態氮在深層土壤累積，而土壤脲酶活性在玉米生育期受灌水量和滴灌帶埋深影響呈現一定的動態變化，但酶活性水平較穩定并未出現數量級上的改變，脲酶活性在土壤剖面上仍然以表層最高且隨土壤深度增加而減小。這與李東坡[16]等的研究結果相似，在玉米生育期脲酶活性變化與硝態氮動態變化不同步，兩者間沒有顯著相關關系。

表5 玉米各生育階段脲酶活性和硝態氮含量之間的相關系數Tab.5 Correlation coefficients between urease activity and nitrate content during the growing seasons of maize

注：*代表在α=0.05水平上顯著；**代表在α=0.01水平上顯著；NS代表在α=0.05水平上不顯著。

2.3 再生水灌溉對脲酶活性的影響

長期(10 a以上)再生水灌溉能夠提高土壤酶活性[3]。圖4給出了2014和2015年再生水滴灌前后脲酶活性在土壤剖面的分布。由圖可知，2014和2015年經多次再生水滴灌后玉米成熟期各深度土壤脲酶活性大體高于播種前，2014年試驗0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm分別提高了18%、53%、119%、32%和41%，2015年0～10、20～30和30～40 cm分別提高了4%、12%和28%。與再生水滴灌一致，地下水滴灌也提高了脲酶活性，2014年0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm分別提高了10%、35%、47%、34%和76%，2015年0～10、20～30、30～40和40～50 cm分別提高了1%、20%、35%和41%。與地下水相比，再生水滴灌后各深度脲酶活性并沒有明顯的增加，再生水與地下水處理間脲酶活性沒有顯著性差異(P>0.05)，這與潘能等研究結果相似[22]，他們認為農田因常年種植作物，耕作和施肥等管理措施優良，其養分分布較均勻，不同水質灌溉脲酶活性差異不顯著。

圖4 不同水質處理土壤脲酶活性在播種前和玉米成熟期的分布Fig.4 Distribution of urease activities irrigated with different water qualities in mature period and prior to sowing

3 結 語

通過2 a再生水地下滴灌玉米試驗，研究了灌水量和滴灌帶埋深對土壤脲酶活性和硝態氮的影響，并分析了脲酶活性和硝態氮在玉米生育期的變化關系，主要結論如下。

(1)滴灌施肥后，灌水量和滴灌帶埋深均對玉米生育期土壤硝態氮和脲酶活性產生了顯著影響。較大灌水量和滴灌帶埋深均會增加硝態氮的運移深度；而脲酶活性受水分和硝態氮分布影響，0～10 cm脲酶活性以70%灌溉需水量和滴灌帶埋深0 cm較高，10～50 cm脲酶活性以130%灌溉需水量和滴灌帶埋深30 cm較高。

(2)玉米生育期土壤脲酶活性和硝態氮含量的相關關系由極顯著正相關向負相關轉變，這是因為的土壤剖面中硝態氮含量和脲酶活性在玉米生育期的變化不同步。再生水和地下水地下滴灌均提高了0～50 cm脲酶活性，再生水與地下水灌溉脲酶活性差異不明顯。

[1] Lyu S, Chen W, Zhang W, et al. Wastewater reclamation and reuse in China: Opportunities and challenges[J]. Journal of Environmental Sciences, 2016,39:86-96.

[2] 栗巖峰, 李久生. 再生水加氯對滴灌系統堵塞及番茄產量與氮素吸收的影響[J]. 農業工程學報, 2010,(2):18-24.

[3] Chen W, Wu L, Frankenberger W T, et al. Soil enzyme activities of long-term reclaimed wastewater-irrigated soils[J]. Journal of Environmental Quality, 2008,37(5):S36-42.

[4] Shukla, Girish. Soil enzymology[M]. Springer, 2011.

[5] 郭永盛, 李魯華, 危常州, 等. 施氮肥對新疆荒漠草原生物量和土壤酶活性的影響[J]. 農業工程學報, 2011,27(1):249-256.

[6] Das S K, Varma A. Role of enzymes in maintaining soil health, Soil enzymology[M]. Springer, 2010:25-42.

[7] Baldrian P,tursová M. Enzymes in Forest Soils[J]. Soil Biology, 2011,22:61-73.

[8] Kouznetsov M, Pachepsky Y, Gillerman C, et al. Microbial transport in soil caused by surface and subsurface drip irrigation with treated wastewater[J]. International Agrophysics, 2004,18(3):239-248.

[9] Song I, Stine S, Choi C, et al. Comparison of crop contamination by microorganisms during subsurface drip and furrow irrigation[J]. Journal of Environmental Engineering, 2006,132(10):1 243-1 248.

[10] Armon R, Gold D, Brodsky M, et al. Surface and subsurface irrigation with effluents of different qualities and presence of Cryptosporidium oocysts in soil and on crops[J]. Water Science and Technology, 2002,46(3):115-122.

[11] Patel N, Rajput T. Effect of subsurface drip irrigation on onion yield[J]. Irrigation Science, 2009,27(2):97-108.

[12] Li J, Liu Y. Water and nitrate distributions as affected by layered-textural soil and buried dripline depth under subsurface drip fertigation[J]. Irrigation Science, 2011,29(6):469-478.

[13] Lamm F R, Ayars J E. Microirrigation for crop production: design, operation, and management[M]. Elsevier,Science Ltd: 2006.

[14] Coelho E F, Or D. Root distribution and water uptake patterns of corn under surface and subsurface drip irrigation[J]. Plant and Soil, 1999,206(2):123-136.

[15] Zhou S, Wu Y, Wang Z, et al. The nitrate leached below maize root zone is available for deep-rooted wheat in winter wheat-summer maize rotation in the North China Plain[J]. Environmental Pollution, 2008,152(3):723-730.

[16] 李東坡, 武志杰, 陳利軍, 等. 長期培肥黑土脲酶活性動態變化及其影響因素[J]. 應用生態學報, 2003,14(12):2 208-2 212.

[17] Kang Y H, Liu S H, Wan S Q, et al. Assessment of soil enzyme activities of saline-sodic soil under drip irrigation in the Songnen plain[J]. Paddy and Water Environment, 2013,11(1-4):87-95.

[18] 竇超銀, 康躍虎, 萬書勤, 等. 覆膜滴灌對地下水淺埋區重度鹽堿地土壤酶活性的影響[J]. 農業工程學報, 2010,(3):44-51.

[19] 關松蔭. 土壤酶及其研究法[M]. 北京：農業出版社, 1986.

[20] 侯振安, 李品芳, 呂 新, 等. 不同滴灌施肥方式下棉花根區的水、鹽和氮素分布[J]. 中國農業科學, 2007,40(3):549-557.

[21] Burns R G, DeForest J L, Marxsen J, et al. Soil enzymes in a changing environment: current knowledge and future directions[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2013,58:216-234.

[22] 潘 能, 侯振安, 陳衛平, 等. 綠地再生水灌溉土壤微生物量碳及酶活性效應研究[J]. 環境科學, 2012,33(12):4 081-4 087.