基施氮肥形態及用量對小麥根際土壤脲酶活性垂直分布的影響

李軍輝，夏 清，楊珍平，張 霞，孫 敏，高志強，耿偉娜，廖平強，張曉琰，楊孟麗

（山西農業大學農學院，山西太谷030801）

土壤酶活性不僅是反映土壤養分轉化和運移能力的重要指標，同時還能反映出土壤微生物活性的高低，是評價土壤肥力的重要參數之一[1-3]。土壤脲酶作為一種活性穩定的水解酶，對土壤有機物質中碳氮鍵具有水解作用，對氮肥的轉化具有重要意義，可以很好地反映土壤的氮素狀況[4]。關于施肥種類、施肥用量對脲酶活性的影響，已有相關報道。劉淑英等[5]研究認為，不同的施肥處理對土壤脲酶活性有不同的影響，其中有機肥處理的脲酶活性大于無機肥處理。嚴君等[6]研究表明，施氮量在0～103.5 kg/hm2時，隨著氮肥施用量的增加，脲酶活性顯著增加。郭天財等[7]研究表明，一定范圍內氮肥施用量越多，土壤脲酶活性越高，但如果肥料施用量過大，則酶活性會降低。但有關不同氮肥形態對土壤脲酶活性的影響報道相對較少。

本研究擬通過施用不同形態氮肥，分析土壤脲酶與氮肥形態之間的關系，旨在為高效、合理施用氮肥提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年10月至2017年6月在山西省晉中市太谷縣山西農業大學根系研究室進行。該地位于山西省晉中盆地東北部，地理坐標為東經112°28′～113°01′，北緯 37°12′～37°32′。屬溫帶大陸性氣候，平均氣溫一般介于5～10℃，四季分明，降雨分布不均勻，年降水量約458 mm左右。

1.2 試驗材料

1.2.1 供試土壤 試驗土壤為黃土母質發育而來的褐土，土質中壤土，從山西農業大學實驗農場的試驗田取得。0～40 cm土層土壤養分含量為：全氮含量 1.80～1.98 g/kg，全磷量 0.27～0.32 g/kg，有機質12.6～13.9 g/kg[8]。pH值為8.0。

1.2.2 供試材料 供試小麥品種為CA0547（冬性，強筋），由山西省農業科學院谷子研究所提供。

1.3 試驗方法

試驗采用根管土柱法[9]。所用根管為硬質PE塑料管，規格為：直徑25 cm，高度100 cm，管壁厚度1 cm。將根管沿直徑縱向垂直等分鋸成兩半，每一半的兩端及中部均裝有可相互連接與固定的鋼板、鐵環，使用時將根管的兩半沿鋸開的等分線對接、合攏、固定，接口處用塑料薄膜密封，同時將根管下部的端口用塑料薄膜封住；之后，將根管垂直立于根室內，備用。

試驗采用裂區設計，主處理為氮肥形態（A）：銨態氮（硫酸銨，含N20.5%，山西宏安焦化科技有限公司）、硝態氮（NPK復合肥料，N∶P2O5∶K2O＝30%∶14%∶7%，山東潤和肥業有限公司）、酰胺態氮（尿素，含N46.4%，山西蘭花科技創業股份有限公司）；副處理為氮肥用量（純 N）：75，150，225 kg/hm2共3個梯度；以不施任何肥料的處理作為對照（CK），重復3次，共10個處理。所有處理統一施磷肥和鉀肥，其中，磷肥為過磷酸鈣（含磷量16%，云南安寧萬合磷肥廠），施用量按135 kg/hm2折算；鉀肥為農業用硫酸鉀（含鉀量51%，國投新疆羅布泊鉀鹽有限責任公司），施用量按30 kg/hm2折算。具體試驗方案列于表1。

表1 試驗處理

2016年10月8日，將供試土壤噴水，達到適宜程度（攥在手中成團，撒在地上散開），按20 cm一層所需土量稱質量（約25 kg），依次裝入根管80～100，60～80，40～60 cm 處，壓實；再將 20～40 cm土層所需土量稱質量，按上述試驗設計加入所需肥料，攪拌均勻，裝入根管20～40 cm處，壓實；最后將0～20 cm土層所需土量稱質量，裝入根管0～20 cm處壓實。將裝好的根管澆足水，待水分下滲后，每管播種15粒小麥，淺覆土，并蓋一薄層細沙。出苗后，留健壯苗9株，常規管理。

1.4 土樣采集與處理

分別于2017年5月6號（小麥拔節期）、6月27號（小麥收獲期）采集土壤樣品。具體采集方法為：把根管從根室中取出，先收獲地上部分，然后將根管兩部分拆開，從上到下按照0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm的順序，使用滅菌后的小牙簽輕輕獲取各層的根際土壤，并且將獲得的土壤立即放入滅菌后的自封袋內，用于土壤脲酶的測定。

1.5 測定項目及方法

土壤脲酶活性測定采用靛酚藍比色法[10]。將上述土樣風干，研磨，過1 mm篩。稱取5 g過篩土樣置于100 mL三角瓶內。每個土樣稱取4份（一份為無基質對照，另3份為有基質的3個重復）。向三角瓶中加入1 mL甲苯，輕輕晃動三角瓶，盡量使甲苯能完全浸沒土樣。靜置15 min后，依次加入10 mL的10%尿素溶液（無基質CK中用等量蒸餾水代替）和20 mL的檸檬酸鹽緩沖液，輕輕搖勻，然后用保鮮膜將瓶口封住。將封口后的三角瓶置于37℃恒溫培養箱，培養24 h。培養完成后，將三角瓶取出，冷卻至室溫，使用雙層濾紙進行過濾。吸取濾液3 mL置于50 mL容量瓶中，依次加入3 mL次氯酸鈉和4 mL苯酚鈉，充分搖勻。靜置20 min左右，試劑顯色之后，將樣品定容至50 mL。1 h內以試劑空白為參比，在分光光度計578 nm處測定吸光度值。整體試驗除無基質對照外，另設一個無土樣對照。脲酶活性用mg/g表示。

式中，A土樣（mg）為從標準曲線查得的土樣中NH4+-N的毫克數；A無基質（mg）為從標準曲線查得的無基質對照中 NH4+-N的毫克數；A無土壤有基質（mg）為從標準曲線查得的無土對照中NH4+-N的毫克數；M（g）為烘干土質量；N為分取倍數，等于浸出液的體積除以吸取濾液的體積；V為顯色液體積（mL）。

1.6 數據整理與統計分析

采用Microsoft Excel 2007軟件進行數據處理，采用SAS8.0軟件進行方差分析與多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同氮肥形態及用量對拔節期小麥根際土壤脲酶活性的影響

由表2可知，未施肥對照組CK的脲酶活性以0～20 cm土層最高，且隨著土壤深度的增加呈逐漸降低趨勢（P＜0.05）；施肥明顯提高了絕大多數土層（A2N1和A2N2的0～20 cm土層除外）的土壤脲酶活性（P＜0.05），且以20～40 cm土層的脲酶活性最大，0～20 cm土層次之，40 cm以下，隨著土層加深，脲酶活性逐漸減小；同一N肥形態，隨施肥用量的增加，0～80 cm各層土壤土壤脲酶活性均有不同程度提高；3種氮肥，以酰胺態氮肥尿素處理的脲酶活性最高（P＜0.05）。土壤脲酶活性最高的處理是 A3N3（酰胺態氮（尿素）、純氮用量 225 kg/hm2），各層土壤脲酶活性分別為 1.19，1.43，0.98，0.70，0.28 mg/g。

表2 不同形態氮肥、不同施肥量對拔節期小麥根際土壤脲酶活性的影響 mg/g

通過SAS軟件ANOVA過程對表2數據進行3因素（氮肥形態A、氮肥用量B、土層深度C）互作方差分析，其結果列于表3。

表3 拔節期不同處理、不同土層根際土壤脲酶活性方差分析

從表3可以看出，3種氮肥形態之間、3個氮肥梯度之間、5個土層之間的差異均達到極顯著水平（P＜0.01），試驗總模型差異極顯著（P＜0.01），R2＝0.998 6，說明本次試驗數據準確。從表3還可以看出，A×B，A×C，B×C兩兩因素互作對小麥根際土壤脲酶活性的影響差異亦達到了極顯著水平（P＜0.01）。

進一步對拔節期土壤脲酶活性在不同氮肥形態、不同純N用量、不同土層之間分別進行多重比較分析結果如表4所示，不同氮肥形態的酶活性大小為酰胺態氮＞銨態氮＞硝態氮＞未施肥；隨著氮肥施用量的增加，土壤脲酶活性有了顯著性提高（P＜0.05）。脲酶活性在土層間的垂直分布，平均以20～40 cm最高，其次是0～20 cm，40 cm以下逐漸遞減。

表4 拔節期不同處理、不同土層根際土壤脲酶活性多重比較

2.2 不同氮肥形態及用量對成熟期小麥根際土壤脲酶活性的影響

從表5可以看出，對照組CK的脲酶活性在0～20 cm土層最高，且隨著土層深度增加呈下降趨勢（P＜0.05）；施肥明顯提高了絕大多數土層（A2肥料的0～20，60～80 cm土層除外）的脲酶活性（P＜0.05），且施肥后20～40 cm土層的脲酶活性最大，0～20 cm土層次之，40～100 cm隨著土層加深脲酶活性逐漸減小。

3種氮肥，仍以酰胺態氮處理的脲酶活性最高（P＜0.05），且以 A3N3（酰胺態氮（尿素）、純氮用量225 kg/hm2）的土壤脲酶活性最高，各土層依次為1.00，1.14，0.81，0.47，0.24 mg/g。

通過SAS軟件ANOVA過程對表5數據進行3因素（氮肥形態A、純氮用量B、取土層次C）互作方差分析，其結果列于表6。從表6可以看出，3種氮肥形態之間、3個氮肥梯度之間、5個土層之間的差異均達到極顯著水平（P＜0.01），試驗總模型差異極顯著（P＜0.01），R2=0.994 6，試驗數據可靠。從表6同樣得出成熟期A×B，A×C，B×C兩兩因素互作對小麥根際土壤脲酶活性的影響差異達到了極顯著水平（P＜0.01）。

進一步對成熟期土壤脲酶活性在不同氮肥形態、不同純N用量、不同土層之間分別進行多重比較分析（表7），結果表明，不同氮肥形態的酶活性差異顯著（P＜0.05），排序為為酰胺態氮＞銨態氮＞硝態氮＞未施肥；隨著氮肥施用量的增加，土壤脲酶活性顯著提高（P＜0.05）；土層之間，仍以20～40 cm最高，其次是0～20 cm，40 cm以下逐漸遞減。與拔節期結果類似。

表5 不同形態氮肥、不同施肥量對成熟期小麥根際土壤脲酶活性的影響 mg/g

表6 成熟期不同還田處理、不同土層根際土壤脲酶活性方差分析

表7 成熟期不同處理、不同土層根際土壤脲酶活性多重比較

2.3 拔節期與成熟期脲酶活性比較

將拔節期數據和成熟期數據進行計算（成熟期-拔節期）/拔節期×100%，結果如表8所示。結合表2，5，8可以看出，隨生長發育從拔節期生長高峰到成熟期，所有處理的土壤脲酶活性均不同程度的降低；未施肥對照組CK在拔節期和成熟期2個時期的土壤脲酶活性整體較低，不同土層的降低幅度亦較少，介于2.13%～9.90%，且以20～80 cm土層降低最多；與CK相比，所有施肥處理的土壤脲酶活性總體較高，但40～100 cm土層的土壤脲酶活性均比CK處理降低幅度大，而0～40 cm耕層土壤的脲酶活性降低幅度在不同處理之間存在差異，其中，20～40 cm土層，銨態氮肥A1和硝態氮肥A2降低較少（不及CK）；0～20 cm土層，A2N3，A1N1 和A1N2的降低幅度高于CK；而酰胺態氮肥A3在各土層的降低幅度均較大。說明尿素對促進土壤脲酶活性的效率高且快，但純N用量仍需進一步研究。

表8 成熟期相對拔節期脲酶活性降低的百分比

3 討論

3.1 基施氮肥形態對小麥根際土壤脲酶活性的影響

馬宗斌等[11]研究了不同氮肥形態對小麥土壤根際微生物和脲酶活性的影響，結果表明，小麥根際土壤脲酶對酰胺態氮最為敏感，其活性顯著高于銨態氮處理和硝態氮處理，而銨態氮和硝態氮處理之間沒有顯著差異。嚴君等[12]研究結果表明，大豆根際脲酶活性以銨態氮處理較高。而本試驗研究結果表明，酰胺態氮、銨態氮、硝態氮對小麥土壤根際脲酶活性的影響差異顯著，表現為酰胺態氮＞銨態氮＞硝態氮。究其原因，一方面可能與作物種類有關，比如大豆是固氮作物，易吸收固定銨態氮，而銨態氮在堿性環境中易轉化為氨，從而被吸收固定，進一步提高了土壤脲酶活性，小麥是不耐銨作物，但可能更易吸收酰胺態氮。另一方面，可能與3種氮肥的化學特征有關，銨態氮（NH4+）為正電荷，易被土壤膠體（負電荷）吸附固定，不易隨水（雨水、漫灌等）流失，在土壤中，銨態氮可以直接以銨離子形式被植物吸收，也可以氧化成硝酸鹽，再以硝酸根（NO3-）形式被植物吸收，在堿性環境中，銨離子易轉化成氨氣而被揮發；硝態氮（NO3-）是負電荷，不能被土壤膠體所吸附，但易溶于水，在土壤中移動較快，容易隨水流失，硝態氮可以提供即時的氮源被作物快速吸收[13]，也容易通過反硝化作用還原成氣體狀態（NO，N2O，N2），從土壤中逸失；酰胺態氮尿素（CO（NH2）2）屬于有機氮肥，在土壤中經脲酶水解成碳酸銨或碳酸氫銨后，才能被作物吸收利用。作為催化反應基質（底物），尿素含量越高，脲酶活性也越高。本試驗中，供試土壤為堿性褐土，部分銨態氮可能隨氨氣揮發而損失；部分硝態氮可能通過反硝化作用還原成氣體狀態從土壤中逸失；更為關鍵的原因是這2種氮肥本身不是脲酶催化反應的底物；另外，本試驗為根管試驗，土體局限性可能造成澆水引起硝態氮隨水下滲，銨態氮則不易隨水流失。因此，綜合而言，3種氮肥中，就對小麥根際土壤脲酶活性的促進作用而言，酰胺態氮＞銨態氮＞硝態氮。目前，生產上為提高作物產量水平多選擇NPK復合肥，其中的N多為硝態氮，本研究認為，從提高土壤脲酶活性的角度出發，是否可以考慮將酰胺態氮作為N形態制作NPK復合肥。

3.2 基施氮肥用量對小麥根際土壤脲酶活性的影響

楊保平等[14]研究表明，當氮肥使用量在0～220.8 kg/hm2時，在同一生育期內，土壤脲酶活性隨著施氮量的增加而增加。這與本研究所得的結論相一致，在本研究中，3種施肥處理的脲酶活性均在施氮量為225 kg/hm2時達到了最大，且在施氮量增加的同時，脲酶活性顯著增加。這是由于適量地增加氮肥能夠起到對土壤養分狀況的改善，使作物根系分泌出更多的相關酶吸收氮素，用以保證作物生長，同時還會促進土壤微生物的繁殖,最終提高土壤酶活性[15]。但是，由于本試驗的局限性，設置施用梯度較少，未能得出氮肥最佳施用量，還有待進一步研究。

3.3 不同生育時期土壤脲酶活性的變化

根據羅來超等[16]的研究，拔節期和灌漿期是土壤脲酶活性的2個高峰，其余時期沒有明顯規律。本研究亦表明，與成熟期相比，拔節期的土壤脲酶活性較高；從拔節期到成熟期土壤脲酶活性不同程度下降，銨態氮和硝態氮處理在0～40 cm土層下降較慢，分別為7%和5.7%；酰胺態氮處理則下降最快，高達20%。這與熊淑萍等[17]的研究結論相一致。同時也說明酰胺態氮對于提高土壤脲酶活性的作用體現在增加脲酶催化反應的底物，成熟期隨小麥根系衰老，吸收能力減弱，催化反應的產物碳酸銨或碳酸氫銨累積，反過來抑制了脲酶活性，這種促進或抑制作用是直接而明顯的，因而2個時期相比差異較大；相對而言，硝態氮和銨態氮都以無機離子形式直接被小麥吸收利用，拔節期小麥生長迅速，根系吸收能力強，根系分泌能力也強，間接地促進了脲酶活性提高，成熟期根系衰老，吸收作用減弱，其分泌作用亦弱，也間接地影響了脲酶活性。因此，2個時期相比差異相對較小。

3.4 不同土層深度脲酶活性的垂直分布變化

姬興杰等[18]的研究表明，將基肥施入20 cm耕層中，各個時期小麥根際土壤脲酶均在0～20 cm活性最大，然后逐層遞減。本試驗中，選擇在20～40 cm土層進行施肥，則施肥土層20～40 cm脲酶活性最大，0～20 cm次之，40～100 cm逐層遞減；這主要是由于隨著土層的加深，土壤的溫度、濕度以及微生物的含量都下降的原因[19]。與空白對照相比，施肥處理在各個土層（個別處理的0～20 cm土層除外）的脲酶活性在整體趨勢上均要高于空白不施肥對照。說明施肥是提高脲酶活性的良好措施，且肥料施在哪個土層，哪個土層的脲酶活性就高。

4 結論

小麥根際土壤脲酶含量受到氮肥形態和氮肥使用量的影響很大。本研究表明，不同氮肥形態下小麥根際土壤脲酶活性受到顯著影響，影響排序為酰胺態氮＞銨態氮＞硝態氮。同一生育時期，氮肥施用量從不施肥（CK）到高量施氮（N3）225 kg/hm2，土壤脲酶活性均呈現從低到高的顯著增長趨勢。同一氮肥處理，從拔節期到成熟期，土壤脲酶活性降低，以酰胺態氮降低幅度最大。施肥在20～40 cm土層，使20～40 cm土層脲酶活性更高，其次是0～20 cm，40 cm以下遞減。當施肥種類為酰胺態氮、施氮量為225 kg/hm2時，0～100 cm土層脲酶活性在所有處理中最大。