玉米-水稻輪作和水稻連作土壤根際和非根際氮含量及酶活性

吳楊瀟影，姜振輝，楊京平，林景東，劉益珍

（浙江大學環境與資源學院，浙江杭州 310058）

土壤中氮素是限制作物生長的首要因素[1]，也是土壤質量的重要指標，農業生產中常施用一定量的氮肥來保證作物產量。土壤中的酶是土壤養分轉化吸收的重要載體[2]，與土壤微生物活動密切相關，直接影響土壤的生物學及肥力性質，是土壤質量變化的指示劑[3]，其中土壤脲酶與硝酸還原酶活性對土壤氮素循環有重要影響[4]。

根際是作物與土壤聯系比較緊密的位置，是土壤化學及生物學性質均比較活躍的場所[5]，了解根際土壤氮素轉化循環可以更好地理解氮素有效性及作物與土壤氮素之間的相互影響[6]。大量研究指出，根際與非根際土壤氮素含量及酶活性均存在差異[5,7-8]。

稻田系統水稻生長期間長期的淹水條件會抑制稻田土壤微生物呼吸、減少微生物數量，從而降低土壤團聚體的分解速率等[9]，使土壤質量下降。水旱輪作可通過改變水稻連作土壤的通氣性而影響土壤理化與生物學性質[10]，在此期間有氧和厭氧條件的轉變會對土壤的氮素轉化產生影響，例如有氧條件利于土壤有機氮的礦化從而促進氮素生物有效性的提高[11]。目前研究較多的水旱輪作系統有小麥-水稻[12-14]、油菜-水稻[15-16]等。近年來，玉米-水稻輪作系統逐漸得到重視[17]，其在改善土壤環境、節約水資源的前提下可以滿足牲畜對飼料日益增長的需要，因此在南亞地區的種植區域日漸普及[11]。

目前，有關水旱輪作對土壤氮素遷移轉化的研究較多，但玉米-水稻輪作體系對稻田土壤影響的研究還較少，且水旱輪作過程中根際與非根際土壤氮素含量及酶活性的動態變化尚不明確。因此，本研究以水稻連作為對照，利用根際袋盆栽試驗研究玉米-水稻輪作對根際土壤氮素含量及酶活性的影響，明確水旱輪作條件下根際與非根際土壤氮素轉化特點。本試驗研究結果將為玉米-水稻輪作的生態功能提供相關過程及機理支撐，進一步為水旱輪作對稻田土壤質量的積極作用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤取自浙江省杭州市農業科學研究院試驗基地稻田(30.13°N、120.16°E)，該地區屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫17℃，年平均降雨量約為1400 mm，土壤質地為粉粘壤土。采集試驗基地耕作層(0—20 cm)土壤風干后過4 mm篩備用。土壤基本理化性質如下：總有機碳為10.5 g/kg，pH為6.71，全氮為1.76 g/kg，碳氮比為9.10，速效鉀為203 mg/kg，速效磷為78.4 mg/kg。玉米供試品種為‘美玉(加甜糯)7號’，第一季與第二季的水稻供試品種分別為‘甬秈115’及‘秀水134’。

1.2 試驗設計

試驗在浙江大學網室內進行，采用底徑20 cm、上口直徑31 cm、高27 cm的塑料桶種植作物，在桶內放置300目(孔徑48 μm)的尼龍網(直徑8 cm、高10 cm)作為根際袋，根際袋內為根際土，根際袋外為非根際土。每個桶內添加7.50 kg的土壤，并使根際袋內外土壤在同一高度。在第一季作物種植前，添加去離子水維持土壤含水量為田間持水量的60%，然后預培養一周。每桶施加1.81 g (225 kg/hm2純氮)尿素、0.78 g (60 kg/hm2P2O5)過磷酸鈣及0.47 g (75 kg/hm2K2O)氯化鉀肥，磷肥與鉀肥全部基施，玉米氮肥1/3基施，2/3在喇叭口期追施，水稻氮肥分3次以基肥∶分蘗肥∶孕穗肥為3∶4∶3施用。第一季選取飽滿種子浸種培養2天后種植在根際袋中，第二季進行水稻移栽，每桶種植兩穴水稻或兩株玉米，進行水稻連作和玉米-水稻輪作，整個生育期管理與大田相似。試驗從2017年4月開始，至11月結束，其中4～7月種植第一季作物，7～11月種植第二季作物，第一季作物收獲后淹水培養準備移栽第二季水稻。

分別在玉米喇叭口期、抽穗期及成熟期取樣，水稻分蘗期、孕穗期及成熟期取土壤樣品，每次采取破壞性取樣，每個處理3次重復。根際與非根際土壤分開取樣保存，一部分風干過0.15 mm篩用于測定土壤全氮、C/N及酶活性，一部分保存在4℃冰箱中用于測定土壤銨態氮及硝態氮含量。

1.3 測定方法

土壤銨態氮(NH4+-N)及硝態氮(NO3--N)采用SKALAR SAN++連續流動分析儀測定，土壤全氮及C/N采用元素分析儀(Vario MAX)測定。土樣加入試劑后，采用靛酚藍比色法[18]測定脲酶活性；采用苯磺酸-醋酸-α-萘胺比色法[19]測定異化型硝酸還原酶活性。測定酶活性的試劑盒購自北京索萊寶科技有限公司。

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2016進行數據計算，Origin 9進行圖形制作，SPSS 18.0進行方差分析(ANOVA)及數據的顯著性檢驗(LSD法)。

2 結果與分析

2.1 玉米-水稻輪作和水稻連作土壤根際和非根際氮含量

圖 1 兩種種植體系下不同生育期玉米、水稻根際與非根際土壤銨態氮及硝態氮含量的動態變化Fig. 1 Dynamics of NH4+-N and NO3--N in rhizosphere and non-rhizosphere soils of maize and rice with different growth stages under two planting patterns

表 1 種植模式及不同生育期對根際和非根際土壤氮含量及酶活性影響的方差分析(P)Table 1 Two-way ANOVA on the effects of cropping patterns and growth stages on nitrogen content and enzyme activities in rhizosphere and non-rhizosphere soils

2.1.1 土壤銨態氮含量 由不同作物生育期對根際土壤銨態氮含量的影響(圖1)可知，根際土壤銨態氮在兩季均表現出逐漸增加的趨勢，第二季土壤銨態氮含量低于第一季。除在第一季喇叭口期/分蘗期及抽穗期/孕穗期兩個種植體系(輪作和連作)間存在顯著性差異外，其余時期差異不顯著。非根際土壤銨態氮含量同時受種植模式與生育期的影響(表1)，種植模式對其影響可持續兩季，第一季含量變化較為平緩，第二季先增加后降低，其中第二季孕穗期非根際土壤銨態氮含量最高。在第一季喇叭口期/分蘗期和抽穗期/孕穗期及第二季孕穗期水稻連作土壤非根際銨態氮顯著高于輪作體系，而在其余時期兩個種植體系間差異不顯著。整體來說，玉米-水稻輪作處理下土壤銨態氮含量較水稻連作低24.7%，其中根際土壤比水稻連作低11.7%，非根際土壤比RR低30.9%。水稻土壤銨態氮含量在第一季分蘗期與第二季孕穗期及成熟期表現為根際低于非根際，而玉米種植期間根際與非根際土壤的銨態氮含量差異并不顯著 (表 2)。

2.1.2 土壤硝態氮含量 種植模式與生育期對根際和非根際土壤硝態氮含量均有顯著影響(表1)。除玉米抽穗期根際土壤硝態氮含量增加之外，根際與非根際土壤硝態氮含量在兩季均呈逐漸降低的趨勢(圖1)，第二季變化比第一季平緩。根際土壤硝態氮含量在第一季抽穗期/孕穗期及第二季分蘗期與成熟期表現為MR ＞ RR，其余時期差異不顯著。非根際土壤硝態氮在第一季表現為MR ＞ RR，第二季差異不顯著。即種植模式對根際土壤硝態氮含量的影響可持續到第二季，非根際沒有此特征。整體來說，玉米-水稻輪作處理下土壤硝態氮含量較水稻連作高153.4%，其中根際土壤比水稻連作高21.2%，非根際土壤比水稻連作高370.6%，且在第一季尤為明顯。水稻種植期間根際土壤硝態氮含量在第二季分蘗期及孕穗期高于非根際，而玉米在整個生長期間根際土壤硝態氮含量均低于非根際，兩種作物表現出了相反的特征(表2)。

2.1.3 土壤全氮含量 表3顯示，第二季結束后土壤全氮含量比第一季略有降低，C/N略有升高。第一季水稻連作非根際土壤全氮含量最高，玉米-水稻輪作根際土壤最低，兩者差異達到顯著水平；第二季水稻連作根際土壤全氮含量最高，玉米-水稻輪作根際土壤最低，兩者差異達到顯著水平。兩季均為玉米-水稻輪作根際土壤C/N最高，水稻連作非根際土壤最低，且兩者差異達到顯著水平。此外，第一季成熟期水稻連作根際土壤全氮含量低于非根際，第二季成熟期玉米-水稻輪作根際土壤C/N高于非根際。

表 2 玉米-水稻輪作及水稻連作下各個指標根際與非根際之差(根際-非根際)Table 2 Difference between rhizosphere and non-rhizosphere (rhizosphere-non-rhizosphere) of each indicator under maize-rice rotation and rice continuous mono-cropping

表 3 不同種植模式下作物成熟期根際與非根際土壤全氮含量及碳氮比Table 3 Total nitrogen content and C/N in rhizosphere and non-rhizosphere soils at maize or rice maturity stage under different cropping patterns

2.2 玉米-水稻輪作和水稻連作土壤根際和非根際酶活性

2.2.1 土壤脲酶活性 脲酶可分解尿素，對氮肥的轉化和氮素的生物有效性有著重要影響。種植模式與生育期對根際與非根際土壤脲酶活性均有顯著影響(表1)。根際與非根際土壤脲酶活性在第一季均表現為先增強后減弱，在第二季較平穩(圖2)。根際土壤脲酶活性在第一季抽穗期/孕穗期表現為MR ＞RR，第一季成熟期表現為MR ＜ RR，第二季差異不顯著。非根際土壤脲酶活性在第一季抽穗期/孕穗期和第二季分蘗期表現為MR ＞ RR，在第一季成熟期表現為MR ＜ RR，其余時期差異不顯著。MR處理下土壤脲酶活性較RR處理高24.3%，其中根際土壤比RR處理高23.3%，非根際土壤比RR高24.9%。根際土壤脲酶活性在第二季顯著低于非根際土壤(表2)。此外，脲酶活性在第一季高于第二季(圖2)。

2.2.2 土壤硝酸還原酶活性 土壤中的硝酸還原酶可將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽。根際與非根際土壤硝酸還原酶活性均同時受種植模式與生育期的影響(表1)，種植模式對其影響可持續至第二季。根際土壤硝酸還原酶活性在兩季表現為先升高后降低(圖2)。除第二季成熟期外，根際土壤硝酸還原酶活性表現為MR ＜ RR。非根際土壤硝酸還原酶活性在第一季含量較穩定，第二季表現為先降低后升高。與根際土壤相同，除第二季成熟期之外，非根際土壤硝酸還原酶活性表現為MR ＜ RR。MR處理下土壤硝酸還原酶活性較RR處理低34.6%，其中根際土壤比RR低27.2%，非根際土壤比RR低42.6%。根際土壤硝酸還原酶活性較非根際高11.5%，但受生育期的影響，其在第一季抽穗期表現為根際高于非根際，而在第二季成熟期表現為根際低于非根際(表2)。整體上第一季土壤硝酸還原酶活性高于第二季(圖2)。

3 討論

3.1 玉米-水稻輪作對土壤氮素含量的影響

水旱輪作會通過改變稻田土壤長期的厭氧環境而促進硝化菌生長[20]，Cao等[21]在對小麥—水稻體系的研究中指出，小麥季的好氧環境利于硝化作用發生，從而在土壤中積累大量的硝態氮。本試驗結果表明與水稻連作相比，MR處理下第一季土壤銨態氮減少了26.2%，第二季減少了25.4%；土壤硝態氮含量第一季增加了322.5%，第二季增加了13.0% (圖1)，即玉米種植期間土壤硝態氮含量遠高于水稻土壤，說明種植玉米時的土壤環境利于硝化作用發生，且這種影響在第二季水稻種植期間也有所體現，表明第一季好氧條件對氮素硝化作用的影響可延續到第二季。

Schmidt-Rohr等[22]指出長期種植水稻的土壤氮含量較高，Takakai等[23]指出與大豆相比，水稻種植期間的氮損失較小。本試驗結果也顯示第一季與第二季結束后玉米-水稻輪作土壤全氮含量均低于水稻連作，這可能是因為水稻連作土壤中酰胺氮與芳環香烴結合造成的，雖然降低了氮素流失的風險，但也不利于作物對氮素的吸收利用[22]。

圖 2 不同生育期玉米、水稻根際與非根際土壤脲酶和硝酸還原酶活性動態變化Fig. 2 Dynamics of urease and nitrate reductase activities in rhizosphere and non-rhizosphere soils of maize and rice with different growth stages

3.2 玉米-水稻輪作對土壤酶活性的影響

脲酶參與尿素水解，是具有高度專一性的好氧酶[24]，對氮肥的有效性有重要影響，也有研究指出，土壤通氣性可以改善作物根際環境，提高土壤脲酶活性[25]。本試驗結果表明，水旱輪作條件下土壤脲酶活性比水稻連作條件下高24.3%(圖2)。除此之外，施用氮肥會提高土壤脲酶活性[26]，因此第一季作物種植期間也不應忽略玉米與水稻不同氮肥分配比例帶來的影響，圖2顯示第一季成熟期連作脲酶活性高于輪作，可能是水稻最后一次施肥引起的。邢肖毅等[27]研究指出土壤脲酶活性與銨態氮含量呈正相關，但本試驗研究結果顯示土壤銨態氮含量與脲酶相關性不顯著，可能是因為土壤銨態氮含量也受土壤硝化作用與作物對氮素的吸收影響[28]。謝澤宇等[29]與王少先[30]指出，土壤脲酶活性與土壤全氮含量及硝態氮含量呈顯著正相關，與本試驗結果相似，說明脲酶在土壤氮循環中起著重要作用。趙鵬等[31]研究指出土壤脲酶活性與作物需肥有相似規律，其在作物生長旺盛期活性增強利于作物養分的吸收，且肥力較高的土壤脲酶活性較強。圖2顯示，第一季抽穗期/孕穗期土壤脲酶活性最強，表明此時作物需肥較多，生長較旺盛。第二季土壤脲酶活性低于第一季，可能是因為本試驗中第二季土壤肥力下降，導致脲酶活性降低。第二季非根際土壤孕穗期銨態氮含量較其他時期高，可能是土壤肥力降低導致作物對氮素的利用率下降及厭氧環境造成的。

土壤中的硝酸還原酶是反硝化過程中的重要催化劑[32]，玉米種植期間的好氧條件不利于反硝化作用的進行，而在稻田的厭氧條件下，反硝化作用得到加強，圖2表明玉米-水稻輪作處理下硝酸還原酶活性低于水稻連作處理，其比連作低34.6%。有研究指出厭氧條件下的反硝化作用是由底物控制的反應，因此稻田土壤硝化作用大小是影響反硝化作用的重要因素[33]，邢肖毅等[27]也認為，硝態氮濃度的增加會刺激反硝化過程的進行，促進土壤硝酸還原酶活性的增強。本研究相關性分析結果也顯示，土壤硝態氮含量與硝酸還原酶活性呈顯著正相關。土壤硝態氮含量與硝酸還原酶活性正相關，但水稻連作土壤硝酸還原酶活性整體大于玉米-水稻輪作，這種現象可能是玉米-水稻輪作情況下硝態氮對反硝化作用的促進與好氧條件對反硝化作用的抑制互相影響導致的。第二季土壤硝酸還原酶活性較第一季低，可能與脲酶活性降低原因相同，也是土壤肥力下降導致的。

3.3 根際與非根際土壤氮素含量及酶活性的比較

根際土壤銨態氮含量低于非根際，這與董兆佳等[34]的研究結果不同，但與魏亮等[35]的研究結果相似，說明不同作物會對試驗結果產生影響。出現這種現象的原因可能是作物與微生物之間存在養分競爭，從而減少了銨態氮在根際土壤中的含量[36]。玉米種植期間根際土壤硝態氮含量低于非根際的，這與梁國鵬等[5]的研究結果相似，而水稻種植期間根際土壤硝態氮含量高于非根際的，可能是因為玉米作為旱作物，對硝態氮的吸收要比水稻更多。

根際土壤脲酶活性整體低于非根際，這與邱權等[37]的研究結果相似，可能是由于土壤環境或作物對脲酶產生了抑制作用，但缺乏明顯證據，需要進一步深入研究。根際土壤酶活性大多高于非根際土壤[38-39]，本試驗中根際土壤硝酸還原酶活性整體高于非根際，這與大多數研究結果相似，可能是因為根系分泌物為微生物提供了碳源，促進了微生物的生長和酶活性的增強[40]。

本試驗屬于盆栽試驗，與田間作物的生長環境不同。例如有研究表明風干土壤加水培養后會促進土壤微生物的生長，但硝化菌在經歷了風干后很難恢復到新鮮土水平，因此試驗中土壤的礦化率與硝化率會與大田存在差異[41]。未來可以在大田試驗條件下研究水旱輪作對根際土壤氮素與酶活性的動態影響，從而更好地闡明水旱輪作對土壤性質的影響機理。

4 結論

種植模式與作物生育期對土壤氮素含量與酶活性均有顯著影響。與水稻連作相比，玉米-水稻水旱輪作系統中作物根際與非根際土壤銨態氮含量降低了24.7%，硝態氮含量提高了153.4%，兩季作物成熟期全氮含量較低；脲酶活性增強24.3%，硝酸還原酶活性降低34.6%。根際銨態氮含量整體低于非根際，玉米根際土壤硝態氮含量高于非根際，水稻根際土壤硝態氮含量低于非根際，根際土壤脲酶活性低于非根際，根際土壤硝酸還原酶活性高于非根際。土壤硝態氮含量、全氮含量、脲酶活性與硝酸還原酶活性呈顯著正相關。