不同施氮措施對冬小麥農田土壤酶活性和氮轉化的影響

鞏閃閃，劉曉靜，張志勇，馬新明，孔玉華*

1. 河南農業大學林學院，河南 鄭州 450002；2. 河南農業大學農學院，河南 鄭州 450002

氮素是植物生長、發育所必需的大量營養元素之一，在作物產量和品質形成中起關鍵作用（巨曉棠等，2014）。植物對氮素的大量需求，氮肥的施用成為農作物增產的必要措施（王靜等，2019）。農田生態系統投入氮素越來越多，然而氮肥利用率卻逐年下降，導致過量的氮素通過氨揮發、硝化反硝化、淋溶及地表徑流等途徑進入環境（Bodirsky et al.，2014；Hofmeier et al.，2015），造成嚴重的環境風險或直接的環境污染。近年來，通過施用脲酶抑制劑和硝化抑制劑或包膜尿素等來調控氮素在土壤中的生物化學轉化過程，是提高氮素利用率并減緩氮肥污染的有效途徑之一（Moir et al.，2007）。脲酶抑制劑可以通過抑制土壤脲酶活性延緩尿素的水解速度，減少銨態氮的揮發造成的損失（Hou et al.，2014）。硝化抑制劑主要是抑制亞硝化細菌的活性，阻止銨態氮（NH4+-N）的第一步氧化，從而減少亞硝態氮的累積，進而控制硝態氮（NO3?-N）的形成（Thapa et al.，2017）。但是抑制劑受土壤類型、氣候條件和種植作物體系等各種環境和人為因素影響較大，導致不同的抑制劑，或者同一抑制劑在不同的施用環境下對氮素轉化調控效果變異性較大（劉建濤等，2014）。目前較多研究表明，脲酶抑制劑和硝化抑制劑的協同使用可使尿素氮轉化的全過程均得到有效調節，比單獨施用的效果更好（趙婉伊等，2017；張文學等，2019；王靜等，2019）。然而，這些研究多偏重于室內模擬試驗，對大田條件下不同施氮措施的施用效果及相關機理仍缺乏足夠的認識。

土壤酶活性不單是“土壤肥力”、“土壤質量”及“土壤健康”的重要指標，也是用來評價各種農業措施施肥效果的主要因子（萬超等，2009）。安婷婷等（2017）研究表明小麥根際土壤特性可通過改善土壤蔗糖酶和脲酶活性，從而促進土壤氮素的順利轉化和供應，并提高根系生長和植株養分的吸收。施嫻等（2015）研究發現施肥顯著增加了土壤蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶活性，且它們與活性碳氮亦有顯著相關性。因此，土壤酶活性與土壤氮轉化形態等生化特性能敏感地反映土壤質量的變化，對提高土壤肥力有重要意義（張俊麗等，2012）。華北平原作為中國糧食的主產區之一，冬小麥是該區重要的糧食作物，其產量約占我國總產量的61%。因此，本研究以華北平原典型冬小麥農田為研究對象，探究普通尿素添加脲酶抑制劑、硝化抑制劑及緩釋肥替代尿素等施氮措施對農田土壤酶活性和氮轉化的影響，進而優化冬小麥農田氮素養分管理，以期為該區農田生態系統的可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于河南省平頂山市葉縣龍泉鄉合集村（113o42′E，34o43′N），屬暖溫帶大陸性氣候，年均氣溫14.9 ℃，年均降水量745.8 mm，無霜期219 d，全年光照小時數大約2415.9 h。土壤是下蜀黃土發育而來的黃褐土，土壤質地是壤質粘土，土層深厚，質地均勻（朱龍飛等，2019）。樣地土壤0—20 cm土層基本理化性質為：土壤容重是 1.27 g·cm?3，土壤pH為5.64，有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量分別為 9.92 g·kg?1、1.06 g·kg?1、5.63 mg·kg?1和 94.35 mg·kg?1。主要種植制度為冬小麥-夏玉米輪作，一年兩熟。

1.2 試驗設計

試驗共設5個處理：普通尿素（U）；尿素+硝化抑制劑（U+DCD）；尿素+脲酶抑制劑（U+HQ）；尿素+脲酶抑制劑+硝化抑制劑（U+HQ+DCD）；包膜尿素（PCU）。每個處理設3次重復，共計15個小區，小區面積為6 m ×10 m，各區組隨機排列，各小區之間留有0.5 m間距。以等氮量（純氮量225 kg·hm?2）為施氮措施原則可實現氮余量為零（郭天財等，2008；呂麗華等，2015），即各處理氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）的施用量分別為225、75、150 kg·hm?2。抑制劑與肥料混合均勻施用，HQ和DCD的安全常用量分別為尿素用量的 0.5%和 5%（石美等，2012）。冬小麥前茬作物為玉米，玉米棒收獲后將所有秸稈粉碎后進行還田處理。供試作物為冬小麥（周麥27），于2015年10月13日進行播種（播量180 kg·hm?2，寬窄行行距10—25 cm），次年5月29日收獲，田間管理措施同當地農民的常規管理保持一致。氮、磷、鉀肥分兩次施入，60%作基肥施用（2015年10月12日），剩余40%于小麥拔節期進行追肥施用（次年3月31日）。5種施氮措施后土壤基本理化性質見表1。

1.3 樣品采集與測定方法

在冬小麥返青期（2016年2月18日）、拔節期（2016年3月24日）、開花期（2016年4月6日）、開花后15 d（2016年4月20日）和成熟期（2016年5月29日）的晴天采樣，每個小區按照“S”形隨機設置5個取樣點，土鉆采集0—20 cm土層土壤作為一個混合樣，每個小區采集3個混合土樣，后迅速裝入標記好自封袋放入帶冰袋的泡沫箱內，室內過 2 mm土壤篩后放入4 ℃冰箱冷藏備用。

土壤脲酶活性采用靛酚藍比色法，其活性以24 h后1 g土壤中含有NH3-N的質量（mg）表示；土壤蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，以24 h后1 g土壤中含有葡萄糖的質量（mg）表示（關松蔭，1986）。土壤礦質氮，即銨態氮（NH4+-N）與硝態氮（NO3?-N）含量均用 1 mol·L?1KCl溶液浸提5 g鮮土（土∶液=1∶5），后用SKALAR流動分析儀（SAN++，荷蘭）進行測定。土壤含水率用105 ℃烘干法測定，土壤pH采用10 g風干土與25 mL蒸餾水（土∶水=1∶2.5）混合搖勻后用酸度計測定，土壤速效磷（AP）、速效鉀（AK）含量分別用碳氫鈉浸提-鉬銻抗比色法、醋酸銨浸提-火焰光度計法測定。

表1 不同施氮措施下土壤基本理化性質Table 1 soil basic physical and chemical properties under different N application measures

1.4 數據處理

采用多因素方差分析法（MNOVA）分析施氮措施和栽培關鍵期及其交互作用對土壤酶活性和礦質氮含量的影響，對土壤酶活性和礦質氮含量與各土壤因子進行相關性分析（Pearson法），并采用逐步線性回歸分析法分析土壤酶活性和氮轉化的主要影響因素。所有統計分析均用SPSS 20.0進行數據統計分析（IBM，紐約，美國），并以Microsoft Excel 2016進行圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 冬小麥農田土壤酶活性的動態變化特征

不同施氮措施對土壤脲酶活性影響顯著（P＜0.01）（圖1，表2）。在整個小麥栽培關鍵期土壤脲酶活性均值呈 PCU＞U+HQ+DCD＞U+DCD＞U＞U+HQ的變化規律，其值依次為12.65、10.72、10.48、9.58、9.57 g·kg?1·24 h?1；與 U 處理相比，PCU、U+HQ+DCD和 U+DCD處理增幅分別為32.10%、11.91%、9.45%。

土壤脲酶活性隨小麥的生長呈先降低再升高的變化趨勢（P＜0.01）（圖1，表2）。脲酶活性從返青期（10.01—15.65 g·kg?1·24 h?1）至拔節期（2.62—8.45 g·kg?1·24 h?1）呈下降趨勢，隨后逐漸上升，并在成熟期達到最高（12.78—15.78 g·kg?1·24 h?1）。

圖1 冬小麥栽培關鍵期土壤脲酶活性的動態變化Fig. 1 Dynamic changes of soil urease activity during main cultivation stages of winter wheat

表2 施氮措施和栽培關鍵期對土壤酶活性和氮轉化影響的方差分析Table 2 MNOVE analysis for the effect of nitrogen application measures and main cultivation stages on soil enzyme activities and nitrogen conversion

不同施氮措施對土壤蔗糖酶活性有一定影響（圖2），但未達到顯著水平（P＞0.05）（表2）。在整個小麥栽培關鍵期土壤蔗糖酶活性均值呈U+HQ+DCD＞U＞PCU＞U+DCD＞U+HQ 的變化規律，其值依次為 4042.74、4037.25、3992.51、3746.21、3652.93 g·kg?1·24 h?1；相對于 U 處理，不同栽培期PCU、U+DCD和U+HQ處理下土壤蔗糖酶活性降幅分別為1.11%、7.21%、9.52%。

圖2 冬小麥栽培關鍵期土壤蔗糖酶活性的動態變化Fig. 2 Dynamic changes of soil invertase activity during main cultivation stages of winter wheat

土壤蔗糖酶活性隨小麥的生長呈先升高再降低的變化趨勢（P＜0.01）（圖2，表2）。開花期土壤蔗糖酶活性達到最高，其5種處理下的變化范圍為 4745.82—5628.29 g·kg?1·24 h?1；其次是灌漿盛期、返青期和拔節期；成熟期達到最低，最低酶活性為 3081.11 g·kg?1·24 h?1，相對于開花期，不同處理間土壤蔗糖酶活性降幅為35.08%—38.39%。

2.2 冬小麥農田土壤氮轉化的動態變化特征

圖3 冬小麥栽培關鍵期土壤NH4+-N含量的動態變化Fig. 3 Dynamic changes of soil NH4+-N content during main cultivation stages of winter wheat

圖4 冬小麥栽培關鍵期土壤NO3?-N的動態變化Fig. 4 Dynamic changes of soil NO3?-N content during main cultivation stages of winter wheat

不同施氮措施對土壤 NH4+-N和NO3?-N含量均有一定影響（圖3、4）。在整個小麥栽培關鍵期土壤 NH4+-N 含量均值呈 U+HQ＞PCU＞U+HQ+DCD＞U+DCD＞U 的變化規律，其值依次為1177.16、1176.12、1093.41、925.57、879.96 g·kg?1；而與土壤NH4+-N含量的變化規律相反，土壤NO3?-N 含量均值則呈 U＞U+DCD＞U+HQ＞U+HQ+DCD＞PCU的變化規律，其值依次為 647.74、610.82、509.12、453.30、450.99 g·kg?1。與 U 處理相比，5個時期 U+HQ、PCU和 U+HQ+DCD處理下土壤NH4+-N含量均值明顯增加，其增幅依次為33.77%、33.65%、24.26%；而這3種處理下NO3?-N含量均值明顯降低，其降幅依次為 21.40%、30.02%、30.37%。與U相比，單獨添加DCD處理下5個時期土壤NH4+-N和NO3?-N含量均差異不明顯。

土壤 NH4+-N和 NO3?-N含量均隨小麥的生長呈先升高再降低的變化趨勢（P＜0.01）（圖3，4；表2）。開花期，土壤NH4+-N和NO3?-N含量達到最高，不同處理下其變化范圍分別為 1646.77—2618.51、675.29—1263.13 g·kg?1；其次是灌漿盛期和拔節期，變化范圍分別是 1294.48—1898.72、311.05—1451.41 g·kg?1（NH4+-N）和 443.46—815.45、276.48—665.14 g·kg?1（NO3?-N）；成熟期和返青期相對較低，變化范圍分別是 557.21—772.82、246.86—579.03 g·kg?1（NH4+-N）和255.13—338.96、373.40—544.68 g·kg?1（NO3?-N）。

2.3 土壤酶活性和氮轉化的相關及回歸分析

由表3可知，除PCU，其他4種施氮措施下土壤酶活性和礦質氮含量大部分與土壤含水率呈顯著或極顯著正相關關系（P＜0.05），尤其是蔗糖酶活性和NH4+-N含量。在U和U+HQ+DCD處理下土壤蔗糖酶活性與土壤 pH呈顯著正相關關系（P＜0.05），而5種施氮措施下土壤礦質氮含量多數與土壤pH無顯著相關性（P＞0.05）。除PCU，其他4種施氮措施下土壤NH4+-N和NO3?-N含量整體上均與土壤速效磷及速效鉀含量呈顯著或極顯著負相關關系（P＜0.05）；但在U、U+HQ和PCU處理下土壤脲酶活性則與土壤速效磷或速效鉀含量呈顯著正相關關系（P＜0.05）。5種施氮措施下土壤蔗糖酶活性均與土壤礦質氮呈極顯著正相關關系（P＜0.01），且NH4+-N和NO3?-N之間亦呈極顯著正相關關系（P＜0.01）。

為研究5種施氮措施下土壤酶活性及礦質氮的主要影響因子，本文進行了逐步回歸分析（表4）。土壤脲酶活性主要受土壤速效磷、含水率和速效鉀的影響，貢獻率分別為32.4%、15.4%、10.9%；土壤蔗糖酶活性主要受含水率的影響，其貢獻率為41.6%；其次是pH，貢獻率為16.8%；土壤NH4+-N含量主要受速效磷的影響，其貢獻率達到44.6%；其次是含水率，貢獻率為7.6%；土壤NO3?-N含量主要受含水率的影響，其貢獻率為33.7%；其次是速效磷，貢獻率為11.3%。

表3 土壤酶活性、礦質氮含量與其他土壤理化性質間的Pearson相關系數Table 3 Pearson correlation coefficients between soil enzyme activities and inorganic nitrogen contents as well as other soil physical and chemical properties

3 討論

3.1 土壤酶活性對不同施氮措施的響應機理

土壤酶主要來源于微生物和植物根系的分泌物及動植物殘體釋放的酶，參與土壤肥力的形成和演化過程，是土壤中具有生物活性的蛋白質（林玥等，2019），其活性主要受土壤水分、pH、溫度、耕作、施肥等諸多因素影響（Zhang et al.，2015；Qi et al.，2016）。本研究中，整個小麥栽培關鍵期U+HQ處理下土壤脲酶活性整體上略低于施用普通尿素U處理（圖1），證實脲酶抑制劑對土壤脲酶活性起到了一定的抑制作用，這與李玉等（2020）研究結果一致。U+DCD和U+HQ+DCD處理下土壤脲酶活性均略高于U處理（圖1），這與張文學等（2019）研究結果不同，可能是由于添加DCD或HQ+DCD后，使土壤中尿素水解后釋放出的氨在土壤中能更多和更長時間的保持，微生物所需氮素來源充足，活性增強，因而導致微生物群落結構的變化（呼娟娟等，2020），間接刺激了土壤脲酶活性。PCU處理明顯提高了5個時期土壤脲酶活性，這主要是由于 PCU處理使氮素在土壤中緩慢釋放，可以穩定持續的向土壤中輸入氮素，為微生物及植物根系的活動提供了充足的氮源，因此提高了土壤脲酶活性；此外本研究亦發現 PCU處理顯著提高了土壤速效養分含量（表1），且PCU處理下土壤脲酶活性與土壤速效鉀含量呈極顯著正相關關系（P＜0.01）（表3），推測與U相比，包膜尿素更能改善土壤養分環境，促進植物根系和微生物活動，進而提高了土壤脲酶活性。不同施氮措施對土壤蔗糖酶活性的影響均未達到顯著水平（P＞0.05，表2），這與呼娟娟等（2020）研究結果一致，推測土壤水分是造成該現象的關鍵因子。本研究中5種施氮措施下土壤蔗糖酶活性均與土壤含水率呈顯著正相關關系（P＜0.05，表3），且線性回歸分析表明土壤蔗糖酶活性主要受土壤水分影響（表 4），而不同施氮措施下的土壤水分含量整體上變化不顯著（表1），因此不同施氮措施對土壤蔗糖酶活性均無顯著影響。與U相比，單獨添加HQ或DCD使土壤蔗糖酶活性在部分栽培期略有降低，說明土壤蔗糖酶活性對氮肥增效劑的添加響應較遲緩。綜上所述，本研究不同施氮措施對兩種土壤酶活性的影響存在很大差異，其響應性表現各異，不能一概而論。

表4 土壤酶活性和礦質氮含量的多元回歸分析模型Table 4 Multiple regression analysis model of soil enzyme activities andmineral nitrogen content

土壤蔗糖酶和脲酶在土壤碳、氮循環中起重要作用（張玉蘭等，2004）。本研究發現不同施氮措施下土壤脲酶活性隨小麥栽培關鍵期的推進在拔節期逐漸升高，這與當時的氣溫和土壤速效養分有關。本研究區所在地屬于暖溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷，3月氣溫開始回升，土壤中的動物和微生物活動頻繁，作物開始生長，根系分泌物增多，代謝加快，活力增強，促進土壤脲酶活性的提高（郭天財等，2008）。同時，在小麥拔節期進行追肥，迅速增加了土壤中速效養分的含量，因此拔節期后脲酶活性迅速升高。開花期后，脲酶活性增長緩慢，這可能是因為開花期小麥生長旺盛，能夠迅速吸收土壤養分，小麥與微生物易形成爭奪土壤氮素營養的關系，從而抑制了土壤微生物的生長和繁殖（羅珠珠等，2012），造成脲酶活性增長趨緩。此外，土壤脲酶活性也受氮源的影響（裴丙等，2018），開花期后土壤中氮含量降低也限制了土壤的脲酶活性。灌漿盛期開始，小麥逐漸成熟，對速效磷和氮素的吸收減少，土壤脲酶活性逐漸增強。不同施氮措施下土壤蔗糖酶活性整體上呈現倒“V”型變化，這與前人（沈宏等，1999；羅珠珠等，2012）的研究結果相一致。主要是從小麥拔節期到開花期，作物處于生長最旺盛的階段，根系迅速生長，根分泌物增加，土壤微生物數量增加，導致酶代謝活動增強，因此，土壤蔗糖酶活性在開花期達到最大；開花期后蔗糖酶活性逐漸下降，其原因與小麥根系活力的下降，分泌減少等有關（熊明彪等，2003）。

3.2 土壤氮轉化對不同施氮措施的響應機理

本研究中，整個小麥栽培關鍵期 U+HQ、U+HQ+DCD和PCU處理下土壤NH4+-N含量均明顯高于U處理（圖3），表現出較好的氮肥的利用效率。這主要是由于脲酶抑制劑HQ能延緩尿素水解為NH4+-N（Hou et al.，2014），增加土壤中NH4+-N的含量；而脲酶抑制劑HQ和硝化抑制劑DCD配施，在可以延緩尿素水解為NH4+-N的基礎上，還可以阻斷NH4+-N的硝化作用，使土壤中保持更高的NH4+-N；包膜尿素PCU由于膜層的存在，使尿素得以緩慢、穩定的釋放到土壤中，因而土壤中NH4+-N含量得以在較長時間內保持較高水平。與土壤NH4+-N含量的變化規律相反，5個時期U+HQ、U+HQ+DCD處理下土壤 NO3?-N含量均明顯低于U處理（圖4），這是由于脲酶抑制劑HQ阻礙了尿素的水解過程，且與DCD同時添加下土壤NO3?-N含量更低，這與周旋等（2019）的研究結果相一致。PCU處理下土壤NO3?-N含量最低，推測由于包膜處理改變了土壤微環境，如降低了土壤水分、pH等（表1），可能更有利于土壤無機氮以NH4+-N形式存在，具體原因需要進一步研究確定。本研究還發現與U相比，單獨添加DCD對5個時期土壤 NH4+-N和NO3?-N含量均無顯著影響，說明本研究劑量下硝化抑制劑的單施對提高土壤礦質氮含量效果較差。

土壤NH4+-N和NO3?-N是作物可以直接吸收利用的速效氮素營養（王靜等，2019）。在冬小麥栽培關鍵期，土壤NH4+-N和NO3?-N含量均隨小麥生長呈現倒“V”型變化特征，均在開花期達到最高（圖3、4）。這主要是由于播種后至返青期，基肥施用的尿素基本被轉化和利用，且該階段氣溫較低（朱龍飛等，2018），土壤微生物活性較弱，造成 NH4+-N和NO3?-N含量均較低；由于小麥拔節期進行了追施氮肥，這直接增加土壤 NH4+-N和NO3?-N含量；隨著氣溫的回升，開花期土壤中硝化細菌及反硝化細菌的活性增加，使土壤NH4+-N和NO3?-N含量在這一時期達到最高；而在灌漿盛期小麥生長旺盛，可能會出現植物與土壤爭奪氮素的情況，以及土壤微生物的氮固持等（串麗敏等，2011），這些因素造成此后土壤NH4+-N和 NO3?-N含量呈逐漸降低的趨勢。

4 結論

氮肥增效劑的添加及緩釋肥的施用能有效提高土壤氮肥的利用效率，其中，U+HQ+DCD和PCU顯著提高了土壤脲酶活性，并顯著增加了土壤NH4+-N含量，降低了土壤NO3?-N含量。土壤酶活性和氮轉化與小麥的生長密切相關，土壤蔗糖酶活性、NH4+-N和NO3?-N含量均隨小麥生長呈先升高再降低的趨勢，開花期出現峰值。而土壤脲酶活性則呈先下降再升高的趨勢，小麥拔節期最低，成熟期最高。普通尿素配施氮肥增效劑HQ+DCD以及包膜尿素 PCU可以有效提高土壤酶活性及氮肥利用效率，有利于土壤的可持續利用。