不同水氮處理對馬鈴薯品質及土壤脲酶活性的影響

2022-04-15 23:29:15胡朋成尹娟魏小東王臣

江蘇農業科學 2022年6期

胡朋成尹娟魏小東王臣

摘要：針對寧夏中部干旱帶農田馬鈴薯根際生態環境問題，研究水肥一體化條件下不同水氮處理對馬鈴薯品質和土壤脲酶活性的影響。結果表明，不同水氮處理對0～20 cm土層土壤脲酶活性影響較大，其中灌水量為 1 500 m3/hm2，施氮量為210 kg/hm2的處理對土壤脲酶活性影響最大。低水條件下，隨著施氮量的增加，脲酶活性逐漸降低;中水和高水條件下，脲酶活性隨施氮量的增加而先升高后降低。施氮量一定時，脲酶活性隨灌水量的增加先升高后降低。其中，中水低氮、中水中氮、中水高氮處理有利于馬鈴薯生育期內土壤脲酶活性的升高，中水低氮處理淀粉含量最高，高水高氮處理馬鈴薯維生素C含量最高。綜合考慮，中水中氮處理有利于提高馬鈴薯塊莖淀粉、維生素C含量，且此處理還原糖含量最低。在0～20 cm土層中，脲酶活性與馬鈴薯塊莖維生素C含量呈顯著正相關（P<005），與塊莖淀粉含量無顯著相關性，較高的脲酶活性有利于提高馬鈴薯塊莖維生素C含量。

關鍵詞：水氮處理;土壤脲酶活性;馬鈴薯品質;淀粉;還原糖;維生素C

中圖分類號： S532.06;S532.07? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）06-0087-06

收稿日期：2021-06-30

基金項目：寧夏高等學校一流學科建設項目（編號：NXYLXK2021A03）。

作者簡介：胡朋成（1997—），男，四川廣安人，碩士研究生，從事水資源高效利用研究。E-mail：894431934@qq.com。

通信作者：尹娟，博士，教授，從事節水灌溉理論與技術、水文及水資源、水資源高效利用研究。E-mail：yj7115@126.com。

在我國農業生產中，水肥對馬鈴薯品質的影響較大，水分作為環境因素之一，對作物生長有著重要影響，對促進馬鈴薯生長有很大作用，必須重視肥料的合理施用[1]。馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）為茄科茄屬1年生草本塊莖作物，既可用于食品加工業，又可作為糧菜兩用[2]。馬鈴薯是寧夏第一大農作物，已經有300多年的種植歷史，寧夏的馬鈴薯種植面積目前已經超1.86億hm2，位居全國第11位[3]。土壤酶是土壤成分之一，具有很高的催化活性，是一種生物催化劑[4]。土壤酶活性的高低與土壤養分轉化的強弱有著密切聯系，它為各種生化過程提供動力，是維持土壤肥力的一個潛在指標[5]，可以反映土壤的表觀肥力，而土壤肥力又對馬鈴薯塊莖品質有著重要影響。土壤酶會對土壤微環境產生影響，且對植物的生長有著更重要的影響，影響農作物生長的土壤酶主要包括過氧化氫酶和脲酶等[6]。土壤酶活性的主要來源有2個方面，一是在土壤中不斷積累，二是土壤中微生物在繁殖過程中釋放[7]。

羅慧等的研究表明，通過采用合理的灌水措施，能夠有效提高土壤酶活性[8];熊湖等的研究表明，存在于土壤中的脲酶活性，會受到酚酸的抑制作用，采取施用液態有機肥的方法，可以有效減輕這種抑制作用[9]。寧夏回族自治區同心縣馬鈴薯主要種植區域位于下馬關鎮、預旺鎮等鄉鎮，品種主要是青薯9號[10]。同心縣已經大面積覆蓋馬鈴薯種植，但大部分農戶種植馬鈴薯都是通過自然生長，通過人為灌水施肥策略干預馬鈴薯生長的幾乎沒有，進行馬鈴薯水肥管理模式的探究對當地馬鈴薯生產具有重要意義。

本試驗通過研究不同水氮處理對土壤脲酶活性及馬鈴薯品質的影響，旨在摸清在寧夏中部干旱帶水肥一體化條件下馬鈴薯品質及土壤脲酶活性隨水氮變化的規律，優選出最佳水肥管理模式。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2019 年5月在同心縣下馬關鎮進行大田試驗。馬鈴薯供試品種為青薯9號，該品種有耐旱、耐寒、塊莖抗環腐病等諸多優點，適應試驗地氣候且在當地有較大種植面積。試驗區海拔1 730～1 950 m，位于寧夏中部干旱帶，多年平均降水量在260 mm 左右，大多集中在 7、8、9月這3個月，屬于大陸性干旱氣候，干旱少雨，紫外線強，光照充足，蒸發大，蒸發量在2 325 mm以上。夏秋短，春冬長，四季分明[11]。試驗地土壤以黑壚土和灰鈣土為主，主要特點是土質疏松，土壤質地較均勻且多孔，能有效保持土壤中的水分和肥料，富含鉀素，為試驗地馬鈴薯植株提供良好的生長環境。

每個試驗小區面積為16 m2，長5 m，寬3.2 m。馬鈴薯栽種方式為壟作，一膜兩行，膜寬1.2 m，行距、株距分別設置為60 、50 cm，種子埋深20 cm。種植馬鈴薯時，每行種植10株，每小區種植40株，種植密度33 345株/hm2。每個小區相互獨立，設有支管控制單元，水表、閘閥、壓力表、施肥罐各1個。

2019年預旺鎮試驗田耕作層土壤理化性質：pH值為8.19，有機質含量為12.1 g/kg，速效鉀含量為133 mg/kg，全氮含量為0.69 g/kg，全磷含量為 0.77 g/kg，全鉀含量為20.4 g/kg，脲酶活性為 0.215 mg/（g·d）。

1.2 試驗方法

試驗設計灌水量和施氮量2個因素，灌水量設3個水平，分別為W1（低水，900 m3/hm2）、W2（中水，1 500 m3/hm2）、W3（高水，2 100 m3/hm2）;施氮量（純氮）設3個水平，分別為N1（低氮，120 kg/hm2）、N2（中氮，210 kg/hm2）、N3（高氮，300 kg/hm2），共9個處理，每個處理3次重復，同時設置空白對照CK（按照當地種植習慣，不覆膜且不灌水施肥），共28個試驗小區，采用兩因素隨機區組設計。試驗中磷肥、鉀肥為純磷、純鉀，選定的施肥量為825、150 kg/hm2，磷肥以基肥的形式施入（一次性底施）。施用肥料選用尿素（氮含量46%）、過磷酸鈣（磷含量12%）、硫酸鉀（鉀含量50%）。鉀肥和氮肥采用水肥一體化的方式施加，目的是為了保證馬鈴薯的正常生長（表1）。

1.3 取樣測定及分析方法

1.3.1 土壤脲酶活性測定在全生育期每個小區內用土鉆隨機分層（0～20、20～40、40～60 cm）取土，將待測土裝于塑封袋封閉保存，采用靛酚比色法測定土壤脲酶活性。

1.3.2 馬鈴薯塊莖品質指標測定馬鈴薯塊莖品質性狀有淀粉含量、還原糖含量、維生素C含量3個指標。測定方法如下：淀粉含量采用用碘比色法測定;維生素C含量采用2， 6-二氯靛酚滴定法（mg/100 g）測定;還原糖含量采用比色法測定。

1.4 數據處理

試驗所得數據均采用Excel 2019和DPS v 9.01數據處理軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理下0～20 cm土壤脲酶活性的變化規律

土壤脲酶活性可以反映表土壤的肥沃程度，在土壤氮素轉化時，脲酶是關鍵酶。土壤酶有專一性和綜合性的特點，它參與土壤中各種生物化學過程，環境的生物、物理和化學特性容易對土壤酶產生影響，土壤狀況在一定程度上可以由土壤酶來反映，在土壤生態系統變化時，土壤酶能夠發揮預警作用，且可以作為敏感指標[12-13]。脲酶主要是對尿素產生作用，催化尿素水解為氨和二氧化碳，土壤無機氮的供應能力可通過脲酶活性反映[14-15]。

圖1-a、圖1-b、圖1-c分別表示低水（灌水量900 m3/hm2）、中水（灌水量1 500 m3/hm2）、高水（灌水量2 100 m3/hm2）條件下不同施氮量對馬鈴薯生育期土壤脲酶活性的影響。隨著馬鈴薯生育期的推進，土壤脲酶活性均呈先升高后降低趨勢，土壤脲酶活性最大值出現在初花期，盛花期略有下降。主要是因為初花期馬鈴薯生長既有地下根系發育，又有地面莖葉部分的營養生長，氮素需求量較大，在作物大量需肥期間，土壤中有機碳含量和微生物總量大幅增加，土壤脲酶活性明顯提高;到了盛花期，地面生長逐步趨于穩定，主要集中于地下塊莖生長膨大，氮素需求相比初花期有所降低，所以土壤脲酶活性相比初花期也有所下降。在低水條件下，土壤脲酶活性隨施氮量的增加而降低，因為在低水條件下，土壤溶液高濃度的氮不利于植物根系和土壤微生物對尿素的轉化，影響土壤脲酶活性的提高;在中水條件下，脲酶活性隨施氮量增加先升高后降低，中水中氮（W2N2）處理的土壤脲酶活性明顯高于中水低氮（W2N1）和中水高氮（W2N3）處理，說明在中水條件下，中水中氮處理最有利于提高土壤脲酶活性;在高水條件下，土壤脲酶活性隨施氮量的增加先升高后降低，但降幅不大，高水中氮（W3N2）和高水高氮（W3N3）處理土壤脲酶活性差別不大，高水低氮（W3N1）處理的土壤脲酶活性明顯低于高水中氮和高水高氮處理，因為在高水低氮（W3N1）條件下，土壤過濕，氮素濃度較低，降低了酶促作用和土壤中生物化學反應強度，導致脲酶活性降低[7]。說明在灌溉量一定時，過低或過高的施氮量對提高土壤脲酶活性效果均不明顯。

圖2-a、圖2-b、圖2-c分別表示低氮（施氮量120 kg/hm2）、中氮（施氮量210 kg/hm2）、高氮（施氮量300 kg/hm2）條件下不同灌水處理對馬鈴薯生育期土壤脲酶活性的影響，生育期馬鈴薯土壤脲酶活性變化的趨勢也是先升高后降低。低氮中水（W2N1）處理的土壤脲酶活性明顯高于低氮低水（W1N1）和低氮高水（W3N1）處理;中氮中水（W2N2）處理的脲酶活性明顯高于中氮低水（W1N2）和中氮高水（W3N2）處理，且初花期差距最為明顯，因為該處理的土壤水分與氮素濃度最適于土壤微生物及植物根系脲酶分泌，所以脲酶活性最高[7];高氮中水（W2N3）處理的土壤脲酶活性顯著高于高氮低水（W1N3）和高氮高水（W3N3）處理，因為土壤含水量過高或者過低時，土壤中酶促作用受到抑制，同時也會降低土壤生化反應強度，導致土壤脲酶活性降低[7]。說明在施氮量一定時，過高或過低的灌水量對提高土壤脲酶活性的效果均不明顯。通過以上分析，中水中氮處理最有利于提高 0～20 cm土層土壤脲酶活性。

2.2 不同水氮處理0～20 cm土層土壤脲酶活性顯著性分析

馬鈴薯生育期各水氮處理0～20 cm土層脲酶活性詳見表2。初花期，W2N2處理與W1N3處理差異顯著，其他各處理間土壤脲酶活性差異均不顯著;盛花期，W2N2處理與W1N2處理差異顯著，W2N2與W1N3、W3N1處理之間差異極顯著，說明不同水氮處理對土壤脲酶活性的影響在馬鈴薯初花期和盛花期開始顯現;成熟期，除W2N2處理和W3N1處理之間差異顯著外，其他各處理土壤脲酶活性差異均不顯著。

2.3 同一水氮處理對馬鈴薯不同土層土壤脲酶活性的影響

由圖1和圖2可知，在馬鈴薯整個生育期過程中，0～20 cm土層土壤脲酶活性呈現先升高后降低的趨勢，且在初花期達到最大值。在馬鈴薯初花期，中水中氮（W2N2）處理0～20 cm土層土壤脲酶活性在9個處理中最高。以中水中氮處理為例，分析馬鈴薯生育期不同土層土壤脲酶活性，結果見圖3。由圖3可知，在初花期，3個土層范圍的土壤脲酶活性達到最大值，且隨土層深度增加，酶活性逐漸降低。相較于20～40、40～60 cm土層，0～20 cm土層的脲酶活性明顯最高。原因是0～20 cm土層屬于農業耕作層，脲酶底物多，化學活性強，土壤有機質酶解速度快，有效養分含量高;20～40、40～60cm土層較深，在這一范圍內土壤的通暢性很差，基質含量大大低于0～20 cm土層，生物活性弱，生物化學轉化弱，植物的營養物質含量明顯低于土層0～20 cm，導致這2個土層的脲酶活性也相應低于土層0～20 cm。說明馬鈴薯生育期土壤脲酶活性隨土層深度增加而降低[7]。

2.4 不同水氮處理對馬鈴薯品質的影響

由表3可以看出，部分水氮處理對馬鈴薯的淀粉、還原糖、維生素C含量的影響顯著。

在進行馬鈴薯品質分析時，淀粉含量、還原糖含量和維生素C含量是3個非常重要的指標，各處理馬鈴薯塊莖淀粉、還原糖和維生素C的含量見表3。結果表明，9個處理馬鈴薯淀粉含量均高于CK，主要原因在于9個試驗處理均施加了氮肥，而氮肥是馬鈴薯生育期淀粉形成必不可少的養分。中水低氮處理馬鈴薯塊莖淀粉含量最高，為 16.1 g/100 g。因為在該灌水施氮條件下，馬鈴薯輸送到地下部分的光合產物明顯增多，所以該處理下馬鈴薯生長旺盛，光合作用較強，有利于馬鈴薯塊莖淀粉的積累。說明中水低氮處理更有利于提高馬鈴薯塊莖淀粉含量。還原糖含量不僅會影響馬鈴薯營養價值和口感，還會影響馬鈴薯加工工藝和產品品質，一般要求還原糖含量低一點[15-16]。

土壤氮肥是影響馬鈴薯塊莖維生素C 含量的重要因素，馬鈴薯塊莖中豐富的維生素C除了與土壤氮肥密切相關之外，還與土壤的水分狀況有關。高水高氮處理的馬鈴薯塊莖維生素C含量最高，為30.65 mg/100 g。且在灌溉量一定時，馬鈴薯塊莖的維生素C含量隨施氮量的增加而增加（低水中氮處理除外），但上升幅度不大，這是因為氮肥為馬鈴薯生育期內合成維生素C提供了大量的原材料，充足的氮肥有利于提高馬鈴薯塊莖的維生素C含量。其中，高水高氮處理最有利于提高馬鈴薯塊莖維生素C含量。

綜合分析3個品質指標，中水中氮處理的馬鈴薯淀粉和維生素C含量在各個處理中表現最優，且還原糖含量最低。所以中水中氮的水肥管理方式最有利于提高馬鈴薯品質，這對今后的大田試驗也提供了參考價值。

2.5 馬鈴薯全生育期土壤脲酶活性與馬鈴薯品質的相關性分析

表4反映了馬鈴薯塊莖淀粉含量、還原糖含量、維生素C含量、0～20 cm土層脲酶活性均值、20～40 cm土層脲酶活性均值、40～60cm土層脲酶活性均值6個指標之間的相關性，分別用X1、X2、X3、X4、X5、X6表示。由表4可以看出，馬鈴薯土壤0～20 cm 土層脲酶活性與馬鈴薯塊莖維生素C含量呈顯著正相關，說明在0～20 cm土層中，較高的脲酶活性有利于提高馬鈴薯塊莖維生素C含量。馬鈴薯0～20、20～40、40～60 cm土層脲酶活性土壤脲酶活性與馬鈴薯塊莖淀粉含量之間相關性不顯著。

3 討論

本試驗研究了不同水氮處理對土壤脲酶活性、馬鈴薯品質及土壤脲酶與馬鈴薯品質之間的相互關系，結果表明，不同水氮處理對馬鈴薯0～20 cm耕層土壤脲酶活性影響較大。在整個馬鈴薯生育期，土壤脲酶活性先升高后降低，最低值出現在苗期。苗期到初花期，由于土壤溫度升高和馬鈴薯根系生長發育影響脲酶活性迅速升高，在初花期達到全生育期最高水平;初花期到成熟期，土壤脲酶活性又呈現降低趨勢，馬鈴薯成熟期的土壤脲酶活性較出苗期高。從本試驗結果可以看出，在灌水量或施氮量一定時，適當提高另一個因素的水平均有利于提高土壤脲酶活性。本試驗得出，在寧夏中部干旱地區，最有利于提高土壤脲酶活性的灌水量為 1 500 m3/hm2，施氮量為210 kg/hm2。馬鈴薯品質的各性狀在灌水量為1 500 m3/hm2、施氮量為 210 kg/hm2 時表現最優，但施氮量的不同對馬鈴薯的淀粉、維生素C的含量的影響又有一定差異，所以在尋找最適合馬鈴薯的施氮量上，還需要進一步研究。

評價土壤肥力往往采用土壤酶活性，土壤營養物轉化能力以及土壤生物活性都可以用土壤酶活性來反映，因此土壤酶活性是一項重要的指標[16]。周禮愷認為，當土壤水分充足或較高時，土壤脲酶活性會增強，但當灌溉量過高、土壤水分過高時，土壤脲酶活性會減弱[17]。朱同彬等的研究結果表明，與較低的土壤水分含量相比，土壤脲酶活性會在土壤水分含量過高時受到抑制[18]。

為了幫助馬鈴薯生長，減少肥料的浪費，需要合理施用氮肥，在其栽培過程中提高肥料的利用率是降低成本的重要途徑[19]。對本試驗結果進行分析，發現灌溉次數相同時，灌溉量越高，馬鈴薯塊莖淀粉含量越高，這與馬微等的研究結論[20]一致。施氮量對淀粉的產生和含量影響最大，主要原因可能是氮參與蛋白合成，促進后期馬鈴薯淀粉的積累[21]。

在同一灌溉量下，馬鈴薯塊莖維生素含量隨施氮量的增加而增加，但上升幅度不大，這與李仕杰的研究結論[22]一致。

4 結論

馬鈴薯全生育期0～20、20～40、40～60 cm土層脲酶活性變化均是初花期土壤脲酶活性最高，且隨土層深度增加而降低。中水中氮處理更有利于提高0～20 cm土層土壤脲酶活性。綜合淀粉含量和維生素C含量這2個馬鈴薯塊莖品質指標分析，中水中氮處理的馬鈴薯塊莖淀粉、維生素C含量表現最優，還原糖含量最低。馬鈴薯土壤0～20 cm土層脲酶活性與馬鈴薯塊莖維生素C含量呈顯著正相關，馬鈴薯0～20 cm土層土壤脲酶活性與馬鈴薯塊莖淀粉含量之間無明顯相關。

在本試驗條件下，中水中氮處理最有利于提高土壤脲酶活性，土壤脲酶活性升高有利于提高馬鈴薯植株對土壤氮素的吸收率，有利于馬鈴薯塊莖中淀粉積累以及維生素C的合成，所以此處理下馬鈴薯的淀粉、維生素C含量表現較優，還原糖含量最低。因此灌水量為1 500 m3/hm2、施氮量為 210 kg/hm2 處理可推薦作為寧夏中部干旱帶農業區馬鈴薯的水氮管理模式。

參考文獻：

[1]畢麗霏，張富倉，王海東，等. 水肥調控對滴灌馬鈴薯生長、品質及水肥利用的影響[J]. 干旱地區農業研究，2020，38（1）：155-165.

[2]張靜. 氮磷鉀施用量對馬鈴薯產量、品質及肥料利用特性的影響[D]. 呼和浩特：內蒙古農業大學，2012：1-2.

[3]張立杰，尹娟，李文證. 不同水肥處理對馬鈴薯氮素利用率的影響[J]. 節水灌溉，2015（4）：23-26.

[4]羅杰. 不同肥料及其施用水平對楨楠幼苗生長特性及土壤肥力的影響[D]. 雅安：四川農業大學，2017：42-43.

[5]Aon M A，Colaneri A C. Temporal and spatial evolution of enzymatic activities and physico-chemical properties in an agricultural soil[J]. Applied Soil Ecology，2001，18（3）：255-270.

[6]李文證，馬國成，尹娟. 不同水肥處理對馬鈴薯肥料利用效率的影響[J]. 節水灌溉，2016（9）：44-47，51.

[7]關松蔭. 土壤酶及其研究法[M]. 北京：農業出版社，1986.

[8]羅慧，劉水，李伏生. 不同灌水施肥策略對土壤微生物量碳氮和酶活性的影響[J]. 生態學報，2014，34（18）：5266-5274.

[9]熊湖，鄭順林，龔靜，等. 液態有機肥對酚酸脅迫下馬鈴薯生長發育和土壤酶活性影響[J]. 水土保持學報，2019，33（3）：254-259，267.

[10]葉風琴，戴明晶，張臻. 同心縣馬鈴薯生長發育與氣候條件的關系[J]. 現代農業研究，2018（9）：26-28.

[11]吳嬌，尹娟，耿浩杰，等. 滴灌下不同灌水處理對馬鈴薯水氮運移及產量的影響[J]. 節水灌溉，2019（1）：22-25，31.

[12]崔薈萍，趙桂琴，劉歡. 除草劑對燕麥田土壤脲酶和堿性磷酸酶活性的影響[J]. 中國草地學報，2014，36（1）：37-43.

[13]馮佳宇，楊正軍，馬劍，等. 不同類型茶園土壤中微生物的群落特征及土壤酶活性[J]. 現代園藝，2018（20）：9-10.

[14]聶兆君，秦世玉，劉紅恩，等. 氮鋅配施對冬小麥產量及土壤氮素轉化相關酶活性的影響[J]. 植物營養與肥料學報，2020，26（3）：431-441.

[15]陳曦，江賾偉，丁潔，等. 生物炭施用對節水灌溉稻田土壤氮素含量及脲酶活性的影響[J]. 江蘇農業科學，2020，48（19）：268-274.

[16]韓黎明，童丹. 馬鈴薯主糧化新品種營養品質分析與評價[J]. 糧食與飼料工業，2019（2）：33-36.

[17]周禮愷. 土壤酶學[M]. 北京：科學出版社，1987：243-244.