綜合調理劑對集約化設施土壤氮素吸收及其形態(tài)轉化的影響

郭劉明，盧樹昌，朱夢夢，李婧涵，劉樹宇，趙鑫霞

（1.天津農學院 農學與資源環(huán)境學院，天津 300392；2.喀喇沁旗王爺府鎮(zhèn)人民政府綜合保障和技術推廣中心，赤峰，內蒙古自治區(qū) 024421）

近年來，天津市設施菜田規(guī)模快速發(fā)展，農民為追求高產(chǎn)，盲目過量施用氮肥，造成了蔬菜生產(chǎn)效益不斷下降。老菜田在高度集約化管理模式下，土壤氮養(yǎng)分過量積累，氮素通過地表徑流、淋洗等方式進入地表和地下水，導致面源污染，給生態(tài)環(huán)境與人類健康造成很大威脅。土壤調理劑也稱土壤改良劑，是指加入土壤中用于改善土壤物理、化學性質及其生物活性的物料，能夠提高作物對養(yǎng)分的吸收利用，實現(xiàn)作物增產(chǎn)。近些年，關于施用調理劑改善土壤氮素供應狀況的研究報道較多，但大多是對施用單一調理劑效果的研究，調理劑組合施用研究較少，對作物生長及土壤氮的研究不夠深入。因此，本研究采用不同土壤調理劑配合施用對高氮土壤植物氮素吸收利用及土壤氮素形態(tài)進行深入研究，旨在探索土壤調理劑配合施用的效果，為設施菜田提高土壤質量、促進作物生長、控制土壤氮素環(huán)境風險提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗地點

本研究在天津農學院特用作物生長環(huán)境試驗溫室進行。供試土壤來自天津市武清區(qū)大孟莊鎮(zhèn)后幼莊村設施菜田，該區(qū)域種植制度以番茄、黃瓜等果菜—葉菜為主，棚齡大部分在10 年以上，養(yǎng)分投入偏高，土壤氮環(huán)境風險較高。具體土壤性狀見表1。

表1 供試土壤基本性狀

1.2 試驗材料

供試作物：糯玉米‘ 澳早60’，生育期約85 d。

供試土壤調理劑：草本生物炭、腐植酸、白云石和明礬，常規(guī)用量分別2.40，0.15，0.22，0.22 kg·m，各調理劑具體性狀如表2 所示。

表2 供試土壤調理劑基本理化性狀

1.3 試驗設計與管理

本試驗共設置11 個處理，分別為：CK（對照，無調理劑和肥料）、T1（生物炭100%，百分數(shù)為常規(guī)用量占比）、T2（腐植酸100%）、T3（明礬100%）、T4（白云石100%）、T5（生物炭50%+明礬50%）、T6（生物炭70%+明礬30%）、T7（白云石50%+明礬50%）、T8（白云石100%+明礬50%）、T9（生物炭30%+腐植酸30%+明礬30%）、T10（生物炭30%+明礬30%+白云石70%）。試驗盆規(guī)格為高22 cm，上口徑30 cm，下口徑18 cm，每盆土質量為5 kg。每盆播種3粒種子，出苗后留取2 株長勢均勻一致的玉米植株。每個處理重復3 次。

試驗于2021 年5 月9 日進行布置和播種，5 月15 日出苗，8 月6 日（玉米11～12 葉）時收獲。每1～2 d 于8：00 至9：00 間灌水1 次，每次每盆灌水600 mL，灌水量根據(jù)土壤含水量情況進行適當調整，夏天溫度較高時，可增加灌水量，每次不超過900 mL。試驗期間不施用任何肥料。

1.4 調查采樣與測試

1.4.1 農藝性狀 玉米出苗后每7 d 進行1 次長勢調查。其中，株高采用米尺測定玉米根部到頂部最高葉片的距離；莖粗采用游標卡尺測量地上第二節(jié)間中部莖的直徑；葉色（SPAD 值）采用SPAD-502 儀測定頂部倒三葉葉中部及兩端葉片讀數(shù)的平均值；干物質積累量采用每盆收獲鮮植株的風干質量進行計算。

1.4.2 植物吸收氮素積累量 采集整株植物樣品（包含根、莖、葉、果穗部位），風干樣粉碎后，采用HSO-HO消煮，凱氏定氮法測定含氮量。

1.4.3 土壤氮素測定 收獲時，采集土壤樣品。土壤有機碳采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤全氮采用凱氏定氮法測定，土壤硝態(tài)氮采用紫外分光光度計法測定，土壤銨態(tài)氮采用氯化鉀浸提-靛酚藍比色法測定，土壤脲酶活性采用靛酚藍比色法測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2019 方法進行處理，采用SPSS 22.0 軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同調理劑配合處理糯玉米長勢狀況

2.1.1 前期長勢情況 由表3 可知，施用單一調理劑的處理，株高以T4 處理最高，T2 處理最低；施用組合調理劑處理，株高以T5 處理最高，T10、T6 處理次之，但各處理間株高差異不顯著。施用單一調理劑的處理，莖粗以T4 處理最大，T2 處理最小，變化與株高相近；施用組合調理劑，莖粗以T6、T5 處理較好，其次為T10 處理。從葉片數(shù)來看，施用調理劑的處理大多好于不施用調理劑的處理。施用調理劑的處理，葉片數(shù)以T6 處理最多，除T2 處理較少，表現(xiàn)出顯著差異外，與其他處理均無顯著差異。從葉色值看，施用單一調理劑的處理，葉色值以T2 處理較好；施用組合調理劑的處理中T5、T6 表現(xiàn)更好，但各處理間亦無顯著差異。

表3 不同調理劑配合處理糯玉米前期長勢狀況

從前期總體長勢看，施用調理劑處理的株高、莖粗、葉片數(shù)好于不施調理劑處理，但調理劑組合處理與單一施用調理劑的處理差異不顯著。

2.1.2 中期長勢情況 由表4 可知，從株高來看，施用單一調理劑的處理，株高以T3 處理最高，較CK 處理高22.31%，其次是T4 處理。施用組合調理劑的處理中，株高表現(xiàn)為：T8＞T5＞T7＞T10＞T6＞T9＞CK，株高以T8 處理株高最高，其次是T5 處理，但各處理間差異均不顯著。從莖粗來看，除T7和T9 處理外，施用調理劑的處理較不施用調理劑的處理莖粗大，尤以T8、T2 處理最為明顯，分別高于CK 處理23.68%，11.09%。從葉片數(shù)來看，各處理的變化與莖粗相似，同樣以T2、T8 處理表現(xiàn)較好。從葉色值看，施用組合調理劑的處理中以T9 處理較高；施用單一調理劑的處理中以T3 處理較高。從中期總體長勢看，施用調理劑的處理各指標略好于不施調理劑的處理，施用調理劑的處理以綜合調理劑T8 處理（白云石100%+明礬50%）較佳。

表4 不同調理劑配合處理糯玉米中期長勢狀況

2.2 不同調理劑配合處理糯玉米干物質質量狀況

由圖1 可知，單一調理劑的處理中，T4 處理的干物質質量最高，高于CK 處理10.81%，T2 處理的干物質量最低。在組合調理劑的處理中，T8 處理的干物質量最高，為95.0 g·盆，高于CK 處理16.7%，其次是T5、T6 處理。總體來看，組合調理劑的處理干物質積累量較大，其中T8 處理的干物質積累量最高，其次是T4、T5 處理。

圖1 不同調理劑配合處理糯玉米干物質質量狀況

2.3 不同調理劑配合處理糯玉米吸收氮

由圖2 可知，單一調理劑的處理中，T3 處理的作物吸氮量最高，高于CK 處理29.07%，其次是T4處理。T2 處理的作物吸氮量顯著低于CK 處理，與CK 處理相比，作物吸氮量減少26.99%。在各組合調理劑處理中，以T10 處理的作物吸氮量最高，為1.514 g·盆，顯著高于CK 處理33.38%，其次是T8、T5 處理，T7 處理的作物吸氮量最低。總體來看，T10處理的作物吸氮量最高，其次是T3、T4 處理。

圖2 不同調理劑配合處理糯玉米的吸氮量

2.4 不同調理劑配合處理土壤氮形態(tài)轉化狀況

2.4.1 土壤全氮 由圖3 可知，從施用單一調理劑的處理來看，土壤全氮含量排序為：T3＞T1＞T2＞CK＞T4。從施用組合調理劑的處理來看，土壤全氮含量T8＞T10＞T7＞CK＞T6＞T9＞T5。總體來看，部分施用組合調理劑的處理均降低了土壤全氮含量，降幅為7.13%～11.78%，施用組合調理劑的處理對降低土壤全氮含量的效果略大于施用單一調理劑的處理。

圖3 不同調理劑配合處理土壤全氮含量

2.4.2 土壤硝態(tài)氮 由圖4 可知，從施用單一調理劑的處理來看，施用調理劑后，各處理土壤硝態(tài)氮含量均有不同程度的增加，增幅為9.20%～135.64%。其中，土壤硝態(tài)氮含量增加最多的是T3 處理，硝態(tài)氮含量為14.07 mg·kg，顯著高出CK 處理135.64%，其次是T4、T2 處理。從施用組合調理劑的處理來看，T8 處理較CK 處理土壤硝態(tài)氮有所減少，低于CK 處理14.12%，T10 處理土壤硝態(tài)氮含量較CK 處理增加顯著，增加了207.35%。總體來看，大部分施用調理劑處理均提高了土壤硝態(tài)氮含量，但T8（白云石100%+明礬50%）處理土壤硝態(tài)氮含量有所降低。

圖4 不同調理劑配合處理土壤硝態(tài)氮含量

2.4.3 土壤銨態(tài)氮 由圖5 可知，從施用單一調理劑的處理來看，土壤銨態(tài)氮含量與CK 處理相比，總體呈現(xiàn)增加的趨勢，其中T4 處理較CK 處理顯著增加，增加了29.49%。從施用組合調理劑的處理來看，T10 處理土壤銨態(tài)氮含量較CK 處理顯著增加，高出CK 處理32.53%，其次T9、T8 處理，土壤銨態(tài)氮含量分別較CK 處理顯著增加了30.23%，27.78%，土壤銨態(tài)氮含量最少的是T5 處理，土壤銨態(tài)氮含量為8.20 mg·kg，與CK 處理相比減少了1.56%。綜合來看，T10、T4、T9 處理可提高土壤對銨態(tài)氮的吸附固定作用，T5 處理有利于促進植物對銨態(tài)氮的吸附。

圖5 不同調理劑配合處理土壤銨態(tài)氮含量

2.4.4 土壤無機氮與有機氮的比較 不同調理劑配合處理，土壤無機氮與有機氮含量如表5 所示。施用單一調理劑的處理中，土壤無機氮占比以T4 處理最高，占全氮比重為0.95%，T1 處理的無機氮占比最低，僅為0.5%；施用組合調理劑的處理中，T6 處理無機氮占比最高為0.98%，其次是T10、T5 處理。T8 處理中無機氮占比最少，為0.50%。

表5 不同調理劑配合處理土壤無機氮與有機氮含量比較

2.4.5 土壤脲酶活性 不同調理劑配合處理，土壤脲酶活性如圖6 所示。施用單一調理劑的處理，與CK 處理相比，土壤脲酶活性呈顯著降低的趨勢，其中T4 處理土壤脲酶活性下降最多，與CK 組相比下降了34.62%。從施用組合調理劑的處理來看，T9、T6、T7 處理土壤脲酶活性顯著低于CK 處理，分別降低了41.58%，41.11%，40.65%，T10、T8 處理土壤脲酶活性與CK 處理相比，分別降低了32%，28.99%。總體來看，綜合調理劑處理對土壤脲酶活性的抑制作用強于單一調理劑處理。

圖6 不同調理劑配合處理土壤脲酶活性

2.4.6 土壤碳氮比 從土壤C/N 來看，單一調理劑的處理中，T1、T2、T3 與CK 相比有所下降，其中T3處理減少最多，減少了20.59%。施用組合調理劑的處理中，土壤C/N 與CK 相比，均有不同程度的提高，增長幅度為21.67%～51.78%，其中T9 處理的C/N比顯著增高，原因可能是組合調理劑的施用，促進了植物對土壤中氮元素的吸收，而有機碳含量變化不明顯，從而提高了土壤C/N。綜合來看，施用組合調理劑的處理改善土壤碳氮狀況方面好于單一調理劑處理，見圖7。

圖7 不同調理劑配合處理土壤碳氮比狀況

3 結論與討論

相關研究表明，不同調理劑配合施用可以提高各調理劑作用，但配合不當，亦不利于作物生長和產(chǎn)量提高。本研究結果顯示，施用綜合調理劑對糯玉米生長、氮素吸收狀況具有促進作用，T4(白云石100%)、T8（白云石100%+明礬50%）處理均顯著提高了作物干物質質量，其對應的吸氮量也較高，表現(xiàn)出促進作用，但有的配合處理作用反而不如單一調理劑處理。

本研究使用組合調理劑的處理土壤全氮含量與對照相比均有所降低，進而土壤中的C/N 有所提高。原因可能是明礬溶于水產(chǎn)生的酸性環(huán)境，以及生物炭對土壤性具有狀改善作用，提高了土壤中氮素的吸收性能。另外，土壤中酶和真菌的活性變化對土壤中有機質的分解和礦化過程也起著重要的作用。處理T7（白云石50%+明礬50%）、T8（白云石100%+明礬50%）、T10（生物炭30%+明礬30%+白云石70%）均含有強堿性材料白云石，白云石的加入可能影響了土壤中纖維素酶的活性，減弱了土壤有機碳的礦化，從而提高了土壤C/N。但Ahmad 等研究表明，土壤中添加石灰性物質可以促進土壤有機碳的礦化，這可能是試驗條件與本試驗選用的土壤條件不同造成的，具體原因還需要進一步探究。

土壤脲酶是一種具有高度專一性的酶，能促進土壤中有機氮的礦化分解，其活性對土壤中硝態(tài)氮的轉化和氮素的運移具有很大的影響。抑制脲酶的活性可以減慢氮素轉化，降低硝態(tài)氮的淋溶流失，提高氮肥的利用率，降低土壤面源污染的風險。袁鳳英等研究表明，施用腐植酸可以很好地抑制土壤中脲酶的活性，這與本試驗結果一致，單獨施用腐植酸和T9（生物炭30%+腐植酸30%+明礬30%）處理中的腐植酸與其他調理劑配合施用都不同程度地降低了土壤脲酶活性。

施用調理劑的處理，其糯玉米的株高、莖粗、葉片數(shù)等指標略好于不施調理劑的處理，施用調理劑處理以綜合調理劑T8 處理較佳，并且T8 處理更有利于糯玉米干物質質量積累和氮素吸收；從土壤氮素形態(tài)變化看，施用組合調理劑處理對減少土壤全氮含量的效果大于單一調理劑的處理，其中T9（生物炭30%+腐植酸30%+明礬30%）組合處理效果較好，并且對土壤碳氮比提高作用明顯，而在降低土壤硝態(tài)氮含量方面，T8 處理作用顯著，可減少土壤有效氮素積累。綜合調理劑處理對土壤脲酶活性的抑制作用大于單一調理劑處理。綜合來看，T8（白云石100%+明礬50%）處理在糯玉米生長、干物質質量積累以及氮素吸收方面表現(xiàn)更好。