不同氮素形態對木薯生長及根際土壤養分與酶活性的影響

姜舒雅 孫彬杰 林萱 劉文杰 朱杰輝 宋勇

關鍵詞：木薯；氮素形態；土壤養分；土壤酶活；產量；品質

木薯（Manihot esculenta Crantz）為大戟科木薯屬旱地作物，是全球三大薯類作物之一[1]，木薯作為非糧能源作物，具有重大的發展潛力，主要用于制作淀粉、酒精等一系列產品，在工業和農業上都存在重大利用價值[2]。隨著木薯產業的發展，我國對木薯干片和淀粉的需求日益增大，而國內木薯生產量較低，木薯進口需求依存度較高[3]。而提高木薯產量的措施之一便是合理施用氮肥[4]，常見的氮肥形態有銨態氮、酰胺態氮和硝態氮[5-6]。作物對氮素形態的偏好會為植物有效劃分有限的土壤氮提供一種機制，促進物種共存與維持生物多樣性[7]。氮素形態的差異影響植物對氮的吸收，貯藏，運輸，同化等，從而也會影響植物的生理生長過程[8]，選擇合適的氮肥類型可以促進作物生長發育，改善營養水平，提高產量和品質。

前人研究表明，氮素限制作物物質的累積，直接或間接影響作物的生長發育[9]。氮素的缺失會造成木薯植株矮小、葉片枯黃、塊根數量縮減、質量下降[10]。前人關于氮素形態對蔬菜作物的研究發現，施用尿素結球甘藍的株高，莖粗效果都優于其他處理，產量也最高[11]；馬拉新[12]的研究表明正常灌溉下施用硝酸銨木薯產量最高；和銳敏等[13]發現銨態氮促進甘蔗鮮重增加、側根和不定根的形成，硝態氮促進根系縱向增長。氮素通過影響植物體內蛋白質、糖、維生素、礦質元素等含量來影響品質[14]。代新俊[15]發現施用酰胺態氮肥小麥的淀粉、可溶性蛋白含量更高。土壤富含氮磷鉀和其他微量元素，土壤養分含量高低決定作物是否健康生長[16]。土壤酶廣泛存在于土壤中，調控土壤物質循環和多種生物化學反應[17]。吳勇等[18]的研究結果表明施氮可以提高紫花苜蓿根際土壤有機質、堿解氮含量；梁悅[19]發現硫酸銨處理土壤速效鉀含量顯著高于其他處理；陳曉光等[20]的研究結果顯示甘薯土壤蔗糖酶活性在尿素處理下顯著高于施硝酸鈣、硫酸銨。王光華[21]發現大豆根際土壤脲酶活性在銨態氮條件下表現為最高。馬宗斌等[22]的試驗結果顯示酰胺態氮處理下小麥根際土壤脲酶活性最高。可見，不同氮素形態對不同種類作物的生長及土壤環境的影響不同。近年來，我國學者就施氮量、施氮時期、施氮方式及施氮深度等對木薯生長發育、產量及品質的影響進行了研究，而關于不同氮素形態對木薯生長及根際土壤環境的研究卻鮮有報道[23-25]。本試驗通過研究不同氮素形態對木薯生長及根際土壤養分、土壤酶活性的影響，以期為木薯提供科學施肥依據和理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為華南9 號（SC9）木薯品種，由湖南省馬鈴薯工程技術研究中心提供。SC9 于2021 年5 月2 日在湖南省長沙縣湘研種業基地（28?3119N，113?3005E）種植，2021 年11 月13 日收獲。試驗地氣候條件為亞熱帶季風濕潤氣候，年均氣溫為18.8 ℃，年降水量為1472.9 mm。木薯種植前采用五點交叉取樣法采取土樣測量土壤基本理化性質，土質為紅壤土，土壤pH 5.46，土壤堿解氮含量為137 mg/kg，有效磷為5.2 mg/kg，速效鉀為121 mg/kg，全氮為1.28 g/kg，全磷為0.50 g/kg，全鉀為10.9 g/kg，有機質為19.5 g/kg。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 試驗設CK（不施氮肥）、T1（酰胺態氮—尿素46%N）、T2（ 銨態氮—硫酸銨21%N）、T3（硝態氮—硝酸鈣15%N）4 個處理，每處理重復3 次，另設3 次重復進行破壞性取樣。鉀肥選用氯化鉀（60%K2O），磷肥選用過磷酸鈣（12%P2O5），施氮、磷、鉀肥各180 kg/hm2，所有肥料種植前一次施入。試驗處理采用隨機區組排列，小區寬1.8 m，長18 m，小區面積32.4 m2。木薯采用斜插法，一壟雙行種植，寬行距1 m，窄行距0.8 m，株距1 m，每小區36 株木薯。

1.2.2 樣品采集 分別于木薯塊根形成期（8 月9日）、塊根膨大期（10 月9 日）、塊根成熟期（11月13 日）取土樣。于破壞性取樣區每小區選取5株長勢均勻的木薯連根拔起，將附著于木薯塊根的土壤取下收集，去除雜根、石粒等雜質，裝入無菌自封袋，放入冰盒帶回實驗室。鮮土樣風干后過60 目篩，一部分測定土壤酶活性，另一部分測定土壤養分含量。

1.2.3 指標測定 （1）木薯生長指標及產量和品質測定。每小區選取5 株長勢均勻的植株分別于同期測定木薯株高、莖粗；于塊根成熟期測定木薯單株塊根產量，計算小區產量，折算公頃產量。塊根干物率采用烘干法[26]，每株取鮮薯100 g 放于65 ℃烘箱中烘干稱重計算干物率。鮮薯淀粉、可溶性蛋白、維生素C 均采用蘇州科銘生物技術有限公司提供的試劑盒測定。

（2）木薯根際土壤養分與酶活性測定。土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法、土壤堿解氮采用水解性擴散法、土壤有效磷采用鉬銻抗比色法、土壤速效鉀采用火焰光度法測定[27]；土壤脲酶采用靛酚藍比色法、土壤蔗糖酶采用3，5–二硝基水楊酸比色法、土壤過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法、土壤硝酸還原酶采用酚二磺酸比色法測定[28-29]。

1.3 數據處理

采用Excel 2010 軟件對數據進行整理，采用SPSS 26.0 軟件進行方差分析及相關性分析，采用GraphPad Prism 8.0 軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同氮素形態對木薯生長的影響

由圖1A 可知，在塊根形成期、塊根膨大期和塊根成熟期，施氮處理木薯株高均高于CK 處理，在塊根成熟期，株高表現為T2 處理最高。塊根形成期，T1、T2 處理木薯株高分別較CK 處理顯著提高33.07%、19.82%；塊根膨大期，T2 處理株高較CK、T3 處理分別顯著提高16.71%、9.15%；塊根成熟期，T1、T2、T3 處理較CK 處理分別顯著提高8.39%、13.51%、7.22%。

由圖1B 可知，施氮對木薯莖粗有促進作用，木薯塊根膨大期T2 處理木薯莖粗最大。塊根形成期T1、T2 處理木薯莖粗較CK 處理顯著提高28.23%、10.52%；塊根膨大期T2 處理木薯莖粗較CK、T1、T3 處理顯著提高34.19%、13.58%、13.83%，塊根成熟期T1、T2、T3 處理較CK 處理顯著提高27.38%、32.24%、25.79%。

2.2 不同氮素形態對木薯根際土壤養分的影響

由圖2A 可知，施氮改變了木薯根際土壤有機質含量，塊根形成期及膨大期，T2 處理土壤有機質含量顯著高于CK 處理，表明T2 處理促進木薯根際土壤有機質含量增加。塊根形成期，T2 處理較CK、T1、T3 處理分別顯著提高20.63%、16.56%、10.14%；塊根膨大期，T2 處理較CK 處理顯著提高8.65%，其他處理間差異不顯著；塊根成熟期，T2、T3 處理較T1 處理分別顯著提高11.05%、8.57%。

由圖2B 可知，在各時期下，T2 處理木薯根際土壤堿解氮含量顯著高于CK 處理，表明T2 處理對木薯根際土壤堿解氮含量有明顯促進作用。塊根形成期，T2 處理較CK、T1 處理分別顯著提高7.92%、10.36%，其他處理間差異不顯著；塊根膨大期，T2 處理較CK、T3 處理分別顯著提高8.22%、14.91%；塊根成熟期，T2 處理較CK、T1、T3 處理分別顯著提高8.28%、7.17%、10.21%，其他處理間差異不顯著。

由圖2C 可知，在木薯不同生育時期，不同氮素形態對木薯根際土壤有效磷的影響不同。塊根形成期，T2、T1 處理較T3 處理分別顯著提高21.33%、25.93%，其他處理間差異不顯著；塊根膨大期，T2 處理較T1 處理顯著提高13.64%，其他處理間差異不顯著；塊根成熟期，CK 處理顯著高于其他處理，T3 處理顯著高于T1 處理。

由圖2D 可知，隨著生育期的推移，土壤速效鉀含量呈逐漸降低的趨勢，施氮處理對根際土壤速效鉀的影響在不同生育時期各不相同。塊根形成期，T2 處理較CK、T1、T2 處理分別顯著提高35.41%、24.52%、32.40%，其他處理間差異不顯著；塊根膨大期，T3 處理顯著低于其他處理，CK 與T2、T1 處理差異不顯著；塊根成熟期，T3處理顯著高于其他處理，T2 處理顯著高于T1 處理，與CK 處理無顯著差異。

2.3 不同氮素形態對木薯根際土壤酶活性的影響

由圖3A 可知，施氮改變根際土壤脲酶活性。在木薯不同時期，T3 處理根際土壤脲酶活性均顯著高于其他處理，從塊根形成期到成熟期，T3 處理較CK 處理顯著提高38.15%、33.05%、49.68%，這表明T3 處理更促進木薯根際土壤脲酶活性提高。塊根膨大期，T1 處理脲酶活性顯著高于CK處理；塊根成熟期，T2 處理脲酶活性顯著高于CK處理。

由圖3B 可知，隨著木薯生育期的推移，根際土壤蔗糖酶活性先降后增，在塊根膨大期達到最低。在各時期只有T2 處理土壤蔗糖酶活性均顯著高于CK 處理，且T2 處理土壤蔗糖酶活性最高，從塊根形成期到成熟期，T2 處理較CK 處理分別顯著提高30.21%、22.51%、21.02%，這表明T2較其他處理更好地促進土壤蔗糖酶活性提高。

由圖3C 可知，隨著木薯生育期的推移，根際土壤過氧化氫酶活性表現為先增后降，塊根膨大期最高。在不同時期，各氮素處理過氧化氫酶活性均顯著高于CK 處理，這表明施氮提高了土壤過氧化氫酶活性。塊根形成期，T3 處理土壤過氧化氫酶活性較CK、T1 處理分別顯著提高68.07%、29.65%；塊根膨大期，T3 處理其活性較CK、T1處理分別顯著提高22.18%、11.56%；塊根成熟期，T3 處理其活性較CK、T1、T2 處理分別顯著提高70.32%、30.41%、19.15%。

由圖3D 可知，隨著木薯生育期的推移，根際土壤硝酸還原酶呈先升后降的趨勢，在塊根膨大期達到最大。土壤塊根形成期，T2 處理硝酸還原酶活性較CK、T1、T3 處理分別顯著提高31.15%、43.28%、56.09%；塊根膨大期及成熟期，T1 處理硝酸還原酶活性顯著高于CK 處理，分別提高33.33%、33.15%，3 種氮素處理間無顯著差異。

2.4 不同氮素形態對木薯產量的影響

由表1 可知，T2、T3、T1 處理木薯小區產量分別為125.01、94.50、80.67 kg，較CK 處理分別增加61.69%、22.23%、3.36%；T2、T3、T1 處理木薯產量分別為38.54、29.09、24.87 t/hm2，較CK 分別增產61.72%、22.07%、4.36%。T2 處理木薯產量最高（38.54 t/hm2），分別較T3、T1、CK處理顯著增產31.45%、54.96%、61.72%。

2.5 不同氮素形態對木薯品質的影響

由表2 可知，T2 處理木薯塊根干物率、淀粉含量較CK 處理分別顯著提高6.44%、19.86%，其他處理間差異不顯著，T1 處理木薯塊根可溶性蛋白含量較CK 處理顯著提高12.10%，T3 處理木薯塊根維生素C 含量較CK、T1、T2 處理分別顯著提高52.94%、72.06%、44.28%，這表明不同氮素形態處理對木薯塊根品質的影響不同。

3 討論

3.1 不同氮素形態對木薯產量、品質的影響

株高、莖粗是植物營養生長最直觀的表型，產量與品質是作物對環境最直接的答復[30]。研究表明，不同種類氮肥對木薯的生長及產量、品質均有促進效果。本研究發現，T2 處理下木薯的株高、莖粗表現效果最好；木薯產量表現為T2>T3>T1>CK，這與史春余等[31]的研究結果一致，銨態氮可以促進營養物質向塊根轉移，有利于產量提高；芶久蘭等[32]的結果也表明，銨態氮有利于氮、鉀元素的吸收，且硫元素可提高木薯對氮肥的利用率進而提高產量[33]；HARGROVE[34]認為，尿素在酸性土壤中NH4+的損失潛力最大，且當年長沙地區雨水過多，尿素肥效流失致使木薯產量與不施肥無差異。干物質與淀粉含量一般呈正相關，干物率高淀粉含量高[26]，本研究中，銨態氮處理干物率、淀粉含量最高，說明銨態氮較促進干物質、淀粉的累積；酰胺態氮處理可溶性蛋白含量顯著高于對照，這與代新俊[15]的結果一致；硝態氮處理維生素C 含量顯著高于其他處理，這與李會合[35]的結果一致；各氮素處理對品質的影響不一，原因可能是氮素形態具有性質上的差異，植物吸收利用代謝轉化的途徑不同，導致植物體內形成糖、蛋白、維生素等營養物質的含量不同進而影響品質[36]。

3.2 不同氮素形態對木薯根際土壤養分的影響

土壤養分為植物吸收營養提供來源，影響作物根、莖、葉的生長發育，提高養分含量是作物優質高產的重要保障措施[37]。本研究只測量了施肥前的土壤理化性質，從5 月種植到8 月塊根形成，木薯地上部分的生長吸收了大量的養分，并且此時期長沙地區多雨，養分流失，導致多數處理的有機質含量低于種植前。本研究中，T2 處理土壤有機質含量高，礦化作用強，促進無效氮向有效氮的轉化，提高土壤有效氮含量，從而使作物吸收更多的氮提高作物的株高與莖粗；木薯塊根成熟期，CK 處理土壤有效磷含量高于3 種氮素處理，這可能是施氮改變了土壤磷元素含量，促進木薯對磷元素的吸收，土壤磷素的消耗率提高，土壤有效磷含量降低。張錫州等[38]的研究結果表明，銨態氮更能提高土壤速效鉀含量，這與本研究結果一致。這是因為NH4+和K+吸附固定機制相似，二者競爭結合位點，NH4+會影響K+被土壤固化。此外，NH4+也可與K+進行交換，減少K+固定，土壤速效鉀含量增高[39]。

3.3不同氮素形態對木薯根際土壤酶活性的影響

土壤酶是衡量土壤肥力的重要指標，驅動養分吸收與轉化。脲酶在一定程度上可以反映土壤的供氮能力。蔗糖酶可以增加土壤易溶性營養物質，在一定程度上表征土壤肥力水平[40]。過氧化氫酶可以表征有機質的轉化速度，減輕土壤和生物體在代謝過程中產生的過氧化氫毒害作用[41]。硝酸還原酶是反硝化過程的關鍵酶，其活性大小反映氮素的損失[42]。本研究發現，T3 處理脲酶、過氧化氫酶活性高于其他處理，原因是T3 處理提供的有效氮含量較低，木薯長勢較差，提高脲酶活性可促進土壤營養物質循環和無機氮的轉化速度，導致土壤微生物活動增強，代謝產生的過氧化氫增多，刺激過氧化氫酶活性提高以減輕對植物的毒害作用。本研究中，木薯根際土壤蔗糖酶活性先降后升，在塊根膨大期達到最低，嚴君等[43]的研究表明，土壤蔗糖酶活性隨大豆生長期表現為先升后降，出現結果不一致的原因是塊根膨大期木薯營養生長和生殖生長旺盛，對土壤氮素營養、含碳化合物的利用率高，土壤養分含量降低，土壤肥力水平下降導致土壤蔗糖酶活性降低。本研究中，施氮提高了硝酸還原酶活性，但后期生長過程中3 種氮素形態對硝酸還原酶活性的影響并無顯著差異，這可能與土壤pH、土壤水熱、土壤通氣狀況、土壤氮含量有關，具體原因還需進一步研究探討。

4 結論

綜上所述，在湖南地區，施用銨態氮肥（T2）更有利于木薯SC9 株高和莖粗的增加，提高土壤有機質，堿解氮含量，最利于木薯SC9 產量增加，且銨態氮明顯提高木薯干物率、淀粉含量。氮肥的不同形態對土壤酶的影響各不相同，還需進一步研究植物生長期內氮素形態對土壤酶的影響，進而探索酶活性對產量的影響。