施氮對農(nóng)田土壤微生物量以及酶活性的影響

1、施氮對農(nóng)田土壤微生物量以及酶活性的影響氮素是農(nóng)作物需求量最大的礦物元素,施氮水平是決定作物產(chǎn)量的最關(guān)鍵因素.近年來,隨有機肥源的匱乏,作物產(chǎn)量提高愈發(fā)依賴氮肥的足量投入.施氮水平的提升勢必會對土壤C/N比產(chǎn)生重要影響,進而影響微生物活性,間接使得土壤微生物學(xué)特性發(fā)生改變.談及土壤微生物學(xué)特性,我們不免會想到與土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化密切相關(guān)的關(guān)鍵因子,即微生物生物量和酶活性.鑒于兩者受施肥等人為因素影響的敏感性,兩項內(nèi)容常被用于土壤質(zhì)量生物學(xué)性狀的評價1.作為表征土壤肥力水平及培肥效果的生物學(xué)指標,微生物生物量碳、氮(Microbial biomass carbon,MBC;Microbial b

2、iomass nitrogen,MBN)和土壤酶活性可用于判斷土壤有機質(zhì)和氮素的供應(yīng)狀況.其中,微生物生物量是土壤可溶性有機物潛在的重要來源2,其對施肥管理措施改變的響應(yīng)極為敏感.因此,可作為預(yù)測土壤有機質(zhì)、養(yǎng)分循環(huán)及理化性質(zhì)等因素改變的早期指標.而土壤酶是由微生物、動植物活體分泌以及動植物殘體分解所釋放于土壤中的一類生物催化劑,其參與土壤中一切的生物化學(xué)過程.酶活性可代表土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度,反映微生物對養(yǎng)分的吸收利用狀況等,其不僅能反映土壤生物活性的高低,而且能表征土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化能力的強弱,是評價土壤肥力的重要指標之一.夏雪等3通過野外大田定位試驗,采用微生物自動分析系統(tǒng)BIOLOG微平

3、板分析法,對不同施氮水平下土壤水解酶活性的動態(tài)變化進行了研究.Falguera等4研究認為,施氮有助于桃樹栽種土壤多酚氧化酶的提高.lvaro-Fuentes等5在其研究中指出,比起耕作模式,土壤微生物量更易受氮肥施用水平的影響.Song等6研究認為,短期施氮可通過影響濕地植被的作用進而對三江平原土壤生物化學(xué)性質(zhì)造成影響.綜上所述,關(guān)于施氮對農(nóng)田土壤微生物量以及酶活性的影響缺乏全面性報道,本研究擬通過長期定位施肥試驗,探明施氮水平在不同肥力條件下對土壤微生物學(xué)特性的影響,這將有助于系統(tǒng)、深入了解微生物活動在土壤培肥以及養(yǎng)分循環(huán)中的重要作用.1材料與方法1.1試驗地概況以吉林省梨樹縣四棵樹鄉(xiāng)長期

4、定位施肥試驗地為研究對象,該區(qū)地處梨樹中部波狀平原區(qū),屬溫帶半濕潤季風(fēng)大陸性氣候,年平均降水量為525550mm,5-9月積溫3 000,無霜期一般為127148d.在該鄉(xiāng)分別選取高、中、低3個肥力地塊,地點分別落在三棵樹(代表高肥力High fertility,N 43°20′17.4″,E 124°0′29.1″)、王家橋(代表中肥力Moderate fertility,N 43°14′48.9″,E 124°29′09.9″)與付家街(代表低肥力Lowferti

5、lity,N 43°21′48.1″,E 124°05′01.6″)3個行政村,土壤類型分屬沖積土、黑土和風(fēng)沙土,有機質(zhì)、全氮及堿解氮含量分別為23.02g/kg,1.23g/kg,124.94mg/kg和12.86g/kg,0.72g/kg,102.58mg/kg以及9.84g/kg,0.51g/kg,74.96mg/kg.1.2試驗設(shè)計各試驗地均設(shè)有5個施氮水平,即不施氮(N 0)、優(yōu)化施氮(N opt)、70%優(yōu)化施氮(70-N opt)、130%優(yōu)化施氮(130-N opt)以及農(nóng)民習(xí)慣性施氮(N hab),每個處理進行3

6、次重復(fù),區(qū)組間隨機排列且彼此之間設(shè)有保護行.氮由尿素提供,具體施用數(shù)量及方法參見表1,其余有機肥及磷、鉀肥用量處理間保持一致,均采取底肥一次性施入土壤的方式進行.其中,45%有機含量的有機肥用量為1t/hm²,磷、鉀分別由重過磷酸鈣和氯化鉀提供(P2O5、K2O分別為80,90kg/hm²).整地采用秋季深松(20cm)打破犁底層與春季旋耕(15-18cm)滅茬相結(jié)合方式進行.供試玉米品種為先玉335,采用精量點播方式進行播種,種植密度8萬株/hm2.在玉米拔節(jié)期(6.5葉)結(jié)合中耕追肥一次.1.3土樣采集和預(yù)處理2013年4月,在當季玉米未栽種前,按照五點法在試驗地0-2

7、0cm耕層進行土樣采集,四分法留取2kg,帶回實驗室剔除石礫和可見根系,立即過篩(2mm),一部分保存于4冰箱中,供MBC和MBN的分析所用,另一部分在室溫下風(fēng)干,過0.25mm篩用于土壤酶活性的測定.1.4測定項目和數(shù)據(jù)處理土壤MBN和MBC的測定均采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法進行7,即稱取一定數(shù)量4冰箱中保存的新鮮土壤,分別在氯仿熏蒸前后用K2SO4溶液浸提土壤,提取液中有機碳采用K2Cr2O7加熱氧化、FeSO4滴定法測定;提取液中的氮采用半微量開氏定氮法測定.MBN和MBC的換算系數(shù)分別為0.45,0.38.脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定;蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比

8、色法測定;堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定;過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定;蛋白酶活性采用茚三酮比色法進行測定8.試驗所得數(shù)據(jù)用SPSS 13.0進行方差分析,單因素方差分析LSD法計算檢驗差異顯著性(3次重復(fù)).2結(jié)果與分析2.1施氮水平對土壤微生物生物量氮(MBN)的影響作為綜合反映土壤肥力及環(huán)境質(zhì)量狀況的活指標,微生物生物量通常被認為是土壤中養(yǎng)分循環(huán)過程的動力以及植物有效養(yǎng)分的儲備庫.由圖1可知,不同肥力區(qū)域MBN的數(shù)值間存在差異,整體表現(xiàn)為HFMFLF.作為土壤氮素內(nèi)循環(huán)的本質(zhì)性內(nèi)容,MBN是土壤有機態(tài)氮中最活躍的組分,亦是土壤中有機-無機態(tài)氮轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)的關(guān)鍵,可作為土壤潛在

9、氮庫中最重要的氮源.具體看來,在3個肥力區(qū)域,按照N 0、70-N opt、N opt和N hab的處理順序,MBN均隨氮肥施用量的增多而逐步增加,然而,繼續(xù)增大氮肥用量(130-N opt),中、低肥力區(qū)域土壤MBN的數(shù)值有所回落,而高肥力區(qū)MBN仍有上升趨勢.與無氮對照(N 0)相比,施氮可有效提高土壤MBN的數(shù)量.在HF、MF和LF的3個肥力區(qū)域,MBN的最大值分別出現(xiàn)在130-N opt、N hab和N hab處理,與N 0相比,提升幅度依次為3.54%,16.58%和19.79%.2.2施氮水平對土壤微生物生物量碳(MBC)的影響.MBC可參與調(diào)控SOM的分解與養(yǎng)分的循環(huán),因此對陸地

10、生態(tài)系統(tǒng)功能的維系和可持續(xù)發(fā)展能起到至關(guān)重要的作用.由于其對施肥管理模式以及環(huán)境變化的快速反應(yīng)和高度敏感性,MBC可作為土壤中具有預(yù)測性的監(jiān)測指標.由圖2可知,各肥力區(qū)域間MBC的數(shù)值沒有明顯規(guī)律.在低肥力區(qū),隨氮肥施用量(0240kg/hm²)增加,N 0、70-N opt和Nopt處理土壤的MBC數(shù)量有所降低,最低點出現(xiàn)在N opt處理,降低幅度可達20.0%,而隨氮肥用量繼續(xù)增加,MBC的數(shù)量出現(xiàn)大幅提升,最大值(64.94mg C/kg)出現(xiàn)在130-N opt處理.與之規(guī)律相反,在高、中肥力區(qū)域,施氮數(shù)量增加對MBC的影響表現(xiàn)為先促進后抑制的作用,由N 0、70-N opt

11、至N opt處理,增施尿素態(tài)氮肥可使MBC數(shù)量漸趨升高,然而進一步增施氮肥,中等肥力地塊土壤MBC的數(shù)值有所降低,拐點在N opt處理出現(xiàn),而在高肥力區(qū),N hab處理的MBC值達到頂點(42.62mg C/kg),繼續(xù)增施氮肥,130-N opt處理條件下的MBC值有所回落.這一變化規(guī)律與Chen等9和Wang等10的表述相似.2.3施氮水平對土壤酶活性的影響蔗糖酶(Sucrase),亦稱轉(zhuǎn)化酶,其活性強弱能夠反映土壤熟化程度和肥力水平的高低,酶促作用產(chǎn)物葡萄糖是植物和微生物的營養(yǎng)源.蔗糖酶對增加土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)能起到重要作用,是土壤中參與有機碳循環(huán)的重要酶之一.由表2可知,在高肥力區(qū),

12、隨氮肥施用量提高(N 0-N opt),蔗糖酶活性漸趨增加,優(yōu)化施氮處理(N opt)達最大值,而在N hab和130-N opt處理中,則表現(xiàn)為施氮量增加抑制蔗糖酶活性的規(guī)律.在中、低肥力區(qū),蔗糖酶活性的變化規(guī)律與高肥力區(qū)一致,即從N 0到N opt處理,氮肥數(shù)量增加有利于蔗糖酶活性的提高,符合Wang等11和Song等6的研究結(jié)果,繼續(xù)增施氮肥,蔗糖酶活性受到抑制,農(nóng)民習(xí)慣性施氮(Nhab)受抑制程度較大,但仍高于無氮對照(N 0);作為參與土壤氮循環(huán)的關(guān)鍵性酶,脲酶(Urease)能加速土壤中潛在養(yǎng)分的有效化,與土壤供氮能力關(guān)系密切.作為一種專性較強的酰胺酶,脲酶能直接參與尿素形態(tài)的轉(zhuǎn)化

13、過程,酶促有機質(zhì)分子中肽鍵的水解,其活性強弱可間接反映土壤供氮水平的高低.表2數(shù)據(jù)表明,隨尿素施用量增加,各肥力區(qū)脲酶變化規(guī)律相似,均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢,脲酶活性最大值均在N hab處理中出現(xiàn),與不施氮對照(N 0)相比,高、中和低肥力區(qū)域N hab的提升幅度分別為24.79%,34.25%和24.44%,可見,農(nóng)民習(xí)慣性施氮處理在中等肥力區(qū)域?qū)﹄迕富钚缘奶嵘茸畲?在貧瘠肥力區(qū),130-N opt處理下的脲酶活性甚至低于無氮處理;過氧化氫酶(Catalase,CAT)與土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系密切,可促進土壤中多種化合物的氧化.CAT通過表征氧的還原產(chǎn)物,可用于表達微生物有氧呼吸的進程,在

14、一定程度上還能表征土壤生物氧化過程的強弱.由表2數(shù)據(jù)可知,在高或低肥力區(qū)域,隨尿素施用量增加,CAT活性的變化規(guī)律相似,均表現(xiàn)為先降低后升高的整體趨勢,CAT活性的最低值分別出現(xiàn)在N hab和N opt處理上.而CAT活性在中等肥力區(qū)的變化情況,與上述規(guī)律恰好相反,N opt處理CAT的活性達最大值;蛋白酶(Protease)可參與土壤氨基酸、蛋白質(zhì)以及其它含蛋白質(zhì)氮的有機化合物轉(zhuǎn)化,其水解產(chǎn)物是高等植物的氮源之一.結(jié)合表2數(shù)據(jù)可知,無論在何種肥力區(qū)域,與無氮對照(N 0)相比,優(yōu)化施氮量70%的70-N opt處理,其蛋白酶活性均略受抑制.而后,隨氮肥施用量繼續(xù)增加(由70-N opt至13

15、0-N opt處理),蛋白酶活性漸趨升高,在較高肥力區(qū)域,除70-N opt處理外,其他處理間均無顯著差異;堿性磷酸酶(Alkaline phosphatase,APH)能夠表征土壤有機磷的轉(zhuǎn)化狀況,其酶促作用產(chǎn)物-有效磷是植物磷素營養(yǎng)源之一.由表2數(shù)據(jù)可知,隨尿素用量增加,各肥力區(qū)APH活性變化均表現(xiàn)為先漸趨增加而后降低的趨勢.具體來看,在高或中等肥力地區(qū),APH活性的最大值均出現(xiàn)在N hab處理中,繼續(xù)增大施氮量,130-N opt處理的APH活性受到顯著抑制,受抑制程度較大的出現(xiàn)在中等肥力區(qū),降幅達35.71%.而在貧瘠肥力區(qū),尿素用量范圍為168270kg/hm2時,APH活性未見顯著

16、差異,直到尿素用量達312kg/hm²時,APH活性才有所回落.3結(jié)論與討論高肥力有利于MBN的保蓄,而在肥力貧瘠區(qū)域,MBN可作為潛在氮源供植物生長.一定數(shù)量的肥料氮施用后會迅速被微生物同化,促使MBN增加,較高數(shù)量氮肥對中、低肥力區(qū)域植株生長量會有較大程度促進,使微生物所同化的氮釋放出來向植物有效氮轉(zhuǎn)化12,進而抑制MBN的進一步提高11.可以推測,對中、低肥力地區(qū)進行適量施氮將有利于MBN積聚效率的提升.施用酰胺態(tài)氮肥亦有利于氮向MBN的分配.按照養(yǎng)分肥力所劃分的區(qū)域,區(qū)域間MBC無顯著規(guī)律,不具備比較價值.Lou等13認為,單施化學(xué)氮肥對土壤MBC數(shù)量的影響尚存在爭議,按照影

17、響效果可分為促進、抑制和不影響3種.在貧瘠肥力區(qū),施氮可促使土壤礦化作用增強,有機碳數(shù)量有所減少,土壤微生物的能量來源亦有所降低,此時土壤MBC的數(shù)量受抑制14,繼續(xù)增大氮肥用量,因其對植物生長發(fā)育的促進可為微生物提供更多碳源,進而增加土壤MBC的數(shù)量15.同理,在中、高肥力區(qū),較低供氮水平會通過增加植物生長數(shù)量間接刺激土壤微生物群落及活性,使得MBC數(shù)量有所提升,然而,繼續(xù)增施氮肥亦會對微生物產(chǎn)生直接毒害作用,促使MBC數(shù)值降低11,16.適量施氮有利于土壤蔗糖酶的促進,這可能與C/N比經(jīng)氮肥調(diào)節(jié)進而更適宜微生物的活動所致,而過量氮肥又可通過抑制有機碳的分解進而控制蔗糖酶活性的進一步提高17

18、.尿素施用水平的運籌(0270kg/hm2)亦有利于土壤脲酶活性的提高17,農(nóng)民習(xí)慣性施氮在各肥力區(qū)均使脲酶活性達到最高,這表明,在農(nóng)民習(xí)慣性施氮水平下,脲酶促進尿素轉(zhuǎn)化的速率最快,尿素發(fā)揮肥效的時間跨度最小,盡管氮提供數(shù)量較高,但后期作物仍然易脫氮肥,影響產(chǎn)量.貧瘠肥力地塊有利于尿素肥效的延遲,進而對其肥料利用率略有促進作用.在高或低肥力地塊,較低數(shù)量酰胺態(tài)氮在脲酶作用下可水解生成銨態(tài)氮(NH+4-N),NH+4-N又可進一步通過硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮(NO-3-N),在此過程中,NH+4-N屬還原態(tài),其數(shù)量的增加勢必會促使土壤還原性增強、氧化還原電位下降,從而抑制了CAT活性,使得土壤微生物

19、學(xué)過程的強度被削弱18.繼續(xù)增大尿素用量,土壤C/N比有降低趨勢,微生物活性受激發(fā)進而再次增大CAT的活性.而在中等肥力區(qū),適量增施尿素有利于微生物良好生境的創(chuàng)造,CAT活性受激發(fā),而后持續(xù)增加尿素投入可同時增強硝化與反硝化作用(缺氧環(huán)境有利于反硝化細菌進一步還原硝酸鹽,釋放出分子態(tài)N2或N2O),進而使CAT活性再次受到抑制.尿素用量在240312kg/hm²范圍內(nèi),增施尿素有利于土壤蛋白酶活性的提高,即對蛋白物質(zhì)水解成肽乃至氨基酸的作用有所促進.張平良等19認為,氮肥施入后增加了土壤中銨態(tài)氮含量,并且本身含有一定數(shù)量的蛋白物質(zhì),土壤蛋白酶能對這類物質(zhì)進行酶促分解,進而激發(fā)了酶活性

20、.適量施氮有利于APH活性的提升,間接加速了有機磷的脫磷速度20,而過量施氮,APH活性將受抑制,這可能是因為:向土壤中施用尿素時增強了核酸酶的活性,核酸酶降解產(chǎn)物中含有無機磷,而土壤中無機磷數(shù)量的增加正是磷酸酶活性減弱的重要原因之一21.綜上所述,適量施氮有利于MBN、蔗糖酶、脲酶、蛋白酶以及堿性磷酸酶活性的提高,而對與有機碳周轉(zhuǎn)相關(guān)的MBC以及過氧化氫酶的影響無明顯規(guī)律.參考文獻:1 賈偉,周懷平,解文艷,等.長期有機無機肥配施對褐土微生物生物量碳、氮及酶活性的影響J.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報,2008,14(4):700-705.2Williams B L,Edwards A C.Processes influencing dissolved organic nitrogen,phosphorus and sulphur in soilsJ.Chemistryand Ecology,1993,8(3):203-215.3 夏雪,谷潔,車升國,等.施氮水平對塿土微生物群落和酶活性的影響J.中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,44(8):1618