氮素是农作物需求量最大的矿物元素,施氮水平是决定作物产量的最关键因素.近年来,随有机肥源的匮乏,作物产量提高愈发依赖氮肥的足量投入.施氮水平的提升势必会对土壤C/N比产生重要影响,进而影响微生物活性,间接使得土壤微生物学特性发生改变.谈及土壤微生物学特性,我们不免会想到与土壤有机质和养分转化密切相关的关键因子,即微生物生物量和酶活性.鉴于两者受施肥等人为因素影响的敏感性,两项内容常被用于土壤质量生物学性状的评价[1].作为表征土壤肥力水平及培肥效果的生物学指标,微生物生物量碳、氮(Microbial biomass carbon,MBC;Microbial biomass nitrogen,MBN)和土壤酶活性可用于判断土壤有机质和氮素的供应状况.其中,微生物生物量是土壤可溶性有机物潜在的重要来源[2],其对施肥管理措施改变的响应极为敏感.因此,可作为预测土壤有机质、养分循环及理化性质等因素改变的早期指标.而土壤酶是由微生物、动植物活体分泌以及动植物残体分解所释放于土壤中的一类生物催化剂,其参与土壤中一切的生物化学过程.酶活性可代表土壤中物质代谢的旺盛程度,反映微生物对养分的吸收利用状况等,其不仅能反映土壤生物活性的高低,而且能表征土壤养分转化能力的强弱,是评价土壤肥力的重要指标之一.夏雪等[3]通过野外大田定位试验,采用微生物自动分析系统BIOLOG微平板分析法,对不同施氮水平下土壤水解酶活性的动态变化进行了研究.
Falguera等[4]研究认为,施氮有助于桃树栽种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响.Song等[6]研究认为,短期施氮可通过影响湿地植被的作用进而对三江平原土壤生物化学性质造成影响.综上所述,关于施氮对农田土壤微生物量以及酶活性的影响缺乏全面性报道,本研究拟通过长期定位施肥试验,探明施氮水平在不同肥力条件下对土壤微生物学特性的影响,这将有助于系统、深入了解微生物活动在土壤培肥以及养分循环中的重要作用.
1材料与方法
1.1试验地概况
以吉林省梨树县四棵树乡长期定位施肥试验地为研究对象,该区地处梨树中部波状平原区,属温带半湿润季风大陆性气候,年平均降水量为525~550mm,5-9月积温3 000℃,无霜期一般为127~148d.在该乡分别选取高、中、低3个肥力地块,地点分别落在三棵树(代表高肥力High fertility,N 43°20′17.4″,E 124°0′29.1″)、王家桥(代表中肥力Moderate fertility,N 43°14′48.9″,E 124°29′09.9″)与付家街(代表低肥力Lowfertility,N 43°21′48.1″,E 124°05′01.6″)3个行政村,土壤类型分属冲积土、黑土和风沙土,有机质、全氮及碱解氮含量分别为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试验设计
各试验地均设有5个施氮水平,即不施氮(N 0)、优化施氮(N opt)、70%优化施氮(70-N opt)、130%优化施氮(130-N opt)以及农民习惯性施氮(N hab),每个处理进行3次重复,区组间随机排列且彼此之间设有保护行.氮由尿素提供,具体施用数量及方法参见表1,其余有机肥及磷、钾肥用量处理间保持一致,均采取底肥一次性施入土壤的方式进行.其中,45%有机含量的有机肥用量为1t/hm²,磷、钾分别由重过磷酸钙和氯化钾提供(P2O5、K2O分别为80,90kg/hm²).
整地采用秋季深松(20cm)打破犁底层与春季旋耕(15-18cm)灭茬相结合方式进行.供试玉米品种为先玉335,采用精量点播方式进行播种,种植密度8万株/hm2.在玉米拔节期(6.5叶)结合中耕追肥一次.
1.3土样采集和预处理
2013年4月,在当季玉米未栽种前,按照五点法在试验地0-20cm耕层进行土样采集,四分法留取2kg,带回实验室剔除石砾和可见根系,立即过筛(2mm),一部分保存于4℃冰箱中,供MBC和MBN的分析所用,另一部分在室温下风干,过0.25mm筛用于土壤酶活性的测定.
1.4测定项目和数据处理
土壤MBN和MBC的测定均采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法进行[7],即称取一定数量4℃冰箱中保存的新鲜土壤,分别在氯仿熏蒸前后用K2SO4溶液浸提土壤,提取液中有机碳采用K2Cr2O7加热氧化、FeSO4滴定法测定;提取液中的氮采用半微量开氏定氮法测定.
MBN和MBC的换算系数分别为0.45,0.38.脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定;蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定;碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定;过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定;蛋白酶活性采用茚三酮比色法进行测定[8].
试验所得数据用SPSS 13.0进行方差分析,单因素方差分析LSD法计算检验差异显着性(3次重复).
2结果与分析
2.1施氮水平对土壤微生物生物量氮(MBN)的影响
作为综合反映土壤肥力及环境质量状况的活指标,微生物生物量通常被认为是土壤中养分循环过程的动力以及植物有效养分的储备库.由图1可知,不同肥力区域MBN的数值间存在差异,整体表现为HF>MF>LF.作为土壤氮素内循环的本质性内容,MBN是土壤有机态氮中最活跃的组分,亦是土壤中有机-无机态氮转化环节的关键,可作为土壤潜在氮库中最重要的氮源.具体看来,在3个肥力区域,按照N 0、70-N opt、N opt和N hab的处理顺序,MBN均随氮肥施用量的增多而逐步增加,然而,继续增大氮肥用量(130-N opt),中、低肥力区域土壤MBN的数值有所回落,而高肥力区MBN仍有上升趋势.与无氮对照(N 0)相比,施氮可有效提高土壤MBN的数量.在HF、MF和LF的3个肥力区域,MBN的最大值分别出现在130-N opt、N hab和N hab处理,与N 0相比,提升幅度依次为3.54%,16.58%和19.79%.
2.2施氮水平对土壤微生物生物量碳(MBC)的影响.
MBC可参与调控SOM的分解与养分的循环,因此对陆地生态系统功能的维系和可持续发展能起到至关重要的作用.由于其对施肥管理模式以及环境变化的快速反应和高度敏感性,MBC可作为土壤中具有预测性的监测指标.由图2可知,各肥力区域间MBC的数值没有明显规律.在低肥力区,随氮肥施用量(0~240kg/hm²)增加,N 0、70-N opt和Nopt处理土壤的MBC数量有所降低,最低点出现在N opt处理,降低幅度可达20.0%,而随氮肥用量继续增加,MBC的数量出现大幅提升,最大值(64.94mg C/kg)出现在130-N opt处理.与之规律相反,在高、中肥力区域,施氮数量增加对MBC的影响表现为先促进后抑制的作用,由N 0、70-N opt至N opt处理,增施尿素态氮肥可使MBC数量渐趋升高,然而进一步增施氮肥,中等肥力地块土壤MBC的数值有所降低,拐点在N opt处理出现,而在高肥力区,N hab处理的MBC值达到顶点(42.62mg C/kg),继续增施氮肥,130-N opt处理条件下的MBC值有所回落.这一变化规律与Chen等[9]和Wang等[10]的表述相似.
2.3施氮水平对土壤酶活性的影响
蔗糖酶(Sucrase),亦称转化酶,其活性强弱能够反映土壤熟化程度和肥力水平的高低,酶促作用产物葡萄糖是植物和微生物的营养源.蔗糖酶对增加土壤中易溶性营养物质能起到重要作用,是土壤中参与有机碳循环的重要酶之一.由表2可知,在高肥力区,随氮肥施用量提高(N 0-N opt),蔗糖酶活性渐趋增加,优化施氮处理(N opt)达最大值,而在N hab和130-N opt处理中,则表现为施氮量增加抑制蔗糖酶活性的规律.在中、低肥力区,蔗糖酶活性的变化规律与高肥力区一致,即从N 0到N opt处理,氮肥数量增加有利于蔗糖酶活性的提高,符合Wang等[11]和Song等[6]的研究结果,继续增施氮肥,蔗糖酶活性受到抑制,农民习惯性施氮(Nhab)受抑制程度较大,但仍高于无氮对照(N 0);作为参与土壤氮循环的关键性酶,脲酶(Urease)能加速土壤中潜在养分的有效化,与土壤供氮能力关系密切.作为一种专性较强的酰胺酶,脲酶能直接参与尿素形态的转化过程,酶促有机质分子中肽键的水解,其活性强弱可间接反映土壤供氮水平的高低.表2数据表明,随尿素施用量增加,各肥力区脲酶变化规律相似,均表现为先增加后降低的趋势,脲酶活性最大值均在N hab处理中出现,与不施氮对照(N 0)相比,高、中和低肥力区域N hab的提升幅度分别为24.79%,34.25%和24.44%,可见,农民习惯性施氮处理在中等肥力区域对脲酶活性的提升幅度最大.在贫瘠肥力区,130-N opt处理下的脲酶活性甚至低于无氮处理;过氧化氢酶(Catalase,CAT)与土壤有机质转化关系密切,可促进土壤中多种化合物的氧化.
CAT通过表征氧的还原产物,可用于表达微生物有氧呼吸的进程,在一定程度上还能表征土壤生物氧化过程的强弱.由表2数据可知,在高或低肥力区域,随尿素施用量增加,CAT活性的变化规律相似,均表现为先降低后升高的整体趋势,CAT活性的最低值分别出现在N hab和N opt处理上.而CAT活性在中等肥力区的变化情况,与上述规律恰好相反,N opt处理CAT的活性达最大值;蛋白酶(Protease)可参与土壤氨基酸、蛋白质以及其它含蛋白质氮的有机化合物转化,其水解产物是高等植物的氮源之一.结合表2数据可知,无论在何种肥力区域,与无氮对照(N 0)相比,优化施氮量70%的70-N opt处理,其蛋白酶活性均略受抑制.而后,随氮肥施用量继续增加(由70-N opt至130-N opt处理),蛋白酶活性渐趋升高,在较高肥力区域,除70-N opt处理外,其他处理间均无显着差异;碱性磷酸酶(Alkaline phosphatase,APH)能够表征土壤有机磷的转化状况,其酶促作用产物-有效磷是植物磷素营养源之一.由表2数据可知,随尿素用量增加,各肥力区APH活性变化均表现为先渐趋增加而后降低的趋势.具体来看,在高或中等肥力地区,APH活性的最大值均出现在N hab处理中,继续增大施氮量,130-N opt处理的APH活性受到显着抑制,受抑制程度较大的出现在中等肥力区,降幅达35.71%.而在贫瘠肥力区,尿素用量范围为168~270kg/hm2时,APH活性未见显着差异,直到尿素用量达312kg/hm²时,APH活性才有所回落.
3结论与讨论
高肥力有利于MBN的保蓄,而在肥力贫瘠区域,MBN可作为潜在氮源供植物生长.一定数量的肥料氮施用后会迅速被微生物同化,促使MBN增加,较高数量氮肥对中、低肥力区域植株生长量会有较大程度促进,使微生物所同化的氮释放出来向植物有效氮转化[12],进而抑制MBN的进一步提高[11].可以推测,对中、低肥力地区进行适量施氮将有利于MBN积聚效率的提升.施用酰胺态氮肥亦有利于氮向MBN的分配.
按照养分肥力所划分的区域,区域间MBC无显着规律,不具备比较价值.Lou等[13]认为,单施化学氮肥对土壤MBC数量的影响尚存在争议,按照影响效果可分为促进、抑制和不影响3种.在贫瘠肥力区,施氮可促使土壤矿化作用增强,有机碳数量有所减少,土壤微生物的能量来源亦有所降低,此时土壤MBC的数量受抑制[14],继续增大氮肥用量,因其对植物生长发育的促进可为微生物提供更多碳源,进而增加土壤MBC的数量[15].同理,在中、高肥力区,较低供氮水平会通过增加植物生长数量间接刺激土壤微生物群落及活性,使得MBC数量有所提升,然而,继续增施氮肥亦会对微生物产生直接毒害作用,促使MBC数值降低[11,16].
适量施氮有利于土壤蔗糖酶的促进,这可能与C/N比经氮肥调节进而更适宜微生物的活动所致,而过量氮肥又可通过抑制有机碳的分解进而控制蔗糖酶活性的进一步提高[17].尿素施用水平的运筹(0~270kg/hm2)亦有利于土壤脲酶活性的提高[17],农民习惯性施氮在各肥力区均使脲酶活性达到最高,这表明,在农民习惯性施氮水平下,脲酶促进尿素转化的速率最快,尿素发挥肥效的时间跨度最小,尽管氮提供数量较高,但后期作物仍然易脱氮肥,影响产量.贫瘠肥力地块有利于尿素肥效的延迟,进而对其肥料利用率略有促进作用.在高或低肥力地块,较低数量酰胺态氮在脲酶作用下可水解生成铵态氮(NH+4-N),NH+4-N又可进一步通过硝化作用转化为硝态氮(NO-3-N),在此过程中,NH+4-N属还原态,其数量的增加势必会促使土壤还原性增强、氧化还原电位下降,从而抑制了CAT活性,使得土壤微生物学过程的强度被削弱[18].继续增大尿素用量,土壤C/N比有降低趋势,微生物活性受激发进而再次增大CAT的活性.而在中等肥力区,适量增施尿素有利于微生物良好生境的创造,CAT活性受激发,而后持续增加尿素投入可同时增强硝化与反硝化作用(缺氧环境有利于反硝化细菌进一步还原硝酸盐,释放出分子态N2或N2O),进而使CAT活性再次受到抑制.尿素用量在240~312kg/hm²范围内,增施尿素有利于土壤蛋白酶活性的提高,即对蛋白物质水解成肽乃至氨基酸的作用有所促进.张平良等[19]认为,氮肥施入后增加了土壤中铵态氮含量,并且本身含有一定数量的蛋白物质,土壤蛋白酶能对这类物质进行酶促分解,进而激发了酶活性.适量施氮有利于APH活性的提升,间接加速了有机磷的脱磷速度[20],而过量施氮,APH活性将受抑制,这可能是因为:向土壤中施用尿素时增强了核酸酶的活性,核酸酶降解产物中含有无机磷,而土壤中无机磷数量的增加正是磷酸酶活性减弱的重要原因之一[21].综上所述,适量施氮有利于MBN、蔗糖酶、脲酶、蛋白酶以及碱性磷酸酶活性的提高,而对与有机碳周转相关的MBC以及过氧化氢酶的影响无明显规律.
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