有机肥C/N优化下氮肥运筹对烟株根际无机氮和酶活性的影响

丁效东，闫慧峰，张士荣，陈伟贤，郭俊杰，魏 彬，王 军

（1.青岛农业大学资源与环境学院，青岛 266109；2.中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101；3.广东烟草梅州市有限公司，广东 梅州 514011；4.广东省烟草南雄科学研究所，广东 南雄 512400；5.广东省生态环境与土壤研究所，广州 510650）



有机肥C/N优化下氮肥运筹对烟株根际无机氮和酶活性的影响

丁效东1，5，闫慧峰2，张士荣1，陈伟贤3，郭俊杰3，魏 彬3，王 军4*

（1.青岛农业大学资源与环境学院，青岛 266109；2.中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101；3.广东烟草梅州市有限公司，广东 梅州 514011；4.广东省烟草南雄科学研究所，广东 南雄 512400；5.广东省生态环境与土壤研究所，广州 510650）

摘 要：大田条件下研究了基于有机肥C/N优化下不同氮肥用量和基追比对烤烟根际土壤无机氮、碳氮转化及酶活性的影响。结果表明：（1）低、中氮（48.0、108.0 kg/hm2）条件下，根际NH4+-N含量随生育期延长而降低；高氮（168.0 kg/hm2）条件下，根际NH4+-N含量在团棵期至旺长期增加，随后降低；不同处理根际硝态氮含量均随着生育期的延长而降低；（2）土壤微生物量碳随生育期的延长和施氮量的增加而增加；（3）土壤脲酶和转化酶活性均随施氮水平增加而增强，低氮和中氮条件下脲酶活性在成熟期时略微下降，而高氮条件下土壤脲酶活性在整个生育期持续增加。低氮基追比（5∶5）处理的土壤转化酶活性在团棵期后高于中高氮基追比处理。高氮水平因施氮量过大促使土壤有效氮持续供应，致使成熟期不能及时“氮素调亏”，降低烟叶品质；而中氮水平各处理的土壤脲酶活性呈先增加后降低趋势，并以氮肥适当后移，基追比（5∶5）时烟株“旺长-现蕾”阶段土壤酶活性较高，与该阶段烟株氮素需求规律相吻合。

关键词：氮素；基追比；微生物量碳氮；硝态氮；铵态氮；酶活性

随着烤烟种植集约化程度不断提高，对土壤高强度、掠夺性利用，导致土壤板结、酸化、耕层浅薄、碳氮比及养分失衡等问题尤为突出［1-2］。目前我国烤烟生产中氮素管理主要存在两大问题：一是施氮量过大，易导致烟叶品质下降；二是氮肥施肥基追比与烤烟根系吸氮规律不吻合。在一定施氮量下，若基肥施用量过大，前期烟株不能及时吸收利用导致氮肥损失加大，若氮肥追肥施用量过大，易造成烤烟生育后期供氮过多，烟叶贪青晚熟［3］。调查研究发现，广东梅州砂泥田烤烟土壤速效氮含量偏高（137.2 mg/kg）、施氮量大且基肥追肥比例不合理问题突出。而且梅州砂泥田土壤C/N失调（偏低），且“施氮量过大，重基肥，轻追肥”的施肥方式，导致氮素供应与烤烟各生育期对氮素需求不协调，烟叶感官品质下降。研究表明，饼肥与化肥配施显著提高土壤微生物量碳和氮，提高土壤脂肪酶、转化酶和脲酶活性，改善烤后烟叶的香气质，提高香气量［4］。而土壤酶活性与有机肥种类（碳氮比）［5-6］、腐熟程度［7］及土壤类型［8］等因素密切相关。

优质烤烟对氮素的需求是团棵前氮素需求量少，旺长期需要供氮较多，后期需适时控氮［3］。有机碳输入可以有效调控烟株根际土壤碳氮转化过程及酶活性，通过土壤微生物的“蓄水池”功能，控制大田烟株生育期内土壤有效氮的供应，以满足烤烟生长发育过程的氮素需求特点，最终改善烟叶的香气质、提高其香气量。本试验在相同有机肥施用量条件下，探讨砂泥田土壤不同氮肥水平及基肥与追肥比例对烤烟各生育期根际土壤氮供应及酶活性的影响，阐明基于碳氮比优化下不同施氮水平与基追比的土壤酶催化反应对根际土壤养分供应的调控机理，以期为华南砂泥田土壤烤烟种植过程氮素管理提供依据。

1　材料与方法

1.1 试验材料

供试烤烟品种为云烟87，由广东烟草粤北烟叶生产技术中心（广东省烟草南雄科学研究所）提供。试验于2012年度在梅州市蕉岭县广福镇开展，土壤类型为砂泥田，土壤基本理化性质：pH 6.15，有机质16.8 g/kg、碱解氮130.46 mg/kg、速效磷34.79 mg/kg、速效钾96.63 mg/kg。供试肥料为硝酸铵（N 30%）、钙镁磷肥（P2O512%）、硫酸钾（K2O 50%）、腐熟花生饼肥［N 4.60%，P2O51.00%，K2O 1.00%，w（C）/w（N） =10.65］和腐熟猪厩肥［N 0.50%，P2O50.20%，K2O 0.25%，w（C）/w（N）=94.5］。

1.2 试验设计

采用裂区设计，主处理为施氮量（无机氮），设3个水平，N1，48.0 kg/hm2；N2，108.0 kg/hm2；N3，168.0 kg/hm2。副处理为氮肥基追比，设3个水平S1：（10∶0）；S2（7∶3）；S3（5∶5），每处理重复4次。基肥在移栽前条施后覆膜时施用，采用当地腐熟花生饼肥和猪厩肥配制碳氮比w（C）/w（N）=25的有机肥，猪厩肥3750 kg/hm2、花生饼肥300 kg/hm2；其中有机肥全部作基肥施用，无机氮肥采用基肥与团棵期追肥；所有处理的P2O5施用量为钙镁磷肥1512.45 kg/hm2，全部作基肥施入；K2O施用量为硫酸钾231.3 kg/hm2，采用基肥（50%）与现蕾期追肥（50%）。

试验采用随机区组设计，每个小区面积 30.0 m2，每小区种植1行，行距×株距=1.2 m×0.6 m，每处理4次重复，共36个小区。其他栽培及田间管理措施按照当地习惯进行。

1.3 取样及测定方法

在烤烟大田生育期内（团棵期，移栽后30 d；旺长期，移栽后45 d；现蕾期，移栽后60 d；成熟期，移栽后90 d）分次采用抖落法取根际土壤样，其中一部分新鲜土样装入自封袋中带回实验室，过2 mm筛，置于4 ℃冰箱贮存，供分析微生物生物量碳和氮、微生物数量；另一部分在室温下风干，过1.0和0.25 mm筛，用于土壤理化性状和土壤酶活性的测定。

1.3.1 土壤无机氮测定 参照鲍士旦方法测定［9］。样品采用0.01 M CaCl2提取；NO3--N的测定采用联氨还原比色法，紫外可见分光光度计540 nm下比色。NH4+-N的测定采用靛酚蓝比色法，在625 nm下比色。土壤无机氮=NH4+-N+NO3--N，折算为土壤干重含量表示。

1.3.2 土壤酶活性测定 脲酶用靛酚蓝比色法测定：土样5.00 g加入1 mL甲苯15 min后添加10 mL不同浓度（0.01，0.025，0.05，0.1，0.2 mol/L）尿素溶液20 mL，pH 6.7柠檬酸缓冲液37 ℃下培养，培养结束后滤液中被脲酶水解成的氨氮用靛酚兰比色测定，计算脲酶活性及脲酶动力学参数（以 NH4+计）；土壤转化酶活性采用硫代硫酸钠滴定法测定［10］。

1.3.3 微生物量碳、氮测定 土样微生物量碳和氮采用Joergensen和Mueller［11］及Vance等［12］的氯仿熏蒸-K2SO4浸提法，浸提液中的微生物量碳采用K2Cr2O7加热氧化，FeSO4滴定法；浸提液中的微生物量氮采用凯氏定氮法。每个土样重复测定3次。微生物量碳（Bc）=EC/KC，EC表示未熏蒸与熏蒸对照土壤的浸取有机碳的差值，KC为转换系数，取值0.45。

1.4 数据分析

采用 SPSS 22.0软件对数据进行单因素显著性检验（SAS Institute Inc.，1989）。用 LSD法在P=0.05水平进行多重比较。

2　结果

2.1 氮水平与基追比对烤烟叶片氮素含量的影响

在团棵期、旺长期，烟叶氮含量在中氮、高氮处理间无差异，高于同期低氮处理，表明低氮处理在团棵-旺长期不能满足烟株对氮素的吸收和积累（图1）；烟株旺长期，烟叶氮素含量在同一施氮水平下，随基追比降低呈增加趋势。在团棵期至成熟期高氮及低基追比处理烟叶氮含量显著高于中氮三个基追比处理，而中氮处理基追比为7∶3时旺长期至现蕾期烟叶氮含量显著降低；中氮及基追比为 5∶5时能够满足烤烟生育前、中期对氮素的需求，且生育后期能适时脱氮，与优质烤烟“少时富，老来贫”的氮素需求规律相吻合。

图1　不同氮水平与基追比对烟叶氮含量的影响Fig. 1 Effects of different nitrogen level and the basal to top-dressing ratio on N content in leaves

2.2 氮水平与基追比对根际土壤铵态氮和硝态氮含量的影响

团棵期时，高氮（N3）处理根际土壤NH4+-N含量显著高于低氮（N1）和中氮（N2）处理（图2）。同一施氮水平根际NH4+-N和NO3--N含量随基追比降低而下降；同等基追比下，“移栽-团棵”时根际NH4+-N和NO3--N随基施氮肥数量增加而增加。旺长时，根际NH4+-N和NO3--N含量在同一施氮水平下，随基追比降低呈增加趋势。

根际NO3--N含量随氮水平而增加（图2）。从整个生育期来看，团棵-旺长期时各处理根际NO3--N含量急剧下降，可能是揭膜后降雨增加导致NO3--N淋失；“旺长-现蕾”阶段保持平稳，而中氮（N2）处理有增加趋势，可能是中氮（N2）处理无机氮与有机碳输入量相匹配，团棵-旺长期利于微生物繁殖和生长，固定部分有效氮，进入“旺长-现蕾”阶段微生物量氮转化为无机氮，提高根际NO3--N含量；烟株现蕾进入成熟期后各处理不同程度下降。

2.3 氮水平与基追比对根际土壤微生物量碳、氮含量的影响

根际微生物量碳随氮水平增加而增加，且随生育进程增加（图3）。低氮（N1）时，不同基追比间微生物量碳在同一生育期内无差异。中氮（N2）和高氮（N3）时，土壤微生物量碳随生育进程而增加；现蕾期后高氮（N3）时基追比为7∶3、5∶5时微生物量碳显著高于其他处理，表明无机氮有效促进根际微生物对土壤水溶性碳固定，微生物量碳提高。

2 氮水平与基追比对根际土壤铵态氮和硝态氮含量的影响Fig. 2 Effects of nitrogen level and ratio of basal to topdressing fertilizer on ammonium and nitrate contents in rhizosphere soil

根际微生物量氮随氮水平增加而增加，且在团棵-现蕾时高氮（N3）处理微生物量氮显著高于低氮（N1）和中氮（N2）处理（图3）。低氮（N1）时不同基追比处理微生物量碳在各生育期间、同一生育期内无差异；中氮（N2）和高氮（N3）时微生物量氮随生育进程而增加。同一氮水平下，团棵期时微生物氮随基追比增加而增加；旺长期后，追施氮肥提高微生物量氮，且随基追比增加而增加，表明施入土壤无机氮，部分氮迅速被微生物固持，成为土壤活性氮“库”和“源”，对烟株氮素供应有效调控。而高氮（N3）显著提高成熟期土壤微生物量氮，且随基追比增加而增加，表明施氮量能够促使成熟期土壤活性氮“库”和“源”丰盈，烤烟正常成熟落黄具有较大风险。

图3　氮水平与基追比对根际土壤微生物量碳、氮含量的影响Fig. 3 Effects of nitrogen level and ratio of basal to topdressing fertilizer on soil microbial carbon and microbial nitrogen contents in rhizosphere soil

2.4 氮水平与基追比对根际土壤脲酶和转化酶活性的影响

随氮水平增加根际土壤脲酶活性显著增强，低氮（N1）、中氮（N2）时土壤脲酶活性在成熟期时降低，而高氮（N3）时整个生育期持续增加（图4）。低氮（N1）时脲酶活性较低，反映该施氮水平根际土壤氮素转化较弱，不能满足烟株正常生长发育对氮素需求；高氮（N3）时因施氮量过大而导致土壤有效氮持续供应过强，不能在成熟期及时“氮素调亏”；而中氮（N2）时各处理土壤脲酶活性先增加后降低，符合烤烟各生育期对氮素需求，而在此施氮水平下，基追比为7∶3时以适当增加追施比（5∶5）致使其在“旺长-现蕾”阶段保持相对较高脲酶活性，与该阶段烟株对氮需求规律相吻合。团棵期时无机氮基追比较高时转化酶活性强，而团棵后无机氮的基追比较低其转化酶活性强（图4）。表明根际土壤转化酶活性与土壤无机氮含量呈正相关关系，土壤速效氮较高时，微生物活性较强，其繁殖和生长加快，可供微生物利用的土壤碳消耗加剧，促使酶促反应进程加快，转化酶活性增强。

图4　氮水平与基追比对根际土壤转化酶和脲酶活性的影响Fig. 4 Effects of nitrogen level and ratio of basal to topdressing fertilizer on invertase and urease activities in rhizosphere soil

3　讨论

3.1 无机氮施用量及基追比调控烤烟不同生育期根际土壤供氮强度，具有直接性和时效性

不同供氮方式和施氮量对烤烟生长和氮素吸收的影响较大［13-14］，根际土壤速效氮含量与移栽时基施、团棵时追施的无机氮绝对量呈正相关；随时间推移施入土壤无机氮受土壤生物化学过程影响趋于变大［15］。本试验表明，中氮（N2）且基追比为5∶5处理根际土壤NH4+-N在“团棵-旺长”阶段呈缓慢上升趋势，而后缓慢下降至现蕾期，再以较大速率下降至成熟期（图2）；NO3--N则在“团棵-旺长”急剧下降，“旺长-现蕾”保持平稳并稍有增加趋势，而后在成熟期又能适时下降（图2）。充分反映了该施肥方式在大田烟株“团棵-旺长-现蕾”具有持续充足的速效氮供应，而在成熟期适时氮素调亏，较符合优质烟叶生产中烟株对氮素需求规律。

施入土壤的无机氮、有机氮、有机碳在微生物和土壤酶作用下经复杂的生物化学过程，调控烟株不同生育期养分供应［4，16］。本试验条件下，因无机氮施入量和基追比不同，加之大田生育期环境因子的变化，导致烟株生长发育过程中根际土壤生物化学过程存在差异。各处理在旺长前根际有机质皆表现为不同程度积累，可能是因为“移栽-旺长”阶段特定气候条件导致土壤有机质合成过程强于其矿化分解过程所致［1］。进入旺长后，随气温升高和降雨增多，加上团棵期追施无机氮肥的“激发效应”，有机质矿化分解加剧，土壤无机氮浓度较高时（N3基追比7∶3、N3基追比5∶5、N2基追比7∶3），有机质矿化分解加快，表现为土壤有机质含量下降，其中高氮水平（N3）且增加追施比（5∶5）处理在成熟期高温高湿环境下，加剧土壤有机质矿化，土壤速效氮含量增加，不利于烤烟正常成熟落黄，而低氮（N1）且一次性基施（10∶0）最有利于成熟期有机质积累转化，此期根际速效氮含量也相应处于较低水平。

3.2 无机氮施用量及基追比通过影响土壤生物化学过程调控土壤供氮，具有一定的滞后性

土壤水溶性碳为微生物提供可利用碳源，加速微生物繁殖和生长［1，17］。无机氮对有机质矿化分解具有“激发效应”，使土壤水溶性碳随无机氮增加而增加。随水溶碳增加，微生物可利用碳和氮充足，根际微生物繁殖生长速度加快，水溶性碳被土壤微生物固定积累，表现为根际水溶性碳随烟株生育进程逐渐下降，但被微生物固定的微生物量碳和氮却随施氮量增加而呈增加趋势［5，18］。本试验条件下，施入无机-有机氮在土壤酶和微生物作用下，通过有机质积累、矿化以及微生物的“蓄水池”作用实现土壤氮素供应调节；在移栽基施和团棵追施后团棵期和旺长期土壤脲酶、转化酶活性随施氮量增加而增强，土壤氮、碳转化趋于活跃，土壤微生物利用碳、氮增加直接促进土壤微生物繁殖与生长，促进微生物量碳、氮积累。在烤烟生育前期（团棵-旺长期）因有机质矿化量小于合成量而表现为随生育进程呈积累状态。进入现蕾期和成熟期后，南方降雨增多和温度升高促使有机质矿化，在大量无机氮（N3）“激发”下，有机质矿化加剧，表现为脲酶活性持续较高，土壤微生物繁殖和生长旺盛，水溶性碳降低，微生物量碳和氮积累，不利于烤烟正常成熟落黄。而中氮（N2）时基追比为5∶5处理能有效增加烟田土壤当季有机质积累，同时其脲酶活在烟株大田生育期呈先增加后下降趋势，且在“旺长-现蕾”阶段保持相对较高的脲酶活性，并能在成熟期适时下降，这与该阶段烟株对氮素需求较高的规律最为吻合。

4　结论

在一定时间内，基施-团棵，团棵-旺长烟株根际土壤速效氮与此期（移栽时基施、团棵时追施）施入无机氮量呈正相关；随时间推移施入土壤无机氮受土壤微生物过程影响趋于变大。本试验条件下，高氮（168.0 kg/hm2）时因施氮量过大导致根际土壤有效氮持续供应过强，成熟期时不能及时“氮素调亏”而降低烟叶品质；而中氮（108 kg/hm2）时，各处理脲酶活性呈先增加后下降趋势，较符合烟株各生育期对氮素需求，而此施氮水平下，以适当增加追施比（5∶5）使其在“旺长-现蕾”阶段保持相对较高脲酶活性，与该阶段烟株对氮素需求规律相一致。

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The Effect of Nitrogen Management on Nmin and Enzyme Activities in Rhizosphere Soil of Flue-cured Tobacco under the Optimization of C/N with Organic Fertilizer

DING Xiaodong1，5，YAN Huifeng2，ZHANG Shirong1，CHEN Weixian3，GUO Junjie3，WEI Bin3，WANG Jun4*
（1. College of Resources and Environment，Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，China；2. Tobacco Research Institute of CAAS，Qingdao 266101，China；3. Guangdong Meizhou Tobacco Co.，Ltd.，Meizhou，Guangdong 514011，China；4. Nanxiong Tobacco Science Institute of Guangdong，Nanxiong，Guangdong 512400，China；5. Guangdong Institute of Eco-Environment and Soil Sciences，Guangzhou 510650，China）

Abstract:A field experiment was carried out to study the effect of nitrogen management on soil Nmin，soil carbon and the enzyme activities in tobacco rhizosphere under the optimization of C/N with organic fertilizers. The results showed that∶ （1） In the lower nitrogen treatments N1 and N2，NH4+-N contents in the rhizosphere soil decreased during the growth season while in the higher nitrogen N3 treatment，NH4+-N content increased at the rosette to vigorous growth stage，then decreased，.and nitrate nitrogen decreased for all treatments；（2） The microbial carbon and nitrogen increased with the nitrogen level and the growth process. （3） The soil urease and invertase activities increased with the nitrogen level，the soil urease activities were slightly reduced in the lower N1 and N2 treatments at the mature stage，whereas that of the higher N3 treatment increased during the whole growth period；The soil invertase activities were higher at the rosette stage in the S1 and S2 treatments，while it was higher after the rosette stage in S3 treatment. In the higher nitrogen level treatment （N3），soil nitrogen was continuously excessively supplied，and nitrogen was not reduced to the "nitrogen deficit" level during the mature period，which led to reduced tobacco quality；while at the N2 level，the soil urease activities of the S3 treatment increased first then decreased，which was more consistent with the nitrogen demand of the plants.

Keywords:nitrogen fertilizer rate；the ratio of basic to dressing application；microbial biomass C and N；NO3--N；NH4+-N；enzyme activity

中图分类号：S572.062

文章编号：1007-5119（2016）01-0026-06

DOI：10.13496/j.issn.1007-5119.2016.01.005

基金项目：广东省烟草专卖局科技项目“改善梅州砂泥田烤烟香气品质的优化施肥技术研究”（201012）；广东省中国科学院全面战略合作项目（2011B090300100）；广东省烟草专卖局科技项目“广东植烟土壤时空演变特征研究”（201303）；广东省烟草专卖局科技项目“提高烟叶田间耐熟性综合生产技术开发与示范”（201306）

作者简介：丁效东（1978-）男，博士，副教授，主要从事土壤与植物营养方面的研究。E-mail：xiaodongding2004@163.com*通信作者，E-mail：wangjun4170@126.com

收稿日期：2015-10-12 修回日期：2015-11-14