北疆春小麦-青贮玉米优化施氮量配置下土壤微生物对后茬不同施氮频次的响应

杨 燕，朱金成，于泳鑫，王江丽

（石河子大学农学院/绿洲生态农业兵团重点实验室，新疆 石河子 832000）

0 引言

作物产量的形成受多方面因素的影响，包括作物品种、施肥、灌溉等。民间谚语有云：“庄稼一枝花，全靠肥当家”。其中，氮素为作物生长发育所需大量营养元素之一，而氮肥施用量、施氮水平、氮素类型等，都会不同程度的影响氮素施用的效果。因此，氮肥施用对作物生长、产量、氮素利用率、土壤肥力等因素的影响一直是氮素效应研究的重点。当前农田氮肥不合理施用以及环境污染日益严重的现状，使人们日益认识到适宜施氮是化解作物高产稳产和环境破坏之间矛盾的有效手段[1]。

土壤酶是土壤中具有生物催化功能的一些特殊蛋白质类化合物的总称，是数量极微而作用极大的土壤组成部分。土壤酶活性可作为判断土壤生物化学过程强度及评价土壤肥力的重要指标之一[2]。土壤酶参与土壤中各种生物化学过程，土壤微生物、土壤理化性质、农业种植模式等都对土壤酶活性产生一定的影响[3]。土壤脲酶在土壤中起到促进氮转化的作用，土壤过氧化氢酶能有效分解土壤有机质，在土壤酶的作用下植物可利用的营养元素被释放出来，从而促进作物的生长发育。其中土壤酶最主要的来源是通过土壤中微生物的活动[4]，Taylor 等[5]研究表明，土壤酶活性和细菌数量、有机质含量有一定关系。土壤酶的垂直分布与水平分布均有一定规律性：在垂直方向上土壤酶的活性随土壤层次加深而减弱，在水平方向上，根际内酶的活性大于根际外酶的活性[6-7]。

目前关于施肥处理及耕作方式对土壤中脲酶、过氧化氢酶等酶活性的研究较多，但施氮频次对土壤中过氧化氢酶、脲酶活性的影响研究较少，尤其是复种体系中前后茬施氮优化配置下的施氮频次对土壤酶活性、土壤微生物多样性等的影响研究更少，因此本试验在北疆地区滴灌春小麦－青贮玉米种植模式前后茬最优施氮量配置基础上，通过在后茬作物滴灌青贮玉米中设置不同氮素施用频次处理，研究其对土壤酶活性、土壤微生物多样性及作物产量的影响，以探究该复播体系最优施氮量条件下后茬玉米最适施氮频次及作物高产、氮素高效利用的机理，为促进北疆地区滴灌小麦-青贮玉米模式的推广利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2018年在新疆天业农业高新技术有限公司试验场开展，试验地点位于44°19′26″N，85°59′47″E，土壤质地为中壤土，有机质含量为18.1mg·kg-1，全氮为1.23g·kg-1，速效磷为38.4mg·kg-1，速效钾为242.6mg·kg-1，碱解氮为29.4mg·kg-1。

1.2 试验设计

本试验前茬春小麦品种选用宁春16号，采用优化施氮方式（NW1：春小麦施氮量20kg·667m-2、施氮频次5 次），设对照（NW0：春小麦不施氮），等行距15cm 种植。后茬青贮玉米品种为新饲玉13 号，在前茬基础上设置最佳施氮量和对照（NC1：青贮玉米施氮10kg·667m-2、NC0：青贮玉米不施氮），3 个施氮频次处理（TC1：后茬青贮玉米施氮4 次、TC2：后茬青贮玉米施氮3次、TC3：后茬青贮玉米施氮2次），每个处理4 次重复，共48 个小区。小区面积15m2，行距60cm，株距18.6cm。播种前基施磷酸二氢钾9kg·667m-2。前茬氮肥20%基施，80%追施；后茬氮肥100%追施。追肥采用随水滴施，具体施氮、滴灌时间和次数见表1～表4。其它管理同大田。

表1 滴灌小麦-青贮玉米施氮量（单位：kg·667m-2）Table 1 Nitrogen application amount of drip irrigated wheat-silage corn

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤样品采集

于2018 年8 月16 日（S1：后茬青贮玉米生长前期）、9月25日（S2：后茬青贮玉米生长中期）、10月15日（S3：后茬青贮玉米生长后期），均在施肥后3天内取样，共采样3 次。各处理随机采集3 株作物的根际土壤和非根际土壤，将植株根系从土壤中整体挖出，抖掉与根系松散结合的土体土，然后将与根系紧密结合的根表土刷下来作为根际土土样，采用干冰泡沫盒包装，快递给测序公司，测定土壤微生物多样性。非根际土壤取0～20cm 耕层土壤，剔除土壤样品中石砾等杂物，混匀，四分之一法留取土样，自然风干后过1mm筛，放入-20℃冰箱冷冻保存，用于测定土壤酶活性。

1.3.2 测试方法

土壤过氧化氢酶活性测定采用高锰酸钾滴定法，土壤脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法[8]。

土壤微生物多样性的测定：高通量测序技术[9]，送检。

产量测定：收获之前，在每个处理选取3 个重复，每个重复调查2m距离的植株数，再于每个重复选取具有代表性的植株3 株，测定叶片数、株高、穗位高和单株鲜重，换算成单位面积青贮玉米产量，采用烘干法测定植株含水率。

1.3.3 数据处理

测定数据利用Microsoft Excel 2003进行数据处理和方差分析；采用Sigma Plot 12.5软件制图。

2 结果与分析

2.1 土壤酶活性对后茬施氮频次的响应

表2 前茬滴灌小麦施氮肥次数和比例（单位：%）Table 2 Frequency and proportion of nitrogen applied to drip irrigated wheat

表3 后茬滴灌青贮玉米施氮追肥时间、次数和比例（单位：%）Table 3 Frequency，times and proportion of nitrogen applied to silage corn

表4 后茬青贮玉米各生育时期灌溉比例及灌溉量（单位：m3·667m-2）Table 4 Ratio and amount of irrigation water applied to silage corn in different stages

2.1.1 土壤过氧化氢酶活性对后茬施氮频次的响应

由图1可以看出，不同施氮频次处理下，后茬玉米不同时期根际与非根际土壤过氧化氢酶活性存在一定差异，根际土壤过氧化氢酶活性略高于非根际土壤，各生长阶段相比较为：S1时期（8月16日）＞S2时期（9 月25 日）＞S3时期（10 月15 日），S3时期土壤酶活性降到最低，均在0.04mg·g-1·h左右。

对于根际土壤而言（a和b），前茬不施氮条件下（a），S1时期土壤过氧化氢酶活性随施氮频次减少而降低，且均低于对照，S2时期酶活性NW0NC1TC2＞NW0NC1TC1＞NW0NC1TC3＞CK，S3时期各处理酶活性降到最低；前茬施氮条件下（b），S1时期与S2时期土壤酶活性变化趋势一致，酶活性都随施氮频次减少而升高，S1时期各处理间酶活性的差异略大于S2时期，S3时期各处理酶活性差异不大。

对于非根际土壤而言（c和d），前茬不施氮条件下（c），S1时期施氮频次少的处理（NW0NC1TC3）过氧化氢酶活性高，施氮频次多的处理（NW0NC1TC1、NW0NC1TC2）酶活性反而低，S2时期与S1时期酶活性变化趋势相反，随施氮频次降低酶活性也降低，且都低于对照处理，S3时期酶活性差异变小；前茬施氮条件下（d），S1时期施氮频次少的处理（NW1NC1TC2、NW1NC1TC3）过氧化氢酶活性低，施氮频次多的处理（NW1NC1TC1）酶活性较高，与前茬施氮变化趋势相反，S2时期各处理比较为：NW1NC1TC3＞NW1NC1TC1＞NW1NC1TC2，NW1NC1TC1与CK酶活性差异较小，S3时期与S2时期酶活性变化趋势相同，只是S3时期比S2时期酶活性低，且各处理之间差异减小。

2.1.2 土壤脲酶活性对后茬施氮频次的响应

图1 不同施氮频次对后茬土壤过氧化氢酶活性影响Figure 1 Effects of different N application frequencies on soil catalase activity in the following corn season

由图2可知，后茬玉米不同施氮频次处理下，土壤脲酶活性在各生长阶段相比较为：S2时期＞S1时期＞S3 时期，总体来看，根际土壤脲酶活性在各时期略高于非根际土壤，且各时期土壤脲酶活性差异越来越显著。

对于根际土而言（e 和f），前茬不施氮条件下（e），处理NW0NC1TC2土壤脲酶活性最低，CK、NW0NC1TC1和NW0NC1TC1均在17.00mg·g-1·h左右，差异不明显，S2时期和S3时期土壤脲酶活性变化趋势基本一致，都是随着施氮频次的减少，酶活性降低；前茬施氮条件下（f），S1时期各处理酶活性均在16.80mg·g-1·h左右，差异不显著，S2时期各处理酶活性比较为：NW1NC1TC2＞NW1NC1TC1＞NW1NC1TC3，而S3时期各处理酶活性比较为：NW1NC1TC2＞NW1NC1TC3＞NW1NC1TC1，都是NW1NC1TC2处理酶活性最高，且与其他处理之间的差异性较大。

对于非根际土而言（g和h），前茬不施氮条件下（g），S1时期土壤脲酶活性随施氮频次的减少而降低，各处理之间差异性较小，S2时期各处理酶活性比较为：NW0NC1TC2＞NW0NC1TC1＞NW0NC1TC3，S3时期与S2时期变化趋势相反，差异逐渐显著；前茬施氮条件下（h），S1时期与S2时期土壤脲酶活性变化趋势相同，均是NW1NC1TC1＞NW1NC1TC3＞NW1NCITC2，各处理的酶活性之间的差异性在S2时期更显著，S3时期酶活性随施氮频次的减少而升高，NW1NC1TC3酶活性显著高于其他处理13.00mg·g-1·h左右。

2.2 土壤细菌生物多样性对后茬施氮频次的响应

图2 不同施氮频次对后茬土壤脲酶活性影响Figure 2 Effects of different N application frequencies on soil urease activity in the following corn season

土壤微生物多样性指数在一定程度上可反映生物种群的丰富度及多样性，ACE指数和Chao指数表征物种的丰富度，值越高表明细菌群落的物种丰富度越高，Shannon 指数表征细菌群落的多样性程度。

由表5 可以看出，多样性测序结果覆盖指数均接近于1，说明测序深度已经基本覆盖到样品中所有的物种，ACE指数差异性不显著（P＞0.05），ACE指数与Chao指数均表现为NW0NC1TC2>NW0NC0＞NW0NC1TC1＞NW0NC1TC3和NW1NC0＞NW1NC1TC1＞NW1NC1TC3＞NW1NC1TC2，Shannon 指 数 表 现 为NW0NC1TC1＞NW0NC1TC3＞NW0NC0＞NW0NC1TC2和NW1NC1TC1＞NW1NC0＞NW1NC1TC2＞NW1NC1TC3，这说明，前茬是否施氮对后茬土壤微生物多样性都有影响，氮肥的施用均降低了细菌的多样性，但不一定会降低细菌的丰富度，并且施氮频次最多的处理丰富度最高。

2.3 施氮频次对后茬青贮玉米产量的影响分析

从表6 可以看出，后茬玉米叶片数均在10～11片之间，叶片数为11的占较大比例。前茬施氮处理与不施氮处理的株高、穗位高和产量都有较大差距。整体而言，前茬适量施氮条件下后茬青贮玉米产量高于前茬不施氮。在前茬不施氮条件下，随着后茬施氮频次的减少，产量逐渐增加，表现为NW0NC0＜NW0NC1TC1＜NW0NC1TC2＜NW0NC1TC3；而 在 前 茬施氮条件下，后茬施氮频次最少的处理（NW1NC1TC3）产量最高。

3 讨论

土壤酶活性会因为种植模式的不同而产生反应，土壤酶活性也能更好地反映农业种植模式对土壤环境的影响[10-13]，并且土壤酶与土壤的新陈代谢有着密切关系。有研究表明，根际土壤受到径向系统的影响，根际代谢分泌的碳水化合物正是根际微生物的碳和能量来源，使根际土壤获得足够的有机物和营养物，从而增加根际土壤的微生物的生物量[14]。土壤酶活性的根际分布特征都是以根系作为中心，与非根际土壤相比，根际土壤酶活性有逐渐下降的趋势[6，15]，作物根际土壤比非根际土壤酶活性更强[16-17]。有研究指出，施氮量过高或过低都会降低土壤酶活性[18]。在本研究中，各处理根际土壤过氧化氢酶活性和脲酶活性均高于非根际土壤，这是因为植物根系分泌了大量有机物质和营养物质，供土壤中微生物的繁殖生活，从而促进根际土壤之间的物质交换[13]。

表5 不同施氮处理对土壤菌群多样性指数的影响Table 5 Effects of different nitrogen application treatments on soil flora diversity index

表6 不同施氮频次对后茬青贮玉米产量的影响Table 6 Effects of different n application frequency on the yield of silage maize in the later stubble

有研究表明分期施氮会降低玉米的产量[19-21]，在本试验中产量低可能原因：T1、T2处理施氮频次较多，抑制土壤微生物的生长，从而影响土壤酶活性，使土壤肥力不足，导致后茬青贮玉米产量低。

4 结论

根据本试验结果可以看出，后茬青贮玉米施氮频次与土壤酶活性、土壤微生物多样性及产量有着密切关系。

（1）随施氮频次减少，前茬不施氮条件下，土壤过氧化氢酶活性逐渐降低，最后趋于稳定状态，土壤脲酶活性逐渐降低，各处理之间差距越来越显著；前茬施氮条件下，土壤过氧化氢酶活性逐渐升高，土壤脲酶活性呈先升后降的趋势。

（2）前茬小麦是否施氮对后茬青贮玉米的产量也有很大影响。后茬青贮玉米的产量随施氮频次的减少而增大，施氮频次相同的处理在前茬小麦施氮条件下的产量更高。

（3）前茬是否施氮对后茬土壤微生物的多样性、丰富度及均匀度都有一定的影响。前茬施氮能增加土壤微生物多样性、丰富度。

综合上述，本试验中NW1NC1T3处理下（后茬施氮2 次）的土壤酶活性较高，其对应的产量最高，从产量角度来看，本试验条件下，后茬青贮玉米施氮2次为宜。