不同形态氮肥配施固氮菌对复垦土壤酶活性及氮素形态的影响

王帅兵，孟会生，武 欣，张 杰，郝鲜俊，洪坚平，焦金铖

不同形态氮肥配施固氮菌对复垦土壤酶活性及氮素形态的影响

王帅兵，孟会生*，武 欣，张 杰，郝鲜俊，洪坚平，焦金铖

(山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷 030801)

【目的】探究不同形态氮肥配施固氮菌对复垦土壤酶活性及氮素形态的影响。【方法】选取采煤塌陷区复垦1 a的土壤为研究对象，通过盆栽试验分析各形态氮肥与固氮菌配施对土壤微生物量碳、微生物量氮、酶活性、全氮、溶解性总氮、铵态氮、硝态氮的影响。【结果】硝铵态氮肥配施固氮菌可有效提高复垦土壤微生物量碳、微生物量氮、溶解性总氮、铵态氮量，与硝铵态氮肥处理相比，土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、蛋白酶、脲酶活性分别提高了4.96%、17.85%、12.53%、6.12%。土壤养分、酶活性、微生物量碳、微生物量氮之间的关系密切，蔗糖酶、蛋白酶、脲酶活性与土壤全氮、溶解性总氮、铵态氮量均呈极显著正相关（<0.01），与硝态氮量呈显著正相关（<0.05），土壤微生物量碳、微生物量氮均与溶解性总氮量呈显著正相关（<0.05）。主成分分析表明，硝铵态氮肥与固氮菌配施处理下的复垦土壤质量最高。【结论】硝铵态氮肥配施固氮菌最有利于提高复垦土壤的微生物活性与养分水平，是一种合理的复垦土壤施肥管理方式。

氮肥形态；固氮菌；溶解性总氮；复垦土壤；土壤酶活性

0 引言

【研究意义】土壤中的氮素是保障作物高产的重要因子，是限制植物生长的主要营养成分，在陆地生态系统物质循环中具有至关重要的作用[1]。矿区复垦土壤因氮素水平较低往往会导致植物生长不良和产量低下，有碍于矿区植被生态系统的恢复[2]。目前，矿区土壤复垦的常规方式仍为传统培肥方式，然而，长期大量施用无机氮肥可能会导致土壤酸化、氮固定潜力下降以及生态系统遭到破坏[3-4]，而传统氮肥与生物菌肥配施则有望提高土壤养分水平和氮利用率。

【研究进展】微生物菌剂作为一种新兴的绿色肥料，近年来得到了广泛应用。在众多微生物菌剂中，荧光假单胞菌（）因具有抑制病原菌、固氮、解磷等潜力[5-6]而被广泛应用。众多研究指出，荧光假单胞菌可促进作物生长、提高肥料利用率以及明显改善土壤养分及微生物活性[7-10]。【切入点】然而，尽管荧光假单胞菌剂在农业生产上的优势已被广泛认可，但其在实际应用中仍存在一些局限性。例如，煤炭开采过程会严重破坏土壤结构，表层土壤剥离造成土壤微生物量锐减和土壤养分匮乏，因此单施菌剂对复垦土壤的培肥效果欠佳[11]。此外，菌剂本身并不含有植物生长所需的关键营养成分，因此对增产的效果有限。鉴于此，菌剂与其他肥料配合施用是一个潜在的优化方案[12]。

【拟解决的关键问题】目前针对荧光假单胞菌剂与肥料配施在矿区土壤复垦中应用甚少，且复垦土壤微生物特性与氮素形态之间的关系缺乏系统研究。因此，本研究以复垦1 a的土壤为研究对象，通过盆栽试验分析不同形态氮肥与固氮菌配施对土壤微生物特性及土壤氮素的影响，对于矿区复垦土壤的科学培肥、保障矿区农业生态可持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 供试土壤

供试土壤取自山西省晋中市榆次区后沟村乌金山矿区复垦1 a后的土壤，土壤类型为石灰性褐土，质地为中壤土。0～20 cm土层的土壤理化性质为：pH值8.53，有机质量3.45 g/kg，全氮量142.27 mg/kg，全磷量0.25 g/kg，全钾量1.97 g/kg，碱解氮量9.58 mg/kg，有效磷量2.51 mg/kg，速效钾量55.17 mg/kg。

1.1.2固氮菌剂

固氮菌剂为山西农业大学资源环境学院矿区土壤复垦与微生物多样性研究室筛选出的具有高效固氮能力的N64-1、N137-1荧光假单胞菌（），固氮量分别为4.54、4.44 μg/mL，固氮酶活性分别为41.74、30.55 nmol/（h·mL）。采用LB液体培基（蛋白胨10 g/L，酵母提取物5 g/L，NaCl 10 g/L）培养至对数生长期（OD600=1）制成供试菌剂，有效活菌数大于2×108cfu/mL。

1.2 试验设计

于山西农业大学资源环境学院实验站的温室内开展盆栽试验，种植作物为油菜，品种为冠王青梗菜，全生育期40～50 d，由广州南蔬农业科技有限公司选育。试验共设置9个处理，分别为：不施氮（CK）；施用尿素（UR）；施用硝态氮（NF）；施用铵态氮（AF）；施用硝铵态氮（AN）；施用尿素+固氮菌（UR+Nfb）；施用硝态氮+固氮菌（NF+Nfb）；施用铵态氮+固氮菌（AF+Nfb）；施用硝铵态氮+固氮菌（AN+Nfb），每个处理设4个重复。每盆装土2.5 kg，不同施肥处理均保证土壤氮素水平在0.20 g/kg（由不同形态氮肥提供，其中硝态氮为NaNO3（含N 16%）；铵态氮为（NH4）2SO4（含N 27%）；酰胺态氮为尿素（含N 46%）；硝铵态氮为NaNO3和（NH4）2SO4，按照NH4+-N∶NO3--N=1∶1的比例施用）；试验前将氮肥与土壤混匀后，再混入20 mL荧光假单胞菌剂，不施菌剂处理加入等量的灭菌培养基。油菜于2月20日育苗，3月7日移栽，4月20日收获，收获时采集0～20 cm土层样品进行各项指标测定。

1.3 测定项目与方法

采用氯仿熏蒸法测定土壤微生物量碳和微生物量氮[13]；土壤过氧化氢酶、蔗糖酶、蛋白酶、脲酶活性分别采用高锰酸钾滴定法、3,5-二硝基水杨酸比色法、茚三酮比色法、靛酚蓝比色法测定[14]。土壤全氮采用半微量开氏法测定，土壤铵态氮采用KCL浸提-蒸馏法测定，土壤硝态氮采用酚二磺酸比色法测定[15]，土壤溶解性总氮采用过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2019软件进行数据整理；采用RStudio软件进行制图；采用R语言进行方差分析、Duncan检验、相关分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同形态氮肥与固氮菌配施对复垦土壤微生物量碳、微生物量氮的影响

由表1可知，AN+Nfb处理下的土壤微生物量碳、氮最高，相比AN处理分别提高了18.65%、16.47%（<0.05）。AF+Nfb处理相比AF处理的土壤微生物量碳、氮分别显著提高了25.86%、23.71%（<0.05），但与AN+Nfb处理差异不显著。NF+Nfb、UR+Nfb处理下的土壤微生物量碳、氮与NF、UR处理相比略有提高，但差异不显著。未配施固氮菌的各处理土壤微生物量碳、氮与CK相比也存在不同程度的提高。总体而言，AN+Nfb处理提高复垦土壤微生物量碳、氮的效果最佳。

表1 不同形态氮肥与固氮菌配施下的土壤微生物量碳、氮

注 表内不同小写字母表示处理间差异显著（<0.05）。

2.2 不同形态氮肥与固氮菌配施对复垦土壤酶活性的影响

不同形态氮肥与固氮菌配施对复垦土壤酶活性的影响见表2。不同形态氮肥配施固氮菌与相应的未配施固氮菌的各处理相比可显著提高复垦土壤的过氧化氢酶活性（<0.05）。其中，AF+Nfb处理的过氧化氢酶活性最大，相比AF处理提高9.1%（<0.01）；土壤蔗糖酶、蛋白酶、脲酶活性在AN+Nfb处理与AN处理间的增幅最大，AN+Nfb处理相比AN处理分别提高了17.85%、12.53%、6.12%（<0.05）。总体而言，不同形态氮肥配施固氮菌可有效提高复垦土壤酶活性。

2.3 不同形态氮肥与固氮菌配施对复垦土壤氮素形态的影响

不同形态氮肥与固氮菌配施对复垦土壤氮素形态的影响见表3。与单施氮肥的各处理相比，配施固氮菌的各处理土壤全氮量略有增加，但差异不显著。AN+Nfb处理下的土壤溶解性总氮、铵态氮量均最高，与AN处理相比分别提高了4.37%、15.75%，且差异显著（<0.05）。此外，各施肥处理硝态氮量与CK相比均有显著提高（<0.05），但配施固氮菌处理的硝态氮量均低于相应的单施氮肥处理。总体而言，AN+Nfb处理可有效提高复垦土壤中全氮、溶解性总氮以及铵态氮量，对复垦土壤不同氮素形态的综合提升效果较好。

表2 不同形态氮肥与固氮菌配施下的复垦土壤酶活性

注 表内不同小写字母表示处理间差异显著（<0.05）。

表3 不同形态氮肥与固氮菌配施下的复垦土壤氮素形态

注 表内不同小写字母表示处理间差异显著（<0.05）。

2.4 复垦土壤氮素形态的相关分析与主成分分析

土壤微生物量碳、氮、酶活性与氮素形态的相关性见表4。蔗糖酶、蛋白酶、脲酶活性与土壤全氮、溶解性总氮、铵态氮量均呈极显著正相关（<0.01），与硝态氮量呈显著正相关（<0.05），土壤微生物量碳、氮与溶解性总氮量呈显著正相关（<0.05）。显然，土壤酶活性（除过氧化氢酶外）与土壤各形态氮素之间的关系最为密切，最适用于评价土壤肥力状况。

表4 复垦土壤氮素形态与土壤微生物量碳、氮和酶活性相关分析

注 *<0.05; **<0.01。

为进一步了解复垦土壤微生物量碳、氮、酶活性与氮素形态之间的关系，对这些因子展开了主成分分析，主成分载荷分布如图1所示。根据特征值>1的条件提取2个主成分，第一主成分（PC1）的特征值为7.859，方差贡献率为78.6%，第二主成分（PC2）的特征值为1.084，方差贡献率为10.8%，共解释了方差变量89.4%的变异，可以代表系统内大部分信息，可反映氮素的养分水平。第一主成分评价土壤质量的影响力大于第二主成分（PC1>PC2）。除过氧化氢酶在PC2上有较高因子载荷外（0.596），其余变量均在PC1上的因子载荷较高（0.513～0.990）。所有变量在2个主成分中均有较高的因子载荷，表明这2个主成分可以反映大部分土壤因子所表征的氮素养分状况。不同处理在2个主成分上的得分结果见表5。综合评价可知，AN+Nfb处理对复垦土壤微生物特性及氮素形态的影响较大，不同施肥处理在主成分上的综合得分依次为：AN+Nfb处理>AF+Nfb处理>AN处理>NF+Nfb处理>UR+Nfb处理>AF处理>NF处理>UR处理>CK。

注 TN:全氮；SMBN:土壤微生物量氮；SMBC:土壤微生物量碳；DTN:溶解性总氮；NH4:铵态氮；NO3:硝态氮；Catalase:过氧化氢酶；Sucrase:蔗糖酶；Protease:蛋白酶；Urease:脲酶。

表5 不同施肥处理在主成分上的综合得分

3 讨论

土壤微生物量碳、氮能反映土壤有效养分状况和微生物活性[16]。施肥是影响土壤微生物量最重要的措施之一，研究发现，施用不同形态氮肥可显著提升土壤微生物量碳、氮水平与酶活性[17-19]。在本研究中，单施不同形态氮肥可提高土壤微生物量碳、氮水平，配施菌剂的效果显著，这可能是由于活性微生物进入土壤后迅速繁殖，刺激了其他微生物的生长，增强了土壤生物活性，从而提高了土壤微生物量碳、氮水平，其机理需结合微生物多样性分析进一步深入探讨。另外，添加固氮菌处理的酶活性相比未添加固氮菌的各处理均有不同程度提升，可能是因为复垦土壤中微生物数量较少，降低了外源添加微生物与土壤原有微生物之间的拮抗作用，且土壤中活体微生物数量的增加改善了土壤生物活性，而土壤微生物的生长、繁殖过程中分泌的各种酶也可能增强土壤酶活性。研究发现，单施无机肥能提高土壤酶活性，但添加生物菌剂后效果更好[20]；并且配施菌剂可改善土壤理化性质和微生物分布，增加土壤微生物数量，提升土壤酶活性[21]，这与本研究结果一致。

本试验表明，不同形态氮肥配施固氮菌可提高复垦土壤全氮、溶解性总氮以及铵态氮量，而硝态氮量却表现为单施氮肥处理高于配施固氮菌处理。一方面，菌剂对土壤的改良效果受到菌剂类型、土壤环境、季节和气候变化的影响[22-23]；另一方面，配施菌剂可有效提高作物养分利用率，促使作物对硝态氮的吸收，导致土壤硝态氮量降低。许多反映土壤供氮能力的指标均与土壤微生物数量和活性密切相关，且土壤微生物本身也是土壤氮素转化的重要因素。通过对土壤微生物量碳、氮及酶活性与氮素形态的相关分析发现，土壤微生物量碳、氮均与溶解性总氮呈显著正相关，蔗糖酶、蛋白酶、脲酶与土壤全氮、溶解性总氮、铵态氮呈极显著正相关，虽与硝态氮也呈正相关，但影响效果略低于以上几种指标，说明蔗糖酶、蛋白酶、脲酶与土壤全氮、溶解性总氮、铵态氮相互作用更为密切，土壤微生物量碳、氮可能并不能直接影响土壤氮素量，而是通过间接机制影响土壤中微生物数量与氮素转化速率。基于主成分分析进一步发现，AN+Nfb处理对复垦土壤微生物量碳、氮与酶活性以及氮素形态的影响最大。不同形态氮肥配施固氮菌这一施肥方式可有效提高土壤微生物量碳、氮和酶活性，改善复垦土壤氮素养分贫瘠的现状，加速复垦土壤熟化。

4 结论

1）不同形态氮肥配施固氮菌可显著提高复垦土壤微生物量碳、氮水平和酶活性，硝铵态氮肥配施固氮菌的提升效果最为显著。

2）硝铵态氮肥配施固氮菌可有效提高复垦土壤溶解性总氮、铵态氮量。土壤蔗糖酶、蛋白酶、脲酶活性与全氮、溶解性总氮、铵态氮量之间存在极显著正相关关系。

3）硝铵态氮肥配施固氮菌对复垦土壤微生物量碳、氮和酶活性及氮素形态的影响最大。

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Efficacy of Nitrogen-fixing Bacteria Combined with Different Nitrogen Fertilizers in Improving Enzymatic Activity and Nitrogen in Reclaimed Soil

WANG Shuaibing, MENG Huisheng*, WU Xin, ZHANG Jie, HAO Xianjun, HONG Jianping, JIAO Jincheng

(College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China)

【Objective】Reclaimed soils are usually poor in nutrients and the aim of this paper is to investigate the efficacy of nitrogen-fixing bacteria combined with different nitrogen fertilizations in improving fertility of reclaimed soils. 【Method】The experiments were conducted in pots filled with soil collected from a subsidized coal mining. The soil was incubated with nitrogen-fixing bacteria combined with different nitrogen fertilizers. In each treatment, we measured carbon and nitrogen in microbial biomass, enzymatic activity, total nitrogen, and ammonium and nitrate nitrogen in the soil.【Result】Combining nitrogen-fixing bacteria with ammonium or nitrate nitrogen fertilizer increases carbon and nitrogen in microbial biomass, total dissolved nitrogen, ammonium nitrogen in the soil. Compared with treatment with nitrate and ammonium nitrogen fertilization only, their combination with nitrogen-fixing bacteria increases the activity of catalase, sucrase, protease and urease by 4.96%, 17.85%, 12.53% and 6.12% respectively. Correlation analysis shows a close relationship between soil nutrients, enzymatic activity and carbon and nitrogen in microbial biomass; the activity of sucrase, protease and urease is positively correlated with total nitrogen, total dissolved nitrogen and ammonium nitrogen in the soil (<0.01); the enzymatic activity is positively correlated with nitrate nitrogen (<0.05); a positive correlation exists between carbon and nitrogen in microbial biomass and total dissolved nitrogen in the soil (<0.05). Principal component analysis shows that ammonium nitrogen fertilization combined with nitrogen-fixing bacteria gives the best soil quality.【Conclusion】Combining nitrate and ammonium nitrogen fertilization with nitrogen-fixing bacteria can significantly increase soil microbial biomass and nitrogen content, and it can be used as an improved agricultural practice to improve quality of reclaimed soil from coal mining.

nitrogen fertilizer forms; nitrogen-fixing bacteria; dissolved total nitrogen; reclaimed soil; soil enzyme activity

王帅兵, 孟会生, 武欣, 等. 不同形态氮肥配施固氮菌对复垦土壤酶活性及氮素形态的影响[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(11): 45-49, 77.

WANG Shuaibing, MENG Huisheng, WU Xin, et al. Efficacy of Nitrogen-fixing Bacteria Combined with Different Nitrogen Fertilizers in Improving Enzymatic Activity and Nitrogen in Reclaimed Soil[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(11): 45-49, 77.

2022-03-23

国家自然基金重点项目（U1710255-3，41907215）；山西农业大学科技创新基金项目（2017ZZ08）

王帅兵（1998-），男。硕士研究生，主要从事土壤学与矿区土壤复垦研究。E-mail: 904519580@qq.com

孟会生（1977-），男。副教授，主要从事矿区土壤复垦、新型肥料的研制与应用以及中低产田治理研究。E-mail: huishengmeng@126.com

1672 - 3317（2022）11 - 0045 - 06

S154.2；S153.6

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022153

责任编辑：韩 洋