不同有机肥对豫中和滇西烟区土壤氮素矿化及酶活性的影响

刘 威，赵园园，陈小龙，韦建玉，李 娟，谢天琪，史宏志

（1.河南农业大学 烟草学院/烟草农业减害研究中心，河南 郑州 450002；2.河南中烟工业有限责任公司，河南郑州 450016；3.广西中烟工业有限责任公司，广西 南宁 530001；4.云南省烟草公司大理州公司，云南 大理 671000）

氮是烟草生长发育过程中的必需元素，氮素供应状况不仅影响烟草生理代谢和器官建成[1-2]，也直接影响烟叶产量和品质形成[3-4]。土壤中的有机氮经过矿化作用转化为无机氮（硝态氮，NO3--N；铵态氮，NH4+-N）后才能被烟草吸收利用。土壤氮转化酶的活性能够反映土壤中一系列复杂生化反应的方向以及土壤微生物对氮素的需求，在一定程度上反映了土壤氮素积累与转化的规律和方向[5-6]。土壤有机氮的矿化是复杂的生物过程，在土壤体系中有机质含量、pH值等理化特性差异会影响土壤中微生物碳源供给能力。有机质含量高的土壤可以给异养微生物提供更多的碳源，使微生物数量增多、土壤的供氮能力增强。有机培肥使氮矿化过程更加复杂，向土壤中添加有机物料会改变土壤微生物生长所需能量物质的数量和质量[7]，进而影响土壤微生物群落的结构和代谢功能，导致氮素矿化特征出现差异，影响土壤氮素循环。有机肥的施用可以平衡过度施肥造成的土壤板结，降低土壤营养失衡等不利影响[8]。因此，可以通过施用有机肥补充土壤氮素营养，促进烟草生长[9]。

已有研究表明，有机肥自身特性、化学组成不同，导致施用后被土壤通过矿化转化为有效氮的数量有差异[10]，从而影响烟株对氮的吸收利用[11]。生物炭有机肥比表面积巨大，施用后对吸附硝态氮和铵态氮、避免氮素淋失具有重要作用，在一定程度上提高了表层土壤的速效氮含量[12]。芝麻饼肥全氮含量高，短期供氮能力较强，肥效发挥较快，在施入土壤后能够被迅速分解，将有机氮快速转化为无机氮[13]。上述研究大多关注有机肥对同一性质土壤氮素矿化特征及酶活性的影响，尚未有关于不同有机肥种类对不同性质土壤氮矿化影响的研究。因此，拟选取云南大理（清香型）、河南许昌（浓香型）烟区典型植烟土壤作为研究对象，选用生产上有代表性的植物源有机肥、芝麻饼肥、生物炭有机肥3种肥料进行室内培养，研究不同有机肥对2 种典型香型烟区土壤矿质氮含量和矿化速率及土壤酶活性的影响，以期为典型香型烟区烤烟合理施用氮肥、提高氮肥利用率提供参考。

1 材料和方法

1.1 供试土壤及有机肥

供试土壤取自清香型烟草代表产区云南大理（99°57′E、25°58′N，滇西）和浓香型烟草代表产区河南许昌（113°55′E、33°95′N，豫中）。云南大理属北亚热带高原季风气候，年均气温13.49 ℃，年均降水量75.76 mm，土壤质地为壤土；河南许昌属北暖温带季风气候，年均气温16.30 ℃，年均降水量91.34 mm，该地土壤为砂壤土。统一于2022年烟株移栽前采集两地2～20 cm 耕层土壤，按S形设置5 个采样点，将各点土样混合，室内自然风干后去除石砾和动植物残体等，磨细后过0.01 mm 筛。一部分土壤用于测定基础理化性质，结果见表1；其余土壤于4 ℃冷藏保存备室内培养用。供试有机肥主要成分见表2，其中植物源有机肥（油枯、米糠、优质腐植酸）由大理洱海生物肥业有限公司提供，生物炭有机肥由贵州毕节市烟草公司提供，芝麻饼肥由河南许昌市烟草公司提供。

表2 供试有机肥主要成分Tab.2 Main components of organic fertilizers

1.2 试验设计

采用室内模拟法，试验共设置4个处理：植物源有机肥（T）、芝麻饼肥（B）、生物炭有机肥（S）、不添加有机肥（CK），每个处理3 次重复。各有机肥添加量均按纯N 100 mg/kg 折算。称取50 g 土样装入100 mL 三角瓶中，将有机肥与土壤充分混匀，加入蒸馏水调节至65%田间持水量，于30 ℃恒温培养28 d，期间每隔3 d通过称质量法补充瓶内水分。于培养7、14、21、28 d 时破坏性取样，测定土壤中硝态氮、铵态氮含量。土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶、硝酸还原酶、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性使用培养14、28 d时采集的土样测定。

1.3 指标测定方法

土壤硝态氮、铵态氮含量测定均使用试剂盒（苏州科铭生物技术有限公司）。土壤硝酸还原酶（Nitrate reductase，NR）、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶（N-acetyl-β-D-glucosidase，NAG）活性采用可见分光光度法测定，土壤蛋白酶（Protease，NPT）活性采用福林酚比色法测定，土壤脲酶（Urease，UE）活性采用靛酚蓝比色法测定，土壤蔗糖酶（Sucrase，SC）活性采用3，5-二硝基水杨酸溶液比色法测定。

土壤矿质氮含量=硝态氮含量+铵态氮含量（1）

土壤硝化速率=（各时段土壤硝态氮含量-初始土壤硝态氮含量）/培养天数 （2）

土壤矿化速率=（各时段土壤矿质氮含量-初始土壤矿质氮含量）/培养天数 （3）

1.4 数据分析

利用Excel 2011 进行数据统计，用Origin 2021作图，通过SPSS 19.0 用多重比较法（LSD）进行差异显著性检验，土壤氮素矿化参数与土壤酶活性之间相关性采用Pearson相关分析。

2 结果与分析

2.1 不同有机肥对不同烟区土壤氮素矿化特征的影响

2.1.1 不同有机肥对不同烟区土壤矿质氮含量的影响 由图1 可知，不同有机肥对不同类型土壤硝态氮、矿质氮含量的影响大致相同，变化趋势表现为各施肥处理硝态氮含量在7 d 时迅速升高。随着培养时间的推移，硝态氮、矿质氮含量缓慢上升，培养过程中滇西烟区土壤硝态氮、矿质氮含量在各个时期均大于豫中烟区土壤。培养前期（7 d），芝麻饼肥处理豫中、滇西烟区土壤矿质氮含量均最高，分别为66.40、108.53 mg/kg；培养结束时，各施肥处理较不添加有机肥处理提升幅度表现为生物炭有机肥＜芝麻饼肥＜植物源有机肥。

2 种类型的土壤铵态氮含量在培养过程中变化趋势不一致，滇西烟区土壤各处理铵态氮含量在培养前7 d 内迅速升高并达到峰值，培养7～14 d 迅速降低，随后降低速度趋缓。豫中烟区土壤各处理铵态氮含量在培养前7 d 内迅速降低后缓慢降低。添加有机肥可以明显提升土壤铵态氮含量，以生物炭有机肥的提升效果最明显。

2.1.2 不同有机肥对不同烟区土壤矿质氮矿化速率的影响 由图2A、2B 可知，添加有机物物料可以明显提高土壤硝化速率。滇西烟区土壤添加有机肥处理硝化速率在整个培养期间呈先升高后下降的趋势；豫中烟区土壤添加有机肥处理硝化速率呈先提高后快速下降再趋缓下降的趋势。培养7 d时，滇西、豫中烟区土壤硝化速率均达到峰值，且均以B处理硝化速率最高，分别为7.90、4.27 mg/（kg·d）。培养21 d时则为S处理最高。

图2 不同有机肥对土壤氮素矿化速率的影响Fig.2 Effect of different organic fertilizers on soil nitrogen mineralization rate

由图2A1、2B1 可知，T、B、S 处理土壤矿化速率在各个时间段均高于CK 处理。滇西、豫中烟区土壤矿化速率均表现为先升高后快速降低，最终缓慢降低的趋势。其中，培养7 d 时，滇西、豫中烟区土壤矿化速率均达到峰值，且均以B 处理矿化速率最高，分别为9.02、3.16 mg/（kg·d）。培养21 d 时则为S处理最高。

2.2 不同有机肥对不同烟区土壤酶活性的影响

2.2.1 不同有机肥对土壤蔗糖酶活性的影响 由图3A 可以看出，在培养14、28 d 时，添加不同有机肥均显著提升了滇西烟区土壤蔗糖酶活性，其中以芝麻饼肥的提升效果最明显，培养结束时较CK 处理提升16.80%。在培养28 d 时各处理土壤蔗糖酶活性较14 d时均有所提高。由图3B可以看出，随着培养时间的推移，豫中烟区土壤蔗糖酶活性呈升高趋势。在培养结束时，相较不添加有机肥处理，3个施肥处理土壤蔗糖酶活性均有所提高，其中以添加生物炭有机肥处理的提升效果最明显，提升了19.11%。

图3 不同有机肥对滇西（A）、豫中（B）土壤蔗糖酶活性的影响Fig.3 Effect of different organic fertilizers on soil sucrase activity in western Yunnan（A）and central Henan（B）

2.2.2 不同有机肥对土壤硝酸还原酶活性的影响

由图4A 可知，在整个培养过程中，滇西烟区土壤硝酸还原酶活性的变化呈升高的趋势。培养28 d时，以生物炭有机肥处理的提升效果最明显，较CK处理提升11.79%；植物源有机肥处理土壤硝酸还原酶活性则较CK 处理降低5.16%。由图4B 可知，植物源有机肥、生物炭有机肥可以显著提升豫中烟区土壤硝酸还原酶活性，培养28 d时，T、S处理土壤硝酸还原酶活性较CK处理分别提升22.73%、20.14%。

图4 不同有机肥对滇西（A）、豫中（B）土壤硝酸还原酶活性的影响Fig.4 Effect of different organic fertilizers on soil nitrate reductase activity in western Yunnan（A）and central Henan（B）

2.2.3 不同有机肥对土壤脲酶活性的影响 由图5A可知，添加有机肥可以显著提高滇西烟区土壤脲酶活性。在培养期间，添加生物炭有机肥对土壤脲酶活性的提升作用显著大于其他有机肥，培养结束时，T、B、S处理土壤脲酶活性较CK处理分别提升了5.51%、7.27%、43.04%。由图5B 可知，在培养过程中，豫中烟区土壤各处理脲酶活性均呈升高趋势。在培养结束时，相较CK 处理，添加植物源有机肥、生物炭有机肥土壤脲酶活性分别提升了0.27%、2.58%，芝麻饼肥处理则降低了1.54%，但与CK处理比差异均不显著。

图5 不同有机肥对滇西（A）、豫中（B）土壤脲酶活性的影响Fig.5 Effect of different organic fertilizers on soil urease activity in western Yunnan（A）and central Henan（B）

2.2.4 不同有机肥对土壤蛋白酶活性的影响 由图6A 可知，滇西烟区土壤在培养过程中，蛋白酶活性呈升高趋势。在培养14、28 d时，T、B、S处理土壤蛋白酶活性均显著高于CK 处理，以芝麻饼肥提升效果最显著。由图6B可知，豫中烟区土壤各处理蛋白酶活性均呈升高趋势，培养结束时，芝麻饼肥、生物炭有机肥处理土壤蛋白酶活性较CK 处理分别提升了14.28%、5.67%。

图6 不同有机肥对滇西（A）、豫中（B）土壤蛋白酶活性的影响Fig.6 Effect of different organic fertilizers on soil protease activity in western Yunnan（A）and central Henan（B）

2.2.5 不同有机肥对土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性的影响 由图7A 可以看出，在培养14 d 时，3种有机肥均可显著提升滇西烟区土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性；在培养结束时，相较CK 处理，T、B 处理的土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性分别降低了2.10%、4.72%，而S 处理则显著提高了16.26%。图7B 可以看出，豫中烟区土壤在培养过程中，N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性呈升高趋势。在培养14、28 d 时，T、B、S 处理土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性均显著高于CK 处理。在培养28 d时，以生物炭有机肥提升效果最显著，土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性较CK 处理提升了80.35%。

图7 不同有机肥对滇西（A）、豫中（B）土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性的影响Fig.7 Effect of different organic fertilizers on soil N-acetyl-β-D-glucosidase activity in western Yunnan（A）and central Henan（B）

2.3 土壤氮素矿化参数与土壤酶活性相关性分析

土壤氮素矿化参数与土壤酶活性相关性分析结果见表3。其中，土壤硝态氮、胺态氮、矿质氮含量与N-乙酰-B-D-葡萄糖苷酶活性呈极显著正相关关系，与蔗糖酶活性、脲酶活性、pH值呈极显著负相关关系。本研究的5 种酶中，除硝酸还原酶活性与蔗糖酶活性、N-乙酰-B-D-葡萄糖苷酶活性与蛋白酶活性相关不显著外，其余酶活性两两之间均呈极显著相关关系。

表3 土壤氮素矿化参数与土壤酶活性相关性分析Tab.3 Correlation analysis between soil nitrogen mineralization parameters and soil enzyme activity

3 结论与讨论

施入不同有机肥后2个烟区土壤氮素矿化规律均表现为初期快速矿化、中后期恒定矿化。有机肥的施入为土壤微生物繁殖提供充足的营养物质，明显增强了前期土壤氮素矿化作用，而后期营养物质的消耗使微生物活性降低以及生成腐殖质，导致氮素矿化受到抑制[14]。研究表明，土壤的氮矿化量因土壤类型而异。本研究中，豫中植烟土壤的pH 值较滇西烟区土壤高，但矿质氮含量却明显低于滇西烟区土壤。这可能是因为两地土壤有机质含量不同，滇西烟区土壤较高的有机质含量使其拥有丰富的有机氮源，提高了土壤的生物活性[15]。此外，在碱性环境中铵态氮会以NH3的形式挥发，这也可能是豫中烟区土壤氮矿化量较低的原因之一[16]。豫中烟区土壤铵态氮含量在培养7 d 时明显下降，主要有以下2 个原因：首先，铵态氮作为硝化作用的底物，硝化作用的发生使铵态氮大量转化为硝态氮[17]；其次，施用有机肥后刺激土壤微生物将无机氮转化成微生物体氮[18]。添加有机肥对滇西烟区土壤脲酶活性有明显提升作用，但对豫中烟区土壤脲酶活性提升作用不明显，原因可能是滇西烟区土壤黏粒占比较高，可以形成结构性较好的团粒结构[19]，且较大的比表面积使其表面拥有更多的活性位点利于微生物的大量繁殖，进一步加速了有机物料的腐解，足量的反应底物进一步刺激土壤微生物分泌更多的脲酶[20]，使其活性增强。添加芝麻饼肥可以明显提高豫中烟区土壤N-乙酰-B-D-葡萄糖苷酶活性，但滇西烟区N-乙酰-B-D-葡萄糖苷酶活性却有所降低。这是因为，首先，芝麻饼肥全氮含量高，短期供氮能力强，肥效发挥快，在施入土壤后能够迅速分解，有机氮快速分解为无机氮[13]；其次，豫中烟区土壤质地为砂壤土，较大的孔隙度使土壤通透性增加，养分扩散迁移速度快[21]。底物的迅速分解及迁移扩散使N-乙酰-B-D-葡萄糖苷酶活性增强。

有机肥既能为土壤微生物繁殖提供充足的营养物质，又能为土壤酶分泌物的产生创造有利条件，使土壤酶活性提高[7，22]。本研究中，铵态氮抑制硝酸还原酶的活性，两者呈极显著负相关关系，这与赵越等[23]的研究结果一致。脲酶活性与各种形态氮素（硝态氮、铵态氮、矿质氮）表现出极显著负相关关系，可能是因为有机肥中的无机氮在施入土壤后可以直接用于微生物的吸收利用，使脲酶的利用率降低[24]。本研究的5 种酶中，除硝酸还原酶与蔗糖酶、N-乙酰-B-D-葡萄糖苷酶与蛋白酶的活性相关不显著，其余酶活性均两两呈极显著相关关系，表明不同酶之间既有专一性，又有共同性[25]。但酶的作用机制很复杂，酶活性与土壤氮素相关性有待进一步验证。

因此，3 种有机肥均可以显著提高豫中、滇西烟区土壤矿质氮含量，且在培养前期均以芝麻饼肥氮素矿化效果最明显，矿质氮含量最高，而生物炭有机肥后期矿化量较大且矿化速率较快。生物炭有机肥可以有效提高土壤脲酶、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性，芝麻饼肥对蛋白酶、蔗糖酶活性有明显提升作用。

综上，结合不同烟区土壤的理化特性及施入有机肥后的土壤氮素矿化特征，滇西植烟土壤施入芝麻饼肥在提高土壤矿质氮含量的同时可有效控制矿化速率，加强生物固持作用；豫中植烟土壤施入生物炭有机肥可以有效提升土壤本身较低的矿化能力，提高土壤矿质氮含量。