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        氮素形態(tài)配比對添加玉米秸稈白漿土微生物學(xué)特性的影響

        2017-07-05 13:05:55徐俊平趙志祎李玉璽
        河南農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017年6期

        王 楠,徐俊平,趙志祎,李玉璽,姚 凱,王 帥*

        (1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 植物科學(xué)學(xué)院,吉林 吉林 132101; 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,北京 100193)

        氮素形態(tài)配比對添加玉米秸稈白漿土微生物學(xué)特性的影響

        王 楠1,徐俊平1,趙志祎2,李玉璽1,姚 凱1,王 帥1*

        (1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 植物科學(xué)學(xué)院,吉林 吉林 132101; 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,北京 100193)

        探討了不同氮素形態(tài)配比(銨態(tài)氮∶硝態(tài)氮為4∶1、1∶1、 1∶4)對添加玉米秸稈白漿土酶活性以及微生物生物量碳、氮含量的影響,以期篩選對于白漿土微生物學(xué)特性有優(yōu)化作用的最佳氮素形態(tài)配比。結(jié)果表明,隨培養(yǎng)時間增加,添加玉米秸稈的所有銨態(tài)氮與硝態(tài)氮配比處理白漿土的脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶、蛋白酶和過氧化氫酶活性以及微生物生物量碳、氮含量均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢。與培養(yǎng)初始時相比,培養(yǎng)結(jié)束時,除了過氧化氫酶活性有較大程度提高外,其余酶活性及微生物生物量碳、氮含量均不同程度地下降。與其他2個處理相比,銨硝等比例混合處理土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶和蛋白酶活性以及微生物生物量碳、氮含量的下降程度在一定程度上得到緩沖;同時,其對過氧化氫酶活性的促進作用更強。比較培養(yǎng)初始和培養(yǎng)結(jié)束時的結(jié)果可知,以硝態(tài)氮為主的處理對添加玉米秸稈白漿土的脲酶、蔗糖酶活性及微生物生物量氮含量有較強的抑制作用,而以銨態(tài)氮為主的處理則對堿性磷酸酶、蛋白酶、過氧化氫酶活性及微生物生物量碳含量有較強的抑制作用。

        氮素形態(tài); 白漿土; 微生物學(xué)特性; 酶活性; 微生物生物量

        秸稈還田是最為常見的土壤培肥方法,但無論秸稈以何種方式還田,都必須輔以適量氮素才能發(fā)揮微生物轉(zhuǎn)化的優(yōu)勢作用。就氮素而言,土壤中利于植物吸收、微生物利用的速效氮形態(tài)主要有銨態(tài)氮和硝態(tài)氮2種[1],其中后者是一種更為耗能的無機氮形態(tài),用量較大時易引發(fā)土壤反硝化作用致使氮素以N2、NO和N2O形式損失,對植物而言又易造成體內(nèi)硝酸鹽積累。而銨態(tài)氮施用過量會抑制植物對K+、Ca2+的吸收,進而引起植物體內(nèi)多方面的代謝失調(diào),使植物發(fā)生銨中毒[2]。可見,2種氮素形態(tài)單施哪一類都會有些許弊端,因此,在秸稈還田過程中施用氮素應(yīng)盡量考慮兩者的配比。

        微生物對于銨態(tài)氮和硝態(tài)氮有著不同的偏好性,2種氮素形態(tài)間配比的改變會引起土壤微生物學(xué)特性的改變,該微生物特性涵蓋微生物生物量及酶活性兩方面內(nèi)容,兩者皆為土壤有機質(zhì)及養(yǎng)分周轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因子[3]。因此,氮素形態(tài)配比的改變會對土壤生物肥力產(chǎn)生影響。張平等[4]研究表明,氮素形態(tài)間配比的改變能夠引起微生物活性的改變,間接對土壤有機碳礦化分解程度產(chǎn)生影響。李強[5]研究表明,銨硝比為1∶1或3∶1時更有利于土壤脲酶活性的提高。馬宗斌等[6]認為,施用銨態(tài)氮肥處理的小麥根際土壤蛋白酶活性高于硝態(tài)氮肥處理。另有報道指出,不同形態(tài)氮肥配施可有效改善土壤微生物區(qū)系,硝態(tài)氮肥有利于土壤細菌和放線菌數(shù)量的提高[7];而銨態(tài)氮肥比例增加可有效提高土壤中真菌數(shù)量和脲酶、中性磷酸酶活性[2]。此外,土壤中不同氮素形態(tài)間的相互作用亦會對植物營養(yǎng)供應(yīng)產(chǎn)生一定影響[8-9]。綜上,氮素形態(tài)間的合理配比能夠改善微生物學(xué)特性,提高秸稈還田土壤養(yǎng)分有效性,促進腐殖化進程。

        然而,如何調(diào)控銨態(tài)氮和硝態(tài)氮間的配比來提高微生物活性,使微生物學(xué)特性更符合秸稈還田培肥地力的實際情況,并未見系統(tǒng)性報道。為此,采用室內(nèi)培養(yǎng)法,在氮素用量相同且不栽種任何作物的前提下,研究不同氮素形態(tài)配比對添加玉米秸稈白漿土微生物學(xué)特性的影響,旨在探索秸稈還田條件下不同氮素形態(tài)的適宜配比,為氮素多形態(tài)摻混化肥的研制提供參考。

        1 材料和方法

        1.1 供試材料

        白漿土于2015年3月取自吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院北大地玉米試驗田(126°28′48.66″ E、43°57′34.85″ N),經(jīng)風(fēng)干、粉碎后過0.25 mm篩;玉米秸稈于2015年11月采收于吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院西側(cè)玉米試驗田,帶回實驗室后在55 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量,粉碎過0.25 mm篩。

        1.2 試驗設(shè)計

        基于同等氮素添加量(200 mg/kg),試驗共設(shè)3個不同氮素形態(tài)配比處理,即銨態(tài)氮∶硝態(tài)氮(摩爾比)分別為4∶1(AD)、1∶1(AN)、1∶4(ND),氮素形態(tài)主要來源為NH4Cl、NH4NO3和NaNO3。按照質(zhì)量比7∶3稱取白漿土和玉米秸稈粉末,然后將兩者充分混勻。用蒸餾水將各處理含氮試劑溶解并噴灑于混料中,使其含水量達到田間持水量的80%,混勻后,取150 g(按照混料干質(zhì)量計)裝入250 mL塑料燒杯中,用可透氣的塑料薄膜封口,置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每隔48 h對樣品進行稱量并補足水分,確保恒濕條件。培養(yǎng)后0、15、30、60、90、120、180 d取樣,各時間點均設(shè)置3個重復(fù),從所取樣品中稱取一部分直接置于4 ℃冰箱中保存,用于微生物生物量碳、氮含量的測定;剩余部分風(fēng)干后磨碎,過0.25 mm篩,裝入玻璃磨口瓶中,用于土壤酶活性測定。

        1.3 測定項目及方法

        1.3.1 酶活性 脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶和蛋白酶活性分別采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法、磷酸苯二鈉比色法、3,5-二硝基水楊酸比色法、高錳酸鉀滴定法和茚三酮比色法進行測定[10]。

        1.3.2 微生物生物量碳、氮含量 微生物生物量碳、氮的浸提采取氯仿熏蒸—K2SO4浸提法進行[11]。稱取一定數(shù)量4 ℃冰箱中保存的土壤樣品,分別在氯仿熏蒸前后用K2SO4溶液浸提,提取液中有機碳含量采用K2Cr2O7氧化法測定;提取液中全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定。微生物生物量碳含量=EC/KC,其中,EC為未熏蒸與熏蒸土壤浸提有機碳含量的差值,KC為轉(zhuǎn)換系數(shù)(取值0.38);微生物生物量氮含量=EN/KN,其中EN為熏蒸與未熏蒸土壤浸提全氮含量的差值,KN為轉(zhuǎn)換系數(shù)(取值0.45)。

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003處理,采用SPSS 18.0進行統(tǒng)計分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 氮素形態(tài)配比對添加玉米秸稈白漿土酶活性的影響

        2.1.1 脲酶活性 作為參與土壤氮循環(huán)的關(guān)鍵酶,脲酶可加速土壤中潛在氮素的有效化,與土壤供氮水平密切相關(guān)[12]。由圖1可知,隨著培養(yǎng)時間增加,3個處理脲酶活性均呈先增加后降低的趨勢,脲酶活性表現(xiàn)為AD>AN>ND。對于AD和AN 2個處理,在培養(yǎng)0~30 d時,脲酶活性隨培養(yǎng)時間增加有所升高,30 d時最高,較培養(yǎng)初始時分別增加6.8%和4.5%,之后降低。對于ND處理,在培養(yǎng)0~15 d時,脲酶活性隨著培養(yǎng)時間增加有所提高,15 d時最高,較培養(yǎng)初始時提高3.2%,之后降低。在培養(yǎng)結(jié)束時,與培養(yǎng)初始時相比,脲酶活性均受到不同程度的抑制,AD、AN、ND處理脲酶活性的降低幅度分別為15.5%、13.3%、22.4%。

        綜上,當(dāng)添加的氮素中銨態(tài)氮占50%以上(AD和AN)時,脲酶活性提高并能維持至培養(yǎng)后30 d。當(dāng)添加的氮素中硝態(tài)氮占優(yōu)勢時,脲酶活性亦有所提高,但僅能維持至15 d,即硝態(tài)氮在維持土壤脲酶活性方面的能力較弱。

        圖1 氮素形態(tài)配比對添加玉米秸稈白漿土脲酶活性的影響

        2.1.2 堿性磷酸酶活性 堿性磷酸酶活性能夠表示土壤有機磷的轉(zhuǎn)化狀況,其酶促作用產(chǎn)物是土壤有效磷的重要來源[12]。由圖2可知,隨著培養(yǎng)時間的增加,3個處理堿性磷酸酶活性的變化趨勢大體相似,均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢,總體上,堿性磷酸酶活性表現(xiàn)為AD>AN>ND。以銨態(tài)氮占優(yōu)的供氮處理AD在培養(yǎng)15 d時,堿性磷酸酶活性達到峰值[0.75 mg/(g·d)],而后逐漸降低。AN和ND處理堿性磷酸酶活性變化相對平穩(wěn),最大值均出現(xiàn)在培養(yǎng)30 d時,隨后逐漸降低。培養(yǎng)結(jié)束時,脲酶活性均受到不同程度的抑制,與培養(yǎng)初始時相比,AD、AN、ND 處理脲酶活性的降低幅度分別為9.8%、5.9%、8.7%。這一結(jié)果表明,以銨態(tài)氮為主的處理盡管在培養(yǎng)初期使堿性磷酸酶活性有所提高,但最終使其活性受到抑制的程度最大,其次是硝態(tài)氮占優(yōu)的處理,而銨硝等比例混合處理則更有利于減緩堿性磷酸酶活性的下降程度。

        圖2 氮素形態(tài)配比對添加玉米秸稈白漿土堿性磷酸酶活性的影響

        2.1.3 蔗糖酶活性 蔗糖酶能夠催化蔗糖水解過程,生成葡萄糖和果糖,其活性強弱能夠反映土壤熟化程度和肥力水平,是土壤參與有機碳循環(huán)的重要轉(zhuǎn)化酶[12-13]。由圖3可見,隨培養(yǎng)時間增加,3個處理蔗糖酶活性總體均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢,培養(yǎng)60 d內(nèi),蔗糖酶活性表現(xiàn)為AD>AN>ND,之后表現(xiàn)為AN>AD>ND。在AD和AN處理條件下,蔗糖酶活性的峰值出現(xiàn)在培養(yǎng)30 d時,而ND處理出現(xiàn)在培養(yǎng)15 d時,盡管在各處理條件下,蔗糖酶活性均經(jīng)歷峰值,但與培養(yǎng)初始時相比,培養(yǎng)結(jié)束時蔗糖酶活性均受到不同程度抑制,AD、AN、ND處理蔗糖酶活性的降低幅度分別達到7.2%、5.8%、9.8%。另外,在培養(yǎng)90 d后,以銨態(tài)氮為主的處理氮素受到硝化作用影響,氮素形態(tài)會逐漸向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化,受其影響蔗糖酶活性也會有所下降,此時,銨硝等比例混合處理更有益于減緩秸稈-白漿土混料中蔗糖酶活性的下降趨勢。

        圖3 氮素形態(tài)配比對添加玉米秸稈白漿土蔗糖酶活性的影響

        2.1.4 蛋白酶活性 作為水解蛋白質(zhì)肽鍵的一類酶的總稱,蛋白酶廣泛存在于植物莖葉和微生物中。由圖4可知,隨培養(yǎng)時間增加,3個處理蛋白酶活性均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢。在培養(yǎng)0~30 d時,以銨態(tài)氮為主的處理對蛋白酶活性的提高幅度最大,達到2.4%,其次是銨硝等比例混合處理;3個處理蛋白酶活性均在培養(yǎng)30 d時達到峰值;隨后,銨態(tài)氮歷經(jīng)硝化作用,其不斷被氧化成硝態(tài)氮,因微生物對硝態(tài)氮的親和力較差,因此,AD和ND 2個處理蛋白酶活性均大幅降低。相反,銨硝等比例混合處理更易穩(wěn)定氧化還原電位,在促進微生物活性的同時,通過硝態(tài)氮的反硝化作用,使其充當(dāng)氧化劑來加速腐殖化進程,能夠在較大程度上緩解蛋白酶活性的下降趨勢。在培養(yǎng)結(jié)束時,與培養(yǎng)初始時相比,AD、AN和ND處理蛋白酶活性均不同程度地下降,降幅分別為6.0%、2.9%和5.8%??梢?,銨硝等比例混合處理在改善蛋白酶活性方面的作用最佳。

        圖4 氮素形態(tài)配比對添加玉米秸稈白漿土蛋白酶活性的影響

        2.1.5 過氧化氫酶活性 過氧化氫酶可由植物根系或土壤微生物分泌,用于表征土壤生物氧化過程的強弱[2],其可清除植物體內(nèi)多余的H2O2,從而使細胞免受毒害,是生物防御體系的關(guān)鍵酶之一。由圖5可知,隨培養(yǎng)時間增加,3個處理過氧化氫酶活性均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢,過氧化氫酶活性總體表現(xiàn)為AN>AD>ND。ND處理過氧化氫酶活性的峰值出現(xiàn)在培養(yǎng)120 d,而AD和AN處理可使該酶活性峰值提早至培養(yǎng)90 d時出現(xiàn)。在培養(yǎng)結(jié)束時,與培養(yǎng)初始時相比,各處理過氧化氫酶活性均不同程度地增加,AD、AN和ND處理的增幅分別為40.1%、64.5%和53.3%。

        上述結(jié)果表明,微生物在3種氮素形態(tài)配比(AD、AN和ND)條件下均能有效促進細胞內(nèi)H2O2的分解,使其在培養(yǎng)90 d或120 d時達到最佳效果,而后隨微生物活性減弱而受到抑制。綜合來看,銨硝等比例混合處理更有利于過氧化氫酶活性的整體提高,其次是硝態(tài)氮為主的處理,而以銨態(tài)氮為主的處理最差。

        圖5 氮素形態(tài)配比對添加玉米秸稈白漿土過氧化氫酶活性的影響

        2.2 氮素形態(tài)配比對添加玉米秸稈白漿土微生物生物量碳、氮含量的影響

        2.2.1 微生物生物量碳含量 微生物生物量碳可參與調(diào)控土壤有機質(zhì)的分解及養(yǎng)分的循環(huán),因此,對陸地生態(tài)系統(tǒng)功能的維系起到至關(guān)重要的作用[14]。由圖6可知,隨培養(yǎng)時間增加,3個處理微生物生物量碳含量均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢,微生物生物量碳含量總體表現(xiàn)為AN>AD>ND。在培養(yǎng)0~15 d時,以銨態(tài)氮為主的處理更有利于微生物生物量碳含量的增加,而硝態(tài)氮占優(yōu)勢的處理增加效果最弱;在培養(yǎng)15 d時,3個處理微生物生物量碳含量均達到峰值,這說明微生物在外源氮素供應(yīng)下活性得以提高,數(shù)量得到擴增,從而引起微生物生物量碳含量的增加;之后,各處理微生物生物量碳含量均下降,AD處理下降幅度最大,其次為ND處理。與培養(yǎng)初始時相比,培養(yǎng)結(jié)束時,AD、AN和ND處理微生物生物量碳含量均不同程度地下降,降低幅度分別為53.0%、32.8%和49.3%。綜上,銨硝等比例混合處理更有利于微生物生物量碳含量的保蓄。

        圖6 氮素形態(tài)配比對添加玉米秸稈白漿土微生物生物量碳含量的影響

        2.2.2 微生物生物量氮含量 微生物生物量氮是土壤有機態(tài)氮中最為活躍的組分[15],可作為土壤潛在氮庫中最為重要的氮源[16]。由圖7可知,隨培養(yǎng)時間增加,3個處理微生物生物量氮含量均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢,微生物生物量氮含量總體表現(xiàn)為AN>AD>ND。在培養(yǎng)0~30 d時,3個處理微生物生物量氮含量較高,并較平穩(wěn);之后,3個處理微生物生物量氮含量驟然降低。AD和ND處理微生物生物量氮含量的峰值均出現(xiàn)在培養(yǎng)15 d時,而銨硝等比例混合處理微生物生物量氮含量的峰值出現(xiàn)在培養(yǎng)30 d時。與培養(yǎng)初始時相比,培養(yǎng)結(jié)束時,AD、AN和ND處理微生物生物量氮含量均不同程度地下降,降幅分別為67.4%、55.6%和71.0%。相比之下,銨硝等比例混合處理更有利于減緩微生物生物量氮的損耗。

        圖7 氮素形態(tài)配比對添加玉米秸稈白漿土微生物生物量氮含量的影響

        3 結(jié)論與討論

        本研究結(jié)果表明,隨著培養(yǎng)時間的增加,添加玉米秸稈的所有銨態(tài)氮與硝態(tài)氮配比處理白漿土的脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶、蛋白酶和過氧化氫酶活性以及微生物生物量碳、氮含量均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢。與培養(yǎng)初始時相比,培養(yǎng)結(jié)束時,除了過氧化氫酶活性有較大程度提高外,其余酶活性及微生物生物量碳、氮含量均不同程度地下降。這些結(jié)果表明,在培養(yǎng)初期,微生物在氮素供應(yīng)充分的條件下,對新添加的秸稈進行較為強烈地礦化,使結(jié)構(gòu)相對簡單的有機碳分解,不斷釋放速效養(yǎng)分使微生物易于獲取能量[16],微生物在攝取營養(yǎng)物質(zhì)后迅速合成細胞物質(zhì),繁衍速度增加,進而提高了微生物量碳、氮含量及相關(guān)酶活性。然而,隨著秸稈中易于分解的有機碳成分減少以及養(yǎng)分漸趨耗竭,加之微生物活性的自然衰退,上述微生物學(xué)特性指標(biāo)降低。

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        Effect of Ratios of Nitrogen Forms on Microbiological Characteristics of Albic Soil Amended with Corn Stalk

        WANG Nan1,XU Junping1,ZHAO Zhiyi2,LI Yuxi1,YAO Kai1,WANG Shuai1*

        (1.College of Plant Science,Jilin Agricultural Science and Technology University,Jilin 132101,China;2.College of Agronomy and Biotechnology,China Agricultural University,Beijing 100193,China)

        nitrogen forms; albic soil; microbiological characteristics; enzyme activity; microbial biomass

        2016-11-20

        吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項目(吉教科合字[2015]第375號);吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院博士啟動基金(吉農(nóng)院合字[2016]第B03號);國家自然科學(xué)基金項目(41401251);吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院重點學(xué)科培育項目(吉農(nóng)院合字[2015]第X004號)

        王 楠(1982-),女,吉林九臺人,講師,博士,主要從事土壤肥力調(diào)控研究。E-mail:wangnan664806@126.com

        *通訊作者:王 帥(1982-),男,吉林通化人,副教授,博士,主要從事土壤生物及環(huán)境化學(xué)研究。 E-mail:wangshuai419@126.com

        S153.1

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