侯 萌，李思聰，陳一民，焦曉光，隋躍宇

(1.中國科學院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150081；2.黑龍江大學 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學院，黑龍江 哈爾濱 150080；3.中國科學院大學，北京 100049)

0 引 言

設施栽培已經(jīng)成為抵御自然災害，實現(xiàn)淡季高效栽培的重要手段，近年來種植面積不斷增加[1]。設施菜田種植體系中高氮素投入和高灌溉量的管理模式會顯著影響土壤氮素的反硝化過程，導致氮素流失和溫室氣體排放等問題[2]。硝酸還原酶(NR)催化反硝化作用的第一階段，是具有催化能力的生物活性物質(zhì)，在一定條件下限制著反硝化速率[3-4]。因此，研究硝酸還原酶的活性對于合理施肥、減少氮損失有重要意義。

土壤硝酸還原酶活性受施肥模式、土壤理化性質(zhì)及環(huán)境因子等影響。楊海濱等[5]研究表明，有機肥配施尿素顯著增加了茶園土壤硝酸還原酶活性；聶兆君等[6]通過氮鋅肥料配施降低了冬小麥生育后期土壤硝酸還原酶活性。邢肖毅等[7]進一步指出，有機質(zhì)和pH是影響黑土區(qū)反硝化過程的重要因素，且硝酸還原酶活性隨有機質(zhì)升高而增強，隨pH降低而減弱[8]。已有研究證明，油菜中硝態(tài)氮積累量多，則葉片中的硝酸還原酶活性高[9]。但這些研究都集中在大田中，對設施菜田土壤硝酸還原酶活性相關內(nèi)容卻鮮有報道。本文以此為切入點，對設施黑土菜田硝酸還原酶活性影響展開研究。以“設施黑土菜田田間定位試驗”為試驗平臺，對常規(guī)水肥，減肥，減水處理對0～60 cm土層土壤硝酸還原酶活性和硝態(tài)氮含量影響進行分析，探究減水和減肥條件下土壤硝酸還原酶活性和土壤硝態(tài)氮含量的變化，旨在揭示設施菜田黑土氮素在不同水肥管理下遷移轉(zhuǎn)化機理，對減少設施菜田黑土氮素損失，提高化肥利用效率，減少對環(huán)境污染，確定合理水肥方式提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗區(qū)域概況

試驗地位于黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院園藝分院的蔬菜大棚(45°37.83′N，126°39.05′E)，海拔173.1 m，設施大棚面積為324 m2(27 m×12 m)。土壤類型為草甸黑土，試驗前測得耕層土壤基本理化性質(zhì)為有機碳20.0 g·kg-1，全氮1.83 g·kg-1，全磷1.27 g·kg-1，pH 6.73，容重1.20 g·cm-3。

1.2 試驗設計

試驗共設3個處理，分別為(1)常規(guī)水肥處理(WF)；(2)80%常規(guī)化肥+常規(guī)水處理(W80%F)；(3)80%常規(guī)水+常規(guī)化肥(80%WF)，3次重復，隨機排列。

所有處理均施用顆粒有機肥5 000 kg·hm-2(有機質(zhì)含量為40%)，不同處理的具體施肥量、追肥量和灌溉量分別見表1和表2，其中氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。小區(qū)面積為18 m2(6 m長×3 m寬)。設施菜田種植方式為茄子連作，供試茄子品種為龍雜201，栽種模式為大壟雙行，種植密度為4株·m-2。試驗區(qū)采用條施的方式施用基肥，采用穴施方式的進行追肥；灌溉方式為滴灌，人工進行田間管理。

表1 生育期內(nèi)不同處理具體施肥量Table 1 Fertilizations in different treatments during the eggplant growth period

表2 生育期內(nèi)不同處理具體灌溉量Table 2 Irrigations in different treatments during the eggplant growth period

1.3 土壤樣品采集

2019年于茄子生長的苗期(5月26日)、初果期(6月21日)、盛果期(7月19日)和拉秧期(10月17日)，在每個試驗小區(qū)隨機選取3個點，用土鉆采集0～20 cm，20～40 cm和40～60 cm土層土壤樣品，將每個小區(qū)每層的3個土壤樣品經(jīng)充分混合后裝于自封袋，帶回實驗室后置于4℃保存，用于土壤硝酸還原酶活性和硝態(tài)氮含量的測定。

1.4 測定方法

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

原始數(shù)據(jù)采用Excel 2019進行整理，使用SPSS 22.0軟件進行統(tǒng)計分析和差異顯著性(α=0.05)檢驗，使用SigmaPlot 12.5進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 水肥管理設施菜田土壤硝酸還原酶活性變化特征

0～20 cm土層土壤硝酸還原酶活性隨茄子生育期延長呈現(xiàn)表現(xiàn)為降-升-降的變化趨勢，以盛果期最高，初果期最低(圖1)。與WF處理相比，80%WF處理和W80%F處理土壤硝酸還原酶活性在苗期分別顯著增加了130%和159%，在初果期顯著增加了113%和104%(P<0.05)。盛果期和拉秧期的不同水肥處理對硝酸還原酶活性影響不顯著(P>0.05)。

圖1 0～20 cm土層土壤硝酸還原酶活性的季節(jié)性變化Fig.1 Changes of soil nitrate reductase activities at 0～20 cm soil depth in different growth stages

盛果期土壤硝酸還原酶活性隨土壤深度增加呈下降的變化趨勢(圖2)。與WF處理相比，W80%F和80%WF處理均未顯著影響同一土層的土壤硝酸還原酶活性(P>0.05)。同一處理下，硝酸還原酶活性在40～60 cm土層與0～20 cm和20～40 cm土層差異顯著(P<0.05)，與WF相比，W80%F處理0～20 cm和40～60 cm土層土壤硝酸還原酶活性分別增加了22.0%和33.2%；而80%W處理20～40 cm和40～60 cm土層土壤硝酸還原酶活性分別降低了5.37%和23.7%。

注：不同大寫字母代表同一處理不同土層間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母代表同一土層不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note：Different capital letters indicate significant differences between different soil depths in the same treatment(P<0.05);different lowercase letters indicate significant differences among different treatments in the same soil depth(P<0.05).The same is as below.圖2 盛果期不同土層土壤硝酸還原酶活性變化特征Fig.2 Changes of soil nitrate reductase activities at different soil depths in full fruit period

2.2 水肥管理對設施菜田土壤硝態(tài)氮含量的變化

土壤硝態(tài)氮含量隨茄子生育期延長呈現(xiàn)為先降低后增加的變化趨勢，在盛果期達到最低值(圖3)。與WF相比，W80%F處理土壤硝態(tài)氮含量在苗期和盛果期分別顯著降低了25.8%和31.6%(P<0.05)，在初果期和拉秧期分別降低了7.91%和20.2%；80%WF處理土壤硝態(tài)氮含量在初果期和盛果期顯著降低了69.6%和54.2%(P<0.05)，但是在苗期和拉秧期分別增加了9.49%和13.5%。

圖3 0～20 cm土層不同生育期土壤硝態(tài)氮含量變化特征Fig.3 Changes of soil nitrate nitrogen contents at 0～20 cm soil depth in different growth stages

盛果期土壤硝態(tài)氮含量隨土層深度增加的變化特征見圖4。三個處理土壤硝態(tài)氮含量均表現(xiàn)為隨土層深度增加而降低，80%WF處理和W80%F處理硝態(tài)氮含量均顯著低于WF處理。同一處理，0～20 cm至20～40 cm土層土壤硝態(tài)氮含量降低幅度較大，在61.9%～69.7%范圍之內(nèi)，20～40 cm至40～60 cm土層持續(xù)降低，幅度在27.2%～44.5%范圍之內(nèi)。同一土層不同處理硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為WF>W80%F>80%WF。與WF相比，W80%F處理0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層土壤硝態(tài)氮含量分別顯著降低了31.6%、20.2%和36.6%；80%WF處理各土層土壤硝態(tài)氮含量分別顯著降低了54.2%、42.3%和39.9%。

圖4 盛果期不同土層土壤硝態(tài)氮含量變化特征Fig.4 Characteristics of nitrate nitrogen contents at different soil depths in full fruit period

2.3 土壤硝酸還原酶活性與硝態(tài)氮含量的相關性分析

為了探究土壤硝酸還原酶活性與硝態(tài)氮含量之間的關系，將0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層土壤硝酸還原酶活性和硝態(tài)氮含量進行相關分析(表3)。各土層硝酸還原酶活性和硝態(tài)氮含量的相關性不一致。0～20 cm土層硝酸還原酶活性與硝態(tài)氮含量呈負相關關系，相關性不顯著；20～40 cm硝酸還原酶活性與硝態(tài)氮含量呈正相關關系，相關性也不顯著；40～60 cm土層硝酸還原酶活性與硝態(tài)氮含量呈顯著正相關關系(P<0.05)。因此，在本研究中，40～60 cm土層土壤硝酸還原酶活性能夠反映土壤硝態(tài)氮含量變化。

表3 土壤硝酸還原酶活性與硝態(tài)氮含量相關性分析Table 3 Correlation analysis between soil nitrate reductase activity and nitrate nitrogen

3 討 論

本研究中土壤硝酸還原酶活性隨土壤深度加深降低，在40 cm以下土層硝酸還原酶活性顯著降低，這與岳中輝等[12]研究發(fā)現(xiàn)的黑土土壤剖面中硝酸還原酶活性遞減變化規(guī)律一致。本研究發(fā)現(xiàn)，減水和減肥處理均沒有顯著影響0～20 cm和20～40 cm土層土壤硝酸還原酶活性，但是減肥處理顯著提高了40～60 cm土層土壤硝酸還原酶活性，減水處理降低該層硝酸還原酶活性。分析原因可能是：(1)所有處理的設施茄子種植過程在0～20 cm土層施入了較大量的有機肥，減水和減肥處理均沒有改變0～40 cm土壤有機質(zhì)含量和可溶性碳氮含量[13]，因此，不能顯著影響硝酸還原酶活性；(2)與其他處理相比，減肥處理僅減少化肥施入而有機肥的施用量與其他處理相同，導致了土壤較低C/N比和充足的有機質(zhì)的存在[14]。已有研究表明，土壤有機質(zhì)不僅是酶促底物的供源，還能作為有機載體保持土壤酶的活性和穩(wěn)定性[15]；(3)減水處理有效降低氮素的向下淋溶，從而降低硝酸還原酶活性。

王文鋒等[16]研究結果表明，土壤中的α-葡萄苷酶、β-葡萄苷酶和幾丁質(zhì)酶等多種酶活性在番茄生育期間總體上均呈先增后降的變化趨勢，均在番茄長勢旺盛時土壤酶活性相對較高。本研究結果與其相似，土壤酶硝酸還原酶活性在茄子的生育時期內(nèi)表現(xiàn)出了顯著的季節(jié)性變化，在盛果期活性相對較高。值得注意的是，在土壤硝酸還原酶活性最高時，減水和減肥處理均沒有顯著影響土壤硝酸還原酶活性?？赡苁鞘⒐谇炎痈捣置谖飻?shù)量和種類都增多，根系分泌物中含有大量的土壤酶、糖類和氨基酸等，這些均是影響土壤酶活性的主要因素[17]。硝酸還原酶催化的反硝化作用是由微生物的驅(qū)動[18]，不同水肥管理會如何影響反硝化細菌的群落結構，影響硝酸還原酶活性還需要進一步研究。

本研究中土壤硝態(tài)氮含量隨土層深度和季節(jié)性變化與杜春先等[19]研究一致，隨深度逐漸降低，隨生育期延長也降低。水肥綜合調(diào)控中土壤硝態(tài)氮的含量，合理搭配施肥和灌溉能夠減少其在土壤中遷移淋失。在0～20 cm和20～40 cm土層土壤硝酸還原酶活性與硝態(tài)氮含量無顯著相關，在40～60 cm土層兩者呈顯著正相關關系，原因可能是0～20 cm和20～40 cm土層土壤不僅存在較高含量的硝態(tài)氮，而且減水減肥處理引起土壤pH、土壤含水量、土壤溫度和容重等多個土壤的理化性質(zhì)因素的改變，這些因素綜合影響硝酸還原酶活性[20]。在40～60 cm土層土壤硝態(tài)氮含量作為底物成為酶促反應的限制因素，從而影響硝酸還原酶活性。

4 結 論

(1)設施茄子菜田土壤硝酸還原酶活性隨土層深度增加而降低。不同處理僅顯著影響40～60 cm土層硝酸還原酶活性：減肥處理顯著增加該土層土壤硝酸還原酶活性，而減水處理顯著降低該土層土壤硝酸還原酶活性。

(2)減水和減肥處理均增加了苗期和初果期內(nèi)土壤硝酸還原酶活性，但對盛果期和拉秧期硝酸還原酶活性增加不顯著，3種處理間硝酸還原酶活性隨深度和隨生育期變化趨勢均保持一致。

(3)設施菜田土壤硝態(tài)氮含量隨土層深度增加而降低，減水處理和減肥處理均顯著降低各土層土壤硝態(tài)氮的含量。減肥處理降低茄子生育期內(nèi)土壤硝態(tài)氮含量；減水處理增加苗期和拉秧期的土壤硝態(tài)氮含量，降低初果期和盛果期土壤硝態(tài)氮含量。

(4)40～60 cm土層中土壤硝酸還原酶活性與硝態(tài)氮含量呈顯著正相關關系，土壤硝酸還原酶活性充分反映硝態(tài)氮含量變化，可以作為表征設施菜田黑土氮淋溶的有效指標。