施肥制度對川中丘陵區玉米不同生育期土壤反硝化酶活性的影響

王蘇平，輝建春，林立金，朱雪梅，朱 波

（1.四川農業大學 資源環境學院，成都 611130；2.雅安水土保持生態環境監測分站，四川 雅安 625000；3.中國科學院 水利部 成都山地災害與環境研究所，成都 610041）

氮作為作物體內葉綠素、蛋白質和酶的重要組成元素，素有“生命元素”的美譽［1］。氮以氨或銨鹽的形式進入土壤，經微生物礦化形成無機態氮（NO3—N等）［2］。NO－3作為旱地作物的主要氮源，經高活性硝酸還原酶（NR:Nitrate Reduetase）催化形成亞硝態氮（NO－2），后經高活性的亞硝酸還原酶（NiR:Nitrite Reductase）催化形成羥胺（NH2OH），再經高活性的羥胺還原酶（HyR:Hydroxylamine Reductase）進一步催化還原成NH＋4，被作物吸收利用（同化反硝化作用），能提高氮元素的利用率。但經硝酸還原酶催化形成的NO－2被高活性的亞硝酸還原酶還原為NH2OH后，若羥胺還原酶的活性處于低水平，則會生成分子態氮（N2O，N2和NH3）及其氧化物（異化反硝化作用），造成氮元素的浪費［3－5］。由此可知，農業生產活動中參與土壤反硝化作用的硝酸還原酶、亞硝酸還原酶和羥胺還原酶活性的高低是影響土壤中氮素的存在形式、氮素的利用率及溫室氣體（N2O，NH3等）排放的重要影響因子［6－9］。已有研究發現，土壤硝酸還原酶、亞硝酸還原酶和羥胺還原酶的活性表現出明顯的季節變化規律，并會受到土壤水分、土壤溫度、CO2濃度及施肥（不同化學肥料）的影響［4，7，9］。還有學者研究發現，不同施肥制度對提高土壤脲酶、過氧化氫酶、轉化酶和磷酸酶的活性，增加作物產量的效果差異明顯［10－11］。此外，有機肥的施入可顯著提高土壤反硝化酶（硝酸還原酶、亞硝酸還原酶和羥胺還原酶）的活性，且有機肥與化肥配施的效果最佳［8］。但此類研究主要針對的是西北黃土區，而針對川中丘陵區紫色土坡耕地土壤反硝化酶（硝酸還原酶、亞硝酸還原酶和羥胺還原酶）活性影響的文章尚未見報道。

本文通過對川中丘陵區紫色土坡耕地進行不同施肥制度處理，研究玉米不同生育期土壤硝酸還原酶、亞硝酸還原酶和羥胺還原酶的活性，探索合理的施肥制度，提高氮元素的利用率，以期為川中丘陵區紫色土坡耕地的農業生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所鹽亭站，地理位置為105°12′—105°42′E，30°53′—31°30′N，該地區地貌以丘陵和低山為主，是一個典型的山丘地區［12］。該地區土壤以紫色土和水稻土為主，是川中丘陵地區紫色土主要的分布地區之一，耕地平均坡度為7°。

1.2 試驗設計

對川中丘陵區紫色土坡耕地進行不施肥（CK）、單施氮肥（N）、有機肥（OM）、NPK肥配施（NPK）、有機肥＋NPK肥配施（OMNPK）和秸稈＋NPK肥配施（RSDNPK）處理，見表1。

各施肥制度全氮維持在同一水平。豬糞:含氮（0.6%，鮮重）；秸稈（小麥）:含氮（0.5%，干重）。本試驗設定18個小區（1m2／個），依試驗場呈南北排列布置，分設A、B、C和保護行（四排），共18m2（長6m，寬3m），坡度均為7°，各處理采用完全隨機設計進行布設，每個處理設3個重復。試驗小區布置見圖1。

1.3 試驗材料及種植密度

供試玉米品種為中單808，由中科院山地所鹽亭站提供。種植行距為50cm，窩距為40cm，種植密度為5100 株／hm2。A，B和C區種植8×15＝120株。玉米種植時間為2010年6月10日，播種方式采用穴播，管理模式為當地常規田間管理。玉米地施肥以穴施底肥方式一次性施用，后期不再追肥。

表1 供試土壤施肥處理

圖1 試驗小區布設圖

1.4 樣品采集與前處理

分別于玉米拔節期（2010年7月9日）、灌漿期（2010年8月15日）和成熟期（2010年9月18日）對0—10cm的土壤進行采集。采集時，每個小區用不銹鋼土鉆采集一個多點混合樣，用四分法取1kg土樣裝入己消毒過的聚乙烯袋中帶回實驗室，放入冰箱（4℃）冷凍保存。

1.5 測定方法

土壤硝酸還原酶、亞硝酸還原酶和羥氨還原酶活性按照關松蔭的方法進行測定［13］。

1.6 數據處理

用SPSS 17.0進行多重比較，用Excel 2003作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥制度對玉米不同生育期土壤硝酸還原酶活性的影響

土壤硝酸還原酶是催化NO－3轉化為NO－2的專性酶，其活性的高低直接影響土壤硝態氮和亞硝態氮的含量［9］。由圖2可知，在玉米拔節期和成熟期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK處理均提高了土壤硝酸還原酶活性。分析得出RSDNPK和OMNPK處理的效果最好，在拔節期較對照分別提高了1198 .9%，914.8%，成熟期較對照分別提高了540.3%，508.4%，但NPK配施處理較對照的差異不明顯。在玉米灌漿期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK處理均提高了土壤硝酸還原酶活性。分析得出RSDNPK和OMNPK處理的效果最好，較對照分別提高了1139 .4%，989.7%，但單施N和NPK配施較對照差異不明顯。由此說明，RSDNPK和OMNPK處理有效的提高了玉米各生育期土壤硝酸還原酶的活性。該作用效果一方面得益于秸稈和有機肥的施入能有效提高土壤有機質含量［14］，而有機物可以提高土壤反硝化酶的活性［8］。與此同時，OMNPK和RSDNPK施用的秸稈和有機肥能降低土壤C／N［15］，傅利劍等研究表明當碳氮比較低時，NO－3相對增加［16］，從而增強了硝酸還原酶活性。另一方面有機質和秸稈的加入能有效增加土壤微生物的數量，改變了微生物區系，提高了土壤中反硝化細菌的活性［17］，進而提高了土壤硝酸還原酶的活性。和文祥等［8］人針對黃土區不同培肥方式對土壤反硝化酶活性的影響進行了研究，發現有機肥與無機肥配施可有效提高土壤硝酸還原酶活性，這與本試驗針對紫色土區的研究結果是一致的。此外，在玉米灌漿期，CK、N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK處理下土壤硝酸還原酶的活性較拔節期和成熟期都要低。主要因為灌漿期玉米對養分需求量較大，大量吸收土壤中無機離子（NO－3，NH＋4），NH＋4含量減少導致土壤硝化作用產生的NO－3［18］含量減少，致使土壤中NO－3總積累量降低（硝酸還原酶反應底物含量降低）。

圖2 不同施肥制度下玉米不同生育期土壤硝酸還原酶活性

2.2 不同施肥制度對玉米不同生育期土壤亞硝酸還原酶活性的影響

土壤亞硝酸還原酶的作用是催化NO－2還原成羥胺（NH2OH），為羥胺還原酶將NH2OH催化還原為農作物可吸收氮素（NH＋4）的反應提供充足的反應底物［8］。由圖3可知，在玉米拔節期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK處理均提高了土壤亞硝酸還原酶的活性。分析得出RSDNPK和OMNPK處理的效果最好，較對照分別提高了600.8%，600.3%，但單施N處理較對照差異不明顯。在玉米灌漿期和成熟期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK處理均提高了土壤亞硝酸還原酶的活性。分析得出RSDNPK和OMNPK處理的效果最好，在灌漿期較對照分別提高了507.2%，512.5%，在成熟期較對照分別提高了443.8%，382.5%。RSDNPK和OMNPK處理能有效的提高土壤亞硝酸還原酶的活性:一方面歸因于RSDNPK和OMNPK處理下土壤硝酸還原酶活性處于高活性水平，生成了充足的NO－2，有利于土壤亞硝酸還原酶催化NO－2生成NH2OH反應的進行；另一方面歸因于RSDNPK和OMNPK處理中含有豐富的有機物，為某些特殊微生物的繁殖（如:反硝化微生物）創造了良好條件，異養微生物可還原態的氮化物轉變為NO－2［19］（土壤亞硝酸還原酶底物增加）進而有利于提高土壤亞硝酸還原酶的活性。此外，在玉米不同生育期，CK、N、OM、NPK、OMNPK和 RSDNPK處理下土壤亞硝酸還原酶活性規律為:拔節期＞灌漿期＞成熟期，一方面原因是隨著玉米生長對無機肥（有效N、速效P、速效K）的吸收，降低了土壤肥力，進而降低了土壤亞硝酸還原酶活性。另一方面紫色土區土壤有機質含量低，有機質礦化作用強，礦化率高，使土壤有機質難于積累［20］，致使有機質對土壤亞硝酸還原酶吸附固定容量逐漸減小，且有機質被微生物分解利用導致土壤肥力下降，進而酶活性變低。證明紫色土區，肥力較高的土壤，酶（亞硝酸還原酶）活性也較高。和文祥［8］等人針對黃土區不同施肥方式對土壤反硝化酶活性的影響進行了研究，也得出相同結論。

圖3 不同施肥制度下玉米不同生育期土壤亞硝酸還原酶活性

2.3 不同施肥制度對玉米不同生育期土壤羥胺還原酶活性的影響

羥胺（NH2OH）在土壤中的存在時間短，致使其在土壤中的存在量極少［5］。當土壤羥胺還原酶的活性高時，其酶促反應是催化NH2OH轉化為能被作物吸收利用的NH＋4。維持該酶的活性處于高活性水平，可以提高作物對氮元素的利用率，減少N2O或NH3的排放［5］。由圖4可知，在玉米拔節期和成熟期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK處理均提高了土壤羥胺還原酶的活性。分析得出RSDNPK和OMNPK處理的效果最好，在拔節期分別較對照提高了408.3%，449.1%。在成熟期較對照分別提高了257.2%，253.8%。在灌漿期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK處理均提高了土壤羥胺還原酶的活性。分析得出RSDNPK和OMNPK處理效果最好，較對照分別提高了48.6%、33.5%，但單施N肥較對照差異不明顯。RSDNPK和OMNPK有效的提高了土壤羥胺還原酶的活性，一方面RSDNPK和OMNPK處理維持土壤硝酸還原酶和土壤亞硝酸還原酶的處于高活性水平，有充足的反應底物（NH2OH）產生，以供土壤羥胺還原酶進行酶促反應生成NH＋4。與此同時，RSDNPK和OMNPK有機質含量豐富，提高了土壤微生物活性，特別是反硝化細菌的活性，同時有機質對土壤羥胺還原酶的吸附固定作用是提高土壤羥胺還原酶活性的又一重要因素。RSDNPK和OMNPK有機質含量豐富能有效改良土壤結構，調節土壤通氣性［20］，有利于NH＋4結合氧氣生成NO－3（減少了酶促反應生成物），增加酶活性，同時為硝酸還原酶提供底物，符合本實驗結果規律。CK、N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK處理下土壤羥胺還原酶活性在拔節期表現絕對優勢，原因是紫色土區土壤有機質含量低，有機質礦化作用強，礦化率高，使土壤有機質難于積累［20］，土壤中有機碳除作電子供體外，還作為異養微生物生長代謝過程的碳源營養物而被消耗［16］，而土壤有機質含量與土壤酶活性存在顯著相關性［10］，使得土壤羥胺還原酶在拔節期高于灌漿期和成熟期。

圖4 不同施肥制度下玉米不同生育期土壤羥胺還原酶活性

此外，土壤酶活性和土壤細菌活性還受無機肥（有效N、速效P、K）含量的影響較大，拔節期土壤養分高于灌漿期和成熟期，利于土壤羥胺還原酶的催化作用的進行。解媛媛等［17］對黃土區不同配比化肥＋秸稈對玉米不同生育期土壤酶活性的影響規律研究結果為:自抽雄期后土壤脲酶活性逐漸升高，至灌漿期后土壤脲酶活性持續上升，成熟期呈現最大值，這和本試驗結果有較大差異，說明不同施肥對玉米不同時期不同土壤酶活性影響差異較大。

3 結論

在玉米拔節期、灌漿期和成熟期，N、OM、NPK、OMNPK和RSDNPK處理均提高了土壤硝酸還原酶、亞硝酸還原酶和羥胺還原酶的活性，且RSDNPK和OMNPK處理的效果最好。表明，秸稈＋NPK肥配施和有機肥＋NPK肥配施能有效提高紫色土區玉米坡耕地硝酸還原酶、亞硝酸還原酶和羥胺還原酶活性，有利于土壤NO3—N轉化為NH4—N反應的進行，益于作物對氮元素的吸收，且RSDNPK和OMNPK處理對增加土壤中NH＋4含量效果最好。

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