控釋摻混氮肥對稻麥土壤微生物及酶活性的影響

李新悅，王昌全，李 冰*，何 杰，李玉浩，張敬昇，梁靖越，陳 蘭，尹 斌

（1．四川農業大學資源學院，四川 成都 611130；2．中國科學院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008）

氮素是植物生長的生命元素，三大營養元素之一。我國氮肥總使用量自20世紀90年代以來上升很快，達到世界的35%左右［1］。高氮施入提高了糧食產量，但是氮肥的不合理施用，會造成嚴重的環境污染，影響土壤微生物豐度和群落結構，反而不利于作物的優產、高產［2-3］。控釋氮肥作為一種新型高效肥料迅速成為研究熱點，它能使其中有效養分緩慢釋放，避免氮肥過量輸入和保持較長肥效，還具有減少施肥作業次數、節省勞力和費用等優點［4-5］。國內外已有研究表明，控釋氮肥不僅可以促進作物增產，同時還能減少氮素損失，減小對環境的污染［6-7］。然而，目前控釋氮肥成本較高，且氮素釋放較慢，單施控釋氮肥易造成作物前期養分供應不足，生長受限，故本試驗采用控釋氮肥摻混尿素處理，以期達到速效、控釋氮肥的優勢互補，使其更具生產實踐意義。施氮量和養分供應同樣影響著土壤的微生態環境變化［8-10］，土壤微生物和酶活性在促進土壤代謝、提高土壤肥力、優化作物種植技術等方面有重要意義［11-12］。本文通過盆栽試驗，研究不同控釋氮肥摻混比例對小麥、水稻不同生育期土壤中微生物數量以及酶活性變化的影響，從土壤生物學變化角度，探討控釋氮肥可能帶來的生物學效應及土壤微生態環境的變化規律，為改善農田土壤生態環境，推廣麥稻輪作下控釋摻混尿素一次性施肥技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2015年11月至2016年9月在四川農業大學資源學院盆栽研究室進行。供試土壤類型為水稻土，采自四川農業大學崇州市榿泉鎮試驗基地0～30 cm耕層。土壤基礎養分含量為有機質26.96 g·kg-1，全氮 1.33 g·kg-1，堿解氮 58.25 mg·kg-1，有效磷 12.45 mg·kg-1，速效鉀 95.04 mg·kg-1，pH值6.45。

1.2 供試材料與肥料

供試控釋氮肥含氮量41.4%，氮素釋放時間約為90 d；供試尿素含氮量46.4%；采用分析純KH2PO4和KCl作為磷源、鉀源。供試小麥品種為內麥836；水稻品種為F優498。

1.3 試驗設計

盆栽試驗采用內徑35 cm、高33 cm塑料盆，每盆裝過1 mm篩的風干土15 kg。設計7個處理：CK（不施氮肥）、T1（100%尿素）、T2（控釋氮肥10%+尿素90%）、T3（控釋氮肥20%+尿素80%）、T4（控釋氮肥40%+尿素60%）、T5（控釋氮肥80%+尿素20%）、T6（控釋氮肥100%）。除CK不施氮外，各處理施氮量一致。小麥季按N 0.15 g·kg-1、P2O50.09 g·kg-1、K2O 0.09 g·kg-1與土壤混合均勻；水稻季對相同處理土壤進行重新裝盆，施肥量按 N 0.15 g·kg-1、P2O50.075 g·kg-1、K2O 0.06 g·kg-1與土壤混合均勻，試驗處理相同。小麥于2015年11月5日播種，每盆25粒小麥，待出苗后定苗20株，試驗過程中，每周澆水1～2次，每次1 L，除草；水稻于2016年5月25日移栽每盆長勢均勻良好的水稻4株，拔節期前進行淹水處理，拔節期后對每個盆栽每周澆水2～3次，每次1 L，除草，每個處理重復12次，共84盆，隨機擺放。

1.4 樣品采集與處理

在小麥分蘗期（播種后58 d）、拔節期（播種后 108 d）、孕穗期（播種后 134 d）、成熟期（播種后182 d）和水稻分蘗期（播種后33 d）、拔節期（播種后62 d）、孕穗期（播種后81 d）、成熟期（播種后126 d）采集土樣，對每個處理3個盆栽的小麥、水稻根系帶土樣挖出，抖掉根系外圍土。取根表附近土樣，裝入無菌袋中，放入4 ℃冰箱中冷藏保鮮，用以測定土壤微生物數量及酶活性。

土壤細菌、放線菌、真菌數量采用涂抹平板計數法測定，分別用牛肉膏蛋白胨培養基、高氏I號培養基以及馬丁氏培養基進行分離培養，然后測定每克干土中的微生物菌落數［13］。土壤氨化細菌、硝化細菌和反硝化細菌數量采用稀釋計數法（MPN）［14］。土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法［15］，土壤蛋白酶活性采用茚三酮比色法［16］。

1.5 數據分析

試驗數據用 Excel 2016 和 SPSS 22.0 軟件進行分析處理，采用單因素方差分析（P＜0.05），LSD方法進行統計處理。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤微生物數量的影響

2.1.1 土壤細菌

由表1可知，與CK相比，各施氮處理可有效提高小麥、水稻全生育期細菌數量。在小麥分蘗期，土壤細菌數量隨控釋氮肥摻混比例的增加而逐漸降低，但處理間無顯著差異；拔節至成熟期，小麥季土壤細菌數量均隨控釋氮肥摻混比例的增加而先升高后降低，且拔節期以T3處理最高，孕穗期和成熟期以T4處理最多，孕穗期T4處理較T1和T6處理分別提高了30.22%、15.97%，成熟期，摻混40%及以上控釋氮肥處理比單施尿素T1處理顯著提高39.12%～44.12%。

表1 不同處理對小麥季和水稻季土壤細菌數量的影響 （106 cfu·g-1）

水稻季分蘗期，土壤細菌數量隨控釋氮肥摻混比例的增加而遞減，T1處理顯著高于控釋摻混氮肥處理；拔節至成熟期，土壤細菌數量隨控釋氮肥摻混比例的增加而先上升后下降，均在T4處理達到峰值，較單施尿素T1處理提高了54.36%～66.96%，較單施控釋氮肥T6處理提高19.47%～69.92%；拔節期T3和T4處理處于較優水平，而孕穗期則以T4和T5處理最多，成熟期摻混40%及以上控釋氮肥處理均顯著高于單施尿素T1處理。

2.1.2 土壤放線菌

由表2可以看出，各施氮處理可以顯著提高土壤放線菌數量，且小麥、水稻全生育期內，放線菌數量總體呈上升趨勢。在小麥分蘗期，單施尿素T1處理最多，且控釋氮肥摻混比例越高，土壤放線菌數量越低；拔節至成熟期，峰值隨控釋氮肥摻混比例增加逐漸后移，依次為T4（拔節期）、T5（孕穗期）、T6處理（成熟期）；孕穗至成熟期，摻混40%～100%控釋氮肥處理土壤放線菌數量明顯高于其余處理，且彼此間無顯著差異。

水稻分蘗期，單施尿素T1處理較摻混40%及以上控釋氮肥處理顯著提高了土壤放線菌數量；拔節期，土壤放線菌數量隨控氮比增加而先升高后下降，以T3處理最高，T4處理次之，較單施尿素T1處理分別顯著提高23.15%（T3）、13.98%（T4）；孕穗至成熟期，摻混20%～100%控釋氮肥處理較其余處理明顯增加了放線菌數量，其中T3和T4處理處于較優水平。

表2 不同處理對小麥季和水稻季土壤放線菌數量的影響 （105 cfu·g-1）

2.1.3 土壤真菌

由表3可知，施氮處理比CK處理顯著提高小麥、水稻土壤真菌數量。小麥分蘗至拔節期，土壤真菌數量分別以T1和T3處理較多，但各施氮處理間無顯著差異；孕穗至成熟期，土壤真菌數量基本持平，隨控釋氮肥摻混比例增加呈現先增加后減少趨勢，以T3、T4處理最優，顯著高于單施控釋氮肥T6處理。

水稻分蘗期，單施尿素T1處理土壤真菌數量最豐富，與摻混40%及以上控釋氮肥處理差異顯著，且控釋摻混氮肥比例越高真菌數量越低；拔節期，摻混40%及以上控釋氮肥處理顯著高于其余處理；孕穗至成熟期，摻混40%及以上控釋氮肥處理土壤真菌數量均處于較優水平，其中以摻混80%控釋氮肥處理數量最多，較單施尿素T1處理顯著提高了56.92%～89.09%。處理相對最高，較其余施氮處理提高39.67%～96.14%。

表3 不同處理對小麥季和水稻季土壤真菌數量的影響 （104 cfu·g-1）

水稻季土壤氨化細菌數量整體呈先上升后下降趨勢，在拔節期出現拐點。分蘗期，各施氮處理間土壤氨化細菌數量差異較小；隨生育期的推進，摻混40%及以上控釋氮肥處理氨化細菌數量明顯較高，與單施尿素T1處理相比在孕穗期和成熟期分別提高了25.38%～40.33%和40.66%～58.58%。

2.2 不同處理對氮轉化細菌的影響

2.2.1 土壤氨化細菌

由圖1可以看出，施氮處理較CK處理可有效提高小麥、水稻全生育期土壤氨化細菌數量。小麥分蘗期，單施尿素T1處理土壤氨化細菌數量明顯高于其余處理，但隨生育期的進程持續下降；拔節至孕穗期，摻混40%及以上控釋氮肥處理氨化細菌數量小幅上升，明顯高于其余施氮處理；成熟期，土壤氨化細菌數量呈下降趨勢，T4

圖1 不同處理對小麥季和水稻季土壤氨化細菌數量的影響

2.2.2 土壤硝化細菌

由圖2可以看出，小麥季土壤硝化細菌數量整體呈先升高后穩定趨勢，水稻季則在孕穗期有較為明顯的峰值，且施氮均能明顯提高兩季土壤硝化細菌數量。小麥分蘗期各施氮處理間差異較小；拔節期以T4和T6處理最多，較單施尿素T1處理有明顯的提高；孕穗期，T1處理出現了明顯的下降趨勢，摻混40%及以上控釋氮肥處理較單施尿素T1處理提高32.23%～53.17%；成熟期，T4處理土壤硝化細菌數量達到最多，較T1處理提高23.84%。

單施尿素T1處理和摻混10%控釋氮肥T2處理水稻季硝化細菌數量在分蘗期相對最多，但在拔節期明顯下降，在生育中后期也相對較低；摻混40%及以上控釋氮肥處理在生育中后期硝化細菌數量明顯較高，且彼此間差異較小；土壤硝化細菌數量在成熟期略微下降，摻混40%～100%控釋氮肥處理仍處于較高水平，較單施尿素T1處理提高了26.61%～48.62%。

圖2 不同處理對小麥季和水稻季土壤硝化細菌數量的影響

2.2.3 土壤反硝化細菌

由圖3可知，與CK相比，施氮處理可有效提高小麥、水稻全生育期土壤反硝化細菌數量。T1、T2處理反硝化細菌數量在小麥分蘗期最高，但隨生育期的推進有下降趨勢，且T1比T2處理下降幅度大；摻混20%及以上控釋氮肥處理反硝化細菌數量呈先上升后下降規律，除T5處理外均在拔節期出現拐點；孕穗至成熟期，摻混80%～100%控釋氮肥處理降幅較小或基本持平，反硝化細菌數量仍處于較高水平。

由圖3可以看出，水稻季，單施尿素T1處理反硝化細菌數量在分蘗期最多，并隨生育期的推進先下降后上升再下降；摻混40%及以上控釋氮肥處理則呈先上升后下降規律，在孕穗期出現峰值，以T6處理最高，較T1提高了56.94%。孕穗至成熟期，摻混80%及以上控釋氮肥處理反硝化細菌數量較高，且二者差異較小。

圖3 不同處理對小麥季和水稻季土壤反硝化細菌數量的影響

2.3 不同處理對土壤酶活性的影響

2.3.1 土壤脲酶活性

從圖4可以看出，與CK相比，各施氮處理有利于提高小麥、水稻各生育期土壤脲酶活性。小麥全生育期，脲酶活性呈先上升后下降規律，在拔節期出現拐點。分蘗期土壤脲酶活性隨控釋氮肥摻混比例增加而呈下降趨勢，單施尿素T1處理相對最高，但在生育中后期均低于控釋摻混氮肥處理；摻混40%及以上控釋氮肥處理在拔節至成熟期較其余處理有明顯的提高，均以T4處理脲酶活性最高，較單施尿素T1處理提高了28.70%～69.00%。

從圖4可知，水稻分蘗期，單施尿素T1處理脲酶活性最高，控釋氮肥摻混比例越高脲酶活性越低；拔節至成熟期，除單施尿素T1處理不斷下降外，其余處理呈先上升后下降規律，在孕穗期出現峰值，以T4處理脲酶活性最高；成熟期，摻混40%～100%控釋氮肥處理為較優水平，各處理間差異不大，其中T4處理脲酶活性相對較大，較單施尿素T1處理提高23.27%。

圖4 不同處理對小麥季和水稻季土壤脲酶活性的影響

2.3.2 土壤蛋白酶活性

從圖5可以看出，施氮處理較CK處理明顯改善小麥、水稻土壤蛋白酶活性。小麥全生育期，土壤蛋白酶活性均在孕穗期達到最高后下降，控釋摻混氮肥處理與T1處理相比，前期增長幅度更大，后期下降更平緩；單施尿素T1處理小麥季土壤蛋白酶活性除在分蘗期外，均明顯低于控釋摻混氮肥處理；拔節至成熟期，摻混40%～100%控釋氮肥處理差異較小，均明顯改善蛋白酶活性，孕穗期較T1處理提高了27.89%～30.74%。

水稻全生育期內土壤蛋白酶活性呈現先上升后下降規律，在孕穗期出現拐點。分蘗至拔節期，摻混40%及以上控釋氮肥處理蛋白酶活性增長明顯，單施尿素T1處理上升幅度相對較小；拔節至孕穗期摻混40%～100%控釋氮肥處理與T1處理相比，分別提高了8.37%～17.05%、7.39%～13.84%；成熟期蛋白酶活性以T4處理最高，但摻混40%及以上控釋氮肥處理間差異不明顯。

圖5 不同處理對小麥季和水稻季土壤蛋白酶活性的影響

2.4 土壤微生物數量與酶活性相關性分析

由表4可以看出，土壤微生物數量與土壤酶活性基本達到顯著或極顯著水平。土壤細菌數量與小麥季脲酶、蛋白酶及水稻季脲酶活性相關程度較高，達到極顯著水平，與水稻蛋白酶活性則無顯著相關性。土壤放線菌數量與小麥蛋白酶活性相關性達到極顯著水平；與小麥季土壤脲酶和水稻季土壤蛋白酶活性相關性顯著，但與水稻季土壤脲酶活性則無顯著相關性。土壤真菌數量與小麥季土壤蛋白酶、水稻脲酶活性呈極顯著相關關系，與小麥脲酶、水稻蛋白酶活性則無顯著相關性。土壤氮轉化功能菌中，土壤氨化細菌、硝化細菌、反硝化細菌數量與脲酶、蛋白酶活性相關性均較強，除水稻反硝化細菌與蛋白酶活性顯著相關外，其余因子間均呈極顯著相關關系。從不同作物來看，小麥土壤微生物與酶活性相關性較強，尤其與蛋白酶的相關性均達到極顯著性水平；水稻土壤微生物則與脲酶活性相關性較強，與蛋白酶相關性相對較弱。

表4 土壤微生物數量與酶活性的相關系數

3 討論

土壤有機質形成與養分轉化均有微生物參與，土壤微生物數量與土壤質量和肥力高低密切相關［17-18］。同時，微生物活動需要土壤提供養分，科學施氮能有效供給氮素營養［19］。本試驗中，小麥、水稻全生育期土壤微生物數量總體呈現先上升后下降趨勢，這可能是因為生育中期根系分泌物增多及溫度升高利于微生物活動［20-21］。與不施氮CK相比，施氮處理均可有效提高小麥、水稻土壤微生物數量，表明施氮處理可促進土壤微生物生長繁殖［22］。小麥、水稻分蘗期，土壤微生物數量以單施尿素T1相對較高，且隨控釋氮肥摻混比例增加而減少，這可能是由于尿素的快速供氮，在作物生育前期土壤養分充足，刺激微生物生長繁殖［23］；而控釋氮肥則在該時期有效抑制了氮素的釋放［24］，且控釋氮肥摻混比例越高，氮素釋放速率越慢。隨著生育期的推進，單施尿素T1處理續氮能力降低［25］，而摻混20%～80%控釋氮肥處理逐漸表現出優勢，其中以摻混40%控釋氮肥處理最優，可能是由于該處理更能綜合速效、控釋氮肥的優點，達到“前保后釋”的效果，使作物生育期內的氮素供應持續且充足［26］，從而為微生物營造了適宜的生長環境［27-28］。氮轉化細菌直接參與氮素養分循環，其活躍度隨供氮能力強弱而變化［29］，而控釋氮肥有效延長了氮素釋放周期，本試驗條件下摻混40%～100%控釋氮肥處理氨化、硝化細菌數量除小麥、水稻分蘗期外，均高于其余處理；反硝化細菌數量在作物生育中后期則以摻混80%～100%控釋氮肥處理最高，其可能原因是中后期土壤硝態氮豐富，利于反硝化細菌生長，打破了氮轉化菌群結構平衡，增強了土壤反硝化作用強度，加大氮素損失，降低氮素利用率［30］。綜合來看，摻混40%控釋氮肥處理既可以在作物生長前期提供維持作物生長所需的氮素水平，也可在作物快速生長的關鍵生育期提供大量氮素，充足的底物有效刺激了微生物的生命活動，提高代謝速率［31］。

土壤微生物群落和功能直接影響土壤酶活性，土壤酶催化土壤中各種生物化學過程，為微生物的生長繁殖建立基礎［32-33］。土壤酶參與土壤肥力形成和演化的全過程［34-35］，施入土壤中的尿素僅在脲酶作用下水解，為植物提供氮源［36］；土壤蛋白酶能水解各種蛋白質和肽鏈化合物，與土壤氮素轉換密切相關［37］。本研究顯示，小麥和水稻全生育期脲酶和蛋白酶活性變化相似，呈現先上升后下降規律，這與馮愛青等［38］的研究結果類似，這可能是因為土壤酶主要來源于植物根系分泌物和土壤微生物［39-41］，而生育中期微生物活動旺盛，根系分泌物增多。本研究中，單施尿素T1處理明顯增加了小麥、水稻分蘗期脲酶活性，但尿素水解過快易造成氮素的損失。摻混40%及以上控釋氮肥處理脲酶活性在小麥拔節期明顯提高，可能是因為控釋氮肥延長了尿素水解周期，也可能受到了氮素功能菌的影響［42］。本研究對土壤蛋白酶活性分析表明，摻混40%控釋氮肥在小麥、水稻分蘗至拔節期均高于摻混80%及以上控釋氮肥處理，而在孕穗至成熟期三者均處于較高水平且差異不大，這可能是因為摻混40%控釋氮肥處理在前期可利用相對較多的尿素水解供氮，在后期則利用適宜的控釋氮肥延長肥效周期，以基本達到高比例摻混控釋氮肥的效果，體現出較好的保肥效果，這與羅蘭芳等［43］研究結果一致。與小麥季相比，水稻季土壤蛋白酶活性相對較高，這可能與蛋白酶在濕潤條件下水解能力較高有關。王淑英等［44］研究表明，土壤微生物活動的增強促進酶活性的提高，本研究發現，小麥、水稻拔節至成熟期土壤氮轉化細菌和酶活性均以摻混40%～100%控釋氮肥處理較好，其變化趨勢大體一致，與陶磊等［45］研究結果類似。可見，相較其余施氮處理，摻混40%及以上控釋氮肥處理不僅能有效提高作物生育中后期土壤脲酶活性，蛋白酶活性也處于較高水平，有效促進土壤氮素轉化。

4 結論

本試驗條件下，摻混20%～80%控釋氮肥處理利于小麥、水稻生育中后期土壤細菌、放線菌、真菌數量和酶活性的提高，摻混40%及以上控釋氮肥處理有效提高小麥、水稻生育關鍵期土壤氮轉化細菌數量。摻混40%控釋氮肥T4處理綜合效果較佳，利于減少作物前期氮素損失，促進氮素轉化和養分循環，能有效解決養分釋放與保貯的矛盾。