不同氮素水平及施氮方式對老芒麥根際土壤特性的影響

宿敬龍， 祁 娟， 劉艷君， 楊 航， 李 明

(甘肅農業大學草業學院，草業生態系統教育部重點實驗室，甘肅省草業工程實驗室， 中-美草地畜牧業可持續研究中心， 甘肅 蘭州 730070)

施氮作為提高作物產量和品質的重要農藝措施之一被學者廣泛研究[1]。有研究結果表明[2]，合理施氮能夠有效提高農業生產效率，而不合理的施氮則會造成氮肥損失、利用率下降、土壤中大量殘留等不良后果。有學者研究表明，在禾本科牧草施氮過程中，氮素添加過量使得土壤肥力下降，氮素利用效率降低[3]。與此同時多年生禾本科牧草的連續施氮也會導致土壤肥力下降，土壤養分缺失[4]。因此，如何合理的進行氮素添加，從而提高根際土壤肥力，仍是我們需要攻克的難題之一[5]。

土壤酶是土壤中具有生物活性的蛋白質，是土壤新陳代謝的重要因素[6]。氮素添加為微生物生長提供充足的氮源，使土壤酶活性顯著提高[7]。馬東云等[8]研究發現，在一定氮素水平內，脲酶活性隨氮素水平的升高而提高，且在尿素含量為782 kg·hm-2時其活性最大。吳祥穎等[9]研究表明，施用氮肥可提高土壤脲酶活性，追施氮肥亦可使土壤脲酶和轉化酶活性提高。同時也有研究表明[10]，不同氮素添加方式對土壤酶活性有不同的影響，進而導致土壤養分的不同。合理的氮素添加可以顯著改善土壤物理性狀以及不同程度地增加土壤有機質、全磷和全氮的含量[11-12]，楊晨璐等[13]人研究發現進行連續的追施氮肥能顯著提高土壤有效鉀及速效磷含量；張玉娥等[14]研究表明，土壤全氮和堿解氮含量均會隨著氮肥施用總量的增加而升高，在氮肥施用量相同條件下，土壤全氮和堿解氮含量均隨著追施氮量的增加而升高。

老芒麥(ElymussibiricusL.)是禾本科披堿草屬的多年生牧草，具有抗逆性強、產草量高、適口性好等特點[15]。近年來，隨著畜牧業的大力發展，老芒麥被大量地用于西北天然草地和人工草地的改良及建植，同時老芒麥的種植面積也不斷擴大[16]。有研究表明，老芒麥在種植多年以后，其根際土壤養分及其酶活性均有所下降[17]。目前，在老芒麥的建植研究中，關于氮素水平和施氮方式對老芒麥影響方面有零星報道，但大多都是從單一因素進行研究，有關不同氮素水平及施氮方式對老芒麥根際土壤特性的綜合效應研究鮮見報道。為此，本研究通過不同氮素水平及施氮方式對不同生長年限老芒麥根際土壤特性進行研究，旨在揭示不同氮素水平及施氮方式對老芒麥根際土壤養分的調控作用，為老芒麥人工草地建植及可持續利用提供科學理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為不同建植年限(4年生、5年生)的‘青牧1號’老芒麥人工草地

1.2 試驗地概況

試驗地位于青海省海北州海晏縣西海鎮。地理坐標為東經36°59.36′，北緯100°52.848′，海拔3 156 m，氣候寒冷潮濕，無霜期，年均氣溫0.5℃，年降水量369.1 mm，多集中在7，8和9三個月，年蒸發量1 400 mm，全年日照時數2 980 h，平均無霜期93 d，土壤為栗鈣土。試驗地基況如表1所示。

表1 試驗地土壤理化性狀

1.3 試驗方法

試驗采用雙因素設計，因素A：設6個氮素(純N)水平0，45，60，75，90和105 kg·hm-2，分別表示為N0，N45，N60，N75，N90和N105(表2)。因素B：不同的施氮方式(第4年和第5年施氮、第4年施氮后第5年追施氮，分別表示為Y4，Y5和Y4-5)[18]。以N0為CK作為對照(不做施氮處理)，2015年進行‘青牧1號’老芒麥的種植，播種量為14 kg·hm-2，播種行距為30 cm，共54個試驗小區(每個小區共10行5 m樣段)。為防止各個小區間相互影響，每個小區設置一個2 m寬的保護行。2018年5月返青期進行4齡老芒麥根部施氮處理，施入方式為溝施(即每行開溝)，溝深為10 cm，根據每小區的用量，精確到每行的用量，將尿素(氮含量為46%)均勻撒入，然后覆土。2019年5月返青期，以同樣的方式進行5齡老芒麥施氮和4齡老芒麥施氮后到5齡追施每個處理重復3次，在此期間不施肥、不澆水、也不定期除雜草。

在蠟熟期進行取樣，每個試驗小區中隨機選取老芒麥植株，以20 cm樣段為基準把老芒麥根系挖出，將浮土去掉，采用抖落法收集根際土壤，裝入保鮮袋，用冰袋進行保存，帶回實驗室測定相關指標，每個處理3次重復。

表2 小區施肥設計

1.4 測定指標及計算方法

1.4.1根際土壤化學性質 將風干土樣研磨，分別過1 mm和0. 25 mm篩后，按鮑士旦[19]的分析方法進行根際土壤理化性質的各指標測定。根際土壤有機質：重鉻酸鉀氧化-外加熱法；全氮：凱氏定氮法；全鉀：火焰光度法；速效磷：碳酸氫鈉法；有效鉀：醋酸銨-火焰光度計法。

1.4.2根際土壤酶活性 參照關松蔭[20]的分析方法進行根際土壤酶活性的測定。

蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法；脲酶活性采用苯酚鈉—次氯酸鈉比色法；堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法。

1.5 數據處理

采用Excel 2010進行數據處理和制作圖表，用SPSS 20.0軟件進行單因素(one-way ANOVA)、最小顯著差異法(LSD法)進行方差分析和多重比較(α=0.05)。選擇雙因素方差分析(two-way ANOVA)對施氮方式、氮素水平及其交互作用對老芒麥根際土壤特性進行定量分析。

運用灰色關聯度分析方法[21]對各處理的老芒麥根際土壤有機質、全氮、全鉀、速效鉀、有效磷含量及蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶活性進行綜合分析。根據關聯度分析原則，關聯度值大小與綜合性狀表現呈正相關，分析步驟如下：

假設參考數列為x0，比較數列為xi，i = 1, 2, 3, ……, n, 且x0= {x0(1), x0(2), x0(3), …, x0(n) }, xi={xi(1), xi(2), xi(3), …, xi(n) }，則稱ζi(k) 為x0與xi在第k點的關聯系數，計算公式如下：

2 結果與分析

2.1 不同氮素水平及施氮方式對老芒麥根際土壤化學性質的影響

2.1.1不同氮素水平及施氮方式對根際土壤有機質含量的影響 由圖1可知，施氮可以提高老芒麥根際土壤有機質含量。Y4和Y4-5處理，老芒麥根際土壤有機質含量顯著高于對照(P<0.05)，Y4處理在90 kg·hm-2氮素水平下根際土壤有機質含量最高，較對照提高了57.5%；Y4-5處理在75 kg·hm-2氮素水平下根際土壤有機質含量最高，較對照提高了80.2%。Y5處理，老芒麥根際土壤有機質含量在45 kg·hm-2，60 kg·hm-2和75 kg·hm-2氮素水平下較對照均顯著提高(P<0.05)，且60 kg·hm-2氮素水平下根際土壤有機質含量最高，較對照提高了48.2%。45和75 kg·hm-2氮素水平下，Y4-5和Y5施氮方式之間根際土壤有機質含量均差異顯著(P<0.05)，且Y4-5較Y5施氮方式下的根際土壤有機質含量高。

2.1.2不同氮素水平及施氮方式對根際土壤全氮含量的影響 由圖2可知，施氮可以提高老芒麥根際土壤全氮含量。Y4和Y4-5處理，老芒麥根際土壤全氮含量在各氮素水平下較對照均差異顯著(P<0.05)，且在90 kg·hm-2氮素水平下，根際土壤全氮含量均最高，較對照分別提高了10倍、13.9倍。Y5處理，老芒麥根際土壤全氮含量在60 kg·hm-2，90 kg·hm-2和105 kg·hm-2氮素水平下較對照均差異顯著(P<0.05)，且在90 kg·hm-2氮素水平下根際土壤全氮含量最高，較對照提高了421.8%。除0 kg·hm-2氮素水平外，在其余同一氮素水平下Y4，Y4-5和Y5施氮方式之間根際土壤全氮含量均差異顯著(P<0.05)。

圖1 不同氮素水平及施氮方式對老芒麥根際土壤有機質含量的影響

圖2 不同氮素水平及施氮方式對老芒麥根際土壤全氮含量的影響

2.1.3不同氮素水平及施氮方式對根際土壤全鉀含量的影響 由圖3可知，Y4和Y4-5處理下，老芒麥根際土壤全鉀含量在各氮素水平下較對照顯著提高(P<0.05)。Y4處理在90 kg·hm-2氮素水平下根際土壤全鉀含量最高，較對照提高了42.0%；Y4-5處理在75 kg·hm-2氮素水平下根際土壤全鉀含量最高，較對照提高了38.6%。Y5處理，老芒麥根際土壤全鉀含量在45 kg·hm-2，60 kg·hm-2和105 kg·hm-2氮素水平下較對照均差異顯著(P<0.05)，且在60 kg·hm-2氮素水平下根際土壤全鉀含量最高，較對照提高了11.7%。在60和75 kg·hm-2氮素水平下，Y4，Y4-5和Y5施氮方式之間根際土壤全鉀含量均差異顯著(P<0.05)。

圖3 不同氮素水平及施氮方式對老芒麥根際土壤全鉀含量的影響

2.1.4不同氮素水平及施氮方式對根際土壤有效鉀含量的影響 由圖4可知，Y4和Y4-5處理，施氮可以提高老芒麥根際土壤有效鉀含量。Y4處理在60 kg·hm-2氮素水平下有效鉀含量最高，較對照提高了75.3%；Y4-5處理在45 kg·hm-2氮素水平下根際土壤有效鉀含量最高，較對照提高了63.7%。Y5處理，老芒麥根際土壤有效鉀含量除在90 kg·hm-2氮素水平外，其余氮素水平均較對照均顯著提高(P<0.05)，且在60 kg·hm-2氮素水平時根際土壤有效鉀含量最高，較對照提高了60.0%。90 kg·hm-2氮素水平下，Y4，Y4-5和Y5施氮方式之間根際土壤有效鉀含量均差異顯著(P<0.05)，且Y4施氮方式下的有效鉀含量最高。

圖4 不同氮素水平及施氮方式對老芒麥根際土壤有效鉀含量的影響

2.1.5不同氮素水平及施氮方式對根際土壤速效磷含量的影響 由圖5可知，Y4處理下，老芒麥根際土壤速效磷含量在45 kg·hm-2，60 kg·hm-2和105 kg·hm-2氮素水平下較對照均顯著提高(P<0.05)，在60 kg·hm-2氮素水平下根際土壤速效磷含量最高，較對照提高了119.2%，在75 kg·hm-2氮素水平下根際土壤速效磷含量最低，較對照降低了25.7%；Y4-5處理，在各個氮素水平下根際土壤速效磷含量較對照均顯著提高(P<0.05)，且在60 kg·hm-2氮素水平下根際土壤速效磷含量最高，較對照提高了142.6%；Y5處理下，老芒麥根際土壤速效磷含量在90 kg·hm-2氮素水平下顯著低于對照(P<0.05)。75，90和105 kg·hm-2氮素水平下，Y4，Y4-5和Y5施氮方式之間根際土壤速效磷含量均差異顯著(P<0.05)，且Y4-5施氮方式下的根際土壤速效磷含量均高于Y4和Y5施氮方式。

圖5 不同氮素水平及施氮方式對老芒麥根際土壤速效磷含量的影響

2.1.6不同施氮方式及氮素水平對老芒麥根際土壤化學性質的雙因素分析 表3雙因素方差分析結果表明，施氮方式、氮素水平及其互作對老芒麥根際土壤全鉀、全氮、有效鉀和速效磷含量會產生極顯著影響(P<0.01)，而施氮方式與氮素水平的交互作用對根際土壤有機質含量無顯著影響。

2.2 不同氮素水平及施氮方式對老芒麥根際土壤酶活性的影響

2.2.1不同氮素水平及施氮方式對根際土壤蔗糖酶活性的影響 由圖6可知，Y4處理下，老芒麥根際土壤蔗糖酶活性除在45 kg·hm-2氮素水平外，其余氮素水平較對照均顯著提高(P<0.05)，且在60 kg·hm-2氮素水平下根際土壤蔗糖酶活性最高，較對照提高了90.5%；Y4-5處理下，老芒麥根際土壤蔗糖酶活性在各氮素水平下較對照均差異顯著(P<0.05)，且在105 kg·hm-2氮素水平下根際土壤蔗糖酶活性最高，較對照提高了86.6%；Y5處理下，老芒麥根際土壤蔗糖酶活性在45 kg·hm-2氮素水平下較對照差異顯著(P<0.05)，其余各氮素水平較對照均差異不顯著。除0 kg·hm-2氮素水平外，在其余同一氮素水平下Y4-5和Y5施氮方式之間根際土壤蔗糖酶活性均差異顯著(P<0.05)。

2.2.2不同氮素水平及施氮方式對根際土壤脲酶活性的影響 由圖7可知，施氮可以提高老芒麥根際土壤脲酶活性。Y4處理下，老芒麥根際土脲酶活性在各氮素水平下較對照均顯著提高(P<0.05)，且在60 kg·hm-2氮素水平下根際土壤脲酶活性最高，較對照提高了340.6%；Y4-5處理下，老芒麥根際土壤脲酶活性除在60 kg·hm-2氮素水平外，其余各氮素水平下較對照均顯著提高(P<0.05)，且在75 kg·hm-2氮素水平下根際土壤脲酶活性最高，較對照提高了382.6%；Y5處理下，老芒麥根際土壤脲酶活性除了在105 kg·hm-2氮素水平外，其余各氮素水平下較對照均顯著提高(P<0.05)，且在45 kg·hm-2氮素水平下根際土壤脲酶活性最高，較對照提高了234.0%。60和105 kg·hm-2氮素水平下，Y4，Y4-5和Y5施氮方式之間根際土壤脲酶活性均差異顯著(P<0.05)，且在60 kg·hm-2氮素水平下，Y4施氮方式下的根際土壤脲酶活性最高；105 kg·hm-2氮素水平下，Y4-5施氮方式下的根際土壤脲酶活性最高。

圖6 不同氮素水平及施氮方式對老芒麥根際土壤蔗糖酶活性的影響

圖7 不同氮素水平及施氮方式對老芒麥根際土壤脲酶活性的影響

2.2.3不同氮素水平及施氮方式對根際土壤堿性磷酸活性的影響 由圖8可知，施氮可以提高老芒麥根際土壤堿性磷酸酶活性。Y4處理下，老芒麥根際土壤堿性磷酸酶活性在各氮素水平下較對照均顯著提高(P<0.05)，且Y4處理在105 kg·hm-2氮素水平下根際土壤堿性磷酸酶活性最高，較對照提高了51.9%；Y4-5處理在60 kg·hm-2氮素水平下根際土壤堿性磷酸酶活性最高，較對照提高了49.8%;Y5處理下，老芒麥根際土壤堿性磷酸酶活性在45，60和90 kg·hm-2氮素水平下較對照均顯著提高(P<0.05)，且在60 kg·hm-2氮素水平下根際土壤堿性磷酸酶活性最高，較對照提高了57.3%。105 kg·hm-2氮素水平下，Y4-5和Y5施氮方式之間根際土壤堿性磷酸酶活性差異顯著(P<0.05)，且Y4-5施氮方式下的根際土壤堿性磷酸酶活性高于Y5施氮方式。

圖8 不同氮素水平及施氮方式對老芒麥根際土壤堿性磷酸酶活性的影響

2.2.4不同施氮方式及氮素水平對老芒麥根際土壤酶活性的雙因素分析 表4雙因素方差分析結果表明，施氮方式、氮素水平及其互作用對老芒麥根際土壤脲酶和蔗糖酶活性均會產生極顯著影響(P<0.01)；施氮方式對堿性磷酸酶活性無顯著影響，施氮方式與氮素水平的互作對堿性磷酸酶活性影響顯著(P<0.05)。

表4 施氮方式及氮素水平對老芒麥根際土壤酶活性的雙因素分析

2.3 灰色關聯度綜合分析

為進一步明確不同氮素水平及施氮方式對老芒麥根際土壤特性的影響，本研究對老芒麥根際土壤化學性質和酶活性各指標進行灰色關聯度綜合分析。由表5可知，關聯值排列順序為：Y4-5N75>Y4N60>Y4-5N90>Y4-5N60>Y4N90>Y4-5N105>Y4-5N45>Y4N105>Y5N60>Y4N75>Y4N45>Y5N45>Y5N75>Y5N90>Y5N105>CK

表5 灰色關聯度綜合分析

3 討論

3.1 不同氮素水平及施氮方式對老芒麥根際土壤化學性質的影響

有研究表明，氮素添加可以增加腐殖質的腐解，進而增加土壤有機質的含量[22]。隨著有機質含量的增加，土壤氮素礦化能力明顯增強[23]。本研究結果表明，老芒麥在第4-5年追施氮素，根際土壤有機質含量較對照顯著提高，且在不同施氮方式下，各氮素水平均高于對照。這與董守坤等[24]在氮肥施用方式對土壤有機質與氮素含量影響的研究結果相似，即施氮在一定程度上能提高土壤有機質含量，并且追施氮肥能明顯增加土壤有機質含量。這表明追施氮肥能有效提高老芒麥根際土壤的供氮效率，從而為老芒麥的生長提供更優的生長環境[25]。蔡艷等[26]研究發現，土壤全氮含量隨著施氮量增加呈現先增加后降低趨勢，在施氮量為90 kg·hm-2時，根際土壤全氮含量達到最高值。肖建南等[27]研究發現，在一定范圍內，追施氮肥可以提高土壤全氮和有機質的含量。以上結論與本試驗的結論相一致，說明在一定范圍內，老芒麥根際土壤全氮和有機質的含量隨施氮量的增加而提高。

土壤速效磷含量是判斷土壤供磷能力的一項重要指標[28]。本研究中發現，根際土壤速效磷含量隨著施氮量的增加而提高，且在60 kg·hm-2氮素水平下達到最高。夏昊等[29]研究發現，隨著施氮量由45.0 kg·hm-2增加至135.0 kg·hm-2，土壤速效磷含量呈現“先升高，后降低”的變化規律，當施氮量為67.5 kg·hm-2時，速效磷含量為較大值；段崇香等[30]的研究表明，追施氮肥可促進土壤中緩效磷向速效磷的釋放和轉化，從而提高土壤速效磷的含量。

速效鉀含量是表征土壤鉀素供應狀況的重要指標之一[31]。本試驗結果表明，老芒麥根際土壤全鉀和有效鉀含量呈現“先升后降”的變化趨勢。李蝶等[32]研究表明，在0，40，160 kg·hm-2氮素水平處理下土壤全鉀及有效鉀無顯著差異，施氮處理未顯著影響土壤全鉀及有效鉀含量。這與本試驗結果有所不同，可能是由于老芒麥為多年生禾本科牧草，生長至第4年、5年時其根部的凋落葉較多，再加上施氮使其生長旺盛，作物根茬、落葉等進一步增多，使得凋落物中的營養元素增加，從而導致老芒麥根際土壤中的全鉀和有效鉀含量增加[33]；也有可能是因為施氮使老芒麥吸收過多的氮素養分，導致其減少對根際土壤有效鉀養分的吸收，使得根際土壤中的有效鉀養分過剩[34]。但管宇等[35]研究表明，在不同時期進行追施氮肥會抑制土壤中速效鉀向植株中運轉，影響大豆對鉀素的吸收利用，導致其根際土壤全鉀和速效鉀含量增多，這與本研究結果一致。

雙因素方差分析結果發現，施氮方式、氮素水平和及其交互作用均會對老芒麥根際土壤全鉀、全氮、有效鉀和速效磷含量產生極顯著影響，這表明施氮方式和氮素水平均對老芒麥根際土壤化學性質有重要影響。

3.2 不同氮素水平及施氮方式對老芒麥根際土壤酶活性的影響

土壤酶主要來自于植物根系分泌物及土壤微生物的活動，并參與土壤各種生物化學過程，是土壤環境質量監測的敏感指標[36]。蔗糖酶作為促進蔗糖分解的重要酶，能夠提高土壤的生物活性，是表征土壤氮素循環及肥力水平的重要指標[37]。本試驗結果表明，施氮可以有效提高根際土壤蔗糖酶活性，且在60和90 kg·hm-2氮素水平時，蔗糖酶活性達到最高。夏雪等[38]在研究施氮水平對土壤水解酶活性和作物產量的影響中發現，施氮能有效提高土壤蔗糖酶活性，且施氮量達到60 kg·hm-2時，蔗糖酶活性較高，這與本試驗研究結果相一致。魯艷紅等[39]研究表明，在不同時期追施生物菌肥，土壤蔗糖酶活性呈現先升高后降低的趨勢。這說明在一定氮素范圍內，氮素添加對蔗糖酶有激活效應。

脲酶主要來源于植物和微生物，是一種專性水解尿素的酰胺酶，其活性通常與土壤有機質、全氮和速效磷含量及微生物數量呈正相關，可在一定水平上反映土壤的供氮能力與水平[40]。本研究表明，0～105 kg·hm-2氮素水平下，施氮能有效提高老芒麥根際土壤脲酶活性；追施氮素對脲酶活性的影響更加明顯，且在75 kg·hm-2氮素水平下脲酶活性最高，這與關頌娜等[41]人在不同氮效率黃瓜品種根際土壤生態環境特征中的研究結果相一致。

堿性磷酸酶是土壤磷素循環的關鍵作用酶，可水解有機磷為無機磷[42]。本試驗結果表明，不同氮素水平及施氮方式能有效提高老芒麥根際土壤堿性磷酸酶活性，而嚴煥煥等[43]人的研究結果表明，隨氮肥施用量的增加堿性磷酸酶活性下降。這可能是因為堿性磷酸酶是土壤磷素循環的關鍵作用酶，而不同的氮素水平及施氮方式有效提高了土壤速效磷含量，進而促進了土壤堿性磷酸酶活性的提高[44]。

雙因素方差分析結果表明，施氮方式、氮素水平及其互作對老芒麥根際土壤脲酶和蔗糖酶活性會產生極顯著影響，這與汪立等[45]在生物炭與氮肥配比對土壤微生物特性和紅棗產量的影響中研究結果相類似。

3.3 不同氮素水平及施氮方式對老芒麥根際土壤特性的影響綜合分析

評價老芒麥根際土壤特性不能局限于某一個指標，而灰色關聯度綜合分析方法可以避免用單一指標評價的缺點，能對其做出綜合性評價。研究利用灰色關聯度綜合分析不同氮素水平及施氮方式下的老芒麥根際土壤特性得出最優氮素水平及施氮方式。由表6結果得出，第4—5年追施氮且氮素水平為75 kg·hm-2處理最適，不同的氮素水平及施氮方式對老芒麥根際土壤特性的影響較為明顯。但本研究只是從不同氮素水平及施氮方式對老芒麥根際土壤特性進行了研究，具體其他因素對其根際土壤特性的影響還需進一步探討研究。

4 結論

施氮方式、氮素水平及其交互作用對老芒麥根際土壤特性會產生極顯著影響；施氮可以改善老芒麥根際土壤環境及提高土壤養分，且75 kg·hm-2氮素水平顯著優于其他氮素水平；第4年施氮后第5年追施75 kg·hm-2氮素時對老芒麥根際土壤的改善效果最優。