不同水氮處理對馬鈴薯品質(zhì)及土壤脲酶活性的影響

胡朋成 尹娟 魏小東 王臣

摘要：針對寧夏中部干旱帶農(nóng)田馬鈴薯根際生態(tài)環(huán)境問題，研究水肥一體化條件下不同水氮處理對馬鈴薯品質(zhì)和土壤脲酶活性的影響。結(jié)果表明，不同水氮處理對0～20 cm土層土壤脲酶活性影響較大，其中灌水量為 1 500 m3/hm2，施氮量為210 kg/hm2的處理對土壤脲酶活性影響最大。低水條件下，隨著施氮量的增加，脲酶活性逐漸降低;中水和高水條件下，脲酶活性隨施氮量的增加而先升高后降低。施氮量一定時(shí)，脲酶活性隨灌水量的增加先升高后降低。其中，中水低氮、中水中氮、中水高氮處理有利于馬鈴薯生育期內(nèi)土壤脲酶活性的升高，中水低氮處理淀粉含量最高，高水高氮處理馬鈴薯維生素C含量最高。綜合考慮，中水中氮處理有利于提高馬鈴薯塊莖淀粉、維生素C含量，且此處理還原糖含量最低。在0～20 cm土層中，脲酶活性與馬鈴薯塊莖維生素C含量呈顯著正相關(guān)（P<005），與塊莖淀粉含量無顯著相關(guān)性，較高的脲酶活性有利于提高馬鈴薯塊莖維生素C含量。

關(guān)鍵詞：水氮處理;土壤脲酶活性;馬鈴薯品質(zhì);淀粉;還原糖;維生素C

中圖分類號： S532.06;S532.07? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）06-0087-06

收稿日期：2021-06-30

基金項(xiàng)目：寧夏高等學(xué)校一流學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（編號：NXYLXK2021A03）。

作者簡介：胡朋成（1997—），男，四川廣安人，碩士研究生，從事水資源高效利用研究。E-mail：894431934@qq.com。

通信作者：尹 娟，博士，教授，從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)、水文及水資源、水資源高效利用研究。E-mail：yj7115@126.com。

在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，水肥對馬鈴薯品質(zhì)的影響較大，水分作為環(huán)境因素之一，對作物生長有著重要影響，對促進(jìn)馬鈴薯生長有很大作用，必須重視肥料的合理施用[1]。馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）為茄科茄屬1年生草本塊莖作物，既可用于食品加工業(yè)，又可作為糧菜兩用[2]。馬鈴薯是寧夏第一大農(nóng)作物，已經(jīng)有300多年的種植歷史，寧夏的馬鈴薯種植面積目前已經(jīng)超1.86億hm2，位居全國第11位[3]。土壤酶是土壤成分之一，具有很高的催化活性，是一種生物催化劑[4]。土壤酶活性的高低與土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的強(qiáng)弱有著密切聯(lián)系，它為各種生化過程提供動(dòng)力，是維持土壤肥力的一個(gè)潛在指標(biāo)[5]，可以反映土壤的表觀肥力，而土壤肥力又對馬鈴薯塊莖品質(zhì)有著重要影響。土壤酶會(huì)對土壤微環(huán)境產(chǎn)生影響，且對植物的生長有著更重要的影響，影響農(nóng)作物生長的土壤酶主要包括過氧化氫酶和脲酶等[6]。土壤酶活性的主要來源有2個(gè)方面，一是在土壤中不斷積累，二是土壤中微生物在繁殖過程中釋放[7]。

羅慧等的研究表明，通過采用合理的灌水措施，能夠有效提高土壤酶活性[8];熊湖等的研究表明，存在于土壤中的脲酶活性，會(huì)受到酚酸的抑制作用，采取施用液態(tài)有機(jī)肥的方法，可以有效減輕這種抑制作用[9]。寧夏回族自治區(qū)同心縣馬鈴薯主要種植區(qū)域位于下馬關(guān)鎮(zhèn)、預(yù)旺鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，品種主要是青薯9號[10]。同心縣已經(jīng)大面積覆蓋馬鈴薯種植，但大部分農(nóng)戶種植馬鈴薯都是通過自然生長，通過人為灌水施肥策略干預(yù)馬鈴薯生長的幾乎沒有，進(jìn)行馬鈴薯水肥管理模式的探究對當(dāng)?shù)伛R鈴薯生產(chǎn)具有重要意義。

本試驗(yàn)通過研究不同水氮處理對土壤脲酶活性及馬鈴薯品質(zhì)的影響，旨在摸清在寧夏中部干旱帶水肥一體化條件下馬鈴薯品質(zhì)及土壤脲酶活性隨水氮變化的規(guī)律，優(yōu)選出最佳水肥管理模式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2019 年5月在同心縣下馬關(guān)鎮(zhèn)進(jìn)行大田試驗(yàn)。馬鈴薯供試品種為青薯9號，該品種有耐旱、耐寒、塊莖抗環(huán)腐病等諸多優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)試驗(yàn)地氣候且在當(dāng)?shù)赜休^大種植面積。試驗(yàn)區(qū)海拔1 730～1 950 m，位于寧夏中部干旱帶，多年平均降水量在260 mm 左右，大多集中在 7、8、9月這3個(gè)月，屬于大陸性干旱氣候，干旱少雨，紫外線強(qiáng)，光照充足，蒸發(fā)大，蒸發(fā)量在2 325 mm以上。夏秋短，春冬長，四季分明[11]。試驗(yàn)地土壤以黑壚土和灰鈣土為主，主要特點(diǎn)是土質(zhì)疏松，土壤質(zhì)地較均勻且多孔，能有效保持土壤中的水分和肥料，富含鉀素，為試驗(yàn)地馬鈴薯植株提供良好的生長環(huán)境。

每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積為16 m2，長5 m，寬3.2 m。馬鈴薯栽種方式為壟作，一膜兩行，膜寬1.2 m，行距、株距分別設(shè)置為60 、50 cm，種子埋深20 cm。種植馬鈴薯時(shí)，每行種植10株，每小區(qū)種植40株，種植密度33 345株/hm2。每個(gè)小區(qū)相互獨(dú)立，設(shè)有支管控制單元，水表、閘閥、壓力表、施肥罐各1個(gè)。

2019年預(yù)旺鎮(zhèn)試驗(yàn)田耕作層土壤理化性質(zhì)：pH值為8.19，有機(jī)質(zhì)含量為12.1 g/kg，速效鉀含量為133 mg/kg，全氮含量為0.69 g/kg，全磷含量為 0.77 g/kg，全鉀含量為20.4 g/kg，脲酶活性為 0.215 mg/（g·d）。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)灌水量和施氮量2個(gè)因素，灌水量設(shè)3個(gè)水平，分別為W1（低水，900 m3/hm2）、W2（中水，1 500 m3/hm2）、W3（高水，2 100 m3/hm2）;施氮量（純氮）設(shè)3個(gè)水平，分別為N1（低氮，120 kg/hm2）、N2（中氮，210 kg/hm2）、N3（高氮，300 kg/hm2），共9個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，同時(shí)設(shè)置空白對照CK（按照當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣，不覆膜且不灌水施肥），共28個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，采用兩因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。試驗(yàn)中磷肥、鉀肥為純磷、純鉀，選定的施肥量為825、150 kg/hm2，磷肥以基肥的形式施入（一次性底施）。施用肥料選用尿素（氮含量46%）、過磷酸鈣（磷含量12%）、硫酸鉀（鉀含量50%）。鉀肥和氮肥采用水肥一體化的方式施加，目的是為了保證馬鈴薯的正常生長（表1）。

1.3 取樣測定及分析方法

1.3.1 土壤脲酶活性測定 在全生育期每個(gè)小區(qū)內(nèi)用土鉆隨機(jī)分層（0～20、20～40、40～60 cm）取土，將待測土裝于塑封袋封閉保存，采用靛酚比色法測定土壤脲酶活性。

1.3.2 馬鈴薯塊莖品質(zhì)指標(biāo)測定 馬鈴薯塊莖品質(zhì)性狀有淀粉含量、還原糖含量、維生素C含量3個(gè)指標(biāo)。測定方法如下：淀粉含量采用用碘比色法測定;維生素C含量采用2， 6-二氯靛酚滴定法 （mg/100 g） 測定;還原糖含量采用比色法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均采用Excel 2019和DPS v 9.01數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下0～20 cm土壤脲酶活性的變化規(guī)律

土壤脲酶活性可以反映表土壤的肥沃程度，在土壤氮素轉(zhuǎn)化時(shí)，脲酶是關(guān)鍵酶。土壤酶有專一性和綜合性的特點(diǎn)，它參與土壤中各種生物化學(xué)過程，環(huán)境的生物、物理和化學(xué)特性容易對土壤酶產(chǎn)生影響，土壤狀況在一定程度上可以由土壤酶來反映，在土壤生態(tài)系統(tǒng)變化時(shí)，土壤酶能夠發(fā)揮預(yù)警作用，且可以作為敏感指標(biāo)[12-13]。脲酶主要是對尿素產(chǎn)生作用，催化尿素水解為氨和二氧化碳，土壤無機(jī)氮的供應(yīng)能力可通過脲酶活性反映[14-15]。

圖1-a、圖1-b、圖1-c分別表示低水（灌水量900 m3/hm2）、中水（灌水量1 500 m3/hm2）、高水（灌水量2 100 m3/hm2）條件下不同施氮量對馬鈴薯生育期土壤脲酶活性的影響。隨著馬鈴薯生育期的推進(jìn)，土壤脲酶活性均呈先升高后降低趨勢，土壤脲酶活性最大值出現(xiàn)在初花期，盛花期略有下降。主要是因?yàn)槌趸ㄆ隈R鈴薯生長既有地下根系發(fā)育，又有地面莖葉部分的營養(yǎng)生長，氮素需求量較大，在作物大量需肥期間，土壤中有機(jī)碳含量和微生物總量大幅增加，土壤脲酶活性明顯提高;到了盛花期，地面生長逐步趨于穩(wěn)定，主要集中于地下塊莖生長膨大，氮素需求相比初花期有所降低，所以土壤脲酶活性相比初花期也有所下降。在低水條件下，土壤脲酶活性隨施氮量的增加而降低，因?yàn)樵诘退畻l件下，土壤溶液高濃度的氮不利于植物根系和土壤微生物對尿素的轉(zhuǎn)化，影響土壤脲酶活性的提高;在中水條件下，脲酶活性隨施氮量增加先升高后降低，中水中氮（W2N2）處理的土壤脲酶活性明顯高于中水低氮（W2N1）和中水高氮（W2N3）處理，說明在中水條件下，中水中氮處理最有利于提高土壤脲酶活性;在高水條件下，土壤脲酶活性隨施氮量的增加先升高后降低，但降幅不大，高水中氮（W3N2）和高水高氮（W3N3）處理土壤脲酶活性差別不大，高水低氮（W3N1）處理的土壤脲酶活性明顯低于高水中氮和高水高氮處理，因?yàn)樵诟咚偷╓3N1）條件下，土壤過濕，氮素濃度較低，降低了酶促作用和土壤中生物化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度，導(dǎo)致脲酶活性降低[7]。說明在灌溉量一定時(shí)，過低或過高的施氮量對提高土壤脲酶活性效果均不明顯。

圖2-a、圖2-b、圖2-c分別表示低氮（施氮量120 kg/hm2）、中氮（施氮量210 kg/hm2）、高氮（施氮量300 kg/hm2）條件下不同灌水處理對馬鈴薯生育期土壤脲酶活性的影響，生育期馬鈴薯土壤脲酶活性變化的趨勢也是先升高后降低。低氮中水（W2N1）處理的土壤脲酶活性明顯高于低氮低水（W1N1）和低氮高水（W3N1）處理;中氮中水（W2N2）處理的脲酶活性明顯高于中氮低水（W1N2）和中氮高水（W3N2）處理，且初花期差距最為明顯，因?yàn)樵撎幚淼耐寥浪峙c氮素濃度最適于土壤微生物及植物根系脲酶分泌，所以脲酶活性最高[7];高氮中水（W2N3）處理的土壤脲酶活性顯著高于高氮低水（W1N3）和高氮高水（W3N3）處理，因?yàn)橥寥篮窟^高或者過低時(shí)，土壤中酶促作用受到抑制，同時(shí)也會(huì)降低土壤生化反應(yīng)強(qiáng)度，導(dǎo)致土壤脲酶活性降低[7]。說明在施氮量一定時(shí)，過高或過低的灌水量對提高土壤脲酶活性的效果均不明顯。通過以上分析，中水中氮處理最有利于提高 0～20 cm土層土壤脲酶活性。

2.2 不同水氮處理0～20 cm土層土壤脲酶活性顯著性分析

馬鈴薯生育期各水氮處理0～20 cm土層脲酶活性詳見表2。初花期，W2N2處理與W1N3處理差異顯著，其他各處理間土壤脲酶活性差異均不顯著;盛花期，W2N2處理與W1N2處理差異顯著，W2N2與W1N3、W3N1處理之間差異極顯著，說明不同水氮處理對土壤脲酶活性的影響在馬鈴薯初花期和盛花期開始顯現(xiàn);成熟期，除W2N2處理和W3N1處理之間差異顯著外，其他各處理土壤脲酶活性差異均不顯著。

2.3 同一水氮處理對馬鈴薯不同土層土壤脲酶活性的影響

由圖1和圖2可知，在馬鈴薯整個(gè)生育期過程中，0～20 cm土層土壤脲酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且在初花期達(dá)到最大值。在馬鈴薯初花期，中水中氮（W2N2）處理0～20 cm土層土壤脲酶活性在9個(gè)處理中最高。以中水中氮處理為例，分析馬鈴薯生育期不同土層土壤脲酶活性，結(jié)果見圖3。由圖3可知，在初花期，3個(gè)土層范圍的土壤脲酶活性達(dá)到最大值，且隨土層深度增加，酶活性逐漸降低。相較于20～40、40～60 cm土層，0～20 cm土層的脲酶活性明顯最高。原因是0～20 cm土層屬于農(nóng)業(yè)耕作層，脲酶底物多，化學(xué)活性強(qiáng)，土壤有機(jī)質(zhì)酶解速度快，有效養(yǎng)分含量高;20～40、40～60cm土層較深，在這一范圍內(nèi)土壤的通暢性很差，基質(zhì)含量大大低于0～20 cm土層，生物活性弱，生物化學(xué)轉(zhuǎn)化弱，植物的營養(yǎng)物質(zhì)含量明顯低于土層0～20 cm，導(dǎo)致這2個(gè)土層的脲酶活性也相應(yīng)低于土層0～20 cm。說明馬鈴薯生育期土壤脲酶活性隨土層深度增加而降低[7]。

2.4 不同水氮處理對馬鈴薯品質(zhì)的影響

由表3可以看出，部分水氮處理對馬鈴薯的淀粉、還原糖、維生素C含量的影響顯著。

在進(jìn)行馬鈴薯品質(zhì)分析時(shí)，淀粉含量、還原糖含量和維生素C含量是3個(gè)非常重要的指標(biāo)，各處理馬鈴薯塊莖淀粉、還原糖和維生素C的含量見表3。結(jié)果表明，9個(gè)處理馬鈴薯淀粉含量均高于CK，主要原因在于9個(gè)試驗(yàn)處理均施加了氮肥，而氮肥是馬鈴薯生育期淀粉形成必不可少的養(yǎng)分。中水低氮處理馬鈴薯塊莖淀粉含量最高，為 16.1 g/100 g。因?yàn)樵谠摴嗨┑獥l件下，馬鈴薯輸送到地下部分的光合產(chǎn)物明顯增多，所以該處理下馬鈴薯生長旺盛，光合作用較強(qiáng)，有利于馬鈴薯塊莖淀粉的積累。說明中水低氮處理更有利于提高馬鈴薯塊莖淀粉含量。還原糖含量不僅會(huì)影響馬鈴薯營養(yǎng)價(jià)值和口感，還會(huì)影響馬鈴薯加工工藝和產(chǎn)品品質(zhì)，一般要求還原糖含量低一點(diǎn)[15-16]。

土壤氮肥是影響馬鈴薯塊莖維生素C 含量的重要因素，馬鈴薯塊莖中豐富的維生素C除了與土壤氮肥密切相關(guān)之外，還與土壤的水分狀況有關(guān)。高水高氮處理的馬鈴薯塊莖維生素C含量最高，為30.65 mg/100 g。且在灌溉量一定時(shí)，馬鈴薯塊莖的維生素C含量隨施氮量的增加而增加（低水中氮處理除外），但上升幅度不大，這是因?yàn)榈蕿轳R鈴薯生育期內(nèi)合成維生素C提供了大量的原材料，充足的氮肥有利于提高馬鈴薯塊莖的維生素C含量。其中，高水高氮處理最有利于提高馬鈴薯塊莖維生素C含量。

綜合分析3個(gè)品質(zhì)指標(biāo)，中水中氮處理的馬鈴薯淀粉和維生素C含量在各個(gè)處理中表現(xiàn)最優(yōu)，且還原糖含量最低。所以中水中氮的水肥管理方式最有利于提高馬鈴薯品質(zhì)，這對今后的大田試驗(yàn)也提供了參考價(jià)值。

2.5 馬鈴薯全生育期土壤脲酶活性與馬鈴薯品質(zhì)的相關(guān)性分析

表4反映了馬鈴薯塊莖淀粉含量、還原糖含量、維生素C含量、0～20 cm土層脲酶活性均值、20～40 cm土層脲酶活性均值、40～60cm土層脲酶活性均值6個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)性，分別用X1、X2、X3、X4、X5、X6表示。由表4可以看出，馬鈴薯土壤0～20 cm 土層脲酶活性與馬鈴薯塊莖維生素C含量呈顯著正相關(guān)，說明在0～20 cm土層中，較高的脲酶活性有利于提高馬鈴薯塊莖維生素C含量。馬鈴薯0～20、20～40、40～60 cm土層脲酶活性土壤脲酶活性與馬鈴薯塊莖淀粉含量之間相關(guān)性不顯著。

3 討論

本試驗(yàn)研究了不同水氮處理對土壤脲酶活性、馬鈴薯品質(zhì)及土壤脲酶與馬鈴薯品質(zhì)之間的相互關(guān)系，結(jié)果表明，不同水氮處理對馬鈴薯0～20 cm耕層土壤脲酶活性影響較大。在整個(gè)馬鈴薯生育期，土壤脲酶活性先升高后降低，最低值出現(xiàn)在苗期。苗期到初花期，由于土壤溫度升高和馬鈴薯根系生長發(fā)育影響脲酶活性迅速升高，在初花期達(dá)到全生育期最高水平;初花期到成熟期，土壤脲酶活性又呈現(xiàn)降低趨勢，馬鈴薯成熟期的土壤脲酶活性較出苗期高。從本試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在灌水量或施氮量一定時(shí)，適當(dāng)提高另一個(gè)因素的水平均有利于提高土壤脲酶活性。本試驗(yàn)得出，在寧夏中部干旱地區(qū)，最有利于提高土壤脲酶活性的灌水量為 1 500 m3/hm2，施氮量為210 kg/hm2。馬鈴薯品質(zhì)的各性狀在灌水量為1 500 m3/hm2、施氮量為 210 kg/hm2 時(shí)表現(xiàn)最優(yōu)，但施氮量的不同對馬鈴薯的淀粉、維生素C的含量的影響又有一定差異，所以在尋找最適合馬鈴薯的施氮量上，還需要進(jìn)一步研究。

評價(jià)土壤肥力往往采用土壤酶活性，土壤營養(yǎng)物轉(zhuǎn)化能力以及土壤生物活性都可以用土壤酶活性來反映，因此土壤酶活性是一項(xiàng)重要的指標(biāo)[16]。周禮愷認(rèn)為，當(dāng)土壤水分充足或較高時(shí)，土壤脲酶活性會(huì)增強(qiáng)，但當(dāng)灌溉量過高、土壤水分過高時(shí)，土壤脲酶活性會(huì)減弱[17]。朱同彬等的研究結(jié)果表明，與較低的土壤水分含量相比，土壤脲酶活性會(huì)在土壤水分含量過高時(shí)受到抑制[18]。

為了幫助馬鈴薯生長，減少肥料的浪費(fèi)，需要合理施用氮肥，在其栽培過程中提高肥料的利用率是降低成本的重要途徑[19]。對本試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)灌溉次數(shù)相同時(shí)，灌溉量越高，馬鈴薯塊莖淀粉含量越高，這與馬微等的研究結(jié)論[20]一致。施氮量對淀粉的產(chǎn)生和含量影響最大，主要原因可能是氮參與蛋白合成，促進(jìn)后期馬鈴薯淀粉的積累[21]。

在同一灌溉量下，馬鈴薯塊莖維生素含量隨施氮量的增加而增加，但上升幅度不大，這與李仕杰的研究結(jié)論[22]一致。

4 結(jié)論

馬鈴薯全生育期0～20、20～40、40～60 cm土層脲酶活性變化均是初花期土壤脲酶活性最高，且隨土層深度增加而降低。中水中氮處理更有利于提高0～20 cm土層土壤脲酶活性。綜合淀粉含量和維生素C含量這2個(gè)馬鈴薯塊莖品質(zhì)指標(biāo)分析，中水中氮處理的馬鈴薯塊莖淀粉、維生素C含量表現(xiàn)最優(yōu)，還原糖含量最低。馬鈴薯土壤0～20 cm土層脲酶活性與馬鈴薯塊莖維生素C含量呈顯著正相關(guān)，馬鈴薯0～20 cm土層土壤脲酶活性與馬鈴薯塊莖淀粉含量之間無明顯相關(guān)。

在本試驗(yàn)條件下，中水中氮處理最有利于提高土壤脲酶活性，土壤脲酶活性升高有利于提高馬鈴薯植株對土壤氮素的吸收率，有利于馬鈴薯塊莖中淀粉積累以及維生素C的合成，所以此處理下馬鈴薯的淀粉、維生素C含量表現(xiàn)較優(yōu)，還原糖含量最低。因此灌水量為1 500 m3/hm2、施氮量為 210 kg/hm2 處理可推薦作為寧夏中部干旱帶農(nóng)業(yè)區(qū)馬鈴薯的水氮管理模式。

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