再生水地下滴灌對(duì)玉米生育期土壤脲酶活性和硝態(tài)氮的影響

仇振杰，李久生，趙偉霞(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048)

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程地快速推進(jìn)，再生水已成為一種可利用水源[1]，同時(shí)再生水大量用于農(nóng)田灌溉已成為緩解農(nóng)業(yè)用水的重要舉措[2]。Chen[3]等通過(guò)對(duì)美國(guó)加州長(zhǎng)期利用再生水灌溉樣地調(diào)查研究指出，脲酶、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶、脫氫酶和過(guò)氧化氫酶活性可以作為評(píng)價(jià)長(zhǎng)期再生水灌溉土壤微生物效應(yīng)的指標(biāo)。其中脲酶參與尿素水解，生成銨和二氧化碳[4],對(duì)土壤氮素循環(huán)有重大作用，可以表征土壤氮素狀況[5]。Das和Varma[6]研究指出土壤脲酶主要來(lái)源于植物和微生物，并且脲酶活性在土壤中的分布受微生物群落和養(yǎng)分基質(zhì)含量的影響[7]。與噴灌和地面灌相比，地下滴灌能夠降低土壤污染[8]，減少人畜與有害物質(zhì)的接觸[9]，是較為安全的再生水灌溉方式[10]。然而地下滴灌滴灌帶埋設(shè)在地表以下，其水分養(yǎng)分運(yùn)移規(guī)律不同于地表滴灌[11,12]，對(duì)作物根系和水分吸收模式的影響也與地表滴灌有較大差異[13,14]，因此地下滴灌技術(shù)參數(shù)必然會(huì)影響脲酶活性和養(yǎng)分在土壤中的分布。

硝態(tài)氮(NO-3-N)易隨土壤水分運(yùn)移，是植物吸收的主要氮素來(lái)源[15]。土壤氮素作為土壤養(yǎng)分中最重要的成分與脲酶活性關(guān)系密切。郭永盛等研究指出施氮肥能夠顯著增加荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的土壤脲酶活性[5]。李東坡[16]等研究表明，長(zhǎng)期不同培肥黑土的土壤脲酶活性與土壤全氮、硝態(tài)氮、速效氮和堿解氮均有極顯著正相關(guān)關(guān)系。Kang[17]等對(duì)不同滴灌年限的鹽堿地酶活性和養(yǎng)分進(jìn)行研究，指出脲酶活性和速效氮由不相關(guān)向極顯著正相關(guān)轉(zhuǎn)變，而竇超銀[18]等對(duì)多年膜下滴灌的鹽堿地進(jìn)行采樣，發(fā)現(xiàn)脲酶活性與速效氮成顯著負(fù)相關(guān)。與上述研究結(jié)果不同，王燦等對(duì)長(zhǎng)期不同施肥方式下土壤酶活性和養(yǎng)分的相關(guān)性進(jìn)行研究，指出脲酶活性與硝態(tài)氮和銨態(tài)氮之間沒(méi)有顯著性關(guān)系。盡管前人對(duì)土壤脲酶活性和氮素的關(guān)系開(kāi)展了大量研究，但均集中在作物生育期末的脲酶和氮素關(guān)系，而對(duì)作物生育期內(nèi)兩者關(guān)系的變化研究較少。與此同時(shí)，地下滴灌條件下脲酶活性和硝態(tài)氮在土壤中的時(shí)空分布規(guī)律及其對(duì)灌溉技術(shù)參數(shù)的響應(yīng)規(guī)律目前仍不清楚，再生水滴灌對(duì)土壤脲酶活性的影響研究仍較少。因此，研究再生水地下滴灌條件下的土壤脲酶活性及其與硝態(tài)氮分布間的關(guān)系十分必要，研究結(jié)果對(duì)揭示再生水地下滴灌養(yǎng)分運(yùn)移規(guī)律，提高地下滴灌水肥管理水平具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在國(guó)家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心大興試驗(yàn)研究基地(N 39°39′，E 116°15′)進(jìn)行。供試作物為玉米，品種為“京科389”。試驗(yàn)于2014年6月16日-2014年9月27日和2015年5月5日-2015年9月2日進(jìn)行。灌溉水質(zhì)為二級(jí)再生水(水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1)，灌溉方式采用地下滴灌，灌水器間距0.4 m，滴灌帶間距1 m，1條滴灌帶控制2行玉米。試驗(yàn)因素為灌水量和滴灌帶埋深，分別設(shè)置3個(gè)水平。其中，灌水量按照占作物需水量的不同比例設(shè)為70%、100%和130%，記為I1、I2和I3；滴灌帶埋深設(shè)為0、15和30 cm，記為D1、D2和D3。采用全組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共9個(gè)處理(I1D1、I1D2、I1D3、I2D1、I2D2、I2D3、I3D1、I3D2和I3D3)；另外，將地下水灌溉設(shè)置為對(duì)照處理，2014年灌水量為I2(2015年灌水量為I3)，滴灌帶埋深為0、15和30 cm，共3個(gè)處理，記為C1、C2和C3。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)尺寸為4 m×10 m，共36個(gè)小區(qū)。

地下滴灌處理的作物需水量由計(jì)算時(shí)段內(nèi)作物需水量ETc與有效降雨量P0(≥5 mm)的差值得到，當(dāng)二者差值≥20 mm時(shí)進(jìn)行灌水。2014和2015年玉米生育期內(nèi)降雨量分別為276和219 mm，較大降雨均主要集中在7-9月。2014和2015年玉米生育期內(nèi)參考作物騰發(fā)量ET0分別為424和431 mm，玉米騰發(fā)量ETc分別為359和365 mm(圖1)。

表1 再生水和地下水水質(zhì)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of treated sewage effluent and groundwater

圖1 玉米生育期內(nèi)降雨量和參考作物騰發(fā)量(ET0)Fig.1 Precipitation and reference crop evapotranspiration during the growing seasons of maize

1.2 灌水施肥

2014和2015年玉米生育期內(nèi)的灌水施肥制度見(jiàn)表2。由表可知，2014和2015年分別灌水3次和6次；2014年I1、I2和I3分別灌水52.5、75和97.5 mm，2015年則分別灌水112、160和208 mm。2014年分別在4月27日、7月21日和8月3日施入純N 40、100和60 kg/hm2，并于4月27日施入P2O5150 kg/hm2。2015年未施入P2O5，分別在6月8日和6月30日施入純N 100和80 kg/hm2。肥料選用尿素(含氮量46.4%)和過(guò)磷酸鈣。除2014年4月27日肥料作為基肥在播前翻耕和平整過(guò)程一次施入，其余階段施肥時(shí)先將尿素在水中充分溶解，然后將肥液用比例施肥泵(Mis Rite Model 2504，Tefen)施入。

表2 玉米灌水與施肥制度Tab.2 Schedules of irrigation and fertilization for maize

1.3 土壤樣本采集

分別在玉米播種前(2014年6月6日，2015年5月1日)、苗期末(2015年6月8日)、拔節(jié)期(2014年7月20日，2015年6月20日)、抽穗期(2014年8月17日，2015年7月12日)、灌漿期(2014年9月1日，2015年8月3日)和成熟期(2014年9月26日，2015年9月2日)用土鉆在0～50 cm土層內(nèi)分5層(0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm)取樣。每個(gè)小區(qū)設(shè)置1個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)位于垂直滴灌帶方向距滴頭10 cm處。土樣采集后經(jīng)仔細(xì)剔除雜質(zhì)，一部分立即用105 ℃烘干法測(cè)定土壤含水率，剩余部分經(jīng)過(guò)風(fēng)干后研磨過(guò)1 mm篩，放入自封袋保存。

1.4 測(cè)試項(xiàng)目與分析方法

土壤脲酶活性測(cè)定依據(jù)《土壤酶及其研究法》[19]采用靛酚藍(lán)比色法，用分光光度計(jì)(DR/4000U，HACH，美國(guó))進(jìn)行測(cè)定。土壤硝態(tài)氮含量用1 mol/L的KCl溶液浸提(浸提土液比為1∶2.5)，再用流動(dòng)分析儀(Auto Analyzer 3，BRAN+LUEBBE，德國(guó))進(jìn)行測(cè)定。所有數(shù)據(jù)均采用SPSS軟件(V19.0)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，顯著水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 灌水量和滴灌帶埋深對(duì)硝態(tài)氮和脲酶活性的影響

2.1.1硝態(tài)氮

圖2和表3分別給出了玉米抽穗期0～50 cm硝態(tài)氮含量分布和方差分析結(jié)果。由圖2和表3可知，灌水量顯著影響了2014和2015年玉米抽穗期0～40 cm硝態(tài)氮分布，0～40 cm硝態(tài)氮含量大體隨灌水量增加而減小，這是因?yàn)檩^大灌水量會(huì)促進(jìn)硝態(tài)氮向深層土壤運(yùn)移。滴灌帶埋深顯著影響了2014年0～20、40～50 cm和2015年0～40 cm硝態(tài)氮分布；2014年0～10和10～20 cm硝態(tài)氮含量分別以D1和D2最高，40～50 cm硝態(tài)氮含量則以D3處理最高，這與地下滴灌水分養(yǎng)分運(yùn)移分布趨勢(shì)相似[12]。2015年0～20 cm硝態(tài)氮含量以地下滴灌較高(D2和D3)，20～40 cm硝態(tài)氮含量以地表滴灌最高(D1)，這可能與2015年抽穗期土壤樣本采集前(7月8日)灌水30 mm有關(guān)，地表滴灌處理硝態(tài)氮受灌水淋洗向深層土壤運(yùn)移，而地下滴灌處理硝態(tài)氮受土壤水吸力向上運(yùn)移。

隨著玉米由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)進(jìn)入生殖生長(zhǎng)，對(duì)養(yǎng)分需求進(jìn)一步增加，玉米灌漿期和成熟期0～50 cm土壤中平均硝態(tài)氮含量整體低于抽穗期，灌水量和滴灌帶埋深對(duì)硝態(tài)氮含量分布影響也相對(duì)較小(數(shù)據(jù)未給出)。地下滴灌條件下，較大灌水量和滴灌帶埋深均會(huì)增加硝態(tài)氮的運(yùn)移深度。

注:同一深度具有相同字母，表示在α=0.05水平上差異不顯著。圖2 玉米抽穗期0～50 cm硝態(tài)氮含量Fig.2 Nitrate content in 0～50 cm depths during the heading period of maize

2.1.2脲酶活性

圖3和表4分別給出了玉米各生育階段0～50 cm脲酶活性分布和方差分析結(jié)果。由圖3和表4可知，灌水量顯著影響了2014年玉米抽穗期30～40 cm脲酶活性，I3處理脲酶活性顯著高于I1處理，這可能是因?yàn)橄鄬?duì)I1處理，I3能夠?qū)⑤^多的水分和硝態(tài)氮運(yùn)移至30～40 cm，而水分和硝態(tài)氮含量的增加會(huì)刺激植物根系和微生物活性，促進(jìn)脲酶的分泌[5]；滴灌帶埋深對(duì)2014和2015年抽穗期20～30 cm脲酶活性產(chǎn)生了顯著影響，脲酶活性均以D3處理最高，這可能與滴灌帶埋深30 cm能夠提高20～30 cm深度的水分和硝態(tài)氮含量有關(guān)。

表3 灌水量和滴灌帶埋深對(duì)玉米抽穗期0～50 cm硝態(tài)氮含量的影響Tab.3 Effects of irrigation level and lateral depth on nitrate content in 0～50 cm depths during the heading period of maize

注：*代表在α=0.05水平上顯著；**代表在α=0.01水平上顯著；NS代表在α=0.05水平上不顯著。

注:同一深度具有相同字母，表示在α=0.05水平上差異不顯著。圖3 玉米各生育階段0～50 cm脲酶活性Fig.3 Urease activities in 0～50 cm depths during the growing seasons of maize

與抽穗期相比，灌水量顯著影響了2014年灌漿期0～10和30～50 cm脲酶活性，其中0～10 cm脲酶活性隨灌水量增加而減小，30～50 cm脲酶活性以I3處理最高，且顯著高于I2和I1處理。滴灌帶埋深對(duì)2014年灌漿期0～10、20～30、30～40、40～50 cm和2015年灌漿期20～30 cm脲酶活性造成了顯著影響，0～10 cm脲酶活性隨滴灌帶埋深增加而減小，20～30 cm脲酶活性以D3處理最高，這是因?yàn)橄鄬?duì)地下滴灌(D2和D3)，地表滴灌(D1)能夠?qū)⑤^多的水分和硝態(tài)氮分配至0～10 cm，而埋深30 cm處理能夠提高20～30 cm水分和硝態(tài)氮含量。在試驗(yàn)中，2014年灌漿期地表滴灌30～40和40～50 cm脲酶活性顯著高于地下滴灌，這可能與玉米根際的激發(fā)效應(yīng)(priming effects)促進(jìn)脲酶分泌有關(guān)。侯振安[20]等研究指出，氮肥滴灌(地表滴灌)施入后主要分布在0～20 cm，20 cm以下氮素含量較低，而當(dāng)土壤有效氮含量較低時(shí)，植物會(huì)將較多的光合產(chǎn)物投資到地下，通過(guò)增加根系分泌物輸入促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)和活性，從而增加胞外酶的分泌[21]。

表4 灌水量和滴灌帶埋深對(duì)玉米各生育階段0～50 cm脲酶活性的影響Tab.4 Effects of irrigation level and lateral depth on urease activities in 0～50 cm depths during the growing seasons of maize

注：*代表在α=0.05水平上顯著；**代表在α=0.01水平上顯著；NS代表在α=0.05水平上不顯著。

由表4可知，灌水量顯著影響了2014年成熟期10～20 cm和2015年成熟期40～50 cm脲酶活性。10～20 cm脲酶活性以I2處理較高，比I1和I3分別高29%和21%；40～50 cm脲酶活性隨灌水量增加而減少，I1處理脲酶活性顯著高于I3，這可能與玉米根際激發(fā)效應(yīng)有關(guān)。滴灌帶埋深顯著影響了2014年成熟期0～10、20～30、30～40 cm和2015年成熟期20～30、30～40、40～50 cm脲酶活性；受水分和硝態(tài)氮分布影響，D1處理0～10 cm脲酶活性比D2和D3處理分別高12%和28%，而20～30、30～40和40～50 cm脲酶活性均以D3處理最高。

2.2 玉米生育期脲酶活性和硝態(tài)氮含量的相關(guān)性

土壤脲酶活性能夠反映土壤中氮素的轉(zhuǎn)化和能量交換過(guò)程[18]，其變化特征與土壤氮素狀況密切相關(guān)[16]。表5給出了玉米各生育階段脲酶活性和硝態(tài)氮含量之間的相關(guān)系數(shù)，2014年和2015年播種前-玉米拔節(jié)期，土壤脲酶活性和硝態(tài)氮含量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)呈下降趨勢(shì)，這可能是因?yàn)樵诓シN前-玉米拔節(jié)期作物生長(zhǎng)吸收影響較小，脲酶活性和硝態(tài)氮含量在土壤中的分布主要受土壤有機(jī)質(zhì)和微生物影響。隨著玉米由營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)進(jìn)入生殖生長(zhǎng)，土壤脲酶活性和硝態(tài)氮含量的正相關(guān)關(guān)系減弱，至成熟期脲酶活性和硝態(tài)氮含量呈負(fù)相關(guān)，這是因?yàn)橛衩走M(jìn)入生長(zhǎng)旺盛時(shí)期后對(duì)硝態(tài)氮吸收進(jìn)一步增強(qiáng)以及灌水施肥和降雨對(duì)硝態(tài)氮在土壤中的運(yùn)移分布，改變了硝態(tài)氮在土壤剖面上自表層沿深度依次減小的分布模式，并在玉米成熟期受土壤水分向下運(yùn)移影響，硝態(tài)氮在深層土壤累積，而土壤脲酶活性在玉米生育期受灌水量和滴灌帶埋深影響呈現(xiàn)一定的動(dòng)態(tài)變化，但酶活性水平較穩(wěn)定并未出現(xiàn)數(shù)量級(jí)上的改變，脲酶活性在土壤剖面上仍然以表層最高且隨土壤深度增加而減小。這與李東坡[16]等的研究結(jié)果相似，在玉米生育期脲酶活性變化與硝態(tài)氮?jiǎng)討B(tài)變化不同步，兩者間沒(méi)有顯著相關(guān)關(guān)系。

表5 玉米各生育階段脲酶活性和硝態(tài)氮含量之間的相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation coefficients between urease activity and nitrate content during the growing seasons of maize

注：*代表在α=0.05水平上顯著；**代表在α=0.01水平上顯著；NS代表在α=0.05水平上不顯著。

2.3 再生水灌溉對(duì)脲酶活性的影響

長(zhǎng)期(10 a以上)再生水灌溉能夠提高土壤酶活性[3]。圖4給出了2014和2015年再生水滴灌前后脲酶活性在土壤剖面的分布。由圖可知，2014和2015年經(jīng)多次再生水滴灌后玉米成熟期各深度土壤脲酶活性大體高于播種前，2014年試驗(yàn)0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm分別提高了18%、53%、119%、32%和41%，2015年0～10、20～30和30～40 cm分別提高了4%、12%和28%。與再生水滴灌一致，地下水滴灌也提高了脲酶活性，2014年0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm分別提高了10%、35%、47%、34%和76%，2015年0～10、20～30、30～40和40～50 cm分別提高了1%、20%、35%和41%。與地下水相比，再生水滴灌后各深度脲酶活性并沒(méi)有明顯的增加，再生水與地下水處理間脲酶活性沒(méi)有顯著性差異(P>0.05)，這與潘能等研究結(jié)果相似[22]，他們認(rèn)為農(nóng)田因常年種植作物，耕作和施肥等管理措施優(yōu)良，其養(yǎng)分分布較均勻，不同水質(zhì)灌溉脲酶活性差異不顯著。

圖4 不同水質(zhì)處理土壤脲酶活性在播種前和玉米成熟期的分布Fig.4 Distribution of urease activities irrigated with different water qualities in mature period and prior to sowing

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)2 a再生水地下滴灌玉米試驗(yàn)，研究了灌水量和滴灌帶埋深對(duì)土壤脲酶活性和硝態(tài)氮的影響，并分析了脲酶活性和硝態(tài)氮在玉米生育期的變化關(guān)系，主要結(jié)論如下。

(1)滴灌施肥后，灌水量和滴灌帶埋深均對(duì)玉米生育期土壤硝態(tài)氮和脲酶活性產(chǎn)生了顯著影響。較大灌水量和滴灌帶埋深均會(huì)增加硝態(tài)氮的運(yùn)移深度；而脲酶活性受水分和硝態(tài)氮分布影響，0～10 cm脲酶活性以70%灌溉需水量和滴灌帶埋深0 cm較高，10～50 cm脲酶活性以130%灌溉需水量和滴灌帶埋深30 cm較高。

(2)玉米生育期土壤脲酶活性和硝態(tài)氮含量的相關(guān)關(guān)系由極顯著正相關(guān)向負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)變，這是因?yàn)榈耐寥榔拭嬷邢鯌B(tài)氮含量和脲酶活性在玉米生育期的變化不同步。再生水和地下水地下滴灌均提高了0～50 cm脲酶活性，再生水與地下水灌溉脲酶活性差異不明顯。

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