不同有機肥對豫中和滇西煙區(qū)土壤氮素礦化及酶活性的影響

劉 威，趙園園，陳小龍，韋建玉，李 娟，謝天琪，史宏志

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院/煙草農(nóng)業(yè)減害研究中心，河南 鄭州 450002；2.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，河南鄭州 450016；3.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530001；4.云南省煙草公司大理州公司，云南 大理 671000）

氮是煙草生長發(fā)育過程中的必需元素，氮素供應(yīng)狀況不僅影響煙草生理代謝和器官建成[1-2]，也直接影響煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)形成[3-4]。土壤中的有機氮經(jīng)過礦化作用轉(zhuǎn)化為無機氮（硝態(tài)氮，NO3--N；銨態(tài)氮，NH4+-N）后才能被煙草吸收利用。土壤氮轉(zhuǎn)化酶的活性能夠反映土壤中一系列復(fù)雜生化反應(yīng)的方向以及土壤微生物對氮素的需求，在一定程度上反映了土壤氮素積累與轉(zhuǎn)化的規(guī)律和方向[5-6]。土壤有機氮的礦化是復(fù)雜的生物過程，在土壤體系中有機質(zhì)含量、pH值等理化特性差異會影響土壤中微生物碳源供給能力。有機質(zhì)含量高的土壤可以給異養(yǎng)微生物提供更多的碳源，使微生物數(shù)量增多、土壤的供氮能力增強。有機培肥使氮礦化過程更加復(fù)雜，向土壤中添加有機物料會改變土壤微生物生長所需能量物質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量[7]，進而影響土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和代謝功能，導(dǎo)致氮素礦化特征出現(xiàn)差異，影響土壤氮素循環(huán)。有機肥的施用可以平衡過度施肥造成的土壤板結(jié)，降低土壤營養(yǎng)失衡等不利影響[8]。因此，可以通過施用有機肥補充土壤氮素營養(yǎng)，促進煙草生長[9]。

已有研究表明，有機肥自身特性、化學(xué)組成不同，導(dǎo)致施用后被土壤通過礦化轉(zhuǎn)化為有效氮的數(shù)量有差異[10]，從而影響煙株對氮的吸收利用[11]。生物炭有機肥比表面積巨大，施用后對吸附硝態(tài)氮和銨態(tài)氮、避免氮素淋失具有重要作用，在一定程度上提高了表層土壤的速效氮含量[12]。芝麻餅肥全氮含量高，短期供氮能力較強，肥效發(fā)揮較快，在施入土壤后能夠被迅速分解，將有機氮快速轉(zhuǎn)化為無機氮[13]。上述研究大多關(guān)注有機肥對同一性質(zhì)土壤氮素礦化特征及酶活性的影響，尚未有關(guān)于不同有機肥種類對不同性質(zhì)土壤氮礦化影響的研究。因此，擬選取云南大理（清香型）、河南許昌（濃香型）煙區(qū)典型植煙土壤作為研究對象，選用生產(chǎn)上有代表性的植物源有機肥、芝麻餅肥、生物炭有機肥3種肥料進行室內(nèi)培養(yǎng)，研究不同有機肥對2 種典型香型煙區(qū)土壤礦質(zhì)氮含量和礦化速率及土壤酶活性的影響，以期為典型香型煙區(qū)烤煙合理施用氮肥、提高氮肥利用率提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試土壤及有機肥

供試土壤取自清香型煙草代表產(chǎn)區(qū)云南大理（99°57′E、25°58′N，滇西）和濃香型煙草代表產(chǎn)區(qū)河南許昌（113°55′E、33°95′N，豫中）。云南大理屬北亞熱帶高原季風(fēng)氣候，年均氣溫13.49 ℃，年均降水量75.76 mm，土壤質(zhì)地為壤土；河南許昌屬北暖溫帶季風(fēng)氣候，年均氣溫16.30 ℃，年均降水量91.34 mm，該地土壤為砂壤土。統(tǒng)一于2022年煙株移栽前采集兩地2～20 cm 耕層土壤，按S形設(shè)置5 個采樣點，將各點土樣混合，室內(nèi)自然風(fēng)干后去除石礫和動植物殘體等，磨細后過0.01 mm 篩。一部分土壤用于測定基礎(chǔ)理化性質(zhì)，結(jié)果見表1；其余土壤于4 ℃冷藏保存?zhèn)涫覂?nèi)培養(yǎng)用。供試有機肥主要成分見表2，其中植物源有機肥（油枯、米糠、優(yōu)質(zhì)腐植酸）由大理洱海生物肥業(yè)有限公司提供，生物炭有機肥由貴州畢節(jié)市煙草公司提供，芝麻餅肥由河南許昌市煙草公司提供。

表2 供試有機肥主要成分Tab.2 Main components of organic fertilizers

1.2 試驗設(shè)計

采用室內(nèi)模擬法，試驗共設(shè)置4個處理：植物源有機肥（T）、芝麻餅肥（B）、生物炭有機肥（S）、不添加有機肥（CK），每個處理3 次重復(fù)。各有機肥添加量均按純N 100 mg/kg 折算。稱取50 g 土樣裝入100 mL 三角瓶中，將有機肥與土壤充分混勻，加入蒸餾水調(diào)節(jié)至65%田間持水量，于30 ℃恒溫培養(yǎng)28 d，期間每隔3 d通過稱質(zhì)量法補充瓶內(nèi)水分。于培養(yǎng)7、14、21、28 d 時破壞性取樣，測定土壤中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量。土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶、硝酸還原酶、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性使用培養(yǎng)14、28 d時采集的土樣測定。

1.3 指標測定方法

土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量測定均使用試劑盒（蘇州科銘生物技術(shù)有限公司）。土壤硝酸還原酶（Nitrate reductase，NR）、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶（N-acetyl-β-D-glucosidase，NAG）活性采用可見分光光度法測定，土壤蛋白酶（Protease，NPT）活性采用福林酚比色法測定，土壤脲酶（Urease，UE）活性采用靛酚藍比色法測定，土壤蔗糖酶（Sucrase，SC）活性采用3，5-二硝基水楊酸溶液比色法測定。

土壤礦質(zhì)氮含量=硝態(tài)氮含量+銨態(tài)氮含量（1）

土壤硝化速率=（各時段土壤硝態(tài)氮含量-初始土壤硝態(tài)氮含量）/培養(yǎng)天數(shù) （2）

土壤礦化速率=（各時段土壤礦質(zhì)氮含量-初始土壤礦質(zhì)氮含量）/培養(yǎng)天數(shù) （3）

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2011 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，用Origin 2021作圖，通過SPSS 19.0 用多重比較法（LSD）進行差異顯著性檢驗，土壤氮素礦化參數(shù)與土壤酶活性之間相關(guān)性采用Pearson相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機肥對不同煙區(qū)土壤氮素礦化特征的影響

2.1.1 不同有機肥對不同煙區(qū)土壤礦質(zhì)氮含量的影響 由圖1 可知，不同有機肥對不同類型土壤硝態(tài)氮、礦質(zhì)氮含量的影響大致相同，變化趨勢表現(xiàn)為各施肥處理硝態(tài)氮含量在7 d 時迅速升高。隨著培養(yǎng)時間的推移，硝態(tài)氮、礦質(zhì)氮含量緩慢上升，培養(yǎng)過程中滇西煙區(qū)土壤硝態(tài)氮、礦質(zhì)氮含量在各個時期均大于豫中煙區(qū)土壤。培養(yǎng)前期（7 d），芝麻餅肥處理豫中、滇西煙區(qū)土壤礦質(zhì)氮含量均最高，分別為66.40、108.53 mg/kg；培養(yǎng)結(jié)束時，各施肥處理較不添加有機肥處理提升幅度表現(xiàn)為生物炭有機肥＜芝麻餅肥＜植物源有機肥。

2 種類型的土壤銨態(tài)氮含量在培養(yǎng)過程中變化趨勢不一致，滇西煙區(qū)土壤各處理銨態(tài)氮含量在培養(yǎng)前7 d 內(nèi)迅速升高并達到峰值，培養(yǎng)7～14 d 迅速降低，隨后降低速度趨緩。豫中煙區(qū)土壤各處理銨態(tài)氮含量在培養(yǎng)前7 d 內(nèi)迅速降低后緩慢降低。添加有機肥可以明顯提升土壤銨態(tài)氮含量，以生物炭有機肥的提升效果最明顯。

2.1.2 不同有機肥對不同煙區(qū)土壤礦質(zhì)氮礦化速率的影響 由圖2A、2B 可知，添加有機物物料可以明顯提高土壤硝化速率。滇西煙區(qū)土壤添加有機肥處理硝化速率在整個培養(yǎng)期間呈先升高后下降的趨勢；豫中煙區(qū)土壤添加有機肥處理硝化速率呈先提高后快速下降再趨緩下降的趨勢。培養(yǎng)7 d時，滇西、豫中煙區(qū)土壤硝化速率均達到峰值，且均以B處理硝化速率最高，分別為7.90、4.27 mg/（kg·d）。培養(yǎng)21 d時則為S處理最高。

圖2 不同有機肥對土壤氮素礦化速率的影響Fig.2 Effect of different organic fertilizers on soil nitrogen mineralization rate

由圖2A1、2B1 可知，T、B、S 處理土壤礦化速率在各個時間段均高于CK 處理。滇西、豫中煙區(qū)土壤礦化速率均表現(xiàn)為先升高后快速降低，最終緩慢降低的趨勢。其中，培養(yǎng)7 d 時，滇西、豫中煙區(qū)土壤礦化速率均達到峰值，且均以B 處理礦化速率最高，分別為9.02、3.16 mg/（kg·d）。培養(yǎng)21 d 時則為S處理最高。

2.2 不同有機肥對不同煙區(qū)土壤酶活性的影響

2.2.1 不同有機肥對土壤蔗糖酶活性的影響 由圖3A 可以看出，在培養(yǎng)14、28 d 時，添加不同有機肥均顯著提升了滇西煙區(qū)土壤蔗糖酶活性，其中以芝麻餅肥的提升效果最明顯，培養(yǎng)結(jié)束時較CK 處理提升16.80%。在培養(yǎng)28 d 時各處理土壤蔗糖酶活性較14 d時均有所提高。由圖3B可以看出，隨著培養(yǎng)時間的推移，豫中煙區(qū)土壤蔗糖酶活性呈升高趨勢。在培養(yǎng)結(jié)束時，相較不添加有機肥處理，3個施肥處理土壤蔗糖酶活性均有所提高，其中以添加生物炭有機肥處理的提升效果最明顯，提升了19.11%。

圖3 不同有機肥對滇西（A）、豫中（B）土壤蔗糖酶活性的影響Fig.3 Effect of different organic fertilizers on soil sucrase activity in western Yunnan（A）and central Henan（B）

2.2.2 不同有機肥對土壤硝酸還原酶活性的影響

由圖4A 可知，在整個培養(yǎng)過程中，滇西煙區(qū)土壤硝酸還原酶活性的變化呈升高的趨勢。培養(yǎng)28 d時，以生物炭有機肥處理的提升效果最明顯，較CK處理提升11.79%；植物源有機肥處理土壤硝酸還原酶活性則較CK 處理降低5.16%。由圖4B 可知，植物源有機肥、生物炭有機肥可以顯著提升豫中煙區(qū)土壤硝酸還原酶活性，培養(yǎng)28 d時，T、S處理土壤硝酸還原酶活性較CK處理分別提升22.73%、20.14%。

圖4 不同有機肥對滇西（A）、豫中（B）土壤硝酸還原酶活性的影響Fig.4 Effect of different organic fertilizers on soil nitrate reductase activity in western Yunnan（A）and central Henan（B）

2.2.3 不同有機肥對土壤脲酶活性的影響 由圖5A可知，添加有機肥可以顯著提高滇西煙區(qū)土壤脲酶活性。在培養(yǎng)期間，添加生物炭有機肥對土壤脲酶活性的提升作用顯著大于其他有機肥，培養(yǎng)結(jié)束時，T、B、S處理土壤脲酶活性較CK處理分別提升了5.51%、7.27%、43.04%。由圖5B 可知，在培養(yǎng)過程中，豫中煙區(qū)土壤各處理脲酶活性均呈升高趨勢。在培養(yǎng)結(jié)束時，相較CK 處理，添加植物源有機肥、生物炭有機肥土壤脲酶活性分別提升了0.27%、2.58%，芝麻餅肥處理則降低了1.54%，但與CK處理比差異均不顯著。

圖5 不同有機肥對滇西（A）、豫中（B）土壤脲酶活性的影響Fig.5 Effect of different organic fertilizers on soil urease activity in western Yunnan（A）and central Henan（B）

2.2.4 不同有機肥對土壤蛋白酶活性的影響 由圖6A 可知，滇西煙區(qū)土壤在培養(yǎng)過程中，蛋白酶活性呈升高趨勢。在培養(yǎng)14、28 d時，T、B、S處理土壤蛋白酶活性均顯著高于CK 處理，以芝麻餅肥提升效果最顯著。由圖6B可知，豫中煙區(qū)土壤各處理蛋白酶活性均呈升高趨勢，培養(yǎng)結(jié)束時，芝麻餅肥、生物炭有機肥處理土壤蛋白酶活性較CK 處理分別提升了14.28%、5.67%。

圖6 不同有機肥對滇西（A）、豫中（B）土壤蛋白酶活性的影響Fig.6 Effect of different organic fertilizers on soil protease activity in western Yunnan（A）and central Henan（B）

2.2.5 不同有機肥對土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性的影響 由圖7A 可以看出，在培養(yǎng)14 d 時，3種有機肥均可顯著提升滇西煙區(qū)土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性；在培養(yǎng)結(jié)束時，相較CK 處理，T、B 處理的土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性分別降低了2.10%、4.72%，而S 處理則顯著提高了16.26%。圖7B 可以看出，豫中煙區(qū)土壤在培養(yǎng)過程中，N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性呈升高趨勢。在培養(yǎng)14、28 d 時，T、B、S 處理土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性均顯著高于CK 處理。在培養(yǎng)28 d時，以生物炭有機肥提升效果最顯著，土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性較CK 處理提升了80.35%。

圖7 不同有機肥對滇西（A）、豫中（B）土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性的影響Fig.7 Effect of different organic fertilizers on soil N-acetyl-β-D-glucosidase activity in western Yunnan（A）and central Henan（B）

2.3 土壤氮素礦化參數(shù)與土壤酶活性相關(guān)性分析

土壤氮素礦化參數(shù)與土壤酶活性相關(guān)性分析結(jié)果見表3。其中，土壤硝態(tài)氮、胺態(tài)氮、礦質(zhì)氮含量與N-乙酰-B-D-葡萄糖苷酶活性呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與蔗糖酶活性、脲酶活性、pH值呈極顯著負相關(guān)關(guān)系。本研究的5 種酶中，除硝酸還原酶活性與蔗糖酶活性、N-乙酰-B-D-葡萄糖苷酶活性與蛋白酶活性相關(guān)不顯著外，其余酶活性兩兩之間均呈極顯著相關(guān)關(guān)系。

表3 土壤氮素礦化參數(shù)與土壤酶活性相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis between soil nitrogen mineralization parameters and soil enzyme activity

3 結(jié)論與討論

施入不同有機肥后2個煙區(qū)土壤氮素礦化規(guī)律均表現(xiàn)為初期快速礦化、中后期恒定礦化。有機肥的施入為土壤微生物繁殖提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)，明顯增強了前期土壤氮素礦化作用，而后期營養(yǎng)物質(zhì)的消耗使微生物活性降低以及生成腐殖質(zhì)，導(dǎo)致氮素礦化受到抑制[14]。研究表明，土壤的氮礦化量因土壤類型而異。本研究中，豫中植煙土壤的pH 值較滇西煙區(qū)土壤高，但礦質(zhì)氮含量卻明顯低于滇西煙區(qū)土壤。這可能是因為兩地土壤有機質(zhì)含量不同，滇西煙區(qū)土壤較高的有機質(zhì)含量使其擁有豐富的有機氮源，提高了土壤的生物活性[15]。此外，在堿性環(huán)境中銨態(tài)氮會以NH3的形式揮發(fā)，這也可能是豫中煙區(qū)土壤氮礦化量較低的原因之一[16]。豫中煙區(qū)土壤銨態(tài)氮含量在培養(yǎng)7 d 時明顯下降，主要有以下2 個原因：首先，銨態(tài)氮作為硝化作用的底物，硝化作用的發(fā)生使銨態(tài)氮大量轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮[17]；其次，施用有機肥后刺激土壤微生物將無機氮轉(zhuǎn)化成微生物體氮[18]。添加有機肥對滇西煙區(qū)土壤脲酶活性有明顯提升作用，但對豫中煙區(qū)土壤脲酶活性提升作用不明顯，原因可能是滇西煙區(qū)土壤黏粒占比較高，可以形成結(jié)構(gòu)性較好的團粒結(jié)構(gòu)[19]，且較大的比表面積使其表面擁有更多的活性位點利于微生物的大量繁殖，進一步加速了有機物料的腐解，足量的反應(yīng)底物進一步刺激土壤微生物分泌更多的脲酶[20]，使其活性增強。添加芝麻餅肥可以明顯提高豫中煙區(qū)土壤N-乙酰-B-D-葡萄糖苷酶活性，但滇西煙區(qū)N-乙酰-B-D-葡萄糖苷酶活性卻有所降低。這是因為，首先，芝麻餅肥全氮含量高，短期供氮能力強，肥效發(fā)揮快，在施入土壤后能夠迅速分解，有機氮快速分解為無機氮[13]；其次，豫中煙區(qū)土壤質(zhì)地為砂壤土，較大的孔隙度使土壤通透性增加，養(yǎng)分擴散遷移速度快[21]。底物的迅速分解及遷移擴散使N-乙酰-B-D-葡萄糖苷酶活性增強。

有機肥既能為土壤微生物繁殖提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)，又能為土壤酶分泌物的產(chǎn)生創(chuàng)造有利條件，使土壤酶活性提高[7，22]。本研究中，銨態(tài)氮抑制硝酸還原酶的活性，兩者呈極顯著負相關(guān)關(guān)系，這與趙越等[23]的研究結(jié)果一致。脲酶活性與各種形態(tài)氮素（硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、礦質(zhì)氮）表現(xiàn)出極顯著負相關(guān)關(guān)系，可能是因為有機肥中的無機氮在施入土壤后可以直接用于微生物的吸收利用，使脲酶的利用率降低[24]。本研究的5 種酶中，除硝酸還原酶與蔗糖酶、N-乙酰-B-D-葡萄糖苷酶與蛋白酶的活性相關(guān)不顯著，其余酶活性均兩兩呈極顯著相關(guān)關(guān)系，表明不同酶之間既有專一性，又有共同性[25]。但酶的作用機制很復(fù)雜，酶活性與土壤氮素相關(guān)性有待進一步驗證。

因此，3 種有機肥均可以顯著提高豫中、滇西煙區(qū)土壤礦質(zhì)氮含量，且在培養(yǎng)前期均以芝麻餅肥氮素礦化效果最明顯，礦質(zhì)氮含量最高，而生物炭有機肥后期礦化量較大且礦化速率較快。生物炭有機肥可以有效提高土壤脲酶、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性，芝麻餅肥對蛋白酶、蔗糖酶活性有明顯提升作用。

綜上，結(jié)合不同煙區(qū)土壤的理化特性及施入有機肥后的土壤氮素礦化特征，滇西植煙土壤施入芝麻餅肥在提高土壤礦質(zhì)氮含量的同時可有效控制礦化速率，加強生物固持作用；豫中植煙土壤施入生物炭有機肥可以有效提升土壤本身較低的礦化能力，提高土壤礦質(zhì)氮含量。