李军辉，夏 清，杨珍平，张 霞，孙 敏，高志强，耿伟娜，廖平强，张晓琰，杨孟丽

（山西农业大学农学院，山西太谷030801）

土壤酶活性不仅是反映土壤养分转化和运移能力的重要指标，同时还能反映出土壤微生物活性的高低，是评价土壤肥力的重要参数之一[1-3]。土壤脲酶作为一种活性稳定的水解酶，对土壤有机物质中碳氮键具有水解作用，对氮肥的转化具有重要意义，可以很好地反映土壤的氮素状况[4]。关于施肥种类、施肥用量对脲酶活性的影响，已有相关报道。刘淑英等[5]研究认为，不同的施肥处理对土壤脲酶活性有不同的影响，其中有机肥处理的脲酶活性大于无机肥处理。严君等[6]研究表明，施氮量在0～103.5 kg/hm2时，随着氮肥施用量的增加，脲酶活性显著增加。郭天财等[7]研究表明，一定范围内氮肥施用量越多，土壤脲酶活性越高，但如果肥料施用量过大，则酶活性会降低。但有关不同氮肥形态对土壤脲酶活性的影响报道相对较少。

本研究拟通过施用不同形态氮肥，分析土壤脲酶与氮肥形态之间的关系，旨在为高效、合理施用氮肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2016年10月至2017年6月在山西省晋中市太谷县山西农业大学根系研究室进行。该地位于山西省晋中盆地东北部，地理坐标为东经112°28′～113°01′，北纬 37°12′～37°32′。属温带大陆性气候，平均气温一般介于5～10℃，四季分明，降雨分布不均匀，年降水量约458 mm左右。

1.2 试验材料

1.2.1 供试土壤 试验土壤为黄土母质发育而来的褐土，土质中壤土，从山西农业大学实验农场的试验田取得。0～40 cm土层土壤养分含量为：全氮含量 1.80～1.98 g/kg，全磷量 0.27～0.32 g/kg，有机质12.6～13.9 g/kg[8]。pH值为8.0。

1.2.2 供试材料 供试小麦品种为CA0547（冬性，强筋），由山西省农业科学院谷子研究所提供。

1.3 试验方法

试验采用根管土柱法[9]。所用根管为硬质PE塑料管，规格为：直径25 cm，高度100 cm，管壁厚度1 cm。将根管沿直径纵向垂直等分锯成两半，每一半的两端及中部均装有可相互连接与固定的钢板、铁环，使用时将根管的两半沿锯开的等分线对接、合拢、固定，接口处用塑料薄膜密封，同时将根管下部的端口用塑料薄膜封住；之后，将根管垂直立于根室内，备用。

试验采用裂区设计，主处理为氮肥形态（A）：铵态氮（硫酸铵，含N20.5%，山西宏安焦化科技有限公司）、硝态氮（NPK复合肥料，N∶P2O5∶K2O＝30%∶14%∶7%，山东润和肥业有限公司）、酰胺态氮（尿素，含N46.4%，山西兰花科技创业股份有限公司）；副处理为氮肥用量（纯 N）：75，150，225 kg/hm2共3个梯度；以不施任何肥料的处理作为对照（CK），重复3次，共10个处理。所有处理统一施磷肥和钾肥，其中，磷肥为过磷酸钙（含磷量16%，云南安宁万合磷肥厂），施用量按135 kg/hm2折算；钾肥为农业用硫酸钾（含钾量51%，国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司），施用量按30 kg/hm2折算。具体试验方案列于表1。

表1 试验处理

2016年10月8日，将供试土壤喷水，达到适宜程度（攥在手中成团，撒在地上散开），按20 cm一层所需土量称质量（约25 kg），依次装入根管80～100，60～80，40～60 cm 处，压实；再将 20～40 cm土层所需土量称质量，按上述试验设计加入所需肥料，搅拌均匀，装入根管20～40 cm处，压实；最后将0～20 cm土层所需土量称质量，装入根管0～20 cm处压实。将装好的根管浇足水，待水分下渗后，每管播种15粒小麦，浅覆土，并盖一薄层细沙。出苗后，留健壮苗9株，常规管理。

1.4 土样采集与处理

分别于2017年5月6号（小麦拔节期）、6月27号（小麦收获期）采集土壤样品。具体采集方法为：把根管从根室中取出，先收获地上部分，然后将根管两部分拆开，从上到下按照0～20，20～40，40～60，60～80，80～100 cm的顺序，使用灭菌后的小牙签轻轻获取各层的根际土壤，并且将获得的土壤立即放入灭菌后的自封袋内，用于土壤脲酶的测定。

1.5 测定项目及方法

土壤脲酶活性测定采用靛酚蓝比色法[10]。将上述土样风干，研磨，过1 mm筛。称取5 g过筛土样置于100 mL三角瓶内。每个土样称取4份（一份为无基质对照，另3份为有基质的3个重复）。向三角瓶中加入1 mL甲苯，轻轻晃动三角瓶，尽量使甲苯能完全浸没土样。静置15 min后，依次加入10 mL的10%尿素溶液（无基质CK中用等量蒸馏水代替）和20 mL的柠檬酸盐缓冲液，轻轻摇匀，然后用保鲜膜将瓶口封住。将封口后的三角瓶置于37℃恒温培养箱，培养24 h。培养完成后，将三角瓶取出，冷却至室温，使用双层滤纸进行过滤。吸取滤液3 mL置于50 mL容量瓶中，依次加入3 mL次氯酸钠和4 mL苯酚钠，充分摇匀。静置20 min左右，试剂显色之后，将样品定容至50 mL。1 h内以试剂空白为参比，在分光光度计578 nm处测定吸光度值。整体试验除无基质对照外，另设一个无土样对照。脲酶活性用mg/g表示。

式中，A土样（mg）为从标准曲线查得的土样中NH4+-N的毫克数；A无基质（mg）为从标准曲线查得的无基质对照中 NH4+-N的毫克数；A无土壤有基质（mg）为从标准曲线查得的无土对照中NH4+-N的毫克数；M（g）为烘干土质量；N为分取倍数，等于浸出液的体积除以吸取滤液的体积；V为显色液体积（mL）。

1.6 数据整理与统计分析

采用Microsoft Excel 2007软件进行数据处理，采用SAS8.0软件进行方差分析与多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥形态及用量对拔节期小麦根际土壤脲酶活性的影响

由表2可知，未施肥对照组CK的脲酶活性以0～20 cm土层最高，且随着土壤深度的增加呈逐渐降低趋势（P＜0.05）；施肥明显提高了绝大多数土层（A2N1和A2N2的0～20 cm土层除外）的土壤脲酶活性（P＜0.05），且以20～40 cm土层的脲酶活性最大，0～20 cm土层次之，40 cm以下，随着土层加深，脲酶活性逐渐减小；同一N肥形态，随施肥用量的增加，0～80 cm各层土壤土壤脲酶活性均有不同程度提高；3种氮肥，以酰胺态氮肥尿素处理的脲酶活性最高（P＜0.05）。土壤脲酶活性最高的处理是 A3N3（酰胺态氮（尿素）、纯氮用量 225 kg/hm2），各层土壤脲酶活性分别为 1.19，1.43，0.98，0.70，0.28 mg/g。

表2 不同形态氮肥、不同施肥量对拔节期小麦根际土壤脲酶活性的影响 mg/g

通过SAS软件ANOVA过程对表2数据进行3因素（氮肥形态A、氮肥用量B、土层深度C）互作方差分析，其结果列于表3。

表3 拔节期不同处理、不同土层根际土壤脲酶活性方差分析

从表3可以看出，3种氮肥形态之间、3个氮肥梯度之间、5个土层之间的差异均达到极显著水平（P＜0.01），试验总模型差异极显著（P＜0.01），R2＝0.998 6，说明本次试验数据准确。从表3还可以看出，A×B，A×C，B×C两两因素互作对小麦根际土壤脲酶活性的影响差异亦达到了极显著水平（P＜0.01）。

进一步对拔节期土壤脲酶活性在不同氮肥形态、不同纯N用量、不同土层之间分别进行多重比较分析结果如表4所示，不同氮肥形态的酶活性大小为酰胺态氮＞铵态氮＞硝态氮＞未施肥；随着氮肥施用量的增加，土壤脲酶活性有了显著性提高（P＜0.05）。脲酶活性在土层间的垂直分布，平均以20～40 cm最高，其次是0～20 cm，40 cm以下逐渐递减。

表4 拔节期不同处理、不同土层根际土壤脲酶活性多重比较

2.2 不同氮肥形态及用量对成熟期小麦根际土壤脲酶活性的影响

从表5可以看出，对照组CK的脲酶活性在0～20 cm土层最高，且随着土层深度增加呈下降趋势（P＜0.05）；施肥明显提高了绝大多数土层（A2肥料的0～20，60～80 cm土层除外）的脲酶活性（P＜0.05），且施肥后20～40 cm土层的脲酶活性最大，0～20 cm土层次之，40～100 cm随着土层加深脲酶活性逐渐减小。

3种氮肥，仍以酰胺态氮处理的脲酶活性最高（P＜0.05），且以 A3N3（酰胺态氮（尿素）、纯氮用量225 kg/hm2）的土壤脲酶活性最高，各土层依次为1.00，1.14，0.81，0.47，0.24 mg/g。

通过SAS软件ANOVA过程对表5数据进行3因素（氮肥形态A、纯氮用量B、取土层次C）互作方差分析，其结果列于表6。从表6可以看出，3种氮肥形态之间、3个氮肥梯度之间、5个土层之间的差异均达到极显著水平（P＜0.01），试验总模型差异极显著（P＜0.01），R2=0.994 6，试验数据可靠。从表6同样得出成熟期A×B，A×C，B×C两两因素互作对小麦根际土壤脲酶活性的影响差异达到了极显著水平（P＜0.01）。

进一步对成熟期土壤脲酶活性在不同氮肥形态、不同纯N用量、不同土层之间分别进行多重比较分析（表7），结果表明，不同氮肥形态的酶活性差异显著（P＜0.05），排序为为酰胺态氮＞铵态氮＞硝态氮＞未施肥；随着氮肥施用量的增加，土壤脲酶活性显著提高（P＜0.05）；土层之间，仍以20～40 cm最高，其次是0～20 cm，40 cm以下逐渐递减。与拔节期结果类似。

表5 不同形态氮肥、不同施肥量对成熟期小麦根际土壤脲酶活性的影响 mg/g

表6 成熟期不同还田处理、不同土层根际土壤脲酶活性方差分析

表7 成熟期不同处理、不同土层根际土壤脲酶活性多重比较

2.3 拔节期与成熟期脲酶活性比较

将拔节期数据和成熟期数据进行计算（成熟期-拔节期）/拔节期×100%，结果如表8所示。结合表2，5，8可以看出，随生长发育从拔节期生长高峰到成熟期，所有处理的土壤脲酶活性均不同程度的降低；未施肥对照组CK在拔节期和成熟期2个时期的土壤脲酶活性整体较低，不同土层的降低幅度亦较少，介于2.13%～9.90%，且以20～80 cm土层降低最多；与CK相比，所有施肥处理的土壤脲酶活性总体较高，但40～100 cm土层的土壤脲酶活性均比CK处理降低幅度大，而0～40 cm耕层土壤的脲酶活性降低幅度在不同处理之间存在差异，其中，20～40 cm土层，铵态氮肥A1和硝态氮肥A2降低较少（不及CK）；0～20 cm土层，A2N3，A1N1 和A1N2的降低幅度高于CK；而酰胺态氮肥A3在各土层的降低幅度均较大。说明尿素对促进土壤脲酶活性的效率高且快，但纯N用量仍需进一步研究。

表8 成熟期相对拔节期脲酶活性降低的百分比

3 讨论

3.1 基施氮肥形态对小麦根际土壤脲酶活性的影响

马宗斌等[11]研究了不同氮肥形态对小麦土壤根际微生物和脲酶活性的影响，结果表明，小麦根际土壤脲酶对酰胺态氮最为敏感，其活性显著高于铵态氮处理和硝态氮处理，而铵态氮和硝态氮处理之间没有显著差异。严君等[12]研究结果表明，大豆根际脲酶活性以铵态氮处理较高。而本试验研究结果表明，酰胺态氮、铵态氮、硝态氮对小麦土壤根际脲酶活性的影响差异显著，表现为酰胺态氮＞铵态氮＞硝态氮。究其原因，一方面可能与作物种类有关，比如大豆是固氮作物，易吸收固定铵态氮，而铵态氮在碱性环境中易转化为氨，从而被吸收固定，进一步提高了土壤脲酶活性，小麦是不耐铵作物，但可能更易吸收酰胺态氮。另一方面，可能与3种氮肥的化学特征有关，铵态氮（NH4+）为正电荷，易被土壤胶体（负电荷）吸附固定，不易随水（雨水、漫灌等）流失，在土壤中，铵态氮可以直接以铵离子形式被植物吸收，也可以氧化成硝酸盐，再以硝酸根（NO3-）形式被植物吸收，在碱性环境中，铵离子易转化成氨气而被挥发；硝态氮（NO3-）是负电荷，不能被土壤胶体所吸附，但易溶于水，在土壤中移动较快，容易随水流失，硝态氮可以提供即时的氮源被作物快速吸收[13]，也容易通过反硝化作用还原成气体状态（NO，N2O，N2），从土壤中逸失；酰胺态氮尿素（CO（NH2）2）属于有机氮肥，在土壤中经脲酶水解成碳酸铵或碳酸氢铵后，才能被作物吸收利用。作为催化反应基质（底物），尿素含量越高，脲酶活性也越高。本试验中，供试土壤为碱性褐土，部分铵态氮可能随氨气挥发而损失；部分硝态氮可能通过反硝化作用还原成气体状态从土壤中逸失；更为关键的原因是这2种氮肥本身不是脲酶催化反应的底物；另外，本试验为根管试验，土体局限性可能造成浇水引起硝态氮随水下渗，铵态氮则不易随水流失。因此，综合而言，3种氮肥中，就对小麦根际土壤脲酶活性的促进作用而言，酰胺态氮＞铵态氮＞硝态氮。目前，生产上为提高作物产量水平多选择NPK复合肥，其中的N多为硝态氮，本研究认为，从提高土壤脲酶活性的角度出发，是否可以考虑将酰胺态氮作为N形态制作NPK复合肥。

3.2 基施氮肥用量对小麦根际土壤脲酶活性的影响

杨保平等[14]研究表明，当氮肥使用量在0～220.8 kg/hm2时，在同一生育期内，土壤脲酶活性随着施氮量的增加而增加。这与本研究所得的结论相一致，在本研究中，3种施肥处理的脲酶活性均在施氮量为225 kg/hm2时达到了最大，且在施氮量增加的同时，脲酶活性显著增加。这是由于适量地增加氮肥能够起到对土壤养分状况的改善，使作物根系分泌出更多的相关酶吸收氮素，用以保证作物生长，同时还会促进土壤微生物的繁殖,最终提高土壤酶活性[15]。但是，由于本试验的局限性，设置施用梯度较少，未能得出氮肥最佳施用量，还有待进一步研究。

3.3 不同生育时期土壤脲酶活性的变化

根据罗来超等[16]的研究，拔节期和灌浆期是土壤脲酶活性的2个高峰，其余时期没有明显规律。本研究亦表明，与成熟期相比，拔节期的土壤脲酶活性较高；从拔节期到成熟期土壤脲酶活性不同程度下降，铵态氮和硝态氮处理在0～40 cm土层下降较慢，分别为7%和5.7%；酰胺态氮处理则下降最快，高达20%。这与熊淑萍等[17]的研究结论相一致。同时也说明酰胺态氮对于提高土壤脲酶活性的作用体现在增加脲酶催化反应的底物，成熟期随小麦根系衰老，吸收能力减弱，催化反应的产物碳酸铵或碳酸氢铵累积，反过来抑制了脲酶活性，这种促进或抑制作用是直接而明显的，因而2个时期相比差异较大；相对而言，硝态氮和铵态氮都以无机离子形式直接被小麦吸收利用，拔节期小麦生长迅速，根系吸收能力强，根系分泌能力也强，间接地促进了脲酶活性提高，成熟期根系衰老，吸收作用减弱，其分泌作用亦弱，也间接地影响了脲酶活性。因此，2个时期相比差异相对较小。

3.4 不同土层深度脲酶活性的垂直分布变化

姬兴杰等[18]的研究表明，将基肥施入20 cm耕层中，各个时期小麦根际土壤脲酶均在0～20 cm活性最大，然后逐层递减。本试验中，选择在20～40 cm土层进行施肥，则施肥土层20～40 cm脲酶活性最大，0～20 cm次之，40～100 cm逐层递减；这主要是由于随着土层的加深，土壤的温度、湿度以及微生物的含量都下降的原因[19]。与空白对照相比，施肥处理在各个土层（个别处理的0～20 cm土层除外）的脲酶活性在整体趋势上均要高于空白不施肥对照。说明施肥是提高脲酶活性的良好措施，且肥料施在哪个土层，哪个土层的脲酶活性就高。

4 结论

小麦根际土壤脲酶含量受到氮肥形态和氮肥使用量的影响很大。本研究表明，不同氮肥形态下小麦根际土壤脲酶活性受到显著影响，影响排序为酰胺态氮＞铵态氮＞硝态氮。同一生育时期，氮肥施用量从不施肥（CK）到高量施氮（N3）225 kg/hm2，土壤脲酶活性均呈现从低到高的显著增长趋势。同一氮肥处理，从拔节期到成熟期，土壤脲酶活性降低，以酰胺态氮降低幅度最大。施肥在20～40 cm土层，使20～40 cm土层脲酶活性更高，其次是0～20 cm，40 cm以下递减。当施肥种类为酰胺态氮、施氮量为225 kg/hm2时，0～100 cm土层脲酶活性在所有处理中最大。