不同膜材包膜尿素對(duì)黑土生物學(xué)活性的影響

劉興斌， 王 月， 陳振華， 韓曉日

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院/土壤肥料資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽 110866；2.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧沈陽 110016)

包膜肥料能有效延緩肥料養(yǎng)分釋放，提高肥料利用率[1]，是順應(yīng)國家化肥零增長戰(zhàn)略的重要技術(shù)之一，但隨著包膜肥料大量使用，入土壤的包膜材料是否會(huì)對(duì)土壤微環(huán)境產(chǎn)生不利影響，是當(dāng)前大力強(qiáng)調(diào)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展中不能回避的問題。黑土是我國東北主要土壤類型之一，也是我國最具生產(chǎn)力的寶貴土壤資源，須要倍加珍惜和呵護(hù)。施肥會(huì)對(duì)土壤生物活性產(chǎn)生影響[2]，那么施用包膜肥是否會(huì)對(duì)黑土的生物活性產(chǎn)生不良影響，值得深入了解并對(duì)今后包膜肥在該土壤類型上的應(yīng)用進(jìn)行可觀的評(píng)估和科學(xué)的指導(dǎo)。

土壤微生物群落的組成和活性對(duì)自然或人為擾動(dòng)，以及一些農(nóng)業(yè)管理措施(如化肥、農(nóng)藥、植物生長調(diào)節(jié)劑等施用)導(dǎo)致的土壤環(huán)境質(zhì)量變化反應(yīng)敏感[3]，近年來被公認(rèn)為是對(duì)環(huán)境變化最敏感的生物指標(biāo)之一，同時(shí)已被廣泛用作指示土壤環(huán)境質(zhì)量變化的早期預(yù)警指標(biāo)。土壤酶對(duì)環(huán)境或管理因素的變化反應(yīng)敏感，并具有較好的時(shí)效性，已被成功地用于區(qū)分許多土壤管理措施[4]，尤其在確定污染或嚴(yán)重?cái)_動(dòng)對(duì)土壤健康的影響方面。研究人員普遍認(rèn)為基本的土壤質(zhì)量和健康生物指標(biāo)應(yīng)當(dāng)包括微生物生物量和土壤酶活性指標(biāo)[5]。

目前關(guān)于不同膜材對(duì)黑土生物學(xué)活性影響的研究不多。因此，本研究以不同膜材包膜的尿素為樣本，以土培試驗(yàn)為手段考察不同膜材包膜的尿素施用后黑土土壤微生物量碳氮、相關(guān)酶活性等生化指標(biāo)的變化，以期對(duì)以聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚碳酸酯為主要包膜材料的3種包膜尿素對(duì)黑土產(chǎn)生的生物影響作出客觀評(píng)價(jià)，為今后采用這3種包膜材料的包膜肥產(chǎn)品在黑土區(qū)的應(yīng)用推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

大顆粒尿素：山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司化肥分公司生產(chǎn)，粒徑為2.5～4.0 mm；包膜材料：聚乳酸購于浙江海正生物制品有限公司；聚丁二酸丁二醇酯購于安徽和興化工有限公司；聚碳酸酯購于浙江路佳工程塑料有限公司。

包膜尿素：分別以聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)和聚碳酸酯(PC)3種材料為主要原料，并添加其他助劑和輔助材料制成包膜液，然后在沸騰流化床中對(duì)大顆粒尿素進(jìn)行包膜，制得相應(yīng)的包膜尿素供土培試驗(yàn)使用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

對(duì)照(CK)表示不施肥；處理U表示施用大顆粒尿素；處理A表示施用PLA包膜大顆粒尿素；處理B表示施用PBS包膜大顆粒尿素；處理C表示施用PC包膜大顆粒尿素。3種包膜尿素的包膜量均為7%，除CK處理外其余各處理施肥量均為0.46 g/kg。

1.3 土壤及部分理化性狀

供試黑土采自黑龍江省中國科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)實(shí)驗(yàn)站(47°25′ N、126°46′ E)，土壤pH值為6.17(土與水質(zhì)量比為1 ∶2.5)，土壤有機(jī)質(zhì)含量50.25 g/kg、全碳含量 32.06 g/kg、全氮含量2.61 g/kg。

1.4 試驗(yàn)實(shí)施

試驗(yàn)在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院土壤肥料資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)具體實(shí)施步驟如下：普通尿素和包膜尿素的用量均按1.00 g/kg干土施用，每個(gè)處理9次重復(fù)。將相當(dāng)于300 g烘干土的鮮土與肥料充分混勻后裝入帶有密封蓋的塑料盒中(塑料盒上口直徑14 cm，底部直徑8.9 cm，高6.3 cm)，用密封蓋封口，并用打孔器在密封蓋上均勻打3個(gè)通氣孔，以使土壤在培養(yǎng)過程中保持充分好氧的條件，然后將塑料盒置于25 ℃培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)。培養(yǎng)期間，每間隔3 d放氣1 h，并采用稱質(zhì)量法補(bǔ)水1次，使土壤含水量始終保持在田間持水量的60%。試驗(yàn)從2015年4月25日開始，共持續(xù)480 d，在土壤培養(yǎng)試驗(yàn)開始后分別于2015年5月25日(培養(yǎng)30 d)、2016年3月30日(培養(yǎng) 340 d)、2016年8月17日(培養(yǎng)480 d)取樣，每個(gè)處理每次取3次重復(fù)，分別測(cè)定土壤微生物量碳、土壤微生物量氮的含量以及FDA水解酶、脫氫酶和脲酶的活性。

1.5 分析方法

土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定采用常規(guī)分析方法[6]。土壤微生物量C、N測(cè)定采用氯仿熏蒸浸提法(CFE)，浸提液中的C、N含量用德國產(chǎn)C/N分析儀(TOC Analyzer，Multi C/N 3000，analytikjena，Germany)測(cè)定。土壤微生物量N按Nmin=EN/KEN計(jì)算，其中EN為熏蒸和未熏蒸土樣的土壤N量之差(單位mg/kg)；KEN為氯仿熏蒸殺死的微生物體中的N被浸提出來的比例，按0.45計(jì)算[7]。脲酶活性測(cè)定采用尿素殘留量法[8]測(cè)定。土壤脫氫酶活性采用2，3，5-氯代三苯基四氮唑(TTC)還原法[8]測(cè)定。FDA水解酶采用Adam和Duncan’s的方法測(cè)定[9]。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel和SPSS 11.5處理，多元方差分析用Duncan’s法進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理土壤微生物量C、N含量以及C/N的動(dòng)態(tài)變化

由表1可知，就微生物量氮而言，在培養(yǎng)30 d時(shí)施不同尿素的處理顯著高于不施尿素的處理，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，各處理微生物量氮的差異逐漸減小。這說明隨培養(yǎng)時(shí)間的延長，施尿素處理對(duì)土壤微生物量氮的影響逐漸減小。在4個(gè)施用不同尿素的處理中，普通尿素培養(yǎng)微生物量氮的下降趨勢(shì)最為明顯，而3種包膜尿素培養(yǎng)微生物量氮?jiǎng)t沒有明顯下降，說明施普通尿素處理在培養(yǎng)期間微生物從土壤中獲取的氮量下降較快。在3個(gè)包膜尿素的培養(yǎng)中PBS包膜尿素處理在培養(yǎng)340 d時(shí)土壤微生物量氮高于PLA和PC處理，這與該膜材料包膜效果好[10]，在該時(shí)間點(diǎn)還有較多的氮養(yǎng)分釋放有關(guān)系。

注：同列不同小寫英文字母表示各處理在0.05水平上差異顯著。

對(duì)于微生物量碳，在培養(yǎng)30 d和340 d取樣時(shí)各處理均無顯著差異，說明施用不同尿素對(duì)土壤微生物量碳數(shù)量的影響不大。在培養(yǎng)480 d時(shí)PBS包膜尿素處理顯著高于不施尿素和施用普通大顆粒尿素的處理，也高于PLA和PC處理，可能是因?yàn)榫鄱《岫《减ソ到馑俣瓤煊诰廴樗岬慕到馑俣萚11-12]，由于PBS膜材降解速度較快，使土壤微生物可利用的碳源增多，造成微生物量碳有所增加。

從微生物量碳氮的比值可以看出，不施尿素培養(yǎng)3次采樣的C/N最為穩(wěn)定且較大，說明整個(gè)培養(yǎng)期間該處理土壤微生物所吸收的氮量基本穩(wěn)定。在培養(yǎng)30 d時(shí)，各施尿素處理的碳氮比均顯著低于不施尿素的處理，且4個(gè)施用不同尿素的處理間差異不顯著，表明在培養(yǎng)30 d時(shí)各施尿素處理向土壤微生物提供的氮量差異不大。在培養(yǎng)時(shí)間長達(dá)340 d時(shí)，PBS和PC處理的土壤微生物量碳氮比顯著高于其他處理，表明PLA包膜尿素的氮已經(jīng)基本釋放完畢。在培養(yǎng)時(shí)間達(dá)到480 d時(shí)，各處理微生物量碳氮的比值差異均不顯著。

綜合微生物量碳、氮和碳氮比可以看出，包膜尿素可以有效延長氮的釋放時(shí)間，施用包膜尿素有助于在較長時(shí)間內(nèi)維持較高的微生物量氮和較低的碳氮比，由微生物量氮的數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)尿素包膜可以使尿素的肥效延長至300 d以上。不同包膜尿素對(duì)微生物量氮的影響較大，主要是因不同膜材料性質(zhì)造成包膜尿素氮素釋放效果的差異[10]所致；而對(duì)土壤微生物量碳幾乎沒有影響，說明不同包膜材料對(duì)土壤碳源供應(yīng)情況沒有明顯影響。

2.2 不同處理土壤FDA水解酶活性的動(dòng)態(tài)變化

研究人員普遍認(rèn)為FDA水解酶活性與微生物活性間的相關(guān)性比其他酶更明顯，因此FDA水解酶能作為快速有效地反映土壤微生物活性的一個(gè)指標(biāo)，近來成為土壤質(zhì)量和健康質(zhì)量評(píng)價(jià)中的生物學(xué)指標(biāo)之一[9，13-17]。

由圖1可以看出，在培養(yǎng)30 d時(shí)，不施尿素處理和施用不同尿素處理間FDA水解酶活性差異均不顯著，說明在施肥初期黑土FDA水解酶活性受到施肥的影響較小，這可能是因?yàn)槟蛩貙?duì)土壤FDA水解酶影響較小，也可能是因?yàn)楹谕镣寥牢⑸锖控S富，對(duì)外界擾動(dòng)的緩沖能力較強(qiáng)。在培養(yǎng)340 d時(shí)，施用普通尿素和PBS包膜尿素處理的FDA水解酶活性顯著低于不施尿素處理，而PLA和PC包膜尿素與不施尿素處理差異不顯著。造成這一差異的原因是PBS材料在土壤中易于降解[12]，在經(jīng)過長期的培養(yǎng)后，其對(duì)土壤FDA水解酶活性的影響已經(jīng)與普通大顆粒尿素處理沒有差異。在培養(yǎng)試驗(yàn)進(jìn)行到480 d時(shí)，普通尿素處理和PLA包膜尿素處理的FDA水解酶活性顯著低于不施尿素處理，其他處理與不施尿素處理差異不顯著，說明隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，PLA包膜尿素處理對(duì)土壤FDA水解酶活性的干擾有所增強(qiáng)，其與聚乳酸在土壤中降解時(shí)間較長，隨培養(yǎng)時(shí)間的延長，聚乳酸降解對(duì)黑土FDA水解酶的影響逐漸顯露出來。

從黑土FDA水解酶活性動(dòng)態(tài)變化可以看出，各處理FDA水解酶活性總體呈下降趨勢(shì)，因?yàn)橥寥涝陂L期培養(yǎng)的過程中，沒有其他生物活性物質(zhì)的培肥作用，造成土壤中FDA水解酶活性整體下降[18]。綜合以上結(jié)果可知，與施用普通尿素相比，施用包膜尿素不僅對(duì)土壤FDA水解酶沒有不利影響，還可以有緩解尿素施用對(duì)FDA水解酶造成的影響，維持FDA水解酶的活性。

2.3 不同處理土壤脫氫酶活性的變化

土壤脫氫酶是典型的胞內(nèi)酶[19]，脫氫酶的活性能充分反映土壤微生物的活性，對(duì)微生物生長代謝有影響的因子都會(huì)影響脫氫酶的活性[20]。

從圖2可以看出，尿素的施用對(duì)黑土脫氫酶活性有一定的影響。培養(yǎng)30 d后的采樣中PLA和PBS包膜尿素處理土壤脫氫酶活性顯著高于不施尿素的處理。這表明在培養(yǎng)初期，氮肥的施用可以有效提高黑土中微生物的活性，導(dǎo)致土壤脫氫酶活性提高。在培養(yǎng)340 d時(shí)，普通尿素和PBS包膜尿素處理脫氫酶活性顯著低于不施尿素、PLA包膜尿素和PC包膜尿素處理，結(jié)合土壤中微生物量碳、氮的數(shù)據(jù)可以看出，PBS包膜尿素處理由于微生物大量吸收氮營養(yǎng)導(dǎo)致微生物量碳氮比例不協(xié)調(diào)而影響了土壤脫氫酶的活性，而普通尿素處理是因氮的缺乏造成脫氫酶活性的降低。在培養(yǎng)480 d時(shí)，各處理脫氫酶活性的差異不顯著，說明培養(yǎng)試驗(yàn)進(jìn)行到本時(shí)段，不同氮素釋放速率和膜材對(duì)黑土產(chǎn)生的影響已經(jīng)基本消失。

從以上結(jié)果可以看出，聚乳酸包膜尿素在培養(yǎng)30 d時(shí)能有效提高黑土脫氫酶活性，而聚丁二酸丁二醇酯包膜尿素則在培養(yǎng)340 d時(shí)較不施肥的處理顯著降低了土壤脫氫酶活性，但該影響與施用常規(guī)尿素處理基本一致。這說明包膜尿素對(duì)土壤脫氫酶活性造成的影響不比單施尿素強(qiáng)烈，施用包膜尿素有利于維持土壤微生物活性的穩(wěn)定。不同膜材不同時(shí)段對(duì)土壤脫氫酶活性的影響沒有規(guī)律，這與不同膜材在土壤中發(fā)生降解時(shí)間和降解產(chǎn)物的不同有關(guān)。

2.4 不同處理土壤脲酶活性的動(dòng)態(tài)變化

土壤脲酶是酶促尿素水解的專性酶類[21]。從圖3可以看出，不同處理不同培養(yǎng)時(shí)期土壤脲酶活性變化規(guī)律基本相同。在培養(yǎng)30 d時(shí)，各施肥處理脲酶活性與不施肥處理間差異均不顯著，但PLA包膜尿素和PBS包膜尿素處理的脲酶活性顯著低于施用常規(guī)尿素的處理，說明PLA包膜尿素和PBS包膜尿素處理對(duì)脲酶產(chǎn)生的誘導(dǎo)作用遠(yuǎn)沒有尿素產(chǎn)生的誘導(dǎo)作用強(qiáng)烈。3種包膜尿素處理間差異不顯著說明3種包膜尿素對(duì)脲酶的誘導(dǎo)作用沒有顯著差異。在培養(yǎng)到340 d時(shí)，不施尿素、施用普通尿素和PC包膜尿素3個(gè)處理的脲酶活性差異不顯著，但顯著低于PLA和PBS包膜尿素處理，說明在此時(shí)間點(diǎn)A和B處理仍有尿素態(tài)氮對(duì)土壤中脲酶產(chǎn)生誘導(dǎo)作用，且A處理對(duì)脲酶的誘導(dǎo)作用顯著高于B處理，也預(yù)示著A、B處理在此階段均還有可觀的尿素態(tài)氮釋放到土壤中去。在培養(yǎng)到480 d時(shí)，不施尿素處理與其他所有施用尿素處理的脲酶活性差異均不顯著，說明本時(shí)間點(diǎn)包膜尿素中已經(jīng)沒有尿素態(tài)氮對(duì)脲酶進(jìn)行誘導(dǎo)，所以各處理脲酶活性趨于一致。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，施用普通大顆粒尿素及不同膜材包膜大顆粒尿素均不會(huì)對(duì)土壤中的脲酶活性產(chǎn)生較大影響，且隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，施用不同尿素造成的土壤脲酶活性差異逐漸消失。

3 結(jié)論

通過長達(dá)480 d的培養(yǎng)可以看出，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，不施尿素與施用不同尿素處理間各生物活性指標(biāo)的差異逐漸消失。具體而言，施用包膜尿素可以有效延長氮的釋放時(shí)間，有助于在較長時(shí)間內(nèi)維持較高的微生物量氮和較低的碳氮比，不同包膜尿素對(duì)微生物量氮的影響較大，而對(duì)土壤微生物量碳幾乎沒有影響。

與施用普通尿素相比，盡管不同膜材包膜尿素在不同時(shí)段對(duì)FDA水解酶、脫氫酶和脲酶的影響會(huì)有細(xì)微的區(qū)別，但施用不同的包膜尿素不僅對(duì)這些酶的活性沒有負(fù)面作用，還能緩解尿素施用對(duì)它們?cè)斐傻牟焕绊懀S持其活性的相對(duì)穩(wěn)定。

通過本試驗(yàn)可以看出，在黑土中施用這3種不同膜材包被的尿素，不僅能夠延長尿素的肥效，還能在一定程度上緩解常規(guī)尿素施用對(duì)土壤生物活性造成的不利影響。