苦荞(Fagopyrum tataricum (L.)Gaertn)是蓼科荞麦属一年生草本植物，因其富含生物类黄酮、糖醇、多酚类化合物等生物活性物质，因此苦荞可提供基本营养以外的保健功效[1]。在各种营养元素中，氮素是影响苦荞生长发育和产量形成最重要的元素，其与磷钾肥的吸收也密切相关。苦荞是一种需氮量相对较大的作物，一般每生产100 kg籽粒，约需要从土壤中吸收氮3～4 kg，高于一般禾谷类作物[2]。由于苦荞营养保健功能的逐步开发，在我国主要苦荞产区种植生产中，为了保持产量的提升，氮肥用量呈上升趋势，虽然在一定程度上提高了经济利益，但导致其生产环境变差，品质变劣。因此，有必要对不同类型氮肥对苦荞氮素营养调控做进一步的研究。
控释氮肥最大的特点是能使养分释放与作物吸收同步，实现一次性施肥满足作物整个生长期对氮素的需求，协调作物的营养生长和生殖生长，促进作物生长、提高产量。控释尿素在玉米、小麦、水稻等作物上已经大量使用，肥效一般优于速效氮肥，即使在减量施用的情况下也可到达增产或不减产的效果[3-4]。控释尿素“前控后保”的肥效特点，使其缓慢释放，有效防止后期脱肥现象，为植株提供充足持续的养分，而且可以提高氮素利用率，减少环境污染。目前，关于氮肥的施用量和施用时期对苦荞产量、品质及氮肥利用率影响的研究较多[5-6]，而有关氮肥对苦荞光合特性及土壤酶活性与土壤氮素形态相关性的报道较少。对于大多数作物而言，光合作用是作物干物质积累的主要来源，其强弱是决定作物产量的主要因素[7]。土壤酶是土壤肥力及土壤生物活性的重要组成部分，在土壤物质循环和能量转化中起着极其重要的催化作用，其活性的高低可反映土壤养分转化的强弱，可作为评价土壤肥力的指标[8]。本试验在大田条件下，研究树脂包膜尿素、硫包膜尿素、有机肥及普通尿素4种氮肥对苦荞光合特性、土壤酶活性及土壤氮素形态的影响，以期探明控释氮肥是否会协调苦荞光合强度促进籽粒建成及改善土壤环境促进氮素的有效吸收，为控释氮肥和有机肥在苦荞上的规范施用提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 试验地概况
试验于山西省农业科学院东阳试验基地进行，大田种植。试验地土壤为当地典型的黄黏土，土壤基本理化性质为有机质8.55 g/kg，全氮100 mg/kg，有效磷14.5 mg/kg，速效钾64.0 mg/kg，pH 值8.04。
1.2 试验设计
田间试验设 4 个处理，分别为普通尿素(U)、树脂包膜尿素(CRU)、硫包膜尿素(SU)、生物有机肥(ORU)。各施氮处理荞麦生育期内的施氮量保持一致，均为90 kg/hm2。树脂包膜尿素由中国-阿拉伯化肥有限公司生产，为水溶性聚合物包膜的控释尿素，含氮44.5%，氮素释放曲线为 S 型，控释期为 60 d；硫包膜尿素由汉枫缓释肥料(江苏)有限公司生产，在尿素外包裹硫肥及微晶蜡封而成，含氮37%，硫10%，释放曲线为S型，控释期为50 d；生物有机肥由平遥县润生态肥业有限公司生产，采用70%的鸡粪和30%的玉米糠醛渣发酵而成，含氮2.1%；普通尿素含氮46%。所有试验处理的磷、钾肥用量相同，分别为P2O5 120 kg/hm2(过磷酸钙，含 P2O5 12%)、K2O 52.5 kg/hm2(氯化钾，含 K2O 60%)。所有肥料均于荞麦播种前一次性基施。
荞麦的种植密度均为7.5×105株/hm2。供试荞麦品种为黑丰1号，于 7月 5日播种，10 月2日收获，生育期90 d。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 光合特性 分别于苦荞苗期(7月27日)、开花期间(8月23日)和灌浆期(9月10日)，使用便携式光合测定仪(LI-6400，USA) 和SPAD 502叶绿素仪对苦荞叶片的光合参数(净光合速率/Pn、气孔导度/Gs、蒸腾速率/Tr)和叶绿素含量(SPAD值)进行测定，每次测定选在晴朗天气的 9：00-11：00 进行，每个小区固定 5 株长势一致的苦荞，选取苦荞倒数第4片叶进行测定，3 次重复。
1.3.2 土壤养分及酶活性 分别于苦荞苗期、开花期、灌浆期和成熟期在各小区取土样。采用5点取样法分别采集0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm 3个层次的土样。各土样混合均匀后过2 mm筛后，用于测定土壤硝态氮
铵态氮
及土壤酶活性。
硝态氮
和铵态氮
经0.01 mol/L CaCl2溶液振荡浸提后，采用流动分析仪同时测定；脲酶活性：苯酚钠-次氯酸钠比色法；蛋白酶活性：采用茚三酮比色法；硝酸还原酶活性：KNO3为基质培养-KCl比色法。
1.4 数据分析
采用 Excel 2010 和 SPSS 18.0 软件进行试验数据统计分析。
2 结果与分析
2.1 叶绿素相对含量(SPAD)
由图1可知，各种氮肥处理下叶片叶绿素相对含量(SPAD值)均呈现出先增加后减少的趋势，在开花期达到最大值。在苗期，U、CRU和SU处理下的SPAD值均显著高于ORU处理(P<0.05)；开花期CRU和SU处理高于U和ORU处理，且达到显著水平(P<0.05)；灌浆期CRU、ORU和SU之间无显著差异，但均显著高于U处理，相比U处理分别增长9.78%，9.29%，8.07%，表明控释氮肥及有机肥在生育后期可以有效减缓叶片的衰老，有机肥处理在开花前的叶绿素相对含量处于较低水平。
图1 不同类型氮肥对SPAD值的影响
Fig.1 Effects of nitrogen fertilizers on SPAD value
2.2 光合参数
随着生育时期的推进，各处理的Pn(净光合速率)、 Gs(气孔导度)、 Tr(蒸腾速率)均呈先增后减的趋势，Ci(胞间CO2浓度)呈先减后增的趋势。在苗期，U、CRU和SU处理下的Pn和Gs均显著高于ORU处理(P<0.05)，其中U处理均处于最高水平；ORU和U处理下的Ci分别处于最高和最低水平；U和SU处理下的Tr均显著高于CRU和ORU(P<0.05)。在开花期，SU处理下的Pn显著高于其他处理(P<0.05)；同时SU处理下的GS和Tr在所有处理也均处于较高水平；ORU的Ci显著高于其他处理(P<0.05)。在灌浆中期，ORU和CRU处理下的Pn显著高于SU和UC处理；ORU和U处理下的Gs分别处于最高和最低水平；U处理下的Ci显著高于其他处理；ORU处理下的Tr显著高于其他处理(P<0.05)，SU处理下Tr值最低(图2)。
图2 不同类型氮肥对光合参数的影响
Fig.2 Effects of nitrogen fertilizer on photosynthetic parameters
2.3 土壤酶活性
2.3.1 脲酶 图3显示了各处理下0～30 cm土层脲酶活性(以干质量计)的变化趋势。各处理下土壤的脲酶活性均呈现出先增加后减少的趋势，开花期达到最高峰，成熟期处于最低水平。U处理下的脲酶活性在苗期处于最高水平，在开花期、灌浆中期和成熟期均显著低于其他处理(P<0.05)。在开花期，SU处理的脲酶活性处于最高水平；在灌浆中期和成熟期，U处理的脲酶活性处于最低水平。在灌浆中期，各处理间的脲酶活性差异达到最大，与U相比，ORU、SU和CRU的脲酶活性分别提高23.4%，18.6%，14.3%。
2.3.2 蛋白酶 如图4所示，土壤蛋白酶活性(以干质量计)随生育进程呈先增后减的趋势，灌浆中期处于最高水平，苗期处于最低水平。在苗期和开花期，SU处理的蛋白酶活性均处于较高水平，但各处理间没有显著差异；在灌浆中期和成熟期，控释氮肥和有机肥处理的蛋白酶活性均显著高于尿素处理(P<0.05)，CRU、SU和ORU处理的蛋白酶活性相比U处理分别提高12.0%，9.5%，5.1%(灌浆中期)和14.7%，16.1%，8.5%(成熟期)。
图3 不同类型氮肥对土壤脲酶活性的影响
Fig.3 Effects of nitrogen fertilizers on soil urease activity
图4 不同类型氮肥对土壤蛋白酶活性的影响
Fig.4 Effects of nitrogen fertilizers on soil protease activity
2.3.3 硝酸还原酶 如图5所示，各处理的土壤硝酸还原酶活性(以干质量计)均呈现出先增后减的趋势，开花期达到峰值。在苗期，U处理的硝酸还原酶活性显著高于其他处理；在开花期，SU处理的硝酸还原酶活性处于最高水平，ORU处理最低，U和CRU相当；在灌浆中期，控释氮肥和有机肥处理均显著高于普通尿素处理(P<0.05)，CRU、SU和ORU处理的硝酸酶活性相比U处理分别提高7.9%，12.6%，9.7%；在成熟期，ORU处理的硝酸还原酶活性显著高于其他处理(P<0.05)，相比U、CRU和SU分别增长17.4%，14.9%，13.1%。
图5 不同类型氮肥对土壤硝酸还原酶活性的影响
Fig.5 Effects of nitrogen fertilizers on soli nitrate reductase activity
2.4 土壤氮素形态
如图6所示，各处理的土壤硝态氮含量均随生育进程的推进呈下降趋势，U处理的下降趋势相比其他处理更明显。在苗期，U处理的硝态氮含量最高，而在其他时期均低于其他处理。CRU和SU处理的硝态氮含量分别在开花期和灌浆中期处于最高水平；在成熟期，控释氮肥处理和有机肥处理的硝态氮含量差异均不显著。
各处理的土壤铵态氮也均随生育进程推进呈下降趋势，苗期-开花期下降幅度较大，而在开花期-灌浆中期变化幅度不大。在苗期，U处理的铵态氮含量显著高于其他处理(P<0.05)；在开花期，各处理的铵态氮含量差异不明显；在灌浆中期和成熟期，土壤铵态氮含量均呈现出有机肥处理>控释氮肥处理>普通尿素处理的趋势。
图6 不同类型氮肥对土壤硝态氮和铵态氮含量的影响
Fig.6 Effects of nitrogen fertilizers on the content of soil nitrate nitrogen and ammonia nitrogen
2.5 土壤氮素形态与土壤酶相关性
表1分析了各主要生育时期土壤氮素形态与土壤酶之间的相关关系。硝态氮含量与各土壤酶的活性均呈正相关关系。其中在苗期和开花期与脲酶与硝酸还原酶活性相关度较高；而在灌浆中期和成熟期与蛋白酶相关度较高，均达到极显著水平(P<0.01)。在生育前期(苗期和开花期)，铵态氮含量与各土壤酶的相关度均不高；在生育后期(灌浆中期和成熟期)，铵态氮含量与土壤脲酶活性的相关系数达到显著水平(P<0.05)。
3 结论与讨论
3.1 氮素营养对光合活性的影响
叶片的光合速率是决定作物干物质的重要因素，作物90%以上的干物质来源于光合作用，特别是开花后叶片的光合性能强弱对籽粒产量形成有决定性作用[9，10]。通过合理增施氮肥可以有效提高叶片的氮含量和叶绿素含量，延缓叶片衰老，延长绿叶光合持续期，从而提高光合速率[11]。大量研究表明，通过提升控释尿素的施用比例可显著提高作物功能叶中后期的氮素含量和叶绿素含量，花后的叶面积和SPAD值处于较高水平，有效延长叶片的功能期，提高净光合速率，促进作物高产[12-14]。本研究结果发现，在生育前期(苗期)，普通尿素处理下苦荞叶片的SPAD值、净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)均高于控释氮肥处理，表明在一定程度上，普通尿素处理下苦荞的光合活性较强，与尿素中氮素较快的释放速度有关；在生育后期(开花后)，与普通尿素处理相比，控释氮肥和有机肥处理在各光合参数上逐渐体现优势，SU处理的各参数在开花期处于较高水平，而CRU和ORU处理下在灌浆中期处于较高水平，这可能与氮素释放速率有关，CRU的控释期相对SU较长；综合比较，控释氮肥处理和有机肥处理在生育前期光合活性较低，但有效促进了苦荞叶片中后期的光合活性，与前人研究基本一致，体现了控释尿素和有机肥的“前控后保”的作用特点[15]。
表1 土壤氮素形态与土壤酶相关性分析
Tab.1 Correlation analysis of soil nitrogen forms and soil enzymes
注：** 和*分别表示在0.01和0.05水平(双侧)上显著相关。
Note：**and * mean significant correlation at level of 0.01 and 0.05，separately.
生育时期Stage氮素形态Nitrogen formsNO3--NNH4+-N脲酶Urease硝酸还原酶Nitrate reductase蛋白酶Protease苗期NO3--N1.0000.2310.676*0.599*0.182Seedling stageNH4+-N0.2311.0000.0990.483-0.276开花期NO3--N1.000-0.1350.725**0.4470.654*Flowering stageNH4+-N-0.1351.000-0.1510.2610.543灌浆中期NO3--N1.0000.5130.3770.3040.836**Filling stageNH4+-N0.5131.0000.690*0.4450.494成熟期NO3--N1.0000.714**0.601*0.0420.746**Mature stageNH4+-N0.714**1.0000.820**0.4780.536
3.2 氮素营养对土壤酶活性及氮素形态的影响
土壤酶参与土壤养分物质循环等生化过程，土壤酶活性能够反映土壤中微生物的活性、生化反应强度及养分物质循环状况[16]。本研究主要探讨了土壤脲酶活性、蛋白酶活性及硝酸还原酶活性，这3种酶与土壤氮素转化循环密切相关，同土壤肥力相关性极强[17]。土壤脲酶活性是影响尿素水解的最重要因素，其活性越强，水解越快；土壤蛋白酶能水解各种蛋白质和多肽，其水解产物是植物所需氮源之一；硝酸还原酶影响土壤中的氮素形态[18-19]。有研究表明，利用HQ(氢醌)包膜控释尿素，在生长前期能降低土壤脲酶活性，抑制尿素水解，而在后期能有效延长脲酶的作用时间，在整个生育时期都能保证较高的有效氮水平[20]。适当增施控释氮肥不仅可以有效提高生育中后期土壤脲酶活性，其蛋白酶水平也处于较高水平，有效促进土壤氮素转化[21]。在本试验中，土壤脲酶、蛋白酶、硝酸还原酶的活性均随生育期的推进呈现出先增后减的趋势，与小麦的土壤酶活性变化基本一致[22]。在苗期，普通尿素处理下土壤脲酶活性最强，表明在生育前期尿素水解活性最强；开花后，尿素处理的土壤脲酶活性均处于最低水平，树脂包膜尿素和有机肥处理的酶活性分别在开花期和灌浆中期后处于最高水平，表明控释氮肥和有机肥能控制引起尿素水解的脲酶活性，延长氮素作用的时间。苦荞土壤蛋白酶、硝酸还原酶的活性与土壤脲酶表现出类似的趋势，综合比较，控释氮肥和有机肥对于改善土壤氮素相关酶活性有一定的促进作用，特别有机肥对生育后期土壤酶活性的促进更为明显。
通过对土壤氮素形态的分析，控释氮肥处理和有机肥处理均显著提高了苦荞中后期的硝态氮和铵态氮水平，提高了后期土壤的氮素供应能力。通过对土壤氮素形态与土壤酶活性的相关性分析发现，硝态氮含量与各土壤酶活性均呈正相关关系，铵态氮含量与土壤脲酶活性的相关系数在生育后期达到显著水平(P<0.05)，其原因可能是控释氮肥和有机肥可促进土壤中微生物的活动以及酶活性，酶和微生物可促进土壤养分的有效转化[23]，提高土壤的氮素供应水平。
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