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尿素融合葡萄糖对潮土中尿素的水解及相关酶活性的影响

王彬 袁亮 张水勤 林治安 赵秉强 李燕婷

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尿素融合葡萄糖对潮土中尿素的水解及相关酶活性的影响

    作者简介: 王彬 E-mail:wangbin410725@163.com;
    通讯作者: 李燕婷, E-mail:liyanting@caas.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFD0200402);中国农业科学院科技创新工程协同创新任务(CAAS-XTCX2018022)。

Fusion of glucose into urea affects the urea hydrolyzation and enzyme activities in fluvo-aquic soil

    Corresponding author: LI Yan-ting, E-mail:liyanting@caas.cn
  • 摘要:   【目的】  利用土壤培养试验,研究小分子有机物葡萄糖对尿素在石灰性潮土中的转化特征及相关土壤酶活性的影响,为小分子有机物在提高氮肥利用效率中的应用提供理论依据。  【方法】  将葡萄糖按0.5%、1%、5%和10%的比例与尿素熔融制成4种含葡萄糖尿素试验产品:GU0.5、GU1、GU5和GU10。采用土壤培养法,设置6个处理:不添加尿素对照 (CK)、普通尿素 (U) 和4种含葡萄糖尿素 (GU0.5、GU1、GU5、GU10),除CK外,其它处理施氮量均为N 0.3 g/kg干土。肥料与土壤混匀装入培养瓶,于25℃下恒温培养,于培养第0.5、1、3、5、7、14及21天进行采样,全部土样测定pH、铵态氮含量、硝态氮含量以及土壤脲酶活性;第0.5、1、3与5天采集的土壤样品测定尿素态氮含量;第3、5与14天采集的土壤样品测定β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶活性。  【结果】  1) 培养第0.5天,含葡萄糖尿素 (GU) 处理的土壤尿素态氮含量较普通尿素处理高了1.9%~12.2%;培养至第3天,含葡萄糖尿素加快了尿素的水解,且葡萄糖用量最高的尿素 (GU10) 水解最快;2) 培养至第3~7天,4种含葡萄糖尿素处理的土壤铵态氮含量较普通尿素处理提高了19.0%~26.2%,硝态氮含量提高了16.5%~30.9%;3) 与普通尿素处理相比,在培养至第3~14天,含葡萄糖尿素处理的土壤脲酶活性平均提高了6.9%~8.5%;培养至第3天,GU处理的土壤β-葡萄糖苷酶活性显著提高了6.3%~9.0%,GU10处理的土壤亮氨酸氨基肽酶活性显著提高了21.3%;培养至第5天,GU5和GU10处理的土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性显著提高了47.8%和52.4%;4) 在培养至第3天时,土壤铵态氮、矿质态氮含量与脲酶、β-葡萄糖苷酶以及乙酰氨基葡萄糖苷酶活性呈显著或极显著正相关,硝态氮含量与β-葡萄糖苷酶活性呈极显著正相关,pH与β-葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶呈极显著负相关。  【结论】  将葡萄糖与尿素熔融结合为含葡萄糖尿素,可先减缓后促进尿素在潮土中的分解转化,增加土壤矿质氮含量;施入土壤3~5天内对土壤脲酶、β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶活性影响最大;矿质态氮在培养前期与相关土壤酶活性存在显著正相关关系,而土壤pH与相关土壤酶活性存在显著负相关关系。
  • 图 1  不同处理土壤中尿素态氮的动态变化

    Figure 1.  Dynamics of urea-N of soil under different treatments

    图 2  不同处理土壤β-葡萄糖苷酶活性的动态变化

    Figure 2.  Dynamics of β-glucosidase activity of soil under different treatments

    图 3  不同处理土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性的动态变化

    Figure 3.  Dynamics of N-acetyl-glucosaminidase activity of soil under different treatments

    图 4  不同处理土壤亮氨酸氨基肽酶活性的动态变化

    Figure 4.  Dynamics of L-leucine aminopeptiase activity of soil under different treatments

    图 5  含葡萄糖尿素的傅里叶变换红外图谱

    Figure 5.  FTIR spectra of urea containing glucose

    表 1  供试氮肥中葡萄糖添加比例及含氮量

    Table 1.  Additive proportion of glucose and N content in prepared nitrogen fertilizer

    处理Treatment葡萄糖 Glucose (%)全氮含量 Total N content (%)
    U0 46.0
    GU0.50.545.4
    GU11.045.3
    GU55.043.9
    GU1010.041.1
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    表 2  不同处理对铵态氮含量的影响

    Table 2.  Effects of different treatments on NH4+-N content

    处理
    Treatment
    葡萄糖 (%)
    Glucose
    培养时间 Incubation time (d)
    0.513571421
    CK4.92 c3.22 d7.24 c4.30 c1.44 c1.43 c0.76 a
    U0205.17 a220.65 a221.09 b56.35 b2.03 c4.47 b0.93 a
    GU0.5 0.5202.03 a215.83 a244.19 ab86.24 a2.08 c8.29 a1.62 a
    GU11195.31 ab210.06 ab246.43 ab89.21 a3.52 b8.48 a2.08 a
    GU55197.89 ab200.40 b247.25 ab84.13 a6.45 a9.63 a2.00 a
    GU1010 179.43 b183.52 c264.93 a81.80 a6.06 a8.21 a2.37 a
    注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Different letters in same column mean significant difference among treatments at the 5% level.
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    表 3  不同处理对硝态氮含量的影响

    Table 3.  Effects of different treatments on NO3-N content

    处理
    Treatment
    葡萄糖 (%)
    Glucose
    培养时间 Incubation time (d)
    0.513571421
    CK75.34 b84.25 c99.23 b65.58 d55.37 c67.01 c105.47 b
    U099.26 a148.37 a260.95 a277.92 c284.49 b373.70 b532.19 a
    GU0.5 0.5101.90 a139.75 ab274.81 a341.78 b342.85 ab376.84 b524.88 a
    GU1193.47 ab132.83 ab273.80 a341.97 b350.68 ab365.01 b522.76 a
    GU5589.52 b103.52 bc279.70 a364.76 ab356.05 a421.03 a521.43 a
    GU1010 80.04 b71.55 c298.91 a385.22 a393.87 a438.89 a528.78 a
    注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Different letters in same column mean significant difference among treatments at the 5% level.
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    表 4  不同处理对矿质氮含量的影响

    Table 4.  Effects of different treatments on mineral nitrogen content

    处理
    Treatment
    葡萄糖 (%)
    Glucose
    培养时间 Incubation time (d)
    0.513571421
    CK80.26 c87.47 c106.47 c69.88 c56.81 c68.44 c106.23 b
    U0304.43 a369.02 a482.04 b334.27 b286.52 b378.17 b533.12 a
    GU0.5 0.5303.93 a355.58 a519.00 ab428.02 a344.93 ab385.13 b526.50 a
    GU11288.78 ab342.89 ab520.23 ab431.18 a354.20 ab373.49 b524.84 a
    GU55287.41 ab303.92 ab526.95 ab448.89 a362.50 a430.66 a523.43 a
    GU1010 259.47 b255.07 b563.84 a467.02 a399.93 a447.10 a531.15 a
    注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Different letters in same column mean significant difference among treatments at the 5% level.
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    表 5  不同处理对土壤脲酶活性的影响

    Table 5.  Effects of different treatments on urease activity of soil

    处理
    Treatment
    葡萄糖 (%)
    Glucose
    培养时间 Incubation time (d)
    0.513571421
    CK1.26 a1.61 a3.37 a3.54 a1.60 a2.19 a3.27 a
    U01.23 a1.70 a3.15 b3.26 b1.48 a1.51 b3.25 a
    GU0.5 0.51.25 a1.69 a3.14 b3.48 a1.52 a1.92 a3.24 a
    GU111.19 a1.70 a3.15 b3.27 b1.63 a2.15 a3.31 a
    GU551.13 b1.69 a3.21 a3.23 b1.57 a2.04 a3.33 a
    GU1010 1.16 ab1.70 a3.29 a3.38 ab1.57 a1.92 a3.28 a
    注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Different letters in same column mean significant difference among treatments at the 5% level.
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    表 6  不同处理对土壤pH的影响

    Table 6.  Effects of different treatments on soil pH

    处理
    Treatment
    葡萄糖 (%)
    Glucose
    培养时间 Incubation time (d)
    0.513571421
    CK7.54 b7.55 c7.63 a7.64 a7.67 a7.68 a7.65 a
    U07.56 b7.58 bc7.62 ab7.60 b7.53 b7.50 b7.46 bc
    GU0.5 0.57.56 b7.60 b7.58 bc7.60 b7.52 b7.52 b7.45 c
    GU117.60 ab7.61 ab7.57 c7.61 ab7.53 b7.51 b7.48 b
    GU557.62 a7.64 a7.56 c7.60 b7.51 bc7.49 b7.45 c
    GU1010 7.63 a7.64 a7.52 d7.59 b7.47 c7.48 b7.44 c
    注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Different letters in same column mean significant difference among treatments at the 5% level.
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    表 7  土壤胞外酶活性与尿素转化有关指标间的相关系数

    Table 7.  Correlative coefficients between extracellular enzyme activities and related indices of urea transformation

    培养时间
    Incubation time

    Enzyme
    尿素态氮
    Urea-N
    NH4+-NNO3-N矿质态氮
    Mineral N
    pH
    3脲酶Urease0.0460.716**0.3350.609**–0.448
    β-葡萄糖苷酶β-Glucosidase–0.541*0.545*0.650**0.747**–0.667**
    乙酰氨基葡萄糖苷酶NAG–0.0770.650**0.3410.579*–0.457
    亮氨酸氨基肽酶LAM–0.3380.4620.3260.471–0.632**
    5脲酶Urease0.3060.1630.1470.167–0.336
    β-葡萄糖苷酶β-Glucosidase0.253–0.120–0.068–0.058–0.129
    乙酰氨基葡萄糖苷酶NAG–0.3200.3460.612**0.598*–0.351
    亮氨酸氨基肽酶LAM0.0130.094–0.381–0.2790.182
    14 脲酶Urease0.646**0.0830.1350.059
    β-葡萄糖苷酶β-Glucosidase0.307–0.427–0.3900.390
    乙酰氨基葡萄糖苷酶NAG0.4130.1040.135–0.098
    亮氨酸氨基肽酶LAM–0.145–0.184–0.191–0.160
    注(Note):NAG—乙酰氨基葡萄糖苷酶 N-Acetyl-glucosamidase; LAM—亮氨酸氨基肽酶 L-Leucine aminopeptidase; *—P < 0.05, **—P < 0.01.
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  • 收稿日期:  2019-12-24

尿素融合葡萄糖对潮土中尿素的水解及相关酶活性的影响

    作者简介:王彬 E-mail:wangbin410725@163.com
    通讯作者: 李燕婷, liyanting@caas.cn
  • 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室,北京 100081
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFD0200402);中国农业科学院科技创新工程协同创新任务(CAAS-XTCX2018022)。
  • 摘要:   【目的】  利用土壤培养试验,研究小分子有机物葡萄糖对尿素在石灰性潮土中的转化特征及相关土壤酶活性的影响,为小分子有机物在提高氮肥利用效率中的应用提供理论依据。  【方法】  将葡萄糖按0.5%、1%、5%和10%的比例与尿素熔融制成4种含葡萄糖尿素试验产品:GU0.5、GU1、GU5和GU10。采用土壤培养法,设置6个处理:不添加尿素对照 (CK)、普通尿素 (U) 和4种含葡萄糖尿素 (GU0.5、GU1、GU5、GU10),除CK外,其它处理施氮量均为N 0.3 g/kg干土。肥料与土壤混匀装入培养瓶,于25℃下恒温培养,于培养第0.5、1、3、5、7、14及21天进行采样,全部土样测定pH、铵态氮含量、硝态氮含量以及土壤脲酶活性;第0.5、1、3与5天采集的土壤样品测定尿素态氮含量;第3、5与14天采集的土壤样品测定β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶活性。  【结果】  1) 培养第0.5天,含葡萄糖尿素 (GU) 处理的土壤尿素态氮含量较普通尿素处理高了1.9%~12.2%;培养至第3天,含葡萄糖尿素加快了尿素的水解,且葡萄糖用量最高的尿素 (GU10) 水解最快;2) 培养至第3~7天,4种含葡萄糖尿素处理的土壤铵态氮含量较普通尿素处理提高了19.0%~26.2%,硝态氮含量提高了16.5%~30.9%;3) 与普通尿素处理相比,在培养至第3~14天,含葡萄糖尿素处理的土壤脲酶活性平均提高了6.9%~8.5%;培养至第3天,GU处理的土壤β-葡萄糖苷酶活性显著提高了6.3%~9.0%,GU10处理的土壤亮氨酸氨基肽酶活性显著提高了21.3%;培养至第5天,GU5和GU10处理的土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性显著提高了47.8%和52.4%;4) 在培养至第3天时,土壤铵态氮、矿质态氮含量与脲酶、β-葡萄糖苷酶以及乙酰氨基葡萄糖苷酶活性呈显著或极显著正相关,硝态氮含量与β-葡萄糖苷酶活性呈极显著正相关,pH与β-葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶呈极显著负相关。  【结论】  将葡萄糖与尿素熔融结合为含葡萄糖尿素,可先减缓后促进尿素在潮土中的分解转化,增加土壤矿质氮含量;施入土壤3~5天内对土壤脲酶、β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶活性影响最大;矿质态氮在培养前期与相关土壤酶活性存在显著正相关关系,而土壤pH与相关土壤酶活性存在显著负相关关系。

    English Abstract

    • 尿素是我国农业生产中应用最广泛、用量最多的氮肥类型,约占我国氮肥消耗总量的70%[1]。其活性强,损失途径多,施入土壤后,只有部分能够被作物吸收利用和土壤固持,大部分则是通过氨挥发、淋溶、硝化-反硝化和径流等途径进入水体和大气,造成氮素流失,对生态环境产生严重的负面影响[2-3]。开发增值尿素,是提高氮肥利用率、减少损失和减低环境风险的重要途径之一,但目前增值尿素的增效剂以海藻酸类、腐植酸类等天然大分子物质为主,且多是混合物,研究其对尿素的转化机理较复杂,而小分子有机物不仅是天然纯净物质,环保安全,能够改变土壤酶活性,而且本身具有的活性官能团可以与尿素发生反应,对传统尿素进行改性。

      葡萄糖作为小分子有机物,含有羟基和醛基官能团,具有较高的反应活性,是自然界分布最广泛的单糖[4-5]。研究证实,外源添加葡萄糖能够影响土壤中的氮素转化。徐鹏等[6]研究表明,向红壤中添加葡萄糖可显著地促进土壤中有机氮的矿化,降低土壤可溶性有机氮含量,增加土壤矿质氮含量;Keiluweit等[7]研究发现,添加葡萄糖对土壤有机氮的矿化具有促进作用,抑制土壤的硝化作用。然而,也有研究认为,添加葡萄糖会抑制土壤氮素的矿化作用,促进土壤的反硝化作用,并且在较低肥力土壤上的作用效果大于在较高肥力土壤上[8-10]。近年来,也有学者研究葡萄糖与氮肥配施对土壤中氮素转化的影响。侯松嵋等[11]研究表明,与单施 (NH4)2SO4相比,葡萄糖与 (NH4)2SO4在黑土上配合施用可提高土壤微生物将无机态氮转化成氨基酸态氮的程度,降低土壤中NH4+-N和NO3-N含量,提高土壤微生物氮含量。吕殿青等[12]研究表明,分别向NH4+-N、NO3-N中添加葡萄糖均能促进土壤有机氮的矿化与激发效应。上述研究中,所得添加外源葡萄糖对土壤中氮素转化的影响结果,因土壤类型、葡萄糖添加量等因素的不同而不同。前人研究葡萄糖对氮素转化的影响中,葡萄糖多为单施或与氮肥掺混施用,且其添加量普遍较高 (含量>100 mg/kg干土)[6-12],与实际生产中的应用差距较大,而以葡萄糖作为有机载体,与氮肥熔融结合后,对含葡萄糖氮肥在土壤中氮素转化的研究鲜有报道。

      因此,本研究将小分子有机物葡萄糖与尿素熔融制成含葡萄糖尿素,采用室内土壤培养法,分析含葡萄糖尿素在土壤中的转化以及相关土壤酶活性和土壤pH的变化,探究葡萄糖对尿素在土壤中转化的影响与作用,为应用葡萄糖类小分子有机物优化氮肥性能、提高氮肥利用率提供理论依据。

      • 供试土壤为石灰性潮土,采自中国农业科学院德州盐碱土改良实验站禹城试验基地常规施肥的试验地。其基本理化性质:pH 7.64 (1∶2.5土水比)、有机质9.33 g/kg、全氮1.14 g/kg、速效磷16.77 mg/kg、速效钾200.60 mg/kg。

      • (1) 含葡萄糖尿素 (GU):将葡萄糖分别按0.5%、1%、5%和10%的比例与普通尿素混合,在130℃下充分熔融1 min,之后,冷却,粉碎,过筛 (20目),制得不同的含葡萄糖尿素GU0.5、GU1、GU5和GU10。

        (2) 尿素 (U):将普通尿素经上述熔融、冷却、粉碎、过筛的方法处理,但不添加葡萄糖。

        供试肥料性质见表1

        表 1  供试氮肥中葡萄糖添加比例及含氮量

        Table 1.  Additive proportion of glucose and N content in prepared nitrogen fertilizer

        处理Treatment葡萄糖 Glucose (%)全氮含量 Total N content (%)
        U0 46.0
        GU0.50.545.4
        GU11.045.3
        GU55.043.9
        GU1010.041.1
      • 设置6个处理:(1) 不施肥 (对照,CK);(2) 施用尿素 (U);(3) 施用含0.5%葡萄糖尿素 (GU0.5);(4) 施用含1%葡萄糖尿素 (GU1);(5) 施用含5%葡萄糖尿素 (GU5);(6) 施用含10%葡萄糖尿素 (GU10)。处理 (2)~(6) 施氮量均为N 0.3 g/kg干土。每个处理3次重复。

        试验方法:取0—20 cm耕层石灰性潮土,自然风干,过2 mm筛。称取200 g风干土,调节土壤含水量至田间持水量的40%,预培养一周后,按上述6个处理将不同肥料与预培养土壤混匀,装入培养瓶中,调节含水量至田间持水量的60%,置于25℃人工气候室中进行恒温培养,并保持土壤湿度恒定。分别于培养的第0.5、1、3、5、7、14及21天时取样,用以测定土壤pH、铵态氮含量、硝态氮含量、土壤脲酶活性,其中培养至第0.5、1、3与5天测定尿素态氮含量;培养至第3、5与14天测定土壤β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶活性。

      • 用50 mL浓度为1 mol/L的KCl溶液震荡浸提10 g鲜土30 min,过滤后,用流动分析仪 (德国Seal,AA3) 测定土壤铵态氮和硝态氮含量[13];尿素态氮含量采用分光光度法[14] 测定;土壤脲酶活性采用靛酚蓝比色法[15]测定;土壤β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶活性采用荧光微型板酶检测技术[16-17]测定;土壤pH(土水比1∶2.5) 采用电位法没测定;土壤有机质含量采用K2Cr2O7-H2SO4硝化法测定,土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定,土壤速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3溶液浸提-钼锑抗比色法测定,土壤速效钾含量采用1 mol/L CH3COONH4溶液浸提-火焰光度法[18]测定。

      • 采用Excel进行试验数据处理,用Origin 9.0、SPSS 17.0和Duncan新复极差法进行作图和数据统计分析。

      • 随培养时间的延长,土壤中尿素态氮含量呈逐渐下降的趋势,基本在培养5天内水解完毕 (图1)。与普通尿素 (U) 处理相比,培养1天内,含葡萄糖尿素可在一定程度上减缓尿素水解,此后则促进了尿素水解。培养0.5天,各尿素处理的尿素态氮含量差异较大,与普通尿素 (U) 处理相比,含5%葡萄糖尿素 (GU5) 与含10%葡萄糖尿素 (GU10) 处理的土壤尿素态氮含量高了11.7%~12.2%,差异显著 (P < 0.05),含0.5%葡萄糖尿素 (GU0.5) 与含1%葡萄糖尿素 (GU1) 处理的土壤尿素态氮含量略高于普通尿素处理,差异未达显著水平 (P > 0.05);培养第1天,GU处理的土壤尿素态氮含量比U处理高,但差异不显著 (P > 0.05);培养至第3天,含葡萄糖尿素表现出促进尿素转化的趋势,GU处理的土壤尿素态氮含量低于U处理 12.8%~23.3%,其中GU10与U处理间差异显著 (P < 0.05);培养至第5天,尿素已基本水解完毕,各尿素处理土壤尿素态氮含量与不施尿素处理 (CK) 间无显著差异 (P > 0.05)。

        图  1  不同处理土壤中尿素态氮的动态变化

        Figure 1.  Dynamics of urea-N of soil under different treatments

      • 尿素施入土壤后,随培养时间的延长,NH4+-N含量总体上呈现先增加后降低的趋势 (表2)。与U处理相比,培养1天内,GU处理可减缓尿素态氮向NH4+-N的转化,之后促进尿素态氮向NH4+-N的转化。培养0.5和1天时,GU处理的土壤NH4+-N含量均低于U处理,GU10处理的土壤NH4+-N含量较U处理分别降低了12.5%和16.8%,差异显著 (P < 0.05);在培养的第3~21天,GU处理的土壤NH4+-N含量均高于U处理,其中培养5天时,GU处理的土壤NH4+-N含量较U处理显著提高了45.2%~58.3% (P < 0.05),但不同GU处理的土壤NH4+-N含量差异不显著 (P > 0.05)。

        表 2  不同处理对铵态氮含量的影响

        Table 2.  Effects of different treatments on NH4+-N content

        处理
        Treatment
        葡萄糖 (%)
        Glucose
        培养时间 Incubation time (d)
        0.513571421
        CK4.92 c3.22 d7.24 c4.30 c1.44 c1.43 c0.76 a
        U0205.17 a220.65 a221.09 b56.35 b2.03 c4.47 b0.93 a
        GU0.5 0.5202.03 a215.83 a244.19 ab86.24 a2.08 c8.29 a1.62 a
        GU11195.31 ab210.06 ab246.43 ab89.21 a3.52 b8.48 a2.08 a
        GU55197.89 ab200.40 b247.25 ab84.13 a6.45 a9.63 a2.00 a
        GU1010 179.43 b183.52 c264.93 a81.80 a6.06 a8.21 a2.37 a
        注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Different letters in same column mean significant difference among treatments at the 5% level.
      • 培养期间,不同尿素处理的土壤NO3-N含量表现出逐渐增加的趋势 (表3)。与U处理相比,培养1天内,GU处理的土壤NO3-N含量有所降低,之后提高了土壤NO3-N含量。培养0.5和1天,GU5、GU10处理的土壤NO3-N含量较U处理的土壤分别降低9.8%~19.4%和30.2%~51.8%,差异显著 (P < 0.05),而GU0.5、GU1处理与U处理差异不显著 (P > 0.05);培养第5天,GU处理的土壤NO3-N含量较U处理显著提高23.0%~38.6%(P < 0.05),且随葡萄糖添加量的增加而增加;培养至第14天,GU5与GU10处理的土壤NO3-N含量较U处理提高12.7%~17.4%,差异显著 (P < 0.05),而GU0.5、GU1处理与U处理差异不显著 (P > 0.05)。

        表 3  不同处理对硝态氮含量的影响

        Table 3.  Effects of different treatments on NO3-N content

        处理
        Treatment
        葡萄糖 (%)
        Glucose
        培养时间 Incubation time (d)
        0.513571421
        CK75.34 b84.25 c99.23 b65.58 d55.37 c67.01 c105.47 b
        U099.26 a148.37 a260.95 a277.92 c284.49 b373.70 b532.19 a
        GU0.5 0.5101.90 a139.75 ab274.81 a341.78 b342.85 ab376.84 b524.88 a
        GU1193.47 ab132.83 ab273.80 a341.97 b350.68 ab365.01 b522.76 a
        GU5589.52 b103.52 bc279.70 a364.76 ab356.05 a421.03 a521.43 a
        GU1010 80.04 b71.55 c298.91 a385.22 a393.87 a438.89 a528.78 a
        注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Different letters in same column mean significant difference among treatments at the 5% level.
      • 在整个培养期间,各尿素处理土壤矿质氮含量呈现先增加后降低之后又增加的趋势 (表4)。与U处理相比,培养1天内,GU处理的土壤矿质氮含量有所降低,之后提高了土壤矿质氮含量。培养0.5和1天,GU10处理的土壤矿质氮含量较U处理显著降低14.8%和30.9%(P < 0.05),而GU0.5、GU1、GU5处理与U处理差异不显著 (P > 0.05);培养第3~7天,各尿素处理土壤矿质氮含量随培养时间的延长逐渐降低,其中,培养至第5天,GU处理的土壤矿质氮含量较U处理提高了28.0%~39.7%,差异显著 (P < 0.05),且随葡萄糖添加量的增加而增加;培养至第14天,GU5与GU10处理的土壤矿质氮含量较U处理提高了13.9%~18.2%,差异显著 (P < 0.05),而GU0.5、GU1处理与U处理差异不显著 (P > 0.05)。

        表 4  不同处理对矿质氮含量的影响

        Table 4.  Effects of different treatments on mineral nitrogen content

        处理
        Treatment
        葡萄糖 (%)
        Glucose
        培养时间 Incubation time (d)
        0.513571421
        CK80.26 c87.47 c106.47 c69.88 c56.81 c68.44 c106.23 b
        U0304.43 a369.02 a482.04 b334.27 b286.52 b378.17 b533.12 a
        GU0.5 0.5303.93 a355.58 a519.00 ab428.02 a344.93 ab385.13 b526.50 a
        GU11288.78 ab342.89 ab520.23 ab431.18 a354.20 ab373.49 b524.84 a
        GU55287.41 ab303.92 ab526.95 ab448.89 a362.50 a430.66 a523.43 a
        GU1010 259.47 b255.07 b563.84 a467.02 a399.93 a447.10 a531.15 a
        注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Different letters in same column mean significant difference among treatments at the 5% level.
      • 随培养时间的延长,各尿素处理土壤脲酶活性均表现出提高-降低-提高的趋势,但不同尿素处理对土壤脲酶活性的影响存在一定的差异 (表5)。培养第3天,GU5、GU10处理的土壤脲酶活性分别比U处理提高了1.9%和4.4%,差异显著 (P < 0.05),而GU0.5、GU1处理的土壤脲酶活性与U处理无显著差异 (P > 0.05),说明尿素中添加5%和10%葡萄糖在施用3天时可提高土壤脲酶活性。培养至第14天,施用GU处理的土壤脲酶活性较U处理提高了27.2%~42.4%,差异显著 (P < 0.05)。培养第21天,各尿素处理土壤脲酶活性趋于一致。

        表 5  不同处理对土壤脲酶活性的影响

        Table 5.  Effects of different treatments on urease activity of soil

        处理
        Treatment
        葡萄糖 (%)
        Glucose
        培养时间 Incubation time (d)
        0.513571421
        CK1.26 a1.61 a3.37 a3.54 a1.60 a2.19 a3.27 a
        U01.23 a1.70 a3.15 b3.26 b1.48 a1.51 b3.25 a
        GU0.5 0.51.25 a1.69 a3.14 b3.48 a1.52 a1.92 a3.24 a
        GU111.19 a1.70 a3.15 b3.27 b1.63 a2.15 a3.31 a
        GU551.13 b1.69 a3.21 a3.23 b1.57 a2.04 a3.33 a
        GU1010 1.16 ab1.70 a3.29 a3.38 ab1.57 a1.92 a3.28 a
        注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Different letters in same column mean significant difference among treatments at the 5% level.
      • 图2可以看出,不同尿素处理的土壤β-葡萄糖苷酶活性表现出先保持稳定后增加的趋势。培养第3天,GU处理的土壤β-葡萄糖苷酶活性较U处理提高了6.3%~9.0%,差异显著 (P < 0.05),但不同GU处理间差异不显著 (P > 0.05);培养第14天,各尿素处理土壤β-葡萄糖苷酶活性较培养前期 (3~5天) 有所提高,但不同尿素处理间差异不显著 (P > 0.05)。

        图  2  不同处理土壤β-葡萄糖苷酶活性的动态变化

        Figure 2.  Dynamics of β-glucosidase activity of soil under different treatments

      • 培养期间,各尿素处理土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性总体上呈现逐渐增加趋势,但不同尿素处理间有所不同 (图3)。培养第5天,GU0.5、GU1处理的土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性与U处理差异不显著 (P > 0.05),而GU5和GU10处理分别比U处理提高了47.8%和52.4%,差异显著 (P < 0.05),说明在培养前期,含葡萄糖量较高的尿素可提高土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性。培养至第14天,不同尿素处理间土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性差异不显著 (P > 0.05)。

        图  3  不同处理土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性的动态变化

        Figure 3.  Dynamics of N-acetyl-glucosaminidase activity of soil under different treatments

      • 培养期间,各尿素处理土壤亮氨酸氨基肽酶活性表现出先降低后保持稳定的趋势,但各尿素处理间存在一定差异 (图4)。培养第3天,GU0.5、GU1和GU5处理的土壤亮氨酸氨基肽酶活性与U处理差异不显著 (P > 0.05),但GU10处理的土壤亮氨酸氨基肽酶活性较U处理提高了21.3%,差异显著 (P < 0.05);培养第5和14天时,各尿素处理间土壤亮氨酸氨基肽酶活性无显著性差异 (P > 0.05)。由此可知,在本试验条件下,添加较高的葡萄糖 (10%) 时,可在短期内显著提高土壤亮氨酸氨基肽酶活性。

        图  4  不同处理土壤亮氨酸氨基肽酶活性的动态变化

        Figure 4.  Dynamics of L-leucine aminopeptiase activity of soil under different treatments

      • 在整个培养期间,各尿素处理土壤pH大体上呈现先升高后降低的趋势 (表6)。培养1天,各尿素处理土壤pH较CK增加了0.03~0.09。培养5天后,各尿素处理土壤pH有所降低。与U处理相比,培养3天时,GU1、GU5和GU10处理的土壤pH显著降低了0.05~0.10(P < 0.05),GU0.5处理的土壤pH与U处理无显著差异 (P > 0.05)。

        表 6  不同处理对土壤pH的影响

        Table 6.  Effects of different treatments on soil pH

        处理
        Treatment
        葡萄糖 (%)
        Glucose
        培养时间 Incubation time (d)
        0.513571421
        CK7.54 b7.55 c7.63 a7.64 a7.67 a7.68 a7.65 a
        U07.56 b7.58 bc7.62 ab7.60 b7.53 b7.50 b7.46 bc
        GU0.5 0.57.56 b7.60 b7.58 bc7.60 b7.52 b7.52 b7.45 c
        GU117.60 ab7.61 ab7.57 c7.61 ab7.53 b7.51 b7.48 b
        GU557.62 a7.64 a7.56 c7.60 b7.51 bc7.49 b7.45 c
        GU1010 7.63 a7.64 a7.52 d7.59 b7.47 c7.48 b7.44 c
        注(Note):同列数值后不同字母表示处理间差异达 5% 显著水平 Different letters in same column mean significant difference among treatments at the 5% level.
      • 根据土壤胞外酶活性与尿素转化有关指标的相关分析结果 (表7) 可以看出,在培养3天时,土壤尿素态氮含量与β-葡萄糖苷酶间呈显著负相关 (P < 0.05),NH4+-N含量除了与亮氨酸氨基肽酶无显著相关性 (P > 0.05),与其它土壤胞外酶活性呈显著或极显著正相关 (P < 0.01或P < 0.05),而NO3-N含量在培养3和5天分别与β-葡萄糖苷酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶活性呈极显著正相关 (P < 0.01)。总体上,矿质态氮含量与土壤胞外酶活性基本呈正相关,其中,与脲酶、β-葡萄糖苷酶及乙酰氨基葡萄糖苷酶活性在培养3天时呈显著或极显著正相关 (P < 0.01或P < 0.05),与乙酰氨基葡萄糖苷酶活性在培养至5天时仍呈显著正相关 (P < 0.05),但与其它胞外酶活性间无显著相关性 (P > 0.05)。土壤pH与土壤胞外酶活性基本呈负相关,在培养3天时与β-葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶呈极显著负相关 (P < 0.01)。可见,土壤胞外酶活性主要在尿素培养前期受到显著影响,其中脲酶、β-葡萄糖苷酶和乙酰氨基葡萄糖苷酶活性受影响较强,亮氨酸氨基肽酶受影响较弱。

        表 7  土壤胞外酶活性与尿素转化有关指标间的相关系数

        Table 7.  Correlative coefficients between extracellular enzyme activities and related indices of urea transformation

        培养时间
        Incubation time

        Enzyme
        尿素态氮
        Urea-N
        NH4+-NNO3-N矿质态氮
        Mineral N
        pH
        3脲酶Urease0.0460.716**0.3350.609**–0.448
        β-葡萄糖苷酶β-Glucosidase–0.541*0.545*0.650**0.747**–0.667**
        乙酰氨基葡萄糖苷酶NAG–0.0770.650**0.3410.579*–0.457
        亮氨酸氨基肽酶LAM–0.3380.4620.3260.471–0.632**
        5脲酶Urease0.3060.1630.1470.167–0.336
        β-葡萄糖苷酶β-Glucosidase0.253–0.120–0.068–0.058–0.129
        乙酰氨基葡萄糖苷酶NAG–0.3200.3460.612**0.598*–0.351
        亮氨酸氨基肽酶LAM0.0130.094–0.381–0.2790.182
        14 脲酶Urease0.646**0.0830.1350.059
        β-葡萄糖苷酶β-Glucosidase0.307–0.427–0.3900.390
        乙酰氨基葡萄糖苷酶NAG0.4130.1040.135–0.098
        亮氨酸氨基肽酶LAM–0.145–0.184–0.191–0.160
        注(Note):NAG—乙酰氨基葡萄糖苷酶 N-Acetyl-glucosamidase; LAM—亮氨酸氨基肽酶 L-Leucine aminopeptidase; *—P < 0.05, **—P < 0.01.
      • 本研究结果说明,葡萄糖与尿素结合可在短期内 (培养1天) 减缓尿素在土壤中的水解与转化 (图1表2),而且随着葡萄糖添加量的增加作用效果增强。陈栓虎等[19-22]研究发现,葡萄糖在加热条件下水解得到5-羟甲基-2-糠醛 (HMF) 的醛基可与尿素的氨基发生聚合反应。另外,通过对含葡萄糖尿素进行傅里叶红外表征 (图5) 可以看出,普通尿素 (U) 与含葡萄糖尿素 (GU0.5、GU1、GU5、GU10) 的傅里叶红外图谱相似,但是与U相比,GU0.5与GU1在1600 cm–1处的伯酰胺NH2变角振动强度略有降低,而GU5与GU10在1600 cm–1处的伯酰胺NH2变角振动消失,并且对3440~3346 cm–1处的伯胺NH2对称和反对称伸缩振动峰进行峰面积积分后发现,与U相比,GU的相对面积有所减少,减少幅度依次为3.6%、0.8%、35.1%和51.1%,这说明葡萄糖加入到熔融尿素中,会与尿素分子发生结合,减少尿素结构中伯酰胺氮含量,这可能是培养初期尿素缓释的原因。

        图  5  含葡萄糖尿素的傅里叶变换红外图谱

        Figure 5.  FTIR spectra of urea containing glucose

        我们同时发现,培养3天后加速了尿素的分解,促进了尿素向NH4+-N的转化 (图1表2)。一方面可能是随着葡萄糖被微生物利用,与其结合的尿素暴露在土壤环境中,在微生物作用下加速了尿素的分解;另一方面,土壤脲酶活性受土壤有机质、全氮、速效氮含量和微生物数量等因素的影响[23]。尿素施入土壤后可使土壤脲酶活性增强[24],加快自身水解,增加土壤中NH4+-N含量,促进硝化作用形成NO3-N[25]。尿素与外源碳一起施入土壤,可通过改变土壤相关酶活性和微生物含量及其群落结构等因素影响尿素在土壤中的转化[26-27],通过为土壤微生物生长提供养分来源,提高土壤微生物生物量水平[28-31],激发土壤有关微生物分泌脲酶,提高脲酶活性[32]。本研究向尿素中加入葡萄糖,含葡萄糖尿素处理较普通尿素可提高土壤脲酶活性 (表5),这与刘冲[33]研究结果一致。硝化作用底物的升高更利于硝化作用的进行[34],氨氧化作用作为硝化作用的限速步骤[35-36],氨氧化细菌以二氧化碳作为唯一碳源进行自养生长[37],添加可溶性碳可增强土壤呼吸作用[38-39],促进二氧化碳的释放[40],从而提供氨氧化细菌生长条件,增强土壤硝化作用,进而提高土壤NO3-N含量,并释放出H+,造成土壤pH下降。

        土壤胞外酶是碳氮转化的重要驱动因子,可以反映土壤有机质分解和养分循环的活跃程度,是表征土壤生物多样性和土壤肥力水平的重要生物学指标[41]。施肥改变了土壤酶活性,施用氮肥通常能够提高大多数涉及土壤氮矿化和糖、纤维素分解相关的酶活性[42],这可能是由于微生物通过同化利用这些施入的氮素来促进自身的生长,导致产生的酶数量和种类均显著增加所致[43]。本研究结果表明,随着培养时间的延长,各施肥处理的β-葡萄糖苷酶与乙酰氨基葡萄糖苷酶活性呈现逐渐增加的趋势 (图2图3),这与于跃跃等[44]研究结果相似。与土壤氮循环相关的亮氨酸氨基肽酶活性呈现先降低后保持稳定的趋势 (图4),反映了亮氨酸氨基肽酶对施入尿素的快速适应,而随着尿素的快速水解,在中后期使得相关微生物活性下降,进而限制了亮氨酸氨基肽酶活性。含葡萄糖尿素处理的土壤胞外酶 (β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶与亮氨酸氨基肽酶) 活性较普通尿素处理在培养前期有所提高,这是因为施用含葡萄糖尿素能够直接增加碳源,为微生物提供养分,促进土壤微生物数量增加和酶活性增强。但仅有培养3天时GU处理的土壤β-葡萄糖苷酶、GU10处理的土壤亮氨酸氨基肽酶和培养5天时GU5、GU10处理的土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶,与U处理的差异达显著水平 (图2图3图4),这可能与葡萄糖添加量较小有关,也可能与葡萄糖对土壤微生物活性仅有较小且短暂的影响有关。

        土壤酶活性与土壤养分转化密切相关,可反映养分转化的强弱,表征土壤肥力[45]。本研究结果表明,在培养前期,土壤中NH4+-N、NO3-N、矿质态氮含量与土壤β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶活性存在显著或极显著正相关 (表7),这与前人[46-47]的研究结果一致。β-葡萄糖苷酶与乙酰氨基葡萄糖苷酶属于碳水化合物分解酶类,与土壤有机质分解转化密切相关[48],可能是由于含葡萄糖尿素施入土壤,直接刺激微生物对β-葡萄糖苷酶与乙酰氨基葡萄糖苷酶的分泌,促进有机质的分解;并且在短期内改变了土壤C/N,促使土壤中有机氮的矿化速率大于矿质氮的生物固持速率,提高了有机氮的净矿化[49]。土壤酶活性与土壤pH也关系密切[50]。据研究,潮土pH的降低可能使土壤相关微生物处于更适宜生长的环境中[51],有利于土壤酶活性的提高。土壤pH变化可能通过改变酶空间构象、氨基酸残基微环境而影响其活性[52],或者影响土壤微生物的活性进而影响土壤酶的催化活性[53]。本研究结果表明,土壤pH在培养前期与土壤β-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶活性存在极显著负相关关系 (表7),这与艾超等[54]研究结果一致。

      • 在本试验条件下,以不同量 (0.5%~10%) 的葡萄糖与尿素熔融结合制备含葡萄糖尿素,其对尿素在潮土中的转化和相关土壤酶活性的影响不同:土壤培养1天内,含葡萄糖尿素较普通尿素减缓尿素转化,此后则表现为促进尿素转化的作用。含葡萄糖尿素处理的土壤矿质氮 (NH4+-N、NO3-N) 含量较普通尿素平均提高5.5%~8.8%,特别在培养的第3~7天,平均提高17.1%~29.7%。含葡萄糖尿素对土壤脲酶、β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶的活性具有不同程度的提高作用;并且,矿质态氮在培养前期与脲酶、β-葡萄糖苷酶及乙酰氨基葡萄糖苷酶活性呈显著或极显著正相关关系,pH与β-葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶呈极显著负相关关系。

    参考文献 (54)
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