不同覆盖条件下旱稻土壤微生物区系及酶活性研究

2009-11-29刘秀英漳州师范学院外语系福建漳州363000江西农业大学生态科学研究中心江西南昌330045

长江大学学报(自科版) 2009年5期

关键词：旱稻分蘖生育期

刘秀英 (漳州师范学院外语系，福建漳州 363000；江西农业大学生态科学研究中心，江西南昌 330045)

黄国勤(江西农业大学生态科学研究中心，江西南昌330045；中国井冈山干部学院教学科研部，江西井冈山343600)

不同覆盖条件下旱稻土壤微生物区系及酶活性研究

刘秀英 (漳州师范学院外语系，福建漳州 363000；江西农业大学生态科学研究中心，江西南昌 330045)

黄国勤(江西农业大学生态科学研究中心，江西南昌330045；中国井冈山干部学院教学科研部，江西井冈山343600)

对不同覆盖条件下旱稻试验地土壤微生物区系及酶活性的研究结果表明，不同覆盖条件为微生物提供了特殊的土壤生态环境，使土壤物理性状发生了一定变化。在旱稻生育期，秸秆覆盖和地膜覆盖比不覆盖土壤中好气性细菌、真菌等8种微生物数量以及微生物总数有明显增加；秸秆覆盖和地膜覆盖比不覆盖土壤中蔗糖酶、蛋白酶等5种土壤酶活性有明显增强。在所有覆盖条件下，秸秆覆盖的效果较好。

旱稻；秸秆覆盖；地膜覆盖；土壤微生物区系；土壤酶活性

红壤旱地是我国南方重要的农业土壤资源。深度开发和合理利用红壤旱地资源,不仅在我国南方农业可持续发展中占有重要战略地位，而且一直是我国南方农业大发展的重要方向和研究重点[1～3]。近年来，覆盖栽培作为红壤旱地保护性耕作措施之一，日渐受到人们的广泛应用[4～10]。目前，地膜覆盖和秸秆覆盖是旱地保护性耕作的2种主要措施。国内外试验和生产实践证明，旱地覆盖栽培具有减少地表径流、保持土壤水分、调节土温、提高土壤肥力、保持土壤疏松等作用[11，12]。土壤微生物是土壤的重要组成部分，它对土壤肥力的形成及植物营养转化起着积极作用，但在旱稻覆盖条件下，土壤微生物的区系及酶活性研究鲜见报道。本研究旨在通过分析旱稻不同覆盖后土壤环境条件与微生物组成及酶活性的关系，在一定程度上推断土壤肥力发育的程度和发展趋势，培肥土壤，为覆盖栽培技术在南方地区红壤旱地的合理应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2005年在江西农业大学科技园(原农学院试验站)红壤旱地上进行，地处东经115055′02.040E，北纬28046′04.476N。年均温为17.6 ℃，日均温≥10 ℃的活动积温达5 600 ℃，持续天数255 d。年平均日照总辐射量为114.39 kcal/cm2，年平均日照时数为1 820.4 h，无霜期约272 d，年降水量1 624.4 mm。土壤为第四纪红粘土发育的红壤，地形为岗地。于2005年4月25日至10月8日进行。旱稻品种为‘中旱3号’。前作玉米收获后统一翻耕，4月25日播种旱稻，条播，行距为30 cm，播种量为30 kg/hm2。试验设3个处理：对照(CK)，不加地膜和秸秆；加地膜处理(简称P)，在旱稻播种前覆盖，旱稻出苗后挖小洞以利于出苗，后自然覆盖至成熟；加秸秆处理(简称S)，以干的水稻秸秆为材料，在旱稻出苗时覆盖，覆盖量为16 000 kg/hm2。每个处理重复3次，共9个小区，每个小区面积为33.3 m2，田间随机区组排列。

施钙镁磷肥375 kg/hm2(基肥)，氯化钾225 kg/hm2(基肥∶苗肥∶孕穗肥= 3∶3∶4)，尿素450 kg/hm2(基肥∶苗肥∶孕穗肥= 2∶3∶5)。在播种和施基肥后，分别用地膜、水稻秸秆覆盖旱稻田，以不覆盖作为对照。每个试验小区植沟灌水量、施肥量及其他田间管理一致。8月29日收获旱稻。

1.2 供试土样

分别在旱稻分蘖盛期、抽穗期和黄熟期进行采样，于各试验小区内取5个样点土壤的混和样品进行微生物区系分析；用灭菌器具按S型多点取0～20 cm耕作层土样，将采集的土壤样品，放在阴凉处，摊开晾干，然后剔出植物残体、石块和其它的杂物。将风干的土样磨碎，通过1 mm筛孔的土样用来测定土壤酶活性。

1.3 测定方法

(1)土壤微生物区系分析按照《土壤微生物分析手册》[13]进行。土壤微生物菌量计数：细菌、放线菌、真菌、氨化细菌、好气性自生固氮菌数量的测定采用平板培养测数法，培养基分别为牛肉膏蛋白胨琼脂、高氏一号培养基、马丁氏培养基、牛肉汁蛋白胨琼脂和改良瓦克斯曼77号培养基。硝化细菌、磷细菌和纤维素分解菌数量的测定采用液体稀释法，培养基分别为斯蒂芬逊、蒙吉娜卵磷脂和依姆歇茨基纤维素分解菌等培养基。

(2)土壤酶活性指标测定过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法；蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法；酸性磷酸酶采用苯磷酸二钠比色法；脲酶采用奈氏比色法；蛋白酶采用茚三酮比色法。

(3)土壤温度测定分别在苗期、分蘖盛期、乳熟期时，使用最高、最低温度计和曲管温度计，测定每天不同处理土壤平均温度。具体包括：0 cm、5 cm、15 cm、20 cm不同深度土壤温度，每天最高和最低土壤温度。具体参照《小气候与农田小气候》[14]。

(4)土壤含水量测定分别在分蘖期、孕穗期、成熟期时，间隔5 d采集土样1次，共9次，用烘干法测定土壤含水量，然后对各个时期的3个结果取平均值，作为该时期的平均土壤含水量。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖条件对土壤物理性状的影响

(1) 对土壤温度的影响从图1可知，覆盖处理后，土温随土壤层次的加深而随之降低，且覆盖对土温的影响主要是在0～5 cm和5～10 cm 2层，粗略的可分为0～10 cm土温易变层、10～15 cm的过渡层、15～20 cm及以下的基本稳定层。纵观整个旱稻生育期，覆盖的增温效应主要发生在旱稻幼苗时期，而降温效应主要发生在旱稻孕穗和蜡熟时期覆盖的调温作用在土壤表层表现突出。从土壤表层来看，春季地膜覆盖后土温比对照高7.5 ℃，地膜温度过高，超过幼苗的最适生长温度范围，容易造成烧苗或缺苗，不利用旱稻植株的正常生长。而秸秆比对照仅高2.5 ℃，有利于早春旱稻种子发芽。夏季地膜覆盖后，在旱稻孕穗期，土温比对照低2.75 ℃，秸秆比对照低7.5 ℃。在旱稻蜡熟期时，秸秆覆盖后土温比对照低6 ℃，极大地抑制了高温对根系的不利影响，降温效应十分明显，有利用旱稻籽粒成熟。

图1 旱稻不同生育期不同处理土温垂直变化Figure 1 The vertical variation of soil temperature of dry rice during different stages

处理水分分蘖盛期抽穗期成熟期CK25．18b19．56b23．09cP34．24a25．77a28．15bS34．04a27．94a32．45a

注：表中同列数字后字母相同者表示在0.05水

平差异不显著(Duncan极差法)。

(2)对土壤水分的影响从表1可知，处理P与处理S的含水量在各个生育期都比对照的土壤含水量明显要高。在分蘖盛期，土壤含水量大小顺序为：处理Pgt;处理Sgt;处理CK，分别比对照高35.98%、35.19%。方差分析表明，处理P与处理S差异不显著，但与对照差异显著。在抽穗期，处理S土壤含水量最高，比对照高42.84%，差异显著。处理P次之，比对照高31.75%，差异也显著。但处理S与处理P差异不显著。在成熟期，处理S土壤含水量也最高，比对照高40.53%，差异显著。处理P次之，比对照高21.94%，差异亦显著。同时，处理S与处理P之间差异显著。可见，地膜覆盖和秸秆覆盖都有明显的保水作用，其中以秸秆覆盖的效果较好，且保水作用在旱稻成熟期时最能体现。

2.2 不同覆盖条件对土壤微生物的影响

(1) 土壤微生物区系的动态变化影响从表2可知，在旱稻生育期，秸秆覆盖和地膜覆盖比不覆盖土壤中好气性细菌、放线菌和真菌微生物数量以及微生物总数有明显增加。不同覆盖条件下旱稻田的土壤微生物总量和细菌数量在各生育期的变化趋势一致，即从分蘖盛期到黄熟期微生物总量和土壤中3大类群微生物(好气性细菌、真菌、放线菌)数量逐渐减少，并于黄熟期达到最小值。微生物数量持续下降，这可能与当地7、8月份气温升高和土壤干旱有关，且旱稻的生长发育转向糖分的积累，根系代谢减弱，土壤养分转化放缓，不利于微生物的生长发育。不同覆盖条件下的旱稻田土壤中的微生物以细菌居优势，放线菌次之，真菌最少。这与一般土壤微生物区系相吻合[15]。具体表现为：

① 好气性细菌：在分蘖盛期，土壤中好气性细菌数量以处理S最高，比对照高923.26%，其次是处理P，比对照高738.40%。在抽穗期，以对照最高，分别比处理S、处理P高217.60%、309.19%。在黄熟期，以处理S最高，比对照高969.41%，其次是处理P，比对照高612.28%。由此可知，秸秆覆盖后更有利于土壤中好气性细菌的生长繁殖，尤其是在旱稻分蘖盛期和黄熟期表现最为明显。

② 放线菌：放射菌数量明显少于好气性细菌数量。在旱稻分蘖盛期，处理S土壤放射菌数量最高，比对照高347.70%，其次是处理P，比对照高26.48%。在抽穗期，对照最高，分别比处理P、处理S高7.24%、41.19%。在黄熟期，处理P最高，比对照高8.78%，其次是对照，处理S最低，比对照低88.79%。

③ 真菌：在旱稻的整个生育期，真菌的数量偏少。在旱稻分蘖盛期，处理P土壤真菌数量最高，处理S其次，分别比对照高148.63%、101.42%。在抽穗期，处理S最高，处理P次之，分别比对照高199.27%、53.61%。在黄熟期，处理S最高，处理P次之，分别比对照高52.86%、4.84%。对照土壤中真菌的数量明显少于其他2个处理，这可能是由于对照土壤无覆盖，增加了土壤水分的蒸发，同时土壤温度较高，缺乏较好的保水特性，致使不覆盖土壤中温度较高、湿度较低，不利于真菌的生长。

表2 不同覆盖条件下土壤微生物区系动态变化Table 2 The dynamic variation of soil microflora under different mulch conditions 104 cfu/g

(2)土壤微生物主要类群影响 ① 氨化细菌：从图2A可知，土壤中氨化细菌的数量直接反映了氨化作用的强度。在旱稻各生育期，其数量表现出下降的趋势。处理P土壤中氨化细菌总数量最多，是对照的4.82倍。其次是处理S，是对照的3.34倍。土壤中氨化细菌的数量与覆盖条件关系密切，不同覆盖条件下氨化细菌数量相差较大，以上说明地膜覆盖和秸秆覆盖有利于有机物经氨化细菌分解为氨气，供给旱稻氮素营养。

② 好气性自生固氮菌：从图2B可知，在旱稻各生育期里，不同覆盖条件下自生固氮菌数量表现先升后降的趋势，且在抽穗期达到最大值。好气性自生固氮菌数量较大，处理S和处理P土壤中固氮菌总数量分别为对照的1.94倍和1.10倍。土壤中好气性固氮菌数量的多少会影响土壤中氮素养分的含量，说明秸秆覆盖明显更有利于自生固氮菌的生长，更有利于抽穗期的氮素养分的吸收和转化，而且在抽穗期表现最为明显。

③ 硝化细菌：从图2C可知，在旱稻各生育期里，硝化细菌数量在抽穗期达到最大值后下降。与对照相比，处理S、处理P土壤中硝化细菌总数量都有增加，其中前者土壤中硝化细菌增加的幅度更为明显，是对照的14.54倍，处理P是对照的7.12倍。

④ 纤维素分解菌：从图2D可知，纤维素分解菌数量较大，且呈现不断上升趋势。处理S土壤中纤维素分解菌总数量最多，是对照的2.17倍。其次是处理P，是对照的1.54倍。这说明秸秆覆盖和地膜覆盖均有利于有机物的分解和转化。

⑤ 磷细菌：从图2E可知，随着旱稻的生长，覆盖处理土壤中磷细菌的数量均有所增加，在抽穗期增长到最大值，随后均逐渐减少。而对照处理土壤上磷细菌数量呈现一直增长趋势，但数量明显少于覆盖处理。土壤中磷细菌总数量以处理S最高，是对照的5.72倍，处理P次之，是对照的3.36倍。

图2 不同覆盖条件对土壤微生物主要类群的影响Figure 2 Effect of different mulch conditions on main soil microflora

2.3 不同覆盖条件对土壤微生物酶活性的影响

(1) 对蔗糖酶活性的影响从表3可知，土壤的蔗糖酶活性随着生育期的延长，变化趋势完全不一致。对照处理条件下，蔗糖酶活性呈先持平，后缓慢上升的趋势；处理P条件下，蔗糖酶活性呈先降低，后升高的变化趋势；处理S条件下，蔗糖酶活性呈先升高，后降低的变化趋势。

表3 不同覆盖条件下土壤微生物酶活性动态变化Table 3 The dynamic variation of soil microflora activities under different mulch conditions

土壤蔗糖酶活性在同一生育期内也存在差异。在分蘖盛期，土壤蔗糖酶活性大小为处理Pgt;处理Sgt;处理CK，分别为处理CK的1.28、1.26倍。在抽穗期，土壤蔗糖酶活性大小为处理Sgt;处理Pgt;处理CK，分别为处理CK的1.62、1.01倍。在黄熟期，土壤蔗糖酶活性大小为处理Sgt;处理Pgt;处理CK，分别为处理CK的1.24、1.09倍。在3种处理中，秸秆覆盖土壤蔗糖酶活性最强，土壤易溶性营养物质相对较多，土壤肥力相对较高，更有利于旱稻的生长发育。

(2)对蛋白酶活性的影响从表3可知，土壤的蛋白酶活性随着生育期的延长，变化趋势不完全一致。处理S和对照CK，土壤蛋白酶活性随着生育期的延长呈不断升高的趋势，说明随着生长期的延长，土壤蛋白酶活性有增加的趋势。但是处理P蛋白酶活性呈先降低，后升高的变化趋势，最小值出现在抽穗期，蛋白酶活性低，说明土壤中的氮素水平较低，而在分蘖盛期和黄熟期土壤蛋白酶活性较高。

土壤蛋白酶活性在同一生育期内也存在差异。在分蘖盛期，土壤蛋白酶活性大小为处理Sgt;处理Pgt;处理CK，分别为处理CK的2.73、2.07倍。在抽穗期，土壤蛋白酶活性大小为处理Sgt;处理CKgt;处理P，分别为处理CK的1.42、0.47倍。在黄熟期，土壤蛋白酶活性大小为处理Sgt;处理CKgt;处理P，分别为处理CK的1.21、0.96倍。土壤中蛋白酶活性与土壤中氮素营养的转化状况有极其重要的关系，蛋白酶活性高，表明土壤氮素水平高[16]。在3种处理中，秸秆覆盖土壤蛋白酶活性最强，土壤氮素水平相对较高，土壤肥力强，更有利于旱稻的生长发育。

(3)对酸性磷酸酶活性的影响从表3可知，土壤的酸性磷酸酶活性随着生育期的延长，变化趋势完全一致，均表现为先升高，后降低的变化趋势。土壤酸性磷酸酶活性在抽穗期时达到最大，此时土壤中磷素含量最高，但在黄熟期时活性降低至最低。

土壤酸性磷酸酶活性在同一生育期内大小变化也一致。在分蘖盛期，土壤磷酸酶活性大小为处理Sgt;处理Pgt;处理CK，分别为处理CK的1.15、1.10倍。在抽穗期，土壤磷酸酶活性大小为处理Sgt;处理Pgt;处理CK，分别为处理P、处理CK的1.60、1.38倍。在黄熟期，土壤磷酸酶活性大小为处理Sgt;处理Pgt;处理CK，分别为处理P、处理CK的2.42、1.18倍。由此可知，在旱稻不同生育期，处理S土壤酸性磷酸酶活性最高，处理P次之，对照最低，说明处理S土壤中磷素含量相对较高，且在抽穗期达到最高，此时更有利于旱稻的抽穗与成熟。

(4)对过氧化氢酶活性的影响从表3可知，旱稻各生育期过氧化氢酶活性变化趋势为：在对照时，过氧化氢酶活性逐渐下降。而在处理S和处理P时，过氧化氢酶活性均表现为先升高，后降低的趋势，且在抽穗期时达到最大值。过氧化氢酶具有一定的解毒作用，在覆盖条件下，在抽穗期土壤中过氧化氢酶的活性较高，说明抽穗期土壤过氧化氢酶的解毒作用较其它生育期和不覆盖处理的过氧化氢酶的解毒作用强。在分蘖盛期，土壤过氧化氢酶活性大小为处理CKgt;处理Pgt;处理S，分别为处理CK的0.55、0.53倍。在抽穗期，土壤过氧化氢酶大小为处理Sgt;处理Pgt;处理CK，分别为处理CK的1.13、1.04倍。在黄熟期，土壤磷酸酶活性大小为处理Pgt;处理Sgt;处理CK，分别为处理CK的1.31、1.17倍。由此可知，对照在分蘖盛期，过氧化氢酶活性最大，解毒作用最强，但营养生殖期却逐渐降低，不利于旱稻籽粒的结实和成熟，影响了旱稻的产量。

(5)对脲酶活性的影响从表3还可知，各个时期土壤脲酶活性均呈逐渐升高的趋势。处理S各时期土壤脲酶活性均高于其他两个处理。表现为：分蘖盛期，处理S土壤脲酶活性是处理CK的2.85倍，其次是处理CK，最低是处理P，是处理CK的0.73倍。抽穗期，是处理CK的2.37倍，其次是处理CK，最低是处理P，是处理CK的0.63倍。黄熟期，是处理CK的1.14倍，其次是处理P，是处理CK的1.38倍。脲酶是对尿素转化起关键作用的酶类，脲酶活性达到最大，说明这时土壤中的供应氮素能力较强，且脲酶活性是极为专性的，它仅能水解尿素生成氨。因此，土壤有效氮的水平必然与脲酶活性有关[17]，秸秆覆盖条件下土壤脲酶活性较高，说明秸秆覆盖时土壤的氮素代谢比较旺盛。

3 结论

在不同覆盖条件下，秸秆覆盖优于地膜覆盖，地膜覆盖优于不覆盖。其主要表现在：(1) 春季秸秆覆盖后，土温比不覆盖高2.5 ℃，有利于早春旱稻种子发芽和幼苗的生长发育。(2)地膜覆盖和秸秆覆盖都有明显的保水作用，其中以秸秆覆盖的效果较好，且保水作用在旱稻成熟期时最能体现，秸秆覆盖土壤含水量比对照高40.53%，差异显著。地膜覆盖比对照高21.94%，差异显著。(3)秸秆覆盖后增加土壤中好气性细菌等8种微生物数量，有利于微生物的生长繁殖，地膜覆盖次之，均优于不覆盖，提高作物对土壤中养分的吸收和利用；秸秆覆盖、地膜覆盖后也提高土壤中蔗糖酶等5种土壤酶活性，提高土壤氮素等代谢，增加土壤肥力。

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