植烟黄壤微生物生态特征与氮素的矿化和硝化作用

陆引罡，谢永平，湛方栋，丁美丽

（1.贵州大学，贵阳 550025；2.贵州省烟草公司贵阳市分公司，贵阳 550001；3.云南农业大学，昆明 650223）

贵州植烟黄壤一般比较粘重，烤烟生长前期低温多雨，土壤氮素的生物有效性不高，氮素供不应求，难于满足烟苗前期生长的需要。但是，在烟叶生长后期，气温升高，土壤氮素的生物有效性过高，氮素供过于求，致使烟叶难于落黄，上部烟叶可用性不高，烟碱含量偏高，严重影响了烟叶的产量品质。由此可见，土壤氮素的供应与烤烟的需要不协调是贵州烟叶产量不高、品质低下的主要原因之一。研究表明，土壤微生物态氮占土壤全氮量的1%～5%，为全年植物吸收氮量的 60%左右。该氮库的周转期为0.5～1年，其中根际的周转率比土体快得多。对许多植物而言，氮素周转期只有 0.2～0.6年，因此这部分养分的释放量常大于这些植物的吸收量；土壤微生物态氮释放的养分能满足小麦和玉米生长的需要。施入土壤的无机氮肥的绝大部分在短时间内就被微生物同化进入微生物氮库[1]。由此可见，微生物态氮的数量和周转强度可以用来表征氮素供应的容量和强度。由于土壤微生物的活性受到植物根系供应的碳源和能源以及根际土壤水分和养分的制约，所以研究土壤养分—微生物活性的相互作用及其机理，掌握土壤微生物氮素的转化规律，是实现合理使用氮肥、提高烟叶产质量的关键性基础工作。弄清烟地土壤中与氮素转化有关的微生物种类、数量、生理活性、动态变化，以及它们参与土壤氮库转化的生物化学过程及主控因子，可以弄清烟地土壤氮素供应的机理，协调土壤氮素供应与烤烟氮素需要，对于提高烟叶的产量、品质有重要的理论意义和应用价值。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

土壤采自贵阳市花溪区，按中国土壤分类标准确定为黄壤，由沙页岩风化物发育形成，属于贵州省典型的地带性分布土壤，也是贵州省主要的植烟土壤。土壤的基本性质是pH 6.5，有机碳15.86g/k，全氮 1.94 g/kg，碱解氮 126.2 mg/kg，速效磷 7.6 mg/kg，速效钾 53.4 mg/kg，阳离子交换量 12.15 cmol/kg。

1.2 试验设计

设置常规施肥（有机肥＋施氮 105 kg/hm2）与不施氮肥（施有机肥）2个处理，小区面积333 m2，3次重复。烤烟品种为K326，分别在团棵期、现蕾期和成熟期（上部叶成熟），各处理选取15株健壮烤烟，去掉0～5 cm的表面土，然后挖取表层5～40 cm的根系，用小刀把大块土壤除去，再轻轻抖动除去粘附在根表上的土粒，混合样品后用灭菌的塑料纸带回实验室，称取约8.00 g鲜根系，置于盛有100.0 mL无菌水的三角瓶中，振荡15 min，除去根系后得到烤烟的根际土悬液备用[2]。

1.3 土壤微生物区系测定

细菌、真菌、放线菌采用平板培养法。细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基，放线菌采用改良高氏1号培养基[3]，真菌采用马丁氏培养基。

1.4 土壤微生物活性指标测定

1.4.1 土壤微生物生物量碳、氮的测定 土壤微生物生物量碳的测定采用氯仿熏蒸—0.5 mol/L K2SO4提取法，TOC自动分析仪测定；土壤微生物生物量氮的测定采用熏蒸提取—开氏定氮法测定微生物生物氮量[4]。

1.4.2 土壤氨化作用强度、硝化作用强度分析 土壤氨化作用测定采用土壤培养法，用半微量开氏定氮蒸馏法测定NH4+-N的含量；土壤硝化作用测定采用溶液培养法，用比色法测定NO2-N的减少量[4]。

1.5 土壤氮素矿化率测定

100 g土样与0 g或0.5 g 氮混合，调节加氮处理的C/N为9和13后装入950 mL培养瓶。各处理加水至土壤最大持水量的70%，放入碱管加盖密封后置于恒温箱（30℃）内进行培养，4次重复，培养期为45 d（团棵期）、70 d（现蕾期）、90 d（成熟期），测定土壤氮素矿化率[4]。

2 结 果

2.1 植烟黄壤微生物群落结构的变化

图1 烤烟根际细菌数量动态变化Fig.1 Quantity dynamics of flue-cured tobacco rhizosphere bacteria

图2 烤烟根际放线菌、真菌数量动态变化Fig.2 Quantity dynamics of flue-cured tobacco rhizosphere ctinomycetes and fungi

表1 无机氮对土壤有机碳矿化的影响Table1 Effects of nitrogen on mineralization ratio of organic carbon

如图 1、2所示，施用氮肥处理与未施氮肥处理黄壤根际微生物三大菌数量的变化趋势一致。各处理土壤的微生物总量在现蕾期以前差异显著，但在成熟期差异不明显。就各类微生物数量而言，大田烤烟根际微生物数量呈细菌＞放线菌＞真菌的趋势；旺长期根际细菌数量剧增，成熟期剧减；根际放线菌和真菌数量在成熟期剧增。这表明在烤烟旺长期，根系分泌作用强烈，根际细菌对根分泌物的利用率和敏感性远远超过放线菌和真菌，出现微生物数量的高峰；在成熟期，可能由于根际细菌数量的剧减，对营养源和能源的竞争下降，使得放线菌和真菌有相对较多营养源和能源。值得注意的是，烤烟生育前期无机氮的施用虽然明显促进了土壤固有细菌数量的增加，但并未明显促进土壤有机碳的矿化（表1），与未施氮处理同期相比，其矿化率反而降低 0.22×10-4d-1；烤烟生长的中期（现蕾期）土壤细菌数量达到高峰，矿化率高于未施氮处理，且达最大值，土壤有机碳矿化量也达高峰，后期土壤细菌数量剧减，矿化率相应降低，土壤有机碳矿化也表现出明显的下降，可见，烤烟生育中后期细菌数量的变化规律与土壤氮素转化有相当的正相关关系。

2.2 植烟黄壤微生物活性的变化

2.2.1 植烟黄壤氮素矿化和硝化作用强度变化表2数据表明，氮的矿化强度4～8月份逐渐升高，8月最高为28.25 μg/g·d，9月份大幅下降。这种变化与温度、降水、土壤湿度和土壤可矿化有机氮量有密切关系。4～8月份温度逐渐升高，8月降水量与土壤湿度较小，积累的易矿化有机氮被迅速矿化，进入9月份，由于土壤通气性下降，不利于氮素的矿化作用。在好气条件下的矿化强度比嫌气条件下高，同时，在前几个月易矿化的很多成分已被矿化，可矿化物质减少，因而氮矿化强度下降。从贵州烤烟生长发育进程来看，8月份正处于营养生长向生殖生长转化时期，以优质烟叶生产对土壤供氮的要求来看，此时对氮素的需求应该很少，甚至不供应氮素还有利于提高上部烟叶的质量，但此期氮素矿化量高，与上部烟叶对氮的需求相互矛盾。

4～9月份的总硝化趋势是上升的，6月和7月硝化强度最高，最高值出现在 6月份（29.32 μg/g·d），这与 5月和 6月土壤中硝化作用的基质NH4+-N的含量较高有密切关系；8月和9月硝化强度大幅度降低，与土壤相对干燥有关，而硝化细菌只有在湿润条件下活动才强烈。比较表2的数据，可以发现硝化强度大于矿化强度，主要是由于硝化作用的基质除了来自于矿化的NH4+-N外，更多的是来自于肥料中的 NH4+-N。此外，硝化作用强度最高值的出现时间比矿化作用早 1～2个月，这表明硝化作用主要是以肥料中的NH4+-N为基质的，也说明了植烟黄壤中参与硝化作用的微生物主要为异养型细菌或诱导型细菌，这为制定土壤微生物活性的调控技术措施提供了依据。

植烟黄壤中氮矿化、硝化强度与当月降雨量、气温等气候因素之间具有很好的相关性（图3）。降雨、气温是影响土壤氮矿化、硝化的关键因素，植烟黄壤中氮矿化、硝化强度与降雨量、气温呈正相关。植烟黄壤中氮矿化、硝化强度随季节降雨量、气温的变化规律可为目前进行的烟水工程技术提供理论依据。

表2 植烟黄壤氮素矿化、硝化强度动态 μg/g·dTable2 Nitrogen mineralization and nitrafication dynamics of yellow soil with tobacco

图3 植烟黄壤矿化及硝化强度与气候因子的关系Fig.3 Relationship between nitrogen mineralization and nitrafication and climate factors in yellow soil

2.2.2 植烟黄壤微生物生物量碳(Cmic)、氮(Nmic)及Cmic:Nmic比的变化 由于施入土壤的无机氮肥的绝大部分在短时间内就被微生物同化进入微生物氮库，但随着作物的生长，这些被固定的养分又有很大部分释放出来供作物吸收利用[5]，无机氮肥的生物固定和有机肥的矿化，是土壤中同时发生在氮素转化过程中两个极其重要的过程，这两个过程进行的方向和强弱影响到烤烟的氮素营养状况[6]，王岩等人研究表明[7]，这两个过程主要受土壤中易分解的有机碳源和无机氮源数量的影响。氮素从无机氮转化成土壤有机氮中间要经历一系列过程，这些过程大多发生在土壤微生物细胞内，因而微生物态氮的数量和周转强度可以用来表征氮素供应的容量和强度。因此，阐明土壤微生物生物量碳(Cmic)、氮(Nmic)及 Cmic︰Nmic比的消长过程有利于揭示植烟黄壤氮素固定和矿化的本质。

从图 4、5可以看出，施肥后至团棵期，微生物生物量碳有很大的上升幅度(与未施肥的对照相比升高了44%)，微生物生物量氮也有相似的变化规律（与未施肥的对照相比升高了 30%），这说明在烤烟团棵期以前所施用的氮肥以生物固定为主，促进有机碳矿化的作用不明显，微生物与烟苗对氮的吸收有很强的竞争作用。由于烟地土壤在烤烟生长前期的硝化与反硝化损失也较大，导致贵州植烟黄壤上烤烟前期养分供应不足、营养生长不良，这可能是烤烟产量与质量较低的重要原因之一。

图4 黄壤微生物碳量的变化Fig.4 Changes of microbial carbon biomass in yellow soil

图5 黄壤微生物氮量的变化Fig.5 Changes of microbial nitrogen biomass in yellow soil

随着烤烟进入生育旺盛期，根系分泌作用强烈，根分泌物数量大，微生物生物量碳、微生物生物量氮从前期到中期（生育旺盛期）的过度却相对平稳，其促使土壤矿化增加烤烟氮素营养的作用与烤烟旺盛的氮素需要不协调；在烤烟生育后期，微生物生物量碳、微生物生物量氮逐渐下降，此时烟地土壤中的细菌数量也出现了大幅度的下降，土壤矿化作用强度相应下降。施用肥料（氮肥）处理与对照(未施氮肥处理)的微生物生物量碳(Cmic)、氮(Nmic)量在现蕾期以前呈显著性差异，但在成熟期差异不明显。

植烟黄壤微生物量碳、氮比的变化显示（图6），对土壤施肥提高了微生物Cmic︰Nmic比，在团棵期和旺长期呈小幅上升，在成熟期尤其突出，此时微生物可释放出一部分多余的氮素，虽然数量不大，但这有利于烤烟生育前期对氮素的需要，但后期微生物释氮对烤烟质量不利。不施肥处理的土壤也有类似变化。从植烟黄壤微生物量碳、氮比的变化可推断，由于微生物量碳、氮比在烤烟整个生育期均呈上升趋势，成熟期上升幅度更大，调节烤烟生育后期土壤的碳、氮比例将有利于上部烟叶品质的提高。

图6 黄壤微生物碳氮比的变化Fig.6 Changes of microbial C:N ratio in yellow soil

3 结 论

（1）连续 2年的试验结果表明，烤烟生育中期和后期细菌数量的变化规律与土壤氮素转化呈正相关关系；植烟黄壤矿化强度变化与温度、降水、土壤湿度和土壤可矿化有机氮量有密切关系，贵州地区植烟黄壤矿化强度在8月达到最高值（28.25 μg/g·d）；植烟黄壤氮的硝化强度随土壤水分及硝化基质的含量而变化，贵州地区最高值出现在 6月份（29.32 μg /g·d）。

（2）土壤微生物生物量碳、氮及Cmic︰Nmic比在植烟黄壤施氮肥或不施氮肥的变化基本一致，至烤烟生长中期，所施用的氮肥大部被微生物生物固定，这可能是导致贵州植烟黄壤上烤烟前期养分供应不足、营养生长不良的重要原因之一。而后期微生物生物量碳、微生物生物量氮虽逐渐下降，但微生物Cmic︰Nmic比却有小幅上升，土壤仍有较强的矿化作用。根据贵州植烟黄壤上微生物活度变化规律，采用大壮苗深栽或提前起高垄结合覆膜等技术措施，通过基肥、追肥一次性施用或控制氮肥施用量的方法，对调节氨化、硝化细菌活性、改变土壤养分供应、满足烤烟对养分的需求规律具有较好的效果，对提高烤烟中下部烟叶质量也有较好的效果。

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