施用玉米秸秆堆肥对盆栽芥菜土壤酶活性和微生物的影响

黄继川,彭智平,于俊红,林志军,杨林香

(广东省农业科学院土壤肥料研究所,广东养分资源循环利用与耕地保育重点实验室,广州市城乡废弃物农用资源化工程技术研究中心,广东广州510640)

玉米秸秆是丰富的农业资源,进行堆肥后还田是利用玉米秸秆较为合理的途径。土壤微生物与土壤酶一起作用于土壤物质转化和能量流动,并参于许多重要的生物化学反应过程。土壤中酶活性高低和微生物数量多少可以代表土壤中物质代谢的旺盛程度,是土壤肥力的一个重要指标;同时它们受施肥因素的影响可以迅速发生变化,常被用于评价土壤质量的生物学特性[1]。近年来,许多学者从不同角度对土壤酶和土壤微生物进行了研究。在施肥方面主要研究施用化肥、有机肥或秸秆还田等条件下的土壤酶活性及根际微生物的数量和组成变化,发现施肥能够对土壤微生物和土壤酶产生显著影响[2-3]。秸秆堆肥还田具有改善土壤物理性状、补充土壤养分、提高土壤有效养分含量、改善土壤微生态环境等作用[4-5];但施用玉米秸秆堆肥势必会对土壤中酶活性和微生物群落结构造成影响。为此,本研究采用盆栽试验探讨施用玉米秸秆堆肥对土壤微生物和酶活性的影响,为玉米秸秆堆肥对土壤微生态环境的影响提供科学研究依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

盆栽试验于2008年11月11日在广东省农业科学院土壤肥料研究所网室进行。供试土壤为砂壤,其有机质含量9.2 g/kg、碱解氮 52 mg/kg、速效磷 81.71 mg/kg、速效钾73.42 mg/kg、pH 5.09。

试验共设4个处理,分别为化肥(N)、玉米秸秆堆肥(M)和二者配施(NM)以及无肥对照(CK),其中配施处理堆肥与化肥的比例为1∶1,施肥的 3个处理为等氮量,每盆装土12 kg,按每盆施N 2.5 g计算。供试作物为586号客家芥菜(Brassica juncea),所用堆肥为玉米秸秆与花生麸堆制的腐熟肥,含N 21.72 g/kg、P2O524.27 g/kg、K2O 27.83 g/kg、pH 8.67、有机质64.52%;化肥为尿素、过磷酸钙、氯化钾,按 N∶P2O5∶K2O=2∶1∶1 配比 ,所有肥料拌土一次性施入15—30 cm耕层并浇湿预培养3 d,每个处理12盆,每盆种芥菜4棵,随机排列,管理一致。

1.2 样品采集与测定

分别在芥菜的苗期(20 d)、旺长期(40 d)和收获期(60 d)采集土壤样品,每次每个处理采集4盆。采用剥落分离法[6-7]取样,将带土植株取出,轻轻抖动,粘附在根系上的土壤作为根际土壤样品。取样后一部分样品立即进行土壤微生物的测定,一部分土样冷冻干燥过筛后进行土壤酶活性测定。

土壤有机质、pH值、碱解N、速效K和速效P采用鲍士旦的方法测定[8]。

脲酶采用苯酚-次氯酸钠比色法[9],以24 h后1 g土壤中NH3-N的质量(mg)表示脲酶活性(U);过氧化氢酶采用滴定法[1],其活性用20 min后1 g土壤消耗0.1 mol/L KMnO4的mL数表示(U);蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法[9],以24 h后1 g土壤中葡萄糖的质量(mg)表示蔗糖酶的活性(U);纤维素酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法[1],以72 h后1 g土壤中分解纤维素生成的葡萄糖(mg)表示纤维素酶活性(U)。

土壤微生物的测定采用平板稀释法[10]:真菌和放线菌培养基分别为购自广州环凯微生物公司的改良马丁培养基和高氏1号培养基,细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基[10]。

数据采用Excel和SAS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 施用堆肥对芥菜生物量的影响

表1表明,无论地下部分还是地上部分生物量均以化肥与堆肥配施处理最高,其中地上部分生物量显著高于其他3个处理,地下部分显著高于单施化肥和对照,而总生物量则显著高于其他3个处理。与对照相比,单施堆肥和堆肥与化肥配施处理分别比对照增产230.56%和402.94%;另外,单施化肥处理生物量较低,可能是土壤中无机养分含量偏高,抑制了芥菜生长,造成生物量明显下降。

表1 堆肥对芥菜生物量的影响(g/plant)Table 1 Impacts of the compost on biomass of musturd

2.1 施用堆肥对根际土壤微生物的影响

不同生长时期芥菜根际微生物均具有一定的影响。细菌是土壤微生物的主要组成部分,在整个芥菜生长期细菌均比真菌高2个数量级,比放线菌高1个数量级。表2看出,在芥菜的整个生长期内,单施化肥可培养细菌数量均较对照降低,而单施堆肥可培养细菌数量有所增加,以化肥与堆肥配施可培养细菌数量最高,其中收获期最高达21.41×107cfu/g,干土;与对照、单施化肥和单施堆肥相比较分别增加136.84%、349.79%和2.93%。说明施用堆肥有利于细菌的繁殖,而单施化肥则对细菌的繁殖起到抑制作用。同时,各处理可培养细菌数量均随着芥菜的生长而增加,至收获期达到最大值。

在芥菜的整个生长期内均以不施肥对照可培养真菌数量最低;苗期以化肥与堆肥配施最高,而旺长期和收获期则以单施堆肥最高,其中单施堆肥最高达14.60×105cfu/g,干土(表2)。各时期内单施堆肥和化肥与堆肥配施处理可培养真菌数量较对照明显增加,而单施化肥增加的幅度较小。同时,单施堆肥和化肥与堆肥配施处理随着芥菜的生长可培养真菌数量有较明显的增加,而单施化肥和对照则变化不大,说明施用堆肥能够促进土壤真菌的繁殖。

放线菌在土壤中是一类数量仅次于细菌的微生物,它们对土壤中有机化合物的分解及土壤腐殖质合成起着重要作用,同时放线菌的次生代谢产物能够改善土壤环境,有利于植物的生长[11]。表2显示,芥菜整个生长期内可培养放线菌数量均以化肥与堆肥配施最高,达 11.57×106cfu/g,干土,其次为单施堆肥处理,而对照在苗期与旺长期数量均最低;在收获期单施化肥处理最低,说明施用堆肥能够促进放线菌的生长。同时,可培养放线菌数量随着芥菜的生长逐渐增加,各处理至收获期达到最大值。

表2 不同施肥处理下土壤微生物稀释平板计数(cfu/g,干土)Table 2 Soil microbial cfus under the different fertilizer treatments by plate counting technique

2.2 施用堆肥对土壤酶活性的影响

2.2.1 脲酶 土壤脲酶广泛存在于土壤中,能够催化土壤中尿素分解生成氨、二氧化碳和水,对提高氮素利用率及促进土壤氮素循环具有重要作用。表3看出,土壤脲酶活性在芥菜整个生长期内均以化肥与堆肥配施最高,其次为单施堆肥处理,而苗期对照最低,旺长期和收获期单施化肥最低。与对照相比,化肥与堆肥配施和单施堆肥均能显著提高土壤脲酶活性,尤其以配施处理效果明显;而单施化肥处理脲酶活性不仅没有提高,在旺长期反而较对照显著降低。说明施用堆肥能够提高土壤脲酶活性,与化肥配施效果更加明显,而单施化肥可能是土壤中无机氮含量过高,对脲酶活性产生抑制作用。

2.2.2 蔗糖酶 蔗糖酶参与碳水化合物的转化,使蔗糖水解成葡萄糖和果糖,成为植物和微生物重要的营养来源。在芥菜整个生长期内均以化肥与堆肥配施处理蔗糖酶活性最高,单施堆肥处理次之,再次为单施化肥处理,对照酶活性最低。与对照相比,化肥与堆肥配施和单施堆肥处理均能显著提高土壤蔗糖酶活性,而单施化肥处理在苗期和旺长期与对照无明显差异,至收获期显著增加。与单施化肥相比,化肥与堆肥配施处理在整个生长期内土壤蔗糖酶活性均显著增加;单施堆肥处理在前期显著增加,至收获期则与单施化肥无明显差异,在整个生长期内单施堆肥处理土壤蔗糖酶显著低于化肥与堆肥配施处理(表3)。在芥菜的整个生长期内化肥与堆肥配施处理酶活性较稳定,而其他施肥处理则随着芥菜的生长酶活性逐渐降低。说明堆肥与化肥配施有利于提高和保持土壤蔗糖酶活性,促进土壤中碳水化合物的转化。

2.2.3 过氧化氢酶 过氧化氢酶参与生物的呼吸代谢,同时可以消除在呼吸过程中产生的对活细胞有害的过氧化氢。过氧化氢酶活性与好氧微生物数量、土壤肥力有密切联系,它可以表示土壤氧化过程的强度[4]。表3看出,各处理过氧化氢酶在苗期和旺长期无明显变化,但在芥菜收获期下降幅度较大。在芥菜整个生长期内均以化肥与堆肥配施过氧化氢酶活性最高,其次为单施堆肥处理,单施化肥酶活性最低。与对照相比,化肥与堆肥配施或单施堆肥均能显著提高土壤过氧化氢酶活性,而单施化肥则明显降低;与单施堆肥相比,化肥与堆肥配施在苗期和旺长期过氧化氢酶活性显著增加,至收获期无显著差异。说明施用堆肥、尤其堆肥与化肥配施能够显著改善土壤生物环境,而单施化肥可能是因为无机养分过高,导致土壤酸化,抑制了过氧化氢酶活性。

表3 堆肥对芥菜根际土壤酶活性(U)的影响Table 3 Impacts of the compost on the enzyme activities in rhizosphere soil of mustuard

2.2.4 纤维素酶 纤维素是土壤有机质中的一类大分子物质,在土壤中降解速度缓慢,纤维素酶是参与纤维素循环的关键酶,因此,土壤纤维素酶的活力对土壤有机质的循环具有重要作用。各处理土壤纤维素酶活性均在芥菜旺长期最高,苗期和收获期较低。化肥与堆肥配施土壤纤维素酶活性在旺长期显著高于其他3个处理,其他时期施肥的3个处理间并无显著差异;而对照在整个生长期内则显著低于3个施肥处理(表3)。说明化肥与堆肥配施能够提高土壤纤维素酶的活性,有利于土壤纤维素的降解。

2.3 土壤酶活性及微生物数量间的相关性分析

试验表明,在芥菜的不同生长时期土壤酶活性和微生物数量的两两间相关性具有一定的差异。表4显示,苗期土壤脲酶与蔗糖酶活性呈极显著正相关,说明在苗期土壤中氮素循环与碳水化合物的转化之间具有密切的协同效应。旺长期和收获期脲酶与过氧化氢酶呈显著正相关,说明在芥菜的生长中后期土壤氮素循环与土壤氧化强度紧密关联;苗期脲酶与可培养真菌和放线菌数量之间呈显著正相关,收获期与可培养细菌和放线菌呈显著正相关或极显著正相关,说明在芥菜的整个生长期内微生物对土壤氮素的循环起到重要作用。蔗糖酶活性在苗期与可培养真菌和放线菌呈极显著正相关,旺长期与可培养放线菌呈显著相关,说明土壤中真菌和放线菌的繁殖与碳水化合物的转化具有紧密的联系。过氧化氢酶活性在苗期和收获期均与可培养细菌数量呈显著正相关,说明土壤中细菌的繁殖与过氧化氢酶活性紧密相关,对改善土壤微生态环境起重要作用。微生物之间在苗期和中期均未表现出相关性,至收获期细菌与放线菌呈显著正相关,说明随着芥菜的生长,土壤中逐渐形成较稳定的微生物群落结构。

3 讨论

在土壤-植物生态系统中,土壤微生物数量直接影响土壤的生物化学活性及土壤养分的组成与转化,是土壤肥力的重要指标之一。同时,土壤微生物的生长繁殖也受土壤环境的制约,不同肥料的施用对土壤肥力状况、水气等条件具有一定的影响,从而会对土壤微生物的生长繁殖产生影响。

本试验研究表明,芥菜根际土壤可培养微生物数量以堆肥与化肥配施和单施堆肥较高,而单施化肥和对照则显著较低,说明施用堆肥或与化肥配施能够促进土壤微生物生长。堆肥或与化肥配施,由于堆肥中本身携带大量菌群,且堆肥有机质含量高,有丰富全面的养分,能够改善土壤结构和水气条件,有利于土壤微生物的繁殖;而单施化肥由于养分不平衡和土壤酸化等抑制了微生物生长,这与前人研究结果一致[12-13]。同时,芥菜根际微生物随着芥菜的生长而增加,这是芥菜根系生物量的增加,大量根系分泌物为微生物的繁殖提供了充足的养分,促进了微生物的繁殖。

施肥种类不同对土壤酶活性具有明显影响。本试验看出,4种土壤酶活性均以化肥与堆肥配施或单施堆肥最高,施用堆肥能够显著提高土壤酶活性,这与前人的研究结果一致[14-16],可能是堆肥中含有大量的酶对土壤酶有增加的作用[17],而且堆肥能够为产酶微生物提供丰富的营养源,有利于产酶微生物的繁殖。另外,不同土壤酶在整个芥菜生长期内的变化规律也有差异。本试验表明,脲酶活性在芥菜收获期最高,与前人研究结果不同[12,18],蔗糖酶变化规律不明显,且化肥与堆肥配施处理在整个生长期比较稳定,其他处理蔗糖酶活性随着芥菜的生长逐渐降低,可能是配施处理速效和缓效养分兼备,所以酶活性较为稳定。过氧化氢酶活性在芥菜苗期和旺长期较高,收获期有较大幅度降低,与前人研究结果不同[19];土壤纤维素酶在芥菜旺长期较高,苗期和收获期较低,与前人研究结果相一致[19]。本试验采用的是酸性砂壤土,栽培作物为芥菜,对土壤酶活性研究结果与前人的差异可能是由于研究材料和对象不同导致,有待进一步研究。

表4 不同生育期土壤酶活性及微生物数量相关性分析Table 4 The correlation analysis of soil enzyme activities and soil microbial CFUs during growing stage

另外,所测的部分土壤酶之间、可培养微生物之间以及土壤酶与可培养微生物之间在芥菜的不同生长时期内表现出显著或极显著的正相关性,与前人研究结果一致[20]。说明土壤酶活性在酶促反应时不仅具有各自的专一性,同时相互间具有一定的协同效应,表明各土壤酶活性在反映土壤生物活性方面具有一定的共性。同时土壤酶与土壤微生物之间关系密切,说明微生物生命代谢活动的加强能够提高土壤酶活性,同时土壤酶活性的提高也促进了土壤中物质转化速率,为微生物提供养分和良好的土壤微生态环境。

[1] 关松荫.土壤酶及其研究法[M].北京:农业出版社,1986.274-340.Guan S Y.Soil enzyme and its research method[M].Beijing:Agricutural Press,1986.274-340.

[2] 姬兴杰,熊淑萍,李春明,等.不同肥料类型对土壤酶活性与微生物数量时空变化的影响[J].水土保持学报,2008,22(1):123-127.Ji X J,Xiong S P,Li C M et al.Studies on spatial-temporal variations of soil enzyme activities and microorganism's number under different fertilizer types[J].J.Soil Water Conserv.,2008,22(1):123-127.

[3] 刘建国,卞新民,李彦斌,等.长期连作和秸秆还田对棉田土壤生物活性的影响[J].应用生态学报,2008,19(5):1027-1032.Liu J G,Bian X M,Li Y B et al.Effects of long-ter m continuous cropping of cottonand returning cotton stalk into fieldon soil biological activities[J].Chin.J.Appl.Ecol.,2008,19(5):1027-1032.

[4] 樊军,郝明德.黄土高原旱地轮作与施肥长期定位试验研究[J].植物营养与肥料学报,2003,9(1):9-13.Fan J,Hao M D.Study on long-term experiment of crop rotation and fertilization in the Loess Plateau[J].Plant Nutr.Fert.Sci.,2003,9(1):9-13.

[5] Debosz K,Rasmussen P H,Pedersen A R.Temporal variations in microbial biomass C and cellulolytic enzyme activity in arable soils:Effect of organic matter input[J].Appl.Soil Ecol.,1999,13:209-218.

[6] Riley D,Barber S A.Bicarbonate accumulation and pH changes at the soybean root soil inter face[J].Soil Sci.Soc.Am.Proc.,1969,33:905-908.

[7] Riley D,Barber S A.Salt accumulation at the soybean root soil inter face[J].Soil Sci.Soc.Am.Proc.,1970,34:154-155.

[8] 鲍士旦.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,2000.Bao S D.Soil and agricultrual chemistry analysis[M].Beijing:China Agricutral Press,2000.

[9] 姚槐应,黄昌勇.土壤微生物生态学及其实验技术[M].北京:科学出版社,2006.Yao H Y,Huang C Y.Soil microecology and it's experimental technique[M].Beijing:Science Press,2006.

[10] 程丽娟,薛泉宏.微生物学实验技术[M].西安:世界图书出版公司,2000.Cheng L J,Xue Q H.Experimental technique of microbiology[M].Xi'an:World Book Pubublic Company,2000.

[11] 周永强,薛泉宏,杨斌,等.生防放线菌对西瓜根域微生态的调整效应[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2008,36(4):144-150.Zhou Y Q,Xue Q H,Yang B et al.Adjusted effect of inoculating with biocontrol actinomycetes on microbial flora of water melon rooting zone[J].J.Northwest A&F Univ.(Nat.Sci.Ed.),2008,36(4):144-150.

[12] 陈峻,李传涵.杉木幼林地土壤酶活性与土壤肥力[J].林业科学研究,1993,6(3):321-326.Chen J,Li C H.Soil enzyme activity and soil fertility of seedling fir holt[J].For.Res.,1993,6(3):321-326.

[13] 张乃明,董艳.施肥与设施栽培措施对土壤微生物区系的影响[J].生态环境,2004,13(1):61-62.Zhang N M,Dong Y.Effects of fertilization and protected soil planting on soil microflora[J].Ecol.Environ.,2004,13(1):61-62.

[14] 王冬梅,王春枝,韩晓日,等.长期施肥对棕壤主要酶活性的影响[J].土壤通报,2006,37(2):263-267.Wang DM,Wang CZ,Han X R et al.Effects of long-termapplication of fertilizers on some enzymatic activities in brunisolic soil[J].Chin.J.Soil Sci.,2006,37(2):263-267.

[15] 杜社妮,张成娥,徐福利,等.不同施肥对日光温室西红柿菜地土壤酶活性的影响[J].西北植物学报,2003,23(8):1467-1470.Du S N,Zhang C E,Xu F L et al.Effect of different fertilization on soil enzyme aticactivity of tomato in greenhouse[J].Acta Bot.Boreal.-Occid.Sin.,2003,23(8):1467-1470.

[16] Bastida F,Kandeler E,Hernandez T et al.Long-tern effect of municipal solid waste amendment on microbial abundance and humusassociated enzymed activities under semiarid conditions[J].Microb.Ecol.,2008,55:651-661.

[17] 林天,何园球,李成亮.红壤旱地中土壤酶对长期施肥的响应[J].土壤学报,2005,42(4):682-686.Lin T,He Y Q,Li C L.Response of soil enzymes to long-termfertilization in upland red soil[J].Acta Pedol.Sin.,2005,42(4):682-686.

[18] 尤彩霞,陈清,任华中.不同有机肥及有机无机配施对日光温室黄瓜土壤酶活性的影响[J].土壤学报,2006,43(3):521-523.You C X,Chen Q,Ren H Z.Effect of organic manure with and without urea-dressing on soil enzyme activitys in greenhouse growing cucumber[J].Acta Pedol.Sin.,2006,43(3):521-523.

[19] 盘莫谊,谭周进,李倩,等.早稻秸秆还田对次年早稻土微生物及酶的影响[J].中国生态农业学报,2008,16(2):380-386.Pan M Y,Tan Z J,Li Q et al.Effect of incorporating straw of early rice into the soil on microbe and enzyme dynamics in early paddy soil in next year[J].Chin.J.Eco-Agric.,2008,16(2):380-386.

[20] 郑勇,高勇生,张丽梅,等.长期施肥对旱地红壤微生物和酶活性的影响[J].植物营养与肥料学报,2008,14(2):316-321.Zhen Y,Gao YS,Zhang L M et al.Effects of long-term fertilization on soil microorganisms and enzyme activities in an upland red soil[J].Plant Nutr.Fert.Sci.,2008,14(2):316-321.