低温菌剂降解秸秆还田对东北黑土微生物活性的影响

赵伟+潘延欣+靳雯然+刘畅+王宏燕+刘保平+刘佳斌+李传宝

摘要：研究了东北黑土区低温菌剂降解秸秆还田对玉米田土壤微生物量和土壤酶活性的影响。结果表明，低温菌剂的施入较常温菌剂显著提高了土壤微生物数量、土壤酶活性及微生物碳、氮含量。经低温复合菌剂处理和低温生物表面活性剂处理后，土壤细菌数量分别高于对照（不施菌剂）5.12%和3.72%，其他处理均明显低于对照。各处理土壤真菌、放线菌的数量均高于对照，且低温复合菌土壤真菌、放线菌的数量最多，分别高于对照2.11倍和21.34%。除生物表面活性剂处理和纤维素分解菌处理土壤脲酶活性低于对照外，低温纤维素分解菌处理、低温复合菌处理、低温表面活性剂处理和复合菌处理土壤脲酶活性分别高于对照14.67%、7.43%、6.17%和1.67%。低温复合菌剂处理、复合菌处理、纤维素分解菌处理、低温生物表面活性剂处理、低温纤维素分解菌处理和生物表面活性剂处理土壤过氧化氢酶活性分别高于对照9.01%、4.71%、4.23%、3.66%、2.89%和1.48%。施菌剂能显著提高土壤微生物量以及碳、氮含量，且施加低温菌剂的处理在提高土壤微生物量方面优于常温菌剂。

关键词：低温菌剂；秸秆还田；微生物活性；土壤酶；黑土

中图分类号：S767.5；X172 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）17-4020-05

Effects of Low-temperature Agent Degrading Straw and Returning to Field on Microbial Activity in Black Soil

ZHAO Wei，PAN Yan-xin，JIN Wen-ran，LIU Chang，WANG Hong-yan，

LIU Bao-ping，LIU Jia-bin，LI Chuan-bao

（College of Resources and Environment， Northeast Agricultural University， Harbin 150030， China）

Abstract： The effects of low-temperature agent degrading straw and returning to the field on microbial biomass and soil enzyme of cornfield in black soil were investigated. The results showed that low-temperature agent improved the numbers of microbes， the soil enzyme activities and the microbial biomass carbon and nitrogen contents. Treatments of low-temperature complex agent and low-temperature biosurfactants had more bacteria than CK by 5.12% and 3.72%. The other treatments had less bacteria than CK. The greatest numbers of fungi and actinomycetes were recorded for low-temperature complex agent， which were 2.11 times and 21.34% greater than those of CK. All treatments had more fungi and actinomycetes than CK. Except treatments of biosurfactants and cellulose decomposing microbes had less urease activities than CK， other treatments of low-temperature cellulose decomposing microbes， low-temperature complex agent，low-temperature biosurfactants， and complexagent had more urease activities than CK by 14.67%，7.43%，6.17% and 1.67%，respectively. Treatments of low-temperature complex agent， complex agent， cellulose decomposing microbes， low-temperature biosurfactants， low-temperature cellulose decomposing microbes，and biosurfactants had more catalase activities than CK by 9.01%，4.71%，4.23%， 3.66%，2.89% and 1.48%.Application of agent accelerated expansion of microbial biomass carbon and nitrogen contents. Applications of low-temperature agent were better than those of agents on improving the contents of microbial biomass.

Key words： low-temperature agent； straw returning； microbial activity； soil enzyme； black soil

农作物秸秆是重要的生物质资源，富含纤维素、木质素以及氮、磷、钾等多种营养元素，秸秆还田有利于土壤腐殖质的更新、土壤有机质平衡的维持和土壤的改良，并且能达到培肥地力的作用，是保护环境、提高作物产量和促进农业可持续发展的重要措施之一。对秸秆的不恰当处置不仅造成资源浪费，更是对环境的破坏，影响了交通安全、社会生产和人民的生活。

在所有农业生态系统中，土壤微生物构成了巨大动态养分源和库，土壤微生物在植物枯枝分解、养分循环、土壤结构、氮的固定、减少植物病原体和其他土壤性质改变中起着重要作用，微生物群落的组成或活性的变化能直接和长期影响生态系统功能。秸秆还田为土壤微生物的生命活动提供了丰富有效的能源，促进了土壤微生物的活动。目前，关于秸秆还田的研究多集中在不同秸秆还田方式[1-3]、还田时间[4]及秸秆还田量[5-7]等，秸秆还田增加了土壤有机质的含量[8，9]，改善了土壤理化性状[10-12]，提高了土壤生物活性[13-15]，固定、保存并促进氮素养料的转化[16]，但应用低温菌剂降解秸秆还田对黑土土壤微生物活性方面的研究还鲜见报道。

尽管东北地区是我国最大的玉米产区，但由于气温较低，秸秆还田腐解速度慢，影响后续的耕作过程，该地区玉米秸秆直接还田比例仅为11.2%，远低于全国平均水平。因此，本研究结合退化黑土生态系统的特点，研究低温菌剂降解秸秆还田对黑土土壤微生物活性的影响，以期在修复退化黑土地力，实现秸秆的资源化循环利用，保护农业生态环境，促进现代农业的可持续发展方面提供科技支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验设在哈尔滨市东北农业大学香坊农场试验基地，属于松嫩平原退化黑土类型。供试作物为玉米302。供试土壤理化性质见表1。

1.2 试验设计

试验设7个处理组，分别为处理组1：对照（仅有秸秆，无菌剂）；处理组2：低温纤维素分解菌（低纤）；处理组3：低温生物表面活性剂；处理组4：低温复合菌剂；处理组5：纤维素分解菌；处理组6：生物表面活性剂；处理组7：复合菌剂。每处理设4个小区（重复4次），每个试验小区长6 m，宽7 m。所用菌剂由东北农业大学资源与环境学院研制提供。

处理均采用“二分法”小垄深松还田技术，即采用70 cm小垄，间隔种植法（分苗区和空白区，苗区双行点播）。秋收后，将玉米秸秆收获后粉碎，秸秆还田量为8 940 kg/hm2，喷施菌剂量为秸秆总量5%，秸秆全部施入空白区进行秸秆翻埋。每年采取“二分法”平移，第1年玉米种在苗区，第2年玉米种在空白区。分别在拔节期和抽雄期追肥，正常田间管理。

1.3 土样采集

在玉米的出苗期（T1）、拔节期（T2）、抽雄期（T3）、灌浆期（T4）、成熟期（T5）采集土样，取土深度为20 cm，每个小区3点（S形），四分法取土。

1.4 试验方法

1.4.1 土壤微生物数量的测定 土壤微生物测定采用稀释平板测数法。土壤微生物用平板涂布培养法进行测定。细菌采用牛肉膏蛋白胨合成培养基进行培养；真菌采用马丁氏琼脂培养基进行培养；放线菌采用高氏1号琼脂培养基进行培养。

1.4.2 土壤酶活性的测定 采用靛酚比色法测定脲酶活性；高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶活性。

1.5 数据处理

数据均采用Excel 2003和SPSS 17.0进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同秸秆还田处理对土壤微生物的影响

2.1.1 不同秸秆还田处理对土壤细菌的影响 各处理细菌数量在抽雄期（T3）达到最高值（图1），低温复合菌剂处理和低温生物表面活性剂处理明显提高了土壤细菌数量。低温复合菌剂处理和复合菌剂处理土壤细菌数量均呈先上升后下降趋势，且低温复合菌剂处理细菌数量明显高于复合菌剂处理。从生育期平均值来看，低温复合菌剂处理和低温生物表面活性剂处理土壤细菌数量最高，分别高于对照5.12%和3.72%；其他处理均明显低于对照。

2.1.2 不同秸秆还田处理对土壤真菌的影响 由图2所示，除生物表面活性剂处理外，其他处理真菌数量均在T2期达到最大，且呈现先上升后下降趋势。从整个生育期平均水平看，低温复合菌处理的真菌数量最大，为2.7×106个/g干土，为对照的2.11倍；其次为纤维素分解菌处理，为1.78×106个/g干土，为对照的1.48倍；再次为复合菌处理、生物表面活剂处理和低温纤维素分解菌处理，分别为对照的1.40倍、1.29倍和1.20倍；低温表面活性剂处理土壤真菌数量略高于对照，为对照的1.02倍。

2.1.3 不同秸秆还田处理对土壤放线菌的影响 由图3所示，从苗期至成熟期，低温纤维素分解菌处理和低温生物表面活性剂处理土壤放线菌数量一直呈现降低趋势，其他处理土壤放线菌数量呈现先降低再升高再降低的趋势。苗期施菌剂处理土壤放线菌数量明显高于对照。从整个生育期平均水平看，低温复合菌处理土壤放线菌数量最高，高于对照21.34%；其次为低温纤维素分解菌处理和生物表面活性剂处理，土壤放线菌数量分别高于对照20.70%和20.38%；纤维素分解菌处理、低温生物表面活性剂处理和复合菌剂处理土壤放线菌数量分别高于对照10.82%、3.18%和1.27%。

2.2 不同秸秆还田处理对土壤酶的影响

2.2.1 不同秸秆还田处理对土壤脲酶的影响 各处理土壤脲酶活性呈现先升高后降低的趋势（图4），且各处理土壤脲酶活性在T2期达到最高。从整个生育期平均水平看，施加低温菌剂的处理土壤脲酶活性明显高于其他处理，其中低温纤维素分解菌处理土壤脲酶活性最高，为106.28 mg/g，高于对照14.67%；其次为低温复合菌处理、低温表面活性剂处理和复合菌处理，土壤脲酶活性分别高出对照7.43%、6.17%和1.67%；而生物表面活性剂处理土壤脲酶活性低于对照，但差异不显著，纤维素分解菌处理土壤脲酶活性明显低于对照。

2.2.2 不同秸秆还田处理对土壤过氧化氢酶的影响 各处理土壤过氧化氢酶活性呈现先升高后下降再升高在下降的趋势（图5）。低温复合菌剂处理在玉米各个时期土壤过氧化氢酶活性都是最高的，为0.16 mL KMnO4/g，高于对照9.01%；复合菌处理和纤维素分解菌处理土壤过氧化氢酶活性差异不显著，但明显高于对照4.71%和4.23%；低温生物表面活性剂处理、低温纤维素分解菌处理和生物表面活性剂处理之间差异不显著，平均为0.14 mL KMnO4/g，分别高出对照3.66%、2.89%和1.48%。

2.3 不同秸秆还田处理对土壤微生物量的影响

2.3.1 不同秸秆还田处理对土壤微生物量碳的影响 由图6所示，各处理土壤微生物量碳差异显著（p<0.05），土壤微生物量碳最大值在灌浆期，施菌剂处理土壤微生物量碳含量显著高于对照，低温复合菌处理土壤微生物量碳含量最高，平均为57.16 mg/kg，是对照的1.64倍；生物表面活性剂处理、低温纤维素分解菌处理和低温表面活性剂处理土壤微生物量碳含量分别高出对照1.50倍、1.43倍和1.42倍；复合菌剂和纤维素分解菌处理土壤微生物量碳含量差异不显著，但仍高于对照1.24倍和1.23倍。

2.3.2 不同秸秆还田处理对土壤微生物量氮的影响 各处理微生物量氮含量在灌浆期期达到最高（图7），施菌剂处理土壤微生物量氮含量均高于对照。从整个生育期平均水平看，低温复合菌剂处理、纤维素分解菌处理和低温纤维素分解菌处理土壤微生物量氮含量较高，分别高出对照42.11%、36.84%和31.58%；其次为低温生物表面活性剂处理，土壤微生物量氮含量高出对照21.05%；生物表面活性剂和复合菌处理土壤微生物量氮含量分别高出对照10.53%和5.26%，表明施菌剂处理增加了土壤微生物的活性，从而增加了土壤微生物量氮含量。

3 小结与讨论

土壤微生物是活的土壤有机质部分，不仅是土壤中营养元素的微生物矿化和固持的执行者，又是提供植物营养元素的活性库。玉米秸秆含有大量的化学能，是土壤微生物生命活动的能源。秸秆还田可以增强各种微生物的活性，即加强呼吸、纤维分解、硝化及反硝化作用。有研究表明，秸秆全量还田并添加微生物制剂能够显著提高土壤中细菌、真菌和放线菌的数量。本研究表明苗期各处理细菌数量均低于对照处理，至抽雄期除复合菌剂处理、生物表面活性剂处理和低温纤维素分解菌处理与对照差异不显著外，低温复合菌剂处理、纤维素分解菌处理和低温生物表面活性剂处理均极显著提高了土壤中细菌的数量，说明苗期土壤中土著菌与施加的菌剂产生了竞争抑制作用，土著菌降解秸秆的作用优于菌剂降解秸秆的作用，从而提高了土壤中细菌的数量；至抽雄期施加菌剂处理加速了降解秸秆的作用，优于土著菌降解秸秆的作用，从而增加了土壤中细菌数量。从生育期平均值来看，低温复合菌剂处理和低温生物表面活性剂处理土壤细菌数量高于对照，其他处理均低于对照，这与于建光等[17]的研究结果不一致，分析原因可能与所用菌剂不同及降解的材料不同有关。本研究还发现，各处理土壤真菌、放线菌的数量均高于对照，且低温复合菌剂处理土壤真菌、放线菌的数量最高，明显高于对照，因为秸秆还田使土壤生物活性加强，各处理施加的菌剂和土壤中土著菌没发生拮抗作用，反而刺激了土壤中真菌和放线菌的大量繁殖，从而促进了土壤中真菌和放线菌数量的显著增加。在3大微生物类群中，土壤放线菌的增加幅度最大，放线菌表现为优势菌，细菌数量居中，真菌数量最少；且土壤放线菌和细菌、真菌都表现为正相关，相关系数分别为0.66和0.46，表明在秸秆还田过程中，施用菌剂对土壤微生物群落组成能够产生一定的影响[18]，这与马建华等[19]的研究结果一致。

土壤酶作为土壤组分中最活跃的有机成分之一，其活性不仅能反映出土壤微生物活性的高低，而且能表征土壤养分转化和运移能力的强弱，是评价土壤肥力的重要参数之一。王芸等[20]等研究表明，深松耕还田显著提高土壤脲酶、蔗糖酶活性。本研究表明施加低温菌剂的处理土壤脲酶活性明显高于其他处理，常温菌剂除复合菌处理土壤脲酶活性略高于对照外，生物表面活性剂处理和纤维素分解菌处理土壤脲酶活性均低于对照；各处理土壤过氧化氢酶活性均高于对照，低温复合菌土壤过氧化氢酶活性最高，分析原因由于土壤酶主要来自土壤微生物、植物根系和土壤动物。北方气温低，秋收后秸秆还田配施菌剂，低温菌剂延长了菌剂降解秸秆的时间，提高了秸秆的降解率，为土壤提供了丰富的有机碳，为微生物的活动与提高酶活性创造了条件，更有利于酶活性的提高。研究中还发现，各处理土壤脲酶活性和土壤真菌数量均呈现先升高后降低的趋势，且均在拔节期达到最高。对其进行相关性分析表明，土壤脲酶活性和土壤真菌数量之间存在显著的正相关关系，相关系数为0.65，与细菌、放线菌相关不显著，这与李晓慧等[21]的研究结果一致。

土壤微生物量是反馈土壤肥力和环境质量状况的有效途径。土壤中的微生物条件随土壤微生物量C、N的变化而发生相应的改变，而土壤微生物量C、N是土壤碳氮形态中最易受环境和农作措施影响而发生改变的组分，Marumoto等、Roberto等和Shaukat等[22-24]研究发现，在施入秸秆的条件下，土壤微生物量碳、氮含量明显高于未添加秸秆的处理。连续秸秆还田可使0～20 cm土层根际土壤微生物量碳值显著增加。本研究表明，施菌剂处理土壤微生物量碳、氮含量显著高于对照，这与张电学等[18]的研究一致，说明施用微生物菌剂有利于玉米秸秆的快速腐解和土壤有效养分的调控，从而有助于作物生长发育和产量形成。施加低温菌剂的处理在提高土壤微生物量方面表现显著，其中低温复合菌处理土壤微生物量含量最高；施加常温的单一菌剂，如生物表面活性剂能提高土壤微生物量碳含量，而纤维素分解菌提高了土壤微生物量氮含量，常温复合菌剂的施加表现最差。分析原因，低温菌剂适应北方低温条件，增加了土壤中微生物数量，加速了秸秆的降解，腐解的秸秆为土壤提供了丰富的有机碳，显著地促进了土壤中微生物的繁殖，从而增加了土壤中的微生物量含量。各处理微生物量含量均呈现先升高后降低的趋势，且在灌浆期达到最大值，导致这一结果的原因可能与玉米灌浆期土壤水热状况良好有关，有利于土壤微生物的快速繁殖，而且这一时期玉米自身的能量分配主要进行繁殖生长，大量的光合同化产物释放到土壤中，土壤中可被微生物利用养分含量较多，促进微生物的大量繁殖。