不同灌水施肥策略对土壤微生物量碳氮和酶活性的影响

2014-12-22李伏生

生态学报 2014年18期

罗慧，刘水，李伏生

(广西大学农学院，南宁 530005)

土壤微生物量对提高土壤自然肥力和保护生态环境有重要的理论意义，可用土壤微生物量碳(MBC)与微生物量氮(MBN)表征。土壤MBC是土壤有机质转化和分解的直接作用者，且在土壤主要养分的转化中起主导作用，被认为是土壤有机碳的灵敏指示因子［1］。土壤MBN大小决定于该土壤N素肥力的高低，是土壤有效态氮重要来源［2-3］。一般来说，微生物量碳或氮高，土壤质量较高，反之亦然［4］。张海燕等［5］研究表明，土壤微生物量与土壤有机质、全氮、全磷、速效钾和碱解氮呈显著或极显著正相关关系。薛菁芳等［6］结果表明，土壤MBC和MBN与全C和全N均呈极显著相关，可以作为指示土壤肥力的重要指标。

土壤酶参与土壤中元素循环与许多重要生物化学过程，与土壤质量密切相关。土壤酶活性的高低可反映土壤生物活性、生化反应强度、以及土壤肥力状况［7］。脲酶是对矿质肥料－N素的转化作用具有重大影响，其活性与土壤供N能力有着密切的关系，对施入土壤中尿素的利用率影响很大［8］。过氧化氧酶可表征土壤氧化过程的强度，其活性与好氧微生物数量、土壤肥力有密切的关系［9］。转化酶活性与土壤中腐殖质、水溶性有机质和黏粒含量与微生物数量呈正相关，可表征土壤熟化程度和肥力水平［10］。

根区局部灌溉是一种节水灌溉技术，包括分根区交替灌溉(AI)与部分根区固定灌溉(FI)(或称部分根干燥技术)，因形成了一个土壤水分分布不均匀的环境，影响作物水分和养分利用效率，且增产调质。如Hu等［11］研究发现，AI和FI的灌水量为常规灌溉的70%，玉米水分利用效率和氮素利用效率都有所提高;杨启良等［12］结果表明，交替沟灌增大根系与冠层水导，提高根系对水肥的吸收利用和传输效率，使得植株氮含量较高，产量较大;王同朝等［13］研究表明，采用时空交替灌溉方式:拔节期充分补灌(田间持水量的80%)和抽穗期补灌量适度减少(田间持水量的65%)，有利于夏玉米产量和土壤水分高效利用的同步提升。

有机无机肥配施改善土壤物理性状，增强土壤生物学活性。如李花等［14］研究表明，有机无机肥配施显著提高土壤养分含量，同时提高土壤微生物量碳、氮和酶活性;刘益仁等［15］研究发现，化肥配施中高量有机肥有利于改善土壤微生物学特性;王庆等［16］结果表明，化肥适度减量和配施有机肥增加土壤微生物量，有利于提高土壤肥力。近年来，有关根区局部灌溉以及根区局部灌溉与有机无机肥配施相结合对土壤微生物量和酶活性的研究也有报道。如刘水等［17］研究表明，与常规灌溉相比，轻度缺水时拔节期-抽雄期进行分根区交替灌溉的玉米总干物质量增加 23.2%—27．4%，水分利用效率提高23.3%—26．7%，微生物量碳增加。Li等［18］结果表明，分根区交替灌溉能提高其湿润区土壤过氧化氢酶、脲酶和转化酶活性。本文旨在有机无机氮肥配施下，进一步研究不同灌溉方式及水平对土壤微生物量氮、氮和酶活性的影响，探讨根区局部灌溉和有机无机氮肥配施下玉米土壤微生物量和酶活性变化规律，揭示土壤肥力和土壤微环境变化情况，为受区域性与季节性干旱制约生产的玉米调整灌水和施肥策略和改善农田土壤生态环境提供依据。

1 材料与方法

1．1 供试材料

盆栽试验在广西大学教学基地网室进行，供试土壤采自本校教学基地第四纪红色黏土发育的赤红土(典型强淋溶土，FAO－UNESCO系统)，经风干、碾碎，过5 mm孔径的筛，其土壤质地是重黏土，田间持水量为30% θf(质量百分数)，pH 值6．2，有机碳(C)8．53 g/kg，碱解氮(N)85．0 mg/kg(1．0 mol/L NaOH 碱解扩散法)，速效磷(P)44．3 mg/kg(0．5 mol/L NaHCO3法)和速效钾(K)159．0 mg/kg(1．0 mol/L中性NH4Ac法)。供试玉米品种为正大619。

1．2 试验方法

试验设3种灌溉方式，即常规灌溉(CI，每次对全部土壤均匀灌水)、分根区交替灌溉(AI，交替对1/2区域土壤灌水)和固定部分根区灌溉(FI，固定对1/2区域土壤灌水)，土壤采集时AI处理取样前最后一次灌水区域称为湿润区(Wet)，非灌水区域称为干燥区(Dry)，FI处理灌水区域为湿润区(Wet)，非灌水区域为干燥区(Dry);2种灌水水平，即正常灌水(70%—80% θf，W1)和轻度缺水(60%—70% θf，W2);以及2种有机无机氮比例，即100%无机N(F1)和70%无机N+30%有机N(F2)。各处理均施纯N 0．15 g/kg土，无机N肥为尿素(分析纯，含N 46%)，有机N肥用生物有机肥(含N 2.82%、含 P2O50．46%、含 K2O 7．06%)供给，其用量以含N量计算。各处理均施P2O50．075 g/kg土和K2O 0．15 g/kg土，磷肥用磷酸二氢钾(分析纯，含P2O552.2%)，钾肥用磷酸二氢钾(含K2O 34．6%)和氯化钾(分析纯，含K2O 60%)。所有肥料在装盆时全部作基肥施入。试验按完全方案设计，共12个处理，每个处理重复3次，共36桶，随机区组排列。

试验在聚乙烯塑料桶(高23 cm、直径30 cm)中进行，所有处理桶中间均用塑料膜隔开，以阻止两边水分交换。每桶两边各装入7 kg土，共14 kg土。播种前保持土壤水分含量为80% θf。2010年4月2日每桶播5粒已催芽露白的玉米种子在塑料膜隔开处，4月18日进行间苗，每盆在塑料薄膜中央保留1株长势均匀玉米苗。控水前所有处理均采用常规灌溉方式灌水，并保持土壤含水率在70%—80% θf。5—6片叶时(5月1日)对供试玉米进行控水处理后，CI处理用称盆质量法确定各水肥处理每次灌水量，而AI和FI处理每次灌水量则为相应CI处理灌水量的70%［19］。每次灌水用量筒量取灌水量，并记录各处理每次灌水量。试验于6月6日(播后62 d)结束。

1．3 样品采集与测定

1．3．1 土壤采集与预处理

试验分3次采集土样，采样时间分别为5月12日(播后40 d、拔节期)、5月24日(播后52 d、大喇叭口期)、6月5日(播后64 d、抽雄期)，每次采样时间为灌水后第2天上午。采土前用采土区土壤擦拭土钻1—2次，分别在湿润区和干燥区3点采集1—15 cm土层土壤，充分混匀，每次采样150 g左右。一部分装入保鲜袋，于冰箱4℃下保存用于土壤微生物量碳和氮等测定，同时用烘干法测定土壤含水率;另一部分带回室内自然风干1周，磨碎，过20目筛，用于土壤酶活性测定，同时测定风干土壤含水率，以便计算每克干土中酶活性。

1．3．2 土壤微生物量碳和氮

土壤微生物量碳(MBC)的测定采用氯仿熏蒸、0．5 mol/L硫酸钾浸提，浸提液采用浓硫酸重铬酸钾氧化、硫酸亚铁滴定法测定［20］。MBC=Ec/0．38，式中 Ec 为薰蒸土样有机碳量与未薰蒸土样有机碳量之差，mg/kg;0．38为氯仿薰蒸杀死的微生物体中的碳被浸提出来的比例。可溶性碳(DOC)的测定是未熏蒸土样用硫酸钾浸提，然后浸提液用浓硫酸重铬酸钾氧化、硫酸亚铁滴定法测定其有机碳量［20］。

土壤微生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸—过硫酸钾氧化—紫外分光光度法测定［20］，结果以每千克干土中MBN的毫克数表示。MBN=En/0．45，式中En为薰蒸土样氮量与未薰蒸土样氮量之差，mg/kg;0.45为薰蒸杀死的微生物中的氮被浸提出来的比例。

1．3．3 土壤酶活性

土壤脲酶活性用苯酚-次氯酸钠比色法测定［21］，转化酶或蔗糖酶活性用3，5-二硝基水杨酸比色法测定［21］，以及过氧化氢酶活性用高锰酸钾滴定法测定［21］。

1．4 数据分析

试验数据采用Excel2007和SPSS13．0软件进行分析。多重比较用Duncan法，处理之间字母不同表示差异显著(P＜5%)，处理之间字母相同或没有标字母均表示差异不显著(P＞5%)。

2 结果与分析

2．1 微生物量碳

表1表明，与CI相比，拔节期仅F2W2下AI土壤MBC增加56．1%—59．5%，大喇叭口期仅F1W2下AI-D和FI-D和F2W2下AI土壤MBC显著降低，而抽雄期各处理土壤MBC之间的差异均不显著。拔节期和抽雄期W2时土壤MBC与W1之间差异不显著，而大喇叭口期F1FI-D和F2AI-W下W2土壤MBC比W1分别降低38．2%和44．3%。此外，相同水分条件下，3个时期F2与F1之间土壤MBC差异均不显著。

响影的量碳性溶可与氮碳量物生微壤土对施配N机无机有和平水及式方溉灌1表期on 雄stage carb /kg)/(mg 抽Tasselling ic organ assN口期issolved biom icrobial 叭outhed ell-m stage d NM喇量an d物微节itrogen 生期stage拔Jointing d n大B on an期ass carb)雄抽Tasselling g/kg stage iom (m ial b期口叭outhed m icrob organiccarbon/stage soil 喇大B ell-m on issolved ic N CD organ 性期可拔溶节Jointing stage in to ic期of organ)雄抽asselling T stage lication (m ap p asscarbon/期口叭outhed in ed biom stage icrobial b量期ell-m an喇大B CM com d level物生拔Jointing stage od节an d 微g/kg eth 式irrigation m灌Irrigation溉方ethod m of ffect 平水水level E 灌Irrigation 1 le T ab 机无例org．N机比of有N atio inorg．R to．1a 2±．3 37 def．64±．3 29．8ab 1±59．7 abcd 3．5±．7 107 ab 1．5±196．7．8abcd 9±207．0．7 22±．5 219 ab．4 18±．1 205 b 8．2±143．9 I C W1 F1．4efgh 3±．0 21 ab．53±．5 42．2defgh 4±39．5 abcd 6．6±．2 92 a 11．6±216．7．4abc 17±．5 219．2 28±．0 175 ab 11．7±．8 206 ab 25．0±188．8 I-D A．2efgh 1±．0 22 cdef 2．7±．7 31．9cd 1±48．6 abcd 12．4±101．7 abc 16．6±181．0．5abcd 6±．7 193．9 23±．6 167 abcd 33．8±188．7 b 25．1±153．3 I-W A defgh．12±．2 24 ef 0．2±．0 24．7hi 2±29．5 abcd 10．0±81．2 c 20．7±122．8．7d 16±．2 142．5 32±．5 181 4．7ab±201．5 b 25．8±156．6 I-D F abcde 3．5±．5 30 a 0．8±．5 44．8efgh 3±．4 36 abc 17．5±113．3 abc 14．8±156．7．6bcd 27±．4 176．1 31±．6 182 a 19．8±221．2 ab 24．4±222．3 I-W F．9bcdefg 1±．5 27 def 0．4±．2 27．0cde 3±45．1 abcd 7．4±107．3 ab 8．8±191．6．7bcd 10±．3 170．9 10±．9 200 a 9．3±．9 218 ab 15．6±172．0 I C W2．2h 1±．8 14 f ．13±．5 21．1i 2±20．3 abcd．8 14±．6 102 abc 20．4±180．6．7abcd 23±204．0．3 25±．4 176 bcde．1 21±．3 136 ab 27．2±218．2 I-D A gh．01±．0 18 f 0．6±．4 22．5i 2±21．5 abc 15．7±113．0 bc 24．6±141．5．8bcd 6±．8 169．7 23±．9 193 abcde 22．7±182．0 ab 38．7±219．5 I-W A abcdef．93±．8 27 def 4．9±．3 25．2i 4±21．1 bcd 15．5±78．4 bc 27．6±143．7．6cd 11±．3 154．6 20±．3 207 cde 19．8±124．5 ab 18．8±169．7 I-D F．7abcd 2±．0 33 abcd 0．9±．0 35．5def 1±42．5 abcd 8．0±89．6 abc 4．1±170．4．4abc 22±．0 219．1 22±．9 212 abcde 19．1±180．3 ab 14．7±179．2 I-W F ab．52±．0 37 ab 4．0±．2 42．2a 1±64．5 ab 9．4±116．6 ab 16．4±203．1．4ab 9±．4 226 9．7±．1 214 a ．9 14±．9 210 b 20．1±158．6 I C W1 F2．8cdefg 1±．2 27 bcde 2．4±．4 33．1fgh 2±34．6 cd 8．6±．2 73 a 8．1±221．3．3abc 26±222．9．3 15±．4 198 abcde．1 13±．4 176 ab 22．1±192．8 I-D A abcdef．70±．5 28 abc 3．2±．6 40．3defg 3±．9 39 7．6d±67．2 abc 19．1±169．7．1abcd 22±．6 193．2 32±．5 216 1．9a±213．4 ab 12．7±207．3 I-W A．1defg 4±．5 25 def 1．5±．8 25．5ghi 4±30．1 abcd 14．0±96．8 abc 23．4±155．5．1abcd 24±．4 185．7 22±．1 211 abc 30．8±196．6 b 16．5±155．9 I-D F abcdef．94±．8 28 cdef 3．3±．9 31．5cde 3±45．6 abcd 10．3±100．2 ab 22．6±205．5．8abcd 19±．6 204．4 16±．6 211 a 17．4±227．1 ab 11．6±170．7 I-W F．4abc 4±．0 36 cdef 2．6±．3 31．6bc 0±52．6 a ．4 11±．1 121 abc 14．0±179．1．7abcd 14±211．7．1 20±．1 215 ab．1 12±．0 201 b 19．9±156．2 I C W2．2h 1±．0 15 cdef 3．4±．7 31．6fgh 1±34．9 abcd 14．3±93．8 abc 25．8±159．0．4abcd 20±．9 210．6 26±．6 172 e ．7 29±．9 113 a 14．4±243．9 I-D A fgh．60±．9 19 ef 1．9±．1 23．4ghi 2±30．0 abcd 15．8±88．6 abc 14．9±176．3．9a 22±．3 249．0 29±．5 224 de 19．9±118．9 a 28．8±249．1 I-W A．4defgh 1±．0 24 def 3．5±．2 28．2hi 4±29．5 abcd 5．3±82．3 bc 19．2±138．6．2abcd 29±．5 188．9 29±．3 179 4．1abcde±173．3 b 16．0±144．4 I-D F缺．8 abc度．6;W 2 3±:轻35水灌def:正常±3．6．9机N;W 1 29有．9cd N+30%:70%无3 N;F 2机±47．0 ab机±17．0无114．6:100%区-湿;F 1润19．6 bc 溉灌±＞0．05)146．7(P 区根异显部著分不定差:固4．1ab示表±．8母均;FI-W 238字区燥标-干．3没有溉灌36或区±同根188母．9相分字定部abc理间21．3，处;FI-D:固区194．4±．05)＜0-湿显灌润(P著溉20．9 b 异替差交±160．2表示区者:分不根母;AI-W 同字区I-W理间燥F 处溉-干，同一替列灌误区交±标准根值均平;A I-D:分为溉值灌中数规表:常;CI水

2．2 可溶性碳

表1表明，与CI相比，大喇叭口期仅F1W1下FI-D和抽雄期仅F2W1下AI土壤DOC显著减少。相同灌溉方式和施肥条件下，3个时期W2土壤DOC与W1之间的差异不显著，而拔节期和抽雄期F2AIW下W2土壤 DOC比 W1增加。此外，拔节期仅W2AI-W下F2土壤DOC比F1增加46．8%。

2．3 土壤微生物量氮

表1表明，与CI相比，拔节期和抽雄期AI和FI土壤MBN大多数显著降低，大喇叭口期F1W1下AID和FI-W的土壤MBN分别增加45．3%和51．9%，而F2W1下FI土壤MBN降低24．4%—38．9%。与W1相比，拔节期CI和F1AI下W2土壤MBN显著降低，大喇叭口期和抽雄期W2土壤MBN多数差异不显著。相同水分条件下，拔节期仅W2AI-D下F2土壤MBN比F1增加71．9%，而大喇叭口期和抽雄期F2与F1之间土壤MBN差异不显著。

2．4 土壤酶活性

表2表明，与CI相比，拔节期F2W1下AI土壤脲酶活性显著降低;抽雄期F2AI下，土壤脲酶活性均增加;拔节期F2AI下W2土壤脲酶活性比W1显著增加28．5%—29．1%。其他条件下及大喇叭口期和抽雄期W2与W1之间脲酶活性差异不显著。

与CI相比，抽雄期F1W1下FI-W土壤转化酶活性显著增加(表2)。相同灌溉方式和施肥条件下，3个时期W2土壤转化酶活性与W1之间的差异均不显著。与F1相比，大喇叭口期W1FI-D下F2土壤转化酶活性降低13．2%。

3个时期不同灌水处理土壤过氧化氢酶活性之间的差异不显著(表2)。与F1相比，拔节期CI和W2AI-W下F2土壤过氧化氢酶活性显著增加。

3 讨论

3．1 灌溉方式及水平对土壤微生物量碳、氮和酶活性的影响

本研究表明，分根区交替灌溉(AI)提高玉米拔节期土壤微生物量碳(MBC);玉米抽雄期F2AI下，土壤脲酶活性增强;W2的AI-W下F2土壤过氧化氢酶活性显著增加。这与Li［18］等结果相似，可能是AI形成一个土壤水分分布不均匀，干湿交替，通气良好的环境，导致有机质矿化，促进了微生物生长。Wang等［22］结果表明，不同灌水方式下，交替1/2根系灌水使根系区土壤处于交替干燥与湿润中，既提供生命活动所需的水分，又使土壤孔隙处于良好的通气条件，为土壤微生物提供有益的生存条件。Borken等［23］研究表明，经过干湿交替后土壤有机碳矿化速率增加。原因可能是干湿交替破坏土壤团聚体结构，引起裂解［24］，及干燥引起微生物死亡增加了可用碳源;且土壤重新湿润后微生物数量和活性增加，加速有机碳的矿化速率［25］。本研究发现FI降低大喇叭口期土壤MBC和可溶性碳(DOC)，拔节期和抽雄期土壤MBN;与CI相比，仅抽雄期F1W1下FI-W土壤转化酶活性增加。可能是FI-D区域由于长期干旱处理，土壤水分亏缺严重，严重影响了微生物正常活动［26］。本研究发现拔节期和抽雄期AI处理土壤微生物量N(MBN)大多数显著降低，而土壤脲酶活性增强，其原因有待进一步研究。

合理灌溉能提高土壤酶活性，土壤水分过多或过低均不利于土壤微生物生长和繁衍，造成土壤酶活性降低。周礼恺的［10］结果表明，土壤湿度适宜或较高时，土壤脲酶活性相应提高，而灌水量过大、土壤湿度过高时，脲酶活性减弱。朱同彬等［27］结果表明，与较低水分状况相比，过高水分状况会显著抑制土壤脲酶与过氧化氢酶活性。本试验表明，W2比W1能增强土壤脲酶活性，说明轻度亏水有利于增强土壤脲酶活性。

3．2 有机无机N配施对土壤微生物量碳、氮和酶活性影响

有机无机肥配施不仅能减量施用化肥，防止高量化肥危害生态环境，还为土壤微生物提供丰富的营养源，明显增加土壤微生物量、呼吸量，又影响群落结构，对细菌、真菌、放线菌也有不同程度影响，同时改善土壤物理结构，使土壤疏松多孔，增加土壤透气性，为土壤微生物的生存和繁殖提供了良好的外界条件。刘苗等［28］研究表明，施肥显著提高玉米根际土壤微生物数量，在玉米各生育期内不同菌种的平均数量均以有机肥配施化肥的处理最高。李桂花等［29］认为，有机肥或秸杆还田可为土壤微生物提供碳源，对土壤微生物生长和繁殖产生显著正影响。大量研究表明，有机无机肥配施能增加土壤土壤微生物量碳和氮，增强酶活性。刘畅等［30］结果表明，有机无机肥配施能在一定程度上促进稻田土壤碳、氮的固定与积累。彭娜等［31］结果表明，有机无机肥配施有利于土壤有机碳和活性有机碳的积累。李娟等［32］结果也表明，长期有机无机肥料配施可提高土壤微生物量碳氮、脲酶活性。魏猛等［33］研究表明，有机无机配施能够显著提高土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶的活性。Chang等［34］发现，与单施化肥相比，施用有机肥可以提高土壤有机质、全氮、微生物数量和酶活性。本研究也发现，在相同水分条件下，拔节期W2AI-D下F2土壤MBN比F1显著增加以及W2AI-W下F2土壤DOC比F1显著增加;与F1相比，拔节期W2AI-W下F2土壤过氧化氢酶活性显著增加。

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可见在W2和AI条件下，有机无机氮肥配施有利于拔节期土壤微生物量N和可溶性C的提高，能增强过氧化氢酶活性。

4 小结

(1)与常规灌溉(CI)相比，分根区交替灌溉(AI)提高拔节期土壤微生物量碳(MBC)和抽雄期土壤脲酶活性，但是降低大喇叭口期土壤MBC及拔节期和抽雄期土壤微生物量N(MBN)和拔节期土壤脲酶活性;固定部分根区灌溉(FI)增加抽雄期土壤转化酶活性，但是降低大喇叭口期土壤MBC和可溶性碳(DOC)以及3个时期土壤MBN。

(2)与正常灌水相比，AI下轻度亏水增加拔节期和抽雄期土壤DOC，但是降低大喇叭口期土壤MBC和拔节期土壤MBN。

(3)与单施无机N肥相比，AI下有机无机N肥配施拔节期增加土壤DOC、MBN和过氧化氢酶活性，FI下有机无机N肥配施降低大喇叭口期土壤MBC和转化酶活性。

因此，在轻度缺水和有机无机氮配施条件下，分根区交替灌溉可以提高玉米拔节期土壤微生物量碳和可溶性碳。

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