聚马来酸酐对设施土壤微生物生物量碳、氮及土壤呼吸速率的影响

乔洁+张春丹+韩晓光

摘要：研究聚马来酸酐对设施土壤有机碳、 全氮、土壤微生物生物量碳、生物量氮及土壤呼吸速率的影响。结果表明，单施氮肥、聚马来酸酐氮肥配施均显著提高了土壤微生物生物量碳、氮含量与土壤呼吸速率强度。单施聚马来酸酐显著提高土壤C/N，对土壤微生物生物量碳、氮与土壤呼吸速率无显著影响。土壤微生物生物量碳、氮及土壤呼吸速率与土壤有机碳、全氮呈极显著（P<0.01）或显著相关关系（P<0.05）。与聚马来酸酐氮肥配施处理相比，单施氮肥对土壤微生物生物量碳、氮以及土壤呼吸速率无显著影响。氮肥配施适量的聚马来酸酐对提高设施土壤肥力、改善设施土壤质量效果最好。土壤微生物生物碳、氮及土壤呼吸速率可反映土壤质量的变化，作为评价设施土壤肥力的指标。

关键词：聚马来酸酐;设施土壤;土壤微生物生物量碳;土壤微生物生物量氮;土壤呼吸速率

中图分类号：S154.3        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2015）23-5877-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.23.020

Effects of PMA on Soil Microbial Biomass Carbon， Soil Microbial Biomass Nitrogen and Soil Respiration Rate in Greenhouse Soil

QIAO Jie1，2， ZHANG Chun-dan1， HAN Xiao-guang1

（ 1. College of Life Science， Langfang Teachers College， Langfang 065000， Hebei， China;

2. Edible and Medicinal Fungi Research and Development Center of Hebei Universities， Langfang 065000， Hebei， China）

Abstract： Effect of poly maleic anhydride （PMA） on soil organic carbon， total nitrogen， microbial biomass carbon， microbial biomass nitrogen and soil respiration rate were studied in green house. The results showed that the application of nitrogen fertilizers and the mixture of PMA and nitrogen fertilizers could enhance the quantity of microbial biomass carbon， microbial biomass nitrogen and the intensity of soil respiration rate. The application of PMA increased the quantity of soil C/N， but had no significant effect on microbial biomass carbon， microbial biomass nitrogen and soil respiration rate. The correlation between soil organic carbon， total nitrogen and microbial biomass carbon， microbial biomass nitrogen and soil respiration rate were significantly （P<0.05） or highly significant （P<0.01）.Compared with the application of the mixture of PMA and nitrogen fertilizers， the application of nitrogen fertilizers had no significant effect on microbial biomass carbon， microbial biomass nitrogen and soil respiration rate. So the application of the mixture of nitrogen fertilizers with an appropriate amount of PMA could improve the greenhouse soil fertility and quality. Microbial biomass carbon， microbial biomass nitrogen and soil respiration rate could reflect the change of greenhouse soil fertility and value greenhouse soil quality.

Key words： Poly maleic anhydride; greenhouse soil; soil microbial biomass carbon; soil microbial biomass nitrogen; soil respiration rate

土壤微生物量是植物营养物质的源和库，代表土壤养分的活性部分，作为评价土壤质量的生物学指标，对土壤培肥、作物栽培等实践有重要的参考价值。土壤呼吸速率和微生物代谢商是土壤微生物量的大小和活性指标，可较好的反映土壤环境质量变化。Doran等[1]认为微生物量碳、微生物量氮、矿化氮、土壤呼吸速率、微生物商等是反映土壤质量的基本指标。有研究表明，设施农业虽然提高了作物产量，但是容易导致土壤表层发生次生盐渍化，致使土壤质量恶化，最终影响作物的产量和品质[2]。设施土壤性质的改变会导致有益微生物减少，破坏土壤生物平衡，影响土壤养分利用和植物吸收。近年来有关高聚物作为土壤改良剂的研究引起了国际上的广泛关注。向盐碱地中施入高聚物土壤改良剂能够改善土壤结构，加快土壤排盐效果，提高盐碱地的生产能力[3]，高聚物土壤改良剂对土壤质量、作物生长有一定的影响[4，5]。聚马来酸酐（Polymaleic anhydride，PMA），常用作水体除垢剂，可以与水中的钙、镁离子螯合，从而阻止垢的生成，并且对水中沉淀物有较强分散作用。目前，关于聚马来酸酐对设施土壤微生物学特性影响的系统研究还鲜见报道。本研究以廊坊市长期设施栽培区为平台，探索设施土壤中施用聚马来酸酐时土壤微生物生物量碳、氮以及土壤呼吸速率的响应，以了解聚马来酸酐对设施土壤培肥效应的影响，为改善设施土壤质量和可持续发展提供理论依据。endprint

1  材料与方法

1.1  试验设计

选取廊坊市东外环长期设施栽培区为试验田，共设7个处理组，即CK、HPMA、2HPMA、N、2N、HPMA+N、2HPMA+2N。其中，CK为不施入任何肥料，HPMA为施入聚马来酸酐，N为施入NH4H2PO4。施肥用量为HPMA 0.13 kg/m2，N 0.07 kg/m2，每个处理小区面积为6.0 m2。测定pH、有机碳、全氮、微生物生物量碳、微生物生物量氮及土壤呼吸速率，计算微生物商，微生物商=（土壤微生物生物量碳/土壤有机碳含量）×100%。

1.2  样品的采集与处理

土壤样品于2009年3月（菠菜收获后）采集。采用五点混合采样法，取0～10 cm耕层土壤，混匀，用自封袋密封，除去植物残根、石块和土壤动物，过2 mm筛，保存于4 ℃冰箱备用。

1.3  测定方法

土壤pH采用电位法;土壤有机质采用高温外热重铬酸钾氧化容量法;土壤全氮采用半微量开氏法;土壤微生物生物量碳、氮采用氯仿熏蒸浸提法（FE）;土壤呼吸速率采用室内密闭培养法。

1.4  数据处理

数据采用Microsoft Excel 2003进行处理，然后通过SPSS for Windows 13.0进行单因素方差分析，不同处理之间采用Duncan新复极差法进行多重比较，采用Origin Pro7.5作图。

2  结果与分析

2.1  土壤有机碳、全氮

由表1可知，与CK相比，单施聚马来酸酐降低了土壤有机碳、全氮的含量，HPMA处理分别比CK降低了2.27%和14.22%，2HPMA处理分别比CK降低了2.17%和11.64%;单施氮肥、聚马来酸酐氮肥配施处理提高了土壤有机碳含量，但差异不显著;单施氮肥、聚马来酸酐氮肥配施处理显著提高了全氮含量，其中2N处理全氮含量最高，较CK提高了34.48%。不同施肥处理对土壤有机碳与全氮比值的影响效果不同。各处理C/N依次为HPMA>2HPMA>CK>HPMA+N>2HPMA+2N>N>2N。单施聚马来酸酐土壤C/N与CK相比提高了10.50%～13.79%，单施氮肥降低了土壤C/N，聚马来酸酐氮肥配施处理土壤C/N变化不显著。各施肥处理均降低了土壤pH，其中单施聚马来酸酐降低最多，这与王文杰[6]、肖辉[7]研究结果相一致。

2.2  土壤微生物生物量碳、氮

不同处理土壤微生物生物量碳、氮含量差异如图1所示。不同施肥处理土壤微生物生物量碳含量变幅很大，变化范围是54.52～162.96 mg/kg。单施氮肥处理及聚马来酸酐氮肥配施处理土壤微生物生物量碳含量均显著高于CK。其中，2N处理和HPMA+N配施处理分别比CK高198.9%和183.2%。土壤微生物生物量氮变化范围是30.31～52.68 mg/kg，约占全氮的1.31%～2.11%，与罗兰芳等[8]研究结果基本一致。各处理均显著提高了土壤微生物生物量氮含量，其中2N和2HPMA+2N处理最高，分别比CK高28.27%和25.47%。

由表2可知，土壤微生物商为0.52%～1.49%，各施肥处理均提高了土壤微生物商，其中2N处理和HPMA+N处理比CK高186.5%和178.8%。这表明各处理能够增加土壤微生物对有机碳的利用率，提高土壤活性有机碳含量，加快有机碳周转速率。单施氮肥、聚马来酸酐氮肥配施均提高了土壤微生物生物量碳、氮比，单施聚马来酸酐处理降低了土壤微生物生物量碳、氮比，说明单施聚马来酸酐处理土壤氮素的有效性较高。细菌的微生物生物量碳氮比一般约在5∶1，放线菌约在6∶1，真菌约在10∶1。表2中各处理微生物生物量碳、氮比均在5以下，说明各处理土壤中细菌是优势菌。

2.3 土壤呼吸速率

不同处理土壤呼吸速率差异如图2所示。与CK相比，单施聚马来酸酐处理对土壤呼吸速率无显著影响，单施氮肥处理、聚马来酸酐氮肥配施处理显著提高了土壤呼吸速率，单施氮肥处理比CK高36.3%～63.0%，聚马来酸酐氮肥配施处理比CK高30.2%～33.5%。

土壤微生物代谢商是土壤微生物呼吸速率与土壤微生物生物量碳的比值如图3所示。HPMA处理提高了土壤微生物代谢商，但影响不显著，其他各处理均显著降低了土壤微生物代谢商，这说明除HPMA处理外，其他各处理土壤微生物呼吸消耗的碳量较少，能够更有效的利用土壤有机碳转化为土壤微生物生物量碳。

2.4  土壤微生物生物量碳、氮，土壤呼吸速率与土壤基本化学性质的相关性

由表3可知，土壤微生物生物量碳与有机碳、全氮呈显著正相关关系。土壤微生物生物量氮与全氮呈显著正相关关系，与有机碳之间无显著相关关系。微生物商与微生物生物量碳、微生物生物量氮、土壤呼吸速率及土壤基本化学性质之间均呈极显著正相关关系。土壤呼吸速率与微生物生物量碳、氮及土壤基本化学性质之间呈极显著或显著正相关关系。代谢商与土壤微生物生物量碳、氮之间呈极显著或显著负相关关系，与土壤基本化学性质间无显著相关关系。

3  小结与讨论

在设施条件下，单施聚马来酸酐降低了土壤有机碳、全氮含量，这可能是由于施用聚马来酸酐为土壤微生物提供了食源，促进了土壤有机质的矿化，同时聚马来酸酐提高了土壤对NH4+的吸附和保持[9]，增强了土壤中氮的转化。单施氮肥能够增加土壤有机碳含量，但差异不显著。施氮肥能够提高土壤全氮含量，且随氮肥施用量增加而提高，这与张锡洲等[10]的研究结果相同。

在特定范围内，C/N比高有利于改善土壤物理结构，促进土壤微生物的生长[11]。单施聚马来酸酐提高了设施土壤C/N，这可能是因为聚马来酸酐改善了土壤结构。单施氮肥降低了设施土壤C/N，这可能是因为设施土壤中增施N肥后，加快了植物生长，增加了根系分泌物，从而促进微生物的生长，加快了土壤碳的矿化速率，同时没有增加有机碳的投入，进而使土壤C/N比下降，这可能会进一步破坏土壤物理结构。endprint

土壤微生物生物量的动态变化能够反映土壤同化和矿化能力，是土壤活性的标志[12]。单施聚马来酸酐增加了土壤微生物生物量碳、氮含量，但影响不显著。这可能是因为聚马来酸酐能够增加土壤水的入渗速率[13]，且对土壤有更高的团聚能力，能够改善土壤结构，使土壤的C/N增加，加快了微生物分解有机碳、全氮的速度。单施氮肥处理显著提高了土壤微生物生物量碳、氮含量，这与罗兰芳等[8]的研究结果一致。聚马来酸酐氮肥配施显著提高了土壤微生物生物量碳、氮含量，但2HPMA+2N处理土壤微生物生物量氮含量高于HPMA+N处理，土壤微生物生物量碳含量低于HPMA+N处理。这表明增加聚马来酸酐与氮肥的配施量能一定程度提高土壤微生物生物量氮的含量，但未必能提高土壤微生物生物量碳含量。

微生物商的变化反映了土壤中输入的有机质向微生物量碳的转化效率、土壤中碳损失和土壤矿物对有机质的固定。与CK相比，各施肥处理均提高了土壤微生物商，其中2N处理微生物商最高。这主要是因为氮肥可以增加生物产量，改善土壤环境，有利于土壤有机质的降解和微生物量碳增加。BROOKES等[14]研究表明土壤微生物商值范围是0.27%～7.00%。本研究微生物商的范围为0.48%～1.46%，虽与文献报道中的数值相符，但数值相对偏低，这表明设施土壤活性有机碳含量相对较低，有机碳周转速率相对较慢。

土壤呼吸速率是衡量土壤质量和土壤肥力的重要生物活性指标，它能够在一定程度上反映出土壤氧化能力和转化能力[15]。施肥是众多影响土壤呼吸速率因素中的关键影响因子之一[16-18]。单施氮肥处理显著提高了土壤呼吸速率，这与李昌珍等[19]的研究结果基本一致，这可能是由于施用氮肥降低了土壤C/N，促进了微生物活动和生长繁殖，加大了有机质的分解速率。聚马来酸酐氮肥配施处理显著提高了土壤呼吸速率，表明该处理微生物处于良好状态，可以储存和循环更多养分。

土壤微生物代谢商是指在单位时间里，单位生物量微生物的呼吸强度，它能够把微生物生物量与微生物活性及功能联系在一起，可以用来表示微生物生物量的大小和活性[20]。除HPMA处理外，其他各施肥处理土壤微生物代谢商均低于CK处理，这说明各施肥处理土壤具有较高的微生物生物量和活性，可以维持土壤生态系统的正常功能。

土壤微生物生物量碳是土壤中的活性有机质部分，是表征土壤肥力特征的重要参数，土壤微生物生物量氮是土壤氮素的一个重要暂时贮存库。本研究中土壤微生物生物量碳与土壤有机碳、土壤微生物生物量氮与全氮呈显著正相关关系，表明微生物量碳、氮的变化趋势与土壤有机碳、全氮变化趋势一致，因此土壤微生物生物量可以代表土壤有机碳、全氮评价土壤肥力状况，可作为评价土壤质量变化的生物学指标。本研究为应用聚马来酸酐改善设施土壤培肥效应提供了理论依据，但是，关于聚马来酸酐与氮肥的最适配比仍有待进一步研究。

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