紫云英与化肥配施对土壤微生物特征和作物产量的影响

万水霞，唐杉，蒋光月，李帆，郭熙盛，王允青*，曹卫东

(1.安徽省农业科学院土壤肥料研究所，安徽养分循环与资源环境省级实验室，安徽 合肥 230031；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081)



紫云英与化肥配施对土壤微生物特征和作物产量的影响

万水霞1，唐杉1，蒋光月1，李帆1，郭熙盛1，王允青1*，曹卫东2

(1.安徽省农业科学院土壤肥料研究所，安徽养分循环与资源环境省级实验室，安徽 合肥 230031；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081)

为了探讨紫云英绿肥与化肥配施对稻田土壤培肥的微生物机制，本研究以7年肥料定位试验为材料，研究了不同施肥对安徽沿江双季稻区稻田土壤可培养微生物数量、微生物量碳氮、微生物熵及水稻产量的影响，探讨施用紫云英绿肥对稻田土壤的培肥效果。结果表明，1)与不施肥相比，长期施用紫云英可显著增加土壤微生物总数量(58.09%～86.86%)，尤其是增加了细菌数量(77.93%～112.76%)，土壤微生物总数量及细菌数量均于G3F1处理(70%化肥配施22500 kg/hm2紫云英)达最大值(288.26×104和263.95×104CFU/g)。2)施用紫云英可有效增加土壤微生物量。其中，70%化肥配施中高量紫云英的处理与CK相比，土壤微生物量碳(SMBC)、微生物量氮(SMBN)、微生物熵(qMB)分别增加了102.77%～113.94%、172.53%～185.17%、69.47%～84.65%；与100%化肥相比，SMBC、SMBN、qMB分别增加27.74%～34.77%、74.14%～82.22%、20.50%～31.29%。(3)施用紫云英处理的水稻产量与100%化肥处理相当或稍有提高，但明显高于70%化肥和CK处理。与CK相比，紫云英与化肥配施可提高产量46.22%～51.44%。 因此，化肥减量30%配施15000～30000 kg/hm2紫云英可以提高安徽沿江双季稻区水稻产量，本试验以施加22500 kg/hm2的紫云英产量最高(增产率达51.44%)，同时，紫云英与化肥配施对提高土壤微生物量碳氮、微生物熵及调节土壤微生物群落组成，改善稻田土壤生物学性状产生显著影响。

紫云英；稻田土壤；土壤微生物；水稻产量

在水稻(Oryzasativa)种植中，由于长期的高产集约化耕作，化肥投入量大，施肥不合理造成了我国部分稻田理化性状变劣、养分利用下降、地力衰退，同时对环境产生严重污染、农产品质量下降，已经成为我国水稻生产中重要的限制因素[1-2]。在水稻种植区利用稻田冬季休闲空间种植绿肥，将绿肥与化肥配合施用, 可以有效改善土壤理化性状，促使土壤中有益微生物大量繁殖，可以提高土壤有机质含量、增加作物产量、提高农产品品质，并在一定程度上替代化学肥料，减少N肥施用量[3]。因此，建立绿肥与化肥配合施用的施肥体系，对提高粮食产量、保障粮食安全具有十分重要的意义。

土壤微生物通过参与土壤生态系统的能量流动和物质循环，在农业生态系统物质能量转化过程中起着重要作用[4]。土壤微生物量是土壤有机质的活性部分,也是土壤中最活跃的因子, 前人研究表明土壤微生物量对于土壤有机质变化的反应非常敏感,可以作为有机碳变化的预警指标之一[5]。土壤微生物熵(qMB)是指土壤微生物量碳(SMBC)与土壤总有机碳(SOC)的比值, 它使用相对比值使不同环境中的微生物状况具有可比性，能够更为客观地反映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[6]。土壤微生物量、微生物熵均被用作评价土壤肥力和土壤质量早期变化的有效指标[7]。不同的耕作与施肥对土壤微生物及土壤养分具有不同的影响。研究表明，绿肥的施入为微生物生长繁殖提供充足的碳源及氮源，影响微生物对碳源的利用，从而改变微生物群落结构及多样性[8-9]。施用绿肥能够改变土壤化学及生物学性状，并对作物生长产生影响[10]。但是由于环境条件、施肥管理及土壤类型的复杂多样性，不同的地域环境，施肥及土壤质地对土壤微生物的影响也不尽相同[11-12]。因此，本文以安徽沿江双季稻区稻田土壤培肥定位试验为平台，探索双季稻-绿肥种植模式下，长期施用紫云英(Astragalussinicus)绿肥对稻田土壤微生物特征及作物产量的影响，为安徽沿江双季稻区稻田土壤培肥、提高肥料效率和紫云英合理施用提供理论依据。

1　材料与方法

1.1试验地点与材料

定位试验开始于2008年，在安徽省桐城市吕亭镇新店村(117°04′43.62″ E，31°06′26.46″ N)开展。年平均温度16.0℃，年降雨量1250 mm，年日照时数1903 h，无霜期 246 d。供试土壤成土母质为河流冲积物发育的水稻土，试验前采集耕层土壤分析其基本理化性质为：有机质 17.5 g/kg，全氮 1.34 g/kg，碱解氮 75 mg/kg，速效磷 6 mg/kg，速效钾 78 mg/kg，缓效钾 246 mg/kg，pH 6.2。供试作物体系为紫云英-早稻-晚稻，早稻品种为“早籼7038”，早稻每年3月28日左右播种，4月28日左右移栽，栽插密度30万穴/hm2，每穴5苗。紫云英品种为“弋江籽”，每年在晚稻收获后免耕播种并于第2年早稻移栽前两星期收割还田。

1.2试验设计

试验采用田间定位试验研究方法。设7个处理：(1) CK(对照)，不施紫云英和化肥；(2)G0F2，100%化肥，不施紫云英；(3)G0F1，70%化肥，不施紫云英；(4)G1F1，70%化肥，施紫云英鲜草 7500 kg/hm2；(5)G2F1，70%化肥，施紫云英鲜草 15000 kg/hm2；(6)G3F1，70%化肥，施紫云英鲜草 22500 kg/hm2；(7)G4F1，70%化肥，施紫云英鲜草 30000 kg/hm2。其中，100%化学肥料用量(N-P2O5-K2O=165-75-90 kg/hm2)，70%化肥用量为在 100%化肥基础上N、P2O5、K2O 均减少30%。除对照外，各处理均施硫酸锌15 kg/hm2。试验中的磷肥、钾肥、锌肥全部作基肥一次施用。氮肥按基肥-分蘖期-穗期各占50%-30%-20%分3次施用。小区面积 20 m2，4次重复，随机区组排列，每年度各处理均在固定田块上进行。小区埂宽 30 cm，高 20 cm，用薄膜覆盖，防止小区间串水串肥。每小区在灌排小沟一端设灌排水口。

1.3样品采集及测定方法

定位试验各小区于每年早稻成熟期分别收割计产，土壤样品采集于 2014年7月28日(早稻收割后)，每个小区按5点取样法采集 0～20 cm 的耕层土壤，组成混合代表样，去除杂物、细根，混匀，分成两部分，一部分土壤样品保存于4℃冰箱用于微生物数量及微生物生物量的测定；另一部分土样风干后测定土壤理化特性。

土壤微生物数量采用稀释平板法进行分离测定[13]；土壤微生物量碳、氮的测定采用氯仿熏蒸浸提法，其含量计算用熏蒸和未熏蒸样品碳含量之差除以回收系数KC=0.45和KN=0.45[14]；土壤总有机碳采用重铬酸钾容量法-外加热法[15]。

1.4数据处理

原始数据经Excel 2007 软件整理后，采用SPSS 17.0 软件进行统计分析，并对水稻产量与土壤微生物特性进行相关性分析。作物产量的可持续性程度用 SYI(sustainability yield index)表示，作物产量的变异程度用变异系数CV(coefficient of variance)表示[16]。

SYI=(ū-σ)/umax

CV=σ/ū

式中，ū为水稻的平均产量，σ为标准差，umax为试验点水稻的最高产量。

2　结果与分析

2.1施用紫云英绿肥对稻田土壤可培养微生物的影响

不同施肥处理稻田三大类微生物总数以 70%化肥与紫云英配施>100%化肥>70%化肥>CK(表1)。施用紫云英绿肥有利于稻田土壤微生物总数的提高，相比较于CK，施用紫云英的处理微生物总量提高了58.09%～86.86%，而单施化肥微生物总量提高37.11%～39.67%。可见，施肥对土壤微生物的数量产生了一定的影响，尤其是绿肥与化肥配施产生的影响较大。

稻田土壤中细菌、真菌和放线菌对不同施肥表现出不同的响应特征。细菌是稻田土壤中的主要类群，其占比为 80.42%～91.57%，且变化趋势与微生物总数相一致。放线菌数量介于细菌与真菌之间，本研究中各施肥处理放线菌数量稍低于CK，但所有处理之间放线菌数量未显示出显著性差异。真菌数量最低，占总数的 0.97%～1.89%，100%化肥处理显著提高了土壤中真菌的数量，而紫云英与化肥配施对真菌未产生显著影响。

土壤中不同种类微生物数量的比值反映了土壤微生物群落组成的变化。表1显示，100%化肥处理细菌/真菌值降低了 29.64%，而紫云英与化肥配施显著提高了土壤的细菌/真菌，并且随着紫云英用量的增加而升高，但紫云英施用量超过 22500 kg/hm2时，则不同处理间细菌/真菌值没有显著性差异。说明 100%化肥或化肥与紫云英配施可以改变土壤微生物的群落结构。单施化肥降低了土壤中细菌的占比，但增施紫云英使细菌/真菌提高，使土壤向“细菌化”方向发展。

2.2施用紫云英绿肥对稻田土壤微生物生物量碳、氮及微生物熵的影响

表2显示的是稻田不同施肥条件下SMBC及SMBN 含量，各处理的SMBC、SMBN 变化范围分别为 196.93～421.31 mg/kg 和 55.04～156.95 mg/kg，施肥均不同程度地提高了SMBC及SMBN 的含量。施用紫云英处理的SMBC较CK提高幅度为 49.57%～113.94%，较G0F2(100%化肥)处理提高了 27.74%～34.77%，施用紫云英的 4个处理以G3F1(70%化肥+22500 kg/hm2紫云英)SMBC含量为最高。SMBN的变化与SMBC类似，与单施化肥或是不施肥相比，紫云英与化肥配施显著提高了SMBN的含量。可见，紫云英与化肥配施对土壤微生物量的提高产生了显著的正效应。

表1　不同施肥处理稻田可培养微生物数量和占比Table 1　Effect of different fertilization on microorganisms in paddy soil

注：不同小写字母表示处理间在P<0.05水平差异显著。下同。

Note: Different letters indicate data significantly different among treatments (P<0.05).The same below.

表2　不同施肥处理对土壤微生物生物量和微生物熵的影响Table 2　Effects of different fertilizer managements on microbial biomass and soil microbial quotient

SMBC/SMBN值可间接反映微生物群落结构的信息[17]。由表2可以看出，与CK相比，G0F2的SMBC/SMBN值没有显著性差异，G0F1的SMBC/SMBN值降低了 5.67%。在 70%化肥条件下，随着紫云英施用量的增加SMBC/SMBN值呈降低趋势。与CK、G0F2相比，施用紫云英处理的SMBC/SMBN降低7.35%～27.44%、8.54%～28.37%。结果表明，化肥与紫云英配施降低了稻田土壤微生物量碳与土壤微生物量氮的比值。此结果也就喻示了紫云英的施用对稻田土壤微生物群落结构产生了影响。

土壤微生物熵(qMB)指的是土壤微生物量碳(SMBC)与土壤总有机碳(SOC)的比值，它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[18]。由表2可见，该试验田土壤微生物熵的变化范围是1.98%～3.65%。紫云英与化肥配施与不施肥及单施化肥之间存在显著性差异。与100%化肥相比，中高量紫云英与化肥配施qMB值提高了 20.50%～31.29%，其中 G3F1处理qMB值最大，这与SMBC、SMBN的变化相一致。

2.3施用紫云英绿肥对水稻产量的影响

图1　不同施肥处理早稻产量动态变化Fig.1　Dynamic change of early-rice yield under different treatments

2.3.1不同施肥处理早稻稻谷产量的变化图1表明不同施肥处理早稻产量的动态变化，同一处理不同年份水稻产量变化较大，不同处理间，不同年份各施肥处理早稻产量均显著高于不施肥处理，表明本试验中各种施肥均能使早稻增产。相同年份不同处理之间的变化趋势基本一致，即70%化肥配施中高量(15000～30000 kg/hm2)紫云英的处理早稻产量>100%化肥处理>70%化肥处理>CK。说明稻田施用紫云英能够替代30%化肥促进早稻增产，减少化肥用量。

2.3.2多年紫云英还田对双季稻产量稳定性的影响从7年早稻的平均产量来看(表3)，相比于CK，70%化肥配施紫云英可以提高早稻产量46.22%～51.44%。相比于100%化肥处理，中高量(15000～30000 kg/hm2)紫云英与化肥配施可提高水稻产量2.91%～8.73%。对于70%化肥条件下不同紫云英施用量之间，随着紫云英施用量的增加，水稻产量均有增加的趋势，但当紫云英施用超过22500 kg/hm2时，水稻产量又呈现降低的趋势，由此可见，紫云英的施用必须注意适量才能达到最佳的增产效果。施肥与不施肥产量差异显著，而不同施肥的处理之间差异未达显著水平。

表3　不同施肥处理早稻的可持续性指数(SYI)和变异系数(CV)Table 3　SYI values and CV of early-rice under different treatments

从不同处理产量的变异性及可持续性指数来看，施用紫云英的条件下，早稻产量的变异系数均低于、可持续性指数均高于100%化肥处理。显然，稻田采用适量紫云英与化肥配施的施肥模式可以获得稳定及持续的增产效果。

2.4水稻产量与土壤微生物特征之间的相关性分析

多年早稻的平均产量与土壤生物学性状相关性分析表明，水稻产量与土壤细菌数量呈极显著相关(P<0.01)(表4)，与土壤微生物量碳、土壤微生物量氮及土壤微生物熵显著相关(P<0.05)，而与其他微生物指标的相关性不显著(P>0.05)。微生物熵与微生物量碳氮都呈极显著正相关(P<0.01)，微生物量碳氮比与细菌真菌数量比呈极显著负相关(P<0.01)。综上所述，采取紫云英代替部分化肥可以提高土壤微生物生物学性状，能够促进水稻生长发育、增加水稻产量。

表4　水稻产量与土壤微生物性状之间的相关性Table 4　Correlation matrix between rice yield and soil microbial properties

*为显著相关(P<0.05), **为极显著相关(P<0.01)。* indicate significant correlation atP<0.05 level; ** indicate significant correlation atP<0.01 level.

3　讨论

紫云英是我国南方稻田冬季主要的绿肥作物，将其作为一种有机物料还田可提高土壤有机质含量，改善土壤理化性质，为微生物的生长繁殖提供良好的生存环境[11]。研究证实[19]，施用有机肥或有机物料(如秸秆、绿肥、动物厩肥等)将增加土壤中微生物的数量。本研究中所有施肥处理的可培养细菌、真菌数量明显增加，但放线菌数量无显著变化，并且化肥与紫云英绿肥配施显著促进了土壤中细菌和微生物总数的增加，这与肖嫩群等[11]、杨曾平等[20]的研究结果一致。因为紫云英还田后在微生物的作用下腐解，释放营养元素，并逐渐转化为腐殖质，增加土壤有机质的含量[21]。同时，释放的营养物质又能催生更多的微生物生长和繁殖，从而使土壤微生物数量增加。此外，本研究中施肥对放线菌未产生显著的影响，与颜志雷等[22]报道的化肥与紫云英翻压可显著增加真菌和放线菌的数量的结果存在差异，这可能与环境条件、耕作栽培及田间管理不同有关。紫云英与化肥配施不但改变了细菌、真菌、放线菌的数量，同时也显著增加了土壤细菌/真菌，这与孙瑞莲等[5]的研究一致。说明紫云英的施用增加了土壤的营养成分，它在优化调控土壤细菌、真菌等微生物群落结构方面起了一定的作用。

土壤微生物量碳、氮与土壤中碳、氮元素的循环密切相关，虽然土壤微生物量碳仅占土壤总碳的1%～4%，土壤微生物量氮仅占土壤全氮的2%～7%，但微生物量碳、氮转化速率较快，可直接或间接地对土壤环境的变化作出反馈，是比较敏感的生物学指标[7]。本研究结果表明，施肥均不同程度地提高了土壤微生物量碳、氮含量，紫云英与化肥配施处理明显高于单施化肥处理，并且土壤微生物量随着紫云英施用量的增大而提高。究其原因，首先，紫云英施用于稻田在浅水条件下浸沤腐解，释放出大量可溶性有机物[23-24]，改善了土壤的理化性质，为微生物的生长繁殖提供了良好的生存环境，促进了微生物量的增加。另外，紫云英腐解改善了土壤活性有机碳组分和土壤腐殖质品质，同时还将一些难溶养分转化成易溶养分[25]，促进水稻植株的生长及根系分泌物的增加，而根际分泌物中大量的活性碳物质可促进微生物繁殖生长[26]，从而使土壤微生物量得以提高。第三，有研究认为有机肥与化肥配施可以提高化肥的利用率[27]，化肥的施入调整了紫云英的C/N，使之更有利于微生物分解，及微生物利用同化物质来构建微生物体，使微生物量提高。上述结果与前人在有机肥或是有机物料研究中强调有机无机配合施用对土壤微生物生长的影响是一致的[5,22]。林多胡和顾荣申[28]的研究显示，紫云英-双季稻耕作制中的紫云英适宜翻压量为22.5～30.0 t/hm2，增加翻压量会加剧早稻秧苗产生毒害的风险。本研究中得到类似的结论，对于紫云英不同施用量之间，土壤微生物量呈现G3F1>G4F1>G2F1>G1F1的变化趋势。显然紫云英施用量超过22500 kg/hm2(G3F1)时微生物量稍有降低。过量的紫云英翻压，其腐解时间相对延长，其腐解过程易引起土壤氧化还原电位的降低，产生大量H2S、CO2、有机酸等有毒物质，同时还会积累一些有害离子[29]，使微生物数量下降。因此紫云英翻压量并不是越大越好，适量紫云英与化肥配施才能获得良好的微生态环境。

微生物熵的变化比土壤有机碳和微生物量碳更稳定，更能反映人为干扰对农田生态系统的影响。土壤中微生物商值一般为1%～4%[18]，本研究中施用紫云英的处理土壤微生物熵平均值为3.33%，稍低于杨曾平等[20]对南方红壤性水稻土微生物熵(3.67%～4.55%)的研究。可见，紫云英施用条件下，土壤中有机碳更容易被微生物利用，从而提高了土壤有机质的活性，减少土壤碳素损失。有研究者指出，细菌型土壤的SMBC/SMBN低于真菌型[17]，紫云英条件下SMBC/SMBN有所降低，这一点与前面紫云英显著增加了土壤细菌/真菌值的变化相吻合，说明紫云英的腐解对微生物群落组成产生影响，至于紫云英对微生物群落结构的具体影响尚待深入研究。

前人研究表明绿肥与化肥长期配合施用可以提高作物产量[19,30-31]，减少化肥用量，本研究也证实了这一论点。7年定位试验早稻的平均产量显示，紫云英与化肥配施相对于不施肥可以提高早稻产量46.22%～51.44%。同时，施用紫云英后，水稻产量与常规100%化肥处理持平或有提高。一方面，紫云英的施用能够满足水稻对速效养分需求，紫云英养分释放缓慢，可持续为水稻生长提供所需养分，维持水稻产量。另一方面，紫云英的腐解促进了土壤微生物繁殖，在水稻生育前期，微生物固持的SMBN增多，在水稻生育中后期，这些氮素被释放供水稻吸收、利用，从而维持和提高水稻产量。土壤微生物特征与作物产量的相关性分析也表明，水稻产量与土壤微生物量及微生物熵及土壤细菌数量显著相关(P<0.05)，紫云英的施用改变土壤微生物特性从而提高产量。另外，紫云英施用量超过22500 kg/hm2时，产量有下降的现象，各施肥处理之间无显著性差异。过量的紫云英翻压，腐解初期微生物大量繁殖可能会与水稻争肥造成水稻生育期延迟，这可能成为过量紫云英施用产量下降的原因之一。因此，紫云英的施用宜适量，过多的紫云英施用对产量的增加没有产生正效应，同时还增加了材料浪费及环境污染的风险。

综上所述，稻田长期施用紫云英绿肥后，土壤微生物特征明显改善，作物稳定增产。本试验条件下，70%化肥配施22500 kg/hm2紫云英综合效果较好。

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*Effects of Chinese milk vetch manure and fertilizer on soil microbial characteristics and yield of rice

WAN Shui-Xia1, TANG Shan1, JIANG Guang-Yue1, LI Fan1, GUO Xi-Sheng1, WANG Yun-Qing1*, CAO Wei-Dong2

1.SoilandFertilizerResearchInstitute,AnhuiAcademyofAgriculturalSciences,LaboratoryofNutrientRecycling,ResourcesandEnvironmentofAnhui,Hefei230031,China； 2.InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,MinistryofAgricultureKeyLaboratoryofPlantNutritionandFertilizer,Beijing100081,China

To explore the microbiological response to incorporation of Chinese milk vetch and chemical fertilizers in paddy soils, a 7-year field experiment was used to investigate the effects of different fertilization regimes on the number of microorganisms, microbial biomass carbon (SMBC) and nitrogen (SMBN) contents, soil microbial quotient (qMB) and rice yield. The results showed that: (1) Compared to the control (CK), long-term use of milk vetch significantly increased soil microorganisms by 58.1%-86.9%, especially the number of bacteria (77.9%-112.8%). The highest soil microorganism and bacteria numbers were found in the 70% mineral fertilizer combined with 22500 kg/ha milk vetch treatment with value of 288.26×104and 263.95×104CFU/g, respectively. (2) Application of milk vetch can effectively increase the content of microbial biomass. Compared with CK, 70% of normal mineral fertilizer application combined with milk vetch increased SMBC, SMBN, qMB by 102.8%-113.9%, 172.5%-185.2% and 69.5%-84.7% respectively. Compared with 100% mineral fertilizer treatment, 70% mineral fertilizer application combined with milk vetch increased SMBC, SMBN, qMB by 27.7%-34.8%, 74.1%-82.2%, 20.5%-31.3% respectively. (3) 70% mineral fertilizer application combined with milk vetch incorporation maintain or improved crop yields compared with 100% the mineral fertilizer treatment, but significantly increased crop yields compared with CK and the 70% mineral fertilizer treatment. Compared with CK, mineral fertilizer application combined with milk vetch increased crop yield by 46.2%-51.4%. It was concluded that mineral fertilizer reduction of 30% combined with milk vetch can increase the rice yield in Anhui double cropping areas along the Yangtze River. In this experiment, the application of 22500 kg/ha milk vetch achieved the highest yield increase (51.44%). Application of 70% mineral fertilizer combined with milk vetch plays a significant role in increasing soil microbial biomass and soil microbial quotient, regulating soil microbial community composition as well as improving soil biological properties in paddy soil.

(Chinese) milk vetch (Astragalussinicus); paddy soil; soil microbes; rice yield

10.11686/cyxb2016030

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-01-20；改回日期：2016-03-08

安徽省农业科学院院长青年创新基金项目(15B1016)，公益性行业(农业)专项(201503123，201103005)和国家自然科学基金项目(41401308)资助。

万水霞(1978-)，女，安徽东至人，助理研究员，硕士。 E-mail: wanshuixia2006@126.com

Corresponding author. E-mail:yunqingw@yeah.net

万水霞，唐杉，蒋光月，李帆，郭熙盛，王允青，曹卫东. 紫云英与化肥配施对土壤微生物特征和作物产量的影响. 草业学报, 2016, 25(6): 109-117.

WAN Shui-Xia, TANG Shan, JIANG Guang-Yue, LI Fan, GUO Xi-Sheng, WANG Yun-Qing, CAO Wei-Dong. Effects of Chinese milk vetch manure and fertilizer on soil microbial characteristics and yield of rice. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(6): 109-117.