盐碱地不同施氮量对土壤微生物区系与食葵产量的影响

2017-08-16逄焕成张建丽李二珍靳存旺

干旱地区农业研究 2017年4期

张，王婧，张莉，逄焕成，张建丽，李二珍，靳存旺

(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2.北京理工大学生命学院，北京 100081； 3.内蒙古五原县农技推广中心，内蒙古巴彦淖尔 015100)

在内蒙古河套灌区盐碱食葵田进行大田试验，以不施氮肥为对照(CK)，设置了75 kg·hm-2(N1)、150 kg·hm-2(N2)、225 kg·hm-2(N3)、300 kg·hm-2(N4)、375 kg·hm-2(N5)五个氮肥施用水平，研究了不同氮肥施用量对土壤微生物区系和食葵产量的影响。结果表明：(1) 盐碱地施用氮肥可提高土壤微生物数量和细菌优势菌菌群多样性，各处理0～20 cm土层根区土壤微生物数量大小顺序为N4>N3>N5>N2>N1>CK，各施肥处理较CK差异极显著(P<0.01)；(2) 盐碱地施用氮肥可促进食葵生长发育，提高产量，随氮肥施用量由低到高，食葵长势和干物质积累呈逐渐增加趋势，产量与施氮量呈抛物线型关系，各处理产量分别较CK提高0.06%、36.27%、61.95%、105.36%和85.03%；(3) 适量施氮可抑制土壤积盐，食葵收获后，各处理积盐量大小顺序为N2>CK>N5>N3>N1>N4；(4) 土壤微生物的数量和优势菌菌群数与氮肥施用量、食葵根干重呈正相关关系，与土壤含盐量和积盐量呈负相关关系。综合试验结果，内蒙古河套灌区中度盐碱地食葵生产中氮肥适宜施用量为300 kg·hm-2。

氮肥；盐碱土；食葵；土壤微生物；微生物区系

河套灌区的盐碱耕地面积约占内蒙古盐碱化障碍耕地面积的70%。食葵是河套灌区盐碱地主栽作物之一。土壤盐胁迫可降低作物的生长势，影响作物产量。施肥是最显著影响土壤质量及其可持续利用的农业措施之一[1]，不仅直接影响土壤化学成分，引起土壤微生物数量、活性和群落结构改变，还能改变土壤的物理性状，影响地上植被的生长[2]，更重要的是，适宜施肥可增强盐碱地作物的抗盐性，增产增收，因此成为高效利用盐碱地的重要手段之一。氮是植物生长发育不可缺少的营养元素，影响着植物的生长和生物量分配[3]。沈振国等[4]、逄焕成等[5]、Legha等[6]认为，施氮能明显降低盐分尤其是钠离子对功能器官的伤害。Gomez[7]认为施氮肥可缓解盐分对作物生长的抑制作用，达到增产效果。但氮肥的这种作用受作物种类、盐分含量及环境条件等因素限制，Ali等[8]认为，过量施氮会造成土壤可溶性盐含量升高，加重盐分对作物生长的不利影响。因此，合理施肥，提高盐碱地的氮肥利用率是首要考虑的问题[9]。

土壤是一个充满生机的生态系统，土壤微生物是土壤生态系统中极其重要和最为活跃的部分，在土壤养分转化循环、系统稳定性和抗干扰能力以及土壤可持续生产力中占据主导地位[1-2]，用土壤微生物参数来评价土壤的健康和质量愈来愈受到人们的关注[10]，土壤微生物群落及其数量的变化可以作为土壤肥力状况的重要生物学指标，其变化有赖于土壤的肥力水平、环境状况和根系生长等[1-3,11]。施肥是影响土壤微生物生态的主要措施之一[2]，会造成土壤微生物种群、数量和活性不同，这种差异又会对土壤结构、肥力和生产力产生重要影响[10]。目前，关于盐碱地不同施氮肥量水平的土壤微生物效应鲜见报道。本文拟通过研究内蒙古河套灌区盐碱地不同氮肥施用量对土壤微生态系统与食葵产量的影响，寻求作物稳产高产的施氮水平，为进一步建立盐碱地食葵合理施肥技术体系提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古五原县胜丰镇民联村，处于河套灌区腹地。全年日照时数3 263 h，年均温 6.1℃，≥10℃的积温3 363℃，无霜期117～136 d，年降雨量170 mm，大多集中在夏秋两季，年蒸发量2 068 mm，是降雨量的11.5倍。由于蒸发量过大，冬春季节土壤盐分表聚现象严重。试验区表层土壤为粉壤土，生育期内地下水埋深变幅1.2～1.7 m。2011年秋季测定试验区平均基础含盐量及离子组成见表1。

表1 试验区0～20 cm土层平均含盐量与离子组成

1.2 试验设计与田间管理

如表2所示，试验设6个氮肥(纯氮)施用量处理：CK(0 kg·hm-2)、N1(75 kg·hm-2)、N2(150 kg·hm-2)、N3(225 kg·hm-2)、N4(300 kg·hm-2)、N5(375 kg·hm-2)。其中，CK处理不施肥，其余各处理除施氮量不同外，P2O5和K2O施用量均为416.70 kg·hm-2和288.45 kg·hm-2。化肥种类为尿素(含N 46%)、磷酸二铵(含N 18%，含P2O546%)、硫酸钾(含K2O 50%)。所有肥料均于春季播前整地时一次性底施。葵花采用覆膜栽培。每个处理重复3次，小区面积11.5 m2(5 m×2.3 m)，小区间设0.5 m保护行。

表2 各处理氮肥施用量/(kg·hm-2)

试验于2012年进行，供试作物为食葵，品系为LD5009，为中熟食用美葵杂交种。种植密度为44 000 株·hm-2，行距60 cm，穴距40 cm。6月4日播种，9月23日收获。所有处理均于播前2周(5月20日)和现蕾期(7月7日)灌溉黄河水，每次灌溉量均为1 200 m3·hm-2。其它田间管理措施与当地农户一致。

1.3 取样方法与测定指标

分别于食葵播前(6月2日)、苗期(6月30日)、收获期(9月19日)取土测定土壤盐分，取土深度为0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm。收获前每小区选5株，测定株高、茎粗、盘径、干物重等指标，之后收获、考种。每小区单打单收测产。

1.4 微生物区系分析方法

本文只对可培养微生物进行多样性分析。在食葵成熟期(8月11日)采集各处理的0～20 cm土层根区土样，进行pH值测定后，采用稀释平板涂布法，利用牛肉膏蛋白胨培养基、高氏一号培养基和PDA培养基分别对细菌、放线菌和霉菌进行培养分析，根据菌落特征区分、计数各菌落总数。每个土样采用10-2、10-3、10-4三个梯度，每个梯度设3个重复，数据处理根据平板中菌落密度，选取合适梯度进行总数计数。

确定优势菌时，通过光学显微镜及肉眼观察，若平板上形态、颜色等特征一致的菌落数量≥3个，则确定为某一优势菌；优势菌占总菌落比例大致为40%左右。对平板中的细菌和放线菌优势菌群进行分离纯化，提取DNA，采用27f和1492r作为引物对其16S rDNA进行PCR扩增，并测序，于EzTaxon数据库中进行序列比对，初步确定其最相似菌和其所在的属，随后进行归类分析。

1.5 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2003和SPSS 13.0统计软件进行统计分析，LSD法检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对盐碱土壤盐分的影响

图1为各处理不同时期0～100 cm土层全盐量分布图。可以看出，各处理土壤0～100 cm土体盐分随着食葵生育期的推进呈增加趋势，即表现为返盐；而空间变化呈盐分表聚和深层积聚两种趋势，即与播前相比，收获期各处理10 cm以上土层和60 cm以下土层盐分含量较高。

0～20 cm土层是作物根系主要分布层，由试验测定值计算可知，经过一个作物生长季，各处理对该层盐分的影响差异显著，施肥量不足会加重土壤返盐和表聚，N2处理积盐量达1.16 g·kg-1，N3处理积盐0.41 g·kg-1；过量施肥会出现土壤积盐，N5处理积盐量达0.43 g·kg-1；而氮肥施用量极少和适量时均能抑制土壤积盐，与播前相比，N1和N4处理在食葵收获后土壤含盐量变化较小，积盐量分别为-0.04 g·kg-1和-0.01 g·kg-1。

图1 不同施氮量处理各土层土壤盐分分布变化(a：播前；b：苗期；c：收获期)

Fig.1 Soil salt content of different treatments(a：pre-sowing；b：seedling stage；c：harvest stage)

2.2 不同施氮量对土壤微生物数量的影响

不同施氮处理土壤微生物数量均极显著高于CK处理(图2)，说明增施氮肥能促进盐碱地微生物的繁殖。各处理微生物数量为N4>N3>N5>N2>N1>CK，随施氮量的增加呈现先增后降的趋势，其中N4处理比CK处理增加187.54%。过量施氮对土壤微生物繁殖产生一定抑制作用，N5处理微生物数量比N4处理降低34.76%。

各处理土壤微生物中细菌所占比例比较大(图2)，其中CK、N1、N2、N3、N4、N5处理细菌比例依次为66.19%、78.17%、77.92%、88.91%、82.67%、75.40%，放线菌的数量极显著低于细菌，霉菌数量稀少。与微生物数量变化规律一致，各施氮处理的细菌数量均极显著高于CK处理，随氮肥施用量的增加，各施氮处理的细菌数量较CK处理分别高102.15%、110.75%、233.33%、259.14%和113.71%，适量施氮可提高盐碱土中细菌数量，而过量施氮反而会降低细菌数量。而增施氮肥对盐碱土壤放线菌和霉菌数量的影响并不显著，各处理中，仅N4、N5处理的放线菌数量显著高于对照，而所有处理的霉菌数量均低于对照。

2.3 不同施氮量对细菌优势菌群的影响

试验区盐碱土壤中，细菌为优势微生物(图2)，对细菌优势菌群进行分析，结果显示(表3)，氮肥施用量增大，细菌优势菌群落多样性会更加丰富。N4处理细菌优势菌群数最高，可检出5种优势菌群。说明增施氮肥有利于提高盐碱土壤细菌优势菌群的多样性，而种类丰富的细菌能降解土壤有机物，改善土壤营养物质条件，也会分泌更多的有利于植株生长的活性成分。其中，各处理均有芽孢杆菌属(Bacillus)细菌的分布，其是常见的土壤细菌的优势种群。而各施氮处理广泛分布有假单胞菌属(Pseudomonas)的细菌，假单胞菌能产生多种抗生素，改善植物营养，促进植物生长，提高植物抗性[12]，这说明施氮可提高盐碱土壤微生态系统对作物养分吸收和抗性提升的积极作用。

图2 不同施氮量对土壤细菌、放线菌、霉菌数量的影响

Fig.2 Effects of nitrogen fertilization on soil microorganism (bacteria, actinomyces and fungi)

表3 不同施氮量处理优势菌群分布

2.4 不同施氮量对食葵生长势和干物质积累的影响

不同处理对盐碱地食葵生长指标影响有差异(表4)，各施氮处理可显著改善盐碱地食葵生长势，提高植株干重，说明增施氮肥可以提高盐碱地作物抗盐性，有效促进食葵植株的生长发育和干物质积累。随着施氮量的增加，植株生长势与干重呈上升趋势，除N1处理外，各处理的植株性状及各部干重均显著高于CK处理。植株生长最为旺盛的N4与N5处理，株高、茎粗、盘径分别比CK处理高40.06%、44.44%、72.32%和44.33%、55.56%、88.39%；地上部干重与根干重分别比CK处理高159.03%、73.82%和200.74%、111.97%。

2.5 不同施氮量对食葵产量的影响

由表5可见，各施氮处理中以N4处理产量最高，比CK处理增产105.36%，说明适量增施氮肥可显著提高盐碱地食葵籽粒产量。从不同处理对产量构成因素的影响看，适量增施氮肥可显著提高食葵百粒重与单盘粒数。但试验结果显示，施氮量过高，增产幅度下降，N5处理仅比CK增产85.03%，其产量增加量要低于N4处理。由前文可知，N5处理植株长势最好(表4)，其增产幅度反而减小，这说明过量施用氮肥会使植株徒长，影响后期籽粒灌浆，且易导致无效花盘数增加，反而无法获得最高产量。

表4 不同施氮量处理食葵生长指标比较

表5 不同施氮量处理食葵产量与产量构成因素分析

注：同列内不同大写字母表示处理间差异极显著(P<0.01)。
Note：different capital letters in the same column meant significant different among treatments at 0.01 levels.

2.6 各因素简单相关关系分析

由各因素简单相关分析结果(表6)可知，土壤微生物数量，包括细菌、放线菌、霉菌数量，与施氮量正相关，与含盐量和积盐量呈负相关，与根的生长呈正相关，但除了霉菌数量显著受积盐量抑制外，其余指标均不显著，这说明土壤微生物因子受土壤营养状况、盐分含量、植株根系生长等多因素的共同作用，施氮量的增加有提高土壤微生物数量的趋势，土壤含盐量和积盐量对土壤微生物的繁殖有抑制作用，根系生长旺盛对土壤微生物的繁殖有促进作用。各因素与细菌数量的相关性高于放线菌和霉菌。优势菌菌群数与施氮量呈极显著正相关(r=0.92)，与根系生长指标呈显著正相关，与含盐量和积盐量呈负相关，但不显著。施氮量与食葵产量之间呈极显著正相关关系(r=0.93)。而微生物总数和优势菌菌群数与食葵产量呈显著正相关，说明土壤微生态环境的改善有利于提高作物产量。

表6 不同因素间简单相关分析

注：*，**分别为达0.05和0.01显著水平。
Note: * ，** were significantly correlated at 0.05 and 0.01 levels, respectively.

3 讨论与结论

3.1 讨论

(1) 本研究表明，适量增施氮肥可极显著增加盐碱地食葵籽粒产量(P< 0.01)，但过量施氮，会造成植株徒长，增产幅度下降。本研究中，施氮量为300 kg·hm-2时(N4处理)食葵产量最高，比CK增产105.36%。N5处理植株长势最好，但产量低于N4处理，说明过量施用氮肥会使食葵植株徒长，影响后期籽粒灌浆，且易导致无效花盘数增加，反而降低增产幅度。而微生物总数和优势菌菌群数与食葵产量显著正相关，说明土壤微生态环境的改善有利于提高作物产量。

(2) 盐碱地微生态系统的改善是土壤营养状况、盐分含量、土壤环境、作物根系等多种因素共同作用的结果。土壤养分的增加、盐度的降低、土壤环境的改善及作物根系分泌作用等均会对土壤微生物及群落产生显著影响[1,11,13]。试验结果显示，适量施氮有利于改善土壤微生态系统，氮肥施用量为300 kg·hm-2时(N4处理)最有利于提高细菌优势菌群多样性，增加土壤微生物的数量。增施氮肥会提供更为丰富的土壤养分，极显著提高土壤优势菌菌群数(r=0.92)，施氮量越大，细菌优势菌多样性越丰富；芽孢杆菌属和假单胞菌属的细菌在各处理中广泛分布，这应与增施氮肥促进根系生长有关。增施氮肥可增加土壤微生物数量，但相关性不显著。土壤含盐量与积盐量会降低土壤微生物数量和优势菌菌群数，尤其土壤积盐量显著降低霉菌数量(r=-0.90)，但其余指标相关性均不显著。这说明，土壤含盐量的升高会抑制土壤微生物的繁殖，但抑制作用也受其它因素的制约。增施氮肥可极显著促进根系生长(r=0.93)，而食葵根系的生长可显著提升土壤优势菌菌群数(r=0.82)，但与微生物数量正相关关系不显著，应与根系活动及根系分泌物等有关；熊明彪等[14]提到，施肥会增强根系分泌作用，产生根际效应，使土壤微生物的活性和生态分布发生改变。本研究中未涉及此项内容，将会做进一步深入研究。

(3) 研究显示，试验区土壤细菌数决定了微生物数量的多寡，放线菌和霉菌比例较小。试验结果表明，N4处理最有利于土壤细菌的繁殖，这与Bardgett等[15]的研究结果一致，即认为适量施用氮肥有利于细菌生长，可能通过改变养分有效性来影响微生物群落。而施氮过量会对细菌数量产生抑制作用，这与王曙光等[16]的研究一致。土壤积盐量可极显著降低霉菌的数量(r=-0.90)，说明霉菌繁殖对土壤盐分的累积增加反应较为敏感，这与林学政等[17]的结论类似。从相关性结果看，根系的生长对放线菌数量的影响相对较大，但并不显著，可能与放线菌积极参与根残体分解过程有关[18]。总之，研究盐碱地施肥对微生物的影响时，必须综合考虑土壤类型、盐碱程度、施肥方式等，并与土壤养分、盐分、根系生长、根系分泌物和脱落物等因素结合考虑，具体机理将进一步研究。

(4) 本试验中，增施氮肥对土壤盐分含量变化的影响规律不明显，但也显现出了“无肥返盐、少肥脱盐、中肥积盐、肥大吃盐、肥过聚盐”的波浪形特征，即并不是施肥量越大，土壤含盐量越高，土壤积盐量也不会相应增大。不同施氮处理下，土壤盐分变化与植株生长势、土壤容重、潜水蒸发等多种因素密切相关[19-20]。试验中，土壤返盐规律的变化主要受以下几个因素共同作用：① 增施氮肥对作物根系的促长作用，有利于作物产生生理抗逆，提高根系的吸收效能，能起到一定的吸盐作用，土壤中大量根系的存在也会对盐分的上行起到一定的阻碍作用；② 增施氮肥可促进作物生长，抑制棵间蒸发，这会减缓土壤水分散失，从而抑制积盐；③ 大量施用无机肥会增加土壤可溶盐含量[21]，产生一定积盐作用；④ 增施氮肥会改变土壤养分状况，与根系的生长共同作用，改变土壤容重、土壤微生态系统、土壤孔隙度等指标，从而对土壤返盐规律产生影响。

3.2 结论

适量增施氮肥可极显著增产并改善盐碱土壤微生态系统。食葵产量与氮肥施用量呈抛物线关系，施氮量300 kg·hm-2时(N4)产量最高，比对照增产105.36%，并可增加土壤微生物数量和优势菌菌群数，提高优势菌菌群多样性。

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Effects of nitrogen fertilizer application rate on soil microflora and sunflower yield in saline-alkali soil

ZHANG Jun-tong1, WANG Jing1, ZHANG Li1, PANG Huan-cheng1, ZHANG Jian-li2, LI Er-zhen3, JIN Cun-wang3

(1.InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,Beijing100081,China; 2.SchoolofLifeScience,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China; 3.InnerMongoliaWuyuanAgro-techniqueExtensionCenter,Bayannur,InnerMongolia, 015100)

In order to form a solid basis for an effective fertilization mode in saline-alkali soils, a field experiment was conducted to determine the effects of different levels of nitrogen on soil microoganisms and sunflower yield in Hetao Irrigation District in Inner Mongolia. Six treatments were designed including five nitrogen fertilizer levels, viz., 75 kg·hm-2(N1), 150 kg·hm-2(N2), 225 kg·hm-2(N3), 300 kg·hm-2(N4), 375 kg·hm-2(N5) and a control (CK). The results indicated that: (1) Applying nitrogen fertilizer could significantly increase the number of microorganisms and the diversity of flora in the root zone. The order of soil microorganisms at 0～20 cm soil depth arranged was N4>N3>N5>N2>N1>CK. (2) Applying nitrogen fertilizer could promote the growing and development of sunflower as well as yield. The growth vigor and dry matter of sunflower increased gradually and yield varied parabolically with nitrogen application rates. Therefore, the yield of five nitrogen fertilizer levels treatments were higher than CK by 0.06%, 36.27%, 61.95%, 105.36% and 85.03%, respectively. (3) Appropriate nitrogen application rate could reduce soil salinity of 0～40 cm depth. After harvest, the order of salt accumulation arranged was N2>CK>N5>N3>N1>N4. (4) There is a significant positive correlation between the numbers of soil microorganisms, advantage bacteria flora and nitrogen application, root dry matter. However, there is a significant negative correlation between the numbers of soil microorganisms, advantage bacteria flora and soil salt content, salt accumulation. In summary, the appropriate nitrogen application rate is 300 kg·hm-2for sunflower on the moderate saline-alkali soils in Hetao Irrigation District in Inner Mongolia.

nitrogen fertilizer; saline soil; sunflower; soil microorganism; microbial flora

1000-7601(2017)04-0022-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.04

2016-05-20

国家自然科学基金(41501314)；公益性行业(农业)科研专项(201303130)