氧化剂对潜育性稻田土壤微生物生物量及有效养分的影响

周金玲　郑小东　田应兵

摘要：以湖南浏阳典型潜育性稻田土壤为研究对象，选取粉末、造粒CaO2为氧化剂，设置3种不同氧梯度，同时以与氧化剂同等含钙量的CaO2为对照，模拟大田环境进行培养试验，于培养后5、10、30、60、100 d采样，分析氧化剂对潜育性稻田土壤微生物生物量氮、磷及铵态氮、硝态氮、Oslen磷含量的影响。结果表明，与粉末CaO2相比，造粒CaO2处理土壤微生物生物量的高峰期延后，且在培养后期造粒CaO2处理土壤微生物生物量氮、磷含量明显高于粉末CaO2处理，其中高浓度处理最为明显。高浓度氧水平下，造粒CaO2比粉末CaO2更能促进潜育性稻田土壤铵态氮、硝态氮及Oslen磷的释放。可见，粉末CaO2前期放氧速率较快，对潜育性稻田土壤微生物生物量及速效养分有一定的促进作用，造粒CaO2因其特殊工艺制造，有效地缓解了氧化剂放氧速度快这一缺陷，并在培养后期仍能有效释氧。造粒CaO2对潜育性稻田土壤在促进微生物生长及有效养分释放方面具有较好的应用潜力。

关键词：潜育性稻田土壤；过氧化钙；微生物生物量；有效养分

中图分类号： S154.3；S158文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）14-0227-04

潜育性稻田土壤由于长期淹水，常年地处低洼、排水不良造成还原物质积累，虽然本身有机质和全量养分含量高，但可被利用的养分含量低，土壤有机质周转较慢，有效养分供应不足[1-2]。微生物是土壤有机质周转的重要参与者，而长期淹水使潜育性稻田土壤透气性差，缺少氧气，致使土壤微生物代谢活性较低[3-4]，这很可能是导致潜育土壤有机质周转慢且还原性有机物质积累的关键环境因子。

通过农艺及工程措施提高土壤微生物生物量及活性，对于加快潜育性稻田土壤有机质周转具有一定的作用。前人对潜育性稻田土壤的改良做过很多研究，包括垄作、湿润灌溉、冬季晒垡、合理施肥等[5-6]，这些措施对潜育性稻田土壤均有一定的改良效果，但仍存在较大局限性，人力物力耗费大，且不能从根本上解决潜育性稻田土壤因处于特殊地势长期淹水而形成的有机质周转慢、还原物质过度累积的状况。过氧化物具有释放氧的特性，有研究表明，过氧化物（过氧化钙、过氧化镁等）可以增加土壤溶氧量，提高微生物活性，对于潜育性稻田改良具有较好的效果，但释氧较快，持续效果短暂[7]。董春华等研究表明，以粉末CaO2为基质制成缓释氧化剂，很大程度上延长了CaO2释氧时间[8]。由此可见，延长过氧化物释放氧的时间，成为调控潜育性稻田有机质周转的一个关键点。

通过适当的工艺流程对CaO2进行造粒，并以环境友好型惰性材料将其包膜，所得到的造粒CaO2能否减缓其氧气释放、增加过氧化物可持续供氧能力、改善潜育性稻田土壤环境、促进养分释放还有待进一步研究。因此，本试验拟通过培养粉末和造粒CaO2，研究其对潜育性稻田土壤微生物生物量及养分释放的影响，旨在为潜育性稻田改良及合理施肥提供参考。

1材料与方法

1.1供试材料

供试土壤于2016年4月26日采自湖南省浏阳市（113°19′00.9″E，27°58′07.1″N）典型潜育性稻田。该地区属于亚热带季风湿润气候，年平均气温16.7～17.6 ℃，年平均降水量1 552 mm。采样田块为发育于板页岩的潜育性稻田，耕层潜育明显，土壤呈青灰色。采集土壤表层0～20 cm，剔除植物根系和石块等，取1 kg左右过2 mm筛，用于土壤理化性质分析；其余土壤淹水2 cm（保持还原性）备用。

供试土壤的基本理化性质为：pH值4.69，有机质含量 22.56 g/kg，全氮含量1.15 g/kg，Oslen磷含量3.61 mg/kg，交换性钾含量31.81 mg/kg，还原物质总量21.67 cmol/kg，Fe2+含量0.61 cmol/kg，Mn2+含量76.63 mg/kg。

1.2试验設计

试验选取2种氧化剂[粉末CaO2（含75% CaO2）和造粒CaO2（含31.8% CaO2）]，设置3种浓度（含氧量分别为 0.002、0.022、0.222 g），并设置与氧化剂中相同含钙量的氧化钙（含95% CaO）及不添加任何物质的土壤作为对照（CK），总共10个处理。

称取200 g（干土计）的土壤于高20 cm、直径7 cm的PVC管中，加去离子水至淹水2 cm，预培养7 d，按以上试验处理中的设置，添加不同量氧化剂于PVC管中，玻璃棒搅匀，并用注射器加入一定量去离子水洗净残余土壤于管内，使之淹水3 cm，将PVC管置于长2.5 m/宽0.8 m的培养槽中。培养槽内填充一定量的土壤并淹水，使之与PVC管内土壤、淹水高度一致，将培养槽置于室外，敞口培养（本试验于2016年6月1日开始培养）。于培养的第5、第10、第30、第60、第100天（即2016年6月5日、2016年6月10日、2016年6月30日、2016年7月30日、2016年9月8日）采用破坏性取样（培养过程中及时补充蒸发的水分），每次取样每个处理重复4次。保持样品的新鲜状态，并于中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室内尽快测定微生物生物量及铵态氮、硝态氮含量，取部分土壤风干备用，另一部分土壤于4 ℃保存。

1.3测定方法

理化性质土壤pH值用pH计（梅特勒F20）测定，以水为浸提剂，水土质量比为2.5 ∶[KG-*3]1，土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化外加热法测定，土壤全氮含量采用半微量开氏法测定，Oslen磷含量用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定，交换性钾含量用1 mol/L NH4OAc浸提-原子吸收法测定[9]。还原物质总量采用硫酸铝浸提-重铬酸钾氧化法测定，Fe2+含量采用硫酸铝浸提-邻菲罗啉比色法测定，Mn2+含量采用硫酸铝浸提-高碘酸钾比色法测定[10]。endprint

微生物生物量磷用三氧甲烷熏蒸-0.5 mol/L NaHCO3提取-钼锑抗比色法测定；微生物生物量氮用三氧甲烷熏 蒸-0.5 mol/L K2SO4提取-流动注射氮分析仪法测定[11-13]。

硝态氮、铵态氮含量采用0.5 mol/L K2SO4浸提鲜土样，滤液用流动注射分析仪AA3（德国SEAL）測定[14]。

1.4数据处理

所有数据均采用Excel 2003进行处理，统计分析用SPSS 11.0软件进行，图用Origin 8.5作图软件完成。

[BT1#]2结果与分析

2.1氧化剂对微生物生物量氮含量的影响

2.1.1对微生物生物量氮的影响

图1为不同浓度氧化剂下潜育性稻田土壤微生物生物量氮的浓度变化。第5天时，低浓度粉末CaO2和造粒CaO2相差较小（图1-A），而中、高浓度粉末CaO2处理微生物生物量氮高于造粒CaO2处理（图1-B、图1-C）。3种氧水平下，粉末CaO2在第10天时微生物生物量氮达到高峰，显著高于造粒CaO2处理，随后快速下降接近平稳。而造粒CaO2前期微生物生物量氮呈上升趋势，在第60天时达到高峰，显著高于粉末CaO2处理，随后有所下降，但仍高于粉末CaO2处理。

2.1.2氧化剂对铵态氮含量的影响

由图2可以看出，低、中浓度2种氧化剂处理的土壤铵态氮含量趋势一致（图2-A、图2-B）。从第5天至第30天，各处理铵态氮含量呈下降趋势，第60天明显增加，之后又呈下降趋势。在第5天时，3种浓度氧水平下粉末CaO2处理的铵态氮含量高于其他处理。第100天时，低、中浓度造粒CaO2处理土壤铵态氮含量高于粉末CaO2处理；而高浓度氧水平下，从第10天到第100天造粒CaO2土壤铵态氮含量始终高于粉末CaO2处理（图2-C）。

2.1.3氧化剂对硝态氮含量的影响

与铵态氮含量相比，不同氧化剂处理对潜育性稻田土壤硝态氮含量的影响截然不同（图3）。在第5天时，低浓度粉末CaO2处理土壤硝态氮含量略高于造粒CaO2处理（图3-A），但其他所有处理均表现为造粒CaO2处理土壤硝态氮含量高于粉末CaO2处理。

2.2氧化剂对微生物生物量磷及Oslen磷含量的影响

2.2.1氧化剂对微生物生物量磷含量的影响

图4为不同浓度氧化剂水平下潜育性稻田土壤微生物生物量磷浓度变化。低、中、高粉末CaO2处理的土壤微生物生物量磷分别于第30、第10、第10天达到高峰，而造粒CaO2处理分别于第60、第10、第30天达到高峰。粉末CaO2前期释氧效果较造粒CaO2好；3种不同氧化剂浓度下，土壤微生物生物量分别于第60、第10、第5天，表现为造粒CaO2处理的土壤微生物生物量磷明显高于粉末CaO2处理。由此可以看出，造粒CaO2处理对微生物生物量磷含量的促进作用在后期比较明显。

2.2.2氧化剂对Oslen磷含量的影响

低、中浓度氧化剂水平下，第5天到第60天粉末CaO2处理和造粒CaO2处理的土壤Oslen磷含量差异不显著，而在第100天时，造粒CaO2处理的Oslen磷含量显著大于粉末CaO2处理（图5-A、图5-B）。高浓度氧化剂水平下（图5-C）各处理Oslen磷含量差异明显，在第5天、第10天时，粉末CaO2处理的土壤Oslen磷含量大于造粒CaO2处理，且在第10天达到显著水平。而在第 30天 之后，造粒CaO2处理的土壤Oslen磷含量大于粉末CaO2处理，其中在第100天时两者差异达到最大。说明粉末CaO2前期释氧效果较好，而造粒CaO2释氧量较粉末CaO2滞后。

3讨论

潜育性稻田土壤长期处于渍、冷、烂、闭的环境中，还原物质含量过高，尽管有机和无机养分总量充足，但微生物活性低，周转慢，导致水稻产量低[15-16]。CaO2呈碱性，施入到土壤中与水结合生成氧气及碱性物质，可有效减少还原物质累积[7，17]。此外，CaO2能够有效改善酸性土壤pH值，优化土壤环境[18]。因此，CaO2对于潜育性稻田土壤的改良具有一定的意义。但有研究表明，CaO2释氧速率较快，不足以维持水稻整个生长周期所需，且对促进土壤微生物活性及无机养分的释放具有一定的局限性[19]，周彦波等研究表明，粉末CaO2释氧在第7天到达高峰，随后呈快速下降趋势；而缓释氧化剂在第14天之后达到高峰，随后较长时间释氧水平一直维持该速率[20]。由此可见，不同形态CaO2释氧特征截然不同，这可能是导致后续微生物过程及土壤养分释放的关键驱动因子。

本研究结果显示，2种氧化剂对潜育性稻田土壤环境都有一定的改善作用。与粉末CaO2相比，经过工艺混合处理的造粒CaO2，对微生物生长和养分释放的促进作用更持久。对于潜育性稻田土壤微生物的生长及活性都依赖于氧的供应量及持续性[21-22]。粉末CaO2可以迅速提高土壤溶氧量，使得微生物生物量快速增加，但随后因缺乏持续供氧导致微生物活性回复到原来的较低水平，极大地限制了微生物将潜育性稻田土壤有机质转化为作物生长所必需的有效养分的能力。本试验所用的造粒CaO2选取惰性材料，与CaO2混合，制备后性质较为稳定，施入土壤中释氧速率稳定而持久，微生物生长及活性较高，有效地促进了潜育性稻田土壤有机物质周转和养分释放。相对于土壤碳、氮、磷来讲，微生物生物量碳、氮、磷属于一种活性养分库，其群落死亡后释放出来的养分是土壤有效养分的主要来源之一[23-24]。

各氧化剂对潜育性稻田土壤速效养分均有促进作用。在高浓度氧水平下，相比于粉末CaO2，造粒CaO2更能促进潜育性稻田土壤铵态氮、硝态氮及Oslen磷的释放。这说明造粒CaO2对潜育性稻田土壤在促进微生物活性及养分释放方面具有较好的应用潜力。在培养前期粉末CaO2对微生物生物量氮、磷的影响效果优于造粒CaO2，中后期以及高浓度造粒CaO2的影响效果优于粉末CaO2，表明通过工艺造粒的CaO2能有效缓解CaO2因快速释氧造成后期不能满足土壤微生物活动需氧的缺陷。针对这一现象，于实际应用中，若单独施用粉末CaO2，则应在作物生长中后期适当补充养分；若单施造粒CaO2，则应在作物生长前期适当补充养分，以达到作物生长需要。endprint

高浓度氧化剂极大地促进了潜育性稻田土壤微生物的活性。高浓度CaO2对土壤微生物生物量的促进作用优于低、中浓度CaO2氧化剂，进一步说明氧气是潜育性稻田土壤微生物量的主要影响因子。低、中浓度氧化剂土壤Oslen磷含量的变化并不明显，高浓度氧化剂显著促进了土壤Oslen磷的含量。说明低、中浓度氧化剂释放出的氧极大地促进了土壤中微生物的活性，土壤中释放出的Oslen磷并不能满足土壤微生物活动所需，以致于不能提高土壤本身Oslen磷的含量。而高浓度氧化剂相对于低、中浓度氧化剂水平下，氧较为充足，大大提高了潜育性稻田土壤中Oslen磷的含量。在实际应用中可适当提高氧化剂的施用量，以促进速效养分的释放。

本研究模拟大田试验在自然环境中进行，培养时间为100 d，跟水稻的生长周期相一致，结果具有较高参考价值。结果表明，在处理第30天至第100天，造粒CaO2对微生物量及养分的促进作用明显优于CaO2，对于潜育性稻田水稻生长具有较好的促进作用。可见在潜育性稻田改良中，“以氧促微生物，进而改田”是一种较好的方法。本研究所用的高浓度是相对低、中浓度来设计的，未来可进一步研究促进微生物生长及养分释放的最佳阀值范围。

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