日光温室豆科绿肥作物还田前后土壤生物活性差异特征初探

杨冬艳，桑 婷，冯海萍，王学梅

（宁夏农林科学院种质资源研究所，宁夏 银川 750002）

日光温室豆科绿肥作物还田前后土壤生物活性差异特征初探

杨冬艳，桑 婷，冯海萍，王学梅

（宁夏农林科学院种质资源研究所，宁夏 银川 750002）

在日光温室单一种植体系中引入种植豆科绿肥，研究2种绿肥作物（黄豆、香豆子）还田前后土壤微生物量碳氮、微生物数量及土壤酶活性的变化特征。结果表明：在日光温室休闲期，种植黄豆和香豆子均能显著提高土壤纤维素酶、脲酶和蔗糖酶活性，与种植香豆子相比种植黄豆能产生较多的干物质量。绿肥还田后，虽然黄豆处理土壤酶活性低于香豆子处理，但土壤中微生物总量、细菌数量和比例及微生物量碳氮含量显著高于香豆子和对照，且微生物量C/N比例也较为适宜，因此黄豆可作为日光温室短期休闲绿肥还田作物。

日光温室；豆科绿肥；作物还田；土壤生物活性

绿肥是利用植物生长过程中所产生的全部或部分绿色体，直接或异地翻压或者经堆沤后施用到土地中作肥料的绿色植物体［1］。施用绿肥可为作物提供养分，有助于合理用地养地、部分替代化肥，同时能固氮、吸碳，有利于改善生态环境、节能减耗、保障粮食安全，对我国传统农业发展具有重要意义［2］。在北方日光温室蔬菜生产中，在夏季由于持续高温和露地蔬菜上市导致的价格降低，通常有近2个月的休闲期进行揭膜晒地。近年来，在日光温室休闲期引入种植不同作物来改良设施土壤质量的研究成为热点。李元等［3］研究发现，连续两年在夏季温室休闲期间种植大葱可以增加土壤细菌数量和真菌/细菌（B/F）比值，种植速生叶菜和甜玉米可显著降低土壤的养分积累，减缓次生盐渍化的形成。白小军等［4］研究表明，种植和还田甜玉米、苏丹草也能够增加土壤微生物数量和B/F值。Tian等［5］根据多年定位研究发现，在温室夏季休闲期配套种植苋菜和茼蒿，不仅可以有效改善连作土壤微生物环境的退化，还可以通过提高非植物寄生线虫/线虫比值增加主栽作物产量。现有研究显示豆科的生物固氮功能并不影响其作为填闲作物的优越性，因为它能够提高土壤中供后季作物利用的有效氮含量［6］。杨冬艳等曾在日光温室休闲期种植三叶草和大豆，每667 m2获得了850～1 500 kg的鲜草，并进行了还田试验，发现还田能够有效降低土壤盐分，提高土壤酶活性［7］。土壤微生物生物量的大小反映了土壤中能量和养分的循环以及有机物质的转化数量，能够敏感且及时地反映土壤自身或外界扰动引起的变化，与土壤质量密切相关［8］。目前，关于豆科作物作为绿肥对设施土壤微生物环境影响的研究还较少，因此本试验在日光温室单一种植体系中引入豆科绿肥，研究2种绿肥作物还田前后土壤微生物量碳氮、微生物数量的变化特征，探讨在设施生产中选用豆科绿肥植物改良培肥土壤的可能生物机制和适宜豆科作物，以期为设施土壤健康生产和改良提供科学参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2014年7～10月在宁夏吴忠孙家滩日光温室内进行，试验温室为种植蔬菜5年的温室，温室脊高4 m，净跨8.5 m，长80 m，上茬作物为番茄。供试土壤理化性质（前茬作物拉秧后检测）：pH为7.69，全盐含量1.62 g/kg，有机质含量16.3 g/kg，速效氮含量129 mg/kg，速效磷含量247 mg/kg，速效钾含量365 mg/kg。供试绿肥作物为2种豆科作物：香豆子、黄豆。

1.2 试验方法

2014年7月上旬上茬作物拉秧后，豆科绿肥作物于7月17日撒播。试验设香豆子播种量1 g/m2、黄豆播种量20 g/m2和空白对照3个处理，每个处理3次重复，随机排列，小区面积50 m2。8月25日收割后，整地翻压到土壤中，同时每个处理均施入消毒鸡粪1.6 kg/m2，两周后定植下茬作物。

1.3 测试指标及方法

2014年8月24日测量2种绿肥株高、单株鲜重。在绿肥还田前（8月20日）、还田1个月后（9月20日），每个处理按多点法采集0～20 cm土样。土样混匀后过孔径2 mm筛，保存于4℃冰箱，进行细菌、真菌、放线菌、微生物量碳氮的测定；待土样风干后，过孔径1 mm筛，用于土壤纤维素酶、脲酶、蔗糖酶活性的测定。

1.4 土壤样品分析方法

细菌培养采用牛肉膏蛋白胨选择性培养基培养；真菌培养采用马丁孟加拉红—链霉素选择性培养基培养；放线菌培养采用改良高氏一号培养基培养，均采用稀释平板法计数［9］；土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提—容量分析法测定；土壤微生物量氮采用氯仿熏蒸—茚三酮比色法测定［10］。土壤脲酶采用苯酚—次氯酸钠比色法测定；土壤蔗糖酶、土壤纤维素酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定［11］。

试验数据采用DPS软件Duncan多重比较差异显著性。

2 结果与分析

2.1 豆科绿肥作物在夏季休闲期的生物量比较

从表1可见，试验豆科绿肥作物生长迅速，在37 d的生长期内，黄豆每667 m2鲜草生物量为1 472 kg，香豆子鲜草生物量为509 kg，香豆子的种植密度虽然远大于黄豆，但黄豆的茎秆木质化程度高于香豆子，因此在同样的生长时间内黄豆的生物量积累量显著高于香豆子。

表1 绿肥作物在休闲季节的生长特性及生物量

2.2 豆科绿肥作物还田前后温室土壤酶活性的差异特征

土壤纤维素酶主要来源于细菌、真菌体内，其活性与微生物的种类及数量密切相关［11］。在土壤温度、水分适宜时，土壤中的纤维分解菌会大量增殖，从而使纤维素酶活性增强，加速土壤中纤维素的分解［12］。从图1可见，黄豆和香豆子绿肥作物还田后土壤纤维素酶活性均显著高于空白对照，香豆子还田后纤维素酶活性增加51.66%，黄豆还田后增加48.5%，对照为39%；种植黄豆和香豆子后土壤蔗糖酶和脲酶活性均显著高于对照，还田后只有香豆子还田的土壤蔗糖酶和脲酶活性显著高于对照，而黄豆还田后土壤蔗糖酶和脲酶活性与对照没有差异。对比还田前后，黄豆和香豆子处理的土壤蔗糖酶和脲酶增加幅度均低于对照。

图1 不同豆科绿肥作物还田前后土壤酶活性变化

2.3 豆科绿肥作物还田前后温室土壤微生物区系的差异特征

表2 豆科绿肥作物还田前后温室土壤微生物区系特征

从表2可见，在日光温室夏季休闲期，种植豆科作物并进行还田能够显著改变土壤微生物群落区系结构。种植结束后还田前（8月20日），黄豆处理土壤总菌数显著高于对照，是对照的2.73倍，香豆子处理高于对照36.06%；还田30 d后，黄豆处理总菌数显著高于对照，比对照高1.68倍，香豆子处理高于对照34.48%，说明种植黄豆比香豆子更能促进土壤中微生物数量的增加。从还田前后微生物区系变化来看，豆科作物还田后均显著增加了土壤细菌数量，黄豆还田后土壤细菌所占总菌数比例从97.09%增至98.6%，香豆子从91.06%增至97.92%，但低于对照的98.48%；黄豆还田后土壤真菌数量较还田前显著下降，但所占比例与对照一致，香豆子还田后真菌数量较还田前显著增加，同时所占比例也较对照显著增加。不同处理的放线菌数量还田后均显著降低，所占比例总趋势与数量变化一致。从细菌与真菌的比值（B/F）变化来看，还田前种植黄豆和香豆子土壤的B/F值高于对照，绿肥还田后土壤B/F值低于对照，其中香豆子处理B/F最低；对比还田前后，对照B/F在后茬作物种植后增加735%，黄豆处理增加230%，香豆子处理增加67.7%。说明豆科作物种植和还田均能够增加土壤微生物数量，但不同作物的微生物区系结构特征不同。

2.4 豆科绿肥作物还田前后温室土壤微生物量碳氮的特征

在日光温室常规种植中，增加种植绿肥作物并进行还田能够引起了土壤微生物量碳（SMBC）和微生物量氮（SMBN）含量的显著变化，且不同作物的响应特征不同。由表3可知，在还田前，种植黄豆后土壤SMBN含量显著高于对照，增加18.3%，SMBC含量和SMBC/N与对照没有显著差异，而香豆子处理土壤SMBC含量和SMBC/N显著高于对照，分别增加34.06%和72.9%，SMBN含量则显著低于对照，降低23%；还田后，黄豆处理土壤SMBN含量和SMBC含量比对照分别高24.77%和36.86%，SMBC/N与对照没有显著差异，香豆子处理SMBC与对照没有显著差异，SMBN含量则低于对照61.46%，其SMBC/N显著高于对照189%，说明虽然同属豆科作物，但黄豆和香豆子还田后土壤微生物量碳氮含量的变化特征具有显著差异。

表3 豆科绿肥作物还田前后温室土壤微生物量碳氮的特征

3 结论与讨论

土壤生物学环境恶化是土壤功能衰退的主要原因之一，在设施菜田尤为典型［13］。通过在日光温室夏季休闲期间种植绿肥，可在不改变主栽蔬菜生长期的情况下提高种植体系的生物多样性。有报道表明豆类作为填闲作物可以提高土壤中磷素的有效性，降低玉米地有机质的损失，增强土壤养分的循环能力［14］。张雪艳等［15］研究表明，不同水分条件下，秸秆还田20～50 d是土壤硝态氮含量变化的高峰时期，说明该阶段是土壤生物反应活跃时期，根据绿肥养分释放和腐解特征［16］，试验选择以还田30 d为时间节点调查土壤生物活性相关指标。结果表明，在37 d的休闲期间，种植黄豆和香豆子每667 m2分别产生293、221 kg的干物质量，并且种植黄豆和香豆子均能显著提高土壤纤维素酶、脲酶和蔗糖酶活性；土壤酶能够促进土壤中物质转化与能量交换，有研究表明土壤酶与土壤肥力因子之间存在有极显著的相关关系［17］，绿肥还田后，香豆子处理3个土壤酶活性显著高于对照，黄豆处理只有纤维素酶活性显著高于对照，脲酶和蔗糖酶活性与对照没有差异，可能与黄豆的还田生物量较多，微生物需要较多的氮源从而影响了土壤脲酶反应底物数量。研究表明翻压绿肥后可为微生物提供大量的有机碳源，促进土壤中细菌、真菌和放线菌三大类群微生物的总量成倍或成十几倍大幅度增加［18］，而绿肥腐解过程也需要微生物的参与，试验发现黄豆和香豆子种植和翻压均能显著增加土壤微生物的数量，黄豆相比香豆子更能促进土壤中微生物数量的增加，且微生物种群结构发生变化，Weber等［19］指出秸秆碎片上水解反应大多开始于细菌粘附于秸秆之上并产生水解酶，而细菌占土壤微生物总菌数的80%以上，试验发现黄豆的细菌比例高于香豆子和对照；黄豆还田前土壤微生物量氮含量显著升高，而香豆子处理则是土壤微生物量碳含量及微生物量C/N显著升高；还田后，黄豆处理的微生物量碳、氮含量均升高，但微生物量C/N与对照没有差异；香豆子微生物量氮含量显著降低，土壤微生物量C/N升高，说明即使是同科作物，不同种的豆科作物还田后土壤生物环境的响应特征也有显著差异，不同的秸秆类型可能通过在分解过程中微生物可利用N的差异来影响土壤微生物利用有机碳源过程中的群落演替［20］，这可能与作物本身的C/N比以及还田的干物质量有关，C/N比适度的填闲作物残体促使微生物固定氮素而避免了矿质氮素过分淋失［21］。综合所调查指标来看，黄豆处理还田后土壤微生物数量增加更多，微生物量C/N比例更为适宜，可作为日光温室短期休闲轮作还田作物。但对于后茬作物的相关影响有待进一步研究。

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Difference characteristics of soil bioactivities in greenhouse after returned green manure of leguminous plant to the field

YANG Dong-yan，SANG Ting，FENG Hai-ping，WANG Xue-mei
（Institute of Germplasm Resources，Ningxia Academy of Agricultural and Forestry Science，Yinchuan 750002，China）

In this study, two kinds of leguminous plant, soybean and trigonella foenum-graecum, were imported in monoculture greenhouse. The effects on soil microbial biomass N, microbial biomass C, soil microbial biomass, and soil enzyme activity were investigated before/after green manure returned to field. The results showed that in the fallow period of greenhouse, the enzyme activities of cellulase, urease, sucrase, significantly increased after planting soybean and trigonella foenum-graecum. Compared with planting trigonella foenum-graecum, the amount of dry matter was highter in soybean planted treatment. After green manure returned to field, the soil enzyme activities in soybean treatment were lower than those in trigonella foenum-graecum, but the soil microbial population, population and ratio of bacterial, soil microbial biomass N and C were significantly higher than those in trigonella foenum-graecum and control, and microbial biomass C/N was more optimum. In conclusion, soybean could be used as short-term green manure crop in greenhouse.

greenhouse；leguminous plant；green manure returned ；soil bioactivities

S141.4

A

1004-874X（2017）08-0074-05

杨冬艳，桑婷，冯海萍，等. 日光温室豆科绿肥作物还田前后土壤生物活性差异特征初探［J］.广东农业科学，2017，44（8）：74-78.

2017-06-18

宁夏对外合作项目（2013ZYH075）；国家自然科学基金（31501803）；国家大宗蔬菜产业技术体系（CARS-23-G24）

杨冬艳（1977-），女，回族，硕士，副研究员，E-mail：yangdongyan2000@163.com

（责任编辑 杨贤智）