不同盐渍化土壤中微生物对氮肥的响应

符 鲜，杨树青*，刘德平，刘 敏，韩天凯

（1 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古呼和浩特 010018；2 东北农业大学水利与土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150030）

内蒙古河套灌区是我国土壤盐渍化发育的典型地区，轻度以上盐碱化土壤占耕地面积50%以上，土壤盐渍化不仅直接影响土壤中微生物活性，而且通过改变土壤的部分理化性质来间接影响土壤微生物的生存环境，导致土壤微生物种群、数量及活性均与健康土壤有较大的差别[1]。土壤盐渍化能增加植物N含量、土壤和土壤总氮，降低土壤和土壤微生物生物量氮[2]，抑制微生物活动包括土壤呼吸作用和酶活性[3]。土壤盐渍化是确定微生物群落结构的主要生态因子，土壤微生物群落的结构反映了土壤的特定功能，可以指示其生态现状[4]。物对氮肥的响应机理，揭示氮肥与土壤盐渍化对土壤微生物的交互作用，为合理施用氮肥、改善因过量施氮造成的环境问题和农业生产可持续发展提供微生物方面的理论依据。

1 材料与方法

内蒙古河套灌区是我国西北重要的农业精华地区，尿素是当地农业生产过程中常用的氮肥之一，但由于人们长期施用氮肥用量不当，导致土壤质量和肥力下降、土壤板结、肥料利用率低、土壤养分不平衡等一系列问题，同时严重威胁生态环境。土壤微生物是土壤重要的生物化学特性指标之一，是构成土壤肥力的重要因素之一，可以作为评价土壤质量的指标，能预警和敏感地指示农田土壤生态系统的变化[5]。关于氮肥对土壤微生物方面的研究主要集中在微生物的季节动态变化[6–9]，不同施氮水平下微生物数量和微生物生物量的变化规律及适宜的施氮水平[10–13]。

综上，国内外关于微生物的研究都是单一研究氮肥或土壤盐渍化程度对微生物生态特征的影响，而河套灌区同时存在土壤盐渍化程度不同和氮肥用量不当这两个问题，且都影响土壤微生物，因此本文将研究河套灌区不同盐渍化程度土壤下土壤微生

1.1 试验材料与试验设计

试验于2015—2016年在内蒙古磴口县坝楞示范基地，试验区耕层土壤类型为粉沙壤土，试验前表层0—20 cm土壤的基本性状如表1。在试验区选择具有代表性的耕地布置田间试验，种植作物为玉米。试验采用裂区设计，主区为土壤盐渍化程度，轻度 (0.77～1.24 mS/cm)、中度 (1.24～1.77 mS/cm)盐渍化；副区为施氮水平，共设4个施氮水平为N 0、135、270、405 kg/hm2，代号为 N0、N1、N2、N3。共8个处理，每个处理3次重复，小区面积为42 m2(6 m × 7 m)。试验磷肥 (过磷酸钙) 施用量为180 kg/hm2，全部的磷肥均在玉米播种前基施；氮肥为尿素，氮肥的40%在播种前施入，在玉米的拔节期、抽雄期、灌浆期分别施入氮肥的20%、20%、20%作为追肥。玉米于4月21日施底肥、播种，9月16日收获，玉米种植密度为6.4万株/hm2。

1.2 样品采集与测定方法

土壤样品采集时间根据作物生育期进行，采样时间分别为5月20日、6月12日、7月15日、8月11日、9月18日。采用5点取样法采集0—20 cm表层土样，混合均匀后过2 mm筛，筛完后将土分成两份，分别装入自封袋并放入4℃冰箱内保存，分别用于测定细菌、真菌、放线菌数量和土壤微生物量碳、微生物量氮。

表 1 试验区土壤基本性状Table 1 Basic properties of tested soils

土壤微生物数量的测定方法[14]：采用培养计数法中的稀释平板法。根据测定的微生物种类选择培养基，细菌、真菌、放线菌分别采用牛肉膏蛋白胨培养基、马丁氏培养基、高氏1号培养基。

土壤微生物生物量碳氮的测定方法：采用氯仿熏蒸提取法[14]。将土壤样品用去离子水调节土壤湿度至40%的田间持水量，在25℃下预培养7～15 d。称取经前处理相当于50 g烘干土的新鲜土壤，置于80 mL烧杯中，放入盛有去乙醇氯仿、NaOH溶液的真空干燥器中，把真空度控制在0.07 Mpa以下，使氯仿剧烈沸腾3～5 min。关闭真空干燥器阀门，在25℃暗室放置24 h。培养结束时，取相当于烘干基12.5 g的土壤，加入50 mL 0.5 mol/L K2SO4溶液 (土水比1∶4)，充分振荡30 min，用慢速定量滤纸过滤。土壤微生物生物量碳 (BC) = FC/kC，式中FC为熏蒸与未熏蒸土壤在培养10 d内释放的CO2-C差值，kC为转换系数，一般取值0.38。土壤微生物生物量氮 (BN) = FN/kN，式中FN为熏蒸与未熏蒸土壤矿质态氮的差值，kN为转换系数，一般取值0.45。

1.3 数据分析

数据为全生育期平均值，采用Microsoft Excel进行数据统计分析，方差分析和回归模型的建立采用SPSS19.0软件进行，多重比较采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 土壤电导率

土壤盐渍化程度和施氮量均对土壤盐分有显著影响 (图1)，不同施氮处理下轻度盐渍化土壤的电导率 ＜ 中度盐渍化土壤，各施氮处理下中度盐渍化土壤的电导率较轻度盐渍化土壤分别增加50.0%、52.8%、40.4%、46.0%。同一盐渍化程度土壤电导率均随着施氮水平的提高呈现出增加的趋势，N0处理的土壤电导率最低，N3处理的土壤电导率最高。轻度、中度盐渍化土壤N3处理的土壤电导率较N0处理分别增加37.8%、34.2%。

2.2 土壤可培养微生物

细菌、真菌、放线菌数量在两种盐渍化程度土壤中差异显著 (图2)，土壤盐渍化程度的增加降低了土壤中微生物的数量，中度盐渍化土壤各施氮处理下细菌数量较轻度盐渍化分别减少32.9%、26.9%、35.0%、30.7%；真菌数量较轻度盐渍化分别减少16.8%、2.4%、18.2%、14.7%；放线菌数量较轻度盐渍化分别减少36.8%、26.3%、10.2%、6.6%。

图 1 不同施氮水平下轻度、中度盐渍化土壤的电导率Fig. 1 Electrical conductivity in mild and moderate saline soils under different urea levels

施氮显著影响两种盐渍化土壤中的细菌、真菌和放线菌数量。与N0处理相比，其余施氮处理均增加了微生物的数量，细菌数量在轻度盐渍化土壤中分别增加了0.8%、37.4%、9.9%；在中度盐渍化土壤中分别增加了9.8%、33.1%、13.5%。真菌数量在轻度盐渍化土壤中分别增加了22.8%、101.0%、68.3%；在中度盐渍化土壤中分别增加了44.0%、97.6%、72.6%。放线菌数量在轻度盐渍化土壤中分别增加了20.6%、49.9%、11.8%；在中度盐渍化土壤中分别增加了40.7%、113.0%、65.3%。

2.3 土壤微生物生物量碳、氮

土壤盐渍化程度显著影响土壤微生物量 (图3)，盐渍化程度越高，土壤微生物生物量越低，轻度、中度盐渍化土壤微生物量碳分别在201.92～270.98 mg/g、172.66～226.06 mg/g之间，微生物量氮分别在47.66～57.60 mg/g、38.20～50.62 mg/g之间；中度盐渍化土壤中微生物量碳、氮含量较轻度分别下降14.4%～19.1%、12.1%～22.4%。

图 2 不同施氮水平下轻度、中度盐渍化土壤的微生物数量Fig. 2 Number of microorganisms in mild and moderate saline soils under different N levels

图 3 不同氮水平下轻度、中度盐渍化土壤的微生物生物量Fig. 3 Microbial biomass in mild and moderate saline soils under different N levels

施氮显著增加了土壤微生物量，在N2处理时土壤微生物量达到最高，但当施氮量超过N2时土壤微生物量反而下降。与N0处理相比，轻度盐渍化土壤中N1、N2处理土壤微生物量碳含量分别增加了12.6%、34.2%，而N3处理较N2处理反而下降了7.9%；微生物量氮分别增加了5.2%、21.1%，而N3处理较N2处理反而下降了7.9%。中度盐渍化土壤中N1、N2处理土壤微生物量碳含量分别增加了12.8%、30.9%，而N3处理较N2处理反而下降了10.7%；微生物量氮含量分别增加了10.8%、32.5%，而N3处理较N2处理反而下降了18.8%。

2.4 施氮与土壤盐分对土壤微生物的相互响应

通过回归分析得到了土壤微生物在氮与土壤盐分交互作用下的回归模型 (表2)，且均为二元二次非线性回归模型，其中Y为微生物各因子，N为施氮量，S为土壤盐分。从表中的显著水平可知，土壤微生物各因子的回归模型显著水平均小于0.01，说明存在极显著的二元二次非线性回归方程。

分析回归方程的各项系数可知，在盐渍化土壤中，单独施用氮肥均可以增加土壤微生物，而土壤盐分增加，土壤微生物减少；在轻度盐渍化土壤中，土壤盐分的增加和施用氮肥对微生物具有正效应，即共同促进了土壤微生物的增加，而在中度盐渍化土壤中，土壤盐分的增加和施用氮肥对微生物具有负效应，即抑制土壤微生物的增加。

3 讨论

氮肥对土壤微生物有重要影响[15]，施用氮肥可以增加作物生长期的土壤细菌、真菌、放线菌数量[10–11]，且均随着施氮水平的提高呈先增加后降低的趋势[16]。有人认为氮肥是影响微生物量碳、氮的主要因素，适量施用氮肥能有效提高土壤微生物量碳、氮，但过量施用氮肥反而会降低土壤微生物量氮[17–18]。这与本文研究结果一致，本研究结果表明在一定的施氮量范围内 (0～270 kg/hm2)，土壤微生物数量和生物量均随着施氮量的增加而增加，但当施氮量过量时，土壤微生物数量和生物量反而下降。

表 2 土壤微生物在氮与土壤盐分作用下的回归模型Table 2 Regression model of soil microorganisms under the effect of nitrogen and soil salt

研究表明土壤盐分含量高，降低了土壤微生物活性和生物量[19–20]，改变了微生物群落结构[21]。随着土壤盐渍化程度的增加，土壤中细菌、真菌、放线菌数量及微生物数量均呈现出明显的下降趋势[22–25]。还有研究发现在盐渍化程度高的土壤中，土壤微生物量碳的含量偏低[22,26–27]。这与本文的研究结果一致，本研究中土壤微生物数量和微生物生物量均随着土壤盐渍化程度的加重而显著减少，说明土壤微生物对土壤盐渍化程度具有一定的适应性，土壤中过高的盐分含量对微生物的生长繁殖具有明显的抑制作用[24–25]，对土壤微生物量碳的有效性有明显的抑制作用，从而影响土壤微生物生物量和微生物区系结构，土壤活性养分库减小[28–29]。

有研究表明低氮对微生物量的负效应低于高氮，即氮肥对微生物量的负效应随着施氮量的增加而增加[30]。与本研究结果的轻度盐渍化土壤中，施氮对土壤微生物数量和生物量具有负效应一致。盐分与微生物总数量、微生物活性之间存在显著的负线性关系[21,31–32]；与土壤微生物生物量碳、氮呈显著负相关[27]；过量的盐对土壤理化性质和微生物进程有负面影响[33–34]。本研究结果也表明在轻度盐渍化土壤中，盐分对土壤微生物具有负效应。但本研究结果却发现中度盐渍化土壤中，施氮对土壤微生物有正效应，盐分对土壤微生物具有正效应，这些结果还有待进一步研究。

4 结论

1) 不同盐渍化程度下土壤盐分随着施氮量的增加而增加；在一定的施氮量范围内 (0～270 kg/hm2)细菌、真菌、放线菌数量和微生物量碳、氮含量均随着施氮量的增加呈增加的趋势，在N2 (270 kg/hm2) 处理时微生物数量和生物量均达到最高值，但当施氮量超过N 2时，土壤微生物数量和生物量反而下降。

2) 土壤微生物与氮、土壤盐分之间呈现出极显著的二元二次非线性回归方程，施氮量和土壤盐分对轻度盐渍化土壤中的微生物数量和生物量的交互作用是正效应，而对中度盐渍化土壤中的微生物数量和生物量的交互作用是负效应，说明在盐渍化程度较轻的土壤中，增加施氮量和土壤盐分含量，土壤微生物数量和生物量增加，而在盐渍化程度较高的土壤中，增加施氮量和土壤盐分含量，抑制了土壤中微生物数量和生物量的生长和繁殖。

[1]刘卫星. 内蒙古半干旱温带草原土壤微生物对环境变化的响应[D]. 北京: 中国科学院植物研究所博士学位论文, 2008.Liu W X. Inner Mongolia semi-arid temperate grassland soil microbial response to the environment changes [D]. Beijing: PhD Dissertation of Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences,2008.

[2]Zhou M H, Butterbach-Bahl Klaus, Vereecken Harry, et al. A metaanalysis of soil salinization effects on nitrogen pools, cycles and fluxes in coastal ecosystems[J]. Global Change Biology, 2017, 23(3):1338–1352.

[3]Mahmoud G, Fayez R. The adverse effects of soil salinization on the growth of Trifolium alexandrinum L. and associated microbial and biochemical properties in a soil from Iran[J]. Soil Biology &Biochemistry, 2007, 39(7): 1699–1702.

[4]Andronov E E, Petrova S N, Pinaev A G, et al. Analysis of the structure of microbial community in soils with different degrees of salinization using T-RFLP and real-time PCR techniques[J]. Eurasian Soil Science, 2015, 45(2): 147–156.

[5]He W X, Lai H X, Wu Y J, et al. Study on soil enzyme activities affected by fertilizing cultivation[J]. Journal of Zhejiang University,2001, 27(3): 265–268.

[6]马冬云, 郭天财, 宋晓, 等. 尿素施用量对小麦根际土壤微生物数量及土壤酶活性的影响[J]. 生态学报, 2007, 27(12): 5222–5228.Ma D Y, Guo T C, Song X, et al. Effects of urea application rate on the quantity of microorganisms and activity of enzymes in wheat rhizosphere[J]. Acta Ecologica Sinica, 2007, 27(12): 5222–5228.

[7]姬兴杰, 杨颖颖, 熊淑萍, 等. 不同肥料对土壤微生物数量及全氮时空变化的影响[J]. 中国生态农业学报, 2008, 16(3): 576–582.Ji X J, Yang Y Y, Xiong S P, et al. Effect of different fertilization on spatio-temporal variability of soil microorganism and total N[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2008, 16(3): 576–582.

[8]Ravindran A, Yang S S. Effects of vegetation type on microbial biomass carbon and nitrogen in subalpine mountain forest soils[J].Microbiology Immunological Infection, 2015, 48(4): 362–369.

[9]贾淑霞, 赵妍丽, 孙玥, 等. 施肥对落叶松和水曲柳人工林土壤微生物生物量碳和氮季节变化的影响[J]. 应用生态学报, 2009, 20(9):2063–2071.Jia S X, Zhao Y L, Sun Y, et al. Effects of nitrogen fertilization on seasonal dynamics of soil microbial biomass carbon and nitrogen in Larix gmelinii and Fraxinus mandshurica plantations[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2009, 20(9): 2063–2071.

[10]Vepslinen M, Kukkonen S, Vestberg M, et al. Application of soil enzyme activity test kit in a field experiment[J]. Soil Biology &Biochemistry, 2001, 33(12–13): 1665–1672.

[11]Fageria N K, Baligar V C. Enhancing nitrogen use efficiency in crop plants[J]. Advances in Agronomy, 2005, 88(5): 97–185.

[12]刘金山, 戴健, 刘洋, 等. 过量施氮对旱地土壤碳、氮及供氮能力的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(1): 112–120.Liu J S, Dai J, Liu Y, et al. Effects of excessive nitrogen fertilization on soil organic carbon and nitrogen and nitrogen supply capacity in dryland[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2015, 21(1):112–120.

[13]董艳, 杨智仙, 董坤, 等. 施氮水平对蚕豆枯萎病和根际微生物代谢功能多样性的影响[J]. 应用生态学报, 2013, 24(4): 1101–1108.Dong Y, Yang Z X, Dong K, et al. Effects of nitrogen application rate on faba bean fusarium wilt and rhizospheric microbial metabolic functional diversity[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2013,24(4): 1101–1108.

[14]吴金水, 林启美, 黄巧云, 等. 土壤微生物生物量测定方法及其应用[M]. 北京: 气象出版社, 2006. 3–4, 57–59, 68–69.Wu J S, Lin Q M, Huang Q Y, et al. Soil microbial biomass–methods and application [M]. Beijing: Meteorology Press, 2006. 3–4, 57–59,68–69.

[15]高宛莉,刘恩科, 李来福, 等. 玉米栽培模式与施肥方式对土壤微生物和土壤肥力的影响[J]. 中国农业大学学报, 2014, 19(2): 108–117.Gao W L, Liu E K, Li L F, et al. Effect of corn cultivation mode and fertilization on soil microbial biomass and soil fertility[J]. Journal of China Agricultural University, 2014, 19(2): 108–117.

[16]郭天财, 宋晓, 马冬云, 等. 氮素营养水平对小麦根际微生物及土壤酶活性的影响[J]. 水土保持学报, 2006, 20(3): 129–132.Guo T C, Song X, Ma D Y, et al. Effect of nitrogen fertilizer on soil enzymatic activity and rhizosphere microorganisms of wheat[J].Journal of Soil and Water Conservation, 2006, 20(3): 129–132.

[17]Shen S M, Hart P B S, Powlson D S, et al. The nitrogen cycle in the Broadbalk wheat experiment: 15N-labeled fertilizer residues in soil and in the soil microbial biomass[J]. Soil & Biology Biochemistry,1989, 21(4): 529–533.

[18]仇少君, 彭佩钦, 刘强, 等. 土壤微生物生物量氮及其在氮素循环中作用[J]. 生态学杂志, 2006, 25(4): 443–448.Qiu S J, Peng P Q, Liu Q, et al. Soil microbial biomass nitrogen and its role in nitrogen cycling[J]. Chinese Journal of Ecology, 2006,25(4): 443–448.

[19]Zhang Y, Cao C, Guo L, et al. Soil properties, bacterial community composition, and metabolic diversity responses to soil salinization of a semiarid grassland in northeast China[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 70(2): 110–120.

[20]Bannur E, Stephen B, Petra M. Response of microbial activity and biomass in rhizosphere and bulk soils to increasing salinity[J]. Plant and Soil, 2014, 381(1–2): 297–306.

[21]Gao Y C, Wang J N, Guo S H, et al. Effects of salinization and crude oil contamination on soil bacterial community structure in the Yellow River Delta region, China[J]. Applied Soil Ecology, 2015, 86:165–173.

[22]景宇鹏, 李跃进, 年佳乐, 等. 土默川平原不同盐渍化程度土壤微生物生态特征研究[J]. 生态环境学报, 2013, 22(7): 1153–1159.Jing Y P, Li Y J, Nian J L, et al. Study on ecological characteristics of microbes under different soil salinization degrees in Tumochuan Plain[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2013, 22(7):1153–1159.

[23]乔正良, 来航线, 强郁荣, 等. 陕西主要盐碱土中微生物生态初步研究[J]. 西北农业学报, 2006, 15(3): 60–64.Qiao Z L, Lai H X, Qiang Y R, et al. Primary study on microorganism ecology in saline-alkali soil of Shaanxi Province[J].Acta Agriculturae Boreali-occidentalis Sinica, 2006, 15(3): 60–64.

[24]李凤霞, 王学琴, 郭永忠, 等. 宁夏不同类型盐渍化土壤微生物区系及多样性[J]. 水土保持学报, 2011, 25(5): 107–111.Li F X, Wang X Q, Guo Y Z, et al. Microbial flora and diversity in different types of saline-alkali soil in Ningxia[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2011, 25(5): 107–111.

[25]李凤霞, 王学琴, 郭永忠, 等. 宁夏引黄灌区盐化土壤微生物区系及其指示意义[J]. 干旱区研究, 2013, 30(3): 491–496.Li F X, Wang X Q, Guo Y Z, et al. Edaphon faunas and their implications in salinized soil in the Ningxia Yellow River irrigated area[J]. Arid Zone Research, 2013, 30(3): 491–496.

[26]元炳成. 河西走廊干旱气候条件下盐渍土微生物生态研究[D]. 兰州: 兰州大学博士学位论文, 2007.Yuan B C. Microbial biomass and activity in salt-affected soils under arid conditions in the Hexi Corridor[D]. Lanzhou: PhD Dissertation of Lanzhou University, 2007.

[27]Guan H Y, Zhao X. Effects of aridity and salinization on soil microbial biomass C in a desert ecosystem[J]. Advanced Materials Research, 2014, 1073-1076: 638–642.

[28]路海玲, 孟亚利, 周玲玲, 等. 盐胁迫对棉田土壤微生物量和土壤养分的影响[J]. 水土保持学报, 2011, 25(1): 165–169.Lu H L, Meng Y L, Zhou L L, et al. Salt stress influence on cotton soil microbial biomass and soil nutrient[J]. Journal of soil and water conservation, 2011, 25(1): 165–169.

[29]王国栋, 褚贵新, 刘瑜, 等. 干旱绿洲长期微咸地下水灌溉对棉田土壤微生物量影响[J]. 农业工程学报, 2009, 25(11): 44–48.Wang G D, Chu G X, Liu Y, et al. Effects of long-term irrigation with brackish groundwater on soil microbial biomass in cotton field in arid oasis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2009, 25(11): 44–48.

[30]赵广才, 常旭虹, 刘利华, 等. 施氮量对不同强筋小麦产量和加工品质的影响[J]. 作物学报, 2006, 32(5): 723–727.Zhao G C, Chang X H, Liu L H, et al. Effect of N application rate on the yield and processing quality of strong gluten wheat[J]. Acta Agronomic Sinica, 2006, 32(5): 723–727.

[31]Wang Z Y, Xin Y Z, Gao D M, et al. Microbial community characteristics in a degraded wetland of the Yellow River Delta[J].Pedosphere, 2010, 20(4): 466–478.

[32]Iwai C B, Oo A N, Topark-Ngarm B. Soil property and microbial activity in natural salt affected soils in an alternating wet-dry tropical climate[J]. Geoderma, 2012, 189: 144–152.

[33]Patil S D, Patil D S, Joshi S R, et al. Soil microbial and boichemical properties under saline conditions[J]. Bioinfolet, 2014, 11(4a):1004–1008.

[34]Nacide K, Aka S H, Ahu K, et al. Some soil properties and microbial biomass of Pinus maritima, Pinus pinea and Eucalyptus camaldulensis from the Eastern Mediterranean coasts[J]. EurAsian Journal of Biosciences, 2012, 15(6): 121–126.