有机物料对原生盐碱地土壤生物学性质的影响*

何瑞成 吴景贵

（吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118）

盐碱地作为重要的耕地后备资源，具有碱化度高、养分含量匮乏、土壤生物活性和丰富度低等特性，使得盐碱地不能直接开发为耕地资源［1］。与此同时，随着我国人口数量的增加以及土地资源的减少，导致人多地少的矛盾日益严重。因此，如何有效地解决盐碱地改良的问题，使其变为有产量保证的耕地资源，越来越受到人们的重视。土壤微生物和酶活性作为评价土壤质量的重要指标之一，对促进土壤有机质的分解和养分的转化起着重要的作用，目前已成土壤学界的研究热点［2-5］。利用有机物料对盐碱地进行改良，不但将农业固体废弃物资源化，而且能增加土壤养分和有机质、改良土壤结构、提高作物产量［6-9］。近年来，相关学者研究了有机物料施入后，对盐碱地土壤微生物及酶活性的影响。王利民等［10］发现黄麻草和有机肥的施用明显提高了沿海盐碱地的酶活性和微生物数量，促进了土壤生物活性。汪成忠等［11］将不同泡水时间和不同量的水稻秸秆粉碎后还田，得到最优处理的还田措施。徐娜娜等［12］研究了秸秆粉、秸秆粉加营养液以及发酵秸秆粉施入盐碱地的影响，发现秸秆粉的加入对土壤微生物量没有明显改善，而后者效果明显。贾相岳［13］发现对盐碱土进行玉米秸秆造夹层处理能够很好地增加盐碱地土壤的微生物数量，对盐碱地具有较好的改良效果。马玉露等［14］研究表明牛粪亦对盐碱地也具有改良作用。众多研究者利用有机物料，从有机物料配施、有机物料施入量、以及施入方式等方面进行了大量研究，同时也取得了丰富的成绩。但针对比较不同有机物料以及有机物料的不同物理形态对盐碱地土壤微生物活性以及作物产量的影响研究较少。不同有机物料对盐碱地土壤生物学性质和作物产量的影响是否有差别，同一物质不同物理形态所表现出来的性质有所差别，如果将有机物料形态改变后施入盐碱地，是否会对土壤微生物学特性和作物产量产生不同的影响？为明确该问题，本文选择3种不同种类的有机物料，以及其中一种物料的不同形态为供试材料，通过连续2年大田试验研究了在稻作条件下不同种类和同种类不同形态的有机物料对原生盐碱地土壤微生物数量、微生物生物量碳氮、土壤呼吸强度，以及土壤酶活性和水稻产量的影响，并分析了生物特性与测产指标的相关性，旨在阐明不同种类和同种有机物料不同形态对原生盐碱地土壤生物学性质和作物产量的影响，为盐碱地改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点位于吉林省大安市海坨乡姜家村向东约4.21 km处（124°1′48″ E，45°19′47″N），平均海拔130 m，年均日照3 013 h，年均温度4.3 ℃，常年有效积温2 921 ℃，无霜期157 d，年均降雨量413.7 mm。试验区面积为1 550 m2，地势平坦。表层土壤pH为9.94、碱化度58.31%、可溶盐总量3.39 g kg-1、阳离子交换量3.91 cmol kg-1、交换性Na+含量2.28 cmol kg-1、有机质2.91 g kg-1、全氮0.372 g kg-1、碱解氮11.28 mg kg-1、有效磷20.61 mg kg-1、速效钾143.3 mg kg-1、C/N4.53。

1.2 试验设计

试验开始于2016年6月，以未改良的原生盐碱地为试验田，在稻作条件下进行，设置颗粒秸秆（KL）、正常秸秆（JG）、牧草（MC）、羊粪（YF）、对照（CK）5个处理，每个处理3次重复，共15个试验小区，随机排列。每个小区面积为30 m2（6 m×5 m），各小区四周用土叠梗进行单排单灌，小区之间保留1 m过道。整地前施入物料和底肥，随后灌水沤田1～2 d，最后进行耙地和插秧，移栽秧苗行株距为当地习惯，每穴5～6株。至移栽后每周换水1次，各小区换水量为8 m3，9月末进入收获期后减少换水次数进行晒田，10月10日收获水稻。次年除不施加有机物料，其他操作与前年一致。

有机物料施入量按照等碳原则计算，以全量还田为标准，KL处理每小区施颗粒秸秆22 kg，JG处理每小区施正常秸秆22 kg，MC处理每小区施牧草30 kg，YF处理每小区施羊粪15 kg，CK处理不施有机物料。为解决灌水沤田时有机物料漂浮问题，颗粒秸秆和羊粪均匀铺洒于小区各处，而牧草和正常秸秆在各自小区挖3条长5 m、宽1 m、深20 cm的沟，将物料埋入沟内用土掩埋，随后所有处理的各小区灌水沤田。插秧前对各小区进行耙地搅拌，使开沟填埋的牧草和正常秸秆以及颗粒秸秆和羊粪均匀分布于小区各处，并与表层土充分混合均匀。各有机物料中，颗粒秸秆由正常秸秆经过机器粉碎，加密处理，最后压模出长2 cm、直径0.5 cm的圆柱形颗粒，不仅利于运输，同时也解决了秸秆还入水田后漂浮问题，正常秸秆（20 cm）、牧草（5 cm）和羊粪（自然风干，呈块状）均取自当地。

1.3 样品采集与分析

于2016年6月试验开始前采集一次土壤，作为原土基础数据。于2017年10月水稻收获后采集表层土（0～20 cm）。各试验小区选取5个采样点，用四分法取混合样，装入无菌密封袋中，将密封袋放置低温箱中带回实验室，于4 ℃条件下保存。在采集的同时测定土壤呼吸强度。

土壤酶活性测定：土壤过氧化氢酶、转化酶、纤维素酶测定方法参照《土壤酶及其研究法》［15］。土壤微生物数量测定：细菌、放线菌、真菌数量采用稀释平板测数法。土壤呼吸强度测定：采用田间原位测定法，具体方法参考《土壤农业化学分析方法》［16］。土壤微生物生物量碳氮测定：采用氯仿熏蒸-硫酸钾浸提法。

1.4 数据处理

产量计算：产量（kg hm-2）=每穴有效穗数×每穗粒数×结实率×千粒重×195×333.33×10-6式中，195为各小区平均穴数；333.3为面积单位换算系数。

利用Excel 2016软件进行数据整理，图表的绘制，SPSS 18.0软件进行数据分析。

2 结 果

2.1 不同处理对原生盐碱地土壤微生物数量的影响

从表1中可以看出各处理土壤微生物组成均以细菌为主，其次为放线菌，真菌最少。各处理与原土相比，细菌数量提高73.82%～142.41%，放线菌数量提高7.81%～59.75%，真菌数量提高87.95%～256.92%。有机物料处理较CK处理相比效果更好，细菌数量、放线菌和真菌变化范围分别在12.35%～39.45%、30.47%～50.28%、51.76%～89.91%，其中KL处理的细菌数量和真菌数量最多且与其他处理差异显著，YF处理的放线菌数量最多，但与KL处理差异不显著。有机物料的施入能够大幅度提高土壤微生物的数量，其中以KL处理效果最好，这是由于有机物料的施入直接增加了土壤微生物可利用的碳源，为土壤微生物的生长繁殖提供了充足的能源，其次，KL处理后的土壤平均质量比表面积要大于其他处理［7］，这为土壤微生物提供了更多的生长繁殖所需的场所，提高了土壤微生物的环境容纳量。说明同种有机物料不同形态对土壤微生物数量的影响不同，本文中颗粒状秸秆效果要好于正常秸秆。

表1 不同处理对土壤微生物数量的影响Table 1 Population of soil microbes relative to treatment

2.2 不同处理对原生盐碱地土壤微生物量碳氮和土壤呼吸强度的影响

图1中可看出，各处理土壤微生物生物量碳氮含量均较原土高且显著差异，其变化范围分别在49.31%～143.7%、59.11%～132.3%。有机物料处理的土壤微生物生物量碳氮与CK处理相比，均表现出显著差异性，变化范围在40.75%～63.21%、31.35%～46.02%。说明有机物料能有效增加原生盐碱地土壤微生物生物量碳氮含量，提高土壤微生物的活性。有机物料各处理的土壤微生物生物量碳中，以KL处理最好，且与其他有机物料处理差异显著，而JG处理、MC处理和YF处理差异不显著。有机物料各处理的土壤微生物量氮中，KL处理最好，但各处理之间差异不显著。各处理土壤呼吸强度相比原土亦均有增加（图1），其增加范围在29.12%～88.81%。有机物料处理与CK处理相比差异显著，其变化范围在20.45%～46.22%。有机物料处理中以KL处理的土壤呼吸强度最高，且与其他有机物料处理差异显著，而JG处理、MC处理和YF处理之间差异不显著。说明颗粒状秸秆能够有效提高土壤微生物活性。

2.3 不同处理对原生盐碱地土壤酶活性的影响

图1 不同处理对土壤微生物生物量碳氮及土壤呼吸强度的影响Fig. 1 Soil microbial biomass carbon and nitrogen content and soil respiration intensity relative to treatment

由图2可知，各处理的过氧化氢酶、转化酶和纤维素酶活性均较原始土壤有所提高，且显著差异。其中各处理的过氧化氢酶活性较原土提高了37.51%～62.31%，有机物料处理较CK处理提高了11.42%～18.03%，各有机物料处理中以KL处理效果最好，其次为MC、YF、JG，但有机物料处理之间差异不明显。各处理的转化酶活性与原土差异显著，且比原土提高了66.64%～105.33%。有机物料处理中YF处理与CK处理差异不明显，其他有机物料处理的转化酶活性较CK处理增加了19.11%～23.22%，以KL处理最好，但与MC 处理差异不明显。各处理纤维素酶活性较原土提高了117.2%～289.5%，差异显著。有机物料处理与CK处理相比，纤维素酶活性提高了69.01%～79.32%。KL处理效果最好，其他有机物料差异不明显。可见KL处理能有效提高土壤酶活性，这是由于颗粒状秸秆与其他处理相比有效增加了微生物数量和提高了微生物活性，从而增加了微生物分泌物，此外颗粒状秸秆使土壤大小空隙分布均匀［7］，提高作物根系活力，进而提高了土壤酶活性。

图2 不同处理对原生盐碱土壤酶活性的影响Fig. 2 Soil enzyme activities in the primary saline alkali soil relative to treatment

2.4 不同处理对原生盐碱地水稻产量影响以及与生物学性质各指标的相关性

表2给出了各处理测产指标。可以看出，有机物料处理各指标均好于CK处理且差异显著，与CK相比产量变化范围在54.43%～130.6%。通过理论产量计算，各有机物料产量表现为KL＞MC＞YF＞JG。各有机物料处理中，MC处理的结实率指标最高，但与KL处理差异不显著。YF处理的穗长指标最好，但与MC和JG处理差异不显著。其他指标均以KL处理最好，但KL与YF处理的每穗总粒数差异不显著。土壤生物学性质与测产各指标之间的相关性分析，从整体上可分为，土壤微生物数量（细菌、真菌和放线菌）、微生物活性（土壤呼吸强度和微生物生物量碳氮）以及土壤酶活性（过氧化氢酶、转化酶和纤维素酶）与水稻生长发育相关性分析，从表3中可以看到，土壤微生物数量与千粒重、结实率、每穗总粒数和产量具有相关性，土壤微生物活性与有效穗数、每穗总粒数、千粒重以及产量具有相关性，土壤酶活性与穗长和千粒重表现出相关性。这说明在原生盐碱地初次改良前期，微生物数量和微生物活性对水稻生长发育具有较大的影响，而土壤酶活性对其影响表现不突出。

表2 不同处理测产指标Table 2 Rice yield relative to treatment

表3 测产指标与生物性质各指标相关性Table 3 Relationships of yield index with various soil biological property indices

3 讨 论

在稻作条件下施用有机物料改良原生盐碱土，能增加原生盐碱地土壤微生物数量和微生物生物量碳氮含量，提高土壤呼吸强度，提高土壤过氧化氢酶、转化酶以及纤维素酶的活性，同时增加水稻产量，表明有机物料对原生盐碱地土壤微生物活性和农作物产力量具有较大的影响。通过连续2年的定位试验，有机物料显著提高土壤三大类微生物数量、微生物生物量碳氮、土壤呼吸强度和作物产量，结果与前人研究结果相似［17-19］。有机物料的施入增加了土壤微生物利用的碳源，且有机物料在厌氧条件下会分解产生大量有机酸，降低原生盐碱地pH，同时有机物料施入能增加原生盐碱地的通透性，降低土壤容重，提高导水率，降低可溶性盐，提高微生物活性［20-23］，而微生物能促进土壤难容性养分的溶解和释放。同时，微生物在代谢过程中释放大量的无机和有机酸物质，促进土壤微量元素的释放和螯合，改善土壤中养分的供应，从而提高水稻产量。从结果中可看出，各处理的土壤微生物数量以细菌为主，其次为放线菌，真菌含量最低，与徐双等［2］研究相似。但有机物料加入后，各微生物所占比例发生明显变化，细菌比例增加，虽然真菌数量仍然低于放线菌，但真菌数量所占比例上升，而放线菌的比例降低。这表明稻作条件下，相比于放线菌，有机物料施入更有利于真菌和细菌的生长发育，其原因需进一步研究。土壤呼吸来源以土壤微生物的呼吸占主要作用［24］，是衡量土壤微生物活性的重要指标之一，而土壤微生物生物量碳氮含量也是反应土壤微生物活性的一个重要指标［25］。研究表明施加有机物料能增加土壤微生物碳氮和土壤呼吸强度［2,26］，本研究结果与该结论一致，本研究原生盐碱地土壤C/N为4.53，而所使用的有机物料的C/N均远高于该值，添加有机物料能为微生物提供丰富的碳、氮源，提高原生盐碱地土壤C/N，使土壤C/N更加接近于适宜微生物活动和繁殖所要求的的25，促进了土壤微生物的活性，提高了微生物同化作用，进而提高土壤微生物生物量碳氮和土壤呼吸［27-28］。不同有机物料施入盐碱地均有利于土壤酶活性的提高。与陶梦慧［29］和汪成忠［11］等研究结果一致。有机物料施入对土壤表层温度具有显著调节作用［30］，低温时产生增温效应，高温时产生降温效应，使酶促反应保持在适当的温度下进行，同时有机物料能促进土壤微生物数量增加，进一步提高了土壤微生物包括土壤酶在内的分泌物数量。利用有机物料改良盐碱地能提高农作物产量［31］，本研究与该结论一致，且KL处理的水稻产量最高。在原生盐碱地初次改良前期，总体而言，土壤微生物数量和活性与水稻生长和产量表现出相关性，因为土壤微生物在生长过程中，能分解土壤矿物中某些中微量营养元素，同时提高有效性，为水稻提供生长发育所需的养分，促进水稻发育，进而增加产量。而土壤酶活性与水稻生长和产量未表现出相关性，可能的原因是，试验土壤较差的土壤理化性质和结构对土壤酶活性产生抑制作用。所以，虽然有机物料提高了土壤酶活性，但仍然处于较低水平，对水稻生长和产量的影响较小，从而未表现出相关性。对于生物学各指标与测产各指标之间的相关性，其具体原因还有待研究。

从不同种类有机物料来看，JG处理、MC处理和YF处理三者均增加了土壤微生物数量、微生物生物量碳氮以及土壤呼吸强度和产量，但差异不显著，可能与改良时间较短，施用有机物料处理的土壤中有机物分解不完全，未及时转化为活性有机物质有关。而同种有机物料不同形态之间即KL处理和JG处理，除微生物生物量氮外，其他指标均差异显著，且KL处理的效果不单好于其他物料的处理，而且也好于同种物料JG处理，其主要原因在于二者物理性质截然不同，KL处理使用的颗粒秸秆是经过粉碎压密处理的，经过灌水后本身会吸水膨胀形成疏松多孔的结构，一方面增加了微生物与物料的接触面积，另一方面疏松多孔的结构增加了土壤孔隙度和吸附能力，能促进了土壤团聚体的凝聚［22］，同时有机物料腐解后表面氧化基团以及羧基增加，与土壤团粒结合后能够增强其保水效应［23］，进而改善原生盐碱地土壤结构［7］，为微生物创造更好的生长发育的条件，极大促进了微生物量活性。许多研究已表明疏松多孔的土壤结构有利于植物根系生长、土壤微生物活动、提高土壤酶活性［30-34］。不同种有机物料初次改良原生盐碱地其效果大致相似，而同种物料不同形态的效果则大不相同，这为今后利用有机物料初次改良盐碱地提供了新的思路和方法。

4 结 论

原生盐碱地初次改良前期，不同种类有机物料对原生盐碱地土壤微生物数量、微生物生物量碳氮、土壤呼吸强度、土壤酶活性以及水稻产量均有提高效果，但差异不显著，而同种有机物料不同形态之间，改良效果显著差异，且所有处理中，经过粉碎压密的颗粒秸秆效果最好。土壤微生物数量和土壤呼吸强度对水稻生长发育以及产量具有较大的影响，而土壤酶活性和微生物生物量碳氮对其影响表现不突出。

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