施氮和覆膜对旱作春玉米农田土壤微生物量和土壤酶活性的影响

2019-03-05朱利霞岳善超沈玉芳李世清

干旱地区农业研究 2019年1期

朱利霞，岳善超，沈玉芳，李世清

(1.西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100)

黄土高原是我国典型的半干旱地区，但当地早春较低的温度和缺水的现状不利于作物的生长和产量的形成[1]。近年来，地膜覆盖因其可以增加土壤温度、保持土壤水分、提高作物产量而被广泛应用[2]。然而地膜覆盖在增产的同时，也会增加土壤养分的消耗，减少有机物料在土壤中的残留[3]。覆膜与施氮等可以通过改变土壤通透性、温度、水分和养分状况进而影响土壤的微生物过程[4]，而土壤微生物量和酶活性对土壤状况的响应更为敏感[5]。目前有研究表明地膜覆盖显著增加土壤微生物量碳和酶活性，从而有利于土壤养分的有效化[6]，然而张成娥等[7]研究发现地膜覆盖显著降低土壤微生物量。因此，土壤类型、肥力差异及地表植物的不同均可能引起地膜覆盖对土壤微生物量和酶活性影响的差异。

化肥施用在粮食作物生产中有举足轻重的作用，然而施肥条件下土壤微生物会通过改变自身基因表达等对其做出响应[8]。研究表明氮肥可能增加[9]或降低[10]土壤微生物量或者对土壤微生物量没有影响[11]，土壤酶活性的变化则与施氮量有密切的关系[12]。

由此可知，地膜覆盖与施氮对土壤微生物量和酶活性影响的研究结论不尽一致，因此有必要进一步开展地膜覆盖和不同施氮量对土壤微生物影响的研究。另外，土壤碳、氮、磷的耦合在养分循环和利用中非常关键，土壤微生物可以通过对环境资源的消耗与自身元素的释放对碳、氮、磷的比值产生影响[13]。为此本文在长期定位试验的基础上，以连续种植春玉米的农田土壤为对象，分析地膜覆盖和施氮对土壤微生物量及相关酶活性的影响，并采用主成分分析法进行评价，从生态化学计量学的角度研究土壤微生物量对长期地膜覆盖和施肥的响应，以期为该地制定合理的施肥措施和覆膜栽培下维持土壤微生态环境可持续性提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 田间定位试验

田间定位试验位于西北农林科技大学长武国家农业生态试验站，地处黄土高原中南部陕甘交界处(北纬35°12′，东经107°40′，海拔1 200 m)。该地气候为暖温带半湿润大陆性季风气候，年均降水量584 mm，年均温9.1℃，全年无霜期171 d，地下水埋深50～80 m。该地区属典型旱作农业区，地带性土壤为黑垆土，土体结构疏松均匀。

田间定位试验从2009年开始，包括施氮和覆膜2个因子。施氮量分别为0(N0)、100(N100)、250 kg·hm-2(N250)和400 kg·hm-2(N400)，每个施氮水平下，分别有覆膜(F)与不覆膜(B)处理，共8个处理，各处理三次重复。供试玉米为先玉335，于每年4月下旬播种,9月下旬收获，采用宽窄行、双垄沟法种植。覆膜处理为周年全膜覆盖，整个生育期不进行灌溉。氮肥分三次施入，基肥在播种前施入，拔节期和抽雄期分别追肥，三次施肥按照4∶3∶3的比例施用，氮肥为含氮量46%的尿素。磷肥和钾肥在播种前一次施入，磷肥选用12% P2O5的过磷酸钙，以纯磷量40 kg· hm-2的量施入土壤，钾肥选用含45%K2O的硫酸钾，以纯钾80 kg·hm-2的量施入土壤。

1.2 样品采集与分析

于2014年7月中旬按照五点取样法采集不同处理耕层(0～10 cm和10～20 cm)的土壤混合样品，去除石砾、植物根系等可见杂物，混匀后带回实验室并在4℃保存，一周内测定土壤微生物量和土壤酶活性。

土壤微生物量碳氮用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定，微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)分别用以下公式计算：

MBC=EC/0.45，MBN=EN/0.54

其中,EC和EN分别为熏蒸土样和未熏蒸土样的碳、氮差值。

1.3 数据分析

试验数据采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析，并采用最小显著差法进行差异性检验，采用主成分法分析较有利于土壤微生物活性的管理方式。

2 结果与分析

2.1 施氮和覆膜对旱作春玉米农田土壤微生物量的影响

由表1可知，不覆膜条件下，与N0相比，0～10 cm和10～20 cm土层N100、N250和N400处理微生物量碳均显著增加。与N0相比，N100土壤微生物量氮在0～10 cm和10～20 cm土层分别增加77.22%和38.79%，N250土壤微生物量氮在0～10 cm和10～20 cm土层分别增加174.30%和169.16%，而N400对微生物量氮无显著影响。N100和N400显著增加0～10 cm土层微生物量磷，分别增加28.33%和22.78%；N400处理10～20 cm土层微生物量磷显著增加23.92%，而N100和N250无显著变化。

在覆膜条件下，施氮显著增加两土层微生物量碳且随施氮量的增加而增加，但N250与N400无显著差异。两土层微生物量氮随施氮量的增加而增加，与N0相比，0～10 cm土层N100处理增加40.22%，而10～20 cm土层无显著差异；N250与N400均显著增加两土层微生物量氮，但二者无显著差异。施氮显著增加两土层中微生物量磷，0～10 cm土层中微生物量磷的大小为N250 > N400 > N100 > N0；与N0相比，10～20 cm土层中N100、N250和N400均显著增加微生物量磷，而施氮处理间无显著差异。统计结果表明，覆膜显著影响微生物量磷，施氮显著影响微生物量碳、氮和磷，二者的交互作用显著影响土壤微生物量氮和微生物量磷。

2.2 施氮和覆膜处理下土壤微生物量生态化学计量学特征

如表2所示，不覆膜条件下，与N0相比，0～10 cm土层N100和N250处理显著降低微生物量碳氮比，N400处理微生物量碳氮比增加24.20%；10～20 cm土层N250处理微生物量碳氮比显著降低而N400处理增加42.32%。与N0相比，0～10 cm土层N250和N400处理微生物量碳磷比分别增加61.63%和29.52%(P<0.05)，而N100无显著变化；10～20 cm土层N100和N250微生物量碳磷比分别增加44.22%和42.78%(P<0.05)而N400无显著变化。与N0相比，N100和N250均显著增加0～10 cm和10～20 cm土层微生物量氮磷比，而N400无显著差异。

表1不同施氮和覆膜处理对土壤微生物量的影响

Table 1 Effects of N fertilization and film mulching on soil microbial biomass

处理Treatment微生物量碳 MBC/(mg·kg-1)0～10 cm10～20 cm微生物量氮MBN/(mg·kg-1)0～10 cm10～20 cm微生物量磷MBP/(mg·kg-1)0～10 cm10～20 cm不覆膜No filmmulchingN0100.01±2.36c88.90±5.54b8.21±0.63c6.42±0.67c5.40±0.83b4.64±0.55bN100139.65±6.52b130.14±6.34a14.55±1.89b8.91±0.25b6.93±0.19a4.69±0.46bN250154.28±4.81a128.23±6.89a22.52±1.85a17.28±1.32a5.07±0.21b4.65±0.26bN400161.93±11.23a131.19±5.63a10.69±1.19c6.71±1.16c6.63±0.27a5.75±0.01a覆膜Film mulchingN0111.71±3.88c97.73±11.93c10.22±1.34c6.42±1.25b4.21±0.15d3.94±0.07bN100146.80±6.78b120.90±2.61b14.33±1.30b9.67±0.75b5.84±0.02c6.40±0.83aN250156.99±9.64ab134.21±5.55a 18.66±1.33a13.37±1.57a 8.91±0.11a5.27±0.20a N400167.73±4.81a138.25±4.20a20.80±3.32a14.72±3.26a 8.41±0.43b6.01±1.02a变异来源 Source of variance覆膜 Film mulching (F)N.S.N.S.*施氮 N fertilization (N)*********覆膜×施氮 (F×N)Film mulching×N fertilizationN.S.******

注：同列不同字母表示处理间差异达到显著性水平(P<0.05)。表中数据为平均值±标准差(n=3)。***，**，*分别表示在P<0.001,P<0.01,P<0.05水平上差异显著，N.S.表示差异不显著。下同。

Note: different letters in the same column under B or F treatment indicate significant difference atP<0.05. values with means±standard deviation (n=3). ***, ** and * indicate significant difference atP<0.001,P<0.01 andP<0.05, respectively. N.S. indicates no difference. MBC-microbial biomass C;MBN-microbial biomass N; MBP-microbial biomass P. The same below.

覆膜条件下，与N0相比施氮在一定程度上降低微生物量碳氮比，0～10 cm土层N100和N400处理微生物量碳氮比分别降低28.66%和25.95%(P<0.05)，10～20 cm土层N250和N400处理显著降低微生物量碳氮比而N100无显著差异。与N0相比，N250和N400显著降低0～10 cm土层微生物量碳磷比而N100无显著差异，10～20 cm土层施氮对微生物量碳磷比无显著影响。与N0相比，0～10 cm土层N100微生物量氮磷比增加31.69%，N250降低33.75%而N400无显著差异；10～20 cm土层各处理微生物量氮磷比无显著差异。统计分析结果表明，覆膜显著影响土壤微生物量碳氮比，施氮则显著影响土壤微生物量碳氮比和微生物量氮磷比，二者的交互作用对土壤微生物量计量比均有显著影响。

2.3 施氮和覆膜对旱作春玉米农田土壤酶活性的影响

如表3所示，在不覆膜条件下，与N0相比，N250和N400处理均显著增加0～10 cm土层脲酶活性，且N400处理显著高于N250处理，在10～20 cm土层N250处理显著增加脲酶活性；与N0相比，N100、N250和N400处理对0～10 cm土层碱性磷酸酶活性无显著影响，在10～20 cm土层N100处理显著降低碱性磷酸酶活性，N250处理碱性磷酸酶活性无显著变化，而N400处理显著增加碱性磷酸酶活性。

覆膜条件下，N400处理显著增加0～10 cm土层脲酶活性，而10～20 cm土层施氮对脲酶活性无显著影响。0～10 cm土层碱性磷酸酶活性大小为N400>N100>N0>N250，N400与N100处理显著高于N250处理，10～20 cm土层仅处理N400显著增加碱性磷酸酶活性。综上所述，覆膜对土壤脲酶活性无显著影响而显著影响碱性磷酸酶活性，施氮可以显著影响土壤脲酶活性和碱性磷酸酶活性，二者的交互作用显著影响碱性磷酸酶活性。

表2 不同施氮与覆膜处理对土壤微生物量生态化学计量特征的影响

表3 不同施氮和覆膜处理对土壤脲酶和碱性磷酸酶活性的影响

2.4 土壤微生物活性的综合评价

相关性分析结果表明土壤微生物量碳与微生物量氮呈显著正相关(r=0.888，P<0.01),微生物量碳与碱性磷酸酶呈显著正相关(r=0.414，P<0.05)，微生物量氮和微生物量磷呈显著负相关(r=-0.734，P<0.01)。由此可知，不同变量之间还存在信息上的交叠，需进行主成分分析。

由表4可知，不覆膜条件下，第一主成分的方差贡献率为49.08%，第二主成分的方差贡献率为22.78%，累积贡献率为71.86%，可以用前两个主成分反映土壤微生物活性的信息。第一主成分主要综合了微生物量碳和脲酶的变异信息；第二主成分主要综合了微生物量氮的信息。覆膜条件下，第一主成分的方差贡献率为63.44%，第二主成分的贡献率为21.26%，累计贡献率为84.70%。第一主成分综合了土壤微生物量碳、氮和磷及脲酶的信息，第二主成分则综合了碱性磷酸酶的信息。根据第一、二主成分特征值和载荷系数计算得到不同施氮量土壤微生物活性的综合得分(表5)。不覆膜与覆膜条件下，根据主成分综合得分值(FS)可知土壤微生物活性的顺序均为N250>N400>N100>N0，覆膜在一定程度上降低了低施氮量土壤微生物的活性而对高施氮量土壤微生物活性有一定的促进。

3 讨论

3.1 覆膜及施氮对土壤微生物量及其计量学特征的影响

作为土壤物质和能力循环转化的动力，土壤微生物量的变化可以反映土地利用方式的差异。本研究中覆膜对土壤微生物量碳、氮均无影响，这与于树等[15]的研究一致。覆膜后土壤微生物量较不覆膜有所增加，这表明覆膜后微生物对氮的固定作用相对增强。覆膜后土壤水热状况发生变化，提高了土壤养分的活性，覆膜减少了雨水等对土壤的直接冲击使其保持相对较好的透气性和透水性。土壤微生物处于一种相对有利的环境中，生长繁殖相对较快，而适宜的条件也降低了微生物的矿化，另外作物生长过程中对营养元素的竞争作用，使有机质的消耗增加，从而抑制微生物的活动[16]，最终土壤微生物量碳氮保持相对稳定的水平[15]。与侯慧芝等[17]的结果一致，本试验中覆膜显著增加土壤微生物量磷，这可能是由于覆膜后改善的土壤条件使土壤微生物大量繁殖，促进了微生物对土壤中磷素的固定，从而提高了微生物量磷的含量。覆膜后N400处理微生物量氮有所增加而N250处理则有所降低，微生物量磷则表现出与微生物量氮不一致的趋势，这表明覆膜后土壤微生物对氮和磷的固定作用发生改变，氮肥的激发效应使得氮磷的固定与矿化作用更为明显。然而，也有研究发现覆膜可以显著增加土壤微生物量氮[16]或降低微生物量碳、氮和磷[7]。目前关于覆膜对土壤微生物量的影响还没有一致的结论，这可能与土壤类型、采样时间、作物种类等的不同有关。

表4 覆膜与不覆膜条件下主成分分析中各因子的载荷矩阵、特征根及其方差贡献率

表5 不覆膜与覆膜条件下各处理的因子得分及其土壤质量综合指数

施氮可以增加植物的生物量，从而有更多的凋落物返还到土壤中，为微生物的活动提供充足的物质和能量来源[18]。与Shen等[8]的结果一致，本研究表明覆膜与不覆膜条件下土壤微生物量碳、氮均随施氮量增加而增加，这可能是由于施氮促进了作物的生长进而促进土壤中有机碳的降解，为微生物提供充足的营养物质，养分矿化作用增强，从而增加微生物的同化作用增加了微生物量。然而氮肥降低土壤微生物量[19]或长期施用化肥对微生物量无显著影响[20]的结果也有报道，这些研究结果的不一致可能与土壤类型、肥料用量和采样时间等有关。本研究中施氮量为400 kg·hm-2时，土壤微生物量增加不显著或下降，可能是由化肥对土壤微生物的直接毒害作用引起的[21]。

土壤微生物量碳氮比反映了土壤的氮素供应能力，一般与氮素的生物有效性成反比。本试验中微生物量碳氮比略高于黄土高原农田土壤微生物碳氮比(一般为6.13～8.45)[22]，这表明试验地土壤的氮素有效性较低。本研究中施氮与覆膜均显著降低了土壤微生物量碳氮比，不覆膜条件下，N250处理微生物量碳氮比最低，表明土壤具有较高的氮素有效性，有利于作物对氮素的吸收；而覆膜条件下N400处理微生物量碳氮比显著降低，表明覆膜改变了土壤中微生物的活性。另外，微生物量碳氮比还可以反映土壤微生物种类和组成，细菌、放线菌和真菌的碳氮比分别为5、6和10[23]，因此本研究土壤中真菌的含量可能相对丰富。微生物量碳磷比和微生物量氮磷比与微生物群落结构的相关性还不十分明确，但是微生物碳磷比可用于评价土壤微生物对磷素的释放或吸收[24]。本研究中覆膜和施氮对微生物量碳磷比均无显著影响，然而施氮显著增加了土壤微生物量碳，这表明施氮条件下土壤微生物对碳源的固定和对磷的同化作用及与作物竞争磷的作用保持相对稳定的水平[25]。

3.2 覆膜及施氮对土壤酶活性的影响

本研究表明覆膜对脲酶活性无显著影响，这与吴宏亮等[26]的研究一致，覆膜条件下土壤水热条件的改变使得土壤不能为脲酶提供充足的物质与能量来源，因此土壤脲酶活性无显著变化。然而，王静等[27]发现地膜覆盖可以显著提高脲酶活性。本研究还表明覆膜显著降低碱性磷酸酶活性，碱性磷酸酶活性的强弱与土壤的pH值有关，研究发现覆膜后土壤pH值显著下降，而pH值的下降利于土壤中磷的释放，从而增加土壤中无机磷的含量并抑制碱性磷酸酶的活性，这与前人研究结果基本一致[28]。然而关于覆膜可以增加碱性磷酸酶活性[27]的结果也有报道。由于脲酶和碱性磷酸酶的特殊性，土壤养分、水热状况和作物生长等可能引起其活性的差异，从而导致覆膜对其活性影响的研究结果不一致。覆膜后，在高施氮量下土壤酶活性显著降低，而在不施氮和低施氮量下土壤酶活性降低不显著。由此可见，覆膜对土壤酶活性的影响比较复杂，酶活性降低的原因可能是覆膜后土壤湿度增加，降低了尿素的浓度[29]。

脲酶是唯一对尿素的转化作用有重要影响的胞外酶，其活性可以指示土壤的氮素状况。本研究中脲酶和碱性磷酸酶均受到氮肥的显著影响，且氮肥的施用均提高了土壤的酶活性。脲酶活性表现出随施氮量增加而增加的趋势，这可能是由于氮肥的施用为脲酶提供了充足的底物，但过量施用氮肥会增加氨挥发的风险[30]。本研究中与脲酶活性相似，碱性磷酸酶的活性也呈现出随施氮量的增加而增加的趋势，但是施氮处理间碱性磷酸酶活性增加不显著，可能是由于化肥用量的增加一方面加快了土壤有机质的矿化，影响了土壤微生物的生长，另一方面提高了土壤的盐分含量，在一定程度上抑制了碱性磷酸酶活性[31]。

3.3 覆膜和施氮处理下土壤微生物活性综合评价

对土壤微生物活性的综合评价表明，相同施氮量下土壤覆膜与否对微生物活性呈现出相同的变化规律：N250>N400>N100>N0，即施氮量为250 kg·hm-2时土壤微生物活性最大，而不施氮时土壤微生物活性最小。施氮量为250 kg·hm-2时土壤微生物活性高于施氮量为400 kg·hm-2，表明适量施氮对土壤微生物活性的提高最为有利，而过量施氮则无法取得较为理想的激活效果，这可能是由于高量施氮使土壤酸化[32]，进而降低土壤的微生物活性。我们以前的研究表明施氮量为250 kg·hm-2时玉米产量最高，且N250 kg·hm-2的温室气体增温潜势显著低于其他施氮水平[33]，综合考虑经济与环境效益，施氮量为250 kg·hm-2是该地区适宜的施氮水平。