青海高原复种绿肥毛叶苕子对土壤微生物生物量碳、氮的影响

韩 梅

(青海省农林科学院 土壤肥料研究所，青海 西宁 810016)

土壤微生物在土壤氮素转化中的作用不可忽视。土壤微生物量在土壤中占的体积很小[1]，但它能够积极参加物质养分循环，是植物营养的源和库[2]，它的高低可以代表调控土壤物质、能量循环和有机物转化的活跃微生物的数量[3-4]。土壤微生物氮、碳在土壤中是最活跃的碳库和氮库之一，分别占土壤有机碳、全氮总量的0.5%～4%和2%～6%[5-7]，是评价土壤微生物质量的重要指标[8-9]。绿肥在我国发展历史悠久，是传统农业的精华，具有提高土壤有机质、减施化肥、倒茬轮作等作用，在生态保护、可持续发展、粮食安全等方面具有重大意义。大量研究表明，种植翻压绿肥能够增加土壤微生物数量和微生物多样性，影响土壤微生物活性[10-11]。土壤中施入肥料的种类、数量及有机和无机肥料的搭配、种植模式对土壤微生物生物量氮有不同的影响。肥料的碳、氮比越高，土壤微生物对肥料氮的固持量越大，释放率降低[12]。青海省河湟地区气候资源较为丰富，生长作物两季不足，一季有余。7月上中旬收获后至10月中旬，土地闲置，资源浪费较为严重。针对上述问题，构建了豆科绿肥-小麦(油菜)的生产技术模式，可以有效改善生态环境，豆科绿肥可翻压作为绿肥，以及“留茬肥地、过腹还田”，综合应用潜力巨大。系统研究复种绿肥，翻压、留茬条件下土壤微生物的变化将有助于了解施肥条件下土壤肥力演变机制，掌握土壤养分的循环转化状况和有效养分的供给情况，对土壤肥力演变以及土壤环境质量的变化具有指导性意义[13]。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 研究区概况 试验地位于青海省西宁市城北区莫家庄农科院试验地，海拔为2 300 m，属高原大陆性半干旱气候。年平均气温5.9 ℃，作物生长期为220.2 d。年平均降水量367.5 mm，年均蒸发量为1 729.8 mm。试验地灌溉条件方便，前茬作物为油菜。

1.1.2 供试材料 供试绿肥品种为毛叶苕子(Viciavillosa)，养分含量见表1。供试小麦品种为青春38；供试肥料品种分别为尿素N 46%、过磷酸钙P2O512%；供试土壤为栗钙土，土壤pH为8.31，有机质16.67 g/kg，全氮1.11 g/kg，全磷2.18 g/kg，全钾26.35 g/kg，碱解氮97 mg/kg，有效磷12.9 mg/kg，速效钾136 mg/kg。

表1 绿肥毛叶苕子的碳及氮、磷、钾养分含量(干基，%)Table 1 Carbon，nitrogen，phosphorus and potassium nutrient content of green fertilizer hairy vetch (dry basis，%)

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验地位于青海省西宁市城北区农科院试验地，是2010年布置的一个绿肥长期定位试验。该试验采用青海省绿肥作物适种区主栽作物小麦、油菜轮作模式，本年度以小麦为主作，试验采用随机区组设计。试验共设9个处理：①100%化肥+绿肥根茬(F100+G根茬)；②90%化肥+绿肥根茬(F90+G根茬)；③80%化肥+绿肥根茬(F80+G根茬)；④70%化肥+绿肥根茬(F70+G根茬)；⑤60%化肥+绿肥根茬(F60+G根茬)；⑥不施肥+绿肥根茬(F0+G根茬)；⑦70%化肥+绿肥翻压(F70+G翻压)；⑧不施肥(F0)；⑨100%化肥(F100)。其中100%化肥代表N 225.0 kg/hm2、P2O5112.5 kg/hm2。绿肥根茬为绿肥收获时地上部分作为饲草收割，地下部分翻压。4次重复，小区面积20.0 m2(5.0 m×4.0 m)[14]。2017年3月15日，进行小麦播种，播量600 kg/hm2。播种前将肥料均匀撒施，深翻。毛叶苕子在7月下旬小麦收获后进行复种，播量105.0 kg/hm2，播种后立即灌水。毛叶苕子10月中旬收获，需压青处理，将该区收获的毛叶苕子铡切成10 cm左右后进行翻压，毛叶苕子鲜草翻压量为30 000 kg/hm2。

1.2.2 样品采集与分析 ①土壤采集：在小麦播种期、苗期、花期、成熟期采集0～20 cm土壤样品；②分析方法：土壤全氮用凯氏定氮法；土壤微生物生物量碳(Soil microbial biomass carbon，SMBC)、土壤微生物生物量氮(Soil microbial biomass nitrogen，SMBN)：采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定[15]；土壤总有机碳(Soil total organic carbon，TOC)：重铬酸钾容量法-外加热法。土壤总有机碳乘转化系数1.724 即为土壤有机质。

1.2.3 数据处理 SMBC=EC/kEC，式中EC为熏蒸与未熏蒸土壤总有机碳的差值；kEC为转换系数，取值0.45[16]。SMBN=EN/kEN，式中EN为熏蒸与未熏蒸土壤总氮的差值；kEN为转换系数，取值0.45[17]。微生物熵为土壤微生物生物量碳与土壤总有机碳比值，即SMBC/TOC。试验数据采用Microsoft Excel 2007和SAS8.1 软件进行整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对小麦产量的影响

产量结果表明(表2)，所有处理的产量都高于不施肥料处理，毛叶苕子收割留根茬处理产量均比单施肥料处理产量高，处理F100+G根茬比处理F100产量提高5.32%。在减施30%化肥条件下，翻压毛叶苕子处理比毛叶苕子收割留根茬处理产量高，说明翻压绿肥处理比绿肥收割留茬处理效果好。在不施肥条件下，绿肥收割留根茬比不种绿肥增产效果好。处理F70+G翻压与处理F100、F80+G根茬产量相当，也就是说翻压绿肥可减施化肥30%，绿肥收割留根茬可减施化肥20%。

表2 不同处理对小麦产量的影响Table 2 Effects of different treatments on rape yield

注：“*”代表根茬，“#”代表翻压，“/”代表不施肥处理的产量，不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)

2.2 复种绿肥毛叶苕子对土壤SMBC及微生物熵的影响

复种绿肥毛叶苕子后，不论翻压还是留根茬处理土壤SMBC均有明显提高，差异有统计学意义。其中绿肥毛叶苕子翻压处理比根茬处理土壤SMBC差异达到极显著水平(P<0.01)，处理F70+G翻压比处理F70+G根茬土壤SMBC增加20.28 mg/kg。在小麦不施肥(F0)的情况下，土壤SMBC会出现下降，低于施肥处理。施肥水平的差异也会影响土壤SMBC水平，土壤SMBC水平与施肥量的关系存在动态性变化，当施肥量增加时，土壤SMBC含量会逐渐增加，但施肥量过多(F100)，土壤SMBC含量却呈现降低趋势(图1)。土壤微生物生物量碳施肥与绿肥毛叶苕子合理搭配时土壤SMBC最高，其处理为F70+G翻压。

在播期、苗期、抽穗期、成熟期四个主要生长期，处理F100+G根茬、F90+G根茬、F80+G根茬、F70+G根茬、F60+G根茬、F0+G根茬土壤SMBC全年平均分别为230.52、230.08、213.67、285.87、230.77、238.01 mg/kg，其中处理F70+G根茬土壤SMBC最高；处理F70+G根茬、F70+G翻压土壤SMBC全年平均分别为285.87、318.65 mg/kg，其中翻压绿肥毛叶苕子比留根茬处理土壤SMBC，高出11.47%；9个处理相比，翻压绿肥毛叶苕子、留根茬处理较单施化肥和不施肥处理土壤SMBC较高，最高处理为F70+G翻压，较其他处理提高了10.29%～38.57%，差异显著(P<0.01)。土壤SMBC含量在小麦不同生育期变化较大，其中抽穗期>苗期>成熟期>播种期。在整个生长周期内，土壤SMBC苗期高于播种期，在抽穗期时达到最高，为 208.98～321.38 mg/kg。成熟期又有所降低。

微生物熵能更灵敏地指示土壤有机碳的转化[18-19]。本研究中微生物熵在各时期的变化与土壤SMBC一致，绿肥处理表现出明显较高的微生物熵。各处理土壤微生物熵在2.18%～2.80%之间，7个绿肥处理F100+G根茬、F90+G根茬、F80+G根茬、F70+G根茬、F60+G根茬、F0+G根茬、F70+G翻压全年平均值分别为2.47%、2.26%、2.18%、2.80%、2.29%、2.29%、2.79%，显著高于F0、F100的全年平均水平(2.10%、2.15%)。

图1 小麦-绿肥毛叶苕子轮作体系典型时期的土壤SMBCFig.1 SMBC in the typical period of wheat-green manure rotation system

2.3 复种绿肥对土壤SMBN及占土壤总氮比例

复种绿肥毛叶苕子后，土壤 SMBN变化的影响与对土壤 SMBC的影响一致。长期单施化肥处理的土壤 SMBN与不施肥处理相比均略有增加，而在施用化肥基础上配施绿肥毛叶苕子处理土壤 SMBN均显著提高(P<0.01)，其中处理F70+G翻压土壤 SMBN为最高，比其他处理提高幅度为1.26%～26.33%。处理F100+G根茬、F90+G根茬、F80+G根茬、F70+G根茬、F60+G根茬、F0+G根茬土壤SMBN相比，其中处理F70+G根茬土壤SMBN最高；对处理F70+G根茬、F70+G翻压土壤SMBN进行比较，翻压绿肥毛叶苕子比留根茬处理土壤SMBN高出1.26%；在整个生长周期内，土壤 SMBN含量在小麦不同生育期变化较大，其中抽穗期>苗期>成熟期>播种期，这与土壤 SMBC变化一致。小麦播种期时土壤SMBN含量最低，为29.12～ 49.62 mg/kg，至抽穗期土壤SMBN含量达到最高，为 48.05～77.69 mg/kg。成熟期又有所降低(图3)。化肥配施绿肥毛叶苕子显著提高了小麦各生育期土壤中SMBN含量及其占同时期土壤总氮中的比例(图4)。

图2 小麦-绿肥毛叶苕子轮作体系典型时期的土壤微生物熵Fig.2 SMBC/TOC in the typical period of wheat-green manure rotation system

图3 小麦-绿肥毛叶苕子轮作体系典型时期的土壤SMBNFig.3 SMBN in the typical period of wheat-green manure rotation system

图4 小麦-绿肥毛叶苕子轮作体系典型时期的土壤SMBN含量占总氮的比例Fig.4 SMBN /total N in the typical period of wheat-green manure rotation system

2.4 土壤微生物生物量碳、氮与土壤全氮、总有机碳的相关性

由表3可知，土壤全氮(TN)与土壤总有机碳呈正相关，土壤SMBN与全氮呈显著正相关，土壤SMBC与SMBN、土壤总有机碳呈显著正相关。

表3 土壤SMBC、SMBN与土壤TN、TOC的相关性分析Table 3 Correlation between SMBC and SMBN and TN and TOC

注：* 和** 分别代表显著性为P<0.05、P<0.01

3 讨 论

肥料施用种类对土壤微生物量的影响有明显的不同。研究表明，30 年长期施用有机肥可以提高土壤中微生物量[20]。施用有机肥较普通化肥增加了土壤有机质和微生物量碳[21]。本研究通过复种绿肥毛叶苕子，较单施化肥提高了土壤SMBC、SMBN含量。与不施肥相比，翻压绿肥毛叶苕子、留根茬处理增加了微生物的投入，从而提高了土壤 SMBC、SMBN含量，与以上观点一致。有研究表明，土壤SMBC和有机质呈线性关系[22]，土壤SMBN与全氮呈显著正相关[23]，表明土壤SMBC、SMBN与土壤碳素、氮素有相关性，这与本研究结果基本符合。土壤微生物量作为土壤中的活性养分，与养分含量关系密切，对环境变化反应敏感，可以作为评价土壤质量的肥力指标[24-25]。复种绿肥影响了土壤SMBC、SMBN，可以增加微生物生物量，其中化肥配施绿肥毛叶苕子效果最明显；翻压绿肥毛叶苕子、留根茬处理较单施化肥和不施肥处理土壤SMBC、SMBN较高，最高处理为F70+G翻压。

研究复种绿肥后茬作物小麦从播种期到收获期土壤不同变化过程，土壤温度和水分等环境条件的不同，会导致不同时期土壤微生物量特性变化[26]。有研究认为，不同耕作模式、土壤温度、含水量等因素会影响土壤 SMBC的动态变化[27]。土壤SMBC、SMBN含量在小麦不同生育期有明显的变化，小麦在播种期土壤SMBC、SMBN含量最低，抽穗期含量达到最高。成熟期又有所降低。土壤 SMBC/SOC(微生物熵)是评价土壤肥力和质量的重要指标[28]，有机物料投入明显提高了微生物熵[29-30]。这与本研究结果基本符合，化肥配施绿肥毛叶苕子处理表现出较高的微生物熵。