長期施肥對土壤微生物生物量碳、氮及礦質(zhì)態(tài)氮含量動態(tài)變化的影響

梁斌,周建斌,2*,楊學云

(1西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院,陜西楊凌712100;2黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室,陜西楊凌712100)

土壤微生物生物量是土壤中的活性營養(yǎng)庫,調(diào)控著土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化循環(huán)及有效性[1]。土壤微生物生物量碳、氮(SMBC、SMBN)含量與環(huán)境、施肥及作物生長有密切關系。大量研究表明[2-5],不同有機肥和化肥配合施用對土壤微生物生物量氮影響不同。微生物對施入氮素的固持與釋放主要受施入的碳(如有機肥、秸稈等)和氮的種類和數(shù)量等因素支配[6]。施入肥料的碳、氮比越高,土壤微生物對肥料氮的固持量越大,釋放率降低[7]。因此,在農(nóng)業(yè)實踐中,可以通過施用有機肥及秸稈還田技術,調(diào)節(jié)土壤碳、氮比,增加土壤微生物生物量氮庫的容量,從而提高其在土壤氮素循環(huán)轉(zhuǎn)化過程中的調(diào)控作用并減少氮肥損失。但是在提高微生物對氮素固持的同時,會不會因微生物和作物對氮素的競爭而影響作物的生長,以及微生物生物量氮在作物養(yǎng)分供應中所起的作用等都是值得關注的問題。

本試驗以在黃土高原南部進行的長期定位試驗為對象,研究了小麥-玉米輪作體系中不同施肥處理條件下土壤微生物生物量碳、氮及礦質(zhì)態(tài)氮的動態(tài)變化,旨在揭示長期不同施肥處理對土壤微生物生物量碳、氮的影響及土壤微生物生物量氮與礦質(zhì)態(tài)氮間的關系,為合理施肥,減少氮素損失,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分的良性循環(huán)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

供試土壤采自國家黃土土壤肥力與肥料效益長期監(jiān)測基地。基地位于陜西省楊凌區(qū)頭道塬,海拔524 m,年均氣溫13℃,年均降水量632 mm,主要集中在7、8、9月份,年蒸發(fā)量1400 mm,冬春易旱。土壤類型為褐土類,土亞類,紅油土屬。該基地建于1990年,試驗開始時耕層土壤基本理化性狀為:有機質(zhì) 10.92 g/kg,全氮 0.83 g/kg,堿解氮 61.32 mg/kg,速效磷9.57 mg/kg,速效鉀191.2 mg/kg,pH 8.62。

1.2 試驗設計

長期定位試驗共設24個處理,本研究選取小麥-玉米輪作體系中的對照(不施肥,CK)、單施化肥(F)、化肥配施有機肥(F+M)和化肥加秸稈還田(F+S)4個處理為研究對象。其中化肥中氮肥為尿素,磷肥為過磷酸鈣,鉀肥為硫酸鉀,有機肥施用牛廄肥,每處理施肥量分別為N 165 kg/hm2、P 57.6 kg/hm2、K 68.5 kg/hm2,F+M處理中牛廄肥的使用量按含氮量折合成純氮,占所施氮素總量的70%,F+S處理中當季所有收獲的玉米秸稈還田,秸稈中所含氮、磷、鉀未參與計算?；?、廄肥及秸稈均于小麥播種前一次性施入。玉米生長期間于小喇叭口期在F、F+M和F+S處理中追施化肥N 187.5 kg/hm2、P 24.6 kg/hm2、K 77.8 kg/hm2。小區(qū)面積14 m×14 m。每個小區(qū)按面積劃分為3個等份,作為3次重復。

1.3 樣品采集及測定

分別于2007年1月3日(小麥苗期)、2007年 3月29日(小麥拔節(jié)期)、2007年5月12日(小麥灌漿期)、2007年6月10日(小麥收獲后/玉米播種期)、2007年7月 27日(玉米大喇叭口期)、2007年 8月25日(玉米灌漿期)和2007年10月5日(玉米收獲后)在試驗田相應處理內(nèi)沿對角線方向采集耕層土壤,按0—10 cm和10—20 cm土層分開,每小區(qū)采 3鉆土壤混合,去作物殘根和小石頭,過2 mm篩,將土樣分為兩部分,一部分風干用于測定土壤理化性質(zhì),另一部分保存在4℃冰箱中,用于土壤可溶性有機碳、氮,微生物生物量碳、氮和礦質(zhì)態(tài)氮的測定。

土壤微生物生物量碳、氮的測定采用氯仿熏蒸浸提法[8-9]:用0.5 mol/L K2SO4浸提經(jīng)氯仿熏蒸和未熏蒸土樣(水土比4∶1),過濾后濾液中的有機碳用TOC-5050分析儀測定,全氮用過硫酸鉀氧化比色法測定[10-11]。土壤微生物生物量碳、氮含量以熏蒸和未熏蒸的有機碳、全氮含量之差分別除以kEC和kEN得到 ,其中 kEC=0.45[9,12]、kEN=0.54[8]。

礦質(zhì)態(tài)氮:用0.5 mol/L K2SO4浸提土樣(水土比4∶1),浸提液經(jīng)過濾后,濾液中的NO-3-N和NH+4-N用流動分析儀測定,礦質(zhì)態(tài)氮含量為NO-3-N與NH+4-N含量之和。

試驗數(shù)據(jù)的方差分析及多重比較利用SAS8.1軟件進行。

2 結果與分析

2.1 土壤微生物生物量碳動態(tài)變化

0—10 cm土層 SMBC含量范圍為 264.8～752.2 mg/kg,10—20 cm 土層為 126.9～ 444.6 mg/kg,土層間差異顯著(P＜0.05)(圖1)。不同施肥處理相比,各采樣時期F+M處理0—10 cm土層SMBC的含量均為最高,其次為F+S處理,CK處理的最低;10—20 cm土層SMBC的含量也以F+M處理土壤最高,CK處理的最低,其中F+S處理和F處理SMBC的含量差異較小。

圖1可見,從小麥苗期到拔節(jié)期,0—10 cm土層不同施肥處理SMBC的含量均增加,其中F和CK處理增幅達顯著水平(P＜0.05);小麥收獲后,上述4個處理土壤SMBC的含量與拔節(jié)期相比顯著降低(P＜0.05),降幅分別為 26.0%、28.1%、31.4%和20.1%。玉米生長期間4個施肥處理0—10和10—20 cm土層SMBC含量隨玉米的生長逐漸升高,至玉米灌漿期SMBC含量達最高;玉米收獲后不同處理SMBC含量降低,其中 CK、F處理 0—10和 10—20 cm土層和F+S處理0—10 cm土層SMBN含量的下降達顯著水平(P＜0.05)。

圖1 各施肥處理土壤微生物生物量碳含量動態(tài)變化Fig.1 Changes of SMBC in different fertilizer treatments during wheat and corn growth

2.2 土壤微生物生物量氮動態(tài)變化

不同施肥處理土壤0—10 cm和10—20 cm土層SMBN含量順序均為F+M＞F+S＞F＞CK,各處理0—10 cm土層SMBN含量顯著高于10—20 cm土層(P＜0.05)(圖2)。與苗期相比,小麥拔節(jié)期0—10 cm土層所有施肥處理SMBN含量均顯著增加(P＜0.05),增幅為18.0%～52.8%,這可能與小麥生長前期微生物對土壤中氮素的固持作用有關。從拔節(jié)期到灌漿期各施肥處理SMBN含量有所降低,其中以F+S處理的降幅最大,其次為CK處理,兩處理土壤SMBN含量的下降均達顯著水平(P＜0.05),這可能是因為作物與微生物競爭氮素所致;小麥收獲后各施肥處理土壤SMBN含量又有所增加,其中F和F+S處理0—10 cm土層增幅分別為21.3%和22.7%,達顯著水平(P＜0.05)。

從小麥收獲后到玉米灌漿期不同施肥處理土壤SMBN含量一直呈增加的趨勢,CK和F處理0—10 cm土層土壤SMBN含量的增加達顯著水平(P＜0.05);玉米收獲后各施肥處理0—10 cm土層SMBN含量較玉米灌漿期顯著降低(P＜0.05),但在10—20 cm土層SMBN含量與玉米灌漿期無顯著差異。

圖2 各施肥處理土壤微生物量氮含量動態(tài)變化Fig.2 Changes of SMBN in different fertilizer treatments during wheat and corn growth

2.3 不同施肥處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量的動態(tài)變化

各采樣時期0—10 cm和10—20 cm土層不同施肥處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮的含量以F+S處理最高,F和F+M處理次之,CK處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量最低(圖3)。

小麥苗期各處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量高于小麥其他生長時期,這與播種前施肥及小麥苗期對氮素吸收量相對較少有關。這一時期F+M處理0—10和10—20 cm土層土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量顯著低于F處理,這是因為有機肥配合化肥施用后促進了土壤微生物對礦質(zhì)態(tài)氮的固持和在施入有機肥后溫度較低,有機氮礦化量較少所致。與苗期相比,小麥拔節(jié)期各施肥處理0—10 cm和10—20 cm土層土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量明顯降低,CK、F、F+M 和F+S處理0—10 cm降幅分別為27.4%、78.6%、52.9%和 68.7%,10—20 cm分別為 13.3%、79.7%、46.1%和 70.7%。這一時期土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量的降低,一方面與小麥吸收有關,另一方面與土壤微生物對礦質(zhì)態(tài)氮的固持有關。

圖3 不同施肥處理礦質(zhì)態(tài)氮含量動態(tài)變化Fig.3 Changes of mineral N in different fertilizer treatments during wheat and corn growth

玉米生長期間由于小喇叭口期的追肥,使玉米大喇叭口期F、F+M和F+S處理0—10 cm土層土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量顯著上升。玉米灌漿期生長旺盛,吸氮量多,從而使各處理0—10 cm土層土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量顯著低于大喇叭口期(P＜0.05)。到玉米收獲時,由于土壤氮素礦化,各施肥處理0—10 cm和10—20 cm土層土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量又明顯增加。這時F+M處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量顯著高于F處理,微生物固持氮的釋放可能是玉米成熟期土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量增加的原因之一。

3 討論

3.1 小麥-玉米輪作體系中的不同施肥處理土壤微生物生物量碳、氮含量變化的實質(zhì)

本試驗中對照由于長年不施肥,土壤中有效養(yǎng)分匱乏,作物生長量低,通過根系及地上部分殘茬歸還到土壤中的有機物相對較少,因此,在小麥和玉米生長期間土壤微生物生物量碳、氮及礦質(zhì)態(tài)氮含量均處在最低水平,因此該處理作物與微生物對氮素競爭作用明顯。小麥和玉米生長期間F+S處理土壤微生物生物量碳、氮含量均高于CK和F處理,這與這一處理給土壤中補充了豐富的有機物碳、氮有關。

F+M處理與F處理相比,兩者礦質(zhì)態(tài)氮含量除小麥苗期外,其他各采樣時期相差不大,但是F+M處理中SMBN含量顯著地高于F處理。高出的這部分氮素除部分來源于施入的牛廄肥和土壤原有的氮素外,還有一部分可能來源于施入的化學氮肥。韓曉日等[13]通過同位素標記研究發(fā)現(xiàn),玉米生長期間,有機肥與化肥配施處理中SMBN來源于施入化肥的比例為8.5%～41.5%,來源于土壤氮的比例為40.4%～49.6%,并且隨著玉米的生長,來源于化肥的比例增加。F+M和F處理施氮量一致,但SMBN含量一直顯著高于F處理,這也說明土壤微生物對氮素起到了很好的固持作用,減少了氮素的損失。

有機物料與化肥配合施用使土壤微生物固定無機氮的能力增強,但固定量和固定強度因碳源物質(zhì)、施用量和腐解條件而異[14-15]。本試驗F+M處理施入的是腐熟的牛廄肥,這部分有機物料C/N比較低,含有大量的可溶性有機物[16],既可以提供碳源,又可補充有效氮源,從而最大程度地促進了微生物的生長、繁衍。Saetre等[6]利用15N標記試驗也表明,碳氮比低的有機物料更能夠促進微生物生物量的提高而加快碳素和氮素的循環(huán)。在F+S處理中,施入的玉米秸稈C/N比較高,而且秸稈中的有機物結構復雜,再加上所施的秸稈體積較大,與牛廄肥相比,不易被微生物迅速分解利用,從而使微生物對氮素的固定較少,導致F+S處理土壤微生物生物量碳、氮低于F+M處理,礦質(zhì)態(tài)氮含量高于F+M處理。Ocio等[17]也指出,不同碳源物質(zhì)對無機氮的微生物固持影響很大。所以就施用有機物料來說,施用有機肥比施用秸稈更能夠促進微生物生物量的提高,增加礦質(zhì)態(tài)氮的固定,降低氮素損失。

綜上所述,小麥-玉米輪作體系中作物不同生長時期不同施肥處理土壤微生物量碳、氮含量差異顯著,這是土壤微生物對進入土壤中不同碳源和氮源綜合利用的反應。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中通過有機物料和化肥配合施用,調(diào)節(jié)土壤中碳、氮比,不僅保持了土壤中原有的氮素,而且對施入的化學氮肥也有很好的保氮作用。如何協(xié)調(diào)二者的關系,在保證作物氮素供應的前提下減少氮的損失,達到以碳調(diào)氮的作用,是值得進一步深入研究的問題。

3.2 土壤微生物生物量氮與礦質(zhì)態(tài)氮含量間的關系

在小麥拔節(jié)期到灌漿期的旺盛生長階段,各施肥處理土壤SMBN含量均下降,而礦質(zhì)態(tài)氮含量變化不大,處于較低水平,旺盛生長的小麥所吸收的氮有可能來源于微生物生物量氮的釋放。Robertson等[18]的培養(yǎng)試驗結果表明,土壤新礦化的無機氮有55%～89%來自土壤微生物生物量氮;Singh等[19]在貧瘠的熱帶森林和草原上的研究表明,在植物迅速生長階段,氮的礦化作用加強,土壤微生物生物量氮含量降低。韓曉日等[20]的盆栽試驗發(fā)現(xiàn),在作物生長過程中土壤微生物生物量氮的減少量與該時期內(nèi)土壤礦質(zhì)態(tài)氮的增加量呈極顯著相關。這些都說明在微生物體內(nèi)固定的氮是植物所需氮源的重要來源。但在玉米旺盛生長時期(大喇叭口期到灌漿期),F+M、F+S和F土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量顯著下降,而在這3個處理中SMBN含量均升高,這與玉米生長期間小喇叭口期追施的化學氮肥有關。

由此可以認為,土壤微生物生物量氮含量與土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量間具有此消彼長的趨勢。在土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量較高時(玉米小喇叭口期),植物首先利用土壤中的礦質(zhì)態(tài)氮,而在土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量處于較低水平時(小麥拔節(jié)期),微生物固持的氮可能會釋放出來,供作物吸收利用。因此有必要采用15N的方法定量研究作物生長期間土壤微生物對氮的固持與釋放,以評價其在協(xié)調(diào)土壤氮素供應中的作用。

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