微生物菌肥對高寒草甸土壤養(yǎng)分的影響

林 麗，張德罡，曹廣民，歐陽經(jīng)政，劉淑麗，張法偉，李以康，郭小偉

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學 草業(yè)學院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.中國科學院西北高原生物研究所，青海 西寧 810008)

微生物菌肥對高寒草甸土壤養(yǎng)分的影響

林 麗1,2，張德罡1，曹廣民2，歐陽經(jīng)政2，劉淑麗2，張法偉2，李以康2，郭小偉2

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學 草業(yè)學院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.中國科學院西北高原生物研究所，青海 西寧 810008)

采用纖維素分解菌肥、聯(lián)合固氮菌肥、EM混合菌肥3種微生物菌肥配以水分添加和劃破草皮等方法對退化高寒小嵩草草甸進行土壤養(yǎng)分改良，以土壤中速效養(yǎng)分含量及pH變化評價改良狀況。結(jié)果表明，退化高寒小嵩草草甸土壤中添加微生物菌肥+劃破草皮處理與對照相比，沒有明顯改變0～20 cm土層速效磷含量、速效鉀含量和pH剖面分布特征；不同微生物菌肥+劃破草皮處理明顯改變土壤中速效氮含量的分布特征，其中，EM處理明顯提高土壤表層硝態(tài)氮含量，CD處理明顯提高土壤中表層氨態(tài)氮含量，CD和EM處理可以顯著提高土壤表層速效氮(硝態(tài)氮+氨態(tài)氮)含量，但單純劃破草皮G處理只能改變不同形式的速效氮在土壤垂直剖面中的分布格局，沒有明顯提高土壤中速效養(yǎng)分含量。因此，采用EM和CD處理均可以改善土壤中速效氮缺乏的現(xiàn)狀，但作用微弱，可能同選用的微生物菌肥在青藏高原高寒惡劣氣候條件下活性變?nèi)跤嘘P(guān)。篩選或分離適應高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)生存的微生物菌肥再配以適宜的施用方法可改善退化草地土壤養(yǎng)分狀況。

退化草地改良；草氈表層破解；土壤速效養(yǎng)分；微生物菌肥

微生物肥料是經(jīng)過特殊工藝制成的含有活菌并作用于植物或土壤的生物制劑或活菌制劑的生物性肥料，其優(yōu)點是無毒害、無污染[1-3]、具有增加土壤肥力、增強植物對養(yǎng)分的吸收、提高植物的抗病能力等多種功能[4]，因此，在可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要作用。由于微生物菌肥主要是由活菌組成，其對植物-土壤系統(tǒng)的改善能力受到包括土壤物理化學性質(zhì)(土壤pH、有機質(zhì)成分、土壤質(zhì)地、無機養(yǎng)料含量及比例等)[5-8]、植物組成結(jié)構(gòu)及生長特性(植物物候期，微生物作用的底物形態(tài)、養(yǎng)分含量和比例等)[9-10]、環(huán)境特征(溫度、濕度、光照強度及波長)[11-12]、微生物菌肥自身特點(活性組分、環(huán)境適應性)、人為干擾強度和管理措施等[13-14]多種因素的影響。高寒草甸在世界廣泛分布，北至北歐、北美洲的苔原帶，南至南極洲諸島，在亞洲主要分布在青藏高原地區(qū)，是由青藏高原隆起而形成的特殊地理氣候造就，以寒冷濕中生莎草科植物為優(yōu)勢種。受到環(huán)境變遷和人類活動的影響，高寒草甸已經(jīng)發(fā)生不同程度的退化，嚴重威脅了當?shù)啬撩竦纳a(chǎn)生活以及周邊地區(qū)的生態(tài)安全[15]。高寒草甸的退化，是土壤和植物的協(xié)同退化，對退化草地的治理既是植被的恢復也是土壤的恢復[16]，而土壤的恢復則是評價治理成效是否具有可持續(xù)性的基礎(chǔ)。目前，對天然草地土壤養(yǎng)分改良的主要措施是施肥。天然草地生態(tài)系統(tǒng)植物群落組成結(jié)構(gòu)復雜，既使量土施肥，也容易造成植物群落、土壤結(jié)構(gòu)的改變，不利于青藏高原生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，甚至造成生態(tài)環(huán)境不可逆轉(zhuǎn)的惡化。因此，對青藏高原高寒草甸退化生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分的改善的研究開始著眼于應用微生物菌肥，以盡量降低施用方法不當而帶來巨大的負面影響。

以退化高寒小嵩草草甸為研究對象，施用不同微生物菌肥，探討微生物菌肥對退化高寒小嵩草草甸土壤養(yǎng)分的改良作用。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域

于2005年在中國科學院海北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)開放試驗站進行。試驗站位于青藏高原東北隅的祁連山南坡谷地，N 37°29′～37°45′，E 101°12′～101°23′，海拔2 900～3 500 m，屬高原大陸性氣候，無明顯四季之分，僅有冷暖二季，暖季短暫而涼爽,冷季寒冷而漫長。年平均氣溫-1.7 ℃，年降水量約426～860 mm，80%的降水集中于生長季5～9月，蒸發(fā)量1 160.3 mm，無絕對無霜期。土壤類型為高山草甸土，土壤有機質(zhì)及全量養(yǎng)分豐富而速效養(yǎng)分貧乏。植被類型為青藏高原典型的地帶性植被，植物群落結(jié)構(gòu)簡單，生長期短，生產(chǎn)力較低[17]。

1.2 施肥方法

試驗采用的處理分別為G劃破草皮、W劃破草皮+水、EM劃破草皮+水+混合菌肥、FN劃破草皮+水+聯(lián)合固氮菌肥、CD劃破草坡+水+纖維素分解菌，以自由放牧草地為對照。纖維素分解菌和聯(lián)合固氮菌購于北京華夏康源科技有限公司金寶貝Ⅰ型發(fā)酵劑和金寶貝顆粒菌肥；混合菌肥購于康源綠洲公司EM-1號。2013年6月采用隨機區(qū)組設(shè)計，3個重復，小區(qū)面積為4 m2，草氈表層劃破的深度為5 cm。2013年7月初和7月中旬施肥，共2次(表1)。

表1 草地施肥處理Table1 Treatment of fertilizer on alpine meadow

1.3 采樣方法及測定

2013年9月1～4日對不同處理條件下的小區(qū)土壤進行分層采樣，采樣深度為0～5，5～10和10～20 cm，樣點按照“S”型取樣，每5鉆合為1鉆，每小區(qū)3次重復。土樣采集后過2 mm土壤分析篩，4 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

硝態(tài)氮(氯化鉀浸提-酚二磺酸比色法)、氨態(tài)氮(氯化鉀浸提-靛芬蘭比色法)、速效磷(碳酸氫鈉浸提-分光光度法)、速效鉀(醋酸銨浸提-分光光度法)、pH(水土比2.5∶1)，參照文獻[18]的方法進行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同試驗處理對土壤速效磷、速效鉀含量和pH值的影響

土壤養(yǎng)分含量垂直分布特征表明，土壤速效磷和速效鉀含量均隨著土層的加深而逐漸減少，最高值出現(xiàn)在0～5 cm(9.5～15.5 mg/kg)，最低值出現(xiàn)在10～20 cm(5.0～8.9 mg/kg)，劃破草皮、施用微生物菌肥和水分添加處理都沒有明顯改變草地土壤中速效磷和速效鉀含量的垂直分布特征。從試驗各處理水平看，劃破草皮、添加水分和微生物菌肥等處理對相同土壤層次速效磷和速效鉀含量沒有顯著的增加作用(P>0.05)。

土壤pH垂直分布特征為pH自表層向下逐漸增高，最低值出現(xiàn)在表層0～5 cm(7.6～8.2)，最高值出現(xiàn)在10～20 cm(8.5～8.6)，劃破草皮、添加微生物菌肥和添加水分等處理沒有改變土壤中pH值的垂直分布規(guī)律(圖1)。試驗各處理，以微生物菌肥添加處理顯著改變了土壤pH。0～5 cm土層CD處理pH最低，顯著低于G，W和CK處理(P<0.05)，但同EM和NF處理差異不顯著(P>0.05)；5～10 cm土層CD處理pH最低，顯著低于其他所有處理(P<0.05)，而CK、W、G、EM、NF處理之間差異不顯著(P>0.05)。10～20 cm pH在處理之間差異不顯著(P>0.05)。

2.2 不同處理對土壤硝態(tài)氮和氨態(tài)氮含量的影響

劃破草皮、微生物菌肥添加和水分添加試驗明顯改變了土壤中硝態(tài)氮含量。0～5 cm土層中硝態(tài)氮含量最高值出現(xiàn)在EM處理，顯著高于其他處理和空白(P<0.05)；最低值出現(xiàn)CK，其含量同NF和CD處理差異不顯著(P>0.05)，但顯著低于W，G和EM處理(P<0.05)。5～10 cm土層硝態(tài)氮含量在各處理之間差異不顯著(P>0.05)。10～20 cm土層硝態(tài)氮含量最高出現(xiàn)在G處理，顯著高于NF和CD處理(P<0.05)，但同其他處理差異不顯著(圖2)。

圖1 不同處理下退化高寒小嵩草草甸土壤速效鉀、速效磷含量及pHFig.1 variability of available phosphorus,available potassium and pH value in meadow soil under different treatments

劃破草皮、微生物菌肥添加和水分添加試驗明顯改變了土壤中氨態(tài)氮含量。0～5 cm土層氨態(tài)氮含量最高值出現(xiàn)在CD處理，其含量顯著高于NF和G處理(P<0.05)，同其他處理之間差異不顯著(P>0.05)。5～10 cm土層氨態(tài)氮含量最高值出現(xiàn)在W處理，顯著高于CK和NF處理(P<0.05)，但同其他處理之間差異不顯著(P>0.05)；最低值出現(xiàn)在NF處理，顯著低于W、G和CD處理(P<0.05)。10～20 cm土層氨態(tài)氮含量最高值出現(xiàn)在CK處理，顯著高于NF處理(P<0.05)，同其他處理之間差異不顯著(P>0.05)；最低值出現(xiàn)在NF處理，它顯著低于CK處理(P<0.05)，但同其他處理差異不顯著(P>0.05)(圖2)。

劃破草皮、微生物菌肥添加和水分添加明顯改變了土壤中速效氮(氨態(tài)氮和硝態(tài)氮之和)含量特征。0～5 cm土層速效氮含量最大值出現(xiàn)在EM處理，顯著高于NF處理(P<0.05)，與其他處理差異不顯著；最低值出現(xiàn)在NF處理(P>0.05)，其含量顯著低于EM處理(P<0.05)，與其他處理差異不顯著(P>0.05)。5～10 cm土層速效氮含量最大值出現(xiàn)在G處理，G處理與W處理差異不顯著(P>0.05)，顯著高于NF處理(P<0.05)；速效氮含量最低值出現(xiàn)在NF處理。10～20 cm土層各處理速效氮含量之間差異不顯著(P>0.05)(圖2)。

圖2 不同處理下土壤速效氮含量Fig.2 variability of available nitrogen in meadow soil under different treatments

3 討論

高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)地理環(huán)境特殊、氣候條件惡劣、植物群落多以短根莖莎草科植物為優(yōu)勢種，土壤中形成了一定程度的厭氧環(huán)境，造就了高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的特殊結(jié)構(gòu)——草氈表層，它是由不同年齡的活根和保持原狀的死根交織磐結(jié)而成草氈狀復合體，是高寒嵩草草甸獨有的診斷層，是土壤有機物質(zhì)大量積存的植氈層和高寒草地植物根系的集結(jié)層次，由于該層次根系量約占土壤剖面植物根系總量的65%，土壤有機質(zhì)含量高達10%，是土壤中緩效營養(yǎng)庫的重要分布區(qū)[19，20]。一定厚度的草氈表層可以抵抗一定強度的放牧壓力[21]、固持一定量的土壤養(yǎng)分，對高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)意義重大。而過厚的草氈表層則將加劇草地的厭氧環(huán)境，增加植物-土壤養(yǎng)分之間的供求失衡，嚴重阻礙植物的生長，加速草地的退化[22]。微生物菌肥的添加對其增加土壤中有益微生物含量，增加土壤中速效養(yǎng)分含量，促進植物生長，加速植被恢復具有一定的促進作用[23]。

試驗選用的微生物菌肥有3種，分別為以纖維素分解菌為主的發(fā)酵菌肥、以固氮菌為主的固氮菌肥以及以纖維素分解菌、光合細菌等多種菌種復合而成的EM混合菌肥。研究發(fā)現(xiàn)，不同種類的微生物菌肥對土壤不同速效養(yǎng)分的影響不同。首先微生物菌肥的使用并沒有改變速效養(yǎng)分在土壤剖面中的垂直分布規(guī)律，與植物生長密切相關(guān)的土壤速效磷、速效鉀、硝態(tài)氮和氨態(tài)氮含量仍然表現(xiàn)為自表層向下逐漸降低，pH逐漸升高。使用草氈表層破解方法+微生物菌肥也沒有明顯改變土壤中速效磷和速效鉀的含量。對土壤速效養(yǎng)分的改變主要表現(xiàn)在速效氮上，首先劃破草皮+微生物菌肥(混合菌)能夠明顯提高表層土壤中硝態(tài)氮的含量，而單純劃破草皮能夠明顯提高底層土壤硝態(tài)氮的含量，這可能是因為硝態(tài)氮是帶負電荷的無機氮，在土壤中的流動性高于氨態(tài)氮，當以水為媒介配以劃破草皮處理，可以增加土壤中較深土層的速效氮含量水平?；旌暇谔岣咄寥乐械睾恐斜憩F(xiàn)較為突出的原因是，混合菌肥微生物成分多種，其中的有一部分分解草氈表層中大量聚集的死亡根系，使得緩效養(yǎng)分庫(有機質(zhì))產(chǎn)生一部分氮素被根系截留在土壤表層，而一部分被沖刷到了較低的土壤層次。纖維素分解菌加入土壤中對有效提高表層土壤NH4+的含量具有重要意義，纖維素分解菌可以利用土壤中大量死亡根系作為碳源，加速土壤中死亡根系的腐解過程，同時產(chǎn)生大量的速效養(yǎng)分，其中氨態(tài)氮是易被帶負電荷的土壤膠體而固定的速效氮，因此，纖維素分解菌的使用，在某種程度上可以改善表層土壤中的速效氮素含量[24]。對于土壤中無機氮總體含量而言，EM菌肥和纖維素分解菌肥在劃破草皮條件下可以明顯提高土壤中速效氮含量，尤其是在表層土壤中。

不同微生物菌肥由于對土壤養(yǎng)分改善的機制不同，導致其對土壤速效養(yǎng)分含量的改變程度的作用層次有所不同。微生物對土壤中全量養(yǎng)分的分解一部分可以被截留在表層土壤，而另一部分可以同水分運移轉(zhuǎn)移到更深層次的土壤中。試驗選取的微生物菌肥，EM菌肥和纖維素分解對高寒草甸提高草氈表層土壤速效養(yǎng)分尤其是速效氮含量的提高具有積極作用。但這種作用比較微弱，主要原因是目前市場中常用的微生物菌肥一般應用于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，其定植環(huán)境優(yōu)越于高寒草地生態(tài)系統(tǒng)，而高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的低溫和高紫外線在一定程度上限制了微生物菌肥活性和改善土壤養(yǎng)分狀況的能力，因此，分離適應高寒草甸這種較為惡劣環(huán)境的微生物菌株成為利用微生物菌肥改良高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分含量和結(jié)構(gòu)的首要前提。

[1] 梁如玉,傅淡如,李登煜.水稻施用幾種菌肥的根際效應和增產(chǎn)效果[J].土壤肥料,1994(3):31-33.

[2] 朱永光,楊柳,張火云,等.微生物菌劑的研究與開發(fā)現(xiàn)狀[J].四川環(huán)境,2004,23(3):5-8.

[3] 吳建峰,林先貴.我國微生物肥料研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].土壤,2002(2):68-72.

[4] 楊玉新,王純立,謝志剛,等.微生物肥對土壤微生物種群數(shù)量的影響[J].新疆農(nóng)業(yè)科學,2008,45(1):169-171．

[5] Vassilis Z,Anotnopoulos.Comparison of different models to simulate soil temperature and moisture effect on nitrogen mineralization in the soil[J].J Plant Nutrand Soil Sci,1999,162:667-675.

[6] Stevenson F J,Cole M A.Cycles of soil:carbon nitrogen phosphorus sulfur micronutrients[M].New York:John Wiley,1999：1-178.

[7] 李菊梅,王朝輝,李生秀.有機質(zhì)、全氮和可礦化氮在反映土壤供氮能力方面的意義[J].土壤學報,2003,40(2):232-239.

[8] 黃耀,劉世梁,沈其榮,等.環(huán)境因子對土壤有機碳分解的影響[J].應用生態(tài)學報,2002,13(6):709-714.

[9] Susan B.Cellulose degradation in anaerobic environments[J].Annu Rev Microbiol,1995,49:399-426.

[10] 周才平,歐陽華.溫度和濕度對暖溫帶落葉闊葉林土壤氮礦化的影響[J].植物生態(tài)學報,2001,25(2):204-209.

[11] 巨曉棠,李生秀.土壤氮素礦化的溫度水分效應[J].植物營養(yǎng)和肥料學報,1998,4(1):37-42.

[12] 王巖,沈其榮,史瑞和,等.有機無機肥料施用后土壤生物量C、N、P的變化及氮素轉(zhuǎn)化[J].土壤學報,1998,35(2):227-234.

[13] Kirchner M J,Wollum A G,King L D.Soil microbial populations and activities input agroecosystems[J].Soil Science Society of America Journal,1993,57(5):29-295.

[14] Agren G I,Bosatta E.Theoretical analysis of the long-term dynamics of carbon and nitrogen in soil[J].Ecology,1987,68:1181-1189.

[15] 林麗,曹廣民,李以康,等.人類活動對青藏高原高寒矮嵩草草甸碳過程的影響[J].生態(tài)學報,2010,30(15):4012-4018.

[16] 楊青，何貴永，孫浩智，等.青藏高原高寒草甸土壤理化性質(zhì)及微生物量對放牧強度的響應[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學學報，2013，48(4)：76-81.

[17] 王啟蘭,曹廣民,王長庭.放牧對小嵩草草甸土壤酶活性及土壤環(huán)境因素的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學報,2007,13(5):856-864.

[18] 劉光崧.土壤理化分析與剖面描述[M].北京:中國標準出版社,1996.

[19] 鮑新奎,高以信.中國土壤系統(tǒng)分類新論(草氈表層主要特征及鑒別指標)[M].北京：科學出版社,1994:302-309.

[20] 王國榮,陳秀蓉,韓玉竹,等.東祁連山高寒灌叢土壤微生物的分布特征[J].草原與草坪,2006(3):27-34.

[21] 林慧龍,侯扶江,李飛.家畜踐踏對環(huán)縣草原地下生物量的影響[J].草業(yè)學報,2008,16(2):186-190.

[22] 李以康,林麗,張法偉,等.嵩草草甸退化和恢復過程中主要牧草演替和地表特征變化[J].草業(yè)學報,2010,19(5):179-185.

[23] 馬麗萍,張德罡,姚拓.高寒草地不同擾動生境纖維素分解菌數(shù)量動態(tài)研究[J].草原與草坪,2009(1):29-33.

[24] 談嫣蓉,蒲小鵬,張德罡,等.不同退化程度高寒草地土壤酶活性的研究[J].草原與草坪,2006(3):20-22.

Soil nutrient variation at using microbial fertilizer on alpine meadow in Qing-Tibet plateau

LIN Li1，2,ZHANG Deng-gang1,CAO Guang-min2,OUYANG Jing-zheng2,LIU Shu-li2,ZHANG Fa-wei2,LI Yi-kang2,GUO Xiao-wei2

(1.PrataculturalCollegeofGansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,730070,China；2.NorthwestInstituteofPlateauBiology,ChineseAcademyofScience,Xining,810008,China)

Utilizing cellulose decomposition,nitrogen fixation and EM microbial fertilizer and other alpine meadow soil improvement methods such as water addition and cut the mattic epipedon to investigate how the degradation alpine meadow soil nutrient dealt with those improvements,the results showed that: microbial fertilizer and other alpine meadow soil nutrients improvements methods did no effects on ameliorating available phosphorus,available potassium and pH value condition in 0～20 cm soil layer.While there were some effects on available nitrogen.EM microbial fertilizer + cut mattic epipedon treatment could enhance the nitrate content,cellulose decomposition microbial fertilizer + cut mattic epipedon treatment could increase the ammonia content in 0～5 cm soil layer.And cellulose decomposition microbial fertilizer + cut mattic epipedon treatment and EM microbial fertilizer + cut mattic epipedon treatment could raise the available nitrogen including the sum of ammonia and nitrate content.And cut mattic epipedon treate could not enhance the nitrogen in the 0～20 cm soil layer,but could chang the distribution on different soil layer.So using microbial fertilizer on soil and using the cut mattic epipedon method could improve the degradation alpine soil nutrient,but the effects were so little,maybe it was decreased the active of the microbial fertilizer in alpine meadow environment,because the environment was so bad,and the most of microbial could not live in those environment.So in the next research,to choose the microbial fertilizer which can adapt alpine meadow environment is the most important study both in improving soil nutrient condition,and in restoring the degradation alpine meadows.

degraded grassland improvement；mattic epipedon ameliorate；soil available nutrients；microbial fertilizer

2015-01-12；

2015-03-16

青海省2013基本科技計劃項目(2013-N-540)；國家自然科學基金面上項目(31270576)；國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(210203006)；國家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學家基金項目(CAR35)資助

林麗(1980-)，女，遼寧撫順人，工程師，博士生。 E-mail：hanxiao_2000_00@126.com 張德罡為通訊作者。

S 812；S 144

A

1009-5500(2015)04-0012-05