黑土長期定位試驗原狀土搬遷對土壤微生物性質的影響

遲鳳琴，劉晶鑫，匡恩俊，張久明，宿慶瑞，周寶庫

黑土長期定位試驗原狀土搬遷對土壤微生物性質的影響

遲鳳琴，劉晶鑫，匡恩俊，張久明，宿慶瑞，周寶庫

（黑龍江省農業(yè)科學院土壤肥料與環(huán)境資源研究所，黑龍江省土壤環(huán)境與植物營養(yǎng)重點實驗室，哈爾濱150086）

通過測定黑土長期定位試驗原狀土整體搬遷前后四種處理（CK、NPK、M、MNPK）土壤可培養(yǎng)微生物數量、土壤微生物量含量及土壤酶活性變化，探討搬遷的特定條件對土壤微生物性質的影響。結果表明，①搬遷前后5年各處理三大類微生物數量、微生物量碳、氮含量和四種土壤酶活性在0～20 cm土層中均高于20～40 cm土層；②每年在兩個土層中MNPK處理的三大類微生物數量和微生物量碳、氮含量均最高，CK處理均最低，而每年在兩個土層中土壤過氧化氫酶和轉化酶活性CK和M處理均明顯高于NPK和MNPK處理，而磷酸酶活性CK和M處理則低于NPK和MNPK處理，脲酶活性在4個處理中差異不大；③比較搬遷前后5年間各項微生物指標變化發(fā)現，各項指標年際間雖存在變化但程度不大，搬遷后2011年和2012年相對較高，同為小麥茬的搬遷前2010年和搬遷后2013年各項指標較為接近。研究說明，土壤深度和施肥對土壤各項生物指標影響較大，年際間變化也受到輪作方式的影響，搬遷對土壤微生物擾動影響遠小于施肥和耕作方式等的影響。

黑土；原狀土搬遷；土壤微生物區(qū)系；土壤微生物量；土壤酶

土壤微生物是構成土壤及整個生態(tài)系統的重要組成部分，在土壤有機物質轉化與養(yǎng)分循環(huán)中起重要作用[1]。同時，土壤微生物對所在微環(huán)境敏感，可對土壤生態(tài)機制變化和環(huán)境脅迫作出反應，導致群落結構發(fā)生改變[2]。影響土壤微生物群落結構組成的因素可大體分為自然因素和人為因素。自然因素包括土壤類型、植被類型、氣候類型等；人為因素包括土壤管理措施、農藥施用、施肥等。施肥是影響土壤質量及其可持續(xù)利用最深刻的農業(yè)措施之一[3]。施肥主要通過提高農作物生物產量，增加土壤中作物殘茬和根等有機質輸入，影響土壤微生物生物量、土壤酶活性，影響土壤養(yǎng)分轉化和肥力[4]。土壤微生物量被認為是土壤活性養(yǎng)分的儲存庫，植物生長可利用養(yǎng)分的重要來源[5]。作為評價土壤質量的重要指標，微生物生物量對環(huán)境條件敏感，環(huán)境條件、施肥以及耕作、栽培等技術措施都會影響土壤微生物量碳、氮含量[6-7]。土壤酶是由微生物、動植物活體分泌及動植物殘骸分解釋放于土壤中具有催化能力的生物活性物質[8]，可促進土壤代謝作用，使土壤養(yǎng)分形態(tài)發(fā)生變化，提高土壤肥力，改善土壤性質[9]。

本文以黑龍江省農業(yè)科學院土壤肥料與環(huán)境資源研究所持續(xù)32年的黑土長期定位試驗原狀土整體搬遷土壤為基礎進行研究，分析搬遷前后特定環(huán)境之下，土壤可培養(yǎng)微生物數量、微生物量和酶活性的變化。在理論上可以豐富土壤環(huán)境變化對土壤微生物種群、數量及生物量的影響程度及趨勢，在實踐上可為長期定位試驗搬遷方法的建立、搬遷的科學評價及其土壤持續(xù)利用管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤及試驗設計

原狀土搬遷試驗：試驗區(qū)位于農業(yè)部哈爾濱黑土生態(tài)環(huán)境重點野外科學觀測試驗站，該試驗站始建于1979年，按小麥-大豆-玉米順序進行輪作，黑土肥力長期定位試驗到2010年為止已進行32年。由于城市化進程不斷推進，按照哈爾濱市總體規(guī)劃，為保護長期定位試驗資源，以保持試驗數據完整性和連續(xù)性，觀測試驗站進行搬遷。搬遷新址哈爾濱市民主鄉(xiāng)黑龍江省現代農業(yè)園區(qū)，其氣候條件、成土母質、地下水位、土壤理化性質與原址基本一致，直線距離約40 km，適合作為試驗站新址。為保證最大程度保持土壤原貌和原結構不被破壞，黑土肥力長期定位監(jiān)測試驗采用原狀土凍土整體搬遷方法，選擇在冬季-15℃以下，把土壤分成若干個土方（1×1×1.1=1.1 m3），對土方進行編碼，通過專用車輛運輸，到達目的地后按照對應位置放置，實現無縫對接歸位，最大限度復原土壤特性。

試驗選取其中四種典型施肥處理，分別為對照不施肥處理（CK）、施用化肥氮磷鉀處理（NPK）、施用有機肥馬糞處理（M）、有機肥馬糞與無機肥氮磷鉀混合施用處理（MNPK）?；瘜W氮、磷、鉀肥分別為尿素、過磷酸鈣、硫酸鉀，氮、磷、鉀肥施用量在大豆茬分別為（N）75 kg·hm-2、（P2O5）150 kg·hm-2、（K2O）75 kg·hm-2，在小麥和玉米茬施用量分別為（N）150 kg·hm-2、（P2O5）75 kg·hm-2、（K2O）75 kg·hm-2，有機肥為純馬糞，每輪作周期施1次，施于玉米茬，施馬糞18 750 kg·hm-2。

樣品采集于搬遷前（2010年11月）和搬遷后（2011～2014年11月），用不銹鋼土鉆采集0～20 cm，20～40 cm土層，進行土壤微生物性質變化的室內測定。

1.2 測定方法

土壤微生物三大菌群數量采用平板菌落計數法測定[10]；土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸浸提法[11-12]；過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法，脲酶采用苯酚-次氯酸鈉比色法（靛酚藍比色法），轉化酶（蔗糖酶）采用3、5-二硝基水楊酸比色法，磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法[8]。

1.3 數據分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0軟件對數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 搬遷前和搬遷后土壤可培養(yǎng)微生物數量變化

如圖1所示，搬遷前后5年中各處理土壤可培養(yǎng)細菌和真菌0～20 cm土層數量均明顯高于20～40 cm土層，放線菌0～20 cm土層數量雖高于20～40 cm土層，但細菌和真菌差異不明顯。同時，每年在兩個土層中施肥各處理的土壤細菌、真菌和放線菌數量與不施肥對照相比均有所增加，其中MNPK處理的細菌、真菌和放線菌數量均最高。另外比較各處理搬遷前后5年間土壤細菌、真菌和放線菌數量變化規(guī)律可知，在搬遷后2011年、2012年和2014年各處理在兩個土層中細菌、真菌和放線菌數量均較其他兩年份高，其中同為大豆茬的2011年和2014年數量較為接近，同為小麥茬的搬遷前2010年和搬遷后2013年三大類微生物數量較為接近。結果表明，土壤深度和施肥對土壤中可培養(yǎng)微生物數量影響較大，輪作周期影響次之。

2.2 搬遷前和搬遷后土壤微生物量變化

結果見圖2。

圖1 搬遷前后5年土壤可培養(yǎng)微生物數量變化Fig.1Changes of soil culturable microorganism amount in the five years before and after the move

圖2 搬遷前后5年土壤微生物量碳、氮變化Fig.2Changes of soil microbial biomass carbon and nitrogen content in the five years before and after the move

由圖2可知，搬遷前后5年中各處理土壤微生物量碳、氮0～20 cm土層含量均高于20～40 cm土層。同時，每年在兩個土層中各處理土壤微生物量碳、氮變化規(guī)律除搬遷后2011年0～20 cm土層中MNPK處理微生物量氮含量較低外，幾乎都呈現MNPK＞M＞NPK＞CK趨勢，其中在20～40 cm土層微生物量碳M和MNPK處理含量較為接近。另外，比較各處理搬遷前后5年間微生物量碳、氮含量變化規(guī)律可知，除搬遷后2013年0～20 cm土層CK處理微生物量碳含量較高外，同為小麥茬的搬遷前2010年和搬遷后2013年各處理兩個土層生物量碳、氮含量較為接近，并且搬遷后2011年和2012年各處理兩個土層微生物量碳、氮含量均高于其他3年。結果表明，土壤深度和施肥對土壤微生物量影響較大，輪作周期影響次之。

2.3 搬遷前和搬遷后土壤酶活性變化

如圖3所示，各處理土壤過氧化氫酶、脲酶、轉化酶和磷酸酶0～20 cm土層活性均高于20～40 cm土層。同時，搬遷前后5年兩個土層土壤過氧化氫酶和轉化酶活性CK和M處理均明顯高于NPK和MNPK處理，而磷酸酶活性CK和M處理則低于NPK和MNPK處理，另外，除搬遷前2010年20～40 cm土層NPK和MNPK處理脲酶活性較低外，其他各處理脲酶活性變化均不明顯。比較搬遷前后5年間土壤過氧化氫酶、脲酶、轉化酶和磷酸酶活性變化可知，4種土壤酶活性在5年間差異并不顯著，其中同為大豆茬的搬遷后2011年和2014年兩個土層各處理過氧化氫酶和脲酶活性變化規(guī)律較為相似，同為小麥茬的搬遷前2010年和搬遷后2013年0～20 cm土層各處理轉化酶和磷酸酶活性較為相似，而20～40 cm土層搬遷前2010年各處理轉化酶和磷酸酶活性均高于搬遷后2013年。結果表明，土壤深度、施肥和輪作均對土壤過氧化氫酶、脲酶、轉化酶和磷酸酶活性產生影響，但搬遷對土壤中4種酶活性的影響較小。

圖3 搬遷前后5年土壤酶活性變化Fig.3Changes of soil enzyme activities in the five years before and after the move

3 討論與結論

張崇邦等對天臺山8種林型土壤環(huán)境微生物區(qū)系研究表明，從土壤細菌、真菌和放線菌占微生物總量比例看，細菌數量最多，放線菌居中，真菌較少[13]，這與本研究結果一致。本研究結果表明，各處理土壤可培養(yǎng)細菌、真菌和放線菌0～20 cm土層數量高于20～40 cm土層，這可能是由于所施肥料主要集中在0～20 cm土層，作物生長及環(huán)境變化對肥料提供的養(yǎng)分大量消耗，導致各施肥處理對20～40 cm土層提供養(yǎng)分較少。由于不同土壤中養(yǎng)分豐缺程度各不相同，因此，土壤肥力水平對微生物影響復雜[14]。施用有機肥對土壤微生物活性、組成和數量有重要影響，能顯著提高各類微生物數量[15]，這與本研究發(fā)現的搬遷前后5年兩個土層中MNPK處理的細菌、真菌和放線菌數量均最高，CK處理均最低的結果相符合。另外，比較搬遷前后5年間三大類微生物數量變化可知，在搬遷后2011年、2012年和2014年各處理兩個土層細菌、真菌和放線菌數量均較其他兩年高，其中同為大豆茬的2011年和2014年數量較為接近，并且同為小麥茬的搬遷前2010年和搬遷后2013年三大類微生物數量也較為接近，這與本研究供試土壤為小麥-大豆-玉米輪作有直接關系。植被通過影響土壤含水量、溫度、通氣性、pH及有機碳和氮水平而影響土壤微生物區(qū)系[16]。

土壤微生物量作為土壤肥力指標與微生物個體數量指標相比更能反映微生物在土壤中實際含量和作用潛力，靈敏性、準確性強[17-18]。本研究結果表明，各處理土壤微生物量碳、氮0～20 cm土層含量高于20～40 cm土層，這與三大類微生物數量的規(guī)律一致。本研究表明，搬遷前后5年兩個土層中各處理土壤微生物量碳、氮的變化規(guī)律幾乎呈現MNPK＞M＞NPK＞CK趨勢，這與焦曉光等研究發(fā)現化肥配施有機肥的施肥方式可以顯著增加土壤微生物量碳、氮含量結果一致[19]。另外，比較搬遷前后5年間土壤微生物量碳、氮變化可知，搬遷后2011年和2012年各處理兩個土層微生物量碳、氮含量均高于其他3年，其中搬遷后2011年為大豆收獲后土壤樣品。Melero等研究表明，輪作中含有豆科作物時，土壤微生物量碳含量顯著增加，主要是由于豆科作物刺激土壤中微生物繁殖[20]。同為小麥茬搬遷前2010年和搬遷后2013年各處理兩個土層微生物量碳、氮含量較為接近，這與三大類微生物數量變化規(guī)律一致。

土壤酶是土壤中活躍的有機成分之一，在土壤養(yǎng)分循環(huán)及植物生長所需養(yǎng)分的供給過程中起重要作用[21]。本研究結果表明，各處理土壤過氧化氫酶、脲酶、轉化酶和磷酸酶0～20 cm土層活性均高于20～40 cm土層，這與土壤微生物數量和微生物量變化規(guī)律一致。本研究表明，搬遷前后5年兩個土層土壤過氧化氫酶和轉化酶活性CK和M處理均明顯高于NPK和MNPK處理，而磷酸酶活性CK和M處理則低于NPK和MNPK處理，脲酶活性4個處理中差異小。王光華等研究發(fā)現，單施化肥處理在玉米生育后期較未施肥和休閑裸地處理對土壤轉化酶和過氧化氫酶具有抑制作用[22]。焦曉光等研究發(fā)現MNPK處理的土壤磷酸酶活性比CK處理顯著增高，NPK、M處理間土壤磷酸酶活性相當，但是均大于CK處理，與本研究結果一致[9]。另外，比較搬遷前后5年間土壤過氧化氫酶、脲酶、轉化酶和磷酸酶活性變化可知，4種土壤酶活性5年間差異不顯著，其中同為大豆茬的搬遷后2011年和2014年兩個土層各處理過氧化氫酶和脲酶活性變化規(guī)律較為相似，同為小麥茬的搬遷前2010年和搬遷后2013年0～20 cm土層各處理轉化酶和磷酸酶活性較為相似，這一結果與本研究供試土壤為小麥-大豆-玉米輪作有直接關系，2010年和2013年均為小麥收獲后土壤，2011年和2014年均為大豆收獲后土壤，變化規(guī)律可能受到作物根際影響。

本研究發(fā)現，土壤深度和施肥對土壤中各項生物指標影響較大，年際間變化也受到輪作方式影響，但各處理變化規(guī)律較好。因此搬遷對土壤微生物的擾動影響小于施肥和耕作方式等影響。試驗將進一步利用分子試驗研究搬遷對土壤中微生物的細微影響，以期為長期定位試驗原狀土搬遷的持續(xù)利用管理提供科學依據。

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CHI Fengqin,LIU Jingxin,KUANG Enjun,ZHANG Jiuming,SU Qingrui, ZHOU Baoku(Soil and Fertilizer and Environmental Resources Institute,Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences;Laboratory of Soil Environment and Plant Nutrition,Heilongjiang Province, Harbin 150086,China)

In this study,we examined the changes in soil culturable microbial amount,soil microbial biomass content and soil enzyme activity in two soil layers(0-20 cm,20-40 cm)with four treatments(CK, NPK,M,MNPK)in the before and after the black soil long-term test undisturbed soil moving,discussed the influences of the moving on soil microbial properties.The results showed that∶①In five years before and after the move,three categories of microorganism amount,microbial biomass C,N content and four kinds of soil enzyme activities of all the treatments in 0-20 cm soil layer were higher than those in 20-40 cm soil layer.②In five years before and after the move,three categories of microorganism amount and microbial biomass C,N content of MNPK treatments were the highest in both soil layers,those of CK treatments were the lowest,and catalase and invertase activity of NPK and MNPK treatments were significantly lower than thoseof CK and M treatments in both soil layers,while phosphatase activity of NPK and MNPK treatments were higher than those of CK and M treatments,urease activity in the four treatments had little difference.③Comparing the changes of the microbial indicators in five years before and after the move,found that interannual changes of the microbial indicators were not large,the microbial indicators of after moving 2011 and 2012 were relatively high,and the microbial indicators of before moving 2010 and after moving 2013 as wheat stubble were similar.Based on the above results showed that,the influences of soil depth and fertilization on the microbial indicators were larger,and the influences of the interannual changes by the rotation systems,so the disturbance influences of the moving on soil microorganism were far less than the influences of fertilization,farming methods and so on.

black soil;undisturbed soil moving;soil microflora;soil microbial biomass;soil enzyme

S153.61

A

1005-9369（2015）07-0028-07

時間2015-7-9 14:42:47[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150709.1442.012.html

2015-03-31

國家自然科學基金項目（41171244）；公益性行業(yè)農業(yè)科研專項（201303126）；黑龍江省青年基金項目（QC2014C042）；國家科技支撐計劃（2013BAD07B01）；國家國際科技合作專項（2014DFA31820）

遲鳳琴（1963-），女，研究員，博士，研究方向為土壤肥力。E-mail:fqchi2013@163.com

遲鳳琴,劉晶鑫,匡恩俊,等.黑土長期定位試驗原狀土搬遷對土壤微生物性質的影響[J].東北農業(yè)大學學報,2015,46(7)∶28-34. Chi Fengqin,Liu Jingxin,Kuang Enjun,et al.Effect of black soil long-term test undisturbed soil moved on soil microbial properties[J].Journal of Northeast Agricultural University,2015,46(7)∶28-34.(in Chinese with English abstract)

Effect of black soil long-term test undisturbed soil moved on soil microbial properties