加氣灌溉對土壤中主要微生物數(shù)量的影響

朱 艷，蔡煥杰，陳 慧，徐家屯，王云霏(西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

與漫灌、溝灌、噴灌、地面滴灌等灌水方法相比，地下滴灌技術(shù)能更好地提高灌溉水分利用效率，且能減小對環(huán)境的不利影響[1]。地下滴灌使表層土壤的蒸發(fā)減小，水分流失因此可忽略[2,3]，而且滴頭附近的根部優(yōu)先生長，提高了作物的水分可利用性[4]。但是，長時間進行地下滴灌有可能會影響滴頭附近的土壤結(jié)構(gòu)和水力學特性[5,6]，進而限制作物根區(qū)氧氣擴散。而且在灌水期間，地下滴灌灌水器附近會形成一個持續(xù)的濕潤鋒，作物根區(qū)在灌水期間的一定時間內(nèi)維持在水分接近飽和的狀態(tài)，使得土壤缺氧。若是在排水條件比較差的土壤中，在灌水后的一定時間內(nèi)，水繼續(xù)代替空氣存在于土壤中，因此降低了土壤孔隙中氧氣的可利用性和移動性，更加加劇了作物根區(qū)土壤氧氣含量降低的趨勢[7]。

氧氣擴散速率(ODR)、水分含量和土壤強度是影響作物根部生長的最主要的土壤性質(zhì)。但是，灌水量過多，尤其是在重黏土中，根區(qū)生長很大程度上受限于氧氣擴散速率，而不是土壤水分和土壤強度[8]，地下滴灌灌水時產(chǎn)生的根區(qū)持續(xù)的濕潤鋒會限制根區(qū)氧氣擴散，使作物根區(qū)缺氧。作物根區(qū)需要充足的氧氣來進行根系呼吸和作物新陳代謝。缺氧引起根系呼吸降低進而導致蒸發(fā)蒸騰速率降低，無差別的離子流動增大，使鹽分進入作物最終嚴重限制作物生長[9]。

甚至是傳統(tǒng)的灌水方法，依土壤類型和排水特性，也會產(chǎn)生短暫或長期的土壤氧氣缺乏的現(xiàn)象。在亞熱帶地區(qū)，由降雨和灌溉來共同滿足水分需求，但是在廣泛種植甘澤、棉花等作物的重黏土中，因此在降雨較多的夏季，灌水有可能會影響到作物生長、降低產(chǎn)量[10]。

本文中的加氣灌溉是指在地下滴灌的基礎上，在灌溉水進入灌水毛管和滴頭之前，利用文丘里加氣設備將空氣吸入灌溉水中形成水氣混合液輸送到作物根區(qū)土壤。加氣灌溉允許在灌水時將空氣和水同時加入到作物根區(qū)，可以有效減弱地下滴灌造成的根區(qū)土壤氧氣缺乏帶來的不利影響，進而促進作物生長。

加氣灌溉對改善地下滴灌造成的缺氧的土壤環(huán)境有很好的改善作用，能夠有效地解決根區(qū)缺氧，進而促進作物生長，提高作物產(chǎn)量。因此探究加氣灌溉對根區(qū)土壤環(huán)境(土壤氧氣含量、土壤呼吸、土壤溫度、土壤水分、土壤微生物的數(shù)量和呼吸)、作物生長和產(chǎn)量的影響至關重要。

最近的一些研究結(jié)果已表明加氣灌溉能顯著提高作物根區(qū)土壤呼吸速率，促進作物的生長，有效提高作物產(chǎn)量和水分利用效率等，顯示出其在解決因灌水、土壤緊實等導致的根區(qū)缺氧問題方面的潛力[11-15]。

但是卻鮮有研究加氣灌溉對作物根區(qū)土壤中的微生物的影響。土壤中含有各種各樣的有機和無機營養(yǎng)物，它是微生物生長和繁殖的天然培養(yǎng)基。土壤的條件是十分復雜且多變的，土壤中的微生物種類是極其豐富的。但是土壤中的主要微生物包括土壤細菌、土壤真菌和土壤放線菌。加氣灌溉既然改變了土壤環(huán)境，那么加氣灌溉可能也會對土壤微生物產(chǎn)生影響且可能也可以通過研究土壤主要微生物的變化來研究加氣灌溉與地下滴灌的差異。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2013年8月-2014年1月在西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室(北緯34°20′，東經(jīng)108°24′，海拔高度為521 m)的日光溫室內(nèi)進行。溫室內(nèi)試驗區(qū)60 cm土層內(nèi)平均土壤干密度為1.40 g/cm3，田間持水量為23.8%。試驗番茄品種為金鵬10號，屬中早熟品種。株距30 cm，壟距為80 cm。壟與壟之間用埋深100 cm的塑料膜隔開，防止側(cè)滲。每一壟作為一個試驗小區(qū)。

1.2 試驗設計與方法

試驗中，Mazzei287型文丘里加氣設備安裝在灌水毛管的首端，在其兩側(cè)均裝有壓力表，進口壓力為0.1 MPa，出口壓力為0.02 MPa，由排氣法測得進氣量占灌溉水量的17%，灌溉毛管中多余的水可回流。滴頭埋深為15 cm，距離作物莖稈10 cm。

試驗中通過放置在番茄冠層20 cm處的E601標準蒸發(fā)皿測得的蒸發(fā)量控制灌水量，計算方程為公式(1)：

W=AEpankcp

(1)

式中：W為灌溉水量，L；A為單個灌水器控制的小區(qū)面積，m2。

本試驗中取0.12 m2(0.3 m×0.4 m)；Epan為兩次灌水時間間隔內(nèi)的蒸發(fā)量，mm；kcp為作物皿系數(shù)，本試驗中各生育期加氣處理取1.0，各灌水水平下加氣處理分別取為0.75,1.0,1.25(表1)。

灌水周期為2 d一次，在08∶00到12∶00之間進行，灌水量以每天早08∶00測定的蒸發(fā)量為標準。

試驗共8個處理，每個處理3個重復，所以共24個壟。試驗共分為兩部分。試驗設計方案(表1)如下。

表1 試驗設計方案Tab.1 The project of experiment design

注：√表示該生育期加氣。

一是：在番茄單一生育期加氣，分別為：苗期加氣處理O1，開花坐果期加氣處理O2，果實膨大期加氣處理O3，成熟期加氣處理O4，全生育期加氣處理O5，對照為全生育期不加氣處理CK，這6個處理灌水水平相同，均為kcp=1.0。二是：不同灌水水平下加氣，分別為：灌水處理W1，kcp=1.0；灌水處理W2，kcp=0.75；灌水處理W3，kcp=1.25。3個灌水水平均為全生育期加氣。具體生育期劃分為：開始時間為2013年8月22日，緩苗時間為7 d，苗期為8月30日-9月18日，開花坐果期為9月19日-10月15日，果實膨大期為10月16日-11月22日，成熟期為11月23日-2014年1月2日，結(jié)束時間為2014年1月2日。

1.3 試驗觀測內(nèi)容

采用稀釋平板計數(shù)法測定土壤中主要微生物的數(shù)量。其基本原理是土壤微生物經(jīng)分散處理成為單個細胞后，在特殊的培養(yǎng)基上生長并形成一個菌落，根據(jù)形成的菌落數(shù)來計算微生物的數(shù)量。本試驗中細菌、真菌和放線菌的測定方法參照尹曉霞等[16]。

每壟采用蛇形取樣法取土，每壟取5個點，每個點用土鉆取深度20 cm的土壤，去除掉表層5 cm的土壤，將5個點中取出的土混合均勻，剔除掉植株根系、石子、未溶解的肥料等雜物，裝入兩個自封袋中，放入4 ℃的冰箱中以待測量。每個處理共取6袋土，約在1～2 d進行測樣，避免長時間土樣污染變質(zhì)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS17.0統(tǒng)計軟件進行顯著性差異分析。用Sigmplot12.0繪圖分析。

2 結(jié)果與分析

由圖1可看出，在全生育期內(nèi)細菌菌落總數(shù)的變化不大。在苗期，O1和O5處理的細菌菌落總數(shù)較大，與其他處理存在顯著性差異(P<0.05)，而其他加氣處理與對照均較小，沒有顯著性差異。在開花坐果期，O2和O5處理細菌菌落總數(shù)較大，與其他處理間存在顯著性差異，而其他加氣處理與對照沒有顯著性差異。果實膨大期，O2、O3和O5處理細菌菌落總數(shù)較大，與其他處理存在顯著性差異，而其他加氣處理與對照間沒有顯著性差異。在成熟期，僅全生育期加氣處理最大與對照間存在顯著性差異，其他加氣處理與對照沒有顯著性差異。

圖1 不同生育期加氣處理土壤中細菌菌落數(shù)量Fig.1 Variations of soil bacterial under aerated irrigation at different growth stages of tomato

由此可知，除成熟期加氣處理外，在哪個生育期加氣則對應生育期的細菌菌落總數(shù)會有所增大。在苗期，苗期加氣處理的細菌菌落總數(shù)就較大。同理可知，在開花坐果期，開花坐果期加氣處理的細菌菌落總數(shù)較大；在果實膨大期，果實膨大期加氣處理的細菌菌落總數(shù)較大。而全生育期加氣處理，在番茄生長的全生育期內(nèi)細菌菌落總數(shù)均較高，均與不加氣處理存在顯著性差異。由相關數(shù)據(jù)算得，各生育期加氣處理在番茄生長的全生育期內(nèi)細菌菌落平均值為O5(0.439億cfu/g)>O2(0.372億cfu/g)>O1(0.360億cfu/g)>O3(0.357億cfu/g)>O4(0.341億cfu/g)>CK(0.311億cfu/g)。

由圖2可看出，番茄生長的全生育期內(nèi)對照處理的細菌菌落數(shù)均較小且除果實膨大期外，其他生育期均與中水和高水灌水水平下加氣處理間存在顯著性差異，與低水灌水水平下加氣處理間沒有顯著性差異。由相關數(shù)據(jù)算得，不同灌水水平下加氣處理土壤中細菌菌落數(shù)均值為W3(0.457億cfu/g)>W1(0.439億cfu/g)>W2(0.388億cfu/g)>CK(0.311億cfu/g)。

圖2 不同灌水水平下加氣處理土壤中細菌菌落數(shù)量Fig.2 Variations of soil bacterial under aerated irrigation at different irrigation levels

圖3 不同生育期加氣處理土壤中真菌菌落數(shù)Fig.3 Variations of soil fungi under aerated irrigation at different growth stages of tomato

在苗期，O1和O5處理間沒有顯著性差異且真菌菌落數(shù)均較高，而其他加氣處理與對照間沒有顯著性差異(圖3)。在開花坐果期，除O5處理與對照沒有顯著性差異，其他加氣處理與對照沒有顯著性差異，而其他各生育期加氣處理與全生育期加氣處理也沒有顯著性差異。在果實膨大期，除O3與O5處理沒有顯著性差異且均較大外，其他處理與O5處理均存在顯著性差異，且除O3、O5外其他加氣處理與對照沒有顯著性差異。在成熟期，O4和O5之間沒有顯著性差異且均較大，其他加氣處理與對照間沒有顯著性且均較小。

由圖3相關數(shù)據(jù)算得，不同生育期加氣處理全生育期真菌菌落數(shù)平均值為O5(2.318×102cfu/g)>O3(1.845×102cfu/g)>O1(1.779×102cfu/g)>O4(1.778×102cfu/g)>O2(1.762×102cfu/g)>CK(1.642×102cfu/g)，由此可知在各生育期加氣均能提高真菌菌落數(shù)。因此，由真菌菌落數(shù)的大小可以反映出在各生育期加氣均能改善到土壤通氣狀況。

由圖4可知，在番茄生長的各個生育期內(nèi)，高水水平下加氣處理與中水水平下加氣處理間沒有顯著性差異，而低水水平下加氣處理與對照間沒有顯著性差異，由圖4 相關數(shù)據(jù)算得，不同灌水水平下加氣處理全生育期內(nèi)真菌菌落數(shù)的平均值為W3(2.540×102cfu/g)>W1(2.318×102cfu/g)>W2(2.107×102cfu/g)>CK(1.642×102cfu/g)。由此也可看出，高水和中水水平下加氣處理土壤真菌數(shù)較大，而低水水平下和對照處理土壤真菌菌落數(shù)較小。

在番茄生長的全生育期內(nèi)各生育期加氣處理的放線菌菌落數(shù)基本上沒有顯著性差異(圖5)。由相關數(shù)據(jù)算得，各生育期加氣處理的放線菌菌落數(shù)平均值為O5(22.72 cfu/g)>O1(19.94 cfu/g)>O3(19.70 cfu /g)>O2(18.79 cfu /g)>O4(18.73 cfu/g)>CK(18.13 cfu/g)。由此也可看出，各生育期加氣處理下放線菌菌落數(shù)相比于對照會有所提高。全生育期加氣處理的放線菌菌落數(shù)最大，其次是苗期加氣處理、果實膨大期加氣處理和開花坐果期加氣處理。

在番茄生長的全生育期內(nèi)各生育期加氣處理的放線菌菌落數(shù)基本上沒有顯著性差異(圖5)。由相關數(shù)據(jù)算得，各生育期加氣處理的放線菌菌落數(shù)平均值為O5(22.72 cfu/g)>O1(19.94 cfu/g)>O3(19.70 cfu/g)>O2(18.79 cfu/g)>O4(18.73 cfu/g)>CK(18.13 cfu/g)。由此也可看出，各生育期加氣處理下放線菌菌落數(shù)相比于對照會有所提高。全生育期加氣處理的放線菌菌落數(shù)最大，其次是苗期加氣處理、果實膨大期加氣處理和開花坐果期加氣處理。

圖5 不同生育期加氣處理土壤中放線菌菌落數(shù)Fig.5 Variations of soil actinomycetes under aerated irrigation at different growth stages of tomato

在開花坐果期，W3和CK放線菌菌落數(shù)存在顯著性差異，而各水分水平下加氣處理間沒有顯著性差異，在果實膨大期，W2和W3與對照間存在顯著性差異(圖6)。在苗期和成熟期，各灌水水平下加氣處理與對照間沒有顯著性差異。由相關數(shù)據(jù)算得，不同灌水水平下加氣處理全生育期放線菌菌落數(shù)為W3(24.66 cfu/g)>W1(22.72 cfu/g)>W2(21.32 cfu/g)>CK(1.816×102cfu /g)。

圖6 不同灌水水平下加氣處理土壤中放線菌菌落數(shù)Fig.6 Variations of soil actinomycetes under aerated irrigation at different irrigation levels

3 討論與結(jié)論

土壤微生物包括原核微生物和真核生物，原核微生物主要包括細菌、藍細菌、放線菌及超顯微結(jié)構(gòu)微生物，真核生物主要包括真菌、藻類 (藍藻除外)、地衣等[17]。土壤微生物是土壤有機質(zhì)和土壤養(yǎng)分(C、N、 P等)的轉(zhuǎn)化和循環(huán)的主要推動力，土壤微生物也參與腐殖質(zhì)形成等生物化學過程。因此土壤微生物在土壤生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著非常重要的作用[18]。

土壤中 CO2濃度的升高會明顯增加植物根系生物量和根際沉積物，同時根系分泌物的化學組成也會受到影響，因此土壤的CO2濃度會進而影響到土壤微生物群落和微生物調(diào)控的多個土壤過程。土壤微生物在陸地生態(tài)系統(tǒng)的元素循環(huán)中起著基礎作用，因此當CO2的濃度升高時，土壤微生物在陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化中也發(fā)揮著作用[19]。因為加氣灌溉會影響土壤呼吸，即加氣灌溉會影響土壤中CO2的濃度和排放，因此加氣灌溉也有可能會影響到土壤微生物數(shù)量和土壤微生物的呼吸。

土壤中的三大菌類分別為細菌、真菌和放線菌。本文以不加氣灌溉為對照，主要研究了番茄不同生育期加氣灌溉和不同灌水水平下加氣灌溉對土壤中的這三大菌的數(shù)量的影響。

細菌是土壤微生物中數(shù)量最多的一個類群，占土壤微生物總數(shù)的70%到90%，土壤中的細菌菌落數(shù)約每克土壤中含為幾億到百億。本文中主要研究的是好氧性細菌，即只能在含氧環(huán)境中生存和繁殖的細菌，在缺氧環(huán)境中其生長和繁殖受到明顯的限制，則其菌落數(shù)量會明顯的下降。

由以上結(jié)果可知，與對照相比，全生育期加氣能夠明顯促進細菌的生長和繁殖，增加細菌菌落總數(shù)，其次是開花坐果期加氣處理和苗期加氣處理，這主要是因為秋冬茬隨著番茄的生長外界溫度在逐漸下降，而苗期還處于高溫階段，所以苗期加氣即保證了土壤中充足的氧氣含量，又保證了適宜微生物生長的溫度，因此苗期加氣細菌菌落數(shù)的平均值也較大，開花坐果期時雖然外界溫度有所下降，但是，開花坐果期卻是番茄生長的關鍵生育期，番茄的各類生命活動均較旺盛，因此土壤中細菌菌落數(shù)的均值也較高。

加氣處理下土壤中細菌菌落數(shù)較大主要是因為加氣處理向土壤中加入了空氣，有效改善了土壤通氣狀況，在水(kcp=1.0)和空氣(加氣)均充足的條件下，土壤微生物的活動便不再受限，因此土壤微生物的生存和繁殖活動均較旺盛，由此在氧氣充足的條件下，會有效促進細菌的生長和繁殖活動。

由研究結(jié)果可知，不加氣處理的細菌菌落數(shù)最低，加氣處理中隨著灌水水平的提高細菌菌落數(shù)也增大，這主要是因為加氣灌溉保證了良好的土壤環(huán)境，充足的氧氣含量下，隨著水分的增多，微生物活動也會變得更加旺盛，生長和繁殖條件也更加有利，因此細菌菌落數(shù)會隨著灌水量的增大而增大。

真菌在土壤中的數(shù)量比細菌少但是菌體遠比細菌大，因此真菌在生物量上占極其重要的地位。且絲狀真菌數(shù)量的多少可反映土壤肥力及土壤通氣狀況。研究結(jié)果表明，真菌菌落總數(shù)的變化與細菌菌落數(shù)的變化規(guī)律基本一致，即與對照相比，在哪個生育期加氣，對應生育期的真菌菌落數(shù)會明顯增大。這主要可能是因為加氣灌溉向土壤中輸入氧氣，明顯改善了土壤通氣狀況。而真菌數(shù)量的多少可以反映土壤通氣狀況，所以當土壤通氣狀況得到改善后真菌菌落數(shù)會明顯提高。因此當某生育期加氣時對應生育期的真菌菌落數(shù)會明顯增大。

理論上講，當土壤水分較多時，土壤氧氣含量會有所降低，當水分較多氧氣較少時土壤通氣性會明顯降低，土壤孔隙中被水充滿則土壤空氣的可利用性和可移動性會明顯降低。但是，加氣灌溉下，向土壤中輸水的同時也會向土壤中輸入空氣，就會有效地避免灌水過多降低土壤通氣性的問題。因此，在加氣灌溉下，高水水平和中水水平下真菌菌落數(shù)沒有低于對照和低水水平下加氣灌溉的真菌菌落數(shù)，而是與低水水平下加氣處理和對照處理存在顯著性差異，即W3和W1真菌菌落數(shù)明顯高于W2和對照。

放線菌在土壤中分布很廣，數(shù)量也僅次于細菌，通常放線菌數(shù)量是細菌數(shù)量的1%～10%，且放線菌生物量與細菌生物量接近。放線菌的數(shù)量大約為每克土壤中含10萬個以上，約占土壤微生物總數(shù)的5%～30%。放線菌的多少與土壤肥力、土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化和植物病害的防治有著密切的關系。全生育期加氣處理的放線菌菌落數(shù)最大，其次是苗期加氣處理、果實膨大期加氣處理和開花坐果期加氣處理。全生育期加氣處理真菌菌落數(shù)最高是因為加氣灌溉明顯改善了土壤環(huán)境，促進了土壤微生物活動。且放線菌菌落數(shù)隨著灌水水平的增大而增大。加氣灌溉下，土壤通氣狀況得到明顯的改善，那么隨著灌水水平的提高，促進了放線菌的生長和繁殖。因此相較于對照，加氣灌溉下放線菌菌落數(shù)有所提高。且加氣灌溉下適宜灌水水量下放線菌菌落數(shù)會進一步提高。而放線菌菌落數(shù)與土壤肥力和有機質(zhì)轉(zhuǎn)化相關，由此可知，加氣灌溉有可能會提高土壤肥力、促進有機質(zhì)轉(zhuǎn)化。

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