播量和行距對(duì)苜蓿根際土壤生物性質(zhì)的影響

南麗麗， 汪 堃， 李小彥， 趙克明

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730070；3. 甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730070； 4. 中美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心， 甘肅 蘭州 730070)

根際是受植物根系及其生長(zhǎng)活動(dòng)顯著影響的土壤微域環(huán)境，由于其特殊的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)，根際土壤環(huán)境影響著土壤微生物和酶活性。根際土壤微生物參與根際生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和循環(huán)，微生物群落的組成是衡量土壤性質(zhì)和功能的一個(gè)重要指標(biāo)[1]，在維持土壤健康方面扮演著重要的角色[2]。土壤酶活性對(duì)土壤碳氮的轉(zhuǎn)化、腐殖質(zhì)的合成與分解等發(fā)揮著重要的作用，并在一定程度上反映土壤生物學(xué)狀況，能敏感地指示土壤品質(zhì)的變化，可作為土壤肥力、土壤品質(zhì)及土壤健康的重要指標(biāo)[3]。土壤呼吸是土壤碳庫(kù)的主要輸出途徑，作為衡量土壤生物活性的指標(biāo)，一定程度上反映了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和供應(yīng)能力[4]。

有關(guān)播量和行距對(duì)苜蓿產(chǎn)量[5]、品質(zhì)[6-7]及苜蓿草地土壤微生物[8]、酶活性變化[9]的影響已有報(bào)道，不同種植密度對(duì)小麥根際土壤微生物數(shù)量及酶活性[10]的影響也已見(jiàn)報(bào)道，但關(guān)于不同播量和行距配置下苜蓿根際土壤微生物、酶活性的變化鮮見(jiàn)報(bào)道，而播量影響苜蓿群體大小，行距影響苜蓿群體均勻性，二者配置下苜蓿的群體數(shù)量、根量有明顯差異，便會(huì)直接影響根際周?chē)寥牢⑸锘顒?dòng)、根系分泌物及根系殘?bào)w。本研究采用田間小區(qū)試驗(yàn)，比較不同播量和行距配置對(duì)苜蓿根際土壤微生物(細(xì)菌、真菌、放線菌)、呼吸速率和酶活性(脲酶、堿性磷酸酶、脫氫酶)的影響以及它們之間的相關(guān)關(guān)系，旨在明確苜蓿與其根際土壤微生物和酶活性間的相互作用，為苜蓿生產(chǎn)實(shí)踐中選擇合理的栽培方式奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)武威黃羊鎮(zhèn)牧草試驗(yàn)站(37°55′ N，102°40′ E)地處河西走廊東端，屬大陸性氣候，農(nóng)業(yè)區(qū)劃為中溫帶荒漠灌區(qū)。冬春干旱，夏季酷熱，日照長(zhǎng)，降水少，蒸發(fā)量大。年均溫7.2℃，年降水量150 mm，分布很不均勻，生長(zhǎng)季節(jié)的前期降水一般偏少。年蒸發(fā)量2 019.9 mm，約為降水量的14倍。海拔1 530.88 m，無(wú)霜期154 d。土壤類(lèi)型為沙壤土，0～20 cm土層pH為8.70，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量分別為10.60，7.07 和3.32 g·kg-1，速效氮、磷、鉀含量分別為88.2，13.24和119.95 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試苜蓿為甘農(nóng)3號(hào)紫花苜蓿(M.sativaL.‘Gannong No.3’)。試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主區(qū)設(shè)4個(gè)播量，分別為12.0，16.0，20.0，24.0 kg·hm-2；副區(qū)為行距，分別為10，15，20 cm，共12個(gè)處理，重復(fù)3次，小區(qū)面積4 m×5 m，小區(qū)間距為40 cm。2014年7月15日人工開(kāi)溝條播，播深2 cm。播前澆一次底墑水，施磷酸二胺400 kg·hm-2作為基肥。生長(zhǎng)期間，每茬苜蓿測(cè)產(chǎn)后進(jìn)行灌溉。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

于2015年4月25日、7月25日、10月25日，在各小區(qū)選取10株植株，將0～20 cm、20～40 cm土層根系挖出，抖掉根系外圍土，取緊貼在根表附近的土樣，混合后作為根際土，土樣使用前過(guò)2 mm篩。

土壤微生物數(shù)量采用平板涂布計(jì)數(shù)，細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基[11]，放線菌采用改良高氏1號(hào)培養(yǎng)基[12]，真菌采用馬丁孟加拉紅培養(yǎng)基[11]，結(jié)果以每克干土所含數(shù)量表示。土壤脲酶采用靛酚藍(lán)比色法[13]，以24 h后1 g土壤中NH3-N質(zhì)量(mg)表示；堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉(用硼酸緩沖液)比色法[13]，以24 h后1 g土壤中釋放出的酚質(zhì)量(mg)表示；脫氫酶采用氯化三苯基四氮唑(TTC)比色法，用培養(yǎng)24 h后1g土壤中生成的TTC質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)表示(mg)[13]。土壤呼吸速率采用LICOR-6400便攜式光合作用儀連接6400-09土壤葉室測(cè)定(Li-Cor Inc，Lincoln，NE，USA)[14]，每次測(cè)定時(shí)，齊地面剪去管中的苜蓿；測(cè)定所用PVC基座直徑10 cm、高5 cm，提前24 h嵌入土中約3 cm，每個(gè)小區(qū)2次重復(fù)。

1.4數(shù)據(jù)分析

采用Excel2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用SPSS16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)分析，用Duncan氏新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 根際土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量的比較

2.1.1細(xì)菌 由表1可知，細(xì)菌數(shù)量隨播量遞增呈先增加后減小趨勢(shì)，隨行距遞增呈增大趨勢(shì)。春、夏、秋3季細(xì)菌數(shù)量分別在3.46～16.81(×103)cfu·g-1，11.42～37.37(×103)cfu·g-1，6.92～34.65(×103)cfu·g-1范圍內(nèi)，在不同采樣時(shí)間表現(xiàn)為夏季>秋季>春季，且隨土層深度的增加而顯著下降(P<0.05)。播量分別為12.0，16.0，20.0，24.0 kg·hm-2，行距為20 cm時(shí)，細(xì)菌數(shù)量最高，不同生長(zhǎng)季節(jié)0～40 cm土層平均細(xì)菌數(shù)量分別為15.73，20.12，24.08，23.70(×103)cfu·g-1；同一行距下，以播量20.0 kg·hm-2細(xì)菌數(shù)量最多。

注：不同小寫(xiě)字母表示土層間有差異(P<0.05)；不同大寫(xiě)字母表示處理間有差異(P<0.05)；不同拉丁字母表示季節(jié)間有差異(P<0.05)，下同

Note：Different lowercase letters indicate significant difference at different soil depths at the 0.05 level;Different capital letters indicate significant difference in different combinations at the 0.05 level;Different latin letters indicate significant difference in different seasons at the 0.05 level, The same as below

2.1.2放線菌 由表2可見(jiàn)，不同播量和行距配置苜蓿根際土壤放線菌數(shù)量隨土層深度的增加顯著減小(P<0.05)，隨播量增加大體呈先增加后降低趨勢(shì)，隨行距增加呈增大趨勢(shì)。春、夏、秋3季放線菌數(shù)量分別在1.06～5.86(×103)cfu·g-1、3.92～17.85(×103)cfu·g-1、2.77～13.30(×103)cfu·g-1范圍內(nèi)，在不同季節(jié)，放線菌數(shù)量在夏季最高、秋季次之、春季最小。播量分別為12.0，16.0，20.0，24.0 kg·hm-2，行距為20 cm時(shí)，放線菌數(shù)量最多，不同生長(zhǎng)季節(jié)0～40 cm土層平均放線菌數(shù)量分別為6.29，8.49，8.74，6.41(×103)cfu·g-1；同一行距下，以播量16.0 kg·hm-2平均放線菌數(shù)量較大。

表2 苜蓿根際土壤放線菌數(shù)量季節(jié)變化Table 2 Seasonal changes of soil actinomycetes quantity in the rhizosphere of alfalfa/103cfu·g-1

2.1.3真菌 由表3可知，真菌數(shù)量總體上隨苜蓿播量的增加呈降低趨勢(shì)，隨行距的增加呈先上升后下降趨勢(shì)。春、夏、秋3季真菌數(shù)量分別在8.64～32.07 cfu·g-1、10.92～35.71 cfu·g-1、10.69～58.45 cfu·g-1范圍內(nèi)，在不同采樣時(shí)間，真菌數(shù)量表現(xiàn)為秋季>夏季>春季。在土壤剖面上真菌數(shù)量差異顯著(P<0.05)，且隨土層深度的加深呈下降趨勢(shì)。播量分別為12.0，16.0，20.0，24.0 kg·hm-2，行距為15 cm時(shí)，真菌數(shù)量最多，不同生長(zhǎng)季節(jié)0～40 cm土層平均真菌數(shù)量分別為29.98，30.68，28.74，25.88 cfu·g-1；行距為10和20 cm時(shí)，以播量12.0 kg·hm-2平均真菌數(shù)量最大，而行距為15 cm時(shí)，以播量16.0 kg·hm-2平均真菌數(shù)量最大。

表3 苜蓿根際土壤真菌數(shù)量季節(jié)變化Table 3 Seasonal changes of soil fungi quantities in the rhizosphere of alfalfa/cfu·g-1

2.2 根際土壤呼吸的比較

由圖1可知，根際土壤呼吸隨苜蓿播量的增加呈先升高后降低趨勢(shì)，隨行距的增加呈增大降趨勢(shì)，春、夏、秋3季土壤呼吸分別在1.13～3.19 μmol·m-2·s-1，3.54～6.68 μmol·m-2·s-1，2.05～3.74 μmol·m-2·s-1范圍內(nèi)，可見(jiàn)土壤呼吸在夏季最快，秋季次之，春季最慢。播量分別為12.0，16.0，20.0，24.0 kg·hm-2，行距為20 cm時(shí)，土壤呼吸最高，不同生長(zhǎng)季節(jié)0～40 cm土層平均呼吸分別為3.79，3.47，3.87，3.64 μmol·m-2·s-1；同一行距下，土壤呼吸速率以播量20.0 kg·hm-2最大。

圖1 苜蓿根際土壤呼吸的比較Fig.1 Comparison of soil respiration in the rhizosphere of alfalfa注：S1,S2,S3,S4分別代表播量為12.0,16.0,20.0,24.0 kg·hm-2；R1,R2,R3分別代表行距為10,15,20 cm；小寫(xiě)字母表示不同季節(jié)間的差異(P<0.05)，大寫(xiě)字母表示不同處理間的差異(P<0.05)Note: S1, S2, S3, and S4 represent seeding rates of 12.0, 16.0, 20.0, and 24.0 kg·hm-2, respectively. R1, R2, and R3 represent row spacing of 10, 15, 20 cm, respectively. Lowercase letters indicate significant differences among different seasons at the 0.05 level; capital letters indicate significant differences among different combinations at the 0.05 level

2.3 根際土壤酶活性的比較

2.3.1脲酶 脲酶是決定土壤中氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶。由表4可知，春、夏、秋3季土壤脲酶分別在0.12～0.90 mg·g-1、0.28～1.65 mg·g-1、0.89～2.76 mg·g-1范圍內(nèi)，總體看，脲酶活性隨播量增加呈先增大后減小趨勢(shì)，隨行距增加呈增大趨勢(shì)。播量分別為12.0，16.0，20.0，24.0 kg·hm-2，行距為20 cm時(shí)，脲酶活性最大，不同生長(zhǎng)季節(jié)0～40 cm土層平均脲酶活性分別為1.17，1.54，1.34，0.96 mg·g-1；同一行距下，其活性以播量16.0 kg·hm-2最高。脲酶活性在上下兩土層均秋季最高，夏季次之，春季最小，0～20 cm土層顯著高于20～40 cm土層(P<0.05)。

2.3.2堿性磷酸酶 由表5可知，堿性磷酸酶活性總體上隨苜蓿播量增加呈先升高后降低趨勢(shì)，隨行距增加呈增大趨勢(shì)。春、夏、秋3季根際堿性磷酸酶活性分別在0.004～0.036 mg·g-1、0.227～1.575 mg·g-1、0.174～0.841 mg·g-1范圍內(nèi)，不同采樣時(shí)間，堿性磷酸酶活性上下土層均表現(xiàn)為夏季>秋季>春季；在土壤剖面上堿性磷酸酶活性差異顯著(P<0.05)，除春季個(gè)別處理外，其余均隨土層加深呈下降趨勢(shì)。播量分別為12.0，16.0，20.0，24.0 kg·hm-2，行距為20 cm時(shí)，堿性磷酸酶活性最高，不同生長(zhǎng)季節(jié)0～40 cm土層平均堿性磷酸酶活性分別為0.482，0.622，0.492，0.437 mg·g-1；同一行距下，以播量16.0 kg·hm-2的酶活性最高。

表4 苜蓿根際土壤脲酶活性季節(jié)變化Table 4 Seasonal changes of soil urease activity in the rhizosphere of alfalfa/mg·g-1·24h-1

表5 苜蓿根際土壤堿性磷酸酶活性季節(jié)變化Table 5 Seasonal changes of soil alkaline phosphatase activity in the rhizosphere of alfalfa/mg·g-1·24h-1

2.3.3脫氫酶 由表6可知，根際脫氫酶活性隨播量增加呈先升高后降低趨勢(shì)，隨行距增加呈增高趨勢(shì)，春、夏、秋3季脫氫酶活性的變化范圍分別為0.02～0.20 μg·g-1、0.18～0.82 μg·g-1、0.09～0.51 μg·g-1，在不同采樣時(shí)間其活性為夏季>秋季>春季，在土壤剖面上其活性隨土層的加深而顯著降低(P<0.05)。播量分別為12.0，16.0，20.0，24.0 kg·hm-2，行距為20 cm時(shí)，脫氫酶活性最高，不同生長(zhǎng)季節(jié)0～40 cm土層平均脫氫酶活性分別為0.20，0.36，0.21，0.20 μg·g-1；同一行距下，播量為16.0 kg·hm-2時(shí)，其酶活性最高。

表6 苜蓿根際土壤脫氫酶活性季節(jié)變化Table 6 Seasonal changes of soil dehydrogenase activity in the rhizosphere of alfalfa/μg·g-1·24h-1

2.4 根際土壤生物學(xué)性質(zhì)相關(guān)分析

由表7可知，春、夏、秋3季0～40 cm土層平均細(xì)菌與真菌顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.623；放線菌與脲酶、堿性磷酸酶、脫氫酶分別呈極顯著、顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.897、0.808、0.700；土壤呼吸與脫氫酶呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.609；脲酶與堿性磷酸酶、脫氫酶極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.912，0.848；堿性磷酸酶與脫氫酶極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.909。

表7 苜蓿根際土壤生物學(xué)性質(zhì)相關(guān)分析Table 7 Correlation analysis among soil biological properties in the rhizosphere of alfalfa

注：*表示在0.05水平上顯著相關(guān)；**表示在0.01水平上顯著相關(guān)

Note：* indicate significantly correlated at the 0.05 level;** indicate significantly correlated at the 0.01 level

3 討論

3.1 播量和行距對(duì)苜蓿根際土壤生物學(xué)性質(zhì)的影響

土壤微生物種群數(shù)量變化可以反映土壤生物活性水平，土壤細(xì)菌和放線菌種群數(shù)量越高，土壤的生物活性就高，而土壤真菌種群數(shù)量上升，則會(huì)使土壤地力衰竭[15]。土壤酶主要來(lái)自于土壤微生物，其活性可以反映不同栽植條件和模式下土壤的質(zhì)量，定植植物會(huì)影響土壤微生物數(shù)量[16]，從而使土壤酶活性變化。本研究表明，不同播量和行距配置下苜蓿根際土壤細(xì)菌、放線菌及呼吸速率均以播量20.0 kg·hm-2和行距20 cm下最大，真菌以播量16.0 kg·hm-2行距15 cm下最高，3種酶均以播量16.0 kg·hm-2行距20 cm下最高，這是由于低播量(12.0 kg·hm-2)下植株量、根量及根系分泌物較少，對(duì)土壤酶的酶源及根際生長(zhǎng)環(huán)境產(chǎn)生了影響，降低了根際土壤酶的活性、微生物數(shù)量和呼吸速率；高播量(24.0 kg·hm-2)下因群體增大，植株總量及根系總量增多，但單株?duì)I養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，單株光合能力降低，向根系輸送的光合產(chǎn)物減少[17]；中等播量(16.0，20.0 kg·hm-2)下植株根量適宜，植株光合能力得到有效發(fā)揮，光合產(chǎn)物充足，根部微生物量及其有效活動(dòng)提高，進(jìn)而增加了土壤酶活性和呼吸速率。

3.2 土層和季節(jié)對(duì)苜蓿根際土壤生物學(xué)性質(zhì)的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物數(shù)量、酶活性及呼吸速率主要分布在土壤表層，這與許多研究者的結(jié)果相似[8，18]，一方面表層土壤植物根系分布密集、枯枝落葉大量聚積，腐熟分解后為植物生長(zhǎng)提供了有效養(yǎng)分；另一方面表層土壤的通氣狀況、溫度、濕度良好，利于酶和微生物的生長(zhǎng)。根際土壤中的微生物以細(xì)菌數(shù)量最多，放線菌次之，真菌最少，與大多數(shù)學(xué)者的研究結(jié)果[19-20]一致，這是因?yàn)楦拭C荒漠灌區(qū)土壤呈堿性(pH值8.70)，適宜于中性偏堿的細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖，不利于喜偏酸性環(huán)境的真菌生長(zhǎng)，反映出細(xì)菌、放線菌對(duì)該生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)。土壤酶、微生物數(shù)量及呼吸速率隨季節(jié)性變化比較明顯，這與前人研究結(jié)果[21-22]一致，其中堿性磷酸酶、脫氫酶、細(xì)菌、放線菌、土壤呼吸在夏季最大，春季最小，而脲酶和真菌在秋季最大，春季最小，適宜的溫度和水分條件可能是主要的原因。

本研究發(fā)現(xiàn)，土壤酶、土壤微生物之間存在著一定的相關(guān)性，這是因?yàn)槲⑸镌谄渖顒?dòng)過(guò)程中釋放分泌酶[23]；在土壤酶的作用下，土壤有機(jī)物質(zhì)和有機(jī)殘?bào)w分解成不同的中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物，為微生物提供了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量[24]；但土壤呼吸與根際土壤中細(xì)菌、真菌以及放線菌的數(shù)量無(wú)顯著相關(guān)性，這與保護(hù)性耕作黃土旱塬玉米的研究結(jié)果[25]一致，與不同刈割年限天然草地上的研究結(jié)果[26]不同，這可能與研究地點(diǎn)的地理位置、氣候、環(huán)境條件等之間的差異有關(guān)，因此，仍需對(duì)根系呼吸以及其他環(huán)境因子做進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

不同播量和行距組合下苜蓿根際土壤細(xì)菌、放線菌、脲酶、堿性磷酸酶、脫氫酶及呼吸速率均隨播量增加呈先增高后降低趨勢(shì)，隨行距增加呈增大趨勢(shì)，而真菌隨播量增加呈降低趨勢(shì)，隨行距增加呈先升高后下降趨勢(shì)。根際土壤細(xì)菌、放線菌及呼吸速率在中等播量20.0 kg·hm-2和行距20 cm時(shí)，數(shù)量最多；真菌在中等播量16.0 kg·hm-2和行距15 cm下數(shù)量最大；3種酶均在中等播量16.0 kg·hm-2和行距20 cm下活性最強(qiáng)。土壤微生物數(shù)量、酶活性及呼吸速率均隨土層的加深而顯著降低，且各指標(biāo)季節(jié)變化比較明顯。