有機(jī)物料對(duì)原生鹽堿地土壤生物學(xué)性質(zhì)的影響*

何瑞成 吳景貴

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長春 130118）

鹽堿地作為重要的耕地后備資源，具有堿化度高、養(yǎng)分含量匱乏、土壤生物活性和豐富度低等特性，使得鹽堿地不能直接開發(fā)為耕地資源［1］。與此同時(shí)，隨著我國人口數(shù)量的增加以及土地資源的減少，導(dǎo)致人多地少的矛盾日益嚴(yán)重。因此，如何有效地解決鹽堿地改良的問題，使其變?yōu)橛挟a(chǎn)量保證的耕地資源，越來越受到人們的重視。土壤微生物和酶活性作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，對(duì)促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的分解和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化起著重要的作用，目前已成土壤學(xué)界的研究熱點(diǎn)［2-5］。利用有機(jī)物料對(duì)鹽堿地進(jìn)行改良，不但將農(nóng)業(yè)固體廢棄物資源化，而且能增加土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)、改良土壤結(jié)構(gòu)、提高作物產(chǎn)量［6-9］。近年來，相關(guān)學(xué)者研究了有機(jī)物料施入后，對(duì)鹽堿地土壤微生物及酶活性的影響。王利民等［10］發(fā)現(xiàn)黃麻草和有機(jī)肥的施用明顯提高了沿海鹽堿地的酶活性和微生物數(shù)量，促進(jìn)了土壤生物活性。汪成忠等［11］將不同泡水時(shí)間和不同量的水稻秸稈粉碎后還田，得到最優(yōu)處理的還田措施。徐娜娜等［12］研究了秸稈粉、秸稈粉加營養(yǎng)液以及發(fā)酵秸稈粉施入鹽堿地的影響，發(fā)現(xiàn)秸稈粉的加入對(duì)土壤微生物量沒有明顯改善，而后者效果明顯。賈相岳［13］發(fā)現(xiàn)對(duì)鹽堿土進(jìn)行玉米秸稈造夾層處理能夠很好地增加鹽堿地土壤的微生物數(shù)量，對(duì)鹽堿地具有較好的改良效果。馬玉露等［14］研究表明牛糞亦對(duì)鹽堿地也具有改良作用。眾多研究者利用有機(jī)物料，從有機(jī)物料配施、有機(jī)物料施入量、以及施入方式等方面進(jìn)行了大量研究，同時(shí)也取得了豐富的成績。但針對(duì)比較不同有機(jī)物料以及有機(jī)物料的不同物理形態(tài)對(duì)鹽堿地土壤微生物活性以及作物產(chǎn)量的影響研究較少。不同有機(jī)物料對(duì)鹽堿地土壤生物學(xué)性質(zhì)和作物產(chǎn)量的影響是否有差別，同一物質(zhì)不同物理形態(tài)所表現(xiàn)出來的性質(zhì)有所差別，如果將有機(jī)物料形態(tài)改變后施入鹽堿地，是否會(huì)對(duì)土壤微生物學(xué)特性和作物產(chǎn)量產(chǎn)生不同的影響？為明確該問題，本文選擇3種不同種類的有機(jī)物料，以及其中一種物料的不同形態(tài)為供試材料，通過連續(xù)2年大田試驗(yàn)研究了在稻作條件下不同種類和同種類不同形態(tài)的有機(jī)物料對(duì)原生鹽堿地土壤微生物數(shù)量、微生物生物量碳氮、土壤呼吸強(qiáng)度，以及土壤酶活性和水稻產(chǎn)量的影響，并分析了生物特性與測產(chǎn)指標(biāo)的相關(guān)性，旨在闡明不同種類和同種有機(jī)物料不同形態(tài)對(duì)原生鹽堿地土壤生物學(xué)性質(zhì)和作物產(chǎn)量的影響，為鹽堿地改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于吉林省大安市海坨鄉(xiāng)姜家村向東約4.21 km處（124°1′48″ E，45°19′47″N），平均海拔130 m，年均日照3 013 h，年均溫度4.3 ℃，常年有效積溫2 921 ℃，無霜期157 d，年均降雨量413.7 mm。試驗(yàn)區(qū)面積為1 550 m2，地勢平坦。表層土壤pH為9.94、堿化度58.31%、可溶鹽總量3.39 g kg-1、陽離子交換量3.91 cmol kg-1、交換性Na+含量2.28 cmol kg-1、有機(jī)質(zhì)2.91 g kg-1、全氮0.372 g kg-1、堿解氮11.28 mg kg-1、有效磷20.61 mg kg-1、速效鉀143.3 mg kg-1、C/N4.53。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始于2016年6月，以未改良的原生鹽堿地為試驗(yàn)田，在稻作條件下進(jìn)行，設(shè)置顆粒秸稈（KL）、正常秸稈（JG）、牧草（MC）、羊糞（YF）、對(duì)照（CK）5個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共15個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，隨機(jī)排列。每個(gè)小區(qū)面積為30 m2（6 m×5 m），各小區(qū)四周用土疊梗進(jìn)行單排單灌，小區(qū)之間保留1 m過道。整地前施入物料和底肥，隨后灌水漚田1～2 d，最后進(jìn)行耙地和插秧，移栽秧苗行株距為當(dāng)?shù)亓?xí)慣，每穴5～6株。至移栽后每周換水1次，各小區(qū)換水量為8 m3，9月末進(jìn)入收獲期后減少換水次數(shù)進(jìn)行曬田，10月10日收獲水稻。次年除不施加有機(jī)物料，其他操作與前年一致。

有機(jī)物料施入量按照等碳原則計(jì)算，以全量還田為標(biāo)準(zhǔn)，KL處理每小區(qū)施顆粒秸稈22 kg，JG處理每小區(qū)施正常秸稈22 kg，MC處理每小區(qū)施牧草30 kg，YF處理每小區(qū)施羊糞15 kg，CK處理不施有機(jī)物料。為解決灌水漚田時(shí)有機(jī)物料漂浮問題，顆粒秸稈和羊糞均勻鋪灑于小區(qū)各處，而牧草和正常秸稈在各自小區(qū)挖3條長5 m、寬1 m、深20 cm的溝，將物料埋入溝內(nèi)用土掩埋，隨后所有處理的各小區(qū)灌水漚田。插秧前對(duì)各小區(qū)進(jìn)行耙地?cái)嚢?，使開溝填埋的牧草和正常秸稈以及顆粒秸稈和羊糞均勻分布于小區(qū)各處，并與表層土充分混合均勻。各有機(jī)物料中，顆粒秸稈由正常秸稈經(jīng)過機(jī)器粉碎，加密處理，最后壓模出長2 cm、直徑0.5 cm的圓柱形顆粒，不僅利于運(yùn)輸，同時(shí)也解決了秸稈還入水田后漂浮問題，正常秸稈（20 cm）、牧草（5 cm）和羊糞（自然風(fēng)干，呈塊狀）均取自當(dāng)?shù)亍?/p>

1.3 樣品采集與分析

于2016年6月試驗(yàn)開始前采集一次土壤，作為原土基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。于2017年10月水稻收獲后采集表層土（0～20 cm）。各試驗(yàn)小區(qū)選取5個(gè)采樣點(diǎn)，用四分法取混合樣，裝入無菌密封袋中，將密封袋放置低溫箱中帶回實(shí)驗(yàn)室，于4 ℃條件下保存。在采集的同時(shí)測定土壤呼吸強(qiáng)度。

土壤酶活性測定：土壤過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶、纖維素酶測定方法參照《土壤酶及其研究法》［15］。土壤微生物數(shù)量測定：細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量采用稀釋平板測數(shù)法。土壤呼吸強(qiáng)度測定：采用田間原位測定法，具體方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》［16］。土壤微生物生物量碳氮測定：采用氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

產(chǎn)量計(jì)算：產(chǎn)量（kg hm-2）=每穴有效穗數(shù)×每穗粒數(shù)×結(jié)實(shí)率×千粒重×195×333.33×10-6式中，195為各小區(qū)平均穴數(shù)；333.3為面積單位換算系數(shù)。

利用Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，圖表的繪制，SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié) 果

2.1 不同處理對(duì)原生鹽堿地土壤微生物數(shù)量的影響

從表1中可以看出各處理土壤微生物組成均以細(xì)菌為主，其次為放線菌，真菌最少。各處理與原土相比，細(xì)菌數(shù)量提高73.82%～142.41%，放線菌數(shù)量提高7.81%～59.75%，真菌數(shù)量提高87.95%～256.92%。有機(jī)物料處理較CK處理相比效果更好，細(xì)菌數(shù)量、放線菌和真菌變化范圍分別在12.35%～39.45%、30.47%～50.28%、51.76%～89.91%，其中KL處理的細(xì)菌數(shù)量和真菌數(shù)量最多且與其他處理差異顯著，YF處理的放線菌數(shù)量最多，但與KL處理差異不顯著。有機(jī)物料的施入能夠大幅度提高土壤微生物的數(shù)量，其中以KL處理效果最好，這是由于有機(jī)物料的施入直接增加了土壤微生物可利用的碳源，為土壤微生物的生長繁殖提供了充足的能源，其次，KL處理后的土壤平均質(zhì)量比表面積要大于其他處理［7］，這為土壤微生物提供了更多的生長繁殖所需的場所，提高了土壤微生物的環(huán)境容納量。說明同種有機(jī)物料不同形態(tài)對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響不同，本文中顆粒狀秸稈效果要好于正常秸稈。

表1 不同處理對(duì)土壤微生物數(shù)量的影響Table 1 Population of soil microbes relative to treatment

2.2 不同處理對(duì)原生鹽堿地土壤微生物量碳氮和土壤呼吸強(qiáng)度的影響

圖1中可看出，各處理土壤微生物生物量碳氮含量均較原土高且顯著差異，其變化范圍分別在49.31%～143.7%、59.11%～132.3%。有機(jī)物料處理的土壤微生物生物量碳氮與CK處理相比，均表現(xiàn)出顯著差異性，變化范圍在40.75%～63.21%、31.35%～46.02%。說明有機(jī)物料能有效增加原生鹽堿地土壤微生物生物量碳氮含量，提高土壤微生物的活性。有機(jī)物料各處理的土壤微生物生物量碳中，以KL處理最好，且與其他有機(jī)物料處理差異顯著，而JG處理、MC處理和YF處理差異不顯著。有機(jī)物料各處理的土壤微生物量氮中，KL處理最好，但各處理之間差異不顯著。各處理土壤呼吸強(qiáng)度相比原土亦均有增加（圖1），其增加范圍在29.12%～88.81%。有機(jī)物料處理與CK處理相比差異顯著，其變化范圍在20.45%～46.22%。有機(jī)物料處理中以KL處理的土壤呼吸強(qiáng)度最高，且與其他有機(jī)物料處理差異顯著，而JG處理、MC處理和YF處理之間差異不顯著。說明顆粒狀秸稈能夠有效提高土壤微生物活性。

2.3 不同處理對(duì)原生鹽堿地土壤酶活性的影響

圖1 不同處理對(duì)土壤微生物生物量碳氮及土壤呼吸強(qiáng)度的影響Fig. 1 Soil microbial biomass carbon and nitrogen content and soil respiration intensity relative to treatment

由圖2可知，各處理的過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶和纖維素酶活性均較原始土壤有所提高，且顯著差異。其中各處理的過氧化氫酶活性較原土提高了37.51%～62.31%，有機(jī)物料處理較CK處理提高了11.42%～18.03%，各有機(jī)物料處理中以KL處理效果最好，其次為MC、YF、JG，但有機(jī)物料處理之間差異不明顯。各處理的轉(zhuǎn)化酶活性與原土差異顯著，且比原土提高了66.64%～105.33%。有機(jī)物料處理中YF處理與CK處理差異不明顯，其他有機(jī)物料處理的轉(zhuǎn)化酶活性較CK處理增加了19.11%～23.22%，以KL處理最好，但與MC 處理差異不明顯。各處理纖維素酶活性較原土提高了117.2%～289.5%，差異顯著。有機(jī)物料處理與CK處理相比，纖維素酶活性提高了69.01%～79.32%。KL處理效果最好，其他有機(jī)物料差異不明顯?？梢奒L處理能有效提高土壤酶活性，這是由于顆粒狀秸稈與其他處理相比有效增加了微生物數(shù)量和提高了微生物活性，從而增加了微生物分泌物，此外顆粒狀秸稈使土壤大小空隙分布均勻［7］，提高作物根系活力，進(jìn)而提高了土壤酶活性。

圖2 不同處理對(duì)原生鹽堿土壤酶活性的影響Fig. 2 Soil enzyme activities in the primary saline alkali soil relative to treatment

2.4 不同處理對(duì)原生鹽堿地水稻產(chǎn)量影響以及與生物學(xué)性質(zhì)各指標(biāo)的相關(guān)性

表2給出了各處理測產(chǎn)指標(biāo)?？梢钥闯?，有機(jī)物料處理各指標(biāo)均好于CK處理且差異顯著，與CK相比產(chǎn)量變化范圍在54.43%～130.6%。通過理論產(chǎn)量計(jì)算，各有機(jī)物料產(chǎn)量表現(xiàn)為KL＞MC＞YF＞JG。各有機(jī)物料處理中，MC處理的結(jié)實(shí)率指標(biāo)最高，但與KL處理差異不顯著。YF處理的穗長指標(biāo)最好，但與MC和JG處理差異不顯著。其他指標(biāo)均以KL處理最好，但KL與YF處理的每穗總粒數(shù)差異不顯著。土壤生物學(xué)性質(zhì)與測產(chǎn)各指標(biāo)之間的相關(guān)性分析，從整體上可分為，土壤微生物數(shù)量（細(xì)菌、真菌和放線菌）、微生物活性（土壤呼吸強(qiáng)度和微生物生物量碳氮）以及土壤酶活性（過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶和纖維素酶）與水稻生長發(fā)育相關(guān)性分析，從表3中可以看到，土壤微生物數(shù)量與千粒重、結(jié)實(shí)率、每穗總粒數(shù)和產(chǎn)量具有相關(guān)性，土壤微生物活性與有效穗數(shù)、每穗總粒數(shù)、千粒重以及產(chǎn)量具有相關(guān)性，土壤酶活性與穗長和千粒重表現(xiàn)出相關(guān)性。這說明在原生鹽堿地初次改良前期，微生物數(shù)量和微生物活性對(duì)水稻生長發(fā)育具有較大的影響，而土壤酶活性對(duì)其影響表現(xiàn)不突出。

表2 不同處理測產(chǎn)指標(biāo)Table 2 Rice yield relative to treatment

表3 測產(chǎn)指標(biāo)與生物性質(zhì)各指標(biāo)相關(guān)性Table 3 Relationships of yield index with various soil biological property indices

3 討 論

在稻作條件下施用有機(jī)物料改良原生鹽堿土，能增加原生鹽堿地土壤微生物數(shù)量和微生物生物量碳氮含量，提高土壤呼吸強(qiáng)度，提高土壤過氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶以及纖維素酶的活性，同時(shí)增加水稻產(chǎn)量，表明有機(jī)物料對(duì)原生鹽堿地土壤微生物活性和農(nóng)作物產(chǎn)力量具有較大的影響。通過連續(xù)2年的定位試驗(yàn)，有機(jī)物料顯著提高土壤三大類微生物數(shù)量、微生物生物量碳氮、土壤呼吸強(qiáng)度和作物產(chǎn)量，結(jié)果與前人研究結(jié)果相似［17-19］。有機(jī)物料的施入增加了土壤微生物利用的碳源，且有機(jī)物料在厭氧條件下會(huì)分解產(chǎn)生大量有機(jī)酸，降低原生鹽堿地pH，同時(shí)有機(jī)物料施入能增加原生鹽堿地的通透性，降低土壤容重，提高導(dǎo)水率，降低可溶性鹽，提高微生物活性［20-23］，而微生物能促進(jìn)土壤難容性養(yǎng)分的溶解和釋放。同時(shí)，微生物在代謝過程中釋放大量的無機(jī)和有機(jī)酸物質(zhì)，促進(jìn)土壤微量元素的釋放和螯合，改善土壤中養(yǎng)分的供應(yīng)，從而提高水稻產(chǎn)量。從結(jié)果中可看出，各處理的土壤微生物數(shù)量以細(xì)菌為主，其次為放線菌，真菌含量最低，與徐雙等［2］研究相似。但有機(jī)物料加入后，各微生物所占比例發(fā)生明顯變化，細(xì)菌比例增加，雖然真菌數(shù)量仍然低于放線菌，但真菌數(shù)量所占比例上升，而放線菌的比例降低。這表明稻作條件下，相比于放線菌，有機(jī)物料施入更有利于真菌和細(xì)菌的生長發(fā)育，其原因需進(jìn)一步研究。土壤呼吸來源以土壤微生物的呼吸占主要作用［24］，是衡量土壤微生物活性的重要指標(biāo)之一，而土壤微生物生物量碳氮含量也是反應(yīng)土壤微生物活性的一個(gè)重要指標(biāo)［25］。研究表明施加有機(jī)物料能增加土壤微生物碳氮和土壤呼吸強(qiáng)度［2,26］，本研究結(jié)果與該結(jié)論一致，本研究原生鹽堿地土壤C/N為4.53，而所使用的有機(jī)物料的C/N均遠(yuǎn)高于該值，添加有機(jī)物料能為微生物提供豐富的碳、氮源，提高原生鹽堿地土壤C/N，使土壤C/N更加接近于適宜微生物活動(dòng)和繁殖所要求的的25，促進(jìn)了土壤微生物的活性，提高了微生物同化作用，進(jìn)而提高土壤微生物生物量碳氮和土壤呼吸［27-28］。不同有機(jī)物料施入鹽堿地均有利于土壤酶活性的提高。與陶夢慧［29］和汪成忠［11］等研究結(jié)果一致。有機(jī)物料施入對(duì)土壤表層溫度具有顯著調(diào)節(jié)作用［30］，低溫時(shí)產(chǎn)生增溫效應(yīng)，高溫時(shí)產(chǎn)生降溫效應(yīng)，使酶促反應(yīng)保持在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行，同時(shí)有機(jī)物料能促進(jìn)土壤微生物數(shù)量增加，進(jìn)一步提高了土壤微生物包括土壤酶在內(nèi)的分泌物數(shù)量。利用有機(jī)物料改良鹽堿地能提高農(nóng)作物產(chǎn)量［31］，本研究與該結(jié)論一致，且KL處理的水稻產(chǎn)量最高。在原生鹽堿地初次改良前期，總體而言，土壤微生物數(shù)量和活性與水稻生長和產(chǎn)量表現(xiàn)出相關(guān)性，因?yàn)橥寥牢⑸镌谏L過程中，能分解土壤礦物中某些中微量營養(yǎng)元素，同時(shí)提高有效性，為水稻提供生長發(fā)育所需的養(yǎng)分，促進(jìn)水稻發(fā)育，進(jìn)而增加產(chǎn)量。而土壤酶活性與水稻生長和產(chǎn)量未表現(xiàn)出相關(guān)性，可能的原因是，試驗(yàn)土壤較差的土壤理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)對(duì)土壤酶活性產(chǎn)生抑制作用。所以，雖然有機(jī)物料提高了土壤酶活性，但仍然處于較低水平，對(duì)水稻生長和產(chǎn)量的影響較小，從而未表現(xiàn)出相關(guān)性。對(duì)于生物學(xué)各指標(biāo)與測產(chǎn)各指標(biāo)之間的相關(guān)性，其具體原因還有待研究。

從不同種類有機(jī)物料來看，JG處理、MC處理和YF處理三者均增加了土壤微生物數(shù)量、微生物生物量碳氮以及土壤呼吸強(qiáng)度和產(chǎn)量，但差異不顯著，可能與改良時(shí)間較短，施用有機(jī)物料處理的土壤中有機(jī)物分解不完全，未及時(shí)轉(zhuǎn)化為活性有機(jī)物質(zhì)有關(guān)。而同種有機(jī)物料不同形態(tài)之間即KL處理和JG處理，除微生物生物量氮外，其他指標(biāo)均差異顯著，且KL處理的效果不單好于其他物料的處理，而且也好于同種物料JG處理，其主要原因在于二者物理性質(zhì)截然不同，KL處理使用的顆粒秸稈是經(jīng)過粉碎壓密處理的，經(jīng)過灌水后本身會(huì)吸水膨脹形成疏松多孔的結(jié)構(gòu)，一方面增加了微生物與物料的接觸面積，另一方面疏松多孔的結(jié)構(gòu)增加了土壤孔隙度和吸附能力，能促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的凝聚［22］，同時(shí)有機(jī)物料腐解后表面氧化基團(tuán)以及羧基增加，與土壤團(tuán)粒結(jié)合后能夠增強(qiáng)其保水效應(yīng)［23］，進(jìn)而改善原生鹽堿地土壤結(jié)構(gòu)［7］，為微生物創(chuàng)造更好的生長發(fā)育的條件，極大促進(jìn)了微生物量活性。許多研究已表明疏松多孔的土壤結(jié)構(gòu)有利于植物根系生長、土壤微生物活動(dòng)、提高土壤酶活性［30-34］。不同種有機(jī)物料初次改良原生鹽堿地其效果大致相似，而同種物料不同形態(tài)的效果則大不相同，這為今后利用有機(jī)物料初次改良鹽堿地提供了新的思路和方法。

4 結(jié) 論

原生鹽堿地初次改良前期，不同種類有機(jī)物料對(duì)原生鹽堿地土壤微生物數(shù)量、微生物生物量碳氮、土壤呼吸強(qiáng)度、土壤酶活性以及水稻產(chǎn)量均有提高效果，但差異不顯著，而同種有機(jī)物料不同形態(tài)之間，改良效果顯著差異，且所有處理中，經(jīng)過粉碎壓密的顆粒秸稈效果最好。土壤微生物數(shù)量和土壤呼吸強(qiáng)度對(duì)水稻生長發(fā)育以及產(chǎn)量具有較大的影響，而土壤酶活性和微生物生物量碳氮對(duì)其影響表現(xiàn)不突出。

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