菌肥對(duì)混播牧草土壤酶活性及微生物的影響

徐忠山，楊彥明，陳曉晶，張博文，張興隆，劉景輝

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

微生物菌肥是一種以微生物生命活動(dòng)的產(chǎn)物及其所含的酶類來改善土壤環(huán)境的無公害肥料[1]，其主要作用在于改善土壤質(zhì)量，增強(qiáng)植物抗病、抗逆能力以及提高作物產(chǎn)量和改善農(nóng)作物品質(zhì)等[2]。此外，利用優(yōu)良豆科和禾本科飼草混播，可以改善土壤理化性狀,增加土壤中的氮素養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤肥力[3]，減少工業(yè)氮肥的施用[4]，降低生產(chǎn)成本[5]，減少環(huán)境污染。土壤酶活性反映了土壤環(huán)境狀況，酶活性的高低代表土壤中各種生物化學(xué)過程的方向和強(qiáng)度[6]，可作為評(píng)價(jià)土壤肥力和質(zhì)量的敏感指標(biāo)[7-8]。土壤微生物直接或間接參與調(diào)節(jié)土壤肥力形成[9]、土壤養(yǎng)分循環(huán)[10]、有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)換[11]以及能量流動(dòng)[12]等，生物化學(xué)活性很強(qiáng)[13]。目前關(guān)于微生物菌肥及豆禾飼草混播對(duì)土壤性狀影響的研究較多[14-17]，但將二者結(jié)合，同時(shí)研究微生物菌肥及其與豆科飼草混播對(duì)土壤酶活性及微生物的影響卻鮮有報(bào)道。試驗(yàn)地前茬作物為馬鈴薯，本試驗(yàn)通過研究苜蓿和飼用高粱同行和間行混播配施微生物菌肥對(duì)土壤酶活性及微生物生物量的影響，證明混播配施微生物菌肥可以改善土壤環(huán)境，增強(qiáng)土壤生產(chǎn)力的可持續(xù)性，為內(nèi)蒙古地區(qū)大面積種植的馬鈴薯提供倒茬作物。解決馬鈴薯連作問題的同時(shí)，提供充足飼草，對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)的農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)發(fā)展具有重大意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2015年在內(nèi)蒙古四子王旗中加生物科技有限公司生產(chǎn)基地進(jìn)行，常年平均降水量為110～350 mm，平均無霜期108 d，地表土為淡栗鈣土。試驗(yàn)地有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量見表1，試驗(yàn)地前茬作物為馬鈴薯。供試飼用高粱品種為CFSH 30(加拿大)，苜蓿為紫花苜蓿。供試微生物菌肥由遼寧某公司提供，主要有效成分為有益活體芽孢桿菌，主要為枯草芽孢桿菌：總養(yǎng)分(N+P2O5+K2O)=6%，有機(jī)質(zhì)≥30%，粗蛋白≥8%，氨基酸≥4%，中量元素鈣≥6%，有效活菌數(shù)≥0.20億個(gè)/g。

表1 試驗(yàn)地有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)8個(gè)處理，3次重復(fù)，小區(qū)面積為5 m×6 m=30 m2，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，具體見表2。苜蓿播量為15 kg/hm2，飼用高粱播量為30 kg/hm2，行距30 cm，種肥為磷酸二銨(N 18%、P2O546%)，施肥量225 kg/hm2，微生物菌肥與種肥一同施入，用量為750 kg/hm2，7月底用尿素(N 46%)追肥，追肥量為75 kg/hm2，即保證各小區(qū)基肥與追肥施肥量一致。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 測定指標(biāo)與方法

于2015年5月25日播種，分別于苗期(6月14日)、旺盛期(7月30日)和收獲期(9月24日)取植株根部0～60 cm土層的土樣，每個(gè)處理小區(qū)內(nèi)按“S”型進(jìn)行多點(diǎn)取樣，分別混合，混勻后一部分置于4 ℃冰箱保存，用于土壤微生物生物量的測定，另一部分土樣風(fēng)干后過1 mm篩，用于土壤酶活性測定。

土壤過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定，用20 min后1 g土壤中0.02 mol/L KMnO4的毫升數(shù)表示[8]；土壤蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，用24 h后1 g土壤中葡萄糖的毫克數(shù)表示[8]；土壤脲酶采用靛酚比色法測定，用24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克數(shù)表示[18]；土壤微生物生物量碳采用氯仿熏蒸—濃硫酸—重鉻酸鉀氧化容量法測定[19]，土壤微生物生物量氮采用氯仿熏蒸-茚三酮比色法測定[20]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析；采用OriginPro 8軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤酶活性的影響

2.1.1 不同處理對(duì)土壤過氧化氫酶活性的影響

由圖1可知，各處理全生育期土壤過氧化氫酶活性均表現(xiàn)為隨土層深度增加，酶活性降低，具體表現(xiàn)為0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm。隨著生育期的推進(jìn)，土壤過氧化氫酶活性表現(xiàn)為苗期>收獲期>旺盛期。各生育時(shí)期施用生物菌肥各處理過氧化氫酶活性均分別高于未施用菌肥處理，且苜蓿與飼用高粱混播各處理過氧化氫酶活性均顯著高于苜蓿和飼用高粱單播各處理。各生育時(shí)期均表現(xiàn)為T3處理土壤過氧化氫酶活性最高，T4處理次之。

圖1 各處理對(duì)全生育期土壤0～60 cm土層過氧化氫酶活性的影響注：柱上不同字母表示同一土層不同處理差異顯著(P<0.05)，下同。

苗期各處理20～40和40～60 cm土層酶活性均較表層顯著降低，而T3處理有效緩解了下降趨勢，各土層酶活性較其他處理均顯著提高，0～20、20～40、40～60 cm土層較N3處理分別提高了7.8%、11.8%和27.7%。旺盛期各土層呈現(xiàn)了相同規(guī)律，均表現(xiàn)為T3處理最高，T1處理最低，就各土層過氧化氫酶活性平均值而言，T3較其他各處理提高了7.0%～35.1%。旺盛期各處理各土層過氧化氫酶活性均較高，各處理20～40和40～60 cm土層酶活性無顯著差異，T3、T4處理過氧化氫酶活性較未施生物菌肥各處理顯著提高。

過氧化氫酶通過加快過氧化氫的分解，減少它對(duì)生物體的毒害作用。豆科與禾本科飼草混播可充分發(fā)揮品種間的優(yōu)勢，改善土壤物理性狀，提高土壤養(yǎng)分含量。因此N3和N4處理各時(shí)期、各土層的過氧化氫酶活性都高于N1和N2處理。微生物菌肥的施入為土壤帶來大量微生物，在土壤中為作物提供養(yǎng)料，進(jìn)而提高土壤養(yǎng)分與有機(jī)物質(zhì)含量。因此T1、T2、T3和T4處理的過氧化氫酶活性分別高于N1、N2、N3和N4處理。T3與T4處理各時(shí)期各土層的過氧化氫酶活性都較高,表明豆科與禾本科飼草混播配施微生物菌肥對(duì)土壤理化性狀改良效果更佳。

2.1.2 不同處理對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響

從圖2可以看出，土層越深，土壤蔗糖酶活性越低，表現(xiàn)為0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm。隨生育期的推進(jìn)，土壤蔗糖酶活性呈現(xiàn)先降后升趨勢，具體表現(xiàn)為苗期最高，收獲期次之，旺盛期最低。T3處理各生育時(shí)期各土層的土壤蔗糖酶活性均顯著高于其他各處理，且酶活性均為最高，T4處理次之。T3處理對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響在苗期表現(xiàn)最明顯，且對(duì)0～20 cm土層影響最大，T3處理蔗糖酶活性最高，N1處理最低，T3處理較其他處理提高了18.1%～72.8%。

圖2 各處理對(duì)全生育期土壤0～60 cm土層蔗糖酶活性的影響

一般情況下，上壤肥力越高，蔗糖酶活性越強(qiáng)。豆科與禾本科飼草混播以及施入微生物菌肥都可以改良土壤，提升土壤肥力，進(jìn)而提高土壤蔗糖酶活性。豆禾混播各處理全生育期各土層土壤蔗糖酶活性均高于單播各處理，T1、T3、T4處理的蔗糖酶活性也對(duì)應(yīng)高于N1、N3與N4處理，而T2與N2處理間土壤蔗糖酶活性無顯著差異，個(gè)別時(shí)期和土層T2處理的蔗糖酶活性反而低于N2處理，具體原因有待進(jìn)一步研究。

2.1.3 不同處理對(duì)土壤脲酶活性的影響

由圖3可知，隨著土層深度增加，土壤脲酶活性逐漸降低，即0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm土層。各生育時(shí)期之間土壤脲酶活性表現(xiàn)為旺盛期>苗期>收獲期。施入微生物菌肥處理較無菌肥處理脲酶活性均有所提高，但大部分處理未達(dá)到顯著水平。N3與N4處理顯著提高了旺盛期和收獲期各土層脲酶活性，且對(duì)20～40土層影響較大，苗期各處理脲酶活性無顯著差異。旺盛期20～40 cm土層T3處理脲酶活性最高，N1處理最低，T3處理顯著提高了脲酶活性，較其他處理提高了18.4%～53.2%。收獲期土壤脲酶活性整體規(guī)律與旺盛期相同，T3與T4處理土壤脲酶活性較高。

圖3 各處理對(duì)全生育期土壤0～60 cm土層脲酶活性的影響

土壤脲酶活性與土壤的微生物數(shù)量、全氮和有效磷含量以及有機(jī)物質(zhì)含量呈正相關(guān)，土壤脲酶活性可以反應(yīng)土壤的氮素狀況。微生物菌肥可以為土壤提供大量氮素并提升土壤養(yǎng)分，因此施入微生物菌肥各處理的土壤脲酶活性均高于無微生物菌肥處理。豆科與禾本科飼草混播可以改善土壤、提高肥力，同時(shí)為微生物提供更適宜的生長環(huán)境，因此混播各處理脲酶活性均高于單播各處理。T3、T4處理結(jié)合了微生物菌肥與混播的優(yōu)勢，土壤改良效果更佳，土壤養(yǎng)分含量更高，因此T3與T4處理各生育時(shí)期各土層土壤脲酶活性均較高。

2.2 不同處理對(duì)土壤微生物生物量的影響

由表3可知，各處理土壤微生物生物量碳(SMBC)、氮(SMBN) 含量隨著生育期的推進(jìn)呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，基本表現(xiàn)為旺盛期>苗期>收獲期。全生育期，施入微生物菌肥的各處理均較無微生物菌肥各處理顯著提高了SMBC和SMBN含量。同樣，豆禾混播各處理的SMBC和SMBN 含量也均高于飼草單播各處理。大部分處理SMBC和SMBN 含量均在旺盛期為最高，T3處理SMBC含量最高，較其他處理顯著提高了7.39%～185.24%；T4處理SMBN含量最高，N2最低，T4處理較其他處理顯著提高了9.04%～215.35%。

表3 不同處理對(duì)0～20 cm土壤微生物生物量的影響 (mg/kg)

注：同列不同字母表示差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

微生物生物量不僅是土壤養(yǎng)分固定的重要載體，也是土壤養(yǎng)分的重要來源。施入微生物菌肥以及豆禾飼草混播各處理可以為土壤微生物提供適宜的環(huán)境，加快土壤微生物活動(dòng)，從而提高土壤微生物量碳、氮含量。飼草單播的N1、N2處理各時(shí)期SMBC和SMBN 含量均較低，可能是由于單播飼草土壤中有機(jī)養(yǎng)分趨于穩(wěn)定，可被微生物利用的相對(duì)較少；而微生物菌肥中含有大量微生物資源，且有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分含量較高，能夠?yàn)槲⑸锾峁┠芰縼碓?，可以有效增加土壤中微生物生物量。旺盛期土壤水熱狀況更適合土壤微生物活動(dòng)，土壤呼吸較強(qiáng)，土壤微生物生物量也就相對(duì)增多。

3 討論與結(jié)論

土壤酶與土壤養(yǎng)分含量和微生物生物量關(guān)系密切，作為土壤有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化循環(huán)的催化劑，人們常用土壤酶活性評(píng)價(jià)土壤肥力和土壤微生物活性。研究表明混播能夠改善土壤的通氣狀況，因而提高了土壤的有氧呼吸效率，提高了酶活性[21]，這與本試驗(yàn)研究結(jié)果一致，混播各時(shí)期、各土層的土壤酶活性均高于單播處理。當(dāng)微生物菌肥施入土壤后，增加了土壤的碳源和氮源，菌肥中有機(jī)物質(zhì)自身攜帶各種酶，同時(shí)還可以促進(jìn)微生物繁殖，微生物活動(dòng)能夠產(chǎn)生大量土壤酶。施入微生物菌肥各處理各時(shí)期與各土層酶活性均顯著提高。此外，施用微生物菌肥，土壤微生物生物量碳、氮顯著增加[22]，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性和活性也得到提高[23]，進(jìn)而土壤酶活性也顯著提高。化肥的長期施用會(huì)提高土壤無機(jī)養(yǎng)分，使土壤酶的產(chǎn)生受到抑制[24]，導(dǎo)致土壤酶活性降低?？赡苁怯捎赥3、T4處理碳投入量遠(yuǎn)高于其他處理 ，土壤中碳含量迅速升高，而土壤酶活性與土壤碳濃度呈顯著正相關(guān)[25-26]，因此，T3、T4土壤酶活性相對(duì)較高。

表4 土壤酶活性與土壤微生物生物量碳、氮含量之間的相關(guān)系數(shù)

注：*、**分別表示在0.05、0.01水平顯著和極顯著相關(guān)。

綜上所述，混播配施微生物菌肥有利于增加有益酶活性，提高土壤微生物生物量，增強(qiáng)土壤生產(chǎn)力的可持續(xù)性，從而達(dá)到保護(hù)和改善土壤環(huán)境的效果。本試驗(yàn)表現(xiàn)突出的處理為T3與T4處理，即苜蓿與飼用高粱同行混播配施微生物菌肥以及苜蓿與飼用高粱間行混播配施微生物菌肥，且T3處理較T4處理更優(yōu)?；觳ゼ拔⑸锞实耐茝V能夠改善土壤性狀，為馬鈴薯提供倒茬作物，同時(shí)為內(nèi)蒙古地區(qū)提供充足飼草，對(duì)農(nóng)業(yè)與畜牧業(yè)發(fā)展意義重大。