菌渣化肥配施對(duì)稻田土壤微生物量碳氮和可溶性碳氮的影響

石思博,王旭東,葉正錢,陳 績(jī),龔 臣,李 婷,任澤濤

浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院/浙江省污染土壤修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 311300

稻田土壤在亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中占居主要地位,較其他土地利用方式能儲(chǔ)存更多的有機(jī)碳氮[1]。碳、氮是土壤中重要的兩大要素,反映著土壤的質(zhì)量狀況和肥力水平。其中土壤微生物量碳、氮和可溶性碳、氮是土壤碳氮庫(kù)中最活躍的組分,反映土壤受干擾的程度[2],在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中其數(shù)量及變化受施肥、耕作、土地利用方式等多種措施的影響[3- 4],尤其是外源有機(jī)物料的添加及化肥的施用[5]。而菌渣作為一種有機(jī)物料,含有大量的主菌絲殘?bào)w、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素以及豐富的氨基酸、多糖等營(yíng)養(yǎng)元素[6],目前卻因營(yíng)養(yǎng)價(jià)值認(rèn)識(shí)不足和開發(fā)技術(shù)滯后往往被隨地丟棄或燃燒,導(dǎo)致目前菌渣利用率僅為33%[7]。不僅造成了資源的極大浪費(fèi), 而且還會(huì)增加空氣中霉菌孢子和害蟲的數(shù)量, 污染生態(tài)環(huán)境。因而研究菌渣還田對(duì)稻田土壤微生物量碳、氮和可溶性碳、氮的影響,不僅可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物高效生態(tài)資源化利用,而且還能改善土壤質(zhì)量,增加土壤養(yǎng)分,具有重要的理論和實(shí)踐意義。

已有研究表明,菌渣化肥配施不僅可以緩解土壤酸化,增加土壤有機(jī)碳和有機(jī)氮的含量,而且還能增加土壤團(tuán)聚體數(shù)目和提高土壤速效養(yǎng)分[8]。溫廣嬋等研究發(fā)現(xiàn),配施菌渣有利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累,提高土壤有效磷和速效鉀的供給[9],對(duì)水稻生育期內(nèi)土壤養(yǎng)分和水稻生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用[10]。張澤等人對(duì)菌渣添加后土壤質(zhì)量改善的效果和機(jī)制進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),菌渣還田能夠增加土壤中微生物群落的規(guī)模,從根本上有利于土壤質(zhì)量的改善,同時(shí)還增強(qiáng)了土壤潛在的抑病能力[11]。此外,黃春等人對(duì)菌渣還田后土壤酶活性的變化進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)菌渣還田對(duì)土壤脲酶、過(guò)氧化氫酶、轉(zhuǎn)化酶、磷酸酶活性以及作物產(chǎn)量都有顯著的影響[12]。

綜上所述,以往對(duì)菌渣還田的研究多集中在土壤的碳氮含量以及提升土壤肥力方面,菌渣還田后在土壤中的轉(zhuǎn)化是有微生物主導(dǎo)的,然而,菌渣還田后土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)速度和微生物活性,以及土壤氮素的可利用性和有效性目前還不清楚。因此,本研究采用大田實(shí)驗(yàn)的方法,以桑枝屑袋料種植黑木耳后的菌渣為研究對(duì)象,設(shè)置不同菌渣與化肥配施比例處理,研究菌渣化肥配施對(duì)土壤微生物量碳、氮和可溶性碳、氮的影響,及其占土壤有機(jī)碳、全氮的比例與相關(guān)關(guān)系,以期為評(píng)價(jià)菌渣對(duì)稻田土壤質(zhì)量的影響和合理利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和處理

本試驗(yàn)于2016年6—12月在浙江省嘉興市秀洲區(qū)王店鎮(zhèn)五浪園定位大田進(jìn)行(30°37′—30°40′N,120°39′—120°44′E)。該地屬于東亞季風(fēng)區(qū),冬夏季風(fēng)交替顯著,四季分明,氣候溫和,年平均降水量1168.6 mm,年平均日照2017.0 h,常年平均氣溫15.9°C。供試土壤在定位試驗(yàn)前(2010年)的基本理化性質(zhì)為：pH 6.80,有機(jī)質(zhì)25.16 g/kg,堿解氮94.29 mg/kg,有效磷37.01 mg/kg,速效鉀127.22 mg/kg。選擇收獲黑木耳后廢棄的桑枝屑菌渣發(fā)酵后的產(chǎn)物作為供試菌渣。主要成分為：有機(jī)碳含量451.8 g/kg,全氮含量11.4 g/kg,全磷含量1.0 g/kg,全鉀含量6.0 g/kg,C/N為39.6。供試水稻品種為甬優(yōu)1540。2016年6月5日播種育苗,7月3日插秧移栽秧苗,2016年12月07日收獲。

本試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)化肥施用水平,3個(gè)菌渣還田水平共9個(gè)處理。試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),共有27個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)面積為20 m2。施用菌渣的量分別為0、10、20 t/hm2,分別記為0(對(duì)照),50%,100%;化肥用量分別為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量的0,50%,100%。各處理具體見表1。輪作制度為單季稻-休閑方式。水稻移栽前按照比例將處理后的菌渣和化肥(基肥)結(jié)合翻耕施入土壤中。常規(guī)化肥100%量施用量具體如下：基肥施碳酸氫銨(含氮量17%)20 kg/666.7m2;分蘗初期(7月23日)追施尿素(含氮量46%)10 kg/666.7m2;分蘗盛期(8月4日)追施控釋復(fù)合肥(N∶P∶K=22∶11∶13)15 kg/666.7m2,50%化肥處理則減半進(jìn)行。其他田間管理按照常規(guī)栽培技術(shù)要求進(jìn)行。試驗(yàn)前后土壤基本理化性質(zhì)見表2和表3。

表1 試驗(yàn)處理

表2 試驗(yàn)前土壤基本理化性質(zhì)

不同小寫字母表示不同處理在P<0.05水平差異顯著

表3 試驗(yàn)后土壤基本理化性質(zhì)

1.2 樣品采集及分析方法

土壤樣品于水稻收獲后(2016年12月07日)在各個(gè)小區(qū)0—20 cm土層多點(diǎn)采集土壤,部分土樣通風(fēng)陰干后用于常規(guī)土壤理化性質(zhì)分析;同時(shí)取另一部分新鮮土樣剔除根系及有機(jī)殘?bào)w后,進(jìn)行土壤微生物量碳氮和可溶性碳氮的分析。

土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、pH、堿解氮、有效磷、速效鉀采用常規(guī)的土壤農(nóng)化分析方法測(cè)定[13];可溶性碳氮按水土比為2∶1體積比浸提,然后用有機(jī)碳氮分析儀直接測(cè)定得到的浸提液[14];微生物量碳氮用氯仿熏蒸法測(cè)定[15]。首先稱取新鮮土樣6份放入燒杯中,然后將其3份置于底部有少量 NaOH、200 mL水和去乙醇氯仿的真空干燥器中,抽真空后保持氯仿沸騰3—5 min,然后,將干燥器移置在黑暗條件下25℃熏蒸土壤24 h,再次抽真空完全去除土壤中的氯仿。將熏蒸好的土壤轉(zhuǎn)移到200 mL提取瓶中,加入0.5 mol/L K2SO4浸提液(水∶土質(zhì)量比為5∶1)。另外3份做未熏蒸空白試驗(yàn),每份重復(fù)3次,分別測(cè)定浸提液中的有機(jī)碳和全氮含量,由熏蒸與未熏蒸土樣有機(jī)碳氮的差值除以轉(zhuǎn)換系數(shù),計(jì)算得到微生物量碳氮,微生物量碳氮的轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.45[16]。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

圖表及數(shù)據(jù)處理采用Origin 8.5和SPSS 18.0進(jìn)行分析,不同處理有機(jī)碳、全氮、微生物量碳、微生物量氮、可溶性碳和可溶性氮采用雙因素方差分析和Duncan法進(jìn)行分析比較,各個(gè)指標(biāo)之間采用Pearson相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌渣化肥配施對(duì)土壤微生物量碳、氮的影響

圖1和圖2表明,土壤微生物量碳、氮的含量分別在146.34—219.42 mg/kg和28.12—86.39 mg/kg之間變化。與對(duì)照相比,菌渣處理的土壤微生物量碳、氮含量明顯增加,最高增幅分別為49.40%(C100F50)和207.19%(C50F100)。在化肥施用C0、C50和菌渣施用F0、F50水平下,微生物量碳、氮均隨菌渣和化肥施用量的增加而增加,其中微生物量碳平均增幅分別為17.20%、10.95%和11.70%、8.94%。微生物量氮平均增幅分別為67.83%、44.25%和40.34%、16.78%,但在化肥施用C100和菌渣施用F100水平下,微生物量碳、氮均先增加后減少。

圖1 菌渣化肥配施對(duì)土壤微生物量碳的影響Fig.1 Effects of combination of fungal residue with chemical fertilizer on MBC不同小寫字母表示不同處理在P<0.05水平差異顯著

圖2 菌渣化肥配施對(duì)土壤微生物量氮的影響Fig.2 Effects of combination of fungal residue with chemical fertilizer on MBN

從圖3可以看出,MBC/MBN在2.46—5.22之間變化,與對(duì)照相比,施用菌渣各處理MBC/MBN 普遍降低。在化肥施用C0、C50和菌渣施用F0、F50水平下,MBC/MBN均隨著菌渣和化肥施用量的增加而降低,平均減幅分別為20.80%、23.01%和20.35%、6.72%。但在化肥施用C100和菌渣施用F100水平下,MBC/MBN均先減少后增加。

2.2 菌渣化肥配施對(duì)土壤可溶性碳、氮的影響

圖4和圖5表明,土壤可溶性碳、氮的含量分別在235.27—337.97 mg/kg和10.61—19.48 mg/kg之間變化。與對(duì)照相比,菌渣化肥配施提高了土壤中可溶性碳、氮的含量,最高增幅分別為43.65%(C100F50)和83.52%(C100F50)。在化肥施用C0、C50和菌渣施用F0、F50水平下,可溶性碳、氮均隨著菌渣和化肥施用量的增加而增加,其中可溶性碳的平均增幅分別為12.05%、8.35%和9.88%、14.55%?？扇苄缘钠骄龇謩e為31.77%、13.90%和11.82%、48.25%。在化肥施用C100水平下,可溶性碳、氮均先增加后減少。但在菌渣施用F100水平下,可溶性碳先增加后減少,而可溶性氮?jiǎng)t是先減少后增加。

從圖6可以看出,DOC/DON在16.06—24.37之間變化,與對(duì)照相比,施用菌渣的各處理DOC/DON普遍降低。在化肥施用C0、C50和C100水平下,DOC/DON均有所降低,其中最大減幅為C0F100處理,相比對(duì)照減少了28.18%,同時(shí),在菌渣施用F0、F50和F100平下,DOC/DON均先增加后減少。

圖4 菌渣化肥配施對(duì)土壤可溶性碳含量的影響Fig.4 Effects of combination of fungal residue with chemical fertilizer on DOC

圖5 菌渣化肥配施對(duì)土壤可溶性氮含量的影響Fig.5 Effects of combination of fungal residue with chemical fertilizer on DON

圖6 菌渣化肥配施對(duì)土壤可溶性碳氮比的影響Fig.6 Effects of combination of fungal residue with chemical fertilizer on DOC/DON

2.3 土壤微生物量碳氮和可溶性碳氮與土壤有機(jī)碳和全氮的相關(guān)性分析

圖7表明,MBC/SOC和DOC/SOC分別在0.90%—1.65%和1.36%—2.55%之間變化,且分別在C50F0和C100F0最高,均在C100F100最低。與單施化肥相比,菌渣化肥配施處理MBC/SOC和DOC/SOC均有所下降,且在F100水平下降低幅度最大。

圖8表明,MBN/TN和DON/TN分別在3.05%—5.67%和0.73%—1.49%之間變化,且均在C100F50最高,分別在C0F0和C50F100最低。菌渣化肥配施,MBN/TN明顯均高于對(duì)照,且呈波動(dòng)增加趨勢(shì),但在C100F100處理下,MBN/TN增幅突然降低,只比對(duì)照增加了0.03%。與此相反,菌渣化肥配施,除C100F50處理外,DON/TN明顯均低于對(duì)照,且呈波動(dòng)降低趨勢(shì),較低的C50F100處理和C100F100處理與對(duì)照相比分別減少了0.37%和0.36%。

從表4可以看出,菌渣化肥配施對(duì)土壤微生物量碳、氮和可溶性碳、氮均存在極顯著正交互作用。MBC和MBN、DOC和DON、DOC+MBC和DON+MBN之間均呈極顯著正相關(guān)。MBC、MBN和SOC、TN均呈極顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.71,0.63,0.77和0.70。DOC和SOC、TN均呈極顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.62和0.53。DON與SOC呈極顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.56,與TN呈顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.41。

圖7 土壤微生物量碳和可溶性碳占有機(jī)碳的比例Fig.7 Ratios of MBC and DOC to SOC

圖8 土壤微生物量氮和可溶性氮占全氮的比例Fig.8 Ratios of MBN and DON to TN

因子 FactorSOCTNDOCDONMBCMBNDOC+MBCDON+MBNSOC10.83**0.62**0.56**0.71**0.77**0.67**0.77**TN10.53**0.41*0.63**0.70**0.58**0.69**DOC10.75**0.92**0.85**0.99**0.87**DON10.73**0.68**0.75**0.76**MBC10.95**0.97**0.96**MBN10.91**0.99**DOC+MBC10.93**DON+MBN1F**ns************C****************F×C**ns************

SOC:有機(jī)碳Soil organic C;TN:全氮Total nitrogen;DOC:可溶性碳Dissolved organic C;DON:可溶性氮Dissolved organic N;MBC:微生物量碳Microbial biomass C;MBN:微生物量氮Microbial biomass N;C:化肥Chemical fertilizer;F:菌渣Fungal residue;ns:不相關(guān)Unrelated;*:顯著相關(guān)Significant correlation(P<0.05);**:極顯著相關(guān)Highly significant correlation(P<0.01)

3 討論

3.1 菌渣化肥配施對(duì)土壤微生物量碳、氮的影響

土壤微生物量碳、氮是土壤微生物量的重要表征,是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過(guò)程中一個(gè)重要的活性源和匯[17]。有研究表明,與單施化肥相比,有機(jī)肥和化肥配施更能提高土壤微生物量碳、氮含量[18],本研究發(fā)現(xiàn),在化肥施用C0和C50和菌渣施用在F0和F50水平下,微生物量碳、氮含量均呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì),但在C100和F100水平下均先增加后減少,這一方面可能是因?yàn)榫旧砗写罅康牡?而土壤微生物量會(huì)隨著氮素的增加反而減少[19]。另一方面可能是由于化肥施用后對(duì)土壤環(huán)境產(chǎn)生影響,抑制了微生物的活性[20]。

土壤微生物量碳氮比(MBC/MBN)可用來(lái)表征土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征,也可用作土壤氮素供應(yīng)能力和有效性的評(píng)價(jià)指標(biāo)[21]。當(dāng) MBC/MBN 值較小時(shí),土壤氮素的生物有效性比較高[22]。本研究發(fā)現(xiàn),不同處理 MBC/MBN的大小順序與微生物量碳、氮的順序基本相反,不施肥處理最高,菌渣化肥配施的處理較低,說(shuō)明與菌渣化肥配施處理相比,單施化肥處理下的水稻吸氮量較大,土壤有效氮含量較低,MBC/MBN較高[23]。同時(shí)在C100水平下,C100F50和C100F100相比于單施化肥的C100F0有所降低,而在F100水平下,C50F100和C100F100相比于單施菌渣的C0F100有所增加。這可能是由于菌渣本身的碳氮比含量較高,微生物分解需要更多的化肥氮或來(lái)自土壤的礦質(zhì)氮。

3.2 菌渣化肥配施對(duì)土壤可溶性碳、氮的影響

研究DOC/DON變化有利于深入了解土壤中DOC及DON的來(lái)源及其轉(zhuǎn)化[29],DOC/DON越高,微生物活性也越高[30]。本研究表明,在化肥施用C0、C50和C100水平下,DOC/DON隨著菌渣施用量的增加均有所降低,其中最大減幅為C0F100處理,說(shuō)明高量菌渣的施用不利于土壤微生物活性。而在菌渣施用F0、F50和F100平下,DOC/DON均先增加后減少。說(shuō)明DOC/DON在菌渣施用F50水平下與化肥配施高于在F100平下。這一方面可能是因?yàn)榫腃/N 較高,不適于微生物分解[31],另一方面可能是因?yàn)楦吡烤逝涫┰谔岣逥OC含量的同時(shí),可能更有利于提高DON含量,從而導(dǎo)致土壤DOC/DON降低[32]。

3.3 土壤微生物量碳氮和可溶性碳氮與土壤有機(jī)碳和全氮的相關(guān)性

土壤微生物量碳與有機(jī)碳的比值(MBC/SOC)可以作為有機(jī)碳生物有效性指標(biāo),而土壤中可溶性碳與有機(jī)碳的比值(DOC/SOC)可反映土壤微生物量的活性[33]。有研究表明,有機(jī)物的投入能提高M(jìn)BC/SOC和DOC/SOC[34]。而本研究發(fā)現(xiàn),菌渣化肥配施降低了MBC/SOC和DOC/SOC,說(shuō)明雖然高量菌渣化肥配施后土壤有機(jī)碳最高,但有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)速度和微生物活性卻可能會(huì)降低[35]。這可能是因?yàn)榫逝涫┖笸寥牢⑸锪刻嫉脑鲩L(zhǎng)幅度低于土壤有機(jī)碳的增長(zhǎng)幅度,土壤有機(jī)碳易分解組分所占比例較小,有機(jī)碳較為穩(wěn)定,目前處于積累階段[36]。

土壤微生物量氮和可溶性氮占全氮的比例(MBN/TN、DON/TN)能夠反映出土壤氮素的可利用性[37]。韓曉日等研究認(rèn)為,有機(jī)肥與化肥配合施用比單獨(dú)施用化肥能降低MBN/TN,與單施有機(jī)肥相比能提高M(jìn)BN/TN[38]。本研究發(fā)現(xiàn),菌渣化肥配施提高了MBN/TN,但是在C100F100處理下增幅突然降低。與此相反,隨著菌渣化肥配施DON/TN呈波動(dòng)降低趨勢(shì)。說(shuō)明雖然高量菌渣化肥配施后土壤全氮含量最高,但土壤氮素的可利用性卻可能會(huì)降低。這一方面可能是因?yàn)榕c化肥相比,菌渣可以為微生物生長(zhǎng)提供較多的氮素。另一方面可能是菌渣施用會(huì)提高土壤中微生物的數(shù)量和活性,從而抑制土壤氮素的礦化,增加對(duì)氮素的同化作用,使更多的銨態(tài)氮進(jìn)入土壤活性有機(jī)氮庫(kù)中[39- 40]。

有研究表明,MBC、MBN、DOC、DON和SOC及其TN均呈極顯著正相關(guān)[41- 42]。本研究發(fā)現(xiàn),MBC、DOC與SOC、MBN與TN呈極顯著正相關(guān),而DON和TN呈顯著正相關(guān),說(shuō)明可溶性氮和全氮的相關(guān)性低于微生物量氮。這可能是由于微生物量氮主要是蛋白質(zhì)、氨基酸、核酸等,非常容易分解,能直接通過(guò)礦化作用轉(zhuǎn)化為速效的無(wú)機(jī)氮。而可溶性氮?jiǎng)t主要由硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和少量有機(jī)態(tài)氮組成,它們可隨水徑流或淋溶而流失,移動(dòng)性相對(duì)較強(qiáng)[43]。

4 結(jié)論

菌渣化肥配施顯著提高了土壤微生物量碳、氮和可溶性碳、氮的含量,但高量菌渣化肥配施對(duì)土壤微生物量碳、氮和可溶性碳、氮的貢獻(xiàn)較其他處理低。菌渣化肥配施均有利于土壤氮素供應(yīng)能力和生物有效性的提高,雖然高量菌渣化肥配施后土壤有機(jī)碳、全氮含量最高,但有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)速度、微生物活性和氮素的可利用性卻可能會(huì)降低。從相關(guān)程度看,MBC、DOC與SOC,MBN與TN均呈極顯著正相關(guān),DON和TN呈顯著正相關(guān),MBC和MBN、DOC和DON、DOC+MBC 和DON+MBN 之間均呈極顯著正相關(guān)。因此,菌渣化肥配施能夠顯著提高土壤微生物量碳、氮和可溶性碳、氮含量,但不是隨著用量的增加一直呈增加趨勢(shì),高量菌渣或者化肥下會(huì)有降低趨勢(shì),適宜的菌渣化肥配施是提高土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)速度、微生物活性及其氮素供應(yīng)能力和有效性的最佳選擇。