施氮和覆膜對旱作春玉米農(nóng)田土壤微生物量和土壤酶活性的影響

朱利霞，岳善超，沈玉芳，李世清

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

黃土高原是我國典型的半干旱地區(qū)，但當(dāng)?shù)卦绱狠^低的溫度和缺水的現(xiàn)狀不利于作物的生長和產(chǎn)量的形成[1]。近年來，地膜覆蓋因其可以增加土壤溫度、保持土壤水分、提高作物產(chǎn)量而被廣泛應(yīng)用[2]。然而地膜覆蓋在增產(chǎn)的同時，也會增加土壤養(yǎng)分的消耗，減少有機(jī)物料在土壤中的殘留[3]。覆膜與施氮等可以通過改變土壤通透性、溫度、水分和養(yǎng)分狀況進(jìn)而影響土壤的微生物過程[4]，而土壤微生物量和酶活性對土壤狀況的響應(yīng)更為敏感[5]。目前有研究表明地膜覆蓋顯著增加土壤微生物量碳和酶活性，從而有利于土壤養(yǎng)分的有效化[6]，然而張成娥等[7]研究發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋顯著降低土壤微生物量。因此，土壤類型、肥力差異及地表植物的不同均可能引起地膜覆蓋對土壤微生物量和酶活性影響的差異。

化肥施用在糧食作物生產(chǎn)中有舉足輕重的作用，然而施肥條件下土壤微生物會通過改變自身基因表達(dá)等對其做出響應(yīng)[8]。研究表明氮肥可能增加[9]或降低[10]土壤微生物量或者對土壤微生物量沒有影響[11]，土壤酶活性的變化則與施氮量有密切的關(guān)系[12]。

由此可知，地膜覆蓋與施氮對土壤微生物量和酶活性影響的研究結(jié)論不盡一致，因此有必要進(jìn)一步開展地膜覆蓋和不同施氮量對土壤微生物影響的研究。另外，土壤碳、氮、磷的耦合在養(yǎng)分循環(huán)和利用中非常關(guān)鍵，土壤微生物可以通過對環(huán)境資源的消耗與自身元素的釋放對碳、氮、磷的比值產(chǎn)生影響[13]。為此本文在長期定位試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以連續(xù)種植春玉米的農(nóng)田土壤為對象，分析地膜覆蓋和施氮對土壤微生物量及相關(guān)酶活性的影響，并采用主成分分析法進(jìn)行評價，從生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)的角度研究土壤微生物量對長期地膜覆蓋和施肥的響應(yīng)，以期為該地制定合理的施肥措施和覆膜栽培下維持土壤微生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 田間定位試驗(yàn)

田間定位試驗(yàn)位于西北農(nóng)林科技大學(xué)長武國家農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站，地處黃土高原中南部陜甘交界處(北緯35°12′，東經(jīng)107°40′，海拔1 200 m)。該地氣候?yàn)榕瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，年均降水量584 mm，年均溫9.1℃，全年無霜期171 d，地下水埋深50～80 m。該地區(qū)屬典型旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，地帶性土壤為黑壚土，土體結(jié)構(gòu)疏松均勻。

田間定位試驗(yàn)從2009年開始，包括施氮和覆膜2個因子。施氮量分別為0(N0)、100(N100)、250 kg·hm-2(N250)和400 kg·hm-2(N400)，每個施氮水平下，分別有覆膜(F)與不覆膜(B)處理，共8個處理，各處理三次重復(fù)。供試玉米為先玉335，于每年4月下旬播種,9月下旬收獲，采用寬窄行、雙壟溝法種植。覆膜處理為周年全膜覆蓋，整個生育期不進(jìn)行灌溉。氮肥分三次施入，基肥在播種前施入，拔節(jié)期和抽雄期分別追肥，三次施肥按照4∶3∶3的比例施用，氮肥為含氮量46%的尿素。磷肥和鉀肥在播種前一次施入，磷肥選用12% P2O5的過磷酸鈣，以純磷量40 kg· hm-2的量施入土壤，鉀肥選用含45%K2O的硫酸鉀，以純鉀80 kg·hm-2的量施入土壤。

1.2 樣品采集與分析

于2014年7月中旬按照五點(diǎn)取樣法采集不同處理耕層(0～10 cm和10～20 cm)的土壤混合樣品，去除石礫、植物根系等可見雜物，混勻后帶回實(shí)驗(yàn)室并在4℃保存，一周內(nèi)測定土壤微生物量和土壤酶活性。

土壤微生物量碳氮用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定，微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)分別用以下公式計(jì)算：

MBC=EC/0.45，MBN=EN/0.54

其中,EC和EN分別為熏蒸土樣和未熏蒸土樣的碳、氮差值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，并采用最小顯著差法進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，采用主成分法分析較有利于土壤微生物活性的管理方式。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮和覆膜對旱作春玉米農(nóng)田土壤微生物量的影響

由表1可知，不覆膜條件下，與N0相比，0～10 cm和10～20 cm土層N100、N250和N400處理微生物量碳均顯著增加。與N0相比，N100土壤微生物量氮在0～10 cm和10～20 cm土層分別增加77.22%和38.79%，N250土壤微生物量氮在0～10 cm和10～20 cm土層分別增加174.30%和169.16%，而N400對微生物量氮無顯著影響。N100和N400顯著增加0～10 cm土層微生物量磷，分別增加28.33%和22.78%；N400處理10～20 cm土層微生物量磷顯著增加23.92%，而N100和N250無顯著變化。

在覆膜條件下，施氮顯著增加兩土層微生物量碳且隨施氮量的增加而增加，但N250與N400無顯著差異。兩土層微生物量氮隨施氮量的增加而增加，與N0相比，0～10 cm土層N100處理增加40.22%，而10～20 cm土層無顯著差異；N250與N400均顯著增加兩土層微生物量氮，但二者無顯著差異。施氮顯著增加兩土層中微生物量磷，0～10 cm土層中微生物量磷的大小為N250 > N400 > N100 > N0；與N0相比，10～20 cm土層中N100、N250和N400均顯著增加微生物量磷，而施氮處理間無顯著差異。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，覆膜顯著影響微生物量磷，施氮顯著影響微生物量碳、氮和磷，二者的交互作用顯著影響土壤微生物量氮和微生物量磷。

2.2 施氮和覆膜處理下土壤微生物量生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征

如表2所示，不覆膜條件下，與N0相比，0～10 cm土層N100和N250處理顯著降低微生物量碳氮比，N400處理微生物量碳氮比增加24.20%；10～20 cm土層N250處理微生物量碳氮比顯著降低而N400處理增加42.32%。與N0相比，0～10 cm土層N250和N400處理微生物量碳磷比分別增加61.63%和29.52%(P<0.05)，而N100無顯著變化；10～20 cm土層N100和N250微生物量碳磷比分別增加44.22%和42.78%(P<0.05)而N400無顯著變化。與N0相比，N100和N250均顯著增加0～10 cm和10～20 cm土層微生物量氮磷比，而N400無顯著差異。

表1不同施氮和覆膜處理對土壤微生物量的影響

Table 1 Effects of N fertilization and film mulching on soil microbial biomass

處理Treatment微生物量碳 MBC/(mg·kg-1)0～10 cm10～20 cm微生物量氮MBN/(mg·kg-1)0～10 cm10～20 cm微生物量磷MBP/(mg·kg-1)0～10 cm10～20 cm不覆膜No filmmulchingN0100.01±2.36c88.90±5.54b8.21±0.63c6.42±0.67c5.40±0.83b4.64±0.55bN100139.65±6.52b130.14±6.34a14.55±1.89b8.91±0.25b6.93±0.19a4.69±0.46bN250154.28±4.81a128.23±6.89a22.52±1.85a17.28±1.32a5.07±0.21b4.65±0.26bN400161.93±11.23a131.19±5.63a10.69±1.19c6.71±1.16c6.63±0.27a5.75±0.01a覆膜Film mulchingN0111.71±3.88c97.73±11.93c10.22±1.34c6.42±1.25b4.21±0.15d3.94±0.07bN100146.80±6.78b120.90±2.61b14.33±1.30b9.67±0.75b5.84±0.02c6.40±0.83aN250156.99±9.64ab134.21±5.55a 18.66±1.33a13.37±1.57a 8.91±0.11a5.27±0.20a N400167.73±4.81a138.25±4.20a20.80±3.32a14.72±3.26a 8.41±0.43b6.01±1.02a變異來源 Source of variance覆膜 Film mulching (F)N.S.N.S.*施氮 N fertilization (N)*********覆膜×施氮 (F×N)Film mulching×N fertilizationN.S.******

注：同列不同字母表示處理間差異達(dá)到顯著性水平(P<0.05)。表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=3)。***，**，*分別表示在P<0.001,P<0.01,P<0.05水平上差異顯著，N.S.表示差異不顯著。下同。

Note: different letters in the same column under B or F treatment indicate significant difference atP<0.05. values with means±standard deviation (n=3). ***, ** and * indicate significant difference atP<0.001,P<0.01 andP<0.05, respectively. N.S. indicates no difference. MBC-microbial biomass C;MBN-microbial biomass N; MBP-microbial biomass P. The same below.

覆膜條件下，與N0相比施氮在一定程度上降低微生物量碳氮比，0～10 cm土層N100和N400處理微生物量碳氮比分別降低28.66%和25.95%(P<0.05)，10～20 cm土層N250和N400處理顯著降低微生物量碳氮比而N100無顯著差異。與N0相比，N250和N400顯著降低0～10 cm土層微生物量碳磷比而N100無顯著差異，10～20 cm土層施氮對微生物量碳磷比無顯著影響。與N0相比，0～10 cm土層N100微生物量氮磷比增加31.69%，N250降低33.75%而N400無顯著差異；10～20 cm土層各處理微生物量氮磷比無顯著差異。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，覆膜顯著影響土壤微生物量碳氮比，施氮則顯著影響土壤微生物量碳氮比和微生物量氮磷比，二者的交互作用對土壤微生物量計(jì)量比均有顯著影響。

2.3 施氮和覆膜對旱作春玉米農(nóng)田土壤酶活性的影響

如表3所示，在不覆膜條件下，與N0相比，N250和N400處理均顯著增加0～10 cm土層脲酶活性，且N400處理顯著高于N250處理，在10～20 cm土層N250處理顯著增加脲酶活性；與N0相比，N100、N250和N400處理對0～10 cm土層堿性磷酸酶活性無顯著影響，在10～20 cm土層N100處理顯著降低堿性磷酸酶活性，N250處理堿性磷酸酶活性無顯著變化，而N400處理顯著增加堿性磷酸酶活性。

覆膜條件下，N400處理顯著增加0～10 cm土層脲酶活性，而10～20 cm土層施氮對脲酶活性無顯著影響。0～10 cm土層堿性磷酸酶活性大小為N400>N100>N0>N250，N400與N100處理顯著高于N250處理，10～20 cm土層僅處理N400顯著增加堿性磷酸酶活性。綜上所述，覆膜對土壤脲酶活性無顯著影響而顯著影響堿性磷酸酶活性，施氮可以顯著影響土壤脲酶活性和堿性磷酸酶活性，二者的交互作用顯著影響堿性磷酸酶活性。

表2 不同施氮與覆膜處理對土壤微生物量生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征的影響

表3 不同施氮和覆膜處理對土壤脲酶和堿性磷酸酶活性的影響

2.4 土壤微生物活性的綜合評價

相關(guān)性分析結(jié)果表明土壤微生物量碳與微生物量氮呈顯著正相關(guān)(r=0.888，P<0.01),微生物量碳與堿性磷酸酶呈顯著正相關(guān)(r=0.414，P<0.05)，微生物量氮和微生物量磷呈顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.734，P<0.01)。由此可知，不同變量之間還存在信息上的交疊，需進(jìn)行主成分分析。

由表4可知，不覆膜條件下，第一主成分的方差貢獻(xiàn)率為49.08%，第二主成分的方差貢獻(xiàn)率為22.78%，累積貢獻(xiàn)率為71.86%，可以用前兩個主成分反映土壤微生物活性的信息。第一主成分主要綜合了微生物量碳和脲酶的變異信息；第二主成分主要綜合了微生物量氮的信息。覆膜條件下，第一主成分的方差貢獻(xiàn)率為63.44%，第二主成分的貢獻(xiàn)率為21.26%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為84.70%。第一主成分綜合了土壤微生物量碳、氮和磷及脲酶的信息，第二主成分則綜合了堿性磷酸酶的信息。根據(jù)第一、二主成分特征值和載荷系數(shù)計(jì)算得到不同施氮量土壤微生物活性的綜合得分(表5)。不覆膜與覆膜條件下，根據(jù)主成分綜合得分值(FS)可知土壤微生物活性的順序均為N250>N400>N100>N0，覆膜在一定程度上降低了低施氮量土壤微生物的活性而對高施氮量土壤微生物活性有一定的促進(jìn)。

3 討 論

3.1 覆膜及施氮對土壤微生物量及其計(jì)量學(xué)特征的影響

作為土壤物質(zhì)和能力循環(huán)轉(zhuǎn)化的動力，土壤微生物量的變化可以反映土地利用方式的差異。本研究中覆膜對土壤微生物量碳、氮均無影響，這與于樹等[15]的研究一致。覆膜后土壤微生物量較不覆膜有所增加，這表明覆膜后微生物對氮的固定作用相對增強(qiáng)。覆膜后土壤水熱狀況發(fā)生變化，提高了土壤養(yǎng)分的活性，覆膜減少了雨水等對土壤的直接沖擊使其保持相對較好的透氣性和透水性。土壤微生物處于一種相對有利的環(huán)境中，生長繁殖相對較快，而適宜的條件也降低了微生物的礦化，另外作物生長過程中對營養(yǎng)元素的競爭作用，使有機(jī)質(zhì)的消耗增加，從而抑制微生物的活動[16]，最終土壤微生物量碳氮保持相對穩(wěn)定的水平[15]。與侯慧芝等[17]的結(jié)果一致，本試驗(yàn)中覆膜顯著增加土壤微生物量磷，這可能是由于覆膜后改善的土壤條件使土壤微生物大量繁殖，促進(jìn)了微生物對土壤中磷素的固定，從而提高了微生物量磷的含量。覆膜后N400處理微生物量氮有所增加而N250處理則有所降低，微生物量磷則表現(xiàn)出與微生物量氮不一致的趨勢，這表明覆膜后土壤微生物對氮和磷的固定作用發(fā)生改變，氮肥的激發(fā)效應(yīng)使得氮磷的固定與礦化作用更為明顯。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)覆膜可以顯著增加土壤微生物量氮[16]或降低微生物量碳、氮和磷[7]。目前關(guān)于覆膜對土壤微生物量的影響還沒有一致的結(jié)論，這可能與土壤類型、采樣時間、作物種類等的不同有關(guān)。

表4 覆膜與不覆膜條件下主成分分析中各因子的載荷矩陣、特征根及其方差貢獻(xiàn)率

表5 不覆膜與覆膜條件下各處理的因子得分及其土壤質(zhì)量綜合指數(shù)

施氮可以增加植物的生物量，從而有更多的凋落物返還到土壤中，為微生物的活動提供充足的物質(zhì)和能量來源[18]。與Shen等[8]的結(jié)果一致，本研究表明覆膜與不覆膜條件下土壤微生物量碳、氮均隨施氮量增加而增加，這可能是由于施氮促進(jìn)了作物的生長進(jìn)而促進(jìn)土壤中有機(jī)碳的降解，為微生物提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)，養(yǎng)分礦化作用增強(qiáng)，從而增加微生物的同化作用增加了微生物量。然而氮肥降低土壤微生物量[19]或長期施用化肥對微生物量無顯著影響[20]的結(jié)果也有報道，這些研究結(jié)果的不一致可能與土壤類型、肥料用量和采樣時間等有關(guān)。本研究中施氮量為400 kg·hm-2時，土壤微生物量增加不顯著或下降，可能是由化肥對土壤微生物的直接毒害作用引起的[21]。

土壤微生物量碳氮比反映了土壤的氮素供應(yīng)能力，一般與氮素的生物有效性成反比。本試驗(yàn)中微生物量碳氮比略高于黃土高原農(nóng)田土壤微生物碳氮比(一般為6.13～8.45)[22]，這表明試驗(yàn)地土壤的氮素有效性較低。本研究中施氮與覆膜均顯著降低了土壤微生物量碳氮比，不覆膜條件下，N250處理微生物量碳氮比最低，表明土壤具有較高的氮素有效性，有利于作物對氮素的吸收；而覆膜條件下N400處理微生物量碳氮比顯著降低，表明覆膜改變了土壤中微生物的活性。另外，微生物量碳氮比還可以反映土壤微生物種類和組成，細(xì)菌、放線菌和真菌的碳氮比分別為5、6和10[23]，因此本研究土壤中真菌的含量可能相對豐富。微生物量碳磷比和微生物量氮磷比與微生物群落結(jié)構(gòu)的相關(guān)性還不十分明確，但是微生物碳磷比可用于評價土壤微生物對磷素的釋放或吸收[24]。本研究中覆膜和施氮對微生物量碳磷比均無顯著影響，然而施氮顯著增加了土壤微生物量碳，這表明施氮條件下土壤微生物對碳源的固定和對磷的同化作用及與作物競爭磷的作用保持相對穩(wěn)定的水平[25]。

3.2 覆膜及施氮對土壤酶活性的影響

本研究表明覆膜對脲酶活性無顯著影響，這與吳宏亮等[26]的研究一致，覆膜條件下土壤水熱條件的改變使得土壤不能為脲酶提供充足的物質(zhì)與能量來源，因此土壤脲酶活性無顯著變化。然而，王靜等[27]發(fā)現(xiàn)地膜覆蓋可以顯著提高脲酶活性。本研究還表明覆膜顯著降低堿性磷酸酶活性，堿性磷酸酶活性的強(qiáng)弱與土壤的pH值有關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)覆膜后土壤pH值顯著下降，而pH值的下降利于土壤中磷的釋放，從而增加土壤中無機(jī)磷的含量并抑制堿性磷酸酶的活性，這與前人研究結(jié)果基本一致[28]。然而關(guān)于覆膜可以增加堿性磷酸酶活性[27]的結(jié)果也有報道。由于脲酶和堿性磷酸酶的特殊性，土壤養(yǎng)分、水熱狀況和作物生長等可能引起其活性的差異，從而導(dǎo)致覆膜對其活性影響的研究結(jié)果不一致。覆膜后，在高施氮量下土壤酶活性顯著降低，而在不施氮和低施氮量下土壤酶活性降低不顯著。由此可見，覆膜對土壤酶活性的影響比較復(fù)雜，酶活性降低的原因可能是覆膜后土壤濕度增加，降低了尿素的濃度[29]。

脲酶是唯一對尿素的轉(zhuǎn)化作用有重要影響的胞外酶，其活性可以指示土壤的氮素狀況。本研究中脲酶和堿性磷酸酶均受到氮肥的顯著影響，且氮肥的施用均提高了土壤的酶活性。脲酶活性表現(xiàn)出隨施氮量增加而增加的趨勢，這可能是由于氮肥的施用為脲酶提供了充足的底物，但過量施用氮肥會增加氨揮發(fā)的風(fēng)險[30]。本研究中與脲酶活性相似，堿性磷酸酶的活性也呈現(xiàn)出隨施氮量的增加而增加的趨勢，但是施氮處理間堿性磷酸酶活性增加不顯著，可能是由于化肥用量的增加一方面加快了土壤有機(jī)質(zhì)的礦化，影響了土壤微生物的生長，另一方面提高了土壤的鹽分含量，在一定程度上抑制了堿性磷酸酶活性[31]。

3.3 覆膜和施氮處理下土壤微生物活性綜合評價

對土壤微生物活性的綜合評價表明，相同施氮量下土壤覆膜與否對微生物活性呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律：N250>N400>N100>N0，即施氮量為250 kg·hm-2時土壤微生物活性最大，而不施氮時土壤微生物活性最小。施氮量為250 kg·hm-2時土壤微生物活性高于施氮量為400 kg·hm-2，表明適量施氮對土壤微生物活性的提高最為有利，而過量施氮則無法取得較為理想的激活效果，這可能是由于高量施氮使土壤酸化[32]，進(jìn)而降低土壤的微生物活性。我們以前的研究表明施氮量為250 kg·hm-2時玉米產(chǎn)量最高，且N250 kg·hm-2的溫室氣體增溫潛勢顯著低于其他施氮水平[33]，綜合考慮經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益，施氮量為250 kg·hm-2是該地區(qū)適宜的施氮水平。

4 結(jié) 論

1)覆膜和不覆膜條件下，土壤微生物量基本上隨施氮量的增加而增加，施氮量高于250 kg·hm-2時，土壤微生物量碳、氮的差異不顯著。覆膜顯著增加土壤微生物量磷，且以0～10 cm土層覆膜條件下施氮250 kg·hm-2增加最為顯著。

2)覆膜和不覆膜條件下，土壤脲酶和堿性磷酸酶均隨施氮量的增加而增加，施氮量高于250 kg·hm-2時堿性磷酸酶活性有所下降。覆膜與否，施氮量250 kg·hm-2是該地區(qū)適宜的氮肥用量，且有利于土壤肥力的維持和土壤的可持續(xù)利用。