長(zhǎng)期施肥對(duì)黃壤旱地及水田土壤微生物生物量碳、氮的影響

安世花，羅安煥，王小利，夏 東，王興凱，段建軍，張雅蓉，蔣太明

(1.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025； 2.貴州大學(xué) 煙草學(xué)院/貴州省煙草品質(zhì)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025； 3.農(nóng)業(yè)部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，貴州 貴陽(yáng) 550006)

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的重要指標(biāo)，而微生物作為土壤有機(jī)質(zhì)與養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力，可以反映土壤有效養(yǎng)分狀況及其生物活性[1-2]。微生物生物量是指土壤有機(jī)質(zhì)中有生命的成分，以土壤微生物生物量碳(SMBC)、土壤微生物生物量氮(SMBN)最具代表，反映土壤能量循環(huán)和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)移與運(yùn)輸。微生物熵(qMB)是指SMBC含量與土壤有機(jī)碳(SOC)含量的比值，能夠反映土壤中的SOC向SMBC轉(zhuǎn)化的效率，指示土壤的健康變化情況[3-4]。

SMBC、SMBN作為土壤質(zhì)量的生物學(xué)指標(biāo)[5]，其含量受溫度、水分、pH值、土地利用方式、施肥等因素的影響[6-9]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于土壤微生物的研究較多，如BOLAN等[10]研究表明，有機(jī)肥替代部分化肥，不僅能為作物提供豐富的微量元素，還能調(diào)節(jié)土壤水分、養(yǎng)分、空氣質(zhì)量、土壤溫度、微生物活性。LI等[11]就施肥對(duì)黏壤土微生物特性的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明，與單施化肥相比，不同有機(jī)肥配施(豬糞+化肥、玉米秸稈還田+化肥、豬糞+玉米秸稈還田+化肥)均能提高土壤微生物活性，也提高了SMBC、SMBN含量、SMBC/SMBN值、qMB值。同時(shí)，LI等[12]研究表明，與不施肥相比，單施化肥、豬糞有機(jī)肥配施化肥、玉米秸稈配施化肥均能增加潮土中SMBC、SMBN含量、qMB值及SMBC/SMBN值，而高量豬糞有機(jī)肥配施化肥的效果最好。LOVELL等[13]研究顯示，草地(粉質(zhì)黏壤土)不施肥處理的SMBC、SMBN含量顯著高于施氮肥處理，其原因可能是短期(1 a)試驗(yàn)中，微生物量對(duì)施肥量變化的響應(yīng)較小或根本不存在。GOYAL等[14]研究表明，砂壤土(69%的沙子、17%的淤泥、14%的黏土)中土壤有機(jī)質(zhì)及可礦化碳、氮含量隨施肥量增加而增加，而SMBC、SMBN含量以無(wú)機(jī)肥配施有機(jī)肥最高。侯化亭等[15]研究表明，SMBC、SMBN含量受施肥水平和土壤碳、氮平衡的影響，且均隨施肥量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。徐一蘭等[1]研究表明，與不施肥處理相比，長(zhǎng)期不同施肥處理均能提高SMBC、SMBN含量和qMB值。王穎[16]研究表明，不同施肥處理對(duì)黃土SMBC、SMBN含量的影響差異較小，以有機(jī)肥、無(wú)機(jī)肥配施處理最高。姜佰文等[17]研究表明，在白漿土上有機(jī)肥、無(wú)機(jī)肥配施有利于提高SMBC、SMBN含量。柳玲玲等[18]和郭振等[19]研究表明，長(zhǎng)期施肥均可提高黃壤旱地和水田SMBC、SMBN含量，其中，在旱地上長(zhǎng)期施肥對(duì)SMBC、SMBN含量的影響趨勢(shì)一致，均以有機(jī)肥、無(wú)機(jī)肥配施效果最好，在水田中SMBC、SMBN含量分別以有機(jī)肥、化肥配施處理及單施有機(jī)肥處理增加最多。綜上，國(guó)內(nèi)外關(guān)于長(zhǎng)期施肥對(duì)SMBC、SMBN含量的影響研究較多，而針對(duì)于黃壤旱地和水田的研究，則由于采樣年份和測(cè)定方式的不同，可比性不強(qiáng)。鑒于此，本研究依托貴州黃壤肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)基地的旱地、水田長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)結(jié)果，探明不同施肥處理對(duì)黃壤旱地、水田SMBC、SMBN含量影響的差異，為貴州黃壤旱地和水田的養(yǎng)分管理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)(106°07′E、26°11′N)，地處黔中丘陵區(qū)，平均海拔1 071 m。氣候溫和、熱量豐富，且熱、水、光同期，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。年平均氣溫15.3 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)約1 354 h，相對(duì)濕度75.5%，全年無(wú)霜期約270 d，年降雨量1 100～1 200 mm。旱地、水田長(zhǎng)期試驗(yàn)地的成土母質(zhì)分別為三疊系灰?guī)r與砂頁(yè)巖殘積物、第四紀(jì)沉積物，旱地、水田長(zhǎng)期試驗(yàn)均于1995年開始實(shí)施。

種植模式分別為單季玉米和單季水稻，其中旱地長(zhǎng)期試驗(yàn)地種植玉米品種為交3單交(1995—1998年)、黔單10號(hào)(1999—2000年、2002—2003年)、農(nóng)大108(2001年) 、黔玉2號(hào)(2004—2005年)、黔單16號(hào)(2006—2012年)、金玉818(2013—2014年)、中農(nóng)大239(2015年)。由于試驗(yàn)基地灌溉設(shè)施損毀，2002—2006年，水田長(zhǎng)期試驗(yàn)地?zé)o法種植水稻，改種玉米。2007年開始改種水稻，水稻品種為金麻粘(1993—1998年)、農(nóng)虎禾(1999—2001年)、香兩優(yōu)875(2007—2008年)、汕優(yōu)聯(lián)合2號(hào)(2009年)和茂優(yōu)601(2010—2015年)。耕層(0～20 cm)初始土壤基本性質(zhì)見表1。

表1 初始土壤基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

旱地、水田長(zhǎng)期施肥處理試驗(yàn)分別設(shè)12、11個(gè)處理，旱地、水田試驗(yàn)小區(qū)面積分別為340、201 m2。采用大區(qū)對(duì)比試驗(yàn)，不設(shè)重復(fù)，所施化肥為尿素(含N 46%)、普鈣(含P2O516%)、氯化鉀(含K2O 60%)，所施有機(jī)肥為牛廄肥(含C 413.8 g/kg、N2.7 g/kg、P2O51.3 g/kg、K2O 6.0 g/kg)。每年根據(jù)有機(jī)肥的養(yǎng)分含量來調(diào)節(jié)化學(xué)氮肥的施用量，除處理MNPK外，其余施氮小區(qū)的氮肥施用量相同。在玉米、水稻播種前，各處理按照試驗(yàn)方案施肥，并在各生長(zhǎng)期再追施2次尿素。玉米于每年4月份播種，8月中下旬收獲，玉米秸稈及根茬直接還田，其余時(shí)間休閑。水稻于每年4月份插秧，10月中下旬收獲，其他時(shí)間休閑。旱地和水田各處理施肥量見表2。

本研究從中各選取5個(gè)不同施肥處理：不施肥(CK)、單施化肥(NPK)、單施有機(jī)肥(M)、低量有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施(0.5MNPK)和高量有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施(MNPK)。

表2 旱地和水田不同處理施肥量

1.3 測(cè)定指標(biāo)和方法

2017年，在玉米、水稻收獲后采集土壤樣品。將每個(gè)大區(qū)分為3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)以“S”形取5個(gè)點(diǎn)的耕層(0～20 cm)土壤，混合均勻后作為1次重復(fù)，共取3個(gè)重復(fù)。撿除土壤中動(dòng)物殘?bào)w、植物落葉、根系、大顆粒石頭后將土壤分為兩部分。一部分過2 mm篩存于4 ℃冰箱，用于測(cè)定SMBC、SMBN含量。另一部分風(fēng)干后過0.25 mm篩，用于測(cè)定土壤TN、SOC含量。土壤SOC含量采用外加熱重鉻酸鉀氧化法測(cè)定，土壤TN含量采用凱氏定氮法測(cè)定[20]，SMBC、SMBN含量采用氯仿熏蒸-0.5 mol/L K2SO4浸提法測(cè)定[21-22]，SMBC、SMBN的換算系數(shù)分別為0.45、0.54[20,23-24]，qMB值為SMBC含量與SOC含量的比值[3-4]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010、SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和方差分析。不同處理之間采用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)旱地、水田SMBC含量的影響

如圖1所示，長(zhǎng)期不同施肥處理下，旱地、水田的SMBC含量分別介于107.35～336.36 mg/kg、398.17～883.33 mg/kg。旱地不同(CK、NPK、M、0.5MNPK、MNPK)處理之間和水田施有機(jī)肥(M、0.5MNPK、MNPK)處理之間的SMBC含量均存在顯著差異,水田CK和NPK處理的SMBC含量之間差異不顯著。在相同處理?xiàng)l件下，水田的SMBC含量遠(yuǎn)高于旱地，其中，水田CK、NPK、M、0.5MNPK、MNPK處理的SMBC含量依次是旱地的3.7、2.8、2.8、3.4、2.5倍。

旱地、水田CK的SMBC含量分別為107.35、398.17 mg/kg，與CK相比，施用有機(jī)肥(M、0.5MNPK、MNPK)處理的SMBC含量增加較多，其中，旱地M、0.5MNPK、MNPK處理的SMBC含量比CK分別提高了189%、109%、213%；水田M、0.5MNPK、MNPK處理的SMBC含量比CK分別提高了121%、91%、111%。SMBC含量隨有機(jī)肥施入量的增加而增加；施用化肥(NPK)處理的SMBC含量與CK相比增加較少，NPK處理旱地、水田的SMBC含量比CK分別提高了40%、6%。旱地MNPK處理提高SMBC含量的效果最好，水田M處理提高SMBC含量的效果最好。

不同小寫字母表示同一土壤類型不同處理間差異顯著(P<0.05),下同

2.2 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)旱地、水田SMBN含量的影響

如圖2所示，旱地、水田的SMBN含量分別介于11.61～72.97 mg/kg、54.22～152.54 mg/kg，且旱地、水田的SMBN含量在不同處理間的變化趨勢(shì)相同，均以施用有機(jī)肥(M、0.5MNPK、MNPK)處理提高SMBN含量的效果較好，其中，以M處理的提高效果最好，旱地、水田M處理SMBN含量分別為72.97、152.54 mg/kg。長(zhǎng)期不同施肥處理下，旱地、水田的SMBN含量之間均存在顯著差異。旱地、水田CK的SMBN含量分別為11.61、54.22 mg/kg，施用化肥(NPK)處理和施用有機(jī)肥(M、0.5MNPK、MNPK)處理的SMBN含量均顯著高于CK，旱地NPK、M、0.5MNPK、MNPK處理的SMBN含量分別是CK的2.0、6.3、4.5、5.0倍，水田NPK、M、0.5MNPK、MNPK處理的SMBN含量分別是CK的1.3、2.8、1.9、2.3倍。以上結(jié)果表明，長(zhǎng)期施用化肥、有機(jī)肥均能使SMBN含量增加，但施用化肥增加的幅度不高，以單施有機(jī)肥增加效果最好。在相同處理?xiàng)l件下，旱地和水田間的SMBN含量差別較大，水田的SMBN含量均比旱地高，其中，水田CK、NPK、M、0.5MNPK、MNPK處理的SMBN含量依次是旱地的4.7、3.1、2.1、2.0、2.1倍。

圖2 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)旱地、水田SMBN含量的影響Fig.2 Effects of different long-term fertilization treatments on content of SMBN in dryland and paddy field

2.3 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)旱地、水田土壤各屬性指標(biāo)的影響

如表3 所示，長(zhǎng)期不同施肥處理下，旱地、水田的SOC、TN含量均隨有機(jī)肥施入量的增加而增加，且均以MNPK處理最高，旱地、水田MNPK處理的SOC含量分別為35.74、42.05 g/kg，旱地、水田MNPK處理的TN含量分別為2.83、2.98 g/kg；旱地NPK處理的SOC、TN含量低于CK，且差異不顯著。同一處理?xiàng)l件下，旱地的SOC、TN含量均低于水田，水田各處理的SOC含量比旱地高3.9%～17.7%。

旱地、水田的qMB值分別介于0.52%～0.94%、1.87%～2.49%，且分別以MNPK、0.5MNPK處理最高。旱地NPK、M、0.5MNPK、MNPK處理的qMB值與CK相比，水田M、0.5MNPK處理的qMB值與CK相比，均差異顯著。旱地NPK與0.5MNPK處理之間、M與MNPK處理之間的qMB值差異均不顯著。水田的CK、NPK、MNPK處理之間的qMB值差異不顯著。長(zhǎng)期施肥處理下，旱地和水田的SMBN/TN值變化趨勢(shì)一致，均以M處理最高(旱地、水田的SMBN/TN值分別為2.75%、5.61%)，其后依次是0.5MNPK、MNPK、NPK處理，CK最低。旱地NPK處理的SMBN/TN值與CK相比，水田NPK、0.5MNPK、MNPK處理的SMBN/TN值與CK相比，均無(wú)顯著差異；旱地M、0.5MNPK、MNPK處理的SMBN/TN值與CK相比，水田M處理的SMBN/TN值與CK相比，差異顯著。旱地、水田的SMBC/SMBN值分別介于4.27～9.26、5.79～7.37，不同處理對(duì)SMBC/SMBN值的影響各不相同，但均表現(xiàn)為施肥處理使SMBC/SMBN值降低，且均以M處理降低幅度最大。綜上，在旱地和水田中，長(zhǎng)期施肥處理均能提高qMB值和SMBN/TN值，旱地、水田的qMB值分別以MNPK、0.5MNPK處理最高，旱地、水田的SMBN/TN值均以M處理最高。而旱地、水田的SMBC/SMBN值均因施肥呈下降趨勢(shì)。

表3 長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)旱地、水田土壤各屬性指標(biāo)的影響Tab.3 Proporty index of different long-term fertilization treatments on dryland and paddy field

注：不同小寫字母表示同一土壤類型不同處理間差異顯著(P<0.05)。

Note：Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments of same soil type(P<0.05)。

3 結(jié)論與討論

本研究依托長(zhǎng)期定位施肥，集旱地、水田為一體的貴州黃壤肥力與肥料效益監(jiān)測(cè)基地。與CK相比，旱地不同施肥處理、水田施用有機(jī)肥處理均可顯著提高土壤SMBC含量，旱地、水田不同施肥處理的SMBN含量與CK相比均顯著提高。與NPK處理相比，旱地、水田M、0.5MNPK、MNPK處理的SMBC、SMBN含量都有較大提升，其中，旱地、水田的SMBC含量分別以MNPK、M處理最高，SMBN含量均以M處理最高。其原因是有機(jī)肥的施用不僅為微生物提供外來碳、氮源，提高微生物活性，還改善土壤微生物的生存環(huán)境。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可促進(jìn)旱地、水田SMBC、SMBN的形成，與對(duì)黑土、紅壤、黑潮土、褐土、黑壚土研究的結(jié)論基本一致[25-29]。

旱地、水田SOC、TN含量隨有機(jī)肥的施入量的增加而增加，且施有機(jī)肥(M、0.5MNPK、MNPK)處理的SOC、TN含量高于施化肥(NPK)處理，均以MNPK處理的SOC、TN含量最高(旱地MNPK處理的SOC、TN含量分別為35.74、2.83 g/kg，水田MNPK處理的SOC、TN含量分別為42.05、2.98 g/kg)；旱地、水田施有機(jī)肥(M、0.5MNPK、MNPK)處理的SOC、TN含量與CK相比均存在顯著差異，施化肥(NPK)處理的SOC、TN含量與CK相比差異不顯著。本研究中，旱地SOC、TN含量變化趨勢(shì)與張雅蓉等[30]結(jié)論一致，以NPK處理最低，其原因可能是施用化肥會(huì)明顯加快土壤有機(jī)質(zhì)的分解，SOC、TN含量相應(yīng)降低；水田SOC、TN含量變化趨勢(shì)與郭振等[19]、王小利等[31]研究結(jié)果一致。

qMB值主要受土壤類型、耕作措施、土壤理化性質(zhì)的影響，其值越大，表明能被微生物固定的SOC越多，SOC的周轉(zhuǎn)速率就越快[3,32]。SMBN/TN值可以反映微生物對(duì)土壤有效氮素的利用效率[33]。本研究中，旱地、水田的qMB值分別介于0.52%～0.94%、1.87%～2.49%，說明水田的生態(tài)環(huán)境有利于微生物活性的提高。旱地、水田的SMBN/TN值分別介于0.59%～2.75%、2.71%～5.61%，說明水田中微生物對(duì)氮的利用率高于旱地。SMBC/SMBN值的變化可以反映土壤中存在的主要微生物群落的種類[13]。研究表明，細(xì)菌、放線菌、真菌的SMBC/SMBN值依次為5∶1、6∶1、10∶1[11]，有學(xué)者研究表明，SMBC/SMBN值平均為6.7∶1[34-35]。本研究中，旱地、水田的SMBC/SMBN值分別介于4.27～9.26、5.79～7.37，且均以M處理最低。旱地CK、NPK、M、0.5MNPK、MNPK處理的SMBC/SMBN值依次為9.26、6.47、4.27、4.33、5.78，說明細(xì)菌、放線菌是旱地土壤的主要生物群，水田CK、NPK、M、0.5MNPK、MNPK處理的SMBC/SMBN值分別為7.37、5.83、5.79、6.44、6.77，說明放線菌是水田土壤的主要生物群。長(zhǎng)期施肥均能降低SMBC/SMBN值，M處理下降最快，這是因?yàn)橛袡C(jī)肥的施入提高了土壤碳源，土壤微生物活動(dòng)相應(yīng)加強(qiáng)，土壤微生物利用土壤氮素促進(jìn)有機(jī)肥進(jìn)一步降解，因此SMBC/SMBN值較低。

土壤中的碳、氮庫(kù)是土壤碳、氮輸入與輸出平衡的結(jié)果[36]。土壤SOC、氮的輸入來自凋落物、根系周轉(zhuǎn)物和根系分泌物等，輸出則主要通過呼吸形成二氧化碳。據(jù)我國(guó)第2次土壤普查結(jié)果顯示，我國(guó)水田土壤碳密度是旱地土壤的37.7%，且SOC儲(chǔ)量和固碳潛力均高于旱地土壤[37-39]。SMBC、SMBN、SOC、TN含量的高低受多種因素的影響，不同土地利用方式會(huì)導(dǎo)致土壤的理化性質(zhì)、碳氮庫(kù)發(fā)生變化[40-41]，旱地、水田作物種植模式不同，也會(huì)影響土壤中碳、氮的變化。研究表明，玉米種植田土壤的SOC平衡量低于水稻田土壤[30,42]，說明旱地有機(jī)質(zhì)的投入量低于水田，而輸出量高于水田，從而導(dǎo)致土壤微生物生物量下降。本研究中，相同施肥條件下，水田的SMBC、SMBN、SOC、TN含量及qMB、SMBN/TN值高于旱地，依次是旱地的2.5～3.7、2.0～4.7、1.04～1.18、1.02～1.05、2.13～3.60、2.00～4.59倍。

綜上，本研究中長(zhǎng)期不同施肥處理均能提高旱地、水田的SMBC、SMBN含量。與CK相比，旱地、水田的SMBC含量分別以高量有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施、單施有機(jī)肥處理增加最高，旱地、水田的SMBN含量均以單施有機(jī)肥處理增加最高。表明單施有機(jī)肥和高量有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施是旱地、水田有效培肥措施。相同施肥條件下，水田SMBC、SMBN、SOC、TN含量及qMB、SMBN/TN值均高于旱地。