青海高原復(fù)種綠肥毛葉苕子對(duì)土壤微生物生物量碳、氮的影響

韓 梅

(青海省農(nóng)林科學(xué)院 土壤肥料研究所，青海 西寧 810016)

土壤微生物在土壤氮素轉(zhuǎn)化中的作用不可忽視。土壤微生物量在土壤中占的體積很小[1]，但它能夠積極參加物質(zhì)養(yǎng)分循環(huán)，是植物營(yíng)養(yǎng)的源和庫(kù)[2]，它的高低可以代表調(diào)控土壤物質(zhì)、能量循環(huán)和有機(jī)物轉(zhuǎn)化的活躍微生物的數(shù)量[3-4]。土壤微生物氮、碳在土壤中是最活躍的碳庫(kù)和氮庫(kù)之一，分別占土壤有機(jī)碳、全氮總量的0.5%～4%和2%～6%[5-7]，是評(píng)價(jià)土壤微生物質(zhì)量的重要指標(biāo)[8-9]。綠肥在我國(guó)發(fā)展歷史悠久，是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精華，具有提高土壤有機(jī)質(zhì)、減施化肥、倒茬輪作等作用，在生態(tài)保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展、糧食安全等方面具有重大意義。大量研究表明，種植翻壓綠肥能夠增加土壤微生物數(shù)量和微生物多樣性，影響土壤微生物活性[10-11]。土壤中施入肥料的種類、數(shù)量及有機(jī)和無(wú)機(jī)肥料的搭配、種植模式對(duì)土壤微生物生物量氮有不同的影響。肥料的碳、氮比越高，土壤微生物對(duì)肥料氮的固持量越大，釋放率降低[12]。青海省河湟地區(qū)氣候資源較為豐富，生長(zhǎng)作物兩季不足，一季有余。7月上中旬收獲后至10月中旬，土地閑置，資源浪費(fèi)較為嚴(yán)重。針對(duì)上述問(wèn)題，構(gòu)建了豆科綠肥-小麥(油菜)的生產(chǎn)技術(shù)模式，可以有效改善生態(tài)環(huán)境，豆科綠肥可翻壓作為綠肥，以及“留茬肥地、過(guò)腹還田”，綜合應(yīng)用潛力巨大。系統(tǒng)研究復(fù)種綠肥，翻壓、留茬條件下土壤微生物的變化將有助于了解施肥條件下土壤肥力演變機(jī)制，掌握土壤養(yǎng)分的循環(huán)轉(zhuǎn)化狀況和有效養(yǎng)分的供給情況，對(duì)土壤肥力演變以及土壤環(huán)境質(zhì)量的變化具有指導(dǎo)性意義[13]。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 研究區(qū)概況 試驗(yàn)地位于青海省西寧市城北區(qū)莫家莊農(nóng)科院試驗(yàn)地，海拔為2 300 m，屬高原大陸性半干旱氣候。年平均氣溫5.9 ℃，作物生長(zhǎng)期為220.2 d。年平均降水量367.5 mm，年均蒸發(fā)量為1 729.8 mm。試驗(yàn)地灌溉條件方便，前茬作物為油菜。

1.1.2 供試材料 供試綠肥品種為毛葉苕子(Viciavillosa)，養(yǎng)分含量見(jiàn)表1。供試小麥品種為青春38；供試肥料品種分別為尿素N 46%、過(guò)磷酸鈣P2O512%；供試土壤為栗鈣土，土壤pH為8.31，有機(jī)質(zhì)16.67 g/kg，全氮1.11 g/kg，全磷2.18 g/kg，全鉀26.35 g/kg，堿解氮97 mg/kg，有效磷12.9 mg/kg，速效鉀136 mg/kg。

表1 綠肥毛葉苕子的碳及氮、磷、鉀養(yǎng)分含量(干基，%)Table 1 Carbon，nitrogen，phosphorus and potassium nutrient content of green fertilizer hairy vetch (dry basis，%)

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)地位于青海省西寧市城北區(qū)農(nóng)科院試驗(yàn)地，是2010年布置的一個(gè)綠肥長(zhǎng)期定位試驗(yàn)。該試驗(yàn)采用青海省綠肥作物適種區(qū)主栽作物小麥、油菜輪作模式，本年度以小麥為主作，試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。試驗(yàn)共設(shè)9個(gè)處理：①100%化肥+綠肥根茬(F100+G根茬)；②90%化肥+綠肥根茬(F90+G根茬)；③80%化肥+綠肥根茬(F80+G根茬)；④70%化肥+綠肥根茬(F70+G根茬)；⑤60%化肥+綠肥根茬(F60+G根茬)；⑥不施肥+綠肥根茬(F0+G根茬)；⑦70%化肥+綠肥翻壓(F70+G翻壓)；⑧不施肥(F0)；⑨100%化肥(F100)。其中100%化肥代表N 225.0 kg/hm2、P2O5112.5 kg/hm2。綠肥根茬為綠肥收獲時(shí)地上部分作為飼草收割，地下部分翻壓。4次重復(fù)，小區(qū)面積20.0 m2(5.0 m×4.0 m)[14]。2017年3月15日，進(jìn)行小麥播種，播量600 kg/hm2。播種前將肥料均勻撒施，深翻。毛葉苕子在7月下旬小麥?zhǔn)斋@后進(jìn)行復(fù)種，播量105.0 kg/hm2，播種后立即灌水。毛葉苕子10月中旬收獲，需壓青處理，將該區(qū)收獲的毛葉苕子鍘切成10 cm左右后進(jìn)行翻壓，毛葉苕子鮮草翻壓量為30 000 kg/hm2。

1.2.2 樣品采集與分析 ①土壤采集：在小麥播種期、苗期、花期、成熟期采集0～20 cm土壤樣品；②分析方法：土壤全氮用凱氏定氮法；土壤微生物生物量碳(Soil microbial biomass carbon，SMBC)、土壤微生物生物量氮(Soil microbial biomass nitrogen，SMBN)：采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測(cè)定[15]；土壤總有機(jī)碳(Soil total organic carbon，TOC)：重鉻酸鉀容量法-外加熱法。土壤總有機(jī)碳乘轉(zhuǎn)化系數(shù)1.724 即為土壤有機(jī)質(zhì)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 SMBC=EC/kEC，式中EC為熏蒸與未熏蒸土壤總有機(jī)碳的差值；kEC為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值0.45[16]。SMBN=EN/kEN，式中EN為熏蒸與未熏蒸土壤總氮的差值；kEN為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取值0.45[17]。微生物熵為土壤微生物生物量碳與土壤總有機(jī)碳比值，即SMBC/TOC。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007和SAS8.1 軟件進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)小麥產(chǎn)量的影響

產(chǎn)量結(jié)果表明(表2)，所有處理的產(chǎn)量都高于不施肥料處理，毛葉苕子收割留根茬處理產(chǎn)量均比單施肥料處理產(chǎn)量高，處理F100+G根茬比處理F100產(chǎn)量提高5.32%。在減施30%化肥條件下，翻壓毛葉苕子處理比毛葉苕子收割留根茬處理產(chǎn)量高，說(shuō)明翻壓綠肥處理比綠肥收割留茬處理效果好。在不施肥條件下，綠肥收割留根茬比不種綠肥增產(chǎn)效果好。處理F70+G翻壓與處理F100、F80+G根茬產(chǎn)量相當(dāng)，也就是說(shuō)翻壓綠肥可減施化肥30%，綠肥收割留根茬可減施化肥20%。

表2 不同處理對(duì)小麥產(chǎn)量的影響Table 2 Effects of different treatments on rape yield

注：“*”代表根茬，“#”代表翻壓，“/”代表不施肥處理的產(chǎn)量，不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05)

2.2 復(fù)種綠肥毛葉苕子對(duì)土壤SMBC及微生物熵的影響

復(fù)種綠肥毛葉苕子后，不論翻壓還是留根茬處理土壤SMBC均有明顯提高，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。其中綠肥毛葉苕子翻壓處理比根茬處理土壤SMBC差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，處理F70+G翻壓比處理F70+G根茬土壤SMBC增加20.28 mg/kg。在小麥不施肥(F0)的情況下，土壤SMBC會(huì)出現(xiàn)下降，低于施肥處理。施肥水平的差異也會(huì)影響土壤SMBC水平，土壤SMBC水平與施肥量的關(guān)系存在動(dòng)態(tài)性變化，當(dāng)施肥量增加時(shí)，土壤SMBC含量會(huì)逐漸增加，但施肥量過(guò)多(F100)，土壤SMBC含量卻呈現(xiàn)降低趨勢(shì)(圖1)。土壤微生物生物量碳施肥與綠肥毛葉苕子合理搭配時(shí)土壤SMBC最高，其處理為F70+G翻壓。

在播期、苗期、抽穗期、成熟期四個(gè)主要生長(zhǎng)期，處理F100+G根茬、F90+G根茬、F80+G根茬、F70+G根茬、F60+G根茬、F0+G根茬土壤SMBC全年平均分別為230.52、230.08、213.67、285.87、230.77、238.01 mg/kg，其中處理F70+G根茬土壤SMBC最高；處理F70+G根茬、F70+G翻壓土壤SMBC全年平均分別為285.87、318.65 mg/kg，其中翻壓綠肥毛葉苕子比留根茬處理土壤SMBC，高出11.47%；9個(gè)處理相比，翻壓綠肥毛葉苕子、留根茬處理較單施化肥和不施肥處理土壤SMBC較高，最高處理為F70+G翻壓，較其他處理提高了10.29%～38.57%，差異顯著(P<0.01)。土壤SMBC含量在小麥不同生育期變化較大，其中抽穗期>苗期>成熟期>播種期。在整個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)，土壤SMBC苗期高于播種期，在抽穗期時(shí)達(dá)到最高，為 208.98～321.38 mg/kg。成熟期又有所降低。

微生物熵能更靈敏地指示土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化[18-19]。本研究中微生物熵在各時(shí)期的變化與土壤SMBC一致，綠肥處理表現(xiàn)出明顯較高的微生物熵。各處理土壤微生物熵在2.18%～2.80%之間，7個(gè)綠肥處理F100+G根茬、F90+G根茬、F80+G根茬、F70+G根茬、F60+G根茬、F0+G根茬、F70+G翻壓全年平均值分別為2.47%、2.26%、2.18%、2.80%、2.29%、2.29%、2.79%，顯著高于F0、F100的全年平均水平(2.10%、2.15%)。

圖1 小麥-綠肥毛葉苕子輪作體系典型時(shí)期的土壤SMBCFig.1 SMBC in the typical period of wheat-green manure rotation system

2.3 復(fù)種綠肥對(duì)土壤SMBN及占土壤總氮比例

復(fù)種綠肥毛葉苕子后，土壤 SMBN變化的影響與對(duì)土壤 SMBC的影響一致。長(zhǎng)期單施化肥處理的土壤 SMBN與不施肥處理相比均略有增加，而在施用化肥基礎(chǔ)上配施綠肥毛葉苕子處理土壤 SMBN均顯著提高(P<0.01)，其中處理F70+G翻壓土壤 SMBN為最高，比其他處理提高幅度為1.26%～26.33%。處理F100+G根茬、F90+G根茬、F80+G根茬、F70+G根茬、F60+G根茬、F0+G根茬土壤SMBN相比，其中處理F70+G根茬土壤SMBN最高；對(duì)處理F70+G根茬、F70+G翻壓土壤SMBN進(jìn)行比較，翻壓綠肥毛葉苕子比留根茬處理土壤SMBN高出1.26%；在整個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)，土壤 SMBN含量在小麥不同生育期變化較大，其中抽穗期>苗期>成熟期>播種期，這與土壤 SMBC變化一致。小麥播種期時(shí)土壤SMBN含量最低，為29.12～ 49.62 mg/kg，至抽穗期土壤SMBN含量達(dá)到最高，為 48.05～77.69 mg/kg。成熟期又有所降低(圖3)?；逝涫┚G肥毛葉苕子顯著提高了小麥各生育期土壤中SMBN含量及其占同時(shí)期土壤總氮中的比例(圖4)。

圖2 小麥-綠肥毛葉苕子輪作體系典型時(shí)期的土壤微生物熵Fig.2 SMBC/TOC in the typical period of wheat-green manure rotation system

圖3 小麥-綠肥毛葉苕子輪作體系典型時(shí)期的土壤SMBNFig.3 SMBN in the typical period of wheat-green manure rotation system

圖4 小麥-綠肥毛葉苕子輪作體系典型時(shí)期的土壤SMBN含量占總氮的比例Fig.4 SMBN /total N in the typical period of wheat-green manure rotation system

2.4 土壤微生物生物量碳、氮與土壤全氮、總有機(jī)碳的相關(guān)性

由表3可知，土壤全氮(TN)與土壤總有機(jī)碳呈正相關(guān)，土壤SMBN與全氮呈顯著正相關(guān)，土壤SMBC與SMBN、土壤總有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)。

表3 土壤SMBC、SMBN與土壤TN、TOC的相關(guān)性分析Table 3 Correlation between SMBC and SMBN and TN and TOC

注：* 和** 分別代表顯著性為P<0.05、P<0.01

3 討 論

肥料施用種類對(duì)土壤微生物量的影響有明顯的不同。研究表明，30 年長(zhǎng)期施用有機(jī)肥可以提高土壤中微生物量[20]。施用有機(jī)肥較普通化肥增加了土壤有機(jī)質(zhì)和微生物量碳[21]。本研究通過(guò)復(fù)種綠肥毛葉苕子，較單施化肥提高了土壤SMBC、SMBN含量。與不施肥相比，翻壓綠肥毛葉苕子、留根茬處理增加了微生物的投入，從而提高了土壤 SMBC、SMBN含量，與以上觀點(diǎn)一致。有研究表明，土壤SMBC和有機(jī)質(zhì)呈線性關(guān)系[22]，土壤SMBN與全氮呈顯著正相關(guān)[23]，表明土壤SMBC、SMBN與土壤碳素、氮素有相關(guān)性，這與本研究結(jié)果基本符合。土壤微生物量作為土壤中的活性養(yǎng)分，與養(yǎng)分含量關(guān)系密切，對(duì)環(huán)境變化反應(yīng)敏感，可以作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的肥力指標(biāo)[24-25]。復(fù)種綠肥影響了土壤SMBC、SMBN，可以增加微生物生物量，其中化肥配施綠肥毛葉苕子效果最明顯；翻壓綠肥毛葉苕子、留根茬處理較單施化肥和不施肥處理土壤SMBC、SMBN較高，最高處理為F70+G翻壓。

研究復(fù)種綠肥后茬作物小麥從播種期到收獲期土壤不同變化過(guò)程，土壤溫度和水分等環(huán)境條件的不同，會(huì)導(dǎo)致不同時(shí)期土壤微生物量特性變化[26]。有研究認(rèn)為，不同耕作模式、土壤溫度、含水量等因素會(huì)影響土壤 SMBC的動(dòng)態(tài)變化[27]。土壤SMBC、SMBN含量在小麥不同生育期有明顯的變化，小麥在播種期土壤SMBC、SMBN含量最低，抽穗期含量達(dá)到最高。成熟期又有所降低。土壤 SMBC/SOC(微生物熵)是評(píng)價(jià)土壤肥力和質(zhì)量的重要指標(biāo)[28]，有機(jī)物料投入明顯提高了微生物熵[29-30]。這與本研究結(jié)果基本符合，化肥配施綠肥毛葉苕子處理表現(xiàn)出較高的微生物熵。