長(zhǎng)期施肥對(duì)黃土旱塬農(nóng)田土壤微生物量碳、氮、磷的影響

李春越，郝亞輝，薛英龍，王益，黨廷輝

（1.陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，西安710119；2.地理學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（陜西師范大學(xué)），西安710119；3.中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所，西安710061；4.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)其生長(zhǎng)代謝過(guò)程促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)降解、加快腐殖質(zhì)形成和能量轉(zhuǎn)換，是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的動(dòng)力源泉[1]。土壤微生物生物量是土壤有機(jī)質(zhì)中最為活躍的部分，其含量高低可以表征土壤肥力的變化水平，對(duì)維持土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡有重要意義[2-3]。土壤微生物生物量是指土壤環(huán)境中活動(dòng)的微生物總量（不包括活體植物），一般包括微生物量碳、微生物量氮、微生物量磷和微生物量硫。土壤微生物生物量變化能敏感反映出土壤養(yǎng)分的變化，并有效表征土壤有機(jī)質(zhì)的代謝強(qiáng)度[4]。土壤微生物生物量受土壤pH、溫度、透氣性等環(huán)境因子影響[5]，施肥和翻耕等農(nóng)業(yè)管理措施也與其活性關(guān)系密切[6]。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中施肥在提供作物生長(zhǎng)所必需營(yíng)養(yǎng)元素的同時(shí)，對(duì)土壤中微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響[7-9]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者基于不同地區(qū)研究了長(zhǎng)期不同施肥方式對(duì)土壤微生物生物量和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響[10-12]。研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥的施加有利于增加土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分含量，尤其是化肥配施有機(jī)肥可顯著提高土壤微生物生物量，但由于氣候特性、耕作方式以及種植作物類型等的復(fù)雜多樣性，導(dǎo)致其對(duì)土壤微生物數(shù)量、活性和群落結(jié)構(gòu)影響各異。Jangid 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤微生物群落的影響比不同土地利用方式或季節(jié)變化更顯著。孫瑞等[5]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期撂荒和施用化肥處理的土壤微生物量碳、氮含量顯著高于不施肥和長(zhǎng)期休閑處理，且兩兩處理間無(wú)顯著差異。徐一蘭等[14]研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期施肥可以提高雙季稻田土壤微生物量碳、氮含量和微生物熵，且化肥配施有機(jī)肥顯著高于其余處理。臧逸飛等[15]通過(guò)研究長(zhǎng)期施肥對(duì)小麥連作土壤微生物生物量的影響發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥較不施肥能顯著提高土壤微生物量碳、氮含量，而施用化肥與不施肥相比，土壤微生物量碳、氮含量無(wú)顯著差異。Chu等[16]通過(guò)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)土壤微生物量碳和脫氧酶活性具有顯著影響，平衡施肥的土壤微生物代謝活性明顯高于養(yǎng)分缺乏的施肥處理。

雖然以往大量研究均表明化肥配施有機(jī)肥是提高土壤微生物量碳、氮、磷和固持土壤養(yǎng)分的主要途徑，但由于不同施肥條件下養(yǎng)分投入狀況和種植作物類型等的差異，使其對(duì)土壤微生物生物量影響的研究結(jié)果不盡相同。為深入了解養(yǎng)分輸入對(duì)黃土旱塬農(nóng)田土壤微生物特性的影響，本文以位于陜西省黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為研究平臺(tái)，通過(guò)研究30 a 不同施肥方式對(duì)土壤微生物生物量和土壤質(zhì)量的影響，分析土壤微生物生物量與土壤生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征之間的聯(lián)系，以期為黃土旱塬農(nóng)田土壤選用合理的施肥方式和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于陜西省長(zhǎng)武縣長(zhǎng)武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站，該地屬典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)（35°14′N，107°41′E），海拔1200 m，年均降水量580 mm，無(wú)霜期171 d，年均氣溫9.1 ℃。供試土壤為黑壚土（Cumulic Haplustoll，USDA 分類），土體通透性較好。長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)開(kāi)始于1984 年，小麥連作，試驗(yàn)起始時(shí)土壤本底值為：有機(jī)質(zhì)（OM）10.50 g·kg-1，全氮（TN）0.80 g·kg-1，全磷（TP）1.26 g·kg-1，pH 8.10。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)共8 個(gè)處理，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3 次重復(fù)。試驗(yàn)處理包括：（1）不施肥的小麥田（CK）；（2）單施氮肥的小麥田（N）；（3）單施磷肥的小麥田（P）；（4）施用氮磷肥的小麥田（NP）；（5）單施有機(jī)肥的小麥田（M）；（6）氮肥配施有機(jī)肥的小麥田（NM）；（7）磷肥配施有機(jī)肥的小麥田（PM）；（8）氮磷肥配施有機(jī)肥的小麥田（NPM）。不同施肥處理作物種植模式均為小麥連作，常規(guī)耕作，9 月中下旬播種，次年6 月收獲，一年一熟。施肥量分別為：過(guò)磷酸鈣（P2O5）60 kg·hm-2·a-1，尿素（N）120 kg·hm-2·a-1，廄肥（M）75 t·hm-2·a-1。所有肥料在播種前一次施入，試驗(yàn)田按大田豐產(chǎn)模式進(jìn)行管理。

1.3 試驗(yàn)方法

2015年8月小麥?zhǔn)斋@后，采用五點(diǎn)采樣法取耕層土（0～20 cm）鮮土樣約1 kg，去除砂礫和大于1 cm 的雜質(zhì)，過(guò)2 mm 篩，調(diào)節(jié)含水量至田間最大持水量的60%。將過(guò)篩土樣置于放有去離子超純水和0.1 mol·L-1NaOH 溶液的4 ℃黑暗密閉圓形容器平衡一周，然后取其中一半用于測(cè)定土壤微生物量碳、氮、磷，剩余土樣風(fēng)干保存，用于土壤基本理化指標(biāo)測(cè)定。

土壤微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）、微生物量磷（MBP）采用氯仿-熏蒸法測(cè)定。

微生物量碳、氮測(cè)定：稱取3 份相當(dāng)于風(fēng)干土壤質(zhì)量20 g 的新鮮土壤于小燒杯中，將土樣與盛有50 mL 無(wú)酒精氯仿的燒杯共同放入真空干燥箱，抽真空至氯仿持續(xù)沸騰后關(guān)緊閥門，25 ℃下培養(yǎng)24 h 后取出氯仿，再次反復(fù)抽真空至完全去除土壤中殘余氯仿，加入0.5 mol·L-1K2SO4溶液50 mL，25 ℃下充分振蕩30 min 后過(guò)濾浸提；另外稱取3 份土壤樣品直接加入0.5 mol·L-1K2SO4溶液50 mL 浸提。土壤微生物量碳采用K2SO4浸提-TOC 儀測(cè)定，微生物量氮采用K2SO4浸提-連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定。

微生物量碳（mg·kg-1）=2.64Ec

微生物量氮（mg·kg-1）=Ec/0.54式中：2.64和0.54分別為氯仿熏蒸殺死的微生物體的碳、氮被硫酸鉀浸提出來(lái)的比例；Ec為熏蒸與未熏蒸浸提液中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差值[17]。

微生物量磷測(cè)定：稱取3 份相當(dāng)于風(fēng)干土壤質(zhì)量5 g的新鮮土壤于小燒杯中，將土樣與盛有50 mL無(wú)酒精氯仿的燒杯共同放入真空干燥箱中，抽真空至氯仿持續(xù)沸騰后關(guān)緊閥門，25 ℃下培養(yǎng)24 h 后取出氯仿，再次反復(fù)抽真空至完全去除土壤中殘余氯仿，加入pH 8.5 的0.5 mol·L-1NaHCO3溶液100 mL，25 ℃下充分振蕩30 min，濾液磷濃度采用鉬銻抗比色法測(cè)定；另外稱取6 份土壤，其中3 份加入250 mg·L-1KH2PO4溶液0.5 mL 和0.5 mol·L-1NaHCO3（pH 8.5）溶液100 mL振蕩、過(guò)濾，測(cè)定濾液中磷濃度，另外3份直接加入0.5 mol·L-1NaHCO3（pH 8.5）溶液100 mL浸提測(cè)定。

微生物量磷（mg·kg-1）=（F-UF）/（KP×R）

式中：F、UF分別為熏蒸與未熏蒸浸提液中磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)；KP為浸提液測(cè)定出的微生物量磷占土壤微生物量磷的比例，即浸提效率，表示微生物量磷系數(shù)，取值0.4；R為外加KH2PO4溶液的土樣浸提液測(cè)定值與未熏蒸土樣浸提液測(cè)定值的差值，表示加入的無(wú)機(jī)磷回收率[18]。

土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定；土壤全磷采用高氯酸-濃硫酸法測(cè)定；土壤全氮采用全自動(dòng)凱氏定氮儀測(cè)定；有機(jī)碳是將土樣用0.1 mol·L-1HCl 酸洗去無(wú)機(jī)態(tài)至無(wú)氣泡后用去離子超純水反復(fù)水洗，風(fēng)干錫箔包樣TOC儀灼燒測(cè)定；pH采用水土比2.5∶1酸度計(jì)測(cè)定[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)為3 次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。采用Origin 2017 繪圖。利用Excel 2009 軟件處理后，采用SPSS 10.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差（ANOVA）分析，Duncan 多重比較。采用Canoco 5 軟件對(duì)不同施肥處理的土壤微生物生物量和土壤理化性狀進(jìn)行冗余分析（RDA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥方式對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響（表1）。除M 和P 處理外，長(zhǎng)期不同施肥條件下的土壤pH 較CK 處理有所降低。與CK 處理相比，長(zhǎng)期施肥可以提高土壤有機(jī)質(zhì)、全磷及全氮含量，其中施加氮磷有機(jī)肥明顯增加有機(jī)質(zhì)、全磷、全氮含量，增加量分別為106.74%、47.02%、71.62%；除全磷外，長(zhǎng)期單施有機(jī)肥和化肥有機(jī)肥配施處理的有機(jī)質(zhì)、全氮含量均高于化肥處理（N、P、NP）。長(zhǎng)期單施和配施有機(jī)肥的土壤全氮含量顯著高于CK 和其余化肥處理。與CK處理相比，施用等量磷肥處理（P、NP、PM、NPM）可顯著提高土壤全磷含量。長(zhǎng)期施用化肥處理的土壤有機(jī)碳與全氮的比值（C/N）較CK 處理降低了2.59%～34.40%，其中N 處理C/N 降低最多；化肥配施有機(jī)肥處理C/N均高于CK處理。

2.2 不同施肥方式對(duì)土壤微生物量碳含量的影響

圖1 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤MBC的影響Figure 1 Effects of long-term different fertilization on MBC of soil

長(zhǎng)期不同施肥處理的土壤微生物量碳含量變化范圍為269.87～459.71 mg·kg-1（圖1）。單施有機(jī)肥（M）和化肥配施有機(jī)肥處理的微生物量碳含量均高于CK 和各化肥處理。與CK 處理（313.55 mg·kg-1）相比，長(zhǎng)期施用化肥處理的土壤微生物量碳含量均有所降低，N、P、NP 處理平均降幅分別為7.46%、13.93%、5.59%；而有機(jī)肥處理中M、PM、NPM 處理的微生物量碳含量顯著提高，平均漲幅分別為31.14%、46.62%和34.49%，表明化肥有機(jī)肥配施可補(bǔ)充土壤有機(jī)碳源，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，為微生物生長(zhǎng)繁殖提供良好的生境和所需能源。

2.3 不同施肥方式對(duì)土壤微生物量氮含量的影響

長(zhǎng)期不同施肥處理的土壤微生物量氮含量變化范 圍 為19.78～150.84 mg·kg-1（圖2）。與CK 處 理（19.78 mg·kg-1）相比，N、P、NP 處理的微生物量氮含量分別為CK 處理的5.27、3.52、2.76 倍，M、NM、PM、NPM 分別為CK 處理的7.62、5.42、4.26、4.55 倍，表明長(zhǎng)期施肥可顯著提高土壤微生物量氮含量，其中以單施有機(jī)肥和氮肥配施有機(jī)肥效果更佳。除N處理外，不同有機(jī)肥處理的微生物量氮含量均高于其余化肥處理，其中M 處理含量顯著高于其余處理，表明無(wú)機(jī)氮肥對(duì)土壤微生物量氮含量具有顯著影響。

2.4 不同施肥方式對(duì)土壤微生物量磷含量的影響

圖2 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤MBN的影響Figure 2 Effects of long-term different fertilization on MBN of soil

表1 長(zhǎng)期定位不同施肥對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響Table 1 Effect of long-term different fertilization on soil chemical properties

長(zhǎng)期不同施肥處理的土壤微生物量磷含量變化范圍為0.44～4.94 mg·kg-1（圖3）。除NM 處理外，各施肥處理的微生物量磷含量均顯著高于CK處理，且CK和NM處理間無(wú)顯著差異，表明氮肥配施有機(jī)肥處理顯著降低了土壤微生物量磷的水平。施用等量磷肥處理（P、NP、PM和NPM）的微生物量磷含量顯著高于其余處理，分別為CK處理的6.43、8.05、7.06、10.07倍；等量磷肥配施有機(jī)肥處理的微生物量磷含量均高于相應(yīng)的單施磷肥和氮磷肥處理，表明化學(xué)磷肥的施加可顯著提高土壤無(wú)機(jī)磷庫(kù)，其中以磷肥配施有機(jī)肥效果最好。

2.5 施肥方式不同對(duì)土壤微生物量碳、氮、磷化學(xué)計(jì)量比的影響

從土壤微生物量碳、氮、磷化學(xué)計(jì)量比來(lái)看，長(zhǎng)期不同施肥處理的土壤微生物量C∶N 為2.75～15.80，微生物量C∶P 為76.45～718.03，微生物量N∶P 為13.97～175.00（圖4）。與CK 處理相比，長(zhǎng)期施肥處理顯著降低了土壤微生物量C∶N、C∶P；NM處理的微生物量C∶P顯著高于其余處理，且其余施肥處理間無(wú)顯著差異。與CK 處理相比，施用等量磷肥處理（P、NP、PM 和NPM）顯著降低了微生物量C∶P、N∶P，且各處理間無(wú)顯著差異；其中，施用等量磷肥處理的微生物量N∶P顯著低于CK 和其余施肥處理，分別較CK 處理降低了51.39%、69.32%、46.45%、59.83%；而NM 處理的微生物量N∶P最大，較CK處理提高了284.39%。

2.6 土壤微生物量碳、氮、磷含量與土壤基本理化性狀的相關(guān)性

以不同處理的土壤微生物生物量及化學(xué)計(jì)量比為響應(yīng)變量，以土壤各理化指標(biāo)為解釋變量做冗余分析（RDA）。土壤TN 含量作用最明顯，解釋了土壤微生物生物量含量變化的5.3%（F=13.9，P=0.002），土壤化學(xué)性質(zhì)共解釋了土壤微生物生物量含量變化的96.7%，影響順序?yàn)門N＞TP＞pH＞OM。其中，第1 軸解釋了其變異的86.58%，第2 軸解釋了6.73%（圖5）。土壤微生物生物量與土壤理化性質(zhì)存在一定的相關(guān)性，MBC 與有機(jī)質(zhì)、TP、TN 呈顯著正相關(guān)，MBN 與OM、TN 呈顯著正相關(guān)，MBP 與OM、TP、TN 呈顯著正相關(guān)。

圖3 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)土壤MBP的影響Figure 3 Effects of long-term different fertilization on MBP of soil

3 討論

3.1 長(zhǎng)期施用化肥對(duì)土壤微生物量碳、氮、磷含量的影響

圖4 長(zhǎng)期不同施肥對(duì)微生物量碳、氮、磷化學(xué)計(jì)量比的影響Figure 4 Effects of long-term fertilization on the stoichiometric ratio of microbial biomass to C，N and P

圖5 不同施肥處理土壤中微生物量和各項(xiàng)理化指標(biāo)的冗余分析Figure 5 Redundancy analysis of microbial biomass and physical and chemical indexes in soil treated with different fertilizers

土壤微生物生物量是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的促進(jìn)者，也是土壤碳、氮、磷等元素循環(huán)利用和有機(jī)質(zhì)礦化的主要作用者[20]。土壤微生物生物量含量高低及變化是土壤肥力的重要依據(jù)，反映了土壤對(duì)有機(jī)質(zhì)的吸收及固化能力[21]。Zsolnay 等[22]的研究發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥能夠增加土壤有機(jī)碳含量，單施化肥對(duì)土壤有機(jī)碳無(wú)明顯影響。本研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期施用化肥處理的土壤微生物量碳含量較不施肥處理均有所降低，這可能是由于長(zhǎng)期無(wú)機(jī)化肥的施用，使土壤酸化、板結(jié)、通氣性降低，改變了土壤物理性狀，抑制了土壤微生物的生命活動(dòng)，同時(shí)由于無(wú)外源有機(jī)碳源補(bǔ)充，隨著作物生長(zhǎng)對(duì)土壤碳素的大量消耗，使得土壤有機(jī)碳含量逐漸減少，迫使土壤微生物將其體內(nèi)固持的碳素釋放出來(lái)以供作物利用，進(jìn)而降低了土壤微生物量碳含量[23]。本研究還發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施用化肥處理土壤微生物量氮、磷含量顯著高于不施肥處理。臧逸飛等[15]的研究結(jié)果表明，與不施肥相比，長(zhǎng)期施用無(wú)機(jī)肥能夠增加土壤微生物量碳、氮含量但均無(wú)顯著差異。長(zhǎng)期合理施用氮、磷肥能夠增加作物光合作用產(chǎn)物向地下部的分配，增加根系生物量和根系分泌物，使得供給土壤微生物同化和利用的氮、磷源充足[24]，這也可能是造成微生物量氮、磷含量增加的原因之一。

3.2 長(zhǎng)期化肥配施有機(jī)肥對(duì)土壤微生物量碳、氮、磷含量的影響

本研究中，化肥配施有機(jī)肥處理的微生物量碳含量均高于不施肥和單施化肥處理，可能是由于化肥與有機(jī)肥配施提高了土壤養(yǎng)分的有效性和保水能力，不僅為土壤微生物補(bǔ)充了所需碳源，還為其創(chuàng)造了適宜的生存環(huán)境[25]。郭振等[26]通過(guò)研究黃壤稻田的土壤微生物生物量也發(fā)現(xiàn)，化肥有機(jī)肥配施處理的土壤有機(jī)碳、全氮、微生物熵的變化與微生物量碳相一致，且均顯著高于其余施肥處理。本研究還表明，長(zhǎng)期施肥處理土壤微生物量氮、磷含量均高于不施肥處理，這可能是因?yàn)殚L(zhǎng)期施肥可以提高作物的生物量，其中作物地上部生物量的提高能夠促進(jìn)作物的光合作用，使得較多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分配到作物地下部，而地下部生物量增加不僅能夠促進(jìn)更多的根系分泌物釋放，還能增加作物根系殘茬的還田量，為土壤微生物生存創(chuàng)造了有利生境[26]。其中，除單施氮肥處理外，不同配施有機(jī)肥處理的微生物量氮含量均高于相應(yīng)化肥處理。一方面可能是由于施用有機(jī)肥不僅能夠加速土壤有機(jī)質(zhì)礦化分解，提高土壤養(yǎng)分含量，為土壤微生物提供充足的碳源、氮源，促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育，而且能夠改善土壤的理化性狀，進(jìn)而維持較高的土壤微生物量[15]；另一方面可能是由于長(zhǎng)期施加有機(jī)肥可使氮的表觀利用率提高，有效緩解了土壤中NH3的揮發(fā)及NO-3的淋失，通過(guò)同化作用使較多的氮素遷移到微生物體內(nèi)進(jìn)行暫時(shí)固定[27]。土壤微生物量磷含量對(duì)氮肥的響應(yīng)與微生物量碳完全不同。長(zhǎng)期單施氮肥顯著提高了土壤微生物量磷含量，而氮肥配施有機(jī)肥處理微生物量磷含量則與不施肥處理間無(wú)顯著差異，這可能是由于土壤中某些微生物能夠?qū)⒘姿匾远嗑哿姿猁}的形式富集于體內(nèi)，而施用氮肥也可提高土壤酸度，同時(shí)作物根系和微生物對(duì)磷素的活化作用都會(huì)增加土壤有效磷含量，進(jìn)而提高土壤微生物量磷含量[24]。而氮肥配施有機(jī)肥處理可能增加了土壤中具有固氮能力的微生物群落豐度，而有限的營(yíng)養(yǎng)和空間競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致土壤中微生物量磷含量降低[28]。施用等量磷肥處理（P、NP、PM 和NPM）的微生物量磷含量顯著高于其余處理，表明施加磷肥后土壤有效磷含量增加，一方面對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生了積極作用，另一方面對(duì)土壤微生物量和活性也產(chǎn)生了直接或間接的影響，進(jìn)而使更多的無(wú)機(jī)磷被同化固持到微生物體內(nèi)。磷肥配施有機(jī)肥對(duì)微生物量磷增加作用更明顯，這是因?yàn)槭┯糜袡C(jī)肥不僅為土壤微生物生命活動(dòng)提供了所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和能量，也改善了土壤通氣性等理化性狀，促使微生物大量生長(zhǎng)繁殖，將部分有機(jī)磷和礦化后的無(wú)機(jī)磷同化為微生物量磷[29]。另外，有機(jī)肥本身含有的微生物在進(jìn)入土壤后也會(huì)迅速繁衍，這也使得土壤微生物量磷含量相應(yīng)增加[30]。

3.3 長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤微生物量碳、氮、磷化學(xué)計(jì)量比的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施肥處理的土壤微生物量C∶N、C∶P 均顯著低于不施肥處理，表明長(zhǎng)期施肥會(huì)對(duì)土壤微生物活性產(chǎn)生顯著影響，這與王傳杰等[31]的研究結(jié)果相同。一方面可能是因?yàn)殚L(zhǎng)期施用無(wú)機(jī)肥降低了土壤C/N，加速土壤中原有有機(jī)碳礦化分解，導(dǎo)致土壤碳庫(kù)中積累的有機(jī)碳總量較少[26]，同時(shí)由于作物生長(zhǎng)加速了對(duì)土壤碳源的消耗，而土壤碳庫(kù)并未得到進(jìn)一步補(bǔ)充，迫使微生物將其固持的碳素釋放出來(lái)以供植物吸收利用[31]；另一方面可能是因?yàn)殡S著氮、磷肥施入土壤后微生物量碳、氮含量明顯增加，尤其是外源磷肥施加對(duì)土壤微生物量磷含量的增加更為顯著，導(dǎo)致微生物量C∶N、C∶P 降低。而長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能向土壤直接提供大量的有機(jī)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素，有利于土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖，同時(shí)外源有機(jī)物質(zhì)的施入不僅調(diào)節(jié)了土壤氮素的供應(yīng)能力，也改善了土壤磷的有效性，加強(qiáng)了微生物對(duì)氮、磷素的固持作用[32]，進(jìn)而也降低了土壤微生物量C∶N、C∶P。但在本研究中，不施肥和氮肥配施有機(jī)肥處理的微生物量C∶P 均顯著高于其余處理，這可能是由于長(zhǎng)期不施肥條件下，隨著作物對(duì)土壤磷素消耗的加劇，使得微生物量磷將自身固持的磷素釋放出來(lái)，而氮肥配施有機(jī)肥處理增加了土壤有機(jī)氮含量，使得微生物可固定的氮素增加，由于固氮微生物對(duì)土壤養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)而抑制了磷素的轉(zhuǎn)化分解，導(dǎo)致土壤微生物量磷含量降低，進(jìn)而提高了土壤微生物量C∶P，降低了微生物量N∶P。本研究還發(fā)現(xiàn)，施用等量磷肥處理（P、NP、PM、NPM）的微生物量C∶P、N∶P 均顯著低于不施肥處理，這是因?yàn)殚L(zhǎng)期施用磷肥會(huì)使土壤有效磷增加，這加速了微生物對(duì)土壤難溶性無(wú)機(jī)磷溶解和有機(jī)磷礦化，使得較多的磷素被固持在土壤微生物體內(nèi)[29]，進(jìn)而降低了微生物量C∶P、N∶P。

3.4 土壤微生物生物量和土壤基本理化性狀的相關(guān)性

土壤微生物生物量和土壤基本理化性狀的相關(guān)分析顯示，微生物量碳、氮、磷含量均與有機(jī)質(zhì)、全氮含量存在顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系，表明土壤微生物生物量可作為土壤肥力的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，并有效表征土壤有機(jī)物質(zhì)的代謝強(qiáng)度。這是由于長(zhǎng)期施肥處理調(diào)節(jié)了土壤C/N，改善了土壤含水率、透氣性和水熱平衡等物理性狀，使得土壤中碳、氮、磷等元素含量發(fā)生變化，加速了土壤微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解速率，作物在吸收更多養(yǎng)分促進(jìn)其生長(zhǎng)的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致更多的凋落物積聚在表層土壤，進(jìn)而增加了土壤碳、氮等元素含量，因此土壤微生物生物量與理化性質(zhì)表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，宋震震等[33]的研究結(jié)果也驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)。長(zhǎng)期施肥的土壤微生物量磷含量與全磷存在極顯著相關(guān)關(guān)系，表明微生物量磷含量變化是評(píng)價(jià)土壤磷素轉(zhuǎn)化的重要指標(biāo)，這與劉恩科等[27]的研究結(jié)果相同。土壤微生物生物量與pH呈不同程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明長(zhǎng)期施肥處理使土壤酸堿度發(fā)生變化，對(duì)微生物的生命活動(dòng)產(chǎn)生了抑制作用。本研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期施用化肥處理的土壤微生物量碳含量較不施肥處理均有不同程度的減少，而土壤微生物量氮、磷對(duì)化肥的響應(yīng)則完全不同。施入化肥后土壤微生物量碳、氮含量顯著提高，可能是由于作物生長(zhǎng)消耗了大量養(yǎng)分，而長(zhǎng)期施用化肥雖然能夠調(diào)節(jié)土壤氮素的供應(yīng)能力，也改善了土壤磷的有效性[32]，但無(wú)外源有機(jī)碳源補(bǔ)充，降低了土壤C/N，進(jìn)而對(duì)土壤微生物生物量和活性產(chǎn)生明顯影響[23]。除氮肥配施有機(jī)肥處理外，化肥配施有機(jī)肥處理的土壤微生物量碳、氮、磷含量均顯著高于不施肥處理，這可能是因?yàn)槭┯糜袡C(jī)肥不僅改善了土壤理化性質(zhì)，而且還能夠維持和提高土壤微生物的生態(tài)環(huán)境和群落結(jié)構(gòu)，同時(shí)為微生物生長(zhǎng)繁殖提供所需養(yǎng)分，進(jìn)而促進(jìn)土壤中原有和新加有機(jī)質(zhì)的降解和轉(zhuǎn)化，使得土壤微生物量也得到相應(yīng)的增加[29]。

4 結(jié)論

（1）長(zhǎng)期施肥顯著改變土壤微生物量碳、氮、磷及其生態(tài)化學(xué)計(jì)量比。施用化肥明顯降低了土壤微生物量碳含量，但微生物量氮、磷對(duì)施用化肥的響應(yīng)與之相反；有機(jī)肥及有機(jī)肥配施對(duì)微生物量氮、磷含量增加作用顯著。土壤微生物量碳、磷與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷呈顯著正相關(guān)，微生物量氮與有機(jī)質(zhì)、全氮呈顯著正相關(guān)。長(zhǎng)期單施化肥使土壤酸堿度發(fā)生改變，對(duì)微生物的生命活動(dòng)產(chǎn)生抑制作用。

（2）長(zhǎng)期連續(xù)施用化肥可導(dǎo)致板結(jié)等問(wèn)題而對(duì)土壤養(yǎng)分產(chǎn)生一定限制，化肥配施有機(jī)肥則可以緩解脅迫，在滿足作物和土壤微生物養(yǎng)分需求的同時(shí)能夠提高土壤微生物活性和生態(tài)代謝效率。因此，長(zhǎng)期化肥配施有機(jī)肥能不同程度地提高土壤養(yǎng)分含量，促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)而增強(qiáng)微生物對(duì)碳、氮、磷等元素的吸收利用，對(duì)于提高土壤肥力和肥料利用率具有重要意義。土壤微生物活性、數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)是一個(gè)不斷變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，氣溫、降水和翻耕等因素的共同作用也會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)期不同施肥條件下農(nóng)田土壤水熱條件、土壤肥力和有機(jī)質(zhì)含量發(fā)生明顯變化，進(jìn)而也對(duì)土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和土壤微生物特性產(chǎn)生影響，因此需要建立長(zhǎng)期的觀測(cè)研究，為黃土旱塬地區(qū)選擇最佳的培肥措施提供科學(xué)依據(jù)。