菌渣還田對設(shè)施土壤微生物量碳、氮的影響

趙自超,趙時(shí)峰,翟合生,張海蘭,辛淑榮,姚 利

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,山東 濟(jì)南 250100;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廢棄物基質(zhì)化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250100;3.山東省莘縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,山東 莘縣 252423)

設(shè)施農(nóng)業(yè)不受季節(jié)限制，經(jīng)濟(jì)效益高，環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)，已成為許多地區(qū)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)[1]。在華北農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤占據(jù)了主要地位，相比其他土地利用方式能固定更多的有機(jī)碳氮。土壤碳氮含量是表征土壤質(zhì)量狀況和肥力水平的重要指標(biāo)，其中土壤微生物量碳氮是土壤碳氮庫中最活躍的部分，可以綜合反映土壤的肥力和生物活性,在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中其數(shù)量主要受外源碳(有機(jī)肥)氮的添加[2-6]。在設(shè)施瓜菜生產(chǎn)中，因?yàn)閷?shí)惠易取，畜禽糞便直接使用一直是農(nóng)戶用來代替有機(jī)肥的常見措施，但是大量使用畜禽糞便會(huì)導(dǎo)致設(shè)施土壤次生鹽漬化、酸化、滋生根結(jié)線蟲、抗生素重金屬超標(biāo)等一系列問題，嚴(yán)重制約了設(shè)施瓜菜生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[1,6]。菌渣是食用菌栽培后剩下的廢料，作為一種有機(jī)物料，營養(yǎng)豐富，富含植物生長的氮、磷、鉀、糖類、蛋白質(zhì)、以及微量元素等有機(jī)無機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)，其營養(yǎng)成分可與天然有機(jī)肥相當(dāng)[7-8]。中國是世界第一食用菌生產(chǎn)大國，每年至少產(chǎn)出1.50×107t菌渣，但是目前卻因營養(yǎng)價(jià)值認(rèn)識不足往往被隨意丟棄，以至于約2/3的菌渣得不到有效利用，這不僅會(huì)造成了大量資源浪費(fèi)，還會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染[9-12]。研究[7,13-14]表明，菌渣可以作為底肥直接還田，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高土壤肥力，進(jìn)而提高作物的產(chǎn)量與質(zhì)量，但目前沒有大面積推廣。因而研究菌渣還田對設(shè)施土壤微生物量碳氮的影響，不僅可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄資源化利用，而且還能改善設(shè)施土壤質(zhì)量，具有重要的理論的實(shí)踐意義。目前，有關(guān)菌渣還田對土壤微生物量碳氮影響的研究報(bào)道主要集中于小麥、玉米和水稻等大田作物土壤[15-18]，而菌渣還田對設(shè)施土壤微生物量碳、氮影響方面的研究鮮見報(bào)道。因此，本文在設(shè)施瓜菜主產(chǎn)區(qū)研究不同量菌渣還田對設(shè)施土壤微生物量碳、氮及其占有機(jī)碳、全氮的比例與相關(guān)關(guān)系，以期評價(jià)菌渣還田對設(shè)施土壤質(zhì)量的影響，為實(shí)現(xiàn)設(shè)施瓜菜生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年8月至2019年6月在全國瓜菜主產(chǎn)區(qū)山東省莘縣(115°67′E,36°23′N)的一個(gè)日光溫室(120 m長，12 m寬)內(nèi)進(jìn)行，該地區(qū)屬于典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，光照充裕，年日照時(shí)數(shù)2 480 h，年平均氣溫13.4 ℃，年平均降水量502 mm。試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為潮土，供試土壤(0—30 cm)試驗(yàn)開始前的基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)15.5 g/kg，堿解氮52.2 mg/kg，速效磷44.4 mg/kg，速效鉀167.1 mg/kg。一年兩熟，輪作制度為秋冬茬黃瓜—冬春茬甜瓜，2017年8月16日試驗(yàn)開始，2019年6月15日試驗(yàn)結(jié)束，每種作物兩個(gè)生長季。

本試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理，分別為農(nóng)民常規(guī)處理(雞糞+化肥)和5個(gè)不同量菌渣還田處理(菌渣+化肥)，每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)設(shè)計(jì)，共有18個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積60 m2。常規(guī)處理(Conventional,CON)每茬的雞糞施用量為45 t/hm2，菌渣(fungal residue,FR)還田處理每茬的菌渣使用量分別為15(FR1)，30(FR2)，45(FR3)，60(FR4)和75(FR5)t/hm2。菌渣和雞糞全部作為基肥使用，菌渣為當(dāng)?shù)爻Ｒ娨兹〉牟莨骄?，主要成分為：有機(jī)質(zhì)含量62.1%～77.6%，全氮含量1.0%～1.3%，全磷(P2O5)含量0.6%～1.2%，全鉀(K2O)含量0.6%～1.0%。雞糞購自當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖場，主要成分為：有機(jī)質(zhì)含量25%～40%，全氮含量1.6%～2.7%，全磷含量1.2%～2.3%，全鉀含量1.1%～2.7%。所有處理的化肥施用量一致，每季黃瓜施肥量為30 kg N，15 kg P2O5，40 kg K2O，其中基肥量為12 kg N，10 kg P2O5，15 kg K2O，追肥量為18 kg N，5 kg P2O5，25 kg K2O；每季甜瓜施肥量20 kg N，15 kg P2O5，30 kg K2O，其中基肥量為4.5 kg N，2.5 kg P2O5，4.5 kg K2O，追肥量為15.5 kg N，12.5 kg P2O5，25.5 kg K2O。黃瓜和甜瓜定值前按照比例將菌渣或雞糞和化肥(基肥)撒施到地面，然后旋耕與土壤混合均勻。追肥時(shí)先將肥料按比例溶于水，然后通過施肥器進(jìn)行灌溉施肥。試驗(yàn)期間采取的其他田間管理措施，諸如鋪地膜、灌溉、防病等各試驗(yàn)小區(qū)實(shí)施水平嚴(yán)格一致。

1.2 土壤樣品采集與測定方法

土壤樣品于試驗(yàn)結(jié)束后在各個(gè)小區(qū)0—30 cm 土層多點(diǎn)采集，土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后分兩份，一份通風(fēng)陰干后用于測定土壤有機(jī)碳和全氮，另一部分剔除根系及有機(jī)殘?bào)w后用于測定土壤微生物量碳、氮。

土壤有機(jī)碳和全氮分別采用重鉻酸鉀—濃硫酸氧化(外加熱法)和凱氏法消煮半微量滴定法測定[19]。采用氯仿熏蒸法—硫酸鉀浸提法測定微生物量碳、氮含量[20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖，采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(Duncan法，α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌渣還田對土壤有機(jī)碳和全氮的影響

如圖1所示，相比常規(guī)處理(CON)，菌渣還田(FR1—5)可以顯著增加土壤有機(jī)碳含量，F(xiàn)R1，F(xiàn)R2，F(xiàn)R3，F(xiàn)R4和FR5的增幅分別為12.0%，11.2%，21.6%，33.1%和31.7%。土壤全氮的變化趨勢與土壤有機(jī)碳的變化趨勢類似，相比CON，F(xiàn)R1，F(xiàn)R2，F(xiàn)R3，F(xiàn)R4和FR5的土壤全氮分別增加了3.1%，6.3%，19.9%，29.4%和26.4%，但是FR1，F(xiàn)R2與CON處理間差異不顯著。綜合土壤有機(jī)碳與全氮的變化趨勢來看，土壤有機(jī)碳與土壤全氮含量都是呈現(xiàn)隨著菌渣施用量的增加先增加后降低的趨勢，F(xiàn)R4處理的土壤有機(jī)碳和土壤全氮含量最高。菌渣還田量與土壤有機(jī)碳和土壤全氮含量均呈一元三次函數(shù)關(guān)系(見圖2)，菌渣還田量的多少可以解釋99.96%的土壤有機(jī)碳變化和99.91%土壤全氮變化。

注：不同小寫字母表示不同處理在p<0.05水平差異顯著。下同。

圖2 土壤有機(jī)碳和全氮與菌渣還田量的關(guān)系

從圖3可以看出，所有處理的碳氮比(C/N)無顯著差異，在8.5～9.2之間變化，盡管沒有顯著差異，但是相比CON處理，菌渣還田處理還是增加了土壤碳氮比，F(xiàn)R1，F(xiàn)R2，F(xiàn)R3，F(xiàn)R4和FR5分別增加了8.6%，5.2%，1.4%，2.8%和4.1%。

圖3 菌渣還田對土壤碳氮比(C/N)和土壤微生物碳氮比(MBC/MBN)的影響

2.2 菌渣還田對土壤微生物量碳、氮的影響

從圖4可以看出，隨著菌渣還田量的增加，土壤微生物量碳、氮含量也隨之增加，并且微生物量碳、氮與菌渣還田量呈線性關(guān)系(見圖5)，菌渣還田量的變化可以解釋97.31%的土壤微生物量碳含量變化和94.54%的土壤微生物量氮含量變化。與CON相比，除了FR1處理的土壤微生物量碳、氮降低以外，其他4個(gè)菌渣還田處理均增加了土壤微生物碳、氮含量。FR2，F(xiàn)R3，F(xiàn)R4和FR5的微生物量碳的增幅分別為16.1%，19.9%，36.8%和50.7%，而微生物量氮的增幅則分別3.3%，37.7%，40.4%和60.9%。圖3表明，所有處理的微生物量碳氮比(MBC/MBN)無顯著差異，在3.0～3.9之間變化。與土壤碳氮比不同是，菌渣還田處理(FR2除外)相比常規(guī)處理降低了土壤微生物量碳氮比。FR1，F(xiàn)R3，F(xiàn)R4和FR5相比CON處理分別降低了8.3%，20.9%，12.8%和16.6%。

圖4 菌渣還田對土壤微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)的影響

圖5 土壤微生物量碳和微生物量氮與菌渣還田量的關(guān)系

2.3 土壤微生物量碳氮與土壤有機(jī)碳和全氮的相關(guān)性分析

如圖6所示，MBC/SOC和MBN/TN的變化范圍分別是1.75%～2.34%和4.67%～6.58%,且均在FR5處理最高，F(xiàn)R1處理最低.與常規(guī)處理相比，高量菌渣還田處理(FR4和FR5)均增加了MBC/SOC和MBN/TN。FR1相比CON處理降低了MBC/SOC和MBN/TN，降幅分別為14.1%和9.3%。FR2相比CON處理增加了MBC/SOC，但是降低了MBN/TN，F(xiàn)R3處理的情況與FR2恰恰相反，相比CON處理增加了MBN/TN。

圖6 土壤微生物碳占有機(jī)碳(MBC/SOC)和土壤微生物氮占全氮(MBN/TN)的比例

從表1可以看出，SOC與TN，MBC和MBN均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.914，0.816，0.654。TN與MBC和MBN分別呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.825，0.681.MBC與MBN之間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.745。

表1 土壤不同形態(tài)碳氮的相關(guān)性分析

3 討 論

土壤微生物量碳、氮可以表征土壤微生物量，能夠準(zhǔn)確地反映土壤狀況，是評價(jià)土壤質(zhì)量和肥力的重要指標(biāo)[21-22]。研究發(fā)現(xiàn)，施用菌渣等有機(jī)肥可以快速增加土壤微生物量碳、氮含量[18,20]。本研究發(fā)現(xiàn)，施用菌渣比施用雞糞增加了土壤微生物量碳、氮含量，并且分別與土壤有機(jī)碳和全氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，這可能是因?yàn)榫显诜N菇前已經(jīng)經(jīng)過了一次發(fā)酵，活性有機(jī)碳和氮含量要比沒有經(jīng)過發(fā)酵的雞糞高，從而增加土壤有機(jī)碳和全氮，經(jīng)過土壤和菌渣中微生物的作用進(jìn)而增加土壤微生物量碳、氮含量。本研究還發(fā)現(xiàn)，隨著菌渣還田量的增加，土壤微生物量碳、氮含量呈現(xiàn)直線上升，菌渣還田量的變化可以解釋97.31%的土壤微生物量碳含量變化和94.54%的土壤微生物量氮含量變化，這可能是因?yàn)榫旧砀缓肌⒌梢詾槲⑸锾峁┏渥愕奶?、氮源的原因。研究[23-24]表明，土壤微生物碳氮比(MBC/MBN)可以反映土壤氮素的供應(yīng)能力，MBC/MBN較低時(shí)，土壤氮素有較高的生物有效性，從而可以提高土壤氮素利用率。本研究發(fā)現(xiàn)，菌渣還田可以降低MBC/MBN，這可能是因?yàn)榫€田后土壤氮素的生物活性增大，更多的氮素被微生物同化，從而使微生物體內(nèi)氮含量升高，造成微生物碳氮比下降。這說明菌渣還田可以提高設(shè)施土壤氮素的生物有效性進(jìn)而可以提高氮素利用率，其中FR3處理的效果最好。雖然土壤微生物量碳、氮分別在土壤有機(jī)碳和全氮占很小的比例，但它們在土壤碳氮循環(huán)與轉(zhuǎn)化的過程中起著非常重要的作用，土壤微生物量碳與有機(jī)碳的比值(MBC/SOC)可以表征土壤有機(jī)碳生物有效性[4,18]。研究表明，有機(jī)物料還田能提高M(jìn)BC/SOC[3,25]。本研究發(fā)現(xiàn)，相比常規(guī)處理的雞糞還田，少量菌渣還田(FR1)降低了MBC/SOC，這說明雖然少量菌渣還田可以提高土壤SOC，但有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)速度有可能降低，而高量菌渣還田則不存在這個(gè)問題。土壤微生物量氮與全氮的比值(MBN/TN)可以作為土壤氮素可利用指標(biāo)[4,21]。本研究發(fā)現(xiàn)，相比常規(guī)雞糞還田，高量菌渣還田(FR3，F(xiàn)R4和FR5)增加了MBN/TN，這說明高量菌渣還田可以提高土壤氮素可利用性。本文初步研究了菌渣還田對設(shè)施土壤有機(jī)碳、全氮、微生物量碳氮的影響，但是本研究只有一年兩個(gè)生長季，而菌渣還田對土壤質(zhì)量的影響是長期的，并且本次所用菌渣為單一品種菌渣。因而今后要加強(qiáng)不同物料配比菌渣還田對設(shè)施土壤質(zhì)量、微生物特征及其長期影響等研究方向。

4 結(jié) 論

(1) 本試驗(yàn)條件下，菌渣代替雞糞還田可以顯著提高土壤有機(jī)碳和全氮含量，土壤有機(jī)碳和全氮含量與菌渣還田量均呈一元三次函數(shù)關(guān)系，其中FR4處理對土壤有機(jī)碳和全氮含量的提高能力最高。

(2) 本試驗(yàn)條件下，菌渣代替雞糞還田可以顯著提高土壤微生物碳、氮含量，并且土壤微生物碳、氮含量隨著菌渣還田量的增加而增加，土壤微生物碳、氮含量與菌渣還田量呈線性關(guān)系，但FR4和FR5處理間的土壤微生物碳、氮含差異不顯著。

(3) 本試驗(yàn)條件下，菌渣代替雞糞還田可以提高土壤氮素供應(yīng)能力和土壤生物有效性，進(jìn)而提高土壤肥力。

(4) 綜合考慮，在設(shè)施瓜菜生產(chǎn)中用菌渣代替雞糞還田是改善設(shè)施土壤狀況、提高土壤肥力的有效途徑，同時(shí)又可減少投入和提高菌渣的資源化利用，對于瓜菜菌的綠色和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。