不同產(chǎn)量水平下棗園土壤微生物量碳、氮與土壤和植株養(yǎng)分的關(guān)系

宋傘傘,鄭強(qiáng)卿，姚永生，陳奇凌，王晶晶，王 遠(yuǎn),鄭森宇,唐 夢(mèng),支金虎

(1.塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾 843300;2.南疆綠洲農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究中心，新疆阿拉爾 843300;3.新疆農(nóng)墾科學(xué)院林園所，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意義】土壤微生物生物量是土壤有效養(yǎng)分的源與庫[1],土壤微生物量碳、氮是土壤微生物生物量的主要組成部分。土壤微生物量碳、氮與土壤中各種營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)息息相關(guān)，其在土壤肥力和植物各種養(yǎng)分中具有重要的作用，且被視為土壤肥力變化的重要指標(biāo)之一[2-4]。研究土壤微生物量碳、氮可有助于更好的認(rèn)識(shí)和分析各種養(yǎng)分之間的關(guān)系，并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。【前人研究進(jìn)展】淺層土壤微生物量碳和微生物量氮較高，而隨深度增加其含量會(huì)降低[5]。劉寶等[6]也得到了類似的結(jié)果，而且不同土層微生物量碳、氮還具有明顯的季節(jié)變化特點(diǎn)，即使在全球大尺度來看，微生物量碳、氮也會(huì)隨緯度增加而增加[7]。這與土壤有機(jī)碳、全氮含量及土壤溫度都具有密切關(guān)系，微生物量也會(huì)隨土壤溫度、水分含量和基質(zhì)有效性的季節(jié)性模式而變化[8,9]，秸稈還田能夠增加土壤活性有機(jī)碳、氮含量，而過量施用氮肥卻能夠使土壤活性有機(jī)碳、氮含量降低，配施氮肥后，土壤有機(jī)碳、全氮含量及碳氮比都會(huì)發(fā)生顯著變化[10,11,12]。在還田的過程中，覆蓋材料會(huì)影響土壤微生物量碳、氮的含量，秸稈覆蓋后的影響度要顯著高于地膜覆蓋，均比裸地時(shí)要高[13]，高寒退化土地比溫?zé)嵋赘恋貋碇v，氮對(duì)微生物量碳、氮的影響就小的多[14]。有機(jī)肥施用和土地利用方式也是顯著影響土壤微生物特性的重要因素。NPK化肥配施豬糞及秸稈還田后都能顯著增加土壤全氮、有機(jī)質(zhì)含量、C/N值及微生物量碳、氮含量[15]。安世花等[16]通過長期定位試驗(yàn)，提出不論有機(jī)無機(jī)肥配施還是單施有機(jī)肥，對(duì)土壤對(duì)微生物量碳、氮含量均有提高作用，而且在水田上的效果更為顯著。郭振等[17]在黃壤稻田土上的試驗(yàn)也得到了相同的結(jié)論。【本研究切入點(diǎn)】長期施肥對(duì)土壤微生物量碳、氮含量的研究較多，但在極端干旱區(qū)的塔里木盆地，尤其是棗園土壤微生物量碳、氮及其與養(yǎng)分變化之間的關(guān)系方面的研究，目前還鮮見報(bào)道。研究不同產(chǎn)量水平下棗園土壤微生物量碳、氮與土壤和植株養(yǎng)分的關(guān)系?！緮M解決的關(guān)鍵問題】田間試驗(yàn)，研究微生物量碳、氮對(duì)土壤養(yǎng)分和植株產(chǎn)量的影響，為新疆南疆紅棗高產(chǎn)、高效栽培提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2018～2019年在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師12團(tuán)8連進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)地處塔里木河南岸，是新疆紅棗發(fā)展特色林果產(chǎn)業(yè)的策源地。該地日照時(shí)間長，平均年降水量50～80 mm，年蒸發(fā)量2 000～3 000 mm，地下水位平均為2.5 m。土壤為沙質(zhì)壤土，試驗(yàn)果園土壤條件相對(duì)一致。表1

表1 不同產(chǎn)量水平下棗園土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇相鄰3塊6年生的棗園進(jìn)行試驗(yàn)。共設(shè)置3個(gè)處理：低產(chǎn)駿棗(T1)、中產(chǎn)駿棗(T2)、高產(chǎn)駿棗(T3)。每個(gè)試驗(yàn)地劃分3個(gè)區(qū)組。嚴(yán)格控制人為可控的條件以減少誤差。在2018年4月中下旬和6月上旬進(jìn)行施肥，其中尿素、鉀肥和有機(jī)肥一次性施入，復(fù)混肥分2次施入，葉面施肥和田間管理方式相同。3種產(chǎn)量水平的棗園施肥方案。表2

表2 不同產(chǎn)量水平下棗園施肥方案

換算后T1施肥方案為N 514.35 kg/hm2，P2O5917.7 kg/hm2，K2O 220.5 kg/hm2；T2施肥方案為N 757.5 kg/hm2，P2O51 470 kg/hm2，農(nóng)家肥6 000 kg/hm2；T3施肥方案為N 712.5 kg/hm2，P2O51 380 kg/hm2，油渣1 125 kg/hm2。2016～2018年3塊試驗(yàn)地平均產(chǎn)量分別為低產(chǎn)駿棗(T1)5 449.35 kg/hm2、中產(chǎn)駿棗(T2)6 581.25 kg/hm2、高產(chǎn)駿棗(T3)8 100.6 kg/hm2。

1.2.2 土壤樣品采集與養(yǎng)分測定

在駿棗展葉期(4月22日)、花期(6月3日)、果實(shí)膨大期(7月6日，8月23日)、成熟期(10月3日)4個(gè)時(shí)期采樣5次。隨機(jī)采樣法選取5個(gè)采樣點(diǎn)，分別采集0～20、20～40和40～60 cm 3個(gè)深度的土樣(共計(jì)3層×3區(qū)組×5次×3處理=135個(gè)土樣)。樣品采回后進(jìn)行風(fēng)干、過篩，之后測定土壤氮、磷、鉀含量(堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；速效磷采用碳酸氫鈉(NaHCO3)浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀采用中性醋酸銨(NH4OAC)浸提-火焰光度法測定[18])。土壤微生物量碳、氮樣品的采集：在棗樹坐果期采取棗樹根際土壤，采樣點(diǎn)及采樣地選擇與上述土壤樣品采集相同，以便后期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。且樣品需要低溫保存，采用氯仿熏蒸浸提法(FE)測定[19]。

1.2.3 植株樣品采集與養(yǎng)分測定

在駿棗盛花期(6月27日)、果實(shí)膨大期(7月28日)使用隨機(jī)采樣法采取3個(gè)棗園的棗吊、葉片各30株，每10株為1個(gè)重復(fù)。分別測定棗吊、葉片氮、磷、鉀含量(全氮采用H2SO4-H2O2消煮，奈氏比色法；全磷采用H2SO4-H2O2消煮，釩鉬黃比色法；全鉀采用H2SO4-H2O2消煮，火焰光度計(jì)法[18])。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算及制作相關(guān)圖表，應(yīng)用DPS軟件對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析及相關(guān)性分析，并利用Duncan法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)期不同產(chǎn)量水平下棗園土壤養(yǎng)分的變化

研究表明，在駿棗展葉期，3種產(chǎn)量水平下不同土壤深度的養(yǎng)分含量存在一定差異。在0～20、20～40和40～60 cm深度下中產(chǎn)田(T2)的土壤速效磷含量均極顯著高于低產(chǎn)田(T1)，分別高達(dá)126.2%、150.6%和200.7%,在40～60 cm深度下,T2水平的土壤速效磷含量顯著高于T3(高產(chǎn))水平，高達(dá)75.9%。在0～20 cm土層下，T3水平的土壤速效鉀含量顯著高于T1、T2水平，分別達(dá)28.5%、24.0%。3種土層深度下的堿解氮含量及20～40、40～60 cm深度下的土壤速效鉀含量差異均不顯著。圖1

注：a:0～2 cm；b:20～40 cm；c:40～60 cm

在花期，0～20 cm深度下，高產(chǎn)田的土壤速效鉀含量顯著高于中、低產(chǎn)田，分別為21.4%和28.8%。除此之外，其余土層的土壤養(yǎng)分含量差異均未達(dá)顯著水平。圖2

注：a:0～2 cm；b:20～40 cm；c:40～60 cm

在果實(shí)膨大期，3種產(chǎn)量水平下不同土層的養(yǎng)分含量有所差異。在20～40 cm土層下，T3(高產(chǎn))水平的土壤速效鉀含量顯著高于T1(低產(chǎn))水平，高達(dá)12.1%。在40～60 cm深度下，T3水平的土壤速效磷含量與T1水平呈極顯著差異，T3比T1高201.6%,且T3水平的速效鉀含量顯著高于T1、T2水平，分別高達(dá)31.2%、28.0%。3種產(chǎn)量水平下，0～20 cm土壤有效養(yǎng)分含量、20～40 cm土壤堿解氮及速效磷含量、40～60 cm土壤堿解氮含量差異均不顯著。圖3

注：a:0～2 cm；b:20～40 cm；c:40～60 cm

研究表明，在成熟期，3種產(chǎn)量水平下各土壤深度的養(yǎng)分含量存在一定差異。在0～20 cm深度下，T3水平的速效鉀含量顯著高于T1水平，高達(dá)34.9%。在40～60 cm深度下，中產(chǎn)田的堿解氮含量顯著高于高產(chǎn)田，高達(dá)33.3%，且同一深度下，高產(chǎn)田的速效鉀含量與中產(chǎn)田呈顯著差異、與低產(chǎn)田的速效鉀含量呈極顯著差異，T3比T2高33.5%，比T1高43.5%。0～20 cm深度下3種產(chǎn)量水平的土壤堿解氮、速效磷含量、20～40 cm深度下土壤各養(yǎng)分含量、40～60 cm深度下土壤速效磷含量差異均不顯著。圖4

注：a:0～2 cm；b:20～40 cm；c:40～60 cm

磷肥混合施較磷酸二銨能夠顯著提高土壤速效磷含量，施入油渣較施普通有機(jī)肥、不施有機(jī)肥對(duì)土壤速效鉀含量提高更加顯著。

2.2 不同產(chǎn)量水平下棗園土壤微生物量碳、氮含量的差異

研究表明，高產(chǎn)田的微生物量碳(MBC)含量顯著高于中產(chǎn)田和低產(chǎn)田，分別高達(dá)63.3%和79.3%。而各產(chǎn)量水平間土壤微生物量氮含量差異均不顯著。施用有機(jī)肥對(duì)土壤微生物碳量、微生物氮量均有顯著促進(jìn)作用，而化肥則不具有這種功能，相對(duì)于普通農(nóng)家肥而言，油渣更能促進(jìn)微生物量碳的增加。圖5

圖5 不同產(chǎn)量水平下棗園土壤微生物量碳、氮含量比較

2.3 不同時(shí)期不同產(chǎn)量水平下紅棗葉片、棗吊養(yǎng)分含量的差異

研究表明，在盛花期、果實(shí)膨大期3種產(chǎn)量水平下，紅棗葉片及棗吊各養(yǎng)分含量有所差異。

在盛花期，高產(chǎn)田的紅棗葉片全氮含量極顯著高于中、低產(chǎn)田，分別高達(dá)17.3%和30.3%，而全磷、全鉀含量差異未達(dá)顯著水平，且各地塊間棗吊養(yǎng)分含量差異均不顯著。

在果實(shí)膨大期，3個(gè)地塊間的紅棗葉片全氮、棗吊全氮含量差異均不顯著。而T2(中產(chǎn))與T1(低產(chǎn))、T3(高產(chǎn))水平的紅棗葉片全磷含量差異達(dá)顯著水平，T2處理下的紅棗葉片全磷含量比T1高46.4%，比T3高64.3%。T2、T3水平下紅棗葉片全鉀含量與T1水平呈顯著差異，T2、T3處理下的紅棗葉片全鉀含量分別比T1高12.2%和9.8%。T1水平的棗吊全磷含量顯著高于T3水平，且T2水平的棗吊全磷含量極顯著高于T3水平，分別高達(dá)14.6%和23.4%。T3水平的棗吊全鉀含量極顯著高于T1、T2水平，分別為19.0%和10.3%，且T2與T1水平呈顯著差異，T2比T1高7.8%。圖6

注：a：盛花期(棗樹葉片)；b：果實(shí)膨大期(棗樹葉片)；c：盛花期(棗吊)；d：果實(shí)膨大期(棗吊)

不同時(shí)期不同產(chǎn)量水平下紅棗葉片全氮、全鉀含量均極顯著高于全磷含量，且果實(shí)膨大期紅棗葉片養(yǎng)分含量略高于盛花期；不同時(shí)期不同產(chǎn)量水平下棗吊全鉀含量相對(duì)較高，其次為全氮，全磷含量，且盛花期棗吊養(yǎng)分含量高于果實(shí)膨大期。

2.4 不同產(chǎn)量水平下棗園土壤微生物量碳、氮含量與4個(gè)時(shí)期土壤速效養(yǎng)分之間的關(guān)系

研究表明，土壤微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)、與不同深度下土壤各養(yǎng)分含量之間具有相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性有所不同。MBC與MBN呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)方程為y= 0.208 4x-5.162 6(r= 0.83 7**)，且MBC與0～20 cm深度下土壤速效鉀含量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)方程為y= 0.389 9x+ 59.84 8(r= 0.691*)；MBN與各土層養(yǎng)分含量相關(guān)性雖不顯著但基本呈一定的正相關(guān)關(guān)系；0～20 cm土層速效磷含量與20～40 cm土層堿解氮、速效磷含量均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)方程為y= 0.429 6x+ 6.118 6(r= 0.844**)和y= 0.658 6x+ 0.301(r= 0.911**)；20～40 cm深度下的堿解氮與速效磷含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)方程為y= 1.149 5x-4.679 1(r= 0.810**)。表3

表3 土壤微生物量碳、氮含量與駿棗展葉期土壤各層次速效養(yǎng)分相關(guān)系數(shù)

研究表明，20～40 cm與40～60 cm深度下的速效磷含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)方程為y= 0.832 3x-0.789 5(r= 0.881**)；20～40 cm土壤速效鉀含量與40～60 cm土壤堿解氮含量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)方程為y= 0.179 1x-3.264 3(r= 0.693*)。表4

表4 土壤微生物量碳、氮含量與花期土壤各層次速效養(yǎng)分相關(guān)系數(shù)

研究表明，土壤微生物量碳(MBC)與20～40 cm深度下的土壤速效鉀含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)方程為y= 0.101 1x+ 66.459(r= 0.680*)；0～20 cm土層堿解氮含量分別與0～20 cm速效磷含量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)方程為y= 0.234x+ 3.237 6(r= 0.670*)；0～20 cm深度下的速效鉀含量與20～40 cm速效磷含量達(dá)顯著正相關(guān)，相關(guān)方程為y= 0.199 8x-8.037 4(r= 0.670*)；0～20 cm深度下的速效鉀與20～40和40～60 cm速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)方程分別為y= 0.610 5x+ 25.363(r= 0.801**)和y= 1.915x-56.854(r= 0.876**)；20～40 cm土層堿解氮與40～60 cm土層速效鉀含量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)方程為y= 3.215 5x+ 42.911(r= 0.673*)。表5

表5 土壤微生物量碳、氮含量與果實(shí)膨大期土壤各層次速效養(yǎng)分相關(guān)系數(shù)

MBC、MBN與各土層養(yǎng)分含量呈一定正相關(guān)關(guān)系；0～20 cm土層速效磷與20～40 cm土層速效磷含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)方程分別為y= 0.854 8x+ 0.654 3(r= 0.946**)；0～20 cm土層與20～40 cm深度下的速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)方程為y= 1.255 6x-17.268(r= 0.925**)，與40～60 cm深度下的速效磷、速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)方程分別為y= 0.224 7x-9.369 6(r= 0.891**)和y= 1.148 2x+ 0.806(r= 0.898**)；20～40 cm與40～60 cm深度下的堿解氮含量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)方程為y= 0.282 2x+ 6.021(r= 0.669*)；20～40 cm土層下速效磷與40～60 cm土層下速效磷含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)方程為y= 0.790 9x+ 0.589 4(r= 0.864**)；20～40 cm速效鉀含量與40～60 cm土層的速效磷、速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)方程分別為y= 0.157 7x-4.544 3(r= 0.848**)和y= 0.816 9x+ 24.54(r= 0.867**)。表6

表6 土壤微生物量碳、氮含量與成熟期土壤各層次速效養(yǎng)分相關(guān)系數(shù)

2.5 不同產(chǎn)量水平下棗園土壤微生物量碳、氮含量與紅棗葉片、棗吊養(yǎng)分之間的相關(guān)系數(shù)

研究表明，在盛花期，土壤微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)量與紅棗葉片、棗吊各養(yǎng)分含量未達(dá)顯著水平，且大致呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。紅棗葉片全磷與棗吊全磷含量間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)方程為y= 0.483 2x+ 0.529 6(r= 0.673*)。表7

表7 土壤微生物量碳、氮含量與盛花期紅棗葉片、棗吊養(yǎng)分之間的相關(guān)系數(shù)

在果實(shí)膨大期，棗樹葉片全氮含量與棗吊全鉀含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)方程為y= 0.248 6x+ 6.219 2(r= 0.851**)。表8

表8 土壤微生物量碳、氮含量與果實(shí)膨大期紅棗葉片、棗吊養(yǎng)分之間的相關(guān)系數(shù)

3 討 論

雖然土壤微生物量碳、氮在土壤中含量低，但其在生態(tài)系統(tǒng)中卻具有重要地位。馬志良[20]在窄葉鮮卑花高寒灌叢根際和非根際土壤中研究發(fā)現(xiàn)，生長季節(jié)、增溫均對(duì)土壤微生物生物量碳、氮的根際效應(yīng)有一定的影響。同時(shí)，土壤微生物量受土壤溫度、濕度及土壤有效養(yǎng)分綜合作用的影響[21]。MBC、MBN、MBP的環(huán)境影響因素主要有年均溫、年均降水量、干燥度、母質(zhì)、海拔[22]。外源磷添加有利于缺磷土壤速效磷含量的增加,并且可以增加茶園土壤微生物生物量碳、氮含量。外源添加物質(zhì)會(huì)影響土壤有機(jī)質(zhì)含量和微生物種群結(jié)構(gòu)，從而影響微生物碳、氮含量[2]。此外，秸稈還田可改善土壤微生物多樣性[23]。

生物炭和有機(jī)質(zhì)對(duì)MBC、MBN含量和土壤肥力具有一定的促進(jìn)效果[24-26]。微生物肥料對(duì)作物生長和土壤養(yǎng)分含量積累有一定的促進(jìn)作用[27]，同時(shí)有機(jī)肥的施用會(huì)顯著改善土壤物理環(huán)境，比如可以降低土壤容重、促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)生成，在提高有機(jī)質(zhì)含量的同時(shí)也可以提高土壤微生物量碳、氮含量[28]，曲成闖[29]在潮土上試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施用生物有機(jī)肥可以使土壤微生物量碳、氮分別增加33.66%～52.67%和11.52%～22.64%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤容重與有機(jī)質(zhì)含量與微生物量碳、氮具有顯著相關(guān)關(guān)系。微生物量碳、氮在某種意義上代表了土壤肥力狀況[30]，與土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤氮含量都有一定的關(guān)系。

4 結(jié) 論

4.1 從土壤養(yǎng)分總體狀況來看，土壤堿解氮、速效磷含量隨著土壤深度的增加呈逐漸降低的趨勢(shì)，速效鉀含量呈上升趨勢(shì)。土壤微生物量碳與駿棗展葉期0～20 cm土層速效鉀含量、果實(shí)膨大期20～40 cm土層速效鉀含量呈顯著正相關(guān)。不同深度下土壤各養(yǎng)分中速效鉀含量相對(duì)較高，其次為堿解氮，速效磷含量相對(duì)偏低。土壤微生物量碳與土壤微生物量氮呈極顯著正相關(guān)。高產(chǎn)田的MBC顯著的高于中、低產(chǎn)田。

4.2 在其他管理措施一致的情況下，作為土壤肥力重要指標(biāo)的土壤微生物量碳、氮自然與產(chǎn)量密切相關(guān)，當(dāng)然也與其他土壤環(huán)境條件(如養(yǎng)分狀況)及植株功能部位養(yǎng)分含量有一定關(guān)系。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，化肥施用量相近時(shí)，有機(jī)肥施用對(duì)紅棗產(chǎn)量有重要影響，高產(chǎn)和中產(chǎn)棗園施用有機(jī)肥較低產(chǎn)(不施有機(jī)肥)更能有效提高微生物量碳、氮含量，施棉籽油渣相對(duì)于糞肥而言，也能夠促進(jìn)微生物量碳氮的提高。