長期施肥對旱地紅壤微生物生物量碳、氮和酶活性的影響

林小兵,柳開樓,黃尚書,何紹浪,徐小林,周琦娜,鐘義軍

(1.江西省紅壤及種質(zhì)資源研究所,國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心,江西 南昌 331717;2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源與環(huán)境學(xué)院,江西 南昌 330045)

紅壤是我國南方地區(qū)重要的土地資源,由于受自身發(fā)育、氣候等自然因素及不合理利用等人為因素的影響,紅壤酸、黏、瘦、板等特性越來越突出[1-2],農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)脆弱,生物多樣性銳減,嚴(yán)重制約了紅壤資源的可持續(xù)發(fā)展。施肥是改良土壤地力和提高產(chǎn)量的常規(guī)措施,但長期、過量施用化肥會帶來土壤酸化、肥力下降、微生物活性減弱等不利影響[3-4]。針對不合理施用化肥帶來的負(fù)面影響,增施有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)肥配施是改善土壤理化性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)的重要措施[5]。

研究表明,長期有機(jī)無機(jī)肥配施可以改善旱地紅壤土壤肥力,提高細(xì)菌多樣性[6],與不施豬糞相比,連續(xù)施用豬糞3 a后,旱地紅壤有機(jī)碳、速效養(yǎng)分和作物產(chǎn)量均得到明顯提高[7]。土壤微生物生物量和酶活性常被用來評價土壤的生物學(xué)性狀[8],目前,已有大量研究關(guān)于長期施肥對土壤物理、化學(xué)性質(zhì)及產(chǎn)量的影響,而對土壤生物學(xué)特性的研究較少,特別是長期有機(jī)無機(jī)肥料配施下對旱地紅壤微生物生物量碳、氮和酶活性的影響。合理的施肥制度有利于改善土壤理化性質(zhì),提高作物產(chǎn)量,不合理施肥則將進(jìn)一步導(dǎo)致耕地質(zhì)量下降,從而影響作物產(chǎn)量。因此,本研究基于種植制度為一年兩季玉米的南方旱地紅壤區(qū),分析不同施肥(化肥、有機(jī)肥和有機(jī)無機(jī)肥配施)處理對不同時期不同深度下玉米土壤微生物生物量和酶活性的影響,以期準(zhǔn)確評價長期施肥對旱地紅壤生物學(xué)指標(biāo)的影響。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于江西省南昌市進(jìn)賢縣張公鎮(zhèn)江西省紅壤研究所旱博園內(nèi)(116°20′24″E、28°15′30″N),屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年均降雨量1 537 mm,年均氣溫17.7～18.5 ℃,海拔25～30 m。1986年試驗前耕層土壤pH值 6.0,有機(jī)碳9.39 g/kg,全氮0.98 g/kg,全磷1.42 g/kg,全鉀15.83 g/kg,堿解氮60.3 mg/kg,有效磷12.9 mg/kg,速效鉀102 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

長期定位試驗開始于1986年,設(shè)置4個處理:對照(不施肥,CK);化肥(氮、磷、鉀肥,NPK);有機(jī)肥(鮮豬糞,OM);化肥和有機(jī)肥配施(NPKM)。隨機(jī)區(qū)組排列,各小區(qū)面積22.2 m2,每個處理3次重復(fù)。種植制度為春玉米-秋玉米-冬閑,玉米品種為掖單13,每季的播種量(條播)為30 kg/hm2。肥料施用量詳見表1。

表1 旱地紅壤長期施肥試驗各處理每季肥料用量

1.3 樣品采集和測定

分別于2020年6月底(春玉米成熟期)和2020年10月底(秋玉米成熟期)進(jìn)行采樣,采用五點采樣法,每個小區(qū)分別采集0～20 cm,20～40 cm土壤,混勻后去除根系與雜質(zhì)運(yùn)送至實驗室,一部分放置-4 ℃冰箱保存;一部分風(fēng)干過篩。在玉米成熟后,對小區(qū)內(nèi)所有玉米收齊后進(jìn)行脫粒、曬干和稱質(zhì)量。

本試驗土壤化學(xué)性質(zhì)參照魯如坤[9]的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》方法進(jìn)行,土壤pH值采用電位法,土壤有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化-容量法,全氮(TN)采用凱氏定氮法,全磷(TP)采用碳酸鈉熔融法,全鉀(TK)采用氫氧化鈉熔融法,堿解氮(AN)采用堿解擴(kuò)散法,有效磷(AP)采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法,速效鉀(AK)采用乙酸銨浸提-火焰光度法。

土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法;過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法;磷酸單脂酶活性采用對硝基苯磷酸鹽法;蔗糖酶活性采用水楊酸比色法[10]。采用氯仿熏蒸法測定土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN):稱取5 g干質(zhì)量的新鮮土壤樣品用氯仿熏蒸24 h,并準(zhǔn)備等量的新鮮土壤,不熏蒸作為對照組,熏蒸結(jié)束后,利用0.5 mol/L的K2SO4溶液浸提(土液比為1∶4),在搖床上浸提30 min后,過濾,得到濾液,采用TOC分析儀測定浸提液的C、N濃度,以熏蒸和不熏蒸土壤中總碳和全氮的差值除以轉(zhuǎn)化系數(shù)計算得到土壤微生物生物量碳、氮含量,換算系數(shù)分別為0.45,0.54[11]。其中,微生物熵(qMB)=土壤微生物生物量碳(MBC)/土壤有機(jī)碳(SOC)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

本試驗數(shù)據(jù)采用R語言進(jìn)行分析和處理,并由R語言ggplot2完成制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物生物量碳、氮含量

從圖1可以看出,長期施肥后旱地紅壤微生物生物量碳、氮含量差異顯著,春玉米時期,0～20 cm土層NPK、NPKM和OM處理MBC較CK分別提高了69.19%,141.85%,119.02%,MBN分別提高了3.33%,39.54%,23.65%;20～40 cm土層NPK、NPKM和OM處理MBC較CK分別提高了67.05%,159.15%,106.05%,MBN分別提高了31.44%,62.37%,46.65%。秋玉米時期,0～20 cm土層NPK、NPKM和OM處理MBC較CK分別提高了36.30%,96.93%,67.33%,MBN分別提高了17.09%,47.29%,34.41%;20～40 cm土層NPK、NPKM和OM處理MBC較CK分別提高了73.46%,136.72%,111.61%,MBN分別提高了29.58%,46.81%,39.30%。進(jìn)一步分析MBC/MBN和微生物熵qMB發(fā)現(xiàn),長期不同施肥后MBC/MBN和qMB表現(xiàn)為NPKM和OM處理顯著高于CK處理,春玉米時期,與CK相比,0～40 cm土層NPK、NPKM和OM處理MBC/MBN分別提高了26.92%～62.61%,60.10%～71.74%,40.80%～75.65%,qMB較CK分別增加了2.50～3.73百分點,2.62～7.14百分點,2.97～5.90百分點;秋玉米時期,與CK相比,0～40 cm土層NPK、NPKM和OM處理MBC/MBN分別提高了16.08%～33.47%,33.22%～61.44%,24.13%～51.27%;qMB較CK分別增加了1.03～3.43百分點,0.61～4.15百分點,0.01～4.17百分點。總體上,0～20 cm土壤MBC和MBN明顯高于20～40 cm,秋玉米時期土壤MBC和MBN明顯高于春玉米。

圖中不同小寫字母為同一土層不同處理間差異顯著,P<0.05。圖2—4同。

2.2 土壤酶活性

如圖2所示,長期施肥后旱地紅壤酶活性差異顯著。春玉米時期,與CK相比,0～20 cm土層NPK、NPKM和OM處理過氧化氫酶活性分別提高了42.61%,63.77%,79.71%,磷酸單脂酶活性分別提高了38.59%,46.02%,46.06%,脲酶活性分別提高了26.47%,82.37%,53.94%,蔗糖酶活性分別提高了101.57%,152.76%,243.31%;20～40 cm土層NPK、NPKM和OM處理過氧化氫酶活性分別提高了0.22%,33.74%,19.50%,磷酸單脂酶活性分別提高了9.82%,59.51%,31.90%,脲酶活性分別提高了12.10%,17.62%,8.73%,蔗糖酶活性分別提高了116.67%,538.89%,66.67%。秋玉米時期,與CK相比,0～20 cm土層NPK、NPKM和OM處理過氧化氫酶活性分別提高了42.60%,66.49%,74.55%,磷酸單脂酶活性分別提高了38.03%,57.39%,47.89%,脲酶活性分別提高了25.29%,58.98%,34.92%,蔗糖酶活性分別提高了51.70%,194.32%,168.75%;20～40 cm土層NPK、NPKM和OM處理過氧化氫酶活性分別提高了7.41%,50.20%,43.48%,磷酸單脂酶活性分別提高了21.76%,36.57%,22.69%,脲酶活性分別提高了18.85%,36.59%,21.56%,蔗糖酶活性分別提高了137.04%,216.67%,168.52%。

圖2 長期不同施肥對旱地紅壤雙季玉米制度下土壤酶活性的影響

2.3 土壤養(yǎng)分

長期不同施肥對旱地紅壤pH值、有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀等化學(xué)性質(zhì)影響達(dá)顯著水平(圖3)。春玉米和秋玉米時期,土壤pH值在0～20 cm,20～40 cm土層均表現(xiàn)出OM>NPKM>CK>NPK趨勢,OM和NPKM處理與CK相比,土壤pH值分別提高了0.52%～25.00%,1.04%～18.24%,而NPK則降低了0.20%～8.53%。有機(jī)碳在0～20 cm,20～40 cm土層均表現(xiàn)出NPKM>OM>NPK>CK趨勢,春玉米時期,與CK相比,0～40 cm土層NPK、NPKM和OM處理中有機(jī)碳分別提高了3.62%～15.64%,19.79%～63.27%,4.47%～41.11%;秋玉米時期,與CK相比,0～40 cm土層NPK、NPKM和OM處理中有機(jī)碳分別提高了16.83%～19.92%,47.99%～82.21%,32.12%～66.67%。土壤全量和速效養(yǎng)分變化趨勢和有機(jī)碳變化規(guī)律一致,除秋玉米時期0～20 cm土層外,與CK相比,NPK、NPKM和OM處理中全氮分別提高了2.00%～6.98%,10.47%～68.00%,10.47%～30.00%。春玉米和秋玉米時期,0～40 cm土層NPK、NPKM和OM處理與CK相比,全磷分別提高了3.92%～30.43%,34.38%～230.43%,35.93%～265.22%,全鉀分別提高了5.61%～9.76%,6.82%～9.68%,6.16%～9.84%。增施有機(jī)肥(OM和NPKM)后,與CK相比,有效磷分別提高了6.38～7.59倍,6.65～11.64倍,單施NPK則無顯著影響;春玉米和秋玉米時期,0～40 cm土層NPK、NPKM和OM處理與CK相比,堿解氮分別提高了3.27%～18.61%,23.89%～49.70%,26.70%～65.11%;速效鉀分別提高了92.02%～168.06%,123.35%～302.34%,121.58%～197.49%。

2.4 玉米產(chǎn)量

如圖4所示,春玉米產(chǎn)量為1 189.39～8 454.55 kg/hm2,秋玉米產(chǎn)量為340.91～5 477.27 kg/hm2。旱地紅壤經(jīng)過35 a不同施肥后,除秋玉米NPK處理外,各施肥處理均顯著提高了玉米產(chǎn)量,增加了1.04～15.06倍,其中春、秋玉米產(chǎn)量均表現(xiàn)出:NPKM>OM>NPK>CK的趨勢。春玉米時期,與CK相比,NPK、NPKM和OM處理玉米產(chǎn)量分別提高了1.53,6.11,4.75倍;秋玉米時期,NPK、NPKM和OM處理較CK相比產(chǎn)量分別提高了1.04,15.07,11.36倍。從圖4還可以看出,施用有機(jī)肥處理(OM和NPKM)玉米產(chǎn)量也顯著高于純化肥處理(NPK)。

圖4 長期不同施肥模式對雙季玉米產(chǎn)量的影響

2.5 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析表明(圖5),春玉米和秋玉米時期,在0～20 cm土層,土壤磷酸單脂酶與土壤速效鉀呈極顯著正相關(guān);土壤蔗糖酶與土壤全磷和堿解氮均呈極顯著正相關(guān);土壤脲酶與土壤速效鉀呈極顯著正相關(guān);土壤過氧化氫酶與土壤全磷和堿解氮均呈極顯著正相關(guān);土壤微生物量碳與土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、有效磷和速效鉀均呈極顯著正相關(guān);土壤微生物量氮與土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、有效磷和速效鉀均呈極顯著正相關(guān)。在20～40 cm土層,土壤磷酸單脂酶與土壤有效磷呈極顯著正相關(guān);土壤過氧化氫酶與土壤有效磷呈極顯著正相關(guān);土壤微生物量碳與土壤全鉀和有效磷均呈極顯著正相關(guān);土壤微生物量氮與土壤全鉀呈極顯著正相關(guān)。

圖中數(shù)值為相關(guān)系數(shù),*、**和***分別表示在0.05,0.01,0.001水平上差異顯著。

由表2可以看出,春玉米產(chǎn)量與土壤pH值、有機(jī)碳、全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀、微生物量碳、微生物量氮、脲酶和過氧化氫酶均呈極顯著正相關(guān),還與土壤全鉀、磷酸單脂酶、蔗糖酶呈極顯著正相關(guān)。秋玉米產(chǎn)量與土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、堿解氮、有效磷、微生物量碳、微生物量氮、蔗糖酶和脲酶均呈極顯著正相關(guān),還與土壤pH值、磷酸單脂酶、速效鉀和過氧化氫酶呈極顯著正相關(guān)。相關(guān)性還表明,土壤養(yǎng)分、微生物生物量和酶活性的增加是顯著促進(jìn)玉米產(chǎn)量提高的重要措施。

表2 玉米產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分、微生物生物量碳、氮含量和酶活性相關(guān)性

3 結(jié)論與討論

3.1 不同施肥方式對土壤養(yǎng)分和玉米產(chǎn)量的影響

長期不同施肥對雙季玉米旱地紅壤的養(yǎng)分有著不同程度的影響,有機(jī)肥(豬糞)中含有大量作物所需的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素,有機(jī)肥施入土壤后不斷腐解,土壤養(yǎng)分如有機(jī)質(zhì)、氮素、磷素及鉀素不斷釋放[12],提高了土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷及速效鉀等含量。本研究發(fā)現(xiàn),旱地紅壤長期增施有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)配施可以顯著提高土壤養(yǎng)分和pH值,而單施化肥則加速了土壤酸化,其中長期增施有機(jī)肥后土壤磷素累積明顯。宋以玲等[13]研究表明,與常規(guī)施用化肥比,減量化肥配施有機(jī)肥通過改善根際土壤微生物群落來改變土壤酶活性和有效養(yǎng)分含量,并實現(xiàn)養(yǎng)地增產(chǎn)的效果。徐文靜等[14]試驗也表明,長期有機(jī)無機(jī)配施處理較單施化肥處理對土壤有機(jī)碳的提升作用效果更佳,與本研究結(jié)果類似。本研究發(fā)現(xiàn),長期施用豬糞或豬糞與化肥配施后可顯著增加玉米產(chǎn)量,較CK比增加了4.75～15.07倍,而單施化肥玉米產(chǎn)量僅增加了1.04～1.53倍。Zhong等[15]研究表明,旱地紅壤連續(xù)33 a不施肥后,玉米產(chǎn)量基本維持初始水平,單施化肥在前15 a呈增長趨勢,但在第15年后則顯著下降到低于初始產(chǎn)量,說明長期單施化肥不利于玉米產(chǎn)量的提升。研究表明,施用有機(jī)肥,提高了有機(jī)碳含量和微生物固碳能力,改善了土壤孔隙結(jié)構(gòu)和透氣性,進(jìn)而促進(jìn)了作物產(chǎn)量的提高[16-17]。長期施用有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)配施可以通過改善玉米的行粒數(shù)、穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量等穗部經(jīng)濟(jì)性狀,從而有利于獲得較高的產(chǎn)量[18],大量研究發(fā)現(xiàn),有機(jī)肥與化肥氮磷鉀平衡配施不僅能改善土壤理化性狀和培肥土壤,而且可協(xié)同提升農(nóng)作物籽粒產(chǎn)量[19-20]。研究還發(fā)現(xiàn),秋玉米土壤化學(xué)性質(zhì)和春玉米變化規(guī)律基本一致,除土壤pH值和全鉀外,土壤養(yǎng)分均隨著土層深度增加而顯著降低。向姣等[21]研究表明,耕層土壤(0～20 cm)有機(jī)碳對長期施肥響應(yīng)最敏感,有機(jī)碳隨剖面呈下降趨勢,與本研究相似。研究發(fā)現(xiàn),長期秸稈還田促進(jìn)土壤表層養(yǎng)分累積,但土壤底層可能引起養(yǎng)分供應(yīng)不足[22]。施肥主要集中在土壤表層,而長期定位施肥加劇了表層土壤養(yǎng)分的累積,造成土壤養(yǎng)分隨土層深度降低。

3.2 不同施肥方式對土壤微生物生物量碳、氮和酶活性的影響

長期施肥后土壤酶活性和微生物生物量碳、氮含量均顯著提高,且添加有機(jī)肥(豬糞)效果要優(yōu)于單施化肥。有機(jī)肥投入后,土壤有機(jī)碳含量增加,微生物得到了豐富的碳源和氮源,有利于微生物繁殖和發(fā)展[23],也提高了土壤酶活性[24]。研究表明,長期施用有機(jī)肥或與化肥配施能顯著提高土壤微生物多樣性和微生物量氮[25-27]。有機(jī)肥不僅為土壤提供大量養(yǎng)分,使微生物代謝能力加強(qiáng),促進(jìn)土壤中腐殖質(zhì)分解,而且增加作物根系生物量及分泌物,為根際微生物提供了易于吸收的碳源,從而提高了土壤中微生物生物量碳、氮[28-29]。研究還發(fā)現(xiàn),有機(jī)無機(jī)肥配施土壤微生物生物量碳、氮含量均高于單施有機(jī)肥,單施有機(jī)肥缺少了土壤微生物生長的氮、碳、磷等養(yǎng)分,土壤微生物的繁殖及生長受限,減弱了土壤微生物對氮的固持[30]。此外,與單施化肥相比,有機(jī)無機(jī)肥配施的對氮素固定率較高,主要是有機(jī)無機(jī)肥配施避免了氮素淋失和反硝化脫氫[26]。馬曉霞等[31]研究表明,長期有機(jī)物配施化肥有利于提高土壤堿性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶等酶活性。主要原因是有機(jī)肥為土壤帶來了大量的腐殖質(zhì),促進(jìn)了微生物繁殖及生長,還刺激了土壤酶活性,有機(jī)肥還改善了土壤理化性質(zhì),為土壤微生物生長提供良好環(huán)境,為土壤酶提供了更多的底物[32-34]。土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、有效磷、堿解氮和有效磷等養(yǎng)分的增加是促進(jìn)玉米生物量碳、氮和酶活性提高的重要措施,與以往研究結(jié)果相似[26]。試驗還發(fā)現(xiàn),土壤酶活性和微生物生物量碳、氮均隨著土層深度增加而顯著降低,而秋玉米時期土壤微生物生物量碳、氮和酶活性高于春玉米時期。潘名好等[35]研究發(fā)現(xiàn),4種酶活性呈表層富集現(xiàn)象,均隨土層深度的增加而降低,李榮等[36]調(diào)查發(fā)現(xiàn),隨土層深度的增加土壤微生物量碳含量逐漸下降的趨勢,王伯仁等[25]在湖南祁陽旱地紅壤發(fā)現(xiàn),土壤養(yǎng)分主要集中在0～20 cm表層土壤,土壤養(yǎng)分豐富的地區(qū)土壤微生物生物量碳、氮和酶活性也較高。不同時期生物呼吸作用以及微生物分解殘體可能影響土壤微生物生物量碳、氮和酶活性的季節(jié)差異[37],土壤酶活性主要土壤肥力狀況和微生物過程的共同制約[38]。相關(guān)性還發(fā)現(xiàn),秋玉米時期土壤微生物生物量碳、氮和酶活性較春玉米時期比受土壤養(yǎng)分影響更顯著,采樣時期的水、熱條件變化也可能影響土壤微生物生物量碳、氮和酶活性。

3.3 不同施肥方式對土壤的長期施肥效果

連續(xù)35 a施肥后,單施化肥加速了旱地紅壤酸化進(jìn)程,增施有機(jī)肥則可以緩解土壤酸化,維持較高土壤pH值,但土壤磷素累積明顯。長期施肥后土壤酶活性和微生物生物量碳、氮含量均顯著提高,且添加有機(jī)肥(豬糞)效果要優(yōu)于單施化肥。土壤微生物生物量碳、氮和酶活性與土壤養(yǎng)分狀況對長期施肥的響應(yīng)基本相同。有機(jī)無機(jī)配施是提升土壤養(yǎng)分、微生物生物量、酶活性和產(chǎn)量的最佳培肥措施,但需要注意長期施用豬糞帶來的重金屬等環(huán)境風(fēng)險。

旱地紅壤長期施用有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)肥配施,有利于增加土壤pH值和養(yǎng)分,提高微生物生物量碳、氮和酶活性,是旱地紅壤肥力提升和地力保持的適宜農(nóng)業(yè)措施。長期單施化肥會導(dǎo)致旱地紅壤酸化加劇,不利于旱地紅壤養(yǎng)分與生物肥力提升,限制了作物產(chǎn)量的提高,不適于該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。