植煙黃壤微生物生態(tài)特征與氮素的礦化和硝化作用

陸引罡，謝永平，湛方棟，丁美麗

（1.貴州大學(xué)，貴陽 550025；2.貴州省煙草公司貴陽市分公司，貴陽 550001；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，昆明 650223）

貴州植煙黃壤一般比較粘重，烤煙生長前期低溫多雨，土壤氮素的生物有效性不高，氮素供不應(yīng)求，難于滿足煙苗前期生長的需要。但是，在煙葉生長后期，氣溫升高，土壤氮素的生物有效性過高，氮素供過于求，致使煙葉難于落黃，上部煙葉可用性不高，煙堿含量偏高，嚴(yán)重影響了煙葉的產(chǎn)量品質(zhì)。由此可見，土壤氮素的供應(yīng)與烤煙的需要不協(xié)調(diào)是貴州煙葉產(chǎn)量不高、品質(zhì)低下的主要原因之一。研究表明，土壤微生物態(tài)氮占土壤全氮量的1%～5%，為全年植物吸收氮量的 60%左右。該氮庫的周轉(zhuǎn)期為0.5～1年，其中根際的周轉(zhuǎn)率比土體快得多。對許多植物而言，氮素周轉(zhuǎn)期只有 0.2～0.6年，因此這部分養(yǎng)分的釋放量常大于這些植物的吸收量；土壤微生物態(tài)氮釋放的養(yǎng)分能滿足小麥和玉米生長的需要。施入土壤的無機(jī)氮肥的絕大部分在短時間內(nèi)就被微生物同化進(jìn)入微生物氮庫[1]。由此可見，微生物態(tài)氮的數(shù)量和周轉(zhuǎn)強(qiáng)度可以用來表征氮素供應(yīng)的容量和強(qiáng)度。由于土壤微生物的活性受到植物根系供應(yīng)的碳源和能源以及根際土壤水分和養(yǎng)分的制約，所以研究土壤養(yǎng)分—微生物活性的相互作用及其機(jī)理，掌握土壤微生物氮素的轉(zhuǎn)化規(guī)律，是實現(xiàn)合理使用氮肥、提高煙葉產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵性基礎(chǔ)工作。弄清煙地土壤中與氮素轉(zhuǎn)化有關(guān)的微生物種類、數(shù)量、生理活性、動態(tài)變化，以及它們參與土壤氮庫轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)過程及主控因子，可以弄清煙地土壤氮素供應(yīng)的機(jī)理，協(xié)調(diào)土壤氮素供應(yīng)與烤煙氮素需要，對于提高煙葉的產(chǎn)量、品質(zhì)有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

土壤采自貴陽市花溪區(qū)，按中國土壤分類標(biāo)準(zhǔn)確定為黃壤，由沙頁巖風(fēng)化物發(fā)育形成，屬于貴州省典型的地帶性分布土壤，也是貴州省主要的植煙土壤。土壤的基本性質(zhì)是pH 6.5，有機(jī)碳15.86g/k，全氮 1.94 g/kg，堿解氮 126.2 mg/kg，速效磷 7.6 mg/kg，速效鉀 53.4 mg/kg，陽離子交換量 12.15 cmol/kg。

1.2 試驗設(shè)計

設(shè)置常規(guī)施肥（有機(jī)肥＋施氮 105 kg/hm2）與不施氮肥（施有機(jī)肥）2個處理，小區(qū)面積333 m2，3次重復(fù)?？緹熎贩N為K326，分別在團(tuán)棵期、現(xiàn)蕾期和成熟期（上部葉成熟），各處理選取15株健壯烤煙，去掉0～5 cm的表面土，然后挖取表層5～40 cm的根系，用小刀把大塊土壤除去，再輕輕抖動除去粘附在根表上的土粒，混合樣品后用滅菌的塑料紙帶回實驗室，稱取約8.00 g鮮根系，置于盛有100.0 mL無菌水的三角瓶中，振蕩15 min，除去根系后得到烤煙的根際土懸液備用[2]。

1.3 土壤微生物區(qū)系測定

細(xì)菌、真菌、放線菌采用平板培養(yǎng)法。細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，放線菌采用改良高氏1號培養(yǎng)基[3]，真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基。

1.4 土壤微生物活性指標(biāo)測定

1.4.1 土壤微生物生物量碳、氮的測定 土壤微生物生物量碳的測定采用氯仿熏蒸—0.5 mol/L K2SO4提取法，TOC自動分析儀測定；土壤微生物生物量氮的測定采用熏蒸提取—開氏定氮法測定微生物生物氮量[4]。

1.4.2 土壤氨化作用強(qiáng)度、硝化作用強(qiáng)度分析 土壤氨化作用測定采用土壤培養(yǎng)法，用半微量開氏定氮蒸餾法測定NH4+-N的含量；土壤硝化作用測定采用溶液培養(yǎng)法，用比色法測定NO2-N的減少量[4]。

1.5 土壤氮素礦化率測定

100 g土樣與0 g或0.5 g 氮混合，調(diào)節(jié)加氮處理的C/N為9和13后裝入950 mL培養(yǎng)瓶。各處理加水至土壤最大持水量的70%，放入堿管加蓋密封后置于恒溫箱（30℃）內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，4次重復(fù)，培養(yǎng)期為45 d（團(tuán)棵期）、70 d（現(xiàn)蕾期）、90 d（成熟期），測定土壤氮素礦化率[4]。

2 結(jié) 果

2.1 植煙黃壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化

圖1 烤煙根際細(xì)菌數(shù)量動態(tài)變化Fig.1 Quantity dynamics of flue-cured tobacco rhizosphere bacteria

圖2 烤煙根際放線菌、真菌數(shù)量動態(tài)變化Fig.2 Quantity dynamics of flue-cured tobacco rhizosphere ctinomycetes and fungi

表1 無機(jī)氮對土壤有機(jī)碳礦化的影響Table1 Effects of nitrogen on mineralization ratio of organic carbon

如圖 1、2所示，施用氮肥處理與未施氮肥處理黃壤根際微生物三大菌數(shù)量的變化趨勢一致。各處理土壤的微生物總量在現(xiàn)蕾期以前差異顯著，但在成熟期差異不明顯。就各類微生物數(shù)量而言，大田烤煙根際微生物數(shù)量呈細(xì)菌＞放線菌＞真菌的趨勢；旺長期根際細(xì)菌數(shù)量劇增，成熟期劇減；根際放線菌和真菌數(shù)量在成熟期劇增。這表明在烤煙旺長期，根系分泌作用強(qiáng)烈，根際細(xì)菌對根分泌物的利用率和敏感性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過放線菌和真菌，出現(xiàn)微生物數(shù)量的高峰；在成熟期，可能由于根際細(xì)菌數(shù)量的劇減，對營養(yǎng)源和能源的競爭下降，使得放線菌和真菌有相對較多營養(yǎng)源和能源。值得注意的是，烤煙生育前期無機(jī)氮的施用雖然明顯促進(jìn)了土壤固有細(xì)菌數(shù)量的增加，但并未明顯促進(jìn)土壤有機(jī)碳的礦化（表1），與未施氮處理同期相比，其礦化率反而降低 0.22×10-4d-1；烤煙生長的中期（現(xiàn)蕾期）土壤細(xì)菌數(shù)量達(dá)到高峰，礦化率高于未施氮處理，且達(dá)最大值，土壤有機(jī)碳礦化量也達(dá)高峰，后期土壤細(xì)菌數(shù)量劇減，礦化率相應(yīng)降低，土壤有機(jī)碳礦化也表現(xiàn)出明顯的下降，可見，烤煙生育中后期細(xì)菌數(shù)量的變化規(guī)律與土壤氮素轉(zhuǎn)化有相當(dāng)?shù)恼嚓P(guān)關(guān)系。

2.2 植煙黃壤微生物活性的變化

2.2.1 植煙黃壤氮素礦化和硝化作用強(qiáng)度變化表2數(shù)據(jù)表明，氮的礦化強(qiáng)度4～8月份逐漸升高，8月最高為28.25 μg/g?d，9月份大幅下降。這種變化與溫度、降水、土壤濕度和土壤可礦化有機(jī)氮量有密切關(guān)系。4～8月份溫度逐漸升高，8月降水量與土壤濕度較小，積累的易礦化有機(jī)氮被迅速礦化，進(jìn)入9月份，由于土壤通氣性下降，不利于氮素的礦化作用。在好氣條件下的礦化強(qiáng)度比嫌氣條件下高，同時，在前幾個月易礦化的很多成分已被礦化，可礦化物質(zhì)減少，因而氮礦化強(qiáng)度下降。從貴州烤煙生長發(fā)育進(jìn)程來看，8月份正處于營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)化時期，以優(yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)對土壤供氮的要求來看，此時對氮素的需求應(yīng)該很少，甚至不供應(yīng)氮素還有利于提高上部煙葉的質(zhì)量，但此期氮素礦化量高，與上部煙葉對氮的需求相互矛盾。

4～9月份的總硝化趨勢是上升的，6月和7月硝化強(qiáng)度最高，最高值出現(xiàn)在 6月份（29.32 μg/g?d），這與 5月和 6月土壤中硝化作用的基質(zhì)NH4+-N的含量較高有密切關(guān)系；8月和9月硝化強(qiáng)度大幅度降低，與土壤相對干燥有關(guān)，而硝化細(xì)菌只有在濕潤條件下活動才強(qiáng)烈。比較表2的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)硝化強(qiáng)度大于礦化強(qiáng)度，主要是由于硝化作用的基質(zhì)除了來自于礦化的NH4+-N外，更多的是來自于肥料中的 NH4+-N。此外，硝化作用強(qiáng)度最高值的出現(xiàn)時間比礦化作用早 1～2個月，這表明硝化作用主要是以肥料中的NH4+-N為基質(zhì)的，也說明了植煙黃壤中參與硝化作用的微生物主要為異養(yǎng)型細(xì)菌或誘導(dǎo)型細(xì)菌，這為制定土壤微生物活性的調(diào)控技術(shù)措施提供了依據(jù)。

植煙黃壤中氮礦化、硝化強(qiáng)度與當(dāng)月降雨量、氣溫等氣候因素之間具有很好的相關(guān)性（圖3）。降雨、氣溫是影響土壤氮礦化、硝化的關(guān)鍵因素，植煙黃壤中氮礦化、硝化強(qiáng)度與降雨量、氣溫呈正相關(guān)。植煙黃壤中氮礦化、硝化強(qiáng)度隨季節(jié)降雨量、氣溫的變化規(guī)律可為目前進(jìn)行的煙水工程技術(shù)提供理論依據(jù)。

表2 植煙黃壤氮素礦化、硝化強(qiáng)度動態(tài) μg/g?dTable2 Nitrogen mineralization and nitrafication dynamics of yellow soil with tobacco

圖3 植煙黃壤礦化及硝化強(qiáng)度與氣候因子的關(guān)系Fig.3 Relationship between nitrogen mineralization and nitrafication and climate factors in yellow soil

2.2.2 植煙黃壤微生物生物量碳(Cmic)、氮(Nmic)及Cmic:Nmic比的變化 由于施入土壤的無機(jī)氮肥的絕大部分在短時間內(nèi)就被微生物同化進(jìn)入微生物氮庫，但隨著作物的生長，這些被固定的養(yǎng)分又有很大部分釋放出來供作物吸收利用[5]，無機(jī)氮肥的生物固定和有機(jī)肥的礦化，是土壤中同時發(fā)生在氮素轉(zhuǎn)化過程中兩個極其重要的過程，這兩個過程進(jìn)行的方向和強(qiáng)弱影響到烤煙的氮素營養(yǎng)狀況[6]，王巖等人研究表明[7]，這兩個過程主要受土壤中易分解的有機(jī)碳源和無機(jī)氮源數(shù)量的影響。氮素從無機(jī)氮轉(zhuǎn)化成土壤有機(jī)氮中間要經(jīng)歷一系列過程，這些過程大多發(fā)生在土壤微生物細(xì)胞內(nèi)，因而微生物態(tài)氮的數(shù)量和周轉(zhuǎn)強(qiáng)度可以用來表征氮素供應(yīng)的容量和強(qiáng)度。因此，闡明土壤微生物生物量碳(Cmic)、氮(Nmic)及 Cmic︰Nmic比的消長過程有利于揭示植煙黃壤氮素固定和礦化的本質(zhì)。

從圖 4、5可以看出，施肥后至團(tuán)棵期，微生物生物量碳有很大的上升幅度(與未施肥的對照相比升高了44%)，微生物生物量氮也有相似的變化規(guī)律（與未施肥的對照相比升高了 30%），這說明在烤煙團(tuán)棵期以前所施用的氮肥以生物固定為主，促進(jìn)有機(jī)碳礦化的作用不明顯，微生物與煙苗對氮的吸收有很強(qiáng)的競爭作用。由于煙地土壤在烤煙生長前期的硝化與反硝化損失也較大，導(dǎo)致貴州植煙黃壤上烤煙前期養(yǎng)分供應(yīng)不足、營養(yǎng)生長不良，這可能是烤煙產(chǎn)量與質(zhì)量較低的重要原因之一。

圖4 黃壤微生物碳量的變化Fig.4 Changes of microbial carbon biomass in yellow soil

圖5 黃壤微生物氮量的變化Fig.5 Changes of microbial nitrogen biomass in yellow soil

隨著烤煙進(jìn)入生育旺盛期，根系分泌作用強(qiáng)烈，根分泌物數(shù)量大，微生物生物量碳、微生物生物量氮從前期到中期（生育旺盛期）的過度卻相對平穩(wěn)，其促使土壤礦化增加烤煙氮素營養(yǎng)的作用與烤煙旺盛的氮素需要不協(xié)調(diào)；在烤煙生育后期，微生物生物量碳、微生物生物量氮逐漸下降，此時煙地土壤中的細(xì)菌數(shù)量也出現(xiàn)了大幅度的下降，土壤礦化作用強(qiáng)度相應(yīng)下降。施用肥料（氮肥）處理與對照(未施氮肥處理)的微生物生物量碳(Cmic)、氮(Nmic)量在現(xiàn)蕾期以前呈顯著性差異，但在成熟期差異不明顯。

植煙黃壤微生物量碳、氮比的變化顯示（圖6），對土壤施肥提高了微生物Cmic︰Nmic比，在團(tuán)棵期和旺長期呈小幅上升，在成熟期尤其突出，此時微生物可釋放出一部分多余的氮素，雖然數(shù)量不大，但這有利于烤煙生育前期對氮素的需要，但后期微生物釋氮對烤煙質(zhì)量不利。不施肥處理的土壤也有類似變化。從植煙黃壤微生物量碳、氮比的變化可推斷，由于微生物量碳、氮比在烤煙整個生育期均呈上升趨勢，成熟期上升幅度更大，調(diào)節(jié)烤煙生育后期土壤的碳、氮比例將有利于上部煙葉品質(zhì)的提高。

圖6 黃壤微生物碳氮比的變化Fig.6 Changes of microbial C:N ratio in yellow soil

3 結(jié) 論

（1）連續(xù) 2年的試驗結(jié)果表明，烤煙生育中期和后期細(xì)菌數(shù)量的變化規(guī)律與土壤氮素轉(zhuǎn)化呈正相關(guān)關(guān)系；植煙黃壤礦化強(qiáng)度變化與溫度、降水、土壤濕度和土壤可礦化有機(jī)氮量有密切關(guān)系，貴州地區(qū)植煙黃壤礦化強(qiáng)度在8月達(dá)到最高值（28.25 μg/g?d）；植煙黃壤氮的硝化強(qiáng)度隨土壤水分及硝化基質(zhì)的含量而變化，貴州地區(qū)最高值出現(xiàn)在 6月份（29.32 μg /g?d）。

（2）土壤微生物生物量碳、氮及Cmic︰Nmic比在植煙黃壤施氮肥或不施氮肥的變化基本一致，至烤煙生長中期，所施用的氮肥大部被微生物生物固定，這可能是導(dǎo)致貴州植煙黃壤上烤煙前期養(yǎng)分供應(yīng)不足、營養(yǎng)生長不良的重要原因之一。而后期微生物生物量碳、微生物生物量氮雖逐漸下降，但微生物Cmic︰Nmic比卻有小幅上升，土壤仍有較強(qiáng)的礦化作用。根據(jù)貴州植煙黃壤上微生物活度變化規(guī)律，采用大壯苗深栽或提前起高壟結(jié)合覆膜等技術(shù)措施，通過基肥、追肥一次性施用或控制氮肥施用量的方法，對調(diào)節(jié)氨化、硝化細(xì)菌活性、改變土壤養(yǎng)分供應(yīng)、滿足烤煙對養(yǎng)分的需求規(guī)律具有較好的效果，對提高烤煙中下部煙葉質(zhì)量也有較好的效果。

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