低溫菌劑降解秸稈還田對東北黑土微生物活性的影響

趙偉+潘延欣+靳雯然+劉暢+王宏燕+劉保平+劉佳斌+李傳寶

摘要：研究了東北黑土區(qū)低溫菌劑降解秸稈還田對玉米田土壤微生物量和土壤酶活性的影響。結(jié)果表明，低溫菌劑的施入較常溫菌劑顯著提高了土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性及微生物碳、氮含量。經(jīng)低溫復(fù)合菌劑處理和低溫生物表面活性劑處理后，土壤細(xì)菌數(shù)量分別高于對照（不施菌劑）5.12%和3.72%，其他處理均明顯低于對照。各處理土壤真菌、放線菌的數(shù)量均高于對照，且低溫復(fù)合菌土壤真菌、放線菌的數(shù)量最多，分別高于對照2.11倍和21.34%。除生物表面活性劑處理和纖維素分解菌處理土壤脲酶活性低于對照外，低溫纖維素分解菌處理、低溫復(fù)合菌處理、低溫表面活性劑處理和復(fù)合菌處理土壤脲酶活性分別高于對照14.67%、7.43%、6.17%和1.67%。低溫復(fù)合菌劑處理、復(fù)合菌處理、纖維素分解菌處理、低溫生物表面活性劑處理、低溫纖維素分解菌處理和生物表面活性劑處理土壤過氧化氫酶活性分別高于對照9.01%、4.71%、4.23%、3.66%、2.89%和1.48%。施菌劑能顯著提高土壤微生物量以及碳、氮含量，且施加低溫菌劑的處理在提高土壤微生物量方面優(yōu)于常溫菌劑。

關(guān)鍵詞：低溫菌劑；秸稈還田；微生物活性；土壤酶；黑土

中圖分類號：S767.5；X172 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）17-4020-05

Effects of Low-temperature Agent Degrading Straw and Returning to Field on Microbial Activity in Black Soil

ZHAO Wei，PAN Yan-xin，JIN Wen-ran，LIU Chang，WANG Hong-yan，

LIU Bao-ping，LIU Jia-bin，LI Chuan-bao

（College of Resources and Environment， Northeast Agricultural University， Harbin 150030， China）

Abstract： The effects of low-temperature agent degrading straw and returning to the field on microbial biomass and soil enzyme of cornfield in black soil were investigated. The results showed that low-temperature agent improved the numbers of microbes， the soil enzyme activities and the microbial biomass carbon and nitrogen contents. Treatments of low-temperature complex agent and low-temperature biosurfactants had more bacteria than CK by 5.12% and 3.72%. The other treatments had less bacteria than CK. The greatest numbers of fungi and actinomycetes were recorded for low-temperature complex agent， which were 2.11 times and 21.34% greater than those of CK. All treatments had more fungi and actinomycetes than CK. Except treatments of biosurfactants and cellulose decomposing microbes had less urease activities than CK， other treatments of low-temperature cellulose decomposing microbes， low-temperature complex agent，low-temperature biosurfactants， and complexagent had more urease activities than CK by 14.67%，7.43%，6.17% and 1.67%，respectively. Treatments of low-temperature complex agent， complex agent， cellulose decomposing microbes， low-temperature biosurfactants， low-temperature cellulose decomposing microbes，and biosurfactants had more catalase activities than CK by 9.01%，4.71%，4.23%， 3.66%，2.89% and 1.48%.Application of agent accelerated expansion of microbial biomass carbon and nitrogen contents. Applications of low-temperature agent were better than those of agents on improving the contents of microbial biomass.

Key words： low-temperature agent； straw returning； microbial activity； soil enzyme； black soil

農(nóng)作物秸稈是重要的生物質(zhì)資源，富含纖維素、木質(zhì)素以及氮、磷、鉀等多種營養(yǎng)元素，秸稈還田有利于土壤腐殖質(zhì)的更新、土壤有機(jī)質(zhì)平衡的維持和土壤的改良，并且能達(dá)到培肥地力的作用，是保護(hù)環(huán)境、提高作物產(chǎn)量和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一。對秸稈的不恰當(dāng)處置不僅造成資源浪費(fèi)，更是對環(huán)境的破壞，影響了交通安全、社會生產(chǎn)和人民的生活。

在所有農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，土壤微生物構(gòu)成了巨大動態(tài)養(yǎng)分源和庫，土壤微生物在植物枯枝分解、養(yǎng)分循環(huán)、土壤結(jié)構(gòu)、氮的固定、減少植物病原體和其他土壤性質(zhì)改變中起著重要作用，微生物群落的組成或活性的變化能直接和長期影響生態(tài)系統(tǒng)功能。秸稈還田為土壤微生物的生命活動提供了豐富有效的能源，促進(jìn)了土壤微生物的活動。目前，關(guān)于秸稈還田的研究多集中在不同秸稈還田方式[1-3]、還田時(shí)間[4]及秸稈還田量[5-7]等，秸稈還田增加了土壤有機(jī)質(zhì)的含量[8，9]，改善了土壤理化性狀[10-12]，提高了土壤生物活性[13-15]，固定、保存并促進(jìn)氮素養(yǎng)料的轉(zhuǎn)化[16]，但應(yīng)用低溫菌劑降解秸稈還田對黑土土壤微生物活性方面的研究還鮮見報(bào)道。

盡管東北地區(qū)是我國最大的玉米產(chǎn)區(qū)，但由于氣溫較低，秸稈還田腐解速度慢，影響后續(xù)的耕作過程，該地區(qū)玉米秸稈直接還田比例僅為11.2%，遠(yuǎn)低于全國平均水平。因此，本研究結(jié)合退化黑土生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)，研究低溫菌劑降解秸稈還田對黑土土壤微生物活性的影響，以期在修復(fù)退化黑土地力，實(shí)現(xiàn)秸稈的資源化循環(huán)利用，保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展方面提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)設(shè)在哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊農(nóng)場試驗(yàn)基地，屬于松嫩平原退化黑土類型。供試作物為玉米302。供試土壤理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)7個(gè)處理組，分別為處理組1：對照（僅有秸稈，無菌劑）；處理組2：低溫纖維素分解菌（低纖）；處理組3：低溫生物表面活性劑；處理組4：低溫復(fù)合菌劑；處理組5：纖維素分解菌；處理組6：生物表面活性劑；處理組7：復(fù)合菌劑。每處理設(shè)4個(gè)小區(qū)（重復(fù)4次），每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)長6 m，寬7 m。所用菌劑由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院研制提供。

處理均采用“二分法”小壟深松還田技術(shù)，即采用70 cm小壟，間隔種植法（分苗區(qū)和空白區(qū)，苗區(qū)雙行點(diǎn)播）。秋收后，將玉米秸稈收獲后粉碎，秸稈還田量為8 940 kg/hm2，噴施菌劑量為秸稈總量5%，秸稈全部施入空白區(qū)進(jìn)行秸稈翻埋。每年采取“二分法”平移，第1年玉米種在苗區(qū)，第2年玉米種在空白區(qū)。分別在拔節(jié)期和抽雄期追肥，正常田間管理。

1.3 土樣采集

在玉米的出苗期（T1）、拔節(jié)期（T2）、抽雄期（T3）、灌漿期（T4）、成熟期（T5）采集土樣，取土深度為20 cm，每個(gè)小區(qū)3點(diǎn)（S形），四分法取土。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 土壤微生物數(shù)量的測定 土壤微生物測定采用稀釋平板測數(shù)法。土壤微生物用平板涂布培養(yǎng)法進(jìn)行測定。細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨合成培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)；真菌采用馬丁氏瓊脂培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)；放線菌采用高氏1號瓊脂培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)。

1.4.2 土壤酶活性的測定 采用靛酚比色法測定脲酶活性；高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶活性。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)均采用Excel 2003和SPSS 17.0進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秸稈還田處理對土壤微生物的影響

2.1.1 不同秸稈還田處理對土壤細(xì)菌的影響 各處理細(xì)菌數(shù)量在抽雄期（T3）達(dá)到最高值（圖1），低溫復(fù)合菌劑處理和低溫生物表面活性劑處理明顯提高了土壤細(xì)菌數(shù)量。低溫復(fù)合菌劑處理和復(fù)合菌劑處理土壤細(xì)菌數(shù)量均呈先上升后下降趨勢，且低溫復(fù)合菌劑處理細(xì)菌數(shù)量明顯高于復(fù)合菌劑處理。從生育期平均值來看，低溫復(fù)合菌劑處理和低溫生物表面活性劑處理土壤細(xì)菌數(shù)量最高，分別高于對照5.12%和3.72%；其他處理均明顯低于對照。

2.1.2 不同秸稈還田處理對土壤真菌的影響 由圖2所示，除生物表面活性劑處理外，其他處理真菌數(shù)量均在T2期達(dá)到最大，且呈現(xiàn)先上升后下降趨勢。從整個(gè)生育期平均水平看，低溫復(fù)合菌處理的真菌數(shù)量最大，為2.7×106個(gè)/g干土，為對照的2.11倍；其次為纖維素分解菌處理，為1.78×106個(gè)/g干土，為對照的1.48倍；再次為復(fù)合菌處理、生物表面活劑處理和低溫纖維素分解菌處理，分別為對照的1.40倍、1.29倍和1.20倍；低溫表面活性劑處理土壤真菌數(shù)量略高于對照，為對照的1.02倍。

2.1.3 不同秸稈還田處理對土壤放線菌的影響 由圖3所示，從苗期至成熟期，低溫纖維素分解菌處理和低溫生物表面活性劑處理土壤放線菌數(shù)量一直呈現(xiàn)降低趨勢，其他處理土壤放線菌數(shù)量呈現(xiàn)先降低再升高再降低的趨勢。苗期施菌劑處理土壤放線菌數(shù)量明顯高于對照。從整個(gè)生育期平均水平看，低溫復(fù)合菌處理土壤放線菌數(shù)量最高，高于對照21.34%；其次為低溫纖維素分解菌處理和生物表面活性劑處理，土壤放線菌數(shù)量分別高于對照20.70%和20.38%；纖維素分解菌處理、低溫生物表面活性劑處理和復(fù)合菌劑處理土壤放線菌數(shù)量分別高于對照10.82%、3.18%和1.27%。

2.2 不同秸稈還田處理對土壤酶的影響

2.2.1 不同秸稈還田處理對土壤脲酶的影響 各處理土壤脲酶活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢（圖4），且各處理土壤脲酶活性在T2期達(dá)到最高。從整個(gè)生育期平均水平看，施加低溫菌劑的處理土壤脲酶活性明顯高于其他處理，其中低溫纖維素分解菌處理土壤脲酶活性最高，為106.28 mg/g，高于對照14.67%；其次為低溫復(fù)合菌處理、低溫表面活性劑處理和復(fù)合菌處理，土壤脲酶活性分別高出對照7.43%、6.17%和1.67%；而生物表面活性劑處理土壤脲酶活性低于對照，但差異不顯著，纖維素分解菌處理土壤脲酶活性明顯低于對照。

2.2.2 不同秸稈還田處理對土壤過氧化氫酶的影響 各處理土壤過氧化氫酶活性呈現(xiàn)先升高后下降再升高在下降的趨勢（圖5）。低溫復(fù)合菌劑處理在玉米各個(gè)時(shí)期土壤過氧化氫酶活性都是最高的，為0.16 mL KMnO4/g，高于對照9.01%；復(fù)合菌處理和纖維素分解菌處理土壤過氧化氫酶活性差異不顯著，但明顯高于對照4.71%和4.23%；低溫生物表面活性劑處理、低溫纖維素分解菌處理和生物表面活性劑處理之間差異不顯著，平均為0.14 mL KMnO4/g，分別高出對照3.66%、2.89%和1.48%。

2.3 不同秸稈還田處理對土壤微生物量的影響

2.3.1 不同秸稈還田處理對土壤微生物量碳的影響 由圖6所示，各處理土壤微生物量碳差異顯著（p<0.05），土壤微生物量碳最大值在灌漿期，施菌劑處理土壤微生物量碳含量顯著高于對照，低溫復(fù)合菌處理土壤微生物量碳含量最高，平均為57.16 mg/kg，是對照的1.64倍；生物表面活性劑處理、低溫纖維素分解菌處理和低溫表面活性劑處理土壤微生物量碳含量分別高出對照1.50倍、1.43倍和1.42倍；復(fù)合菌劑和纖維素分解菌處理土壤微生物量碳含量差異不顯著，但仍高于對照1.24倍和1.23倍。

2.3.2 不同秸稈還田處理對土壤微生物量氮的影響 各處理微生物量氮含量在灌漿期期達(dá)到最高（圖7），施菌劑處理土壤微生物量氮含量均高于對照。從整個(gè)生育期平均水平看，低溫復(fù)合菌劑處理、纖維素分解菌處理和低溫纖維素分解菌處理土壤微生物量氮含量較高，分別高出對照42.11%、36.84%和31.58%；其次為低溫生物表面活性劑處理，土壤微生物量氮含量高出對照21.05%；生物表面活性劑和復(fù)合菌處理土壤微生物量氮含量分別高出對照10.53%和5.26%，表明施菌劑處理增加了土壤微生物的活性，從而增加了土壤微生物量氮含量。

3 小結(jié)與討論

土壤微生物是活的土壤有機(jī)質(zhì)部分，不僅是土壤中營養(yǎng)元素的微生物礦化和固持的執(zhí)行者，又是提供植物營養(yǎng)元素的活性庫。玉米秸稈含有大量的化學(xué)能，是土壤微生物生命活動的能源。秸稈還田可以增強(qiáng)各種微生物的活性，即加強(qiáng)呼吸、纖維分解、硝化及反硝化作用。有研究表明，秸稈全量還田并添加微生物制劑能夠顯著提高土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量。本研究表明苗期各處理細(xì)菌數(shù)量均低于對照處理，至抽雄期除復(fù)合菌劑處理、生物表面活性劑處理和低溫纖維素分解菌處理與對照差異不顯著外，低溫復(fù)合菌劑處理、纖維素分解菌處理和低溫生物表面活性劑處理均極顯著提高了土壤中細(xì)菌的數(shù)量，說明苗期土壤中土著菌與施加的菌劑產(chǎn)生了競爭抑制作用，土著菌降解秸稈的作用優(yōu)于菌劑降解秸稈的作用，從而提高了土壤中細(xì)菌的數(shù)量；至抽雄期施加菌劑處理加速了降解秸稈的作用，優(yōu)于土著菌降解秸稈的作用，從而增加了土壤中細(xì)菌數(shù)量。從生育期平均值來看，低溫復(fù)合菌劑處理和低溫生物表面活性劑處理土壤細(xì)菌數(shù)量高于對照，其他處理均低于對照，這與于建光等[17]的研究結(jié)果不一致，分析原因可能與所用菌劑不同及降解的材料不同有關(guān)。本研究還發(fā)現(xiàn)，各處理土壤真菌、放線菌的數(shù)量均高于對照，且低溫復(fù)合菌劑處理土壤真菌、放線菌的數(shù)量最高，明顯高于對照，因?yàn)榻斩掃€田使土壤生物活性加強(qiáng)，各處理施加的菌劑和土壤中土著菌沒發(fā)生拮抗作用，反而刺激了土壤中真菌和放線菌的大量繁殖，從而促進(jìn)了土壤中真菌和放線菌數(shù)量的顯著增加。在3大微生物類群中，土壤放線菌的增加幅度最大，放線菌表現(xiàn)為優(yōu)勢菌，細(xì)菌數(shù)量居中，真菌數(shù)量最少；且土壤放線菌和細(xì)菌、真菌都表現(xiàn)為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.66和0.46，表明在秸稈還田過程中，施用菌劑對土壤微生物群落組成能夠產(chǎn)生一定的影響[18]，這與馬建華等[19]的研究結(jié)果一致。

土壤酶作為土壤組分中最活躍的有機(jī)成分之一，其活性不僅能反映出土壤微生物活性的高低，而且能表征土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和運(yùn)移能力的強(qiáng)弱，是評價(jià)土壤肥力的重要參數(shù)之一。王蕓等[20]等研究表明，深松耕還田顯著提高土壤脲酶、蔗糖酶活性。本研究表明施加低溫菌劑的處理土壤脲酶活性明顯高于其他處理，常溫菌劑除復(fù)合菌處理土壤脲酶活性略高于對照外，生物表面活性劑處理和纖維素分解菌處理土壤脲酶活性均低于對照；各處理土壤過氧化氫酶活性均高于對照，低溫復(fù)合菌土壤過氧化氫酶活性最高，分析原因由于土壤酶主要來自土壤微生物、植物根系和土壤動物。北方氣溫低，秋收后秸稈還田配施菌劑，低溫菌劑延長了菌劑降解秸稈的時(shí)間，提高了秸稈的降解率，為土壤提供了豐富的有機(jī)碳，為微生物的活動與提高酶活性創(chuàng)造了條件，更有利于酶活性的提高。研究中還發(fā)現(xiàn)，各處理土壤脲酶活性和土壤真菌數(shù)量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且均在拔節(jié)期達(dá)到最高。對其進(jìn)行相關(guān)性分析表明，土壤脲酶活性和土壤真菌數(shù)量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.65，與細(xì)菌、放線菌相關(guān)不顯著，這與李曉慧等[21]的研究結(jié)果一致。

土壤微生物量是反饋土壤肥力和環(huán)境質(zhì)量狀況的有效途徑。土壤中的微生物條件隨土壤微生物量C、N的變化而發(fā)生相應(yīng)的改變，而土壤微生物量C、N是土壤碳氮形態(tài)中最易受環(huán)境和農(nóng)作措施影響而發(fā)生改變的組分，Marumoto等、Roberto等和Shaukat等[22-24]研究發(fā)現(xiàn)，在施入秸稈的條件下，土壤微生物量碳、氮含量明顯高于未添加秸稈的處理。連續(xù)秸稈還田可使0～20 cm土層根際土壤微生物量碳值顯著增加。本研究表明，施菌劑處理土壤微生物量碳、氮含量顯著高于對照，這與張電學(xué)等[18]的研究一致，說明施用微生物菌劑有利于玉米秸稈的快速腐解和土壤有效養(yǎng)分的調(diào)控，從而有助于作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成。施加低溫菌劑的處理在提高土壤微生物量方面表現(xiàn)顯著，其中低溫復(fù)合菌處理土壤微生物量含量最高；施加常溫的單一菌劑，如生物表面活性劑能提高土壤微生物量碳含量，而纖維素分解菌提高了土壤微生物量氮含量，常溫復(fù)合菌劑的施加表現(xiàn)最差。分析原因，低溫菌劑適應(yīng)北方低溫條件，增加了土壤中微生物數(shù)量，加速了秸稈的降解，腐解的秸稈為土壤提供了豐富的有機(jī)碳，顯著地促進(jìn)了土壤中微生物的繁殖，從而增加了土壤中的微生物量含量。各處理微生物量含量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且在灌漿期達(dá)到最大值，導(dǎo)致這一結(jié)果的原因可能與玉米灌漿期土壤水熱狀況良好有關(guān)，有利于土壤微生物的快速繁殖，而且這一時(shí)期玉米自身的能量分配主要進(jìn)行繁殖生長，大量的光合同化產(chǎn)物釋放到土壤中，土壤中可被微生物利用養(yǎng)分含量較多，促進(jìn)微生物的大量繁殖。