日光溫室豆科綠肥作物還田前后土壤生物活性差異特征初探

楊冬艷，桑 婷，馮海萍，王學(xué)梅

（寧夏農(nóng)林科學(xué)院種質(zhì)資源研究所，寧夏 銀川 750002）

日光溫室豆科綠肥作物還田前后土壤生物活性差異特征初探

楊冬艷，桑 婷，馮海萍，王學(xué)梅

（寧夏農(nóng)林科學(xué)院種質(zhì)資源研究所，寧夏 銀川 750002）

在日光溫室單一種植體系中引入種植豆科綠肥，研究2種綠肥作物（黃豆、香豆子）還田前后土壤微生物量碳氮、微生物數(shù)量及土壤酶活性的變化特征。結(jié)果表明：在日光溫室休閑期，種植黃豆和香豆子均能顯著提高土壤纖維素酶、脲酶和蔗糖酶活性，與種植香豆子相比種植黃豆能產(chǎn)生較多的干物質(zhì)量。綠肥還田后，雖然黃豆處理土壤酶活性低于香豆子處理，但土壤中微生物總量、細(xì)菌數(shù)量和比例及微生物量碳氮含量顯著高于香豆子和對(duì)照，且微生物量C/N比例也較為適宜，因此黃豆可作為日光溫室短期休閑綠肥還田作物。

日光溫室；豆科綠肥；作物還田；土壤生物活性

綠肥是利用植物生長過程中所產(chǎn)生的全部或部分綠色體，直接或異地翻壓或者經(jīng)堆漚后施用到土地中作肥料的綠色植物體［1］。施用綠肥可為作物提供養(yǎng)分，有助于合理用地養(yǎng)地、部分替代化肥，同時(shí)能固氮、吸碳，有利于改善生態(tài)環(huán)境、節(jié)能減耗、保障糧食安全，對(duì)我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義［2］。在北方日光溫室蔬菜生產(chǎn)中，在夏季由于持續(xù)高溫和露地蔬菜上市導(dǎo)致的價(jià)格降低，通常有近2個(gè)月的休閑期進(jìn)行揭膜曬地。近年來，在日光溫室休閑期引入種植不同作物來改良設(shè)施土壤質(zhì)量的研究成為熱點(diǎn)。李元等［3］研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)兩年在夏季溫室休閑期間種植大蔥可以增加土壤細(xì)菌數(shù)量和真菌/細(xì)菌（B/F）比值，種植速生葉菜和甜玉米可顯著降低土壤的養(yǎng)分積累，減緩次生鹽漬化的形成。白小軍等［4］研究表明，種植和還田甜玉米、蘇丹草也能夠增加土壤微生物數(shù)量和B/F值。Tian等［5］根據(jù)多年定位研究發(fā)現(xiàn)，在溫室夏季休閑期配套種植莧菜和茼蒿，不僅可以有效改善連作土壤微生物環(huán)境的退化，還可以通過提高非植物寄生線蟲/線蟲比值增加主栽作物產(chǎn)量。現(xiàn)有研究顯示豆科的生物固氮功能并不影響其作為填閑作物的優(yōu)越性，因?yàn)樗軌蛱岣咄寥乐泄┖蠹咀魑锢玫挠行У浚?］。楊冬艷等曾在日光溫室休閑期種植三葉草和大豆，每667 m2獲得了850～1 500 kg的鮮草，并進(jìn)行了還田試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)還田能夠有效降低土壤鹽分，提高土壤酶活性［7］。土壤微生物生物量的大小反映了土壤中能量和養(yǎng)分的循環(huán)以及有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化數(shù)量，能夠敏感且及時(shí)地反映土壤自身或外界擾動(dòng)引起的變化，與土壤質(zhì)量密切相關(guān)［8］。目前，關(guān)于豆科作物作為綠肥對(duì)設(shè)施土壤微生物環(huán)境影響的研究還較少，因此本試驗(yàn)在日光溫室單一種植體系中引入豆科綠肥，研究2種綠肥作物還田前后土壤微生物量碳氮、微生物數(shù)量的變化特征，探討在設(shè)施生產(chǎn)中選用豆科綠肥植物改良培肥土壤的可能生物機(jī)制和適宜豆科作物，以期為設(shè)施土壤健康生產(chǎn)和改良提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2014年7～10月在寧夏吳忠孫家灘日光溫室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)溫室為種植蔬菜5年的溫室，溫室脊高4 m，凈跨8.5 m，長80 m，上茬作物為番茄。供試土壤理化性質(zhì)（前茬作物拉秧后檢測）：pH為7.69，全鹽含量1.62 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量16.3 g/kg，速效氮含量129 mg/kg，速效磷含量247 mg/kg，速效鉀含量365 mg/kg。供試綠肥作物為2種豆科作物：香豆子、黃豆。

1.2 試驗(yàn)方法

2014年7月上旬上茬作物拉秧后，豆科綠肥作物于7月17日撒播。試驗(yàn)設(shè)香豆子播種量1 g/m2、黃豆播種量20 g/m2和空白對(duì)照3個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)排列，小區(qū)面積50 m2。8月25日收割后，整地翻壓到土壤中，同時(shí)每個(gè)處理均施入消毒雞糞1.6 kg/m2，兩周后定植下茬作物。

1.3 測試指標(biāo)及方法

2014年8月24日測量2種綠肥株高、單株鮮重。在綠肥還田前（8月20日）、還田1個(gè)月后（9月20日），每個(gè)處理按多點(diǎn)法采集0～20 cm土樣。土樣混勻后過孔徑2 mm篩，保存于4℃冰箱，進(jìn)行細(xì)菌、真菌、放線菌、微生物量碳氮的測定；待土樣風(fēng)干后，過孔徑1 mm篩，用于土壤纖維素酶、脲酶、蔗糖酶活性的測定。

1.4 土壤樣品分析方法

細(xì)菌培養(yǎng)采用牛肉膏蛋白胨選擇性培養(yǎng)基培養(yǎng)；真菌培養(yǎng)采用馬丁孟加拉紅—鏈霉素選擇性培養(yǎng)基培養(yǎng)；放線菌培養(yǎng)采用改良高氏一號(hào)培養(yǎng)基培養(yǎng)，均采用稀釋平板法計(jì)數(shù)［9］；土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提—容量分析法測定；土壤微生物量氮采用氯仿熏蒸—茚三酮比色法測定［10］。土壤脲酶采用苯酚—次氯酸鈉比色法測定；土壤蔗糖酶、土壤纖維素酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定［11］。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DPS軟件Duncan多重比較差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 豆科綠肥作物在夏季休閑期的生物量比較

從表1可見，試驗(yàn)豆科綠肥作物生長迅速，在37 d的生長期內(nèi)，黃豆每667 m2鮮草生物量為1 472 kg，香豆子鮮草生物量為509 kg，香豆子的種植密度雖然遠(yuǎn)大于黃豆，但黃豆的莖稈木質(zhì)化程度高于香豆子，因此在同樣的生長時(shí)間內(nèi)黃豆的生物量積累量顯著高于香豆子。

表1 綠肥作物在休閑季節(jié)的生長特性及生物量

2.2 豆科綠肥作物還田前后溫室土壤酶活性的差異特征

土壤纖維素酶主要來源于細(xì)菌、真菌體內(nèi)，其活性與微生物的種類及數(shù)量密切相關(guān)［11］。在土壤溫度、水分適宜時(shí)，土壤中的纖維分解菌會(huì)大量增殖，從而使纖維素酶活性增強(qiáng)，加速土壤中纖維素的分解［12］。從圖1可見，黃豆和香豆子綠肥作物還田后土壤纖維素酶活性均顯著高于空白對(duì)照，香豆子還田后纖維素酶活性增加51.66%，黃豆還田后增加48.5%，對(duì)照為39%；種植黃豆和香豆子后土壤蔗糖酶和脲酶活性均顯著高于對(duì)照，還田后只有香豆子還田的土壤蔗糖酶和脲酶活性顯著高于對(duì)照，而黃豆還田后土壤蔗糖酶和脲酶活性與對(duì)照沒有差異。對(duì)比還田前后，黃豆和香豆子處理的土壤蔗糖酶和脲酶增加幅度均低于對(duì)照。

圖1 不同豆科綠肥作物還田前后土壤酶活性變化

2.3 豆科綠肥作物還田前后溫室土壤微生物區(qū)系的差異特征

表2 豆科綠肥作物還田前后溫室土壤微生物區(qū)系特征

從表2可見，在日光溫室夏季休閑期，種植豆科作物并進(jìn)行還田能夠顯著改變土壤微生物群落區(qū)系結(jié)構(gòu)。種植結(jié)束后還田前（8月20日），黃豆處理土壤總菌數(shù)顯著高于對(duì)照，是對(duì)照的2.73倍，香豆子處理高于對(duì)照36.06%；還田30 d后，黃豆處理總菌數(shù)顯著高于對(duì)照，比對(duì)照高1.68倍，香豆子處理高于對(duì)照34.48%，說明種植黃豆比香豆子更能促進(jìn)土壤中微生物數(shù)量的增加。從還田前后微生物區(qū)系變化來看，豆科作物還田后均顯著增加了土壤細(xì)菌數(shù)量，黃豆還田后土壤細(xì)菌所占總菌數(shù)比例從97.09%增至98.6%，香豆子從91.06%增至97.92%，但低于對(duì)照的98.48%；黃豆還田后土壤真菌數(shù)量較還田前顯著下降，但所占比例與對(duì)照一致，香豆子還田后真菌數(shù)量較還田前顯著增加，同時(shí)所占比例也較對(duì)照顯著增加。不同處理的放線菌數(shù)量還田后均顯著降低，所占比例總趨勢與數(shù)量變化一致。從細(xì)菌與真菌的比值（B/F）變化來看，還田前種植黃豆和香豆子土壤的B/F值高于對(duì)照，綠肥還田后土壤B/F值低于對(duì)照，其中香豆子處理B/F最低；對(duì)比還田前后，對(duì)照B/F在后茬作物種植后增加735%，黃豆處理增加230%，香豆子處理增加67.7%。說明豆科作物種植和還田均能夠增加土壤微生物數(shù)量，但不同作物的微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)特征不同。

2.4 豆科綠肥作物還田前后溫室土壤微生物量碳氮的特征

在日光溫室常規(guī)種植中，增加種植綠肥作物并進(jìn)行還田能夠引起了土壤微生物量碳（SMBC）和微生物量氮（SMBN）含量的顯著變化，且不同作物的響應(yīng)特征不同。由表3可知，在還田前，種植黃豆后土壤SMBN含量顯著高于對(duì)照，增加18.3%，SMBC含量和SMBC/N與對(duì)照沒有顯著差異，而香豆子處理土壤SMBC含量和SMBC/N顯著高于對(duì)照，分別增加34.06%和72.9%，SMBN含量則顯著低于對(duì)照，降低23%；還田后，黃豆處理土壤SMBN含量和SMBC含量比對(duì)照分別高24.77%和36.86%，SMBC/N與對(duì)照沒有顯著差異，香豆子處理SMBC與對(duì)照沒有顯著差異，SMBN含量則低于對(duì)照61.46%，其SMBC/N顯著高于對(duì)照189%，說明雖然同屬豆科作物，但黃豆和香豆子還田后土壤微生物量碳氮含量的變化特征具有顯著差異。

表3 豆科綠肥作物還田前后溫室土壤微生物量碳氮的特征

3 結(jié)論與討論

土壤生物學(xué)環(huán)境惡化是土壤功能衰退的主要原因之一，在設(shè)施菜田尤為典型［13］。通過在日光溫室夏季休閑期間種植綠肥，可在不改變主栽蔬菜生長期的情況下提高種植體系的生物多樣性。有報(bào)道表明豆類作為填閑作物可以提高土壤中磷素的有效性，降低玉米地有機(jī)質(zhì)的損失，增強(qiáng)土壤養(yǎng)分的循環(huán)能力［14］。張雪艷等［15］研究表明，不同水分條件下，秸稈還田20～50 d是土壤硝態(tài)氮含量變化的高峰時(shí)期，說明該階段是土壤生物反應(yīng)活躍時(shí)期，根據(jù)綠肥養(yǎng)分釋放和腐解特征［16］，試驗(yàn)選擇以還田30 d為時(shí)間節(jié)點(diǎn)調(diào)查土壤生物活性相關(guān)指標(biāo)。結(jié)果表明，在37 d的休閑期間，種植黃豆和香豆子每667 m2分別產(chǎn)生293、221 kg的干物質(zhì)量，并且種植黃豆和香豆子均能顯著提高土壤纖維素酶、脲酶和蔗糖酶活性；土壤酶能夠促進(jìn)土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能量交換，有研究表明土壤酶與土壤肥力因子之間存在有極顯著的相關(guān)關(guān)系［17］，綠肥還田后，香豆子處理3個(gè)土壤酶活性顯著高于對(duì)照，黃豆處理只有纖維素酶活性顯著高于對(duì)照，脲酶和蔗糖酶活性與對(duì)照沒有差異，可能與黃豆的還田生物量較多，微生物需要較多的氮源從而影響了土壤脲酶反應(yīng)底物數(shù)量。研究表明翻壓綠肥后可為微生物提供大量的有機(jī)碳源，促進(jìn)土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌三大類群微生物的總量成倍或成十幾倍大幅度增加［18］，而綠肥腐解過程也需要微生物的參與，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黃豆和香豆子種植和翻壓均能顯著增加土壤微生物的數(shù)量，黃豆相比香豆子更能促進(jìn)土壤中微生物數(shù)量的增加，且微生物種群結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，Weber等［19］指出秸稈碎片上水解反應(yīng)大多開始于細(xì)菌粘附于秸稈之上并產(chǎn)生水解酶，而細(xì)菌占土壤微生物總菌數(shù)的80%以上，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黃豆的細(xì)菌比例高于香豆子和對(duì)照；黃豆還田前土壤微生物量氮含量顯著升高，而香豆子處理則是土壤微生物量碳含量及微生物量C/N顯著升高；還田后，黃豆處理的微生物量碳、氮含量均升高，但微生物量C/N與對(duì)照沒有差異；香豆子微生物量氮含量顯著降低，土壤微生物量C/N升高，說明即使是同科作物，不同種的豆科作物還田后土壤生物環(huán)境的響應(yīng)特征也有顯著差異，不同的秸稈類型可能通過在分解過程中微生物可利用N的差異來影響土壤微生物利用有機(jī)碳源過程中的群落演替［20］，這可能與作物本身的C/N比以及還田的干物質(zhì)量有關(guān)，C/N比適度的填閑作物殘?bào)w促使微生物固定氮素而避免了礦質(zhì)氮素過分淋失［21］。綜合所調(diào)查指標(biāo)來看，黃豆處理還田后土壤微生物數(shù)量增加更多，微生物量C/N比例更為適宜，可作為日光溫室短期休閑輪作還田作物。但對(duì)于后茬作物的相關(guān)影響有待進(jìn)一步研究。

［1］ 馬衛(wèi)萍，蘇寶新，李志杰，等．黃淮海地區(qū)綠肥種質(zhì)資源的篩選與評(píng)價(jià)［J］．華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2010，25（8）：75-79．

［2］ 曹衛(wèi)東，黃鴻翔．關(guān)于我國恢復(fù)和發(fā)展綠肥若干問題的思考［J］．中國土壤與肥料，2009（4）：1-3．

［3］ 李元，司力珊，張雪艷，等．填閑作物對(duì)日光溫室土壤環(huán)境作用效果比較研究［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（1）：224-229.

［4］ 白小軍，馮海萍，張麗娟，等. 種植及翻壓綠肥對(duì)設(shè)施土壤養(yǎng)分及微生物區(qū)系的影響［J］．北方園藝，2014（23）：144-147.

［5］ Tian Y，Zhang X，Liu J，et al. Effects of summer cover crop and residue management on cucumber growth in intensive Chinese production systems：soil nutrients，microbial properties and nematodes［J］. Plant & Soil，2011，339（1-2）：299-315.

［6］ Bationo A，Lompo F，Koala S. Research on nutrient flows and balances in west Africa：stateof-the-art 1［J］. Agriculture Ecosystems &Environment，1998，71（1-3）：19-35.

［7］ 楊冬艷，郭文忠，楊子強(qiáng). 綠肥種植及翻壓對(duì)日光溫室土壤環(huán)境的影響［J］. 北方園藝，2009（5）：146-149.

［8］ Bending G D，Turner M K，Jones J E. Interactions between crop residue and soil organic matter quality and the functional diversity of soil microbial communities［J］. Soil Biology &Biochemistry，2002，34（8）：1073-1082.

［9］ 許光輝，鄭洪元．土壤微生物分析方法手冊［M］．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1986.

［10］ 吳金水，林啟美，黃巧云，等．土壤微生物生物量測定方法及其應(yīng)用［M］．北京：氣象出版社，2006.

［11］ 關(guān)松蔭．土壤酶及其研究法［M］．北京：農(nóng)業(yè)出版社，1986.

［12］ 傅慧蘭，戰(zhàn)景仁，周日哲，等．大豆連作對(duì)土壤纖維素酶活性的影響［J］．大豆科學(xué)，1999，18（1）：81-84．

［13］ 田永強(qiáng)，高麗紅. 填閑作物阻控設(shè)施菜田土壤功能衰退研究進(jìn)展［J］. 中國蔬菜，2012（18）：26-35.

［14］ BüNemann E K，Smithson P C，Jama B，et al.Maize productivity and nutrient dynamics in maize-fallow rotations in western Kenya［J］.Plant & Soil，2004，264（1-2）：195-208.

［15］ 張雪艷，田蕾，高艷明，等. 水控與大豆秸稈還田對(duì)連作土壤養(yǎng)分的影響［J］. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2014，23（12）：74-82.

［16］ 王巖，劉國順．綠肥中養(yǎng)分釋放規(guī)律及對(duì)煙葉品質(zhì)的影響［J］．土壤學(xué)報(bào)，2006，43（2） ：273-279.

［17］ 葉協(xié)鋒，楊超，李正，等. 綠肥對(duì)植煙土壤酶活性及土壤肥力的影響［J］．植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2013，19（2）：445-454.

［18］ 劉國順，羅貞寶，王巖，等．綠肥翻壓對(duì)煙田土壤理化性狀及土壤微生物量的影響［J］．水土保持學(xué)報(bào)，2006，20（1）：95-98.

［19］ Weber S，Stubner S，Conrad R. Bacterial populations colonizing and degrading rice straw in anoxic paddy soil［J］. Applied and environmental microbiology，2001，67（3）：1318-1327.

［20］ 張成娥，王栓全，作物秸稈腐解過程中土壤微生物量的研究［J］. 水土保持學(xué)報(bào)，2000，14（3）：96-99.

［21］ LAL R. Carbon Sequestration［J］. Philosophical Transactions of the Royal Society of London，2008，363（1492）：815-830.

Difference characteristics of soil bioactivities in greenhouse after returned green manure of leguminous plant to the field

YANG Dong-yan，SANG Ting，F(xiàn)ENG Hai-ping，WANG Xue-mei
（Institute of Germplasm Resources，Ningxia Academy of Agricultural and Forestry Science，Yinchuan 750002，China）

In this study, two kinds of leguminous plant, soybean and trigonella foenum-graecum, were imported in monoculture greenhouse. The effects on soil microbial biomass N, microbial biomass C, soil microbial biomass, and soil enzyme activity were investigated before/after green manure returned to field. The results showed that in the fallow period of greenhouse, the enzyme activities of cellulase, urease, sucrase, significantly increased after planting soybean and trigonella foenum-graecum. Compared with planting trigonella foenum-graecum, the amount of dry matter was highter in soybean planted treatment. After green manure returned to field, the soil enzyme activities in soybean treatment were lower than those in trigonella foenum-graecum, but the soil microbial population, population and ratio of bacterial, soil microbial biomass N and C were significantly higher than those in trigonella foenum-graecum and control, and microbial biomass C/N was more optimum. In conclusion, soybean could be used as short-term green manure crop in greenhouse.

greenhouse；leguminous plant；green manure returned ；soil bioactivities

S141.4

A

1004-874X（2017）08-0074-05

楊冬艷，桑婷，馮海萍，等. 日光溫室豆科綠肥作物還田前后土壤生物活性差異特征初探［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，44（8）：74-78.

2017-06-18

寧夏對(duì)外合作項(xiàng)目（2013ZYH075）；國家自然科學(xué)基金（31501803）；國家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-23-G24）

楊冬艷（1977-），女，回族，碩士，副研究員，E-mail：yangdongyan2000@163.com

（責(zé)任編輯 楊賢智）