施氮水平對河套灌區(qū)套作小麥-玉米土壤微生物量碳、氮的影響研究

符鮮，楊樹青*，劉德平，劉月

1. 內蒙古農業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018；2. 東北農業(yè)大學水利與土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150030

土壤微生物是農田生態(tài)系統(tǒng)中極其重要和最為活躍的部分，是土壤有機體和無機體轉化的作用者，直接或間接地參與土壤轉化和循環(huán)的各個過程，是構成土壤肥力的重要因素（徐永剛等，2010）。土壤微生物量是土壤中有機質養(yǎng)分一種短暫而最有效的貯存形式，也是土壤養(yǎng)分的源和庫，可以作為土壤有機質的變化和土壤肥力的重要的生物學指標（Ritz et al.，1989）。土壤微生物量可用微生物量碳和微生物量氮表征，雖然微生物量碳、氮分別占土壤總碳和全氮的量極少，但它們直接或間接地參與幾乎所有的土壤生物生化過程，在土壤物質和能量循環(huán)中起著重要的作用（Nsabimana et al.，2004），是土壤養(yǎng)分的儲存庫和植物生長養(yǎng)分的重要來源（Spedding et al.，2004）。由此可見，微生物在農田生態(tài)系統(tǒng)中具有重要作用，可以采用土壤微生物參數(shù)值來評價土壤質量和肥力（趙彤等，2013）。

近幾十年來，內蒙古河套灌區(qū)在農業(yè)生產過程中化肥用量逐年加大，使得土壤有機質呈下降趨勢，土壤養(yǎng)分大量流失，肥料利用率降低，還造成了嚴重的面源污染。在河套灌區(qū)針對施肥開展的研究較多，如肥料對土壤性質、作物生長的影響（趙倩，2013；呂一甲等，2015；史海濱等，2014），以及水肥耦合（田德龍，2011）、水氮遷移規(guī)律（郭富強，2012；閆建文，2014）、肥料利用效率（劉德平等，2014a；2014b）等研究，但從微生物學的角度研究施肥效應的報道很少。因此，本研究通過研究不同施氮水平下套作小麥（Triticum aestivum L.）-玉米（Zea mays L.）土壤微生物生物量的動態(tài)變化，揭示其在作物整個生育期的變化規(guī)律及其隨施氮量變化的規(guī)律，為改善土壤肥力和土壤質量、提高肥料利用效率、減輕農業(yè)面源污染及農業(yè)生產中定量施氮提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

田間試驗于內蒙古自治區(qū)磴口縣壩楞示范基地進行，屬鹽漬化灌區(qū)，該示范基地位于內蒙古河套灌區(qū)的西南部（107°05′E，40°13′N），是典型的大陸性季風氣候區(qū)，全年降水量少、蒸發(fā)量大、日照時間長，年平均降雨量為138.2 mm，年均蒸發(fā)量為2381 mm，年平均日照時數(shù)為3180 h，太陽總輻射量為 6200 MJ·m-2，年平均氣溫為5.6～7.8 ℃，年平均風速為 2.5～3 m·s-1，多年平均無霜期為130～168 d。試驗區(qū)耕層土壤類型為粉沙壤土，試驗前表層0～20 cm土壤基本性質為：有機質為 10.84 g·kg-1，全氮為 0.58 g·kg-1，速效磷為 3.2 mg·kg-1，速效鉀為 312.1 mg·kg-1，EC 值為 0.81 ms·cm-1，pH 值為 8.29。

1.2 試驗設計

試驗區(qū)選擇具有代表性的鹽漬化耕地布置田間試驗，采用套作小麥-玉米的種植方式。試驗共設4個施氮水平，分別為：N0（小麥、玉米都為 0 kg·hm-2）；N1（小麥 90 kg·hm-2，玉米 135 kg·hm-2）；N2（小麥 180 kg·hm-2，玉米 270 kg·hm-2）；N3（小麥 270 kg·hm-2，玉米 405 kg·hm-2）。隨機區(qū)組試驗設計，3次重復，小區(qū)面積為6 m×12 m。小麥播種機寬1.3 m，種2個小麥帶；玉米每膜寬1.1 m，種3膜玉米，1膜2行，株距約35 cm，行距45 cm；小麥與玉米的種植比例為 3∶4。試驗中氮肥、磷肥分別為尿素和磷酸二胺，小麥試驗中N肥的50%與全部的磷肥在播種前施入，其余50%的N肥在一水前追施；玉米試驗中N肥的40%及全部的磷肥在播種前施入，在套作小麥-玉米的三水、四水、五水前分別施入其余N肥的20%、20%、20%作為追肥。灌水日期分別為5月6日（一水），5月21日（二水），6月10日（三水），6月19日（四水），7月8日（五水），8月11日（六水）。

1.3 樣品采集與測定方法

土壤樣品采集時間根據(jù)作物生育期進行，分別為作物的苗期（小麥4月28日，玉米5月20日）、拔節(jié)期（小麥5月20日，玉米6月8日）、抽穗（雄）期（小麥6月8日，玉米7月17日）、灌漿中期（小麥6月18日，玉米8月23日）、成熟期（小麥7月8日，玉米9月19日）。采用五點取樣法采集0～20 cm土層土樣，混合均勻后過2 mm篩，篩完后一部分土裝袋并于4 ℃冰箱中保存，用于測定細菌、真菌、放線菌數(shù)量，測定時間均在取土后一個月內；另一部分土自然風干后用于測定土壤養(yǎng)分含量。

土壤微生物量碳氮的測定方法：采用氯仿熏蒸培養(yǎng)法（吳金水等，2006）。將土壤樣品用去離子水調節(jié)土壤濕度至40%田間持水量，在25 ℃下預培養(yǎng)7～15 d。稱取經前處理相當于50 g烘干基的新鮮土壤，置于80 mL燒杯中，放入盛有去乙醇氯仿、NaOH溶液的真空干燥器中，把真空度控制在0.07 MPa以下，使氯仿劇烈沸騰3～5 min。關閉真空干燥器閥門，在25 ℃暗室中放置24 h。培養(yǎng)結束時，取相當于烘干基 12.5 g的土壤，加入 50 mL 0.5 mol·L-1K2SO4溶液（土水比 1∶4），充分振蕩 30 min，用慢速定量濾紙過濾。土壤微生物生物量碳BC=FC/kC，其中FC為熏蒸與未熏蒸土壤在培養(yǎng)10 d內釋放的 CO2-C差值；kC為轉換系數(shù)，一般取值0.38。土壤微生物生物量氮 BN=FN/kN，其中 FN為熏蒸與未熏蒸土壤礦質態(tài)氮的差值；kN為轉換系數(shù)，一般取值0.45。

1.4 數(shù)據(jù)分析

運用Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)處理，SPSS 19.0軟件進行方差分析和回歸分析，多重比較采用LSD多重比較法。

2 結果與分析

2.1 施氮水平對土壤微生物量碳的影響

2.1.1 施氮水平下土壤微生物量碳的動態(tài)變化

套作小麥土壤微生物量碳在整個生育期表現(xiàn)為（表 1）：在拔節(jié)期出現(xiàn)峰值，抽穗期微生物碳開始下降，至成熟期土壤微生物量碳又有所回升。拔節(jié)期前有灌水追肥，土壤中的碳源能同時滿足小麥生長和微生物生長的需要，加之氣溫回升，微生物生命活動旺盛，微生物利用土壤中的碳源構建自身細胞并大量繁殖的能力加強。拔節(jié)期以后，小麥對土壤養(yǎng)分的需求增強，土壤中的碳源開始相對缺乏，致使微生物礦化加速而釋放碳，因此微生物量碳含量降低。成熟期小麥不再從土壤中吸收養(yǎng)分，土壤中的碳源又重新被微生物利用，因而微生物量碳含量又增加。

套作玉米土壤微生物量碳隨著生育時期的推進呈先增加后降低的趨勢（表 1），拔節(jié)期土壤微生物量碳為684.0～2078.9 mg·kg-1，抽雄期玉米土壤微生物量碳含量達到最高，為 2210.0～8580.0mg·kg-1。玉米在生長旺盛時期對養(yǎng)分的需求強烈，使得根系生長加快，代謝增強，根系分泌物、脫落物增加，為抽雄期微生物的繁殖累積了豐富的有機物質。灌漿期玉米生殖生長加快，對養(yǎng)分的需求增加，土壤中能供微生物利用的碳素減少，因而土壤微生物量碳含量下降。

表1 不同施氮水平下土壤微生物量碳的變化Table 1 Changes of the microbial biomass carbon under different nitrogen levels

套作小麥、玉米土壤微生物量碳含量隨著施氮水平的提高而增加，各處理間差異均達到顯著水平（P＜0.05），在N2處理水平下微生物量碳含量最高，小麥、玉米微生物量碳含量均值分別達到了1563.0、3855.78 mg·kg-1，小麥 N2處理較 N0處理增加了 53.7%，玉米 N2處理微生物量碳的含量是N0處理的 2.61倍；但 N3處理微生物量碳下降為1947.0 mg·kg-1（小麥）和 2897.20 mg·kg-1（玉米），較N2處理分別下降了16.5%、24.9%。由此表明，N2處理最有利于微生物的生長繁殖，施氮量過多反而不利于土壤微生物量的增加。小麥土壤微生物量碳含量明顯低于玉米，說明玉米對土壤中碳源的利用能力更強。

2.1.2 土壤微生物量碳與施氮量的回歸方程

對套作小麥-玉米土壤微生物量碳隨施氮量的變化規(guī)律采用一元二次多項式進行回歸分析，其中y為各生育期土壤微生物量碳平均值，x為施氮量，a、b、c為待定系數(shù)，得到回歸方程如下：

小麥：y=-0.0191x2+6.336x+1003.8 (R2=0.978)

玉米：y=-0.025x2+14.393x+1323.8 (R2=0.834)

通過分析以上一元二次回歸模型的檢驗系數(shù)R2，可知套作小麥-玉米條件下，施氮量對土壤微生物量碳具有顯著影響。根據(jù)邊際分析原理，當套作小麥玉米微生物量碳取最大值時的最佳施氮量，小麥：N-165.9 kg·hm-2，微生物量碳-1529.25 mg·kg-1；玉米：N-287.9 kg·hm-2，微生物量碳-3395.38 mg·kg-1。過量施氮會使小麥、玉米土壤微生物量碳含量下降。

2.2 施氮水平對土壤微生物量氮的影響

2.2.1 施氮水平下土壤微生物量氮的動態(tài)變化

土壤微生物量氮在小麥全生育期內呈現(xiàn)出“升-降-升”的趨勢（表2），苗期到抽穗期土壤微生物量氮含量逐漸增加，抽穗期土壤微生物量氮達到最大值，在拔節(jié)期前對小麥進行灌水追肥，增加了土壤水分和有效氮，促進了根系代謝的加強，分泌物增多，微生物利用土壤中較充足的有效氮和碳源進行生長繁殖，而抽穗期小麥對土壤中養(yǎng)分的需求量減少，微生物對氮素的固持作用增加，小麥土壤微生物量氮出現(xiàn)峰值。灌漿期小麥土壤微生物量迅速下降，最大下降幅度達到了84.7%，其原因是灌漿期小麥處于需要吸收大量養(yǎng)分以滿足自身生長的生殖生長階段，土壤中氮素被小麥大量吸收消耗，這時微生物可能還要礦化出一部分微生物量氮來供作物吸收利用，土壤微生物量氮大量減少。至成熟期，小麥根系生命活動減弱甚至停止，此時氣溫較高，土壤中微生物代謝活動加快，因而土壤微生物量氮含量又呈現(xiàn)增加趨勢。

套作玉米土壤微生物量氮在玉米全生育期內的變化規(guī)律與微生物量碳的變化規(guī)律基本相同（表2），拔節(jié)期和灌漿期土壤微生物量氮含量處于低峰，此時是玉米營養(yǎng)生長的關鍵時期，為滿足自身的生長玉米需從土壤中吸收大量的養(yǎng)分，減少了對微生物養(yǎng)分的供給，土壤中養(yǎng)分的減少可能導致微生物對氮素礦化作用大于固定作用，從而導致土壤中微生物量氮含量降低。抽雄期土壤中的有效養(yǎng)分充分滿足玉米的生長和微生物的生長繁殖，同時，根系代謝活動旺盛，根系的分泌物增多，使微生物代謝加快，微生物對氮素的固持能力明顯加強。

表2 不同施氮水平下土壤微生物量氮的變化Table 2 Changes of the microbial biomass nitrogen under different nitrogen levels

套作小麥各處理土壤微生物量氮平均含量在13.75～45.2 mg·kg-1之間波動，最大值與最小值相差3.29倍多，各處理間差異均顯著；而套作玉米各處理土壤微生物量氮平均含量的值僅為3.35～18.01 mg·kg-1，最大值與最小值相差 5.38 倍，各處理間差異顯著；小麥土壤微生物量氮含量均值大于玉米，小麥對土壤中氮素的固持能力強于玉米；玉米最大值與最小值相差幅度大于小麥，施氮更有利于提高玉米土壤微生物量氮含量。此外，隨著施氮水平的增加，土壤微生物量氮含量呈先增加后降低趨勢，施氮均能提高小麥、玉米土壤微生物量氮含量；在N2處理水平時出現(xiàn)拐點，N3處理水平土壤微生物量氮含量減少，適量施氮可促進微生物同化作用使得微生物量氮含量增加，而過量的氮肥使微生物同化作用釋放的氮向有機氮轉化。

2.2.2 土壤微生物量氮與施氮量的回歸方程

對套作小麥-玉米土壤微生物量氮含量隨施氮量的變化規(guī)律采用一元二次多項式進行回歸分析，其中 y為各生育時期土壤微生物量氮含量的平均值，x為施氮量，a、b、c為待定系數(shù)，得到回歸方程如下：

小麥：y=-0.0008x2+0.300x+11.361 (R2=0.777)

玉米：y=-0.0002x2+0.091x+2.548 (R2=0.886)

通過分析以上一元二次回歸模型的檢驗系數(shù)R2，可知套作小麥玉米條件下，施氮量對土壤微生物量氮含量具有顯著影響。根據(jù)邊際分析原理，當套作小麥-玉米微生物量氮含量取最大值時的最佳施氮量，小麥：N-187.5 kg·hm-2，微生物量氮-39.49 mg·kg-1；玉米：N-227.5 kg·hm-2，微生物量氮-12.90 mg·kg-1。過量施氮會使小麥、玉米土壤微生物量氮含量下降。

3 討論

土壤微生物量氮反映土壤氮素的有效性，反映土壤供氮能力的大?。ㄈ翁熘镜?，2000），綜合體現(xiàn)了土壤微生物對氮素的礦化與固持作用，對土壤氮的供應、氮素的循環(huán)與轉化具有重要作用（王光華等，2007；單鴻賓等，2010）。微生物生物量碳在土壤全碳中所占比例很小，但它是土壤養(yǎng)分轉化的活性源或庫，是土壤有機質中的活性部分，是組成土壤腐殖質的重要碳源，可反映土壤有效養(yǎng)分狀況和生物活性的變化（張明等，2007），是評價土壤肥力和質量的重要指標（李東坡等，2004a）。土壤微生物量碳含量的變化反映了微生物利用土壤碳源構建自身細胞而大量繁殖使有機碳礦化的過程（張奇春等，2005）。土壤微生物量碳、氮含量與土壤中碳、氮元素的循環(huán)有密切關系（Turner et al.，2001），同時，土壤微生物量碳、氮的轉化速率較快，可直接或間接地反映土壤肥力和土壤環(huán)境的變化，是比較敏感的生物學指標（Vig et al.，2003）。李東坡等（2004a；2004b）對生長季土壤微生物量碳氮的動態(tài)變化的研究結果表明，施肥提高了土壤微生物量碳、氮的含量，有些處理的土壤微生物量碳、氮含量在抽雄吐絲期出現(xiàn)最大峰值。也有研究表明，玉米土壤微生物生物量碳氮含量在拔節(jié)期最低，抽雄期最高（侯化亭等，2012）。于樹等（2007）監(jiān)測了不同施肥處理土壤微生物量碳、氮在玉米 6個生育期內的變化，結果表明各處理土壤微生物量碳氮在玉米抽雄期均表現(xiàn)出較高的水平。本研究結果也表明，不同施氮水平下玉米微生物量碳、氮含量均在抽雄期達到最高，與上述的研究結果一致。

有研究認為，氮肥是影響微生物量碳、氮的主要因素，適量施用氮肥能有效提高土壤微生物量碳、氮含量，但過量施用氮肥反而會降低土壤微生物量氮含量（梁燕菲等，2013；Shen et al.，1989）。還有研究認為，土壤微生物量氮含量與土壤的供氮水平關系密切，土壤含氮量高可加大微生物對氮的固持，從而提高土壤微生物量氮含量，但并不是土壤中氮含量越高微生物量氮也越高（龐欣等，2000）。本研究表明，土壤微生物量碳、氮含量均隨著施氮水平的升高呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，這與已有的研究結果（侯化亭等，2012）基本一致。此外，本研究還表明，在N2處理水平下土壤微生物量碳、氮含量最高，適宜的土壤含氮量可以提高微生物對土壤中碳源的利用和對土壤中氮素的固持，但土壤中過高的含氮量則會抑制微生物的代謝和生命活動。

有研究對不同氮磷配比對微生物量的影響進行回歸分析，結果表明，氮肥是影響微生物量的主導因素，低氮對微生物量的負效應低于高氮，即氮肥對微生物量的負效應隨著施氮量的增加而增加（王繼紅等，2004）。本研究的土壤微生物生物量含量與施氮量的回歸分析表明，土壤微生物量含量與施氮量之間表現(xiàn)為顯著的二次型回歸關系，由回歸方程可知，適宜的氮肥施用量對微生物量碳、氮的負效應較低，即適量施用氮肥顯著增加土壤微生物量碳、氮含量；根據(jù)邊際分析及綜合土壤微生物量碳、氮，推薦小麥最佳施肥量為 165.9～187.5 kg·hm-2，玉米最佳施肥量為 227.5～287.9 kg·hm-2。

4 結論

套作小麥土壤微生物量碳含量在拔節(jié)期出現(xiàn)峰值，抽穗期微生物量開始下降，至成熟期土壤微生物量碳又有所回升；土壤微生物量氮含量在小麥全生育期內呈現(xiàn)出“升-降-升”的趨勢，苗期到抽穗期土壤微生物量氮含量逐漸增加，抽穗期達到最大值。套作玉米土壤微生物量碳、氮含量均隨著生育時期的推進呈先增加后降低，抽雄期玉米土壤微生物量碳含量達到最高。

土壤微生物量碳、氮含量均隨著施氮水平的升高呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，在N2處理水平（小麥 180 kg·hm-2，玉米 270 kg·hm-2）下達到最高，適宜的土壤含氮量可以提高微生物對土壤中碳源的利用和對土壤中氮素的固持，但過高的含氮量則會抑制微生物的代謝和生命活動。

土壤微生物量與施氮量之間表現(xiàn)為顯著的二次型回歸關系，適量施用氮肥可顯著增加土壤微生物量碳、氮含量。根據(jù)邊際分析及綜合土壤微生物量碳、氮，推薦小麥最佳施肥量為 165.9～187.5 kg·hm-2，玉米最佳施肥量為 227.5～287.9 kg·hm-2。