梁斌,周建斌,2*,楊學(xué)云

(1西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,陜西楊凌712100;2黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西楊凌712100)

土壤微生物生物量是土壤中的活性營(yíng)養(yǎng)庫(kù),調(diào)控著土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化循環(huán)及有效性[1]。土壤微生物生物量碳、氮(SMBC、SMBN)含量與環(huán)境、施肥及作物生長(zhǎng)有密切關(guān)系。大量研究表明[2-5],不同有機(jī)肥和化肥配合施用對(duì)土壤微生物生物量氮影響不同。微生物對(duì)施入氮素的固持與釋放主要受施入的碳(如有機(jī)肥、秸稈等)和氮的種類和數(shù)量等因素支配[6]。施入肥料的碳、氮比越高,土壤微生物對(duì)肥料氮的固持量越大,釋放率降低[7]。因此,在農(nóng)業(yè)實(shí)踐中,可以通過施用有機(jī)肥及秸稈還田技術(shù),調(diào)節(jié)土壤碳、氮比,增加土壤微生物生物量氮庫(kù)的容量,從而提高其在土壤氮素循環(huán)轉(zhuǎn)化過程中的調(diào)控作用并減少氮肥損失。但是在提高微生物對(duì)氮素固持的同時(shí),會(huì)不會(huì)因微生物和作物對(duì)氮素的競(jìng)爭(zhēng)而影響作物的生長(zhǎng),以及微生物生物量氮在作物養(yǎng)分供應(yīng)中所起的作用等都是值得關(guān)注的問題。

本試驗(yàn)以在黃土高原南部進(jìn)行的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為對(duì)象,研究了小麥-玉米輪作體系中不同施肥處理?xiàng)l件下土壤微生物生物量碳、氮及礦質(zhì)態(tài)氮的動(dòng)態(tài)變化,旨在揭示長(zhǎng)期不同施肥處理對(duì)土壤微生物生物量碳、氮的影響及土壤微生物生物量氮與礦質(zhì)態(tài)氮間的關(guān)系,為合理施肥,減少氮素?fù)p失,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分的良性循環(huán)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

供試土壤采自國(guó)家黃土土壤肥力與肥料效益長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)基地?；匚挥陉兾魇盍鑵^(qū)頭道塬,海拔524 m,年均氣溫13℃,年均降水量632 mm,主要集中在7、8、9月份,年蒸發(fā)量1400 mm,冬春易旱。土壤類型為褐土類,土亞類,紅油土屬。該基地建于1990年,試驗(yàn)開始時(shí)耕層土壤基本理化性狀為:有機(jī)質(zhì) 10.92 g/kg,全氮 0.83 g/kg,堿解氮 61.32 mg/kg,速效磷9.57 mg/kg,速效鉀191.2 mg/kg,pH 8.62。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)共設(shè)24個(gè)處理,本研究選取小麥-玉米輪作體系中的對(duì)照(不施肥,CK)、單施化肥(F)、化肥配施有機(jī)肥(F+M)和化肥加秸稈還田(F+S)4個(gè)處理為研究對(duì)象。其中化肥中氮肥為尿素,磷肥為過磷酸鈣,鉀肥為硫酸鉀,有機(jī)肥施用牛廄肥,每處理施肥量分別為N 165 kg/hm2、P 57.6 kg/hm2、K 68.5 kg/hm2,F+M處理中牛廄肥的使用量按含氮量折合成純氮,占所施氮素總量的70%,F+S處理中當(dāng)季所有收獲的玉米秸稈還田,秸稈中所含氮、磷、鉀未參與計(jì)算?；?、廄肥及秸稈均于小麥播種前一次性施入。玉米生長(zhǎng)期間于小喇叭口期在F、F+M和F+S處理中追施化肥N 187.5 kg/hm2、P 24.6 kg/hm2、K 77.8 kg/hm2。小區(qū)面積14 m×14 m。每個(gè)小區(qū)按面積劃分為3個(gè)等份,作為3次重復(fù)。

1.3 樣品采集及測(cè)定

分別于2007年1月3日(小麥苗期)、2007年 3月29日(小麥拔節(jié)期)、2007年5月12日(小麥灌漿期)、2007年6月10日(小麥?zhǔn)斋@后/玉米播種期)、2007年7月 27日(玉米大喇叭口期)、2007年 8月25日(玉米灌漿期)和2007年10月5日(玉米收獲后)在試驗(yàn)田相應(yīng)處理內(nèi)沿對(duì)角線方向采集耕層土壤,按0—10 cm和10—20 cm土層分開,每小區(qū)采 3鉆土壤混合,去作物殘根和小石頭,過2 mm篩,將土樣分為兩部分,一部分風(fēng)干用于測(cè)定土壤理化性質(zhì),另一部分保存在4℃冰箱中,用于土壤可溶性有機(jī)碳、氮,微生物生物量碳、氮和礦質(zhì)態(tài)氮的測(cè)定。

土壤微生物生物量碳、氮的測(cè)定采用氯仿熏蒸浸提法[8-9]:用0.5 mol/L K2SO4浸提經(jīng)氯仿熏蒸和未熏蒸土樣(水土比4∶1),過濾后濾液中的有機(jī)碳用TOC-5050分析儀測(cè)定,全氮用過硫酸鉀氧化比色法測(cè)定[10-11]。土壤微生物生物量碳、氮含量以熏蒸和未熏蒸的有機(jī)碳、全氮含量之差分別除以kEC和kEN得到 ,其中 kEC=0.45[9,12]、kEN=0.54[8]。

礦質(zhì)態(tài)氮:用0.5 mol/L K2SO4浸提土樣(水土比4∶1),浸提液經(jīng)過濾后,濾液中的NO-3-N和NH+4-N用流動(dòng)分析儀測(cè)定,礦質(zhì)態(tài)氮含量為NO-3-N與NH+4-N含量之和。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差分析及多重比較利用SAS8.1軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物生物量碳動(dòng)態(tài)變化

0—10 cm土層 SMBC含量范圍為 264.8～752.2 mg/kg,10—20 cm 土層為 126.9～ 444.6 mg/kg,土層間差異顯著(P＜0.05)(圖1)。不同施肥處理相比,各采樣時(shí)期F+M處理0—10 cm土層SMBC的含量均為最高,其次為F+S處理,CK處理的最低;10—20 cm土層SMBC的含量也以F+M處理土壤最高,CK處理的最低,其中F+S處理和F處理SMBC的含量差異較小。

圖1可見,從小麥苗期到拔節(jié)期,0—10 cm土層不同施肥處理SMBC的含量均增加,其中F和CK處理增幅達(dá)顯著水平(P＜0.05);小麥?zhǔn)斋@后,上述4個(gè)處理土壤SMBC的含量與拔節(jié)期相比顯著降低(P＜0.05),降幅分別為 26.0%、28.1%、31.4%和20.1%。玉米生長(zhǎng)期間4個(gè)施肥處理0—10和10—20 cm土層SMBC含量隨玉米的生長(zhǎng)逐漸升高,至玉米灌漿期SMBC含量達(dá)最高;玉米收獲后不同處理SMBC含量降低,其中 CK、F處理 0—10和 10—20 cm土層和F+S處理0—10 cm土層SMBN含量的下降達(dá)顯著水平(P＜0.05)。

圖1 各施肥處理土壤微生物生物量碳含量動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Changes of SMBC in different fertilizer treatments during wheat and corn growth

2.2 土壤微生物生物量氮?jiǎng)討B(tài)變化

不同施肥處理土壤0—10 cm和10—20 cm土層SMBN含量順序均為F+M＞F+S＞F＞CK,各處理0—10 cm土層SMBN含量顯著高于10—20 cm土層(P＜0.05)(圖2)。與苗期相比,小麥拔節(jié)期0—10 cm土層所有施肥處理SMBN含量均顯著增加(P＜0.05),增幅為18.0%～52.8%,這可能與小麥生長(zhǎng)前期微生物對(duì)土壤中氮素的固持作用有關(guān)。從拔節(jié)期到灌漿期各施肥處理SMBN含量有所降低,其中以F+S處理的降幅最大,其次為CK處理,兩處理土壤SMBN含量的下降均達(dá)顯著水平(P＜0.05),這可能是因?yàn)樽魑锱c微生物競(jìng)爭(zhēng)氮素所致;小麥?zhǔn)斋@后各施肥處理土壤SMBN含量又有所增加,其中F和F+S處理0—10 cm土層增幅分別為21.3%和22.7%,達(dá)顯著水平(P＜0.05)。

從小麥?zhǔn)斋@后到玉米灌漿期不同施肥處理土壤SMBN含量一直呈增加的趨勢(shì),CK和F處理0—10 cm土層土壤SMBN含量的增加達(dá)顯著水平(P＜0.05);玉米收獲后各施肥處理0—10 cm土層SMBN含量較玉米灌漿期顯著降低(P＜0.05),但在10—20 cm土層SMBN含量與玉米灌漿期無顯著差異。

圖2 各施肥處理土壤微生物量氮含量動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Changes of SMBN in different fertilizer treatments during wheat and corn growth

2.3 不同施肥處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量的動(dòng)態(tài)變化

各采樣時(shí)期0—10 cm和10—20 cm土層不同施肥處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮的含量以F+S處理最高,F和F+M處理次之,CK處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量最低(圖3)。

小麥苗期各處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量高于小麥其他生長(zhǎng)時(shí)期,這與播種前施肥及小麥苗期對(duì)氮素吸收量相對(duì)較少有關(guān)。這一時(shí)期F+M處理0—10和10—20 cm土層土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量顯著低于F處理,這是因?yàn)橛袡C(jī)肥配合化肥施用后促進(jìn)了土壤微生物對(duì)礦質(zhì)態(tài)氮的固持和在施入有機(jī)肥后溫度較低,有機(jī)氮礦化量較少所致。與苗期相比,小麥拔節(jié)期各施肥處理0—10 cm和10—20 cm土層土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量明顯降低,CK、F、F+M 和F+S處理0—10 cm降幅分別為27.4%、78.6%、52.9%和 68.7%,10—20 cm分別為 13.3%、79.7%、46.1%和 70.7%。這一時(shí)期土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量的降低,一方面與小麥吸收有關(guān),另一方面與土壤微生物對(duì)礦質(zhì)態(tài)氮的固持有關(guān)。

圖3 不同施肥處理礦質(zhì)態(tài)氮含量動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Changes of mineral N in different fertilizer treatments during wheat and corn growth

玉米生長(zhǎng)期間由于小喇叭口期的追肥,使玉米大喇叭口期F、F+M和F+S處理0—10 cm土層土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量顯著上升。玉米灌漿期生長(zhǎng)旺盛,吸氮量多,從而使各處理0—10 cm土層土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量顯著低于大喇叭口期(P＜0.05)。到玉米收獲時(shí),由于土壤氮素礦化,各施肥處理0—10 cm和10—20 cm土層土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量又明顯增加。這時(shí)F+M處理土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量顯著高于F處理,微生物固持氮的釋放可能是玉米成熟期土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量增加的原因之一。

3 討論

3.1 小麥-玉米輪作體系中的不同施肥處理土壤微生物生物量碳、氮含量變化的實(shí)質(zhì)

本試驗(yàn)中對(duì)照由于長(zhǎng)年不施肥,土壤中有效養(yǎng)分匱乏,作物生長(zhǎng)量低,通過根系及地上部分殘茬歸還到土壤中的有機(jī)物相對(duì)較少,因此,在小麥和玉米生長(zhǎng)期間土壤微生物生物量碳、氮及礦質(zhì)態(tài)氮含量均處在最低水平,因此該處理作物與微生物對(duì)氮素競(jìng)爭(zhēng)作用明顯。小麥和玉米生長(zhǎng)期間F+S處理土壤微生物生物量碳、氮含量均高于CK和F處理,這與這一處理給土壤中補(bǔ)充了豐富的有機(jī)物碳、氮有關(guān)。

F+M處理與F處理相比,兩者礦質(zhì)態(tài)氮含量除小麥苗期外,其他各采樣時(shí)期相差不大,但是F+M處理中SMBN含量顯著地高于F處理。高出的這部分氮素除部分來源于施入的牛廄肥和土壤原有的氮素外,還有一部分可能來源于施入的化學(xué)氮肥。韓曉日等[13]通過同位素標(biāo)記研究發(fā)現(xiàn),玉米生長(zhǎng)期間,有機(jī)肥與化肥配施處理中SMBN來源于施入化肥的比例為8.5%～41.5%,來源于土壤氮的比例為40.4%～49.6%,并且隨著玉米的生長(zhǎng),來源于化肥的比例增加。F+M和F處理施氮量一致,但SMBN含量一直顯著高于F處理,這也說明土壤微生物對(duì)氮素起到了很好的固持作用,減少了氮素的損失。

有機(jī)物料與化肥配合施用使土壤微生物固定無機(jī)氮的能力增強(qiáng),但固定量和固定強(qiáng)度因碳源物質(zhì)、施用量和腐解條件而異[14-15]。本試驗(yàn)F+M處理施入的是腐熟的牛廄肥,這部分有機(jī)物料C/N比較低,含有大量的可溶性有機(jī)物[16],既可以提供碳源,又可補(bǔ)充有效氮源,從而最大程度地促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)、繁衍。Saetre等[6]利用15N標(biāo)記試驗(yàn)也表明,碳氮比低的有機(jī)物料更能夠促進(jìn)微生物生物量的提高而加快碳素和氮素的循環(huán)。在F+S處理中,施入的玉米秸稈C/N比較高,而且秸稈中的有機(jī)物結(jié)構(gòu)復(fù)雜,再加上所施的秸稈體積較大,與牛廄肥相比,不易被微生物迅速分解利用,從而使微生物對(duì)氮素的固定較少,導(dǎo)致F+S處理土壤微生物生物量碳、氮低于F+M處理,礦質(zhì)態(tài)氮含量高于F+M處理。Ocio等[17]也指出,不同碳源物質(zhì)對(duì)無機(jī)氮的微生物固持影響很大。所以就施用有機(jī)物料來說,施用有機(jī)肥比施用秸稈更能夠促進(jìn)微生物生物量的提高,增加礦質(zhì)態(tài)氮的固定,降低氮素?fù)p失。

綜上所述,小麥-玉米輪作體系中作物不同生長(zhǎng)時(shí)期不同施肥處理土壤微生物量碳、氮含量差異顯著,這是土壤微生物對(duì)進(jìn)入土壤中不同碳源和氮源綜合利用的反應(yīng)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中通過有機(jī)物料和化肥配合施用,調(diào)節(jié)土壤中碳、氮比,不僅保持了土壤中原有的氮素,而且對(duì)施入的化學(xué)氮肥也有很好的保氮作用。如何協(xié)調(diào)二者的關(guān)系,在保證作物氮素供應(yīng)的前提下減少氮的損失,達(dá)到以碳調(diào)氮的作用,是值得進(jìn)一步深入研究的問題。

3.2 土壤微生物生物量氮與礦質(zhì)態(tài)氮含量間的關(guān)系

在小麥拔節(jié)期到灌漿期的旺盛生長(zhǎng)階段,各施肥處理土壤SMBN含量均下降,而礦質(zhì)態(tài)氮含量變化不大,處于較低水平,旺盛生長(zhǎng)的小麥所吸收的氮有可能來源于微生物生物量氮的釋放。Robertson等[18]的培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,土壤新礦化的無機(jī)氮有55%～89%來自土壤微生物生物量氮;Singh等[19]在貧瘠的熱帶森林和草原上的研究表明,在植物迅速生長(zhǎng)階段,氮的礦化作用加強(qiáng),土壤微生物生物量氮含量降低。韓曉日等[20]的盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在作物生長(zhǎng)過程中土壤微生物生物量氮的減少量與該時(shí)期內(nèi)土壤礦質(zhì)態(tài)氮的增加量呈極顯著相關(guān)。這些都說明在微生物體內(nèi)固定的氮是植物所需氮源的重要來源。但在玉米旺盛生長(zhǎng)時(shí)期(大喇叭口期到灌漿期),F+M、F+S和F土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量顯著下降,而在這3個(gè)處理中SMBN含量均升高,這與玉米生長(zhǎng)期間小喇叭口期追施的化學(xué)氮肥有關(guān)。

由此可以認(rèn)為,土壤微生物生物量氮含量與土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量間具有此消彼長(zhǎng)的趨勢(shì)。在土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量較高時(shí)(玉米小喇叭口期),植物首先利用土壤中的礦質(zhì)態(tài)氮,而在土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量處于較低水平時(shí)(小麥拔節(jié)期),微生物固持的氮可能會(huì)釋放出來,供作物吸收利用。因此有必要采用15N的方法定量研究作物生長(zhǎng)期間土壤微生物對(duì)氮的固持與釋放,以評(píng)價(jià)其在協(xié)調(diào)土壤氮素供應(yīng)中的作用。

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