喬偉艷，顧洪如，沈益新

(1.南京農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院，江蘇 南京210095； 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院畜牧研究所，江蘇 南京 210014)

稻茬種植多花黑麥草對土壤肥力和微生物組成的影響

喬偉艷1,2，顧洪如2，沈益新1

(1.南京農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院，江蘇 南京210095； 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院畜牧研究所，江蘇 南京 210014)

土壤理化性狀是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力的重要指標，不同耕作制度對土壤微生物的豐富度和數(shù)量及土壤肥力的變化有一定影響。為解決我國南方農(nóng)區(qū)冬閑田的有效利用，采用多花黑麥草(Loliummultiflorum)/水稻(Oryzasativa)輪作技術(shù)，研究稻田冬種多花黑麥草對土壤肥力和微生物的影響。結(jié)果表明，與冬閑/水稻對照區(qū)相比，多花黑麥草/水稻處理區(qū)土壤有機質(zhì)含量增加了8.50%，全氮含量增加了8.22%,全磷含量增加了7.58%，全鉀含量增加了14.96%；與冬閑/水稻對照區(qū)相比，多花黑麥草/水稻處理區(qū)土壤中細菌菌群數(shù)量增加了13.03%，放線菌菌群數(shù)量增加了3.22%，真菌菌群數(shù)量增加了4.16%?？梢娫谀戏蕉e田種植多花黑麥草不僅能為農(nóng)區(qū)養(yǎng)殖業(yè)提供大量飼草，還能改善土壤肥力，增加土壤養(yǎng)分，為后作水稻生長發(fā)育提供良好條件。

多花黑麥草；水稻；土壤肥力；閑田；輪作；微生物；有機質(zhì)

土壤是一個復雜的生命體，其生態(tài)環(huán)境容易受到不同耕作制度的影響，進而土壤物理性狀及礦質(zhì)元素和水分的吸收受作物根系的影響而變化。輪作是用地和養(yǎng)地相結(jié)合、提高作物產(chǎn)量和改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的一項農(nóng)業(yè)技術(shù)措施[1]，可以提高土壤肥力、增加作物產(chǎn)量[2]、減少病蟲危害[3]、保持水土以及提高單位面積土地經(jīng)濟收益。近年來，隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，草田輪作、種草養(yǎng)畜已蓬勃發(fā)展[3]。草田輪作是倒茬和肥田養(yǎng)地、產(chǎn)草養(yǎng)畜相統(tǒng)一的耕作制度，在美國、澳大利亞等國家被廣泛采用[4-5]。日本和韓國對多花黑麥草(Loliummultiflorum)與水稻(Oryzasativa)相互作用的研究較多，并且在黑麥草與農(nóng)作物輪作的實際應用方面取得了成功經(jīng)驗[6]。

我國亞熱帶地區(qū)氣候條件與日本南部地區(qū)相似。1988年，在深圳市首次提出并建立了多花黑麥草/水稻草田輪作系統(tǒng)，合理利用了當?shù)刭Y源，揚地廣之長，避自然氣候之短，加快了有機農(nóng)業(yè)的發(fā)展，促進了畜牧業(yè)生產(chǎn)發(fā)展[3]。據(jù)統(tǒng)計，我國南方農(nóng)區(qū)約400萬hm2的冬閑田，其有效利用是一個亟待解決的課題，繼廣東之后，湖北、貴州、云南等地已經(jīng)開展了多花黑麥草和水稻輪作技術(shù)的探索，通過安排輪作合理時間，利用冬閑農(nóng)田生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)青飼料，緩解了糧食作物和飼料作物在空間上爭地的矛盾[7]。本研究分析在江蘇地區(qū)多花黑麥草/水稻輪作下土壤肥力和微生物組成的變化，探討在江蘇地區(qū)建立多花黑麥草/水稻草田輪作系統(tǒng)的可行性，以期為稻草輪作技術(shù)在南方地區(qū)的應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗地概況 試驗在南京江蘇省農(nóng)業(yè)科學院畜牧所試驗基地溫室內(nèi)(32°03′ N，118°46′ E)進行?；匚挥谀暇┬⒘晷l(wèi)，土壤類型為丘陵馬肝土，屬于亞熱帶季風氣候，溫室棚內(nèi)年平均氣溫為21.6 ℃。初始土壤pH為6.37，土壤容重為1.31 g·cm-3，有機質(zhì)含量為22.60 g·kg-1，土壤腐殖酸含量為2.60 g·kg-1，全磷含量為1.32 g·kg-1，全氮含量為 g·kg-1，全鉀含量為5.95 g·kg-1。試驗地前茬作物為水稻。

1.1.2 試驗材料 多花黑麥草品種為勁杰，播種量為1.5 g·m-2，水稻品種為南粳9108，播種量為4.5～6.0 g·m-2，播種后覆土2 mm。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計 在相同生境及管理條件下，設(shè)多花黑麥草/水稻輪作處理區(qū)(grass-rice)和冬閑/水稻種植對照區(qū)(idle-rice)，在中轉(zhuǎn)箱覆土進行播種，每箱土壤30 kg，中轉(zhuǎn)箱面積是42 cm×32 cm，每個處理設(shè)3個重復，處理區(qū)種植多花黑麥草期間，對照區(qū)中土地不種植任何植物，僅自然生長一些雜草。試驗于2013年12月播種多花黑麥草，點播，126 d后對多花黑麥草進行收獲，隨后均種植水稻，點播，至295 d后收獲水稻，做好田間管理工作。1.2.2 測定項目 采樣于初始水稻土(0 d)、多花黑麥草收獲后(126 d)和水稻收獲后(295 d)進行土壤樣品的采集，并對樣品進行處理，用于試驗分析測定[7]。

1.2.3 土壤容重、pH和腐殖酸測定 容重的測定采用環(huán)刀法[8]；土壤pH的測定采用電位測定法，根據(jù)南方土壤的特性，水土比采用2.5∶1[8]；土壤腐殖酸采用焦磷酸鈉-氫氧化鈉浸提液提取土壤中的腐殖質(zhì)，隨后采用重鉻酸鉀氧化外加熱法進行測定[8]。

1.2.4 土壤全氮、全磷、全鉀和有機質(zhì)的測定 土壤中全氮利用濃硫酸對土樣進行消解，消解完成后，利用凱氏定氮儀測定其全氮含量[8]；土壤全鉀、全磷利用微波消解儀對土樣進行消解，隨后利用ICP儀測定；土樣有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定，利用可控溫消解爐加熱樣品反應液進行測定，設(shè)置消解爐溫度230 ℃，反應液微沸5 min，隨后滴定檢測[9]。

1.2.5 土壤樣品可培養(yǎng)微生物計數(shù) 微生物生物量總碳采用熏蒸-提取法，土壤樣品中的細菌、放線菌和真菌總數(shù)的測定采用稀釋平板計數(shù)法，培養(yǎng)基分別采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，高氏1號培養(yǎng)基和孟加拉紅培養(yǎng)基[10]。

1.3 統(tǒng)計分析

利用Microsoft Excel 2010處理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用SAS 9.1統(tǒng)計軟件進行方差分析，用平均值和標準誤表示測定結(jié)果，分別對同一處理不同取樣時間和不同處理同一取樣時間進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植處理下土壤容重和pH的變化

不同種植處理間土壤容重、腐殖酸和pH均差異極顯著(P<0.01)。

多花黑麥草/水稻處理區(qū)和冬閑/水稻對照區(qū)的初始土壤容重均為1.31 g·cm-3(表1)。多花黑麥草/水稻處理區(qū)中，土壤容重在多花黑麥草收獲后降到最低，為1.17 g·cm-3，較初始時土壤容重值下降了10.68%，于水稻收獲后上升至1.36 g·cm-3(P<0.05)；冬閑/水稻對照區(qū)土壤容重在試驗期間呈緩慢下降趨勢，水稻收獲后土壤容重降到最低，為1.14 g·cm-3，比初始時土壤容重下降了12.98%(P<0.05)。

表1 多花黑麥草/水稻輪作下土壤容重、腐殖酸和pH的變化

注：同列不同小寫字母表示同一指標不同采樣時間差異顯著(P<0.05)；同行不同大寫字母表示處理間差異極顯著(P<0.01)。下同。

Note: Different lower case letters within the same column mean significant difference between different sample time at the 0.05 level; Different capital letters within the same row mean significant difference between different sample time at the 0.01 level. The same below.

多花黑麥草收獲后，土壤腐殖酸含量由初始冬閑時的2.60升至2.94 g·kg-1，增加了13.08%，冬閑/水稻對照區(qū)中腐殖酸含量則下降了20%(表1)；水稻收獲后，多花黑麥草/水稻處理區(qū)土壤中腐殖酸含量降至2.23 g·kg-1，冬閑/水稻對照區(qū)土壤則降至1.68 g·kg-1(P<0.05)。

多花黑麥草種植后土壤pH有明顯的變化(表1)。一個周期試驗完成后，多花黑麥草/水稻處理區(qū)中土壤pH呈現(xiàn)出先降后升的趨勢，多花黑麥草收獲后，土壤pH達到最低，水稻收獲后，土壤pH上升至6.83(P<0.05)；冬閑/水稻對照區(qū)土壤pH則呈上升趨勢，至水稻收獲后上升至7.15，增幅達12.24%(P<0.05)。

2.2 不同種植處理土壤中有機質(zhì)和全氮、全磷、全鉀含量的變化

冬閑/水稻對照區(qū)中土壤有機質(zhì)含量在試驗期間呈下降趨勢，水稻收獲后降至18.63 g·kg-1，較初始冬閑時有機質(zhì)含量降低了17.57%(P<0.05)(表2)。多花黑麥草/水稻處理區(qū)中，有機質(zhì)含量在試驗期間呈先升后降趨勢，黑麥草收獲后，土壤有機質(zhì)含量達24.52 g·kg-1，比種草前增加了8.5%，到水稻收獲后，有機質(zhì)含量降低，但較初始時的有機質(zhì)(22.60 g·kg-1)增加了5.31%(P<0.05)。兩種處理間土壤有機質(zhì)之間差異極顯著(P<0.01)。

不同處理對土壤全氮含量的影響極顯著(P<0.01)。土壤全氮含量在多花黑麥草/水稻處理區(qū)呈先升后降趨勢，黑麥草收獲后達到1.58 g·kg-1，較初始時土壤全氮含量上升了8.97%(P<0.05)(表2)；冬閑/水稻對照區(qū)中，土壤全氮含量則表現(xiàn)為先降后升趨勢，黑麥草收獲后下降至1.21 g·kg-1，水稻收獲后上升至1.29 g·kg-1，較初始時降低了11.03%(P<0.05)。

表2 不同處理土壤有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀(g·kg-1)含量變化

多花黑麥草/水稻處理區(qū)土壤全磷含量在整個輪作種植期間呈上升趨勢。至水稻收獲后土壤全磷含量達到1.57 g·kg-1，比初始時土壤全磷含量增加了18.94%(P<0.05)(表2)；冬閑/水稻對照區(qū)的土壤全磷含量則先降后升，多花黑麥草收獲后降至1.06 g·kg-1，降低了7.58%(P<0.05)。土壤全磷含量在處理區(qū)和對照區(qū)之間存在極顯著差異(P<0.01)。

土壤中全鉀含量在多花黑麥草/水稻處理區(qū)中由初始時的5.95 g·kg-1升至多花黑麥草收獲后的6.84 g·kg-1，迅速上升了14.96%(P<0.05)；冬閑/水稻對照區(qū)中全鉀含量則呈先升后降趨勢，多花黑麥草收獲后，土壤全鉀含量上升至6.96 g·kg-1，水稻收獲后下降至6.22 g·kg-1(P<0.05)。處理區(qū)與對照區(qū)之間土壤全鉀含量變化差異極顯著(P<0.01)。

2.3 不同處理土壤中微生物性狀的變化

試驗期間主要分析土壤微生物生物量和區(qū)系中細菌、真菌、放線菌的變化(表3)。土壤中微生物生物量(以每kg干土中C的mg量表示)的初始含量為63 mg·kg-1，在多花黑麥草/水稻處理區(qū)呈先迅速上升后緩慢下降趨勢，多花黑麥草收獲后，土壤微生物生物量迅速上升至782 mg·kg-1，到水稻收獲后下降至634 mg·kg-1(P<0.05)；土壤微生物生物量在冬閑/水稻對照區(qū)呈先升后降趨勢，完成一個種植周期試驗后，較初始時微生物生物量，上升量為1倍左右。對照區(qū)微生物生物量變化趨勢與處理區(qū)相似，增幅差異顯著(P<0.05)。

不同耕作制度對土壤微生物區(qū)系的影響明顯。細菌的菌落在冬閑/水稻對照區(qū)中呈上升趨勢，由多花黑麥草收獲后的6.60 lg(cfu·g-1)至水稻收獲后增加了2.65%(P<0.05)；在多花黑麥草/水稻處理區(qū)中則呈現(xiàn)先升后降趨勢，到水稻收獲后細菌菌落數(shù)量達7.07 lg(cfu·g-1)(P<0.05)；土壤放線菌菌落數(shù)在冬閑/水稻對照區(qū)和種草/水稻處理區(qū)中均呈先升后降的趨勢，較黑麥草收獲后菌落數(shù)量，水稻收獲后降幅分別為0.81%和2.73%(P<0.05)；真菌菌群數(shù)量在冬閑/水稻對照區(qū)中呈緩慢下降趨勢，在多花黑麥草/水稻處理區(qū)中則呈先升后降趨勢，不同處理對真菌的影響差異顯著(P<0.05)。

表3 不同處理土壤微生物區(qū)系的變化

3 討論

3.1 不同耕作處理對土壤肥力的影響

在我國南方農(nóng)區(qū)，輪作種植是緩解土壤生態(tài)環(huán)境壓力的一種重要的耕作模式，這種模式能夠顯著改變農(nóng)田土壤的肥力狀況。研究指出，稻田年內(nèi)水旱輪作能使土壤有機質(zhì)、全N、全P含量增加，并可以明顯增加速效N、P、K養(yǎng)分[11]，輪作對土壤理化性狀的影響是顯著的，不僅可以降低土壤的抗壓強度，還能夠增加土壤孔隙度、促進土粒的聚合[12]；稻田水旱輪作還消除了因長期淹水對土壤結(jié)構(gòu)帶來的不良影響，研究發(fā)現(xiàn)[13]，與長期淹水稻田相比，輪作后土壤容重增大，有機質(zhì)、全氮、全磷雖稍有降低，但與試驗前相比，土壤養(yǎng)分還是有所提高。本研究表明，在不施加任何有機肥和化學肥料的情況下，稻田實施多花黑麥草/水稻輪作后，水田轉(zhuǎn)為旱田，土壤生態(tài)環(huán)境發(fā)生改變，良好的通氣條件下，植物根系作用和好氧微生物代謝活動加強，使土壤有機質(zhì)、土壤全磷、全鉀的含量和土壤孔隙度均有所增加。

多花黑麥草的根系發(fā)達，具有極強的須根，根系作用非常明顯。土壤pH和腐殖酸的變化是通過作物的根系作用和殘茬在土壤中的分解作用，來增加土壤中有機質(zhì)和腐殖質(zhì)，并通過有機質(zhì)分解產(chǎn)生的有機酸和腐殖質(zhì)分解的腐殖酸含量變化來影響土壤pH[14]。本研究中，種植多花黑麥草后，好氧型微生物滋生，使得土壤中腐殖酸和土壤有機質(zhì)含量發(fā)生變化，還能夠增加土壤中有機質(zhì)的礦化，從而降低土壤pH，增加土壤腐殖酸含量；種植水稻后，土壤pH增加，是淹水后土壤對碳酸鹽的緩沖能力增強導致的[15]。

一個輪作周期后，土壤的物理性狀受作物根系和田間管理的影響，土壤孔隙度有所增加，即土壤容重值緩慢減少。在稻田淹水時，土壤還原型微生物菌群占優(yōu)勢，土壤中多花黑麥草殘留根茬中的營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)移和根茬本身的腐爛分解，以及有機物質(zhì)的厭氧分解作用，使稻田土壤中有機質(zhì)、全磷、全鉀含量增加[16-17]。微生物體內(nèi)的氮比植物殘體中的氮周轉(zhuǎn)快，通過微生物生物量庫的氮素的年通量比其它庫的通量要大得多[18]，因此在水稻收獲后，多花黑麥草/水稻處理區(qū)土壤中全氮含量下降。綜合分析，多花黑麥草/水稻輪作對稻田土壤肥力的改善作用明顯。

3.2 不同耕作處理對土壤微生物的影響

土壤pH和土壤有機質(zhì)含量對土壤微生物群落的變化起著重要作用，不同微生物菌群對土壤酸堿度的要求不同[19]，放線菌多在偏酸性土壤中生存，細菌和真菌則喜好偏中性土壤。不同的農(nóng)業(yè)措施對農(nóng)田土壤中微生物菌群的影響明顯。在不同耕作方式對土壤微生物生理類群和酶活性的影響研究中發(fā)現(xiàn)，免耕與覆蓋能夠明顯增加土壤微生物類群的數(shù)量,土壤細菌約占土壤微生物數(shù)量的90%，真菌和放線菌緊隨其后[20]。本研究在不同耕作制度種植下發(fā)現(xiàn)，多花黑麥草/水稻處理區(qū)中土壤中微生物生物量和菌落數(shù)量較冬閑/水稻對照區(qū)迅速增加，隨后緩慢減少，且每種菌群的變化均不相同。土壤微生物生物量和生物區(qū)系均呈現(xiàn)明顯變化。土壤中微生物數(shù)量的增加，使土壤的總活性增強，土壤肥力得到改善，表明冬種多花黑麥草對土壤微生物和土壤肥力的影響明顯存在[21]。微生物菌群數(shù)量構(gòu)成的不一致，會導致微生物菌群在土壤中活動情況不一樣[22]，從而使土壤肥力、土壤養(yǎng)分等發(fā)生變化。一般情況下，土壤有機質(zhì)的含量對微生物的生境條件起決定作用，從而影響到微生物的狀況[23]。環(huán)境變化對微生物影響明顯，生態(tài)系統(tǒng)功能的變化能夠通過微生物的變化來指示[24-25]，因此，土壤微生物量庫發(fā)生變化，能夠影響土壤養(yǎng)分的循環(huán)和有效性[26]。

4 結(jié)論

農(nóng)田土壤中的有效養(yǎng)分很大一部分是由土壤中不同微生物的生長代謝分解作用提供，土壤微生物與土壤肥力之間的作用是相互的，一方面微生物能使土壤生態(tài)環(huán)境發(fā)生轉(zhuǎn)變，改善土壤的物理和化學性狀；另一方面土壤環(huán)境因素也會對微生物的生長發(fā)育和微生物的群落組成產(chǎn)生影響。土壤微生物和土壤肥力易受到農(nóng)業(yè)管理措施的影響，多花黑麥草的根系能夠改善土壤的物理結(jié)構(gòu)，使農(nóng)田土壤的通透性增加，且多花黑麥草收獲后，土壤微生物量大幅度增加，土壤微生物區(qū)系發(fā)生變化，微生物的總活性增強。收獲后留在土壤中多花黑麥草根茬的腐爛分解對土壤的pH有明顯的影響，還能增加土壤中有機質(zhì)、氮、磷、鉀等養(yǎng)分的含量。綜合對土壤肥力和微生物變化的分析表明，在南方農(nóng)區(qū)實施多花黑麥草/水稻輪作技術(shù)，不僅能夠增加草食家畜的青飼料，還能顯著改善水稻連作帶來的危害，增加土壤肥力，為后作水稻的種植提供良好的土壤條件。

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(責任編輯 茍燕妮)

Effects of planting Italian ryegrass in winter fallow fields on soil fertility and microorganisms

Qiao Wei-yan1,2, Gu Hong-ru2, Shen Yi-xin1

(1.College of Partaculture Science, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China;2.Institute of Livestock Science, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China)

Soil physical properties are important indicators of the potential for agricultural production, and different tillage methods affect the richness and numbers of soil microorganisms. The experiment was carried out to study the effects of a ryegrass-rice rotation on soil fertility and microorganisms. When Italian ryegrass was planted in a winter fallow rice field, the content of soil organic matter was increased by 8.5% and the amount of total nitrogen, phosphorus, and potassium in the soil were increased by 8.22%, 7.58%, and 14.96%, respectively. The populations of aerobic bacteria, actinomycetes, and fungi in the soil were increased by 13.03%, 3.22%, and 4.16%, respectively. Therefore, a ryegrass-rice rotation can not only provide large quantity of animal feed, but also improve soil features and increase crop yields.

Italian ryegrass; rice; soil fertility; fallow field; rotation; microorganism; organic matter

Gu Hong-ru E-mail：guhongrujs@163.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0142

2016-03-21接受日期：2016-11-17

國家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目(CARS-35-31)；國家科技支撐計劃項目(2011BAD17B02-04)

喬偉艷(1989-)，女，山西長子人，在讀碩士生，研究方向為飼草調(diào)制與加工。E-mail:284202728@qq.com

顧洪如(1963-)，男，江蘇南京人，研究員，博士，研究方向為牧草與草食動物。E-mail：guhongrujs@163.com

S543+.606.2;Q948.1

A

1001-0629(2017)2-0240-06

喬偉艷,顧洪如,沈益新.稻茬種植多花黑麥草對土壤肥力和微生物組成的影響.草業(yè)科學,2017,34(2)：240-245.

Qiao W Y,Gu H R,Shen Y X.Effects of planting Italian ryegrass in winter fallow fields on soil fertility and microorganisms.Pratacultural Science，2017,34(2)：240-245.