2019, Vol. 40
2. 重庆市农业资源与环境研究重点实验室, 重庆 400716
2. Chongqing Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment, Chongqing 400716, China
土壤微生物是土壤有机质矿化和碳氮等元素循环的主要参与者, 也是土壤养分转化供应的驱动者[1].土壤微生物量碳(MBC)和氮(MBN)是土壤微生物量的重要表征, 其大小反映土壤对有机氮的同化和矿化能力, 是土壤活性高低的重要标志[2].土壤微生物量碳、氮虽然仅占土壤碳氮的很小部分, 却被认为是土壤活性养分的储存库和土壤有效养分的重要来源[3], 研究土壤微生物量碳氮变化规律及其与作物养分吸收利用的关系对改善和维持土壤肥力, 提高作物产量具有重要意义.
氮是农业生态系统中的一个重要限制营养元素, 土壤中90%以上的氮以有机态氮存在, 土壤本土及外源进入土壤中的有机氮只有通过微生物矿化分解后才能被植物吸收[4].因而, 土壤微生物与植物对氮素存在竞争关系, 当土壤中的能源物质碳充足时, 微生物对氮素的竞争能力强, 氮素被微生物固定, 有效性降低; 反之, 当碳素减少时, 微生物对氮的固定能力减弱, 微生物量氮降低, 其中的氮素被释放, 植物的氮吸收量增大[5, 6].已有研究表明, 有机物料可为微生物提供能源物质碳素和营养物质氮素, 提高微生物活性, 增加土壤MBC和MBN含量, 从而影响土壤氮素的有效性及植物对氮素的吸收和利用[7], 但不同有机物料对微生物量碳氮的影响不同.目前关于有机物料类型[8, 9]、用量[10]、与无机肥料配合施用[5]对土壤MBC、MBN的影响已有研究, 但不同有机物料影响土壤微生物碳氮规律及机制仍不清楚.有机物(肥)料是土壤氮素的重要来源之一, 关于有机物料对土壤氮素供应及植物氮吸收的影响机制研究多从有机氮的矿化分解[11]、碱解氮[12]或矿质氮[13]变化角度进行, 从土壤微生物量变化角度的研究还很少.
为此, 本研究采用室内培养试验和盆栽试验, 通过测定酸性紫色土和石灰紫色土中微生物量碳、氮动态, 玉米生长及氮素吸收量的变化, 探讨有机物料对土壤氮素供应的影响及其在不同土壤间的差异, 以期为有机物料的合理施用提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 试验材料供试土壤：酸性紫色土(APS)和石灰性紫色土(CPS), 均采自重庆市北碚区西南大学试验农场0~20 cm的土壤.土壤于室内风干后, 挑去细根, 磨细过2 mm筛备用.
供试有机物料：猪粪沼渣(PM)、牛粪沼渣(CM)、污泥堆肥(SC)、农村生活垃圾堆肥(堆肥过程中不添加污泥, RWC1)、农村生活垃圾与污泥的堆肥产物(堆肥过程中添加20%的污泥, RWC2).其中, PM和CM分别采自重庆某养猪场和某奶牛场, SC和两种RWC由本实验室提供, 供试堆肥样品均达到腐熟程度.有机物料磨细过1.0 mm筛备用.
土壤和有机物料的pH、有机质及养分含量见表 1.其中, APS的颗粒组成为48.0%砂粒、34.4%粉粒和17.6%黏粒; CPS的颗粒组成为41.8%砂粒、38.2%粉粒和20.0%黏粒.
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表 1 供试土壤和有机物料的基本理化性质 Table 1 Physiochemical properties of the tested materials |
供试生物为玉米, 品种为中糯309(Zea mays L. var. Zhongru309).
1.2 试验设计采用室内培养试验, 研究有机物料对土壤微生物量碳氮的影响.本试验设两种紫色土, 施用5种有机物料, 以不施肥为对照组, 共12个处理, 每处理3次重复.有机物料的用量(以N计)设为80 mg·kg-1, 等氮量施入.称取风干过筛土壤1.5 kg, 与有机物料混匀后, 用去离子水将水分含量调节到田间持水量的60%, 装入1 000 mL的广口塑料桶中, 用塑料薄膜封口, 并用针在塑料薄膜上扎适量小孔.将塑料桶置于培养箱中进行避光培养, 培养温度为(25±1)℃.每隔5 d用重量差减法补充水分使水分含量稳定.
采用盆栽试验研究不同有机物料对玉米氮吸收利用的影响.试验设在西南大学1号大棚温室, 试验采用15×20 cm的塑料盆, 每盆装土2.5 kg, 按360 kg·hm-2的添加量(以N计)施用5种有机物料和化肥(CF, 尿素), 以磷酸氢二钾和氯化钾补充磷肥和钾肥, 所有肥料均作为底肥一次施入, 另设空白对照CK(不施加任何有机物料和化肥), 共14个处理, 每个处理3次重复.将有机物料与土壤充分混匀后装入塑料桶, 每盆播种种子5粒, 三叶期留下长势一致的植株3棵.生长期间用去离子水浇灌, 土壤水分保持在田间持水量的50%~60%, 并定期调换各盆钵的位置.
1.3 样品采集室内培养试验：分别于0(培养当天)、1、2、3、4、6、8、12、16周采取土样, 测定土壤含水率及微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)含量.
盆栽试验：45 d后收获植株, 分成地上部和根两部分, 洗净, 于105℃烘2 h, 再于60℃下烘干称重后, 粉碎, 测定其全氮含量.
1.4 测定方法供试土壤和有机物料的pH、全氮、全磷、全钾、有机质含量、NH4+-N和NO3--N以及植株的全氮含量采用常规方法测定.
土壤微生物量碳氮含量的测定参照Brookes等[14]和Vance等[15]的方法, 采用氯仿熏蒸浸提法测定.具体为：称取相当于烘干土重10 g的新鲜土样于烧杯中, 将其置于底部有少量NaOH、200 mL水和去乙醇氯仿的真空干燥器中, 用真空泵抽至氯仿沸腾, 保持3~5 min, 在(25±1)℃下遮光培养24 h后打开干燥器, 除尽氯仿.将熏蒸后的土样加入0.5mol·L-1K2SO4 50 mL, 振荡浸提30 min, 迅速过滤, 同时以未熏蒸土样为对照.用碳分析仪测定滤液中的有机碳含量, 凯氏蒸馏法测定滤液中的全氮含量.根据下列公式计算MBC和MBN的含量.
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式中, EC和EN分别为熏蒸和未熏蒸土壤中K2SO4滤液中的有机碳和全氮的差值, KC和KN分别为0.38和0.45[16].
1.5 数据处理方法数据采用Excel 2007软件进行统计, 采用SPSS 19.0软件进行方差分析和相关性分析, 用Duncan多重比较法进行差异显著性检验, 显著水平设为0.05.采用Origin 8.5软件进行作图.
2 结果与分析 2.1 有机物料对土壤微生物量碳(MBC)的影响土壤微生物量碳是土壤有机质中活性较高的部分, 它是土壤养分的重要来源, 也是有机质分解和矿化的动力[17].如图 1所示, 各有机物料处理土壤微生物量碳的变化趋势基本一致, 即在培养初期迅速升高, 于第1周达到第一个峰值, 之后不同程度降低, 第2~3周后再次升高, 于第6周达第二个峰值, 也是最大值, 随后降低并在第8周后趋于稳定.
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图 1 不同有机物料对土壤MBC的影响 Fig. 1 Effect of different organic materials on soil MBC |
方差分析结果如表 2所示.培养初期, 土壤类型和有机物料种类对MBC含量均无显著影响, 这可能与培养前期土壤环境不稳定有关.随着培养时间延长, 这两种因素对土壤MBC含量产生显著或极显著影响, 而二者的交互作用影响均不显著, 表明有机物料和土壤类型是影响土壤MBC的主要因素.第4周后, CPS的MBC含量显著高于APS的MBC含量, 有机物料使两种土壤的MBC含量均提高, 但不同培养阶段提高程度不同.与CK相比, 添加有机物料使APS和CPS中的MBC含量在第4周时分别提高40%~90.01%和41.18%~111.8%, 在第6周时分别提高了38.03%~69.01%和60.27%~118.55%, 培养结束时分别提高53.63%~102.91%和12.14%~137.00%.提高幅度均表现为CM>SC>RWC2>RWC1>PM, 其中CM与SC、SC与RWC2间存在显著差异, 而RWC2、RWC1与PM间的差异不显著.
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表 2 土壤类型和有机物料及其交互作用对土壤MBC、MBN影响的方差分析1) Table 2 Variance analysis of the effects of soils, organic materials and their interactions on soil MBC and MBN |
2.2 有机物料对土壤微生物量氮(MBN)的影响
如图 2所示, 随着培养时间延长, MBN在不同土壤中的变化趋势有一定差异. APS中, MBN含量在培养前2周出现波动, 第2周后上升, 第3周达到峰值, 之后迅速降低, 第8周后趋于稳定; CPS中MBN含量在第1周升高, 之后降低, 第2周后持续升高, 第6周时达最大值, 之后又降低, 12周后趋于平缓.
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图 2 不同有机物料对土壤MBN的影响 Fig. 2 Effect of different organic materials on soil MBN |
有机物料种类及土壤类型对土壤MBN含量呈极显著或显著的影响, 而二者的交互作用影响也不显著(表 2).两种土壤中在培养初期的MBN含量差异不明显, 第3周后, CPS中的MBN含量显著高于APS.而培养过程中, 有机物料种类对MBN含量均有极显著影响.达最大值时, APS与CPS中各处理的MBN含量较CK分别提高33.32%~107.39%和80.00%~198.76%, 提升幅度均为SC＞PM＞RWC1＞RWC2＞CM; 培养结束时, 两种土壤各处理的MBN含量相比CK分别提高了23.37%~150.08%和35.02%~160.02%, 提升幅度均为SC＞CM＞PM>RWC2＞RWC1.
2.3 有机物料对土壤微生物量碳、氮比(MBC/MBN)的影响MBC/MBN可用于反映土壤微生物群落的结构信息, 施用有机物料导致的土壤MBC/MBN变化反映出土壤微生物结构的动态变化[18].一般情况下, 细菌的碳/氮比在5:1左右, 真菌在10:1左右, 放线菌在6:1左右[19].如图 3所示, 培养初期, APS和CPS的MBC/MBN分别为7.79~19.59和7.65~18.74, 微生物群落以真菌为主, 随着培养的进行, APS的MBC/MBN除CM处理外呈先升高后降低, CPS的MBC/MBN除PM处理外降低, 但两种土壤均在第3周时达最低值, 此时的MBC/MBN在3~5之间, 说明土壤微生物群落由开始的真菌为主转化为细菌为主.之后MBC/MBN在APS中逐渐上升并在第6周后趋于平缓, 而CPS中一直呈缓慢上升趋势到培养结束, 土壤微生物群落又以真菌为主.
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图 3 不同有机物料对土壤MBC/MBN的影响 Fig. 3 Effect of different organic materials on soil MBC/MBN |
有机物料对MBC/MBN的影响因土壤的不同而异. APS中, 有机物料使MBC/MBN降低, 其中, CM、RWC1和RWC2处理的MBC/MBN含量较高, 且变异较大, PM与SC处理的MBC/MBN最低, 且二者无显著差异. CPS中, PM与SC处理的MBC/MBN也最低, 第4周后的CM处理、第8周的RWC1和RWC2处理、第12周的RWC1、RWC2和SC处理外, 其余有机物料处理的MBC/MBN均低于对照, 即有机物料降低了土壤的MBC/MBN.这与陈安强等[2]的结果一致, 也说明有机物料在不同程度上改变了土壤微生物的群落结构.
2.4 有机物料对玉米幼苗生长及氮素吸收利用的影响不同有机物料对玉米幼苗生长的影响见图 4.两种土壤中, APS中的玉米幼苗生物量显著高于CPS.不同肥料对两种土壤中玉米生长的影响不同. APS中, 玉米幼苗生物量表现为CF>SC>RWC1>RWC2>PM>CK>CM, 其中, CF、SC、RWC1、RWC2和PM的差异不显著, 但均显著高于CK, 而CK处理显著高于CM; CPS中, 玉米幼苗生物量表现为SC>CF>RWC1>RWC2>PM>CK>CM, SC、CF、RWC1与RWC2的差异不显著, 但均显著高于CK与PM, 而CK和PM处理显著高于CM, 表明两种土壤中CM显著抑制了玉米幼苗的生长, SC、RWC1及RWC2处理与常规化肥CF相当, 而PM在酸性土壤中与化肥相当, 在石灰性土壤中的作用不显著.
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图 4 不同有机物料处理下玉米幼苗的生物量及氮素累积量 Fig. 4 Biomass and nitrogen accumulation by maize seedlings treated with different organic materials |
玉米幼苗氮素吸收量为玉米地上部干重×地上部氮含量+根部干重×根氮含量[20]. 图 4表明, 两种土壤中的玉米幼苗氮吸收量差异不显著, 各施肥处理的氮吸收量表现为CF>SC>PM>RWC1>RWC2>CK>CM.其中, CF与SC、SC, PM、RWC2与CK, CK与CM间存在显著差异, PM、RWC1与RWC2间的差异不显著, 即与常规施肥CF比, 有机物料使玉米地上部氮吸收量显著降低, 与CK相比, 除CM处理显著降低外, 其余4种有机物料处理使APS、CPS中玉米地上部氮吸收量显著提高, 提高幅度分别为25.93%~177.13%和38.24%~99.11%.表明除CM外, 有机物料能促进玉米幼苗对氮的吸收, 但促进效果不及常规施肥.
玉米幼苗氮素利用率(%)为施肥处理与对照玉米氮吸收量之差除以氮素施用量×100[21], 结果见图 5. APS和CPS中各处理氮素利用率分别为-19.77%~51.30%和-13.25%~19.67%, 均表现为CF>SC>PM>RWC2>RWC1>CM, 常规施肥处理(CF)的氮素利用率最高, 显著高于各有机物料处理, 说明等氮量施用下, 化肥中氮素的有效性最高.结果与晁赢等[22]的研究一致. CM处理氮的利用率为负, 说明牛粪沼渣抑制了玉米幼苗对氮素的吸收, 其他有机物料则促进玉米对氮素的吸收.氮素的吸收量及利用率中, SC处理显著高于其它有机物料处理, 而PM、RWC1和RWC2间无显著差异.这可能与污泥中蛋白质态氮与可溶性氮化物占全氮比例较高有关, 使得氮肥利用率明显优于其它有机物料[23].
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图 5 不同有机物料处理下玉米幼苗的氮素利用率 Fig. 5 Nitrogen use efficiency of maize seedlings treated with different organic materials |
土壤MBC是土壤微生物量大小的指标, 而土壤MBN是土壤中有机-无机氮转化的关键环节之一, 其含量是土壤中微生物对碳和氮固定与释放的综合反映[5].培养过程中, 两种土壤中的MBC和MBN总体表现为上升、达最大值后下降, 最后趋于平缓的变化趋势.这是因为培养条件下土壤的温湿度适宜, 微生物利用土壤中有机碳源和养分进行大量繁殖, 将碳、氮固定在自身体内, 导致微生物量碳、氮达最大值[24].之后, 随着有机质的分解, 土壤中的能源物质和养分减少, 微生物数量减少, 微生物量碳、氮含量降低, 当土壤有机质处于动态平衡状态时, 微生物量碳、氮含量也趋于稳定[11, 17].
不同土壤类型的MBC、MBN及其比值不同.其中, APS的MBC、MBN含量低于CPS, 而MBC/MBN则相反, 明显高于CPS. Li等[25]研究表明有机质及黏粒含量是影响土壤MBC和MBN的主要因素, 徐永刚等[26]报道偏酸性土壤中微生物量及细菌群落结构多样性相对较低.本研究中, 酸性紫色土的有机质和全氮含量较石灰性紫色土略高, 但其MBC、MBN含量更低可能与其较低的pH对土壤微生物活动有一定抑制作用有关.土壤MBC/MBN不仅反映土壤微生物结构, 也反映土壤氮素的供应能力, MBC/MBN较低时, 土壤氮素具有较高的生物有效性[27].本研究中, CPS的MBC/MBN较APS低, 表明其中的氮素有更高的生物有效性.
有机物料可提高土壤有机质含量, 改善土壤理化性状, 为微生物生长提供营养条件和适宜的生长环境, 从而显著提高土壤MBC及MBN含量, 改变MBC/MBN, 但这种影响因土壤类型及有机物料性质的不同而异[27].本研究中, 不同有机物料使土壤MBC及MBN含量均提高, 提高幅度CPS较APS高, 而MBC/MBN在APS中表现为降低, 在CPS中, 除CM处理升高外, 其余有机物料处理MBC/MBN降低.施用有机物料条件下, 土壤微生物量碳、氮主要取决于物料中碳的有效性、C/N、氮含量[26].一般认为施用碳有效性高的有机物料可使土壤有更高的微生物量碳[7, 28].本研究所用有机物料分解矿化1/2的时间t1/2以CM最长, RWC最短, SC和PM居中[29], 氮含量以PM最高, CM最低, C/N比也以CM最高, 但以PM最低, SC、RWC2和RWC1的氮含量及C/N居中, 且在数值上相近(见表 1).两种土壤MBC含量均以CM处理最高, SC次之, PM最低, 有随C/N比提高和t1/2的延长而增加的变化趋势, 表明有机物料分解愈慢、C/N比愈高, 土壤MBC值愈大.此外, CM处理MBC含量最高也可能是其含更多能快速利用有机物料纤维素分解菌所致[30].胡玮等[31]的研究表明, C/N比低的有机物料更有利于土壤MBN提高.本研究中, 土壤MBN含量在最大值时以SC、PM较高, CM最低, 培养结束时仍以SC较高, RWC2及RWC1最低, 随有机物料C/N比或氮含量的变化并未表现出一定的规律.与其他物料相比, SC和PM处理的MBN含量更高, 这可能与其酸解氮比例高[32], 相同施氮量下, 有更多的氮被微生物利用有关, 表明有机氮形态同样影响土壤MBN. SC处理MBN含量最高还可能是因其脲酶含量高于其它物料引起.有研究表明, 脲酶是土壤中的一种专性酶, 也是土壤氮素循环中的一种关键酶, 直接参与有机氮向有效氮的转化过程, 可为微生物提供更多的可利用氮, 提高土壤MBN含量[33].此外, 培养期间CM处理的MBN在最大值时最低, 培养结束时仅次于PM, 石灰性土壤中甚至还高于PM处理, 表明C/N低的物料短期内有助于维持较高的MBN, 而C/N高的物料更有利于MBN的长期维持, 该结果与其他研究者的结果一致[24, 25].添加有机物料使两种土壤MBC/MBN总体降低, 这可能与有机物料提高了土壤氮素的活性, 使土壤微生物对氮的同化能力增强, 微生物量氮含量升高所致[26].而土壤MBC/MBN以CM最低, PM与SC最高, 表明有机物料C/N同样是影响MBC/MBN的重要因素.
等氮量施用条件下, 与有机物料处理相比, 两种土壤中常规施肥处理玉米幼苗生长和氮素的吸收利用更高, 这与化肥较有机物料有更高养分有效性有关[27].有机物料对玉米幼苗生长及氮素吸收量利用的影响也因种类的不同而异, 其中CM表现出明显的抑制作用, 而其他有机物料表现出不同程度的促进作用. CM对玉米幼苗生长的抑制作用在石灰性紫色土中可能是因为其C/N较高, 施入土壤后提高了土壤MBC含量和MBC/MBN, 微生物固氮作用增强, 致使土壤氮素有效性降低, 玉米幼苗对氮素的吸收不足, 生长受阻[34].而酸性紫色土中, CM处理的MBC/MBN降低, 其对玉米幼苗生长的抑制作用也可能与其纤维素含量、矿化分解速度慢、养分含量较低有关[35].因此实际应用中, 施用CM需配施无机肥以调节其过高的C/N比, 补充其养分较低的不足, 才能实现氮素持续稳定地供给.其他有机物料处理间玉米幼苗地上部生物量差异不显著, 而氮素的吸收利用以SC处理最高, 其次为PM处理, 最低为RWC1, 也未呈现随C/N的降低而增高的趋势, 但有随MBC/MBN降低而增高的趋势. SC处理氮素吸收利用最高也可能与其酸解有机氮比例较高、氮素的有效性高有关, 结果与周立祥等[23]的研究结果一致.
4 结论(1) 培养过程中, 两种土壤的MBC和MBN总体表现为上升、达最大值后下降, 最后趋于平缓的变化趋势.不同土壤类型的MBC、MBN及其比值不同, 其中, 酸性紫色土的MBC、MBN含量低于石灰性紫色土, 而MBC/MBN则相反.
(2) 有机物料使土壤MBC及MBN含量提高, 使MBC/MBN比总体降低.有机物料分解愈慢、C/N比愈高, 土壤MBC值提高幅度愈大; 有机物料有机氮形态影响土壤MBN含量; 有机物料C/N也是影响MBC/MBN的重要因素, 且高C/N的物料有利于MBN的长期维持.
(3) 等氮条件下, 不同有机物料对玉米幼苗生长和氮素吸收利用的影响不同.牛粪沼渣的C/N高、养分含量低, 施用后抑制了玉米幼苗生长及氮素吸收量利用, 而其他有机物料表现出不同程度的促进作用, 促进作用以污泥堆肥最明显.因而, 实际应用中, 牛粪沼渣宜与化肥配合施用, 以调节其过高的C/N比, 补充其养分较低的不足.
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