土壤微生物是土壤生態系統的重要組成部分之一。微生物數量和土壤酶活性等可以作為評價土壤肥力的重要指標之一。細菌是土壤物質轉化的主要動力,許多細菌類群可增加土壤中可給性 N 素和 P素的含量,提高土壤肥力。張星杰等研究保護性耕作對土壤細菌、真菌、放線菌的影響。研究結果表明,大田施入玉米秸稈量相同的情況下,施腐熟秸稈顯著增加土壤細菌、真菌和放線菌的數量。慕平研究表明,玉米秸稈還田可使土壤真菌和嫌氣性細菌數量減少,放線菌和好氣性細菌數量增加; 秸稈還田 +耕翻使土壤真菌和嫌氣性細菌數量減少,好氣性細菌數量增加。前人的研究大多集中在不同保護性耕作或長期施肥對土壤主要微生物區系組成的影響; 而對內蒙古灌溉農業區玉米秸稈深翻還田對土壤有益微生物影響的研究鮮有報道。
據此,文中試驗研究了在灌溉條件下內蒙古玉米秸稈深翻還田對土壤有益微生物和土壤酶活性動態變化的影響狀況,以期揭示玉米秸稈深翻還田改善耕地質量的響應機制,為采取玉米秸稈深翻還田措施進而保障耕地的可持續生產提供科學依據。
1、 材料與方法
1. 1 試驗樣地基本情況
試驗地設在內蒙古農業大學科技示范園區\\(土默特右旗薩拉齊鎮\\) 秸稈還田定位試驗田,沙壤土。試驗區屬半干旱中溫帶大陸性季風氣候,年均氣溫 6℃ ~8℃,年降水總量 400mm,無霜期140d,海拔1015m,年日照時數 2806h,年活動積溫為 3000 ~3500℃。試驗地有機質含量 20. 03g/kg,堿解氮 57. 74mg/kg,速效磷7. 77mg/kg,速效鉀89. 33mg/kg; 施純 N475kg/hm2,P2O5210kg / hm2,K2O 202. 5kg / hm2; 其中,N 按3:7 分別于拔節期、大喇叭口期追施,P2O5和 K2O 作種肥一次性施入,其他管理同大田。
1. 2 試驗設計
試驗于 2011 年和 2012 年進行,設玉米秸稈深翻還田一年\\(SF - Ⅰ\\) 、連續兩年玉米秸稈深翻還田\\(SF- Ⅱ\\) 和常規旋耕秸稈不還田\\(CK\\) 3 個處理,3 次重復,玉米秸稈還田為全量\\(折干物質 450kg / 畝\\) 還田。供試作物為春玉米,其他管理普通大田。
1. 3 取樣方法
在春玉米播種期、苗期、拔節期、大喇叭口期、灌漿期、成熟期進行取樣。采用 5 點取樣法,在田間用取樣器取0 ~20cm 土層土壤,混合均勻后,按四分法取100g 土壤樣品裝入已滅菌的自封袋中,將新鮮土樣分別過1mm 篩和2mm 篩,過1mm 篩的土樣用于土壤微生物數量的測定; 過2mm 篩的土樣放在陰涼處風干,剔除植物殘體和其他雜物進行酶活性測定。
1. 4 測定方法
1. 4. 1 土壤含水率的測定
采用烘干法,取供試土壤 10g 在105℃ 烘 10h ~ 12h 至恒重,每個土樣重復 3 次。計算公式: 水分% = \\(濕土重- 烘干土重\\) / 濕土重 × 100% ,水分系數 =1/\\(1 - 水分%\\) 。
1. 4. 2 土壤有益微生物分離及界定
土壤有益微生物分離所用培養基及界定標準\\(表 1\\) 。
各培養基配方及制作方法參照周德慶編著的《微生物學教程》。土壤微生物的計數: 采用稀釋平板涂布法。土壤懸浮液稀釋成 10- 6、10- 5、10- 4,3 個濃度接種培養基平板,每 1 處理設 3 個重復。接種后倒置于 28℃恒溫培養箱內培養 1d ~7d,進行計數,根據土樣含水率計算每克干土中的細菌數量,公式為: 菌落數/克干土 = 計數皿平均菌落數 × 計數皿稀釋倍數 × 水分系數。
1. 4. 3 土壤酶活性
的測定過氧化氫酶活性: 高錳酸鉀滴定法,用 0. 1mol/L KMnO4mL / \\(g·24h\\) 表示。轉化酶活性:3、5 - 二硝基水楊酸比色法,用 C6H6O6mg / \\(g·24 h\\) 表示。脲酶活性: 苯酚鈉 - 次氯酸鈉比色法,用 NH3- N mg / \\(100g·24 h\\) 表示。纖維素酶活性 - 用 3、5 - 二硝基水楊酸比色法,用 C6H6O6mg / \\(g·72h\\) 表示。
1. 4. 4 數據的處理采用 DPS 統計軟件和 Excel 軟件完成。
2、 結果與分析
2. 1 秸稈深翻還田對土壤有益微生物數量的影響
2. 1. 1 秸稈深翻還田對自生固氮菌數量的影響
由圖 1 可知,玉米全生育期內,各處理土壤自生固氮菌數量的動態變化均表現為: 播種期至苗期有所下降,苗期后緩慢上升至灌漿期達到高峰,之后下降,至成熟期達到最低。不同處理土壤自生固氮菌數量表現為 SF - Ⅱ > SF - Ⅰ > CK,且大喇叭口期和灌漿期,各處理間差異顯著\\(P <0. 05\\) ,其中,灌漿期 SF -Ⅱ土壤自生固氮菌數量達到 227. 1 × 106,較 SF - Ⅰ和 CK 分別增加 42. 18%和 157. 61%; SF - Ⅰ比 CK 增加 81. 18%。方差分析表明,玉米大喇叭口期和灌漿期,處理間自生固氮菌數量均達到顯著差異\\(P <0. 05\\) ,其高低排列順序為 SF - Ⅱ > SF - Ⅰ > CK。
2. 1. 2 秸稈深翻還田對硅酸鹽細菌數量的影響
由圖 2 可知,各處理硅酸鹽細菌數量的季節動態變化規律不盡一致,CK 和 SF - Ⅰ表現為從播種期開始逐漸上升,至灌漿期達到高峰,成熟期下降; 而 SF - Ⅱ在播種期硅酸鹽細菌數量處于較高的水平,苗期開始下降,之后緩慢上升,至灌漿期達到高峰,成熟期回落。播種期處理間差異顯著\\(P <0. 05\\) ,其中 SF -Ⅱ最高,達到 31. 68 × 102,較 SF - Ⅰ和 CK 分別增加 25. 94%,122. 80%; SF - Ⅰ比 CK 增加 76. 91%。苗期和成熟期,SF - Ⅱ與 SF - Ⅰ硅酸鹽細菌數量差異不明顯,但明顯高于 CK。拔節至灌漿期各處理硅酸鹽細菌數量差異均不顯著。
2. 1. 3 秸稈深翻還田對解磷細菌數量的影響
\\(1\\) 秸稈深翻還田對無機磷細菌數量的影響。各處理無機磷細菌數量季節動態變化表現為: 先上升后下降趨勢\\(圖 3\\) ,高峰出現在苗期; 玉米全生育期,各處理無機磷細菌數量表現為 SF - Ⅱ > SF - Ⅰ >CK; 且在苗期,各處理間差異顯著\\(P < 0. 05\\) ,其中,SF - Ⅱ的無機磷細菌數量比 SF - Ⅰ和 CK 增加 14.03% 和 31. 44% ; SF - Ⅰ的無機磷細菌數量比 CK 增加 15. 27% 。
\\(2\\) 秸稈深翻還田對有機磷細菌數量的影響。隨著春玉米生育期的推進,各處理有機磷細菌數量均呈現先上升后下降趨勢,大喇叭口期達到高峰,隨后降低\\(圖 4\\) ; 不同處理間表現為 SF - Ⅱ > SF - Ⅰ >CK。大喇叭口期,SF - Ⅱ有機磷細菌數量比 CK 增加 58. 91% ,比 SF - Ⅰ增加 55. 66% ,差異達到顯著水平\\(P <0. 01\\) ; SF - Ⅰ較 CK 的有機磷細菌數量增加 5. 47%,二者間差異不顯著。
2. 2 秸稈深翻還田對土壤酶活性的影響
2. 2. 1 秸稈深翻還田對土壤過氧化氫酶活性的影響
過氧化氫酶與土壤有機質的轉化有密切的關系。圖 5 可以看出,玉米全生育期內,各處理土壤過氧化氫酶活性變化趨勢均為先下降后上升,呈"v"形變化,最低值出現在拔節期,最大值出現在成熟期。玉米全生育期內,各處理土壤過氧化氫酶活性表現為 SF - Ⅱ > SF - Ⅰ > CK; SF - Ⅱ土壤過氧化氫酶活性比 SF- Ⅰ增加 9. 49% ,比 CK 增加 13. 07% ; SF - Ⅰ土壤過氧化氫酶活性比 CK 增加 4. 23% 。
2. 2. 2 秸稈深翻還田對土壤脲酶活性的影響
圖 6 可知,玉米全生育期內,各處理土壤脲酶活性變化趨勢呈"M"形,拔節期和灌漿期出現兩個活性高峰,最高值出現在拔節期。玉米播種期至苗期,各處理脲酶活性大小順序為 SF - Ⅰ > SF - Ⅱ > CK; 拔節期至成熟期,各處理脲酶活性則表現為 SF - Ⅱ > SF - Ⅰ > CK,此階段 SF - Ⅱ的脲酶活性比 CK 增加40. 12% 、比 SF - Ⅰ增加 15. 74% ; SF - Ⅰ脲酶活性比 CK 增加 21. 07% 。玉米全生育期內,CK 土壤脲酶活性分別與 SF - Ⅱ和 SF - Ⅰ差異均顯著\\(P <0. 05\\) 。
2. 2. 3 秸稈深翻還田對土壤轉化酶活性的影響
土壤轉化酶活性反映了土壤中碳元素的轉化與呼吸強度。玉米全生育期內各處理轉化酶活性如圖 7所示,其變化趨勢均呈"M"形,拔節期和灌漿期出現兩個活性高峰,最高活性值出現在拔節期。除了播種期,玉米其余生育時期內,各處理土壤轉化酶活性表現為 SF - Ⅱ > SF - Ⅰ > CK,SF - Ⅱ與 CK 土壤轉化酶活性間存在顯著差異\\(P <0. 05\\) ,SF - Ⅰ與 CK 差異不顯著。玉米整個生育期內,SF - Ⅱ土壤轉化酶比CK 增加 32. 15% 、比 SF - Ⅰ增加 4. 95% ; SF - Ⅰ土壤轉化酶比 CK 增加 25. 92% 。
2. 2. 4 秸稈深翻還田對土壤纖維素酶活性的影響
各處理土壤纖維素酶活性季節動態變化規律存在差異\\(圖 8\\) ,SF - Ⅰ和 CK 土壤纖維素酶活性變化規律均呈"M"形,苗期和灌漿期出現兩個活性高峰,最高值出現在灌漿期。SF - Ⅱ土壤纖維素酶活性變化趨勢呈現先上升后下降的趨勢,活性高峰出現在拔節期。灌漿期前,各處理土壤纖維素酶活性基本表現為SF - Ⅱ > SF - Ⅰ > CK; 灌漿期后則表現為 SF - Ⅰ > SF - Ⅱ > CK。玉米全生育期內,SF - Ⅱ與 CK 土壤纖維素酶活性間差異顯著\\(P <0. 05\\) ,CK 與 SF - Ⅰ差異不顯著。SF - Ⅱ土壤纖維素酶活性比 CK 增加34. 43% ,比 SF - Ⅰ增加 9. 39% ; SF - Ⅰ土壤纖維素酶活性比 CK 增加 22. 89% 。
3、 討論
全量玉米秸稈深翻還田處理下,大量有機碳源的投入給土壤微生物的生長提供了碳和能源,并有效改善土壤物理性狀,激發各種酶的活性,改善土壤犁底層孔隙狀況,維持耕層土壤結構的相對穩定,給土壤微生物創造了更為有利的生長繁殖環境,并且腐解的秸稈能促使土壤脲酶活性增加。
文中研究表明,與常規旋耕秸稈不還田處理相比,秸稈深翻還田能提高土壤有益微生物和土壤酶活性,特別是秸稈深翻還田兩年的效果更明顯。土壤中大多數磷為無效態磷,作物無法吸收利用。施入土壤的磷肥極易與土壤中的金屬離子結合、形成難溶性的磷酸鹽沉淀、使有效性下降。但在解磷微生物作用下,難溶性磷轉變為可溶性磷; 同時磷細菌還具有一定的固氮和分泌生長激素的能力,可明顯地促進農作物的生長。試驗表明,解磷菌的溶磷作用是中低肥力土壤上促進植物生長最重要的機制之一\\(Chabot R. ,1996\\) 。國內外的大量試驗研究表明,解磷細菌提高磷肥的有效性,還可以活化土壤中的固態磷,提高磷素利用率。本研究中,秸稈深翻還田兩年顯著提高了土壤解磷細菌數量。
硅酸鹽細菌\\(Silicate bacteria\\) 是土壤中的一種重要功能菌,能將土壤礦物中無效態的鉀釋放出來,供作物生長發育,并且具有微弱的固氮能力。秸稈深翻還田處理與常規旋耕秸稈不還田處理在播種期和成熟期差異最為顯著; 可能是由于在播種期和成熟期時,當地氣溫低,秸稈深翻還田可以起到明顯的保溫作用,從而保持土壤硅酸鹽細菌的繁殖活性,使其數量增加。
土壤酶活性拐點均出現在拔節期,此時期玉米根系發育較快,以根系建成為主,根系分泌物較多,氣溫回升,地溫也呈現上升趨勢。地溫是影響土壤酶活性的一個重要因素,在一定范圍內,溫度的升高可以增加酶與底物\\(玉米秸稈\\) 的接觸,增強酶與底物的親和力,從而也增加酶的活性。另一方面,拔節期施肥使得土壤 C/N 比下降,土壤中有效氮相對增多,從而增加土壤酶活性,說明化肥的施加有利于秸稈在土壤中的腐解。全生育期 SF - Ⅱ與 CK 間土壤酶活性差異顯著\\(P <0. 05\\) ,說明 SF - Ⅱ土壤中有機物質的轉化最為強烈。有研究表明,土壤酶活性隨底物濃度的增高而增強。
玉米生長后期,土壤過氧化氫酶呈現上升趨勢,該結果與前人對小麥、玉米等的研究結果并不一致,可能與土壤類型、肥料種類、肥料量、施肥方式不同有關。成熟期,玉米呼吸作用減弱,秸稈深翻還田的農田養分有一定的積累,因此,造成土壤過氧化氫酶活性的回升; 常規旋耕秸稈不還田處理也出現同樣的變化趨勢。玉米生長后期,玉米下部葉片衰老脫落,增加土壤有機物質,以至氧化反應增加,使過氧化氫酶活性在成熟期有回升的趨勢。秸稈深翻還田能明顯提高土壤有益微生物的數量和土壤酶活性,有利于維持土壤養分平衡,改善土壤理化性狀。
4、 結論
\\(1\\) 秸稈深翻還田顯著增加土壤有益細菌數量。玉米全生育期內,3 個處理土壤有益微生物數量為SF - Ⅱ > SF - Ⅰ > CK。其中秸稈深翻還田對自生固氮菌和硅酸鹽細菌數量的增幅較大; 比 CK,SF - Ⅱ增幅為 157. 61%和 122. 80%,SF - Ⅰ增幅為 81. 18%和 76. 91%。
\\(2\\) 土壤有益微生物季節變化規律大致相同,呈先上升后下降趨勢; 但高峰出現時期不同,土壤硅酸鹽細菌和土壤無機磷細菌數量在播種期和苗期較高,土壤有機磷高峰在大喇叭口期,自生固氮菌數量灌漿期達到峰值,體現了土壤微生物的多樣性。
\\(3\\) 秸稈深翻還田顯著增加土壤酶活性。玉米全生育期內,各處理土壤酶活性表現為 SF - Ⅱ > SF -Ⅰ > CK。秸稈深翻還田,不同程度提高土壤過氧化氫酶活性、轉化酶活性、脲酶活性和纖維素酶活性; 比CK,SF -Ⅱ增幅分別為 13. 07% 、32. 15% 、40. 12% 和 34. 43% ,SF - Ⅰ增幅分別為 4. 23% 、25. 92% 、21.07% 和 22. 89% 。
\\(4\\) 玉米全生育期內,土壤酶活性變化規律不盡相同。各處理過氧化氫酶活性變化趨勢均為先下降后上升,呈"v"形變化,最低值出現在拔節期,最大值出現在成熟期。土壤脲酶活性、土壤轉化酶活性和土壤纖維素酶活性變化規律均為"M"型,拔節期出現活性高峰。
參考文獻：
[1]李振高,駱永明,騰應. 土壤與環境微生物研究法[M]. 北京: 科學出版社,2008: 58.
[2]關松蔭,張德生,張志明. 土壤酶及其研究法[M]. 北京: 農業出版社,1986.
[3]張星杰,劉景輝,李立軍,等. 保護性耕作對旱作玉米土壤微生物和酶活性的影響[J]. 玉米科學 2008,16\\(1\\) : 91 -95.
[4]劉佳斌,李傳寶,王宏燕. 秸稈還田不同處理方式對黑土微生物數量和土壤酶活性的影響[J]. 安徽農業科學,2012,40\\(9\\) : 5285 -5287.
[5]慕平. 黃土高原農田綜合地力及碳匯特征對連續多年玉米秸稈全量還田的響應[D]. 甘肅農業大學博士學位論文摘要,2012.
[6]周德慶,編著. 微生物學教程[M]. 北京: 高等教育出版社,1993: 281 -282.
[7]宋日,姜巖. 玉米生育期內土壤微生物量碳和酶活性動態變化特征[J]. 吉林農業大學學報,2001,23\\(2\\) : 13 -16.
[8]孫瑞蓮,趙秉強,朱魯生,等. 長期定位施肥對土壤酶活性的影響及其調控土壤肥力的作用[J]. 植物營養與肥料學報 2003,9\\(4\\) : 406 -410.
[9]陳冬林,易鎮邪,周文新,等. 不同土壤耕作方式下秸稈還田量對晚稻土壤養分與微生物的影響[J]. 環境科學學報,2010\\(8\\) : 1722 -1725.
[10]曾玲玲,張興梅,洪音,等. 長期施肥與耕作方式對土壤酶活性的影響[J]. 中國土壤與肥料,2008\\(2\\) : 27 -30,60.
