地膜覆盖对土壤微生态环境的影响

倪丽佳,李非里,刘秋亚,李丽丽,杨 成,黄海凤

(1.浙江工业大学生物与环境工程学院,浙江 杭州 310032;2.宁波阿拉酿酒有限公司,浙江 宁波 315800)

地膜覆盖是农业生产中的一项有效增产措施.地膜覆盖提供了特殊的土壤生态环境,使土壤物理、化学性质和生物学性状发生了一定的变化,如土壤结构和空气状况[1],土壤的水、热状况[2]等,土壤的pH值以及有机质[3]等.土壤微生物是土壤生态系统中最具活力的组成部分,它对土壤肥力的形成及在植物营养的转化中起着积极的作用.土壤酶是土壤生态系统中物质循环和能量流动最为活跃的生物活性物质[4-5].土壤酶系统又与土壤理化性质、土壤水热状况、土壤代谢及土壤生物(动物和微生物)区系、数量和生物多样性等密切相关[6-8],因而又是土壤质量的生物活性指标[9].地膜覆盖后可以显著增加土壤表层微生物数量[10]和土壤微生物量碳[11].对长期覆膜种植作物的土壤微生物的研究表明,三大类细菌、放线菌和真菌的增幅在20%～29%之间[12].土壤中酶的种类很多,但起主要作用只有过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶等少数几种[13].目前,覆膜对土壤酶的影响研究结果并不一致.杨青华等[14]采用液体地膜覆盖种植棉花,增加了土壤过氧化氢酶、脲酶、转化酶、中性磷酸酶和多酚氧化酶活性,而汪景宽等的研究表明地膜覆盖后,由于土壤中CO2分压增高,还原性增强,pH值和氧化还原电位下降,显著降低土壤中过氧化氢酶和脲酶活性,但却提高了中性和酸性磷酸酶活性[13].

研究土壤微生物和土壤酶活性等微生态环境对揭示土壤养分转化和土壤质量变化过程都有重要意义.探讨覆膜种植方式对土壤微生态环境的变化,可以为合理进行土壤管理、使土壤生产力得到持续发展提供科学依据.为此我们采用盆栽种植和大田采样实验,通过蚕豆、莴苣2种作物对土壤微生态环境的变化趋势进行了研究.

1 材料与方法

1.1 试验设计

盆栽实验:于2007年冬季在浙江工业大学校园内种植蚕豆(一盆二苗),受试土壤为灰潮土.选用12个陶制花盆(体积约7.5 L).其中6株在发芽后,于根部覆盖白色聚乙烯薄膜,其余6株作为对照,不覆膜.2个月后,采集植物及植物根系土壤,采样深度10 cm.大田实验:2008年冬季在余杭小林乡种植莴苣12株,其中6株覆白色聚乙烯薄膜,另外6株作为对照,不覆膜.此地块土壤类型为灰潮土,土壤的种植年限有10年以上,是我们的定点试验地.3个月后,采集莴苣植株及其根系土壤,采样深度10 cm.

1.2 分析方法

土壤含水率采用105℃烘至恒重的方法的测定;土壤有机质测定采用重铬酸钾氧化稀释热法;土壤pH采用pH计测定:m(土)∶m(水)=1∶2.5.土壤可培养微生物数量用稀释平板法分离计数.细菌、放线菌、真菌的活菌计数培养基分别采用牛肉膏蛋白胨培养基、高氏1号琼脂培养基、马丁氏孟加拉红琼脂培养基[15].土壤酶活性主要测定过氧化氢酶、脲酶和磷酸酶.其中过氧化氢酶用Johnson和Temple法测定,脲酶用Hoffmann和 Teicher法测定,磷酸酶用Kpamep等的方法测定[16].

1.3 数理统计方法

数据经过Microsoft Excel(Office XP)程序进行整理,数据的变异性和方差分析采用SPSS 10(SPSS,Chicago,USA)程序进行处理,绘图由Excel完成 .

2 结果与分析

2.1 地膜覆盖对土壤温度的影响

对盆栽蚕豆生长期间,测定覆膜和对照土壤地面下的10 cm温度,记录每天早(8:00)、中(12:00)和晚(18:00)的温度,得到的每个时刻下的平均值见图1.由图1可以看出:盆栽方式下,覆膜对中午和傍晚的增温效果较为明显.

图1 土壤地温变化比较(地表10 cm下)Fig.1 Comparison of soil temperature(10 cm underground)

计算不覆膜和覆膜条件下所有点的土壤温度的平均值,得不覆膜条件下土壤平均温度为15.58℃,覆膜条件下土壤平均温度为16.38℃,即覆膜后土壤平均温度分别较对照土壤高0.8℃,与大田的增温效果相比(0.8～2℃)略低[17].收集当地的有关气象资料表明,蚕豆生长期间多以阴雨天为主,这可能是导致覆膜后增温作用不显著的原因[18].

2.2 地膜覆盖对土壤化学性质的影响

作物采集后,测得覆膜种植与对照的土壤化学性质见表1.

表1 土壤化学性质Table 1 Chemical characteristic of soil samples

盆栽实验的结果如下:覆膜后土壤平均含水率增加了6.18%,而土壤有机质和pH变化不明显.大田实验的样品分析结果如下,覆膜后土壤平均含水率增加了10.02%,而土壤有机质和pH变化不明显.

盆栽和大田试验的分析结果表明,土壤平均含水率覆膜高于不覆膜,而土壤pH和有机质变化不明显,这可能与作物种植时间较短有关.

2.3 地膜覆盖对土壤微生物的影响

2.3.1 地膜覆盖对土壤微生物数量的影响

鉴于地膜覆盖改变了土壤微生物的生态环境,我们进一步研究了土壤中各类微生物的数量的变化,求得每克土中微生物的数量见表2.

表2 土壤中微生物的数量Table 2 The amount of microorganism in soils

盆栽实验:由表2可以看出,采用覆膜种植方式,蚕豆体系土壤细菌数量增加了29.0%,这与郭树凡等人的研究结果相一致,这可能是因为覆膜后土壤含水量增加,为细菌的生长提供了更适宜的环境[10].覆膜与对照相比,蚕豆体系土壤的真菌数量显著增加了51.9%,而土壤放线菌数量变化不大.

大田实验:由表2可以看出,大田覆膜种植的土壤与对照组相比,细菌和真菌的数量分别增加了29.1%和17.3%,而放线菌的数量却减少了46.2%.

地膜覆盖改变了土壤微生物的生态环境,主要是水热条件,必然会影响土壤中各类微生物的数量.盆栽和大田实验中覆膜种植对土壤中微生物数量的影响主要表现为细菌和真菌的数量分别增加了29.0%～29.1%和17.3%～51.9%,而对放线菌的影响则显得较为复杂,大田实验结果表明,覆膜土壤中放线菌数量较对照组降低了46.2%,而在盆栽实验中变化不大.

覆膜具有保温增温、保持水分的作用,从而促进了细菌和真菌的生长繁殖.盆栽蚕豆实验中,真菌的数量甚至多于放线菌的数量,这与数量仅次于细菌的放线菌的普遍情况相反[19],说明蚕豆根系对真菌有明显的促进作用,覆膜种植后真菌较对照组多了51.9%,则说明覆膜促进了蚕豆的生长,进而促进了真菌的生长.盆栽实验结果表明,覆膜后放线菌数量变化不大,而大田试验结果表明覆膜后放线菌数量显著降低,唐咏等人对温室大棚的土壤微生物的研究认为通气状况较差是导致放线菌数量的减少的主要原因[20].通过实际考察,我们发现大田莴苣种植地块未作垄土,地势也较低,加上种植期间的雨水较多,导致土壤排水不畅,覆膜后可能更加剧了土壤积水的情况,并导致了土壤中放线菌的减少,由此也可见覆膜对土壤水条件的改善只是相对于寒冷干旱的北方土壤而言,对于多雨的南方和排水不畅土壤的反而会产生不利的影响.

2.3.2 地膜覆盖对土壤微生物结构的影响

从图2可以看出,盆栽蚕豆土壤中细菌、真菌和放线菌占总量的比例范围分别为89.7%～89.9%,5.20%～6.11%,4.15%～4.88%;大田莴苣土壤中细菌、真菌和放线菌占总量的比例范围分别为98.5%～99.2%,0.31%～0.34%,0.50%～1.99%.数据表明:盆栽蚕豆土壤中细菌占总量的比例较大田莴苣低,而真菌和放线菌占总量的比例较大田莴苣高.

图2 覆膜种植方式对土壤微生物群落结构的影响Fig.2 Influence of plastic film mulching on soil microorganisms structure

盆栽蚕豆覆膜对微生物结构的影响,见图2(a),覆膜后,细菌、真菌和放线菌各自占总量的比例变化不大;大田莴苣覆膜对微生物结构的影响,见图2(b),覆膜后,细菌和真菌占总量的比例变化不大,但放线菌占总量的比例降低了58.0%.

2.4 地膜覆盖对土壤酶活性的影响

地膜覆盖改变了土壤微环境,因而会直接或间接地影响土壤酶活性.因此在大田样品的分析中,我们又增加了对土壤酸性磷酸酶、脲酶和过氧化氢酶活性的测定,观察覆膜对土壤酶活性的影响.

大田土壤中,覆膜方式下和对照组的酸性磷酸酶活性分别为2.94,2.85 mg/g,略高于汪景宽、贾继文等的报道[13-21];覆膜和对照组土壤的尿酶活性分别为0.209 mg/g和0.306 mg/g,与报道值相近或略低[8,21-22];不覆膜和覆膜土壤的过氧化氢酶活性均为0.039 mg/g,略高于李美茹等报道的黄瓜大棚土壤中过氧化氢的酶活性0.022 7 mg/g[23],但却远低于其他研究者报道的0.727～69.1 mg/g的范围[21-24].覆膜和不覆膜样品对比分析,覆膜减低31.6%的脲酶活性,而对酸性磷酸酶和过氧化氢酶的活性影响较小.彭仁等对能产胞外脲酶的微生物的研究表明各种微生物产脲酶的能力大小依次为放线菌,真菌和细菌[25].本实验中覆膜土壤中脲酶活性的减少与该地块放线菌的减少相应,由此判断覆膜土壤中脲酶活性的降低的原因可能主要来自于放线菌数量的减少.

3 结 论

覆膜种植方式对土壤pH和有机质的影响不明显,主要增加了土壤含水量,增幅在 6.18%～10.02%之间;对盆栽实验土壤温度的连续监测表明,覆膜提高了土壤平均温度0.8℃.

盆栽和大田实验的结果显示,覆膜方式下土壤细菌和真菌的数量分别增加了29.0%～29.1%和17.3%～51.9%;而放线菌数量的影响则表现得较为复杂,大田土壤中,覆膜方式下放线菌数量较对照组降低了46.2%,而在盆栽土壤中变化不大.覆膜对土壤微生物结构的影响在盆栽蚕豆的土壤中不明显,而大田莴苣的土壤中则显著降低了放线菌的比例,降幅达58.0%.

土壤酶活性的分析结果表明,覆膜降低了31.6%脲酶的活性,而对酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性影响不明显.

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