连年翻压绿肥对植烟土壤物理及生物性状的影响

佀国涵， 赵书军， 王 瑞， 徐大兵 ， 秦兴成 ， 谭 军 ，向必坤， 袁家富*

(1 湖北省农业科学院植保土肥研究所，湖北武汉 430064； 2 湖北省烟草公司恩施州公司， 湖北恩施 445000)

土壤的生物活性包括土壤微生物种群结构及土壤酶活性，是土壤微生物环境中生理活性最强的部分，其作为评价土壤生态环境质量的指标，越来越受到人们的重视[1]。保持最适宜的土壤结构是土壤肥力管理中的一项重要内容，土壤团聚体是土壤结构的重要物质基础和肥力的重要载体，而土壤紧实度是衡量土壤中三相物质存在状态和容积比例的重要指标，对土壤的水、 肥、 气、 热及其物理化学和生物学过程等因素具有调控作用[2-4]。

绿肥作为一种养分全面的优质生物肥源，是我国农作物种植制度中重要的轮作倒茬作物，它在提供农作物所需养分、 改善农田生态环境和防止侵蚀及污染等方面均有良好的作用[5]。种植并翻压绿肥是保持和提高土壤质量及其可持续利用的农业措施之一。翻压的绿肥种类以及绿肥和化肥的配施比例均可导致土壤微生物的种群、 数量和活性变化，从而使得土壤酶活性发生改变，这些变化对土壤的物理、 化学和生物性质以及生产力产生重要影响。近年来，国内外学者对翻压绿肥后土壤生物和生物化学性质等方面曾做过大量研究，已有研究表明[6-9]，翻压绿肥后明显促进了植烟土壤中脲酶、 蔗糖酶、 磷酸酶和过氧化氢酶活性，同时增加了土壤中微生物量碳、 氮的积累量。但是关于在长期定位试验中，翻压绿肥量及连年翻压绿肥对植烟土壤中微生物种群数量及土壤酶活性的年际间动态变化的研究，尤其是连年翻压绿肥后对土壤紧实度及团粒结构等物理性状的研究较少。因此本文开展了连年翻压绿肥后，土壤中微生物种群数量、 微生物量碳和土壤酶的年际变化，以及长期翻压绿肥后对植烟土壤团粒结构和土壤紧实度影响等方面的研究，旨在为烟区土壤改良和特色烟叶开发提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

烤烟品种为云烟87，绿肥品种为光叶紫花苕子。试验区设在湖北恩施清江源现代烟草农业科技园区 (30°20′14″N，109°26′13″E)，土壤类型为黄棕壤 (铁质湿润淋溶土)。土壤有机质含量23.9 g/kg、 全氮2.1 g/kg、 碱解氮146.1 mg/kg、 速效磷34.1 mg/kg、 速效钾160.0 mg/kg、 pH 6.3。绿肥鲜草养分含量为全氮 5.0 g/kg、 全磷 1.2 g/kg、 全钾4.7 g/kg。

1.2 试验设计

1.3 样品采集及测定项目和方法

土壤微生物区系分析采用稀释平板法[10]。土壤细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基，真菌用马丁氏培养基，放线菌用改良的高氏1号培养基； 微生物量碳采用氯仿熏蒸培养法[11]； 土壤脲酶采用苯酚-次氯酸钠比色法； 磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法，过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定[12]。土壤团聚体结构分析采用沙维诺夫法进行[13]。

1.4 数据分析与处理

试验数据采用SAS 9.1软件进行ANOVA方差分析，其他统计分析采用Excel 2003软件。团聚体的平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GWD)的计算公式为:

(1)

(2)

式中，Ri为某级别团聚体平均直径；ωi为该级别团聚体重量。

2 结果与分析

2.1 绿肥翻压对植烟土壤物理性状的影响

2.1.1 绿肥翻压对植烟土壤紧实度的影响 土壤紧实度由土壤抗剪力、 压缩力和摩擦力等构成，是衡量土壤致密强度的一个合成指标。 它可预测土壤承载量、 耕性和根系伸展阻力，反映土壤的一个重要物理特性，用于评价土壤的耕性[13]。从2011年烤后期土壤紧实度测定结果(表1)来看，随着土层深度的增加，土壤紧实度呈逐渐增加的趋势； 通过对5 cm、 10 cm、 15 cm、 20 cm和25 cm处土壤紧实度的统计分析显示，除10 cm处外，其他土层点的土壤紧实度均无显著差异； 在10 cm处翻压低量绿肥(GML)和翻压高量绿肥(GMH)处理的土壤紧实度显著低于CK，较CK分别降低了22.0%和29.9%； GMH处理的紧实度在10 cm处显著低于常规施肥(F) 处理，但与其他处理间差异不显著，GMH处理的土壤紧实度较F处理降低了25.4%，这表明翻压30000 kg/hm2绿肥降低了10 cm土层的紧实度，对烟株的根系发育有明显的促进作用。

表1 绿肥翻压对不同土层深度土壤紧实度的影响(kPa)

表2 绿肥翻压对植烟土壤机械稳定性团聚体的影响

2.2 绿肥翻压对植烟土壤生物性状的影响

2.2.1 绿肥翻压对植烟土壤微生物区系的影响 土壤中细菌数量的分析结果(图1)表明，2009年不同处理间的土壤细菌数量无显著差异； 2010年GMH处理的细菌数量显著高于其他处理，较F和CK处理分别高42.2%和45.1%； 2011年GML和GMH处理的细菌数量均显著高于F和CK处理，但GML和GMH处理间差异不显著，其中GMH处理的土壤细菌数量较F和CK分别提高了49.0%和63.3%，这表明连年翻压绿肥后土壤中的细菌数量显著增加，且随着翻压绿肥年限的增长，细菌数量呈逐渐增加的趋势。

土壤中真菌数量的分析结果显示，2009年CK处理中土壤真菌显著高于其他处理； 在2010年，GML和GMH处理的土壤真菌数量显著高于F处理，但与CK差异不显著； 至2011年GML和GMH处理的土壤真菌数量显著高于F和CK处理，其中GMH处理较F和CK处理分别提高了47.8%和50.0%，说明连年翻压绿肥显著增加了土壤中的真菌数量，且随着翻压绿肥年限的增长，真菌数量呈逐渐增加的趋势。

图1可以看出， 2009年GML处理的放线菌数量显著高于F和GMH处理，但与CK的差异不显著； 在2010年，GMH、 GML和CK处理的土壤放线菌的数量均显著高于F处理，较F处理分别提高了30.8%、 32.5%和28.9%； 但至2011年时，GMH处理的放线菌数量比F和CK处理分别高35.4%和61.5%。表明翻压高量绿肥可显著提高土壤中放线菌的数量，土壤中放线菌数量增多，往往产生抗菌素，对土壤残余组织中大量存在的越冬病原菌会产生拮抗作用。

图1 绿肥翻压对植烟土壤细菌、 真菌和放线菌数量的影响Fig.1 Effect of incorporating green manure on bacteria, fungi and actinomycetes in tobacco-planting soils

图2 绿肥翻压对植烟土壤微生物量碳的影响 Fig.2 Effect of incorporating green manure on microbial biomass carbon in tobacco-planting soils

2.3 绿肥翻压对植烟土壤酶活性的影响

图3 绿肥翻压对植烟土壤酶活性的影响Fig.3 Effect of incorporating green manure on soil enzyme activity in tobacco-planting soils

2.3.2 对脲酶活性的影响 脲酶是一种将酰胺态有机氮化物水解转化为植物可直接吸收利用的无机态氮化物的酶，其酶活性反映了土壤的供氮能力和水平[12]。图3显示，2009年土壤脲酶的活性不同处理间无显著差异； 2010年GMH、 F和CK处理的土壤脲酶活性差异不显著，但均显著高于GML处理。2011年GMH处理的脲酶活性显著高于其他处理，较GML处理、 F处理和CK处理分别提高了44.5%、 33.0%和30.0%，但GML、 F和 CK处理之间的差异不显著。可见随着翻压绿肥年限的增加，翻压高量绿肥能够提高土壤中的脲酶活性。

2.3.3 对过氧化氢酶活性的影响 过氧化氢酶是参与土壤中物质和能量转化的一种重要氧化还原酶，在一定程度上可以表征土壤生物氧化过程的强弱[12]。2009年GML处理的过氧化氢酶的活性显著低于GMH和F处理，比F处理降低了15.2%，但GMH处理的过氧化氢酶活性比F处理提高了4.3%； 至2010年，虽然GMH处理比F和CK处理分别提高了4.8%和6.7%，但不同处理间差异未达到显著水平(图3)。

3 讨论

土壤微生物数量及其活性是土壤肥力的重要指标之一[19]，微生物数量多，区系复杂，表明土壤微生态系统平衡，有利于作物的健康生长。在本研究中，翻压豆科绿肥后土壤中的细菌、 真菌和放线菌数量均出现不同程度的增加，这与杨曾平等的研究结果一致[5]，也与Dick[20]证明的施用绿肥有利于维持土壤微生物的多样性和活性的结论一致； Bossio等[21]指出在有机质低输入的土壤中，高有机质的输入使微生物生物量持续增加。通过连续3年翻压绿肥后，大量的低C/N比的豆科绿肥快速腐解，为土壤微生物提供充足的有机碳源，促进土壤微生物的繁殖，土壤中细菌、 真菌、 放线菌以及微生物总量均不断增加，有利于维持土壤微生物的多样性及活性，对于提升烟田土壤肥力，提高烟叶的产量和品质均能起到一定的作用。本研究结果表明，不施肥处理的土壤真菌数量在2009年均高于施肥处理，这与吴凡等人[22]的研究结果一致，即肥沃土壤中的真菌数量小于贫瘠土壤； 随着种植年限的增长，土壤中的养分不断地被消耗，不施肥处理土壤中细菌、 真菌和放线菌的数量则呈降低的趋势。

土壤微生物量碳的消长反映微生物利用土壤碳源进行自身细胞建成，并大量繁殖和解体使有机碳矿化的过程[23]。本试验表明，土壤中的微生物量碳的含量显著高于翻压低量绿肥和常规施肥，且随着翻压绿肥年限的增长，土壤中微生物量碳呈逐年增加的趋势。土壤中有机碳的微生物同化，主要受施入的碳源和氮源所支配[24]，在减施化肥的同时翻压高量绿肥，土壤中施入的碳源和氮源的量均高于翻压低量绿肥和常规施肥，从而影响了土壤微生物的数量和活性。

土壤酶活性常被作为土壤质量的重要指标来研究，它在一定程度可反映土壤养分转化的动态，在土壤养分循环以及植物生长所需养分的供给过程中起到重要作用[25]。本研究结果表明，随着翻压绿肥年限的增长，翻压高量绿肥处理的土壤脲酶、 过氧化氢酶和酸性磷酸酶的活性均呈逐年上升的趋势，这与刘国顺等[6]的研究结果基本一致。连年翻压绿肥后，大量极易腐解的豆科绿肥为土壤提供了大量的有机碳源和氮源，促进了土壤微生物的活性，从而提高了土壤酶的活性。本研究发现不施肥处理的土壤酸性磷酸酶活性较高，这与宋勇春等人[26]的研究结果一致，这可能是由于在不施肥情况下烟株缺磷胁迫严重，因而诱导分泌的酸性磷酸酶活性增强，这说明根系对土壤酸性磷酸酶的贡献占主导地位。由于翻压低量绿肥的同时减施了15%的化肥用量，在无机氮肥施入不足的情况下，翻压15000 kg/hm2绿肥输入到土壤中的氮源和碳源较少，不利于土壤脲酶和过氧化氢酶活性的提高，因此翻压低量绿肥的土壤脲酶和过氧化氢酶的活性均低于常规施肥，而当绿肥的翻压量达到30000 kg/hm2时，土壤中脲酶和过氧化氢酶活性恢复并有所提高，可见化肥与绿肥的配施比例对土壤酶活性具有重要的影响。

4 结论

1)连续3年翻压绿肥显著降低了10 cm土层处的土壤紧实度，且以翻压 30000 kg/hm2绿肥的土壤紧实度最低，其土壤紧实度较常规施肥处理和不施肥处理分别降低了25.4%和29.9%。翻压绿肥后土壤中大于7 mm的大团聚体含量增加，而小于1 mm的小团聚体的含量有所降低，但土壤中大于0.25 mm的机械稳定性团聚体的数量、 平均重量直径和几何平均直径在不同处理间无显著差异。

2)翻压豆科绿肥后土壤中的细菌、 真菌和放线菌数量及土壤微生物量碳的含量均随着翻压绿肥年限的增长而出现不同程度的增加。翻压3年绿肥后，翻压30000 kg/hm2绿肥的土壤细菌、 真菌和放线菌数量以及土壤微生物量碳含量较常规化肥处理分别提高了49.0%、 47.8%、 35.4%和40.7%，较CK处理分别提高了63.3%、 50.0%、 61.5%和43.0%。

3)随着翻压绿肥年限的增长，翻压 30000 kg/hm2绿肥的土壤中脲酶、 过氧化氢酶和酸性磷酸酶活性均呈逐年上升的趋势； 与常规施肥相比，翻压15000 kg/hm2绿肥降低了土壤脲酶和过氧化氢酶的活性，但翻压30000 kg/hm2绿肥能够恢复和提高其活性。

参考文献:

[1] 邱莉萍, 刘军, 王益权, 等. 土壤酶活性与土壤肥力的关系研究[J]. 植物营养与肥料学报, 2004, 10 (3): 227-280.

Qiu L P, Liu J, Wang Y Qetal. Research on relationship between soil enzyme activies and soil fertility[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2004, 10 (3): 227-280.

[2] Bronick C J, Lal R. Soil structure and management: a review[J]. Geoderma, 2005, 124: 3-22.

[3] 史奕, 陈欣, 沈善敏. 有机胶结形成土壤团聚体的机理及理论模型[J]. 应用生态学报, 2002, 13 (11): 1495-1498.

Shi Y, Chen X, Shen S M. Mechanism of organic cementing soil aggregate formation and its theoretical models[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2002, 13 (11): 1495-1498.

[4] 熊顺贵. 基础土壤学[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 1996.

Xiong S G. The basis of soil science[M]. Beijing: Chinese Agriculture Science and Technology Press, 1996.

[5] 杨曾平, 高菊生, 郑圣先, 等. 长期冬种绿肥对红壤性水稻土微生物特性及酶活性的影响[J]. 土壤, 2011, 43 (4): 576-583.

Yang Z P, Gao J S, Zheng S Xetal. Effects of long-term winter planting-green manure on microbial properties and enzyme activies in reddish paddy soil[J]. Soils, 2011, 43 (4): 576-583.

[6] 刘国顺, 李正, 敬海霞, 等. 连年翻压绿肥对植烟土壤微生物量及酶活性的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2010, 16 (6): 1472-1478.

Liu G S, Li Z, Jing H Xetal. Effects of consecutive turnover of green manures on soil microbial biomass and enzyme activity[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2010, 16 (6): 1472-1478.

[7] 李正, 刘国顺, 叶协锋, 等. 绿肥翻压年限对植烟土壤微生物量C、 N和土壤C、 N的影响[J]. 江西农业学报, 2010, 22 (4): 62-65.

Li Z, Liu G S, Ye X Fetal. Effects of different years of burying green manure on soil microbial biomass C, N and C, N content in soil[J]. Acta Agriculturae Jiangxi, 2010, 22 (4): 62-65.

[8] 陈晓波, 官会林, 郭云周, 等. 绿肥翻压对烟地红壤微生物及土壤养分的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2011, (4): 74-79.

Chen X B, Guan H L, Guo Y Zetal. The effect of plowing under green manure on the soil microorganism and fertility in tobacco cultivation red soil[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2011, (4): 74-79.

[9] 叶协锋, 杨超, 李正, 等. 绿肥对植烟土壤酶活性及土壤肥力的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2013, 19 (2): 445-454.

Ye X F, Yang C, Li Zetal. Effects of green manure in corporation on soil enzyme activities and fertility in tobacco-planting soils[J]. Plant Nutrition and Fertility Science, 2013, 19 (2): 445-454.

[10] 李振高, 骆永明, 滕应. 土壤与环境微生物研究法[M]. 北京: 科学出版社, 2008.

Li Z G, Luo Y M, Teng Y. Analysis of soil and environmental microorganisms[M]. Beijing: Science Press, 2008.

[11] 吴金水, 林启美, 黄巧云, 肖和艾. 土壤微生物生物量测定方法及其应用[M]. 北京: 气象出版社, 2006.

Wu J S, Lin Q M, Huang Q Y, Xiao H I. Soil microbial biomass-methods and application[M]. Beijing: Meteorologic Press, 2006.

[12] 关松荫. 土壤酶及其研究法[M]. 北京: 农业出版社, 1986.

Guan S Y. Soil enzyme and its research methods[M]. Beijing: Agriculture Press, 1986.

[13] 依艳丽. 土壤物理研究法[M]. 北京: 北京大学出版社, 2009.

Yi Y L. Research methods of soil physics[M]. Beijing: Peking University Press, 2009.

[14] Six J, Elliott E T, Paustian K. Soil structure and soil organic matter. A normalized stability index and the effect of mineralogy[J]. Soil Science Society of America Journal, 2000, 64: 1042-1049.

[15] 杨长明, 欧阳竹. 华北平原农业土地利用方式对土壤水稳性团聚体分布特征及其有机碳含量的影响[J]. 土壤, 2008, 40 (1): 100-105.

Yang C M, Ouyang Z. Effects of agricultural land uses on water-stable aggregate distribution and organic carbon in farmland soil in the northern China plain[J]. Soils, 2008, 40 (1): 100-105.

[16] Alvarez C R, Alvarez R. Short-term effects of tillage systems on active soil microbial biomass[J]. Biology and Fertility of Soils, 2000, 31 (2): 157-161.

[17] 郝葳, 田孝华. 优质烟区土壤物理性状分析与研究[J]. 烟草科技, 1996, (5): 36-38.

Hao W, Tian X H. Analysis and research of physical character in high quality tobacco-planting soil[J]. Tobacco Science & Technology, 1995, (5): 36-38.

[18] Tisdall J M, Oades J M. Organic matter and water-stable aggregates[J]. Journal of Soil Science. 1982, 33: 141-163.

[19] 孙波, 赵其国, 张桃林, 俞慎. 土壤质量与持续环境—III.土壤质量评价的生物学指标[J]. 土壤, 1997, 29 (5): 225-234.

Sun B, Zhao Q G, Zhang T L, Yu S. Quality of soil and persistence environment—III. The biology index of evaluating the quality of soil[J]. Soils, 1997, 29 (5): 225-234.

[20] Dick R P. A review: Long-term effect of agricultural systems on soil biochemical and microbial parameters[J]. Agricultural, Ecosystem and Environment, 1992, 40: 25-36.

[21] Bossio D A, Scow K M. Impacts of carbon and flooding on soil microbial communities: phospholipids fatty acid profiles and substrate utilization patterns[J]. Microbial Ecology, 1998, 35: 265-278.

[22] 吴凡, 李传荣, 崔萍, 等. 不同肥力条件下的桑树根际微生物种群分析[J]. 生态学报, 2008, 28 (6): 2675-2678.

Wu F, Li C R, Cui Petal. Population analysis of mulberry rhizosphere microbes in different soil fertilities[J]. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28 (6): 2675-2678.

[23] 张成娥, 梁银丽. 不同氮磷施肥量对玉米生育期土壤微生物量的影响[J]. 中国生态农业学报, 2001, 9 (2): 72-74.

Zhang C E, Liang Y L. Effect of different amounts of nitrogen and phosphorus fertilizers applied on soil microbial biomass during corn growth periods[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2001, 9 (2): 72-74.

[24] 沈善敏. 无机氮肥对土壤氮矿化与固定的影响—兼论土壤氮的“激发效应”[J]. 土壤学报, 1986, 22 (1): 10-16.

Shen S M. The effect of mineral nitrogen on the mineralization and immobilization of soil nitrogen[J]. Acta Pedologica Sinca, 1986, 22 (1): 10-16.

[25] de la Paz Jimenez M, de la Horra A, Pruzzo L, Palma M R. Soil quality: a new index based on microbiological and biochemical parameters[J]. Biology and Fertility of Soils, 2002, 35: 302-306.

[26] 宋勇春, 冯固, 李晓林. 不同磷酸对红三叶草根际和菌根际磷酸酶活性的影响[J]. 应用生态学报, 2003, 14 (5): 781-784.

Song Y C, Feng G, Li X L. Effects of different P sources on phosphatase activity of micorrhizosphere of red clover inoculated with AMF[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2003, 14 (5): 781-784.