长期施肥对黄壤旱地及水田土壤微生物生物量碳、氮的影响

安世花，罗安焕，王小利，夏 东，王兴凯，段建军，张雅蓉，蒋太明

(1.贵州大学 农学院，贵州 贵阳 550025； 2.贵州大学 烟草学院/贵州省烟草品质研究重点实验室，贵州 贵阳 550025； 3.农业部贵州耕地保育与农业环境科学观测试验站，贵州 贵阳 550006)

土壤有机质是土壤肥力的重要指标，而微生物作为土壤有机质与养分转化和循环的驱动力，可以反映土壤有效养分状况及其生物活性[1-2]。微生物生物量是指土壤有机质中有生命的成分，以土壤微生物生物量碳(SMBC)、土壤微生物生物量氮(SMBN)最具代表，反映土壤能量循环和养分的转移与运输。微生物熵(qMB)是指SMBC含量与土壤有机碳(SOC)含量的比值，能够反映土壤中的SOC向SMBC转化的效率，指示土壤的健康变化情况[3-4]。

SMBC、SMBN作为土壤质量的生物学指标[5]，其含量受温度、水分、pH值、土地利用方式、施肥等因素的影响[6-9]。国内外关于土壤微生物的研究较多，如BOLAN等[10]研究表明，有机肥替代部分化肥，不仅能为作物提供丰富的微量元素，还能调节土壤水分、养分、空气质量、土壤温度、微生物活性。LI等[11]就施肥对黏壤土微生物特性的影响进行研究，结果表明，与单施化肥相比，不同有机肥配施(猪粪+化肥、玉米秸秆还田+化肥、猪粪+玉米秸秆还田+化肥)均能提高土壤微生物活性，也提高了SMBC、SMBN含量、SMBC/SMBN值、qMB值。同时，LI等[12]研究表明，与不施肥相比，单施化肥、猪粪有机肥配施化肥、玉米秸秆配施化肥均能增加潮土中SMBC、SMBN含量、qMB值及SMBC/SMBN值，而高量猪粪有机肥配施化肥的效果最好。LOVELL等[13]研究显示，草地(粉质黏壤土)不施肥处理的SMBC、SMBN含量显著高于施氮肥处理，其原因可能是短期(1 a)试验中，微生物量对施肥量变化的响应较小或根本不存在。GOYAL等[14]研究表明，砂壤土(69%的沙子、17%的淤泥、14%的黏土)中土壤有机质及可矿化碳、氮含量随施肥量增加而增加，而SMBC、SMBN含量以无机肥配施有机肥最高。侯化亭等[15]研究表明，SMBC、SMBN含量受施肥水平和土壤碳、氮平衡的影响，且均随施肥量的增加呈现先增加后降低的趋势。徐一兰等[1]研究表明，与不施肥处理相比，长期不同施肥处理均能提高SMBC、SMBN含量和qMB值。王颖[16]研究表明，不同施肥处理对黄土SMBC、SMBN含量的影响差异较小，以有机肥、无机肥配施处理最高。姜佰文等[17]研究表明，在白浆土上有机肥、无机肥配施有利于提高SMBC、SMBN含量。柳玲玲等[18]和郭振等[19]研究表明，长期施肥均可提高黄壤旱地和水田SMBC、SMBN含量，其中，在旱地上长期施肥对SMBC、SMBN含量的影响趋势一致，均以有机肥、无机肥配施效果最好，在水田中SMBC、SMBN含量分别以有机肥、化肥配施处理及单施有机肥处理增加最多。综上，国内外关于长期施肥对SMBC、SMBN含量的影响研究较多，而针对于黄壤旱地和水田的研究，则由于采样年份和测定方式的不同，可比性不强。鉴于此，本研究依托贵州黄壤肥力与肥料效益监测基地的旱地、水田长期施肥试验结果，探明不同施肥处理对黄壤旱地、水田SMBC、SMBN含量影响的差异，为贵州黄壤旱地和水田的养分管理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于贵州省农业科学院内(106°07′E、26°11′N)，地处黔中丘陵区，平均海拔1 071 m。气候温和、热量丰富，且热、水、光同期，属亚热带季风气候。年平均气温15.3 ℃，年平均日照时数约1 354 h，相对湿度75.5%，全年无霜期约270 d，年降雨量1 100～1 200 mm。旱地、水田长期试验地的成土母质分别为三叠系灰岩与砂页岩残积物、第四纪沉积物，旱地、水田长期试验均于1995年开始实施。

种植模式分别为单季玉米和单季水稻，其中旱地长期试验地种植玉米品种为交3单交(1995—1998年)、黔单10号(1999—2000年、2002—2003年)、农大108(2001年) 、黔玉2号(2004—2005年)、黔单16号(2006—2012年)、金玉818(2013—2014年)、中农大239(2015年)。由于试验基地灌溉设施损毁，2002—2006年，水田长期试验地无法种植水稻，改种玉米。2007年开始改种水稻，水稻品种为金麻粘(1993—1998年)、农虎禾(1999—2001年)、香两优875(2007—2008年)、汕优联合2号(2009年)和茂优601(2010—2015年)。耕层(0～20 cm)初始土壤基本性质见表1。

表1 初始土壤基本性质

1.2 试验设计

旱地、水田长期施肥处理试验分别设12、11个处理，旱地、水田试验小区面积分别为340、201 m2。采用大区对比试验，不设重复，所施化肥为尿素(含N 46%)、普钙(含P2O516%)、氯化钾(含K2O 60%)，所施有机肥为牛厩肥(含C 413.8 g/kg、N2.7 g/kg、P2O51.3 g/kg、K2O 6.0 g/kg)。每年根据有机肥的养分含量来调节化学氮肥的施用量，除处理MNPK外，其余施氮小区的氮肥施用量相同。在玉米、水稻播种前，各处理按照试验方案施肥，并在各生长期再追施2次尿素。玉米于每年4月份播种，8月中下旬收获，玉米秸秆及根茬直接还田，其余时间休闲。水稻于每年4月份插秧，10月中下旬收获，其他时间休闲。旱地和水田各处理施肥量见表2。

本研究从中各选取5个不同施肥处理：不施肥(CK)、单施化肥(NPK)、单施有机肥(M)、低量有机无机肥配施(0.5MNPK)和高量有机无机肥配施(MNPK)。

表2 旱地和水田不同处理施肥量

1.3 测定指标和方法

2017年，在玉米、水稻收获后采集土壤样品。将每个大区分为3个小区，每个小区以“S”形取5个点的耕层(0～20 cm)土壤，混合均匀后作为1次重复，共取3个重复。捡除土壤中动物残体、植物落叶、根系、大颗粒石头后将土壤分为两部分。一部分过2 mm筛存于4 ℃冰箱，用于测定SMBC、SMBN含量。另一部分风干后过0.25 mm筛，用于测定土壤TN、SOC含量。土壤SOC含量采用外加热重铬酸钾氧化法测定，土壤TN含量采用凯氏定氮法测定[20]，SMBC、SMBN含量采用氯仿熏蒸-0.5 mol/L K2SO4浸提法测定[21-22]，SMBC、SMBN的换算系数分别为0.45、0.54[20,23-24]，qMB值为SMBC含量与SOC含量的比值[3-4]。

1.4 数据处理

采用Excel 2010、SPSS 19.0进行数据的整理和方差分析。不同处理之间采用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 长期不同施肥处理对旱地、水田SMBC含量的影响

如图1所示，长期不同施肥处理下，旱地、水田的SMBC含量分别介于107.35～336.36 mg/kg、398.17～883.33 mg/kg。旱地不同(CK、NPK、M、0.5MNPK、MNPK)处理之间和水田施有机肥(M、0.5MNPK、MNPK)处理之间的SMBC含量均存在显著差异,水田CK和NPK处理的SMBC含量之间差异不显著。在相同处理条件下，水田的SMBC含量远高于旱地，其中，水田CK、NPK、M、0.5MNPK、MNPK处理的SMBC含量依次是旱地的3.7、2.8、2.8、3.4、2.5倍。

旱地、水田CK的SMBC含量分别为107.35、398.17 mg/kg，与CK相比，施用有机肥(M、0.5MNPK、MNPK)处理的SMBC含量增加较多，其中，旱地M、0.5MNPK、MNPK处理的SMBC含量比CK分别提高了189%、109%、213%；水田M、0.5MNPK、MNPK处理的SMBC含量比CK分别提高了121%、91%、111%。SMBC含量随有机肥施入量的增加而增加；施用化肥(NPK)处理的SMBC含量与CK相比增加较少，NPK处理旱地、水田的SMBC含量比CK分别提高了40%、6%。旱地MNPK处理提高SMBC含量的效果最好，水田M处理提高SMBC含量的效果最好。

不同小写字母表示同一土壤类型不同处理间差异显著(P<0.05),下同

2.2 长期不同施肥处理对旱地、水田SMBN含量的影响

如图2所示，旱地、水田的SMBN含量分别介于11.61～72.97 mg/kg、54.22～152.54 mg/kg，且旱地、水田的SMBN含量在不同处理间的变化趋势相同，均以施用有机肥(M、0.5MNPK、MNPK)处理提高SMBN含量的效果较好，其中，以M处理的提高效果最好，旱地、水田M处理SMBN含量分别为72.97、152.54 mg/kg。长期不同施肥处理下，旱地、水田的SMBN含量之间均存在显著差异。旱地、水田CK的SMBN含量分别为11.61、54.22 mg/kg，施用化肥(NPK)处理和施用有机肥(M、0.5MNPK、MNPK)处理的SMBN含量均显著高于CK，旱地NPK、M、0.5MNPK、MNPK处理的SMBN含量分别是CK的2.0、6.3、4.5、5.0倍，水田NPK、M、0.5MNPK、MNPK处理的SMBN含量分别是CK的1.3、2.8、1.9、2.3倍。以上结果表明，长期施用化肥、有机肥均能使SMBN含量增加，但施用化肥增加的幅度不高，以单施有机肥增加效果最好。在相同处理条件下，旱地和水田间的SMBN含量差别较大，水田的SMBN含量均比旱地高，其中，水田CK、NPK、M、0.5MNPK、MNPK处理的SMBN含量依次是旱地的4.7、3.1、2.1、2.0、2.1倍。

图2 长期不同施肥处理对旱地、水田SMBN含量的影响Fig.2 Effects of different long-term fertilization treatments on content of SMBN in dryland and paddy field

2.3 长期不同施肥处理对旱地、水田土壤各属性指标的影响

如表3 所示，长期不同施肥处理下，旱地、水田的SOC、TN含量均随有机肥施入量的增加而增加，且均以MNPK处理最高，旱地、水田MNPK处理的SOC含量分别为35.74、42.05 g/kg，旱地、水田MNPK处理的TN含量分别为2.83、2.98 g/kg；旱地NPK处理的SOC、TN含量低于CK，且差异不显著。同一处理条件下，旱地的SOC、TN含量均低于水田，水田各处理的SOC含量比旱地高3.9%～17.7%。

旱地、水田的qMB值分别介于0.52%～0.94%、1.87%～2.49%，且分别以MNPK、0.5MNPK处理最高。旱地NPK、M、0.5MNPK、MNPK处理的qMB值与CK相比，水田M、0.5MNPK处理的qMB值与CK相比，均差异显著。旱地NPK与0.5MNPK处理之间、M与MNPK处理之间的qMB值差异均不显著。水田的CK、NPK、MNPK处理之间的qMB值差异不显著。长期施肥处理下，旱地和水田的SMBN/TN值变化趋势一致，均以M处理最高(旱地、水田的SMBN/TN值分别为2.75%、5.61%)，其后依次是0.5MNPK、MNPK、NPK处理，CK最低。旱地NPK处理的SMBN/TN值与CK相比，水田NPK、0.5MNPK、MNPK处理的SMBN/TN值与CK相比，均无显著差异；旱地M、0.5MNPK、MNPK处理的SMBN/TN值与CK相比，水田M处理的SMBN/TN值与CK相比，差异显著。旱地、水田的SMBC/SMBN值分别介于4.27～9.26、5.79～7.37，不同处理对SMBC/SMBN值的影响各不相同，但均表现为施肥处理使SMBC/SMBN值降低，且均以M处理降低幅度最大。综上，在旱地和水田中，长期施肥处理均能提高qMB值和SMBN/TN值，旱地、水田的qMB值分别以MNPK、0.5MNPK处理最高，旱地、水田的SMBN/TN值均以M处理最高。而旱地、水田的SMBC/SMBN值均因施肥呈下降趋势。

表3 长期不同施肥处理对旱地、水田土壤各属性指标的影响Tab.3 Proporty index of different long-term fertilization treatments on dryland and paddy field

注：不同小写字母表示同一土壤类型不同处理间差异显著(P<0.05)。

Note：Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments of same soil type(P<0.05)。

3 结论与讨论

本研究依托长期定位施肥，集旱地、水田为一体的贵州黄壤肥力与肥料效益监测基地。与CK相比，旱地不同施肥处理、水田施用有机肥处理均可显著提高土壤SMBC含量，旱地、水田不同施肥处理的SMBN含量与CK相比均显著提高。与NPK处理相比，旱地、水田M、0.5MNPK、MNPK处理的SMBC、SMBN含量都有较大提升，其中，旱地、水田的SMBC含量分别以MNPK、M处理最高，SMBN含量均以M处理最高。其原因是有机肥的施用不仅为微生物提供外来碳、氮源，提高微生物活性，还改善土壤微生物的生存环境。长期施用有机肥可促进旱地、水田SMBC、SMBN的形成，与对黑土、红壤、黑潮土、褐土、黑垆土研究的结论基本一致[25-29]。

旱地、水田SOC、TN含量随有机肥的施入量的增加而增加，且施有机肥(M、0.5MNPK、MNPK)处理的SOC、TN含量高于施化肥(NPK)处理，均以MNPK处理的SOC、TN含量最高(旱地MNPK处理的SOC、TN含量分别为35.74、2.83 g/kg，水田MNPK处理的SOC、TN含量分别为42.05、2.98 g/kg)；旱地、水田施有机肥(M、0.5MNPK、MNPK)处理的SOC、TN含量与CK相比均存在显著差异，施化肥(NPK)处理的SOC、TN含量与CK相比差异不显著。本研究中，旱地SOC、TN含量变化趋势与张雅蓉等[30]结论一致，以NPK处理最低，其原因可能是施用化肥会明显加快土壤有机质的分解，SOC、TN含量相应降低；水田SOC、TN含量变化趋势与郭振等[19]、王小利等[31]研究结果一致。

qMB值主要受土壤类型、耕作措施、土壤理化性质的影响，其值越大，表明能被微生物固定的SOC越多，SOC的周转速率就越快[3,32]。SMBN/TN值可以反映微生物对土壤有效氮素的利用效率[33]。本研究中，旱地、水田的qMB值分别介于0.52%～0.94%、1.87%～2.49%，说明水田的生态环境有利于微生物活性的提高。旱地、水田的SMBN/TN值分别介于0.59%～2.75%、2.71%～5.61%，说明水田中微生物对氮的利用率高于旱地。SMBC/SMBN值的变化可以反映土壤中存在的主要微生物群落的种类[13]。研究表明，细菌、放线菌、真菌的SMBC/SMBN值依次为5∶1、6∶1、10∶1[11]，有学者研究表明，SMBC/SMBN值平均为6.7∶1[34-35]。本研究中，旱地、水田的SMBC/SMBN值分别介于4.27～9.26、5.79～7.37，且均以M处理最低。旱地CK、NPK、M、0.5MNPK、MNPK处理的SMBC/SMBN值依次为9.26、6.47、4.27、4.33、5.78，说明细菌、放线菌是旱地土壤的主要生物群，水田CK、NPK、M、0.5MNPK、MNPK处理的SMBC/SMBN值分别为7.37、5.83、5.79、6.44、6.77，说明放线菌是水田土壤的主要生物群。长期施肥均能降低SMBC/SMBN值，M处理下降最快，这是因为有机肥的施入提高了土壤碳源，土壤微生物活动相应加强，土壤微生物利用土壤氮素促进有机肥进一步降解，因此SMBC/SMBN值较低。

土壤中的碳、氮库是土壤碳、氮输入与输出平衡的结果[36]。土壤SOC、氮的输入来自凋落物、根系周转物和根系分泌物等，输出则主要通过呼吸形成二氧化碳。据我国第2次土壤普查结果显示，我国水田土壤碳密度是旱地土壤的37.7%，且SOC储量和固碳潜力均高于旱地土壤[37-39]。SMBC、SMBN、SOC、TN含量的高低受多种因素的影响，不同土地利用方式会导致土壤的理化性质、碳氮库发生变化[40-41]，旱地、水田作物种植模式不同，也会影响土壤中碳、氮的变化。研究表明，玉米种植田土壤的SOC平衡量低于水稻田土壤[30,42]，说明旱地有机质的投入量低于水田，而输出量高于水田，从而导致土壤微生物生物量下降。本研究中，相同施肥条件下，水田的SMBC、SMBN、SOC、TN含量及qMB、SMBN/TN值高于旱地，依次是旱地的2.5～3.7、2.0～4.7、1.04～1.18、1.02～1.05、2.13～3.60、2.00～4.59倍。

综上，本研究中长期不同施肥处理均能提高旱地、水田的SMBC、SMBN含量。与CK相比，旱地、水田的SMBC含量分别以高量有机无机肥配施、单施有机肥处理增加最高，旱地、水田的SMBN含量均以单施有机肥处理增加最高。表明单施有机肥和高量有机无机肥配施是旱地、水田有效培肥措施。相同施肥条件下，水田SMBC、SMBN、SOC、TN含量及qMB、SMBN/TN值均高于旱地。