旱地小麦根际土壤酶活性及微生物生物量对覆盖方式的响应

宿兵兵, 程宏波, 柴守玺 , 常 磊, 李 瑞,杨佳佳, 柴雨葳, 李亚伟

(1.甘肃农业大学农学院, 甘肃兰州 730070; 2.甘肃省干旱生境作物学重点实验室, 甘肃兰州 730070; 3.甘肃农业大学生命科学与技术学院, 甘肃兰州 730070)

农业覆盖技术是我国西北黄土高原半干旱区重要的栽培措施之一。覆盖具有明显的蓄水保墒[1-4]、调节地温[2-5]、增加土壤微生物数量[4]及活性[6]、增产增效[1-2,4]等作用。农田小气候特征的变化必将引起土壤微生物特性的改变。李旺霞等[7]发现，覆膜可提高土壤酶活性, 但不同的覆膜方式对不同酶活性的影响则存在较大差异[8]。杜社妮等[9]在玉米田中研究发现, 地膜覆盖提高了收获后土壤蔗糖酶和碱性磷酸酶活性, 却降低了脲酶和过氧化氢酶活性。徐华勤[10]研究发现，稻草覆盖下茶园土壤的过氧化氢酶、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶较CK均有不同程度的提高, 但在CK、稻草覆盖条件下不同施肥处理对土壤酶活性影响并不大。

地膜覆盖改变土壤的微生态环境, 但对微生物量碳、氮含量影响的结论不一。刘小娥[11]、王 静[12]、张 帆等[13]、Li等[6]研究发现，地膜覆盖能够显著提高表层土壤养分、微生物量碳、氮含量和物质间的转化速率, 促进有机质的分解，为土壤微生物生长繁殖提供了良好的环境。于 树等[14]的研究结果表明, 地膜覆盖对土壤微生物量碳、氮含量的影响不显著, 但有机与无机肥配施时, 地膜覆盖下土壤微生物量碳、氮含量有所升高。而张成娥等[15]在覆膜对玉米不同生育时期微生物量碳、氮含量的研究中发现，覆膜降低了土壤微生物量碳、氮含量, 在苗期尤为突出, 原因可能是在覆膜的条件下, 土壤有机物的矿化速率较快，而对其微生物量有一定的掩盖作用。任江波等[16]研究发现，覆盖地膜降低了土壤微生物量碳、氮含量，揭膜后可逐渐恢复到裸地栽培水平; 覆盖秸秆的土壤微生物量碳、氮含量较高, 其中，覆盖小麦秸秆的效果好于覆盖玉米秸秆。

有关土壤微生物特性的研究主要集中在长期施肥(有机+无机)、灌溉、秸秆还田和地膜覆盖等方面, 而在秸秆覆盖方面的研究鲜有报道。本研究团队针对西北寒、旱地区生产生态特点提出了“玉米秸秆带状覆盖种植”新技术, 且多年多点试验及示范结果表明, 秸秆带状覆盖技术对小麦具有突出的增产增效潜力, 且对不同生育时期和土层具有增墒与降墒[1-2]、增温与降温[2,19-21]的双重效应。根际土壤微生物可调节植物生长发育、促进作物养分吸收、提高作物抗逆性[22]等生态功能。本研究拟从土壤微生物生态学的角度出发, 探讨小麦根际土壤微生物特性对覆盖引起的土壤水温变化的响应, 旨在进一步明确秸秆带状覆盖技术对土壤的生态效应，为深入剖析该技术的产量形成机理及推广应用提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试区概况

该试验于2018年在甘肃省通渭县平襄镇甘肃农业大学旱作循环农业试验示范基地进行。试验地海拔1 750 m, 年均气温7.2 ℃，年日照时数 2 096 h, 无霜期120～170 d, 属中温带半干旱气候。作物一年一熟, 为典型旱作雨养农业区。平均年降水量390.7 mm, 且60%以上集中在7～9月。试区土壤为黄绵土，0～20 cm土层容重1.25 g·cm-3; 土壤有机碳含量5.52 g·kg-1，全氮 0.65 g·kg-1, 有效磷10.63 mg·kg-1，速效钾107.1 mg·kg-1，pH为8.5。

1.2 试验设计

以冬小麦康庄974为供试材料, 分别进行玉米秸秆带状覆盖种植(SM)、地膜覆盖种植(PM)、无覆盖露地种植(CK)共3个处理，各处理的小区面积均为180 m2(30 m×6 m), 每个处理3次重复, 采用随机区组排列。具体试验处理如下:

玉米秸秆带状覆盖种植(SM):设计种植带70 cm, 秸秆覆盖带50 cm。秋季机械条播5行小麦于70 cm种植带上, 行距17 cm, 越冬前小麦三叶期后50 cm覆盖带上进行玉米整秆覆盖, 秸秆摆放方向与小麦播种行平行, 为防止秸秆压苗, 小麦边行与秸秆间距离为5 cm, 玉米秸秆覆盖量为风干重9 000 kg·hm-2。

全膜覆盖种植(PM):旋耕整地, 耱平后全地面覆膜, 膜面覆土1cm。穴播小麦, 行距17 cm。

露地对照种植(CK):旋耕整地, 耱平后平作, 条播行距17 cm。

各处理播种量均为225 kg·hm-2，施纯氮120 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2,均作为基肥在旋耕整地时一次性施入, 生育时期内不再追肥。在开花期进行1～2次“一喷三防”作业。

1.3 土壤样品采集

分别在小麦拔节期、孕穗期、开花期、灌浆期、蜡熟期采用抖土法取0～20 cm根际土壤样品, 每个处理3次重复,每个重复采用3点法取样, 去除根系等动植物残体，混匀并过1 mm筛后分两部分装入8号自封袋，低温带回实验室,一部分置于通风处自然风干，另一部分保存至4 ℃冰箱, 用于含水量、pH、土壤微生物量碳、氮测定。

1.4 测定方法

1.4.1 土壤含水量、温度及pH测定:

(1)土壤含水量:采用烘干法测定[1-2];

计算公式:SWC=(W鲜-W干)/(W干-W铝)×100%式中, SWC为土壤含水量,W鲜为土壤样品鲜重,W干为土壤鲜样烘干后重量,W铝为铝盒重量。

(2)土壤温度:在土壤样品采集的同时, 利用电子温度计测定[2];

(3)土壤pH:采用土水质量体积比为1∶2.5浸提, 用pH计测定[27]。

1.4.2 土壤酶活性测定

(1)过氧化氢酶活性测定采用KMnO4滴定法[23];

(2)蔗糖酶活性测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法[24];

(3)脲酶活性测定采用靛酚蓝比色法[23];

(4)碱性磷酸酶活性测定采用磷酸苯二钠比色法[23]。

1.4.3 微生物量碳(MBC)、氮(MBN)含量采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[23,25]

用0.5 mol·L-1的硫酸钾溶液浸提(土液比为1∶4), 采用碳氮联合分析仪测定其含量, 微生物量碳、氮的换算系数分别为0.38、0.45。

1.5 数据处理

采用Excel 2016和SPSS 19.0进行数据分析, 通过Duncan法进行显著性差异检验。

2 结果与分析

2.1 土壤水分、温度及pH对覆盖方式的响应

由表1可知, 从拔节期-蜡熟期, 各时期土壤含水量均以秸秆覆盖带(SMd)最高, 其次为地膜覆盖(PM), 秸秆带状覆盖(SM)处理的种植带(SMu)与露地(CK)相近；SMd和PM在拔节期-蜡熟期平均土壤含水量分别较CK高 29.49%、14.55%。处理间差异以开花期最大,变异系数(CV)为26.54%, 蜡熟期最小, CV值为 2.25%。说明覆盖平抑了土壤水分在不同时期间的剧烈变化, SMd和PM土壤含水量不同时期间的CV值分别为26.19%、 30.42%, 均低于CK (47.16%), 且平抑效果SMd更为突出。

表1 不同生育时期土壤水分、温度及pH对覆盖方式的响应Table 1 Response of soil moisture, temperature and pH to mulching methods at different growth stages

从拔节期-灌浆期, 各时期0～20 cm土层土壤温度均以CK最高, SMu次之且与PM相近, SMd最低。SMd只有在蜡熟期略高于地膜覆盖。SMd和PM在拔节期-蜡熟期平均温度分别较CK低12.60%、5.15%。处理间差异以拔节期最大, CV值为7.83%，蜡熟期最小, CV值为3.07%。SMd的0～20 cm土层土壤温度时期间CV值为12.62%, 较CK明显增加，而PM与CK相近。

从拔节期-孕穗期, 0～20 cm土层土壤pH以PM最大，各处理间差异不显著。开花期-蜡熟期以SMd最大, PM次之, CK最小。SMd和PM在拔节期-蜡熟期pH平均分别较CK高 1.64%、1.24%。处理间差异以蜡熟期最大, CV值为1.43%, 孕穗期最小, CV值为0.51%。SMd和PM的pH在时期间变异系数分别为 0.86%、1.31%, 均低于CK(1.76%)，说明覆盖较露地平抑了时期间pH的波动。

2.2 土壤酶活性对覆盖方式的响应

从拔节期-蜡熟期，SM处理土壤脲酶和蔗糖酶活性分别较CK降低了21.91%、 2.82%, 碱性磷酸酶活性提高12.14%，过氧化氢酶活性变化较小。覆盖带(SMd)和种植带(SMu)间的酶活性差异较大, 覆盖带的土壤酶(除碱性磷酸酶)活性均较CK有所降低, 种植带土壤酶活性(除脲酶)均高于CK。

SMd从拔节期-蜡熟期的土壤过氧化酶、脲酶、蔗糖酶平均活性分别较CK降低10.5%、 30.56%、21.22%; 而碱性磷酸酶则在拔节期、蜡熟期高于CK，分别提高 8.33%、 35.14%, 在孕穗期、灌浆期则低于CK 5.88%、3.57%, 使其拔节-蜡熟阶段的平均活性高于CK 9.40%。

SMu处理的土壤过氧化氢酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶活性在不同时期表现为高于或低于CK，因增高幅度大于降低幅度，使3种酶在拔节-蜡熟阶段平均酶活性分别较CK高7.58%、 14.09%、 10.32%; 而脲酶在孕穗期显著高于CK (16.67%), 其他时期则显著低于CK (12.00%～ 54.55%), 使其拔节-蜡熟阶段的平均活性低于CK 15.74%。

PM处理在不同时期对土壤过氧化氢酶活性、脲酶、碱性磷酸酶及蔗糖酶的活性表现为或促进或抑制作用, 其中对过氧化氢酶、碱性磷酸酶活性的促进作用大于抑制作用，二者拔节-蜡熟阶段平均酶活性分别高于CK 3.50%、6.71%。PM对脲酶和蔗糖酶活性的抑制作用大于促进作用，拔节-蜡熟阶段两种酶的平均酶活性分别低于CK 3.70%、6.49%。

相同时期图柱上不同字母表示处理间差异在0.05水平显著。图2同。

2.3 土壤MBC、MBN含量及MBC/MBN对覆盖方式的响应

覆盖总体较CK提高了土壤MBC、MBN含量及MBC/MBN, SM分别较CK提高24.40%、 12.53%、3.42%, PM分别提高了47.37%、 2.76%、52.19%。SMd与SMu之间的MBC、MBN含量以及MBC/MBN的差异也较大。

SMd处理在拔节-开花阶段的各时期均较CK显著提高了土壤MBC含量及MBC/MBN。对于MBC，SMd处理在拔节-开花期的增幅(46.96%～63.18%)大于灌浆-蜡熟期(15.37%～ 35.32%), 拔节-蜡熟阶段平均较CK提高MBC含量37.19%。SMd处理的MBN含量在拔节期-开花期较CK提高26.56%～55.21%, 在灌浆-蜡熟期则较CK低17.83%～19.89%, 拔节-蜡熟阶段平均含量则与CK相近。SMd处理的MBC/MBN在各时期均较CK提高 (3.16%～75.77%)，以灌浆期增幅最小，蜡熟期最大, 拔节-蜡熟期平均较CK高27.33%。

SMu处理较CK降低拔节期-孕穗期MBC含量9.11%～30.02%, 开花期-蜡熟期则提高MBC含量16.56%～31.14%; 对于MBN，SMu仅在孕穗期较CK显著降低(28.65%)，拔节期和开花期显著提高。在拔节-蜡熟阶段，SMu的MBC、MBN含量显著高于CK(15.26%、 21.66%)。由于MBN含量增幅较大, SMu的MBC/MBN除在蜡熟期较CK提高27.30%外, 其他各时期均较CK降低, 拔节-蜡熟阶段平均较CK低13.67%。

PM处理在拔节-蜡熟阶段的各时期均较CK提高了土壤MBC含量(32.52%～ 101.89%); 其MBN含量在开花期和蜡熟期低于CK(5.47%、15.55%)，其他各时期则显著高于CK14.58%～43.91%; 由于在各时期MBC的含量增幅均大于MBN, 因此，PM处理的土壤MBC/MBN在各时期均高于CK(10.08%～ 82.05%)。

3 讨 论

已有研究表明, 施肥可降低土壤pH值[26]。本研究发现, 覆盖提高了土壤pH值, 可能原因是覆盖促进深层水向表层富集, 带来了可溶性盐基离子, 而覆盖又降低了淋溶, 使盐基离子在表层土壤积累, 造成土壤pH升高[27]。土壤酶是一类具有催化能力的生物活性物质, 是生态系统物质循环和能量流动的重要参与者[28-29], 可作为反映土壤肥力和生态系统功能的敏感指标[30]。本研究发现，小麦根际土壤过氧化氢酶活性随生育时期推进呈先上升后下降趋势，在开花期达到最大值, 与张 亮等[31]研究一致。脲酶活性先降低后升高, 开花期最低, 碱性磷酸酶呈“波浪”型,灌浆期为最低点, 这与张 亮等[31]在百合根际土壤中的研究有所差异, 其原因可能是植物类型、土壤类型、施肥制度、种植方式及环境因子不同的原故。秸秆覆盖带平均较露地降低了土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶活性, 可能原因是秸秆覆盖带的降温作用抑制了酶活性。

图2 土壤微生物量碳、氮及碳氮比对覆盖方式的响应

土壤微生物生物量既是土壤有机质和土壤养分转化与循环的动力, 又可作为土壤中植物有效养分的储备库, 对土壤环境因子的变化极为敏感[26]。一般而言，土壤中微生物量和微生物群落活跃程度呈正相关关系, 即微生物量越大, 其群落活跃度就越高。本研究中，MBC含量在小麦拔节-蜡熟期随生育时期推移而波动，在小麦蜡熟期最高, 这与李云玲[32]在玉米上的研究结论一致。MBN开花期最低, 可能原因是开花期是植物的旺盛生长期, 小麦对氮素需求增多, 植物与土壤微生物之间的养分竞争加剧, 而植物在与微生物养分竞争中得到了更多的营养物质, 从而导致MBN 下降[33]。土壤MBC/MBN可反映微生物群落结构信息, 其显著的变化预示着微生物群落结构变化, 可能是微生物量较高的首要原因[34]。覆盖不同程度的提高了土壤MBC、MBN和MBC/MBN，以开花期MBC/MBN较高，推测开花期可能土壤真菌占优势。

本研究表明, 除过氧化氢酶外，土壤含水量与酶活性存在明显的正相关, 这主要是因为, 土壤水分的增加能够为各种酶促反应提供反应条件与场所, 促进酶和底物的扩散, 酶和底物浓度相应提高, 从而使酶活性有所增强[35-37]。土壤温度与多数微生物特性指标存在显著的正相关, 其原因可能是温度升高会促进微生物活性, 土壤微生物的生长与代谢速度加快, 产酶速度也会增快, 酶库得到扩充, 酶活性升高[33]。MBC和MBN均与脲酶、碱性磷酸酶呈极显著正相关，而MBN与过氧化氢酶呈显著的负相关，可能原因是土壤生物学特性对覆盖方式的响应存在既相互协同又相互制约的复杂关系。

4 结 论

地膜覆盖对土壤具有调温保墒、提高pH的作用, 促进土壤过氧化氢酶、碱性磷酸酶的活化, 但抑制了脲酶和蔗糖酶活性。秸秆带状覆盖在提高土壤SCW和pH的同时, 对0～20 cm土层土壤起到明显的降温作用, 且SMd的对土壤的保墒、降温、pH的影响大于SMu。SMu和SMd土壤水温及pH的差异也导致两带间酶活性的差异, 覆盖带的土壤酶(除碱性磷酸酶)活性均较CK降低, 种植带土壤酶活性(除脲酶)均高于CK。覆盖的增墒效应可能有利于提高微生物群落活跃程度，从而增加土壤MBC、MBN含量和MBC/MBN。