菌渣还田对设施土壤微生物量碳、氮的影响

赵自超,赵时峰,翟合生,张海兰,辛淑荣,姚 利

(1.山东省农业科学院 农业资源与环境研究所,山东 济南 250100;2.农业农村部废弃物基质化利用重点实验室,山东 济南 250100;3.山东省莘县农业农村局,山东 莘县 252423)

设施农业不受季节限制，经济效益高，环境适应强，已成为许多地区的主导产业[1]。在华北农业生态系统，设施农业土壤占据了主要地位，相比其他土地利用方式能固定更多的有机碳氮。土壤碳氮含量是表征土壤质量状况和肥力水平的重要指标，其中土壤微生物量碳氮是土壤碳氮库中最活跃的部分，可以综合反映土壤的肥力和生物活性,在农业生态系统中其数量主要受外源碳(有机肥)氮的添加[2-6]。在设施瓜菜生产中，因为实惠易取，畜禽粪便直接使用一直是农户用来代替有机肥的常见措施，但是大量使用畜禽粪便会导致设施土壤次生盐渍化、酸化、滋生根结线虫、抗生素重金属超标等一系列问题，严重制约了设施瓜菜生产的可持续发展[1,6]。菌渣是食用菌栽培后剩下的废料，作为一种有机物料，营养丰富，富含植物生长的氮、磷、钾、糖类、蛋白质、以及微量元素等有机无机营养物质，其营养成分可与天然有机肥相当[7-8]。中国是世界第一食用菌生产大国，每年至少产出1.50×107t菌渣，但是目前却因营养价值认识不足往往被随意丢弃，以至于约2/3的菌渣得不到有效利用，这不仅会造成了大量资源浪费，还会导致环境污染[9-12]。研究[7,13-14]表明，菌渣可以作为底肥直接还田，增加土壤有机质含量，提高土壤肥力，进而提高作物的产量与质量，但目前没有大面积推广。因而研究菌渣还田对设施土壤微生物量碳氮的影响，不仅可以促进农业废弃资源化利用，而且还能改善设施土壤质量，具有重要的理论的实践意义。目前，有关菌渣还田对土壤微生物量碳氮影响的研究报道主要集中于小麦、玉米和水稻等大田作物土壤[15-18]，而菌渣还田对设施土壤微生物量碳、氮影响方面的研究鲜见报道。因此，本文在设施瓜菜主产区研究不同量菌渣还田对设施土壤微生物量碳、氮及其占有机碳、全氮的比例与相关关系，以期评价菌渣还田对设施土壤质量的影响，为实现设施瓜菜生产的可持续发展提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验设计

试验于2017年8月至2019年6月在全国瓜菜主产区山东省莘县(115°67′E,36°23′N)的一个日光温室(120 m长，12 m宽)内进行，该地区属于典型的温带大陆性季风气候，四季分明，光照充裕，年日照时数2 480 h，年平均气温13.4 ℃，年平均降水量502 mm。试验地土壤质地为潮土，供试土壤(0—30 cm)试验开始前的基本理化性质为：有机质15.5 g/kg，碱解氮52.2 mg/kg，速效磷44.4 mg/kg，速效钾167.1 mg/kg。一年两熟，轮作制度为秋冬茬黄瓜—冬春茬甜瓜，2017年8月16日试验开始，2019年6月15日试验结束，每种作物两个生长季。

本试验设置6个处理，分别为农民常规处理(鸡粪+化肥)和5个不同量菌渣还田处理(菌渣+化肥)，每个处理3次重复，随机设计，共有18个小区，每个小区面积60 m2。常规处理(Conventional,CON)每茬的鸡粪施用量为45 t/hm2，菌渣(fungal residue,FR)还田处理每茬的菌渣使用量分别为15(FR1)，30(FR2)，45(FR3)，60(FR4)和75(FR5)t/hm2。菌渣和鸡粪全部作为基肥使用，菌渣为当地常见易取的草菇菌渣，主要成分为：有机质含量62.1%～77.6%，全氮含量1.0%～1.3%，全磷(P2O5)含量0.6%～1.2%，全钾(K2O)含量0.6%～1.0%。鸡粪购自当地养殖场，主要成分为：有机质含量25%～40%，全氮含量1.6%～2.7%，全磷含量1.2%～2.3%，全钾含量1.1%～2.7%。所有处理的化肥施用量一致，每季黄瓜施肥量为30 kg N，15 kg P2O5，40 kg K2O，其中基肥量为12 kg N，10 kg P2O5，15 kg K2O，追肥量为18 kg N，5 kg P2O5，25 kg K2O；每季甜瓜施肥量20 kg N，15 kg P2O5，30 kg K2O，其中基肥量为4.5 kg N，2.5 kg P2O5，4.5 kg K2O，追肥量为15.5 kg N，12.5 kg P2O5，25.5 kg K2O。黄瓜和甜瓜定值前按照比例将菌渣或鸡粪和化肥(基肥)撒施到地面，然后旋耕与土壤混合均匀。追肥时先将肥料按比例溶于水，然后通过施肥器进行灌溉施肥。试验期间采取的其他田间管理措施，诸如铺地膜、灌溉、防病等各试验小区实施水平严格一致。

1.2 土壤样品采集与测定方法

土壤样品于试验结束后在各个小区0—30 cm 土层多点采集，土壤样品带回实验室后分两份，一份通风阴干后用于测定土壤有机碳和全氮，另一部分剔除根系及有机残体后用于测定土壤微生物量碳、氮。

土壤有机碳和全氮分别采用重铬酸钾—浓硫酸氧化(外加热法)和凯氏法消煮半微量滴定法测定[19]。采用氯仿熏蒸法—硫酸钾浸提法测定微生物量碳、氮含量[20]。

1.3 数据处理

采用Excel软件对数据进行处理和绘图，采用SPSS 22.0统计分析软件对数据进行差异显著性检验(Duncan法，α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 菌渣还田对土壤有机碳和全氮的影响

如图1所示，相比常规处理(CON)，菌渣还田(FR1—5)可以显著增加土壤有机碳含量，FR1，FR2，FR3，FR4和FR5的增幅分别为12.0%，11.2%，21.6%，33.1%和31.7%。土壤全氮的变化趋势与土壤有机碳的变化趋势类似，相比CON，FR1，FR2，FR3，FR4和FR5的土壤全氮分别增加了3.1%，6.3%，19.9%，29.4%和26.4%，但是FR1，FR2与CON处理间差异不显著。综合土壤有机碳与全氮的变化趋势来看，土壤有机碳与土壤全氮含量都是呈现随着菌渣施用量的增加先增加后降低的趋势，FR4处理的土壤有机碳和土壤全氮含量最高。菌渣还田量与土壤有机碳和土壤全氮含量均呈一元三次函数关系(见图2)，菌渣还田量的多少可以解释99.96%的土壤有机碳变化和99.91%土壤全氮变化。

注：不同小写字母表示不同处理在p<0.05水平差异显著。下同。

图2 土壤有机碳和全氮与菌渣还田量的关系

从图3可以看出，所有处理的碳氮比(C/N)无显著差异，在8.5～9.2之间变化，尽管没有显著差异，但是相比CON处理，菌渣还田处理还是增加了土壤碳氮比，FR1，FR2，FR3，FR4和FR5分别增加了8.6%，5.2%，1.4%，2.8%和4.1%。

图3 菌渣还田对土壤碳氮比(C/N)和土壤微生物碳氮比(MBC/MBN)的影响

2.2 菌渣还田对土壤微生物量碳、氮的影响

从图4可以看出，随着菌渣还田量的增加，土壤微生物量碳、氮含量也随之增加，并且微生物量碳、氮与菌渣还田量呈线性关系(见图5)，菌渣还田量的变化可以解释97.31%的土壤微生物量碳含量变化和94.54%的土壤微生物量氮含量变化。与CON相比，除了FR1处理的土壤微生物量碳、氮降低以外，其他4个菌渣还田处理均增加了土壤微生物碳、氮含量。FR2，FR3，FR4和FR5的微生物量碳的增幅分别为16.1%，19.9%，36.8%和50.7%，而微生物量氮的增幅则分别3.3%，37.7%，40.4%和60.9%。图3表明，所有处理的微生物量碳氮比(MBC/MBN)无显著差异，在3.0～3.9之间变化。与土壤碳氮比不同是，菌渣还田处理(FR2除外)相比常规处理降低了土壤微生物量碳氮比。FR1，FR3，FR4和FR5相比CON处理分别降低了8.3%，20.9%，12.8%和16.6%。

图4 菌渣还田对土壤微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)的影响

图5 土壤微生物量碳和微生物量氮与菌渣还田量的关系

2.3 土壤微生物量碳氮与土壤有机碳和全氮的相关性分析

如图6所示，MBC/SOC和MBN/TN的变化范围分别是1.75%～2.34%和4.67%～6.58%,且均在FR5处理最高，FR1处理最低.与常规处理相比，高量菌渣还田处理(FR4和FR5)均增加了MBC/SOC和MBN/TN。FR1相比CON处理降低了MBC/SOC和MBN/TN，降幅分别为14.1%和9.3%。FR2相比CON处理增加了MBC/SOC，但是降低了MBN/TN，FR3处理的情况与FR2恰恰相反，相比CON处理增加了MBN/TN。

图6 土壤微生物碳占有机碳(MBC/SOC)和土壤微生物氮占全氮(MBN/TN)的比例

从表1可以看出，SOC与TN，MBC和MBN均呈极显著正相关关系，相关系数分别为0.914，0.816，0.654。TN与MBC和MBN分别呈极显著正相关关系，相关系数分别为0.825，0.681.MBC与MBN之间呈现极显著正相关关系，相关系数为0.745。

表1 土壤不同形态碳氮的相关性分析

3 讨 论

土壤微生物量碳、氮可以表征土壤微生物量，能够准确地反映土壤状况，是评价土壤质量和肥力的重要指标[21-22]。研究发现，施用菌渣等有机肥可以快速增加土壤微生物量碳、氮含量[18,20]。本研究发现，施用菌渣比施用鸡粪增加了土壤微生物量碳、氮含量，并且分别与土壤有机碳和全氮呈极显著正相关关系，这可能是因为菌渣原料在种菇前已经经过了一次发酵，活性有机碳和氮含量要比没有经过发酵的鸡粪高，从而增加土壤有机碳和全氮，经过土壤和菌渣中微生物的作用进而增加土壤微生物量碳、氮含量。本研究还发现，随着菌渣还田量的增加，土壤微生物量碳、氮含量呈现直线上升，菌渣还田量的变化可以解释97.31%的土壤微生物量碳含量变化和94.54%的土壤微生物量氮含量变化，这可能是因为菌渣本身富含碳、氮可以为微生物提供充足的碳、氮源的原因。研究[23-24]表明，土壤微生物碳氮比(MBC/MBN)可以反映土壤氮素的供应能力，MBC/MBN较低时，土壤氮素有较高的生物有效性，从而可以提高土壤氮素利用率。本研究发现，菌渣还田可以降低MBC/MBN，这可能是因为菌渣还田后土壤氮素的生物活性增大，更多的氮素被微生物同化，从而使微生物体内氮含量升高，造成微生物碳氮比下降。这说明菌渣还田可以提高设施土壤氮素的生物有效性进而可以提高氮素利用率，其中FR3处理的效果最好。虽然土壤微生物量碳、氮分别在土壤有机碳和全氮占很小的比例，但它们在土壤碳氮循环与转化的过程中起着非常重要的作用，土壤微生物量碳与有机碳的比值(MBC/SOC)可以表征土壤有机碳生物有效性[4,18]。研究表明，有机物料还田能提高MBC/SOC[3,25]。本研究发现，相比常规处理的鸡粪还田，少量菌渣还田(FR1)降低了MBC/SOC，这说明虽然少量菌渣还田可以提高土壤SOC，但有机碳的周转速度有可能降低，而高量菌渣还田则不存在这个问题。土壤微生物量氮与全氮的比值(MBN/TN)可以作为土壤氮素可利用指标[4,21]。本研究发现，相比常规鸡粪还田，高量菌渣还田(FR3，FR4和FR5)增加了MBN/TN，这说明高量菌渣还田可以提高土壤氮素可利用性。本文初步研究了菌渣还田对设施土壤有机碳、全氮、微生物量碳氮的影响，但是本研究只有一年两个生长季，而菌渣还田对土壤质量的影响是长期的，并且本次所用菌渣为单一品种菌渣。因而今后要加强不同物料配比菌渣还田对设施土壤质量、微生物特征及其长期影响等研究方向。

4 结 论

(1) 本试验条件下，菌渣代替鸡粪还田可以显著提高土壤有机碳和全氮含量，土壤有机碳和全氮含量与菌渣还田量均呈一元三次函数关系，其中FR4处理对土壤有机碳和全氮含量的提高能力最高。

(2) 本试验条件下，菌渣代替鸡粪还田可以显著提高土壤微生物碳、氮含量，并且土壤微生物碳、氮含量随着菌渣还田量的增加而增加，土壤微生物碳、氮含量与菌渣还田量呈线性关系，但FR4和FR5处理间的土壤微生物碳、氮含差异不显著。

(3) 本试验条件下，菌渣代替鸡粪还田可以提高土壤氮素供应能力和土壤生物有效性，进而提高土壤肥力。

(4) 综合考虑，在设施瓜菜生产中用菌渣代替鸡粪还田是改善设施土壤状况、提高土壤肥力的有效途径，同时又可减少投入和提高菌渣的资源化利用，对于瓜菜菌的绿色和可持续发展具有重要意义。