麦秸与氮肥配施对水稻根际区土壤微生物量碳氮的影响*

罗佳琳, 赵亚慧, 于建光,2,3, 王 宁,2**, 薛利红,2,3, 杨林章

(1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所/农业部长江下游平原农业环境重点实验室 南京 210014;2.江苏大学环境与安全工程学院 镇江 212001; 3.南京农业大学资源与环境科学学院 南京 210095)

在我国长江中下游地区, 水稻(Oryza sativa)-小麦(Triticum aestivum)轮作(稻麦轮作)作为一种典型种植模式在保障主要粮食安全上起着重要的作用。该模式中, 小麦收获后秸秆产生量大、茬口时间短、季节紧, 秸秆还田作为一种直接有效的秸秆处置措施被广泛采用。研究发现, 秸秆还田将改变土壤碳氮供应状况及其循环速率、土壤基本性质和土壤生态系统结构组成, 进而能够有效改善土壤结构、增加土壤养分和提高作物产量[1-2], 其影响效应与土壤C/N比、土壤特性、秸秆种类、秸秆还田量、秸秆还田方式, 以及秸秆还田后的水肥管理方式等环境因素密切相关[3-6]。其中, 土壤碳氮比是影响其养分释放和还田利用的主要因素之一[7]。因此, 秸秆还田条件下, 如何合理施用氮肥是秸秆利用的关键问题。

土壤微生物作为土壤生态系统的重要组成部分,是土壤有机质和养分转化的动力[8-9]。土壤微生物生物量碳(soil microbial biomass carbon, SMBC)是土壤有机质中最为活跃部分, 可以敏感地反映出土壤有机碳的变化[10]。而土壤微生物生物量氮(soil microbial biomass nitrogen, SMBN)是土壤活性氮的重要储备库, 是植物氮营养的重要来源[11]。因此, 土壤微生物生物量碳氮是表征土壤肥力高低及变化的关键因子[12]。已有研究表明秸秆还田配施氮肥对土壤微生物生物量碳氮有着重要的影响。张丹等[13]研究发现秸秆与氮肥配施提高了土壤微生物熵, 并降低了微生物生物量C/N比, 从而增强了土壤微生物的固氮能力。但也有研究发现, 与单施化肥相比, 秸秆还田配施氮肥降低了土壤速效养分含量[14]。而稻田根际生态是水稻-土壤-微生物相互作用的场所, 比周围土壤含有较多微生物, 在植物营养转化和土壤肥力形成中起着重要作用[15]。根际土壤因受作物根系的影响, 其微生物量碳氮含量与非根际区土壤相比必然存在着显著性差异[16]。然而目前关于典型稻麦轮作区水稻非根际和根际区土壤微生物量碳氮对麦秸还田与氮肥配施的规律仍不够清晰。

因此, 本试验拟基于盆栽模拟试验, 采用根际袋法, 研究长江中下游典型稻麦轮作区水稻根际和非根际区土壤微生物碳氮对不用施肥方式的响应, 为田间精准施肥提供了一定的理论指导, 为基础研究提供了相关的理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试土壤和秸秆

通过文献检索和实地调研, 选择了江苏省两种长期稻麦轮作田块作为典型土壤采样点, 即江苏省泰州市姜堰区梁徐镇岭家村(32°43′N, 120°10′E)的高砂土, 江苏省常州市金坛区薛埠镇罗村(31°6′N,119°41′E)的黄泥土。土壤风干过2 mm筛, 混合均匀后贮存于室温备用。低肥力高砂土的土壤理化状况为: pH 7.86、EC 180.13 μs·cm−1、有机质27.68 g·kg−1、总 氮0.55 g·kg−1、速 效 磷12.00 mg·kg−1、速 效 钾206.80 mg·kg−1、C/N为29.2。高肥力黄泥土的土壤理化状况为: pH 6.03、EC 169.67 μs·cm−1、有机质28.50 g·kg−1、总氮0.88 g·kg−1、速效磷12.47 mg·kg−1、速效钾220.70 mg·kg−1、C/N为18.79。

供试秸秆来自于江苏省农业科学院小麦试验基地成熟收割后的小麦秸秆。秸秆晒干粉碎过10目筛, 混合均匀后贮存于室温备用。秸秆总碳量为475 g·kg−1, 总氮量为4.9 g·kg−1, 碳氮比为96.9。

1.2 试验设计

试验设置4种处理: ①不施加秸秆也不施加氮肥(CK); ②施加秸秆且不施氮肥(SN0); ③施加秸秆且施加低量氮肥[SN1, 尿素: 125 mg(N)∙kg−1]; ④施加秸秆且施加高量氮 肥[SN2, 尿素: 250 mg(N)∙kg−1]。每个处理3个重复。

具体试验过程如下: 每个类型土壤称取1.5 kg(干土重计)装于根际袋中, 根际袋大小为10 cm×20 cm, 网孔直径30 μm; 然后将根际袋放入PVC盆中央, 在根际袋外添加1.8 kg (干土重计)水稻土于PVC盆中。水稻种子在10%的H2O2中消毒10 min后用去离子水洗净[17], 在湿珍珠岩上发芽。将在珍珠岩上生长1周左右的水稻苗移栽至根际袋中, 每袋1株。将所有盆钵移至温室中, 在PVC盆表面盖一层黑色透气尼龙网以防止藻类生长。每盆分别施加等量的磷肥(P2O5, 90 mg∙kg−1)和钾肥(K2O, 180 mg∙kg−1)。水稻生长过程中适时灌水保持水分含量在土壤表面2 cm左右和防治病虫害, 试验周期约4个月, 待水稻于2019年11月10日生长至成熟期后, 将根际袋整个从盆中取出并剪开袋子, 将水稻整株取出, 根际袋内土壤混合均匀后作为根际土, 根际袋外土壤混合均匀后取出作为非根际土壤, 土壤主要分为两部分:一部分土壤风干后用于土壤基本性质的测定, 另一部分土壤过2 mm筛储存于−4 ℃用于土壤微生物量碳氮的测定。

1.3 土壤性质分析

土壤pH采用酸度计(pHs-3C型精密pH计, 上海雷磁仪器厂)测定(土∶水=1∶5)[18], 土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法-外加热法[18], 土壤全氮(TN)测定采用半微量凯氏法[18], 土壤碱解氮(AN)测定采用碱解扩散法[18], 土壤有效磷(AP)测定采用钼锑抗比色法[18], 土壤速效钾(AK)测定采用火焰光度计比色法[18], 土壤微生物量碳(SMBC)和微生物量氮(SMBN)测定采用氯仿熏蒸-硫酸钾浸提法[18]。

1.4 数据分析

土壤微生物生物量碳和氮的计算公式如下:

式中:EC为熏蒸与未熏蒸土壤总有机碳的差值;kEC为转换系数, 取值0.38;EN为熏蒸与未熏蒸土壤总氮的差值;kEN为转换系数, 取值0.45。

微生物熵为土壤微生物生物量碳与土壤总有机碳(SOC)的比值, 即SMBC/SOC。

微生物量碳氮比为土壤微生物生物量碳与土壤微生物生物量氮比值, 即SMBC/SMBN。

所有试验数据分析采用SPSS 22.0软件进行处理与统计分析, 图形绘制采用SigmaPlot 10.0。

2 结果与分析

2.1 非根际和根际区土壤有机碳

麦秸与不同量氮肥配施下两种类型稻田非根际和根际区土壤有机碳(SOC)含量变化如图1所示。对于高砂土, 在不施加秸秆也不施氮肥(CK)处理下,非根际区SOC含量显著高于根际区(P<0.05)。与CK相比, 麦秸直接还田且未施用氮肥(SN0)处理下非根际区SOC含量由16.51 g∙kg−1显著降低到14.31 g∙kg−1,降低13.3% (P<0.05); 而根际区SOC含量由13.54 g∙kg−1提高到14.04 g∙kg−1, 但差异不显著。与SN0土壤相比, 两种水平氮肥(SN1和SN2)施用下非根际区和根际区SOC含量均无显著性变化。与高砂土不同,对于黄泥土, CK处理下根际区SOC含量显著高于非根际区(P<0.05)。与CK处理相比, 3种处理根际区SOC含量显著降低(P<0.05), 而不同处理的黄泥土非根际区SOC含量之间并无显著性变化。以上研究结果分析发现, 两种水平氮肥施用对秸秆还田条件下两种类型稻田土壤根际和非根际区SOC并无显著性影响。

图1 麦秸与不同量氮肥配施下高砂土(A)和黄泥土(B)水稻非根际和根际区土壤有机碳含量的变化Fig.1 Changes of soil organic carbon contents in bulk and rhizosphere of rice in high sandy soil (A) and yellow mud soil (B) under combined application of wheat straw and different amounts of nitrogen fertilizer

2.2 非根际和根际区土壤微生物生物量碳

麦秸与不同量氮肥配施下, 两种类型稻田非根际和根际区土壤微生物生物量碳(SMBC)含量变化如图2所示。对于高砂土, CK处理下根际区SMBC含量显著高于非根际区(P<0.05)。与CK相比, SN0处理下非根际SMBC含量由222.78 μg∙g−1提高到329.65 μg∙g−1, 提 高47.97%; 根际区SMBC含量由246.79 μg∙g−1提高到346.23 μg∙g−1, 提高40.29% (P<0.05)。而与SN0相比, SN1处理的高砂土非根际区SMBC含量则降低12.9%; SN2处理下非根际区SMBC含量则又显著增加39.3% (P<0.05)。同时, 两种水平氮肥施用下根际区SMBC含量显著提高5.1%和8.9%(P<0.05)。以上研究结果分析发现, 与SN0相比, 当氮肥施用量较低时, 氮肥施用显著提高了高砂土根际区SMBC含量, 但降低了非根际区SMBC含量, 因此, 低氮量施用情况下高砂土根际区SMBC含量显著高于非根际区。随着氮肥施用量的增加, 氮肥施用显著提高了稻田根际和非根际区SMBC含量,由于非根际SMBC含量增加量显著高于根际, 因此,高量氮肥施用条件下, 高砂土非根际区SMBC含量显著高于根际区。

图2 麦秸与不同量氮肥配施下高砂土(A)和黄泥土(B)水稻非根际和根际区土壤微生物生物量碳(MBC)含量的变化Fig.2 Changes of soil microbial biomass carbon (MBC) contents in bulk and rhizosphere of rice in high sandy soil (A) and yellow mud soil (B) under combined application of wheat straw and different amounts of nitrogen fertilizer

与高砂土所不同, 对于黄泥土, CK处理下根际区SMBC含量显著低于非根际区(P<0.05)。与CK相比, SN0处理下非根际SMBC含量由214.26 μg∙g−1提高到375.75 μg∙g−1, 提高75.37%; 而根际SMBC含量 由206.01 μg∙g−1提高 到403.21 μg∙g−1, 提 高95.7%(P<0.05)。与SN0相比, 两种水平氮肥施用下黄泥土非根际区SMBC含量分别提高10.0%和3.0% (P<0.05); 而根际区SMBC含量在SN1处理下并无显著性变化, 但在SN2处理下根际区SMBC含量则显著增加34.6%(P<0.05)。以上研究结果分析发现, 与SN0相比, 低量氮肥施用显著提高了黄泥土非根际区SMBC含量, 而对于黄泥土根际区SMBC含量并无显著性影响, 因此, 低量氮肥施用情况下黄泥土非根际SMBC含量则显著高于根际区。而高量氮肥施用显著提高了稻田非根际和根际区SMBC含量, 由于根际区SMBC含量增加量显著高于非根际区, 因此, 高量氮肥施用条件下, 黄泥土根际区SMBC含量仍显著高于非根际区。

2.3 非根际和根际区土壤微生物熵

麦秸与不同氮肥量配施下稻田根际和非根际土壤微生物熵变化如图3所示。CK处理下高砂土非根际和根际区微生物熵为1.65%和1.50%。SN0条件下, 高砂土非根际和根际区微生物熵为2.30%和2.47%。与CK相比, SN0处理下高砂土非根际区和根际区土壤微生物熵均显著升高(P<0.05)。与SN0相比, SN1处理下高砂土非根际区土壤微生物熵降低18.3%, 而根际区土微生物熵显著升高11.7%(P<0.05)。因此, 低量氮肥施用情况下, 根际区土壤微生物熵显著高于非根际区。SN2处理下高砂土非根际区土壤微生物熵显著升高32.2%, 而根际区土壤微生物熵并无显著性变化。因此, 高量氮肥施用情况下非根际区土壤微生物熵显著高于根际区。

图3 麦秸与氮肥配施下高砂土(A)和黄泥土(B)水稻非根际和根际区土壤微生物熵的变化Fig.3 Changes of soil microbial entropy in bulk and rhizosphere of rice in high sandy soil (A) and yellow mud soil (B)under combined application of wheat straw and different amounts of nitrogenous fertilizer

黄泥土非根际和根际区微生物熵为1.44%和1.24%, 与CK相比, SN0处理下非根际区土壤微生物熵显著升高到2.80% (P<0.05), 根际区土壤微生物熵显著升高到2.74% (P<0.05)。SN1条件下, 根际和非根际区土壤微生物熵并无显著性变化。SN2处理下非根际区土壤微生物熵也无显著性变化, 只有根际区土壤微生物熵显著提高40.9% (P<0.05)。因此, 高量氮肥施用情况下, 黄泥土根际区土壤微生物熵显著高于非根际区。

2.4 非根际和根际区土壤微生物生物量氮

由图4可知, 高砂土非根际和根际区SMBN含量均显著高于黄泥土(P<0.05)。对于高砂土, CK处理下非根际区SMBN含量显著高于根际区(P<0.05)。与CK相比, SN0处理下非根际区SMBN含量由133.93 μg∙g−1降低到107.22 μg∙g−1, 降低19.9% (P<0.05),根际区并无显著变化。与SN0相比, 随着氮肥施用量的增加, SN1和SN2非根际区SMBN含量分别增加9.2% (P<0.05)和13.5% (P<0.05), 而根际区SMBN含量分别增加17.2%和27.0% (P<0.05)。以上结果说明, 氮肥施用显著提高了高砂土根际和非根际区SMBN含量。由于根际区SMBN增加量显著高于非根际区, 因此氮肥施用条件下, 高砂土根际区SMBN含量显著高于非根际区。

图4 麦秸与氮肥配施下高砂土(A)和黄泥土(B)水稻非根际和根际区土壤微生物生物量氮(MBN)含量的变化Fig.4 Changes of soil microbial biomass nitrogen (MBN) content in bulk and rhizosphere of rice in high sandy soil (A) and yellow mud soil (B) under combined application of wheat straw and different amounts of nitrogen fertilizer

对于黄泥土, CK处理下根际区SMBN含量显著高于非根际区(P<0.05)。与CK相比, SN0处理非根际区SMBN含量由50.45 μg∙g−1降低到25.71 μg∙g−1,降低49.1% (P<0.05); 根际区SMBN含量由73.81 μg∙g−1降低到59.41 μg∙g−1, 降低19.5% (P<0.05)。与SN0土壤相比, 随着氮肥施用量的增加, SN1和SN2非根际区SMBN含量分别增加68.9%和232.9% (P<0.05),而根际区SMBN含量则分别增加36.0%和25.6%(P<0.05)。以上结果分析发现, 氮肥施用显著提高了黄泥土非根际和根际区SMBN含量。当氮肥施用量较低时, 根际区SMBN含量显著高于非根际区, 高氮肥施用下, 黄泥土非根际区SMBN含量显著高于根际区。

2.5 非根际和根际区土壤微生物生物量碳氮比值

麦秸与不同量氮肥配施下, 两种土壤的稻田根际和非根际区土壤微生物量碳氮比值(SMBC/SMBN)如图5所示。高砂土非根际和根际区SMBC/SMBN为1.66～3.78, 而黄泥土非根际和根际区SMBC/SMBN为2.79～14.67。说明高砂土与黄泥土微生物菌群是显著不同的。

图5 麦秸与氮肥配施下高砂土(A)和黄泥土(B)水稻非根际和根际区土壤微生物生物量碳氮比值的变化Fig.5 Changes of soil microbial biomass carbon-nitrogen ratio in bulk and rhizosphere of rice in high sandy soil (A) and yellow mud soil (B) under combined application of wheat straw and different amounts of nitrogen fertilizer

对于高砂土, CK处理下根际区SMBC/SMBN显著高于非根际区(P<0.05)。与CK相比, SN0处理下非根际区SMBC/SMBN由1.66升高到3.08, 升高了85.5% (P<0.05); 根际区SMBC/SMBN由2.32升高到3.25, 升高了40.1% (P<0.05)。与SN0处理相比, SN1处理下非根际区SMBC/SMBN降低26.2% (P<0.05),而高氮SN2条件下, 非根际区SMBC/SMBN却增加22.7% (P<0.05), 根际区SMBC/SMBN分别降低5.2%和9.7% (P<0.05)。以上结果分析发现, 低量氮肥施用显著降低了非根际和根际区SMBC/SMBN, 而根际区SMBC/SMBN仍显著高于非根际区。然而, 高量氮肥施用则显著提高了非根际区SMBC/SMBN,并降低了根际区SMBC/SMBN, 导致非根际区SMBC/SMBN显著高于根际区。

与高砂土所不同, 对于黄泥土, CK处理下非根际区SMBC/SMBN显著高于根际区(P<0.05)。与CK相比, SN0处理下非根际区SMBC/SMBN由4.25升高到14.66 (P<0.05)。与SN0相比, 随着氮肥的施用, 非根际区SMBC/SMBN降低34.6% (SN1)和69.2%(SN2) (P<0.05); 同时, SN1处理下根际区SMBC/SMBN由6.79降低到4.99, 而SN2处理下根际区SMBC/SMBN与SN0处理无显著性差异。以上结果分析发现, 低量氮肥施用显著降低了非根际和根际区SMBC/SMBN, 而根际区SMBC/SMBN显著低于非根际区。然而, 高量氮肥施用对根际区SMBC/SMBN并无显著影响, 并显著提高了非根际区SMBC/SMBN,导致根际区SMBC/SMBN显著高于非根际区。

3 讨论

土壤微生物生物量是评估土壤活性养分库的重要指标[19]。根际土壤由于受作物根系及其根系分泌物的影响, 具有与非根际区土壤显著不同的微生物群落结构[20-24]。本研究中, 秸秆还田条件下, 黄泥土根际区SMBC和SMBN含量显著高于非根际区, 表明根际具有较高的微生物活性。根际能产生这种效应可能主要由于水稻根系不断地分泌着各种代谢产物, 包括有机酸、糖类、氨基酸、黄酮、生长素、核苷酸、酚酸类、脂肪酸和渊醇、酶类等, 为微生物生长提供营养。同时, 根表组织的死亡和脱落, 能改良周围土壤的物理性质和化学性质, 丰富了土壤有机质, 从而为微生物的大量增殖创造了条件, 使植物根际具有很高的生物活性[25]。与黄泥土类似, 高砂土根际SMBC含量也显著高于非根际区, 然而高砂土根际与非根际之间SMBN含量并无显著性差异,这很可能是由于高砂土中可利用氮含量相对匮乏,无论是根际还是非根际区, 土壤中的氮绝大部分被微生物所同化, 因此, 根际与非根际区SMBN含量并无显著性差异。整体来说, 与非根际区相比, 秸秆还田条件下两种类型土壤根际区养分有效性更高。

高碳氮比的秸秆大量还田会造成土壤氮素的固定并降低土壤微生物活性。添加秸秆能明显改善土壤的理化性质[26]。因此, 秸秆还田配施氮肥可有效促进秸秆降解, 提高土壤微生物生物量[27-28]。本研究中,秸秆与低量氮肥配施显著提高了两种类型土壤非根际和根际区SMBN含量。这可能是由于氮肥施用可为土壤微生物提供氮源, 促进含氮微生物的生长; 同时, 根际区高的微生物活性也更有利于土壤微生物氮的同化, 因此根际区SMBN含量显著高于非根际区。然而, 两种类型土壤非根际和根际区SMBC对低量氮肥的响应存在着显著性差异。秸秆还田条件下, 高砂土非根际区土壤中微生物的生长主要受到土壤性质和秸秆残体的影响, 高砂土本身C/N较高,而氮肥施用可以提高微生物活性, 促进秸秆分解固定土壤中大量的氮, 与不施秸秆且不施氮肥处理相比, 秸秆还田条件下微生物同化碳的速率在根际和非根际中都有提高, 当氮肥施用量比较低时, 随着土壤中可利用氮的降低, 土壤微生物活性很可能会逐渐降低, 从而抑制微生物的生长, 导致非根际区SMBC含量降低。然而对于黄泥土, 本身的C/N较低, 较高的有机质矿化释放出更多的无机氮, 而高的无机氮可进一步提高微生物活性[27-28], 进而提高非根际区秸秆降解程度, 产生更多的碳源供土壤微生物所利用, 从而提升非根际区SMBC含量。与非根际区相比, 根际区土壤微生物数量受土壤性质、秸秆残体及作物生长的综合影响[29-30]。根际由于受根系及其根系分泌物的影响, 具有与非根际区土壤显著不同的微生物量碳氮含量, 而且不同类型土壤中非根际与根际区微生物量碳氮含量对秸秆与不同量氮肥配施的响应也不同[31]。由于水稻根系的存在, 根际区大部分氮肥很可能用于满足水稻生长, 进而提高根系分泌物含量为微生物生长提供足够的碳源, 从而增加高砂土根际区SMBC含量, 然而对于黄泥土,除了根际分泌物增加效应, 氮源较为充足的黄泥土也会提高根际区秸秆的降解, 进而固定更多的氮源,随着根际区氮源的减少, 微生物活性又会有所降低,两者相反的效应很可能导致低量氮肥施用对根际SMBC含量并无显著性影响[32]。此外, 低量氮肥施用下, 高砂土根际区微生物量熵的增加和非根际区微生物量熵的降低, 说明氮肥施用提高了根际区微生物碳同化速率, 而降低了非根际区碳同化速率, 因而进一步导致秸秆与低量氮肥配施下, 高砂土根际区SMBC含量仍显著高于非根际区。与高砂土所不同,由于黄泥土非根际区SMBC含量的提高导致秸秆与低量氮肥配施下, 黄泥土根际区SMBC含量显著低于非根际区。综上分析可见, 秸秆与低量氮肥配施可能通过调控秸秆降解和根系分泌物含量, 提高了土壤根际和非根际区可利用氮含量, 并提高了高砂土根际区可利用有机碳含量, 以及黄泥土非根际区可利用有机碳含量, 从而增加土壤有机碳和氮养分有效性。然而, 当秸秆与低量氮肥配施条件下, 对于高砂土, 根际区对土壤有机碳和氮养分有效性贡献显著高于非根际区, 很可能是由于高砂土具有较高的C/N比, 施氮使根际区微生物同化碳的速率加大[33]; 而对于黄泥土, 非根际区对土壤有机碳和氮养分有效性贡献更大, 可能由于黄泥土养分含量较低,秸秆还田配施氮肥激活土壤微生物活性, 使得非根际区秸秆降解程度提高[34]。

随着氮肥施用量的增加, 高量氮肥施用显著提高了非根际和根际区SMBC和SMBN含量, 说明秸秆与高量氮肥配施促进了土壤微生物的生长, 这与前人[35-36]的研究结果一致。这可能是由于高量氮肥施用可以缓解秸秆还田条件下土壤氮素缺乏, 提高了微生物的活性, 进而促进秸秆腐解产生更多的小分子有机物, 供微生物同化利用, 使微生物数量快速增加。然而, 两种类型土壤非根际和根际区SMBC增加量对高量氮肥的响应存在着显著性差异。对于黄泥土, 秸秆与高量氮肥配施条件下, 根际较高的微生物活性, 使其具有较高的微生物熵, 表明根际具有较高的微生物同化速率, 因此, 黄泥土根际区SMBC含量仍显著高于非根际区。这很可能是由于大量氮肥的施用能提高微生物活性, 促进秸秆分解释放更多的碳源, 提高非根际区SMBC含量, 而根际区氮肥施用促进了水稻生长, 分泌更多的根系分泌物, 提高根际区微生物碳源, 从而也提高了根际区SMBC含量。然而, 高量氮肥施用导致了高砂土非根际区土壤微生物熵显著提高, 而根际区土壤微生物熵并无显著性变化, 说明非根际土壤微生物碳同化速率较高。因此, 尽管根际区碳源较为丰富, 但非根际区高的微生物碳同化速率, 导致秸秆与高量氮肥配施下高砂土非根际SMBC增加量更高。此外, 大量氮肥施用可促进水稻生长分泌更多根系分泌物, 为根际区微生物提供大量氮源, 促进根际含氮微生物的生长, 因此, 高砂土根际区SMBN含量显著高于非根际区。然而, 黄泥土根际区SMBN含量虽也显著增加,但其含量反而低于非根际区。这很可能是由于在根际和非根际区秸秆降解导致微生物固定氮, 而根际区的氮素会被水稻利用, 虽然根系分泌物为土壤微生物提供氮源, 但其增加量远不足水稻利用量, 因此根际区SMBN含量低于非根际区。氮肥施用促进了含氮微生物的生长, 而含氮量较高的黄泥土可加大秸秆的降解程度, 导致非根际区微生物固定更多的氮, 而根际区大部分氮肥将用于水稻生长, 提高根系分泌物含量为土壤微生物提供氮源, 增加土壤SMBN含量。然而, 根际区大量秸秆降解会造成土壤氮素的固定, 降低土壤微生物活性, 其降低效应很可能造成根际区SMBN增加量显著低于非根际区。综上分析可见, 高量氮肥施用可显著提高水稻根际和非根际土壤有机碳和氮养分有效性。然而, 高氮肥施用条件, 对于高砂土, 非根际区对土壤可利用有机碳贡献更大, 而根际区对土壤有效氮贡献较大。对于黄泥土, 根际区对土壤可利用有机碳贡献更大, 而非根际区对土壤有效氮贡献较大。

秸秆与氮肥配施条件下, 微生物量碳氮的变化也会引起SMBC/SMBN的变化, 而SMBC/SMBN经常被用来描述微生物的群落结构信息[37]。一般来说,真菌的C/N值在7～12, 细菌的C/N值在3～6[38]。本研究结果中不施秸秆和氮肥处理下高砂土非根际和根际区SMBC/SMBN约为1.67～2.32, 而黄泥土SMBC/SMBN约2.79～4.25, 麦秸直接还田且不施氮肥条件下高砂土非根际和根际区SMBC/SMBN约为3.08～3.25, 而黄泥土SMBC/SMBN约14.07～6.79, 说明两种类型土壤中微生物群落结构改变, 其中高砂土根际和非根际中细菌数量较多, 而黄泥土非根际区微生物量碳氮高达14.07, 说明非根际区主要以真菌为主, 而根际区SMBC/SMBN仅6.79, 说明根际区微生物由“真菌型”逐渐转变为“细菌型”。氮肥施用条件下, 无机氮比例逐渐增大, 适合细菌的生长, 因此, 秸秆与氮肥配施条件下, 两种类型土壤中微生物以“细菌型”为主。而高量氮肥施用下, 高砂土非根际区SMBC/SMBN的升高则可能是大量氮肥施用不仅促进了细菌生长, 也可能促进了真菌的生长, 但土壤中微生物仍以细菌型为主。对于黄泥土, 高量氮肥施用下, 根际区SMBC/SMBN高于非根际区, 很可能是由于大量氮肥施用显著促进了非根际区土壤细菌生长并降低了SMBC/SMBN, 而根际区微生物受多种因素影响SMBC/SMBN并无显著性变化。对于两种类型土壤来说, 秸秆与氮肥配施很可能是通过促进秸秆降解和根系分泌物分泌, 改变土壤中微生物量碳氮含量, 从而提高非根际区土壤碳氮养分有效性。然而, 秸秆降解及其与根系分泌物的交互作用对不同种群微生物生长协调的影响与机理尚不清楚,还有待于进一步研究。

4 结论

1)对于高砂土, 低量氮肥施用降低了非根际区SMBC含量, 增加了根际区SMBC含量, 从而提高了根际区有机碳有效性。对于黄泥土, 低量氮肥施用对根际SMBC含量并无显著性影响, 但提升了非根际区SMBC含量, 从而增加了非根际区有机碳有效性。此外, 研究发现对于高砂土, 根际区对土壤有机碳和氮养分有效性贡献显著高于非根际区, 而对于黄泥土非根际区对土壤有机碳和氮养分有效性贡献更大。

2)与未施用氮肥相比, 秸秆与高量氮肥配施显著提高两种类型土壤非根际和根际区SMBC和SMBN含量, 从而提高了土壤有机碳和氮养分有效性。然而, 两种类型土壤非根际和根际区对土壤养分的相对贡献存在着显著性差异。其中, 高砂土根际区对土壤有效氮贡献显著高于非根际区, 而有机碳有效性贡献较小; 然而, 黄泥土根际区对土壤有机碳有效性贡献高于非根际区, 而有效氮贡献较小。

3)氮肥施用条件下, 无机氮比例逐渐增大适合细菌的生长。因此, 秸秆与氮肥配施改变了微生物群落结构, 引起微生物生物量碳氮比(SMBC/SMBN)的变化, 有效提高土壤养分有效性。