地膜覆盖及不同施肥处理对根际土壤微生物数量和酶活性的影响

胡庆兰，杨 凯，王金贵,2

(1.青海大学 农牧学院，西宁 810016；2.省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，西宁 810016)

土壤微生物与土壤酶共同参与土壤的能量流动和物质循环[1]，是评价土壤肥力的重要指标之一[2]。土壤酶活性与土壤微生物生命代谢活动是相互关联的[3]。研究表明，根际细菌和放线菌数量增加，有利于改善根际土壤的微生态环境，进而提高土壤肥力和促进植物根系发育及养分吸收[4]。地膜覆盖可以降低由于降雨造成的土壤养分流失，改善土壤水热状况，显著提高土壤养分[5]，国内外研究表明覆膜还可以改善土壤酸碱度[6-7]，为微生物生存提供良好的环境[8]，从而促进作物的生长发育。土壤酶来自微生物、植物和动物的活体或残体，通过催化土壤中的生化反应发挥重要作用[2]；且土壤微生物数量的改变也会使土壤酶活性发生改变[9]。相关研究表明植物在不同的生育期会对土壤中的主要微生物群落构成产生明显的影响，而不同施肥处理则在一定程度上加剧了土壤三大微生物群落结构的变化幅度[10]。不同施肥处理对土壤微生物多样性的影响存在差异[11]，Li等[12]和王宁等[13]的研究表明长期单施化肥导致土壤细菌多样降低，而有机肥部分替代化肥对恢复土壤细菌多样性最优，细菌和放线菌的数量较单施化肥处理增加28.2%～84.6%；Xia等[14]和顾美英等[15]的研究表明生物炭配施化肥能减少速态氮的损失，提高微生物活性。许跃齐等[16]的研究结果表明，生物炭的施加较单施化肥增加了细菌和放线菌数量45.77%～192.45%，降低了真菌数量；而屈忠义等[17]的研究结果表明生物炭的施加使细菌、真菌和放线菌的数量较单施化肥处理均有明显增加。因此，比较分析地膜覆盖下不同施肥处理对不同生育期土壤中细菌、真菌、放线菌数量的影响，在提高肥料利用效率以及评价土壤质量上具有一定的理论和现实意义。

目前，对于土壤微生物数量及土壤酶活性的影响研究较多[18-19]，但通过结合采集作物不同生育期根际土壤和非根际土壤研究土壤酶活性和微生物数量的研究报道较少。因此，本试验以青海省最大的覆膜玉米种植区民和县为研究区域，采用室内分析和田间试验相结合的方法，研究了地膜覆盖和不同施肥处理对玉米不同生育期土壤微生物数量和土壤酶活性的影响，为当地玉米高效生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区域地位于青海省海东市民和回族土族自治县(102°26′～103°04′ E，35°45′～36°26′ N)，属高原大陆性干旱气候，年均气温9 ℃，年降雨量约360 mm，无霜期约198 d，土壤类型以栗钙土、黑钙土和灰钙土为主。海拔最高4 220 m，最低 1 650 m，平均海拔2 200 m。全县农作物播种面积4.45万hm2，其中覆膜玉米种植面积2020年超过2.67万hm2，为青海省最大覆膜玉米种植区。前茬作物为玉米。试验地耕层(0～20 cm)土壤基本理化性质：有机质19.84 g/kg，速效磷48.71 mg/kg，速效钾59.43 mg/kg，碱解氮 116.63 mg/kg，pH 8.29。

1.2 试验设计

本研究采用裂区试验设计，主区2水平为覆膜和无膜，副区4水平分别为对照(CK)、氮磷钾配施(NPK)、氮磷钾配施有机肥(NPKO)和氮磷钾配施生物炭(NPKB)，共计8个处理，每个处理重复3次，小区面积为20 m2(长×宽=5 m× 4 m)。具体试验处理见表1。供试氮肥为尿素(N 46%)，磷肥为磷酸二铵(P2O546%)，钾肥为硫酸钾(K2O 50%)，有机肥为商品有机肥[有机质≥45%，总养分(N-P2O5-K2O)≥5%]；生物炭以玉米秸秆为原料，养分含量分别为有机质 404.77 g/kg、全氮 8.45 g/kg、全磷2.31 g/kg、全钾15.55 g/kg；地膜为聚乙烯农用地膜，厚度为 0.01 mm。化肥、有机肥和生物炭在播种时一次全部施入。供试玉米品种为‘玉源7879’(杂交种)，播种量为60 000株/hm2。该试验于2020年和2021年进行，所用数据为2021年试验数据。

表1 试验处理组合及肥料用量Table 1 Test treatments and fertilizer rate

1.3 样品采集和测定

播种后于苗期、大喇叭口期、乳熟期和完熟期，按照五点采样法采集玉米根际土和非根际土，其中根际土壤样品采用抖根法[20]采集。由于苗期玉米根系较小，比较脆弱，因此未采集苗期的根际土壤。将各点土壤样品混合均匀，除去根系、残膜和石子等杂物后带回实验室，一部分土壤在室内风干，过1 mm筛后用于土壤酶活性的测定；另一部分土壤4 ℃保存，用于土壤微生物数量的测定。土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，土壤磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定[21]。土壤微生物数量采用平板菌落计数法测定[22]。细菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，真菌采用马丁培养基，放线菌用改良高氏 Ⅰ 号培养基。

1.4 数据分析

用 SPSS 18.0软件进行方差分析，采用Duncan’s法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤脲酶活性的影响

大多数细菌、真菌都具有脲酶，其能促进有机质分子中肽键的水解，且脲酶活性与土壤中微生物数量以及有机质含量等呈正相关[22]。对于同一处理下的非根际土壤而言，土壤脲酶活性在整个生育期主要呈升-降-升的趋势(表2)。覆膜条件下同一处理的根际土壤的脲酶活性在3个生育期中主要呈下降趋势(表3)。由表2、表3可以观察到，在玉米的各生育期中，覆膜处理的土壤脲酶活性基本都高于无膜处理。

从表2可以看出，对于非根际土壤，苗期CK-C处理的脲酶活性显著高于NPKO-C及NPKB-C处理(P<0.05)；大喇叭口期和乳熟期CK-C处理的脲酶活性显著高于NPK-C、NPKO-C及NPKB-C(P<0.05)；完熟期NPK-C处理显著高于CK。总体而言，施肥降低了非根际土壤的脲酶活性。但对于根际土壤而言，覆膜条件下施肥可使脲酶活性增加，其中脲酶活性在大喇叭口期最高，NPK-C、NPKO-C、NPKB-C分别较CK-C增加了31.03%、66.01%、49.26%。由表3可知，对于根际土壤，大喇叭口期NPKO-C处理的脲酶活性与CK-C具有显著性差异(P<0.05)，脲酶活性提高了66.01%；乳熟期NPKB-C、NPKB处理与CK-C具有显著性差异(P< 0.05)，脲酶活性提高了61.57%、100.00%；完熟期NPKO-C、NPKB-C处理均与CK-C具有显著性差异(P<0.05)，脲酶活性分别提高了 47.11%、75.21%。

表2 不同施肥处理和覆膜下非根际土壤脲酶活性变化Table 2 Changes of non-rhizosphere urease activity under different fertilization and mulching

表3 不同施肥和覆膜处理下根际土壤脲酶活性变化Table 3 Changes of rhizosphere urease activity under different fertilization and mulching

2.2 不同处理对土壤蔗糖酶活性的影响

土壤蔗糖酶活性与土壤中微生物数量以及微生物的活动呈正相关[22]。对于非根际土壤而言，土壤蔗糖酶活性在整个生育期主要呈升-降-升的趋势(表4)。同一处理下根际土壤的蔗糖酶活性在3个生育期中主要呈下降趋势(表5)。

从表4可以看出，对于非根际土壤，苗期的蔗糖酶活性NPKB处理与CK处理具有显著性差异(P<0.05)，蔗糖酶活性提高了76.30%；大喇叭口期NPKO处理与CK具有显著性差异(P<0.05)，蔗糖酶活性提高了50.19%；乳熟期NPKO、NPKB处理与CK均具有显著性差异(P<0.05)，蔗糖酶活性分别提高了33.99%和 30.13%；完熟期NPKO、NPKB处理与CK-C均具有显著性差异，蔗糖酶活性分别提高了 134.77%、139.07%。

表4 不同施肥和覆膜处理下非根际土壤蔗糖酶活性变化Table 4 Changes of non-rhizosphere invertase activity under different fertilization and mulching

根际土壤的蔗糖酶活性在大喇叭口期最高，NPK-C、NPKO-C、NPKB-C分别较CK-C高 38.43%、117.53%、64.94%。由表5可知，对于根际土壤，大喇叭口期的蔗糖酶活性表现为NPK处理与CK具有显著性差异(P<0.05)，蔗糖酶活性提高了94.76%；乳熟期NPKB-C处理与CK-C具有显著性差异(P<0.05)，蔗糖酶活性提高了50.46%；完熟期NPK、NPKO、NPKB处理与CK均具有显著性差异(P<0.05)，蔗糖酶活性分别提高了40.17%、42.50%和52.79%。可见，施肥可以提高土壤蔗糖酶活性。

表5 不同施肥和覆膜处理下根际土壤蔗糖酶活性变化Table 5 Changes of rhizosphere invertase activity under different fertilization and mulching

2.3 不同处理对土壤碱性磷酸酶活性的影响

磷酸酶能够酶促有机磷化合物的水解，可以用来表征土壤肥力状况[22]。对于同一处理下的非根际土而言，土壤碱性磷酸酶活性在整个生育期主要呈升-降的趋势(表6)。同一处理下根际土的碱性磷酸酶活性在3个生育期中主要呈升-降趋势(表7)。且非根际土与根际土的碱性磷酸酶活性都在乳熟期达到最大值。

从表6可以看出，对于非根际土，大喇叭口期的碱性磷酸酶活性NPKB-C处理与CK-C具有显著性差异(P<0.05)，碱性磷酸酶活性提高了28.83%；乳熟期NPK-C、NPKB-C处理与CK-C均具有显著性差异(P<0.05)，碱性磷酸酶活性分别提高了21.21%、15.17%；完熟期NPKB-C处理与CK-C具有显著性差异(P<0.05)，碱性磷酸酶活性提高了39.22%。

表6 不同施肥和覆膜处理下非根际土壤碱性磷酸酶活性变化Table 6 Changes of non-rhizosphere alkaline phosphatase activity under different fertilization and mulching

根际土壤的碱性磷酸酶活性在乳熟期最高，NPK、NPKO、NPKB分别较CK提高了43.84%、 30.38%、31.53%。由表7可知，对于根际土，大喇叭口期NPK与CK-C具有显著性差异(P< 0.05)，碱性磷酸酶活性提高了8.05%；乳熟期NPK与CK具有显著性差异(P<0.05)，碱性磷酸酶活性提高了43.84%；完熟期NPK、NPKO处理与CK-C均有显著性差异(P<0.05)，碱性磷酸酶活性分别提高了20.21%、25.70%。总体而言，施肥处理的碱性磷酸酶活性比不施肥处理要高。

表7 不同施肥和覆膜处理下根际土壤碱性磷酸酶活性变化Table 7 Change of rhizosphere alkaline phosphatase activity under different fertilization and mulching

2.4 不同处理对土壤细菌数量的影响

由图1、图2可知，不同施肥处理下乳熟期根际土壤与非根际土壤的细菌数量整体较高。不同施肥处理下各生育期覆膜条件下的细菌数量均高于无膜处理，且施肥处理的土壤细菌数量比不施肥处理要高。

图1 不同施肥和覆膜处理下非根际土壤细菌数量变化Fig.1 Change of non-rhizosphere bacterial numbers under different fertilization and film mulching

图2 不同施肥和覆膜处理下根际土壤细菌数量变化Fig.2 Change of number of rhizosphere bacteria under different fertilization and film mulching

各生育期非根际土壤的细菌数量为乳熟期>完熟期>苗期>大喇叭口期。苗期NPKO、NPKO-C处理细菌数量显著高于CK(P<0.05)，分别为4.03×105cfu/g、4.41×105cfu/g。大喇叭口期各处理之间无显著性差异，NPK-C、NPKB-C处理的细菌数量分别较CK-C增加了1.45%、10.14%。乳熟期NPK-C、NPKO-C、NPKB-C处理细菌数量均显著高于CK-C(P<0.05)，分别为8.80×105cfu/g、6.98×105cfu/g、6.88×105cfu/g。

各生育期根际土壤的细菌数量为乳熟期>大喇叭口期>完熟期。乳熟期细菌数量最大，其中NPK-C、NPKO-C分别较CK-C增加了19.74%、26.26%。大喇叭口期NPK-C、NPKO-C处理细菌数量显著高于CK-C(P<0.05)，分别为 2.38×105cfu/g、3.32×105cfu/g。乳熟期CK-C、NPK、NPK-C、NPKO、NPKO-C、NPKB、NPKB-C处理细菌数量均显著高于CK处理 (P<0.05)。完熟期NPKO处理细菌数量显著高于CK(P<0.05)，为2.91×105cfu/g。

2.5 不同处理对土壤放线菌数量的影响

由图3、图4可知，不同施肥处理的非根际土壤完熟期的放线菌数量最高；根际土则是乳熟期放线菌数量最高。且不同施肥处理下各生育期覆膜处理的放线菌数量均高于不覆膜处理。

图3 不同施肥和覆膜处理下非根际土壤放线菌数量变化Fig.3 Change of non-rhizosphere actinobacteria numbers under different fertilization and film mulching

图4 不同施肥和覆膜处理下根际土壤放线菌数量变化Fig.4 Change of number of soil actinomycetes in rhizosphere under different fertilization and film mulching

各生育期非根际土壤的放线菌数量为完熟 期>乳熟期>大喇叭口期>苗期。苗期NPK、NPKB-C处理的放线菌数量显著高于CK处理(P<0.05)，分别为0.97×104cfu/g、1.01×104cfu/g。大喇叭口期NPKB-C放线菌数量显著高于CK，为1.41×104cfu/g。乳熟期各处理之间无显著性差异，NPK-C、NPKO-C分别较CK-C增加了3.51%、8.31%。完熟期NPK-C、NPKO-C、NPKB-C处理的放线菌数量均显著高于CK处理(P<0.05)，分别为8.44×104cfu/g、9.86×104cfu/g、8.23×104cfu/g。

各生育期根际土壤的放线菌数量为乳熟期>大喇叭口期>完熟期。乳熟期放线菌数量最大，NPK-C、NPKO-C、NPKB-C处理分别较CK-C增加了23.49%、62.94%、46.97%。大喇叭口期NPK-C、NPKO-C、NPKB-C处理的放线菌数量均显著高于CK处理(P<0.05)，分别为5.47×104cfu/g、5.46×104cfu/g、4.23×104cfu/g。乳熟期NPKO-C、NPKB-C处理的放线菌数量均显著高于CK处理(P<0.05)，分别为8.88×104cfu/g、8.01×104cfu/g。完熟期NPK、NPK-C、NPKO、NPKO-C、NPKB、NPKB-C处理的放线菌数量均显著高于CK-C处理(P<0.05)，分别为CK-C的4.16、4.83、3.36、4.19、2.21、2.44倍。

2.6 不同处理对土壤真菌数量的影响

由图5、图6可知，不同施肥处理下根际土壤大喇叭口期真菌数量最高。除NPK-C、NPKB-C处理外，各生育期非根际土壤的真菌数量为乳熟期>苗期>大喇叭口期>完熟期。苗期NPK、NPKB-C处理的真菌数量显著高于CK处理 (P<0.05)，分别为0.39×103cfu/g、0.83×103cfu/g。大喇叭口期NPKB-C处理的真菌数量显著高于CK处理(P<0.05)，为0.94×103cfu/g。乳熟期NPKO-C处理的真菌数量显著高于NPK处理(P<0.05)，为1.09×103cfu/g。完熟期NPK-C、NPKB-C处理的真菌数量显著高于CK处理(P<0.05)，分别为1.11×103cfu/g、 1.45×103cfu/g。

图5 不同施肥和覆膜处理下非根际土壤真菌数量变化Fig.5 Change of non-rhizosphere fungi under different fertilization and film mulching

图6 不同施肥和覆膜处理下根际土壤真菌数量变化Fig.6 Change of number of rhizosphere fungi under different fertilization and coating treatment

各生育期根际土壤的真菌数量为大喇叭口 期>乳熟期>完熟期。大喇叭口期真菌数量最大，NPK-C、NPKO-C分别较CK-C高120.30%、 60.89%。大喇叭口期NPK-C处理的真菌数量显著高于CK-C处理(P<0.05)，为4.45×103cfu/g。乳熟期NPKO-C处理的真菌数量显著高于NPKB处理(P<0.05)，为0.81×103cfu/g。完熟期NPK-C、NPKB-C处理的真菌数量均显著高于CK处理(P<0.05)，分别为0.63×103cfu/g、0.66×103cfu/g。

2.7 土壤微生物数量和土壤酶的相关性分析

由表8可知，根际土壤细菌数量与根际土壤脲酶活性及蔗糖酶活性正相关，与根际土壤碱性磷酸酶活性显著正相关(P<0.05)。根际土壤放线菌数量与根际土壤脲酶活性、根际土壤蔗糖酶活性和根际土壤碱性磷酸酶活性正相关，与细菌数量极显著正相关(P<0.01)。根际土壤真菌数量与根际碱性磷酸酶活性正相关，与细菌数量及放线菌数量显著正相关(P<0.05)。

表8 不同施肥和覆膜处理下根际土壤微生物数量和酶活性相关性Table 8 Correlation of microbial number and enzyme activity in rhizosphere soil under different treatments of fertilization and film mulching

3 讨 论

土壤酶与土壤微生物之间存在着密切的关系，土壤酶活性包括已积累于土壤中的酶活性，也包括正在增殖的微生物向土壤释放的酶活性。土壤酶和土壤微生物一起共同推进土壤的代谢过程[21]。本研究表明，对于根际土壤而言，覆膜条件下，整个生育期化肥配施有机肥(NPKO-C)处理的脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性基本高于对照(CK-C)。王玉等[23]和李宽莹等[24]的研究表明化肥肥效快而高，有机肥养分全面且含有大量有机质，能够提高土壤酶活性，增加土壤有益微生物数量。不同施肥处理的根际土壤脲酶活性基本在大喇叭口期达到最大值，蔗糖酶活性也基本是大喇叭口期最高，碱性磷酸酶活性基本是乳熟期最高。在整个生育期，不同施肥处理下玉米根际土壤的脲酶活性及蔗糖酶活性均在大喇叭口期达到最大，这种变化规律与玉米的生长发育状况是相同的，这与李潮海等[25]的研究结果一致。但本研究结果表明不施肥处理的非根际土壤脲酶活性比施肥处理总体较高，这可能是由于脲酶活性受肥料种类[26]、施肥方式[27]、土壤质地以及不同水分管理措施等[28]的影响，赵欣月[29]的研究表明土壤脲酶活性与土壤温度和湿度等土壤环境因素有关，条件相同时增施肥料会抑制脲酶活性，具体原因还有待进一步研究。

本研究表明，施肥和覆膜能增加土壤中细菌、真菌、放线菌的数量。与其他施肥处理相比较，化肥配施有机肥(NPKO-C)更能增加土壤中细菌、真菌、放线菌的数量，这与李秀英等[30]和刘杏兰等[31]的研究结果一致。根际土壤细菌数量与根际土壤脲酶活性显著正相关，这与李生仪等[32]的研究结果一致，且根际细菌、放线菌和真菌数量两两之间均呈正相关。与单施化肥相比，配施有机肥后土壤摄入大量功能菌，从而刺激了细菌及放线菌的繁殖[33]。根际土壤细菌和放线菌数量的增加有利于调节作物生长发育[34]、改善土壤微生态环境[35]。本试验中化肥配施有机肥(NPKO-C)能够提高土壤酶活性增加和土壤微生物数量，表明土壤酶与土壤微生物之间关系密切，这与张向前等[36]的研究结果一致。

4 结 论

本试验通过探索地膜覆盖和不同施肥处理对根际土壤微生物数量和土壤酶活性的影响，得出如下结论：(1)施肥能提高脲酶、蔗糖酶及碱性磷酸酶的活性，覆膜能使土壤脲酶活性和碱性磷酸酶活性提高。其中蔗糖酶活性和脲酶活性都在大喇叭口期达到最大值；碱性磷酸酶活性在乳熟期达到最大。(2)施肥和覆膜处理能够增加土壤细菌、放线菌和真菌的数量，其中细菌数量以及根际土壤的放线菌数量均在乳熟期达到最大值；根际土壤的真菌数量在大喇叭口期最大。综上认为，覆膜条件下化肥配施有机肥(NPKO-C)能较好地增加土壤酶活性以及土壤微生物数量，并对改善土壤质量具有一定的作用。