长期施肥对旱地红壤微生物生物量碳、氮和酶活性的影响

林小兵,柳开楼,黄尚书,何绍浪,徐小林,周琦娜,钟义军

(1.江西省红壤及种质资源研究所,国家红壤改良工程技术研究中心,江西 南昌 331717;2.江西农业大学 国土资源与环境学院,江西 南昌 330045)

红壤是我国南方地区重要的土地资源,由于受自身发育、气候等自然因素及不合理利用等人为因素的影响,红壤酸、黏、瘦、板等特性越来越突出[1-2],农业生态系统脆弱,生物多样性锐减,严重制约了红壤资源的可持续发展。施肥是改良土壤地力和提高产量的常规措施,但长期、过量施用化肥会带来土壤酸化、肥力下降、微生物活性减弱等不利影响[3-4]。针对不合理施用化肥带来的负面影响,增施有机肥或有机无机肥配施是改善土壤理化性质、微生物群落结构的重要措施[5]。

研究表明,长期有机无机肥配施可以改善旱地红壤土壤肥力,提高细菌多样性[6],与不施猪粪相比,连续施用猪粪3 a后,旱地红壤有机碳、速效养分和作物产量均得到明显提高[7]。土壤微生物生物量和酶活性常被用来评价土壤的生物学性状[8],目前,已有大量研究关于长期施肥对土壤物理、化学性质及产量的影响,而对土壤生物学特性的研究较少,特别是长期有机无机肥料配施下对旱地红壤微生物生物量碳、氮和酶活性的影响。合理的施肥制度有利于改善土壤理化性质,提高作物产量,不合理施肥则将进一步导致耕地质量下降,从而影响作物产量。因此,本研究基于种植制度为一年两季玉米的南方旱地红壤区,分析不同施肥(化肥、有机肥和有机无机肥配施)处理对不同时期不同深度下玉米土壤微生物生物量和酶活性的影响,以期准确评价长期施肥对旱地红壤生物学指标的影响。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于江西省南昌市进贤县张公镇江西省红壤研究所旱博园内(116°20′24″E、28°15′30″N),属亚热带季风气候,年均降雨量1 537 mm,年均气温17.7～18.5 ℃,海拔25～30 m。1986年试验前耕层土壤pH值 6.0,有机碳9.39 g/kg,全氮0.98 g/kg,全磷1.42 g/kg,全钾15.83 g/kg,碱解氮60.3 mg/kg,有效磷12.9 mg/kg,速效钾102 mg/kg。

1.2 试验设计

长期定位试验开始于1986年,设置4个处理:对照(不施肥,CK);化肥(氮、磷、钾肥,NPK);有机肥(鲜猪粪,OM);化肥和有机肥配施(NPKM)。随机区组排列,各小区面积22.2 m2,每个处理3次重复。种植制度为春玉米-秋玉米-冬闲,玉米品种为掖单13,每季的播种量(条播)为30 kg/hm2。肥料施用量详见表1。

表1 旱地红壤长期施肥试验各处理每季肥料用量

1.3 样品采集和测定

分别于2020年6月底(春玉米成熟期)和2020年10月底(秋玉米成熟期)进行采样,采用五点采样法,每个小区分别采集0～20 cm,20～40 cm土壤,混匀后去除根系与杂质运送至实验室,一部分放置-4 ℃冰箱保存;一部分风干过筛。在玉米成熟后,对小区内所有玉米收齐后进行脱粒、晒干和称质量。

本试验土壤化学性质参照鲁如坤[9]的《土壤农业化学分析方法》方法进行,土壤pH值采用电位法,土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾氧化-容量法,全氮(TN)采用凯氏定氮法,全磷(TP)采用碳酸钠熔融法,全钾(TK)采用氢氧化钠熔融法,碱解氮(AN)采用碱解扩散法,有效磷(AP)采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法,速效钾(AK)采用乙酸铵浸提-火焰光度法。

土壤脲酶活性采用苯酚钠比色法;过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法;磷酸单脂酶活性采用对硝基苯磷酸盐法;蔗糖酶活性采用水杨酸比色法[10]。采用氯仿熏蒸法测定土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN):称取5 g干质量的新鲜土壤样品用氯仿熏蒸24 h,并准备等量的新鲜土壤,不熏蒸作为对照组,熏蒸结束后,利用0.5 mol/L的K2SO4溶液浸提(土液比为1∶4),在摇床上浸提30 min后,过滤,得到滤液,采用TOC分析仪测定浸提液的C、N浓度,以熏蒸和不熏蒸土壤中总碳和全氮的差值除以转化系数计算得到土壤微生物生物量碳、氮含量,换算系数分别为0.45,0.54[11]。其中,微生物熵(qMB)=土壤微生物生物量碳(MBC)/土壤有机碳(SOC)。

1.4 数据统计

本试验数据采用R语言进行分析和处理,并由R语言ggplot2完成制图。

2 结果与分析

2.1 土壤微生物生物量碳、氮含量

从图1可以看出,长期施肥后旱地红壤微生物生物量碳、氮含量差异显著,春玉米时期,0～20 cm土层NPK、NPKM和OM处理MBC较CK分别提高了69.19%,141.85%,119.02%,MBN分别提高了3.33%,39.54%,23.65%;20～40 cm土层NPK、NPKM和OM处理MBC较CK分别提高了67.05%,159.15%,106.05%,MBN分别提高了31.44%,62.37%,46.65%。秋玉米时期,0～20 cm土层NPK、NPKM和OM处理MBC较CK分别提高了36.30%,96.93%,67.33%,MBN分别提高了17.09%,47.29%,34.41%;20～40 cm土层NPK、NPKM和OM处理MBC较CK分别提高了73.46%,136.72%,111.61%,MBN分别提高了29.58%,46.81%,39.30%。进一步分析MBC/MBN和微生物熵qMB发现,长期不同施肥后MBC/MBN和qMB表现为NPKM和OM处理显著高于CK处理,春玉米时期,与CK相比,0～40 cm土层NPK、NPKM和OM处理MBC/MBN分别提高了26.92%～62.61%,60.10%～71.74%,40.80%～75.65%,qMB较CK分别增加了2.50～3.73百分点,2.62～7.14百分点,2.97～5.90百分点;秋玉米时期,与CK相比,0～40 cm土层NPK、NPKM和OM处理MBC/MBN分别提高了16.08%～33.47%,33.22%～61.44%,24.13%～51.27%;qMB较CK分别增加了1.03～3.43百分点,0.61～4.15百分点,0.01～4.17百分点。总体上,0～20 cm土壤MBC和MBN明显高于20～40 cm,秋玉米时期土壤MBC和MBN明显高于春玉米。

图中不同小写字母为同一土层不同处理间差异显著,P<0.05。图2—4同。

2.2 土壤酶活性

如图2所示,长期施肥后旱地红壤酶活性差异显著。春玉米时期,与CK相比,0～20 cm土层NPK、NPKM和OM处理过氧化氢酶活性分别提高了42.61%,63.77%,79.71%,磷酸单脂酶活性分别提高了38.59%,46.02%,46.06%,脲酶活性分别提高了26.47%,82.37%,53.94%,蔗糖酶活性分别提高了101.57%,152.76%,243.31%;20～40 cm土层NPK、NPKM和OM处理过氧化氢酶活性分别提高了0.22%,33.74%,19.50%,磷酸单脂酶活性分别提高了9.82%,59.51%,31.90%,脲酶活性分别提高了12.10%,17.62%,8.73%,蔗糖酶活性分别提高了116.67%,538.89%,66.67%。秋玉米时期,与CK相比,0～20 cm土层NPK、NPKM和OM处理过氧化氢酶活性分别提高了42.60%,66.49%,74.55%,磷酸单脂酶活性分别提高了38.03%,57.39%,47.89%,脲酶活性分别提高了25.29%,58.98%,34.92%,蔗糖酶活性分别提高了51.70%,194.32%,168.75%;20～40 cm土层NPK、NPKM和OM处理过氧化氢酶活性分别提高了7.41%,50.20%,43.48%,磷酸单脂酶活性分别提高了21.76%,36.57%,22.69%,脲酶活性分别提高了18.85%,36.59%,21.56%,蔗糖酶活性分别提高了137.04%,216.67%,168.52%。

图2 长期不同施肥对旱地红壤双季玉米制度下土壤酶活性的影响

2.3 土壤养分

长期不同施肥对旱地红壤pH值、有机碳、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾等化学性质影响达显著水平(图3)。春玉米和秋玉米时期,土壤pH值在0～20 cm,20～40 cm土层均表现出OM>NPKM>CK>NPK趋势,OM和NPKM处理与CK相比,土壤pH值分别提高了0.52%～25.00%,1.04%～18.24%,而NPK则降低了0.20%～8.53%。有机碳在0～20 cm,20～40 cm土层均表现出NPKM>OM>NPK>CK趋势,春玉米时期,与CK相比,0～40 cm土层NPK、NPKM和OM处理中有机碳分别提高了3.62%～15.64%,19.79%～63.27%,4.47%～41.11%;秋玉米时期,与CK相比,0～40 cm土层NPK、NPKM和OM处理中有机碳分别提高了16.83%～19.92%,47.99%～82.21%,32.12%～66.67%。土壤全量和速效养分变化趋势和有机碳变化规律一致,除秋玉米时期0～20 cm土层外,与CK相比,NPK、NPKM和OM处理中全氮分别提高了2.00%～6.98%,10.47%～68.00%,10.47%～30.00%。春玉米和秋玉米时期,0～40 cm土层NPK、NPKM和OM处理与CK相比,全磷分别提高了3.92%～30.43%,34.38%～230.43%,35.93%～265.22%,全钾分别提高了5.61%～9.76%,6.82%～9.68%,6.16%～9.84%。增施有机肥(OM和NPKM)后,与CK相比,有效磷分别提高了6.38～7.59倍,6.65～11.64倍,单施NPK则无显著影响;春玉米和秋玉米时期,0～40 cm土层NPK、NPKM和OM处理与CK相比,碱解氮分别提高了3.27%～18.61%,23.89%～49.70%,26.70%～65.11%;速效钾分别提高了92.02%～168.06%,123.35%～302.34%,121.58%～197.49%。

2.4 玉米产量

如图4所示,春玉米产量为1 189.39～8 454.55 kg/hm2,秋玉米产量为340.91～5 477.27 kg/hm2。旱地红壤经过35 a不同施肥后,除秋玉米NPK处理外,各施肥处理均显著提高了玉米产量,增加了1.04～15.06倍,其中春、秋玉米产量均表现出:NPKM>OM>NPK>CK的趋势。春玉米时期,与CK相比,NPK、NPKM和OM处理玉米产量分别提高了1.53,6.11,4.75倍;秋玉米时期,NPK、NPKM和OM处理较CK相比产量分别提高了1.04,15.07,11.36倍。从图4还可以看出,施用有机肥处理(OM和NPKM)玉米产量也显著高于纯化肥处理(NPK)。

图4 长期不同施肥模式对双季玉米产量的影响

2.5 相关性分析

相关性分析表明(图5),春玉米和秋玉米时期,在0～20 cm土层,土壤磷酸单脂酶与土壤速效钾呈极显著正相关;土壤蔗糖酶与土壤全磷和碱解氮均呈极显著正相关;土壤脲酶与土壤速效钾呈极显著正相关;土壤过氧化氢酶与土壤全磷和碱解氮均呈极显著正相关;土壤微生物量碳与土壤有机碳、全氮、全磷、有效磷和速效钾均呈极显著正相关;土壤微生物量氮与土壤有机碳、全氮、全磷、有效磷和速效钾均呈极显著正相关。在20～40 cm土层,土壤磷酸单脂酶与土壤有效磷呈极显著正相关;土壤过氧化氢酶与土壤有效磷呈极显著正相关;土壤微生物量碳与土壤全钾和有效磷均呈极显著正相关;土壤微生物量氮与土壤全钾呈极显著正相关。

图中数值为相关系数,*、**和***分别表示在0.05,0.01,0.001水平上差异显著。

由表2可以看出,春玉米产量与土壤pH值、有机碳、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾、微生物量碳、微生物量氮、脲酶和过氧化氢酶均呈极显著正相关,还与土壤全钾、磷酸单脂酶、蔗糖酶呈极显著正相关。秋玉米产量与土壤有机碳、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、微生物量碳、微生物量氮、蔗糖酶和脲酶均呈极显著正相关,还与土壤pH值、磷酸单脂酶、速效钾和过氧化氢酶呈极显著正相关。相关性还表明,土壤养分、微生物生物量和酶活性的增加是显著促进玉米产量提高的重要措施。

表2 玉米产量与土壤养分、微生物生物量碳、氮含量和酶活性相关性

3 结论与讨论

3.1 不同施肥方式对土壤养分和玉米产量的影响

长期不同施肥对双季玉米旱地红壤的养分有着不同程度的影响,有机肥(猪粪)中含有大量作物所需的氮、磷、钾等营养元素,有机肥施入土壤后不断腐解,土壤养分如有机质、氮素、磷素及钾素不断释放[12],提高了土壤中有机质、碱解氮、速效磷及速效钾等含量。本研究发现,旱地红壤长期增施有机肥或有机无机配施可以显著提高土壤养分和pH值,而单施化肥则加速了土壤酸化,其中长期增施有机肥后土壤磷素累积明显。宋以玲等[13]研究表明,与常规施用化肥比,减量化肥配施有机肥通过改善根际土壤微生物群落来改变土壤酶活性和有效养分含量,并实现养地增产的效果。徐文静等[14]试验也表明,长期有机无机配施处理较单施化肥处理对土壤有机碳的提升作用效果更佳,与本研究结果类似。本研究发现,长期施用猪粪或猪粪与化肥配施后可显著增加玉米产量,较CK比增加了4.75～15.07倍,而单施化肥玉米产量仅增加了1.04～1.53倍。Zhong等[15]研究表明,旱地红壤连续33 a不施肥后,玉米产量基本维持初始水平,单施化肥在前15 a呈增长趋势,但在第15年后则显著下降到低于初始产量,说明长期单施化肥不利于玉米产量的提升。研究表明,施用有机肥,提高了有机碳含量和微生物固碳能力,改善了土壤孔隙结构和透气性,进而促进了作物产量的提高[16-17]。长期施用有机肥或有机无机配施可以通过改善玉米的行粒数、穗粒数和百粒质量等穗部经济性状,从而有利于获得较高的产量[18],大量研究发现,有机肥与化肥氮磷钾平衡配施不仅能改善土壤理化性状和培肥土壤,而且可协同提升农作物籽粒产量[19-20]。研究还发现,秋玉米土壤化学性质和春玉米变化规律基本一致,除土壤pH值和全钾外,土壤养分均随着土层深度增加而显著降低。向姣等[21]研究表明,耕层土壤(0～20 cm)有机碳对长期施肥响应最敏感,有机碳随剖面呈下降趋势,与本研究相似。研究发现,长期秸秆还田促进土壤表层养分累积,但土壤底层可能引起养分供应不足[22]。施肥主要集中在土壤表层,而长期定位施肥加剧了表层土壤养分的累积,造成土壤养分随土层深度降低。

3.2 不同施肥方式对土壤微生物生物量碳、氮和酶活性的影响

长期施肥后土壤酶活性和微生物生物量碳、氮含量均显著提高,且添加有机肥(猪粪)效果要优于单施化肥。有机肥投入后,土壤有机碳含量增加,微生物得到了丰富的碳源和氮源,有利于微生物繁殖和发展[23],也提高了土壤酶活性[24]。研究表明,长期施用有机肥或与化肥配施能显著提高土壤微生物多样性和微生物量氮[25-27]。有机肥不仅为土壤提供大量养分,使微生物代谢能力加强,促进土壤中腐殖质分解,而且增加作物根系生物量及分泌物,为根际微生物提供了易于吸收的碳源,从而提高了土壤中微生物生物量碳、氮[28-29]。研究还发现,有机无机肥配施土壤微生物生物量碳、氮含量均高于单施有机肥,单施有机肥缺少了土壤微生物生长的氮、碳、磷等养分,土壤微生物的繁殖及生长受限,减弱了土壤微生物对氮的固持[30]。此外,与单施化肥相比,有机无机肥配施的对氮素固定率较高,主要是有机无机肥配施避免了氮素淋失和反硝化脱氢[26]。马晓霞等[31]研究表明,长期有机物配施化肥有利于提高土壤碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶等酶活性。主要原因是有机肥为土壤带来了大量的腐殖质,促进了微生物繁殖及生长,还刺激了土壤酶活性,有机肥还改善了土壤理化性质,为土壤微生物生长提供良好环境,为土壤酶提供了更多的底物[32-34]。土壤有机碳、全氮、全磷、有效磷、碱解氮和有效磷等养分的增加是促进玉米生物量碳、氮和酶活性提高的重要措施,与以往研究结果相似[26]。试验还发现,土壤酶活性和微生物生物量碳、氮均随着土层深度增加而显著降低,而秋玉米时期土壤微生物生物量碳、氮和酶活性高于春玉米时期。潘名好等[35]研究发现,4种酶活性呈表层富集现象,均随土层深度的增加而降低,李荣等[36]调查发现,随土层深度的增加土壤微生物量碳含量逐渐下降的趋势,王伯仁等[25]在湖南祁阳旱地红壤发现,土壤养分主要集中在0～20 cm表层土壤,土壤养分丰富的地区土壤微生物生物量碳、氮和酶活性也较高。不同时期生物呼吸作用以及微生物分解残体可能影响土壤微生物生物量碳、氮和酶活性的季节差异[37],土壤酶活性主要土壤肥力状况和微生物过程的共同制约[38]。相关性还发现,秋玉米时期土壤微生物生物量碳、氮和酶活性较春玉米时期比受土壤养分影响更显著,采样时期的水、热条件变化也可能影响土壤微生物生物量碳、氮和酶活性。

3.3 不同施肥方式对土壤的长期施肥效果

连续35 a施肥后,单施化肥加速了旱地红壤酸化进程,增施有机肥则可以缓解土壤酸化,维持较高土壤pH值,但土壤磷素累积明显。长期施肥后土壤酶活性和微生物生物量碳、氮含量均显著提高,且添加有机肥(猪粪)效果要优于单施化肥。土壤微生物生物量碳、氮和酶活性与土壤养分状况对长期施肥的响应基本相同。有机无机配施是提升土壤养分、微生物生物量、酶活性和产量的最佳培肥措施,但需要注意长期施用猪粪带来的重金属等环境风险。

旱地红壤长期施用有机肥或有机无机肥配施,有利于增加土壤pH值和养分,提高微生物生物量碳、氮和酶活性,是旱地红壤肥力提升和地力保持的适宜农业措施。长期单施化肥会导致旱地红壤酸化加剧,不利于旱地红壤养分与生物肥力提升,限制了作物产量的提高,不适于该区域农业生产。