施用玉米秸稈堆肥對盆栽芥菜土壤酶活性和微生物的影響

黃繼川,彭智平,于俊紅,林志軍,楊林香

(廣東省農業科學院土壤肥料研究所,廣東養分資源循環利用與耕地保育重點實驗室,廣州市城鄉廢棄物農用資源化工程技術研究中心,廣東廣州510640)

玉米秸稈是豐富的農業資源,進行堆肥后還田是利用玉米秸稈較為合理的途徑。土壤微生物與土壤酶一起作用于土壤物質轉化和能量流動,并參于許多重要的生物化學反應過程。土壤中酶活性高低和微生物數量多少可以代表土壤中物質代謝的旺盛程度,是土壤肥力的一個重要指標;同時它們受施肥因素的影響可以迅速發生變化,常被用于評價土壤質量的生物學特性[1]。近年來,許多學者從不同角度對土壤酶和土壤微生物進行了研究。在施肥方面主要研究施用化肥、有機肥或秸稈還田等條件下的土壤酶活性及根際微生物的數量和組成變化,發現施肥能夠對土壤微生物和土壤酶產生顯著影響[2-3]。秸稈堆肥還田具有改善土壤物理性狀、補充土壤養分、提高土壤有效養分含量、改善土壤微生態環境等作用[4-5];但施用玉米秸稈堆肥勢必會對土壤中酶活性和微生物群落結構造成影響。為此,本研究采用盆栽試驗探討施用玉米秸稈堆肥對土壤微生物和酶活性的影響,為玉米秸稈堆肥對土壤微生態環境的影響提供科學研究依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

盆栽試驗于2008年11月11日在廣東省農業科學院土壤肥料研究所網室進行。供試土壤為砂壤,其有機質含量9.2 g/kg、堿解氮 52 mg/kg、速效磷 81.71 mg/kg、速效鉀73.42 mg/kg、pH 5.09。

試驗共設4個處理,分別為化肥(N)、玉米秸稈堆肥(M)和二者配施(NM)以及無肥對照(CK),其中配施處理堆肥與化肥的比例為1∶1,施肥的 3個處理為等氮量,每盆裝土12 kg,按每盆施N 2.5 g計算。供試作物為586號客家芥菜(Brassica juncea),所用堆肥為玉米秸稈與花生麩堆制的腐熟肥,含N 21.72 g/kg、P2O524.27 g/kg、K2O 27.83 g/kg、pH 8.67、有機質64.52%;化肥為尿素、過磷酸鈣、氯化鉀,按 N∶P2O5∶K2O=2∶1∶1 配比 ,所有肥料拌土一次性施入15—30 cm耕層并澆濕預培養3 d,每個處理12盆,每盆種芥菜4棵,隨機排列,管理一致。

1.2 樣品采集與測定

分別在芥菜的苗期(20 d)、旺長期(40 d)和收獲期(60 d)采集土壤樣品,每次每個處理采集4盆。采用剝落分離法[6-7]取樣,將帶土植株取出,輕輕抖動,粘附在根系上的土壤作為根際土壤樣品。取樣后一部分樣品立即進行土壤微生物的測定,一部分土樣冷凍干燥過篩后進行土壤酶活性測定。

土壤有機質、pH值、堿解N、速效K和速效P采用鮑士旦的方法測定[8]。

脲酶采用苯酚-次氯酸鈉比色法[9],以24 h后1 g土壤中NH3-N的質量(mg)表示脲酶活性(U);過氧化氫酶采用滴定法[1],其活性用20 min后1 g土壤消耗0.1 mol/L KMnO4的mL數表示(U);蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法[9],以24 h后1 g土壤中葡萄糖的質量(mg)表示蔗糖酶的活性(U);纖維素酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法[1],以72 h后1 g土壤中分解纖維素生成的葡萄糖(mg)表示纖維素酶活性(U)。

土壤微生物的測定采用平板稀釋法[10]:真菌和放線菌培養基分別為購自廣州環凱微生物公司的改良馬丁培養基和高氏1號培養基,細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基[10]。

數據采用Excel和SAS軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 施用堆肥對芥菜生物量的影響

表1表明,無論地下部分還是地上部分生物量均以化肥與堆肥配施處理最高,其中地上部分生物量顯著高于其他3個處理,地下部分顯著高于單施化肥和對照,而總生物量則顯著高于其他3個處理。與對照相比,單施堆肥和堆肥與化肥配施處理分別比對照增產230.56%和402.94%;另外,單施化肥處理生物量較低,可能是土壤中無機養分含量偏高,抑制了芥菜生長,造成生物量明顯下降。

表1 堆肥對芥菜生物量的影響(g/plant)Table 1 Impacts of the compost on biomass of musturd

2.1 施用堆肥對根際土壤微生物的影響

不同生長時期芥菜根際微生物均具有一定的影響。細菌是土壤微生物的主要組成部分,在整個芥菜生長期細菌均比真菌高2個數量級,比放線菌高1個數量級。表2看出,在芥菜的整個生長期內,單施化肥可培養細菌數量均較對照降低,而單施堆肥可培養細菌數量有所增加,以化肥與堆肥配施可培養細菌數量最高,其中收獲期最高達21.41×107cfu/g,干土;與對照、單施化肥和單施堆肥相比較分別增加136.84%、349.79%和2.93%。說明施用堆肥有利于細菌的繁殖,而單施化肥則對細菌的繁殖起到抑制作用。同時,各處理可培養細菌數量均隨著芥菜的生長而增加,至收獲期達到最大值。

在芥菜的整個生長期內均以不施肥對照可培養真菌數量最低;苗期以化肥與堆肥配施最高,而旺長期和收獲期則以單施堆肥最高,其中單施堆肥最高達14.60×105cfu/g,干土(表2)。各時期內單施堆肥和化肥與堆肥配施處理可培養真菌數量較對照明顯增加,而單施化肥增加的幅度較小。同時,單施堆肥和化肥與堆肥配施處理隨著芥菜的生長可培養真菌數量有較明顯的增加,而單施化肥和對照則變化不大,說明施用堆肥能夠促進土壤真菌的繁殖。

放線菌在土壤中是一類數量僅次于細菌的微生物,它們對土壤中有機化合物的分解及土壤腐殖質合成起著重要作用,同時放線菌的次生代謝產物能夠改善土壤環境,有利于植物的生長[11]。表2顯示,芥菜整個生長期內可培養放線菌數量均以化肥與堆肥配施最高,達 11.57×106cfu/g,干土,其次為單施堆肥處理,而對照在苗期與旺長期數量均最低;在收獲期單施化肥處理最低,說明施用堆肥能夠促進放線菌的生長。同時,可培養放線菌數量隨著芥菜的生長逐漸增加,各處理至收獲期達到最大值。

表2 不同施肥處理下土壤微生物稀釋平板計數(cfu/g,干土)Table 2 Soil microbial cfus under the different fertilizer treatments by plate counting technique

2.2 施用堆肥對土壤酶活性的影響

2.2.1 脲酶 土壤脲酶廣泛存在于土壤中,能夠催化土壤中尿素分解生成氨、二氧化碳和水,對提高氮素利用率及促進土壤氮素循環具有重要作用。表3看出,土壤脲酶活性在芥菜整個生長期內均以化肥與堆肥配施最高,其次為單施堆肥處理,而苗期對照最低,旺長期和收獲期單施化肥最低。與對照相比,化肥與堆肥配施和單施堆肥均能顯著提高土壤脲酶活性,尤其以配施處理效果明顯;而單施化肥處理脲酶活性不僅沒有提高,在旺長期反而較對照顯著降低。說明施用堆肥能夠提高土壤脲酶活性,與化肥配施效果更加明顯,而單施化肥可能是土壤中無機氮含量過高,對脲酶活性產生抑制作用。

2.2.2 蔗糖酶 蔗糖酶參與碳水化合物的轉化,使蔗糖水解成葡萄糖和果糖,成為植物和微生物重要的營養來源。在芥菜整個生長期內均以化肥與堆肥配施處理蔗糖酶活性最高,單施堆肥處理次之,再次為單施化肥處理,對照酶活性最低。與對照相比,化肥與堆肥配施和單施堆肥處理均能顯著提高土壤蔗糖酶活性,而單施化肥處理在苗期和旺長期與對照無明顯差異,至收獲期顯著增加。與單施化肥相比,化肥與堆肥配施處理在整個生長期內土壤蔗糖酶活性均顯著增加;單施堆肥處理在前期顯著增加,至收獲期則與單施化肥無明顯差異,在整個生長期內單施堆肥處理土壤蔗糖酶顯著低于化肥與堆肥配施處理(表3)。在芥菜的整個生長期內化肥與堆肥配施處理酶活性較穩定,而其他施肥處理則隨著芥菜的生長酶活性逐漸降低。說明堆肥與化肥配施有利于提高和保持土壤蔗糖酶活性,促進土壤中碳水化合物的轉化。

2.2.3 過氧化氫酶 過氧化氫酶參與生物的呼吸代謝,同時可以消除在呼吸過程中產生的對活細胞有害的過氧化氫。過氧化氫酶活性與好氧微生物數量、土壤肥力有密切聯系,它可以表示土壤氧化過程的強度[4]。表3看出,各處理過氧化氫酶在苗期和旺長期無明顯變化,但在芥菜收獲期下降幅度較大。在芥菜整個生長期內均以化肥與堆肥配施過氧化氫酶活性最高,其次為單施堆肥處理,單施化肥酶活性最低。與對照相比,化肥與堆肥配施或單施堆肥均能顯著提高土壤過氧化氫酶活性,而單施化肥則明顯降低;與單施堆肥相比,化肥與堆肥配施在苗期和旺長期過氧化氫酶活性顯著增加,至收獲期無顯著差異。說明施用堆肥、尤其堆肥與化肥配施能夠顯著改善土壤生物環境,而單施化肥可能是因為無機養分過高,導致土壤酸化,抑制了過氧化氫酶活性。

表3 堆肥對芥菜根際土壤酶活性(U)的影響Table 3 Impacts of the compost on the enzyme activities in rhizosphere soil of mustuard

2.2.4 纖維素酶 纖維素是土壤有機質中的一類大分子物質,在土壤中降解速度緩慢,纖維素酶是參與纖維素循環的關鍵酶,因此,土壤纖維素酶的活力對土壤有機質的循環具有重要作用。各處理土壤纖維素酶活性均在芥菜旺長期最高,苗期和收獲期較低。化肥與堆肥配施土壤纖維素酶活性在旺長期顯著高于其他3個處理,其他時期施肥的3個處理間并無顯著差異;而對照在整個生長期內則顯著低于3個施肥處理(表3)。說明化肥與堆肥配施能夠提高土壤纖維素酶的活性,有利于土壤纖維素的降解。

2.3 土壤酶活性及微生物數量間的相關性分析

試驗表明,在芥菜的不同生長時期土壤酶活性和微生物數量的兩兩間相關性具有一定的差異。表4顯示,苗期土壤脲酶與蔗糖酶活性呈極顯著正相關,說明在苗期土壤中氮素循環與碳水化合物的轉化之間具有密切的協同效應。旺長期和收獲期脲酶與過氧化氫酶呈顯著正相關,說明在芥菜的生長中后期土壤氮素循環與土壤氧化強度緊密關聯;苗期脲酶與可培養真菌和放線菌數量之間呈顯著正相關,收獲期與可培養細菌和放線菌呈顯著正相關或極顯著正相關,說明在芥菜的整個生長期內微生物對土壤氮素的循環起到重要作用。蔗糖酶活性在苗期與可培養真菌和放線菌呈極顯著正相關,旺長期與可培養放線菌呈顯著相關,說明土壤中真菌和放線菌的繁殖與碳水化合物的轉化具有緊密的聯系。過氧化氫酶活性在苗期和收獲期均與可培養細菌數量呈顯著正相關,說明土壤中細菌的繁殖與過氧化氫酶活性緊密相關,對改善土壤微生態環境起重要作用。微生物之間在苗期和中期均未表現出相關性,至收獲期細菌與放線菌呈顯著正相關,說明隨著芥菜的生長,土壤中逐漸形成較穩定的微生物群落結構。

3 討論

在土壤-植物生態系統中,土壤微生物數量直接影響土壤的生物化學活性及土壤養分的組成與轉化,是土壤肥力的重要指標之一。同時,土壤微生物的生長繁殖也受土壤環境的制約,不同肥料的施用對土壤肥力狀況、水氣等條件具有一定的影響,從而會對土壤微生物的生長繁殖產生影響。

本試驗研究表明,芥菜根際土壤可培養微生物數量以堆肥與化肥配施和單施堆肥較高,而單施化肥和對照則顯著較低,說明施用堆肥或與化肥配施能夠促進土壤微生物生長。堆肥或與化肥配施,由于堆肥中本身攜帶大量菌群,且堆肥有機質含量高,有豐富全面的養分,能夠改善土壤結構和水氣條件,有利于土壤微生物的繁殖;而單施化肥由于養分不平衡和土壤酸化等抑制了微生物生長,這與前人研究結果一致[12-13]。同時,芥菜根際微生物隨著芥菜的生長而增加,這是芥菜根系生物量的增加,大量根系分泌物為微生物的繁殖提供了充足的養分,促進了微生物的繁殖。

施肥種類不同對土壤酶活性具有明顯影響。本試驗看出,4種土壤酶活性均以化肥與堆肥配施或單施堆肥最高,施用堆肥能夠顯著提高土壤酶活性,這與前人的研究結果一致[14-16],可能是堆肥中含有大量的酶對土壤酶有增加的作用[17],而且堆肥能夠為產酶微生物提供豐富的營養源,有利于產酶微生物的繁殖。另外,不同土壤酶在整個芥菜生長期內的變化規律也有差異。本試驗表明,脲酶活性在芥菜收獲期最高,與前人研究結果不同[12,18],蔗糖酶變化規律不明顯,且化肥與堆肥配施處理在整個生長期比較穩定,其他處理蔗糖酶活性隨著芥菜的生長逐漸降低,可能是配施處理速效和緩效養分兼備,所以酶活性較為穩定。過氧化氫酶活性在芥菜苗期和旺長期較高,收獲期有較大幅度降低,與前人研究結果不同[19];土壤纖維素酶在芥菜旺長期較高,苗期和收獲期較低,與前人研究結果相一致[19]。本試驗采用的是酸性砂壤土,栽培作物為芥菜,對土壤酶活性研究結果與前人的差異可能是由于研究材料和對象不同導致,有待進一步研究。

表4 不同生育期土壤酶活性及微生物數量相關性分析Table 4 The correlation analysis of soil enzyme activities and soil microbial CFUs during growing stage

另外,所測的部分土壤酶之間、可培養微生物之間以及土壤酶與可培養微生物之間在芥菜的不同生長時期內表現出顯著或極顯著的正相關性,與前人研究結果一致[20]。說明土壤酶活性在酶促反應時不僅具有各自的專一性,同時相互間具有一定的協同效應,表明各土壤酶活性在反映土壤生物活性方面具有一定的共性。同時土壤酶與土壤微生物之間關系密切,說明微生物生命代謝活動的加強能夠提高土壤酶活性,同時土壤酶活性的提高也促進了土壤中物質轉化速率,為微生物提供養分和良好的土壤微生態環境。

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