長期施肥對大麥生育期雙季稻田土壤微生物生物量碳、氮和微生物商的影響

唐海明，郭立君，肖小平，湯文光，孫繼民，汪柯，李微艷

湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125

長期施肥對大麥生育期雙季稻田土壤微生物生物量碳、氮和微生物商的影響

唐海明*，郭立君，肖小平，湯文光，孫繼民，汪柯，李微艷

湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125

摘要：長期有機無機肥配施定位試驗條件下，關于不同施肥處理對稻田土壤微生物特性方面的研究目前還較少。為探明大麥（Hordaum vulgare L.）各個生育時期不同施肥處理對大麥-雙季稻三熟制種植模式中稻田土壤微生物生物量碳、氮和微生物商的影響，以湖南寧鄉長期定位試驗為平臺，應用氯仿熏蒸-K2SO4提取法和化學分析法系統分析了長達28年5種施肥處理之間（化肥、秸稈還田+化肥、30%有機肥+70%化肥、60%有機肥+40%化肥和無肥）稻田土壤微生物生物量碳、氮和微生物商及大麥產量的差異。結果表明，大麥各主要生育時期，長期施肥均能提高土壤微生物生物量碳、氮含量和微生物商，各施肥處理土壤微生物生物量碳、氮含量和微生物商均隨生育期推進呈增加的變化趨勢，均于齊穗期達到最大值；其中，化肥、秸稈還田、30%有機肥和60%有機肥處理土壤微生物生物量碳含量分別比無肥增加20.04%、26.47%、45.94%和51.42%，土壤微生物生物量氮含量分別比無肥增加12.87%、18.42%、32.16 %和36.55%。60%有機肥和30%有機肥處理土壤微生物生物量碳、氮含量和微生物商均為最高，均顯著高于其他處理，其大小順序表現為60%有機肥>30%有機肥>秸稈還田>化肥>無肥。各施肥處理大麥產量分別比無肥增產357.6、683.0、721.2和782.1 kg·hm-2。長期有機無機肥配施可以提高土壤微生物生物量碳、氮和微生物商，有機肥與化肥配施對提高土壤肥力和增產效果最好。微生物生物量碳、氮及微生物商可以反映土壤質量的變化，作為評價土壤肥力的生物學指標。

關鍵詞：大麥；長期施肥；土壤微生物量碳；土壤微生物量氮；微生物商

引用格式：唐海明，郭立君，肖小平，湯文光，孫繼民，汪柯，李微艷. 長期施肥對大麥生育期雙季稻田土壤微生物生物量碳、氮和微生物商的影響[J]. 生態環境學報, 2015, 24(6): 978-983.

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土壤微生物是土壤有機質和養分循環轉化的動力，是土壤養分轉化過程中一個重要的活性庫或源，對土壤碳、氮、磷和硫的植物有效性及在陸地生態系統的循環產生深刻的影響。土壤微生物量碳（soil microbial biomass carbon，SMBC)、土壤微生物量氮（soil microbial biomass nitrogen，SMBN）、微生物熵（microbial quotient）均被用作評價土壤肥力和土壤質量早期變化的有效指標（陳安磊等，2005）。國內外研究表明，環境條件和農業生產中的種植制度、耕作方式、輪作措施、施肥方式均是影響土壤微生物生物量的重要因素（彭佩欽等，2006；Ekenler等，2003；Moore等，2000；Jangid等，2008；Chu等，2007）。湖南是我國雙季稻主產區，大麥-雙季稻三熟輪作是該區域重要的種植制度，保持該區域稻田土壤肥力的穩定和持續是糧食作物穩產、高產的重要基礎。國內在雙季稻區主要開展了某一時期不同施肥措施（制度）對稻田土壤微生物生物量、土團聚體有機碳、氮積累及分布、微生物多樣性等方面影響的研究（陳安磊等，2005；劉守龍等，2006；陳曉芬等，2013；郝曉暉等，2010；李文軍等，2015；卜洪震等，2010；周衛軍等，2007），雖然近年來我國學者對土壤微生物學特性開展了大量研究，但是由于氣候條件、土壤類型以及耕作施肥的復雜多樣性，對其土壤微生物量的影響不盡相同（陳安磊等，2005；劉守龍等，2006；郝曉暉等，2010；卜洪震等，2010）。目前，有關大麥-雙季稻三熟制種植模式條件下，在大麥生育期不同施肥措施對稻田土壤微生物量碳、氮和微生物商動態變化影響的研究還有待進一步開展。因此，本文以湖南寧鄉長期定位試驗為平臺，探索28年不同施肥管理模式下雙季稻田土微生物生物量碳、氮以及微生物商的響應，以了解雙季稻田土壤的長期培肥效應，為提高稻田土地生產力和可持續發展提供理論依據。

1　材料與方法

1.1試驗地概況

不同施肥模式定位試驗始于1986年，在湖南省寧鄉縣農技中心內進行（112°18′E，28°07′ N），為典型的雙季稻主產區，海拔36.1 m，年均氣溫16.8 ℃，年平均降雨量1553.70 mm，年蒸發量1353.9 mm，無霜期274 d。試驗地土壤為水稻土，河沙泥土種，種植制度為大麥-雙季稻，肥力中等，排灌條件良好。1986年試驗前耕層土壤（0～20 cm）基礎肥力：有機質29.39 g·kg-1、全氮2.01 g·kg-1、全磷0.59 g·kg-1、全鉀20.6 g·kg-1、堿解氮144.1 mg·kg-1、有效磷12.87 mg·kg-1、速效鉀33.0 mg·kg-1和pH 6.85。

1.2試驗設計及田間管理

試驗設5個施肥處理：（1）化肥處理：施氮、磷、鉀化肥，不施任何有機肥（MF：mineral fertilizer alone）；（2）秸稈還田+化肥處理：施用晚稻秸稈與化肥處理（RF：rice residues plus mineral fertilizer）；（3）30%有機肥處理：有機肥的氮含量占總施氮量的30%，其余70%的氮為化肥氮（LOM：30% organic matter plus 70% mineral fertilizer）；（4）60%有機肥處理：有機肥的氮含量占總施氮量的60%，其余40%的氮為化肥氮（HOM：60% organic matter plus 40% mineral fertilizer）；（5）無肥對照：不施任何肥料（CK：without fertilizer）。每個小區長10.00 m，寬6.67 m，面積66.7 m2，小區間用水泥埂隔開，埋深100 cm，高出田面35 cm。保證各小區不竄灌、竄排。大麥供試品種為蒙啤麥1號（Hordaum vulgare L.），2013年11月14日耕地和施基肥，11月15日播種，2014年1月5日追肥，5月7日收獲。大麥播種量為250.0 kg·hm-2。各施肥處理總施N 157.5 kg·hm-2、P2O527.0 kg·hm-2、K2O 81.0 kg·hm-2，各施肥處理N和K2O作基肥和追肥2次施入，基肥在耕地時施入，追肥在分蘗期施用，基追肥比例均按7∶3施用；P2O5均在耕地時作基肥一次性施入。化肥處理N、P2O5、K2O的肥料種類分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀；秸稈還田+化肥處理的秸稈還田量為3000.0 kg·hm-2（秸稈養分含量N 27.3 kg·hm-2、P2O53.9 kg·hm-2、K2O 56.7 kg·hm-2）；化肥、秸稈還田+化肥處理均未施用有機肥；施用有機肥的處理，有機肥均為腐熟的雞糞，30%有機肥和60%有機肥處理有機肥的施用量分別為2670.0、5340.0 kg·hm-2（有機肥養分含量均為N 1.77%、P2O50.82%、K2O 1.12%），各處理均以等氮量為基準，不足的氮、磷、鉀肥用化肥補足。其他管理措施同常規大田生產。

1.3樣品采集與測定方法

試驗于2013年11月大麥耕地播種前采集各處理0～20 cm土壤新鮮樣品，分風干過篩，用于測定土壤pH值、有機質、全氮、全磷以及全鉀含量（鮑士旦，2000）。

同時，分別于大麥苗期、分蘗期、拔節期、齊穗期和成熟期5個時期，進行土壤樣品的采集，每個處理采取多點取樣采集0～20 cm的耕層土壤，重復3次。土壤剔除石礫及植物殘茬等雜物后，一部分新鮮土壤過2 mm篩，放置于4 ℃冰箱內貯，備測定土壤微生物生物量碳、氮分析之用。

土壤樣品有機碳的測定采用重鉻酸鉀容量法；土壤微生物生物量碳采用熏蒸浸提-重鉻酸鉀容量法測定，土壤微生物生物量氮采用熏蒸浸提取法測定（吳金水等，2006）。

大麥成熟期，從每小區選擇長勢均勻的大麥3個點，每個點為1.0 m2，計算單位面積內有效穗數；從中隨機選取20株考種，測定每穗粒數、結實率和千粒重等指標，計算其平均值；同時，同時測定各小區大麥實際產量。

1.4數據處理

數據處理、相關分析采用Excel 2003軟件進行，方差分析和多重比較采用DPS 3.11（Data Processing System for Practical Statistics）軟件進行，多重比較采用LSD法。

2　結果與分析

表1　長期施肥對土壤化學性質的影響（0～20 cm）Table 1 Effects of different long-term fertilizer managements on soil chemical properties (0～20 cm)

2.1長期施肥對土壤化學性質的影響

與長期無肥處理（CK）相比，有機肥配合施用化肥可以明顯提高土壤有機質、全氮、全磷和全鉀含量（表1）。其中，60%有機肥配施40%化肥（OM2）處理土壤有機質、全氮、全磷和全鉀含量最高，分別比CK增加4.80、2.07、0.63和7.30 g·kg-1；30%有機肥配施70%化肥（OM1）處理較CK提高了土壤的養分含量，但其含量均低于OM2處理。秸稈還田+化肥（RF）處理土壤有機質、全氮、全磷和全鉀含量均高于化肥（MF）處理，而MF處理土壤各化學性質均與CK無明顯差異。各處理間土壤pH值差異不大，但較試驗開始時均略有減少，可能是因為植物殘茬及肥料施入的影響。

2.2長期施肥對大麥生育期土壤微生物生物量碳、氮的影響

大麥各個主要生育時期，各施肥處理耕層土壤微生物生物量碳w(SMBC)變化如圖1中所示。各施肥處理w(SMBC)均隨生育期的推進呈增加的變化趨勢，均于齊穗期達到最大值，MF、RF、OM1和OM2處理分別比CK增加20.04%、26.47%、45.94% 和51.42%，之后呈下降的變化趨勢。其中以OM2 和OM1處理w(SMBC)均為最高值，均顯著高于其他處理（P<0.05），其大小順序為OM2>OM1>RF> MF>CK。

各施肥處理耕層土壤微生物生物量氮w(SMBN)均于齊穗期達到最大值，MF、RF、OM1 和OM2處理分別比CK增加12.87%、18.42%、32.16%和36.55%。以OM2和OM1處理w(SMBN)均為最高值，均顯著高于其他處理（P<0.05），其大小順序為OM2>OM1>RF>MF>CK（圖1）。

2.3長期施肥對大麥生育期土壤微生物生物量碳氮比的影響

大麥各個主要生育時期，各施肥處理土壤微生物生物量碳氮比w(SMBC)/w(SMBN)整體呈降低的變化趨勢（圖2）。苗期，各處理間無顯著差異（P>0.05）；分蘗期到齊穗期，均以OM2和OM1處理為最高值，均顯著高于CK（P<0.05）；成熟期，OM2、OM1和RF處理為最高值，均顯著高于CK（P<0.05）；大麥各個主要生育時期，各處理w(SMBC)/w(SMBN)值大小順序表現為OM2> OM1>RF>MF>CK，其平均值分別為23.49、23.80、24.74、24.86和22.61。

圖1　長期施肥對大麥生育期土壤微生物生物量碳和氮的影響Fig. 1 Effects of different long-term fertilizer managements on soil microbial biomass carbon and soil microbial biomass nitrogen during barley growth periods

圖2　長期施肥對大麥生育期土壤微生物生物量碳氮比的影響Fig. 2 Effects of different long-term fertilizer managements on w(SMBC)/w(SMBN) during barley growth periods

2.4長期施肥對大麥生育期土壤微生物商的影響

土壤微生物量碳與土壤總有機碳的比值稱為微生物熵，它充分反映了土壤中活性有機碳所占的比例，從微生物學角度揭示土壤肥力的差異，可作為土壤碳動態和土壤質量研究的有效指標（陳安磊等，2005；劉守龍等，2006）。大麥各個主要生育時期，各施肥處理土壤微生物商的變化趨勢如圖3所示。隨著生育時期的推進，各處理土壤微生物商均呈增加的變化趨勢，于齊穗期達到最大值，MF、RF、OM1、OM2和CK處理土壤微生物商分別為3.59%、3.76%、4.26%、4.35%和3.37%。大麥各主要生育時期，以OM2和OM1處理土壤微生物商為最高，均顯著高于其他處理，RF和MF處理次之，CK為最低。

2.5長期施肥對大麥產量及構成因素的影響

由表2可知，各施肥處理大麥有效穗均顯著高于CK（P<0.05），其中以OM2和RF處理為最高；每穗粒數以OM2處理為最高，CK最少，各施肥處理與CK的差異均達顯著水平（P<0.05）；各施肥處理結實率均顯著高于CK，但各處理間無顯著差異（P>0.05）；各施肥處理千粒重均顯著高于CK （P<0.05），以OM2和OM1處理千粒重為最高，均顯著高于其他處理（P<0.05）。各施肥處理大麥產量大小順序表現為OM2>OM1>RF>MF>CK，分別比CK增產40.25%、76.87%、81.16%和88.02%。

圖3　長期施肥對大麥生育期土壤微生物熵的影響Fig. 3 Effects of different long-term fertilizer managements on soil microbial quotient during barley growth periods

3　討論

3.1長期施肥與土壤化學和生物學性質的關系

雙季稻田土壤經過28年不同施肥方式顯著的影響了土壤化學性質（pH值、有機質、全氮、全磷及全鉀）和生物學性質（土壤微生物量碳、氮和微生物商）。各施肥處理間土壤pH值差異不大，但較試驗開始時均略有降低，可能是因為植物殘茬及肥料施入的影響。RF、OM1、OM2處理耕層土壤全氮、全磷、全鉀和有機質含量均高于試驗前，這可能是因為采取長期的土壤培肥措施（秸稈還田和有機肥），從而維持和提高了土壤肥力水平。長期施用有機肥能增加土壤碳源，使有機質含量較CK增加4.98%～17.08%，這成為稻田土壤有機碳增加的根本原因，并通過微生物量碳的增加表現出來，卜洪震等（2010）和周衛軍等（2007）對雙季稻田土壤長期施肥的研究也論證了這一點。

一般而言，在沒有較多有機物施入土壤時，土壤微生物量碳、氮含量是相對穩定，二者能較好地反映土壤氮素肥力狀況（Bonde等，1988）。但如果給土壤施以較多的有機物質或前茬在土壤中留有較多的植物殘體，則當季土壤微生物量會明顯增加，所增加的微生物量在土壤中的維持時間主要取決于有機物料的質和量（Chilima等，2002；Wu等，1993），以及土壤環境條件的變化（Fyles等，1988）。B?hme等（2005）等也認為，施用有機肥可促進活性有機碳積累，進而提高微生物生物量，改善土壤微生物群落結構及其生態功能。在本研究中，大麥-雙季稻三熟制種植模式條件下，長期施用無機肥對土壤微生物生物量碳、氮影響較小。這是因為大麥生長消耗大部分養分且大麥生長狀況較差，根系及殘留物都較少，且長期施用化肥，尤其是無機氮肥，使土壤C/N比降低，加速了土壤中原有有機碳分解，導致土壤中積累的有機碳總量較少（徐陽春等，2000）。稻田系統內RF處理土壤微生物量碳、氮含量與CK和MF處理相比均有一定的提高，但均低于OM1和OM2處理。可見，有機肥是稻田生態系統土壤微生物量碳和氮的重要來源和基礎性物質，秸稈循環再利用能提高稻田土壤微生物量碳和氮，但其量的高低還受礦質氮的影響（Chilima等，2002）。長期有機無機肥配合施用能顯著提高土壤微生物碳、氮含量，且均高于MF和RF處理，OM1 和OM2處理使土壤微生物量碳、氮含量分別較CK最高增加45.94%、51.42%和32.16%、36.55%，其原因可能是有機無機肥配合施用下，增加了根系生物量及根系分泌物（徐一蘭等，2015），促進土壤微生物生長繁殖（Tang等，2014），使土壤微生物量碳、氮含量明顯高于MF、RF和CK處理，這與Goyal等（1999）研究結果一致；這也進一步表明了有機無機肥長期施用可以使微生物分解有機碳源速度加快，同化作用加強（賈偉等，2008），提高土壤養分含量（表1），保證較高的微生物生物量，有機無機肥配合施用是提高土壤活性養分的重要措施（Bonde等，1988）。

表2　2014年不同施肥處理大麥產量及其構成因素Table 2 Barley yield and yield components of different fertilizer managements in 2014

在大麥各個主要生育時期，有機無機肥處理w(SMBC)/w(SMBN)值明顯高于MF和CK處理。其原因可能是由于施用有機肥和秸稈還田后，為微生物活動提供了碳源；同時，有機肥和秸稈分解也消耗土壤氮素，致使大麥生育期稻田土壤處于“碳源富余、氮源缺乏”的狀態，最終引起土壤w(SMBC)/ w(SMBN)值較高。微生物商可以充分反映土壤中活性有機碳所占的比例，從微生物學角度揭示土壤肥力的差異，由于土壤微生物量碳周轉快，所以微生物商值越大，土壤有機碳周轉越快（任天志和Crego，2000）。有研究表明，土壤微生物商值一般為1%～4%（Brookes等，1985），因為土壤類型、管理措施、分析方法和采樣時間等各異，微生物商的范圍擴大為0.27%～7.0%（Omay等，1997）。在本研究中，各施肥處理稻田土壤微生物商變化范圍為1.92%～4.35%，與前人的研究報道范圍相一致，表明長期施肥大麥-雙季稻三熟制種植模式條件下稻田土壤活性有機碳含量高，有機碳周轉速率快。

3.2長期施肥與大麥產量的關系

前人研究表明，稻田多熟高產的基礎決定于土壤肥力，在三熟制中取得較佳的施肥效應，采用有機肥和化肥配合施用是有效途徑之一（李實燁等，1996）。陳曉芬等（2013）認為，長期施肥對作物生長和產量具有明顯的影響。本研究表明，不同施肥處理大麥產量以OM2和OM1處理最高，RF和MF處理次之，CK最低；與CK相比，各施肥處理分別增產40.25%、76.87%、81.16%和88.02%。這可能是長期采用OM1和OM2處理提高了土壤有機質，降低土壤容重，改善土壤部分理化性質，同時有利于提高土壤微生物活性動，增加了土壤微生物量碳、氮含量（圖1），在大麥生長過程中促進了土壤中固定營養元素的釋放，增強了土壤的供肥性能，促進了大麥的生長，提高分蘗率和成穗率，增加了單位面積的有效穗數；其中OM2處理，施用比例合理，有利于培肥土壤，為大麥生長提供了良好的物質基礎，促進了大麥的生長發育，進而增加了大麥分蘗率和成穗率，提高了單位面積的有效穗數和千粒重，從而增加大麥產量（表2）。長期采用RF處理有利于提高土壤有機質（表1），同時前茬稻草秸稈還田后有利于土壤微生物活動，在后茬大麥生長過程中促進了土壤中部分固定營養元素的釋放，改善土壤肥力水平，土壤具有較強供肥性能，為大麥生長發育提供物質基礎，增強了大麥物質生產能力，為提高大麥產量奠定了物質基礎。與OM2、OM1和RF處理相比，長期采用MF處理對土壤微生物生物量碳、氮影響較小，影響了土壤的部分理化性質和供肥性能，間接影響植株生長發育、干物質積累及在各器官間分配等源庫特性（徐一蘭等，2015），其大麥產量低于OM2、OM1和RF處理。

4　結論

（1）南方雙季稻主產區，在大麥-雙季稻三熟制種植模式條件下長期有機無機肥合理配施使土壤微生物生物量碳、氮及土壤養分含量增加，以有機肥配施適量氮、磷、鉀肥最為顯著。與MF和CK相比，RF處理在一定程度上能增加土壤微生物生物量碳、氮及土壤養分含量。MF處理對土壤養分含量及土壤微生物生物量碳、氮無顯著影響。

（2）長期施肥對大麥產量影響顯著，OM2和OM1處理產量均為最高，CK最低，RF和MF處理居二者之間。因此，選擇有機無機肥配施尤其是有機肥適量配施氮、磷、鉀肥對于培肥地力和穩定作物產量尤為重要。

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Effects of Different Long-term Fertilizer Managements on Microbial Biomass Carbon, Microbial Biomass Nitrogen and Microbial Quotient in Paddy Soil during Barley Growth Periods

TANG Haiming, GUO Lijun, XIAO Xiaoping, TANG Wenguang, SUN Jimin, WANG Ke, LI Weiyan
Hunan Soil and Fertilizer Institute, Changsha 410125, China

Abstract:Fertilizer inputs is the most important agricultural management practice affecting soil carbon and nitrogen content. Moreover, soil carbon and nitrogen provide a direct source for soil organisms. In China, only few studies have been conducted on the influence of long-term fertilizer and organic matter with fertilizer application on the soil microbiological properties. Our objective was to explore the characteristics of soil microbial biomass carbon (w(SMBC)), soil microbial biomass nitrogen (w(SMBN)) and soil microbial quotient in paddy soil during barley (Hordaum vulgare L.) growth periods with different long?term fertilizer managements in the double cropping rice system, we analyzed the w(SMBC), w(SMBN), soil microbial quotient and grain yield of barley by using mineral fertilizer alone (MF), rice residues plus mineral fertilizer (RF), 30% organic matter and 70% mineral fertilizer (OM1), 60% organic matter and 40% mineral fertilizer (OM2), and without fertilizer (CK). The long-term experiment was set up in 1986 in Ningxiang county, Hunan province, China. The results showed that different fertilization managements on paddy soil over the 28 years significantly affected soil chemical and microbial properties. That is, the w(SMBC), w(SMBN) and soil microbial quotient in paddy soil were increased by long-term fertilizer managements during barley growth periods. Meanwhile, the w(SMBC), w(SMBN) and soil microbial quotient reached the maximum at heading stage of barley. The activities of w(SMBC) were increased by 20.04%, 26.47%, 45.94% and 51.42% with MF, RF, OM1 and OM2 at heading stage of barley, and the activities of w(SMBN) were increased by 12.87%, 18.42%, 32.16 % and 36.55% with MF, RF, OM1 and OM2 at heading stage of barley compared with the CK, respectively. Furthermore, the w(SMBC), w(SMBN) and soil microbial quotient with OM1 and OM2 was significantly higher than that of MF, RF, CK at the main growth stages of barley. And the w(SMBC), w(SMBN) and soil microbial quotient for different fertilizer managements was OM2 > OM1 > RF > MF > CK at the main growth stages of barley. Grain yield of barley with different fertilizer managements was significantly different, and that of OM2 and OM1 was the highest, while that of CK was the lowest. Compared with CK, the grain yield of MF, RF, OM1 and OM2 increased by 357.6, 683.0, 721.2 and 782.1 kg·ha-1, respectively. As a result, the soil fertility and grain yield of barley were increased by combine mineral fertilizer with organic matter, which the w(SMBC), w(SMBN) and soil microbial quotient was correlated with fertilization managements. These results indicated that soil microbial properties reflect the changes of soil quality and thus can be used as biological indicator in the evaluation of soil fertility.

Key words:barley; long-term fertilizer management; soil microbial biomass carbon; soil microbial biomass nitrogen; soil microbial quotient

收稿日期：2015-04-03

*通信作者。

作者簡介：唐海明（1980年生），男，副研究員，博士，研究方向為耕作生態和農作制研究。E-mail: tanghaiming66@163.com

基金項目：國家自然科學基金項目（31201178）；湖湘青年科技創新創業平臺資助項目

中圖分類號：S154.36; X17

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2015）06-0978-06

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.06.011