聚馬來酸酐對設施土壤微生物生物量碳、氮及土壤呼吸速率的影響

喬潔+張春丹+韓曉光

摘要：研究聚馬來酸酐對設施土壤有機碳、 全氮、土壤微生物生物量碳、生物量氮及土壤呼吸速率的影響。結果表明，單施氮肥、聚馬來酸酐氮肥配施均顯著提高了土壤微生物生物量碳、氮含量與土壤呼吸速率強度。單施聚馬來酸酐顯著提高土壤C/N，對土壤微生物生物量碳、氮與土壤呼吸速率無顯著影響。土壤微生物生物量碳、氮及土壤呼吸速率與土壤有機碳、全氮呈極顯著（P<0.01）或顯著相關關系（P<0.05）。與聚馬來酸酐氮肥配施處理相比，單施氮肥對土壤微生物生物量碳、氮以及土壤呼吸速率無顯著影響。氮肥配施適量的聚馬來酸酐對提高設施土壤肥力、改善設施土壤質量效果最好。土壤微生物生物碳、氮及土壤呼吸速率可反映土壤質量的變化，作為評價設施土壤肥力的指標。

關鍵詞：聚馬來酸酐;設施土壤;土壤微生物生物量碳;土壤微生物生物量氮;土壤呼吸速率

中圖分類號：S154.3 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2015）23-5877-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.23.020

Effects of PMA on Soil Microbial Biomass Carbon， Soil Microbial Biomass Nitrogen and Soil Respiration Rate in Greenhouse Soil

QIAO Jie1，2， ZHANG Chun-dan1， HAN Xiao-guang1

（ 1. College of Life Science， Langfang Teachers College， Langfang 065000， Hebei， China;

2. Edible and Medicinal Fungi Research and Development Center of Hebei Universities， Langfang 065000， Hebei， China）

Abstract： Effect of poly maleic anhydride （PMA） on soil organic carbon， total nitrogen， microbial biomass carbon， microbial biomass nitrogen and soil respiration rate were studied in green house. The results showed that the application of nitrogen fertilizers and the mixture of PMA and nitrogen fertilizers could enhance the quantity of microbial biomass carbon， microbial biomass nitrogen and the intensity of soil respiration rate. The application of PMA increased the quantity of soil C/N， but had no significant effect on microbial biomass carbon， microbial biomass nitrogen and soil respiration rate. The correlation between soil organic carbon， total nitrogen and microbial biomass carbon， microbial biomass nitrogen and soil respiration rate were significantly （P<0.05） or highly significant （P<0.01）.Compared with the application of the mixture of PMA and nitrogen fertilizers， the application of nitrogen fertilizers had no significant effect on microbial biomass carbon， microbial biomass nitrogen and soil respiration rate. So the application of the mixture of nitrogen fertilizers with an appropriate amount of PMA could improve the greenhouse soil fertility and quality. Microbial biomass carbon， microbial biomass nitrogen and soil respiration rate could reflect the change of greenhouse soil fertility and value greenhouse soil quality.

Key words： Poly maleic anhydride; greenhouse soil; soil microbial biomass carbon; soil microbial biomass nitrogen; soil respiration rate

土壤微生物量是植物營養物質的源和庫，代表土壤養分的活性部分，作為評價土壤質量的生物學指標，對土壤培肥、作物栽培等實踐有重要的參考價值。土壤呼吸速率和微生物代謝商是土壤微生物量的大小和活性指標，可較好的反映土壤環境質量變化。Doran等[1]認為微生物量碳、微生物量氮、礦化氮、土壤呼吸速率、微生物商等是反映土壤質量的基本指標。有研究表明，設施農業雖然提高了作物產量，但是容易導致土壤表層發生次生鹽漬化，致使土壤質量惡化，最終影響作物的產量和品質[2]。設施土壤性質的改變會導致有益微生物減少，破壞土壤生物平衡，影響土壤養分利用和植物吸收。近年來有關高聚物作為土壤改良劑的研究引起了國際上的廣泛關注。向鹽堿地中施入高聚物土壤改良劑能夠改善土壤結構，加快土壤排鹽效果，提高鹽堿地的生產能力[3]，高聚物土壤改良劑對土壤質量、作物生長有一定的影響[4，5]。聚馬來酸酐（Polymaleic anhydride，PMA），常用作水體除垢劑，可以與水中的鈣、鎂離子螯合，從而阻止垢的生成，并且對水中沉淀物有較強分散作用。目前，關于聚馬來酸酐對設施土壤微生物學特性影響的系統研究還鮮見報道。本研究以廊坊市長期設施栽培區為平臺，探索設施土壤中施用聚馬來酸酐時土壤微生物生物量碳、氮以及土壤呼吸速率的響應，以了解聚馬來酸酐對設施土壤培肥效應的影響，為改善設施土壤質量和可持續發展提供理論依據。endprint

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗設計

選取廊坊市東外環長期設施栽培區為試驗田，共設7個處理組，即CK、HPMA、2HPMA、N、2N、HPMA+N、2HPMA+2N。其中，CK為不施入任何肥料，HPMA為施入聚馬來酸酐，N為施入NH4H2PO4。施肥用量為HPMA 0.13 kg/m2，N 0.07 kg/m2，每個處理小區面積為6.0 m2。測定pH、有機碳、全氮、微生物生物量碳、微生物生物量氮及土壤呼吸速率，計算微生物商，微生物商=（土壤微生物生物量碳/土壤有機碳含量）×100%。

1.2 ?樣品的采集與處理

土壤樣品于2009年3月（菠菜收獲后）采集。采用五點混合采樣法，取0～10 cm耕層土壤，混勻，用自封袋密封，除去植物殘根、石塊和土壤動物，過2 mm篩，保存于4 ℃冰箱備用。

1.3 ?測定方法

土壤pH采用電位法;土壤有機質采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化容量法;土壤全氮采用半微量開氏法;土壤微生物生物量碳、氮采用氯仿熏蒸浸提法（FE）;土壤呼吸速率采用室內密閉培養法。

1.4 ?數據處理

數據采用Microsoft Excel 2003進行處理，然后通過SPSS for Windows 13.0進行單因素方差分析，不同處理之間采用Duncan新復極差法進行多重比較，采用Origin Pro7.5作圖。

2 ?結果與分析

2.1 ?土壤有機碳、全氮

由表1可知，與CK相比，單施聚馬來酸酐降低了土壤有機碳、全氮的含量，HPMA處理分別比CK降低了2.27%和14.22%，2HPMA處理分別比CK降低了2.17%和11.64%;單施氮肥、聚馬來酸酐氮肥配施處理提高了土壤有機碳含量，但差異不顯著;單施氮肥、聚馬來酸酐氮肥配施處理顯著提高了全氮含量，其中2N處理全氮含量最高，較CK提高了34.48%。不同施肥處理對土壤有機碳與全氮比值的影響效果不同。各處理C/N依次為HPMA>2HPMA>CK>HPMA+N>2HPMA+2N>N>2N。單施聚馬來酸酐土壤C/N與CK相比提高了10.50%～13.79%，單施氮肥降低了土壤C/N，聚馬來酸酐氮肥配施處理土壤C/N變化不顯著。各施肥處理均降低了土壤pH，其中單施聚馬來酸酐降低最多，這與王文杰[6]、肖輝[7]研究結果相一致。

2.2 ?土壤微生物生物量碳、氮

不同處理土壤微生物生物量碳、氮含量差異如圖1所示。不同施肥處理土壤微生物生物量碳含量變幅很大，變化范圍是54.52～162.96 mg/kg。單施氮肥處理及聚馬來酸酐氮肥配施處理土壤微生物生物量碳含量均顯著高于CK。其中，2N處理和HPMA+N配施處理分別比CK高198.9%和183.2%。土壤微生物生物量氮變化范圍是30.31～52.68 mg/kg，約占全氮的1.31%～2.11%，與羅蘭芳等[8]研究結果基本一致。各處理均顯著提高了土壤微生物生物量氮含量，其中2N和2HPMA+2N處理最高，分別比CK高28.27%和25.47%。

由表2可知，土壤微生物商為0.52%～1.49%，各施肥處理均提高了土壤微生物商，其中2N處理和HPMA+N處理比CK高186.5%和178.8%。這表明各處理能夠增加土壤微生物對有機碳的利用率，提高土壤活性有機碳含量，加快有機碳周轉速率。單施氮肥、聚馬來酸酐氮肥配施均提高了土壤微生物生物量碳、氮比，單施聚馬來酸酐處理降低了土壤微生物生物量碳、氮比，說明單施聚馬來酸酐處理土壤氮素的有效性較高。細菌的微生物生物量碳氮比一般約在5∶1，放線菌約在6∶1，真菌約在10∶1。表2中各處理微生物生物量碳、氮比均在5以下，說明各處理土壤中細菌是優勢菌。

2.3 土壤呼吸速率

不同處理土壤呼吸速率差異如圖2所示。與CK相比，單施聚馬來酸酐處理對土壤呼吸速率無顯著影響，單施氮肥處理、聚馬來酸酐氮肥配施處理顯著提高了土壤呼吸速率，單施氮肥處理比CK高36.3%～63.0%，聚馬來酸酐氮肥配施處理比CK高30.2%～33.5%。

土壤微生物代謝商是土壤微生物呼吸速率與土壤微生物生物量碳的比值如圖3所示。HPMA處理提高了土壤微生物代謝商，但影響不顯著，其他各處理均顯著降低了土壤微生物代謝商，這說明除HPMA處理外，其他各處理土壤微生物呼吸消耗的碳量較少，能夠更有效的利用土壤有機碳轉化為土壤微生物生物量碳。

2.4 ?土壤微生物生物量碳、氮，土壤呼吸速率與土壤基本化學性質的相關性

由表3可知，土壤微生物生物量碳與有機碳、全氮呈顯著正相關關系。土壤微生物生物量氮與全氮呈顯著正相關關系，與有機碳之間無顯著相關關系。微生物商與微生物生物量碳、微生物生物量氮、土壤呼吸速率及土壤基本化學性質之間均呈極顯著正相關關系。土壤呼吸速率與微生物生物量碳、氮及土壤基本化學性質之間呈極顯著或顯著正相關關系。代謝商與土壤微生物生物量碳、氮之間呈極顯著或顯著負相關關系，與土壤基本化學性質間無顯著相關關系。

3 ?小結與討論

在設施條件下，單施聚馬來酸酐降低了土壤有機碳、全氮含量，這可能是由于施用聚馬來酸酐為土壤微生物提供了食源，促進了土壤有機質的礦化，同時聚馬來酸酐提高了土壤對NH4+的吸附和保持[9]，增強了土壤中氮的轉化。單施氮肥能夠增加土壤有機碳含量，但差異不顯著。施氮肥能夠提高土壤全氮含量，且隨氮肥施用量增加而提高，這與張錫洲等[10]的研究結果相同。

在特定范圍內，C/N比高有利于改善土壤物理結構，促進土壤微生物的生長[11]。單施聚馬來酸酐提高了設施土壤C/N，這可能是因為聚馬來酸酐改善了土壤結構。單施氮肥降低了設施土壤C/N，這可能是因為設施土壤中增施N肥后，加快了植物生長，增加了根系分泌物，從而促進微生物的生長，加快了土壤碳的礦化速率，同時沒有增加有機碳的投入，進而使土壤C/N比下降，這可能會進一步破壞土壤物理結構。endprint

土壤微生物生物量的動態變化能夠反映土壤同化和礦化能力，是土壤活性的標志[12]。單施聚馬來酸酐增加了土壤微生物生物量碳、氮含量，但影響不顯著。這可能是因為聚馬來酸酐能夠增加土壤水的入滲速率[13]，且對土壤有更高的團聚能力，能夠改善土壤結構，使土壤的C/N增加，加快了微生物分解有機碳、全氮的速度。單施氮肥處理顯著提高了土壤微生物生物量碳、氮含量，這與羅蘭芳等[8]的研究結果一致。聚馬來酸酐氮肥配施顯著提高了土壤微生物生物量碳、氮含量，但2HPMA+2N處理土壤微生物生物量氮含量高于HPMA+N處理，土壤微生物生物量碳含量低于HPMA+N處理。這表明增加聚馬來酸酐與氮肥的配施量能一定程度提高土壤微生物生物量氮的含量，但未必能提高土壤微生物生物量碳含量。

微生物商的變化反映了土壤中輸入的有機質向微生物量碳的轉化效率、土壤中碳損失和土壤礦物對有機質的固定。與CK相比，各施肥處理均提高了土壤微生物商，其中2N處理微生物商最高。這主要是因為氮肥可以增加生物產量，改善土壤環境，有利于土壤有機質的降解和微生物量碳增加。BROOKES等[14]研究表明土壤微生物商值范圍是0.27%～7.00%。本研究微生物商的范圍為0.48%～1.46%，雖與文獻報道中的數值相符，但數值相對偏低，這表明設施土壤活性有機碳含量相對較低，有機碳周轉速率相對較慢。

土壤呼吸速率是衡量土壤質量和土壤肥力的重要生物活性指標，它能夠在一定程度上反映出土壤氧化能力和轉化能力[15]。施肥是眾多影響土壤呼吸速率因素中的關鍵影響因子之一[16-18]。單施氮肥處理顯著提高了土壤呼吸速率，這與李昌珍等[19]的研究結果基本一致，這可能是由于施用氮肥降低了土壤C/N，促進了微生物活動和生長繁殖，加大了有機質的分解速率。聚馬來酸酐氮肥配施處理顯著提高了土壤呼吸速率，表明該處理微生物處于良好狀態，可以儲存和循環更多養分。

土壤微生物代謝商是指在單位時間里，單位生物量微生物的呼吸強度，它能夠把微生物生物量與微生物活性及功能聯系在一起，可以用來表示微生物生物量的大小和活性[20]。除HPMA處理外，其他各施肥處理土壤微生物代謝商均低于CK處理，這說明各施肥處理土壤具有較高的微生物生物量和活性，可以維持土壤生態系統的正常功能。

土壤微生物生物量碳是土壤中的活性有機質部分，是表征土壤肥力特征的重要參數，土壤微生物生物量氮是土壤氮素的一個重要暫時貯存庫。本研究中土壤微生物生物量碳與土壤有機碳、土壤微生物生物量氮與全氮呈顯著正相關關系，表明微生物量碳、氮的變化趨勢與土壤有機碳、全氮變化趨勢一致，因此土壤微生物生物量可以代表土壤有機碳、全氮評價土壤肥力狀況，可作為評價土壤質量變化的生物學指標。本研究為應用聚馬來酸酐改善設施土壤培肥效應提供了理論依據，但是，關于聚馬來酸酐與氮肥的最適配比仍有待進一步研究。

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