水旱共作體系中生物耕作對菜田土壤礦化菌數量及礦化強度的影響

鄭憲清，張翰林，李雙喜，宋 科，張娟琴，陳新兵，呂衛光*，陶曉斌

（1上海市農業科學院生態環境保護研究所，2農業部上海農業環境與耕地保育科學觀測實驗站，上海 201403；3上海市上海農場，上海 224151；4上海瀛千生態農業有限公司，上海 202158）

水旱共作體系中生物耕作對菜田土壤礦化菌數量及礦化強度的影響

鄭憲清1，2，張翰林1，2，李雙喜1，2，宋 科1，2，張娟琴1，2，陳新兵3，呂衛光1，2*，陶曉斌4

（1上海市農業科學院生態環境保護研究所，2農業部上海農業環境與耕地保育科學觀測實驗站，上海 201403；3上海市上海農場，上海 224151；4上海瀛千生態農業有限公司，上海 202158）

針對傳統蔬菜種植中高復種指數、強機械擾動和大量施肥導致土壤功能微生物菌群數量下降、功能降低和土傳病害頻發等問題，在水旱共作的立體生態種養模式下，長期定位試驗田中添加蚯蚓，探索生物耕作對菜田土壤氨化和硝化菌數量及強度的影響。3年的試驗結果表明：同一耕作層內氨化細菌數量隨生物耕作時間延長呈現先增加后降低的趨勢，最高值達2 332.1萬個/g干土；硝化細菌數量隨耕作時間延長呈上升趨勢，與無蚯蚓的免耕處理相比，增加7.89—12.73倍，最高值達3.872萬個/g干土；硝化作用強度在生物耕作的第二年達到最高值99.99%；5—20 cm耕作層硝化菌數量和強度均高于0—5 cm土層；在0—5 cm土層主要是土壤全氮和速效鉀起主導作用，影響因子綜合解釋率達80.2%—99.5%；5—20 cm土層全氮、pH和速效磷共同影響硝化強度，影響因子綜合解釋率達93.8%—96.9%；生物耕作深度和耕作時間對氨化菌和硝化菌數量均有顯著的交互影響。

菜園土壤；土壤微生物；礦化作用；生物耕作

氮素是植物體的主要組成成分之一，也是影響作物生長發育的重要因子之一，在土壤中主要以有機氮形式存在，占土壤全氮量的95%以上。而土壤中有機態氮必須礦化成氨態氮和硝態氮等無機態氮［1］才能被植物吸收和利用，因此，有機氮的礦化率決定土壤中可利用無機氮的含量，土壤氨化菌與硝化菌是土壤中有機氮分解的“引擎”，對有機態氮的礦化起關鍵作用［2-3］。土壤氮素礦化過程受控于多種因子，如土壤動物、微生物、植物種類、環境因子和人類活動等，這些因子單獨或者協同作用控制氨化菌和硝化菌的數量和強度，進而控制氮素的礦化速率。有研究發現常規機械耕作，破壞土壤結構，降低物種豐度和均勻度，也顯著降低細菌多樣性［4］。鐘文輝等［5］認為土壤免耕相比于常規耕作顯著提高了土壤細菌的多樣性指數，而顯著影響土壤氮素循環。一些學者提出了“生物耕作”的方法［6］，即利用土壤動物蚯蚓在生活和新陳代謝過程中的取食、排泄和掘穴等生命活動，調節農田微生態環境，改善微生物區系，實現養分良性循環與適時供給，促進土壤物質循環和能量轉化［7］。研究表明，蚯蚓活動可以增加土壤微生物總量［8-12］，增強微生物活性［13-14］，改變土壤微生物群落組成，提升土壤酶活性，從而增大土壤氮礦化速率和硝化作用，然而，目前關于蚯蚓耕作對菜田土壤氮素轉化過程的功能微生物影響的研究較少［15］。本研究通過在菜園設置水旱共作的立體種養模式，并引入蚯蚓，設置蚯蚓防逃的生物耕作的定位試驗，研究水旱共存的環境下蚯蚓活動對菜園土壤氮轉化功能菌的影響，為立體種養模式中的生物耕作環節進一步研究與應用提供基礎數據。

1 材料與方法

1．1 試驗設計

本研究在立體生態種養模式下開展，具體分為3個部分，1）旱作部分，畦面土壤上種植旱作蔬菜；2）水旱交界部分，土壤中含水量適中處養殖蚯蚓；3）水作部分，壟溝內放水養殖水產生物。3個部分組合在一個系統里按照空間和時間錯位協同原理同時進行（圖1）。

圖1 立體生態種養模式示意圖Fig．1 Sketch map of ecological planting and breeding pattern

生物耕作是指在土壤中投放威廉環毛蚓（Pheretima guillelmi），利用蚯蚓自身的生命活動對土壤的耕翻擾動代替傳統的機械耕作，使土壤疏松程度達到作物種植要求的模式。

本研究的生物耕作試驗開始于2009年，試驗小區設在崇明縣三星鎮西新村菜田內，設置以下處理：

（1）免耕（對照，簡寫NT）：不進行任何形式的耕作處理，土壤中原有的蚯蚓采用灌水腌泡的方式將其驅除或殺滅。

（2）生物耕作處理：試驗樣地進行生物耕作之前，采取常規耕作。驅除原有蚯蚓后，投放試驗用蚯蚓25條/m2，試驗進行3年，每年試驗開始時進行蚯蚓數量測定（多于25條/m2則移除多的部分，少則添加至25條/m2）。試驗進行一年稱為生物耕作一年（Biological tillage for one year，簡寫BT1），試驗進行2年稱為生物耕作2年（Biological tillage for two years，簡寫BT2），試驗進行3年稱為生物耕作3年（簡寫BT3）。每個處理設3個重復，小區面積240 m2，小區周圍開設深溝并灌水至水面距離地表20 cm左右，防止蚯蚓逃跑。各處理均實行西瓜-花菜的輪作模式：西瓜以商品有機肥（含有機質413.4 g/kg，N 17.1 g/kg，P2O512.4 g/kg，K2O 12.3 g/kg）18 t/hm2作基肥，復合肥（15-15-15）375.0 kg/hm2（90%做基肥，10%做追肥），均撒施于地表；花菜以商品有機肥（同上）15 t/hm2作基肥，復合肥（15-15-15）750 kg/hm2（60%做基肥，40%做追肥），均撒施于地表。

1．2 土壤樣品采集

2011年西瓜收獲后以“S”形多點采集0—5 cm和5—20 cm土層土壤樣品，鮮樣立即測試土壤氨化菌數量、硝化菌數量、氨化作用強度和硝化作用強度等土壤微生物區系指標，留一部分土壤自然風干留存，用于測定土壤基本理化性狀。

1．3 測定項目與方法

1.3.1 土壤理化性狀指標測定

測試指標包括有機質、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、pH、含水量，測試方法參照魯如坤［16］的土壤農業化學分析方法，結果見表1。

表1 生物耕作對土壤理化性狀變化的影響Table 1 Effects of biological tillage on soil physical and chemical properties

1.3.2 土壤微生物區系指標測定

土壤氨化菌和硝化菌數量采用最大或然值法，土壤氨化強度和硝化強度采用懸液培養法測定［17］。

1.3.3 土壤中蚯蚓數量測定

采用福爾馬林法，測定1 m2范圍內20 min蚯蚓爬出量［18］。

1．4 數據處理

試驗數據應用Excel和SPSS 13.0統計軟件進行統計分析、方差分析和線性回歸分析。

2 結果與分析

2．1 水旱共作模式下生物耕作對菜田土壤礦化菌數量及強度的影響

2.1.1 菜田土壤中氨化菌數量的變化

生物耕作時間的不同影響了不同深層土壤氨化細菌的數量。經過3年的生物耕作試驗，可以發現隨著生物耕作時間的延長，無論是土壤表層還是亞表層，氨化細菌的數量均呈現先升高后降低的變化趨勢，在0—5 cm土層，在生物耕作第2年達到最大值，即1 310.3萬個/g干土，相對于免耕升高28倍；在5—20 cm土層，在生物耕作一年后達到最大值，即2 332.1萬個/g干土，相對于免耕升高26倍，5—20 cm土層氨化菌數量稍高于0—5 cm土層（表2）。

2.1.2 菜田土壤中硝化菌數量的變化

從表2中可以看出，在水旱共作的立體種養模式下，采用蚯蚓進行生物耕作的3年內，隨著生物耕作時間的延長，兩個耕作層硝化細菌數量均呈上升趨勢，即BT3＞BT2＞BT1＞NT，且到耕作第3年較前兩年差異達到顯著，在0—5 cm土層，硝化細菌數量由免耕處理的0.146萬個/g干土上升至生物耕作3年處理的1.152萬個/g干土，在5—20 cm土層，同樣從免耕到生物耕作3年，硝化菌數量從0.304萬個/g干土上升至3.872萬個/g干土，分別增加7.89倍和12.73倍，說明生物耕作時間對土壤硝化細菌數量的提升有促進作用。5—20 cm土層硝化菌數量均高于0—5 cm土層，也說明耕作土層深度不同，硝化細菌的數量變化也不一樣。

表2 生物耕作后表土（0—5 cm）和亞表層（5—20 cm）中氨化和硝化菌數量和強度的變化Table 2 Variations of ammonifier and nitrifier quantities and ammonifying and nitrifying capacities in 0—5 cm and 5—20 cm soil layers after biological tillage

2.1.3 菜田土壤微生物氨化作用強度的變化

氨化作用是氨化細菌分解有機含氮化合物釋放出銨的過程，是土壤氮素轉化過程中的第一步，其強度的強弱影響著土壤氮素轉化速率。從表2中可以看出，雖然氨化細菌數量在生物耕作的3年里變化幅度很大，但是其作用強度并沒有明顯的變化，即隨著時間的延長，氨化作用強度無顯著性差異，基本保持在0.05 mg/100 mL，說明氨化菌數量多寡不是氨化作用強度的唯一影響因子，在某些特定的環境下，氨化作用強度可能除了受氨化菌數量的影響外還受如土壤水分含量和溫度等其他因子的影響。

2.1.4 菜田土壤微生物硝化作用強度的變化

硝化強度是指亞硝酸氧化細菌將NH4+-N氧化成NO3－-N的作用，土壤環境因子對硝化作用的強度有一定的影響。與土壤中氨化作用強度不同，硝化作用強度隨生物耕作時間的延長有增加的趨勢，在生物耕作的第二年達到最高值99.99%以上，并在接下來的時間里趨于平穩。硝化作用強度與硝化細菌的數量變化有一致性，5—20 cm土層高于0—5 cm土層（見表2）。

2．2 水旱共作立體種養模式下生物耕作對菜田土壤礦化菌數量及強度的影響分析

2.2.1 水旱共作模式下生物耕作對土壤氨化和硝化的影響

如表3所示，在水旱共作的立體種養模式下，隨著生物耕作時間的延長，在0—5 cm（R2＝0.874）和5—20 cm（R2＝0.925）土層硝化菌數量均極顯著提升（P＜0.01），同徐曉燕等［19］的研究結果相一致，即接種蚯蚓一定時間處理后，會使土壤中微生物類群的數量增加。生物耕作使得土壤硝化菌數量增加，進而顯著地提升土壤硝化強度，在0—5 cm土層達顯著，在5—20 cm土層呈極顯著，也許是因為經蚯蚓腹腔內酶以及酶對土壤養分轉化更有利于氨化菌和硝化菌的生長繁殖［20］，蚯蚓對土壤翻動形成的空隙提供的有氧環境有助于蚯蚓活性［21］。同時，劉婷等［22］和劉德輝等［23］分別利用赤子愛勝蚓和秉氏環毛蚓的研究發現添加蚯蚓活動能夠使土壤或添加物料的pH趨于中性，而中性的環境較利于氨化菌和硝化菌等功能菌群的生長。本研究中添加的威廉環毛蚓由于體型較大，達到5 g左右，它們的活動能夠更大強度的耕翻與擾動土壤，形成較好的團粒結構和土壤孔隙度，為土壤微生物的活動提供了充足的有氧環境；從而增強微生物的活性，最終提升土壤硝化作用強度。而從表3中看出生物耕作時間對氨化菌數量提升作用不顯著，也沒有提升氨化作用強度。或許因為在生物耕作條件下，生物耕作深度、耕作時間不僅單獨對土壤氨化和硝化細菌數量產生影響，它們的交互作用也影響氨化和硝化菌數量。但只有耕作時間對硝化強度產生顯著影響，而沒有對氨化強度產生影響（表4）。也有研究認為，雖然土壤通氣狀況影響氨化細菌的優勢種群，但通氣狀況好壞程度對氨化作用強度的影響不大［24］。

表3 生物耕作與氨化過程和硝化過程的相關性分析Table 3 Correlation between biological tillage and ammonification/nitrification process

表4 氨化和硝化強度的影響因子的統計分析（R2＝0．993）Table 4 Statistic analysis of factors influencing ammonifying and nitrifying capacities

表5 土壤性質與不同土層氨化細菌和氨化強度之間的相關性Table 5 Correlations of soil properties with different soil layers’ammonifiers and ammonifying capacity

表6 土壤性質與不同土層硝化細菌和硝化強度之間的相關性Table 6 Correlations of soil properties with different soil layers’nitrifiers and nitrifying capacity

2.2.2 生物耕作下土壤性質對土壤氨化和硝化的影響

在相同的水熱因子、植被和施肥外界環境下，生物耕作過程中蚯蚓通過自身活動影響土壤的水、肥、氣、熱狀況變化，從而引起土壤氮素轉化發生一系列變化［25-26］，也影響了土壤氨化和硝化菌的生長、繁殖，其數量出現顯著性變化，而且隨著耕作時間延長，土壤硝化強度明顯加強（P＜0.05），而對氨化作用強度影響不明顯。顯然土壤有機質、氮、磷、鉀等養分以及土壤含水量是影響土壤微生物數量和活性的重要因素［27-29］，但是在不同土層深度上主導因素不同。如表5所示，在0—5 cm土層，土壤有機質和全氮對氨化細菌數量的增加有極大地促進作用（P＜0.01），土壤含水量也有較強的作用（P＜0.05），說明土壤有機物質做為氨化和硝化菌生長的營養源，進而顯著影響其數量的變化［30］，而本研究中，在5—20 cm土層，除了土壤有機質和全氮極大地促進氨化菌數量的增加外，土壤速效鉀與氨化菌數量的增加有極顯著的相關性（P＜0.01），同時土壤全磷也有較強的作用（P＜0.05）。可能由于環毛蚓屬上食下居型，主要以表層土壤顆粒和有機物的混合物為食，活動于5—15 cm礦質土層，改變了5—20 cm土層有機質含量，調整了此層的土壤碳氮比等養分配比，從而促進土壤氨化菌和硝化菌生長與繁殖［31-34］。也有學者認為氨化細菌不僅受土壤全氮、全磷的影響較大［35］，也隨著土壤水分的不斷增加，氨化細菌數量也隨之增長［36］，土壤中氨化細菌數量直接反映了氨化作用的強度［37］，而本研究中5—20 cm土層各影響因子與氨化強度均無顯著相關性，可能是因為本研究中土壤含水量過高有關。前人研究發現除了養分，含水量和孔隙度外，土壤pH也是影響土壤硝化細菌數量和活性的關鍵因子，從表5和表6可以看出，土壤pH沒有顯著影響土壤氨化菌數量和強度而顯著影響硝化菌數量和強度，因為在土壤pH為6.4—8.3時，硝化作用都會強烈進行，而氨化菌更趨向于中性條件，本試驗的土壤pH較高，均在8.3附近，因此不利于氨化過程，但不抑制硝化過程。

為進一步探究生物耕作過程中土壤理化性狀對氨化和硝化過程的貢獻率，以理化性狀值為自變量，以氨化菌數和硝化菌數及強度為因變量，經逐步回歸分析，得最優回歸方程如下（前3式為0—5 cm土層，后3式為5—20 cm土層；式中X1、X2、X4、X5、X6、X7、X8和X9分別代表有機質、全氮、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、含水量和pH）：

分析結果顯示，在0—5 cm土層中，生物耕作通過影響有機質、全鉀和速效氮等含量而影響氨化菌數量；通過影響速效磷和速效鉀變化，而影響土壤硝化菌數量變化；通過影響土壤全氮和速效鉀的量，而影響土壤強硝化強度，其影響因子綜合解釋率分別為99.5%、92.9%和80.2%。在5—20 cm土層生物耕作通過影響速效鉀、全氮和全磷，而影響氨化菌數量；通過影響速效磷、含水量和速效氮量，而影響土壤硝化菌數量，通過影響pH、速效磷和全氮，而影響硝化強度，其影響因子綜合解釋率分別達96.9%、93.8%和94.1%。說明生態種養時間的延長有利于土壤生物活性的提升［38］，而經逐步回歸分析沒有發現某些養分元素對氨化強度有主導性影響作用，從而說明此條件下生物耕作對土壤氨化作用影響有限。

3 結論

（1）生物耕作時間對菜園土壤氮轉化功能菌數量產生影響，3年的試驗結果顯示，氨化細菌數量呈現先增加后降低的趨勢，硝化細菌數量隨耕作時間延長呈上升趨勢，均表現出5—20 cm土層數量高于0—5 cm土層。同時，生物耕作時間影響菜園土土壤硝化作用強度，硝化作用強度隨生物耕作時間的延長有增加的趨勢，在生物耕作的第二年達到最高值99.99%以上，5—20 cm土層高于0—5 cm土層。但對氨化作用強度無顯著影響。

（2）經逐步回歸分析，生物耕作對硝化作用強度的影響因土層不同而有差異，0—5 cm土層主要是土壤全氮和速效鉀起主導作用，影響因子綜合解釋率達80.2%—99.5%。5—20 cm土層全氮、pH和速效磷共同影響硝化強度，影響因子綜合解釋率達93.8%—96.9%。在生物耕作的3年里，耕作深度和耕作時間對氨化菌和硝化菌數量有著明顯的交互影響作用，達到了極顯著程度。而對土壤氨化和硝化強度的交互作用不顯著。

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（責任編輯：程智強）

Effects of biological tillage on mineralization bacteria and strength of garden soil in furrow aquaculture

ZHENG Xian-qing1，2，ZHANG Han-lin1，2，LI Shuang-xi1，2，SONG Ke1，2，ZHANG Juan-qin1，2，
CHEN Xin-bing3，Lü Wei-guang1，2*，TAO Xiao-bin4
（1Institute of Eco-Environment and Plant Protection，Shanghai Academy of Agricultural Sciences，2Scientific Observation and Experimental Station for Agricultural Environment and Land Conservation at Shanghai，Ministry of Agriculture，Shanghai 201403，China；3Shanghai Farm，Shanghai 224151，China；4Shanghai Yingqian Eco-Agriculture Company Limited，Shanghai 202158，China）

In order to deal with problems of high-cropping-index conventional vegetable planting such as soil functional microbe quantity decreasing，their function declining and soil-borne disease frequently occurring caused by strong mechanical disturbance and mass fertilizer application，a long-term location experiment was carried out，in which earthworms were added into test plots with furrow aquaculture，so as to investigate the effects of biological tillage on ammonifiers and nitrifiers of vegetable soil.The 3-year experimental results showed that in the same plow layer the ammonifiers firstly increased and then decreased，and the maximum number was 23.321 million per gram dry soil；The nitrifiers presented a rising trend with time and the maximum number reached 38 720 per gram dry soil，increasing by 7.89—12.73 times over that under the treatment of non-tillage without earthworm；The nitrifying capacity reached the highest value of 99.99%in the second year of biological tillage；The nitrifier quantity and nitrifying capacity in 5—20 cm soil layer were greater than those in 0—5 cm soil layer；In 0—5 cm soil layer the total nitrogen and readily available potassium played a leading role and their comprehensive influencing factor interpretation rate reached 80.2%—99.5%；In 5—20 cm soil layer the total nitrogen，pH and readily available phosphorus jointly influenced the nitrifying capacity and their comprehensive influencing factor interpretation rate reached 93.8%—96.9%；Both biological tillage depth and time had a significant interaction on both ammonifier and nitrifier quantities.

Garden soil；Soil microbe；Mineralization；Biological tillage

S154

A

1000-3924（2016）06-075-07

2016-04-21

上海市農委青年人才成長計劃［滬農青字（2015）第1-23號］；上海市科委科技攻關項目（14391901502）；上海市科委成果轉化項目（133919N1400）；上海市農委重點攻關項目［滬農科攻字（2011）第6-2號］

鄭憲清（1980—），男，碩士，助研，主要從事土壤生態學研究。Tel：021-62202486，E-mail：zxqfxf＠163.cm

*通信作者：呂衛光（1972—），男，博士，研究員，主要從事植物營養學及土壤生態環境學研究。E-mail：lwei1217＠sina.com.cn