旱地小麥根際土壤酶活性及微生物生物量對覆蓋方式的響應

宿兵兵, 程宏波, 柴守璽 , 常 磊, 李 瑞,楊佳佳, 柴雨葳, 李亞偉

(1.甘肅農業(yè)大學農學院, 甘肅蘭州 730070; 2.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室, 甘肅蘭州 730070; 3.甘肅農業(yè)大學生命科學與技術學院, 甘肅蘭州 730070)

農業(yè)覆蓋技術是我國西北黃土高原半干旱區(qū)重要的栽培措施之一。覆蓋具有明顯的蓄水保墑[1-4]、調節(jié)地溫[2-5]、增加土壤微生物數量[4]及活性[6]、增產增效[1-2,4]等作用。農田小氣候特征的變化必將引起土壤微生物特性的改變。李旺霞等[7]發(fā)現，覆膜可提高土壤酶活性, 但不同的覆膜方式對不同酶活性的影響則存在較大差異[8]。杜社妮等[9]在玉米田中研究發(fā)現, 地膜覆蓋提高了收獲后土壤蔗糖酶和堿性磷酸酶活性, 卻降低了脲酶和過氧化氫酶活性。徐華勤[10]研究發(fā)現，稻草覆蓋下茶園土壤的過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶較CK均有不同程度的提高, 但在CK、稻草覆蓋條件下不同施肥處理對土壤酶活性影響并不大。

地膜覆蓋改變土壤的微生態(tài)環(huán)境, 但對微生物量碳、氮含量影響的結論不一。劉小娥[11]、王 靜[12]、張 帆等[13]、Li等[6]研究發(fā)現，地膜覆蓋能夠顯著提高表層土壤養(yǎng)分、微生物量碳、氮含量和物質間的轉化速率, 促進有機質的分解，為土壤微生物生長繁殖提供了良好的環(huán)境。于 樹等[14]的研究結果表明, 地膜覆蓋對土壤微生物量碳、氮含量的影響不顯著, 但有機與無機肥配施時, 地膜覆蓋下土壤微生物量碳、氮含量有所升高。而張成娥等[15]在覆膜對玉米不同生育時期微生物量碳、氮含量的研究中發(fā)現，覆膜降低了土壤微生物量碳、氮含量, 在苗期尤為突出, 原因可能是在覆膜的條件下, 土壤有機物的礦化速率較快，而對其微生物量有一定的掩蓋作用。任江波等[16]研究發(fā)現，覆蓋地膜降低了土壤微生物量碳、氮含量，揭膜后可逐漸恢復到裸地栽培水平; 覆蓋秸稈的土壤微生物量碳、氮含量較高, 其中，覆蓋小麥秸稈的效果好于覆蓋玉米秸稈。

有關土壤微生物特性的研究主要集中在長期施肥(有機+無機)、灌溉、秸稈還田和地膜覆蓋等方面, 而在秸稈覆蓋方面的研究鮮有報道。本研究團隊針對西北寒、旱地區(qū)生產生態(tài)特點提出了“玉米秸稈帶狀覆蓋種植”新技術, 且多年多點試驗及示范結果表明, 秸稈帶狀覆蓋技術對小麥具有突出的增產增效潛力, 且對不同生育時期和土層具有增墑與降墑[1-2]、增溫與降溫[2,19-21]的雙重效應。根際土壤微生物可調節(jié)植物生長發(fā)育、促進作物養(yǎng)分吸收、提高作物抗逆性[22]等生態(tài)功能。本研究擬從土壤微生物生態(tài)學的角度出發(fā), 探討小麥根際土壤微生物特性對覆蓋引起的土壤水溫變化的響應, 旨在進一步明確秸稈帶狀覆蓋技術對土壤的生態(tài)效應，為深入剖析該技術的產量形成機理及推廣應用提供科學的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試區(qū)概況

該試驗于2018年在甘肅省通渭縣平襄鎮(zhèn)甘肅農業(yè)大學旱作循環(huán)農業(yè)試驗示范基地進行。試驗地海拔1 750 m, 年均氣溫7.2 ℃，年日照時數 2 096 h, 無霜期120～170 d, 屬中溫帶半干旱氣候。作物一年一熟, 為典型旱作雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)。平均年降水量390.7 mm, 且60%以上集中在7～9月。試區(qū)土壤為黃綿土，0～20 cm土層容重1.25 g·cm-3; 土壤有機碳含量5.52 g·kg-1，全氮 0.65 g·kg-1, 有效磷10.63 mg·kg-1，速效鉀107.1 mg·kg-1，pH為8.5。

1.2 試驗設計

以冬小麥康莊974為供試材料, 分別進行玉米秸稈帶狀覆蓋種植(SM)、地膜覆蓋種植(PM)、無覆蓋露地種植(CK)共3個處理，各處理的小區(qū)面積均為180 m2(30 m×6 m), 每個處理3次重復, 采用隨機區(qū)組排列。具體試驗處理如下:

玉米秸稈帶狀覆蓋種植(SM):設計種植帶70 cm, 秸稈覆蓋帶50 cm。秋季機械條播5行小麥于70 cm種植帶上, 行距17 cm, 越冬前小麥三葉期后50 cm覆蓋帶上進行玉米整稈覆蓋, 秸稈擺放方向與小麥播種行平行, 為防止秸稈壓苗, 小麥邊行與秸稈間距離為5 cm, 玉米秸稈覆蓋量為風干重9 000 kg·hm-2。

全膜覆蓋種植(PM):旋耕整地, 耱平后全地面覆膜, 膜面覆土1cm。穴播小麥, 行距17 cm。

露地對照種植(CK):旋耕整地, 耱平后平作, 條播行距17 cm。

各處理播種量均為225 kg·hm-2，施純氮120 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2,均作為基肥在旋耕整地時一次性施入, 生育時期內不再追肥。在開花期進行1～2次“一噴三防”作業(yè)。

1.3 土壤樣品采集

分別在小麥拔節(jié)期、孕穗期、開花期、灌漿期、蠟熟期采用抖土法取0～20 cm根際土壤樣品, 每個處理3次重復,每個重復采用3點法取樣, 去除根系等動植物殘體，混勻并過1 mm篩后分兩部分裝入8號自封袋，低溫帶回實驗室,一部分置于通風處自然風干，另一部分保存至4 ℃冰箱, 用于含水量、pH、土壤微生物量碳、氮測定。

1.4 測定方法

1.4.1 土壤含水量、溫度及pH測定:

(1)土壤含水量:采用烘干法測定[1-2];

計算公式:SWC=(W鮮-W干)/(W干-W鋁)×100%式中, SWC為土壤含水量,W鮮為土壤樣品鮮重,W干為土壤鮮樣烘干后重量,W鋁為鋁盒重量。

(2)土壤溫度:在土壤樣品采集的同時, 利用電子溫度計測定[2];

(3)土壤pH:采用土水質量體積比為1∶2.5浸提, 用pH計測定[27]。

1.4.2 土壤酶活性測定

(1)過氧化氫酶活性測定采用KMnO4滴定法[23];

(2)蔗糖酶活性測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法[24];

(3)脲酶活性測定采用靛酚藍比色法[23];

(4)堿性磷酸酶活性測定采用磷酸苯二鈉比色法[23]。

1.4.3 微生物量碳(MBC)、氮(MBN)含量采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[23,25]

用0.5 mol·L-1的硫酸鉀溶液浸提(土液比為1∶4), 采用碳氮聯合分析儀測定其含量, 微生物量碳、氮的換算系數分別為0.38、0.45。

1.5 數據處理

采用Excel 2016和SPSS 19.0進行數據分析, 通過Duncan法進行顯著性差異檢驗。

2 結果與分析

2.1 土壤水分、溫度及pH對覆蓋方式的響應

由表1可知, 從拔節(jié)期-蠟熟期, 各時期土壤含水量均以秸稈覆蓋帶(SMd)最高, 其次為地膜覆蓋(PM), 秸稈帶狀覆蓋(SM)處理的種植帶(SMu)與露地(CK)相近；SMd和PM在拔節(jié)期-蠟熟期平均土壤含水量分別較CK高 29.49%、14.55%。處理間差異以開花期最大,變異系數(CV)為26.54%, 蠟熟期最小, CV值為 2.25%。說明覆蓋平抑了土壤水分在不同時期間的劇烈變化, SMd和PM土壤含水量不同時期間的CV值分別為26.19%、 30.42%, 均低于CK (47.16%), 且平抑效果SMd更為突出。

表1 不同生育時期土壤水分、溫度及pH對覆蓋方式的響應Table 1 Response of soil moisture, temperature and pH to mulching methods at different growth stages

從拔節(jié)期-灌漿期, 各時期0～20 cm土層土壤溫度均以CK最高, SMu次之且與PM相近, SMd最低。SMd只有在蠟熟期略高于地膜覆蓋。SMd和PM在拔節(jié)期-蠟熟期平均溫度分別較CK低12.60%、5.15%。處理間差異以拔節(jié)期最大, CV值為7.83%，蠟熟期最小, CV值為3.07%。SMd的0～20 cm土層土壤溫度時期間CV值為12.62%, 較CK明顯增加，而PM與CK相近。

從拔節(jié)期-孕穗期, 0～20 cm土層土壤pH以PM最大，各處理間差異不顯著。開花期-蠟熟期以SMd最大, PM次之, CK最小。SMd和PM在拔節(jié)期-蠟熟期pH平均分別較CK高 1.64%、1.24%。處理間差異以蠟熟期最大, CV值為1.43%, 孕穗期最小, CV值為0.51%。SMd和PM的pH在時期間變異系數分別為 0.86%、1.31%, 均低于CK(1.76%)，說明覆蓋較露地平抑了時期間pH的波動。

2.2 土壤酶活性對覆蓋方式的響應

從拔節(jié)期-蠟熟期，SM處理土壤脲酶和蔗糖酶活性分別較CK降低了21.91%、 2.82%, 堿性磷酸酶活性提高12.14%，過氧化氫酶活性變化較小。覆蓋帶(SMd)和種植帶(SMu)間的酶活性差異較大, 覆蓋帶的土壤酶(除堿性磷酸酶)活性均較CK有所降低, 種植帶土壤酶活性(除脲酶)均高于CK。

SMd從拔節(jié)期-蠟熟期的土壤過氧化酶、脲酶、蔗糖酶平均活性分別較CK降低10.5%、 30.56%、21.22%; 而堿性磷酸酶則在拔節(jié)期、蠟熟期高于CK，分別提高 8.33%、 35.14%, 在孕穗期、灌漿期則低于CK 5.88%、3.57%, 使其拔節(jié)-蠟熟階段的平均活性高于CK 9.40%。

SMu處理的土壤過氧化氫酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶活性在不同時期表現為高于或低于CK，因增高幅度大于降低幅度，使3種酶在拔節(jié)-蠟熟階段平均酶活性分別較CK高7.58%、 14.09%、 10.32%; 而脲酶在孕穗期顯著高于CK (16.67%), 其他時期則顯著低于CK (12.00%～ 54.55%), 使其拔節(jié)-蠟熟階段的平均活性低于CK 15.74%。

PM處理在不同時期對土壤過氧化氫酶活性、脲酶、堿性磷酸酶及蔗糖酶的活性表現為或促進或抑制作用, 其中對過氧化氫酶、堿性磷酸酶活性的促進作用大于抑制作用，二者拔節(jié)-蠟熟階段平均酶活性分別高于CK 3.50%、6.71%。PM對脲酶和蔗糖酶活性的抑制作用大于促進作用，拔節(jié)-蠟熟階段兩種酶的平均酶活性分別低于CK 3.70%、6.49%。

相同時期圖柱上不同字母表示處理間差異在0.05水平顯著。圖2同。

2.3 土壤MBC、MBN含量及MBC/MBN對覆蓋方式的響應

覆蓋總體較CK提高了土壤MBC、MBN含量及MBC/MBN, SM分別較CK提高24.40%、 12.53%、3.42%, PM分別提高了47.37%、 2.76%、52.19%。SMd與SMu之間的MBC、MBN含量以及MBC/MBN的差異也較大。

SMd處理在拔節(jié)-開花階段的各時期均較CK顯著提高了土壤MBC含量及MBC/MBN。對于MBC，SMd處理在拔節(jié)-開花期的增幅(46.96%～63.18%)大于灌漿-蠟熟期(15.37%～ 35.32%), 拔節(jié)-蠟熟階段平均較CK提高MBC含量37.19%。SMd處理的MBN含量在拔節(jié)期-開花期較CK提高26.56%～55.21%, 在灌漿-蠟熟期則較CK低17.83%～19.89%, 拔節(jié)-蠟熟階段平均含量則與CK相近。SMd處理的MBC/MBN在各時期均較CK提高 (3.16%～75.77%)，以灌漿期增幅最小，蠟熟期最大, 拔節(jié)-蠟熟期平均較CK高27.33%。

SMu處理較CK降低拔節(jié)期-孕穗期MBC含量9.11%～30.02%, 開花期-蠟熟期則提高MBC含量16.56%～31.14%; 對于MBN，SMu僅在孕穗期較CK顯著降低(28.65%)，拔節(jié)期和開花期顯著提高。在拔節(jié)-蠟熟階段，SMu的MBC、MBN含量顯著高于CK(15.26%、 21.66%)。由于MBN含量增幅較大, SMu的MBC/MBN除在蠟熟期較CK提高27.30%外, 其他各時期均較CK降低, 拔節(jié)-蠟熟階段平均較CK低13.67%。

PM處理在拔節(jié)-蠟熟階段的各時期均較CK提高了土壤MBC含量(32.52%～ 101.89%); 其MBN含量在開花期和蠟熟期低于CK(5.47%、15.55%)，其他各時期則顯著高于CK14.58%～43.91%; 由于在各時期MBC的含量增幅均大于MBN, 因此，PM處理的土壤MBC/MBN在各時期均高于CK(10.08%～ 82.05%)。

3 討 論

已有研究表明, 施肥可降低土壤pH值[26]。本研究發(fā)現, 覆蓋提高了土壤pH值, 可能原因是覆蓋促進深層水向表層富集, 帶來了可溶性鹽基離子, 而覆蓋又降低了淋溶, 使鹽基離子在表層土壤積累, 造成土壤pH升高[27]。土壤酶是一類具有催化能力的生物活性物質, 是生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動的重要參與者[28-29], 可作為反映土壤肥力和生態(tài)系統(tǒng)功能的敏感指標[30]。本研究發(fā)現，小麥根際土壤過氧化氫酶活性隨生育時期推進呈先上升后下降趨勢，在開花期達到最大值, 與張 亮等[31]研究一致。脲酶活性先降低后升高, 開花期最低, 堿性磷酸酶呈“波浪”型,灌漿期為最低點, 這與張 亮等[31]在百合根際土壤中的研究有所差異, 其原因可能是植物類型、土壤類型、施肥制度、種植方式及環(huán)境因子不同的原故。秸稈覆蓋帶平均較露地降低了土壤過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶活性, 可能原因是秸稈覆蓋帶的降溫作用抑制了酶活性。

圖2 土壤微生物量碳、氮及碳氮比對覆蓋方式的響應

土壤微生物生物量既是土壤有機質和土壤養(yǎng)分轉化與循環(huán)的動力, 又可作為土壤中植物有效養(yǎng)分的儲備庫, 對土壤環(huán)境因子的變化極為敏感[26]。一般而言，土壤中微生物量和微生物群落活躍程度呈正相關關系, 即微生物量越大, 其群落活躍度就越高。本研究中，MBC含量在小麥拔節(jié)-蠟熟期隨生育時期推移而波動，在小麥蠟熟期最高, 這與李云玲[32]在玉米上的研究結論一致。MBN開花期最低, 可能原因是開花期是植物的旺盛生長期, 小麥對氮素需求增多, 植物與土壤微生物之間的養(yǎng)分競爭加劇, 而植物在與微生物養(yǎng)分競爭中得到了更多的營養(yǎng)物質, 從而導致MBN 下降[33]。土壤MBC/MBN可反映微生物群落結構信息, 其顯著的變化預示著微生物群落結構變化, 可能是微生物量較高的首要原因[34]。覆蓋不同程度的提高了土壤MBC、MBN和MBC/MBN，以開花期MBC/MBN較高，推測開花期可能土壤真菌占優(yōu)勢。

本研究表明, 除過氧化氫酶外，土壤含水量與酶活性存在明顯的正相關, 這主要是因為, 土壤水分的增加能夠為各種酶促反應提供反應條件與場所, 促進酶和底物的擴散, 酶和底物濃度相應提高, 從而使酶活性有所增強[35-37]。土壤溫度與多數微生物特性指標存在顯著的正相關, 其原因可能是溫度升高會促進微生物活性, 土壤微生物的生長與代謝速度加快, 產酶速度也會增快, 酶庫得到擴充, 酶活性升高[33]。MBC和MBN均與脲酶、堿性磷酸酶呈極顯著正相關，而MBN與過氧化氫酶呈顯著的負相關，可能原因是土壤生物學特性對覆蓋方式的響應存在既相互協(xié)同又相互制約的復雜關系。

4 結 論

地膜覆蓋對土壤具有調溫保墑、提高pH的作用, 促進土壤過氧化氫酶、堿性磷酸酶的活化, 但抑制了脲酶和蔗糖酶活性。秸稈帶狀覆蓋在提高土壤SCW和pH的同時, 對0～20 cm土層土壤起到明顯的降溫作用, 且SMd的對土壤的保墑、降溫、pH的影響大于SMu。SMu和SMd土壤水溫及pH的差異也導致兩帶間酶活性的差異, 覆蓋帶的土壤酶(除堿性磷酸酶)活性均較CK降低, 種植帶土壤酶活性(除脲酶)均高于CK。覆蓋的增墑效應可能有利于提高微生物群落活躍程度，從而增加土壤MBC、MBN含量和MBC/MBN。