地膜覆蓋及不同施肥處理對根際土壤微生物數量和酶活性的影響

胡慶蘭，楊 凱，王金貴,2

(1.青海大學 農牧學院，西寧 810016；2.省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室，西寧 810016)

土壤微生物與土壤酶共同參與土壤的能量流動和物質循環[1]，是評價土壤肥力的重要指標之一[2]。土壤酶活性與土壤微生物生命代謝活動是相互關聯的[3]。研究表明，根際細菌和放線菌數量增加，有利于改善根際土壤的微生態環境，進而提高土壤肥力和促進植物根系發育及養分吸收[4]。地膜覆蓋可以降低由于降雨造成的土壤養分流失，改善土壤水熱狀況，顯著提高土壤養分[5]，國內外研究表明覆膜還可以改善土壤酸堿度[6-7]，為微生物生存提供良好的環境[8]，從而促進作物的生長發育。土壤酶來自微生物、植物和動物的活體或殘體，通過催化土壤中的生化反應發揮重要作用[2]；且土壤微生物數量的改變也會使土壤酶活性發生改變[9]。相關研究表明植物在不同的生育期會對土壤中的主要微生物群落構成產生明顯的影響，而不同施肥處理則在一定程度上加劇了土壤三大微生物群落結構的變化幅度[10]。不同施肥處理對土壤微生物多樣性的影響存在差異[11]，Li等[12]和王寧等[13]的研究表明長期單施化肥導致土壤細菌多樣降低，而有機肥部分替代化肥對恢復土壤細菌多樣性最優，細菌和放線菌的數量較單施化肥處理增加28.2%～84.6%；Xia等[14]和顧美英等[15]的研究表明生物炭配施化肥能減少速態氮的損失，提高微生物活性。許躍齊等[16]的研究結果表明，生物炭的施加較單施化肥增加了細菌和放線菌數量45.77%～192.45%，降低了真菌數量；而屈忠義等[17]的研究結果表明生物炭的施加使細菌、真菌和放線菌的數量較單施化肥處理均有明顯增加。因此，比較分析地膜覆蓋下不同施肥處理對不同生育期土壤中細菌、真菌、放線菌數量的影響，在提高肥料利用效率以及評價土壤質量上具有一定的理論和現實意義。

目前，對于土壤微生物數量及土壤酶活性的影響研究較多[18-19]，但通過結合采集作物不同生育期根際土壤和非根際土壤研究土壤酶活性和微生物數量的研究報道較少。因此，本試驗以青海省最大的覆膜玉米種植區民和縣為研究區域，采用室內分析和田間試驗相結合的方法，研究了地膜覆蓋和不同施肥處理對玉米不同生育期土壤微生物數量和土壤酶活性的影響，為當地玉米高效生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究區域地位于青海省海東市民和回族土族自治縣(102°26′～103°04′ E，35°45′～36°26′ N)，屬高原大陸性干旱氣候，年均氣溫9 ℃，年降雨量約360 mm，無霜期約198 d，土壤類型以栗鈣土、黑鈣土和灰鈣土為主。海拔最高4 220 m，最低 1 650 m，平均海拔2 200 m。全縣農作物播種面積4.45萬hm2，其中覆膜玉米種植面積2020年超過2.67萬hm2，為青海省最大覆膜玉米種植區。前茬作物為玉米。試驗地耕層(0～20 cm)土壤基本理化性質：有機質19.84 g/kg，速效磷48.71 mg/kg，速效鉀59.43 mg/kg，堿解氮 116.63 mg/kg，pH 8.29。

1.2 試驗設計

本研究采用裂區試驗設計，主區2水平為覆膜和無膜，副區4水平分別為對照(CK)、氮磷鉀配施(NPK)、氮磷鉀配施有機肥(NPKO)和氮磷鉀配施生物炭(NPKB)，共計8個處理，每個處理重復3次，小區面積為20 m2(長×寬=5 m× 4 m)。具體試驗處理見表1。供試氮肥為尿素(N 46%)，磷肥為磷酸二銨(P2O546%)，鉀肥為硫酸鉀(K2O 50%)，有機肥為商品有機肥[有機質≥45%，總養分(N-P2O5-K2O)≥5%]；生物炭以玉米秸稈為原料，養分含量分別為有機質 404.77 g/kg、全氮 8.45 g/kg、全磷2.31 g/kg、全鉀15.55 g/kg；地膜為聚乙烯農用地膜，厚度為 0.01 mm。化肥、有機肥和生物炭在播種時一次全部施入。供試玉米品種為‘玉源7879’(雜交種)，播種量為60 000株/hm2。該試驗于2020年和2021年進行，所用數據為2021年試驗數據。

表1 試驗處理組合及肥料用量Table 1 Test treatments and fertilizer rate

1.3 樣品采集和測定

播種后于苗期、大喇叭口期、乳熟期和完熟期，按照五點采樣法采集玉米根際土和非根際土，其中根際土壤樣品采用抖根法[20]采集。由于苗期玉米根系較小，比較脆弱，因此未采集苗期的根際土壤。將各點土壤樣品混合均勻，除去根系、殘膜和石子等雜物后帶回實驗室，一部分土壤在室內風干，過1 mm篩后用于土壤酶活性的測定；另一部分土壤4 ℃保存，用于土壤微生物數量的測定。土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定，土壤磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定[21]。土壤微生物數量采用平板菌落計數法測定[22]。細菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養基，真菌采用馬丁培養基，放線菌用改良高氏 Ⅰ 號培養基。

1.4 數據分析

用 SPSS 18.0軟件進行方差分析，采用Duncan’s法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同處理對土壤脲酶活性的影響

大多數細菌、真菌都具有脲酶，其能促進有機質分子中肽鍵的水解，且脲酶活性與土壤中微生物數量以及有機質含量等呈正相關[22]。對于同一處理下的非根際土壤而言，土壤脲酶活性在整個生育期主要呈升-降-升的趨勢(表2)。覆膜條件下同一處理的根際土壤的脲酶活性在3個生育期中主要呈下降趨勢(表3)。由表2、表3可以觀察到，在玉米的各生育期中，覆膜處理的土壤脲酶活性基本都高于無膜處理。

從表2可以看出，對于非根際土壤，苗期CK-C處理的脲酶活性顯著高于NPKO-C及NPKB-C處理(P<0.05)；大喇叭口期和乳熟期CK-C處理的脲酶活性顯著高于NPK-C、NPKO-C及NPKB-C(P<0.05)；完熟期NPK-C處理顯著高于CK?？傮w而言，施肥降低了非根際土壤的脲酶活性。但對于根際土壤而言，覆膜條件下施肥可使脲酶活性增加，其中脲酶活性在大喇叭口期最高，NPK-C、NPKO-C、NPKB-C分別較CK-C增加了31.03%、66.01%、49.26%。由表3可知，對于根際土壤，大喇叭口期NPKO-C處理的脲酶活性與CK-C具有顯著性差異(P<0.05)，脲酶活性提高了66.01%；乳熟期NPKB-C、NPKB處理與CK-C具有顯著性差異(P< 0.05)，脲酶活性提高了61.57%、100.00%；完熟期NPKO-C、NPKB-C處理均與CK-C具有顯著性差異(P<0.05)，脲酶活性分別提高了 47.11%、75.21%。

表2 不同施肥處理和覆膜下非根際土壤脲酶活性變化Table 2 Changes of non-rhizosphere urease activity under different fertilization and mulching

表3 不同施肥和覆膜處理下根際土壤脲酶活性變化Table 3 Changes of rhizosphere urease activity under different fertilization and mulching

2.2 不同處理對土壤蔗糖酶活性的影響

土壤蔗糖酶活性與土壤中微生物數量以及微生物的活動呈正相關[22]。對于非根際土壤而言，土壤蔗糖酶活性在整個生育期主要呈升-降-升的趨勢(表4)。同一處理下根際土壤的蔗糖酶活性在3個生育期中主要呈下降趨勢(表5)。

從表4可以看出，對于非根際土壤，苗期的蔗糖酶活性NPKB處理與CK處理具有顯著性差異(P<0.05)，蔗糖酶活性提高了76.30%；大喇叭口期NPKO處理與CK具有顯著性差異(P<0.05)，蔗糖酶活性提高了50.19%；乳熟期NPKO、NPKB處理與CK均具有顯著性差異(P<0.05)，蔗糖酶活性分別提高了33.99%和 30.13%；完熟期NPKO、NPKB處理與CK-C均具有顯著性差異，蔗糖酶活性分別提高了 134.77%、139.07%。

表4 不同施肥和覆膜處理下非根際土壤蔗糖酶活性變化Table 4 Changes of non-rhizosphere invertase activity under different fertilization and mulching

根際土壤的蔗糖酶活性在大喇叭口期最高，NPK-C、NPKO-C、NPKB-C分別較CK-C高 38.43%、117.53%、64.94%。由表5可知，對于根際土壤，大喇叭口期的蔗糖酶活性表現為NPK處理與CK具有顯著性差異(P<0.05)，蔗糖酶活性提高了94.76%；乳熟期NPKB-C處理與CK-C具有顯著性差異(P<0.05)，蔗糖酶活性提高了50.46%；完熟期NPK、NPKO、NPKB處理與CK均具有顯著性差異(P<0.05)，蔗糖酶活性分別提高了40.17%、42.50%和52.79%?？梢?，施肥可以提高土壤蔗糖酶活性。

表5 不同施肥和覆膜處理下根際土壤蔗糖酶活性變化Table 5 Changes of rhizosphere invertase activity under different fertilization and mulching

2.3 不同處理對土壤堿性磷酸酶活性的影響

磷酸酶能夠酶促有機磷化合物的水解，可以用來表征土壤肥力狀況[22]。對于同一處理下的非根際土而言，土壤堿性磷酸酶活性在整個生育期主要呈升-降的趨勢(表6)。同一處理下根際土的堿性磷酸酶活性在3個生育期中主要呈升-降趨勢(表7)。且非根際土與根際土的堿性磷酸酶活性都在乳熟期達到最大值。

從表6可以看出，對于非根際土，大喇叭口期的堿性磷酸酶活性NPKB-C處理與CK-C具有顯著性差異(P<0.05)，堿性磷酸酶活性提高了28.83%；乳熟期NPK-C、NPKB-C處理與CK-C均具有顯著性差異(P<0.05)，堿性磷酸酶活性分別提高了21.21%、15.17%；完熟期NPKB-C處理與CK-C具有顯著性差異(P<0.05)，堿性磷酸酶活性提高了39.22%。

表6 不同施肥和覆膜處理下非根際土壤堿性磷酸酶活性變化Table 6 Changes of non-rhizosphere alkaline phosphatase activity under different fertilization and mulching

根際土壤的堿性磷酸酶活性在乳熟期最高，NPK、NPKO、NPKB分別較CK提高了43.84%、 30.38%、31.53%。由表7可知，對于根際土，大喇叭口期NPK與CK-C具有顯著性差異(P< 0.05)，堿性磷酸酶活性提高了8.05%；乳熟期NPK與CK具有顯著性差異(P<0.05)，堿性磷酸酶活性提高了43.84%；完熟期NPK、NPKO處理與CK-C均有顯著性差異(P<0.05)，堿性磷酸酶活性分別提高了20.21%、25.70%?？傮w而言，施肥處理的堿性磷酸酶活性比不施肥處理要高。

表7 不同施肥和覆膜處理下根際土壤堿性磷酸酶活性變化Table 7 Change of rhizosphere alkaline phosphatase activity under different fertilization and mulching

2.4 不同處理對土壤細菌數量的影響

由圖1、圖2可知，不同施肥處理下乳熟期根際土壤與非根際土壤的細菌數量整體較高。不同施肥處理下各生育期覆膜條件下的細菌數量均高于無膜處理，且施肥處理的土壤細菌數量比不施肥處理要高。

圖1 不同施肥和覆膜處理下非根際土壤細菌數量變化Fig.1 Change of non-rhizosphere bacterial numbers under different fertilization and film mulching

圖2 不同施肥和覆膜處理下根際土壤細菌數量變化Fig.2 Change of number of rhizosphere bacteria under different fertilization and film mulching

各生育期非根際土壤的細菌數量為乳熟期>完熟期>苗期>大喇叭口期。苗期NPKO、NPKO-C處理細菌數量顯著高于CK(P<0.05)，分別為4.03×105cfu/g、4.41×105cfu/g。大喇叭口期各處理之間無顯著性差異，NPK-C、NPKB-C處理的細菌數量分別較CK-C增加了1.45%、10.14%。乳熟期NPK-C、NPKO-C、NPKB-C處理細菌數量均顯著高于CK-C(P<0.05)，分別為8.80×105cfu/g、6.98×105cfu/g、6.88×105cfu/g。

各生育期根際土壤的細菌數量為乳熟期>大喇叭口期>完熟期。乳熟期細菌數量最大，其中NPK-C、NPKO-C分別較CK-C增加了19.74%、26.26%。大喇叭口期NPK-C、NPKO-C處理細菌數量顯著高于CK-C(P<0.05)，分別為 2.38×105cfu/g、3.32×105cfu/g。乳熟期CK-C、NPK、NPK-C、NPKO、NPKO-C、NPKB、NPKB-C處理細菌數量均顯著高于CK處理 (P<0.05)。完熟期NPKO處理細菌數量顯著高于CK(P<0.05)，為2.91×105cfu/g。

2.5 不同處理對土壤放線菌數量的影響

由圖3、圖4可知，不同施肥處理的非根際土壤完熟期的放線菌數量最高；根際土則是乳熟期放線菌數量最高。且不同施肥處理下各生育期覆膜處理的放線菌數量均高于不覆膜處理。

圖3 不同施肥和覆膜處理下非根際土壤放線菌數量變化Fig.3 Change of non-rhizosphere actinobacteria numbers under different fertilization and film mulching

圖4 不同施肥和覆膜處理下根際土壤放線菌數量變化Fig.4 Change of number of soil actinomycetes in rhizosphere under different fertilization and film mulching

各生育期非根際土壤的放線菌數量為完熟 期>乳熟期>大喇叭口期>苗期。苗期NPK、NPKB-C處理的放線菌數量顯著高于CK處理(P<0.05)，分別為0.97×104cfu/g、1.01×104cfu/g。大喇叭口期NPKB-C放線菌數量顯著高于CK，為1.41×104cfu/g。乳熟期各處理之間無顯著性差異，NPK-C、NPKO-C分別較CK-C增加了3.51%、8.31%。完熟期NPK-C、NPKO-C、NPKB-C處理的放線菌數量均顯著高于CK處理(P<0.05)，分別為8.44×104cfu/g、9.86×104cfu/g、8.23×104cfu/g。

各生育期根際土壤的放線菌數量為乳熟期>大喇叭口期>完熟期。乳熟期放線菌數量最大，NPK-C、NPKO-C、NPKB-C處理分別較CK-C增加了23.49%、62.94%、46.97%。大喇叭口期NPK-C、NPKO-C、NPKB-C處理的放線菌數量均顯著高于CK處理(P<0.05)，分別為5.47×104cfu/g、5.46×104cfu/g、4.23×104cfu/g。乳熟期NPKO-C、NPKB-C處理的放線菌數量均顯著高于CK處理(P<0.05)，分別為8.88×104cfu/g、8.01×104cfu/g。完熟期NPK、NPK-C、NPKO、NPKO-C、NPKB、NPKB-C處理的放線菌數量均顯著高于CK-C處理(P<0.05)，分別為CK-C的4.16、4.83、3.36、4.19、2.21、2.44倍。

2.6 不同處理對土壤真菌數量的影響

由圖5、圖6可知，不同施肥處理下根際土壤大喇叭口期真菌數量最高。除NPK-C、NPKB-C處理外，各生育期非根際土壤的真菌數量為乳熟期>苗期>大喇叭口期>完熟期。苗期NPK、NPKB-C處理的真菌數量顯著高于CK處理 (P<0.05)，分別為0.39×103cfu/g、0.83×103cfu/g。大喇叭口期NPKB-C處理的真菌數量顯著高于CK處理(P<0.05)，為0.94×103cfu/g。乳熟期NPKO-C處理的真菌數量顯著高于NPK處理(P<0.05)，為1.09×103cfu/g。完熟期NPK-C、NPKB-C處理的真菌數量顯著高于CK處理(P<0.05)，分別為1.11×103cfu/g、 1.45×103cfu/g。

圖5 不同施肥和覆膜處理下非根際土壤真菌數量變化Fig.5 Change of non-rhizosphere fungi under different fertilization and film mulching

圖6 不同施肥和覆膜處理下根際土壤真菌數量變化Fig.6 Change of number of rhizosphere fungi under different fertilization and coating treatment

各生育期根際土壤的真菌數量為大喇叭口 期>乳熟期>完熟期。大喇叭口期真菌數量最大，NPK-C、NPKO-C分別較CK-C高120.30%、 60.89%。大喇叭口期NPK-C處理的真菌數量顯著高于CK-C處理(P<0.05)，為4.45×103cfu/g。乳熟期NPKO-C處理的真菌數量顯著高于NPKB處理(P<0.05)，為0.81×103cfu/g。完熟期NPK-C、NPKB-C處理的真菌數量均顯著高于CK處理(P<0.05)，分別為0.63×103cfu/g、0.66×103cfu/g。

2.7 土壤微生物數量和土壤酶的相關性分析

由表8可知，根際土壤細菌數量與根際土壤脲酶活性及蔗糖酶活性正相關，與根際土壤堿性磷酸酶活性顯著正相關(P<0.05)。根際土壤放線菌數量與根際土壤脲酶活性、根際土壤蔗糖酶活性和根際土壤堿性磷酸酶活性正相關，與細菌數量極顯著正相關(P<0.01)。根際土壤真菌數量與根際堿性磷酸酶活性正相關，與細菌數量及放線菌數量顯著正相關(P<0.05)。

表8 不同施肥和覆膜處理下根際土壤微生物數量和酶活性相關性Table 8 Correlation of microbial number and enzyme activity in rhizosphere soil under different treatments of fertilization and film mulching

3 討 論

土壤酶與土壤微生物之間存在著密切的關系，土壤酶活性包括已積累于土壤中的酶活性，也包括正在增殖的微生物向土壤釋放的酶活性。土壤酶和土壤微生物一起共同推進土壤的代謝過程[21]。本研究表明，對于根際土壤而言，覆膜條件下，整個生育期化肥配施有機肥(NPKO-C)處理的脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性基本高于對照(CK-C)。王玉等[23]和李寬瑩等[24]的研究表明化肥肥效快而高，有機肥養分全面且含有大量有機質，能夠提高土壤酶活性，增加土壤有益微生物數量。不同施肥處理的根際土壤脲酶活性基本在大喇叭口期達到最大值，蔗糖酶活性也基本是大喇叭口期最高，堿性磷酸酶活性基本是乳熟期最高。在整個生育期，不同施肥處理下玉米根際土壤的脲酶活性及蔗糖酶活性均在大喇叭口期達到最大，這種變化規律與玉米的生長發育狀況是相同的，這與李潮海等[25]的研究結果一致。但本研究結果表明不施肥處理的非根際土壤脲酶活性比施肥處理總體較高，這可能是由于脲酶活性受肥料種類[26]、施肥方式[27]、土壤質地以及不同水分管理措施等[28]的影響，趙欣月[29]的研究表明土壤脲酶活性與土壤溫度和濕度等土壤環境因素有關，條件相同時增施肥料會抑制脲酶活性，具體原因還有待進一步研究。

本研究表明，施肥和覆膜能增加土壤中細菌、真菌、放線菌的數量。與其他施肥處理相比較，化肥配施有機肥(NPKO-C)更能增加土壤中細菌、真菌、放線菌的數量，這與李秀英等[30]和劉杏蘭等[31]的研究結果一致。根際土壤細菌數量與根際土壤脲酶活性顯著正相關，這與李生儀等[32]的研究結果一致，且根際細菌、放線菌和真菌數量兩兩之間均呈正相關。與單施化肥相比，配施有機肥后土壤攝入大量功能菌，從而刺激了細菌及放線菌的繁殖[33]。根際土壤細菌和放線菌數量的增加有利于調節作物生長發育[34]、改善土壤微生態環境[35]。本試驗中化肥配施有機肥(NPKO-C)能夠提高土壤酶活性增加和土壤微生物數量，表明土壤酶與土壤微生物之間關系密切，這與張向前等[36]的研究結果一致。

4 結 論

本試驗通過探索地膜覆蓋和不同施肥處理對根際土壤微生物數量和土壤酶活性的影響，得出如下結論：(1)施肥能提高脲酶、蔗糖酶及堿性磷酸酶的活性，覆膜能使土壤脲酶活性和堿性磷酸酶活性提高。其中蔗糖酶活性和脲酶活性都在大喇叭口期達到最大值；堿性磷酸酶活性在乳熟期達到最大。(2)施肥和覆膜處理能夠增加土壤細菌、放線菌和真菌的數量，其中細菌數量以及根際土壤的放線菌數量均在乳熟期達到最大值；根際土壤的真菌數量在大喇叭口期最大。綜上認為，覆膜條件下化肥配施有機肥(NPKO-C)能較好地增加土壤酶活性以及土壤微生物數量，并對改善土壤質量具有一定的作用。