臧逸飛，郝明德,2,*，張麗瓊,3，張昊青

1 西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，楊凌 712100 3 安康學院農(nóng)學與生命科學學院，安康 725000

26年長期施肥對土壤微生物量碳、氮及土壤呼吸的影響

臧逸飛1，郝明德1,2,*，張麗瓊1,3，張昊青1

1 西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，楊凌 712100 3 安康學院農(nóng)學與生命科學學院，安康 725000

研究長期小麥連作施肥條件下土壤微生物量碳、氮，土壤呼吸的變化及其與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性。以陜西長武長期定位試驗為平臺，應(yīng)用氯仿熏蒸-K2SO4提取法、堿液吸收法和化學分析法分析了長達26a不同施肥處理農(nóng)田土壤微生物量碳、微生物量氮和土壤呼吸之間的差異及其調(diào)控土壤肥力的作用。長期施肥及種植作物，均能提高土壤微生物量碳、氮含量，尤其是施用有機肥，土壤微生物量碳、氮含量高于單施無機肥的處理，土壤呼吸量也提高15.91%—75.73%，而施用無機肥對于土壤呼吸無促進作用。土壤微生物生物量碳氮、土壤呼吸與土壤有機質(zhì)、全氮呈極顯著相關(guān)。長期有機無機肥配施可以提高土壤微生物量碳氮、土壤呼吸，氮磷肥與廄肥配施對提高土壤肥力效果最好。微生物量碳氮及土壤呼吸可以反映土壤質(zhì)量的變化，作為評價土壤肥力的生物學指標。

長期連作施肥; 土壤微生物量碳; 土壤微生物量氮; 土壤呼吸

土壤微生物量是植物營養(yǎng)物質(zhì)的源和庫，并積極參加養(yǎng)分循環(huán)[1]，代表土壤養(yǎng)分的活性部分，因此常被用于評價土壤質(zhì)量的生物學性狀。土壤呼吸和微生物代謝商綜合了微生物量的大小和活性，可以較好地反映土壤環(huán)境質(zhì)量的變化。Doran 和Parkin[2]認為，基本的土壤質(zhì)量或健康生物指標應(yīng)當包括微生物碳、氮，潛在礦化氮，土壤呼吸，微生物商等。Pankhurst[3]也認為，微生物量，土壤呼吸及其衍生指數(shù)，一些土壤功能微生物、土壤酶等均可看做目前具有潛力的生物學指標。許多研究表明，土壤微生物量、土壤呼吸及其衍生指數(shù)較其他土壤性質(zhì)能夠迅速地響應(yīng)施肥管理(有機肥和無機肥)、作物體系、耕作和休閑以及土地利用方式的差異[4- 7]。在施肥管理方面的研究表明，施用有機肥可以顯著提高土壤微生物量碳、氮的含量及基礎(chǔ)呼吸強度，其中隨著有機肥施用量的增加，土壤微生物量碳、氮的增加越明顯[4，8]。施用無機肥對于土壤呼吸沒有顯著影響[8- 9]，但是由于氣候條件、土壤類型以及耕作施肥的復(fù)雜多樣性，其對土壤微生物量的影響不盡相同。李娟等[10]報道，灌溉褐潮土上配合施用氮、磷、鉀肥較不施肥土壤顯著增加土壤微生物量碳、氮，而旱作褐土上適量施用氮磷無機肥與不施肥相比，土壤微生物量碳、氮沒有顯著差異[4]。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，但是由于我國幅員遼闊，氣候條件、土壤類型以及耕作制度復(fù)雜多樣，目前關(guān)于長期施肥對黑壚土生物學特性影響的深入系統(tǒng)研究還較少。本文以陜西長武長期定位試驗為平臺，探索26a不同養(yǎng)分管理模式下黑壚土微生物生物量碳、氮以及基礎(chǔ)呼吸的響應(yīng)，以了解黑壚土的長期培肥效應(yīng)，為提高土地生產(chǎn)力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于黃土高原中南部陜西省長武縣十里鋪村無灌溉條件的塬面旱地上。海拔1200 m，年均氣溫9.1 ℃，無霜期171 d，年均降水量為580.1 mm，屬典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。供試土壤為中壤質(zhì)黑壚土。當?shù)刂饕魑餅樾←湥N植面積占糧食作物的50%以上。實驗開始時耕層土壤有機質(zhì)含量為10.50 g/kg，全氮含量0.80 g/kg，堿解氮含量37.00 mg/kg，全磷含量1.26 g/kg，速效鉀含量129.00 mg/kg，pH值8.10。

1.2 試驗設(shè)計

長期輪作培肥試驗始于1984年，36個處理，3次重復(fù)，共108個小區(qū)，采用順序排列法進行排列，小區(qū)面積66.67 m2。本研究選擇其中9個處理：休閑地處理1個(F)，小麥連作施肥處理8個(CK、N、P、M、NP、PM、NM、NPM)。供試小麥品種為長武134，播種期9月中下旬，次年6月下旬收獲，一年一熟。施肥量：N(尿素)120 kg hm-2a-1，P2O5(過磷酸鈣)60 kg hm-2a-1，M(廄肥)75 t hm-2a-1。所有肥料在播種前一次性施入，各處理進行定期除草和松土，田間管理同大田。

1.3 分析測定方法

試驗于2010年9月小麥播種前采集各處理0—20 cm土壤新鮮樣品，一部分過2 mm篩后4 ℃保存，用于測定土壤微生物量碳、氮及土壤呼吸。另一部分風干過篩，用于測定土壤pH值、有機質(zhì)、全氮以及全磷含量。

微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法(FE)測定[11]。微生物量碳、氮的換算系數(shù)均為0.45。土壤呼吸采用堿液吸收滴定法測定[12]。

pH值采用pH計測定，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定，全氮采用半微量凱氏法測定，全磷采用高氯酸-硫酸-鉬銻抗比色法測定[13]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2003 整理后，采用DPS v7.05軟件進行單因素方差分析及相關(guān)分析，不同處理之間采用Duncan 新復(fù)極差法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤化學性質(zhì)

與長期連作不施肥處理(CK)相比，施用有機肥及氮磷肥配合施用可以明顯提高土壤有機質(zhì)、全氮、全磷含量(表1)。其中氮磷有機肥配施土壤有機質(zhì)、全氮、全磷含量最高，分別比CK增加39.51%、60.92%和51.47%。氮磷肥配合施用較對照提高了土壤的養(yǎng)分含量，但有機質(zhì)及全氮含量均低于各施用有機肥的處理。單施氮肥處理土壤各化學性質(zhì)均與CK無顯著差異，其中全氮含量略有增加但差異不顯著是由于小麥施入氮肥后生長較CK好，消耗了一定量的氮素。單施磷肥顯著增加全磷含量，其他各養(yǎng)分指標與對照差異不顯著。

表1 長期不同施肥對土壤化學性質(zhì)的影響(0—20 cm)Table 1 Effects of continuous fertilization on soil chemical properties

平均值±標準差，P<0.05; F:休閑地處理 Fallow;CK: 對照 Control Check;N: 氮肥 Nitrogen;P: 磷肥 Phosphorus;NP: 氮肥+磷肥 Nitrogen +Phosphorus;M: 有機肥 Manure;NM: 氮肥+有機肥 Nitrogen + Manure;PM: 磷肥+有機肥 Phosphorus + Manure;NPM: 氮肥+磷肥+有機肥 Nitrogen + Phosphorus + Manure

單施氮肥、氮有機肥配施土壤有機質(zhì)、全氮含量分別高于單施磷肥及磷有機肥配施處理，說明氮肥對于提高土壤碳氮養(yǎng)分效果更佳。對照處理各養(yǎng)分含量與休閑地無顯著差異。施用化肥使有機碳與全氮的比值(C/N)較CK降低了1.89%—6.86%，其中單施氮肥C/N降低最多。各處理間土壤pH值差異不大，但較實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。

2.2 土壤微生物生物量碳、氮

長期不同施肥條件下土壤微生物量碳、氮含量變幅很大，微生物量碳為254.65—745.26 mg/kg，微生物量氮為31.70—120.54 mg/kg(表2)。施肥處理及CK處理微生物量碳、氮含量均比休閑地高，最高的分別是休閑地的2.93和3.80倍。CK處理雖然連年不施肥，但是因為小麥殘留物的影響，其微生物量碳、氮含量仍然顯著高于休閑地。單施氮肥、磷肥土壤微生物量碳、氮與CK差異不顯著。氮磷肥配施顯著提高微生物量氮，微生物量碳含量雖與CK差異不顯著，但氮磷肥配施較單施無機肥仍略有增加。有機肥施入極大的提高了土壤微生物量碳、氮含量，最大分別較氮磷肥配施提高了62.15%和48.12%。

土壤微生物量碳占土壤有機碳含量的百分比稱為微生物商[14]。表2中各處理土壤微生物商值在3.47%—6.72%之間。長期施肥處理及CK處理微生物商顯著高于休閑地，最高增長93.66%。

土壤微生物量碳、氮比可以反映微生物群落結(jié)構(gòu)信息，其顯著變化預(yù)示著微生物群落結(jié)構(gòu)變化可能是微生物生物量較高的首要原因[15- 17]。休閑地碳氮比最高，施肥處理與CK沒有顯著差異。一般情況下細菌的碳氮比在5∶1左右，放線菌在6∶1左右，真菌的則在10∶1左右。表2 中各處理碳氮比均在5以上，且休閑地處理碳氮比最大，說明土壤中細菌不是唯一的優(yōu)勢菌，真菌和放線菌也占有相當大的比重，且在休閑地中比重最大。

表2 長期不同施肥對土壤微生物生物量碳、氮的影響(0—20 cm)Table 2 Effects of continuous fertilization on microbial biomass C and microbial biomass N

平均值±標準差，P<0.05

2.3 土壤基礎(chǔ)呼吸及代謝商

土壤呼吸作用主要來源于微生物的呼吸作用，可作為衡量土壤微生物總活性或評價土壤肥力的指標。有機肥的施用對于提高土壤呼吸有很大的作用,增長幅度在15.91%—75.73%。其中，氮磷有機肥配施土壤呼吸強度最高，單施有機肥次之。無機肥對于土壤呼吸無促進作用。單施磷肥及氮磷肥配施土壤呼吸強度與對照處理無顯著差異，單施氮肥甚至對土壤呼吸起到抑制作用(圖1)。

微生物代謝商是指微生物基礎(chǔ)呼吸強度與微生物生物量碳的比值[8]。本實驗中(圖2)對照土壤代謝商最高，施用無機肥、有機肥或配施處理土壤代謝商均低于對照處理，說明施肥處理微生物呼吸消耗的碳比較少，能更有效的利用有機碳轉(zhuǎn)化為生物量碳。休閑地處理土壤代謝商最低。

圖1 不同施肥處理土壤基礎(chǔ)呼吸Fig.1 Soil basal respiration in different fertilization treatments

圖2 不同施肥處理土壤微生物代謝商Fig.2 Soil microbial metabolic quotient in different fertilization treatments

2.4 土壤微生物量碳、氮，土壤基礎(chǔ)呼吸與土壤基本化學性質(zhì)之間的相關(guān)性

相關(guān)分析結(jié)果表明，微生物量碳、氮除相互間呈極顯著相關(guān)外，與土壤呼吸、有機質(zhì)、全氮呈極顯著相關(guān)關(guān)系(表3)。微生物商僅與微生物量碳、土壤呼吸及代謝商顯著相關(guān)，與土壤基本養(yǎng)分之間無相關(guān)性，這可能是由于微生物商表征的是土壤有機碳的周轉(zhuǎn)速率，是土壤碳動態(tài)變化的一個指標。土壤呼吸與微生物量碳、氮及土壤基本化學性質(zhì)之間均呈極顯著或顯著相關(guān)，代謝商與微生物商、土壤呼吸呈顯著相關(guān)。

表3 土壤微生物生物量碳、氮，土壤基礎(chǔ)呼吸與土壤基本化學性質(zhì)之間的相關(guān)性

Table 3 Linear correlation coefficients among soil microbial biomass C, microbial biomass N, soil basal respiration rate and soil chemical properties

項目Item微生物生物量碳MicrobialbiomassC微生物生物量氮MicrobialbiomassN微生物商Microbialquotient土壤呼吸Soilrespiration代謝商Metabolicquotient有機質(zhì)Organicmatter全氮Totalnitrogen全磷Totalphosphor微生物生物量碳MicrobialbiomassC1.00微生物生物量氮MicrobialbiomassN0.87**1.00微生物商Microbialquotient0.75*0.621.00土壤呼吸Soilrespiration0.95**0.87**0.68*1.00代謝商Metabolicquo-tient0.570.620.68*0.73*1.00有機質(zhì)Organicmatter0.86**0.81**0.330.84**0.431.00全氮Totalnitrogen0.84**0.83**0.310.86**0.490.98**1.00全磷Totalphosphor0.620.520.280.70*0.520.67*0.67*1.00

r0.05=0.666，r0.01=0.798，n=9；*表示顯著相關(guān)，**表示極顯著相關(guān)

3 討論

(1)黑壚土經(jīng)過26a不同施肥方式顯著的影響了土壤的化學性質(zhì)(pH值、有機質(zhì)、全氮及全磷)和生物學性質(zhì)(微生物生物量及土壤呼吸)。長期施用有機肥增加土壤碳源，使有機質(zhì)含量較CK增加36.25%—65.33%，這成為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(xiàn)出來。白震[18]等對黑土長期施肥的研究也論證了這一點。

在連作條件下，長期施用無機肥對土壤微生物生物量碳、氮的影響較小。這是因為小麥生長消耗大部分養(yǎng)分且小麥生長狀況較差，根系及殘留物都較少，且長期施用化肥，尤其是無機氮肥，使土壤的C/N比降低，加速了土壤中原有有機碳的分解，導(dǎo)致土壤中積累的有機碳總量較少[19]。有機肥的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[4]，可提高土壤養(yǎng)分，保證較高的微生物生物量[20]。B?hme 等[5]與Peacock 等[21]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(jié)構(gòu)及其生態(tài)功能。本研究表明，長期施用有機肥能顯著提高土壤微生物碳氮含量，且均高于單施無機肥的處理，其中有機肥施用使土壤微生物量碳、氮含量較CK最高增加55.82%和77.92%。Sneh-Goya 等[22]和 Seimek等[23]對10a以上無機有機肥配合施用情況下土壤微生物量碳、氮的變化進行了研究，都說明施肥直接增加根系生物量及根系分泌物，促進微生物生長繁殖，使土壤微生物量碳、氮含量明顯高于單施化肥的處理。

微生物商可以充分反映土壤中活性有機碳所占的比例，從微生物學的角度揭示土壤肥力的差異，由于土壤微生物量碳周轉(zhuǎn)快，所以微生物商值越大，土壤有機碳周轉(zhuǎn)越快[24]。一般土壤的微生物商值在1%—4%[25]，因為土壤類型、管理措施、分析方法、采樣時間等的不同，文獻報道中微生物商的范圍擴大為0.27%—7%[26- 27]。本文中微生物商的范圍為3.47%—6.72%，與文獻的報道數(shù)值相符，也表明長期施肥黑壚土土壤活性有機碳含量高，有機碳周轉(zhuǎn)速率快。

(2)土壤呼吸往往作為土壤生物活性和土壤肥力乃至透氣性的指標，并且指示著生態(tài)系統(tǒng)演替的過程與方向[28]。施用有機肥的處理土壤呼吸明顯高于其他處理，其中有機肥與無機肥配施達到最高，為37.66 mg kg-1h-1，表明微生物處于良好狀態(tài)，可以儲存和循環(huán)更多養(yǎng)分。

微生物代謝商可反映單位生物量的微生物在單位時間里的呼吸強度，同時表示微生物量的大小和活性，并且將微生物生物量與微生物活性及功能聯(lián)系起來[29]。施肥處理代謝商低于對照處理，反映土壤具有相對較高的微生物生物量和活性，可以維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的正常功能。休閑地處理代謝商最低，可能是因為雖然土壤肥力缺乏，但是土壤養(yǎng)分沒有作物消耗，微生物可利用碳源較為充足，利用碳源的效率較高。代謝商是反映環(huán)境因素、管理措施變化等對微生物活性影響的一個敏感指標[30- 31]，在環(huán)境脅迫條件下代謝商增大，因此代謝商可以作為微生物脅迫指標之一。

(3)土壤微生物量碳是土壤有機碳的靈敏指示因子，土壤微生物量氮是土壤氮素礦化勢的重要組成部分。本研究中土壤微生物量碳、氮與土壤有機質(zhì)、全氮呈顯著正相關(guān)，表明微生物量碳、氮的變化趨勢與土壤有機質(zhì)、全氮變化趨勢一致，因此微生物量可以代表土壤有機質(zhì)、全氮評價土壤肥力狀況，并作為評價長期培肥過程中土壤質(zhì)量變化的生物學指標。李娟等[10]對褐潮土的研究表明土壤微生物生物量碳氮與土壤全磷含量極顯著相關(guān)，這與本文的得出的不相關(guān)的結(jié)論不一致，這可能是由于褐潮土試驗初期土壤磷素含量較低，磷素成為主要的制約因子，而黑壚土的全磷、速效磷含量較高，磷素對微生物活性的影響較小。

4 結(jié)論

黑壚土上，長期單施有機肥及有機無機肥合理配施使土壤微生物生物量碳氮及土壤養(yǎng)分含量增加，且氮磷肥配施適量廄肥最為顯著。單施化肥對土壤除磷素外養(yǎng)分及微生物生物量碳氮無顯著影響。長期氮磷肥配施、單施有機肥及有機無機肥配施均可以增強土壤基礎(chǔ)呼吸強度，單施氮肥、磷肥使土壤基礎(chǔ)呼吸強度降低，產(chǎn)生抑制作用。因此選擇有機無機肥配施尤其是氮磷肥配施適量廄肥對于培肥地力尤為重要。

土壤微生物生物量碳氮、土壤呼吸與土壤有機質(zhì)、全氮密切相關(guān)(P<0.01)，微生物商、代謝商作為其衍生指數(shù)，間接受到土壤養(yǎng)分的影響。這說明，這些土壤微生物學特性可以作為科學評價農(nóng)田土壤健康質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展的潛力預(yù)測指標。

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Effects of wheat cultivation and fertilization on soil microbial biomass carbon，soil microbial biomass nitrogen and soil basal respiration in 26 years

ZANG Yifei1, HAO Mingde1,2,*, ZHANG Liqiong1,3, ZHANG Haoqing1

1CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China2InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China3CollegeofAgricultureandLifeSciences,AnkangUniversity,Ankang725000,China

Soil microbial properties play important roles in soil quality changes and nutrition cycling. The relationship between soil microbial properties and soil quality changes as a result of climate conditions, soil types, tillage and fertilizer. Lots of studies had been done; however, there are not too many reports on loessial soil. Loessial soil is one of the main types of soil on loess plateau. The study about loessial soil plays an important role in getting better soil environment and increasing productivity of dryland on loess plateau. In this paper, the relationship between soil quality and soil microbial properties such as soil microbial biomass carbon, soil microbial biomass nitrogen and soil basal respiration was studied in order to illustrate the function of soil microbial properties as bio-indicators of soil health. The long-term experiment was set up in 1984 in Changwu county, Shaanxi province, China. We collected samples from the 0—20 cm soil zone of the long-term wheat cultivation and fertilization system. Nine treatments were carried out in this study: 1) fallow (F); 2) no fertilization as control (CK); 3) nitrogen (N); 4) phosphorus (P); 5) manure(M); 6) nitrogen + phosphorus (NP); 7) phosphorus + manure (PM); 8) nitrogen + manure (NM); 9) nitrogen + phosphorus + manure (NPM). The chemical properties such as pH, organic matter, total nitrogen, and total phosphorus content were analyzed in order to determine to the effects of long-term wheat cultivation and fertilization on soil nutrients. The soil microbial biomass carbon, soil microbial biomass nitrogen, basal respiration and the derivative indices of the arable soil in different long-term fertilization systems were also analyzed. The results showed that different fertilization on loessial soil in 26 years significantly affected soil chemical and microbial properties. Long-time combined application of organic and mineral fertilizers had more effect on soil organic matter, total nitrogen and total phosphorus content than mineral fertilizers alone. All these properties in treatment with fertilizers input NPM were the highest. In different fertilization treatments, the contents of soil microbial biomass carbon changed between 254.65 mg/kg and 745.26 mg/kg, and the contents of soil microbial biomass nitrogen changed from 31.70 mg/kg to 120.54 mg/kg. Long-term fertilization and planting increased the content of soil microbial biomass carbon and soil microbial biomass nitrogen. Especially, organic fertilizers can significantly enhance soil microbial biomass content. Compared with CK, the treatments with organic fertilizers input increased soil microbial biomass carbon, soil microbial biomass nitrogen and soil basal respiration. The soil basal respiration of treatments with organic fertilizer was increased by 15.91% to 75.73%. In the meantime chemical fertilizer had no promotion on the soil basal respiration, and decreased the metabolic quotient. Some of soil microbial properties (Soil microbial biomass carbon, Soil microbial biomass nitrogen, Soil basal respiration) were significantly correlated with soil organic matter and soil total nitrogen contents. Soil basal respiration was also significantly correlated with soil total phosphorus content. The correlations between microbial quotient and soil nutrients, metabolic quotient and soil nutrients were not obvious. These results indicate that soil microbial properties reflect the changes of soil quality and thus can be used as biological indices in the evaluation of soil fertility.

long-term cultivation and fertilization; soil microbial biomass carbon; soil microbial biomass nitrogen; soil basal respiration

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2009CB118604); 國家科技支撐計劃重大項目(2011BAD31B01); 中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向項目(KZCX2-YW-JC408)

2013- 05- 07;

日期:2014- 04- 17

10.5846/stxb201305070967

*通訊作者Corresponding author.E-mail: mdhao@ms.iswc.ac.cn

臧逸飛，郝明德，張麗瓊，張昊青.26年長期施肥對土壤微生物量碳、氮及土壤呼吸的影響.生態(tài)學報,2015,35(5):1445- 1451.

Zang Y F, Hao M D, Zhang L Q, Zhang H Q.Effects of wheat cultivation and fertilization on soil microbial biomass carbon，soil microbial biomass nitrogen and soil basal respiration in 26 years.Acta Ecologica Sinica,2015,35(5):1445- 1451.