徐一蘭,唐海明,肖小平,郭立君,李微艷,孫繼民

1 湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 長沙 410127 2 湖南省土壤肥料研究所, 長沙 410125

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長期施肥對雙季稻田土壤微生物學(xué)特性的影響

徐一蘭1,唐海明2,*,肖小平2,郭立君2,李微艷2,孫繼民2

1 湖南生物機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 長沙 410127 2 湖南省土壤肥料研究所, 長沙 410125

為探明不同施肥處理對早稻和晚稻各個生育時期稻田土壤微生物生物量碳、氮和微生物熵的影響,以湖南寧鄉(xiāng)長期定位試驗為平臺,應(yīng)用氯仿熏蒸-K2SO4提取法和化學(xué)分析法系統(tǒng)分析了定位長達29年5種施肥處理之間(化肥、秸稈還田+化肥、30%有機肥+70%化肥、60%有機肥+40%化肥和無肥)雙季稻田土壤微生物生物量碳、氮和微生物熵的差異。結(jié)果表明,早稻和晚稻各主要生育時期,長期施肥均能提高土壤微生物生物量碳、氮含量和微生物熵,各施肥處理土壤微生物生物量碳、氮含量和微生物熵均隨水稻生育期推進呈先增加后降低的變化趨勢,均于齊穗期達到最大值,成熟期達到最低值；其中,以60%有機肥和30%有機肥處理雙季稻田土壤微生物生物量碳、氮含量和微生物熵均為最高,均顯著高于其他處理,其大小順序表現(xiàn)為60%有機肥>30%有機肥>秸稈還田>化肥>無肥。長期有機無機配施可以提高土壤微生物生物量碳、氮和微生物熵,有機肥與化肥配施對提高土壤肥力效果最好。土壤微生物生物量碳、氮及微生物熵可以反映土壤質(zhì)量的變化,可作為評價土壤肥力的生物學(xué)指標。

水稻；長期施肥；土壤微生物量碳；土壤微生物量氮；微生物熵

土壤微生物是土壤中物質(zhì)循環(huán)的主要動力,它既是土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)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[1]。因此,土壤微生物與土壤肥力有著直接的關(guān)系。土壤微生物量碳、土壤微生物量氮、微生物熵均被用作評價土壤肥力和土壤質(zhì)量早期變化的有效指標[1]。國內(nèi)外研究表明,土壤微生物生物量與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的種植制度、耕作措施和施肥方式等因素關(guān)系密切,彭佩欽等[2]研究認為,洞庭湖區(qū)不同利用方式的土壤有機碳、全氮和微生物生物量碳、氮存在顯著的差異, 其中雙季稻顯著高于旱地和一季稻水田利用方式。臧逸飛等[3]研究結(jié)果表明,土壤微生物生物量碳、氮與土壤有機質(zhì)、全氮呈極顯著相關(guān)。Ekenler等[4]表明,土壤微生物生物量碳、氮與不同的土壤耕作措施關(guān)系密切。Jangid等[5]研究認為,土壤微生物生物量易受不同施肥模式的影響。Chu等[6]研究結(jié)果表明,有機肥顯著影響土壤微生物量碳,平衡施肥處理土壤微生物量碳顯著高于養(yǎng)分缺乏的施肥處理。李卉等[7]認為,添加水稻秸稈對農(nóng)田土壤微生物生物量均有促進作用。李文軍等[8]研究結(jié)果表明,氮磷鉀化肥配施有機肥處理稻田土壤微生物生物量碳、氮均明顯高于化肥單施處理。湖南是我國重要的雙季稻區(qū),保持該區(qū)域稻田土壤肥力的穩(wěn)定和持續(xù)是水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。雖然近年來我國學(xué)者對土壤微生物學(xué)特性開展了大量研究,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,對其土壤微生物量影響的研究結(jié)果不盡相同。國內(nèi)在雙季稻區(qū)主要開展了不同施肥措施(制度)對水稻某一時期稻田土壤微生物生物量、土壤團聚體有機碳、氮積累及分布、微生物多樣性等方面影響的研究[1,9-12],在大麥-雙季稻三熟制種植模式條件下,不同施肥措施對早、晚稻各個主要生育時期雙季稻田土壤微生物量碳、氮和微生物熵動態(tài)變化影響的研究還有待進一步開展。因此,本文以湖南寧鄉(xiāng)長期定位試驗為平臺,探索29a不同施肥管理模式下雙季稻田土微生物生物量碳、氮以及微生物熵的響應(yīng),以了解雙季稻田土壤的長期培肥效應(yīng),為提高稻田土地生產(chǎn)力和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

不同施肥模式定位試驗始于1986年,在湖南省寧鄉(xiāng)縣農(nóng)技中心內(nèi)進行(112°18′ E,28°07′ N),為典型的雙季稻主產(chǎn)區(qū),海拔36.1 m,年均氣溫16.8℃,年平均降雨量1553.70 mm,年蒸發(fā)量1353.9 mm,無霜期274 d。試驗地土壤為水稻土,河沙泥土種,種植制度為大麥-雙季稻,肥力中等,排灌條件良好。1986年試驗前耕層土壤(0—20 cm)基礎(chǔ)肥力：有機質(zhì)29.39 g/kg、全氮2.01 g/kg、全磷0.59 g/kg、全鉀20.6 g/kg、堿解氮144.1 mg/kg、有效磷12.87 mg/kg、速效鉀33.0 mg/kg和pH 6.85。水稻生長期日平均氣溫情況見圖1。

圖1 研究區(qū)水稻生長期日平均氣溫變化Fig.1 Variation characteristics of daily mean temperature during growth period of rice in the study area

1.2 試驗設(shè)計及田間管理

試驗設(shè)5個施肥處理,(1) 化肥處理：施氮、磷、鉀化肥,不施任何有機肥；(2) 秸稈還田+化肥處理：施用晚稻秸稈與化肥處理；(3) 30%有機肥處理：有機肥的氮含量占總施氮量的30%,其余70%的氮為化肥氮；(4) 60%有機肥處理：有機肥的氮含量占總施氮量的60%,其余40%的氮為化肥氮；(5) 無肥對照：不施任何肥料。每個小區(qū)長10.00 m,寬6.67 m,面積66.7 m2,小區(qū)間用水泥埂隔開,埋深100 cm,高出田面35 cm。保證各小區(qū)不竄灌、竄排。2014年,早稻供試品種為湘早秈45號,4月1日播種育苗,5月2日進行大田耕地和施基肥,5月3日移栽,7月24日收獲；晚稻供試品種為五優(yōu)308,6月25日播種育苗,7月25日進行大田耕地和施基肥,7月26日移栽,10月17日收獲。早稻和晚稻均采用人工移栽,移栽行株距均為25.0 cm×25.0 cm,均為二本栽插。早稻各施肥處理總施N 142.5 kg/hm2、P2O554.0 kg/hm2和K2O 63.0 kg/hm2；晚稻各施肥處理總施N 157.5 kg/hm2、P2O543.2 kg/hm2和K2O 81.0 kg/hm2；早稻季秸稈還田量為2775.0 kg/hm2(秸稈中N、P2O5、K2O含量分別為0.65%、0.13%和0.89%),晚稻季秸稈還田量為3600.0 kg/hm2(秸稈中N、P2O5、K2O含量分別為0.68%、0.15%和0.91%)；施用有機肥的處理,早稻和晚稻有機肥均為腐熟雞糞,早稻季30%有機肥和60%有機肥處理有機肥的施用量分別為2625.0、5250.0 kg/hm2,晚稻季30%有機肥和60%有機肥處理有機肥的施用量分別為2670.0、5340.0 kg/hm2(有機肥養(yǎng)分含量均為N 1.77%、P2O50.80%和K2O 1.12%),各處理以等氮量為基準,不足的氮、磷、鉀肥用化肥補足；早稻和晚稻各施肥處理秸稈和有機肥均于稻田耕地時作基肥一次性施入；N和K2O作基肥和追肥2次施入,基肥在耕地時施入,追肥在移栽后7 d施用,基追肥比例均按7∶3施用；P2O5均在耕地時作基肥一次性施入。其他管理措施同常規(guī)大田生產(chǎn)。

1.3 樣品采集與測定方法

試驗于2014年11月晚稻成熟收獲時采集各處理0—20 cm土壤新鮮樣品,風(fēng)干過篩,用于測定土壤pH值(土∶水=1∶2.5)、有機質(zhì)(重鉻酸鉀容量法)、全氮(重鉻酸鉀-硫酸消化法)、堿解氮(堿解擴散法)、有效磷(NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法)以及速效鉀含量(NH4Ac浸提-火焰光度法)[13]。

同時,分別于早稻和晚稻的苗期、分蘗期、拔節(jié)期、齊穗期和成熟期10個時期,進行土壤樣品的采集,每個處理采取多點取樣采集0—20 cm的耕層土壤,重復(fù)3次。土壤剔除石礫及植物殘茬等雜物后,一部分新鮮土壤過2 mm篩,放置于4℃冰箱內(nèi)貯,用于測定土壤微生物生物量碳、氮。土壤微生物生物量碳采用熏蒸浸提-重鉻酸鉀容量法測定,土壤微生物生物量氮采用熏蒸浸提取法測定[14]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理、相關(guān)分析采用Excel 2003軟件進行,方差分析和多重比較采用DPS 3.11(Data Processing System for Practical Statistics)軟件進行,多重比較采用LSD法(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期施肥對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

與長期無肥處理(CK)相比,有機肥配合施用化肥可以顯著提高土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量(表1)。其中,60%有機肥處理稻田土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均為最高,分別比無肥增加28.0 g/kg、1.77 g/kg、157.0 mg/kg、234.21 mg/kg和14.0 mg/kg；30%有機肥處理較化肥、秸稈還田和無肥提高了土壤的養(yǎng)分含量,但其含量均低于60%有機肥處理。秸稈還田和單施化肥處理土壤有機質(zhì)、全氮、堿解氮、和速效鉀含量均顯著高于無肥處理,而有效磷與無肥處理無顯著差異。各處理間土壤pH值差異不大,但較試驗開始時均略有減少,可能是因為植物殘茬及肥料施入的影響[15]。

表1 長期施肥對稻田土壤化學(xué)性質(zhì)的影響(0—20 cm)

MF：化肥 Mineral fertilizer alone；RF：秸稈還田 Rice residues plus mineral fertilizer；OM1：30%有機肥+70%化肥 30% organic matter plus 70% mineral fertilizer；OM2：60%有機肥+40%化肥 60% organic matter plus 40% mineral fertilizer；CK：無肥 Without fertilizer;表中不同字母表示處理間在0.05水平上差異顯著

2.2 長期施肥對雙季稻田土壤微生物生物量碳、氮的影響

早稻各主要生育時期,各施肥處理耕層土壤微生物生物量碳變化如圖2中所示。各施肥處理SMBC均隨生育期推進呈先增加后降低的變化趨勢,均于齊穗期達到最大值,成熟期達到最低值。早稻齊穗期,化肥、秸稈還田、30%有機肥和60%有機肥處理分別比無肥處理增加19.71%、26.04%、45.19%和49.99%,之后呈下降的變化趨勢。分蘗期至成熟期,以60%有機肥和30%有機肥處理SMBC均為最高值,均顯著高于其他處理。

晚稻各個生育時期,各處理SMBC均于齊穗期達到最大值,化肥、秸稈還田、30%有機肥和60%有機肥處理分別比無肥處理增加19.46%、25.70%、44.60%和48.39%。分蘗期至成熟期,60%有機肥和30%有機肥處理SMBC均為最高值,均顯著高于其他處理,其大小順序表現(xiàn)為60%有機肥>30%有機肥>秸稈還田>化肥>無肥(圖2)。有機無機配合施用處理在水稻各主要生育時期SMBC均高于化肥和無肥處理,這說明有機無機肥配合施用,可補充土壤有機碳源,提高土壤有機質(zhì)含量,為土壤微生物的生長繁殖提供了良好的環(huán)境條件和能源[12]。

圖2 長期施肥對雙季稻田土壤微生物生物量碳的影響Fig.2 Effects of different long-term fertilizer managements on soil microbial biomass carbon in paddy field圖中不同小寫字母表示顯著差異(P<0.05);MF：化肥 Mineral fertilizer alone；RF：秸稈還田 Rice residues plus mineral fertilizer；OM1：30%有機肥+70%化肥 30% organic matter plus 70% mineral fertilizer；OM2：60%有機肥+40%化肥 60% organic matter plus 40% mineral fertilizer；CK：無肥 Without fertilizer。SS：苗期 Seedling stage; TS：分蘗期 Tillering stage; JS：拔節(jié)期 Jointing stage; HS：齊穗期 Heading stage; MS：成熟期 Mature stage

早稻各主要生育時期,不同施肥處理耕層土壤微生物生物量氮均于齊穗期達到最大值,化肥、秸稈還田、30%有機肥和60%有機肥處理分別比無肥處理增加7.67%、10.98%、19.17%和21.75%。其中,以60%有機肥處理SMBN均為最高值,均顯著高于其他處理,其大小順序表現(xiàn)為60%有機肥>30%有機肥>秸稈還田>化肥>無肥(圖3)。

晚稻各主要生育時期,不同施肥處理SMBN變化趨勢與早稻生育期相似。各施肥處理SMBN均于齊穗期達到最大值,分別比無肥處理增加7.27%、10.41%、18.18%和20.14%。苗期到齊穗期,以60%有機肥和30%有機肥處理SMBN均為最高值,均顯著高于其他處理；成熟期,60%有機肥顯著高于其他處理(圖3)。在水稻各主要生育期,有機無機配合施用提高了SMBN,化肥與有機肥(雞糞和秸稈)配合施用,既補充了有機碳源,又改善了土壤的物理性狀,增強了土壤微生物的活性[16]。

圖3 長期施肥對雙季稻田土壤微生物生物量氮的影響Fig.3 Effects of different long-term fertilizer managements on soil microbial biomass nitrogen in paddy field

2.3 長期施肥對雙季稻田土壤微生物生物量碳氮比的影響

早稻苗期,60%有機肥處理SMBC/SMBN為最高值,顯著高于其他處理；分蘗期到成熟期,均以60%有機肥和30%有機肥處理為最高值,均顯著高于無肥處理；早稻各生育時期,各處理SMBC/SMBN值大小順序表現(xiàn)為60%有機肥>30%有機肥>秸稈還田>化肥>無肥,其平均值分別為13.58、14.16、15.15、15.37和12.42。

晚稻各主要生育時期,各施肥處理SMBC/SMBN變化趨勢與早稻生育期相似。分蘗期到成熟期,均以60%有機肥和30%有機肥處理為最高值,均顯著高于無肥處理；各處理SMBC/SMBN值大小順序表現(xiàn)為60%有機肥>30%有機肥>秸稈還田>化肥>無肥(圖4)。

圖4 長期施肥對雙季稻田土壤微生物生物量碳氮比的影響Fig.4 Effects of different long-term fertilizer managements on SMBC/SMBN in paddy field

2.4 長期施肥對雙季稻田土壤微生物熵的影響

土壤微生物量碳與土壤總有機碳的比值稱為微生物熵,它可作為土壤碳動態(tài)和土壤質(zhì)量研究的有效指標[1,17]。早稻各個主要生育時期,以60%有機肥和30%有機肥處理土壤微生物熵為最高,均顯著高于其他處理,秸稈還田和化肥處理次之,無肥處理最低；各施肥處理的土壤微生物熵于齊穗期達到最大值,化肥、秸稈還田、30%有機肥、60%有機肥和無肥處理土壤微生物熵分別為3.74%、3.91%、4.41%、4.54%和3.52%。

晚稻各主要生育時期,不同施肥處理土壤微生物熵變化趨勢與早稻生育期相似。苗期到成熟期,均以60%有機肥和30%有機肥處理為最高值,均顯著高于無肥處理；各處理土壤微生物熵的大小順序表現(xiàn)為60%有機肥>30%有機肥>秸稈還田>化肥>無肥(圖5)。長期各施肥處理的土壤微生物熵顯著高于無肥處理,其中長期有機無機配施處理(RF、OM1、OM2)的土壤微生物熵明顯高于長期單施化肥的處理(MF),這說明有機物的投入能提高土壤微生物熵[17]。

圖5 長期施肥對雙季稻田土壤微生物熵的影響Fig.5 Effects of different long-term fertilizer managements on soil microbial quotient in paddy field

3 討論

孫瑞蓮等[18]發(fā)現(xiàn),化肥與有機肥長期配合施用能明顯提高土壤有機質(zhì)和氮、磷、鉀養(yǎng)分含量,促進微生物代謝和繁育,可為作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)創(chuàng)造良好的土壤生態(tài)環(huán)境。朱海平等[19]研究也發(fā)現(xiàn),不同培肥管理措施顯著影響土壤有機質(zhì)、養(yǎng)分含量和微生物生態(tài)特征,其中施用豬廄肥影響較大,化肥影響較小。本試驗結(jié)果同樣證明,在雙季稻田長期施肥不同程度地增加了土壤微生物生物量和土壤養(yǎng)分含量,這是因為有機物與化肥長期配施調(diào)節(jié)了土壤C/N,能提供更適應(yīng)微生物生活的環(huán)境,其中以化肥與有機肥長期配施對土壤的培肥效果最佳,這與李娟等[20]的研究結(jié)果相一致。

土壤微生物生物量是土壤有機質(zhì)中最活躍和最易變化的部分,是評價土壤微生物參與土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)化循環(huán)能力的重要指標,可作為評價土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標,易受環(huán)境條件、植物生長和施肥方式等因素的綜合影響[21-22]。在本研究中,與無肥處理相比,所有施肥處理雙季稻田土壤微生物生物量碳、氮均有顯著的提高,其可能原因是：有機肥料的施用為土壤微生物提供了較多的能源和養(yǎng)分,促進了土壤微生物大量繁殖,改善了土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)；所施用的肥料促進作物根系生長,大量留田根茬和秸稈提高了微生物的活性,加速了土壤原有的和新鮮的有機物質(zhì)的分解、礦化。宇萬太等[23]研究認為,不同施肥處理土壤微生物量碳均呈現(xiàn)出春冬季較低、夏秋季較高的趨勢。在本研究中,早稻生育期各施肥處理土壤微生物量碳、氮含量均低于晚稻各生育期,這是因為整體來說晚稻季氣溫高于早稻季(圖1),在晚稻季水稻生長旺盛對養(yǎng)分需求量增加,微生物對養(yǎng)分的分解和代謝加快；同時,水稻根系分化養(yǎng)分能力增強,根系分泌物、脫落物增加,豐富的基質(zhì)促進了土壤微生物的繁殖[24]。在早、晚稻各個生育期,各施肥處理土壤微生物量碳、氮含量變化大體趨勢一致,在水稻生育前期均較低,隨著生育期的推進、溫度的不斷升高(圖1),土壤微生物活性有所提高,上一季未完全腐解秸稈殘體和其他有機質(zhì)開始加速腐解,各種環(huán)境因子(如氣溫和土壤溫度)均較適合微生物的生長和繁殖,土壤微生物量碳、氮含量逐漸增加；至齊穗期,各種養(yǎng)分的分解釋放隨氣候熱量增長而提高,此時為水稻的旺盛生長期,土壤微生物量碳、氮含量達到頂峰；在成熟期,由于作物根系活力減弱、分泌物減少,土壤微生物生物量碳、氮逐漸下降。

在本研究中,長期施用無機肥在水稻不同生育時期對土壤微生物生物量碳、氮的影響較小。這是因為水稻生長消耗大部分養(yǎng)分且水稻植株生長狀況較差,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C/N比降低,加速了土壤中原有有機碳分解,導(dǎo)致土壤中積累的有機碳總量較少[25]。在水稻各個生育時期,稻田系統(tǒng)內(nèi)的有機物質(zhì)(秸稈)循環(huán)再利用(RF)處理土壤微生物量碳、氮含量與無肥、單獨施用化肥處理相比均有一定的提高,但均低于有機無機配合施用(OM1和OM2)處理?？梢?有機肥是稻田生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物量碳和氮的重要來源和基礎(chǔ)性物質(zhì),秸稈循環(huán)再利用能提高稻田土壤微生物量碳和氮,但其量的高低還受礦質(zhì)氮影響[20]。在水稻各個生育時期,長期有機無機配合施用(OM1和OM2)處理能顯著提高土壤微生物碳、氮含量,且均高于單施無機肥和秸稈還田處理,其原因可能是有機無機配合施用情況下,增加了根系生物量及根系分泌物,促進土壤微生物生長繁殖[26],增加了土壤微生物量碳、氮含量,這與Goyal等[15]研究結(jié)果一致；這也進一步表明了有機無機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[27],進而提高土壤養(yǎng)分含量(表1),保證較高的微生物生物量,有機無機配合施用是提高土壤活性養(yǎng)分的重要措施[28]。

在早稻和晚稻各個生育時期,有機無機肥處理的SMBC/SMBN值明顯高于單施化肥和無肥處理,這與張奇春等[29]研究結(jié)果認為NK和NPK處理SMBC/SMBN值小于無肥處理不一致,其原因可能是由于本研究施用有機肥和秸稈還田后,為微生物活動提供了碳源；同時,有機肥和秸稈分解也消耗土壤氮素,致使稻田土壤處于“碳源富余、氮源缺乏”的狀態(tài),最終引起稻田土壤SMBC/SMBN值較高。土壤微生物熵能充分反映土壤中活性有機碳所占的比例,可從微生物學(xué)角度揭示土壤肥力差異[30],與土壤類型、管理措施、分析方法和采樣時間等因素關(guān)系密切,其變化范圍一般為0.27%—7.0%[31]。在本研究中,微生物熵在早稻和晚稻各主要生育時期不同施肥處理之間變化趨勢基本一致,各施肥處理早稻和晚稻生育期稻田土壤微生物熵的變化范圍分別為2.07%—4.54%和2.19%—4.68%,與前人的研究報道范圍相一致[31],表明長期施肥下雙季稻田土壤有機碳周轉(zhuǎn)速率快,微生物熵值大。其中,長期施肥處理土壤微生物熵均顯著高于無肥處理,主要原因是施肥增加了生物產(chǎn)量,改善土壤生態(tài)環(huán)境,提高微生物活性,有利于土壤碳的“源”與“匯”。在各個施肥處理,有機無機配合施用(OM1和OM2)處理土壤微生物熵最高,其原因可能是有機肥與化肥配合施用有利于改善土壤部分理化性質(zhì),土壤生態(tài)環(huán)境較好,有利于土壤微生物活性提高,長期有機物的投入使微生物量碳發(fā)生變化,提高了土壤有機碳積累和土壤微生物生物量。秸稈還田配施化肥處理土壤微生物熵均高于無肥、單獨施用化肥處理,但均低于有機無機配合施用處理,其原因可能是長期采用秸稈還田,與長期單獨施用化肥和無肥處理相比,有較多的秸稈碳被微生物分解轉(zhuǎn)化為有機質(zhì),有機質(zhì)又被土壤微生物吸收并成為其機體的一部分,提高了土壤有機碳積累和土壤微生物生物量,但其土壤有機碳的積累低于長期有機無機配合施用處理[20]。

4 結(jié)論

南方雙季稻區(qū),在大麥-雙季稻三熟制種植模式條件下長期不同的施肥處理對稻田土壤養(yǎng)分、土壤微生物生物量碳、氮及微生物熵變化有明顯的影響。長期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,其中以有機肥配施化肥效果為最佳。與單施化肥和無肥處理相比,秸稈還田配施化肥在一定程度上能增加土壤微生物生物量碳、氮及土壤養(yǎng)分含量,但其效果低于有機肥配施化肥。單施化肥對土壤養(yǎng)分含量及土壤微生物生物量碳、氮無顯著影響。選擇有機無機肥配施尤其是有機肥合理配施化肥對于培肥地力尤為重要。因此,稻田土壤微生物生物量碳氮、微生物熵等土壤微生物學(xué)特性可以作為科學(xué)評價稻田土壤健康質(zhì)量的預(yù)測指標。

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Effects of different long-term fertilization regimes on the soil microbiological properties of a paddy field

XU Yilan1, TANG Haiming2,*, XIAO Xiaoping2, GUO Lijun2, LI Weiyan2, SUN Jimin2

1 College of Biological and Electromechanical Polytechnic, Changsha 410127, China 2HunanSoilandFertilizerInstitute,Changsha410125,China

Fertilization regimes affect the soil microbiological properties of paddy fields. In China, few studies have investigated the influence of long-term fertilizer and combined organic matter and fertilizer application on the soil′s microbiological properties. Our objective was to explore the characteristics of soil microbial biomass carbon (SMBC), soil microbial biomass nitrogen (SMBN), and the soil microbial quotient of a paddy field during the early and late rice growth periods under different long-term fertilization regimes in a double cropping rice system. A long-term experiment was established in 1986 in Ningxiang county of Hunan Province, China, and five different fertilizer treatments were applied: (1) no fertilizer input (CK), (2) mineral fertilizer alone (MF), (3) rice residue plus mineral fertilizer (RF), (4) 30% organic matter and 70% mineral fertilizer (OM1), and (5) 60% organic matter and 40% mineral fertilizer (OM2). We analyzed the SMBC, SMBN, and soil microbial quotient of the fields with the above five treatments using the fumigation-extraction and chemical analysis methods. The results showed that after 29 years, the different fertilization regimes significantly affected the soil′s chemical and microbial properties. Compared to the CK, the organic matter, total N, and available N, P, and K increased due to the combined application of chemical fertilizer, recycled rice straw, and chicken manure. In paddy fields, the SMBC activity, SMBN, and soil microbial quotient were increased by long-term fertilization regimes wherein applications were carried out during the early and late rice growth periods. Meanwhile, the SMBC activity, SMBN, and soil microbial quotient increased with the development of early and late rice, peaking at the heading stages of early and late rice. These measurements then reached their minimum value at the mature stages of early and late rice. Compared to the CK, the SMBN activity increased by 7.67%, 10.98%, 19.17%, and 21.75% when treated with MF, RF, OM1, or OM2, respectively, at the heading stage of early rice, and increased by 7.27%, 10.41%, 18.18%, and 20.14% when treated with MF, RF, OM1, or OM2 at the heading stage of late rice, respectively. Furthermore, the SMBC activity, SMBN, and the soil microbial quotient were significantly higher when treated with OM1 or OM2 than that in the MF, RF, or CK treatments at the different main growth stages of early and late rice, respectively. In addition, the SMBC activity, SMBN, and soil microbial quotient under different fertilization regimes were ordered as follows: OM2 > OM1 > RF > MF > CK at the main growth stages of early and late rice. The soil fertility was increased by the combined application of mineral fertilizer and organic matter, and the SMBC activity, SMBN, and soil microbial quotient were correlated with combined long-term fertilizer and organic matter application. Therefore, the combined application of chemical fertilizer and recycled rice straw or chicken manure could significantly increase the SMBC activity, SMBN, and soil microbial quotient of paddy fields during early and late rice growth. In addition, the soil microbial properties reflect changes in soil quality, such as the SMBC activity, SMBN, and soil microbial quotient, all of which can be used as biological indicators for the evaluation of soil fertility.

rice; long-term fertilization regime; soil microbial biomass carbon; soil microbial biomass nitrogen; soil microbial quotient

國家自然科學(xué)基金資助項目(31201178,31571591)；湖湘青年科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺資助項目

2015-04-08;

日期:2016-01-05

10.5846/stxb201504080708

*通訊作者Corresponding author.E-mail: tanghaiming66@163.com

徐一蘭,唐海明,肖小平,郭立君,李微艷,孫繼民.長期施肥對雙季稻田土壤微生物學(xué)特性的影響.生態(tài)學(xué)報,2016,36(18):5847-5855.

Xu Y L, Tang H M, Xiao X P, Guo L J, Li W Y, Sun J M.Effects of different long-term fertilization regimes on the soil microbiological properties of a paddy field.Acta Ecologica Sinica,2016,36(18):5847-5855.