付智丹, 周 麗, 陳 平, 杜 青, 龐 婷, 楊文鈺**, 雍太文**

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施氮量對玉米/大豆套作系統(tǒng)土壤微生物數(shù)量及土壤酶活性的影響*

付智丹1, 周 麗2, 陳 平1, 杜 青1, 龐 婷1, 楊文鈺1**, 雍太文1**

(1. 四川農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/四川省作物帶狀復合種植工程技術(shù)研究中心/農(nóng)業(yè)部西南作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室 成都 611130; 2. 四川宜賓市農(nóng)業(yè)科學院 宜賓 644000)

為揭示玉米/大豆套作體系下土壤氮素轉(zhuǎn)換的調(diào)控機理和根際微生態(tài)效應, 以種植模式為主因素[設(shè)玉米單作(MM)、大豆單作(SS)和玉米/大豆套作(IMS)3種處理], 以玉米、大豆施氮總量(玉米、大豆施氮比例為3∶1)為副因素[設(shè)不施氮(NN, 0 kg×hm-2)、減量施氮(RN, 180 kg×hm-2)和常量施氮(CN, 240 kg×hm-2)3個處理], 研究了玉米/大豆套作系統(tǒng)下不同施氮量對作物根際土壤微生物數(shù)量及土壤酶活性的影響。結(jié)果表明: 與相應單作相比, 套作下玉米根際土壤真菌、放線菌數(shù)量分別提高25.37%和8.79%; 套作大豆根際土壤真菌、放線菌、固氮菌數(shù)量高于單作大豆; 套作玉米根際土壤蛋白酶、脲酶活性和套作大豆根際土壤蛋白酶活性均顯著升高。各施氮水平間, 減量施氮下玉米、大豆根際土壤真菌數(shù)量較常量施氮和不施氮均有所提高; 施氮提高了玉米、大豆根際土壤放線菌數(shù)量; 大豆根際土壤固氮菌數(shù)量以減量施氮最高, 比不施氮和常量施氮高17.78%和5.67%; 玉米根際土壤蛋白酶活性、脲酶活性和大豆根際土壤脲酶活性均以減量施氮為最高。適宜的施氮量不僅能增加玉米/大豆套作土壤中真菌、放線菌、固氮菌的數(shù)量, 還能提高土壤蛋白酶、脲酶活性, 調(diào)節(jié)土壤氮素的轉(zhuǎn)化, 促進玉米/大豆對土壤中氮素的吸收, 實現(xiàn)節(jié)能增效。

玉米/大豆套作; 施氮量; 根際土壤; 真菌; 放線菌; 固氮菌; 土壤酶活性

土壤酶參與土壤中重要的生物化學循環(huán)、有機質(zhì)及礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程, 土壤微生物是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的主要推動者, 土壤中生命體內(nèi)氧化還原反應、化合物水解等許多重要的生物化學反應都是在酶的催化下進行的[1-2]。土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性對根區(qū)土壤環(huán)境的變化較為敏感, 施肥措施、耕作制度、根系分泌物、土壤水分等均會對其產(chǎn)生顯著的影響[3-6]。合理的種植模式能提高土地利用效率、增加單位面積糧食產(chǎn)出[7]。玉米/大豆(L./L.)套作模式能高效吸收利用土壤養(yǎng)分資源, 調(diào)節(jié)土壤氮素循環(huán), 顯著提高玉米、大豆的氮肥利用率[8-9], 在西南地區(qū)推廣以來, 取得了良好的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益[10-11]。因此研究間套作系統(tǒng)中不同施氮水平下土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性的變化特征, 對于了解土壤氮素循環(huán)、提高間套作系統(tǒng)中氮肥利用率有重要意義。前期研究表明, 玉米/大豆套作能提高作物養(yǎng)分吸收, 增產(chǎn)節(jié)肥[12-13], 增加作物根際細菌數(shù)量, 調(diào)節(jié)氨氧化細菌和反硝化細菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性, 改善土壤氮素轉(zhuǎn)化過程[14], 促使大豆根系分泌更多的質(zhì)子和有機酸, 活化難溶磷為利于作物吸收的有效磷[15], 由此推測玉米/大豆套作系統(tǒng)下土壤養(yǎng)分高效利用與增產(chǎn)效應和土壤根際微生態(tài)環(huán)境相關(guān), 尤其是與土壤中微生物數(shù)量和酶活的變化相關(guān)。Ghosh等[16]發(fā)現(xiàn), 大豆/高粱(L.)間作能提高土壤中脫氫酶和硝酸還原酶活性。雍太文等[9,17]研究表明, 小麥(L.)/玉米/大豆套作相較其他模式增加了根際土壤細菌、真菌、放線菌數(shù)量, 且增強土壤脲酶、蛋白酶、硝酸還原酶活性。張向前等[18]證實, 施用氮肥能增加土壤中真菌、放線菌和固氮菌的數(shù)量, 提高脲酶、磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶和蛋白酶的活性。也有研究表明氮肥施用量會影響土壤酶活性[19]。國內(nèi)外學者圍繞單作和長期定位施肥對作物生態(tài)環(huán)境、微生物數(shù)量及酶活性等的影響做了大量研究, 為揭示單作中作物養(yǎng)分高效利用的根際微生態(tài)變化做出了巨大貢獻, 但對玉米/大豆套作系統(tǒng)中作物根際土壤微生物數(shù)量和酶活性與氮素高效利用吸收的關(guān)系報道較少。本研究通過比較玉米、大豆單套作及不同施氮量下作物根際土壤微生物數(shù)量及土壤酶活性的差異, 明確不同施氮量下玉米/大豆套作系統(tǒng)根際土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性的動態(tài)變化特征以及不同時期的差異性, 以揭示玉米/大豆套作體系下土壤氮素轉(zhuǎn)換的調(diào)控機理和根際微生態(tài)效應, 為該體系制定科學的施肥技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點及材料

試驗于2013年3月至2014年10月在四川省現(xiàn)代糧食產(chǎn)業(yè)(仁壽)示范基地(30°07′N、104°18′E)進行。試驗地土壤類型為紫色土, 供試玉米品種為‘登海605’, 由山東登海種業(yè)股份有限公司提供; 大豆品種為‘南豆12’, 由四川省南充市農(nóng)業(yè)科學研究所提供。供試土壤2013年基礎(chǔ)肥力: pH為6.6, 有機質(zhì)為29.8 g×kg-1, 全氮為1.6 g×kg-1, 全磷為1.28 g×kg-1, 全鉀為16.3 g×kg-1, 速效氮為317 mg×kg-1, 速效磷為42.2 mg×kg-1, 速效鉀為382 mg×kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

大田試驗采用二因素裂區(qū)試驗設(shè)計, 主因素為種植模式, 分別為玉米單作(MM)、大豆單作(SS)和玉米/大豆套作(IMS); 副因素為玉米、大豆施氮總量(玉米、大豆施氮比例為3∶1), 分別為不施氮(NN, 0 kg×hm-2)、減量施氮(RN, 180 kg×hm-2, 當?shù)赜衩资㎞量75%)和常量施氮(CN, 240 kg×hm-2, 根據(jù)當?shù)赜衩着c大豆總施N量確定), 共9個處理, 每個處理連續(xù)種3帶, 帶長6 m、帶寬2 m, 小區(qū)面積36 m2, 重復3次。

玉米、大豆種植模式如圖1, 單作采用等行距種植, 玉米行距100 cm、大豆行距50 cm, 玉米、大豆穴距17 cm, 穴留1株; 玉米/大豆套作采用寬窄行種植, 套作玉米寬行160 cm, 窄行40 cm, 在玉米大喇叭口期將兩行大豆播種于玉米寬行內(nèi), 套作大豆行距40 cm, 玉米與大豆間距60 cm, 穴距均為17 cm, 玉米穴留1株, 密度5.85萬株×hm-2, 大豆穴留2株, 密度11.7萬株×hm-2, 玉米、大豆單作與套作的種植密度相同。玉米氮肥分兩次施用, 即玉米底肥和大喇叭口期追肥, 大豆氮肥一次性作底肥施用(表1)。玉米、大豆單作按株間穴施方式施肥, 玉米/大豆套作按玉米、大豆一體化施肥方式, 即玉米底肥統(tǒng)一施72 kg(N)×hm-2, 玉米大喇叭口期追肥與大豆氮磷鉀肥混合施用, 在玉米、大豆之間, 距玉米25 cm處開溝施肥, 各作物氮肥施用方式及施用量見表1。單、套作玉米及單作大豆的磷鉀肥隨底肥施用, 玉米P2O5105 kg×hm-2、K2O 112.5 kg×hm-2, 大豆P2O563 kg×hm-2、K2O 52.5 kg×hm-2。2013年玉米4月3日播種, 8月1日收獲, 大豆6月11日播種, 10月29日收獲; 2014年玉米3月29日播種, 7月26日收獲, 大豆6月9日播種, 10月28日收獲。

表1 不同種植模式的氮肥施用量

1.3 土壤樣品的采集與測定

1.3.1 土壤樣品的采集

2013年至2014年, 分別于玉米大喇叭口期(V12)、抽雄期(VT)和成熟期(R6), 大豆五節(jié)期(V5)、盛花期(R2)、鼓粒期(R5)和成熟期(R8)取根際土。采用挖掘法取土壤樣品。每小區(qū)隨機取長勢一致的樣地兩段, 每段取對稱2行的連續(xù)2穴, 將植株根系從土壤中整體挖出(40 cm深), 抖掉與根系松散結(jié)合的土體, 然后用經(jīng)火焰滅菌的鑷子刮取附在根系上的薄層(<10 mm)土壤作為根際土壤。并將取得的兩段植株根際土樣攆碎混勻按4分法取樣, 取后立即放入冰盒中保存, 帶回實驗室后, 迅速過2 mm土篩, 除去可見根系、動植物殘體和石塊等雜物, 并將一部分保存到4 ℃冰箱, 用于土壤微生物數(shù)量測定, 另一部分保存到-20 ℃用于土壤酶活性測定。

1.3.2 土壤樣品測定

采用平板計數(shù)法培養(yǎng)測定玉米、大豆單套作下3個施氮水平土壤中的真菌、放線菌和固氮菌數(shù)量, 真菌采用馬丁氏-孟加拉紅培養(yǎng)基, 放線菌采用改良的高氏1號培養(yǎng)基, 自生固氮菌采用阿須貝氏培養(yǎng)基進行選擇性培養(yǎng)[20]。土壤蛋白酶活性使用成都華揚博納生物科技有限公司的土壤蛋白酶試劑盒測定, 土壤脲酶活性使用南京建成生物工程研究所提供的土壤脲酶試劑盒測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)整理和作圖。用DPS 7.05進行方差分析(LSD法), 顯著性水平設(shè)定為=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式和施氮量對土壤微生物數(shù)量的影響

2.1.1 土壤真菌數(shù)量

玉米、大豆根際土壤真菌數(shù)量達104數(shù)量級(表2, 表3)。種植模式對玉米根際土壤真菌數(shù)量有顯著影響, 玉米、大豆共生前的玉米大喇叭口期(V12)為MM>IMS, 共生后IMS的玉米根際土壤真菌數(shù)量較MM兩年平均提高25.37%。施氮有利于提高玉米根際土壤的真菌數(shù)量, 單套作下均表現(xiàn)為RN>CN>NN。隨生育時期的推進, 兩年的大豆根際土壤真菌數(shù)量呈增加趨勢, 在R8期達到最高(表3)。大豆根際土壤真菌數(shù)量在R2期和R8期表現(xiàn)為IMS>SS, 其中R8期的大豆根際土壤真菌IMS比SS兩年平均提高3.79%。各施氮水平間, 大豆根際土壤真菌數(shù)量以RN的最高(R2期除外), 以R8期的RN最高, R8期SS下RN的土壤真菌數(shù)量比NN和CN兩年平均提高10.89%和17.22%, IMS下兩年平均提高11.50%和6.02%。

2.1.2 土壤放線菌數(shù)量

玉米、大豆根際土壤放線菌數(shù)量達105數(shù)量級(表4, 表5)。種植模式會影響玉米根際土壤放線菌的數(shù)量, 玉米根際土壤放線菌數(shù)量隨著生育時期的推進而增加, 且年際間變化規(guī)律一致。玉米根際土壤放線菌數(shù)量均為IMS>MM, R6期達到最大且有顯著差異, R6期IMS下根際土壤放線菌數(shù)量比MM兩年平均提高11.8%; 不同施氮水平間, IMS下玉米土壤放線菌數(shù)量隨施氮量的增加而增加, 以CN為最高, 比NN和RN兩年平均提高15.69%和7.6%。不同種植模式同樣會影響大豆根際土壤放線菌數(shù)量, 與SS比, IMS下大豆根際土壤放線菌數(shù)量均比SS高; 隨著施氮量的增加, SS下RN和CN的大豆根際土壤放線菌數(shù)量比NN兩年平均提高11.49%和16.62%, IMS下兩年平均提高15.11%和27.13%。

表2 不同種植模式與施氮量下玉米根際土壤真菌數(shù)量

同列數(shù)據(jù)后不同字母表示施氮量間差異顯著(<0.05); IMS處理平均值后的星號(*)表示IMS與MM差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters in the same column mean significant differences among N application treatments at 0.05 level. Asterisks (*) after the average of IMS indicate significant difference between IMS and MM (< 0.05).

表3 不同種植模式與施氮量下大豆根際土壤真菌數(shù)量

同列數(shù)據(jù)后不同字母表示施氮量間差異顯著(<0.05); IMS處理平均值后的星號(*)表示IMS與MM差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters in the same column mean significant differences among N application treatments at 0.05 level. Asterisks (*) after the average of IMS indicate significant difference between IMS and MM (< 0.05).

表4 不同種植模式與施氮量下玉米根際土壤放線菌數(shù)量

同列數(shù)據(jù)后不同字母表示施氮量間差異顯著(<0.05); IMS處理平均值后的星號(*)表示IMS與MM差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters in the same column mean significant differences among N application treatments at 0.05 level. Asterisks (*) after the average of IMS indicate significant difference between IMS and MM (< 0.05).

表5 不同種植模式與施氮量下大豆根際土壤放線菌數(shù)量

同列數(shù)據(jù)后不同字母表示施氮量間差異顯著(<0.05); IMS處理平均值后的星號(*)表示IMS與MM差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters in the same column mean significant differences among N application treatments at 0.05 level. Asterisks (*) after the average of IMS indicate significant difference between IMS and MM (< 0.05).

2.1.3 土壤固氮菌數(shù)量

固氮菌作為特殊生理功能土壤微生物之一, 在氮素循環(huán)過程中具有重要作用。種植模式對大豆根際土壤固氮菌數(shù)量影響顯著(表6), 隨生育時期的推進表現(xiàn)為先增后減, 大豆根際土壤固氮菌數(shù)量均為IMS>SS, 且在R2期達到最高, R2期下IMS比SS高12.31%。各施氮水平間, 大豆根際土壤固氮菌數(shù)量均以RN的最高, SS下RN比NN和CN分別高17.78%和5.67%, IMS下RN比NN和CN分別高10.46%和2.85%。

2.2 不同種植模式和施氮量對土壤酶活性的影響

2.2.1 土壤蛋白酶活性

土壤蛋白酶作為一種土壤氮素轉(zhuǎn)化關(guān)鍵酶, 能將蛋白質(zhì)組分轉(zhuǎn)化為氨基酸。不同種植模式對玉米根際土壤蛋白酶活性有影響(表7), 玉米根際土壤蛋白酶活性為IMS>MM, 抽雄期差異顯著; 施氮量同樣會影響玉米根際土壤蛋白酶活性, 以RN的最高, 成熟期IMS下根際土壤蛋白酶活性RN比NN和CN分別提高8.33%和11.43%。

與單作相比, 套作能提高大豆土壤蛋白酶活性(表8), 以V5期最高, 該時期下IMS比SS提高2.38%。各施氮水平間, R2期RN比CN和NN分別提高2.35%和16%, R8期RN比CN和NN分別提高3.57%和17.57%。

2.2.2 土壤脲酶活性

種植模式影響玉米土壤脲酶活性, 表現(xiàn)為IMS>MM, 在R6期有顯著差異(表9)。玉米抽雄期IMS比MM提高16.72%, 成熟期IMS比MM提高20.56%。各施氮處理下, 以RN的玉米土壤脲酶活性最高, 表現(xiàn)為RN>CN>NN。

大豆土壤脲酶活性隨著生育進程的推進呈現(xiàn)出升高后降低的趨勢, 在R5期達到最高(表10)。這可能與大豆固氮能力增強后對氮肥的吸收變少, 土壤中有較高濃度的尿素, 使土壤中的脲酶活性處于較高的狀態(tài)。在R2和R5期, 大豆根際土壤脲酶活性IMS>SS。各施氮水平間, 大豆根際土壤脲酶活性以RN的最高。

表6 不同種植模式與施氮量下大豆根際土壤固氮菌數(shù)量(2014)

同列數(shù)據(jù)后不同字母表示施氮量間差異顯著(<0.05); IMS處理平均值后的星號(*)表示IMS與MM差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters in the same column mean significant differences among N application treatments at 0.05 level. Asterisks (*) after the average of IMS indicate significant difference between IMS and MM (< 0.05).

表7 不同種植模式與施氮量下玉米根際土壤蛋白酶活性(2014年)

同列數(shù)據(jù)后不同字母表示施氮量間差異顯著(<0.05); IMS處理平均值后的星號(*)表示IMS與MM差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters in the same column mean significant differences among N application treatments at 0.05 level. Asterisks (*) after the average of IMS indicate significant difference between IMS and MM (< 0.05).

表8 不同種植模式與施氮量下大豆根際土壤蛋白酶活性(2014年)

同列數(shù)據(jù)后不同字母表示施氮量間差異顯著(<0.05); IMS處理平均值后的星號(*)表示IMS與MM差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters in the same column mean significant differences among N application treatments at 0.05 level. Asterisks (*) after the average of IMS indicate significant difference between IMS and MM (< 0.05).

表9 不同種植模式與施氮量下玉米根際土壤脲酶活性(2014年)

同列數(shù)據(jù)后不同字母表示施氮量間差異顯著(<0.05); IMS處理平均值后的星號(*)表示IMS與MM差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters in the same column mean significant differences among N application treatments at 0.05 level. Asterisks (*) after the average of IMS indicate significant difference between IMS and MM (< 0.05).

表10 不同種植模式與施氮量下大豆根際土壤脲酶活性(2014年)

同列數(shù)據(jù)后不同字母表示施氮量間差異顯著(<0.05); IMS處理平均值后的星號(*)表示IMS與MM差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters in the same column mean significant differences among N application treatments at 0.05 level. Asterisks (*) after the average of IMS indicate significant difference between IMS and MM (< 0.05).

2.3 土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性與土壤養(yǎng)分含量及植株吸氮的相關(guān)關(guān)系

玉米根際土壤真菌、放線菌數(shù)量、脲酶活性, 大豆根際土壤蛋白酶與土壤養(yǎng)分和植株吸氮的相關(guān)關(guān)系達5%或1%顯著水平(表11)。其中, 玉米根際土壤真菌數(shù)量對土壤全氮影響最大, 玉米根際土壤脲酶、蛋白酶和大豆蛋白酶活性對土壤全磷的影響最大, 大豆根際土壤蛋白酶活性與土壤全鉀有負相關(guān)性。玉米根際土壤細菌、真菌數(shù)量與植株吸氮呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。表明土壤微生物數(shù)量和土壤酶活性是影響土壤養(yǎng)分和植株吸氮的重要因素, 通過科學施用氮肥, 可以改變土壤中微生物數(shù)量, 提高土壤酶活性, 改善土壤環(huán)境。

3 討論

3.1 套作和施氮對土壤微生物數(shù)量的影響

土壤微生物是土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、循環(huán)的動力。前期研究表明, 玉米/大豆套作較相應單作提高了作物根際土壤中的細菌數(shù)量, 且減氮處理下作物根際土壤細菌數(shù)量最高[14]。本研究表明, 套作玉米根際土壤真菌數(shù)量和放線菌數(shù)量高于單作; 大豆根際土壤真菌、放線菌、固氮菌數(shù)量均為套作高于單作。張向前等[18]研究表明, 玉米/花生、玉米/大豆間作土壤中細菌、真菌、放線菌和固氮菌的數(shù)量較玉米單作顯著增加。游萍等[21]研究發(fā)現(xiàn): 與只種植烤煙的連作方式比, 小麥煙草套種能提高土壤中細菌、真菌和放線菌數(shù)量。分析其原因可能是, 玉米/大豆套作中兩種作物共生后, 作物根系生長交互, 促進根系分泌物增加, 作物殘留為土壤微生物的生長提供腐殖質(zhì), 改善了玉米大豆土壤根際微環(huán)境, 有利于作物根際土壤微生物的繁殖[9]。同時, 本研究調(diào)查了玉米/大豆套作系統(tǒng)內(nèi), 作物不同生育階段根際土壤微生物數(shù)量變化特征, 結(jié)果表明玉米、大豆在共生期與非共生期表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律, 套作玉米根際土壤真菌數(shù)量在共生后(VT期、R6期)高于玉米單作, 這兩種作物在共生后對根際土壤微生物數(shù)量的促進作用更強, 進一步表明玉米/大豆套作對作物根際土壤微生物數(shù)量的促進作用。馬冬云等[22]研究表明, 小麥土壤放線菌和固氮菌數(shù)量會隨著施氮量的增加而呈先增后減趨勢[22]。本研究表明, 相同種植模式下施氮相較與不施氮更能提高玉米、大豆根際土壤真菌、放線菌和固氮菌數(shù)量; 各施氮水平間, 玉米根際土壤的真菌數(shù)量表現(xiàn)為減量施氮>常量施氮>不施氮, 大豆根際土壤真菌數(shù)量除盛花期外均以減量施氮的最高?？赡苁怯捎诘实倪^量施用會抑制酶活性和積累毒性化合物, 特別是對土壤菌根真菌有抑制作用, 長期不施氮肥不能保證作物的正常生長, 但過度施用氮肥會使土壤酸化, 不利于土壤微生物的繁殖[23]。

表11 土壤養(yǎng)分、作物吸氮量與土壤酶活性、土壤微生物數(shù)量的相關(guān)關(guān)系(2014年)

3.2 套作和施氮對土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤中各類酶的總稱, 土壤酶是催化諸多生物化學反應的一類蛋白質(zhì)[24]。其中蛋白酶能夠分解蛋白質(zhì)、肽類為氨基酸, 參與調(diào)節(jié)生物的氮素代謝, 對土壤氮循環(huán)有著重要影響[25]。蛋白酶把有機氮轉(zhuǎn)化為無機氮, 在脲酶作用下, 進行氨化作用生成銨離子, 改變土壤中有效氮含量, 因此土壤蛋白酶和脲酶對土壤氮循環(huán)有著重要作用[26]。徐強等[27]研究結(jié)果表明套作栽培的線辣椒根際、非根際土壤的蛋白酶、脲酶活性均高于單作。雍太文等[17]發(fā)現(xiàn)不同種植模式間以小麥/玉米/大豆套作處理的土壤脲酶和蛋白酶活性最高。孟亞利等[28]研究表明整個生育期麥棉套作下根際與非根際土壤酶活性均明顯高于單作棉花。本研究表明, 套作下玉米、大豆根際土壤脲酶活性和蛋白酶活性比相應單作高; 可能是套作下兩種作物根系分泌物調(diào)節(jié)了田間土壤pH、溫濕度等理化性質(zhì), 使根區(qū)環(huán)境得到調(diào)節(jié), 促進土壤微生物活動, 使土壤酶活性較單作增強[29-30]。而大豆的根瘤固氮作用提高了玉米/大豆套作體系各作物的土壤總氮含量, 這樣可能改變土壤氮素平衡和作物對氮肥的吸收, 從而影響土壤酶活性[31-32]。Deng等[33]認為, 施肥可通過改善土壤水熱狀況和微生物區(qū)系來影響土壤酶活性。本試驗所測定的2種土壤酶對氮肥有積極的響應, 玉米、大豆根際土壤蛋白酶活性和脲酶活性總體表現(xiàn)為施氮高于不施氮, 其中玉米根際土壤蛋白酶活性和脲酶活性均以減量施氮最高, 盛花期和成熟期的大豆根際土壤蛋白酶活性及大豆根際土壤脲酶活性以減量施氮為最高; 減量施氮有利于提高玉米、大豆根際土壤蛋白酶和脲酶活性, 適度減施氮肥對于提高土壤酶活性有重要意義。郭天財?shù)萚34]研究結(jié)果表明施0~180 kg(N)×hm-2時有利于提高小麥土壤全氮和土壤酶活性, 脲酶活性則隨施氮水平的提高而上升。適量施入氮肥能改善土壤養(yǎng)分狀況, 作物根系會分泌出更多的相關(guān)酶來吸收氮素, 保證作物的生長, 且能促進土壤微生物的繁殖, 最終提高土壤酶活性。

3.3 玉米/大豆套作下土壤氮素調(diào)控機制

土壤微生物參與土壤中物質(zhì)循環(huán)與能量轉(zhuǎn)化, 土壤酶催化土壤中諸多重要的生物化學反應, 二者是評價土壤肥力的重要指標。相關(guān)分析表明: 土壤微生物數(shù)量、土壤酶活性與土壤養(yǎng)分和植株吸氮量有顯著或者極顯著正相關(guān)關(guān)系。玉米、大豆生長過程中根際土壤微生物數(shù)量和酶活性的變化反映出玉米、大豆生長影響根際土壤中微生物繁衍及酶活性高低, 相反, 根際土壤微生物的活動及酶活性的高低也會影響玉米大豆的生長, 而氮肥施入量、土壤酶和土壤微生物三者之間密不可分, 氮肥的施入促進作物根系生長, 分泌物增多, 提高了土壤酶活性, 促進了土壤微生物的繁衍。間套作改善了作物根際微環(huán)境, 降低氨化作用強度, 保證了作物對NO3--N離子的吸收, 減輕了NH3揮發(fā), 提高了土壤的固氮作用[35-37]。玉米/大豆套作中兩種作物的根系發(fā)生交互作用, 根系分泌物調(diào)節(jié)了田間土壤溫濕度等環(huán)境, 增加了土壤中細菌、真菌、放線菌和固氮菌的數(shù)量, 從而有利于調(diào)節(jié)作物對土壤中氮素轉(zhuǎn)化, 使土壤中的氮向利于作物吸收的形態(tài)轉(zhuǎn)化, 最終提高土壤中氮素的利用效率, 施入氮肥能夠促進土壤中微生物的繁殖, 提高土壤酶活性。但是氮肥的施入會產(chǎn)生主要溫室氣體N2O, 因此對于玉米/大豆套作體系下施氮量的變化對溫室氣體排放有何影響還需進一步研究。

4 結(jié)論

種植模式和施氮量對玉米大豆套作系統(tǒng)下作物根際土壤微生物數(shù)量及土壤酶活性影響顯著。套作相對單作提高了玉米、大豆根際土壤真菌、放線菌和固氮菌數(shù)量, 套作體系下玉米根際土壤蛋白酶、脲酶活性和大豆根際土壤蛋白酶活性均顯著升高; 與常量施氮相比, 減量施氮增加了玉米、大豆根際土壤真菌數(shù)量和大豆根際土壤固氮菌數(shù)量, 提高了玉米的根際土壤蛋白酶活性、脲酶活性和大豆根際土壤脲酶活性, 與不施氮相比, 減量施氮增加了玉米、大豆根際土壤放線菌數(shù)量。微生物及土壤酶對土壤環(huán)境的變化十分敏感, 合理的種植模式能優(yōu)化作物根際微環(huán)境, 氮肥的施入調(diào)節(jié)作物根際土壤環(huán)境, 促進土壤氮素循環(huán), 增加土壤養(yǎng)分有效性, 為研究間套作下合理科學施肥提供理論依據(jù)。

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Effects of nitrogen application rate on soil microbial quantity and soil enzymes activities in maize/soybean intercropping systems*

FU Zhidan1, ZHOU Li2, CHEN Ping1, DU Qing1, PANG Ting1, YANG Wenyu1**, YONG Taiwen1**

(1. College of Agronomy, Sichuan Agricultural University / Sichuan Engineering Research Center for Strip Crop System / Key Laboratory of Crop Eco-physiology and Farming Systems in the Southwest, Ministry of Agriculture, Chengdu 611130, China; 2.Yibin Academy of Agricultural Sciences, Yibin 644000, China)

To study the effects of nitrogen rate on soil microbial quantity and enzyme activity in maize/soybean intercropping system, a 2-factor design was developed. The main factor in the design was planting pattern, which included monoculture maize (MM), sole soybean (SS) and maize/soybean relay strip intercropping system (IMS). Then the sub-factor of nitrogen application rate N for maize and soybean were no nitrogen application [0 kg(N)×hm-2, NN], reduced nitrogen application [180 kg(N)×hm-2, RN], and conventional nitrogen application [240 kg(N)×hm-2, CN]. The results showed that the quantities of fungi and actinomycetes in rhizosphere soil of intercropped maize were 25.37% and 8.79% higher than those of monoculture maize, respectively. Also the quantities of soil fungi, actinomycetes and nitrogen-fixing bacteria in the rhizosphere soil of intercropped soybean were higher than those of sole soybean. Soil protease and urease activities in the rhizosphere soil of intercropped maize and protease activity in rhizosphere soil of intercropped soybean significantly increased compared with the corresponding monoculture. Under different nitrogen application rates, the quantities of soil fungi, actinomycetes and nitrogen-fixing bacteria in the rhizosphere of maize and soybean were higher under RN than under NN and CN, respectively. In addition, nitrogen application increased the quantity of actinomycetes in the rhizosphere soil of maize and soybean. The quantities of nitrogen-fixing bacteria in the rhizosphere soil of maize were 17.78% and 5.67% higher under RN compared with those under NN and CN, respectively. Moreover, the activities of soil protease and urease in the rhizosphere of maize and activity of soil urease in the rhizosphere of soybean were highest under RN compared with those under NN and CN. Reduced nitrogen fertilization increased the degree of soil microbial and enzyme activities in the rhizosphere of maize/soybean relay strip intercropping system, promoted nitrogen uptake of maize and soybean, and thereby saved fertilizer use.

Maize/soybean relay strip intercropping;Nitrogen application rate; Rhizosphere soil; Fungi; Actinomycetes; Nitrogen-fixing bacteria; Soil enzyme activity

Apr. 20, 2017; accepted Jun. 8, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.170335

S565.1

A

1671-3990(2017)10-1463-12

2017-04-20

2017-06-08

* 國家自然科學基金面上項目(31271669, 31671625)和國家重點研發(fā)計劃(2016YFD0300202)資助

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31271669, 31671625) and the National Key R & D Plan of China (2016YFD0300202).

** Corresponding author: YONG Taiwen, E-mail: yongtaiwen@sicau.edu.cn; YANG Wenyu, E-mail: mssiyangwy@sicau.edu.cn

**通訊作者:雍太文, 主要從事作物栽培與生理生態(tài)研究, E-mail: yongtaiwen@sicau.edu.cn; 楊文鈺, 主要研究方向為作物高產(chǎn)栽培,E-mail: mssiyangwy@sicau.edu.cn 付智丹, 主要從事作物栽培與生理生態(tài)研究。E-mail: 519706035@qq.com