馮 敏， 吳紅艷， 王志學(xué)

(遼寧省微生物科學(xué)研究院，遼寧 朝陽 122000)

秸稈是農(nóng)作物的主要副產(chǎn)品, 也是一種重要的生物資源, 含有作物生長所需的主要元素。秸稈還田不僅能改善土壤理化性狀，顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，同時(shí)還可以改善土壤結(jié)構(gòu)和耕性，有利于植株對(duì)土壤營養(yǎng)的吸收利用；另一個(gè)更為重要的作用是秸稈含有大量的化學(xué)能, 是土壤微生物生命活動(dòng)的能源，可以增強(qiáng)各種微生物的活性, 即加強(qiáng)呼吸、纖維分解、硝化及反硝化作用等[1]。土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)中的分解者，最顯著的成效就是分解有機(jī)質(zhì)、釋放養(yǎng)分，供植物利用。我國是農(nóng)業(yè)大國, 作物秸稈產(chǎn)量大, 秸稈還田技術(shù)具有很大的發(fā)展?jié)摿?。目前，國?nèi)關(guān)于秸稈還田的研究多集中在秸稈還田可增加土壤有機(jī)質(zhì)、改善土壤理化性質(zhì)、改良土壤耕性、作物產(chǎn)量與品質(zhì)、土壤肥力、土壤水分狀況等方面，有關(guān)秸稈還田后氮素平衡的研究報(bào)道較少[2-3]，而氮元素是土壤微生物和植物生長的最重要的限制因子之一，氮素是否平衡是整個(gè)植物生長過程關(guān)鍵因素之一，土壤的硝化特性和氨化特性是整個(gè)氮素循環(huán)中基本環(huán)節(jié)，而土壤微生物中的硝化細(xì)菌、氨化細(xì)菌和固氮菌的數(shù)量變化對(duì)于土壤的硝化特性和氨化特性起著至關(guān)重要的作用。本研究通過對(duì)秸稈還田后植株生長過程中不同時(shí)間土壤硝化特性和氨化特性的研究，結(jié)合相應(yīng)的硝化細(xì)菌、氨化細(xì)菌、固氮菌數(shù)量的檢測，探討秸稈還田對(duì)土壤硝化特性和氨化特性的影響，并探求這種影響與相關(guān)菌群數(shù)量變化的關(guān)系，為進(jìn)一步研究秸稈還田對(duì)土壤整個(gè)氮素循環(huán)的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗(yàn)區(qū) 試驗(yàn)時(shí)間為2017年5月至10月，試驗(yàn)地點(diǎn)為遼寧省朝陽市北票市馬友營鄉(xiāng)農(nóng)戶大棚。設(shè)計(jì)兩個(gè)處理：添加玉米秸稈(處理區(qū))和不添加玉米秸稈(空白對(duì)照區(qū))。

1.1.2 供試樣品 實(shí)驗(yàn)樣品為秸稈生物降解專用菌種，施用后定期采取土壤樣品(施用后每15 d取樣1次)。取樣方法：用無菌小鋼鏟取秸稈上0～10 cm土壤作為樣品，過20目篩后備用。

1.1.3 試劑及培養(yǎng)基 改良斯蒂芬遜培養(yǎng)基(氨化菌培養(yǎng)基)；阿須貝培養(yǎng)基(固氮菌培養(yǎng)基)；硝化菌培養(yǎng)基(硫酸銨2.0 g，磷酸氫二鉀1.0 g,硫酸鎂0.5 g，硫酸亞鐵0.4 g，碳酸鈣5.0 g，蒸餾水1 000 mL，pH 7.2)；氧化鎂、硼酸、醋酸鈉、液體石蠟油、鹽酸、對(duì)氨基苯磺酸、α-萘胺、亞硝酸鈉、醋酸鈉等均為分析純，購自北京科海軍舟有限公司。

1.1.4 儀器與設(shè)備 T6新悅-可見分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)；HZQ-Q全溫振蕩器(東聯(lián)電子技術(shù)開發(fā)有限公司)；恒溫培養(yǎng)箱(ZQ 中器)；半微量定氮裝置。

1.2 方法

1.2.1 不同取樣時(shí)間土壤樣品氨化作用強(qiáng)度測定(土壤懸液法) 基本原理：將一定量土壤接種于含有機(jī)氮的液體培養(yǎng)基中，經(jīng)培養(yǎng)過程中氨化菌的作用，有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨，用半微量蒸餾法測定培養(yǎng)液中增加的氨量，作為土壤氨化作用強(qiáng)度的指標(biāo)。①溶液：120 g/L的MgO懸濁液，20 g/L的硼酸-混合指示劑，0.01 mol/L標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液，氨化菌培養(yǎng)液等。②樣品測定：a.在10 mL氨化菌培養(yǎng)液中接入土壤樣品懸液(取1 g土壤樣品加入1 mL帶有玻璃珠的無菌水中恒溫振蕩器振蕩30 min)1 mL，28 ℃、120 r/min培養(yǎng)48 h，取出過濾。b.取濾液5 mL，從半微量定氮蒸餾裝置的小漏斗處注入裝置的蒸餾瓶中，再用注射器加入MgO懸濁液10 mL，液狀石蠟油1 mL，用水洗漏斗，使蒸餾瓶內(nèi)體積達(dá)40 mL左右。③將盛有5 mL硼酸-混合指示劑溶液的100 mL三角瓶置于冷凝器的承接管下端，通蒸汽蒸餾5 min后，取下硼酸吸收液的三角瓶，用0.01 mol/L標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液滴定至由綠色變成粉紅色。計(jì)算公式如下：

NH+-N(mg/L)=(消耗標(biāo)準(zhǔn)鹽酸體積×標(biāo)準(zhǔn)鹽酸摩爾濃度×14)/取液量

1.2.3 不同取樣時(shí)間土壤樣品相關(guān)菌群數(shù)量的測定(平板計(jì)數(shù)法) ①將土壤樣品制成土壤懸液(同1.2.2 ③ a)，稀釋成不同濃度梯度的土壤稀釋液。②依次于氨化菌培養(yǎng)基、硝化菌培養(yǎng)基和固氮菌培養(yǎng)基混合均勻，28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h，計(jì)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田后對(duì)不同取樣時(shí)間土壤樣品相關(guān)菌群數(shù)量的影響

2.1.1 秸稈還田后對(duì)土壤中氨化細(xì)菌數(shù)量的影響 從圖1可見，整個(gè)生長過程中秸稈還田處理區(qū)的土壤樣品中氨化菌數(shù)量各個(gè)取樣時(shí)間均高于空白對(duì)照區(qū)，最高點(diǎn)在定殖后約60 d，處理區(qū)數(shù)量為5×108cfu/g，而空白對(duì)照區(qū)為3.6×108cfu/g。

2.1.2 秸稈還田后對(duì)土壤中硝化細(xì)菌數(shù)量的影響 從圖2可見，整個(gè)生長過程中秸稈還田處理區(qū)的土壤樣品中硝化菌數(shù)量各個(gè)取樣時(shí)間都高于空白對(duì)照區(qū)，最高點(diǎn)在定殖后約60 d，處理區(qū)數(shù)量為2.1×109cfu/g，而空白對(duì)照區(qū)為1.3×109cfu/g。

2.1.3 秸稈還田后對(duì)土壤中固氮菌數(shù)量的影響 從圖3可見，整個(gè)生長過程中秸稈還田處理區(qū)的土壤樣品中固氮菌數(shù)量各個(gè)取樣時(shí)間均高于空白對(duì)照區(qū)，最高點(diǎn)在定殖后約60 d，處理區(qū)數(shù)量為1.8×109cfu/g，而空白對(duì)照區(qū)為1.3×109cfu/g。

圖1 秸稈還田后對(duì)不同取樣時(shí)間土壤樣品中氨化細(xì)菌數(shù)量的影響Fig.1 Effect of straw return on the number of ammonia bacteria in soil samples at different sampling times

圖2 秸稈還田后對(duì)不同取樣時(shí)間土壤樣品中硝化細(xì)菌數(shù)量的影響Fig.2 Effects of straw return on the number of nitrifying bacteria in soil samples at different sampling times

圖3 秸稈還田后對(duì)不同取樣時(shí)間土壤樣品中固氮菌數(shù)量的影響Fig.3 Effects of straw return on nitrogen fixing bacteria in soil samples at different sampling times

2.2 秸稈還田后對(duì)土壤氨化特性的影響

從圖4可見，在植株生長的整個(gè)時(shí)期，秸稈還田處理區(qū)土壤樣品的氨化作用強(qiáng)度均明顯高于空白對(duì)照，在植株定殖后約60 d作用最強(qiáng)，處理區(qū)為40.6 mg/g(空白對(duì)照區(qū)為22.8 mg/g)，整個(gè)過程變化趨勢(shì)是相同的，先是較小，處理區(qū)僅為9.5 mg/g(空白對(duì)照區(qū)為8.8 mg/g)，然后快速上升到最高，然后又緩慢下降，最后處理區(qū)降至7.0 mg/g(空白對(duì)照區(qū)為4.2 mg/g)。

圖4 秸稈還田后對(duì)不同取樣時(shí)間土壤樣品氨化特性的影響Fig.4 Effect of straw returning to field on ammonia characteristics of soil samples at different sampling times

2.3 秸稈還田后對(duì)土壤硝化特性的影響

2.3.1 亞硝酸根標(biāo)準(zhǔn)曲線制備結(jié)果 亞硝酸根標(biāo)準(zhǔn)曲線制備結(jié)果見圖5?；貧w方程為y=0.210 4x+0.039(R2=0.994 9，R=0.997 5)，線性關(guān)系較好，符合試驗(yàn)要求。

圖5 亞硝酸根標(biāo)準(zhǔn)曲線制備結(jié)果Fig.5 Preparation of the Standard Curve of Nitrite Root

2.3.2 秸稈還田后對(duì)土壤硝化特性的影響 從圖6可以看出，在植株生長的整個(gè)時(shí)期，秸稈還田處理區(qū)土壤樣品的硝化作用強(qiáng)度(硝化率)均高于空白對(duì)照，在植株定殖后約60 d作用最強(qiáng)，處理區(qū)為98.8%，空白對(duì)照區(qū)為86%，整個(gè)過程變化趨勢(shì)是相同的，先是很小，處理區(qū)僅為10.99%(空白對(duì)照區(qū)為4.86%)，然后迅速上升到最高，然后又緩慢下降，最后處理區(qū)降至27.1%(空白對(duì)照區(qū)為23.6%)。

圖6 秸稈還田后對(duì)不同取樣時(shí)間土壤樣品硝化特性的影響Fig.6 Effect of straw return on nitrification characteristics of soil samples at different sampling times

3 討 論

農(nóng)作物秸稈由大量的有機(jī)物和少量的無機(jī)物及水組成，其有機(jī)物的主要成分是纖維素類的碳水化合物，還有少量的粗蛋白質(zhì)和粗脂肪，秸稈還田后增加了土壤中氮素的含量；而土壤微生物是氮素等養(yǎng)分元素循環(huán)的引擎，其群落結(jié)構(gòu)控制了不同生態(tài)系統(tǒng)的氮素轉(zhuǎn)化[11]，土壤微生物不僅是土壤氮素的微生物礦化和固持的執(zhí)行者,而且是提供植物營養(yǎng)元素的活性庫[12]。另外，秸稈本身也附著大量的微生物，隨著秸稈還田，這些微生物與土壤微生物共同成為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 在土壤有機(jī)物質(zhì)分解和養(yǎng)分釋放、能量轉(zhuǎn)移等生物地化循環(huán)中起著重要作用，而其中的氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和固氮菌在整個(gè)循環(huán)特別是氮素循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用[13-14]。氮在自然界中的循環(huán)轉(zhuǎn)化過程，是生物圈內(nèi)基本的物質(zhì)循環(huán)之一。構(gòu)成陸地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的主要環(huán)節(jié)是生物體內(nèi)有機(jī)氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用[15]。本研究通過對(duì)秸稈還田后土壤硝化特性和氨化特性的改變，以及其與相關(guān)菌群數(shù)量變化關(guān)系的研究，結(jié)果表明，秸稈還田能有效增加土壤中氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和固氮菌的數(shù)量并使其活性增強(qiáng)，進(jìn)而提高土壤氨化活性和硝化活性，而相關(guān)菌群數(shù)量的變化與土壤氨化活性和硝化活性呈正相關(guān)，這一結(jié)果為進(jìn)一步研究秸稈還田對(duì)土壤整個(gè)氮素循環(huán)的影響提供參考。

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