房彥飛 徐文修 符小文 張永杰 杜孝敬 張 娜 安崇霄

(新疆農業(yè)大學農學院，新疆 烏魯木齊 830052)

我國是農業(yè)大國亦是化肥消費大國，其中氮肥對作物的生長發(fā)育、產量和品質起著不可替代的作用[1]。 據統(tǒng)計，1980-2017年我國農用化肥施用總量由1 269.4 萬t 增長至5 859.4 萬t，化肥施用總量增加了361.59%，其中氮肥施用量增加了137.83%[2]。氮肥過量、不合理施用不僅未促進作物產量持續(xù)增加，反而導致我國氮肥當季利用率僅為30%～40%，不僅低于世界平均水平，而且明顯低于歐美等發(fā)達國家水平[3-4]，且引發(fā)土壤質量惡化，導致氮素流失，造成農業(yè)面源污染等一系列問題[5-6]，尤其在多熟種植生產中，這一問題顯得更為嚴重。 隨著全球氣候變暖，北疆伊犁河谷地區(qū)的種植模式逐漸由“一年一熟”向“一年兩熟”發(fā)展[7-8]。 當地農民對復播作物施肥時，為了獲取復播大豆高產，未考慮前茬作物氮肥的后效作用和復播大豆自身的固氮作用，一味以高投入高產出的施肥習慣，加大復播大豆的氮肥投入量，導致氮素損失加重以及氮肥利用率降低，造成農田土壤供肥能力下降和環(huán)境惡化。 因此，前茬作物氮肥施用對后茬土壤乃至后茬大豆產量的影響，是復播作物合理施用氮肥、良化土壤環(huán)境、促進作物高產亟待探究的重要問題。

氮元素不僅是作物生長所需的重要元素，也是影響土壤微生物群體結構的主要因素；微生物不僅對土壤環(huán)境變化十分敏感，而且在土壤肥力的形成和發(fā)展中充當重要的角色[9]。 土壤中不同類群的微生物能感知氮肥引起土壤性質的改變從而做出不同的響應[10-11]，進而對土壤肥力造成影響[12]。 土壤中細菌、真菌、放線菌數量之間的比值可作為衡量土壤肥力的指標。 B/F 是細菌與真菌的比值，A/F 是放線菌與真菌的比值，其比值的高低可反映土壤肥力的高低；B/F和A/F 值高，說明細菌和放線菌密度高，土壤肥力較高，反之則低[13]。 眾多學者對農田不同種植制度下施氮對土壤微生物及其后效的影響開展了大量研究，一方面表明，微生物的數量與施氮量有關[14]，且施氮量對土壤中細菌、真菌、放線菌[15]及氮素生理群[16]的數量產生有促進或抑制作用，從而影響土壤肥力和氮素循環(huán)[17]；另一方面發(fā)現，氮肥有顯著的后效作用[18-20]。 李世清等[21]研究表明，在小麥-玉米周年輪作體系下，施入土壤的氮肥不僅有利于當季作物增產，在當季作物收獲后殘留于土壤中的氮素還可被后季及多季作物吸收利用。 以上研究多集中于單季作物的連作[22]，不同作物的間、套作施氮對微生物區(qū)系的影響[23-24]，關于周年輪作體系施氮的研究大多集中于氮素積累、分配運移及利用率等方面[25-26]，對微生物區(qū)系的研究鮮有報道。 本試驗在前人研究的基礎上，探究北疆伊犁河谷地區(qū)冬小麥-夏大豆周年輪作種植模式下，小麥生長季不同施氮水平對復播作物產量及土壤微生物區(qū)系的后效影響，以期為周年輪作模式下后茬大豆合理施用氮肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于2016年10月至2017年9月、2017年10月至2018年9月連續(xù)兩年在新疆維吾爾自治區(qū)(以下簡稱“新疆”)伊犁哈薩克自治州伊寧縣農業(yè)科技示范園進行。 該示范園位于伊犁河谷中部(44°N，81°E)，屬中溫帶干旱型內陸山地氣候，近兩年平均氣溫9℃，平均日照時數2 800～3 000 h，年均降水量257 mm，無霜期169～175 d。 試驗地地勢平坦，土壤類型為壤土，試驗區(qū)0～20 cm 耕層土壤基本理化性質如表1 所示。

表1 試驗區(qū)0～20 cm 耕層土壤基本理化性質Table 1 Physical and chemical properties of topsoil in the 0～20 cm tillage layer in the experimental area

1.2 試驗設計

試驗采用單因素隨機區(qū)組設計，以冬小麥季施氮量為單因素，設置4 個施氮水平，分別為CK(0 kg·hm-2)、 N1(225 kg·hm-2)、N2(375 kg·hm-2)、N3(525 kg·hm-2)。 供試氮肥為尿素(含N 46%)，施氮量的40%做基肥，剩余60%氮肥以追施的形式于冬小麥拔節(jié)期、抽穗期各按施氮量的30%隨水滴施。 各處理3 次重復，共12 個小區(qū)，每小區(qū)面積為5 m×4.5 m。冬小麥播種前結合翻地施入重過磷酸鈣204 kg·hm-2，各處理在夏大豆季于始花期一次性隨水滴施尿素150 kg·hm-2，兩季作物灌溉均為滴灌，其他田間管理措施同當地大田常規(guī)栽培。

于冬小麥播種前，試驗區(qū)所有處理均采用五點取樣法，采集0～20 cm 耕層的混合土樣，自然風干后用于測定土壤基礎理化性質；復播大豆成熟收獲前，試驗區(qū)各小區(qū)均采用五點取樣法，采集0 ～20 cm 耕層的混合土樣，土壤樣品混勻后裝入無菌紙袋，立即帶回實驗室，用于各小區(qū)微生物區(qū)系的測定。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 微生物區(qū)系 采用稀釋平板法測定土壤細菌、真菌和放線菌數量。 細菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；真菌采用馬丁氏培養(yǎng)基；放線菌采用改良高氏Ⅰ號培養(yǎng)基。 將盛有10 g 新鮮土壤和90 mL 無菌水的三角瓶放在HY-5 回旋震蕩器(金坊市醫(yī)療儀器廠，江蘇)上震蕩20 min，使土樣均勻地分散在稀釋液中成為土壤懸液，土壤懸液接種采用混菌法。

氨化細菌、硝化細菌、反硝化細菌和好氣性固氮菌土壤氮素生理群采用最大或然數法(most probable number，MPN)[27]。 選擇4 個相連的稀釋度，將不同的土壤懸液分別接種至裝有不同培養(yǎng)基的試管中。 氨化細菌選擇蛋白胨氨化培養(yǎng)基；好氣性自生固氮菌采用阿須貝氏培養(yǎng)基；硝化細菌采用改良的斯蒂芬森培養(yǎng)基；反硝化細菌采用反硝化細菌培養(yǎng)基。 土壤中硝化細菌數量的測定，一般情況下只測定亞硝酸細菌的數量，即能說明硝化細菌的數量。

以上試驗均在無菌條件下進行，氮素生理群的數量指標和近似值查3 次重復測數統(tǒng)計表[27]得出，結果以CFU·g-1干土表示。

1.3.2 大豆產量的測定 復播大豆成熟后，在每處理每重復選取具有代表性的連續(xù)10 株大豆進行考種，并測定單株莢數、單株粒數、百粒重；另在每個試驗小區(qū)進行實收測產。

1.4 數據分析及處理

采用Microsoft Excel 2010 處理數據，Origin 8.5 制圖，SPSS 19.0 軟件進行方差分析和相關性分析，不同處理之間的多重比較采用Duncan 新復極差法(P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 冬小麥施氮水平對復播大豆土壤三大類微生物的影響

2.1.1 冬小麥施氮量對復播大豆土壤三大菌群數量及其組成比例的影響 不同施氮量對后茬作物大豆土壤中三大菌群數量及其組成比例均有影響。 由表2 可知，2017-2018年各處理復播大豆土壤微生物總數量均以細菌為主，占微生物總量的84.31%～93.67%；其次為放線菌，占微生物總量的5.52%～15.62%；真菌最少，僅占0.07%～1.09%。 進一步比較各處理土壤微生物總數可知，不同年度各處理復播大豆土壤微生物總數均隨著麥季施氮量的增加呈先上升后下降的趨勢，均在N2達到最高，且與不施肥的CK 和施肥量最高的N3達差異顯著水平(P＜0.05)，但N1與N2之間無顯著差異(P＜0.05)。 表明冬小麥N1、N2施氮處理有利于復播大豆土壤微生物總數的積累，但麥季施氮量過高或不施，不利于大豆土壤微生物總數的增加。

進一步分析不同施肥處理下各類微生物數量可知，各處理不同類微生物的數量均高于CK，且土壤中占絕對優(yōu)勢的細菌數量的變化與土壤微生物總數的變化規(guī)律一致，細菌數量在兩年試驗中均以N2最高，且與CK、N3差異顯著，但N1與N2之間無顯著差異。 土壤真菌數量與細菌兩年的變化趨勢一致，均以N2最高，較CK 平均增加80.28%，且均與CK 差異顯著。 而土壤放線菌數量兩年均以N1最高，較CK 平均增加82.63%。 綜上所述，前茬冬小麥氮肥的施用量對后茬作物土壤微生物各類群數量均有后效作用。 麥季中等施氮量(N1、N2)處理有助于復播大豆土壤細菌、放線菌數量的增加，但施氮量過高對土壤細菌和放線菌數量有不同程度的抑制作用。 真菌數量總體表現為麥季多施氮肥高于不施氮肥或少施氮肥。

表2 冬小麥不同施氮水平下復播大豆土壤微生物數量及組成比例Table 2 Soil microbial quantity and composition ratio of summer-sowing soybean with different nitrogen levels in winter wheat

2.1.2 冬小麥施氮水平對復播大豆土壤微生物菌群結構的影響 由表3 可知，復播大豆土壤B/F 和A/F連續(xù)兩年均隨冬小麥施氮量的增加呈先上升后下降的趨勢，均在N1時為最大值，其B/F 較CK 平均增加10.39%，A/F 較CK 平均增加29.25%，且基本與CK達到差異顯著水平，冬小麥施肥會影響復播大豆的B/F 和A/F。 進一步分析各施肥處理之間，N2、N3的B/F較N1平均分別降低7.07%、37.05%，A/F 平均分別降低28.78%、50.58%，說明冬小麥季中、高施氮量其復播大豆B/F 和A/F 較CK 低。 由此表明，冬小麥低量施氮能夠提升復播大豆B/F 和A/F，平衡土壤微生物菌群結構，有利于土壤肥力的提高，但冬小麥中、高量施氮反而會降低B/F 和A/F。 綜上所述，冬小麥施氮量為225 kg·hm-2(N1)時，有利于提高土壤中細菌和放線菌的豐度，從而起到改良土壤質量，培肥土壤的效果。

表3 冬小麥不同施氮水平下復播大豆土壤微生物菌群結構的影響Table 3 Soil microbial community structure of summer-sowing soybean with different nitrogen levels in winter wheat

2.2 冬小麥施氮水平對復播大豆土壤微生物氮素生理群的影響

土壤中存在的各種與氮素有關的微生物，對農田土壤氮循環(huán)及轉化起著重要的作用，可反映農田土壤有效氮的供應狀況[28]。 氨化細菌可促進有機氮礦化以便作物進行吸收和利用，而自生固氮菌可獨立完成固氮作用以滿足作物對部分氮素的需求。 由圖1-A、B可知，隨著冬小麥施氮量的增加，各年份各處理復播大豆土壤氨化細菌、好氣性自生固氮菌的數量均呈先增加后降低的趨勢。 進一步比較各處理可知，土壤氨化細菌數量均以N2最高，且與其他處理均達到顯著差異水平。 好氣性自生固氮菌數量均以N1最高，除2017年N2外，與其他處理均差異顯著，表明冬小麥適量施氮有利于后茬大豆土壤氨化細菌和好氧性自生固氮菌的生長繁殖，不施氮或高量施氮均不利于氨化細菌和好氧性自生固氮菌生長。 綜合兩年試驗數據可知，冬小麥季施氮量為225、375 kg·hm-2(N1、N2)時，有利于復播大豆土壤氨化細菌和好氣性自生固氮菌數量的增加，合理施氮為氨化細菌進行礦化分解和固氮菌自生固氮提供良好的土壤條件。

土壤中硝化細菌與反硝化細菌對土壤肥力及環(huán)境效應有著重要的意義。 由圖1-C、D 可知，隨著小麥施氮量的增加，復播大豆土壤中硝化細菌與反硝化細菌的數量均呈現不斷上升的趨勢。 比較各處理之間可知，各施氮處理土壤硝化細菌和反硝化細菌數量(除2017年N1的反硝化細菌外)均與CK 達到顯著差異，施氮量最高的N3均與CK、N1差異顯著，硝化細菌數量較CK 增加114.22%，反硝化細菌較CK 增加93.41%，但N3與N2無顯著差異。 進一步分析可知，雖然硝化細菌和反硝化細菌的數量會隨著施氮量的增加不斷上升，但在高氮水平下的增幅相對較小。 由此表明，施氮能促進硝化細菌數量的增加，有助于土壤中氮的轉化和作物吸收利用，但施氮過高會刺激硝化細菌和反硝化細菌略上升，可能對土壤生態(tài)環(huán)境產生不利影響。

2.3 冬小麥施氮水平對復播大豆產量及產量構成因素的影響

冬小麥氮肥的施用量直接影響后茬作物土壤微生物的數量和組成，進而影響后茬大豆的產量。 由表4可知，復播大豆兩年產量均隨著施氮量的增加呈先增加后下降的趨勢，均以N2產量最高，這與微生物總數、細菌數量的變化趨勢一致，且N2的產量與CK 和N1均差異顯著，但與N3差異不顯著。 說明前茬冬小麥施氮水平不僅影響后茬土壤微生物的變化，而且與大豆的產量有關聯(lián)，麥季不施或少施氮肥均不利于提升后茬具有固氮能力的大豆的產量。 雖然N2產量與N3差異不顯著，但N2既能減施氮肥又能提高氮肥利用率，可以達到減氮穩(wěn)產的目的。 從復播大豆產量構成因素分析，兩年數據表明麥季施氮通過大豆單株莢數和單株粒數影響最終產量，與百粒重無關。 單株莢數和單株粒數均在N2達到最高，且與其他各處理差異顯著，表明適量施氮處理可通過增加大豆單株莢數及單株粒數提高產量。

3 討論

土壤中微生物參與調控土壤中養(yǎng)分循環(huán)及物質轉化，其數量與土壤肥力之間有著較強的聯(lián)系，是土壤肥力水平的活指標[29-30]。 目前，國內外學者對土壤微生物區(qū)系做了大量研究，但氮肥的施用量、不同種植模式下不同作物種類土壤微生物數量的變化規(guī)律不同。 有研究表明，在套作[22，31]、間作[23]模式下土壤三大菌群數量在一定范圍內均隨著施氮水平的提高而增加，但施氮水平過高會對土壤微生物的增殖產生一定的抑制作用，且降低B/F 和A/F[32-34]，這與本研究結果基本一致，但與張向前等[35]關于施氮和隔根對玉米根際三大菌群微生物數量影響的研究結論不相同，這可能與種植方式及作物的種類不同有關。 在冬小麥復播大豆種植制度下，兩季作物間隔時間短，前茬冬小麥氮肥殘留改變了后茬夏大豆土壤的養(yǎng)分狀況和土壤環(huán)境，導致與氮素有關的土壤微生物群落及其數量發(fā)生變化。麥季施氮中未被利用的無機氮殘留到后季大豆的土壤中，再加上大豆本身具有固氮的特性，增加了復播大豆可利用的氮素，有利于調節(jié)植物-微生物間復雜的互作過程[36]，進而改變土壤微生物數量、菌群結構，最終影響作物的生長發(fā)育，但關于施氮和大豆根系分泌物對土壤微生物影響的內在機理還有待進一步研究。

圖1 冬小麥不同施氮水平復播大豆土壤氮素生理群數量Fag.1 Soil nitrogen bacteria group quantity ratio of summer-sowing soybean with different nitrogen levels in winter wheat

表4 不同施氮水平對復播大豆產量及產量構成因素的影響Table 4 Effects of different nitrogen levels on yield and yield components of summer-sowing soybean

土壤微生物中與土壤氮素積累形成與轉化密切相關的氮素生理群在土壤氮循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[26]。本研究結果表明，冬小麥施氮能增加復播大豆土壤微生物生理群數量，但高氮水平降低了氨化細菌和好氣性自生固氮菌的數量，施氮越多越能刺激硝化細菌和反硝化細菌的生長繁殖。 這與前人[16，37-38]研究結果基本一致。 豆科作物的固氮作用在農業(yè)生產中起著重要的作用，低量施氮能促進自生固氮菌數量的增加，但大量施氮會降低土壤質量，嚴重抑制固氮菌的生長繁殖。 氨化細菌可將土壤有機氮礦化成NH4+-N，過量施氮造成NH4+-N 積累對氨化細菌有抑制作用，而NH4+-N 的積累在一定條件下可促進硝化細菌將銨態(tài)氮轉化為硝態(tài)氮，土壤硝化勢增強[39]，有利于硝化細菌的增殖，同時由于氮肥過量使硝酸鹽積累，改變了土壤物理環(huán)境，在一定條件下刺激反硝化細菌的生長繁殖，反硝化細菌將硝酸鹽在厭氧條件下還原為亞硝酸、氨甚至氮氣是氮肥損失的重要途徑。

冬小麥施氮直接影響復播大豆的產量。 研究證實，適量施氮能提高作物產量，過量施氮會降低復播大豆產量[40-41]。 這與本試驗結果一致。 冬小麥施氮產生的后效作用加快了復播大豆土壤微生物對氮素的轉化，提高了土壤肥力，促進了復播大豆干物質積累，從而提高了大豆產量，促進了品質形成；過量施氮會造成氮素積累過多，土壤中微生物結構比例失衡，進而影響營養(yǎng)元素向植株各個器官部位的運轉，從而降低了復播大豆的產量。

4 結論

前茬冬小麥施氮對復播作物土壤微生物區(qū)系及產量具有后效作用。 冬小麥在225 ～375 kg·hm-2施氮量下能夠促進復播大豆土壤微生物三大菌群及氮素生理群數量、B/F、A/F 值的提高，特別是在麥季中等施量375 kg·hm-2(N2)水平下產量最高；而不施氮或過量施氮均不利于或抑制復播大豆土壤三大菌群及氮素生理群數量、B/F、A/F 值的增加，土壤供肥能力下降，施氮量最高的N3較N2復播大豆產量反而下降。 綜上，冬小麥復播大豆種植體制下，大豆產量的高低以及土壤供肥能力不僅與大豆本身栽培措施有關，而且與上茬小麥的施肥狀況緊密相連，麥季適量施氮有利于增加后茬大豆土壤微生物的數量，調節(jié)土壤生態(tài)環(huán)境，施氮過高反而抑制土壤優(yōu)勢菌群，增加對土壤環(huán)境產生負效應的土壤微生物類群，既不利于大豆增產又不利于土壤質量。