长期施肥制度对土壤微生物种群和生理群落的影响

长期施肥制度对土壤微生物种群和生理群落的影响

土壤是一个完整的生态系统。土壤微生物是土壤生态系统中极其重要和最活跃的部分。在土壤养分转化、系统稳定、干燥和土壤生态生产力等方面，起着主导作用，控制着土壤生态系统的功能。随着对微生物在农田生态系统中重要功能认识的不断深入，用土壤微生物参数来评价土壤的健康和质量愈来愈受到人们的关注。这些参数包括土壤微生物生物量、活性、种群多样性以及土壤各种酶活性等。施肥是影响土壤质量及其可持续利用最深刻的农业措施之一。施肥制度不同，土壤微生物种群、数量和活性不同，导致土壤生物肥力不同，而这种差异又会对土壤结构、肥力和生产力产生重要影响。施用有机肥料或有机-无机结合，有利于微生物数量的增加和活性提高。Ndayeyamiye和Cote的研究结果表明，施用有机肥或有机-无机肥可提高土壤细菌、真菌和放线菌数量，也能显著增加氨化细菌、硝化细菌、自生固氮菌数量。Nanda和Das等的研究表明，施用有机-无机肥增加了细菌数量，减少了真菌数量。施用化肥对土壤微生物量的影响，研究结果不尽一致。Shen等研究发现，施用氮肥增加了土壤微生物量氮含量；李东坡等研究表明，黑土长期NPK处理，土壤微生物量磷含量高于不施肥处理，而土壤微生物量氮含量与不施肥处理的差异很小；McGill等结果表明，连续50年NPKS处理，土壤微生物量氮与不施肥处理没有显著差异。不同学者的研究差异可能与气候、土壤类型和土壤供肥水平等的不同有关。长期肥料定位试验，定向培育了土壤质量和功能特点显著不同的农田生态系统。在研究不同施肥制度下土壤肥力演化、肥料效应、农田养分循环以及施肥与环境关系等方面，具有重要价值。人们在重视研究长期施肥对土壤物理与化学性质影响的同时，长期施肥对土壤生物学特性影响的研究也在不断加强。中国从20世纪70年代以来，在主要类型土壤、耕作制度和气候带上布置了系列长期肥料试验。近年来，利用长期肥料试验平台，开始进行长期施肥对土壤生物学特性影响的研究。但中国幅员辽阔，气候条件、土壤类型、耕作制度复杂多样，目前有关长期施肥对土壤生物肥力的深入系统研究还不多，褐潮土长期定位不同施肥制度对土壤生物学特性影响的研究开展的还很少。本研究以国家褐潮土土壤肥力与肥料效益监测基地（北京昌平）的长期肥料定位试验为平台，探讨不同施肥制度对土壤微生物群落的影响及其与土壤肥力的关系，为建立科学施肥制度，提高土壤生物肥力、培肥土壤和实现土壤可持续利用提供科学依据。1材料和方法1.1试验材料与方法试验在国家褐潮土土壤肥力与肥料效益长期监测基地的长期肥料定位试验中进行。监测基地位于北京市昌平区，北纬40°13′，东经116°14′，海拔高度43.5m，年平均温度11℃，≥10℃积温4500℃，年降雨量600mm，年蒸发量2301.9mm，无霜期210d，灾害性天气主要是春旱和夏季暴雨。长期肥料定位试验始于1990年，种植制度主要为冬小麦-夏玉米。土壤母质为黄土性物质，属褐潮土。试验开始时耕层土壤理化性质为：有机质12.310g·kg-1，全氮0.805g·kg-1，全磷0.687g·kg-1，全钾14.582g·kg-1，速效氮36.06mg·kg-1，速效磷4.62mg·kg-1，速效钾65.27mg·kg-1，缓效钾407.06mg·kg-1,pH8.22。本研究选择10个处理：（1）空白对照（O），不施肥，不种植作物，自然撂荒；（2）对照（CK），不施肥，种植作物；（3）氮（N）；(4）氮磷（NP）；(5）氮钾（NK）；(6）磷钾（PK）；(7）氮磷钾（NPK）；(8）氮磷钾+有机肥（NPK+M）；(9）氮磷钾+增量有机肥（NPK+1.5M）；(10）氮磷钾+秸秆还田（NPK+S）。N、P、K分别代表每季作物施化肥N150kg·ha-1、P2O575kg·ha-1和K2O45kg·ha-1;M为有机肥（猪厩肥），用量22.5t·ha-1;S为玉米秸秆，用量为2.25t·ha-1。N、P、K化肥于播种前一次性施入，有机肥和秸秆还田一年施用1次，于小麦播种前做基肥。氮肥为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾。处理面积200m2，不设重复。田间管理按大田丰产要求进行。本试验于2001年10月～2002年10月进行，小麦品种为中作9507，夏玉米品种为唐抗5号。样品采集从2001年10月17日小麦苗期至2002年9月28日玉米成熟期，分10次（基本按每月一次）采用五点取样法取0～20cm土层土样，剔除石砾及植物残茬等杂物，新鲜土样测定土壤微生物种群与数量，同时进行常规土壤养分分析。作物成熟后测定小麦、玉米产量。1.2培养基的选择土壤微生物数量采用固体平板法进行分离测定。细菌、真菌、放线菌分别用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基、马丁氏培养基和改良高氏1号培养基；自生固氮菌用阿须贝氏培养基进行选择性培养，稀释平板法计数；硝化细菌、反硝化细菌、氨化细菌、纤维素分解菌均采用各生理群的特定培养基进行选择性培养，稀释平板法计数。土壤养分的测定采用常规分析方法。2结果与分析2.1不同的施肥系统对土壤微生物的影响2.1.1化肥和除草对土壤细菌数量的影响土壤微生物在土壤中参与有机质和各种养分的分解与转化，与土壤质量或肥力高低密切相关。土壤细菌是土壤微生物的主要组成部分，由表1看出：（1）长期不施肥和施用化肥的农田（CK、N、NP、NK、PK、NPK）土壤中细菌数量多数情况下低于撂荒土壤，周年平均比撂荒少14.6%；NPK配施有机肥或秸秆的农田（NPK+M、NPK+1.5M、NPK+S），土壤细菌数量大都高于撂荒土壤，周年平均比撂荒增多24.2%。（2）长期施用化肥（N、NP、NK、PK、NPK），增加土壤细菌数量的效果不明显，周年平均与CK相当。（3）长期NPK配施有机肥或秸秆有利于增加土壤细菌数量，NPK+M、NPK+1.5M、NPK+S处理土壤细菌数量（周年平均）明显高于单施化肥的处理，并且增量有机肥处理（NPK+1.5M）土壤细菌数量又稍多于NPK+M处理，NPK配施有机肥对细菌的增加效果又明显大于NPK配施秸秆处理。土壤中真菌的数量不及细菌多，但真菌的生物量较大，在土壤中的作用不容忽视。由表2看出：（1）周年平均，农田土壤的真菌数量略少于撂荒土壤。所有种植作物的农田处理土壤真菌数量周年平均比撂荒少21.2%。（2)NPK配施有机肥或秸秆的农田，土壤真菌数量多数情况下稍多于单施化肥的农田；单施化肥的农田土壤真菌数量多数情况下又略高于不施肥的CK。（3)NPK均衡施肥处理土壤真菌数量与非均衡施肥处理（N、NK、NP、PK）差异不明显；施P处理（NPK、NP、PK）土壤真菌数量似有多于不施P处理（N、NK）的趋势。土壤放线菌数量介于细菌和真菌之间。由表3看出：（1）与真菌相反，农田土壤的放线菌数量大都多于撂荒土壤，所有种植作物的农田处理周年平均比撂荒土壤多19.1%。（2）施肥处理土壤放线菌数量多于不施肥的CK，其中施用化肥的处理（N、NP、NK、PK、NPK）周年平均比CK增加18.6%，NPK配施有机肥或秸秆的处理（NPK+M、NPK+1.5M、NPK+S）平均比CK增43.4%。（3)NPK配施有机肥或秸秆（NPK+M、NPK+1.5M、NPK+S），可显著提高土壤放线菌数量，比单施化肥处理（N、NP、NK、PK、NPK）周年平均增加24.2%。2.1.2影响各种生理功能土壤微生物的影响2.1.2.施肥对土壤固氮菌的影响自生固氮菌对土壤氮素平衡起着重要调节作用，土壤中固氮菌数量和活性与土壤氮素养分状况密切相关。由表4看出：（1）长期不施肥或仅施化肥的农田（CK、N、NP、NK、PK、NPK）土壤固氮菌数量多低于长期撂荒土壤（O）;NPK配施秸秆（NPK+S），固氮菌数量与撂荒土壤相近；NPK配施有机肥（NPK+M、NPK+1.5M）土壤固氮菌数量明显高于长期撂荒土壤。（2）施肥处理土壤固氮菌数量稍多于不施肥的CK，尤其在施用有机肥或秸秆还田条件下，数量增加更明显；相对于非均衡施肥处理（N、NP、NK、PK），均衡施肥的NPK处理没有明显提高土壤固氮菌的数量；施氮（N、NP、NK、NPK）与不施氮（PK）处理比较，土壤固氮菌数量也没有明显规律性差别。2.1.2.施肥对农田土壤氨化细菌的影响土壤氨化细菌参与土壤的氨化作用，氨化细菌数量的多少直接反映了土壤氨化作用的强弱。由表5看出：（1)NPK配施有机肥的农田（NPK+M、NPK+1.5M）土壤中氨化细菌的数量高于撂荒的土壤，但长期不施肥、仅施化肥及NPK配施秸秆（NPK+S）者，土壤中氨化细菌的数量明显低于撂荒土壤。（2）长期施用化肥（N、NP、NK、PK、NPK），土壤氨化细菌数量低于长期不施肥的CK处理；施用NPK和有机肥显著增加了土壤氨化细菌的数量。2.1.2.长期不施肥，施肥以硝化细菌为主土壤的硝化作用是在硝化细菌作用下将铵氧化成硝酸的过程，土壤中硝化细菌数量的多少可反映出土壤硝态氮的供应状况。由表6看出：（1）农田在长期施肥条件下，土壤中硝化细菌的数量高于撂荒土壤，不同施肥制度提高的幅度不同，在18.4%～267.8%之间；长期不施肥土壤硝化细菌数量略低于撂荒土壤（低16.8%）。（2）施肥农田土壤硝化细菌数量高于不施肥的CK，增加幅度为42.3%～342.1%；NPK均衡施用以及NPK配施有机肥或秸秆，更有利于增加土壤硝化细菌的数量。（3）长期不施N肥（PK），土壤硝化细菌数量低于施N处理。（4）土壤中硝化细菌的季节变化受干湿季节的影响，趋势是雨水较多的夏季数量低于气候较干旱的春季或晚秋季节。2.1.2.土壤反硝化作用土壤的反硝化作用是指土壤中的硝态氮在反硝化细菌的作用下转化为气态氮的过程。反硝化细菌的数量与活性影响着土壤反硝化作用的强度及过程。由表7看出，总体上施用NPK和有机肥或秸秆（NPK+M、NPK+1.5M、NPK+S）土壤反硝化细菌数量较高；施用化肥的农田多数处理土壤反硝化细菌的数量低于撂荒土壤和不施肥处理（CK）；土壤反硝化细菌数量受到温度与干湿季节的影响，夏秋高温和雨季情况下土壤反硝化细菌数量较多。2.1.2.施肥对土壤生理功能微生物的影响纤维素是土壤最丰富的含碳有机物,参与纤维素分解转化的纤维分解菌在土壤碳素循环中具有重要意义。由表8看出:撂荒土壤纤维分解菌数量高于农田土壤;施肥土壤纤维分解菌数量又高于不施肥土壤;NPK平衡施肥以及NPK配施有机肥或秸秆,土壤纤维分解菌的数量高于非均衡施肥处理。综上所述，由于土壤中不同生理功能微生物生长、繁殖和代谢所需要的环境条件不同，施肥制度对土壤生理功能微生物的影响规律因菌群不同而有所差异。总体看，化肥与有机肥配施的农田，土壤生理功能微生物的数量不仅高于不施肥或仅施化肥的农田，而且除纤维分解菌外，绝大多数生理功能菌群的数量也高于撂荒土壤。单独施用化肥的农田，除硝化细菌外，绝大多数生理功能菌群的数量低于撂荒土壤。单独施用化肥条件下，土壤硝化细菌和纤维分解菌数量高于不施肥农田，固氮菌数量比不施肥处理也稍有增加，但氨化细菌和反硝化细菌数量较少。氮、磷、钾平衡施肥，较非均衡施肥氨化细菌、硝化细菌、纤维分解菌数量有一定程度的增加。2.2土壤养分与生理功能菌群的关系利用不同施肥制度周年土壤养分测定（10次）的平均值与不同类群微生物数量进行相关分析，结果见表9、表10。由表9看出，土壤细菌和放线菌数量与土壤养分含量呈正相关，且基本达到显著或极显著性水平，土壤真菌数量与土壤养分含量关系密切程度较差；从不同生理功能菌群看，土壤固氮菌、氨化细菌、反硝化细菌含量与土壤养分含量相关性较强，固氮菌尤为明显，硝化细菌和纤维分解菌与土壤养分的相关程度较低；从养分类型看，土壤细菌、真菌和放线菌数量及各生理功能菌群与土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷含量的相关性较强，与速效钾的相关性较差。由表10土壤微生物类群与作物产量的相关性看，小麦、玉米产量与土壤细菌、真菌和放线菌数量之间呈正相关关系，尤其与细菌和放线菌的相关性达到5%显著性水平。表10亦表明，小麦、玉米产量与各土壤微生物生理群呈正相关关系，与纤维分解菌和固氮菌的相关性较强，基本达到5%显著水平；作物产量与氨化细菌、硝化细菌及反硝化细菌数量之间的相关性较差。3讨论3.1不同施肥制度对土壤微生物数量的影响无论是土壤细菌、真菌、放线菌三大菌群，还是自生固氮菌、氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌、纤维分解菌等生理功能菌群，由于田间空间变异以及受环境条件变化的影响较大，加上稀释平板法计数测定代表性不高和存在较大的误差，因此，测定结果在周年季节间变异非常大，并且在时间序列上，不同处理之间又缺乏明显一致的规律。所以研究过程中，仅靠一次或少数几次取样测定，很难获得准确可靠的信息，也难以反映事物全貌。加大取样频度，开展周年监测研究，虽然工作量极大，但可在一定程度上弥补平板计数法的不足和增加结果可靠性。不同施肥制度对土壤微生物数量产生重要影响，其结果可能主要受到还田有机物数量多寡等因素的影响，另外也因其种群不同而有所差异。农田撂荒后，细菌和真菌数量高于不施肥或单独施用化肥的农田，可能与撂荒土壤扰动少、地上部自然回归土壤的植物有机物量较多有关。但撂荒土壤的放线菌数量大都低于农田土壤。单独施用化肥的农田，尽管地上部秸秆都移出农田，但施肥农田因作物产量高而致使通过根茬还田的有机物也较多，因此土壤微生物数量比不施肥的农田或是稍有增加（真菌和放线菌）或是与之相近（细菌）；作物产量较高的氮磷钾均衡处理（NPK）和氮磷配合（NP）处理土壤微生物数量较产量较低的非均衡施肥N、NK处理多；经过11/12年的定位施肥后，PK处理的作物产量虽然明显低于NPK、NP处理，却显著比N、NK处理高，所以PK处理通过根茬归还土壤的残茬量要高于N、NK处理，这也可能是PK处理微生物数量稍高于N和NK处理的重要原因。施用有机肥料对提高土壤微生物数量的效果十分明显。从本试验的结果看，NPK配合有机肥（22.5t·ha-1）或秸秆（2.25t·ha-1），尤其配合有机肥情况下，土壤微生物数量既高于不施肥和施用化肥的农田，细菌和放线菌数量也高于撂荒土壤。所以在施用化肥基础上，配合施用适量有机肥或秸秆，即使在作物地上部移出农田的情况下，土壤微生物的数量有可能像自然撂荒土壤一样会得到保持。3.2长期施肥影响生命免疫指标土壤养分含量与微生物数量存在较好的正相关性，土壤微生物的数量高低在一定程度上反映了土壤的肥力水平。但由于土壤中的养分元素是多样的，不同土壤中养分丰缺程度也各不相同，因此，土壤肥力水平对微生物的影响非常复杂。土壤微生物的生命活动不仅需要能源，也需要生命元素。土壤养分限制因子及其水平都会影响到微生物的生命活动。施肥制度在长期定位条件下，由于养分供应的种类和数量相对固定，有些养分因长期得不到补充而成为限制因子。养分限制因子也影响了作物对其它施肥元素的吸收，这些元素可能就会在土壤中形成累积。比如，长期N处理或NK处理，土壤磷可能成为限制因子，而土壤中的氮或钾含量不低；长期PK处理，土壤氮成为限制因子，土壤中的磷、钾水平较高。所以，长期定位不同施肥制度形成了养分限制因子、养分丰缺程度以及物理环境不