種植年限對菜地土壤微生物生物量碳、氮及酶活性的影響

2013-12-31 00:00:00黃容萬毅林高明

湖北農業科學 2013年20期

摘要：通過對重慶市九龍坡區白市驛鎮蔬菜基地不同種植年限（1、5、10、15年）的菜地土壤樣品進行采集與分析，研究了不同種植年限下菜地土壤的微生物數量、微生物生物量碳（SMBC）和微生物生物量氮（SMBN）以及土壤酶活性。結果表明，①不同種植年限的菜地中，表層（0～20 cm）土壤中微生物數量和酶活性及SMBC、SMBN總體上高于亞表層（20～40 cm）中的含量；②0～20 cm菜地土壤中細菌和放線菌的數量在種植10年的土壤中最多，而真菌的數量在種植5年的土壤中最多；③對于SMBC來說，0～20 cm菜地土壤的SMBC含量隨著種植年限的增加逐漸遞減；對于SMBN來說，0～20 cm菜地土壤的SMBN含量在種植年限內較穩定；在種植10年的土壤中SMBC和SMBN含量無論在表層還是亞表層中都較高；④不同的種植年限下菜地土壤中酶活性呈現不同的變化，其中過氧化氫酶在不同種植年限下的酶活性比較穩定，維持在1.22～1.62 mL/g；而脲酶和蔗糖酶活性在長期施肥情況下浮動較大，其中脲酶活性最高可達1.80 mg/g，最低僅有0.15 mg/g；蔗糖酶活性最低為0.91 mg/g，最高也只有3.40 mg/g。

關鍵詞：土壤微生物；微生物生物量；土壤酶活性；種植年限；菜地

中圖分類號：S158.5；S154 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）20-4903-05

Effects of Planting Years on Soil Microbial Carbon， Nitrogen and Enzyme Activity of Vegetable Fields

HUANG Rong，WAN Yi-lin，GAO Ming

（College of Resources and Environment， Southwest University，Chongqing 400715，China）

Abstract： Soil samples were collected and analyzed from vegetable fields with different planting years （1，5，10，15 years） in the vegetable base of Baishiyi town， Jiulongpo district， Chongqing city. The soil microorganism quantity， microbial biomass carbon（SMBC） and nitrogen（SMBN）， and soil enzyme activity were studied. The results showed that microorganism quantity and enzyme activity， SMBC and SMBN content of surface soil （0 to 20 cm） were higher than that of subsurface soil（20 to 40 cm）. In 0～20 cm vegetable soil the maximum amount of bacteria and actinomycetes were in the vegetable soil planted for 10 years， while the maximum amount of fungi was in the vegetable soil planted for 5 years. SMBC content in 0～20 cm vegetable soil gradually decreased with the increase of planting years. SMBN content in 0～20 cm vegetable soil with different planting years was relatively stable. SMBC and SMBN contents in both surface or subsurface soil planted for 10 years were high.Enzyme activity in vegetable soil was differed with different planting years. Catalase activity in soil with different planting years was relatively stable and maintained at 1.22～1.62 mL/g. Urease and invertase activity was fluctuated under long-term fertilization. Urease activity could be high up to 1.80 mg/g with the minimum of 0.15 mg/g. The invertase activity was ranged from 0.91 mg/g to 3.40 mg/g.

Key words： soil microorganism； microbial biomass； soil enzyme activity； planting years； vegetable field

土壤微生物生物量不僅是土壤有機質和土壤養分轉化與循環的動力，還是土壤中植物有效養分的儲備庫，能直觀地反映土壤微生物和土壤肥力狀況[1]。土壤酶參與了腐殖質的合成與分解以及土壤中一切生物化學的過程，是一個反映土壤質量的生物學指標。

不同耕作方式對土壤微生物生物量及酶活性有一定的影響，其中免耕最有利于提高土壤微生物生物量和土壤酶活性[2]。在相同的耕作方式下，不同的土地利用方式對土壤微生物生物量的作用也是不一樣的。宇萬太等[3]研究表明，與其他利用方式相比，裸地處理的微生物生物量碳最低。近幾十年來，化學肥料施用已成為農業增產的重要措施之一，對農業生產起到了積極的推動作用[4]。但是，長期施用化肥會影響土壤的理化性質，從而引起土壤微生物數量、微生物生物量碳、微生物生物量氮以及酶活性的變化[5]。

近年來，國內外對不同耕作方式，不同土地利用類型和不同施肥量及施肥種類方面進行了大量的研究[1，5-8]。長期施肥對土壤中微生物、微生物生物量以及酶活性的影響主要集中在種植糧食作物（水稻、玉米等）的土壤上，對于菜地土壤的研究較少。由于菜地土壤復種指數高，施肥量相當于糧食土壤的幾倍，種植蔬菜的年限不同，施入土壤中的化肥量差異較大，種植蔬菜年限越久，施入土壤的化肥就越多。因此，本研究就不同蔬菜種植年限下，不同化肥施用量對菜地土壤微生物數量、微生物生物量碳和微生物生物量氮以及土壤酶活性進行了研究，以期闡明化肥施用量對菜地土壤質量的影響，為菜地合理、科學施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤

試驗所采集的土壤是來自重慶市九龍坡區白市驛鎮的蔬菜基地。1997年之前，重慶市九龍坡區白市驛鎮主要種植水稻、玉米等糧食作物。在1997年之后，該地區慢慢地向蔬菜種植方向發展，至今已形成了較大規模的蔬菜基地。該區土壤為灰棕紫泥土。由于該地區的土壤主要用于種植蔬菜，蔬菜一年種植3～6季，復種指數一般為400%～600%，遠高于糧食的復種指數。蔬菜基地具有高復種指數和一年多季的特點，因此投入到土壤中的化肥量也相應的高，肥料品種也相應的多。為了更好地了解不同種植年限下（即不同施肥年限下）土壤中微生物生物量和酶活性的變化規律，本試驗在同一區域分別采集了種植1、5、10和15年的蔬菜地的表層（0～20 cm）和亞表層（20～40 cm）土壤，研究不同種植年限對菜地土壤微生物生物量碳、氮及酶活性的影響。

具體采樣方法為：分別選取種植了1年、5年、10年和15年的蔬菜地，每個種植年限各選3個地塊，每個地塊皆采用梅花式多點采樣法，分別采集0～20 cm表層和20～40 cm亞表層的土壤，采用四分法留取5 kg的土壤，然后將表層和亞表層的土壤分別裝袋并做好記錄。采集完之后帶回實驗室，一部分在自然狀況下風干，用于常規的養分分析；另一部分保存在4 ℃的冰箱內，用于土壤微生物、土壤微生物量碳、微生物生物量氮和酶活性的測定。其采樣點的基本情況及土壤的理化性質見表1和表2。

1.2 測定指標及方法

細菌采用牛肉汁蛋白胨瓊脂培養基平板混菌法培養測定；真菌采用馬丁氏瓊脂培養基平板混菌法培養測定；放線菌采用高氏1號瓊脂培養基平板混菌法培養測定。土壤微生物生物量碳（SMBC）采用熏蒸提取-容量分析法測定；土壤微生物生物量氮（SMBN）采用熏蒸提取-納式試劑比色法測定。過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定；脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定；蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定。

上述試驗結果的數據均采用Microsoft Excel 2003和SPSS進行數據處理；圖形利用Excel軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 不同種植年限對菜地土壤微生物數量的影響

從表3可以看出，不同種植年限的菜地土壤中細菌、真菌和放線菌的數量存在較大差異。不同種植年限下，無論是在表層（0～20 cm）還是在亞表層（20～40 cm）的土壤中，微生物三大類菌的種群數量分布趨勢細菌數量最多，其次為真菌，放線菌數量最少。這是因為土壤微生物對施肥方式的敏感性不一樣造成的。隨著施用化肥年限的增加，真菌數量有較大的變化，最高可達11.26×105個/g，最低僅2.68×105個/g。無論是在表層還是亞表層土壤中，放線菌的種群數量都比較少。在不同的施肥年限下，表層土壤中的放線菌數量的最高峰出現在種植10年的菜地土壤中，亞表層土壤中的放線菌數量的最高峰出現在種植5年的菜地土壤中。

從表3還可以看出，種植15年蔬菜的土壤中微生物種群數量不高。有研究表明，隨著種植年限的增加，土壤中鹽分增加，土壤酸化與養分失調造成對微生物的抑制作用[9]。表層和亞表層土壤中，三大微生物菌群數量除表層土壤細菌外，其余最高值都出現在種植5年或10年的菜地土壤中，可能原因在于種植5年和10年的土壤都是采用一年五季的種植制度，就會使用更多的肥料。由于施肥量的增加，引入了更多的營養物質，為微生物積累更多的養分，這樣更有利于微生物的生存。黃玉霞等[10]的研究也表明，在一定范圍內隨著種植年限的增加，土壤中的養分有所積累，使微生物有一個有利于繁殖的物質環境，土壤微生物三大類菌的種群數量呈上升趨勢。

2.2 不同種植年限對菜地土壤微生物生物量碳、氮的影響

2.2.1 不同種植年限對菜地土壤微生物生物量碳的影響土壤微生物生物量是土壤中的活性營養庫，調控著土壤養分的轉化循環及有效性。土壤微生物生物量碳、氮含量與環境、施肥及作物生長有密切關系。由表4可知，對于SMBC來說，除了種植10年的菜地表層土壤中SMBC含量和亞表層土壤中的含量相差不大以外，種植1、5和15年的菜地表層土壤中SMBC含量是亞表層土壤中的16.8、4.2和1.6倍，這與徐陽春等[1]研究結果相似。可能原因在于植物殘體及連年施入的有機肥主要積累在表土層中，相應地可供微生物維持生命活動的能量充足，從而導致表層土壤中微生物生物量碳含量高。但總體來說，SMBC的含量都比較低，這是由于長期施用化肥，尤其是無機氮肥，雖然增加了植物根茬等的殘留，但由于土壤的碳、氮比（C/N）下降，加速了土壤中原有有機碳分解，導致土壤中積累的有機碳總量較少[10]。

2.2.2 不同種植年限對菜地土壤微生物生物量氮的影響除了種植5年的菜地表層土壤SMBN含量比亞表層中的高了29.9%外，其余種植年限的表層土壤中SMBN含量都比亞表層中的高了48%以上。總的來說，在不同的種植年限下，表層土壤中的SMBN都高于亞表層土壤中的SMBN含量。可能原因在于表層土壤的透氣性比亞表層的好，有利于微生物的活動，從而表層土壤中的SMBN含量也相應的高。巨曉棠等[11]對冬小麥生育期土壤微生物生物量氮的變化監測結果表明，其含量在不同土層順序為0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm，這主要是因為土壤表層有機質含量豐富，微生物活動旺盛。對亞表層土壤而言，SMBN的含量隨施肥年限的增加，最高峰出現在種植10年的土壤中，可能原因在于雞糞肥的使用使得土壤中的C/N較高。仇少君等[12]對土壤微生物生物量氮及其在氮素循環中作用研究表明，C/N愈高對土壤微生物生物量氮影響持續時間愈長。

SMBN含量隨施肥年限的變化趨勢與SMBC有所不同，且SMBN在土壤中的含量一般高于SMBC含量。徐陽春等[1]研究發現化肥與秸稈、綠肥、豬糞等有機肥配合施用后，促進了土壤微生物大量繁殖，從而固持了一部分氮素。被微生物固持氮素中的一部分被礦化釋放出來，供作物吸收；另一部分就轉化為穩定的有機氮，最終使土壤氮素含量增加。此外還可能是菜地土壤中均使用了雞糞肥，由于雞糞肥具有固氮的功能而且C/N較高，所以施用的氮肥容易被固定，從而有利于土壤微生物生物量氮的形成。黃玉霞等[10]研究表明將C/N較高的有機物料與化學氮肥一同施入土壤，肥料氮先固定到微生物體內，被固定的無機氮肥避免了揮發、淋洗和反硝化的損失，對提高氮肥利用效率和保護環境具有積極的作用，這樣就有更多的SMBN積累。

2.3 不同種植年限對菜地土壤酶活性的影響

土壤酶是來自于微生物、動植物活體或殘體的一類生物活性物質，它可以催化土壤中的生物化學反應，在土壤生態系統中起著關鍵作用。本試驗根據具體情況主要測定了不同種植年限下土壤0～20 cm表層和20～40 cm亞表層中過氧化氫酶、脲酶以及蔗糖酶的含量。由表5可以看出，該采樣地點的土壤中過氧化氫酶活性比較穩定，而蔗糖酶活性和脲酶活性在不同的種植年限以及不同的土層間浮動都比較大。

2.3.1 不同種植年限對菜地土壤過氧化氫酶活性的影響過氧化氫酶不僅參與了生物的呼吸代謝活動，而且還可以解除在呼吸過程中產生的對活細胞有害的過氧化氫[4]。過氧化氫酶活性與好氧微生物數量、土壤肥力有密切的聯系[13]。從表5可以看出，對表層土壤來說，除了種植10年的土壤中過氧化氫酶的活性較高（1.62 mL/g）外，其余種植年限的土壤中過氧化氫酶活性變化不大，維持在1.23～1.30 mL/g。對亞表層土壤來說，過氧化氫酶的活性較表層土壤中的穩定，在不同種植年限下的過氧化氫酶活性相差不大。表層土壤中的過氧化氫酶活性比亞表層的略強，但是并沒有很大差異，可能是由于表層土壤的透氣性比亞表層的好，這樣有利于好氧微生物的增長，因而表層土壤過氧化氫酶活性略強。總的來說，在0～20 cm和20～40 cm土層中，不同的種植年限對土壤中過氧化氫酶活性的影響并不大。這與賀婧等[14]研究結果相一致。

2.3.2 不同種植年限對菜地土壤脲酶活性的影響脲酶對尿素的轉化起到重要作用[15]。從表5可以看出，在表層土壤中，除了種植15年的土壤脲酶活性較強以外，其余表層土壤中的脲酶活性是隨著種植年限的增加呈減弱的趨勢，平均為0.66～1.06 mg/g。在亞表層土壤中，除了種植5年的土壤脲酶活性較弱以外，其余種植年限的脲酶活性為0.36～0.95 mg/g。在各種植年限下，表層土壤的脲酶活性多數比亞表層土壤的高的多，可能是由于表層土壤的透氣性比亞表層的好，這樣有利于好氧微生物的增長，因而表層土壤脲酶活性明顯增強。將同土層中的土壤脲酶活性平均值與施肥年限進行相關性分析，結果顯示，表層土壤脲酶活性與施肥年限呈正相關，但是相關關系并不顯著（r=0.562，P=0.439>0.05）；亞表層土壤脲酶活性與施肥年限也呈正相關，相關關系也不顯著（r=0.440，P=0.956>0.05）。總的來說，土壤脲酶活性與施肥年限存在正相關關系，該結論與賀婧等[14]研究結果相一致。

2.3.3 不同種植年限對菜地土壤蔗糖酶活性的影響蔗糖酶是土壤中的另一種酶，它能促進蔗糖水解生成葡萄糖和果糖，對增加土壤易溶性營養有著重要的作用[16]。結果表明，表層土壤中蔗糖酶活性隨著施肥年限的增加而變化，在種植10年的土壤中蔗糖酶活性出現最高峰值，為3.27 mg/g。將表層土壤中的蔗糖酶活性與不同種植年限進行相關性分析，表明表層土壤蔗糖酶活性與種植年限呈負相關關系，但是相關關系并不顯著（r=-0.314，P=0.686>0.05）。在種植1～10年的亞表層土壤中，蔗糖酶活性為0.91～3.40 mg/g，種植15年的亞表層土壤中的蔗糖酶活性最低。將亞表層土壤中的蔗糖酶活性與不同種植年限進行相關性分析，表明亞表層土壤蔗糖酶活性與種植年限呈負相關，但是相關關系并不顯著（r=-0.528，P=0.472>0.05）。黃玉霞等[10]研究表明，隨著土壤剖面深度的增加，蔗糖酶的活性降低。但是本試驗結果顯示，土壤表層和亞表層的蔗糖酶活性浮動比較大，可能原因在于農戶采用的施肥方式與栽培管理措施不同。

3 小結與討論

袁玲等[8]研究結果表明，施肥必然會影響土壤環境，影響植物根系、土壤微生物、土壤動物，從而影響到來源于這三者的土壤酶的活性以及土壤微生物生物量。由于土壤酶、微生物以及微生物生物量碳、氮的敏感性，以及現代農業可持續發展的需求，土壤每年必須投入大量的肥料特別是化肥來提高農作物的產量，因此隨著土壤被用于農業的時間增加，肥料的使用量也會隨之增加。所以不同種植年限必然會對土壤酶、微生物以及微生物生物量產生一定的影響[14]。本試驗研究表明：

1）長期施肥對土壤中三大微生物類群是有一定影響的，不同種植年限下，表層（0～20 cm）和亞表層（20～40 cm）的土壤中，細菌數量最多，其次為真菌，放線菌數量最少，其中種植了15年的菜地土壤中的微生物種群數量最少，這與黃玉霞等[10]的研究結果是大體一致的。

2）長期施肥會改變土壤理化性質，由于土壤微生物生物量對土壤環境的變化十分敏感，因此隨著施肥年限的改變，土壤微生物生物量也會隨之而改變。對于土壤微生物生物量碳來說，0～20 cm土壤中的SMBC隨著種植年限的增加逐漸遞減；對于土壤微生物生物量氮來說，0～20 cm的SMBN隨著種植年限的增加其含量比較穩定。同時，長期施肥對不同土層間微生物生物量碳的影響要比微生物生物量氮的影響大些。

3）土壤酶活性具有一定的敏感性，長期施肥也必然會引起土壤酶活性的變化，因為施肥引入營養物質，改善了土壤中微生物的活性和分布，從而改變了土壤酶活性。隨著施肥年限的增加，土壤中過氧化氫酶活性比較穩定，而蔗糖酶活性和脲酶活性在不同的施肥年限以及不同的土層間浮動都比較大。一般情況下，隨著土層深度的加深，過氧化氫酶、蔗糖酶以及脲酶的活性相對減弱，這是因為表層土壤透氣性較好，有利于好氧微生物的代謝活動，而且農戶不同的耕作方式對土壤中酶活性的影響也較大。

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