連年翻壓綠肥對植煙土壤物理及生物性狀的影響

佀國涵， 趙書軍， 王 瑞， 徐大兵 ， 秦興成 ， 譚 軍 ，向必坤， 袁家富*

(1 湖北省農業科學院植保土肥研究所，湖北武漢 430064； 2 湖北省煙草公司恩施州公司， 湖北恩施 445000)

土壤的生物活性包括土壤微生物種群結構及土壤酶活性，是土壤微生物環境中生理活性最強的部分，其作為評價土壤生態環境質量的指標，越來越受到人們的重視[1]。保持最適宜的土壤結構是土壤肥力管理中的一項重要內容，土壤團聚體是土壤結構的重要物質基礎和肥力的重要載體，而土壤緊實度是衡量土壤中三相物質存在狀態和容積比例的重要指標，對土壤的水、 肥、 氣、 熱及其物理化學和生物學過程等因素具有調控作用[2-4]。

綠肥作為一種養分全面的優質生物肥源，是我國農作物種植制度中重要的輪作倒茬作物，它在提供農作物所需養分、 改善農田生態環境和防止侵蝕及污染等方面均有良好的作用[5]。種植并翻壓綠肥是保持和提高土壤質量及其可持續利用的農業措施之一。翻壓的綠肥種類以及綠肥和化肥的配施比例均可導致土壤微生物的種群、 數量和活性變化，從而使得土壤酶活性發生改變，這些變化對土壤的物理、 化學和生物性質以及生產力產生重要影響。近年來，國內外學者對翻壓綠肥后土壤生物和生物化學性質等方面曾做過大量研究，已有研究表明[6-9]，翻壓綠肥后明顯促進了植煙土壤中脲酶、 蔗糖酶、 磷酸酶和過氧化氫酶活性，同時增加了土壤中微生物量碳、 氮的積累量。但是關于在長期定位試驗中，翻壓綠肥量及連年翻壓綠肥對植煙土壤中微生物種群數量及土壤酶活性的年際間動態變化的研究，尤其是連年翻壓綠肥后對土壤緊實度及團粒結構等物理性狀的研究較少。因此本文開展了連年翻壓綠肥后，土壤中微生物種群數量、 微生物量碳和土壤酶的年際變化，以及長期翻壓綠肥后對植煙土壤團粒結構和土壤緊實度影響等方面的研究，旨在為煙區土壤改良和特色煙葉開發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

烤煙品種為云煙87，綠肥品種為光葉紫花苕子。試驗區設在湖北恩施清江源現代煙草農業科技園區 (30°20′14″N，109°26′13″E)，土壤類型為黃棕壤 (鐵質濕潤淋溶土)。土壤有機質含量23.9 g/kg、 全氮2.1 g/kg、 堿解氮146.1 mg/kg、 速效磷34.1 mg/kg、 速效鉀160.0 mg/kg、 pH 6.3。綠肥鮮草養分含量為全氮 5.0 g/kg、 全磷 1.2 g/kg、 全鉀4.7 g/kg。

1.2 試驗設計

1.3 樣品采集及測定項目和方法

土壤微生物區系分析采用稀釋平板法[10]。土壤細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基，真菌用馬丁氏培養基，放線菌用改良的高氏1號培養基； 微生物量碳采用氯仿熏蒸培養法[11]； 土壤脲酶采用苯酚-次氯酸鈉比色法； 磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法，過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法測定[12]。土壤團聚體結構分析采用沙維諾夫法進行[13]。

1.4 數據分析與處理

試驗數據采用SAS 9.1軟件進行ANOVA方差分析，其他統計分析采用Excel 2003軟件。團聚體的平均質量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GWD)的計算公式為:

(1)

(2)

式中，Ri為某級別團聚體平均直徑；ωi為該級別團聚體重量。

2 結果與分析

2.1 綠肥翻壓對植煙土壤物理性狀的影響

2.1.1 綠肥翻壓對植煙土壤緊實度的影響 土壤緊實度由土壤抗剪力、 壓縮力和摩擦力等構成，是衡量土壤致密強度的一個合成指標。 它可預測土壤承載量、 耕性和根系伸展阻力，反映土壤的一個重要物理特性，用于評價土壤的耕性[13]。從2011年烤后期土壤緊實度測定結果(表1)來看，隨著土層深度的增加，土壤緊實度呈逐漸增加的趨勢； 通過對5 cm、 10 cm、 15 cm、 20 cm和25 cm處土壤緊實度的統計分析顯示，除10 cm處外，其他土層點的土壤緊實度均無顯著差異； 在10 cm處翻壓低量綠肥(GML)和翻壓高量綠肥(GMH)處理的土壤緊實度顯著低于CK，較CK分別降低了22.0%和29.9%； GMH處理的緊實度在10 cm處顯著低于常規施肥(F) 處理，但與其他處理間差異不顯著，GMH處理的土壤緊實度較F處理降低了25.4%，這表明翻壓30000 kg/hm2綠肥降低了10 cm土層的緊實度，對煙株的根系發育有明顯的促進作用。

表1 綠肥翻壓對不同土層深度土壤緊實度的影響(kPa)

表2 綠肥翻壓對植煙土壤機械穩定性團聚體的影響

2.2 綠肥翻壓對植煙土壤生物性狀的影響

2.2.1 綠肥翻壓對植煙土壤微生物區系的影響 土壤中細菌數量的分析結果(圖1)表明，2009年不同處理間的土壤細菌數量無顯著差異； 2010年GMH處理的細菌數量顯著高于其他處理，較F和CK處理分別高42.2%和45.1%； 2011年GML和GMH處理的細菌數量均顯著高于F和CK處理，但GML和GMH處理間差異不顯著，其中GMH處理的土壤細菌數量較F和CK分別提高了49.0%和63.3%，這表明連年翻壓綠肥后土壤中的細菌數量顯著增加，且隨著翻壓綠肥年限的增長，細菌數量呈逐漸增加的趨勢。

土壤中真菌數量的分析結果顯示，2009年CK處理中土壤真菌顯著高于其他處理； 在2010年，GML和GMH處理的土壤真菌數量顯著高于F處理，但與CK差異不顯著； 至2011年GML和GMH處理的土壤真菌數量顯著高于F和CK處理，其中GMH處理較F和CK處理分別提高了47.8%和50.0%，說明連年翻壓綠肥顯著增加了土壤中的真菌數量，且隨著翻壓綠肥年限的增長，真菌數量呈逐漸增加的趨勢。

圖1可以看出， 2009年GML處理的放線菌數量顯著高于F和GMH處理，但與CK的差異不顯著； 在2010年，GMH、 GML和CK處理的土壤放線菌的數量均顯著高于F處理，較F處理分別提高了30.8%、 32.5%和28.9%； 但至2011年時，GMH處理的放線菌數量比F和CK處理分別高35.4%和61.5%。表明翻壓高量綠肥可顯著提高土壤中放線菌的數量，土壤中放線菌數量增多，往往產生抗菌素，對土壤殘余組織中大量存在的越冬病原菌會產生拮抗作用。

圖1 綠肥翻壓對植煙土壤細菌、 真菌和放線菌數量的影響Fig.1 Effect of incorporating green manure on bacteria, fungi and actinomycetes in tobacco-planting soils

圖2 綠肥翻壓對植煙土壤微生物量碳的影響 Fig.2 Effect of incorporating green manure on microbial biomass carbon in tobacco-planting soils

2.3 綠肥翻壓對植煙土壤酶活性的影響

圖3 綠肥翻壓對植煙土壤酶活性的影響Fig.3 Effect of incorporating green manure on soil enzyme activity in tobacco-planting soils

2.3.2 對脲酶活性的影響 脲酶是一種將酰胺態有機氮化物水解轉化為植物可直接吸收利用的無機態氮化物的酶，其酶活性反映了土壤的供氮能力和水平[12]。圖3顯示，2009年土壤脲酶的活性不同處理間無顯著差異； 2010年GMH、 F和CK處理的土壤脲酶活性差異不顯著，但均顯著高于GML處理。2011年GMH處理的脲酶活性顯著高于其他處理，較GML處理、 F處理和CK處理分別提高了44.5%、 33.0%和30.0%，但GML、 F和 CK處理之間的差異不顯著。可見隨著翻壓綠肥年限的增加，翻壓高量綠肥能夠提高土壤中的脲酶活性。

2.3.3 對過氧化氫酶活性的影響 過氧化氫酶是參與土壤中物質和能量轉化的一種重要氧化還原酶，在一定程度上可以表征土壤生物氧化過程的強弱[12]。2009年GML處理的過氧化氫酶的活性顯著低于GMH和F處理，比F處理降低了15.2%，但GMH處理的過氧化氫酶活性比F處理提高了4.3%； 至2010年，雖然GMH處理比F和CK處理分別提高了4.8%和6.7%，但不同處理間差異未達到顯著水平(圖3)。

3 討論

土壤微生物數量及其活性是土壤肥力的重要指標之一[19]，微生物數量多，區系復雜，表明土壤微生態系統平衡，有利于作物的健康生長。在本研究中，翻壓豆科綠肥后土壤中的細菌、 真菌和放線菌數量均出現不同程度的增加，這與楊曾平等的研究結果一致[5]，也與Dick[20]證明的施用綠肥有利于維持土壤微生物的多樣性和活性的結論一致； Bossio等[21]指出在有機質低輸入的土壤中，高有機質的輸入使微生物生物量持續增加。通過連續3年翻壓綠肥后，大量的低C/N比的豆科綠肥快速腐解，為土壤微生物提供充足的有機碳源，促進土壤微生物的繁殖，土壤中細菌、 真菌、 放線菌以及微生物總量均不斷增加，有利于維持土壤微生物的多樣性及活性，對于提升煙田土壤肥力，提高煙葉的產量和品質均能起到一定的作用。本研究結果表明，不施肥處理的土壤真菌數量在2009年均高于施肥處理，這與吳凡等人[22]的研究結果一致，即肥沃土壤中的真菌數量小于貧瘠土壤； 隨著種植年限的增長，土壤中的養分不斷地被消耗，不施肥處理土壤中細菌、 真菌和放線菌的數量則呈降低的趨勢。

土壤微生物量碳的消長反映微生物利用土壤碳源進行自身細胞建成，并大量繁殖和解體使有機碳礦化的過程[23]。本試驗表明，土壤中的微生物量碳的含量顯著高于翻壓低量綠肥和常規施肥，且隨著翻壓綠肥年限的增長，土壤中微生物量碳呈逐年增加的趨勢。土壤中有機碳的微生物同化，主要受施入的碳源和氮源所支配[24]，在減施化肥的同時翻壓高量綠肥，土壤中施入的碳源和氮源的量均高于翻壓低量綠肥和常規施肥，從而影響了土壤微生物的數量和活性。

土壤酶活性常被作為土壤質量的重要指標來研究，它在一定程度可反映土壤養分轉化的動態，在土壤養分循環以及植物生長所需養分的供給過程中起到重要作用[25]。本研究結果表明，隨著翻壓綠肥年限的增長，翻壓高量綠肥處理的土壤脲酶、 過氧化氫酶和酸性磷酸酶的活性均呈逐年上升的趨勢，這與劉國順等[6]的研究結果基本一致。連年翻壓綠肥后，大量極易腐解的豆科綠肥為土壤提供了大量的有機碳源和氮源，促進了土壤微生物的活性，從而提高了土壤酶的活性。本研究發現不施肥處理的土壤酸性磷酸酶活性較高，這與宋勇春等人[26]的研究結果一致，這可能是由于在不施肥情況下煙株缺磷脅迫嚴重，因而誘導分泌的酸性磷酸酶活性增強，這說明根系對土壤酸性磷酸酶的貢獻占主導地位。由于翻壓低量綠肥的同時減施了15%的化肥用量，在無機氮肥施入不足的情況下，翻壓15000 kg/hm2綠肥輸入到土壤中的氮源和碳源較少，不利于土壤脲酶和過氧化氫酶活性的提高，因此翻壓低量綠肥的土壤脲酶和過氧化氫酶的活性均低于常規施肥，而當綠肥的翻壓量達到30000 kg/hm2時，土壤中脲酶和過氧化氫酶活性恢復并有所提高，可見化肥與綠肥的配施比例對土壤酶活性具有重要的影響。

4 結論

1)連續3年翻壓綠肥顯著降低了10 cm土層處的土壤緊實度，且以翻壓 30000 kg/hm2綠肥的土壤緊實度最低，其土壤緊實度較常規施肥處理和不施肥處理分別降低了25.4%和29.9%。翻壓綠肥后土壤中大于7 mm的大團聚體含量增加，而小于1 mm的小團聚體的含量有所降低，但土壤中大于0.25 mm的機械穩定性團聚體的數量、 平均重量直徑和幾何平均直徑在不同處理間無顯著差異。

2)翻壓豆科綠肥后土壤中的細菌、 真菌和放線菌數量及土壤微生物量碳的含量均隨著翻壓綠肥年限的增長而出現不同程度的增加。翻壓3年綠肥后，翻壓30000 kg/hm2綠肥的土壤細菌、 真菌和放線菌數量以及土壤微生物量碳含量較常規化肥處理分別提高了49.0%、 47.8%、 35.4%和40.7%，較CK處理分別提高了63.3%、 50.0%、 61.5%和43.0%。

3)隨著翻壓綠肥年限的增長，翻壓 30000 kg/hm2綠肥的土壤中脲酶、 過氧化氫酶和酸性磷酸酶活性均呈逐年上升的趨勢； 與常規施肥相比，翻壓15000 kg/hm2綠肥降低了土壤脲酶和過氧化氫酶的活性，但翻壓30000 kg/hm2綠肥能夠恢復和提高其活性。

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