殘膜對農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量及微生物特征的影響

張丹，劉宏斌，馬忠明，唐文雪，魏燾，楊虎德，李俊改，王洪媛

（1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，蘭州 730070；3甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070）

殘膜對農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量及微生物特征的影響

張丹1，劉宏斌1，馬忠明2，唐文雪3，魏燾3，楊虎德3，李俊改1，王洪媛1

（1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，蘭州 730070；3甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070）

【目的】探究殘膜對土壤養(yǎng)分含量和生物學(xué)特征的影響，明確產(chǎn)生危害的土壤殘膜強(qiáng)度限值，為中國殘膜污染防治工作提供理論支撐?！痉椒ā坑?011—2015年在甘肅張掖設(shè)置0（CK）、150 kg·hm-2（T1）、300 kg·hm-2（T2）、450 kg·hm-2（T3）以及600 kg·hm-2（T4）殘膜梯度試驗(yàn)，并測定不同殘膜強(qiáng)度下土壤理化性狀、微生物量碳氮、微生物群落豐度以及土壤酶活性等關(guān)鍵指標(biāo)?！窘Y(jié)果】殘膜對土壤含水量、有機(jī)質(zhì)（SOM）、全氮（TN）、銨態(tài)氮（NH4

殘膜；土壤肥力；微生物量；微生物豐度；酶活性

0 引言

【研究意義】地膜作為重要的生產(chǎn)資料，對提高農(nóng)民收益和保障糧食安全具有重要意義[1]。同時(shí)，地膜難以降解的特性及其在農(nóng)田中的不合理利用，造成中國農(nóng)田土壤中殘膜的大量積累，新疆地區(qū)地膜殘留強(qiáng)度最高可達(dá)502.2 kg·hm-2[2]。隨著土壤中地膜殘留強(qiáng)度的增加，殘膜帶來的負(fù)面效應(yīng)日益凸顯，如土地質(zhì)量惡化、作物產(chǎn)量下降、環(huán)境污染等[3-4]。因此，研究殘膜對土壤質(zhì)量的影響對于殘膜防治工作具有重要的指導(dǎo)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】殘膜對土壤物理性質(zhì)影響較大，造成土壤板結(jié)、孔隙度減小、水分移動(dòng)受阻、通透性變差等一系列問題[5-6]。例如，殘膜強(qiáng)度為200 kg·hm-2時(shí)，將明顯影響土壤水分的上下移動(dòng)，飽和導(dǎo)水率僅為無膜處理的 12%[7]；土壤中殘膜強(qiáng)度為360 kg·hm-2時(shí)，土壤容重較對照增加5.8%—7.2%[8]。同時(shí)，殘膜影響土壤化學(xué)性狀，導(dǎo)致土壤肥力下降，董合干等[9]研究結(jié)果表明，隨著地膜殘留強(qiáng)度的升高，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和有效鉀含量下降，殘膜強(qiáng)度達(dá)到2 000 kg·hm-2時(shí)，其含量分別降低16.7%、55.0%、60.3%、17.9%。但也有試驗(yàn)表明，殘膜強(qiáng)度為0—400 kg·hm-2時(shí)對土壤的化學(xué)性質(zhì)影響不大[8]。造成試驗(yàn)結(jié)果存在差異的原因?yàn)樵囼?yàn)周期短和殘膜強(qiáng)度差異較大?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】近年來，中國農(nóng)用地膜用量不斷增加，農(nóng)田土壤大量地膜殘留造成的“白色污染”現(xiàn)象普遍，然而殘膜對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響研究較少，且存在一定爭議[9]，尤其殘膜強(qiáng)度對土壤微生物特征的影響研究鮮有報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究擬通過5年不同殘膜強(qiáng)度梯度田間試驗(yàn)，分析殘膜對農(nóng)田土壤養(yǎng)分以及土壤微生物特征的影響，探討殘膜強(qiáng)度對土壤質(zhì)量的影響機(jī)制，明確產(chǎn)生危害的土壤殘膜強(qiáng)度限值，為中國殘膜污染防治工作提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2011—2015年在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院張掖節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站（39.4°N，99.0°E）進(jìn)行。試驗(yàn)站位于甘肅省河西走廊中部，海拔1 570 m，年平均日照時(shí)數(shù)3 085 h，平均氣溫7℃，≥10℃積溫2 896℃，無霜期153 d。該地區(qū)屬于溫帶大陸性干旱氣候，年降水量不足130 mm，平均年蒸發(fā)量2 075 mm，屬于典型的“無灌溉就無農(nóng)業(yè)”的干旱灌溉地區(qū)，具有西北綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)的典型特征。供試土壤類型為灌淤土，質(zhì)地輕壤，試驗(yàn)前采集0—20 cm耕層土壤測定土壤現(xiàn)化性質(zhì)：田間持水量為 31.7%，土壤有機(jī)質(zhì)含量7.9 g·kg-1，速效磷24.7 mg·kg-1，速效鉀82.0 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2011年播種前，人工將地膜剪碎為邊長 5 cm和邊長10 cm的正方形碎片，將兩種大小的碎片以1∶1的比例混合后，按地膜殘留強(qiáng)度 0（CK）、150 kg·hm-2（T1）、300 kg·hm-2（T2）、450 kg·hm-2（T3）和600 kg·hm-2（T4）5個(gè)水平，把剪碎的地膜鋪在地表，播種前隨整地作業(yè)混入耕層。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組排列，每個(gè)小區(qū)面積為22 m2。

種植作物類型為玉米，品種沈丹-16號(hào)，種植行距40 cm，株距20 cm，每公頃播種量為12.5萬株左右。采用全膜平作栽培，地膜使用量為 90 kg·hm-2，玉米收獲后人工回收當(dāng)年覆蓋的大塊殘膜，部分小塊地膜仍保留在土壤中，補(bǔ)充因耕作或大風(fēng)帶走的初始?xì)埬ち?，以保證試驗(yàn)過程中殘膜強(qiáng)度基本穩(wěn)定。玉米全生育期灌溉4次，灌溉定額為5 250 m3·hm-2，分別于拔節(jié)期、大喇叭口期、吐絲期、灌漿中期進(jìn)行灌溉，比例為 20∶30∶30∶20。氮肥（N）施用量為 270 kg·hm-2，磷肥（P2O5）施用量為195 kg·hm-2，肥料品種分別為尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O516%）。磷肥全作底肥，氮肥40%作底肥，30%大喇叭口期追施（條施），30%吐絲期期追施（條施）。

1.3 測定指標(biāo)及方法

2015年作物收獲后（10月），采用多點(diǎn)取樣法取各小區(qū)0—20 cm耕層土壤混合樣，將土壤帶回實(shí)驗(yàn)室，過2 mm篩，部分鮮土4℃冰箱保存，并于7 d內(nèi)測定土壤含水量、銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）、微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）、土壤微生物群落豐度以及土壤酶活性等指標(biāo)，另一部分土樣進(jìn)行風(fēng)干，測定有機(jī)質(zhì)、全氮以及Olsen-P含量。

土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮、NH4+-N、NO3--N以及Olsen-P均采用常規(guī)的土壤農(nóng)化分析方法[10]。MBC、 MBN測定采用氯仿熏蒸-0.5 mol·L-1K2SO4提取，Multi N/C 3100總有機(jī)碳/總氮分析儀測定[11]。土壤微生物群落豐度采用Biolog（ECO板）微平板法測定（Biolog自動(dòng)微生物鑒定系統(tǒng)），具體試驗(yàn)步驟如下：稱取相當(dāng)于10 g風(fēng)干土的新鮮土壤，盛于100 mL滅菌水的三角瓶中，250 r/min振蕩10 min，然后用無菌水分步稀釋至10-3，取上清液（125 μL）接種到測試板的每個(gè)孔中，25℃條件下培養(yǎng)，每間隔24 h用Biolog儀器在590 nm波長下測定其吸光值，試驗(yàn)持續(xù)8 d。計(jì)算各處理測試板孔中溶液吸光值平均變化率（average well color development，AWCD）和多樣性指數(shù)（豐富度、Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)以及 McIntosh指數(shù)），計(jì)算公式見表 1[12-13]。采用熒光微孔板檢測技術(shù)（Varioskan Flash 4.00.53）測定α-葡萄糖苷酶（AG）、β-葡萄糖苷酶（BG）、纖維素酶（CBH）、木聚糖酶（BXYL）以及幾丁質(zhì)酶（NAG）活性[14]（表2），具體測定方法如下：稱取1 g鮮土于250 mL三角瓶中，加100 mL滅菌水，250 r/min振蕩30 min，取50 μL熒光底物和200 μL土壤懸液加入96孔黑板孔中，25℃條件下培養(yǎng)4 h后加入10 μL的1 mol·L-1NaOH終止反應(yīng)，采用酶標(biāo)儀（Varioskan Flash 4.00.53）測定[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用OriginLab 8.5軟件作圖，所有數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析（one-way ANOVA），統(tǒng)計(jì)分析處理間土壤理化性質(zhì)、微生物量碳氮、土壤微生物群落豐度以及土壤酶活性之間的差異，多重比較采用Duncan法（P=0.05），平均值在P＜0.05水平下的任何差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 計(jì)算吸光值平均變化率和土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)公式Table 1 Formulas for average well color development and functional diversity calculations of soil microbial communities

表2 土壤酶功能、底物以及底物濃度Table 2 Extracellular enzymes assayed in soil microcosmos, including their functions, corresponding substrates, and substrate concentrations

2 結(jié)果

2.1 殘膜對土壤理化性質(zhì)的影響

5年的大田試驗(yàn)表明，殘膜對土壤含水量的影響較大，隨著殘膜強(qiáng)度的增加，土壤含水量顯著增加（P＜0.05）（圖1），其中T4處理的土壤含水量最高，為14.5%，比CK處理提高了29.5%，達(dá)到顯著差異水平（P＜0.05）。少量殘膜存在對水分的增加影響不顯著，T1處理比CK處理增加了1.2%，T2和T3處理的土壤含水量在12.0%—12.8%之間，略高于CK處理，但無顯著性差異（P＞0.05）。

殘膜強(qiáng)度顯著影響土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量（P＜0.05）（圖1）。土壤有機(jī)質(zhì)水平和殘膜強(qiáng)度呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著殘膜強(qiáng)度的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著降低（P＜0.05）。當(dāng)土壤中殘膜強(qiáng)度達(dá)到300 kg·hm-2時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)含量與CK相比，降低了8.3%，達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。殘膜強(qiáng)度為600 kg·hm-2時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)含量最低，僅為18.4 g·kg-1，比CK處理降低 13.1%。土壤全氮也表現(xiàn)出隨殘膜強(qiáng)度增加而顯著降低趨勢（P＜0.05），殘膜強(qiáng)度為600 kg·hm-2時(shí)，土壤全氮含量為0.86 g·kg-1，顯著低于其他處理（P＜0.05），與CK相比，土壤全氮含量降低9.7%。

圖1 殘膜強(qiáng)度對土壤含水量、有機(jī)質(zhì)以及全氮含量的影響Fig. 1 Effects of residual plastic film on soil water content, organic matter and total nitrogen

不同處理間土壤 NH4+-N、NO3--N以及 Olsen-P含量存在顯著差異（P＜0.05），但三者隨殘膜強(qiáng)度增加的變化規(guī)律不同（圖2）。NH4+-N隨著殘膜強(qiáng)度的增加表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。T3處理的NH4+-N含量達(dá)到最大，為1.02 mg·kg-1，比CK（0.80 mg·kg-1）提高27.4%，達(dá)到顯著水平（P＜0.05），隨后，土壤NH4+-N含量降低，T4處理NH4+-N含量為0.82 mg·kg-1，顯著低于T2和T3處理（P＜0.05）。土壤NO3--N和Olsen-P含量隨殘膜強(qiáng)度變化趨勢基本相同，都表現(xiàn)出隨著土壤殘膜強(qiáng)度增加而顯著降低（P＜0.05），T1處理的NO3--N和Olsen-P含量最大，分別為6.8 mg·kg-1和44.0 mg·kg-1，比CK處理提高3.0%和7.8%，其中Olsen-P達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。T4處理的NO3--N和Olsen-P含量最低，僅為4.3 mg·kg-1和26.0 mg·kg-1，與CK處理相比，分別降低63.2%和36.3%。

2.2 殘膜對土壤微生物量和群落豐度的影響

殘膜強(qiáng)度對土壤微生物量碳（MBC）和土壤微生物量氮（MBN）含量的影響結(jié)果表明（圖3），隨著殘膜強(qiáng)度增加，MBC和MBN含量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。CK處理下，土壤MBC和MBN含量較低，分別為68.2 mg·kg-1和15.8 mg·kg-1。T1和T2處理的土壤MBC和MBN含量較高，其中T2處理的土壤MBC和MBN含量達(dá)到最大，分別為155.5 mg·kg-1和30.4 mg·kg-1，比CK處理增加128.0%和92.4%，存在顯著性差異（P＜0.05）。而T3和T4處理的MBC和MBN含量顯著降低（P＜0.05），其分布范圍分別為15.4—37.9 mg·kg-1和13.0—17.4 mg·kg-1。

圖2 殘膜量對土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及有效磷含量的影響Fig. 2 The effect of residual plastic film on soil ammonium, nitrate nitrogen and available phosphorus

圖3 殘膜量對土壤微生物量碳和微生物量氮含量的影響Fig. 3 The effect of residual plastic film on soil microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen

平均顏色變化率（average well color development，AWCD）表征了微生物群落碳源利用率，是反映土壤微生物活性、微生物群落生理功能多樣性的重要指標(biāo)。連續(xù)8 d每間隔24 h測得AWCD值如圖4所示，試驗(yàn)開始前2 d，各處理AWCD值較低，且無顯著性差異（P＞0.05），而在第2—6 d內(nèi)AWCD快速增加，各處理間差異逐漸明顯，培養(yǎng)后期（7—8 d），AWCD增速變慢，趨于穩(wěn)定。不同處理間 AWCD變化曲線不同，殘膜強(qiáng)度為 150 kg·hm-2時(shí)，相同培養(yǎng)時(shí)間下AWCD值最高，之后隨著殘膜強(qiáng)度的增加，AWCD顯著降低（P＜0.05）。例如，在培養(yǎng)時(shí)間為8 d時(shí)，各處理AWCD大小順序?yàn)門1＞CK＞T2＞T3＞T4，其中T1處理的AWCD值最高，為0.94，顯著高于其他處理（P＜0.05），T4處理的AWCD值最低，僅為0.74，比最高處理（T1）減少21.3%。

為進(jìn)一步確定殘膜強(qiáng)度對土壤微生物豐度的影響，本文計(jì)算了豐富度、Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)以及McIntosh指數(shù)。計(jì)算結(jié)果顯示（表3），T1處理的豐富度和McIntosh指數(shù)最高，與CK相比，分別增加3.7%和10.4%，其中后者達(dá)到顯著性差異水平（P＜0.05）。T2處理的Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)最高，分別為3.224和0.961，略高于CK，但無顯著性差異（P＞0.05）。而高殘膜量下（T3和T4）微生物豐富度、Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)以及McIntosh指數(shù)降低，與 CK相比，分別減少 5.6%—11.1%，0.6%—2.1%，0.2%—0.3%以及 7.7%—11.9%，除 T3處理 Shannon指數(shù)和 Simpson指數(shù)以及 T4處理Simpson指數(shù)外，其余均達(dá)到顯著性差異水平（P＜0.05）。

2.3 殘膜對土壤酶活性的影響

處理間不同種類酶活性均存在顯著性差異（P＜0.05）（表4），T2處理的木聚糖酶和幾丁質(zhì)酶活性較高，分別為847.4和1 317.8 nmol·g-1·h-1，是CK處理相應(yīng)酶活性（182.5和439.3 nmol·g-1·h-1）的4.6倍和3.0倍。T3處理的α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶以及纖維素酶活性顯著高于其他處理（P＜0.05），分別為553.8、171.2和1 352.0 nmol·g-1·h-1，與其他處理相比，分別提高 15.2%—175.1%、12.6%—74.3%以及70.8%—128.1%?？傮w而言，T2和T3處理5種酶活性普遍較高，而在低殘膜水平和高殘膜水平下，酶活性較低，該結(jié)果與MBC、MBN規(guī)律基本相同。

圖4 平均顏色變化率（AWCD）隨培養(yǎng)時(shí)間變化的曲線Fig. 4 AWCD changes with incubation progress

表3 農(nóng)田殘膜強(qiáng)度對土壤微生物AWCD和多樣性指數(shù)的影響(培養(yǎng)8天)Table 3 The effects of residual plastic film on AWCD, richness, dominance and eveness indices of soil microbial communities (8 days after incubating)

表4 不同殘膜強(qiáng)度處理下的土壤酶活性Table 4 Soil enzyme activities in different amounts of residual plastic film treatment (nmol·g-1·h-1)

3 討論

3.1 高殘膜強(qiáng)度降低土壤養(yǎng)分含量

土壤中殘膜的存在會(huì)阻礙表層土壤水分的下滲和上移，提高土壤含水量[8]。在甘肅干旱地區(qū)，年降雨量低于 130 mm，遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量，殘膜的存在能夠減少土壤表層水分蒸發(fā)，提高土壤含水量，有利于土壤保墑[16]。王志超等[7]通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)表明，殘膜阻礙土壤過水能力，使得其土壤含水量明顯高于無殘膜處理。雖然殘膜會(huì)提高土壤0—20 cm土層含水量，但由于其阻礙水分的下滲，導(dǎo)致土壤30—40 cm土壤含水量顯著低于0—20 cm，影響作物根系的下扎，不利于其對土壤水分和養(yǎng)分的吸收[9]。

連續(xù)5年的大田試驗(yàn)表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量和殘膜強(qiáng)度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05），殘膜強(qiáng)度為600 kg·hm-2時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)含量為18.4 g·kg-1，比空白處理低 13.1%，該研究結(jié)果與董合干等[17]關(guān)于殘膜強(qiáng)度500 kg·hm-2時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)含量與空白處理相比，降低 16.5%的研究結(jié)果相近。其主要原因?yàn)闅埬び绊懹衩赘档纳L，減少根系生物量，導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)輸入量降低，有研究表明，當(dāng)殘膜強(qiáng)度達(dá)到720 kg·hm-2時(shí)，與無殘膜處理相比玉米根系生物量降低 12.5%[18]。同時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)的腐質(zhì)化過程需要微生物參與，高殘膜強(qiáng)度土壤微生物量和酶活性較低，造成土壤有機(jī)質(zhì)含量降低。土壤總氮隨殘膜強(qiáng)度的變化規(guī)律與有機(jī)質(zhì)相似，主要因?yàn)橥寥乐械?9%以上來自于有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)含量降低會(huì)導(dǎo)致土壤全氮含量相應(yīng)的降低[19]。

不同處理間土壤NH4+-N、NO3--N和Olsen-P含量存在顯著差異（P＜0.05）。土壤NH4+-N含量表現(xiàn)出隨著殘膜強(qiáng)度增加先增加后降低的趨勢，殘膜強(qiáng)度為450 kg·hm-2的處理土壤 NH4+-N含量最高，達(dá)到 1.0 mg·kg-1，其原因可能為該殘膜強(qiáng)度下土壤含水量增加導(dǎo)致土壤相關(guān)酶活性較高，從而有利于氨化作用的進(jìn)行[20]。殘膜強(qiáng)度為600 kg·hm-2時(shí)，土壤NH4+-N、NO3--N和Olsen-P含量均顯著降低（P＜0.05）。高殘膜強(qiáng)度一方面會(huì)增加土壤容重，降低孔隙度，影響土壤的通氣性[21]，導(dǎo)致反硝化反應(yīng)增強(qiáng)，N2O和 N2的排放量增加；另一方面，由于土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，微生物可利用碳源減少，土壤微生物生長受到抑制，最終影響土壤有機(jī)氮的氨化速率和硝化速率[22-24]。

3.2 高殘膜強(qiáng)度降低土壤微生物量、微生物群落豐度和酶活性

農(nóng)田中殘膜強(qiáng)度顯著影響土壤微生物量碳、氮含量（P＜0.05）。殘膜強(qiáng)度≤300 kg·hm-2時(shí)，隨殘膜強(qiáng)度的增加，土壤微生物量碳、氮含量呈顯著增加趨勢。其原因主要為該階段土壤含水量增加有利于提高土壤微生物活性[25-26]，當(dāng)農(nóng)田中殘膜強(qiáng)度大于450 kg·hm-2時(shí)，土壤微生物量碳、氮含量呈顯著降低（P＜0.05），高殘膜強(qiáng)度下土壤有機(jī)質(zhì)含量降低是造成土壤微生物量碳、氮含量較低的重要原因[27]。焦曉光等[28]對不同有機(jī)質(zhì)含量土壤微生物量進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)含量越高，土壤微生物量就越大。此外，殘膜產(chǎn)生的鄰苯二甲酸酯類有機(jī)污染物，具有致畸、致癌和致突變特點(diǎn)，高殘膜強(qiáng)度下，土壤中有機(jī)污染物濃度較高，對土壤微生物產(chǎn)生毒害作用越大[29]。

Biolog Eco板測定計(jì)算的平均顏色變化率、土壤微生物豐富度、Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)以及McIntosh指數(shù)分別表征微生物群落碳源利用率、碳源利用總數(shù)、物種豐富度、優(yōu)勢種的優(yōu)勢度以及物種均勻度，能夠反映微生物群落代謝功能多樣性[12-13]。低殘膜強(qiáng)度下Eco板平均顏色變化率、土壤微生物豐富度、Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)以及McIntosh指數(shù)較高，說明其土壤微生物群落物種的數(shù)量、優(yōu)勢種的優(yōu)勢度以及各物種的均勻度等較高[30]。殘膜強(qiáng)度超過450 kg·hm-2時(shí)，土壤微生物群落代謝多樣性顯著降低（P＜0.05）。其原因與土壤微生量隨殘膜強(qiáng)度變化的原因相同。

土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的組分，在營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化和有機(jī)質(zhì)分解過程中起著非常重要的作用，其活性是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和生態(tài)健康的重要指標(biāo)[32]。土壤α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、纖維素酶、木聚糖酶以及幾丁質(zhì)酶主要參與有機(jī)質(zhì)分解過程，受土壤水分、有機(jī)質(zhì)、微生物活性等因素的影響[33]，隨著殘膜強(qiáng)度的增加，以上5種酶活性先增加后降低，殘膜強(qiáng)度為300—450 kg·hm-2時(shí)，酶活性普遍較高。當(dāng)殘膜強(qiáng)度超過450 kg·hm-2時(shí)，土壤酶活性有所降低。由此看出，土壤酶活性隨殘膜強(qiáng)度變化規(guī)律與土壤微生物量碳、氮以及土壤微生物群落豐度變化規(guī)律基本一致。主要因?yàn)橥寥烂钢饕獊碓从谕寥牢⑸锏幕顒?dòng)，土壤微生物量和微生物群落豐度均可影響土壤酶活性。李晨華等[34]研究表明，農(nóng)田土壤真核微生物、細(xì)菌、古菌等豐度與大多數(shù)土壤酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

綜上所述，農(nóng)田土壤中低量殘膜存在可適當(dāng)提高土壤微生物量、微生物群落豐度和酶活性，但高殘膜強(qiáng)度導(dǎo)致土壤土壤微生物量、微生物群落豐度和酶活性降低。

4 結(jié)論

低量殘膜存在下可通過保水作用提高土壤微生物活性，而當(dāng)殘膜量超過450 kg·hm-2時(shí)，土壤微生物量、微生物群落豐度和土壤酶活性顯著降低。同時(shí)，長期殘膜作用下會(huì)降低土壤SOM、TN、NH4+-N、NO3--N以及Olsen-P含量，引起土壤養(yǎng)分退化。因此，對于中國地膜殘膜污染較嚴(yán)重的地區(qū)，應(yīng)加大殘膜防治工作力度，降低殘膜引起的土壤退化風(fēng)險(xiǎn)。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Effect of Residual Plastic Film on Soil Nutrient Contents and Microbial Characteristics in the Farmland

ZHANG Dan1, LIU HongBin1, MA ZhongMing2, TANG WenXue3, WEI Tao3, YANG HuDe3, LI JunGai1, WANG HongYuan2
(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Ministry of Agriculture Key Laboratory of Nonpoint Source Pollution Control, Beijing 100081;2Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070;
3Institute of Soil, Fertilizer and Water-Saving Agriculture, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070)

【Objective】 The purpose of this study was to explore the effect of residual plastic film on soil fertility and soil microbial characteristics, clarify the risk threshold of residual plastic film in the field and promote effective control and management of residual plastic film pollution in China.【Method】Five residual plastic film gradients were designed in representative farmlands in Zhangye county of Gansu province from 2011 to 2015, including 0 (CK), 150 kg·hm-2(T1), 300 kg·hm-2(T2), 450 kg·hm-2(T3) and 600 kg·hm-2(T4). After crop harvesting in 2015, soil physical and chemical properties, microbial biomass carbon and nitrogen, enzyme activity and microbial abundance were monitored.【Result】The amount of residual plastic film had a great effect on soilwater content, organic matter (SOM), total nitrogen (TN), ammonium (NH4+-N), nitrate nitrogen(NO3--N) and available phosphorus (Olsen-P), in which the soil water content was significantly increased with increasing residual plastic film in field, however the SOM, TN, NO3--N and Olsen-P were declined, the NH4+-N was increased and then decreased with the increase of residual plastic film. In the lower residual plastic film treatment, the soil microbial biomass carbon (MBC) and microbial biomass nitrogen (MBN) were improved because of soil water content increased compared with CK, however, they were significantly reduced in the high residual plastic film treatments (T3 and T4) (P＜0.05). In addition, the soil microbial community abundance (AWCD, richness, Shannon, Simpson and McIntosh) of CK and T1 were significantly higher than that of T3 and T4 (P＜0.05). The variation trend between soil enzyme activity and residual plastic film was similar to MBC and MBN, and the activities of α-1,4-glucosidase (AG), β-1,4-glucosidase (BG), Cellobiohydrolase (CBH), β-1,4-xylosidase (BXYL) and β-1,4-N-acetyl-glucosaminidase (NAG) were high in the treatments of 300-450 kg·hm-2of residual plastic film, however, they were significantly decreased when the residual in the treatment with plastic film at 600 kg·hm-2.【Conclusion】In the treatment with lower residual plastic film, the soil microbial activity was improved though increasing soil water content, whereas the soil microbial biomass carbon, microbial biomass nitrogen, microbial community abundance and soil enzyme activity were significantly decreased if the residual plastic film higher than 450 kg·hm-2. Moreover, the soil organic matter, total nitrogen, ammonium nitrogen, nitrate nitrogen and Olsen-P all reduced with long-term effect of high residual plastic film, and caused soil fertility degradation. It was concluded that management of the residual plastic film should be strengthened in order to reduce the risk of soil degradation, especially in the regions with serious residual plastic film pollution.

residual plastic film; soil fertility; microbial biomass; microbial abundance; enzyme activity

2016-07-13；接受日期：2016-11-28

國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201003014）

聯(lián)系方式：張丹，E-mail：zhangdan0630@126.com。通信作者王洪媛，E-mail：wanghongyuan@caas.cn

+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）、有效磷（Olsen-P）的影響較大，隨著殘膜強(qiáng)度的增加，土壤含水量顯著增加（P＜0.05），而SOM、TN、NO3--N以及Olsen-P顯著降低（P＜0.05），NH4

+-N則表現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢。低殘膜強(qiáng)度下，土壤微生物量碳（MBC）和土壤微生物量氮（MBN）含量增加，但高殘膜強(qiáng)度（T3和T4）則會(huì)顯著降低土壤微生物量（MBC和MBN）及微生物群落豐度（吸光值平均變化率、豐富度、Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)以及McIntosh指數(shù)）（P＜0.05）。土壤酶活性隨殘膜強(qiáng)度的變化趨勢同微生物量碳氮含量基本一致，殘膜強(qiáng)度為300—450 kg·hm-2時(shí)，土壤中α-葡萄糖苷酶（AG）、β-葡萄糖苷酶（BG）、纖維素酶（CBH）、木聚糖酶（BXYL）以及幾丁質(zhì)酶（NAG）活性普遍較高，殘膜強(qiáng)度為600 kg·hm-2時(shí)土壤酶活性顯著降低（P＜0.05）?！窘Y(jié)論】農(nóng)田土壤中低量殘膜存在下可通過保水作用提高土壤微生物活性及其豐富度，而當(dāng)殘膜強(qiáng)度超過450 kg·hm-2時(shí)，土壤微生物量、微生物群落豐度和土壤酶活性顯著降低；同時(shí)，長期殘膜作用下會(huì)降低土壤SOM、TN、NH4+-N、NO3

--N以及Olsen-P含量，引起土壤養(yǎng)分退化。因此，對于中國地膜殘膜污染較嚴(yán)重的地區(qū)，應(yīng)加大殘膜防治工作力度，降低殘膜引起的土壤退化風(fēng)險(xiǎn)。