氧化劑對潛育性稻田土壤微生物生物量及有效養分的影響

周金玲　鄭小東　田應兵

摘要：以湖南瀏陽典型潛育性稻田土壤為研究對象，選取粉末、造粒CaO2為氧化劑，設置3種不同氧梯度，同時以與氧化劑同等含鈣量的CaO2為對照，模擬大田環境進行培養試驗，于培養后5、10、30、60、100 d采樣，分析氧化劑對潛育性稻田土壤微生物生物量氮、磷及銨態氮、硝態氮、Oslen磷含量的影響。結果表明，與粉末CaO2相比，造粒CaO2處理土壤微生物生物量的高峰期延后，且在培養后期造粒CaO2處理土壤微生物生物量氮、磷含量明顯高于粉末CaO2處理，其中高濃度處理最為明顯。高濃度氧水平下，造粒CaO2比粉末CaO2更能促進潛育性稻田土壤銨態氮、硝態氮及Oslen磷的釋放。可見，粉末CaO2前期放氧速率較快，對潛育性稻田土壤微生物生物量及速效養分有一定的促進作用，造粒CaO2因其特殊工藝制造，有效地緩解了氧化劑放氧速度快這一缺陷，并在培養后期仍能有效釋氧。造粒CaO2對潛育性稻田土壤在促進微生物生長及有效養分釋放方面具有較好的應用潛力。

關鍵詞：潛育性稻田土壤；過氧化鈣；微生物生物量；有效養分

中圖分類號： S154.3；S158文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）14-0227-04

潛育性稻田土壤由于長期淹水，常年地處低洼、排水不良造成還原物質積累，雖然本身有機質和全量養分含量高，但可被利用的養分含量低，土壤有機質周轉較慢，有效養分供應不足[1-2]。微生物是土壤有機質周轉的重要參與者，而長期淹水使潛育性稻田土壤透氣性差，缺少氧氣，致使土壤微生物代謝活性較低[3-4]，這很可能是導致潛育土壤有機質周轉慢且還原性有機物質積累的關鍵環境因子。

通過農藝及工程措施提高土壤微生物生物量及活性，對于加快潛育性稻田土壤有機質周轉具有一定的作用。前人對潛育性稻田土壤的改良做過很多研究，包括壟作、濕潤灌溉、冬季曬垡、合理施肥等[5-6]，這些措施對潛育性稻田土壤均有一定的改良效果，但仍存在較大局限性，人力物力耗費大，且不能從根本上解決潛育性稻田土壤因處于特殊地勢長期淹水而形成的有機質周轉慢、還原物質過度累積的狀況。過氧化物具有釋放氧的特性，有研究表明，過氧化物（過氧化鈣、過氧化鎂等）可以增加土壤溶氧量，提高微生物活性，對于潛育性稻田改良具有較好的效果，但釋氧較快，持續效果短暫[7]。董春華等研究表明，以粉末CaO2為基質制成緩釋氧化劑，很大程度上延長了CaO2釋氧時間[8]。由此可見，延長過氧化物釋放氧的時間，成為調控潛育性稻田有機質周轉的一個關鍵點。

通過適當的工藝流程對CaO2進行造粒，并以環境友好型惰性材料將其包膜，所得到的造粒CaO2能否減緩其氧氣釋放、增加過氧化物可持續供氧能力、改善潛育性稻田土壤環境、促進養分釋放還有待進一步研究。因此，本試驗擬通過培養粉末和造粒CaO2，研究其對潛育性稻田土壤微生物生物量及養分釋放的影響，旨在為潛育性稻田改良及合理施肥提供參考。

1材料與方法

1.1供試材料

供試土壤于2016年4月26日采自湖南省瀏陽市（113°19′00.9″E，27°58′07.1″N）典型潛育性稻田。該地區屬于亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫16.7～17.6 ℃，年平均降水量1 552 mm。采樣田塊為發育于板頁巖的潛育性稻田，耕層潛育明顯，土壤呈青灰色。采集土壤表層0～20 cm，剔除植物根系和石塊等，取1 kg左右過2 mm篩，用于土壤理化性質分析；其余土壤淹水2 cm（保持還原性）備用。

供試土壤的基本理化性質為：pH值4.69，有機質含量 22.56 g/kg，全氮含量1.15 g/kg，Oslen磷含量3.61 mg/kg，交換性鉀含量31.81 mg/kg，還原物質總量21.67 cmol/kg，Fe2+含量0.61 cmol/kg，Mn2+含量76.63 mg/kg。

1.2試驗設計

試驗選取2種氧化劑[粉末CaO2（含75% CaO2）和造粒CaO2（含31.8% CaO2）]，設置3種濃度（含氧量分別為 0.002、0.022、0.222 g），并設置與氧化劑中相同含鈣量的氧化鈣（含95% CaO）及不添加任何物質的土壤作為對照（CK），總共10個處理。

稱取200 g（干土計）的土壤于高20 cm、直徑7 cm的PVC管中，加去離子水至淹水2 cm，預培養7 d，按以上試驗處理中的設置，添加不同量氧化劑于PVC管中，玻璃棒攪勻，并用注射器加入一定量去離子水洗凈殘余土壤于管內，使之淹水3 cm，將PVC管置于長2.5 m/寬0.8 m的培養槽中。培養槽內填充一定量的土壤并淹水，使之與PVC管內土壤、淹水高度一致，將培養槽置于室外，敞口培養（本試驗于2016年6月1日開始培養）。于培養的第5、第10、第30、第60、第100天（即2016年6月5日、2016年6月10日、2016年6月30日、2016年7月30日、2016年9月8日）采用破壞性取樣（培養過程中及時補充蒸發的水分），每次取樣每個處理重復4次。保持樣品的新鮮狀態，并于中國科學院亞熱帶農業生態研究所亞熱帶農業生態過程重點實驗室內盡快測定微生物生物量及銨態氮、硝態氮含量，取部分土壤風干備用，另一部分土壤于4 ℃保存。

1.3測定方法

理化性質土壤pH值用pH計（梅特勒F20）測定，以水為浸提劑，水土質量比為2.5 ∶[KG-*3]1，土壤有機質含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定，土壤全氮含量采用半微量開氏法測定，Oslen磷含量用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定，交換性鉀含量用1 mol/L NH4OAc浸提-原子吸收法測定[9]。還原物質總量采用硫酸鋁浸提-重鉻酸鉀氧化法測定，Fe2+含量采用硫酸鋁浸提-鄰菲羅啉比色法測定，Mn2+含量采用硫酸鋁浸提-高碘酸鉀比色法測定[10]。endprint

微生物生物量磷用三氧甲烷熏蒸-0.5 mol/L NaHCO3提取-鉬銻抗比色法測定；微生物生物量氮用三氧甲烷熏 蒸-0.5 mol/L K2SO4提取-流動注射氮分析儀法測定[11-13]。

硝態氮、銨態氮含量采用0.5 mol/L K2SO4浸提鮮土樣，濾液用流動注射分析儀AA3（德國SEAL）測定[14]。

1.4數據處理

所有數據均采用Excel 2003進行處理，統計分析用SPSS 11.0軟件進行，圖用Origin 8.5作圖軟件完成。

[BT1#]2結果與分析

2.1氧化劑對微生物生物量氮含量的影響

2.1.1對微生物生物量氮的影響

圖1為不同濃度氧化劑下潛育性稻田土壤微生物生物量氮的濃度變化。第5天時，低濃度粉末CaO2和造粒CaO2相差較小（圖1-A），而中、高濃度粉末CaO2處理微生物生物量氮高于造粒CaO2處理（圖1-B、圖1-C）。3種氧水平下，粉末CaO2在第10天時微生物生物量氮達到高峰，顯著高于造粒CaO2處理，隨后快速下降接近平穩。而造粒CaO2前期微生物生物量氮呈上升趨勢，在第60天時達到高峰，顯著高于粉末CaO2處理，隨后有所下降，但仍高于粉末CaO2處理。

2.1.2氧化劑對銨態氮含量的影響

由圖2可以看出，低、中濃度2種氧化劑處理的土壤銨態氮含量趨勢一致（圖2-A、圖2-B）。從第5天至第30天，各處理銨態氮含量呈下降趨勢，第60天明顯增加，之后又呈下降趨勢。在第5天時，3種濃度氧水平下粉末CaO2處理的銨態氮含量高于其他處理。第100天時，低、中濃度造粒CaO2處理土壤銨態氮含量高于粉末CaO2處理；而高濃度氧水平下，從第10天到第100天造粒CaO2土壤銨態氮含量始終高于粉末CaO2處理（圖2-C）。

2.1.3氧化劑對硝態氮含量的影響

與銨態氮含量相比，不同氧化劑處理對潛育性稻田土壤硝態氮含量的影響截然不同（圖3）。在第5天時，低濃度粉末CaO2處理土壤硝態氮含量略高于造粒CaO2處理（圖3-A），但其他所有處理均表現為造粒CaO2處理土壤硝態氮含量高于粉末CaO2處理。

2.2氧化劑對微生物生物量磷及Oslen磷含量的影響

2.2.1氧化劑對微生物生物量磷含量的影響

圖4為不同濃度氧化劑水平下潛育性稻田土壤微生物生物量磷濃度變化。低、中、高粉末CaO2處理的土壤微生物生物量磷分別于第30、第10、第10天達到高峰，而造粒CaO2處理分別于第60、第10、第30天達到高峰。粉末CaO2前期釋氧效果較造粒CaO2好；3種不同氧化劑濃度下，土壤微生物生物量分別于第60、第10、第5天，表現為造粒CaO2處理的土壤微生物生物量磷明顯高于粉末CaO2處理。由此可以看出，造粒CaO2處理對微生物生物量磷含量的促進作用在后期比較明顯。

2.2.2氧化劑對Oslen磷含量的影響

低、中濃度氧化劑水平下，第5天到第60天粉末CaO2處理和造粒CaO2處理的土壤Oslen磷含量差異不顯著，而在第100天時，造粒CaO2處理的Oslen磷含量顯著大于粉末CaO2處理（圖5-A、圖5-B）。高濃度氧化劑水平下（圖5-C）各處理Oslen磷含量差異明顯，在第5天、第10天時，粉末CaO2處理的土壤Oslen磷含量大于造粒CaO2處理，且在第10天達到顯著水平。而在第 30天 之后，造粒CaO2處理的土壤Oslen磷含量大于粉末CaO2處理，其中在第100天時兩者差異達到最大。說明粉末CaO2前期釋氧效果較好，而造粒CaO2釋氧量較粉末CaO2滯后。

3討論

潛育性稻田土壤長期處于漬、冷、爛、閉的環境中，還原物質含量過高，盡管有機和無機養分總量充足，但微生物活性低，周轉慢，導致水稻產量低[15-16]。CaO2呈堿性，施入到土壤中與水結合生成氧氣及堿性物質，可有效減少還原物質累積[7，17]。此外，CaO2能夠有效改善酸性土壤pH值，優化土壤環境[18]。因此，CaO2對于潛育性稻田土壤的改良具有一定的意義。但有研究表明，CaO2釋氧速率較快，不足以維持水稻整個生長周期所需，且對促進土壤微生物活性及無機養分的釋放具有一定的局限性[19]，周彥波等研究表明，粉末CaO2釋氧在第7天到達高峰，隨后呈快速下降趨勢；而緩釋氧化劑在第14天之后達到高峰，隨后較長時間釋氧水平一直維持該速率[20]。由此可見，不同形態CaO2釋氧特征截然不同，這可能是導致后續微生物過程及土壤養分釋放的關鍵驅動因子。

本研究結果顯示，2種氧化劑對潛育性稻田土壤環境都有一定的改善作用。與粉末CaO2相比，經過工藝混合處理的造粒CaO2，對微生物生長和養分釋放的促進作用更持久。對于潛育性稻田土壤微生物的生長及活性都依賴于氧的供應量及持續性[21-22]。粉末CaO2可以迅速提高土壤溶氧量，使得微生物生物量快速增加，但隨后因缺乏持續供氧導致微生物活性回復到原來的較低水平，極大地限制了微生物將潛育性稻田土壤有機質轉化為作物生長所必需的有效養分的能力。本試驗所用的造粒CaO2選取惰性材料，與CaO2混合，制備后性質較為穩定，施入土壤中釋氧速率穩定而持久，微生物生長及活性較高，有效地促進了潛育性稻田土壤有機物質周轉和養分釋放。相對于土壤碳、氮、磷來講，微生物生物量碳、氮、磷屬于一種活性養分庫，其群落死亡后釋放出來的養分是土壤有效養分的主要來源之一[23-24]。

各氧化劑對潛育性稻田土壤速效養分均有促進作用。在高濃度氧水平下，相比于粉末CaO2，造粒CaO2更能促進潛育性稻田土壤銨態氮、硝態氮及Oslen磷的釋放。這說明造粒CaO2對潛育性稻田土壤在促進微生物活性及養分釋放方面具有較好的應用潛力。在培養前期粉末CaO2對微生物生物量氮、磷的影響效果優于造粒CaO2，中后期以及高濃度造粒CaO2的影響效果優于粉末CaO2，表明通過工藝造粒的CaO2能有效緩解CaO2因快速釋氧造成后期不能滿足土壤微生物活動需氧的缺陷。針對這一現象，于實際應用中，若單獨施用粉末CaO2，則應在作物生長中后期適當補充養分；若單施造粒CaO2，則應在作物生長前期適當補充養分，以達到作物生長需要。endprint

高濃度氧化劑極大地促進了潛育性稻田土壤微生物的活性。高濃度CaO2對土壤微生物生物量的促進作用優于低、中濃度CaO2氧化劑，進一步說明氧氣是潛育性稻田土壤微生物量的主要影響因子。低、中濃度氧化劑土壤Oslen磷含量的變化并不明顯，高濃度氧化劑顯著促進了土壤Oslen磷的含量。說明低、中濃度氧化劑釋放出的氧極大地促進了土壤中微生物的活性，土壤中釋放出的Oslen磷并不能滿足土壤微生物活動所需，以致于不能提高土壤本身Oslen磷的含量。而高濃度氧化劑相對于低、中濃度氧化劑水平下，氧較為充足，大大提高了潛育性稻田土壤中Oslen磷的含量。在實際應用中可適當提高氧化劑的施用量，以促進速效養分的釋放。

本研究模擬大田試驗在自然環境中進行，培養時間為100 d，跟水稻的生長周期相一致，結果具有較高參考價值。結果表明，在處理第30天至第100天，造粒CaO2對微生物量及養分的促進作用明顯優于CaO2，對于潛育性稻田水稻生長具有較好的促進作用。可見在潛育性稻田改良中，“以氧促微生物，進而改田”是一種較好的方法。本研究所用的高濃度是相對低、中濃度來設計的，未來可進一步研究促進微生物生長及養分釋放的最佳閥值范圍。

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