全 文 ：沼液与化肥配施对冬小麦根际土壤微生物
数量和酶活性的影响*
冯摇 伟摇 管摇 涛摇 王晓宇摇 朱云集摇 郭天财**
(河南农业大学国家小麦工程技术研究中心, 郑州 450002)
摘摇 要摇 研究了等氮量条件下沼液与化肥配施对冬小麦根际土壤微生物(细菌、真菌和放线
菌)数量及土壤酶(脲酶、蛋白酶和过氧化氢酶)活性的影响.结果表明: 随着生育期的推进,
不同施肥处理小麦根际土壤微生物数量和土壤脲酶、过氧化氢酶活性均呈先降后升的变化趋
势,而蛋白酶活性则呈“S冶形曲线变化. 沼液与化肥合理配施能显著增加根际土壤微生物数
量,提高土壤脲酶和蛋白酶活性,以基施 50%沼液氮基础上追施 50%化学氮处理和基施 25%
沼液氮基础上追施 75%化学氮处理较好,传统尿素处理和单一沼液处理效果均较差.土壤过
氧化氢酶活性以基施 25%沼液氮基础上追施 75%化学氮处理及单施沼液处理在所有测定时
期均表现最高,其他处理在各生育时期间差异很大.沼液与尿素配合施用可以提高小麦根际
土壤微生物数量和酶活性.
关键词摇 冬小麦摇 沼液摇 化肥摇 土壤微生物摇 根际酶活性
文章编号摇 1001-9332(2011)04-1007-06摇 中图分类号摇 S512. 1摇 文献标识码摇 A
Effects of combined application of biogas slurry and chemical fertilizer on winter wheat rhi鄄
zosphere soil microorganisms and enzyme activities. FENG Wei, GUAN Tao, WANG Xiao鄄yu,
ZHU Yun鄄ji, GUO Tian鄄cai (National Engineering Research Center for Wheat, He爷nan Agricultur鄄
al University, Zhengzhou 450002, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2011,22(2): 1007-1012.
Abstract: This paper studied the effects of combined application of biogas slurry and chemical fer鄄
tilizer under same N application rate on the quantities of bacteria, actinomycetes and fungi as well
as the activities of urease, protease and catalase in winter wheat rhizosphere soil. With the growth
of winter wheat, the quantities of test microorganisms and the activities of urease and catalase
showed a trend of increasing after an initial decrease, while the protease activity showed an S鄄type
change. Combined application of biogas slurry and chemical fertilizer increased the quantities of test
microorganisms significantly, and improved the activities of soil urease and protease. Applying 50%
biogas slurry N as basal plus 50% chemical N as topdressing and applying 25% biogas slurry N as
basal plus 75% chemical N as topdressing had the best effect, while applying single conventional
urea or biogas slurry had the worst effect. At all growth stages, the activity of soil catalase was the
highest in treatments 25% biogas slurry N as basal plus 75% chemical N as topdressing and single
biogas slurry, but had greater differences in other treatments among the growth stages. The results
suggested that proper biogas slurry application combined with chemical fertilization could increase
the microbial quantity and enzyme activities in winter wheat rhizosphere soil.
Key words: winter wheat; biogas slurry; chemical fertilizer; soil microorganism; rhizosphere en鄄
zyme activity.
*现代农业(小麦)产业技术体系(MATS)专项和国家自然科学基金
项目(30900867)资助.
**通讯作者. E鄄mail: tcguo888@ sina. com
2010鄄09鄄16 收稿,2011鄄01鄄24 接受.
摇 摇 面对现代农业导致的非再生资源严重耗竭与环
境污染问题,如何充分合理地利用自然资源,持续稳
定地发展农业生产,改善生态环境,已经成为人们研
究的重要课题.沼液是人畜粪便、农作物秸秆等各种
有机物经厌氧发酵后的液体残余物,含有丰富的腐
殖质等有机物质,对提高蔬菜和水果产量与品质具
有显著效果[1-2],在提高地温、增加传导性和增强肥
应 用 生 态 学 报摇 2011 年 4 月摇 第 22 卷摇 第 4 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Apr. 2011,22(4): 1007-1012
效等方面也具有积极作用[3-5] . 因此,早在 20 世纪
80 时代人们便开始了以沼肥替代化学肥料的试验
研究[6],但到目前为止,沼液作为肥料施用依然侧
重于经济作物,在大田粮食作物上的应用集中在浸
种和叶面喷施防病方面[7-8],将其作为肥料在大田
生产中应用的研究还很少. 土壤微生物数量和酶活
性是土壤生物学特性的组成部分. 它们参与土壤生
物化学过程,在土壤物质转化、能量代谢、污染物降
解及修复等方面起着重要作用[9-10],可敏感反应土
壤质量的变化,表征土壤中物质代谢的旺盛程度,作
为土壤质量评价的重要指标[11-12] .本试验在全生育
期等氮量控制条件下研究了沼液与化肥配施对冬小
麦根际土壤微生物数量和酶活性的影响,以期为小
麦经济施肥和农业废弃物资源化利用,改善土壤质
量,促进农业可持续发展提供理论依据与技术支撑.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验设计
试验地设于河南省温县赵堡镇,试验地土壤为
壤质潮土,前茬为玉米,秸秆掩底还田,0 ~ 20 cm 耕
层土壤基础养分为:有机质 11郾 6 g·kg-1、全氮 1郾 40
g· kg-1、碱解氮 104郾 9 mg · kg-1、速效磷 61郾 1
mg·kg-1、速效钾 80郾 1 mg·kg-1,pH 值为 7郾 54. 该
地土壤肥力高,灌溉条件好,1996 年温县率先成为
我国第一个小麦亩产千斤县,常年小麦产量在 7500
kg·hm-2以上.沼液取自农户正常使用的沼气池,发
酵原料主要是猪粪尿等,腐熟的沼肥必须为发酵 3
个月以上,细腻均匀、透明、无明显粪臭味.其养分含
量为:有机质 30郾 75 g·kg-1、全氮 0郾 84 g·kg-1、全
磷 0郾 16 g·kg-1、全钾 2郾 13 g·kg-1,pH值为 7郾 2.试
验采用随机区组设计,3 次重复,小区面积 3 m 伊
7 m.选用温麦 28 品种为供试材料,2008 年 10 月 13
日播种,基本苗每公顷 2郾 7伊106 株,三叶期定苗,在
小麦抽穗和灌浆期防治病虫害 3 次,田间管理按一
般高产麦田进行.
试验设置 6 个处理:玉:氮肥均为尿素,基肥和
追肥各占 50% ;域:沼液作基肥,沼液氮占总氮的
25% ,尿素作追肥,尿素氮占总氮的 75% ;芋:沼液
作基肥,沼液氮占总氮的 50% ,尿素作追肥,尿素氮
占总氮的 50% ;郁:尿素作基肥,尿素氮占总氮的
50% ,沼液作追肥,沼液氮占总氮的 50% ;吁:尿素
作基肥,尿素氮占总氮的 75% ,沼液作追肥,沼液氮
占总氮的 25% ;遇:氮肥均为沼液,基肥和追肥各占
50% .所有处理纯氮总量均为 270 kg·hm-2 .播种前
整地规划小区,于播种前 10 天沼液肥结合底墒水浇
灌,处理中用作基肥的尿素在浇底墒水前用铁锨翻
入.施用的磷肥为过磷酸钙、钾肥为氯化钾,耕地前
各小区施 150 kg·hm-2磷肥(P2O5)和 120 kg·hm-2
钾肥(K2O),保证所有处理磷钾能充分满足小麦需
求.在拔节期,结合灌水追施氮肥(沼液氮肥或尿素
氮肥),灌水前尿素均匀撒施,按小区面积和各处理
设计计算小区所施用沼液量,沼液用水稀释后均匀
泼洒行间,等地表稍干后灌水,底墒水和拔节水的灌
水定额为 750 m3·hm-2,凡浇有沼液的小区灌水量
扣除沼液所带入水分,保持所有小区灌水量一致.
1郾 2摇 测定项目与方法
1郾 2郾 1 样品的采集与处理摇 分别在 3 月 27 日(拔节
期)、4 月 21 日(孕穗期)、5 月 2 日(开花期)、5 月
13 日(灌浆前期)、5 月 20 日(灌浆中期)、5 月 30 日
(灌浆后期),在小麦行间距 10 cm 处用土钻取 0 ~
20 cm土层的带根土样,取小麦根系上所附着的土
样,捡除杂物,快速过筛,将土样分为 2 份,分别在 4
益和风干保存,分别用于测定根际微生物数量和土
壤酶活性.
1郾 2郾 2 根际微生物数量的测定摇 土壤细菌采用牛肉
膏蛋白胨培养基、放线菌采用高氏一号培养基、真菌
采用马丁氏培养基,细菌、放线菌、真菌计数采用稀
释平板法[13] .
1郾 2郾 3 土壤酶活性的测定摇 根际土壤脲酶活性测定
采用苯酚钠比色法[14],土样经甲苯和尿素溶液处
理,在恒温箱静止,滤液与苯酚钠反应比色. 蛋白酶
活性测定采用茚三酮比色法[14],样品经甲苯和酪素
溶液处理,在恒温箱培养,滤液与茚三酮反应比色.
过氧化氢酶活性测定采用高锰酸钾滴定法[13],土样
经蒸馏水溶解稀释,与过氧化氢混合振荡,高锰酸钾
滴定酶促反应后剩余的过氧化氢量.
1郾 3摇 数据处理
采用 SPSS 10郾 0 和 Excel 2003 软件进行数据处
理和做图,差异显著分析采用 LSD多重比较法.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 沼液与化肥配施对冬小麦根际土壤微生物数
量的影响
2郾 1郾 1 对细菌数量的影响 摇 由图 1 可以看出,小麦
根际细菌数量随小麦生育期的推进呈规律性变化,
从拔节期到灌浆前期不断降低,于灌浆前期(5 月
13 日)达到谷值,之后又逐渐升高.不同施肥处理间
根际细菌数量不同.拔节期至孕穗期以处理芋的细
8001 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
图 1摇 沼液与化肥配施对冬小麦根际细菌、放线菌和真菌数
量的影响
Fig. 1 摇 Effects of combined application of biogas slurry and
chemical fertilizer on the amounts of bacterium, actinomycete
and fungi in rhizosphere soil of winter wheat.
玉:100%尿素(基肥和追肥各占 50% ) 100% urea, 50% basal appli鄄
cation and 50% topdressing;域:25%沼液氮(基施) +75%尿素氮(追
肥) 25% biogas slurry N as basal fertilizer and 75% chemical N as top鄄
dressing fertilizer;芋:50%沼液氮(基施) +50%尿素氮(追肥) 50%
biogas slurry N as basal fertilizer and 50% chemical N as topdressing fer鄄
tilizer;遇:50%尿素氮(基施) +50%沼液氮(追肥) 50% chemical N
as basal fertilizer and 50% biogas slurry N as topdressing fertilizer;吁:
75%尿素氮(基施)+25%沼液氮(追肥) 75% chemical N as basal fer鄄
tilizer and 25% biogas slurry N as topdressing fertilizer;遇:100%沼液
(基肥和追肥各占 50% ) 100% biogas slurry, 50% basal application
and 50% topdressing.下同 The same below.
菌数量最多,其次为处理域,全施尿素的处理玉最
低,较处理芋降低 40%以上(P<0郾 05). 开花期后,
处理域的细菌数量一直维持最高水平,其次为处理
芋和郁,处理吁和全施沼液的处理遇细菌数量最低,
两处理较处理域平均降低 38%左右. 可见,处理域
对促进小麦拔节后根际细菌繁殖具有显著作用,而
单一施用沼液不利于土壤细菌增殖,从孕穗期起,处
理域较单一施用沼液处理细菌数量平均增加
59郾 4% ,在开花至灌浆期差异达显著水平,根际细菌
数量的增加可加速有机质的有效分解,满足小麦生
育后期快速生长的营养需求.
2郾 1郾 2 对放线菌数量的影响摇 不同处理的小麦根际
放线菌数量在拔节期至灌浆前期变化较小,在灌浆
中后期增长迅速(图 1). 处理域除在拔节期根际放
线菌数量较低外,在孕穗期后一直保持最高水平,处
理芋的放线菌数量也具有很高水平(孕穗期除外),
处理玉在测定的所有时期放线菌数量均表现较低,
单施沼液处理在拔节至孕穗期放线菌数量具有明显
优势,但在开花期后处于较低水平. 从孕穗期后,处
理域较全施尿素处理根际放线菌数量平均增加
132% ,差异显著,而较处理芋平均提高 23郾 5% ,只
在孕穗期差异达显著水平,表明基施少量沼液后在
拔节期追施化肥有利于改善土壤环境,增加小麦根
际放线菌数量,促进营养物质的转化,满足小麦正常
发育对养分的需求.
2郾 1郾 3 对真菌数量的影响摇 小麦根际真菌数量随着
生育进程的推进呈现先降后升的变化趋势,在孕穗
至开花期达最低值,之后又逐渐升高(图 1).不同处
理根际真菌数量与生育期关系密切,在拔节至孕穗
期,处理芋的真菌数量最多,在开花期后则一直以处
理域表现最高.单施沼液处理在拔节至孕穗期放线
菌数量较多,但自开花期后处于较低水平;处理玉与
之相反,在拔节至孕穗期放线菌数量最低,开花期后
却具有明显优势.在拔节至孕穗期,处理芋根际真菌
数量较全施尿素处理平均增加 213% ,差异显著,开
花期后,处理域较单施沼液处理平均增加 142% ,差
异显著,表明适量基施沼液在冬小麦生育中后期能
够稳定活化根际环境,促进真菌繁殖,有利于根系代
谢和营养吸收.
2郾 2摇 沼液与化肥配施对冬小麦根际土壤酶活性的
影响
2郾 2郾 1 对脲酶活性的影响摇 脲酶参与土壤氮素的分
解转化,催化尿素水解生成 NH3 和 CO2,为植物和
微生物生长提供氮源.由图 2 可知,根际土壤脲酶活
性随着小麦生育进程推进呈先降后升的变化趋势,
除处理芋在孕穗期达最低值外,其他处理均在开花
期达谷值.不同沼液与化肥配施处理对土壤脲酶活
性均产生不同影响,处理芋除在开花期根际脲酶活
性表现较低外,其他测定时期均表现最高.处理域在
拔节至孕穗期脲酶活性较低,但自开花期后脲酶活
性升高.处理玉脲酶活性在所有测定时期均最低.沼
90014 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 冯摇 伟等: 沼液与化肥配施对冬小麦根际土壤微生物数量和酶活性的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
图 2摇 沼液与化肥配施对冬小麦根际土壤脲酶、蛋白酶和过
氧化氢酶活性的影响
Fig. 2 摇 Effects of combined application of biogas slurry and
chemical fertilizer on urease, protease and catalase activities in
rhizosphere soil of winter wheat.
液基施和尿素追施的处理域和芋根际脲酶活性自拔
节期较全施尿素处理分别增加 33郾 0%和 41郾 1% ,处
理域与全施尿素处理间自开花期后差异均显著,处
理芋与全施尿素处理间除开花期外差异均显著. 表
明总氮相等的条件下沼液氮和化肥氮合理搭配,有
助于改善土壤环境,提高根际脲酶活性,促进尿素转
化和植株营养吸收.
2郾 2郾 2 对蛋白酶活性的影响摇 蛋白酶能促进蛋白质
水解生成肽和氨基酸,促进土壤中氮素的转化,使蛋
白质等含氮化合物水解为氨,供植物吸收利用.在小
麦不同生育时期,根际土壤蛋白酶活性呈倒“S冶型
变化趋势,在开花期前后达较大值(图 2).全施尿素
处理在拔节至孕穗期土壤蛋白酶活性最高,但自开
花期不再具有优势,尤其在灌浆中后期处于最低值.
处理遇在拔节至灌浆前期根际土壤蛋白酶活性一直
表现最低.总体上,在测定的 6 个时期,沼液基施和
尿素追施的处理域和芋根际土壤蛋白酶活性较其他
处理具有相对较高的优势,在开花期后蛋白酶活性
最高.处理域较单施沼液处理根际土壤蛋白酶活性
在拔节期至成熟期平均增加 67郾 6% ,除灌浆后期
外,其他时期两处理间差异均显著,而处理域较全施
尿素处理土壤蛋白酶活性在拔节孕穗期降低,但在
开花至灌浆后期增加,平均增加幅度为 31郾 9% ,灌
浆中后期差异显著.可见,沼液基施和尿素追施配合
处理显著增加了根际土壤蛋白酶活性,有利于土壤
多源氮素的有效转化.
2郾 2郾 3 对过氧化氢酶活性的影响摇 土壤过氧化氢酶
能够促进过氧化氢的分解,避免过氧化物在生物体
内过量积累对机体造成的伤害.由图 2 可知,在小麦
生育期内,根际土壤过氧化氢酶活性呈先降低后升
高的变化趋势,开花期较低. 与其他土壤酶活性相
比,过氧化氢酶活性在不同生育时期间的变化幅度
相对较小,变化范围为 2郾 35 ~ 2郾 98 ml·g-1 .处理域
以及处理遇在所有测定时期过氧化氢酶活性均表现
最高,其他处理在不同时期表现不同.全施尿素处理
在拔节至开花期过氧化氢酶活性最低,处理芋在开
花期前过氧化氢酶活性相对较高,但在灌浆期表现
最低.处理域和单施沼液处理在拔节、孕穗和开花期
分别比全施尿素处理平均增加 12郾 3% 、19郾 1% 和
18郾 0% ,差异均达显著水平,但在开花期后,处理域
和遇的过氧化氢酶活性增加幅度减小,与全施尿素
处理间差异不显著.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 沼液与化肥配施对土壤细菌、真菌及放线菌数
量的影响
根际土壤微生物对植物生长及营养元素流动起
重要作用.土壤微生物数量是反映土壤生物活性的
重要指标,土壤微生物多样性受植物类型、土壤质地
与土壤管理措施等的影响[15] . 已有研究表明,不同
作物根际有其特定的微生物群落;同一作物在不同
生育时期和营养状态下,其根际微生物数量也呈现
特定的动态变化[16] .本试验中,等氮量条件下,沼液
与化肥不同配比及施肥时期对小麦根际微生物数量
均产生重要影响,微生物细菌和放线菌数量在拔节
期较多,到灌浆初期有所下降,而真菌在开花期处于
谷值,灌浆中后期又有所回升.在拔节至孕穗期土壤
微生物数量增多,有利于促进植株营养生长,在灌浆
0101 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷
中后期,植株生理功能逐渐衰退,土壤微生物数量增
加有利于维持根系活力,减缓衰老进程,增强水肥吸
收,促进籽粒灌浆. 在开花期和灌浆初期,微生物数
量有所降低,这可能是由于植株对养分需求增多,大
量养分流向籽粒,从而造成根际养分相对亏缺,微生
物总量受营养限制而降低.前人研究表明,施用有机
肥或有机无机肥配合施用提高了土壤细菌、真菌和
放线菌数量[17];也有研究表明,有机无机肥配合施
用增加了土壤细菌数量,但减少了真菌数量[18] . 马
冬云等[19]和王曙光等[20]研究指出,增施氮肥促进
了土壤微生物繁殖,但肥料用量存在最大临界范围,
超出此范围尤其不利于细菌生长,并通过改变养分
的有效性而直接影响其他微生物群落.可见,有关肥
料施用对土壤微生物数量影响的研究结论不尽一
致,这可能是由于生产水平、土壤条件、品种与生育
时期等差异造成的.本试验条件下,基施沼液肥和拔
节期追施尿素配合处理,特别是基施 25%沼液氮肥
+追施 75%化学氮肥在整个生育期对微生物总生物
量的促进作用比较显著,表明基施沼液增加了土壤
中微生物可利用营养元素,改善根际环境,促进小麦
根系发展.拔节期追施化学氮肥可提供丰富的氮源,
刺激土壤微生物的生长,在拔节期之后,由于土壤形
成稳定的微生态系统,理化特性好,供肥稳定,从而
使根量迅速增加,根系分泌物增多,强大的根系系统
反过来又促进微生物的繁衍,进而加速土壤有机物
矿化.全施沼液处理的微生物总量相对较低,可能由
于土壤碳氮比例失调,不利于微生物繁殖,同时,全
程浇灌沼液的小麦生育后期营养生长旺盛、田间阴
蔽、通风透光能力差,沼液处理还改变了堆肥养分的
释放和土壤可溶性有机质含量,从而影响根际微生
物的总量.因此,微生物的数量与作物生长状况及土
壤肥力关系密切,可以作为判断小麦生理机能和土
壤肥力的一个参考指标.
3郾 2摇 沼液与化肥配施对土壤脲酶、蛋白酶及过氧化
氢酶活性的影响
土壤酶参与土壤的许多生物化学过程和物质循
环,包括腐殖质及各种有机化合物的分解与合成、土
壤养分的固定与释放以及各种氧化还原反应,直接
参与了土壤营养元素的有效化过程,可以客观地反
映土壤肥力状况. 研究表明,蛋白酶、脲酶是催化有
机态氮转化为无机态的酶类. 它们对土壤含氮化合
物具有活化作用,同时,脲酶与尿素水解密切相关,
其活性高低对提高氮肥利用率具有重要意义[21] .过
氧化氢酶能促进过氧化氢分解为水和氧,与土壤微
生物关系密切,过氧化氢酶的活性增强,有利于解除
过氧化氢对植株的毒害作用,提高土壤肥力[22] . 本
研究表明,不同生育期土壤酶活性动态差异明显,脲
酶和过氧化氢酶活性呈先降低后升高的趋势,而蛋
白酶活性则呈逐渐递增趋势. 过氧化氢酶活性在开
花期有所降低,但总体变化不明显,这与相关研究结
论一致[19,23-24] . 研究表明,作物残体还田可通过改
善土壤水热状况影响微生物区系和土壤酶活性[25];
增施有机物料和化学肥料有利于调节土壤碳氮比,
改善土壤理化性质,提高土壤酶活性和平衡土壤微
生物区系[26] . 本试验条件下,基施 25%沼液氮肥+
追施 75% 化学氮肥和基施 50% 沼液氮肥 +追施
50%化学氮肥处理提高了土壤脲酶和蛋白酶活性,
表明基施适量沼液对土壤酶活性具有激活作
用[27-28] .基施 25%沼液氮肥+追施 75%化学氮肥处
理以及单施沼液处理过氧化氢酶活性表现最高,单
施沼液的这种酶促正效应与其对脲酶和蛋白酶的负
效应存在显著差异. 这可能是由于沼液中含有丰富
的离子及活性物质,刺激了过氧化氢酶活性,加速了
土壤库有毒物质的分解,但全施沼液处理不利于土
壤脲酶和蛋白酶活性的提高,土壤氮素转化能力
降低.
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作者简介摇 冯摇 伟,男,1976 年生,博士.主要从事小麦生理
生态研究,发表论文 40 余篇. E鄄mail: fengwei78@ 126. com
责任编辑摇 张凤丽
2101 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 22 卷