全 文 :第 26卷第 3期
2006年 3月
生 态 学 报
ACTA EC0L0GICA SINICA
Vo1.26.No.3
Mar.,2006
不同的土壤培肥措施对低肥力农田
土壤微生物生物量碳的影响
胡 诚,曹志平 ,叶钟年,吴文良
(中国农业大学资源与环境学院生态系,北京 100094)
摘要:为了研究华北农田生态系统化肥、秸秆还田和有机肥等培肥措施对土壤微生物生物量碳的影响,在山东省桓台县冬小麦
套种夏玉米种植模式下的低肥力生产系统中设置了田间试验。田间试验设 7个处理,依序为:①全还 +化肥(小麦秸杆 +玉米
秸杆还田+600kgN/(hrn2·a)),②全还+化肥 +有机肥(小麦秸杆 +玉米秸杆还田 +有机肥),③麦还 +化肥(小麦秸杆还 田+
600kgN/(hm2·a)),④麦还 +化肥 +有机肥(小麦秸杆还田+600kgN/(hm2·a)+有机肥),⑤化肥(600kgN/(hrn2·a))。⑥麦还双倍 +
化肥(加倍小麦秸杆还田+600kgN/(hm2·a)),⑦不施肥(对照)。1998年4月至 1998年 11月田间取样测定了土壤的微生物生物
量碳。试验结果显示:在整个试验阶段提高施肥水平微生物生物量碳都明显增加。单施化肥可以增加土壤的微生物生物量碳,
有机物配合施用化肥作用更加明显。不同秸秆还田方式(全还 、双倍麦还和麦还)对微生物生物量碳影响的季节变化较大。有
机肥对提高土壤微生物生物量碳的作用是很明显的。从微生物生物量碳的全年平均值来看 ,全还 +化肥 +有机肥处理 >麦还
+化肥+有机肥处理 >全还 +化肥处理>双倍麦还 +化肥处理 >麦还 +化肥处理 >化肥处理 >对照。因此,低肥力的农 田生
态系统中最好的培肥措施是化肥配施有机物。
关键词:农田土壤;培肥措施;微生物生物量碳
文章编号:1000.0933(2006)03.0808.07 中圈分类号:S153 文献标识码:A
Impact of soil fertility maintaining practice on soil microbial biomass carbon in low
production agro-ecosystem in northern China
HU Cheng,CAO Zhi—Ping ,YE Zhong—Nian,WU Wen—Liang (Department ofEcology。Colege ofResources andEnvironmental Science,
ChinaAgricultural University,Beijing 100094,Chlna).ActaEcologica Sinica,7,006,26(3):808—814.
Abstract:The experiment was carried out on cultivation paterns of winter wheat and summer corn in Huantai County,Shandong
Province,China.Th e purpose of the study was to understand how soil fertility maintaining practices,such as chemical fertilizer
application,the use of organic manure and the return of crop straw to the field affected soil microbial biomass carbon(MBC)
dynamics in a low production agro—ecosystem of northern China.Seven treatments of fertility maintaining practices in the field were
carried out(where the symbol“+”means combination application):①wheat straw+COrn straw+chemical fertilizer,②wheat
straw+COrn straw+chemical fertilizer+organic manure,③wheat straw+chemical fertilizer,④wheat straw+chemical fertilizer
+organic manure,⑤chemical fertilizer,⑥double wheat straw+chemical fertilizer,⑦control randomly designed and applied in
the experimental plots.The content of soil MBC was measured in laboratory for diferent crop growth stages.The experimental
results showed that:manure application enhanced the content of MBC throughout the experimental stage;a single chemical
fertilizer application could elevate the content of MBC,but chemical fertilizer cooperating organic material could more increase the
基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(39630070)
收稿 Et期:2005.08.04;修订Et期:2006.01.20
作者简介:胡 诚(1972一),男。湖北安陆人,博士生,主要从事土壤生态学研究.E-mail:hucheng@w bmall,hzau.cn
*通讯作者Au~or for corespondence.E.mail:zhipingc@cau.edu.cn
Foundation item:The pmject wa8 surpported by National Natural Science Key Project Foundation(N0.39630070)
Received da te:2005-08-01;Accepted da te:2006 01 20
Biography:HU Cheng,Ph.D.candidate,mainly engaged in soil ecology,E-mail:hucherig@webm日il
, h%u.cn
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3期 胡诚 等:不同的土壤培肥措施对低肥力农田土壤微生物生物量碳的影响
content of MBC;and that different compositions of straw(wheat straw+corfl straw,double wheat straw and wheat straw)returned
to the field produced distinct variations in diferent seasons.Organic manure showed an obvious increase in the content of MBC.
The content of MBC had the following ascending trend with regina to annum average the content of MBC:Wheat Straw+Corn
Straw+Chemical Fertilizer+Organic Fertilizer>Wheat Straw+Chemical Fertilizer+Organic Manure>Wheat Straw+Corn Straw
+Chemical Fertilizer>Double Wheat Straw+Chemical Fertilizer>Wheat Straw+Chemical Fertilizer>Chemical Fertilizer>
Contro1.Therefore,manure applications heighten soil microbial activity and improve soil fertility.Th e best soil fertility maintaining
practice WaS a combination of chemical fertilizer incorporating organic material in low fertility agro—ecosystem.
Key words:agriculture soil;soil fertility management practice;microbial biomass carbon
土壤微生物是土壤有机质和土壤养分转化和循环的动力,它参与土壤中有机质的分解、腐殖质的形成、土
壤养分转化和循环等过程。土壤微生物量是土壤养分的储存库和植物生长养分的重要来源【l ]。微生物量
受农业管理措施的影响很大,是灵敏的反映土壤干扰的生物学指标 。微生物量碳在土壤全碳中所占比例
很小,但它是土壤有机质中的活性部分,可反映土壤有效养分状况和生物活性,能在很大程度上反应土壤微生
物数量,是评价土壤微生物数量和活性及土壤肥力的重要指标 。因此,研究不同的农业管理措施对微生
物生物量碳的影响具有重要的意义。
山东省桓台县长期实施秸秆还田以及有机无机肥配施等土壤培肥措施,1982年全县实现吨粮田,但是玉
米、小麦秸杆还田、有机肥及无机肥如何配合施用,对土壤微生物有何影响还不清楚。本实验通过在弃耕农田
上进行不同的培肥试验 ,旨在探讨土壤肥力的演变规律和培肥措施对土壤微生物量碳的影响,寻找提高土壤
微生物数量的有效方法 ,为实现农业生态系统高产、高效、优质和农业可持续发展提供理论和技术上的支撑。
1 材料与方法
试验点选在华北高产粮区——山东省桓台县,以冬小麦套种夏玉米一年两熟轮作制吨粮田为主的高产农
田生态系统中。本试验为了揭示高产粮区土壤肥力形成起始阶段土壤生物的变化规律,在弃耕 30a无人为秸
秆还田历史和没有施任何肥料肥力很低的田块上设置试验,代表集约化农业和秸秆还田措施起始阶段的肥力
状况,试验地土壤基础理化性质见表 1。在其上设置不同培肥与施肥处理(表 2),代表当地不同的施肥模式。
处理小区随机排列,其问均设保护行。试验中田间管理措施如灌溉、使用机械、喷洒农药等均一致。
裹 1 土壤的理化性质
Table 1 Phydcochemical properties of experiment fldd soil
处理 T atment 代号 c0de 玉米秸秆Corn straw 小麦秸秆Wheat straw 化肥 Chemical fertilizer 厩肥Organic fertilizer
全还 +化肥
全还 +化肥 +有机肥
麦还 +化肥
麦还 +化肥+有机肥
化肥
麦还双倍+化肥
WS+CS+CF
WS+CS+CF+OF
WS十CF
WS+CF+OF
CF
2WS+CF
不施肥(对照) CK
+ 有 with;一 无 without;WS wheat straw。CS corn straw,CF chemical fertilizer,OF organic fertilizer
每年的麦秸施用量为 7.5t/hm ,麦秸加倍施用量为 15t/hm ,1997年 6月小麦收获后开始将小麦秸秆打碎
后铺在玉米茬13上还田;玉米秸秆施用量为8t/hm2,从 1997年9月开始玉米秸秆还田,将玉米秸秆粉碎后翻入
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耕层;化肥用量为常规施肥水平 600kgN/(h ·a),166.5kgP/(hrn2·a),148.5kgK/(hm2·a);施肥品种为尿素
(N22%),普通过磷酸钙(P2O 12%),磷酸二铵(N 22%,P2O 46%),KC1(K2O 63%)。化肥施用分配在小麦季
节和玉米季节中,在 1O月初种植小麦时施基肥 150kgN/hm2、99kgP/hm 81kgK/hm2和在 4月初施拔节肥
150kgN/hrn2,P、K肥均作基肥施人;在5月底种植玉米时施基肥 100kgN/hmz、67.5kgP/hm2、67.5kgK/h~ 和在7
月初施拔节肥及7月底施孕穗肥各 100kgN/hm2,P、K肥均作基肥施人。有机肥是厩肥,施用量为3Orn3/hrn2,其
鲜重全氮量为O.24%,Nit,一N为860mg/kg,NO 一N为 lOmg/kg,pH为7.3;10月初玉米秸秆还田时施用有机肥和
复合化肥并一起翻人耕层。冬小麦品种:鲁麦23,种植密度为120万基本苗/hrn2;夏玉米品种:鲁玉1O,种植
密度为80 000株/hIl2。
试验取样时间为 1998年 4月至 1998年 11月,共取土样7次。使用 3cm×20cm土钻在试验处理小区随机
采集0—20cm耕层土壤 15钻,迅速装入塑料袋中带回,置实验室冰箱中冷藏待测。土壤微生物生物量碳采用
氯仿熏蒸 一O.5md/L K2 S04浸提法测定,熏蒸提取采用 Vance等 人的步骤,浸提液中可溶性碳采用重铬酸钾
氧化外热源法测定,转换系数为 2.64。其它土壤理化性质采用常规土壤农化分析方法测定n。。
所得试验数据采用 EXCEL和 SPSS软件进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 化肥对土壤微生物生物量碳的影响
单施化肥对土壤微生物量碳的影响由图 1所示。将处理 5(化肥)和处理 7(对照)比较发现,土壤微生物
生物量碳值除了 11月份之外,处理 5(化肥)都比对照的要高一些,而且在 4月和5月份差异达到显著水平
(*,P<0+05,t-test)。4、5月份由于天气回暖,微生物活性增强,因此化肥处理的微生物量碳值在 4、5月份比
对照显著的高一些,而且在4月份达到全年最高值。从全年平均值来看,处理5(化肥)的土壤微生物量碳要
比对照的高 23.29%,差异也达到显著水平(*,P<0.05,t-test)。因为化肥能够促进作物和其它生物的生长,
促进了微生物的繁殖。因此,在低肥力的农业生态系统中,化肥能够显著提高土壤的微生物活性,从而提高土
壤的肥力。
谨
鲫
霉
霉
瓤
350
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1998_04 1998_05 1998-06 1998-08 1998—09 1998-10 1998—11 均值Average
年-月Year-Month
图 I 施用化肥对土壤微生物生物量碳的影响
Fig.1 Impact of applied chemical fertilizer on microbial bi0Inas carbon
2.2 秸杆还田对土壤微生物生物量碳的影响
处理 l(全还 +化肥)和处理5(化肥)比较发现(图2),除了9月异常外,全还 +化肥处理在其它月份比化
肥处理的微生物量碳高一些,而且在5月份、6月份和8月份差异达到显著水平(D nca ’ 多重比较,不同的字
母表示差异显著,P
珊 瑚 m m 如 。
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3期 胡诚 等:不同的土壤培肥措施对低肥力农田土壤微生物生物量碳的影响 8l1
此在 5月份、6月份和 8月份处理 I比处理5的微生物量碳显著的高。从全年平均值来看,处理 I(全还 +化
肥)比处理5(化肥)高一些,为 19.64%,差异也达到显著水平(Duncan’s多重比较,不同的字母表示差异显著,
P
理在其它月份比化肥处理的微生物量碳高一些,而且在6月份差异达到显著水平(Duncan’s多重比较,不同的
字母表示差异显著,P
还,总趋势是秸杆配合化肥施用都能够土壤微生物的数量,从而提高提高土壤的微生物量碳,主要是秸杆在改
善土壤理化性质的同时,提供了微生物大量繁殖的能源。
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删
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1998-04 1998·05 1998-06 1998-08 1998-09 1998-10 1998-11 均值 Average
年.月Year-Mort恤
图2 秸秆还田对土壤微生物生物量碳的影响
Fig.2 Impact of straw return to the field On soil microbial blomass carbon
将处理 1(全还 +化肥)和处理 3(麦还 +化肥)比较发现(图3),全还+化肥处理在4月、5月、8月和 1O月
比麦还 +化肥处理的微生物量碳高一些,而且在 5月差异达到显著水平(Duncan’S多重比较,不同的字母表示
差异显著,P<0.05),但在 6月、9月和 l1月麦还 +化肥处理比全还 +化肥处理要高一些。从全年平均值来
看,处理 1(全还 +化肥)比处理3(麦还 +化肥)高 8.98%。不同季节不同的秸杆种类和用量还田后对土壤微
生物数量的影响较大,但是由于处理 1是秸杆覆盖与翻埋相结合,而处理 3是小麦秸杆覆盖,前者对土壤微生
物数量的影响高于后者。
在秸杆还田量相同的条件下,通过处理 1(全还+化肥)和处理 6(双倍麦还 +化肥)比较发现(图3),处理
1(全还 +化肥)在 4、8、9月份和 11月份比处理 6(双倍麦还 +化肥)的微生物量碳要高一些,8月份达到显著
水平(Duncan’s多重比较,不同的字母表示差异显著,P<0.05),这主要是6月份开始小麦秸杆覆盖,8月份高
温高湿分解达到最高水平所致;但在5、6月份和lO月份处理6(双倍麦还+化肥)比处理1(全还+化肥)的微
生物量碳值要高一些,5月份达到显著水平(Duncan’S多重比较,不同的字母表示差异显著,P<0.05)。从全
年平均值来看处理 1(全还+化肥)比处理6(双倍麦还 +化肥)高 8.37%。由于处理 1是秸杆覆盖与翻埋相结
合,而处理6是小麦秸杆覆盖,从不同的秸杆还田方式的角度分析,对土壤微生物数量的影响前者优于后者。
在秸杆种类相同的还田方式下,秸杆还田量不同对土壤微生物量碳的影响,通过处理 3(麦还 +化肥)和
处理 6(双倍麦还 +化肥)比较发现(图3),处理 3(麦还+化肥)在 4、8、9月份和 11月份比处理6(双倍麦还 +
化肥)的微生物量碳值要高一些,9月份达到显著水平(Duncan’S多重 比较,不 同的字母表示差异显著,
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p<0.05),6月份几乎没有差异。但是处理6(双倍麦还+化肥)在5月份和 10月份比处理 3(麦还 +化肥)的
微生物量碳值要高一些,5月份达到显著水平(Duncan’s多重比较,不同的字母表示差异显著,P<0.05)。从
全年平均值来看差异很小,处理6(双倍麦还+化肥)仅比处理3(麦还+化肥)高0.42%。上述结果表明,麦还
与双倍麦还配合化肥施用对土壤微生物量碳影响的差异是很小的,即小麦秸杆还田量对土壤微生物数量的影
响很/J、。
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300
1998.04 1998.05 1998.06 1998.08 1998-09 1998-10 1998-11 均值 Average
年-月 Year-Month
图3 不同秸秆还田方式对土壤微生物生物量碳的影响
Fig.3 Impact of diferent straw return to the field on soil microbial biomass carbon
2.3 有机肥对土壤微生物生物量碳的影响
将处理 I(全还+化肥)和处理 2(全还+化肥 +有机肥)比较可以看出(图4),除了8月份之外,其余月份
都是处理 2(全还 +化肥+有机肥)土壤微生物量碳高于处理 I(全还 +化肥),而且在 4、5月份和 11月份差异
达到显著水平(*,P<0.05,t-test)。从全年平均值来看处理 2(全还 +化肥 +有机肥)比处理 1(全还 +化肥)
高25.83%,差异也达到显著水平(*,P<0.05,t-test)。这说明秸杆还田在与化肥配合施用的同时,增施有机
肥可以显著提高土壤的微生物生物量碳,因为有机肥是一种腐熟的肥料,施入之后提供了微生物大量繁殖的
能源。
同样,从图5可以看出,除了4月份之外,其它月份都是处理4(麦还 +化肥 +有机肥)土壤微生物生物量
碳高于处理3(麦还+化肥),而且在5月达到显著水平(*,P<0.05,t.test)。从全年平均值来看,处理4(麦还
+化肥+有机肥)比处理 3(麦还 +化肥)高 l5.63%。因此,有机肥可以显著提高土壤微生物的数量。
3 结论与讨论
研究结果显示,集约化程度增强(提高施肥水平)提高了土壤微生物生物量碳。在整个实验阶段微生物生
物量都明显增加(除了 11月份的化肥处理),说明低肥力的土壤系统中施肥可以提高土壤微生物的数量和活
性,明显改善土壤的肥力。但各种施肥方式和施肥量对微生物生物量碳的影响是不同的。
单施化肥也可以增加土壤的微生物生物量,这是因为在低肥力的农业生态系统中施用化肥可以促进植物
和其它生物的生长,增加了作物的根系和根系分泌物,因而促进了土壤微生物的繁殖,提高了微生物生物
量 ¨ ]。这也证明化肥在投入的初期可以大大提高土地生产力。但是有机物和化肥配合施用,可以提高氮
肥的效率,可以更大地增加土壤的微生物数量和活性,从而提高土壤肥力 ¨川。
不同秸秆还田方式对微生物生物量碳的影响是不同的,季节变异较大。秸秆还田在整个试验阶段微生物
生物量都有增加。但总的来看,全还处理的微生物量碳高于麦还处理,全还处理的微生物量碳高于双倍麦还
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图4 施用有机肥对土壤微生物生物量碳的影响
Fig.4 Impact of applied organic fertilizer O1 soil microbial biomass carbon
1998·04 1998-05 1998-06 1998-0g 1998-09 1998-10 1998.11 均值 Average
年-月Y~ar-Month
图5 施用有机肥对土壤微生物生物量碳的影响
Fig.5 Impact of applied organic fertilizer 01 soil microbial biomass carbon
处理,双倍麦还处理的微生物量碳略高于麦还处理。秸杆全还处理对土壤微生物量碳的影响高于麦还处理,
原因是全还是小麦秸杆在玉米生长期田间覆盖,在小麦播种期间和玉米秸杆翻埋在土中与土壤充分接触,对
土壤微生物的影响时间长,强度大一些;而小麦秸杆是在玉米生长期间覆盖,种植玉米时才翻人土中,对土壤
微生物的影响小一些。无论是玉米秸秆还是小麦秸秆还田后都可以提高土壤的微生物生物量碳,因为秸杆提
高了土壤的有机质,改善了土壤的理化性质,为微生物的生长繁殖提供了良好的环境 ¨f 。
有机肥对微生物生物量碳的促进作用是很明显的(图4和图5)r171。主要是因为有机肥施入之后在改善
土壤理化性状的同时也为微生物的生长提供了良好的环境条件和能源n 。秸杆还田增施有机肥在秸杆分解
的过程中,为土壤微生物生长提供了丰富的碳源和氮源,极大地刺激了微生物的活性,促进了微生物的生
长㈣ 。
总之,高水平的肥料投入都导致低肥力的农业生态系统土壤微生物生物量增加,从而提高了土壤肥
卯 ∞ 卯 ∞ 卯 ∞ ∞ ∞ ∞ 0 伽 枷 珈 瑚 挪 抛 啪 啪
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力㈨ 。不同的肥料种类和不同培肥投入方式对土壤微生物生物量的影响又有很大的差异。作物秸秆还田和
施用有机肥极大地增加了土壤的微生物生物量碳。化肥虽然能够增加土壤微生物生物量,但和有机物配合施
用效果更好。
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