2. 四川宜宾市农业科学院 宜宾 644000
2. Yibin Academy of Agricultural Sciences, Yibin 644000, China
YONG Taiwen, E-mail: yongtaiwen@sicau.edu.cn
土壤酶参与土壤中重要的生物化学循环、有机质及矿物质的转化过程, 土壤微生物是土壤养分转化的主要推动者, 土壤中生命体内氧化还原反应、化合物水解等许多重要的生物化学反应都是在酶的催化下进行的[1-2]。土壤微生物数量和土壤酶活性对根区土壤环境的变化较为敏感, 施肥措施、耕作制度、根系分泌物、土壤水分等均会对其产生显著的影响[3-6]。合理的种植模式能提高土地利用效率、增加单位面积粮食产出[7]。玉米/大豆(Zea mays L./Glycine max L.)套作模式能高效吸收利用土壤养分资源, 调节土壤氮素循环, 显著提高玉米、大豆的氮肥利用率[8-9], 在西南地区推广以来, 取得了良好的经济、社会和生态效益[10-11]。因此研究间套作系统中不同施氮水平下土壤微生物数量和土壤酶活性的变化特征, 对于了解土壤氮素循环、提高间套作系统中氮肥利用率有重要意义。前期研究表明, 玉米/大豆套作能提高作物养分吸收, 增产节肥[12-13], 增加作物根际细菌数量, 调节氨氧化细菌和反硝化细菌群落结构及多样性, 改善土壤氮素转化过程[14], 促使大豆根系分泌更多的质子和有机酸, 活化难溶磷为利于作物吸收的有效磷[15], 由此推测玉米/大豆套作系统下土壤养分高效利用与增产效应和土壤根际微生态环境相关, 尤其是与土壤中微生物数量和酶活的变化相关。Ghosh等[16]发现, 大豆/高粱(Sorghum bicolor L.)间作能提高土壤中脱氢酶和硝酸还原酶活性。雍太文等[9, 17]研究表明, 小麦(Triticum aestivum L.)/玉米/大豆套作相较其他模式增加了根际土壤细菌、真菌、放线菌数量, 且增强土壤脲酶、蛋白酶、硝酸还原酶活性。张向前等[18]证实, 施用氮肥能增加土壤中真菌、放线菌和固氮菌的数量, 提高脲酶、磷酸酶、转化酶和蛋白酶的活性。也有研究表明氮肥施用量会影响土壤酶活性[19]。国内外学者围绕单作和长期定位施肥对作物生态环境、微生物数量及酶活性等的影响做了大量研究, 为揭示单作中作物养分高效利用的根际微生态变化做出了巨大贡献, 但对玉米/大豆套作系统中作物根际土壤微生物数量和酶活性与氮素高效利用吸收的关系报道较少。本研究通过比较玉米、大豆单套作及不同施氮量下作物根际土壤微生物数量及土壤酶活性的差异, 明确不同施氮量下玉米/大豆套作系统根际土壤微生物数量、土壤酶活性的动态变化特征以及不同时期的差异性, 以揭示玉米/大豆套作体系下土壤氮素转换的调控机理和根际微生态效应, 为该体系制定科学的施肥技术提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验时间、地点及材料试验于2013年3月至2014年10月在四川省现代粮食产业(仁寿)示范基地(30°07′N、104°18′E)进行。试验地土壤类型为紫色土, 供试玉米品种为‘登海605’, 由山东登海种业股份有限公司提供; 大豆品种为‘南豆12’, 由四川省南充市农业科学研究所提供。供试土壤2013年基础肥力: pH为6.6, 有机质为29.8 g·kg-1, 全氮为1.6 g·kg-1, 全磷为1.28 g·kg-1, 全钾为16.3 g·kg-1, 速效氮为317 mg·kg-1, 速效磷为42.2 mg·kg-1, 速效钾为382 mg·kg-1。
1.2 试验设计大田试验采用二因素裂区试验设计, 主因素为种植模式, 分别为玉米单作(MM)、大豆单作(SS)和玉米/大豆套作(IMS); 副因素为玉米、大豆施氮总量(玉米、大豆施氮比例为3:1), 分别为不施氮(NN, 0 kg·hm-2)、减量施氮(RN, 180 kg·hm-2, 当地玉米施N量75%)和常量施氮(CN, 240 kg·hm-2, 根据当地玉米与大豆总施N量确定), 共9个处理, 每个处理连续种3带, 带长6 m、带宽2 m, 小区面积36 m2, 重复3次。
玉米、大豆种植模式如图 1, 单作采用等行距种植, 玉米行距100 cm、大豆行距50 cm, 玉米、大豆穴距17 cm, 穴留1株; 玉米/大豆套作采用宽窄行种植, 套作玉米宽行160 cm, 窄行40 cm, 在玉米大喇叭口期将两行大豆播种于玉米宽行内, 套作大豆行距40 cm, 玉米与大豆间距60 cm, 穴距均为17 cm, 玉米穴留1株, 密度5.85万株·hm-2, 大豆穴留2株, 密度11.7万株·hm-2, 玉米、大豆单作与套作的种植密度相同。玉米氮肥分两次施用, 即玉米底肥和大喇叭口期追肥, 大豆氮肥一次性作底肥施用(表 1)。玉米、大豆单作按株间穴施方式施肥, 玉米/大豆套作按玉米、大豆一体化施肥方式, 即玉米底肥统一施72 kg(N)·hm-2, 玉米大喇叭口期追肥与大豆氮磷钾肥混合施用, 在玉米、大豆之间, 距玉米25 cm处开沟施肥, 各作物氮肥施用方式及施用量见表 1。单、套作玉米及单作大豆的磷钾肥随底肥施用, 玉米P2O5 105 kg·hm-2、K2O 112.5 kg·hm-2, 大豆P2O5 63 kg·hm-2、K2O 52.5 kg·hm-2。2013年玉米4月3日播种, 8月1日收获, 大豆6月11日播种, 10月29日收获; 2014年玉米3月29日播种, 7月26日收获, 大豆6月9日播种, 10月28日收获。
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图 1 不同种植模式示意图 Figure 1 Diagram of different planting patterns |
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表1 不同种植模式的氮肥施用量 Table 1 N fertilization rates in different planting patterns and N application treatments |
2013年至2014年, 分别于玉米大喇叭口期(V12)、抽雄期(VT)和成熟期(R6), 大豆五节期(V5)、盛花期(R2)、鼓粒期(R5) 和成熟期(R8) 取根际土。采用挖掘法取土壤样品。每小区随机取长势一致的样地两段, 每段取对称2行的连续2穴, 将植株根系从土壤中整体挖出(40 cm深), 抖掉与根系松散结合的土体, 然后用经火焰灭菌的镊子刮取附在根系上的薄层( < 10 mm)土壤作为根际土壤。并将取得的两段植株根际土样撵碎混匀按4分法取样, 取后立即放入冰盒中保存, 带回实验室后, 迅速过2 mm土筛, 除去可见根系、动植物残体和石块等杂物, 并将一部分保存到4℃冰箱, 用于土壤微生物数量测定, 另一部分保存到-20 ℃用于土壤酶活性测定。
1.3.2 土壤样品测定采用平板计数法培养测定玉米、大豆单套作下3个施氮水平土壤中的真菌、放线菌和固氮菌数量, 真菌采用马丁氏-孟加拉红培养基, 放线菌采用改良的高氏1号培养基, 自生固氮菌采用阿须贝氏培养基进行选择性培养[20]。土壤蛋白酶活性使用成都华扬博纳生物科技有限公司的土壤蛋白酶试剂盒测定, 土壤脲酶活性使用南京建成生物工程研究所提供的土壤脲酶试剂盒测定。
1.4 数据处理与分析采用Microsoft Excel 2010软件进行数据整理和作图。用DPS 7.05进行方差分析(LSD法), 显著性水平设定为P=0.05。
2 结果与分析 2.1 不同种植模式和施氮量对土壤微生物数量的影响 2.1.1 土壤真菌数量玉米、大豆根际土壤真菌数量达104数量级(表 2, 表 3)。种植模式对玉米根际土壤真菌数量有显著影响, 玉米、大豆共生前的玉米大喇叭口期(V12) 为MM > IMS, 共生后IMS的玉米根际土壤真菌数量较MM两年平均提高25.37%。施氮有利于提高玉米根际土壤的真菌数量, 单套作下均表现为RN > CN > NN。随生育时期的推进, 两年的大豆根际土壤真菌数量呈增加趋势, 在R8期达到最高(表 3)。大豆根际土壤真菌数量在R2期和R8期表现为IMS > SS, 其中R8期的大豆根际土壤真菌IMS比SS两年平均提高3.79%。各施氮水平间, 大豆根际土壤真菌数量以RN的最高(R2期除外), 以R8期的RN最高, R8期SS下RN的土壤真菌数量比NN和CN两年平均提高10.89%和17.22%, IMS下两年平均提高11.50%和6.02%。
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表2 不同种植模式与施氮量下玉米根际土壤真菌数量 Table 2 Fungi number of maize rhizosphere soil under different planting patterns and N application treatments |
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表3 不同种植模式与施氮量下大豆根际土壤真菌数量 Table 3 Fungi number of soybean rhizosphere soil under different planting patterns and N application treatments |
玉米、大豆根际土壤放线菌数量达105数量级(表 4, 表 5)。种植模式会影响玉米根际土壤放线菌的数量, 玉米根际土壤放线菌数量随着生育时期的推进而增加, 且年际间变化规律一致。玉米根际土壤放线菌数量均为IMS > MM, R6期达到最大且有显著差异, R6期IMS下根际土壤放线菌数量比MM两年平均提高11.8%;不同施氮水平间, IMS下玉米土壤放线菌数量随施氮量的增加而增加, 以CN为最高, 比NN和RN两年平均提高15.69%和7.6%。不同种植模式同样会影响大豆根际土壤放线菌数量, 与SS比, IMS下大豆根际土壤放线菌数量均比SS高; 随着施氮量的增加, SS下RN和CN的大豆根际土壤放线菌数量比NN两年平均提高11.49%和16.62%, IMS下两年平均提高15.11%和27.13%。
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表4 不同种植模式与施氮量下玉米根际土壤放线菌数量 Table 4 Actinomyces number of maize rhizosphere soil under different planting patterns and N application treatments |
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表5 不同种植模式与施氮量下大豆根际土壤放线菌数量 Table 5 Actinomyces number of soybean rhizosphere soil under different planting patterns and N application treatments |
固氮菌作为特殊生理功能土壤微生物之一, 在氮素循环过程中具有重要作用。种植模式对大豆根际土壤固氮菌数量影响显著(表 6), 随生育时期的推进表现为先增后减, 大豆根际土壤固氮菌数量均为IMS > SS, 且在R2期达到最高, R2期下IMS比SS高12.31%。各施氮水平间, 大豆根际土壤固氮菌数量均以RN的最高, SS下RN比NN和CN分别高17.78%和5.67%, IMS下RN比NN和CN分别高10.46%和2.85%。
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表6 不同种植模式与施氮量下大豆根际土壤固氮菌数量(2014) Table 6 Azotobacteria number of soybean rhizosphere soil under different planting patterns and N application treatments in 2014 |
土壤蛋白酶作为一种土壤氮素转化关键酶, 能将蛋白质组分转化为氨基酸。不同种植模式对玉米根际土壤蛋白酶活性有影响(表 7), 玉米根际土壤蛋白酶活性为IMS > MM, 抽雄期差异显著; 施氮量同样会影响玉米根际土壤蛋白酶活性, 以RN的最高, 成熟期IMS下根际土壤蛋白酶活性RN比NN和CN分别提高8.33%和11.43%。
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表7 不同种植模式与施氮量下玉米根际土壤蛋白酶活性(2014年) Table 7 Protease activity of maize rhizosphere soil under different planting patterns and N application treatments in 2014 |
与单作相比, 套作能提高大豆土壤蛋白酶活性(表 8), 以V5期最高, 该时期下IMS比SS提高2.38%。各施氮水平间, R2期RN比CN和NN分别提高2.35%和16%, R8期RN比CN和NN分别提高3.57%和17.57%。
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表8 不同种植模式与施氮量下大豆根际土壤蛋白酶活性(2014年) Table 8 Protease activity of soybean rhizosphere soil under different planting patterns and N application treatments in 2014 |
种植模式影响玉米土壤脲酶活性, 表现为IMS > MM, 在R6期有显著差异(表 9)。玉米抽雄期IMS比MM提高16.72%, 成熟期IMS比MM提高20.56%。各施氮处理下, 以RN的玉米土壤脲酶活性最高, 表现为RN > CN > NN。
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表9 不同种植模式与施氮量下玉米根际土壤脲酶活性(2014年) Table 9 Urease activity of maize rhizosphere soil under different planting patterns and N application treatments in 2014 |
大豆土壤脲酶活性随着生育进程的推进呈现出升高后降低的趋势, 在R5期达到最高(表 10)。这可能与大豆固氮能力增强后对氮肥的吸收变少, 土壤中有较高浓度的尿素, 使土壤中的脲酶活性处于较高的状态。在R2和R5期, 大豆根际土壤脲酶活性IMS>SS。各施氮水平间, 大豆根际土壤脲酶活性以RN的最高。
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表10 不同种植模式与施氮量下大豆根际土壤脲酶活性(2014年) Table 10 Urease activity of soybean rhizosphere soil under different planting patterns and N application treatments in 2014 |
玉米根际土壤真菌、放线菌数量、脲酶活性, 大豆根际土壤蛋白酶与土壤养分和植株吸氮的相关关系达5%或1%显著水平(表 11)。其中, 玉米根际土壤真菌数量对土壤全氮影响最大, 玉米根际土壤脲酶、蛋白酶和大豆蛋白酶活性对土壤全磷的影响最大, 大豆根际土壤蛋白酶活性与土壤全钾有负相关性。玉米根际土壤细菌、真菌数量与植株吸氮呈极显著正相关关系。表明土壤微生物数量和土壤酶活性是影响土壤养分和植株吸氮的重要因素, 通过科学施用氮肥, 可以改变土壤中微生物数量, 提高土壤酶活性, 改善土壤环境。
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表11 土壤养分、作物吸氮量与土壤酶活性、土壤微生物数量的相关关系(2014年) Table 11 Correlation between soil nutrient content and crop nitrogen with soil enzyme activity and soil microbial quantity in 2014 |
土壤微生物是土壤养分转化、循环的动力。前期研究表明, 玉米/大豆套作较相应单作提高了作物根际土壤中的细菌数量, 且减氮处理下作物根际土壤细菌数量最高[14]。本研究表明, 套作玉米根际土壤真菌数量和放线菌数量高于单作; 大豆根际土壤真菌、放线菌、固氮菌数量均为套作高于单作。张向前等[18]研究表明, 玉米/花生、玉米/大豆间作土壤中细菌、真菌、放线菌和固氮菌的数量较玉米单作显著增加。游萍等[21]研究发现:与只种植烤烟的连作方式比, 小麦烟草套种能提高土壤中细菌、真菌和放线菌数量。分析其原因可能是, 玉米/大豆套作中两种作物共生后, 作物根系生长交互, 促进根系分泌物增加, 作物残留为土壤微生物的生长提供腐殖质, 改善了玉米大豆土壤根际微环境, 有利于作物根际土壤微生物的繁殖[9]。同时, 本研究调查了玉米/大豆套作系统内, 作物不同生育阶段根际土壤微生物数量变化特征, 结果表明玉米、大豆在共生期与非共生期表现出不同的变化规律, 套作玉米根际土壤真菌数量在共生后(VT期、R6期)高于玉米单作, 这两种作物在共生后对根际土壤微生物数量的促进作用更强, 进一步表明玉米/大豆套作对作物根际土壤微生物数量的促进作用。马冬云等[22]研究表明, 小麦土壤放线菌和固氮菌数量会随着施氮量的增加而呈先增后减趋势[22]。本研究表明, 相同种植模式下施氮相较与不施氮更能提高玉米、大豆根际土壤真菌、放线菌和固氮菌数量; 各施氮水平间, 玉米根际土壤的真菌数量表现为减量施氮 > 常量施氮 > 不施氮, 大豆根际土壤真菌数量除盛花期外均以减量施氮的最高。可能是由于氮肥的过量施用会抑制酶活性和积累毒性化合物, 特别是对土壤菌根真菌有抑制作用, 长期不施氮肥不能保证作物的正常生长, 但过度施用氮肥会使土壤酸化, 不利于土壤微生物的繁殖[23]。
3.2 套作和施氮对土壤酶活性的影响土壤酶是土壤中各类酶的总称, 土壤酶是催化诸多生物化学反应的一类蛋白质[24]。其中蛋白酶能够分解蛋白质、肽类为氨基酸, 参与调节生物的氮素代谢, 对土壤氮循环有着重要影响[25]。蛋白酶把有机氮转化为无机氮, 在脲酶作用下, 进行氨化作用生成铵离子, 改变土壤中有效氮含量, 因此土壤蛋白酶和脲酶对土壤氮循环有着重要作用[26]。徐强等[27]研究结果表明套作栽培的线辣椒根际、非根际土壤的蛋白酶、脲酶活性均高于单作。雍太文等[17]发现不同种植模式间以小麦/玉米/大豆套作处理的土壤脲酶和蛋白酶活性最高。孟亚利等[28]研究表明整个生育期麦棉套作下根际与非根际土壤酶活性均明显高于单作棉花。本研究表明, 套作下玉米、大豆根际土壤脲酶活性和蛋白酶活性比相应单作高; 可能是套作下两种作物根系分泌物调节了田间土壤pH、温湿度等理化性质, 使根区环境得到调节, 促进土壤微生物活动, 使土壤酶活性较单作增强[29-30]。而大豆的根瘤固氮作用提高了玉米/大豆套作体系各作物的土壤总氮含量, 这样可能改变土壤氮素平衡和作物对氮肥的吸收, 从而影响土壤酶活性[31-32]。Deng等[33]认为, 施肥可通过改善土壤水热状况和微生物区系来影响土壤酶活性。本试验所测定的2种土壤酶对氮肥有积极的响应, 玉米、大豆根际土壤蛋白酶活性和脲酶活性总体表现为施氮高于不施氮, 其中玉米根际土壤蛋白酶活性和脲酶活性均以减量施氮最高, 盛花期和成熟期的大豆根际土壤蛋白酶活性及大豆根际土壤脲酶活性以减量施氮为最高; 减量施氮有利于提高玉米、大豆根际土壤蛋白酶和脲酶活性, 适度减施氮肥对于提高土壤酶活性有重要意义。郭天财等[34]研究结果表明施0~180 kg(N)·hm-2时有利于提高小麦土壤全氮和土壤酶活性, 脲酶活性则随施氮水平的提高而上升。适量施入氮肥能改善土壤养分状况, 作物根系会分泌出更多的相关酶来吸收氮素, 保证作物的生长, 且能促进土壤微生物的繁殖, 最终提高土壤酶活性。
3.3 玉米/大豆套作下土壤氮素调控机制土壤微生物参与土壤中物质循环与能量转化, 土壤酶催化土壤中诸多重要的生物化学反应, 二者是评价土壤肥力的重要指标。相关分析表明:土壤微生物数量、土壤酶活性与土壤养分和植株吸氮量有显著或者极显著正相关关系。玉米、大豆生长过程中根际土壤微生物数量和酶活性的变化反映出玉米、大豆生长影响根际土壤中微生物繁衍及酶活性高低, 相反, 根际土壤微生物的活动及酶活性的高低也会影响玉米大豆的生长, 而氮肥施入量、土壤酶和土壤微生物三者之间密不可分, 氮肥的施入促进作物根系生长, 分泌物增多, 提高了土壤酶活性, 促进了土壤微生物的繁衍。间套作改善了作物根际微环境, 降低氨化作用强度, 保证了作物对NO3--N离子的吸收, 减轻了NH3挥发, 提高了土壤的固氮作用[35-37]。玉米/大豆套作中两种作物的根系发生交互作用, 根系分泌物调节了田间土壤温湿度等环境, 增加了土壤中细菌、真菌、放线菌和固氮菌的数量, 从而有利于调节作物对土壤中氮素转化, 使土壤中的氮向利于作物吸收的形态转化, 最终提高土壤中氮素的利用效率, 施入氮肥能够促进土壤中微生物的繁殖, 提高土壤酶活性。但是氮肥的施入会产生主要温室气体N2O, 因此对于玉米/大豆套作体系下施氮量的变化对温室气体排放有何影响还需进一步研究。
4 结论种植模式和施氮量对玉米大豆套作系统下作物根际土壤微生物数量及土壤酶活性影响显著。套作相对单作提高了玉米、大豆根际土壤真菌、放线菌和固氮菌数量, 套作体系下玉米根际土壤蛋白酶、脲酶活性和大豆根际土壤蛋白酶活性均显著升高; 与常量施氮相比, 减量施氮增加了玉米、大豆根际土壤真菌数量和大豆根际土壤固氮菌数量, 提高了玉米的根际土壤蛋白酶活性、脲酶活性和大豆根际土壤脲酶活性, 与不施氮相比, 减量施氮增加了玉米、大豆根际土壤放线菌数量。微生物及土壤酶对土壤环境的变化十分敏感, 合理的种植模式能优化作物根际微环境, 氮肥的施入调节作物根际土壤环境, 促进土壤氮素循环, 增加土壤养分有效性, 为研究间套作下合理科学施肥提供理论依据。
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