节水灌溉对冬小麦田土壤微生物特性、土壤酶活性和养分的调控研究

叶德练,齐瑞娟,张明才,李召虎

(1.中国农业大学 农学与生物技术学院,北京　100193;2.福建农林大学 作物科学学院,福建 福州　350002)



节水灌溉对冬小麦田土壤微生物特性、土壤酶活性和养分的调控研究

叶德练1,2,齐瑞娟1,张明才1,李召虎1

(1.中国农业大学 农学与生物技术学院,北京100193;2.福建农林大学 作物科学学院,福建 福州350002)

摘要：为了探讨节水灌溉下土壤微生物特性和土壤酶活性的变化特征及其与土壤养分之间的关系,在华北平原旋耕条件下,研究了不同灌溉处理(常规灌溉W1、节水灌溉W2和无灌溉W3,冬小麦全生育期总灌溉量分别为150,75,0 mm)对冬小麦田土壤微生物量氮、基础呼吸、土壤酶活性和土壤养分的影响。结果表明:减少灌溉量可显著降低土壤微生物量氮和土壤基础呼吸。随着灌溉量的减少,β-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶活性随之降低;而W3可显著提高脲酶活性。土壤含水量随灌溉量的减少而降低。水分胁迫可显著提高土壤有机碳和硝态氮含量,但有降低铵态氮含量的趋势。相关性分析可知,土壤微生物量氮与土壤铵态氮含量显著正相关。β-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶活性均与土壤含水量和铵态氮含量显著正相关,β-葡萄糖苷酶活性与有机碳含量显著负相关;脲酶活性与有机碳和硝态氮含量显著正相关,而与土壤含水量显著负相关。可见土壤微生物特性和土壤酶活性受灌溉处理调控,并且与土壤C、N养分的循环转化关系密切。

关键词：灌溉;土壤酶;微生物量氮;微生物特性

土壤微生物可以调控土壤酶产物和土壤养分可利用性[1],而土壤酶活性是土壤微生物活性和土壤理化性状的感应器[2],既可作为评估土壤微生物活性和土壤肥力的重要参数,也可表征土壤养分循环和能量转移的活跃程度[3-4]。土壤酶参与土壤有机质分解与腐殖质形成、养分转化与循环等土壤中各种生物化学反应过程[5-6]。参与有机质矿化和C、N循环的土壤酶有脲酶、蛋白酶、β-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶和过氧化氢酶等,研究表明，土壤酶活性与土壤养分含量之间关系密切[7-9]。不少研究发现，微生物生物量与土壤酶活性之间呈显著正相关的关系[9-10],然而王杰等[11]认为脲酶活性与微生物量氮负相关且相关性不显著,而多酚氧化酶与微生物量氮显著负相关。这可能是因为土壤微生物和土壤酶对不同的农田生态系统和农艺措施反应较为灵敏[12-13],因此,需要在特定的农田系统和管理措施下研究土壤微生物和酶活性的动态变化及其与土壤养分的关系。

华北平原是我国主要的冬小麦-夏玉米两熟制种植区,但水资源匮乏、利用效率低、分配不均成为限制当地农业可持续发展的主要因素[14]。因此,需要建立节水灌溉体系以提高该地区的作物水分利用效率并维持高产。减少灌溉量和灌溉次数是非常重要的节水措施之一,这些节水灌溉措施可以节约水量15%~35%并提高水分利用效率10%~30%[15-16]。目前,多数节水抗旱研究集中在对地上部生物量、产量和水分利用效率的调控上[17-18],也有些研究观察了根系的形态构型[19],但是节水灌溉对土壤微生物、土壤酶活性以及土壤养分的调控研究鲜见报道。因此,本研究在华北地区旋耕条件下,研究节水灌溉对冬小麦田不同生育时期土壤养分、土壤微生物特性和土壤酶活性的影响,探讨不同土层土壤酶和微生物活性的变化特征及其与土壤养分之间的关系,以期为该地区建立合理的节水灌溉体系提供科学依据。

1材料和方法

1.1试验地基本情况

试验地位于中国农业大学吴桥实验站(37°37′ N,116°22′ E),属于华北平原地区,具暖温带半湿润季风气候,年均气温12.6 ℃,平均降雨量552.6 mm,多集中在7-8月。试验地土质为沙壤土,0~20 cm土层含有机质17.4 g/kg、全氮1.12 g/kg、有效钾127.0 mg/kg、有效磷41.2 mg/kg。

1.2试验设计

冬小麦节水省肥栽培理论“吴桥模式”表明，在华北平原地区冬小麦生长季灌水2次、总灌溉量150 mm基本可以满足冬小麦生长的水分需求[20-21]。因此,设常规灌溉(W1)、节水灌溉(W2)和无灌溉(W3)共3个处理,其中W1全生育期灌水150 mm,于越冬期和拔节期各灌75 mm,而W2仅在拔节期灌水75 mm,W3即冬小麦全生育期灌水0 mm。每个处理3个重复小区,采用随机区组设计。小区面积5 m×4 m=20 m2。冬小麦品种为济麦22,在2011年10月8日播种,播种前一次性施入全部氮磷钾肥,用量为纯氮185 kg/hm2、P2O590 kg/hm2和K2O 75 kg/hm2。耕作方式采用旋耕,试验地已实施10年以上的冬小麦季旋耕、玉米季免耕的耕作措施。其他农艺管理措施按当地常规生产进行操作。2011-2012年冬小麦生育期内降雨量为143.7 mm。

1.3采样和测定项目及方法

2011-2012年,在冬小麦返青期(3月15日)、拔节期(4月22日)、灌浆期(5月17日)和收获期(6月10日),用直径为5 cm的土钻在小麦行间中部取0~10,10~20 cm土样,每处理按三角形布局取3个样,3个土样混合装袋,放到冰盒中运回实验室。土样分两部分,一部分过2 mm筛,4 ℃冰箱保存,用于测定土壤基础呼吸、微生物量氮和土壤酶活性;另一部分常温风干后磨细过筛,用于测定土壤有机碳、硝态氮和铵态氮含量。

1.3.1土壤基础呼吸和微生物量氮 参照Bardgett等[22]报道的方法测定土壤呼吸。按已测定的土壤含水量,称取相当于10 g干土的新鲜土壤,于72 mL血清瓶中,25 ℃下平衡30 min,然后封住瓶口培养2 h,最后用S151CO2红外分析仪(Qubit Systems,Canada)测定CO2释放浓度,以每千克干土每小时释放CO2-C的质量(mg)作为土壤呼吸的单位。

采用熏蒸提取-茚三酮比色法[23]测定土壤微生物量氮。

1.3.2土壤酶活性采用微孔板比色法[24-25]测定β-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶活性。β-葡萄糖苷酶的底物为5 mmol/L对硝基苯-β-D-吡喃葡萄糖苷,多酚氧化酶底物为5 mmol/L左旋多巴,缓冲液为50 mmol/L Tris(pH值8.2)。25 ℃反应3 h后于405 nm波长下比色测定β-葡萄糖苷酶,25 ℃反应2 h后于450 nm波长下比色测定多酚氧化酶活性,以μmol/(g·h)作为酶活性单位。用酚蓝比色法[26]测定脲酶活性,以24 h后1 g干土中NH3-N的含量(mg)表示一个酶活性单位。

1.3.3土壤含水量和养分采用铝盒烘干法测定土壤含水量;采用重铬酸钾容量法-稀释热法测定土壤有机碳;经氯化钙溶液浸提后用AA3型流动分析仪(Seal,Germany)测定土壤硝态氮和铵态氮。

1.4统计分析

用Microsoft Excel 2013整理数据并绘图,用 SAS 9.0进行单因素方差分析及显著性检验(P< 0.05)。

2结果与分析

2.1灌溉处理对土壤微生物特性的影响

不同灌溉处理对拔节期和灌浆期土壤基础呼吸影响较大(表1)。在0~10 cm土层,拔节期和灌浆期W3的土壤基础呼吸明显低于W1和W2,而W1和W2处理之间差异不大。在10~20 cm土层,拔节期W1、W2和W3处理之间的土壤基础呼吸差异不显著;灌浆期土壤基础呼吸随灌溉量的减少而显著降低,W3的土壤基础呼吸较W1和W2分别降低35.8%,25.3%。

表1　不同灌溉处理对土壤微生物特性的影响

注：不同字母表示相同土层不同处理间差异达到5%显著水平。表2同。

Note:Different letters mean significant difference at the 5% level for different treatments in the same soil layer.The same as Tab.2.

灌溉处理可显著影响拔节期和灌浆期土壤微生物量氮(表1)。在0~10 cm土层,拔节期W3的土壤微生物量氮显著低于W1和W2;灌浆期不同灌溉处理的土壤微生物量氮表现为:W1>W2>W3,其中W3处理较W1和W2分别降低53.0%,38.8%。在10~20 cm土层,无灌溉显著降低拔节期的土壤微生物量氮,灌浆期W1的土壤微生物量氮最高,W2次之,W3最低。

2.2灌溉处理对土壤酶活性的影响

灌溉处理可以调控土壤β-葡萄糖苷酶活性,水分胁迫降低了β-葡萄糖苷酶活性(图 1-A、B)。在0~10 cm土层,返青期W3的β-葡萄糖苷酶活性显著低于灌溉下的W1 和W2;拔节期β-葡萄糖苷酶活性随灌溉量的减少显著降低,表现为:W1>W2>W3;灌浆期β-葡萄糖苷酶活性在生育期内最低,不同灌溉处理之间差异不显著;成熟期W2的β-葡萄糖苷酶活性最高,W1次之,W3最低,但是W1与W2之间差异不显著。在10~20 cm土层,除了返青期和灌浆期外,拔节期和成熟期不同灌溉下β-葡萄糖苷酶活性的变化趋势与0~10 cm土层的基本一致。

从冬小麦的返青期到成熟期,0~10 cm土壤多酚氧化酶平均活性拔节期最高,返青期最低,但是不同灌溉处理的多酚氧化酶活性差异不显著(图1-C)。在10~20 cm土层,返青期W2和W3的土壤多酚氧化酶活性显著低于W1,而W2和W3之间差异不大;灌浆期W2和W3的土壤多酚氧化酶活性较W1分别降低7.9%,6.7%,但是只有W1和W2之间差异显著;拔节期和成熟期W1、W2和W3处理之间的土壤多酚氧化酶活性差异不大(图1-D)。而β-葡萄糖苷酶活性对水分调控的响应较多酚氧化酶灵敏。

水分胁迫W3提高0~10 cm土层各个生育时期的脲酶活性,但是W1和W2处理之间差异不显著(除成熟期),其中灌浆期W1和W2的脲酶活性较W3分别降低21.9%和25.3%(图1-E)。灌溉量的减少促进10~20 cm土层脲酶活性的提高,其中灌浆期和成熟期W3的脲酶活性显著高于W2和W1(图1-F)。

2.3灌溉处理对土壤含水量的影响

在冬小麦生长季内,土壤含水量先降低再升高,其中灌浆期土壤含水量最低(图2)。在0~10 cm土层,返青期土壤含水量随灌溉量的减少而降低,W1的土壤含水量显著高于W2和W3,但W2和W3之间差异不显著;而拔节期不同处理的土壤含水量差异显著(土样取自拔节期灌溉后5 d),表现为W1最高,W2次之,W3最低,其中W1的土壤含水量较W2和W3分别高28.3%,244.8%;灌浆期土壤含水量的趋势与返青期类似;而成熟期不同处理之间的土壤含水量差异不大(图2-A)。在10~20 cm土层,返青期土壤含水量随灌溉量的减少而降低，W1与W3之间差异显著，其余处理之间差异不显著；拔节期土壤含水量变化情况与0~10 cm土层的基本一致；灌浆期土壤含水量表现为:W1>W2>W3;成熟期W1的土壤含水量显著高于W2和W3,而W2和W3之间差异不显著(图2-B)。

R.返青期;J.拔节期;G.灌浆期;M.成熟期;不同字母表示同一时期不同处理间差异达到5%显著水平。图2同。

图2　不同灌溉处理下冬小麦田不同土层土壤含水量的动态变化

2.4灌溉处理对土壤有机碳、硝态氮和铵态氮的影响

减少灌溉量对冬小麦生长前期土壤有机碳含量影响不大,但提高生长后期土壤有机碳含量(表2)。在0~10 cm土层,返青期和拔节期的土壤有机碳含量,不同灌溉处理之间差异不显著(除了拔节期W2与W3处理之间差异显著);无灌溉W3可以显著提高灌浆期和成熟期土壤有机碳含量,而W1和W2之间差异不显著。在10~20 cm土层,灌溉处理对各生育时期的土壤有机碳含量影响不大,而灌浆期W3的有机碳含量高于其他处理。

土壤硝态氮在返青期最高,随着生育期的推进,表现出先下降再有所提高的趋势(表2)。在0~10 cm土层，返青期W2的土壤硝态氮含量最高，而W1和W3较低；拔节期和成熟期W3的土壤硝态氮含量显著高于W1和W2，但是W1和W2之间差异不显著；灌浆期W3的土壤硝态氮含量高于W1和W2，W3和W2之间差异显著，而W3和W1之间差异不显著。在10~20 cm土层(除了返青期)，W3灌溉处理下各生育时期的土壤硝态氮含量均明显高于W1和W2，W1和W2处理之间差异不显著。随着灌溉量的减少，土壤铵态氮含量呈现降低的趋势。在0~10 cm土层，返青期W1的铵态氮含量高于W2和W3处理，并且W1和W2之间差异显著，而其他时期不同灌溉处理之间的土壤铵态氮含量差异不显著。在10~20 cm土层,拔节期和灌浆期W3的土壤铵态氮含量显著低于W1,较W1处理分别低44.6%,66.7%,但返青期和成熟期各灌溉处理之间的土壤铵态氮含量差异不大。

表2　不同灌溉处理对冬小麦田土壤有机碳、硝态氮和铵态氮的影响

2.5土壤酶活性、微生物特性及土壤理化性状之间的关系

通过相关性分析可知,土壤含水量与β-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶活性、微生物量氮和铵态氮显著正相关,与土壤基础呼吸和硝态氮含量关系不大,而与脲酶和有机碳显著负相关,可见土壤酶活性对水分调控的响应是不一样的(表3)。脲酶与有机碳、硝态氮含量显著正相关,而与β-葡萄糖苷酶活性、土壤基础呼吸和微生物量氮显著负相关;β-葡萄糖苷酶与微生物量氮和铵态氮显著正相关,与有机碳显著负相关;多酚氧化酶与微生物量氮、硝态氮和铵态氮显著正相关,而与有机碳相关性不显著。土壤基础呼吸和微生物量氮均与土壤有机碳和硝态氮含量显著负相关。

3讨论

土壤水分是影响土壤微生物活性的主要因素之一,它通过影响土壤渗透势、养分和能量转移、微生物细胞代谢等调节土壤微生物活性[27]。研究发现,干旱可能改变土壤微生物群落结构并降低微生物活性[28];刘振香等[29]通过研究不同水肥处理对夏玉米田土壤微生物特性的影响也发现，减少灌溉量明显降低土壤微生物量。在本研究中,灌溉处理影响土壤微生物量氮和土壤基础呼吸,随着灌溉量的减少,微生物量氮和土壤基础呼吸随之降低。通过相关性分析，本研究发现，土壤微生物量氮和基础呼吸均与土壤有机质和硝态氮含量显著负相关。土壤微生物是矿质养分的源和汇,是稳定态养分转变成有效养分的催化剂[30]。不少研究表明,土壤微生物量与土壤酶活、土壤有机质、全氮、铵态氮和速效钾等显著正相关[9,31],提高土壤微生物量可以促进有效养分增加,但是微生物和植物对土壤养分吸收上存在竞争关系,而作物生长关键阶段需要从土壤中吸收更多的养分,致使留存土壤中的有效养分含量降低[32-33]。何友军等[31]发现，杉木人工林中土壤微生物量氮与土壤铵态氮含量显著正相关,这与本研究的结果是一致的。

表3　土壤酶活性、微生物特性及土壤理化性状之间的相关系数

土壤酶与土壤矿质元素循环、有机质分解和能量转移有密切关系[6],其中β-葡萄糖苷酶主要破坏不稳定的纤维素和其他碳水化合物,在降解有机物的第一阶段起作用[33],多酚氧化酶则在植物残体木质素降解过程中发挥重要作用[34]。有研究指出,根区部分灌溉可以提高土壤酶活性,而且干旱一侧的土壤含水量较低,酶活性也相应较弱[35]。本研究也发现，β-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶活性与土壤含水量显著正相关,减少灌溉量降低β-葡萄糖苷酶和多酚氧化酶活性。同时β-葡萄糖苷酶活性对水分调控的响应较多酚氧化酶灵敏。此外,多酚氧化酶活性与土壤有机碳含量正相关,而β-葡萄糖苷酶活性与有机碳含量显著负相关,这是由于灌溉量减少导致β-葡萄糖苷酶活性降低,从而使有机物降解量减少,即土壤中的有机碳含量增加。

脲酶可以促进尿素水解释放铵态氮,对水解动植物残体氨基链也很重要,在一定程度上表征土壤氮素供给水平[26,33]。在地中海地区森林中,土壤水分减少导致土壤脲酶、蛋白酶、β-葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶的活性显著降低[36-38]。然而本研究的结果表明，脲酶活性与土壤含水量显著负相关,即水分减少的情况下,脲酶活性反而提高。这与薛丽华等[39]发现减少灌溉量提高拔节期小麦田土壤脲酶活性的结果是一致的。灌溉量减少可显著提高脲酶活性,促进尿素分解生成铵态氮,但是旱作土壤容易发生硝化作用,致使铵态氮迅速转变成硝态氮,同时灌溉下硝态氮容易淋失,二者综合作用导致无灌溉处理的土壤硝态氮含量增加,而铵态氮含量减少。同时脲酶活性与土壤硝态氮含量显著正相关,而与铵态氮含量负相关且相关性不显著。而罗珠珠等[7]认为在黄土高原旱作土壤中脲酶活性与硝态氮含量负相关而与铵态氮含量正相关但是相关性均不显著。这可能是脲酶在土壤氮素转化中功能并不专一,甚至有研究表明脲酶活性主要取决于土壤的温度和水分状况,而与土壤养分关系不大[33];也可能是不同类型和地域的土壤理化性状差异较大造成的。

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Study of Saving-irrigation Regulated the Soil Microbial Characteristics,Soil Enzyme Activities and Soil Nutrient in the Winter Wheat Field

YE Delian1,2,QI Ruijuan1,ZHANG Mingcai1,LI Zhaohu1

(1.College of Agriculture and Biotechnology,China Agricultural University,Beijing100193,China;2.College of Crop Science,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou350002,China)

Abstract：In order to investigated the dynamic change of soil microbial characteristics and soil enzyme activities and the correlation among soil microbial characteristics,soil enzyme activities and soil nutrient,a field experiment was conducted to study the effects of different irrigation methods(conventional irrigation,saving-irrigation and no irrigation,150,75,0 mm of irrigation rate during winter wheat growing season respectively,named by W1,W2 and W3 respectively) on soil microbial biomass nitrogen,soil basal respiration,soil enzyme activities and soil nutrient in the winter wheat field.These results indicated that the reduction of irrigation rate decreased significantly soil microbial biomass nitrogen and soil basal respiration.With the decrease of irrigation rate,β-glucosidase and polyphenol oxidase activities were decreased,but W3 increased markedly urease activity.Soil water content was decreased as the irrigation rate decreasing.Water stress enhanced significantly soil organic carbon and nitrate nitrogen content,however,ammonium nitrogen content had a decreased trend under water stress.Soil microbial biomass nitrogen was significantly positively correlated with soil ammonium nitrogen content.β-glucosidase and polyphenol oxidase activities were significantly positively correlated with soil water and ammonium nitrogen content,and there was a negative significant correlation between β-glucosidase activity and organic carbon content.Urease activity was significantly positively correlated with organic carbon and nitrate nitrogen content,but was significantly negatively correlated with soil water content.The results suggested that soil microbial characteristics and soil enzyme activities were regulated by irrigation and they were correlated with recycling and transformation of C and N.

Key words:Irrigation;Soil enzyme;Microbial biomass nitrogen;Microbial characteristic

doi:10.7668/hbnxb.2016.01.036

中图分类号：S152

文献标识码：A

文章编号：1000-7091(2016)01-0224-08

作者简介：叶德练(1988-),男,福建莆田人,博士,主要从事作物化学控制研究。叶德练、齐瑞娟为同等贡献作者。通讯作者：张明才(1975-),男,安徽六安人,副教授,博士,博士生导师,主要从事作物化学控制研究。

基金项目：国家高技术研究发展计划“863 计划”项目(2011AA10A206);河北省科技计划项目(14227008D)

收稿日期：2015-08-13