發布時間：2022-02-17所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要: 長期不同施肥處理會改變土壤的理化性質和微生物生物量，但長期不同施肥對黃土高原梯田土壤微生物胞外酶活性變化和養分特征的影響尚不清楚. 本研究以中國科學院安塞水土保持綜合試驗站長期養分定位試驗樣地為基礎，分析了不施肥 ( CK) 、有機肥與氮肥混施( MN) 、
摘要: 長期不同施肥處理會改變土壤的理化性質和微生物生物量，但長期不同施肥對黃土高原梯田土壤微生物胞外酶活性變化和養分特征的影響尚不清楚. 本研究以中國科學院安塞水土保持綜合試驗站長期養分定位試驗樣地為基礎，分析了不施肥 ( CK) 、有機肥與氮肥混施( MN) 、有機肥與磷肥混施( MP) 、有機肥、氮肥與磷肥混施( MNP) 、單施有機肥( M) 和氮肥磷肥混施( NP) 對土壤微生物生物量以及土壤胞外酶活性的影響. 結果表明，與 CK 相比，所有施肥處理都顯著提高了土壤養分含量和土壤胞外酶活性. 相關分析表明，土壤胞外酶活性與土壤理化性質成極顯著的相關關系，冗余分析顯示土壤養分和土壤微生物生物量可以分別解釋土壤胞外酶活性及其化學計量比變化的 79. 66% 和 74. 87% ，即施肥主要是通過影響土壤肥力間接影響土壤胞外酶活性. 單施有機肥或有機肥配施無機肥( M、MN、MP 和 MNP) 均可以顯著提高土壤有機碳( SOC) 和土壤總氮( STN) 以及碳( C) 源酶、氮( N) 源酶和磷( P) 源酶的含量，但 MNP 處理會使土壤酸堿度發生改變，對微生物的生命活動產生抑制作用. 矢量分析表明，所有處理的微生物群落均處于磷限制狀態，MNP 處理雖然可以緩解磷限制的程度，但與 M 和 MP 處理之間沒有顯著性差異. 本研究表明，長期單施有機肥[7 500 kg·( hm2 ·a) - 1 ]可以滿足旱地作物生長的養分需求，長期有機肥與磷肥混施可以緩解土壤微生物面臨的資源限制，該結果對改善區域氮肥過量提供了新思路.
關鍵詞: 黃土高原; 長期施肥; 化學計量; 胞外酶活性; 梯田
土壤微生物作為陸地生態系統的重要組成部分，通過生長代謝促進了土壤有機質的降解和腐殖質的形成，調控著土壤養分的轉化和積累[1，2]. 土壤微生物產生的胞外酶可以參與土壤中幾乎所有的化學反應，并對外界環境條件的變化保持高度的敏感性[3]. 因此，土壤胞外酶活性的變化可以表征土壤養分的動態特征，在生態系統的生物地球化學平衡過程中起著至關重要的作用[4，5].
長期施肥可以改變土壤的養分狀況和微生物活性，使土壤胞外酶活性發生改變，但是不同施肥處理對土壤胞外酶活性的影響并不一致[6]. 長期施用化肥或有機肥會顯著提高土壤胞外酶的活性[7]，但是長期施用磷肥會使土壤中磷( P) 源酶活性降低，氮 ( N) 源酶和碳( C) 源酶活性升高[3]，而 Dong 等[8]的研究發現施用 P 肥可以提高 N 源酶和 C 源酶的活性. 施肥種類和施肥制度會對土壤胞外酶活性產生不同的影響，打破生態系統的養分平衡，并加劇生態系統的養分限制[9].
生態化學計量學使用元素的化學計量比預測土壤營養的保留狀況[10]，土壤胞外酶化學計量學是將元素化學計量學和微生物養分的吸收和生長聯系起來[11]. Sinsabaugh 等[12]的研究提出采用與 C、N 和 P 相關的胞外酶化學計量表示對微生物代謝的相對限制，Moorhead 等[13]的研究提出利用胞外酶化學計量的矢量長度和矢量角度表征微生物群落的相對資源需求. 鐘澤坤等[14]對農田撂荒后土壤微生物養分限制狀況研究發現: 土壤微生物 C 限制隨撂荒過程逐漸減弱，且撂荒前期微生物受 N 限制，后期受 P 限制，崔繼文等[15]的研究發現習慣施肥和優化施肥會加劇微生物 C 限制，但有機肥替代化學氮肥可以通過提高土壤的養分含量解除土壤微生物的 C 限制，并顯著減輕土壤微生物的 P 限制. 探究不同施肥處理與土壤微生物資源限制的關系，對改善農田生態系統功能具有重要意義.
黃土高原位于中國西北部，水土流失和土地退化嚴重，農田肥力低下，生態環境脆弱. 目前對于土壤胞外酶活性的研究多集中在森林、草地生態系統，對農田生態系統關注較少，但農田生態系統的質量與土壤胞外酶活性息息相關，且長期施肥與短期施肥對土壤微生物資源限制的影響不同. 因此，本研究以接近 30 a 的野外定位施肥試驗為平臺，分析長期施肥條件下土壤養分和土壤胞外酶活性的變化特征以及長期施肥對土壤微生物資源限制的影響，以期為黃土高原農田制定合理的施肥制度提供科學依據.
1 材料與方法
1. 1 研究區概況
本研究在陜西省延安市安塞水土保持研究站 ( 36° 51'31″ N，109° 19'23″ E) 的墩山梯田養分長期定位試驗田進行，該區域位于黃土溝壑區. 海拔 1 067 ～ 1 309 m，屬于暖溫帶半濕潤向半干旱過渡區，年均溫 8. 8℃，無霜期為 143 ～ 174 d，年平均降雨量 540 mm，主要集中在 7 ～ 9 月. 土壤類型為黃綿土( 聯合國糧農組織的土壤分類標準) . 試驗樣地建立于 1992 年，采用隨機區組設計共 24 個試驗小區，包括 6 個處理( CK、MN、MP、MNP、M 和 NP) ，4 個區組重復. 本試驗的供試氮肥為尿素、供試磷肥為過磷酸鈣，供試有機肥為羊糞，各處理具體施肥情況見表 1. 各小區面積為 30 m2 ( 8. 75 m × 3. 5 m) ，小區之間間距為 50 cm，有水泥和磚堆砌的田埂，樣地四周設置了高 1. 5 m 的鐵圍欄. 樣地采用谷子-糜子-谷子-大豆輪作的種植制度，采用小型機械耕作，一年一熟，無灌溉.
1. 2 樣品采集
2019 年 10 月中旬，在每個施肥處理小區，使用直徑為 5 cm 的土鉆按照“S”型采集 5 鉆 20 cm 的表層土壤，并將其均勻混合成一個復合樣品，樣品經 2 mm 的篩子篩去根系和其他碎屑，隨后低溫運回實驗室. 一部分冷藏于 - 20℃ 用于測定土壤胞外酶活性; 一部分冷藏于 4℃ 用于測定土壤微生物生物量和土壤水溶性養分; 第三部分自然風干后分成兩部分，分別通過 1 mm 和 0. 25 mm 篩用于測定土壤基本理化性質.
1. 3 樣品指標測定
本研究測定的指標包括: 土壤含水率( SWC) 、土壤容重( SBD) 、土壤有機碳( SOC) 、土壤總氮 ( STN) 、土壤總磷( STP) 、土壤微生物生物量碳 ( MBC) 、土壤微生物生物量氮( MBN) 、土壤微生物生物量磷( MBP) 、水溶性有機碳( DOC) 、水溶性有機氮( DON) 、土壤有效磷 ( SAP) 和土壤胞外酶活性.
SWC 采用烘干法測定; SBD 采用環刀法測定; 土壤 pH 采用電位法( 水土比 = 2. 5 ∶ 1) 測定[16];SOC 采用 H2 SO4-K2Cr2O7 氧化容量法測定[16]; STN 采用凱氏定氮法測定[16]; STP 采用鉬銻抗比色法測量[16]; DOC 采用元素分析儀( Liqui TOCII，德國) 測定; DON 采用紫外分光光度計雙波長法測定; SAP 采用碳酸氫鈉浸提和鉬銻抗比色法測定[16]; MBC、 MBN 和 MBP 采用氯仿熏蒸法[17，18]測定; 5 種土壤胞外酶活性采用 96 微孔熒光法測定[19]，具體操作參考 German 等[20]研究的方法，土壤胞外酶活性以干土計，單位為nmol·( g·h) - 1 ，本研究測定的土壤胞外酶活性基本信息見表 2.
1. 4 數據分析
土壤胞外酶活力的矢量特征計算[21]: 矢量長度代表土壤微生物所受到的 C 限制，矢量角度代表 N 限制或者 P 限制，矢量角大于 45°表示 P 限制，小于 45°表示 N 限制.
2 結果與分析
2. 1 土壤理化性質和養分含量的變化
由表 3 和表 4 可知，長期施肥條件下各處理的 SOC 和 STN 含量均顯著高于 CK 處理，MN、MP、 MNP 和 M 處理的 SOC 和 STN 含量之間沒有顯著差異，但是顯著高于 NP 處理. 所有處理的 STP 和 SAP 含量變化一致，為 MP > MNP > NP > M 或 MN，且都高于 CK，所有施肥處理的 SCN 不存在顯著性差異，但是 CK、MN、MP 和 NP 處理的 DCN 顯著高于其他處理. CK 處理的 SCP 和 SNP 顯著低于其他處理，但是 CK 的 DCP 和 DNP 卻顯著高于其他處理.
2. 2 土壤微生物生物量的變化
長期施肥處理對土壤微生物生物量及其化學計量比產生了顯著差異( 表 5 ) . M 和 MP 處理的 MBC 含量顯著高于其他處理，MN 和 MNP 的 MBC 含量顯著低于 M 和 MP 的 MBC 含量，顯著高于 NP 和 CK 的 MBC 含量. MN 處理的 MBN 含量和 MNP 處理的 MBP 含量顯著高于其他處理， NP 處理和 CK 處理的 MBN 含量沒有顯著性差異. MCN 在 M 處理下最高，CK 處理下最低，對于 MCP，MNP 處理顯著低于其他處理，其他處理之間沒有顯著性差異，但是 CK 的 MBN∶ MBP 遠遠高于其他處理( MN、MP、MNP、M 和 NP) ，除 CK 之外的其他處理的 MBN∶ MBP 含量沒有顯著性差異.
2. 3 土壤胞外酶活性的矢量分析和微生物資源限制
不同施肥處理下的 C、N 和 P 源酶活性都存在顯著性差異，MN、MP、MNP 和 M 處理下的 BG + CBH 和 NAG + LAP 顯 著 高 于 NP 和 CK，MN、 MP 和 M 處理的 AP 沒有顯著性差異，但是顯著高于 NP 和 CK 處理[圖 1( a) ～ 1( c) ]. CK 的酶 C∶ N 和酶C∶ P均低于其他施肥處理，各施肥處理的酶 C∶ N、酶 C∶ P 和酶 N∶ P 均沒有顯著性差異[圖 1 ( d) ～ 1( f) ]. 土壤胞外酶活性的矢量分析顯示: 所有處理的矢量角均大于 45°，即全部處于微生物 P 限制狀態，但 MNP 和 NP 處理所受 P 限制較弱，CK 和 MN 所受 P 限制較強. 由矢量長度可知，各處理均處于微生物 C 限制狀態，但是各處理之間沒有顯著性差異( 圖 2) .
2. 4 土壤胞外酶活性與土壤養分、土壤微生物生物量的關系
相關 分 析 表 明，SBD、SOC 和 TN 與 MBC、 MBN、MBP、BG + CBH、NAG + LAP 和 AP 具有顯著相關性( P < 0. 05) ，SCP 和 SNP 與 C、N 和 P 源酶活性具有極顯著相關關系( P < 0. 01) ( 表 6) . 冗余分析顯示: 土壤碳氮磷及其化學計量比和土壤微生物生物量及其化學計量比可以分別解釋土壤胞外酶活性及其化學計量比變化的 79. 66% 和 74. 87% ( 圖 3) ，表明施肥主要通過改變土壤養分以及土壤微生物數量來改變土壤胞外酶活性.
3 討論
3. 1 長期不同施肥對土壤養分與微生物量的影響
有機肥具有改善土壤質量、提高作物產量和減少環境污染等優點[22]，因此在農業生產中受到廣泛使用. 本研究進一步證實了有機肥可以顯著提高 SWC、SOC、TN、DOC 和 DON 的含量( 表 2) . 這可能是由于有機肥自身含有大量的 C 和 N 等營養元素[23]，也有可能是因為有機肥被土壤分解過程中產生了有機酸，有機酸促進養分的釋放和有效性[24]. 但是，本研究中 M、MN、MP 和 MNP 處理的 SOC、STN、 SOC∶ STN 和 DOC 含量沒有顯著差異，這可能是由于本試驗施肥年限較長，養分累積出現飽和狀態.
土壤微生物是土壤養分轉化的促進者，也是養分元素循環利用和有機質礦化的主要調控者，土壤微生物量高低的變化是反映土壤肥力的重要依據[25]. 本研究結果表明，M、MN、MP 和 MNP 處理均可以顯著提高土壤 MBC、MBP 和 MBN 含量. 這可能是因為長期施用有機肥能直接向土壤提供大量的 C、N 和 P 等元素，促進了微生物的生長繁殖[26].同時外源氮肥磷肥的施入不僅調節了土壤氮素的供應能力，也改善了磷素的有效性[27 ～ 29]，因此導致 4 個處理之間的 MBN∶ MBP 沒有差異性. 其中，MNP 處理的 MBC∶ MBP 顯著小于其他處理可能是因為 NP 的施入加劇了土壤的相對 C 限制，導致 MBC 含量減少，其次可能因為作物的生物量和產量加劇了對土壤 C 源的消耗，加之 P 的施入，導致 MBC∶ MBP 降低.
3. 2 不同施肥處理對酶活性的影響
土壤胞外酶在有機質分解和養分循環過程中發揮著重要作用，資源分配理論指出[30]，微生物在受到單一元素限制時會增加與該元素對應的胞外酶的合成，以滿足自身養分需求. 本研究發現長期施肥處理相比 CK 能顯著提高土壤胞外酶的活性，這是因為長期的養分輸入改變了土壤的理化性質，增加了土壤真菌和細菌的多樣性，衍生了更多的微生物群落，從而導致各個施肥處理下胞外酶活性增加[31].其次，本研究驗證了有機肥無機肥混施和化肥混施對土壤酶活性的影響，即有機肥無機肥混施( MN、 MP 和 MNP) 更能提高土壤中的酶活性[7]. 但是，本研究 發 現 長 期 有 機 肥 無 機 肥 混 施 ( MN、MP 和 MNP) 或單施有機肥( M) 對 C 源酶和 N 源酶的活性沒有顯著性差異，這可能是由于長期混施有機肥造成土壤養分環境達到相對一致的水平，因為有機肥相比化肥可以更明顯地促進土壤中團聚體的生成， 改善土壤結構，增加土壤肥力[32]. 在本研究中，MNP 和 NP 處理的 AP 活性顯著低于其他處理，可能是由于 P 肥的添加對 AP 活性的抑制作用，已有研究證實 AP 活性和 SAP 之間存在負相關關系[33]，本研究的結果也證實這一結論. 此外，CK 和 NP 的 N 源酶和 P 源酶活性雖然沒有顯著差異，但是兩者胞外酶活性的變化機制不同，CK 處理是由于養分限制而促進胞外酶活性升高，NP 處理則是微生物為了維持穩態而使胞外酶活性升高[34，35]. 因此，有必要增加單施 N 肥或 P 肥的處理，以便于更好地理解長期單施化肥對胞外酶活性的影響以及化肥混施對胞外酶活性影響的復雜機制，但是本研究仍然為長期施肥對黃土高原農田土壤胞外酶活性變化提供了參考.
3. 3 不同施肥處理對微生物資源限制的影響
土壤胞外酶的化學計量學特征，可以反映微生物代謝情況和營養需求與環境養分有效性之間的平衡，對實施生態系統養分管理措施具有重要指導意義[12]. 根據相關研究，全球尺度上土壤胞外酶活性的 ECN、ECP 和 ENP 平均值分別為 1. 41、0. 62 和 0. 44 [36]，本研究的矢量分析表明，所有施肥處理的矢量角大于 45°，因此都處于 P 限制狀態( 圖 2) ，又因為 ECP 遠遠低于全球平均值 0. 62，因此所有處理也存在相對 C 限制. MP、MNP、M 和 NP 處理的矢量角度沒有顯著性差異，說明存在相同程度的 P 限制，其原因可能是每年作物收獲帶走了土壤養分，造成當年施入的 P 沒有保存在土壤內，導致土壤始終處于 P 素虧缺狀態[37，38]. 也有可能是因為施 P 的同時加施 N 或 M 會使土壤 C∶ P 或 N∶ P 升高，導致土壤微生物容易受到 P 限制. 因此，本試驗中的 P 素處理只是在一定程度上減輕了微生物的 P 限制，并沒有解除微生物 P 限制.
3. 4 影響土壤胞外酶活性及其化學計量比的因素
土壤胞外酶活性對土壤養分循環、能量流動以及生態系統穩定性具有非常重要的作用. 本研究發現 SOC 和 STN 與土壤 C 源酶、N 源酶和 P 源酶都具有極顯著相關關系( 表 6) ，并且土壤全養分與土壤微生物生物量對胞外酶活性及其計量比的變異解釋分別為 79. 66% 和 74. 87% ，說明施肥通過改變土壤肥力以及微生物的活性間接影響胞外酶活性. 這與 Wu 等[38]和田靜等[39]的研究結果一致，因為肥料的施入會改變土壤的 SWC 和 SBD 等物理性質，進而改變土壤的無機組分和化學組成，改變真菌和細菌的群落結構，提高微生物的活性. 但與 Zhang 等[40]的研究結果不一致，這可能是由于生態系統類型和土地利用方式的不同. 本研究中，并沒有發現可溶性養分與土壤胞外酶活性的密切聯系，這可能是因為養分的有效化過程取決于土壤膠體吸收性離子的有效程度，而不是可溶性養分的含量.
4 結論
( 1) 長期不同施肥處理顯著提高了 SOC、STN、 STP、DOC、DON、SAP、MBC、MBN 和 MBP 的含量，以及土壤 BG + CBH、NAG + LAP 和 AP 的活性.
( 2) 所有施肥處理都受到 P 限制，MNP 和 NP 處理可以顯著降低 P 限制.
( 3) 土壤全養分、可溶性養分、土壤微生物生物量可以分別解釋土壤胞外酶活性及其計量比變化的 79. 66%、44. 92% 和 74. 87% ，SOC 和 TN 含量與胞外酶活性存在極顯著性相關關系( P < 0. 01) ， DOC 和 DON 含量與胞外酶活性存在顯著性相關關系( P < 0. 05) .
( 4) 長期施用 MNP 會使土壤 pH 降低，抑制微生物活動和土壤胞外酶活性.
( 5) 所有處理均處于相對 N 飽和狀態，每年施用7 500 kg·hm - 2 的有機肥可以滿足農田作物對 C 和 N 的養分需求，另需外源施加 P 肥以應對長期缺 P 的現狀，但是最佳施 P 量還需要進一步探究.
致謝: 特別感謝安塞農田生態系統國家觀測站的吳瑞俊等老師對本研究的長期支持.——論文作者：吳春曉1，2 ，高小峰1，2 ，閆本帥1，2 ，梁彩群3 ，陳佳瑞3 ，王國梁1，3 ，劉國彬1，3*
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