武欣，孟會(huì)生，栗麗，洪堅(jiān)平

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

不同肥料配施對(duì)復(fù)墾土壤呼吸及微生物量碳氮的影響

武欣，孟會(huì)生，栗麗，洪堅(jiān)平*

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

[目的]為尋找礦區(qū)采煤塌陷復(fù)墾土壤的最佳培肥模式。[方法]以山西省襄垣縣長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)單施化肥，化肥+菌肥，單施有機(jī)肥，有機(jī)肥+菌肥，有機(jī)肥+化肥，有機(jī)肥+化肥+菌肥6個(gè)施肥處理及對(duì)照處理，探討了化肥、有機(jī)肥、菌肥配施對(duì)塌陷區(qū)不同復(fù)墾年限玉米地土壤呼吸、微生物量碳氮的影響。[結(jié)果]在玉米拔節(jié)期、抽穗期、成熟期，施肥處理的土壤呼吸速率均高于對(duì)照，且除單施化肥外均與對(duì)照差異顯著。有機(jī)肥+菌肥與單施化肥相比，在各生育期1 a、3 a、7 a的土壤呼吸速率分別提高了190.37%、138.83%、138.94%。施肥處理的土壤微生物量碳氮含量顯著高于對(duì)照處理，其中有機(jī)肥+菌肥的微生物量碳氮含量最高，在抽穗期可達(dá)150.67、184.54、260.21 mg·kg-1和9.95、14.94、16.60 mg·kg-1。[結(jié)論]有機(jī)肥+菌肥可作為礦區(qū)采煤塌陷復(fù)墾土壤的最佳培肥模式。

肥料配施；復(fù)墾區(qū)；土壤呼吸；微生物量碳氮

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，微生物呼吸和根呼吸約占到土壤呼吸的95%[1]。對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)的礦化速率、異養(yǎng)代謝情況、土壤腐殖質(zhì)和枯枝落葉層中碳代謝、植被地下碳分配和生物活性等有重要指示作用，是農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)與能量轉(zhuǎn)化的外在表現(xiàn)[2]。土壤微生物量是植物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的源和庫[3]，是土壤有機(jī)質(zhì)及土壤養(yǎng)分(N、P、K等)轉(zhuǎn)化和循環(huán)的動(dòng)力，參與土壤有機(jī)質(zhì)的分解和腐殖質(zhì)的形成[4]，是土壤碳素和氮素養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)研究中的重要參數(shù)[5]。

山西是我國(guó)的煤炭大省，含煤面積達(dá)62 000 km2，其比例占全國(guó)已探明儲(chǔ)量的1/3[6，7]。煤炭資源的開發(fā)利用造成了礦區(qū)耕地大面積塌陷[8]。塌陷的土壤復(fù)墾時(shí)有表土剝離、生土裸露、微生物數(shù)量及生物活性差[9]，土壤呼吸和土壤微生物量是復(fù)墾土壤的指標(biāo)，因此采取不同的培肥措施恢復(fù)土壤生物活性，有著極其重要的意義。

本文以山西襄垣長(zhǎng)期定位試驗(yàn)為平臺(tái)，探討了不同肥料配施對(duì)不同復(fù)墾年限玉米地土壤呼吸速率、微生物量碳氮含量的影響，以尋找復(fù)墾土壤的最佳培肥模式，為土壤復(fù)墾和提高土壤肥力提供理論依據(jù)。為此需要通過培肥提高復(fù)墾土壤肥力及生物活性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于山西省襄垣縣，土壤類型為石灰性褐土，海拔970 m，年均氣溫9.5 ℃，年降水量532.8 mm。選取的復(fù)墾1 a、3 a、7 a土壤分別于2014、 2012、 2008年開始復(fù)墾，復(fù)墾土地采用表土剝離模式，復(fù)墾作物為玉米。復(fù)墾1 a、3 a、7 a土壤的理化性狀見表1。

表1 供試土壤基本理化性狀

1.2 供試作物

供試作物為玉米，品種為大豐30，生育期127 d。

1.3 供試肥料

供試化肥：含N：18%，P2O5：12%，K2O：10%。

供試有機(jī)肥：雞糞，含有機(jī)質(zhì)25.8%，N：1.67%，P2O5：2.46%，K2O：1.35%。

供試菌肥：將拉恩式菌、假單胞菌1、假單胞菌2制成混合磷細(xì)菌菌液后，與雞糞按照1∶9的比例混勻，其活菌數(shù)≥0.5×107cfu·g-1。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，在襄垣縣選取復(fù)墾1 a、3 a、7 a試驗(yàn)田，共設(shè)置7個(gè)處理(表2)，每個(gè)處理重復(fù)3次，共有21個(gè)小區(qū)，小區(qū)占地面積為100 m2。除對(duì)照外，其他各處理均按照等量施肥的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，N∶P∶K為1∶0.48∶1.3。于2015年4月27日施肥，4月28日播種，同年6月29日、8月8日、9月29日玉米拔節(jié)期、抽穗期、成熟期各采土樣、氣樣一次。土樣為玉米的非根際土壤，采集深度為0～20 cm。

表2 田間小區(qū)試驗(yàn)施肥方案

1.5 分析項(xiàng)目及方法

基礎(chǔ)土樣測(cè)定[10]：

有機(jī)質(zhì)：重鉻酸鉀容量法；全氮：半微量開氏法；全磷：氫氧化鈉熔融-鉬銻鈧比色法；堿解氮：堿解擴(kuò)散法；有效磷：碳酸氫鈉浸提法；速效鉀：乙酸銨浸提火焰光度法。

土壤呼吸速率的測(cè)定[11]：

將底座插入玉米行間的土體5 cm，將靜態(tài)箱扣于底座上用水密封。在每天上午9:00—11:00，從0 min開始每隔10 min采氣一次，共4次。CO2氣體樣品用Agilent 7890B GC測(cè)定。CO2排放通量(F)計(jì)算公式為：

土壤微生物量碳氮的測(cè)定[12]：取新鮮土樣30 g左右，于放置有50 mL無醇氯仿小燒杯的真空干燥器內(nèi)，滅菌5 d，加0.5 mol·L-1K2SO4于滅菌后的土樣中，振蕩30 min，過濾。設(shè)不滅菌對(duì)照組。土壤微生物量碳的測(cè)定：吸取濾液15 mL，加入重鉻酸鉀溶液消煮測(cè)定，換算系數(shù)為0.4。土壤微生物量氮的測(cè)定：吸取濾液15 mL，加濃H2SO4，酸化后先濃縮至3 mL左右，后按凱氏定氮法測(cè)定濾液中的全氮，以代氏合金還原硝態(tài)氮，換算系數(shù)0.54。

采用SAS軟件結(jié)合Excel進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)運(yùn)算及作圖，對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同肥料配施對(duì)玉米生長(zhǎng)期復(fù)墾土壤呼吸的影響

不同肥料配施對(duì)玉米生長(zhǎng)期復(fù)墾1 a、3 a、7 a土壤呼吸的影響見表3。

表3 不同肥料配施對(duì)玉米生長(zhǎng)期復(fù)墾1a、3a、7a土壤呼吸的影響

Table 3 The effect of soil respiration with application of three different fertilizers during corn stem elongation、tasseling、maturity stage in 1a、3a and 7a

生長(zhǎng)期Growthofcorn復(fù)墾年限Reclamationyears土壤呼吸速率/mg·m-2·h-1SoilrespirationCKCFCFBMMBMCFMCFB1a4787d5909cd7766c9922b15241a7643c13715a拔節(jié)期3a5982e6828de10079c13018b16297a8766cd14565ab7a6186d7411d11091c14460b16981a11749c15200ab1a3668d4172d6752bc8292b12902a6225c11509a抽穗期3a5392d6080d7643cd9639bc12769a7492cd12207ab7a5578d6539d8188c10141b14489a9074bc12561a1a3516d3996d6022c8921b12145a5867c9719b成熟期3a4555c5082c7116b8484b13609a7319b12270a7a5224d5321d7818c9521b14159a8424bc12441a

注：表中同行不同小寫字母表示P<0.05。下同。

Note：Different small letters indicate significant difference atP<0.05 level in same row. The same as follows.

由表3可以看出，不同施肥處理的土壤呼吸速率均高于對(duì)照，且除單施化肥外，其它施肥處理與對(duì)照差異顯著。玉米拔節(jié)期1a各施肥處理中有機(jī)肥+菌肥和有機(jī)肥+化肥+菌肥對(duì)提高土壤呼吸速率最顯著，單施有機(jī)肥次之，單施化肥最差。其中有機(jī)肥+菌肥與單施有機(jī)肥相比顯著提高了53.62%，有機(jī)肥+化肥+菌肥與有機(jī)肥+化肥相比顯著提高了79.44%，化肥+菌肥與單施化肥相比提高了31.41%，有機(jī)肥+化肥與單施化肥相比提高了29.35%，有機(jī)肥+化肥+菌肥與化肥+菌肥相比顯著提高了76.60%。拔節(jié)期3 a、7 a各處理的土壤呼吸速率均有一定程度的提高，呈現(xiàn)出相似的現(xiàn)象。玉米抽穗期1a各施肥處理中有機(jī)肥+菌肥、有機(jī)肥+化肥+菌肥的土壤呼吸速率分別為129.02、115.09 mg·m-2·h-1，遠(yuǎn)高于其他施肥處理的82.92～41.72 mg·m-2·h-1。抽穗期3 a、7 a各處理也呈現(xiàn)出相似的現(xiàn)象。玉米成熟期1 a中有機(jī)肥+菌肥與其它施肥處理相比顯著提高了24.96%～203.93%，3 a處理中有機(jī)肥+菌肥和有機(jī)肥+化肥+菌肥相比提高了10.91%，但差異不顯著，有機(jī)肥+菌肥與其余施肥處理顯著提高了60.41～157.65%，3 a與7 a呈現(xiàn)出相似現(xiàn)象。隨著復(fù)墾年限的增加各施肥處理的呼吸速率也隨之提高，其中有機(jī)肥+菌肥處理在玉米拔節(jié)期每年提升速度為2.73 mg·m-2·h-1。

土壤呼吸速率提高最顯著的配施是有機(jī)肥+菌肥，主要原因是土壤呼吸主要由微生物氧化有機(jī)物和根系呼吸產(chǎn)生的[13]，土壤呼吸受有機(jī)質(zhì)活性組分的影響，且土壤呼吸與有機(jī)質(zhì)正相關(guān)[2]，施氮有利于提高土壤呼吸速率[14]。復(fù)墾土壤施用有機(jī)肥后，有機(jī)質(zhì)、全量養(yǎng)分含量有了較大的提高，施用菌肥則增加了玉米根系附近微生物數(shù)量，因此土壤呼吸速率也隨之增加[15]。隨著復(fù)墾年限的增加，各處理的土壤呼吸速率也有了一定程度的提高。這是因?yàn)殚L(zhǎng)期耕作，土壤中凋落物和碎屑數(shù)量的增加也有利于微生物的生長(zhǎng)和活性提高，在一定程度上也提高了土壤呼吸速率[16,17]?；蕦?duì)土壤呼吸沒有顯著影響。這是由于施用化肥雖能為復(fù)墾土壤提供氮素，但施用化肥也會(huì)造成土壤板結(jié)，降低土壤孔隙度，不利于微生物生長(zhǎng)發(fā)育和植物根部細(xì)胞呼吸[18]。臧逸飛[19]等人對(duì)陜西長(zhǎng)武黑壚土長(zhǎng)期的培肥試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)無機(jī)肥對(duì)土壤呼吸無促進(jìn)作用。

2.2 不同肥料配施對(duì)玉米生長(zhǎng)期復(fù)墾土壤微生物量碳氮的影響

2.2.1 不同肥料配施對(duì)玉米生長(zhǎng)期復(fù)墾1 a、3 a、7 a土壤微生物量碳的影響

不同肥料配施對(duì)玉米生長(zhǎng)期復(fù)墾1 a、3 a、7 a土壤微生物量碳影響見表4。

表4 不同肥料配施對(duì)玉米生長(zhǎng)期復(fù)墾1 a、3 a、7 a土壤微生物量碳的影響

Table 4 The effect of soil microbial biomass C with application of three different fertilizers during corn stem elongation、tasseling、maturity stage in 1 a、3 a and 7 a

生長(zhǎng)期Growthofcorn復(fù)墾年限Reclamationyears土壤微生物量碳/mg·kg-1SoilmicrobialbiomassCCKCFCFBMMBMCFMCFB1a3679e5145d5843d8676b10719a7307c7988bc拔節(jié)期3a7662d10002c11263bc14723a15827a11869b12215b7a10650e12425d13361d20674ab21562a16739c18516bc1a5473d8289c9562c14421a15067a12388b12491b抽穗期3a9902d11553cd11662cd17514a18454a13226bc14330b7a14256d16505c17638c25567a26021a20267b21538b1a2650e4638d5567cd7107ab8023a5968c6288bc成熟期3a7818e10401d11733c16090a16239a13407b14000b7a11217d13592c14529c21173a22767a18444b18835b

由表4可以看出，各施肥處理的土壤微生物量碳含量均高于對(duì)照，且差異顯著。玉米拔節(jié)期復(fù)墾1 a的有機(jī)肥+菌肥處理對(duì)提高土壤微生物量碳含量效果最好，達(dá)109.17 mg·kg-1，與其余施肥處理相比顯著提高了23.55%～108.34%。而復(fù)墾3 a的有機(jī)肥+菌肥處理和單施有機(jī)肥處理微生物量碳含量差異不顯著，但與其余施肥處理相比顯著提高了36.12～58.25 mg·kg-1，7 a有機(jī)肥+菌肥處理對(duì)提高土壤微生物量碳的效果最好，單施有機(jī)肥處理次之，單施化肥處理最差。玉米抽穗期1 a、3 a、7 a有機(jī)肥+菌肥處理和單施有機(jī)肥處理對(duì)提高土壤微生物量碳含量效果較好。施用菌肥的處理與未施用菌肥的處理相比差異不顯著，土壤微生物量碳提高了1.03～12.71 mg·kg-1，施用有機(jī)肥的處理與未施用有機(jī)肥的處理相比差異顯著，土壤微生物量碳提高幅度在14.48%～22.88%之間。與玉米抽穗期相比玉米成熟期的土壤微生物量碳也呈現(xiàn)相似的現(xiàn)象，施用菌肥與未施用菌肥相比土壤微生物量碳提高了1.49～15.94 mg·kg-1，施用有機(jī)肥的處理與未施用有機(jī)肥的處理相比土壤微生物量碳顯著提高了12.95%～35.70%。隨著復(fù)墾年限的增加各施肥處理的微生物量碳含量也大幅度提高，其中有機(jī)肥+菌肥處理在玉米抽穗期每年提升速度為18.35 mg·kg-1。

2.2.2 不同肥料配施對(duì)玉米生長(zhǎng)期1 a、3 a、7 a土壤微生物量氮的影響

不同肥料配施對(duì)玉米生長(zhǎng)期復(fù)墾1a、3a、7a土壤微生物量氮的影響見表5。

表5 不同肥料配施對(duì)玉米生長(zhǎng)期復(fù)墾1 a、3 a、7 a土壤微生物量氮的影響

Table 5 The effect of soil microbial biomass N with application of three different fertilizers during corn stem elongation、tasseling、maturity stage in 1 a、3 a and 7 a

生長(zhǎng)期Growthofcorn復(fù)墾年限Reclamationyears土壤微生物量氮/mg·kg-1SoilmicrobialbiomassNCKCFCFBMMBMCFMCFB1a288e582d612d746bc875a672cd820ab拔節(jié)期3a498d781c895c1189b1414a1186b1239b7a585e943d1192bc1367ab1485a1170c1219bc1a287e592d694cd803bc995a808bc926ab抽穗期3a514f756e946d1253b1494a1088c1148c7a705f1092e1371cd1486bc1660a1349d1531b1a282c564b574b692ab837a602b710ab成熟期3a492d768c879c1132ab1312a986bc1178ab7a573d997c1249b1412ab1570a1270b1385ab

由表5可以看出，各施肥處理的土壤微生物量氮含量均高于對(duì)照，且差異顯著。玉米拔節(jié)期1 a有機(jī)肥+菌肥處理與有機(jī)肥+化肥+菌肥處理差異不顯著，分別為8.75、8.20 mg·kg-1。3 a有機(jī)肥+化肥處理的微生物量氮含量與其余處理相比顯著提高了18.86%～80.95%。7 a有機(jī)肥+菌肥處理和單施有機(jī)肥處理對(duì)提高土壤微生物量氮效果最好，單施化肥處理最差，其余施肥處理介于兩者之間，施用有機(jī)肥的處理與未施用有機(jī)肥的處理相比差異顯著，土壤微生物量氮提高幅度在15.50%～33.99%之間。玉米抽穗期1 a有機(jī)肥+菌肥處理和有機(jī)肥+化肥+菌肥處理之間差異不顯著，但顯著高于其他施肥處理。3 a有機(jī)肥+菌肥處理與其余施肥處理相比土壤微生物量氮顯著提高了19.21%～97.63%。7 a有機(jī)肥+菌肥處理與其余施肥處理相比土壤微生物量氮顯著提高了1.29～5.68 mg·kg-1。玉米成熟期1 a有機(jī)肥+菌肥處理、單施有機(jī)肥處理和有機(jī)肥+化肥+菌肥處理對(duì)提高土壤微生物量氮含量較好。施用菌肥的處理與未施用菌肥的處理相比提高了0.10～1.45 mg·kg-1，但差異不顯著。3 a、7 a也有類似現(xiàn)象出現(xiàn)。隨著復(fù)墾年限的增加各施肥處理的微生物量氮含量也隨之提高，其中有機(jī)肥+菌肥處理在玉米成熟期每年提升速度為1.14 mg·kg-1。

對(duì)于土壤微生物量碳氮提高作用最顯著的配施是有機(jī)肥菌肥，與施用菌肥相比施用有機(jī)肥可以在更大程度上提高土壤的微生物量碳氮。這是由于腐熟雞糞不僅改善了土壤理化性狀，而且為有益微生物提供了碳源、氮源，為其生長(zhǎng)繁殖提供了適宜的外界條件。馬曉霞[20]和Goyal[21]的研究也表明化肥有機(jī)肥配施土壤微生物量碳氮含量明顯高于單施化肥。而解磷菌肥的施用提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量、有機(jī)磷總量[22]。進(jìn)而增加了土壤微生物量碳氮含量。李云玲[23]等人通過研究發(fā)現(xiàn)施用菌肥大大促進(jìn)土壤微生物生物量碳、氮值的增加，這可能是菌肥不同造成的結(jié)果差異。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

(1)本試驗(yàn)選取了玉米拔節(jié)期、抽穗期、成熟期土壤進(jìn)行研究，未能反映復(fù)墾土壤的動(dòng)態(tài)變化過程，在今后的研究中可以增加復(fù)墾土壤呼吸的日變化、周變化，以更準(zhǔn)確地反映肥料配施對(duì)復(fù)墾土壤呼吸的影響。

(2)本試驗(yàn)條件下的最佳培肥模式為有機(jī)肥+菌肥，但最佳配施比還需要進(jìn)一步研究。

(3)本試驗(yàn)研究了0～20 cm的土層，不能反映更深土層的微生物量碳氮含量空間變化，因此需要在今后的研究中進(jìn)一步完善。

3.2 結(jié)論

本試驗(yàn)表明不同肥料配施均提高了復(fù)墾土壤的呼吸速率和微生物量碳氮含量，優(yōu)以有機(jī)肥+菌肥配施最顯著，是本試驗(yàn)條件下的最佳培肥模式。其中，在拔節(jié)期有機(jī)肥菌肥配施下1 a、3 a、7 a土壤呼吸速率分別為152.41、162.97、169.81 mg·m-2·h-1，遠(yuǎn)高于單施化肥的59.09、68.28、74.11 mg·m-2·h-1。在抽穗期，有機(jī)肥菌肥配施下1 a、3 a、7 a土壤微生物量碳分別為150.67、184.54、260.21 mg·kg-1，而單施化肥處理只有82.89、115.53、165.05 mg·kg-1。在成熟期，有機(jī)肥菌肥配施下1 a、3 a、7 a土壤微生物量氮分別為8.37、13.12、15.70 mg·kg-1，而單施化肥處理只有5.64、7.68、9.97 mg·kg-1。

施用有機(jī)肥比用菌肥可以更有利于的提高復(fù)墾土壤的呼吸速率和微生物量碳氮含量。

隨著復(fù)墾年限的增加各施肥處理的土壤呼吸速率、微生物量碳氮含量都有了顯著提高，培肥處理可以在較短時(shí)間內(nèi)快速提高復(fù)墾土壤的肥力和生物活性。

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(編輯：武英耀)

Effect of soil respiration and microbial biomass CN of reclamation soil with application of three fertilizers in the collapse mining area

Wu Xin, Meng Huisheng, Li Li, Hong Jianping*

(CollegeofResourcesandEnvironment,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

[Objective]This paper is to seek the best fertilizing model of reclamation soil in the collapse mining area.[Methods]Explored the effect of applying chemical fertilizer, manure and bacterial fertilizer on soil respiration and microbial biomass CN reclaimed for different years in the subsidence area, based on long-term experiment in Xiangyuan County, Shanxi Province.[Results]The results showed that different fertilizer treatment could improve the corn soil respiration rate during jointing stage, heading stage and maturity stage and have significant differences compared with CK, except for chemical fertilizer. Compared with application of chemical fertilizer, the soil respiration rate in 1a 3a and 7a of reclamation increased 190.36%, 148.25%, 121.45% with combined application of manure and bacterial fertilizer. Compared with CK, different fertilizer treatment could increase the soil microbial biomass C and N remarkably. The soil microbial biomass C and N of combined application of manure and bacterial fertilizer was highest, reaching 150.67, 184.54, 260.21 mg·kg-1and 9.95, 14.94, 16.60 mg·kg-1.[Conclusion]In conclusion, combined application of manure and bacterial fertilizer can be used as the best optimal model of reclamation soil in the mining subsidence area.

Combined application of fertilizer, Reclamation, Soil respiration, Microbial biomass C and N

2016-07-21

2016-08-01

武欣(1990-)，男(漢)，山西太谷人，碩士研究生，研究方向：環(huán)境科學(xué)與資源利用

*通信作者：洪堅(jiān)平，教授，博士生導(dǎo)師。Tel：0354-6288399;E-mail: hongjpsx@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31272257)；山西省自然科學(xué)基金(2014011001-4)；山西省青年科技基金項(xiàng)目(2013021032-2)

S154.3

A

1671-8151(2017)01-0048-06