于 丽， 杨殿林， 赖 欣

(1.农业部 环境保护科研监测所，天津 300191；2.沈阳农业大学 园艺学院，辽宁 沈阳 110866)



养分管理对农田土壤微生物量的影响

于 丽1,2， 杨殿林1,2， 赖 欣1*

(1.农业部 环境保护科研监测所，天津 300191；2.沈阳农业大学 园艺学院，辽宁 沈阳 110866)

土壤微生物与土壤质量、健康、植物的生产力和农业的可持续发展密切相关。任何对土壤中微生物的扰动都可能影响土壤的长期生产力，并可能产生严重后果。大量研究结果表明，肥料类型、施肥处理年限长短、施肥水平高低及施肥措施都会造成土壤成分的变化，进而影响土壤中微生物的生长以及繁殖。简要介绍了微生物量的几种测定方法，综述了各种养分管理措施对农田生态系统中土壤微生物量的影响，从而了解土壤微生物因人类对土壤的利用而发生的变化，以期为农业的可持续发展和生态环境的保护提供理论依据。

养分管理；土壤微生物；微生物量；测定方法；研究进展

土壤微生物是土壤中一切肉眼看不见或看不清楚的微小生物的总称，通常意义上应当包括古菌、细菌、放线菌、真菌、病毒、原生动物和显微藻类等[1]，是陆地生态系统中重要的生命体；其在土壤形成、肥力演变、植物养分有效化和土壤结构的形成与改良、有毒物质降解及净化等方面起着重要作用[2]。土壤微生物对其生存的微环境十分敏感，能够迅速对周围环境的变化做出反应[3]，它代表着微生物群落的稳定性，也反映土壤生态机制和土壤胁迫对群落的影响。土壤微生物量是不同生态系统土壤肥力的重要生物学指标，是反馈土壤肥力和环境质量状况的有效途径[4]，提高土壤微生物量是提高和保持土壤肥力、保持生态平衡的前提。土壤微生物量碳、氮被认为是土壤中植物有效养分的储备库，调配着植物生长对养分的吸收活动。刘恩科等[5]指出，作为最有潜力和最敏感的生态学指标，通过分析土壤微生物量碳、氮的变化以及微生物群落组成和结构的变化，可用于科学评价农田土壤健康质量和预测其可持续发展的潜力，为寻求作物稳产、高产的土壤生态化学环境以及更好地培肥土壤提供科学依据。农田生产过程中不可避免需要施用肥料，施用肥料除了直接影响土壤化学成分变化，引起土壤微生物活性、土壤微生物群落结构改变外，还能通过改变土壤的物理性状，影响地上植被的生长状况，从而间接地影响土壤微生物群落结构[6]。在农业生产中，施肥是影响土壤微生物数量及多样性的重要措施[5]。施肥土壤中，微生物量会因施肥种类、用量不同而产生变化[7]。化肥和农药的滥用，对农田土壤及其生态环境造成了恶劣的影响，阻碍了农业的可持续健康发展。施肥对土壤微生物生态影响的研究成为土壤生态学研究的一个热点，本文就养分管理对土壤微生物的影响进行综述，旨在分析不同养分管理条件下农田土壤微生物量的变化，以期深刻地理解不同养分管理的合理性，为制定合理施肥措施、土壤环境维护措施等方面提供理论依据。

1 土壤微生物量的研究方法

1.1 传统研究方法

稀释平板法(平板计数法)是分离和测定土壤中微生物数量和种类的较常用的研究方法。但由于土壤中微生物的多样性，只有极少数微生物能够在培养基上生长，所以该方法不可避免地低估了土壤微生物的数量[8]。

Martilainen[9]在1948年提出了显微计数法。该法是将待测土样制成悬浮液，置于一种特定的载玻片上，于显微镜下直接观察计数，根据微生物体积、数量、密度及干物质含量计算其生物量，并且根据其形态大致判断土壤中真菌和细菌的比例。显微计数法直观、简单，但计数费时、费力，不适宜用作大批量的常规分析，因此现在已较少使用。

1.2 熏蒸系列方法

熏蒸培养法(FI)：Jenkinson和Powlson[10]提出了利用氯仿熏蒸培养法测定土壤微生物量碳，发现用氯仿熏蒸土壤后再进行培养时，其CO2的释放量大幅度增加，根据被杀死的土壤微生物细胞因矿化作用而释放的CO2的量可以估计土壤微生物量碳。Shen等[11]发现土壤经熏蒸并培养时，有大量无机氮释放，而提出氯仿熏蒸通气培养法。通过测定在培养期间土壤无机氮的增加量，来估算土壤微生物量氮的含量。熏蒸培养法操作简单、误差小，适于常规分析。对于大多数的土壤，该法的测定结果与计算法测定结果比较一致，较为可信。但该法也存在一些弊端：较难选择空白对照；培养时间较长；不适用于风干土壤、游离CaCO3含量高的土壤、淹水土壤、pH<4.5的土壤以及新近施过有机肥或绿肥的土壤的测定。

熏蒸浸提法(FE)：Brookes等[12]在熏蒸培养法的基础上提出了熏蒸浸提法，利用不同的浸提剂，通过氧化滴定法来测定熏蒸与不熏蒸土壤中可提取氮、磷、硫的差值，计算出土壤中微生物量氮、磷、硫。Vance等[13]首次将该法用于测定土壤微生物量碳。目前，Wu等[14]使用总有机碳分析仪(TOC)来代替传统的氧化滴定法，使土壤微生物量的测定更加简便、快速、可靠，但仪器较为昂贵。熏蒸浸提法比熏蒸培养法更加简单、快速，适用于大量样品的测定。熏蒸浸提法一次提取可同时测定土壤微生物量碳、氮、磷、硫；也适用于酸性、中性、渍水土壤以及新近施过有机肥的土壤微生物量的测定，并且可以与同位素结合研究土壤的碳、氮、磷、硫的循环及其转化，是现今研究土壤微生物量的主要测定方法。

1.3 生理和生物化学方法

底物诱导呼吸法(SIR)：Anderson和Domsch[15]提出了底物诱导呼吸法，向土壤中加入足够的葡萄糖诱导呼吸，使微生物量酶系统达到饱和，此时CO2的释放速率与微生物量的大小呈线性相关，可以快速测定土壤微生物量。底物诱导呼吸法在加入葡萄糖的同时，可以分别加入细菌或真菌抗生素，以选择性地抑制细菌或真菌的基质诱导呼吸，从而估计土壤中细菌和真菌的比例。该方法由于简单快速被广泛应用，但也存在一定的局限性，如该法只能用于测定土壤微生物量碳，且容易受土壤pH值和含水量的影响。

比色法：Ladd和Amato[16]首先提出了通过测定260 nm紫外吸光度的增量来反映土壤微生物量的大小。Nunman等[17]在比色法的基础上进行了改进，通过测定280 nm熏蒸和未熏蒸土壤浸提液的紫外吸光度的差值来衡量微生物量碳、氮、磷。比色法操作简便、快速，费用低。但比色法要求浸提后立即进行比色，其转换系数需要大量的试验来确定。另外，比色法测定的吸光度会随着新鲜底物的加入而增大。

ATP分析法：Jenkinson等[19]提出了ATP分析法，提取微生物细胞所含的ATP，通过荧光素-荧光素酶法测定其ATP的量，然后将其换算成土壤微生物量。该法能够直接测定土壤中某些物质的含量，粗略估算土壤微生物量，简单快速，适合于大量样品分析，是一种比较有效的测试手段。

本文中所列参考文献大量使用氯仿熏蒸浸提法和平板计数法。

2 各养分管理措施对土壤微生物量的影响

2.1 施无机肥对土壤微生物量的影响

2008年中国化肥的消费量达到5 239×104t(折养分，下同)，其中氮(N) 2 302.9×104t，磷(P2O5) 780.1×104t，钾(K2O) 545.2×104t，复合肥(N+P2O5+K2O) 1 608.6×104t[20]。化肥对土壤微生物量的影响较为复杂，目前关于施用无机肥对土壤微生物的影响说法并不完全一致。大部分研究说明施用无机肥可以提高土壤微生物量和活性，土壤微生物量碳、氮、磷等指标都有所增加，具体效果会因为肥料种类、用量或不同肥料之间的配合方式而有所差异。

大量研究表明，长期单施化肥与不施肥相比，土壤微生物量有一定程度的增加[21]；而徐永刚等[22]的研究表明，长期施用化肥会明显降低土壤微生物量，导致土壤质量的下降(见表1)。在一定范围内，土壤微生物量会随氮肥施入量的增加而增加，而过量施用氮肥会抑制土壤尿酶活性和放线菌、好气自生固氮菌及纤维素分解菌数量的增长[23]。当氮肥用量超过225 kg/hm2时，会降低微生物量氮；当磷肥用量达225 kg/hm2时，对微生物量则产生明显的抑制作用[24]。另外，也有研究表明，长期施用无机氮肥对土壤微生物量碳并无显著影响[25]。

施用磷肥一般对土壤微生物量影响不明显[26]，但也有在实验室培养中发现磷肥使微生物量降低或增加的报道[27]。Zhong等[28]研究指出，施用磷肥或氮磷肥配施均能增加土壤微生物数量，而施用钾肥对微生物的特性影响不明显。Lupwayi等[29]认为，含硫化肥对土壤微生物有直接的有害影响或通过作物生长而产生间接的有益影响，后者可能是由于含硫化肥能够促进根际中营养物质的分泌。大量研究表明，无机氮、磷、钾肥配合施用可显著提高微生物量[22,30-31]。另外，有研究表明，在施用无机氮、磷、钾肥的基础上配施硅肥能显著增加细菌数量，而增施无机磷肥反而降低细菌的数量[32]。

总之，施用不同种类无机肥对土壤微生物的影响是复杂的，可能与无机肥的种类、施用方式(施用量、长期施用或短期施用)、土壤类型和利用方式等因素有关。施用无机肥对土壤微生物多样性的影响还有待深入研究。

表1 施用无机肥对土壤微生物量的影响

续表1

2.2 施用有机肥对土壤微生物量的影响

按照2008年畜牧业生产和作物生产状况，全国有机肥料资源量约49.5×108t，其中人畜粪尿40.2×108t，占81.2%；秸秆8.1×108t，占16.4%；饼肥2 628×104t，占0.5%；绿肥9 339×104t，占1.9%；有机资源养分约为当年化肥消费量的1.414倍[20]。有机肥输入对土壤微生物的影响远高于化肥。有机肥的施用一方面为微生物提供外来的碳源、氮源、无机盐等营养物质，促进微生物的生长和繁殖；另一方面还能改善土壤的理化性状，有利于土壤团聚体的形成，加强了对微生物的保护[42]。

大部分研究表明，有机肥的施入会增加土壤微生物量。前人研究(表2)认为，施用有机肥料可以显著提高土壤微生物量碳、氮的含量，并且随着有机肥施用量的增加，效果越明显[40]。Marinari等[39]的研究也表明，有机肥处理会导致土壤微生物量上升、改善微生物栖息地环境以利于其寿命和活力的提升。Ladd等[43]研究了有机物料施入土壤中的不同方式对土壤微生物量的影响，结果表明，有机残体表施或混入土壤中，土壤微生物量没有多大变化；而有机残体燃烧与施入相比则差别显著。

秸秆还田作为施用有机肥的一种重要且有效的方式，既可以避免资源浪费和环境污染，同时也可以增加土壤有机质和养分的含量、提高土壤孔隙度、降低土壤容重，还可以提高土壤微生物量及活性，有效地提高了肥料的利用效率，从而使作物更好更快地生长，提高作物产量[44]。秸秆覆盖与土壤微生物之间的作用是相互促进的，一方面秸秆覆盖增加了土壤微生物量，提高微生物的活性；另一方面土壤微生物量及活性的提高也会加快秸秆的腐解[45]。秸秆还田可显著提高土壤微生物量。但也有研究(表2)表明，单施秸秆并不利于土壤微生物量碳的增加，要配施一定量的氮肥[43]。在秸秆还田过程中，施用微生物菌剂对土壤微生物群落组成能够产生一定的影响[42]。李莉[46]的研究表明，秸秆腐熟剂能明显促进秸秆分解转化，使土壤中的真菌、细菌、放线菌总数及功能菌(自生固氮菌、硝化细菌、纤维素分解菌)菌数比仅添加秸秆的对照明显增多。但也有研究表明，微生物制剂并未对秸秆腐解产生明显的影响[47]。这可能是因为本研究的环境条件已充分满足了秸秆腐解的需要，微生物制剂难以发挥作用；另一方面，可能是微生物制剂用量偏低或是腐熟功能菌在氧气不足的条件下生长与繁殖受阻而未显示出效果。

施用有机肥不仅是改善土壤理化性质和提高作物产量的一项有效措施，更大的意义在于能够有效地改善土壤微生物群落结构，为作物稳产高产创造良好的土壤生态环境，但并不代表有机肥施入越多越好，施用时应适度。

表2 施用有机肥对土壤微生物量的影响

2.3 有机、无机肥配施对土壤微生物量的影响

无机肥和有机肥的合理配施，为土壤提供了充足的有机碳源、氮源、无机盐等营养物质，改善了土壤的物理性状，同时为微生物生长提供了N、P、K等对微生物代谢有重要作用的化学元素，从而促进土壤微生物大量生长和繁殖。

化肥与有机肥的长期配合施用与单施有机肥或化肥相比，显著增加了土壤微生物量碳、氮，从而促进土壤微生物量显著增长[7,38]。王英等[47]的研究(表3)表明，施用有机肥是引起微生物数量增加、有机质含量提高的主要因素，有机肥的施用不仅可以提高土壤微生物总数，还可增加细菌、真菌的数量；杨艳菊等[49]经过24年长期定位施肥后发现，栗褐土可培养微生物的总量显著提高，其中有机肥配施无机肥对提高微生物数量的效果最为显著。另外，不同的肥料配比与种类对土壤微生物量的影响也不相同。刘恩科等[36]指出，长期施肥可提高土壤微生物量碳、氮，在配施有机肥的处理中，氮、磷、钾配施有机肥效果优于配施作物稻秆处理；张玉平等[50]指出有机肥与化肥配施，尤其以猪粪堆肥与化肥配施，更有利于提高稻田土壤中微生物量碳、氮含量。

表3 有机、无机肥配施对土壤微生物量的影响

续表3

5 小 结

任何对土壤中微生物的扰动都可能影响土壤的长期生产力，并可能产生严重后果。为了农业的可持续发展，在农业活动中应注意保护土壤微生物。本研究结果表明，肥料类型、施肥处理年限长短、施肥水平高低及施肥具体应用措施都会造成土壤成分的变化，进而影响土壤中微生物的生长及繁殖。因此，在具体实践中，应根据实际情况制定科学有效的施肥方案，为有益种群的生长繁殖创造有利条件，以提高施肥效率。

大量研究表明，施用无机肥可促进作物根系的生长，提高土壤有机质的数量，从而促进土壤微生物的活动，维持或增加作物产量；但过量施用无机肥会抑制土壤微生物活性。实际上，施用无机肥料对土壤微生物的活性及多样性的影响仍存在争议，在不同土壤类型和利用方式下无机肥的施用对土壤微生物多样性的影响还有待于更深入地研究。施用有机肥不仅带入了大量微生物活体，还提供了大量的有效的碳源与能源，对土壤中各种有益微生物的生长发育均具有良好的促进作用，提高了土壤的生物活性，有利于土壤的可持续利用；但过量施用有机肥也不能促进微生物活性。有机肥与化肥的长期配施既补充了有机碳源又改善了土壤的理化性质，为土壤微生物的生长提供良好的环境条件，大大刺激了土壤微生物的活性，促进土壤微生物多样性和总量的增加，还能增进土壤肥力，提高土壤质量，符合可持续农业的发展要求。

综上所述，由不同养分管理措施对土壤微生物的影响可以看出，有效的养分管理措施不仅可以改变土壤微生物的微生态环境，对保持土壤肥力、维持生态平衡都具有重要的意义。化肥成分单纯、见效快，可以大幅度提高作物产量，但是肥效不持久；长期使用化肥，不仅不能满足农作物对多种养分的需求，并且会使土壤微生物量减少，导致土壤退化、环境污染；有机肥虽所含养分种类丰富，可提高土壤微生物量，但养分含量低、肥效慢，只靠有机肥也不能满足作物大幅增产的需求。因此，必须建立科学的有机、无机相结合的施肥制度，充分发挥不同肥料的效力，才能改善土壤的生物学特性，提高土壤的生物肥力，达到用地养地相结合，提高农田的生产力，实现农业可持续健康发展的目的。

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Effects of Nutrient Management on Soil Microbial Biomass in Farmland

YU Li1,2, YANG Dian-lin1, 2, LAI Xin1

(1.Agro-environmentalProtect.Inst.,Minist.ofAgric.,Tianjin300191; 2.Coll.ofHorticul.,ShenyangAgric.Uni.,Shenyang110866)

Soil microorganisms are closely related to soil quality, soil health, plant productivity and agricultural sustainable development. Any disturbance on soil microbes could affect a long-term productivity of the soil, and it might have serious consequences. Numerous results of studies showed that the type, period, level and mode of fertilizer application could change the composition of the soil, thereby affect soil microbial growth and reproduction. This paper briefly introduced several determination methods for microbial biomass and reviewed the influence of nutrient managements on soil microbial biomass in farmland eco-system, so as to understand the changes of soil quality under different soil nutrient management caused by the human exploitation on soil, to expect and to provide theoretic bases for the agricultural sustainable development and ecological environment protection.

nutrient management; soil microbe; microbial biomass; determination methods; research progress

“十二五”国家科技计划项目(2014BAD14B05)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(农业部环境保护科研监测所)

于丽 女，硕士研究生。研究方向为草地生态恢复建设与保护。E-mail:yupidou0826@163.com

* 通讯作者。男，副研究员，硕士。研究方向为生物多样性的生态安全。Tel: 022-23611803，E-mail:laixin@caas.cn

2014-10-14；

2014-11-17

Q939.96

A

1005-7021(2015)04-0072-08

10.3969/j.issn.1005-7021.2015.04.013