符鲜，杨树青*，刘德平，刘月

1. 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2. 东北农业大学水利与土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150030

土壤微生物是农田生态系统中极其重要和最为活跃的部分，是土壤有机体和无机体转化的作用者，直接或间接地参与土壤转化和循环的各个过程，是构成土壤肥力的重要因素（徐永刚等，2010）。土壤微生物量是土壤中有机质养分一种短暂而最有效的贮存形式，也是土壤养分的源和库，可以作为土壤有机质的变化和土壤肥力的重要的生物学指标（Ritz et al.，1989）。土壤微生物量可用微生物量碳和微生物量氮表征，虽然微生物量碳、氮分别占土壤总碳和全氮的量极少，但它们直接或间接地参与几乎所有的土壤生物生化过程，在土壤物质和能量循环中起着重要的作用（Nsabimana et al.，2004），是土壤养分的储存库和植物生长养分的重要来源（Spedding et al.，2004）。由此可见，微生物在农田生态系统中具有重要作用，可以采用土壤微生物参数值来评价土壤质量和肥力（赵彤等，2013）。

近几十年来，内蒙古河套灌区在农业生产过程中化肥用量逐年加大，使得土壤有机质呈下降趋势，土壤养分大量流失，肥料利用率降低，还造成了严重的面源污染。在河套灌区针对施肥开展的研究较多，如肥料对土壤性质、作物生长的影响（赵倩，2013；吕一甲等，2015；史海滨等，2014），以及水肥耦合（田德龙，2011）、水氮迁移规律（郭富强，2012；闫建文，2014）、肥料利用效率（刘德平等，2014a；2014b）等研究，但从微生物学的角度研究施肥效应的报道很少。因此，本研究通过研究不同施氮水平下套作小麦（Triticum aestivum L.）-玉米（Zea mays L.）土壤微生物生物量的动态变化，揭示其在作物整个生育期的变化规律及其随施氮量变化的规律，为改善土壤肥力和土壤质量、提高肥料利用效率、减轻农业面源污染及农业生产中定量施氮提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于内蒙古自治区磴口县坝楞示范基地进行，属盐渍化灌区，该示范基地位于内蒙古河套灌区的西南部（107°05′E，40°13′N），是典型的大陆性季风气候区，全年降水量少、蒸发量大、日照时间长，年平均降雨量为138.2 mm，年均蒸发量为2381 mm，年平均日照时数为3180 h，太阳总辐射量为 6200 MJ·m-2，年平均气温为5.6～7.8 ℃，年平均风速为 2.5～3 m·s-1，多年平均无霜期为130～168 d。试验区耕层土壤类型为粉沙壤土，试验前表层0～20 cm土壤基本性质为：有机质为 10.84 g·kg-1，全氮为 0.58 g·kg-1，速效磷为 3.2 mg·kg-1，速效钾为 312.1 mg·kg-1，EC 值为 0.81 ms·cm-1，pH 值为 8.29。

1.2 试验设计

试验区选择具有代表性的盐渍化耕地布置田间试验，采用套作小麦-玉米的种植方式。试验共设4个施氮水平，分别为：N0（小麦、玉米都为 0 kg·hm-2）；N1（小麦 90 kg·hm-2，玉米 135 kg·hm-2）；N2（小麦 180 kg·hm-2，玉米 270 kg·hm-2）；N3（小麦 270 kg·hm-2，玉米 405 kg·hm-2）。随机区组试验设计，3次重复，小区面积为6 m×12 m。小麦播种机宽1.3 m，种2个小麦带；玉米每膜宽1.1 m，种3膜玉米，1膜2行，株距约35 cm，行距45 cm；小麦与玉米的种植比例为 3∶4。试验中氮肥、磷肥分别为尿素和磷酸二胺，小麦试验中N肥的50%与全部的磷肥在播种前施入，其余50%的N肥在一水前追施；玉米试验中N肥的40%及全部的磷肥在播种前施入，在套作小麦-玉米的三水、四水、五水前分别施入其余N肥的20%、20%、20%作为追肥。灌水日期分别为5月6日（一水），5月21日（二水），6月10日（三水），6月19日（四水），7月8日（五水），8月11日（六水）。

1.3 样品采集与测定方法

土壤样品采集时间根据作物生育期进行，分别为作物的苗期（小麦4月28日，玉米5月20日）、拔节期（小麦5月20日，玉米6月8日）、抽穗（雄）期（小麦6月8日，玉米7月17日）、灌浆中期（小麦6月18日，玉米8月23日）、成熟期（小麦7月8日，玉米9月19日）。采用五点取样法采集0～20 cm土层土样，混合均匀后过2 mm筛，筛完后一部分土装袋并于4 ℃冰箱中保存，用于测定细菌、真菌、放线菌数量，测定时间均在取土后一个月内；另一部分土自然风干后用于测定土壤养分含量。

土壤微生物量碳氮的测定方法：采用氯仿熏蒸培养法（吴金水等，2006）。将土壤样品用去离子水调节土壤湿度至40%田间持水量，在25 ℃下预培养7～15 d。称取经前处理相当于50 g烘干基的新鲜土壤，置于80 mL烧杯中，放入盛有去乙醇氯仿、NaOH溶液的真空干燥器中，把真空度控制在0.07 MPa以下，使氯仿剧烈沸腾3～5 min。关闭真空干燥器阀门，在25 ℃暗室中放置24 h。培养结束时，取相当于烘干基 12.5 g的土壤，加入 50 mL 0.5 mol·L-1K2SO4溶液（土水比 1∶4），充分振荡 30 min，用慢速定量滤纸过滤。土壤微生物生物量碳BC=FC/kC，其中FC为熏蒸与未熏蒸土壤在培养10 d内释放的 CO2-C差值；kC为转换系数，一般取值0.38。土壤微生物生物量氮 BN=FN/kN，其中 FN为熏蒸与未熏蒸土壤矿质态氮的差值；kN为转换系数，一般取值0.45。

1.4 数据分析

运用Excel 2003软件进行数据处理，SPSS 19.0软件进行方差分析和回归分析，多重比较采用LSD多重比较法。

2 结果与分析

2.1 施氮水平对土壤微生物量碳的影响

2.1.1 施氮水平下土壤微生物量碳的动态变化

套作小麦土壤微生物量碳在整个生育期表现为（表 1）：在拔节期出现峰值，抽穗期微生物碳开始下降，至成熟期土壤微生物量碳又有所回升。拔节期前有灌水追肥，土壤中的碳源能同时满足小麦生长和微生物生长的需要，加之气温回升，微生物生命活动旺盛，微生物利用土壤中的碳源构建自身细胞并大量繁殖的能力加强。拔节期以后，小麦对土壤养分的需求增强，土壤中的碳源开始相对缺乏，致使微生物矿化加速而释放碳，因此微生物量碳含量降低。成熟期小麦不再从土壤中吸收养分，土壤中的碳源又重新被微生物利用，因而微生物量碳含量又增加。

套作玉米土壤微生物量碳随着生育时期的推进呈先增加后降低的趋势（表 1），拔节期土壤微生物量碳为684.0～2078.9 mg·kg-1，抽雄期玉米土壤微生物量碳含量达到最高，为 2210.0～8580.0mg·kg-1。玉米在生长旺盛时期对养分的需求强烈，使得根系生长加快，代谢增强，根系分泌物、脱落物增加，为抽雄期微生物的繁殖累积了丰富的有机物质。灌浆期玉米生殖生长加快，对养分的需求增加，土壤中能供微生物利用的碳素减少，因而土壤微生物量碳含量下降。

表1 不同施氮水平下土壤微生物量碳的变化Table 1 Changes of the microbial biomass carbon under different nitrogen levels

套作小麦、玉米土壤微生物量碳含量随着施氮水平的提高而增加，各处理间差异均达到显著水平（P＜0.05），在N2处理水平下微生物量碳含量最高，小麦、玉米微生物量碳含量均值分别达到了1563.0、3855.78 mg·kg-1，小麦 N2处理较 N0处理增加了 53.7%，玉米 N2处理微生物量碳的含量是N0处理的 2.61倍；但 N3处理微生物量碳下降为1947.0 mg·kg-1（小麦）和 2897.20 mg·kg-1（玉米），较N2处理分别下降了16.5%、24.9%。由此表明，N2处理最有利于微生物的生长繁殖，施氮量过多反而不利于土壤微生物量的增加。小麦土壤微生物量碳含量明显低于玉米，说明玉米对土壤中碳源的利用能力更强。

2.1.2 土壤微生物量碳与施氮量的回归方程

对套作小麦-玉米土壤微生物量碳随施氮量的变化规律采用一元二次多项式进行回归分析，其中y为各生育期土壤微生物量碳平均值，x为施氮量，a、b、c为待定系数，得到回归方程如下：

小麦：y=-0.0191x2+6.336x+1003.8 (R2=0.978)

玉米：y=-0.025x2+14.393x+1323.8 (R2=0.834)

通过分析以上一元二次回归模型的检验系数R2，可知套作小麦-玉米条件下，施氮量对土壤微生物量碳具有显著影响。根据边际分析原理，当套作小麦玉米微生物量碳取最大值时的最佳施氮量，小麦：N-165.9 kg·hm-2，微生物量碳-1529.25 mg·kg-1；玉米：N-287.9 kg·hm-2，微生物量碳-3395.38 mg·kg-1。过量施氮会使小麦、玉米土壤微生物量碳含量下降。

2.2 施氮水平对土壤微生物量氮的影响

2.2.1 施氮水平下土壤微生物量氮的动态变化

土壤微生物量氮在小麦全生育期内呈现出“升-降-升”的趋势（表2），苗期到抽穗期土壤微生物量氮含量逐渐增加，抽穗期土壤微生物量氮达到最大值，在拔节期前对小麦进行灌水追肥，增加了土壤水分和有效氮，促进了根系代谢的加强，分泌物增多，微生物利用土壤中较充足的有效氮和碳源进行生长繁殖，而抽穗期小麦对土壤中养分的需求量减少，微生物对氮素的固持作用增加，小麦土壤微生物量氮出现峰值。灌浆期小麦土壤微生物量迅速下降，最大下降幅度达到了84.7%，其原因是灌浆期小麦处于需要吸收大量养分以满足自身生长的生殖生长阶段，土壤中氮素被小麦大量吸收消耗，这时微生物可能还要矿化出一部分微生物量氮来供作物吸收利用，土壤微生物量氮大量减少。至成熟期，小麦根系生命活动减弱甚至停止，此时气温较高，土壤中微生物代谢活动加快，因而土壤微生物量氮含量又呈现增加趋势。

套作玉米土壤微生物量氮在玉米全生育期内的变化规律与微生物量碳的变化规律基本相同（表2），拔节期和灌浆期土壤微生物量氮含量处于低峰，此时是玉米营养生长的关键时期，为满足自身的生长玉米需从土壤中吸收大量的养分，减少了对微生物养分的供给，土壤中养分的减少可能导致微生物对氮素矿化作用大于固定作用，从而导致土壤中微生物量氮含量降低。抽雄期土壤中的有效养分充分满足玉米的生长和微生物的生长繁殖，同时，根系代谢活动旺盛，根系的分泌物增多，使微生物代谢加快，微生物对氮素的固持能力明显加强。

表2 不同施氮水平下土壤微生物量氮的变化Table 2 Changes of the microbial biomass nitrogen under different nitrogen levels

套作小麦各处理土壤微生物量氮平均含量在13.75～45.2 mg·kg-1之间波动，最大值与最小值相差3.29倍多，各处理间差异均显著；而套作玉米各处理土壤微生物量氮平均含量的值仅为3.35～18.01 mg·kg-1，最大值与最小值相差 5.38 倍，各处理间差异显著；小麦土壤微生物量氮含量均值大于玉米，小麦对土壤中氮素的固持能力强于玉米；玉米最大值与最小值相差幅度大于小麦，施氮更有利于提高玉米土壤微生物量氮含量。此外，随着施氮水平的增加，土壤微生物量氮含量呈先增加后降低趋势，施氮均能提高小麦、玉米土壤微生物量氮含量；在N2处理水平时出现拐点，N3处理水平土壤微生物量氮含量减少，适量施氮可促进微生物同化作用使得微生物量氮含量增加，而过量的氮肥使微生物同化作用释放的氮向有机氮转化。

2.2.2 土壤微生物量氮与施氮量的回归方程

对套作小麦-玉米土壤微生物量氮含量随施氮量的变化规律采用一元二次多项式进行回归分析，其中 y为各生育时期土壤微生物量氮含量的平均值，x为施氮量，a、b、c为待定系数，得到回归方程如下：

小麦：y=-0.0008x2+0.300x+11.361 (R2=0.777)

玉米：y=-0.0002x2+0.091x+2.548 (R2=0.886)

通过分析以上一元二次回归模型的检验系数R2，可知套作小麦玉米条件下，施氮量对土壤微生物量氮含量具有显著影响。根据边际分析原理，当套作小麦-玉米微生物量氮含量取最大值时的最佳施氮量，小麦：N-187.5 kg·hm-2，微生物量氮-39.49 mg·kg-1；玉米：N-227.5 kg·hm-2，微生物量氮-12.90 mg·kg-1。过量施氮会使小麦、玉米土壤微生物量氮含量下降。

3 讨论

土壤微生物量氮反映土壤氮素的有效性，反映土壤供氮能力的大小（任天志等，2000），综合体现了土壤微生物对氮素的矿化与固持作用，对土壤氮的供应、氮素的循环与转化具有重要作用（王光华等，2007；单鸿宾等，2010）。微生物生物量碳在土壤全碳中所占比例很小，但它是土壤养分转化的活性源或库，是土壤有机质中的活性部分，是组成土壤腐殖质的重要碳源，可反映土壤有效养分状况和生物活性的变化（张明等，2007），是评价土壤肥力和质量的重要指标（李东坡等，2004a）。土壤微生物量碳含量的变化反映了微生物利用土壤碳源构建自身细胞而大量繁殖使有机碳矿化的过程（张奇春等，2005）。土壤微生物量碳、氮含量与土壤中碳、氮元素的循环有密切关系（Turner et al.，2001），同时，土壤微生物量碳、氮的转化速率较快，可直接或间接地反映土壤肥力和土壤环境的变化，是比较敏感的生物学指标（Vig et al.，2003）。李东坡等（2004a；2004b）对生长季土壤微生物量碳氮的动态变化的研究结果表明，施肥提高了土壤微生物量碳、氮的含量，有些处理的土壤微生物量碳、氮含量在抽雄吐丝期出现最大峰值。也有研究表明，玉米土壤微生物生物量碳氮含量在拔节期最低，抽雄期最高（侯化亭等，2012）。于树等（2007）监测了不同施肥处理土壤微生物量碳、氮在玉米 6个生育期内的变化，结果表明各处理土壤微生物量碳氮在玉米抽雄期均表现出较高的水平。本研究结果也表明，不同施氮水平下玉米微生物量碳、氮含量均在抽雄期达到最高，与上述的研究结果一致。

有研究认为，氮肥是影响微生物量碳、氮的主要因素，适量施用氮肥能有效提高土壤微生物量碳、氮含量，但过量施用氮肥反而会降低土壤微生物量氮含量（梁燕菲等，2013；Shen et al.，1989）。还有研究认为，土壤微生物量氮含量与土壤的供氮水平关系密切，土壤含氮量高可加大微生物对氮的固持，从而提高土壤微生物量氮含量，但并不是土壤中氮含量越高微生物量氮也越高（庞欣等，2000）。本研究表明，土壤微生物量碳、氮含量均随着施氮水平的升高呈现出先增加后降低的趋势，这与已有的研究结果（侯化亭等，2012）基本一致。此外，本研究还表明，在N2处理水平下土壤微生物量碳、氮含量最高，适宜的土壤含氮量可以提高微生物对土壤中碳源的利用和对土壤中氮素的固持，但土壤中过高的含氮量则会抑制微生物的代谢和生命活动。

有研究对不同氮磷配比对微生物量的影响进行回归分析，结果表明，氮肥是影响微生物量的主导因素，低氮对微生物量的负效应低于高氮，即氮肥对微生物量的负效应随着施氮量的增加而增加（王继红等，2004）。本研究的土壤微生物生物量含量与施氮量的回归分析表明，土壤微生物量含量与施氮量之间表现为显著的二次型回归关系，由回归方程可知，适宜的氮肥施用量对微生物量碳、氮的负效应较低，即适量施用氮肥显著增加土壤微生物量碳、氮含量；根据边际分析及综合土壤微生物量碳、氮，推荐小麦最佳施肥量为 165.9～187.5 kg·hm-2，玉米最佳施肥量为 227.5～287.9 kg·hm-2。

4 结论

套作小麦土壤微生物量碳含量在拔节期出现峰值，抽穗期微生物量开始下降，至成熟期土壤微生物量碳又有所回升；土壤微生物量氮含量在小麦全生育期内呈现出“升-降-升”的趋势，苗期到抽穗期土壤微生物量氮含量逐渐增加，抽穗期达到最大值。套作玉米土壤微生物量碳、氮含量均随着生育时期的推进呈先增加后降低，抽雄期玉米土壤微生物量碳含量达到最高。

土壤微生物量碳、氮含量均随着施氮水平的升高呈现出先增加后降低的趋势，在N2处理水平（小麦 180 kg·hm-2，玉米 270 kg·hm-2）下达到最高，适宜的土壤含氮量可以提高微生物对土壤中碳源的利用和对土壤中氮素的固持，但过高的含氮量则会抑制微生物的代谢和生命活动。

土壤微生物量与施氮量之间表现为显著的二次型回归关系，适量施用氮肥可显著增加土壤微生物量碳、氮含量。根据边际分析及综合土壤微生物量碳、氮，推荐小麦最佳施肥量为 165.9～187.5 kg·hm-2，玉米最佳施肥量为 227.5～287.9 kg·hm-2。