我国是农业大国亦是化肥消费大国,其中氮肥对作物的生长发育、产量和品质起着不可替代的作用[1]。据统计,1980-2017年我国农用化肥施用总量由1269.4万t增长至5859.4万t,化肥施用总量增加了361.59%,其中氮肥施用量增加了137.83%[2]。氮肥过量、不合理施用不仅未促进作物产量持续增加,反而导致我国氮肥当季利用率仅为30%～40%,不仅低于世界平均水平,而且明显低于欧美等发达国家水平[3,4],且引发土壤质量恶化,导致氮素流失,造成农业面源污染等一系列问题[5,6],尤其在多熟种植生产中,这一问题显得更为严重。随着全球气候变暖,北疆伊犁河谷地区的种植模式逐渐由“一年一熟”向“一年两熟”发展[7,8]。当地农民对复播作物施肥时,为了获取复播大豆高产,未考虑前茬作物氮肥的后效作用和复播大豆自身的固氮作用,一味以高投入高产出的施肥习惯,加大复播大豆的氮肥投入量,导致氮素损失加重以及氮肥利用率降低,造成农田土壤供肥能力下降和环境恶化。因此,前茬作物氮肥施用对后茬土壤乃至后茬大豆产量的影响,是复播作物合理施用氮肥、良化土壤环境、促进作物高产亟待探究的重要问题。

氮元素不仅是作物生长所需的重要元素,也是影响土壤微生物群体结构的主要因素;微生物不仅对土壤环境变化十分敏感,而且在土壤肥力的形成和发展中充当重要的角色[9]。土壤中不同类群的微生物能感知氮肥引起土壤性质的改变从而做出不同的响应[10,11],进而对土壤肥力造成影响[12]。土壤中细菌、真菌、放线菌数量之间的比值可作为衡量土壤肥力的指标。B/F是细菌与真菌的比值,A/F是放线菌与真菌的比值,其比值的高低可反映土壤肥力的高低;B/F和A/F值高,说明细菌和放线菌密度高,土壤肥力较高,反之则低[13]。众多学者对农田不同种植制度下施氮对土壤微生物及其后效的影响开展了大量研究,一方面表明,微生物的数量与施氮量有关[14],且施氮量对土壤中细菌、真菌、放线菌[15]及氮素生理群[16]的数量产生有促进或抑制作用,从而影响土壤肥力和氮素循环[17];另一方面发现,氮肥有显著的后效作用[18,19,20]。李世清等[21]研究表明,在小麦-玉米周年轮作体系下,施入土壤的氮肥不仅有利于当季作物增产,在当季作物收获后残留于土壤中的氮素还可被后季及多季作物吸收利用。以上研究多集中于单季作物的连作[22],不同作物的间、套作施氮对微生物区系的影响[23,24],关于周年轮作体系施氮的研究大多集中于氮素积累、分配运移及利用率等方面[25,26],对微生物区系的研究鲜有报道。本试验在前人研究的基础上,探究北疆伊犁河谷地区冬小麦-夏大豆周年轮作种植模式下,小麦生长季不同施氮水平对复播作物产量及土壤微生物区系的后效影响,以期为周年轮作模式下后茬大豆合理施用氮肥提供理论依据。

1、材料与方法

1.1试验地概况

于2016年10月至2017年9月、2017年10月至2018年9月连续两年在新疆维吾尔自治区(以下简称“新疆”)伊犁哈萨克自治州伊宁县农业科技示范园进行。该示范园位于伊犁河谷中部(44°N,81°E),属中温带干旱型内陆山地气候,近两年平均气温9℃,平均日照时数2800～3000h,年均降水量257mm,无霜期169～175d。试验地地势平坦,土壤类型为壤土,试验区0～20cm耕层土壤基本理化性质如表1所示。

表1试验区0～20cm耕层土壤基本理化性质

1.2试验设计

试验采用单因素随机区组设计,以冬小麦季施氮量为单因素,设置4个施氮水平,分别为CK(0kg·hm-2)、N1(225kg·hm-2)、N2(375kg·hm-2)、N3(525kg·hm-2)。供试氮肥为尿素(含N46%),施氮量的40%做基肥,剩余60%氮肥以追施的形式于冬小麦拔节期、抽穗期各按施氮量的30%随水滴施。各处理3次重复,共12个小区,每小区面积为5m×4.5m。冬小麦播种前结合翻地施入重过磷酸钙204kg·hm-2,各处理在夏大豆季于始花期一次性随水滴施尿素150kg·hm-2,两季作物灌溉均为滴灌,其他田间管理措施同当地大田常规栽培。

于冬小麦播种前,试验区所有处理均采用五点取样法,采集0～20cm耕层的混合土样,自然风干后用于测定土壤基础理化性质;复播大豆成熟收获前,试验区各小区均采用五点取样法,采集0～20cm耕层的混合土样,土壤样品混匀后装入无菌纸袋,立即带回实验室,用于各小区微生物区系的测定。

1.3测定项目与方法

1.3.1微生物区系

采用稀释平板法测定土壤细菌、真菌和放线菌数量。细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基;真菌采用马丁氏培养基;放线菌采用改良高氏Ⅰ号培养基。将盛有10g新鲜土壤和90mL无菌水的三角瓶放在HY-5回旋震荡器(金坊市医疗仪器厂,江苏)上震荡20min,使土样均匀地分散在稀释液中成为土壤悬液,土壤悬液接种采用混菌法。

氨化细菌、硝化细菌、反硝化细菌和好气性固氮菌土壤氮素生理群采用最大或然数法。选择4个相连的稀释度,将不同的土壤悬液分别接种至装有不同培养基的试管中。氨化细菌选择蛋白胨氨化培养基;好气性自生固氮菌采用阿须贝氏培养基;硝化细菌采用改良的斯蒂芬森培养基;反硝化细菌采用反硝化细菌培养基。土壤中硝化细菌数量的测定,一般情况下只测定亚硝酸细菌的数量,即能说明硝化细菌的数量。

以上试验均在无菌条件下进行,氮素生理群的数量指标和近似值查3次重复测数统计表[27]得出,结果以CFU·g-1干土表示。

1.3.2大豆产量的测定

复播大豆成熟后,在每处理每重复选取具有代表性的连续10株大豆进行考种,并测定单株荚数、单株粒数、百粒重;另在每个试验小区进行实收测产。

1.4数据分析及处理

采用MicrosoftExcel2010处理数据,Origin8.5制图,SPSS19.0软件进行方差分析和相关性分析,不同处理之间的多重比较采用Duncan新复极差法(P<0.05)。

2、结果与分析

2.1冬小麦施氮水平对复播大豆土壤三大类微生物的影响

2.1.1冬小麦施氮量对复播大豆土壤三大菌群数量及其组成比例的影响

不同施氮量对后茬作物大豆土壤中三大菌群数量及其组成比例均有影响。由表2可知,2017-2018年各处理复播大豆土壤微生物总数量均以细菌为主,占微生物总量的84.31%～93.67%;其次为放线菌,占微生物总量的5.52%～15.62%;真菌最少,仅占0.07%～1.09%。进一步比较各处理土壤微生物总数可知,不同年度各处理复播大豆土壤微生物总数均随着麦季施氮量的增加呈先上升后下降的趋势,均在N2达到最高,且与不施肥的CK和施肥量最高的N3达差异显著水平(P<0.05),但N1与N2之间无显著差异(P<0.05)。表明冬小麦N1、N2施氮处理有利于复播大豆土壤微生物总数的积累,但麦季施氮量过高或不施,不利于大豆土壤微生物总数的增加。

进一步分析不同施肥处理下各类微生物数量可知,各处理不同类微生物的数量均高于CK,且土壤中占绝对优势的细菌数量的变化与土壤微生物总数的变化规律一致,细菌数量在两年试验中均以N2最高,且与CK、N3差异显著,但N1与N2之间无显著差异。土壤真菌数量与细菌两年的变化趋势一致,均以N2最高,较CK平均增加80.28%,且均与CK差异显著。而土壤放线菌数量两年均以N1最高,较CK平均增加82.63%。综上所述,前茬冬小麦氮肥的施用量对后茬作物土壤微生物各类群数量均有后效作用。麦季中等施氮量(N1、N2)处理有助于复播大豆土壤细菌、放线菌数量的增加,但施氮量过高对土壤细菌和放线菌数量有不同程度的抑制作用。真菌数量总体表现为麦季多施氮肥高于不施氮肥或少施氮肥。

表2冬小麦不同施氮水平下复播大豆土壤微生物数量及组成比例

注:同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

2.1.2冬小麦施氮水平对复播大豆土壤微生物菌群结构的影响

由表3可知,复播大豆土壤B/F和A/F连续两年均随冬小麦施氮量的增加呈先上升后下降的趋势,均在N1时为最大值,其B/F较CK平均增加10.39%,A/F较CK平均增加29.25%,且基本与CK达到差异显著水平,冬小麦施肥会影响复播大豆的B/F和A/F。进一步分析各施肥处理之间,N2、N3的B/F较N1平均分别降低7.07%、37.05%,A/F平均分别降低28.78%、50.58%,说明冬小麦季中、高施氮量其复播大豆B/F和A/F较CK低。由此表明,冬小麦低量施氮能够提升复播大豆B/F和A/F,平衡土壤微生物菌群结构,有利于土壤肥力的提高,但冬小麦中、高量施氮反而会降低B/F和A/F。综上所述,冬小麦施氮量为225kg·hm-2(N1)时,有利于提高土壤中细菌和放线菌的丰度,从而起到改良土壤质量,培肥土壤的效果。

表3冬小麦不同施氮水平下复播大豆土壤微生物菌群结构的影响

2.2冬小麦施氮水平对复播大豆土壤微生物氮素生理群的影响

土壤中存在的各种与氮素有关的微生物,对农田土壤氮循环及转化起着重要的作用,可反映农田土壤有效氮的供应状况[28]。氨化细菌可促进有机氮矿化以便作物进行吸收和利用,而自生固氮菌可独立完成固氮作用以满足作物对部分氮素的需求。由图1-A、B可知,随着冬小麦施氮量的增加,各年份各处理复播大豆土壤氨化细菌、好气性自生固氮菌的数量均呈先增加后降低的趋势。进一步比较各处理可知,土壤氨化细菌数量均以N2最高,且与其他处理均达到显著差异水平。好气性自生固氮菌数量均以N1最高,除2017年N2外,与其他处理均差异显著,表明冬小麦适量施氮有利于后茬大豆土壤氨化细菌和好氧性自生固氮菌的生长繁殖,不施氮或高量施氮均不利于氨化细菌和好氧性自生固氮菌生长。综合两年试验数据可知,冬小麦季施氮量为225、375kg·hm-2(N1、N2)时,有利于复播大豆土壤氨化细菌和好气性自生固氮菌数量的增加,合理施氮为氨化细菌进行矿化分解和固氮菌自生固氮提供良好的土壤条件。

土壤中硝化细菌与反硝化细菌对土壤肥力及环境效应有着重要的意义。由图1-C、D可知,随着小麦施氮量的增加,复播大豆土壤中硝化细菌与反硝化细菌的数量均呈现不断上升的趋势。比较各处理之间可知,各施氮处理土壤硝化细菌和反硝化细菌数量(除2017年N1的反硝化细菌外)均与CK达到显著差异,施氮量最高的N3均与CK、N1差异显著,硝化细菌数量较CK增加114.22%,反硝化细菌较CK增加93.41%,但N3与N2无显著差异。进一步分析可知,虽然硝化细菌和反硝化细菌的数量会随着施氮量的增加不断上升,但在高氮水平下的增幅相对较小。由此表明,施氮能促进硝化细菌数量的增加,有助于土壤中氮的转化和作物吸收利用,但施氮过高会刺激硝化细菌和反硝化细菌略上升,可能对土壤生态环境产生不利影响。

2.3冬小麦施氮水平对复播大豆产量及产量构成因素的影响

冬小麦氮肥的施用量直接影响后茬作物土壤微生物的数量和组成,进而影响后茬大豆的产量。由表4可知,复播大豆两年产量均随着施氮量的增加呈先增加后下降的趋势,均以N2产量最高,这与微生物总数、细菌数量的变化趋势一致,且N2的产量与CK和N1均差异显著,但与N3差异不显著。说明前茬冬小麦施氮水平不仅影响后茬土壤微生物的变化,而且与大豆的产量有关联,麦季不施或少施氮肥均不利于提升后茬具有固氮能力的大豆的产量。虽然N2产量与N3差异不显著,但N2既能减施氮肥又能提高氮肥利用率,可以达到减氮稳产的目的。从复播大豆产量构成因素分析,两年数据表明麦季施氮通过大豆单株荚数和单株粒数影响最终产量,与百粒重无关。单株荚数和单株粒数均在N2达到最高,且与其他各处理差异显著,表明适量施氮处理可通过增加大豆单株荚数及单株粒数提高产量。

3、讨论

土壤中微生物参与调控土壤中养分循环及物质转化,其数量与土壤肥力之间有着较强的联系,是土壤肥力水平的活指标[29,30]。目前,国内外学者对土壤微生物区系做了大量研究,但氮肥的施用量、不同种植模式下不同作物种类土壤微生物数量的变化规律不同。有研究表明,在套作[22,31]、间作[23]模式下土壤三大菌群数量在一定范围内均随着施氮水平的提高而增加,但施氮水平过高会对土壤微生物的增殖产生一定的抑制作用,且降低B/F和A/F[32,33,34],这与本研究结果基本一致,但与张向前等[35]关于施氮和隔根对玉米根际三大菌群微生物数量影响的研究结论不相同,这可能与种植方式及作物的种类不同有关。在冬小麦复播大豆种植制度下,两季作物间隔时间短,前茬冬小麦氮肥残留改变了后茬夏大豆土壤的养分状况和土壤环境,导致与氮素有关的土壤微生物群落及其数量发生变化。麦季施氮中未被利用的无机氮残留到后季大豆的土壤中,再加上大豆本身具有固氮的特性,增加了复播大豆可利用的氮素,有利于调节植物-微生物间复杂的互作过程[36],进而改变土壤微生物数量、菌群结构,最终影响作物的生长发育,但关于施氮和大豆根系分泌物对土壤微生物影响的内在机理还有待进一步研究。

图1冬小麦不同施氮水平复播大豆土壤氮素生理群数量

注:不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

表4不同施氮水平对复播大豆产量及产量构成因素的影响土壤微生物中与土壤氮素积累形成与转化密切相关的氮素生理群在土壤氮循环中发挥着重要作用[26]。本研究结果表明,冬小麦施氮能增加复播大豆土壤微生物生理群数量,但高氮水平降低了氨化细菌和好气性自生固氮菌的数量,施氮越多越能刺激硝化细菌和反硝化细菌的生长繁殖。这与前人[16,37,38]研究结果基本一致。豆科作物的固氮作用在农业生产中起着重要的作用,低量施氮能促进自生固氮菌数量的增加,但大量施氮会降低土壤质量,严重抑制固氮菌的生长繁殖。氨化细菌可将土壤有机氮矿化成NH4+-N,过量施氮造成NH4+-N积累对氨化细菌有抑制作用,而NH4+-N的积累在一定条件下可促进硝化细菌将铵态氮转化为硝态氮,土壤硝化势增强[39],有利于硝化细菌的增殖,同时由于氮肥过量使硝酸盐积累,改变了土壤物理环境,在一定条件下刺激反硝化细菌的生长繁殖,反硝化细菌将硝酸盐在厌氧条件下还原为亚硝酸、氨甚至氮气是氮肥损失的重要途径。

冬小麦施氮直接影响复播大豆的产量。研究证实,适量施氮能提高作物产量,过量施氮会降低复播大豆产量[40,41]。这与本试验结果一致。冬小麦施氮产生的后效作用加快了复播大豆土壤微生物对氮素的转化,提高了土壤肥力,促进了复播大豆干物质积累,从而提高了大豆产量,促进了品质形成;过量施氮会造成氮素积累过多,土壤中微生物结构比例失衡,进而影响营养元素向植株各个器官部位的运转,从而降低了复播大豆的产量。

4、结论

前茬冬小麦施氮对复播作物土壤微生物区系及产量具有后效作用。冬小麦在225～375kg·hm-2施氮量下能够促进复播大豆土壤微生物三大菌群及氮素生理群数量、B/F、A/F值的提高,特别是在麦季中等施量375kg·hm-2(N2)水平下产量最高;而不施氮或过量施氮均不利于或抑制复播大豆土壤三大菌群及氮素生理群数量、B/F、A/F值的增加,土壤供肥能力下降,施氮量最高的N3较N2复播大豆产量反而下降。综上,冬小麦复播大豆种植体制下,大豆产量的高低以及土壤供肥能力不仅与大豆本身栽培措施有关,而且与上茬小麦的施肥状况紧密相连,麦季适量施氮有利于增加后茬大豆土壤微生物的数量,调节土壤生态环境,施氮过高反而抑制土壤优势菌群,增加对土壤环境产生负效应的土壤微生物类群,既不利于大豆增产又不利于土壤质量。

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基金:国家自然科学基金资助项目(31760371､31560372);新疆农业大学研究生重点学科项目(XNCDKY2018022).