长期施肥对黑垆土氨化细菌数量和氨化作用强度的影响

蔡 艳，郝明德，臧逸飞，何晓雁

(1.四川农业大学资源学院，四川成都 611130； 2.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100；3.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌 712100)

长期施肥对黑垆土氨化细菌数量和氨化作用强度的影响

蔡 艳1,2，郝明德2,3，臧逸飞2，何晓雁2

(1.四川农业大学资源学院，四川成都 611130； 2.西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100；3.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌 712100)

为探讨长期施肥下黑垆土氨化作用的变化，在长期定位试验条件下，分析了长期施肥对黑垆土氨化细菌数量和氨化作用强度的影响。结果表明，在小麦连作下，各施肥处理均可不同程度提高土壤中氨化细菌数量和氨化作用强度，其中单施有机肥及有机无机肥配施的效果更明显。在不同施肥处理中，氮磷配施有机肥处理的土壤氨化细菌数量最多(7.53×108个·g-1)，是不施肥处理(CK)的189.2倍，氨化作用强度最高(1.49 mg·kg-1)，较CK增加55.0%；其次为单施有机肥、氮肥配施有机肥和磷肥配施有机肥处理，其氨化细菌数量和氨化作用强度均显著高于CK。在苜蓿连作下，与CK相比，单施磷肥处理的土壤氨化细菌数量和氨化作用强度均明显降低，降幅分别为99.5%和49.7%。因此，黄土高原黑垆土区小麦连作时，长期施用有机肥及有机无机肥配施均可提高土壤有机氮的转化作用，增强其供氮能力；苜蓿连作时，长期单施磷肥可减弱土壤有机氮的转化作用。

长期施肥；小麦连作；苜蓿连作；氨化细菌；氨化作用

氮是限制作物生长和产量形成的首要因素[1]，合理的施肥措施能够提高土壤肥力和作物产量[2-4]。作物生长所需的氮大部分来自于土壤，但土壤氮多需矿化为无机形态的氮才能被植物直接吸收利用，而氨化作用则在土壤氮素矿化中起到了决定性作用，其强度的变化在一定程度上可以反映土壤供氮能力[5]。氨化细菌作为氮素生理群之一，是氨化作用的主要驱动力，其数量直接反映了氨化作用强度[6]，对于土壤中含氮有机物质的分解转化起着重要作用。长期肥料定位试验能对生产中的施肥问题进行长期、系统、科学的研究，与短期试验相比具有无法比拟的优点，能为区域性、长远的施肥规划提供参考。黑垆土是黄土高原地区一种主要的地带性土壤，黑垆土区更是当地优质农产品及我国优质苹果生产的重要基地。前人关于长期施肥对土壤中氨化细菌和氨化作用的影响研究较少[7-10]，且多以小麦、玉米等一般大田作物栽培土壤为研究对象，有关施肥对黑垆土氨化细菌和氨化作用的影响还鲜有报道。本研究以陕西省长武县十里铺村的长期肥料定位试验为平台，探讨在小麦和苜蓿连作下施肥对黑垆土氨化细菌数量和氨化作用强度的影响，以期在一定程度上反映黑垆土的供氮能力，为作物合理施肥及作物产量的提高提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

长期试验设在1984年建立的长期肥料定位试验站，该站位于黄土高原中南部的陕西省长武县十里铺村旱地上(107°40′E，35°12′N)，所在区域为暖温带半湿润大陆型季风气候，属半湿润易旱地区，是典型的雨养农业区。试验点地势平坦，黄土堆积深厚，土壤为黄盖粘黑垆土，海拔1 200 m，昼夜温差较大。多年平均降水量578.5 mm，年季间差异较大，54%的降水集中在7-9月份。年均气温9.1 ℃，1月份平均气温-5.0 ℃，7月份22.1 ℃；大于10 ℃积温3 029 ℃，年日照时数2 230 h，日照率51%，年辐射总量484 kJ·cm-2，无霜期171 d。1984年试验开始时，耕层土壤有机质含量10.5 g·kg-1，全氮含量0.57 g·kg-1，碱解氮含量37.0 mg·kg-1，全磷含量0.659 g·kg-1，有效磷含量3.0 mg·kg-1，速效钾含量129.3 mg·kg-1，pH 8.3。

1.2 试验设计

本试验设小麦连作和苜蓿连作2个种植系统，11个处理。其中，小麦连作下设8个施肥处理，分别为不施肥(CK)、单施氮肥(N)、单施磷肥(P)、单施有机肥(M)、氮磷配施(NP)、氮肥配施有机肥(NM)、磷肥配施有机肥(PM)和氮磷配施有机肥(NPM)；苜蓿连作下设3个施肥处理，分别为不施肥(CK)、单施磷肥(P)和氮磷配施有机肥(NPM)。

随机区组设计，3次重复，试验小区面积67 m2(6.5 m×10.3 m)。小麦品种为秦麦4号(1984-1985)、长武131(1986-1995)、长武134(1996年至今)，于9月中旬播种，次年6月下旬收获；紫花苜蓿为本地种，6月上旬与8月下旬各割一次。各处理按设计要求施肥，两种作物生育期N、P2O5和有机肥施用量均分别为120、60和75 000 kg·hm-2，肥料分别选择尿素、过磷酸钙和厩肥，皆于作物播前将肥料撒施地表后耕翻入土。定期除草和松土，田间管理同大田。

1.3 土样采集、制备及测定项目与方法

2011年8月底在各小区按“S”形布点采集混合土样。采样时先去除土壤表面未分解的枯枝落叶和植物残体，取样深度为0～20 cm，四分法取土。然后将一部分新鲜土样于-20 ℃冰箱中保存并及时测定氨化细菌数量和氨化作用强度；一部分土样风干过1 mm和0.149 mm筛用于土壤养分含量的测定。其中，氨化细菌数量采用蛋白胨氨化培养基培养，稀释法(MPN)[11]测定。氨化作用强度参考土壤培养法[11]，先称取10 g土于三角瓶中，土内拌以0.2%的蛋白胨，覆膜在28 ℃恒温培养箱中培养7 d，然后用2 mol·L-1KCl浸提，靛-酚蓝比色法[12]测定铵态氮含量，减去未培养状态土样铵态氮含量，计算得到土壤氨化作用强度。土壤养分含量采用常规分析法测定：有机质含量采用重铬酸钾容量法(外加热法)；全氮含量用半微量凯氏法；碱解氮含量用碱解扩散法；全磷含量用HClO4-H2SO4法；有效磷含量用0.5 mol·L-1NaHCO3法；速效钾含量用NH4OAc浸提，火焰光度法测定[12]。

1.4 数据处理

利用Excel 2003和SPSS 17.0对数据进行统计分析，采用单因素方差分析(ANOVA)和最小显著差数(LSD)法进行差异显著性检验(α=0.05)，相关分析用Pearson相关系数评价。

2 结果与分析

2.1 长期施肥对土壤氨化细菌数量的影响

2.1.1 小麦连作下施肥对土壤氨化细菌数量的影响

在小麦连作下，与CK相比，所有施肥处理土壤氨化细菌数量均增加，各处理氨化细菌数量表现为NPM>NM>M>PM>NP>P>N>CK(图1)。N、P、NP处理氨化细菌数量与CK差异不显著，说明仅施化肥对土壤氨化细菌数量影响微弱；M、NM、PM、NPM处理的土壤氨化细菌数量分别是CK的31.2、102.8、9.8和189.2倍，与CK差异均显著。综合来看，与单施化肥相比，有机肥及有机肥与无机肥配施对土壤氨化细菌数量的促进作用更明显。

2.1.2 苜蓿连作下施肥对土壤氨化细菌数量的影响

在苜蓿连作下，不同处理下土壤氨化细菌数量的差异较大(图2)。CK、P和NPM处理氨化细菌数量分别为38.3×108、0.203×108和38.6×108个·g-1，P处理显著低于CK，降幅99.5%；NPM处理与CK差异不显著，说明在苜蓿连作下长期单施磷肥会明显减少土壤氨化细菌数量。

2.2 长期施肥对土壤氨化作用强度的影响

2.2.1 小麦连作下施肥对土壤氨化作用强度的影响

在小麦连作下，各施肥处理土壤氨化作用强度均高于CK(0.961 mg·kg-1)(图3)。其中，N(1.03 mg·kg-1)、P(1.03 mg·kg-1)处理土壤氨化作用与CK差异不大，其他处理与CK差异均达显著水平。NP、PM处理间氨化作用强度(1.15和1.17 mg·kg-1)比较接近。NPM处理土壤氨化作用最强(1.49 mg·kg-1)，与CK相比增幅达55.0%；其次为M、NM处理，其氨化作用强度分别为1.31 和1.27 mg·kg-1，彼此间差异不显著，较CK分别增加36.3%和32.2%。总体上讲，施肥可提高土壤氨化作用强度，但施用有机肥及有机无机肥配施比单施化肥在增强土壤氨化作用强度上的效果更佳。

图柱上的字母不同表示处理间差异显著(P<0.05)。下图同。

Different letters above the columns indicate significant differences among the treatments at 0.05 level.The same as in the following figures.

图1 小麦连作下施肥对土壤氨化细菌数量的影响

Fig.1 Effect of long-term fertilization on amount of ammonifier in soil under continuous cropping of wheat

图2 苜蓿连作下施肥对土壤氨化细菌数量的影响

2.2.2 苜蓿连作下施肥对土壤氨化作用强度的影响

在苜蓿连作下， P、NPM处理的土壤氨化作用强度分别为1.93和2.86 mg·kg-1，分别比CK下降49.7%和25.5%，不同处理之间差异显著(图4)，可见在苜蓿连作下施肥会减弱土壤氨化作用。

2.3 氨化细菌数量、氨化作用强度与土壤养分含量的相关性

相关分析(表1)表明，氨化细菌数量和氨化作用强度与土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、有效磷、速效钾含量均呈正相关，其中与有机质、全氮、碱解氮含量呈极显著正相关，说明氨化细菌数量和氨化作用强度与土壤养分因子间关系比较密切，尤其是有机质、全氮和碱解氮对氨化细菌和氨化作用的影响更大。土壤氨化细菌数量和氨化作用强度相关系数为0.927，达到极显著水平，表明氨化细菌数量和氨化作用强度有很好的相关性，土壤中氨化细菌数量的多少反映了氨化作用的强弱。

图3 小麦连作下施肥对土壤氨化作用强度的影响

图4 苜蓿连作下施肥对土壤氨化作用强度的影响

表1 氨化细菌数量、氨化作用强度与土壤养分含量的相关系数

Table 1 Correlation coefficients of ammonifier amount,ammoniation intensity and soil nutrient content

指标Index有机质Organicmatter全氮Totalnitrogen碱解氮Availablenitrogen全磷Totalphosphorus有效磷Availablephosphorus速效钾Availablepotassium氨化细菌数量Ammonifieramount氨化细菌数量Ammonifieramount0.831**0.851**0.844**0.3380.3980.2941氨化作用强度Ammoniationintensity0.830**0.866**0.874**0.1720.1620.1480.927**

**：P<0.01.

3 讨 论

相关分析表明，土壤氨化细菌数量和氨化作用强度有很好的相关性，二者受土壤养分因子尤其是有机质、全氮、碱解氮含量的影响较大。C、N、P、K等化学元素是微生物生命活动过程中不可缺少的营养物质[13]。化肥的施用在一定程度上增加了土壤养分含量，促进小麦植株及其根系生长，同时根系分泌大量低分子量有机物，为氨化细菌生长提供了易于吸收利用的营养物质和作用底物[14-16]，从而提高土壤氨化作用强度。有机肥养分含量丰富，一方面为氨化细菌提供了充足的C 源、N 源、无机盐等营养物质，有利于氨化细菌生长繁殖，氨化细菌活性的提高反过来又促进土壤中有机氮的矿化，这个过程释放出来的营养物质和能量又进一步激发氨化细菌活性，而有机肥的施用还可以改善土壤理化性质，为氨化细菌生长繁殖提供适宜的条件。此外，有机肥中本身也含有大量微生物[17-18]。这可能是小麦连作下施用有机肥，土壤氨化细菌数量增加和氨化作用强度提高的重要原因。施用有机肥(M)及有机肥与无机肥配施(NM、PM、NPM)的氨化细菌数量和氨化作用强度均高于对应不施有机肥处理(CK、N、P、NP)，这与王英等[6]、梁利宝等[10]研究结果有相似之处，其原因在于有机无机肥配施结合了有机肥与无机肥各自的优点，在施用化肥的基础上，保持养分的循环再利用，能更好地促进作物生长，因而增加了根系分泌物和凋落物[19]，进而增强土壤氨化作用。此外，施用化肥在增加氨化细菌数量和氨化作用强度上的作用效果不及有机肥及有机无机肥配施，除了因为化肥养分单一，在促进作物生长和增加土壤养分含量方面作用有限外，可能还与长期单施化肥破坏了土壤物理性质，使氨化细菌生存环境变得恶劣[20]有关。

与小麦生长需氮量多不同，苜蓿是豆科作物，具有“牧草之王”的美称，通过根瘤中的共生固氮菌，能够直接吸收空气中的分子态氮(N2)，其固氮量基本可以满足生长发育对氮的需求[21]。齐敏兴等[22]研究表明，适当的磷水平可以促进苜蓿生长，增加根瘤数和根瘤重，增强固氮酶活性，提高根瘤的固氮能力。在苜蓿连作下施用磷肥(P、NPM)时，苜蓿从土壤中吸收氮素的量减少，使得土壤中氨化细菌活性降低，氨化作用也随之减弱。同时，Chen等[23]认为，土壤水分条件也是影响氨化作用的重要因素。由于肥料的投入，苜蓿生长条件得以改善，加剧了苜蓿对水的需求，使得土壤强烈干燥[24]，这是苜蓿连作施肥限制氨化细菌生长的又一因素。同样可能是因为有机肥的保水作用，在苜蓿连作时，P处理下土壤氨化细菌数量和氨化作用强度均低于NPM处理。然而，由于苜蓿固定的分子态氮随着凋落物、根系分泌物和根系腐烂返还给土壤，增加了土壤有机氮，所以在苜蓿连作下土壤氨化细菌数量和氨化作用强度整体高于小麦连作。Romillac等[25]研究结果表明，土壤氨化作用强度与豌豆根系形态构成，尤其是总根长度及细根比例密切相关。本研究中苜蓿为多年生牧草，根系发达，可能与其氨化作用强度整体高于小麦连作有关。

本研究仅探讨了不同施肥处理下氨化细菌数量和氨化作用强度的变化情况，但氨化细菌和氨化作用还受施肥量的影响。王晶莹[26]研究指出，农肥高量处理下氨化细菌数量最多，氨化作用最强。因此，可深入研究施肥水平对黑垆土氨化细菌数量和氨化作用强度的影响，以期为该地区土壤供氮能力提供理论和技术参考。

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Effect of Long-Term Fertilization on the Amount of Ammonifier and Ammonification Intensity in the Dark Loessial Soil

CAI Yan1,2,HAO Mingde2,3,ZANG Yifei2,HE Xiaoyan2

(1.College of Resources,Sichuan Agricultural University,Chengdu,Sichuan 611130,China; 2.College of Natural Resources and Environment,Northwest A&F University,Yangling,Shaanxi 712100,China; 3.Institute of Soil and Water Conservation,Northwest A&F University,Yangling,Shaanxi 712100,China)

Soil ammonifier and ammonification intensity has an important significance to soil organic nitrogen conversion and nitrogen supplying capacity. A long-term experiment was conducted to study the effect of long-term fertilization on the amount of ammonifier and the intensity of ammonification in the dark loessial soil. The results show that for the continuous cropping of wheat,all fertilization treatments could increase the amount of soil ammonifier and ammonification in varying degrees,but the impact of organic fertilizer and inorganic fertilizer combined with organic manure were more obvious; under NPM (nitrogen and phosphorus fertilizer with organic fertilizer),soil ammonifying bacteria owned the largest number (7.53×108·g-1),189.2 times of CK (no fertilizer); and ammonification intensity of NPM was the highest (1.49 mg·kg-1),which improved 55.0% compared to CK.The quantity of ammonifier and ammonification intensity of M (single organic fertilizer),NM (nitrogen fertilizer with organic fertilizer) and PM (phosphorus fertilizer with organic fertilizer) were all significantly higher than those of CK. For continuous cropping of alfalfa,compared with CK,ammonifier and ammonification of P (single phosphorus fertilizer) soil were evidently lower. Ammonifier decreases by 99.5% in quantity,and intensity of ammonification dropped by 49.7%. For dark loessial soil in Loess Plateau of wheat successive cropping,the long-term application of organic manure and inorganic fertilizer combined with organic manure could improve soil organic nitrogen transformation,meanwhile enhanced its strength for nitrogen; and for continuous cropping of alfalfa,long-term fertilization of phosphate fertilizer could abate the transformation of soil organic nitrogen.

Long-term fertilization; Continuous cropping of wheat; Continuous cropping of alfalfa; Ammonifier; Ammonification

时间：2016-11-04

2016-04-18

2016-05-26

国家科技支撑计划重大项目(2011BAD31B01)；宁夏农业综合开发科技推广项目(NTKJ-2013-03-1)

E-mail：caiyya@126.com

郝明德(E-mail：mdhao@ms.iswc.ac.cn)

S512.1；S311

A

1009-1041(2016)11-1517-06

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20161104.0926.030.html