超高产夏玉米田土壤微生物与土壤酶的动态变化

土壤

应用生态学报　2008年8月　第19卷　第8期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

ChineseJournalofAppliedEcology,Aug.2008,19(8):1741-1746

超高产夏玉米田土壤微生物与土壤酶的动态变化

侯　鹏　王永军1

1

133

3

　杨今胜　李登海　董树亭　柳京国

2

2212

(1山东农业大学农学院作物生物学国家重点实验室,山东泰安271018;登海种业股份有限公司,山东莱州261448)

-2

摘　要　为揭示超高产夏玉米田(产量>15kg )化特性,在国家玉米工程技术研究中心()-壤酶活性研究.在连续3-2-2

田(HF,产量为 hm)产量为892011kg hm)进行对比分,c.结果表明:播(细菌、真菌与放线菌)数量均表现出先升高后下降的,,细菌与放线菌表现尤其明显,收获期超高产田B/F值(细菌与真菌数量比)比播种期高2103倍,比常规生产田高3102倍,常规生产田收获期与播种期的B/F值变化不显著;超高产田土壤脲酶活性在播种31d(拔节期)后低于常规生产田,转化酶活性播种58d(开花期)后快速下降,低于常规生产田.

关键词　夏玉米　超高产　细菌　真菌　放线菌　脲酶　转化酶文章编号　1001-9332(2008)08-1741-06　中图分类号　S154.3,S513　文献标识码　ADynamicchangesofsoilmicrobialpopulationsandenzymeactivitiesinsuper2highyielding

111

summermaizefarmlandsoil.HOUPeng,WANGYong2jun,WANGKong2jun,YANGJin2

22121

sheng,LIDeng2hai,DONGShu2ting,LIUJing2guo(StateKeyLaboratoryofCropBiology/CollegeofAgronomy,ShandongAgriculturalUniversity,Tai’an271018,Shandong,China;2

DenghaiSeedCo.Ltd,Laizhou261448,Shandong,China).2Chin.J.Appl.Ecol.,2008,19(8):1741-1746.

Abstract:Torevealthecharacteristicsofthedynamicchangesofsoilmicrobialpopulationsanden2

-2

zymeactivitiesinsuper2highyielding(>15000kg hm)summermaizefarmlandsoil,acom2parativestudywasconductedintheexperimentalfieldsinNationalMaizeEngineeringResearch

-2

Center(Shandong).Onthefieldswithanannualyieldof>15000kg hmincontinuousthree

-2

years,aplotwiththeyieldof20322kg hm(HF)waschosentomakecomparisonwiththe

-2

conventionalfarmland(CF)whosemaizeyieldwas892011kg hm.Thenumbersofbacteria,fungi,andactinomycetesaswellastheactivitiesofureaseandinvertasein0-20cmsoillayerweredetermined.Theresultsshowedthatinthegrowthperiodofmaize,thenumbersofbacteria,fungi,andactinomycetesinthetwofarmlandsoilsincreasedfirstanddeclinedthen.Atthelatergrowthstagesofmaize,thenumbersofsoilmicrobes,especiallythoseofbacteriaandactinomycetes,werelowerinHFthanthoseinCF.Atharveststage,theratioofthenumberofsoilbacteriatofungi(B/F)inHFwas2103timeshigherthanthatatsowingstage,and3102timeshigherthanthatinCF.TheB/FinCFhadlessdifferenceatharvestandsowingstages.ThesoilureaseactivityinHFwassignificantlylowerthanthatinCFatjointingstage,andtheinvertaseactivityinHFdecreasedrap2idlyafterbloomingstage,beingsignificantlylowerthanthatinCF.

Keywords:summermaize;super2highyielding;bacteria;fungi;actinomycetes;urease;invert2ase.

3教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET20520603)、高等学校博士学科点专项科研基金项目(20040434008)、国家自然科学基金项目(30571098,30771282,30370832)、教育部长江学者与创新团队发展计划项目(IRT0635)和国家“十一五”科技支撑计划资助项目(2007BAD31B04,2006BAD02A132222).33通讯作者.E2mail:kjwang2006@2007212214收稿,2008206212接受.

土壤

土壤作为一种有限资源,对地球上多种生命形

式的生息繁衍至关重要.土壤既是矿物质、有机化合物和生命物质的复杂混合物,又不断受到自然或人

[1]

为施加的生物、化学及物理因素的影响.在农田生态系统中,这种人为影响更为严重.近十几年来,世界农业出现的土地资源退化和农业生态环境恶化等问题使人们更加关注对农业生态系统变化的研[2]

究.土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分,土壤酶也是土壤生物化学的重要指标.土壤微生物和酶活性的变化,可以表征土壤熟化程度,对土壤养分转化和循环、有害生物综合防治、[]

.[6-[8]

注.沈宏等研究认为,在普通玉米田玉米生长的前期、中期与后期土壤微生物量碳、氮与土壤酶活性的动态变化呈现先升高后降低之后趋于平稳的趋

[9]

势.李潮海等研究表明,玉米根际土壤微生物数量与土壤酶活性随土壤质地(砂壤、中壤、重壤)的不同而发生变化,3种土壤的动态变化均呈抛物线

[10]

形,且在吐丝期达到最大值.Cavigelli等指出玉米农田大多数土壤微生物特性随土壤理化性质与类

[11]

型的不同而不同.王冬梅等研究认为,长期施用有机肥能提高土壤中过氧化氢酶、转化酶与脲酶的活性,氮肥对这3种酶则具有抑制作用.也有研究表明向玉米田添加有机物质调节剂或秸秆均能够提高

[12-13][14]

土壤微生物活性.Moorman等研究表明,玉米田连续使用除草剂会造成土壤真菌与细菌的暂时波动,但不会造成持续影响.Saxena等认为转Bt基因玉米对农田土壤中可培养真菌与细菌群落不会造成影响.施肥、耕作制度、不同质地与外源物添加对玉米大田中土壤微生物与土壤酶活性影响的研究已有较多报道,但是这些研究多是在产量水平较低的普通农田中进行,而有关连续超高产夏玉米田(产量>15000kg hm-2)土壤微生物与土壤酶的特性研究鲜见报道.

夏玉米产量潜力大,在提升黄淮海夏玉米2冬小麦一年两熟制体系综合生产力中优势明显.我国夏

-2

玉米最新产量纪录是21043kg hm(2005年,山

[16]

东莱州).本研究以国家玉米技术研究中心(山东

-2

莱州)连续3年夏玉米产量超过15000kg hm的农田为研究对象,开展超高产夏玉米田土壤微生物与土壤酶特性的动态变化研究,以期为夏玉米超高

[15]

产田的培创和土壤科学管理提供参考.1　研究地区与研究方法111　样地概况

山东莱州(37°2017′N,119°5616′E,海拔719m),常年日照2500～2700h,降水600～800mm,

积温4600～5000℃,土壤类型为砂壤土,0～20cm耕层基础地力见表1.2夏玉米,,确保生:N5751762175kg,常规生产田公

:N275kg、P2O545kg、K2O45kg.超高产田2004—2006年产量分别为15351、21043、20322kg hm

-2

,种植玉米品种为紧凑型玉米杂交

种DH3719.

表1　试验地耕层基础地力

Tab.1　Agrochemicalcharactersofthetillagelayerinex2perimentalsite

处理

Treat2ment

有机质

OM(g kg-1)121312125

全氮

TotalN(g kg-1)01970199

碱解氮速效磷速效钾

AlkalineAvailablePAvailableKhydrolyzable(mg kg-1)(mg kg-1)N(mg -1)6716679121

11812835136

17818169166

HFCF

H:超高产田Super2high2yieldfarmland;C:常规生产田Conventionalfarmland.

112　研究方法

11211试验设计　在连续3年产量15000kg hm

-2

以上的夏玉米超高产田(HF)上进行试验,选择周边常规生产大田(CF)进行对比分析,超高产田产量是当地常规生产田的213倍,分别是全国与山东省(2001—2005年)平均产量的411与314倍.11212样品的采集　分别于播种期、播种后31d(拔节期)、40d(大喇叭口期)、58d(开花期)、71d(灌浆期)、86d(乳熟期)、107d(腊熟期)、132d(收

获期)等8个时期取土壤样品.在两行玉米之间取0～20cm土层的非根际土样,3次重复,带回实验

室,去除沙砾、植物残体后过2mm筛,立即进行土壤细菌、真菌与放线菌数量的分析,其余土样自然风干后进行土壤脲酶与转化酶活性的测定.11213测定方法

1121311土壤微生物数量　用稀释平板法测定土壤

细菌、真菌与放线菌数量,分别采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基、马丁2孟加拉红培养基与改良高氏一号培养基

[17-18]

.

1121312土壤酶活性　土壤脲酶、转化酶分别采用

土壤

靛酚比色法与3,52二硝基水杨酸比色法测定,2种酶活性分别以每克干土每24h将尿素生成NH32N的毫克量或将蔗糖转化成葡萄糖的毫克量表示.1121313土壤养分的化学分析参照《土壤农化分析》:土壤有机质用重铬酸钾容量法2外加热法,土壤全氮采用凯氏法,土壤碱解氮用碱解扩散法,土壤全磷用钼蓝比色法,土壤速效磷采用Olsen法,土壤速效钾的测定采用火焰光度法.113　数据分析

采用SigmaPlot1010与SPSS软件对数据进行分析

2　结果与分析

211　21111细菌　[20]

[19]

分,在土壤微生物中数量最多,能分解各种有机物[9,18]质.由图1A可以看出,超高产田(HF)土壤细菌数量动态变化趋势与常规生产田(CF)的趋势基本一致,均呈先升高后降低的趋势,超高产田细菌数量在播种后58d达到最大值,为20179×10cfu g干土,常规生产田细菌数量在播种后40d达到最大

6-1

值,为27109×10cfu g干土,播种期超高产田土壤细菌数量高于生产田,播种31d以后数量均低于常规生产田,其中在播种后40、107、132d分别比常规生产田低97%、197%与98%.21112真菌　真菌参与土壤有机质的分解与腐殖质的形成,并且参与土壤中的氨化作用与团聚体的形成,数量上低于其他种类微生物,但在生物量上却占

[9,18]

有极其重要的地位.超高产田(HF)真菌的变化趋势并不如细菌与放线菌的变化趋势明显(图1B),但总体上超高产田土壤真菌数量呈先升高后下降的趋势,常规生产田(CF)真菌数量呈先升高后下降之后又有所上升的趋势,超高产田与生产田均在播种

44

后31d达最大值,分别为12158×10与18137×10cfu g干土.在播种期、播种后58、71和86d,超

-1

6

-1

图1　土壤细菌、真菌与放线菌数量动态变化

Fig.1　Dynamicsofthenumbersofthesoilbacteria,fungiandactinomycetes.

HF:超高产田Super2high2yieldfarmland;CF:常规生产田Convention2alfarmland.下同Thesamebelow.

播种后31d达到最大值2416×10cfu g干土,

5

常规生产田在播种后58d达最大值4614×10cfu

-1

g干土;超高产田在播种31d之后土壤放线菌数量均低于常规生产田,其中播种58d之后超高产田放线菌数量明显低于常规生产田.21114土壤细菌、真菌数量比(B/F)　B/F值反映了土壤细菌、真菌数量的相对比率.B/F值越低,真菌数量越大,土壤有机碳相对含量越高,则土壤质量

[23-25]

越好,微生物类群及数量越趋于均衡.常规生产田(CF)B/F值收获后与播前相比变化不明显.超高产田(HF)的B/F值收获期比播种期高2103倍,收获期超高产田的B/F值比常规生产田高3102倍(图2).212　土壤脲酶活性与转化酶活性的动态变化21211脲酶　脲酶是土壤中最活跃的水解酶类之一,能水解施入土壤中的尿素,释放出供作物利用的

5-1

高产田土壤真菌数量高于常规生产田,其余时期则

低于常规生产田,其中在播种后107和132d比常规生产田分别低160%和696%.21113放线菌　放线菌在数量上仅次于细菌,它对土壤中的有机化合物的分解及土壤腐殖质合成起着重要作用,并能分泌抗生素,拮抗土壤中的病原[9,21-22]菌.土壤放线菌数量动态变化趋势与细菌的动态变化趋势相似(图1C),超高产田(HF)与常规生产田(CF)均呈先升高后降低的趋势,

超高产田在

土壤

应　用　生　态　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　　　19卷1744　　　　　　　　　　　　　　　　　　

后40d达到最大值,常规生产田在播种后58d达到最大值.播种期与播种后40d超高产田转化酶活性略高于常规生产田,播种58d后超高产田土壤转化酶活性明显低于常规生产田.3　讨　　论

夏玉米超高产田对解决中国人口膨胀所带来的,但在图2　土壤细菌、真菌数量比

Fig.2　Ratioofbacterianumbertofunginumberinthe(B/F).

Ⅰ:播种前Beforesowing;:[-27]

,.,对土壤生态环境具有一定[4-5]

,尤其值得研究.本试验常规生产田

-2

铵,.从图3A可看出,()从播种期至播种后71d处于下降趋势,播种后86d上升,之后则迅速下降;常规生产田(CF)土壤脲酶活性从播种期至播种后86d不断升高,播种后86d达到最大值,随后开始下

产量达到了8920kg hm

,已经达到传统意义上

-2

的高产田水平,超高产田产量达20322kg hm是普通生产田的213倍,分别是全国与山东省(2001—2005年)平均产量的411与314倍,其中2005年产

量21043kg hm录

[16]

-2

,创全国夏玉米产量的最高纪

降.超高产田播种期土壤脲酶活性高于常规生产田,从播种后31d开始至播种后86d低于常规生产田50%以上.

21212转化酶　土壤转化酶能够直接参与土壤有机物质的代谢过程,并且能够评价土壤的生物学活性

[19,28-29]

强度.图3B表明,超高产田(HF)与常规生产田(CF)土壤转化酶活性在整个生育期均呈先升高后下降的趋势,

超高产田土壤转化酶活性在播种

.本试验地全年产量(夏玉米+冬小麦)超过

-2

30000kg hm,要获得如此高的产量,田间管理

必然与普通意义上的高产田有所不同,田间环境也会产生差异.

在本研究中,超高产田土壤细菌、真菌与放线菌的数量呈现先升高后下降的趋势,这与常规生产田的变化趋势一致,超高产田从播种后31d(拔节期)起土壤细菌与放线菌数量低于常规生产田,土壤真菌数量变化不明显,但超高产田土壤真菌数量播种后107d(腊熟期)以后也明显低于常规生产田,超高产田收获期B/F值比播种期高2103倍,比常规生产田高3102倍,而常规生产田的B/F值收获期与播种期相比变化不显著.主要原因可能是超高产田群体大,通风透光条件相对较差,不利于好气性微生物的生长,从而导致超高产田后期土壤微生物数量低,而超高产田较高的化肥投入,也可能对土壤微生物产生一定的影响,其各生育时期微生物数量与土壤速效氮、磷、钾动态变化呈负相关,土壤放线菌与土壤速效氮、磷、钾呈显著负相关(P<0105),相关系数分别为-01755、-01779与-01849.另外,超高产田比常规生产田消耗更多的土壤碳,也会对土壤微生物产生一定的影响

[25,30]

.

超高产田土壤脲酶活性与常规生产田不同,呈

图3　土壤酶活性动态变化

Fig.3　Dynamicsoftheenzymeactivitiesinthesoil.

先下降后升高之后又下降的趋势,并且从播种后31d(拔节期)开始低于常规生产田;超高产田与常规

土壤

8期　　　　　　　　　　　　　　侯　鹏等:超高产夏玉米田土壤微生物与土壤酶的动态变化　　　　　　1745

生产田土壤转化酶活性总体上均呈先升高后下降的趋势,但从播种后58d(开花期)起超高产田土壤转化酶活性明显低于常规生产田,这可能是由于超高产田较高的肥水投入不利于土壤微生物的生长繁殖.超高产田各生育时期土壤酶活性与土壤速效养分动态变化呈负相关,其中土壤转化酶活性与速效钾呈显著负相关(P<0105),相关系数为-01761,特殊的田间环境也对土壤微生物的生长繁殖产生了不利影响,进而影响到超高产田的土壤酶活性

[11,19,31]

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.

在本研究中,,(、转化酶与脲酶)(细菌、真菌与放

[32-34]

线菌)数量呈正相关的研究结果相反,说明在夏玉米超高产田中这种规律已经发生了变化,是否可以通过增加超高产田土壤微生物的数量或提高土壤酶活性来进一步提高夏玉米产量,还有待于进一步深入研究.

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作者简介　侯　鹏,男,1981年生,硕士.主要从事农田土壤

生态学研究.E2mail:houpeng811125@责任编辑　肖　红

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5fvq.html