UV-B辐射增强下施氮对大麦土壤微生物量碳、氮的影响

中国环境学会  2011年 03月30日

  娄运生,程焕友,王恩眷,武君 (南京信息工程大学应用气象学院,南京 210044)


  摘要:通过田间试验,研究了UV-B辐射增强下不同施氮量对大麦土壤微生物量碳、氮的影响。UV-B辐射设对照(CK)和增强(E)2水平,施氮量设高、中、低3水平,分别为30、150和300 kg N/ha。结果表明:与对照相比,无论施氮量高低,UV-B辐射增强对非根际土壤微生物量碳、氮含量有促进作用;除低氮外,UV-B辐射增强对根际土壤微生物量碳、氮含量有抑制作用。在一定UV-B辐射强度下,高施氮量会降低根际土壤微生物量氮和非根际土微生物量碳、氮含量。
  关键词: UV-B辐射;施氮量;大麦;根际土;土壤微生物量
   
  Effects of enhanced ultraviolet-B radiation and nitrogen levels on microbial biomass carbon and nitrogen in barley
  Lou Yunsheng, Cheng Huanyou, Wang Enjuan, Wu Jun
  (Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044)
  Abstract: Field experiment with barley was conducted to investigate the dynamics of soil microbial biomass C and N as affected by enhanced ultraviolet-B radiation and N supply. The experiment was designed with 2 levels of UV-B radiation and 3 levels of N supply, i.e. 30, 150 and 300 kg N ha-1. The results indicated that, compared with control, enhanced UV-B radiation increased microbial biomass C and N in non-rhizospheric soil, regardless of N supply levels; but decreased microbial biomass C and N in rhizospheric soil, except for low N supply level. Irrespective of UV-B radiation, high N supply level depressed microbial biomass N in rhizospheric soil as well as microbial biomass C and N in non-rhizospheric soil. 

  Keywords: Ultraviolet-B radiation; N supply; barley; rhizospheric soil; soil microbial biomass


  20世纪以来,氯氟烃的大量使用和航空、航天飞行器数量的急剧增加,使排放到大气中的氯氟烃及其它化学物质(如N2O等)增加,导致了臭氧层的破坏。由于平流层中的臭氧是太阳紫外辐射的主要过滤器,臭氧层变薄及臭氧空洞的出现,使到达地面的太阳紫外辐射增强。研究表明,大气平流层O3每减少1%,到达地面的太阳紫外辐射增加2%[1]。从生物学角度分析,对地球生物造成直接影响的紫外辐射主要是UV-B辐射[2]。因此,平流层臭氧耗损所导致的地表紫外辐射(UV-B)增强,已成为全球变化研究的重要问题之一。近年来,有关UV-B辐射增强与其它因子的复合作用对植物生理、生化及生态系统影响的研究越来越多。研究表明,UV-B辐射增强对植物的效应受其它因子的影响,如干旱[3]、矿质元素缺乏、高光强[4]、高温[5]能降低甚至掩盖UV-B辐射增强对植物的效应,盐胁迫[6]、重金属污染[7]、臭氧浓度增加[8]及酸雨[9]以协同或叠加方式与UV-B辐射共同抑制植物生长。氮素是作物必需营养元素,也是作物生长重要限制因子,通过调控施氮量是否可缓解UV-B辐射增强所引起的生长受阻及光合效率下降,尚缺少相关报道。迄今为止,人们在评估UV-B辐射增强对作物地上部的影响方面(如生长发育、生理生化等)研究较多,但在UV-B辐射增强对地下部土壤生态过程(如土壤碳氮转化)的影响方面则研究工作相对较少。本研究以大麦为试验材料,重点探讨UV-B辐射增强及施氮量对土壤微生物量碳氮的影响。开展本研究对于进一步完善UV-B辐射增强对生态系统影响方面的评价指标、体系等方面具有重要意义。


  1 材料和方法


  供试材料
  供试大麦为啤酒大麦品种单2,供试土壤为水稻土,肥力水平中等。


  试验设计
  采用田间试验,2008年11月-2009年5月在本校农业气象试验站内进行(北纬32,东经119)。采用可升降式的UV-B灯架,将UV-B灯管(280-320 nm)置于作物上方,用于模拟UV-B辐射增强。用紫外辐照计测297 nm处辐射强度(以植株上部计),设2个辐射水平,即CK(自然光), E(1.8 kJ/m2 ),相当于南京地区4-5月份 UV-B辐射量的20%。施氮量设低、中、高3水平,即L(low)、M(moderate)和H(high),分别为30、150和300 kg/ha,其中70%作基肥,30%作追肥。采用完全区组设计,处理设置为:①低氮自然光(L-CK);②低氮UV-B辐射增强(L-E);③中氮自然光(M-CK);④中氮UV-B辐射增强(M-E);⑤高氮自然光(H-CK);⑥高氮UV-B辐射增强(H-E)。随机排列,重复3次。小区面积=3´3=9m2。磷、钾等用量按常规施肥水平,全部作基肥施用。
  将试验地耕作、施肥,大麦种子经消毒处理后进行播种,大田常规管理。三叶期间苗,以保持适宜的种植密度,同时开始UV-B辐射处理。处理期间,光源与植株顶部始终保持0.8m左右,每天辐照时间为8:00-16:00,共8h,阴雨天停止照射,直到成熟。在大麦分蘖期、拔节期、抽穗期、孕穗期、成熟期,采用抖落法分别采集根际与非根际土壤样品。简单来讲,采样时将植株连同根系从土壤中挖出,然后轻轻抖动,抖落下来的土壤视为非根际土样,粘附在根系上的土壤作为根际土样。


  测定方法
  土壤微生物量碳、氮含量采用氯仿熏蒸-提取法测定[10]。


  1.4 统计分析
      数据处理采用SPSS分析软件进行统计分析。同一生育期不同处理平均值间的差异采用独立样本T检验法分析(Independent Samples T Test)。 * 表示差异性达0.05%显著水平。
   
  结果


  2.1 UV-B辐射增强下施氮对土壤微生物量碳的影响
  2.1.1 非根际土壤微生物量碳
  图1表明,在大麦生育期内,在低氮水平下,UV-B辐射增强和对照的非根际土壤微生物量碳的变化趋势一致,分蘖期(4/1)至拔节期(4/17)下降,拔节期(4/17)至孕穗期(5/5)升高,到成熟期(5/10)又呈下降趋势。除分蘖期和成熟期,对照高于UV-B辐射增强外,其它生育期UV-B辐射增强均高于对照,除孕穗期外,处理间差异达显著水平(P<0.05)。  
  在中氮水平下,UV-B辐射增强处理的非根际土壤微生物量碳,从分蘖期开始增加,到抽穗期达到最大值,孕穗期显著下降,成熟期又有所增加。对照处理的非根际土壤微生物量碳从分蘖期至拔节期显著增加,之后又逐渐下降。在大麦生育期内,UV-B辐射增强均高于对照,尤以分蘖期、抽穗期和成熟期二者差异达显著水平(P<0.05)。从整个生育期平均值来看,UV-B辐射增强较对照高37.13%。
  在高氮水平下,UV-B辐射增强处理的非根际土壤微生物量碳,从分蘖期至孕穗期增加,成熟期显著下降。对照处理从分蘖期至拔节期显著增加,抽穗期至孕穗期呈下降趋势,成熟期又稍有增加。分蘖、拔节和抽穗期UV-B辐射增强低于对照,而孕穗期和成熟期则高于对照,其中拔节、孕穗和成熟期二者差异达显著水平(P<0.05)。


  2.1.2 根际土壤微生物量碳
  由图2可看出,在低氮水平下,UV-B辐射增强和对照处理的根际土壤微生物量碳的变化趋势一致,从分蘖至拔节期增加到最大值,而后下降,至孕穗期达最低值,成熟期又有所增加。整个生育期内,UV-B辐射增强均高于对照,其中拔节和成熟期二者差异达显著水平(P<0.05)。从整个生育期平均值来看,UV-B辐射增强高于对照30.48%。  
  在中氮水平下,UV-B辐射增强处理的根际土壤微生物量碳,从分蘖至孕穗期变化不明显,成熟期有所增加。对照处理从分蘖至拔节期显著增加,抽穗期和孕穗期变化不明显,成熟期有所下降。分蘖期和成熟期UV-B辐射增强高于对照,而拔节、抽穗和孕穗则低于对照。
  在高氮水平下,UV-B辐射增强处理的根际土壤微生物量碳,从分蘖至孕穗期呈增加趋势,成熟期下降。对照处理从分蘖期至拔节期增加,而后至孕穗期一直下降,随后成熟期又增加。分蘖期、拔节期和成熟期,UV-B辐射增强低于对照,而抽穗和孕穗期则高于对照,其中拔节、抽穗和孕穗期二者差异达显著水平(P<0.05)。


  2.2 UV-B辐射增强下施氮对土壤微生物量氮的影响
  2.2.1非根际土壤壤微生物量氮
  图3表明,在低氮水平下,对照和UV-B辐射增强处理的非根际土壤微生物量氮变化趋势一致,从分蘖至抽穗增加,抽穗至孕穗降低。分蘖、拔节和成熟期UV-B辐射增强低于对照,而抽穗和孕穗期则高于对照,其中抽穗期二者差异达显著水平(P<0.05)。
  
   
  在中氮水平下,UV-B辐射增强和对照处理的非根际土壤微生物量氮变化趋势基本相同,从分蘖至抽穗增加,抽穗至成熟下降。在拔节、抽穗和孕穗期,UV-B辐射增强高于对照,差异达显著水平(P<0.05)。从整个生育期平均值来看,UV-B辐射增强比对照高15.41%。
  在高氮水平下,UV-B辐射增强处理的非根际土壤微生物量氮,从分蘖至拔节变化不明显,拔节至抽穗显著增加,抽穗至孕穗下降,孕穗至成熟稍有增加。对照处理的非根际土壤微生物量氮,从分蘖至拔节稍有下降,拔节至抽穗显著增加,抽穗至成熟下降。整个生育期内,UV-B辐射增强处理均高于对照,但只有成熟期的二者差异达显著水平。


  2.2.2 根际土壤微生物量氮
  由图4可见,在低氮水平下,对照处理的根际土壤微生物量氮,从分蘖期至孕穗期逐渐下降,孕穗期至成熟期增加。UV-B辐射增强处理从分蘖期至拔节期增加,而后持续下降。分蘖、抽穗和成熟期,UV-B辐射增强低于对照,而在拔节和孕穗期则高于对照。
  在中氮水平下,UV-B辐射增强处理的根际土壤微生物量氮,从分蘖期至抽穗期逐渐增加,抽穗期至成熟期又逐渐下降。对照处理的土壤微生物量氮,从分蘖期至拔节期稍有下降,拔节期至抽穗期显著增加,抽穗期至孕穗期又显著下降,孕穗期至成熟期稍有下降。分蘖、抽穗和成熟期,UV-B辐射增强低于对照,而拔节和孕穗期则高于对照。在分蘖、拔节和抽穗期,二者差异达显著水平(P<0.05)。从整个生育期平均值来看,UV-B辐射增强比对照高14.63%。
  在高氮水平下,UV-B辐射增强处理的根际土壤微生物量氮,从分蘖期至拔节期增加,拔节期至成熟期一直下降。对照处理从分蘖期至拔节期增加,拔节期至孕穗期下降,孕穗期至成熟期又增加。分蘖、拔节和成熟期,UV-B辐射增强低于对照,而在抽穗和孕穗期,则高于对照,其中成熟期差异达显著水平(P<0.05)。
   
  3 讨论


  土壤微生物量碳的消长反映微生物利用土壤碳源进行自身细胞建成和细胞解体,使有机碳矿化的过程 [11]。非根际土壤微生物量碳,在抽穗期较高,拔节期和孕穗期次之,分蘖期和成熟期较低。非根际土壤微生物量碳的变化因UV-B辐射强度及施氮量而异(图1)。在自然UV-B辐射条件下,微生物量碳的变化呈现为,低氮>中氮>高氮。其原因可能在于,前茬地上部脱落物及根系残体为非根际土壤微生物活动提供了充足的氮源,而大量的无机氮肥施入土壤,使土壤的C/N比下降,加速了土壤中原有机碳分解,导致土壤中积累的有机碳总量较少 [12]。在UV-B辐射增强条件下,非根际土壤微生物量碳因施氮量而异,表现为:中氮>低氮>高氮。与对照相比,UV-B辐射增强对非根际土壤微生物量碳有促进作用,即微生物量碳表现为,UV-B辐射增强>对照,尤以中氮和高氮处理下较为明显。其原因可能在于,UV-B辐射对土壤穿透能力很弱,很难对土壤微生物产生直接的影响,而UV-B辐射增强降低大麦根系生物量、根长和根体积[13],同时也使根系活力降低 [14],引起根系吸收养分的能力下降,导致非根际土壤含有较多的养分,有利于微生物活动。
  根际土壤微生物量碳在分蘖期最低,拔节期较高,从拔节期至孕穗期逐渐降低,成熟期又有所上升(图2)。拔节期较高,主要原因在于随气温升高,作物根系活动趋于活跃,冬季低温导致部分死亡的微生物碳开始释放以供微生物利用 [15]。随着大麦开始进入生长旺盛期,对碳源需求较多,使构成微生物体的碳源减少,所以抽穗期和孕穗期微生物量碳下降。成熟期大麦生长过了旺盛期,土壤中多余的碳源又重新被固定在微生物体内,使微生物量碳增加。在一定UV-B辐射强度下,根际土壤微生物量碳含量随施氮量变化。在自然UV-B辐射下(对照),根际土壤微生物量碳含量表现为,高氮>中氮>低氮;而在UV-B辐射增强下,根际土壤微生物量碳含量呈现为,高氮>低氮>中氮(图2)。其原因可能在于,氮肥施入土壤,一方面为作物生长提供了充足的氮素,另一方面也为根际土壤微生物活动提供了充足的氮源。在一定供氮水平下,根际土微生物量碳含量因UV-B辐射强度而异。低氮条件下,UV-B辐射增强>对照,中氮和高氮条件下,对照>UV-B辐射增强(图2)。低氮处理下,微生物和作物对养分吸收利用表现为竞争关系,由于UV-B辐射增强使根系活力降低,引起根系对养分吸收的竞争力下降,所以,微生物得到较多的养分,最终导致UV-B辐射增强条件下的微生物量碳高于对照。而在中氮和高氮条件下,氮源相对充足,根际土壤微生物主要受根系分泌物的影响,UV-B辐射增强一方面通过抑制作物光合作用,导致地上部生长受抑,使运输给根系的有机营养相应减少,最终导致根系分泌物中可被微生物利用的能源和碳源减少;另一方面,UV-B辐射增强会促进根系分泌momilactone B,而momilactone B会抑制土壤微生物的生长 [16],这些可能是UV-B辐射增强导致根际土壤微生物量碳降低的原因。
  土壤微生物量氮是土壤微生物对氮素矿化与固持作用的综合反映。非根际土壤微生物量氮在抽穗期较高,其原因可能与该时期追施氮肥有关,促进了土壤微生物量对氮的固持。在一定UV-B辐射强度下,非根际土壤微生物量氮含量变化因施氮量而异(图3)。在自然UV-B条件下,表现为低氮>中氮>高氮;在UV-B辐射增强下,呈现为中氮>低氮>高氮。表明过量施氮(高氮)降低非根际土壤微生物量氮含量。无论供氮水平如何,UV-B辐射强度变化导致微生物量氮变化,基本呈现为UV-B辐射增强>对照,其原因在非根际土微生物量碳中已有解释。
  根际土壤微生物量氮含量,从分蘖至抽穗持续增加,抽穗至成熟期又逐渐降低,这与非根际土壤微生物量氮的变化趋势一致。在一定UV-B辐射强度下,根际土壤微生物量氮的变化因施氮量而异。在自然UV-B辐射下,根际土壤微生物量氮表现为,中氮>高氮>低氮;在UV-B辐射增强下,低氮>中氮>高氮。这可能在于,UV-B辐射增强降低了根系吸收养分的能力,即使中氮施用水平也使根际氮素过量,最终由于氮素过剩导致根际土壤微生物量氮下降。无论施氮量高低,UV-B辐射强度不同导致根际土微生物量氮的变化,表现为:自然光>UV-B辐射增强。其原因在于,在UV-B辐射增强下,微生物与作物竞争养分及根系分泌物组分变化所引起的,这与前述根际土壤微生物量碳的变化原因近似。
   
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