【摘 要】
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土壤微生物和酶活性在有机体矿化分解,养分转化,提高作物胁迫耐受性方面起关键作用,可作为评价土壤肥力和土壤质量的重要生物学指标。在黄土高原地区地膜覆盖可提高作物产量,但会造成“白色污染”等环境负效应,使用降解膜可有效缓解残膜带来的不良影响。因此,研究不同类型地膜覆盖如何影响微生物群落和酶活性,及其与土壤氮素和玉米农学性状的响应关系,对评价不同覆膜措施的环境效应具有重要意义。本文以渭北旱塬覆膜玉米地为
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“旱地覆膜栽培土壤氮转化过程及其对土壤氮去向的作用机理”(41877086); 陕西省自然科学基金项目“黄土高原长期覆膜栽培体系土壤氮素损失途径与机制研究”(2020JZ-16);
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土壤微生物和酶活性在有机体矿化分解,养分转化,提高作物胁迫耐受性方面起关键作用,可作为评价土壤肥力和土壤质量的重要生物学指标。在黄土高原地区地膜覆盖可提高作物产量,但会造成“白色污染”等环境负效应,使用降解膜可有效缓解残膜带来的不良影响。因此,研究不同类型地膜覆盖如何影响微生物群落和酶活性,及其与土壤氮素和玉米农学性状的响应关系,对评价不同覆膜措施的环境效应具有重要意义。本文以渭北旱塬覆膜玉米地为研究对象,比较了非降解白膜、非降解黑膜、降解白膜、降解黑膜和不覆膜(对照)5种处理玉米生育期土壤水热和氮素状况、作物农学性状和土壤酶活性的差异,同时运用磷脂脂肪酸(PLFA)法分析了土壤微生物相关指标差异,并探究了土壤微生物和酶活性差异的关键影响因子,为评价不同覆膜农田土壤健康状况提供生物学指标,也为旱地最佳覆膜种类的选择和覆膜玉米地田间管理提供科学指导。主要研究结果如下:(1)从不同种类覆膜玉米地土壤性质差异来看,四种覆膜处理各生育期土壤温度、含水量、硝态氮、铵态氮、全氮含量均高于CK,但有机碳含量和C/N偏低。地膜材料(降解或非降解)和地膜颜色(黑色或白色)均对硝态氮、铵态氮、无机氮、全氮含量影响显著,但其影响因氮素类型和生育期不同存在差异。(2)从不同种类覆膜玉米地作物农学性状差异来看,四种覆膜处理玉米株高、叶面积、单株干物质量、茎、叶干物质量均在大喇叭口期和乳熟期非降解膜处理高于降解膜处理,但成熟期无显著差异。在同种材料(同为降解膜或同为非降解膜)地膜处理中,前期(拔节期和大喇叭口期)各农学指标表现为白色膜处理高于黑色膜处理,但后期差异变小。茎、叶、穗氮含量均受到覆膜类型和生育期的共同影响;单株氮含量表现为覆膜处理显著高于CK,前期非降解膜处理高于降解膜处理,同种材料白色膜处理均高于黑色膜处理,成熟期差异变小。(3)从不同种类覆膜玉米地土壤微生物群落结构差异来看,覆膜提高了总PLFA,革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、普通细菌、放线菌和真菌PLFA浓度。在覆膜处理中,非降解膜处理土壤微生物活性高于降解膜处理;在相同材料地膜中,生育前期白色膜处理高于黑色膜处理,后期黑色膜处理高于白色膜处理。从微生物群落结构来看,F/B拔节期、大喇叭口期CK低于覆膜处理,但乳熟期、成熟期高于覆膜处理,相同材料地膜中,生育前期白色膜处理高于黑色膜处理,后期黑色膜处理高于白色膜处理。覆膜处理G+/G-在多个生育期低于CK,而不同覆膜处理的G+/G-因生育期而异。Cy/Pre和SAT/MONO相似,生育前期非降解膜处理高于降解膜处理,后期非降解膜处理低于降解膜处理。Iso/Ant在多个生育期CK小于覆膜处理。从不同种类覆膜玉米地土壤酶活性差异来看,覆膜类型显著影响土壤酶活性,但其影响因酶活性种类和生育期不同而异。生育后期黑色膜处理脲酶、氨单加氧酶、硝酸还原酶和固氮酶都高于相同材料的白膜处理,表明黑色膜覆盖有加快氮转化速率的功能。总体来说,覆膜有助于优化土壤营养环境,提高微生物对环境胁迫的耐受性;生育前期,非降解膜处理下土壤营养状况较好,但生育后期降解膜处理下微生物对环境胁迫耐受性更强;生育前期同种材料的白色膜覆盖下土壤营养环境较好,稳定性较高,但后期黑膜处理土壤稳定性较高,微生物对环境胁迫耐受性更强。(4)从土壤理化性质与土壤微生物PLFA浓度、群落结构、酶活性之间的相关性分析来看,土壤温度、土壤含水量、硝态氮、铵态氮、无机氮、全氮、C/N与土壤微生物群落和酶活性有关。冗余分析(RDA)表明,对土壤微生物因子影响较高(P<0.05)的环境因子主要是土壤含水量(SWC)(F=9.2,P=0.002),土壤温度(ST)(F=8.8,P=0.002),铵态氮(NH4-N)(F=8.0,P=0.006)和无机氮(SIN)(F=6.9,P=0.018),表明土壤微生物和酶活性差异主要受到土壤水热条件和氮素影响。总的来说,降解膜在作物生育前期展现出不差于非降解膜的增温保墒、促进微生物与植株发育功效,同时后期因降解破碎降低了地温、增加了土壤通气度、减小了微生物活性,但增加了氮素含量、提高了土壤肥力质量、延长了植株生育期、展现出了更优于非降解膜的环境效应。黑色膜透光度低,可有效阻碍杂草发育,并在后期提高了土壤氮素含量和微生物活性,因此对农业生产更有利。综合考虑,膜覆有利于增加土壤氮素含量,提升微生物活性并提高作物产量,其中降解黑膜是最优的覆膜类型。
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