Effects of different irrigation methods and ratios of urea pig manure on microbial activity related to nitrogen transformation in paddy soil
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摘要:目的
弄清“薄浅湿晒”和干湿交替灌溉方式下稻田氮素转化相关微生物活性的变化规律。
方法试验设3种灌溉方式(CIR: 常规灌溉；TIR: “薄浅湿晒”灌溉；DIR: 干湿交替灌溉)和3种施氮处理(FM1: 全尿素；FM2: 猪粪替代30%尿素；FM3: 猪粪替代50%尿素)，测定了分蘖期、孕穗期、乳熟期和成熟期土壤亚硝酸细菌、硝酸细菌和反硝化细菌数量以及脲酶、羟胺还原酶、亚硝酸还原酶和硝酸还原酶的活性，并分析了各微生物活性指标之间的相互关系。
结果孕穗期不同处理土壤亚硝酸细菌、硝酸细菌和反硝化细菌数量较多，脲酶、亚硝酸还原酶和硝酸还原酶活性较高，且DIR方式下土壤羟胺还原酶活性较高。FM3处理下，与CIR方式相比，DIR方式下的土壤亚硝酸细菌数量在分蘖期提高2.31倍，分蘖期至乳熟期的平均土壤硝酸细菌数量及脲酶、羟胺还原酶、亚硝酸还原酶活性分别增加2.07、0.81、554.72和1.78倍，但是4个时期的平均反硝化细菌数量以及硝酸还原酶活性分别下降31.34%和43.82%。TIR方式下的土壤氮素转化相关微生物指标与CIR方式的差异因施肥处理和生育期而异。DIR方式下，与FM1相比，FM3处理显著增加乳熟期土壤亚硝酸细菌数量、孕穗期和成熟期硝酸细菌数量、分蘖期和成熟期反硝化细菌数量、乳熟期和成熟期土壤脲酶活性、分蘖期和乳熟期土壤羟胺还原酶活性以及孕穗期土壤亚硝酸还原酶和硝酸还原酶活性。除硝酸还原酶活性与硝酸细菌数量、亚硝酸还原酶活性之间的相关关系不显著外，其他指标之间呈显著相关。
结论水稻孕穗期是稻田土壤氮素转化相关微生物的活跃时期，DIR方式能有效提高分蘖期和孕穗期大部分土壤氮素转化相关微生物指标，而TIR方式和FM3处理在乳熟期或成熟期可显著增加土壤氮素转化相关微生物活性。
Abstract:ObjectiveTo understand the changes of microbial indexes related to nitrogen transformation in paddy field under “thin-shallow-wet-dry” and alternate drying and wetting irrigation methods.
MethodWe used three irrigation methods (CIR: conventional irrigation, TIR: “thin-shallow-wet-dry” irrigation, DIR: alternate drying and wetting irrigation), and three nitrogen (N) treatments (FM1: all urea, FM2: 30% urea substituted by pig manure, FM3: 50% urea substituted by pig manure). The numbers of nitrite bacteria, nitrate bacteria, denitrifying bacteria and the activities of urease, hydroxylamine reductase, nitrite reductase and nitrate reductase were measured at tillering, booting, milky and ripening stages. The relationships among the microbial activity indices were analyzed.
ResultAt booting stage, the numbers of nitrite bacteria, nitrate bacteria and denitrifying bacteria were relatively large, and the activities of urease, nitrite reductase and nitrate reductase were relatively high in soil under different treatments. Hydroxylamine reductase activity was relatively high by DIR method. Under FM3 treatment, compared to CIR method, DIR method increased the number of nitrite bacteria by 2.31 times at tillering stage, increased the number of nitrate bacteria and the activities of urease, hydroxylamine reductase and nitrite reductase by 2.07, 0.81, 554.72 and 1.78 times from tillering stage to milky stage, but reduced the average number of denitrifying bacteria and nitrate reductase activity by 31.34% and 43.82% respectively at four growth stages. The differences of microbial indexes related to nitrogen transformation in paddy soil between TIR and CIR methods varied with N treatments and growth stages. Using DIR method, compared to FM1, FM3 significantly increased the number of nitrite bacteria at milky stage, the number of nitrate bacteria at booting and ripening stages, the number of denitrifying bacteria at tillering and ripening stages, urease activity at milky and ripening stages, hydroxylamine reductase activity from tillering stage to milky stage, and activities of nitrite reductase and nitrate reductase at booting stage. Except the insignificant correlations among nitrate reductase activity, the number of nitrate bacteria and nitrite reductase activity, there were significant correlations among other microbial indexes.
ConclusionThe rice booting stage is the active stage of microbial activity related to nitrogen transformation in paddy field. DIR method can effectively enhance most microbial indexes related to nitrogen transformation in soil at tillering and booting stages. TIR method and FM3 treatment can significantly increase microbial activities related to nitrogen transformation in soil at milky and ripening stages.
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表 1 不同微生物培养基配方
Table 1 The medium formulas of different microorganisms
亚硝化细菌 硝化细菌 反硝化细菌 成分 m/g 成分 m/g 成分 m/g 硫酸铵(NH4)2SO4 2.00 亚硝酸钠(NaNO2) 1.00 柠檬酸钠(C6H5O7Na3·3H2O) 5.00 磷酸氢二钾K2HPO4 0.75 磷酸氢二钾(K2HPO4) 0.75 磷酸氢二钾(K2HPO4·3H2O) 1.00 磷酸二氢钠NaH2PO4 0.25 磷酸二氢钠(NaH2PO4) 0.25 磷酸二氢钾(KH2PO4) 1.00 硫酸镁(MgSO4·7H2O) 0.03 硫酸镁(MgSO4·7H2O) 0.03 硫酸镁(MgSO4·7H2O) 0.20 碳酸钙(CaCO3) 5.00 碳酸钠(Na2CO3) 5.00 硝酸钾(KNO3) 2.00 硫酸锰(MnSO4·4H2O) 0.01 硫酸锰(MnSO4·4H2O) 0.01 蒸馏水 1 000.00 蒸馏水 1 000.00 蒸馏水 1 000.00 pH 7.2 pH 7.2 pH 7.2 
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表 2 灌溉方式和施氮处理对土壤亚硝酸细菌数量的影响
Table 2 Effect of irrigation method and N treatment on the number of nitrite bacteria in soil
灌溉方式 施氮处理1) 亚硝酸细菌数量2)/(×103 g–1) 分蘖期 孕穗期 乳熟期 成熟期 常规灌溉(CIR) FM1 10.96±1.48cd 19.09±2.75d 8.83±0.82c 8.85±1.13bc FM2 9.01±0.89d 28.99±3.49c 10.92±1.80c 12.83±1.16a FM3 6.51±0.70d 25.14±2.93cd 14.74±2.54b 13.34±1.26a 干湿交替(DIR) FM1 25.99±4.18a 26.91±3.89cd 10.10±1.11c 7.32±0.97c FM2 29.30±3.54a 31.31±3.66bc 15.36±1.63b 7.07±1.00c FM3 21.56±3.67b 40.23±5.03a 16.27±2.41b 8.46±1.37c 薄浅湿晒(TIR) FM1 15.59±2.28c 24.70±2.30cd 18.51±2.46b 7.47±0.97c FM2 12.16±1.26cd 30.15±3.86bc 18.73±2.71b 9.64±0.97bc FM3 8.17±1.16d 37.96±5.04ab 24.67±2.71a 11.13±1.30ab 1) FM1 为全尿素，FM2 为猪粪替代 30% 尿素，FM3 为猪粪替代 50% 尿素; 2) 表中数据为平均值±标准差，同列数据后凡具有一个相同字母者表示处理间差异不显著(P>0.05，n=3，Duncan’s 新复极差法)
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表 3 灌溉方式和施氮处理对土壤硝酸细菌数量的影响
Table 3 Effect of irrigation method and N treatment on the number of nitrifying bacteria in soil
灌溉方式 施氮处理1) 硝酸细菌数量2)/(×103 g–1) 分蘖期 孕穗期 乳熟期 成熟期 常规灌溉(CIR) FM1 2.74±0.45de 3.46±0.48de 2.51±0.28d 3.10±0.38ab FM2 2.38±0.30e 3.69±0.43de 2.95±0.29cd 3.43±0.57a FM3 1.62±0.22e 2.57±0.44e 3.11±0.42cd 3.22±0.20ab 干湿交替(DIR) FM1 7.03±0.90a 8.68±1.21b 4.42±0.6ab 1.80±0.19d FM2 5.09±0.80b 11.23±1.64a 5.29±0.68ab 2.65±0.43abc FM3 3.75±0.53cd 13.01±1.54a 5.69±0.80a 2.52±0.29bc 薄浅湿晒(TIR) FM1 4.22±0.49bc 5.23±0.85cd 4.06±0.47bc 2.22±0.20cd FM2 4.74±0.70bc 6.77±0.69bc 4.71±0.52ab 2.72±0.20abc FM3 3.58±0.36cd 7.88±1.17b 5.41±0.75ab 3.17±0.32ab 1) FM1 为全尿素，FM2 为猪粪替代 30% 尿素，FM3 为猪粪替代 50% 尿素; 2) 表中数据为平均值±标准差，同列数据后凡具有一个相同字母者表示处理间差异不显著(P>0.05，n=3，Duncan’s 新复极差法)
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表 4 灌溉方式和施氮处理对土壤反硝化细菌数量的影响
Table 4 Effect of irrigation method and N treatment on the number of denitrifying bacteria in soil
灌溉方式 施氮处理1) 反硝化细菌数量2)/(×104 g–1) 分蘖期 孕穗期 乳熟期 成熟期 常规灌溉(CIR) FM1 55.81±6.89d 95.67±10.82bc 65.80±8.96bcd 22.71±3.30c FM2 104.19±10.25b 114.42±15.69ab 78.24±8.48abc 29.76±2.37b FM3 136.71±18.86a 138.56±15.40a 98.41±15.72a 38.81±5.36a 干湿交替(DIR) FM1 48.00±6.65d 62.08±5.76d 47.13±4.80d 13.71±1.88d FM2 67.26±10.93cd 107.52±14.69abc 54.20±5.31cd 17.43±1.59cd FM3 89.44±11.91bc 80.05±8.53cd 69.07±12.00bcd 23.81±3.27c 薄浅湿晒(TIR) FM1 61.67±9.13d 106.78±10.18abc 60.44±10.87bcd 15.36±2.21d FM2 100.51±12.36b 131.61±14.68a 82.76±6.81ab 20.11±2.28cd FM3 152.32±22.48a 120.83±16.46ab 76.12±10.10abc 33.35±4.07b 1) FM1 为全尿素，FM2 为猪粪替代 30% 尿素，FM3 为猪粪替代 50% 尿素; 2) 表中数据为平均值±标准差，同列数据后凡具有一个相同字母者表示处理间差异不显著(P>0.05，n=3，Duncan’s 新复极差法)
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表 5 灌溉方式和施氮处理对土壤脲酶活性的影响
Table 5 Effect of irrigation method and N treatment on soil urease activity
灌溉方式 施氮处理1) 脲酶活性2)/(mg·kg–1·d–1) 分蘖期 孕穗期 乳熟期 成熟期 常规灌溉(CIR) FM1 0.41±0.04de 0.61±0.05d 0.40±0.06d 0.34±0.05ab FM2 0.42±0.06de 0.79±0.11bcd 0.44±0.05cd 0.41±0.06a FM3 0.31±0.04e 0.72±0.12cd 0.47±0.08cd 0.36±0.06ab 干湿交替(DIR) FM1 0.58±0.09bc 0.92±0.13abc 0.48±0.06cd 0.28±0.05b FM2 0.76±0.10a 1.07±0.11ab 0.51±0.06cd 0.35±0.05ab FM3 0.69±0.07ab 1.19±0.19a 0.68±0.08b 0.43±0.06a 薄浅湿晒(TIR) FM1 0.40±0.05de 0.74±0.11cd 0.61±0.08bc 0.32±0.04ab FM2 0.55±0.07cd 1.12±0.14a 0.71±0.08b 0.43±0.04a FM3 0.48±0.08cd 0.99±0.09abc 0.92±0.09a 0.46±0.06a 1) FM1 为全尿素，FM2 为猪粪替代 30% 尿素，FM3 为猪粪替代 50% 尿素; 2) 表中数据为平均值±标准差，同列数据后凡具有一个相同字母者表示处理间差异不显著(P>0.05，n=3，Duncan’s 新复极差法)
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表 6 灌溉方式和施氮处理对土壤羟胺还原酶活性的影响
Table 6 Effect of irrigation method and N treatment on soil hydroxylamine reductase activity
灌溉方式 施氮处理1) 羟胺还原酶活性2)/(mg·g–1d–1) 分蘖期 孕穗期 乳熟期 成熟期 常规灌溉(CIR) FM1 0.40±0.12d 0.10±0.00c 0.29±0.05c 33.62±3.89bc FM2 0.11±0.06d 0.18±0.11c 0.11±0.11c 48.62±5.38a FM3 0.10±0.08d 0.10±0.08c 0.35±0.06c 41.92±5.18abc 干湿交替(DIR) FM1 36.22±5.28c 110.56±12.54ab 72.54±9.34b 29.92±3.08c FM2 49.55±5.02a 100.59±13.44b 81.23±10.36ab 41.26±4.43abc FM3 42.62±6.51b 124.00±15.63a 89.47±13.56a 39.79±5.48abc 薄浅湿晒(TIR) FM1 0.13±0.11d 0.13±0.06c 0.62±0.08c 36.13±3.86bc FM2 0.03±0.03d 0.35±0.06c 1.06±0.13c 44.45±3.77ab FM3 0.43±0.05d 0.22±0.14c 1.70±0.17c 49.60±6.61a 1) FM1 为全尿素，FM2 为猪粪替代 30% 尿素，FM3 为猪粪替代 50% 尿素; 2) 表中数据为平均值±标准差，同列数据后凡具有一个相同字母者表示处理间差异不显著(P>0.05，n=3，Duncan’s 新复极差法)
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表 7 灌溉方式和施氮处理对土壤亚硝酸还原酶活性的影响
Table 7 Effect of irrigation method and N treatment on soil nitrite reductase activity
灌溉方式 施氮处理1) 亚硝酸还原酶活性2)/(mg·g–1·d–1) 分蘖期 孕穗期 乳熟期 成熟期 常规灌溉(CIR) FM1 48.66±5.03cde 49.30±3.92cd 30.94±3.33d 24.19±3.19d FM2 35.87±4.03de 57.13±7.93cd 46.19±5.47cd 37.14±4.49abc FM3 30.97±3.32e 40.39±4.60d 57.83±7.19bc 41.16±5.87ab 干湿交替(DIR) FM1 80.69±13.29b 100.15±18.01b 65.15±9.49bc 26.72±3.51cd FM2 118.44±13.65a 120.02±13.39b 93.10±16.03a 39.62±5.73ab FM3 107.07±11.33a 142.17±24.87a 78.32±10.12ab 36.60±4.47abc 薄浅湿晒(TIR) FM1 49.90±5.79cde 45.84±5.28cd 49.16±7.39cd 29.93±2.93bcd FM2 61.81±5.14c 73.23±5.75c 55.18±6.99c 46.22±5.71a FM3 53.69±6.87cd 60.97±8.72cd 68.54±8.88bc 42.86±4.33a 1) FM1 为全尿素，FM2 为猪粪替代 30% 尿素，FM3 为猪粪替代 50% 尿素; 2) 表中数据为平均值±标准差，同列数据后凡具有一个相同字母者表示处理间差异不显著(P>0.05，n=3，Duncan’s 新复极差法)
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表 8 灌溉方式和施氮处理对土壤硝酸还原酶活性的影响
Table 8 Effect of irrigation method and N treatment on soil nitrate reductase activity
灌溉方式 施氮处理1) 硝酸还原酶活性2)/(mg·g–1·d–1) 分蘖期 孕穗期 乳熟期 成熟期 常规灌溉(CIR) FM1 46.64±5.79bcd 81.60±6.54b 57.36±6.29b 18.38±2.32de FM2 56.49±7.89abc 93.25±11.03b 67.70±7.94ab 29.36±4.71abc FM3 62.48±9.94ab 89.39±6.43b 72.65±10.74ab 35.57±4.82a 干湿交替(DIR) FM1 26.28±3.73e 33.19±3.87d 23.77±3.47d 14.08±2.06e FM2 33.57±6.20de 38.23±3.55d 30.32±2.98cd 22.24±2.54cde FM3 41.89±6.46cde 54.30±6.89c 41.26±4.10c 19.07±3.12de 薄浅湿晒(TIR) FM1 69.49±10.87a 97.81±10.87b 58.46±7.99b 16.19±1.94e FM2 66.00±5.83a 102.33±13.03ab 69.59±7.51ab 30.81±5.58ab FM3 76.16±13.59a 115.90±8.51a 77.66±11.99a 25.67±3.35bcd 1) FM1 为全尿素，FM2 为猪粪替代 30% 尿素，FM3 为猪粪替代 50% 尿素; 2) 表中数据为平均值±标准差，同列数据后凡具有一个相同字母者表示处理间差异不显著(P>0.05，n=3，Duncan’s 新复极差法)
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表 9 各微生物活性指标间的相关系数1)
Table 9 Relationships among different indexes of microbial activities
测定指标 反硝化细菌数量 亚硝酸细菌数量 硝酸细菌数量 脲酶活性 羟胺还原酶活性 亚硝酸还原酶活性 亚硝酸细菌数量 0.450** 硝酸细菌数量 0.256** 0.812** 脲酶活性 0.510** 0.526** 0.444** 羟胺还原酶活性 –0.350** 0.243* 0.588** 0.292** 亚硝酸还原酶活性 0.242* 0.726** 0.728** 0.547** 0.433** 硝酸还原酶活性 0.627** 0.492** 0.175 0.500** –0.570** 0.035 1)“*”表示显著相关(r0.05=0.187 4，n=108), “**”表示极显著相关(r0.01=0.244 7，n=108)(Pearson 相关分析法)
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[1] 顾明华, 区惠平, 刘昔辉, 等. 不同耕作方式下稻田土壤的氮素形态及氮素转化菌特征[J]. 应用生态学报, 2009, 20(6): 1362-1368. [2] 郝晓晖, 刘守龙, 童成立, 等. 长期施肥对两种稻田土壤微生物量氮及有机氮组分的影响[J]. 中国农业科学, 2007, 40(4): 757-764. [3] BORKEN W, MATZNER E. Reappraisal of drying and wetting effects on C and N mineralization and fluxes in soils[J]. Global Change Biol, 2009, 15(4): 808-824.
[4] 梁燕菲, 张潇潇, 李伏生. “薄浅湿晒”灌溉稻田土壤微生物量碳、氮和酶活性研究[J]. 植物营养与肥料学报, 2013, 19(6): 1403-1410. [5] 张玉树. 农业管理方式对亚热带土壤氮转化过程的影响[D]. 南京: 南京师范大学, 2015. [6] 关荫松, 张德生, 张志明. 土壤酶及其研究方法[M]. 北京: 农业出版社, 1986: 332-335. [7] 孙瑞莲, 赵秉强, 朱鲁生, 等. 长期定位施肥对土壤酶活性的影响及其调控土壤肥力的作用[J]. 植物营养与肥料学报, 2003, 9(4): 406-410. [8] 李振高, 骆永明, 滕应. 土壤与环境微生物研究法[M]. 北京: 科学出版社, 2008: 397-413. [9] 周礼恺. 土壤的酶活性[J]. 土壤学进展, 1980, 8(4): 9-15. [10] 刘宇锋, 邓少虹, 梁燕菲, 等. 灌溉方式与有机无机氮配施对水稻土壤微生物活性的影响[J]. 华中农业大学学报, 2012, 4(31): 428-435. [11] 郑莹莹. 干湿交替对土壤氮素转化及生物学特性的影响[D]. 上海: 东华大学, 2013. [12] 黄树辉. 裂缝条件下稻田土壤中N2O的释放和氮溶质运移的机理研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2005. [13] 王苏平, 辉建春, 林立金, 等. 施肥制度对川中丘陵区玉米不同生育期土壤反硝化酶活性的影响[J]. 水土保持研究, 2012, 19(3): 274-277. [14] 和文祥, 魏燕燕, 蔡少华. 土壤反硝化酶活性测定方法及影响因素研究[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版), 2006, 34(1): 121-124. [15] 谢先红, 崔远来. 典型灌溉模式下灌溉水利用效率尺度变化模拟[J]. 武汉大学学报(工学版), 2009, 42(5): 653-656. [16] 徐芬芬, 曾晓春, 石庆华. 干湿交替灌溉方式下水稻节水增产机理研究[J]. 杂交水稻, 2009, 24(3): 72-75. [17] 张自常, 李鸿伟, 曹转勤, 等. 施氮量和灌溉方式的交互作用对水稻产量和品质影响[J]. 作物学报, 2013, 39(1): 84-92. [18] 章家恩. 生态学常用实验研究方法与技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2007: 163-164. [19] 史云峰, 武志杰, 史奕, 等. 土壤羟胺还原酶活性测定方法的改进[J]. 生态学杂志, 2007, 26(7): 1133-1137. [20] 哈兹耶夫(苏). 土壤酶活性[M]. 郑洪元, 等, 译. 北京: 科学出版社, 1980. [21] 李秀英, 赵秉强, 李絮花, 等. 不同施肥制度对土壤微生物的影响及其与土壤肥力的关系[J]. 中国农业科学, 2005, 38(8): 1591-1599. [22] 李东坡, 武志杰, 陈利军, 等. 长期培肥黑土脲酶活性动态变化及其影响因素[J]. 应用生态学报, 2003, 14(12): 2208-2212. [23] 李东坡, 武志杰, 梁成华. 土壤环境污染与农产品质量[J]. 水土保持通报, 2008, 28(4): 172-177. [24] 李香兰, 徐华, 蔡祖聪. 水分管理影响稻田氧化亚氮排放研究进展[J]. 土壤, 2009, 41(1): 1-7. [25] 刘龙龙. 不同深度细沙人工湿地中微生物种群及数量分布研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2014. [26] 叶玉适. 水肥耦合管理对稻田生源要素碳氮磷迁移转化的影响[D]. 杭州: 浙江大学, 2014. [27] ABDELMAGID H M, TABATABAI M A. Nitrate reductase activity of soils[J]. Soil Biol Biochem, 1987, 19(4): 421-427.
[28] FU M H, TABATABAI M A. Nitrate reductase activity in soils: Effects of trace elements[J]. Soil Biol Biochem, 1989, 21(7): 943-946.
[29] 陈利军, 武志杰, 姜勇, 等. 与氮转化有关的土壤酶活性对抑制剂施用的响应[J]. 应用生态学报, 2002, 13(9): 1099-1103. [30] 籍景淑. 猪场氨气控制研究[D]. 武汉: 华中农业大学, 2012. [31] 范业成, 陶其骧, 叶厚专. 稻田肥料效应和肥力监测阶段性研究报告[J]. 江西农业学报, 1996, 8(2): 114-122. [32] MARX M C, KANDELER E, WOOD M, et al. Exploring the enzymatic landscape: Distribution and kinetics of hydrolytic enzymes in soil particle-size fractions[J]. Soil Biol Biochem, 2005, 37(1): 35-48.
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