Effects of calcium cyanamide on soil microbial properties of intensively managed Phyllostachys violascens stands

试验地点位于浙江省临安市锦城镇金马村（30°17.551′N，119°41.520′E）。该地属中纬度北亚热带季风气候，年降水量为1 420 mm，多年平均气温为15.8 ℃，无霜期234 d，土壤为粉砂岩母质上发育的红壤土类。选择1块集约经营10 a的已退化雷竹林，该雷竹林样地坡度小于2°，土壤pH 4.1，有机质质量分数为72.1 g·kg^-1，全氮2.3 g·kg^-1，速效磷187.0 mg·kg^-1，速效钾107.0 mg·kg^-1。

试验于2012年5月进行。供试氰氨化钙购自于宁夏大荣实业集团有限公司，商品名“荣宝”，含氮21%，氧化钙38%（质量分数）。试验设计4个氰氨化钙用量处理，即0，30，60，90，180 g · m^-2。试验为随机区组设计，小区面积为2 m × 2 m，3次重复。小区之间用塑料板隔开，塑料板埋入深度为20 cm。将氰氨化钙均匀撒施于土壤表面，翻耕入土使它与表层土壤充分混合。试验期间采用常规管理。

试验开始后，在第1，3，7，14和28天进行土壤取样。采用直径为5 cm的不锈钢土钻，按照5点取样法采取各处理0～20 cm的表层土壤样品。样品采集后，立即装入自封袋带回实验室，去除大的植物残体和石块，过2 mm钢筛后，立即测定土壤微生物生物量以及土壤酶活性。

土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸-直接提取法^[11]，对照土壤和熏蒸后土壤用0.5 mol · L^-1 硫酸钾提取[m（土）∶m（水）=1∶ 5）]，滤液中碳质量分数采用TOC-VCPH有机碳分析仪测定。土壤微生物量碳质量分数以熏蒸和未熏蒸土样0.5 mol ·L^-1 硫酸钾提取液中碳质量分数之差乘以系数得到。B_C=2.64E_C，式中E_C为熏蒸土样与未熏蒸土样提取液碳质量分数之差。所有测定3次重复。

土壤细菌及真菌呼吸比采用选择性抑制基质诱导呼吸法测定。细菌抑制剂为2 mg·g^-1链霉素，真菌抑制剂为8 mg·g^-1放线菌酮。在基质诱导呼吸的基础上，分别单独加入链霉素和放线菌酮以及两者同时加入，通过差减计算土壤细菌及真菌的呼吸速率^[12]。基质诱导呼吸测定方法参照参考文献[13]。称取相当于10 g干土质量的鲜土，加入200 mg葡萄糖和500 mg滑石粉，充分混匀。置于22 ℃恒温培养箱中培养4～5 h后，隔1 h测定1次二氧化碳浓度，连续测定6 h，计算二氧化碳释放速率。重复3次·处理^-1，气体测定不设重复。产生的二氧化碳采用气相色谱法测定。根据计算公式求得土壤微生物生物量碳质量分数（μg·g^-1）参照文献[13]计算。

土壤酶活性参考文献[14]方法测定，其中土壤脱氢酶活性采用2，3，5-氯化三苯基四氮唑（TTC）还原法测定；土壤脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定；土壤酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定；土壤蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定。

数据经Excel 2007整理，用SPSS 18.0软件处理试验数据，Duncun单因素方差分析比较各处理之间的差异显著性（P＜0.05）。

氰氨化钙对不同处理的表层土壤微生物量碳质量分数的影响如图 1所示。施用氰氨化钙1 d后，低施用量的处理与不施用的对照相比没有显著差异，而90 g · m^-2及180 g · m^-2施用量的2个处理其土壤微生物量碳质量分数显著降低（P＜0.05），说明土壤微生物对高浓度的氰氨化钙反应非常快速。随着时间的延长，氰氨化钙处理的土壤微生物量碳急剧下降。在施用第7天时，所有处理土壤微生物量碳质量分数均显著低于对照土壤（P＜0.05），其中180 g · m^-2处理土壤微生物量碳下降幅度最大，显著低于其他处理，而60及90 g · m^-2处理显著低于30 g · m^-2处理（P＜0.05）。在施用14 ｄ后，除了90及180 g · m^-2处理土壤微生物量质量分数仍然显著低于对照外（P＜0.05），30 g · m^-2施用量的处理土壤微生物量与对照相比已经没有显著差异。60 g · m^-2施用量处理土壤微生物量虽然还显著低于对照（P＜0.05），但是与7 d前相比有了较为明显的增加。结果说明，氰氨化钙对土壤微生物的影响主要是体现在施用第7天内，特别是高施用量，显著降低了土壤微生物生物量。施用28 ｄ后，30及60 g · m^-2施用量处理土壤微生物量碳质量分数显著高于对照，90与180 g · m^-2施用量处理其微生物量碳也有了较大程度的提高。其中，90 g · m^-2施用量处理显著高于180 g · m^-2施用量处理（P＜0.05）。

Figure 1.  Effect of CaCN₂ on soil microbial biomass C

氰氨化钙在土壤中水解后会产生单氰胺或双氰胺，对土壤动物、微生物以及部分植物具有一定的毒害作用。虽然氰氨化钙能够有效控制多种作物的土传病害^[15]，但是在抑制土壤致病微生物的同时，氰氨化钙也能对其他的非致病性微生物产生影响^[16]。Shi等^[16]研究表明：施用氰氨化钙（＞80 g · m^-2）15 d后，尽管尖孢镰刀菌Fusarium oxysporum的数量被显著抑制，但是土壤细菌、真菌及放线菌数量也同时显著降低（P＜0.05）。本研究中，土壤微生物量碳质量分数在施用氰氨化钙后快速降低，施用量越大，土壤微生物量碳降低的幅度也越大。然而，由于氰氨化钙又可以作为一种肥料，在经历了短期的分解中间产物阶段后，被继续分解成为尿素和钙，为土壤微生物提供养分。因此，施用7 d后，土壤微生物量碳质量分数逐渐回升，这与之前的结果相类似^[16]。尽管180 g · m^-2施用量处理中输入的氮源最多，但是推测由于前期土壤微生物受抑制程度较高，因此土壤微生物量恢复速度也相对较慢。同时，对于低施用量的处理（30 g · m^-2和60 g · m^-2），由于微生物受抑制程度较轻，且氰氨化钙分解后既改善了局部土壤pH值，又提供了额外的速效氮源和钙，因此土壤微生物量碳含量快速恢复并显著高于对照（28 d）（P＜0.05）。

氰氨化钙的施用对土壤不同微生物的影响不同。通过选择性抑制基质诱导呼吸法分别测定土壤细菌及真菌生物量，并计算真菌与细菌生物量比值（真细比），结果如图 2所示。研究表明：不同施用量对土壤真细比的影响不同。氰氨化钙施用后1 d，各施用量处理土壤真细比显著低于对照（P＜0.05），其中30 g ·m^-2施用量处理土壤真细比显著高于其他施用量处理（P＜0.05），而60，90和180 g · m^-2施用量处理之间没有显著差异。随着施用时间的延长，30 g · m^-2施用量处理土壤真细比快速回复，与对照总体没有显著差异。60 g · m^-2施用量及以上处理土壤真细比在施用7 d的时间内继续显著下降（P＜0.05），但随后缓慢回升。在第14 d时，除180 g · m^-2施用量处理土壤真细比仍然显著低于其他施用量处理外，其他的处理之间没有显著差异。第28 天取样时，各施用量处理之间真细比没有显著差异，尽管60 g ·m^-2和180 g ·m^-2施用量处理仍然显著低于对照（P＜0.05）。不同种类的土壤微生物对氰氨化钙的敏感性不同，其中氰氨化钙对细菌的影响并不明显，而真菌和放线菌对氰氨化钙的反应相对较为灵敏^[17]。然而，并非所有的真菌对氰氨化钙都十分敏感。一些曲霉属Aspergillus sp.及青霉属Penicillium sp.的真菌不仅能抵抗氰氨化钙的毒害作用，甚至能够利用氰氨化钙作为其生长的碳源^[18]。另有研究表明，氰氨化钙可以显著抑制很多病原真菌的生长及产生孢子的能力，起到防治植物病害的作用。本研究也表明：施用氰氨化钙后，土壤真细比下降的主要原因是真菌生长在施用的前14 d被显著抑制，而细菌生长在刚施用后被短暂抑制后，很快恢复活性。

Figure 2.  Effect of CaCN₂ on the ratios of soil fungi/bacteria

土壤酶是土壤的重要组分，在自然界物质循环、土壤发生发育以及土壤肥力的形成过程中发挥着重要的作用。土壤酶活性作为表征土壤性质的生物活性指标，已经被广泛用于评价土壤养分物质循环状况以及各种人为措施对土壤生物学性质的影响^[19]。本研究测定了氰氨化钙对土壤脱氢酶、转化酶、脲酶以及磷酸酶等活性的影响。结果如图 3所示。

Figure 3.  Effects of CaCN2 on soil enzyme activities

土壤脱氢酶属于氧化还原酶系，它反映土壤微生物新陈代谢的总体活性。低施用量（30 g · m^-2）的氰氨化钙对土壤脱氢酶活性没有显著影响。施用量60 g · m^-2以上的处理，土壤脱氢酶活性在前3 d显著下降（P＜0.05）。随着时间的延长，土壤脱氢酶活性也快速恢复，到7 d时，只有90 g · m^-2和180 g · m^-2施用量处理显著低于对照（P＜0.05）。施用14 d及28 d的土壤脱氢酶活性结果表明，除180 g · m^-2施用量处理与对照差异不显著外，其他处理均显著高于对照（P＜0.05）。原因可能是因为氰氨化钙的施用在调节土壤微生物菌群的同时，还改善了pH值，增加了氮源的输入，在一开始的毒害作用过后反而表现出一定的促进作用。不同施用量的氰氨化钙，土壤脲酶的总体反应趋势与转化酶较为相似。刚开始施用时，仅高施用量处理受到影响，酶活性显著低于对照（P＜0.05），但是随着时间的延长，90 g · m^-2施用量处理迅速恢复，180 g · m^-2施用量处理在施用的14 d时也已经恢复到未施用水平，说明土壤脲酶及转化酶活性受氰氨化钙施用影响较小。施用28 d后，60 g · m^-2施用量以上的处理其土壤脲酶和转化酶均表现出增加的趋势，其中90 g · m^-2和180 g · m^-2施用量处理显著高于对照及30 g · m^-2施用量处理（P＜0.05）。虽然氰氨化钙的施用短期抑制了土壤微生物的活性，但是对土壤微生物群落能够起到很好的调节作用，最终迅速恢复，并表现出更强的代谢活性和养分循环能力。土壤磷酸酶测定结果表明，除了在施用大量氰氨化钙的刚开始几天内土壤酶活性与对照相比有显著降低外，磷酸酶在施用14 d后就回复原来的水平并保持相对稳定。磷酸酶是催化有机磷脂转化为无机磷的酶，对土壤无机磷的供应起着重要的作用^[20]。由于雷竹林特殊的经营方式，土壤磷素，特别是无机磷大量积累^[5]，而之前的研究表明使用化肥会降低土壤磷酸酶活性^[20]。本研究中土壤磷酸酶活性总体较低，且磷素质量分数很高，因此，氰氨化钙的施用对磷酸酶几乎没有影响。

综合来看，低施用量的氰氨化钙（30 g · m^-2）对土壤微生物学性质影响并不明显，而高施用量（180 g · m^-2）对土壤微生物数量及脱氢酶活性产生了较强的抑制作用，60 g · m^-2及90 g · m^-2施用量只对土壤微生物量及活性产生了短期的抑制效果，28 d后土壤微生物量及活性均恢复或高于施用前，因此该施用量在生产上较为合理。需要提出的是，土壤微生物量指标只能代表总体土壤微生物群落，土壤酶也只能指示土壤微生物总体活性或对某一种养分元素的转化活性，可以体现特定的微生物功能种群对氰氨化钙的响应，但是不能揭示物种水平上微生物群落结构的变化。不同用量的氰氨化钙如何影响土壤微生物的功能种群，继而影响土壤碳、氮循环等生态功能还有待于进一步研究。

不同氰氨化钙施用量对土壤微生物量碳的影响差异较大。尽管氰氨化钙施用降低了土壤微生物量碳，但是低施用量氰氨化钙处理土壤微生物量迅速恢复，并最终显著高于对照处理，而高施用量氰氨化钙处理对土壤微生物量碳影响较大，恢复速度较慢。土壤真菌对氰氨化钙较细菌更加敏感。不同施用量的氰氨化钙处理均显著降低土壤的真菌/细菌比值。尽管后期有所恢复，高施用量氰氨化钙处理土壤真细比仍然显著低于对照。土壤酶活性对不同氰氨化钙施用量及施用时间响应不同，但是都在短期内受到氰氨化钙的抑制。所有氰氨化钙处理均提高了土壤脱氢酶活性；高施用量氰氨化钙处理显著提高了土壤脲酶和转化酶活性；土壤磷酸酶活性总体上受氰氨化钙影响较小。