土壤微生物生物量 (SMB) 是指土壤中除活的植物体外 (如活的植物根系) 体积小于5 × 10 ³～10 × 10 ³ μm³活的微生物总量，是土壤有机质中最活跃和最易变化的部分^[1]，土壤微生物碳 (SMBC) 和土壤微生物氮 (SMBN) 分别只占耕层土壤总有机碳和全氮含量的3%和5%左右^[2]。土壤微生物参与了物质转化过程中的许多生化反应，是土壤中有机质利用转化与养分循环的动力, 也是土壤有效养分的重要来源^[2–4]。

SMB含量主要受土壤温度、水分、pH值以及施肥等耕作管理措施的影响^[5–6]。由于施肥是农田增产的最主要措施之一，因此施肥对SMB的影响研究一直是国内外土壤科学研究的焦点之一。刘守龙等^[6]研究了长期施肥对亚热带红壤稻田土壤微生物生物量碳氮磷的影响，结果表明秸秆还田和施有机肥是提高土壤微生物生物量碳、氮、磷和固持土壤养分的主要途径；Chu等^[7]认为增施有机肥能显著影响SMBC，平衡施肥处理较养分缺乏的施肥处理SMBC有显著的提高；徐一兰等^[8]通过29年长期试验的研究表明，有机无机肥配施较单施化肥SMBC和SMBN均有显著提高，而且微生物熵（qMB）也有显著提高，同时单施化肥较不施肥处理SMBC和SMBN也有显著提高；Singh等^[9]在热带森林和草原上的研究表明，在土壤养分贫瘠的情况下，伴随植物迅速生长过程氮的矿化作用加强，SMBN含量显著降低；孙凤霞等^[10]研究表明长期单施化肥下红壤SMBC和SMBN最低，可能是由于红壤本身pH较低，单施化肥使土壤酸化从而影响土壤微生物的活性；梁斌等^[11]研究了长期施肥对褐土微生物生物量的影响，结果表明在玉米和小麦生长期间化肥加秸秆还田处理SMBC和SMBN含量均高于不施肥对照和单施化肥处理。

以往的许多研究均表明施用有机肥能显著提高土壤微生物生物量碳氮，但对于单施化肥是否能增加土壤微生物量碳、氮还存在分歧。土壤类型和施肥措施的差异也能使研究结果有所差异。因此，本研究以贵州省黄壤性水稻土长期定位试验为依托，研究不同施肥处理对黄壤稻田SMBC和SMBN的影响，为提高黄壤稻田土壤生产力，建立因地制宜的科学施肥制度和实现可持续发展提供理论依据。

长期试验地位于贵州省贵阳市小河区贵州省农业科学院内 (106°07′E、26°11′N)，地处黔中丘陵区，属亚热带季风气候，平均海拔1071 m，年均气温15.3℃，年均日照1354 h左右，相对湿度75.5%，全年无霜期270 d左右，年降雨量1100～1200mm。试验地为黄壤性水稻土，成土母质为三叠系灰岩与砂页岩风化物。该长期定位试验始于1995年 (2002年开始水改旱一直到2006年，自2007年开始旱改水田)，初始耕层 (0—20 cm) 土壤基本性质为土壤有机质31.15 g/kg、全氮1.76 g/kg、全磷2.30 g/kg、全钾13.84 g/kg、碱解氮134.44 mg/kg、有效磷21.05 mg/kg、速效钾157.89 mg/kg、pH值6.60。

本研究选取该长期试验点5个不同施肥处理：对照 (CK)、单施化肥 (NPK)、单施有机肥 (M)、低量有机无机肥配施 (0.5MNPK) 和高量有机无机肥配施 (MNPK) 处理。试验小区面积为 201 m²，采用大区对比试验，不设重复。所施化肥类型为尿素、普钙、氯化钾，有机肥为牛厩肥 (年平均养分含量为C 413.8 g/kg、N 2.7 g/kg、P₂O₅ 1.3 g/kg、K₂O 6.0 g/kg)。各处理每年施肥量见表1。每年根据有机肥的养分含量来调节化学氮肥的施用量。所有肥料全部作基肥在春播之前一次性施入，水稻于每年4月份插秧，10月中下旬收获。各处理具体施肥方案如表1。

表1(Table 1)

表1 各处理每年施肥量 Table 1 Fertilizer application rates in the treatments

表1 各处理每年施肥量 Table 1 Fertilizer application rates in the treatments 处理Treatment 牛厩肥 (t/hm2) Cow manure N (kg/hm2) P2O5(kg/hm2) K2O (kg/hm2) CK 0 0 0 0 NPK 0 99.0 49.5 49.5 0.5MNPK 18.4 99.1 48.6 134.9 M 36.7 99.1 47.7 220.2 MNPK 36.7 198.1 97.2 269.7

在2015年水稻收获后进行采样，将大区分为3个小区，采3个土样作为3次重复，用“S”形采样法随机采集水田表层0—20 cm土壤，5点组成一个土样。将采集的土样除去动、植物残体混匀分成两份，一份土样过孔径2 mm筛，置于冰箱 (4℃左右) 内用于测定微生物量碳氮；另一份土样风干后过0.25 mm筛，用于测定土壤总有机碳和全氮。土壤有机碳采用外加热重铬酸钾氧化法，全氮采用凯氏定氮法^[12]，土壤微生物生物量碳氮采用氯仿熏蒸—0.5 mol/L K₂SO₄浸提法测定^{[11, 13–14]}，微生物量碳氮的换算系数分别为0.45和0.54。

数据采用Excel 2016整理后，用SPSS 17.0 软件进行ANOVA分析，不同处理之间采用Duncan新复极差法进行多重比较。

长期施肥试验结果表明，SMBC的变化范围在423.87～695.04 mg/kg之间 (图1)。方差分析结果表明，不同施肥处理之间SMBC存在显著差异 (P < 0.05)。CK处理的SMBC为423.87 mg/kg。与CK处理相比，NPK处理的SMBC含量增加不显著 ( P > 0.05)。施用有机肥处理 (M、0.5MNPK和MNPK) 的SMBC含量显著高于CK处理和NPK处理 ( P < 0.05)，增幅分别为35.7%～64.0%和25.0%～51.0%。其中，M和MNPK处理的SMBC含量显著高于0.5MNPK处理 ( P < 0.05)。以上结果表明，长期施用化肥或者有机肥均能提高SMBC含量，但是施用化肥的提升效果并不明显，SMBC随有机肥施入量的增加而增加，以高量有机无机肥配合施用的效果最好。

图1(Fig. 1)

图1 长期不同施肥处理下土壤微生物生物量碳、氮含量 Fig. 1 The contents of SMBC and SMBN under different long-term fertilizations [注（Note）：柱上不同小写字母表示不同处理间差异显著（P < 0.05） Different small letters above bars mean significant differences among the treatments at the 0.05 level.]

长期施肥试验结果表明，SMBN的变化范围在44.35～91.65 mg/kg之间 (图1)。方差分析结果表明，不同施肥处理之间SMBN存在显著差异 (P < 0.05)。CK处理的SMBN为44.35 mg/kg。与CK处理相比，NPK处理的SMBN含量显著增加了44.1% ( P < 0.05)。施用有机肥处理 (M、0.5MNPK和MNPK) 的SMBN含量显著高于CK处理 ( P < 0.05)，依次增加了106.6%、69.2%和98.4%。其中，M处理的SMBN含量显著高于NPK和0.5MNPK处理 ( P < 0.05)，增幅分别为43.4%和22.1%，但较MNPK处理增加不明显 ( P > 0.05)；MNPK处理的SMBN含量达88.02 mg/kg，较NPK处理显著提高了37.7%，较0.5MNPK处理的提升效果不明显。以上结果表明，长期施用化肥或者有机肥均能显著提高SMBN含量，以单施有机肥的效果最好。

长期不同施肥处理下，黄壤的SOC、TN、SMBC/SOC、SMBN/TN的比值和SMBC/SMBN的比值均发生了显著的变化 (表2)。CK处理的SOC和TN含量分别为23.87 g/kg和1.94 g/kg。与CK处理相比，有机肥 (M、0.5MNPK和MNPK) 处理均显著提高了黄壤稻田的SOC和TN含量 (P < 0.05)，NPK处理下SOC和TN的含量提高不明显 ( P > 0.05)。SOC含量随有机肥施用量的增加而增加，其中MNPK处理最高达33.17 g/kg，显著高于0.5MNPK处理，与M处理差异不显著。全氮含量随有机肥施用量的增加而显著增加 ( P < 0.05)，表现为MNPK处理的全氮含量最大 (2.73 g/kg)，其次是M处理 (2.68 g/kg)，0.5MNPK处理 (2.38 g/kg) 最小。

表2(Table 2)

表2 长期施肥土壤微生物量碳氮比及其在有机碳和全氮中的比例 Table 2 SMBC and SMBN ratios and their percentages in SOC and TN under long-term fertilizations

表2 长期施肥土壤微生物量碳氮比及其在有机碳和全氮中的比例 Table 2 SMBC and SMBN ratios and their percentages in SOC and TN under long-term fertilizations 处理 Treatments SOC (g/kg) TN (g/kg) SMBC/SOC (qMB, %) SMBN/TN (%) SMBC/SMBN CK 23.87 ± 1.01 c 1.94 ± 0.02 d 1.78 ± 0.01 c 2.28 ± 0.09 b 9.57 ± 0.32 a NPK 24.63 ± 0.13 c 1.94 ± 0.03 d 1.87 ± 0.05 bc 3.28 ± 0.14 a 7.23 ± 0.30 b M 32.45 ± 1.37 a 2.68 ± 0.04 b 2.04 ± 0.08 ab 3.42 ± 0.27 a 7.29 ± 0.49 b 0.5MNPK 28.30 ± 1.16 b 2.38 ± 0.03 c 2.03 ± 0.18 ab 3.14 ± 0.27 a 7.70 ± 0.24 b MNPK 33.17 ± 0.51 a 2.73 ± 0.01 a 2.10 ± 0.05 a 3.22 ± 0.15 a 7.93 ± 0.36 b 注（Note）：SOC—土壤有机碳 Soil organic C；TN—土壤全氮 Total N；SMBC—土壤微生物生物量碳 Soil microbial biomass C; SMBN—土壤微生物生物量氮 Soil microbial biomass N; 同列数值后不同小写字母表示不同处理间差异显著（P < 0.05）Values followed by different small letters in the same column mean significant differences among the treatments at the 0.05 level.

土壤微生物熵 (qMB) 是指土壤微生物生物量碳占土壤总有机碳的百分比 (SMBC/SOC)，一般范围在1%～4%^[15]。SMBN/TN表示SMBN对土壤氮库的贡献率，可用作土壤氮素供应能力和有效性的评价指示，一般范围在2%～6%之间^[5]。本研究所测定的qMB范围在1.8%～2.1%之间，SMBN/TN范围在2.3%～3.4%之间，虽然SMB所占比例较小，但对土壤养分的生物有效性和合理利用起到至关重要的作用。qMB的变化反映了土壤中输入的SOC向SMBC的转化效率、土壤中碳的损失和土壤矿物对有机质的固定^[16]。在长期不同施肥处理下，CK处理的qMB为1.8%，NPK处理的qMB较CK处理的提升效果并不明显 (P > 0.05)。有机肥 (M、0.5MNPK和MNPK) 处理较CK处理qMB均有显著提高，且随着有机肥施用量的增加qMB也逐渐增大。所有施肥处理下的SMBN/TN较CK处理均有显著提高 ( P < 0.05)，其中以M处理的SMBN/TN最高且各施肥处理间无显著性差异 ( P > 0.05)。可能是因为施用化肥或有机肥改善了土壤理化性质，继而增强了土壤微生物活性，加快了有机碳和全氮的周转速率。

土壤微生物量碳氮比 (SMBC/SMBN) 可以反映土壤微生物群落结构信息，其显著变化表明土壤微生物的群落结构可以直接影响微生物量的高低^[17]。细菌SMBC/SMBN一般情况下在5∶1左右，放线菌在6∶1左右，而真菌在10∶1左右^{[3, 18]}。表2中CK处理的SMBC/SMBN为10∶1左右，显著高于其他施肥处理，而不同施肥处理间SMBC/SMBN无显著差异，在7.5∶1左右；NPK处理下的SMBC/SMBN小于有机肥处理 (M、0.5MNPK和MNPK)；M、0.5MNPK和MNPK 3个处理间均无显著性差异，表现为施用高量有机肥的SMBC/SMBN最大。长期施肥均可使SMBC/SMBN下降，其中以单施化肥下降得最快，高量有机无机肥配施下降得最慢。说明在长期施肥下的黄壤稻田中，土壤微生物群落可能以放线菌为主，细菌和真菌也占有一定的比重。

土壤有机物质在微生物的作用下分解成植物可利用的有效养分，同时土壤微生物对无机营养元素也起到一定的固持作用，SMB越大土壤养分积累得越多^[19]。本研究表明，SMBC与SMBN除相互间呈极显著正相关外，与SOC、qMB、TN也呈极显著正相关关系 (表3)。SMBC/SMBN仅与SMBN/TN呈极显著负相关。SOC与qMB、TN呈极显著正相关关系，与SMBN/TN之间无显著相关性，同时qMB与TN之间也呈极显著正相关关系。说明SMBC和SMBN的显著提高均与SOC和TN的含量变化相关，通过施肥可以显著提高SOC和TN的含量，而微生物又以碳氮为营养来源，从而促进微生物量碳氮有显著性变化，因此SMBC与SMBN或许可作为评价土壤质量的生物学指标。

表3(Table 3)

表3 土壤微生物生物量碳、氮与土壤有机碳和全氮的相关性 Table 3 The correlationships between SMBC, SMBN, SOC and TN

表3 土壤微生物生物量碳、氮与土壤有机碳和全氮的相关性 Table 3 The correlationships between SMBC, SMBN, SOC and TN 项目 Item SMBC SMBN SMBC/SMBN SOC qMB TN SMBN/TN SMBC 1.00 SMBN 0.95** 1.00 SMBC/SMBN –0.49 –0.72 1.00 SOC 1.00** 0.94** –0.45 1.00 qMB 0.96** 0.95** –0.59 0.93** 1.00 TN 0.99** 0.93** –0.42 0.99** 0.94** 1.00 SMBN/TN 0.66 0.85* –0.97** 0.63 0.73 0.60 1.00 注（Note）：**—P < 0.01; *— P < 0.05.

土壤微生物作为土壤养分循环的推动力，对土壤有机化合物的转化和养分的释放起着调控作用，且土壤微生物所进行的一系列活动均以碳、氮循环为中心。SMB的高低反映了土壤微生物新陈代谢的强弱，是表征土壤碳库和氮库的重要指标^[5]。本试验中CK处理长年不施肥且秸秆不还田，仅通过根系及地上部分残茬归还到土壤中，因此SOC和TN含量最低，土壤微生物生物量碳氮也处在最低水平。施用有机肥 (M、0.5MNPK和MNPK)，黄壤微生物生物量碳氮均有显著性提高，其中以MNPK处理下SMBC增幅最大，达到64.0%，以M处理下SMBN增幅最大，达到106.6%。此结果与芦思佳等^[20]研究结果类似，其结果表明有机无机肥配施对黑土微生物生物量碳以及土壤有机质含量的提高有一定的促进作用。吴海燕等^[21]对黑土长期定位施肥试验也表明，与CK处理相比，有机肥配施化肥处理黑土中SMBC、SMBN和微生物数量均有明显提高。另外，与长期施肥下潮土 (猪粪22.5 t/hm²)^[4]和褐土 (猪粪22.5 t/hm²)^[22]施用有机肥处理的试验相比，本试验中牛厩肥施用量为36.7 t/hm²的处理 (M和MNPK)SMBC和SMBN增幅最大。说明高量有机肥的施用不仅为微生物提供了外来碳源，促进其新陈代谢，而且还能改善土壤的理化性状，加强对微生物的保护。

长期单施有机肥及有机无机肥合理配施对SMBC和SMBN的促进作用较NPK处理更明显^[3]。本试验中，施用有机肥 (M、0.5MNPK和MNPK) 处理与单施化肥 (NPK) 处理相比，SMBC和SMBN均有较大幅度提升，增幅依次为25.0%～51.0%和17.4%～43.4%。这是因为施用化肥能够增加植物的生物量^[23]，其中地上部生物量的增加能够促进植物的光合作用，使得从地上部转入地下的营养物质增加，而地下部生物量的增加不仅能够促进根系分泌物的释放，还能增加根系残茬的还田量，创造了有利于微生物生存的环境。Jackson等^[24]研究结果也表明，有机肥与化肥配合施用很大程度上提高了土壤微生物的活性，土壤有机碳源得到补充的同时也提高了土壤有效养分和保水能力，所以单施有机肥和有机肥化肥配施的土壤微生物生物量碳氮较高。与CK处理相比，NPK处理的SMBC含量小幅增加，但未达到显著差异水平 (P > 0.05)，NPK处理的SMBN显著增加 ( P < 0.05)。这是因为长期施用化肥使土壤的C/N比降低，加速了土壤中原有有机碳的分解，导致土壤中积累的有机碳总量较少 ^[25]。而孙凤霞等^[10]对19年长期定位施肥的红壤样品分析表明，单施化肥显著降低了红壤微生物生物量碳含量，同时红壤微生物生物量氮含量也呈下降趋势，但未达到显著水平，这是因为长期施用化肥会使红壤逐渐酸化，从而对大多数土壤微生物的生存繁殖造成一定的影响，所以土壤酸化也是影响红壤微生物生物量碳氮的一个重要因素，因此今后应进一步加强对土壤pH的研究。

土壤微生物熵 (qMB) 能够反映土壤中输入的SOC向SMBC的转化效率，qMB值越大，SOC分解越快，活性有机碳转化得越快，土壤微生物越活跃^[16]。由于qMB受土壤类型、耕作措施、土壤理化性质等影响，所以qMB的取值范围由1%～4%调整到0.27%～7%^[26]，本试验中qMB变化范围在1.8%～2.1%之间，与何瑞清等^[15]报道的数值相符，说明不同施肥措施对土壤有机碳总量和微生物生物量的影响程度不一致。本试验不同施肥处理中，有机肥 (M、0.5MNPK和MNPK) 处理较CK处理qMB均有显著提高，较NPK处理增加不显著，而且随着有机肥施用量的增加qMB也逐渐增大，其中以MNPK处理的qMB最高，其原因可能是高量有机无机肥配合施用有利于改善部分土壤理化性质和生态环境，有利于土壤微生物活性的提高；同时，长期施用有机肥使SMBC发生变化，提高了土壤有机碳累积量和土壤微生物生物量^[8]。

土壤微生物生物量碳氮是土壤碳素和氮素的重要来源，同时也具有较高的生物活性，其消长水平反映土壤微生物利用土壤碳氮源合成自身物质并大量繁殖的程度，微生物细胞解体使有机碳氮矿化的过程也与土壤微生物生物量碳氮密切相关^[27]。本研究表明，NPK处理下SMBC/SMBN最低，施用有机肥 (M、0.5MNPK和MNPK) 较NPK处理均有一定程度的提高。这是因为施用有机肥为土壤微生物的活动提供了碳源，同时，有机肥的降解也消耗了土壤氮素，导致黄壤稻田处于“碳源富余、氮源缺乏”的状态，最终产生较高的SMBC/SMBN比值，长期施用化肥加速了土壤中原有有机碳的分解，导致土壤中积累的有机碳总量减少，最终引起SMBC/SMBN比值较低，而且SMBC和SMBN分别与SOC和TN含量呈极显著的正相关关系。徐一兰等^[8]研究结果表明，有机无机肥处理的SMBC/SMBN值明显高于单施化肥处理，与本研究结果相似。张奇春等^[28]研究认为，NK和NPK处理的SMBC/SMBN值小于不施肥处理。本研究结果也表明NPK处理下的SMBC/SMBN值小于CK处理。

1) qMB值和SMBC/SMBN比值在不同施肥处理下均有显著的变化，高量有机无机肥配施处理较不施肥处理的增幅最大，且SMBC、SMBN、qMB均与SOC和TN呈极显著正相关关系，说明SMBC、SMBN和qMB的显著提高均与SOC和TN的含量变化正相关。

2) 长期不同施肥处理较不施肥处理均能使SMBC和SMBN有一定程度的提高，其中以单施有机肥和高量有机无机肥配施处理增幅最为明显，单施化肥处理增幅最少，表明单施有机肥和高量有机无机肥配施是提高土壤微生物生物量的有效途径。