長期施肥對雙季稻田根際土壤微生物群落功能多樣性的影響

唐海明，肖小平，李微艷，孫耿，程凱凱

湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125

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長期施肥對雙季稻田根際土壤微生物群落功能多樣性的影響

唐海明*，肖小平，李微艷，孫耿，程凱凱

湖南省土壤肥料研究所，湖南 長沙 410125

摘要：微生物群落功能多樣性是表征土壤質量變化的敏感指標，施肥措施可對土壤微生物群落功能多樣性產生明顯的影響。以位于雙季稻主產區湖南省寧鄉縣國家級稻田肥力長期定位試驗田為研究對象，應用Biolog技術分析了不同施肥處理（化肥、秸稈還田+化肥、30%有機肥、60%有機肥、無肥對照）對雙季稻田根際土壤微生物功能多樣性的影響，從根際土壤微生物功能多樣性的角度評價施肥對土壤質量的影響。研究結果表明，有機肥與化肥配施以及單施化肥處理水稻根際土壤微生物對碳源的利用程度均顯著高于其他處理，而秸稈還田處理水稻根際土壤微生物對碳源的利用程度低于無肥處理。在早稻和晚稻成熟期，McIntosh指數均以60%有機肥和30%有機肥處理為最高，其次為施用化肥和無肥處理，秸稈還田處理最低；Richness和Shannon指數大小順序均表現為60%有機肥>30%有機肥>秸稈還田>無肥>化肥。土壤微生物碳源利用的主成分分析表明，各施肥處理水稻根際土壤微生物群落利用的主要碳源為氨基酸類和糖類，但不同施肥處理間碳源利用類型存在較大差異。總的來說，不同的施肥處理對水稻根際土壤微生物功能多樣性產生了不同影響，長期有機肥配施化肥有利于維持稻田根際土壤微生物群落多樣性。

關鍵詞：雙季稻；長期施肥；根際土壤；群落功能多樣性

引用格式：唐海明， 肖小平， 李微艷， 孫耿， 程凱凱. 長期施肥對雙季稻田根際土壤微生物群落功能多樣性的影響［J］. 生態環境學報， 2016， 25（3）: 402-408.

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微生物是土壤生物中最重要的組成部分，在土壤營養元素循環、土壤肥力形成和保持、生態環境改善等方面起著重要作用。土壤微生物對環境變化十分敏感，是土壤環境質量重要的指標（Insam et al.，1996）。根際土壤微生物具有繁殖快、數量多、代謝能力強的特點，它對根際土壤有機質的分解、轉化、氮的固定以及對植株養分吸收、植株生長發育均具有明顯的影響（Zak et al.，1994）1101-1108。土壤微生物群落功能多樣性是土壤微生物群落狀態與功能的指標，反映了土壤中微生物的生態特征。因此，微生物群落功能為評價微生物多樣性提供了一個可行的、生態相關的測量方法（Zak et al.，1994）1101-1108。目前測定土壤微生物多樣性的方法很多，從最常規的稀釋平板法到微生物量測定、磷脂脂肪酸分析法、Biolog微平板分析法到分子生物技術方法等。Biolog微平板分析法是測定土壤微生物對不同碳源利用能力及其代謝差異，進而用以表征土壤微生物功能多樣性的一種最具代表性的方法（Garland et al.，1991）2351-2359。

施肥是農業生產主要的措施之一，對土壤質量和可持續利用具有深遠影響，長期施肥可改變土壤理化性質和生物活性，影響作物產量（Zhong et al.，2010）。施肥使土壤微生物群落結構發生顯著變化，譚周進等（2007）430-435認為，大量有機肥的施用并不會提高土壤微生物數量，但會顯著增強土壤微生物活性。長期平衡施肥使土壤微生物量碳、氮和微生物功能活性增強（Hu et al.，2011），如侯曉杰等（2007）655-661研究表明，肥料合理配施可以增強微生物對碳源的利用程度（AWCD），顯著增加微生物功能多樣性（Shannon指數）。徐萬里等（2015）認為，NPK及NPK配施有機肥可提高土壤微生物多樣性。但也有研究表明，長期施用無機氮肥可降低土壤微生物活性（Lovell et al.，1995）。因此，長期定位施肥，使農田生態系統的質量和功能發生了顯著變化，研究不同施肥措施對農田養分循環的影響以及施肥與環境關系等對土地可持續發展具有重要價值。

湖南是我國重要的雙季稻區，對我國的糧食安全具有重要的意義，保持該區域稻田土壤肥力的穩定和持續是水稻高產、穩產的重要基礎。近年來，我國學者在雙季稻區主要開展了不同施肥措施（制度）對水稻某一時期稻田土壤微生物群落功能多樣性等方面影響的研究（譚周進等，2007430-435；羅希茜等，2009740-748），在大麥-雙季稻三熟制種植模式條件下，不同施肥措施對早、晚稻成熟期雙季稻田周年根際土壤微生物群落功能多樣性影響的研究還有待進一步開展。因此，本文以湖南寧鄉長期定位試驗為平臺，利用Biolog技術，探索29 a不同施肥管理模式下雙季稻田水稻根際土壤微生物功能的響應，以了解雙季稻田土壤的長期培肥效應，為提高稻田土地生產力和可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

不同施肥模式定位試驗始于1986年，在湖南省寧鄉縣農技中心內進行（112°18′E，28°07′N），為典型的雙季稻主產區，海拔36.1 m，年均氣溫16.8 ℃，年平均降雨量1553.70 mm，年蒸發量1353.9 mm，無霜期274 d。試驗地土壤為水稻土，河沙泥土種，種植制度為大麥-雙季稻，肥力中等，排灌條件良好。1986年試驗前耕層土壤（0～20 cm）基礎肥力：有機質29.39 g·kg-1、全氮2.01 g·kg-1、全磷0.59 g·kg-1、全鉀20.6 g·kg-1、堿解氮144.1 mg·kg-1、有效磷12.87 mg·kg-1、速效鉀33.0 mg·kg-1和pH 6.85。

1.2 試驗設計及田間管理

試驗設5個施肥處理：（1）化肥處理：施氮、磷、鉀化肥，不施任何有機肥（MF：mineral fertilizer alone）；（2）秸稈還田+化肥處理：施用晚稻秸稈與化肥處理（RF：rice residues plus mineral fertilizer）；（3）30%有機肥處理：有機肥的氮含量占總施氮量的30%，其余70%的氮為化肥氮（OM1：30% organic matter plus 70% mineral fertilizer）；（4）60%有機肥處理：有機肥的氮含量占總施氮量的60%，其余40%的氮為化肥氮（OM2：60% organic matter plus 40% mineral fertilizer）；（5）無肥對照：不施任何肥料（CK：without fertilizer）。每個小區長10.00 m，寬6.67 m，面積66.7 m2，小區間用水泥埂隔開，埋深100 cm，高出田面35 cm。保證各小區不竄灌、竄排。該試驗田開始于20多年以前，受當時條件的限制沒有設置重復。2014年，早稻供試品種為湘早秈45號，4月1日播種育苗，5月2日進行大田耕地和施基肥，5月3日移栽，7月24日收獲獲；晚稻供試品種為五優308，6月25日播種育苗，7月25日進行大田耕地和施基肥，7月26日移栽，10 月17日收獲。早稻和晚稻均采用人工移栽，移栽行株距均為25.0 cm×25.0 cm，均為二本栽插。早稻各施肥處理總施N 142.5 kg·hm-2、P2O554.0 kg·hm-2和K2O 63.0 kg·hm-2；晚稻各施肥處理總施N 157.5 kg·hm-2、P2O543.2 kg·hm-2和K2O 81.0 kg·hm-2；早稻季秸稈還田量為2775.0 kg·hm-2（秸稈中N、P2O5、K2O含量分別為0.65%、0.13%和0.89%），晚稻季秸稈還田量為3600.0 kg·hm-2（秸稈中N、P2O5、K2O含量分別為0.68%、0.15%和0.91%）；施用有機肥的處理，早稻和晚稻有機肥均為腐熟雞糞，早稻季30%有機肥和60%有機肥處理有機肥的施用量分別為2625.0、5250.0 kg·hm-2，晚稻季30%有機肥和60%有機肥處理有機肥的施用量分別為2670.0、5340.0 kg·hm-2（有機肥養分含量均為N 1.77%、P2O50.80%和K2O 1.12%），各處理以等氮量為基準，不足的氮、磷、鉀肥用化肥補足；早稻和晚稻各施肥處理秸稈和有機肥均于稻田耕地時作基肥一次性施入；N和K2O作基肥和追肥2次施入，基肥在耕地時施入，追肥在移栽后7 d施用，基追肥比例均按7∶3施用；P2O5均在耕地時作基肥一次性施入。早稻和晚稻田間管理為均在移栽后保持淺水條件，結合施用分蘗肥進行雜草防除，分蘗期進行曬田，曬田后復水，后期進行干濕交替灌溉，水稻完熟后落干曬田、收獲。其他管理措施同常規大田生產。

1.3 樣品采集與測定方法

試驗于2014年分別于早稻和晚稻的成熟期，進行土壤樣品的采集，每個小區采取多點取樣采集根際土壤組成1個樣品，重復3次。根際土壤取樣方法采用“抖根法”，即先將植株根系從土壤中挖出，抖掉與根系松散結合的土體，然后將與根系緊密結合在0～4 mm范圍的土壤用刷子刷下來作為根際土壤。土壤剔除石礫及植物殘茬等雜物后，迅速裝入塑料袋并置于冰盒中，運至實驗室，4 ℃冰箱保存，Biolog分析在取樣后48 h內進行。同時，在晚稻成熟期，采用5點法采集各小區0～20 cm新鮮土壤樣品，風干過篩，用于測定土壤基礎理化性質。

試驗使用Biolog ECO微平板法進行測定。反應平板的第1個孔為不含任何C源的對照，其余每孔中含有1種C源和氧化還原染料四氮唑藍。微生物利用碳源進行呼吸使氧化還原電勢發生變化，并將四唑類（TV）從無色還原成紫色（程池等，2006）。通過測定反應平板各孔的吸光值及其變化來反映微生物群落代謝功能的多樣性。具體實驗步驟是，取經預培養的新鮮土樣10 g，加95 mL無菌的0.145 mol·L-1NaCl溶液在搖床上振蕩15 min，然后用無菌水分步稀釋至10-3，取上清液（125 μL）接種到反應平板的每個孔中，將接種好的反應平板放至25 ℃下培養，每隔12 h在波長為590 nm的Biolog讀數器上讀數，實驗持續12 d。

土壤pH值采用土：水=1∶2.5法、有機質采用重鉻酸鉀容量法、全氮采用重鉻酸鉀-硫酸消化法、土壤堿解氮采用堿解擴散法、有效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法以及速效鉀含量采用NH4Ac浸提-火焰光度法（鮑士旦，2000）。

1.4 數據處理

根據公式（1）計算反應平板孔中溶液吸光值平均變化率（average well color development，AWCD）；根據公式（2）計算Shannon指數H（用于評估物種的豐富度）；根據公式（3）計算McIntosh指數U（用于評估群落物種均勻度）（Garland et al.，19912351-2359；Jeffrey et al.，1997）。

式中，C為每個有培養基孔的吸光值，R為對照孔的吸光值，n為培養基孔數，GN板n值為95。Pi為第i孔的相對吸光值與所有反應孔相對吸光值總和的比值，即：Pi=（C-R）/Σ（C-R）。

數據處理、相關分析采用Excel 2003軟件進行，方差分析、主成分分析和多重比較采用DPS 3.11 （Data Processing System for Practical Statistics）軟件進行，多重比較采用LSD法（P<0.05）。

2 結果與分析

圖1 早稻和晚稻成熟期不同施肥處理根水稻際土壤微生物吸光值AWCDFig. 1 AWCD changes with incubation progress at early and late rice maturity stage with different fertilizer treatments

2.1 板孔平均顏色變化率

平均顏色變化率（AWCD）表征微生物群落碳源利用率，是土壤微生物群落利用單一碳源能力的重要指標，反映了土壤微生物活性、微生物群落生理功能多樣性（Garland et al.，1991）2351-2359。早稻和晚稻成熟期，各施肥處理根際土壤AWCD變化如圖1中所示，AWCD隨培養時間的延長而提高，不同施肥處理均表現為在開始的24 h變化不大，在第24～108小時內快速升高，隨后持續緩慢地升高直到實驗結束。其中，化肥、30%有機肥和60%有機肥處理的快速增加過程一直持續到第108小時以后，而秸稈還田和無肥處理基本上在第108小時就結束了。

與無肥處理相比，不同施肥處理對AWCD有較大影響。在早稻和晚稻成熟期土壤培養結束時，有機肥與化肥配施以及施用化肥處理的AWCD顯著高于其他處理；秸稈還田處理的AWCD低于無肥處理。

2.2 土壤微生物群落代謝多樣性變化

表1 水稻成熟期不同施肥處理根際土壤微生物群落的多樣性指數值Table 1 Genetic diversity indices of rhizospheric soil microbial communities for different fertilizer treatments at early and late rice maturity stage

利用Richness、Shannon和McIntosh指數，分別反映早稻和晚稻成熟期土壤微生物群落物種的豐富度和均勻度。如表1中所示，早稻和晚稻成熟期，60%有機肥處理Richness指數均顯著高于化肥處理，其大小順序為60%有機肥>30%有機肥>秸稈還田>無肥>化肥。早稻和晚稻成熟期，60%有機肥和30%有機肥處理Shannon指數均顯著高于其他處理，其大小順序為60%有機肥>30%有機肥>秸稈還田>無肥>化肥。Shannon指數的結果表明，有機肥與化肥配施以及秸稈還田配施化肥處理的群落豐富度均高于化肥和無肥處理，單施化肥處理最低。McIntosh指數的結果表明有機肥與化肥配施處理（60%有機肥和30%有機肥處理）的物種均勻度最高，其次為化肥和無肥處理，而秸稈還田處理最低，表明其均勻度與群落豐富度之間有著不一致的表現。

2.3 水稻根際土壤微生物群落代謝功能主成分分析

利用培養72 h后測定的AWCD數據，經過標準化處理后，利用相關文獻提供的方法進行了主成分分析（Kela et al.，2007；Grove et al.，2004；Min et al.，2007；Wolfgang et al.，1997）。早稻和晚稻成熟期，根據提取的主成分個數一般要求累計方差貢獻率達到85%的原則（Hao et al.，2003），共提取了9個主成分，累計貢獻率分別達85.73%、86.67%。其中早稻成熟期第1主成分（PC1）的方差貢獻率為35.42%，第2主成分（PC2）為15.26%，第3～9主成分貢獻率均較小，分別為8.42%、6.14%、5.37%、4.17%、4.11%、3.72%和3.12%；晚稻成熟期PC1的方差貢獻率為37.68%，PC2為16.34%，第3～9主成分貢獻率均較小，分別為7.57%、5.56%、5.14%、4.02%、3.79%、3.53%和3.04%，因此本文只對前2個主成分進行分析（圖2）。結果表明，不同施肥處理在PC軸上出現明顯的分異，在PC1軸上各處理分布分散，秸稈還田處理主要分布在負方向，而化肥、60%有機肥和30%有機肥處理主要分布在PC1軸正方向；PC2軸上秸稈還田處理分布在負方向，60%有機肥和30%有機肥處理分布在正方向，其中化肥處理在PC2正負軸上均有分布。整體來看，不同施肥處理間土壤微生物群落存在較大的差異。

對PC1和PC2具有較高相關性的19個碳源的分析結果表明，對PC1和PC2差異起作用的主要碳源是氨基酸和糖類物質（表2）。氨基酸類碳源在PC1的權重較大，而與PC2相關性較大的碳源主要是糖類；氨基酸類、糖類碳源是區分各施肥處理的主要碳源。

本文對不同施肥處理具體利用的前5種碳源進行了分析（表3）。不同處理的根際土壤微生物雖然利用的主要都是糖類、氨基酸類以及少量其他物質，但各處理間所存在的相同之處較少，這表明不同施肥處理對根際土壤微生物利用碳源情況存在明顯的影響。

2.4 土壤基礎理化性質變化

圖2 早稻和晚稻成熟期不同施肥處理根際土壤微生物碳源利用類型的主成分分析Fig. 2 Principal components for carbon utilization of rhizospheric soil microbial communities in different fertilizer treatments at early and late rice maturity stage

表2 與PC1和PC2相關顯著的主要培養基Table 2 Correlation coefficients between main substrates and PC1 or PC2

各處理間土壤pH值無顯著性差異。與無肥處理相比，施用有機肥顯著提高土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量（表4）。其中，60%有機肥處理稻田土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均為最高，分別比無肥處理增加28.0 g·kg-1、1.77 g·kg-1、157.0 mg·kg-1、234.21 mg·kg-1和14.0 mg·kg-1；較化肥、秸稈還田和無肥處理，30%有機肥處理提高了土壤的養分含量，但其含量均低于60%有機肥處理。秸稈還田和化肥處理土壤有機質、全氮、堿解氮和速效鉀含量均顯著高于無肥處理，而有效磷與無肥處理無顯著性差異。

表3 各處理利用的主要碳源Table 3 Main carbon substrates utilized by rhizospheric soil microbial communities for different fertilizer treatments

3 討論

AWCD的高低可用來表征微生物對碳源的利用率高低，可作為土壤微生物活性有效指標。本研究在指數分析時利用的是培養72 h的吸光值結果，與侯曉杰等（2007）655-661、張逸飛等（2006）研究中所采用的時間和方法并不一致。在本研究中，水稻根際土壤微生物經過24 h延滯期適應Biolog微平板提供的環境，然后對數生長至72 h，之后生長減緩步入穩定期（圖1），本研究利用72 h培養后的AWCD值進行分析是適當的。前人研究表明，施用廄肥有利于維持根際土壤微生物的多樣性及活性（朱海平等，2003）140-142。侯曉杰等（2007）655-661報道單施氮肥、氮肥磷肥配施條件下，微生物對碳源利用率較低。本研究結果表明，不同施肥措施對根際土壤微生物群落碳源利用能力具有明顯的影響。有機肥與化肥配施以及施用化肥處理土壤AWCD顯著高于無肥處理，表明這些處理有利于維持根際土壤微生物的碳源利用能力，提高了土壤碳的利用能力，這可能是由于長期有機-無機肥配施有較好的土壤培肥效果（表4），能為土壤微生物提供較多的能源和養分，促進了土壤微生物的活性和多樣性。施用化肥處理提高了根際土壤微生物對碳源的利用率，這可能是本研究的土壤質地（紅黃泥水稻土）、土壤理化因素、種植制度（大麥-雙季稻）與其他研究有所不同所導致的結果（侯曉杰等，2007）655-661。而秸稈還田處理土壤AWCD均低于無肥處理，其原因可能是秸稈還田后無機N、P相對缺乏且C/N比高，養分釋放緩慢，微生物分解慢，從而降低了土壤微生物活性和多樣性（李新愛等，2006）。另外，秸稈還田處理可能改變了根際土壤微生物的優勢種群，引起其對所測試碳源的利用率降低。

表4 長期施肥對稻田土壤化學性質的影響（0～20 cm）Table 4 Effects of different long-term fertilizer managements on soil chemical properties （0～20 cm）

Richness、Shannon和McIntosh指數分析結果表明，不同施肥處理對稻田根際土壤微生物群落多樣性有顯著的影響，根際土壤微生物物種的數量、各個物種均勻度在不同施肥處理間存在明顯的差異。其中，有機肥與化肥配合施用（60%和30%有機肥處理）有利于提高根際土壤微生物群落物種數量、各物種均勻度，這可能是由于有機肥的C/N有利于根際土壤微生物的生長；且有機肥為微生物提供了較多的能源與養分，促進了根際土壤微生物大量繁殖（Tang et al.，2014），加快微生物的新陳代謝。秸稈還田處理雖然能增加微生物物種數量，但降低了物種均勻度指數，可能是由于長期秸稈還田促進了某些微生物種群（偏于利用植物殘體的種群）生長代謝，而抑制了其他微生物種群的生長代謝，致使根際土壤群落均勻度下降（羅希茜等，2009）740-748。施用化肥處理降低了根際土壤微生物物種的數量、各個物種均勻度，這可能是由于長期單獨施用化肥導致土壤所提供的生物有效碳源較少，維護較低的土壤微生物活性，從而降低了根際土壤微生物群落的多樣性。有機肥與化肥配施能顯著提高根際土壤微生物活性，使其碳源利用能力大大增強，其群落多樣性也得到提高，土壤中有機質得到充分利用。秸稈還田處理雖然提高了根際微生物群落的物種豐富度，但降低了根際微生物利用碳源的能力以及群落物種均勻度，這可能與其土壤碳、氮利用下降原因有關。

Garland et al.（1991）2351-2359認為各試驗樣本在PC空間不同PC軸坐標的差異是與對聚集在該PC軸上碳源利用能力相聯系的。在本試驗的主成分分析中，共提取了9個主成分，但只對前2個主成分進行了分析。分析結果表明，不同施肥處理根際土壤微生物的碳源利用能力存在顯著差異（圖2），體現了不同施肥處理對土壤碳庫具有不同影響。氨基酸類和糖類物質是本試驗雙季稻田根際土壤微生物主要利用的碳源（表2），但不同施肥處理根際土壤微生物所利用的氨基酸和糖類物質存在明顯差異（表3），可作為劃分各處理對根際土壤微生物影響的依據（Ekkehard et al.，1997；Gabriela et al.，2006）。本研究結果表明，與單施化肥處理相比，長期有機-無機肥配合施用處理（60%、30%有機肥和秸稈還田處理）顯著提高了根際土壤氨基酸和單糖的數量，這是因為長期施用有機肥和秸稈還田將到時可被微生物利用的碳源趨于穩定，促進偏好以氨基酸類和單糖糖類物質為碳源的微生物群落的發育，從而增加了有機肥處理稻田土壤中以氨基酸類和單糖糖類物質為主要碳源的根際土壤微生物群落，這與張繼宏等（1995）研究結果相一致。

土壤微生物群落功能多樣性變化不僅受施肥影響，還與土壤養分密切相關，孫瑞蓮等（2004）發現，化肥與有機肥長期配合施用能明顯提高土壤有機質和氮、磷、鉀養分含量，促進微生物代謝和繁育，可為作物穩產高產創造良好的土壤生態環境。朱海平等（2003）140-142研究結果表明，不同培肥管理措施影響土壤養分含量和微生物生態特征，其中施用豬廄肥影響較大，化肥影響較小。本研究結果表明，各施肥處理間土壤微生物群落功能多樣性受土壤養分含量影響較大。與單施化肥處理相比，在雙季稻區稻田長期進行有機-無機肥配合施用處理（60%、30%有機肥和秸稈還田處理）可不同程度地增加土壤微生物群落功能多樣性，這可能是因為有機物與化肥長期配施對土壤具有較好的培肥效果（表4），能為土壤微生物提供較多的能源和養分，促進了土壤微生物大量繁殖，增加土壤微生物群落功能多樣性，這與前人的研究結果相一致（李娟等，2008）；同時，所施用的肥料促進作物根系生長，大量留田根茬和秸稈還田提高了微生物的活性，促進了土壤微生物的繁殖。而長期單獨施用化學肥料對土壤微生物群落功能多樣性影響較小，這是因為水稻生長消耗大部分養分且植株生長狀況較差，根系及殘留物均較少，且長期施用化肥，尤其是無機氮肥，使土壤C/N比降低，加速了土壤中原有有機碳分解，影響了土壤養分含量和微生物活性（徐陽春等，2000）。

在本研究中，僅開展了不同施肥處理對雙季稻田根際土壤微生物群落功能多樣性的影響研究，而不同施肥處理對稻田非根際土壤微生物群落功能多樣性的影響及根際和非根際土壤間的差異還需作進一步的研究。

4 結論

有機肥與化肥配合施用以及施用化肥處理稻田根際土壤微生物對碳源的利用程度均有所升高，而秸稈還田處理根際土壤微生物對碳源的利用程度有所下降。所有施肥處理均有利于維持稻田根際土壤微生物群落多樣性，特別是有機肥與化肥配施能提高根際土壤微生物的物種豐富度和群落均勻度，但秸稈還田降低了根際土壤微生物群落均勻度。各施肥處理土壤微生物群落功能多樣性與土壤養分含量關系密切。土壤微生物碳源利用的主成分分析結果表明，不同施肥處理根際土壤微生物主要利用氨基酸類和糖類碳源，各施肥處理稻田根際土壤微生物群落在碳源利用上存在較大的差異，施肥明顯加劇了各處理間的變異程度，增加了根際土壤微生物群落的變異性。

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Effects of Long-term Different Fertilization Regimes on the Rhizospheric Microbial Community Functional Diversity in Paddy Field

TANG Haiming*， XIAO Xiaoping， LI Weiyan， SUN Geng， CHENG Kaikai
Hunan Soil and Fertilizer Institute， Changsha 410125， China

Abstract:Microbial community functional diversity is a sensitive indicator of soil quality； soil management such as fertilization regimes which can affect the microbial community functional diversity of paddy fields. In this paper， the average well color development （AWCD） in BIOLOG plates indicated the ability of rhizosphere microbial community to utilize carbon. The indices of Richness， Shannon and McIntosh were calculated to show the richness and evenness of the functional diversity， while the principal component analysis （PCA） of substrate reaction reflected the main carbon source utilized by rhizosphere microbial community. Our objective was to explore the rhizosphere microbial community functional diversity of a paddy field at early and late rice mature stages under different long-term fertilization regimes in a double cropping rice system. A long-term experiment was established in 1986 in Ningxiang county of Hunan Province， China， and five different fertilizer treatments were applied: （1） no fertilizer input （CK），（2） mineral fertilizer alone （MF）， （3） rice residue plus mineral fertilizer （RF）， （4） 30% organic matter and 70% mineral fertilizer （OM1）， and （5） 60% organic matter and 40% mineral fertilizer （OM2）. We analyzed the rhizosphere microbial community functional diversity of the fields with the above five treatments using BIOLOG system. The results showed that both applications of organic manure mixed with chemical fertilizer， and chemical fertilizer alone caused high increase of the AWCD while straw incorporation had less effect on the AWCD， which effect was even lower than in the treatment without fertilizer. It was implied that long-term fertilization regime resulted in the variation of the carbon utilization efficiency of rhizosphere soil microbial communities. In addition，the indices of McIntosh under different fertilization regimes were ordered as follows: OM2>OM1>MF>CK>RF at mature stages of early and late rice. And the indices of Richness， Shannon under different fertilization regimes were ordered as follows: OM2>OM1>RF>CK>MF at mature stages of early and late rice. PCA analysis indicated that there were different carbon-substrate-utilization patterns among different fertilizer treatments. Carbohydrates and Amino acids were the main carbon resources utilized by rhizosphere microbes. There were significant differences in carbon-substrate-utilization patterns among different fertilizer treatments. Therefore， the combined application of chemical fertilizer and recycled organic manure could significantly increase the rhizosphere microbial community functional diversity of paddy fields at mature stages of early and late rice.

Key words:double rice； long-term fertilization regime； rhizospheric soil； community functional diversity

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.03.006

中圖分類號：S154.36； X17

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2016）03-0402-07

基金項目：國家自然科學基金項目（31201178；31571591）；湖湘青年科技創新創業平臺資助項目

作者簡介：唐海明（1980年生），男，副研究員，博士，研究方向為耕作生態與農作制。E-mail: tanghaiming66@163.com

*通信作者

收稿日期：2015-12-04