開墾對土壤團聚體含量及微生物群落代謝多樣性的影響

楊 磊，王衛超，張鳳華

(石河子大學/新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆 石河子 832003)

土壤團聚體作為土壤結構的基本單元，是土壤養分的貯藏庫也是土壤微生物的良好生境[1]。不同粒徑團聚體的理化性質以及對養分的保持、供應和轉化情況均有不同，直接對土壤團聚體中微生物生物量、功能以及多樣性產生影響[2]。其組成分布及穩定性受到人為活動的影響，如土地利用變化、農業耕作措施以及施肥等因素的影響[3-4]。棄耕地開墾后棉花秸稈還田，劉威等[5]表明秸稈還田可以增加農田表層土壤>0.25 mm團聚體含量，改良土壤結構。李涵等[6]研究發現秸稈還田可以提高土壤有機碳含量。土壤有機碳與土壤團聚體的形成關系密切[7]，團聚體的形成被認為是主要的土壤固碳方式。不同粒徑團聚體在有機碳的保持、供應以及轉化起著不同的作用，大團聚體與微團聚體相比對有機碳有更強的保護作用，能夠固定更多的有機碳[8]。土壤團聚體是由礦物顆粒在有機物的膠結下形成的，而土壤有機碳含量又影響團聚體的數量及分布。土壤有機碳含量的增加有利于土壤結構的形成及穩定性的增強，所以二者之間關系密切[9]。

土壤微生物與土壤理化性質關系密切，而土壤團聚體和土壤微生物逐漸成為當今研究熱點。土壤微生物在土壤團聚體的形成和保持穩定性的過程中起著重要的作用[10]。土壤微生物是組成土壤及整個生態系統的重要部分[11]，是土壤有機質轉化、物質循環和能量流動的驅動力[12-13]，在生態系統中起到關鍵的作用[14]。

土壤微生物多樣性是評價微生物群落特征的重要內容，反映了群落總體的動態變化特征[15]，對土壤微生物群落多樣性研究分析可以為合理利用資源、解決農田生態系統失衡提供理論依據[16]。土壤微生物群落功能多樣性是描述土壤微生物群落特征與功能的重要指標，對評價土壤微生物的生態特征和土壤肥力特征起到至關重要的作用[17]。土壤微生物功能多樣性信息對于明確不同環境中微生物群落的作用具有重要意義。微生物功能多樣性表現在微生物有多種代謝途徑和生理功能，包括底物代謝能力、微生物活性和與N、P、S等營養元素在土壤中轉化相關的功能等[18]。Biolog分析法作為研究土壤微生物群落結構和功能多樣性的一種簡單快速、靈敏度高、分辨力強的方法[15]，在一定程度反映土壤碳源轉化和微生物代謝多樣性。目前主要用于施肥處理[19]、農作模式[20]、耕作方式[21]等土壤微生物群落的代謝多樣性，針對干旱區極端環境條件下農田灰漠土土壤團聚體微生物代謝多樣性的研究較為薄弱。

本研究利用Biolog微平板技術，以干旱區鹽漬化棄耕地開墾前后土壤團聚體微生物為研究對象，比較開墾前后土壤團聚體微生物的代謝特征變化，旨在探討開墾對土壤團聚體微生物功能多樣性的影響，以期為干旱區鹽堿地的改良與利用提供科學的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地點位于新疆瑪納斯河流域沖積扇緣地帶十戶灘鎮(86.13963°～96.14433°E，44.62470°～44.63020°N)，此地區位于準噶爾盆地南部，身處內陸，遠離海洋，干旱少雨，蒸發量較大，年均氣溫6.6℃，≥10℃的積溫可以達到3 490℃，年降水量110～200 mm，年蒸發量1 500～2 000 mm，無霜期148～187 d，屬于典型的溫帶大陸性氣候。此地位于沖積洪積扇平原，地下水水位高，不合理的灌溉措施加之強烈的蒸發加劇了鹽分的表聚，從而導致了大面積鹽漬化土壤。

1.2 試驗設計

試驗地選擇鹽漬化嚴重而棄耕29 a的土地，面積為25 hm2。試驗分為2個處理，棄耕地作為對照處理，面積5 hm2，植被覆蓋較少，主要植被有檉柳、鹽爪爪、花花柴和絹蒿等；在原有棄耕地的基礎上人為開墾為棉田距今5年，面積20 hm2，期間連續種植棉花。棉花種植密度為2.4×105株·hm-2，整個生育期灌水10～12次，灌溉方式為膜下滴灌，灌水總量為4 500 m3·hm-2。棉花整個生育期，純氮(300 kg·hm-2)和純磷(200 kg·hm-2)均通過膜下滴灌隨水施入。棉花收獲后，秸稈全量(6 000～7 500 kg·hm-2)還田，同時尿素(150 kg·hm-2)和過磷酸鈣(450 kg·hm-2)作為基肥深翻施入土壤。

1.3 樣品采集

每一樣地內隨機布設3個1 m×1 m的樣方，去除樣方上的凋落物層及土壤動物等，采用自然土壤剖面取樣法，自下而上采集40～60 cm、20～40 cm、10～20 cm、5～10 cm、0～5 cm以及0～20 cm兩部分土壤團聚體，原狀土樣裝入硬質塑料盒帶回實驗室，途中避免對原狀土的擠壓，將土壤樣品在室溫下風干，使樣品達到塑限的程度(含水量20%左右)，用于團聚體分級。0～20 cm土樣篩分后迅速放入4℃冰箱保存，用于測定土壤微生物功能多樣性。

1.4 測定指標與方法

團聚體分級采用干篩法：風干過程中，沿土壤自然結構輕掰成直徑1 cm3左右的小土塊，剔除植物根系與石塊，待風干后，取土樣500 g，通過一套篩組,孔徑依次為5，2，1，0.25，0.053 mm，篩組上方有蓋，下方有底，篩分時間10 min，篩分結束后，測量各孔徑篩子上土樣重量Wdi，計算各級團聚體占土樣總量的百分比。

0～20 cm土壤篩分后將土壤濕度調節為田間持水量的50%，在25℃下預培養7～10天后，迅速測定土壤微生物功能多樣性或在低溫(4℃)下保存。

土壤微生物功能多樣性：采用Biolog-ECO微平板法測定。稱取經團聚體分級后相當于10 g烘干土重的土樣，加入100 ml無菌PBS緩沖液(NaCl: 0.67%, KH2PO4: 0.024%, Na2HPO4·7H2O: 0.086%, 調節pH)的三角瓶中，塞入無菌棉花，在180 r·min-1下振蕩2 h，吸取0.5 mL土壤懸浮液用PBS緩沖液定容到50 mL(即釋至10-3)再震蕩30 min，通過排孔加樣器將稀釋液接種至Biolog微平板上，每孔接種量150 μL，3個重復接種于同一微平板上。將接種好的ECO 板置于保濕的無菌塑料容器上，并放入25℃的恒溫箱中培養，每間隔12 h直至156 h用Biolog自動讀數裝置在590 nm下讀數。計算單孔平均顏色變化率(AWCD)來反映微生物代謝功能多樣性。

1.5 數據分析

土壤微生物群落功能多樣性：觀察比較微生物群落平均顏色變化率(AWCD)隨時間的變化曲線，根據不同處理對碳源的利用情況，綜合考慮變化趨勢，選取光密度趨于穩定且不同處理之間有較好分形的96 h的AWCD值進行土壤團聚體微生物群落代謝多樣性分析，選擇處于AWCD曲線“拐點”處或其后的數據，此時微平板的培養時間可以最大限度滿足各類細菌的生長，從而在一定程度上可以更準確地反映不同環境微生物群落的差異性，并計算Shannon豐富度指數(H)，McIntosh均一性指數(U)，Simpson優勢度指數(D)。具體計算公式如下:

式中，Ci為第i孔的相對吸光值，C是每個孔(光密度測量)的吸光度，R為板內控制孔的吸光度，n為底物的數量(ECO板，n=31)；Pi為第i孔的相對吸光值與整板的相對吸光值總和的比率。

試驗數據采用SPSS 19.0進行單因素方差分析，用Canoco 4.5進行主成分分析，使用Sigmaplot 12.0作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤團聚體組成分布

圖1所示，棄耕地開墾減少了各土層微團聚體(<0.25 mm)數量，相應的增加了大團聚體(>0.25 mm)數量。隨著開墾土壤>0.25 mm團聚體有所增加，比棄耕地增加了10.5%。就同一粒徑的不同土層來看，土壤團聚體的分布存在一定差異性。隨著土層加深 >5 mm團聚體比例在開墾前后均呈現出下降的趨勢；對于1～0.25 mm團聚體比例，開墾前在10～20 cm土層中最高，且顯著高于其它土層，開墾后在5～10 cm土層中比例最高，與20～40 cm和40～60 cm土層之間差異顯著；0.25～0.053 mm團聚體比例在開墾前后均是在40～60 cm土層中最高，開墾前在10～20 cm土層中比例最低，與5～10 cm土層差異不顯著，開墾后在5～10 cm土層中比例最低，與0～5 cm和10～20 cm差異不顯著。土壤團聚體的組成分布及基本特征是土壤肥力的基礎，是判斷土壤質量狀況的依據，而>0.25 mm大團聚體是土壤中最好的結構體，其含量越多，說明土壤團聚體的穩定性越好[22]。

綜合來看，0～20 cm土壤團聚體組成在開墾前后變化較大。其中0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm土層中0.25～0.053 mm團聚體比例較開墾前均有了明顯降低，分別降低了13.6%，16.3%和6.4%。而對應土層中1～0.25 mm團聚體比例比開墾前分別提高了63.61%、67.63%和17.22%。

2.2 土壤團聚體微生物群落功能多樣性

2.2.1 土壤團聚體微生物群落代謝平均顏色變化率 平均顏色變化率(AWCD)反映了土壤微生物的代謝活性，是土壤微生物群落利用單一碳源能力的一個重要指標[23]，在一定程度上反映了土壤中微生物種群的數量和結構特征。AWCD隨時間變化呈現出延續的常規生長曲線，隨著培養時間的延長，開墾后土壤團聚體微生物利用碳源的量呈現出逐漸增加的的趨勢，培養起始的24 h內AWCD變化并

不明顯，而培養24～96h AWCD快速增長，此時微生物活性正處于旺盛時期，最后增長較為緩慢，直至趨于穩定。這一系列變化表明，土壤團聚體微生物首先經過24 h的滯后期，逐漸適應Biolog微平板基質環境，其次進入對數增長期，對碳源的利用能力逐漸增強，然后進入快速增長期，微生物的代謝強度達到最大，最后生長減緩趨于穩定。

比較圖2看出，棄耕地土壤團聚體微生物群落AWCD最低，開墾后土壤團聚體微生物群落AWCD顯著高于棄耕地；棄耕地<0.053 mm團聚體微生物群落AWCD顯著高于>0.25 mm各粒徑團聚體而1～0.25 mm團聚體微生物群落AWCD均要顯著低于各粒徑團聚體；開墾后各粒徑團聚體微生物群落AWCD關系為：2～1 mm>0.25～0.053 mm>1～0.25 mm>(<0.053 mm)>(>5 mm)>5～2 mm，且無顯著性差異。

注：同一土層不同粒徑的不同小寫字母表示差異顯著，同一粒徑不同土層深度的不同大寫字母表示差異顯著(P<0.05)。Note: Different subscript letters and superscript letters indicate significant difference among different soil aggregates in same soil depth and among different soil depth in same aggregates at P<0.05 level, respectively.圖1 開墾前后土壤團聚體組成分布Fig.1 Aggregate size distribution before and after reclamation of abandoned salinized soil

圖2 開墾前后土壤團聚體微生物群落平均顏色變化率Fig.2 Average well color development of soil aggregate-associated microorganism communities before andafter reclamation of abandoned salinized soil

2.2.2 土壤團聚體微生物群落代謝多樣性指數 碳源代謝多樣性指數分析可以較為準確地反映出微生物群落功能多樣性的特征。對土壤微生物培養96 h的碳源利用進行多樣性指數分析。表1可以看出，>0.25 mm團聚體開墾后相比于棄耕地增加了土壤團聚體微生物物種豐富度指數，但并不顯著，而<0.25 mm團聚體卻相反；開墾前后土壤團聚體微生物物種豐富度指數，除了開墾后土壤0.25～0.053 mm和<0.053 mm團聚體外，其余均隨著團聚體粒徑的減小呈現出升高的變化。開墾后土壤各粒徑團聚體微生物均勻度指數均要顯著高于棄耕地。各粒徑團聚體中棄耕地土壤團聚體微生物優勢度指數均要高于開墾后，其中在5～2 mm、2～1 mm、1～0.25 mm和0.25～0.053 mm四個粒徑中更為顯著。

2.2.3 土壤團聚體微生物對六大碳源的利用強度 Biolog微平板中31種碳源根據其官能團的不同可以分為六大類，包括碳水化合物、氨基酸、多聚物、胺類、酚類和羧酸。

圖3可以看出，開墾后土壤團聚體微生物對碳水化合物、氨基酸、酚類和羧酸四類碳源的利用率均要高于棄耕地。棄耕地土壤團聚體微生物對這六類碳源的利用率大小為多聚物>胺類>碳水化合物>氨基酸>羧酸>酚類；開墾后土壤團聚體微生物對這六類碳源的利用率大小為碳水化合物>氨基酸>多聚物>酚酸>羧酸>胺類。棄耕地各粒徑團聚體微生物對不同碳源利用率的高低并沒有表現出一致的規律性；開墾后土壤除了<0.053 mm團聚體外，其余各粒徑團聚體微生物對碳水化合物的利用率均達到最大，除了>5 mm和1～0.25 mm團聚體外，其余各粒徑團聚體微生物對胺類的利用率最小。

2.2.4 土壤團聚體微生物群落代謝功能主成分分析 土壤微生物多樣性可以反映出群落總體的變化規律，但不能反映微生物群落代謝的詳盡信息，通過土壤微生物對不同碳源利用能力的差異性進行分析，有利于更好地了解微生物群落代謝功能特性[24]。運用主成分分析在31種因子中提取的2個主成分因子，由圖4可知，第一主成分可以解釋所有變量方差的75.9%，第二主成分可以解釋所有變量方差的7.3%，累計貢獻率為83.2%。

表1 開墾前后土壤團聚體微生物群落多樣性指數

圖3 開墾前后土壤團聚體微生物對六大碳源的利用強度Fig.3 Carbon source utilization of soil aggregate-associated microorganism before and after reclamation of abandoned salinized soil

棄耕地各樣方在PC1和PC2上分布集中，說明不同粒徑團聚體微生物碳源利用差異較小；開墾后各樣方在PC1和PC2上分布較分散，說明不同粒徑團聚體微生物碳源利用差異較大，PC1和PC2基本上能夠區分不同粒徑團聚體微生物的群落特征。棄耕地與開墾后土壤團聚體微生物在PC1上差異顯著，棄耕地土壤團聚體微生物的得分為負而開墾后土壤團聚體微生物得分為正，說明土地開墾對土壤團聚體微生物群落有較大影響。通過聚類分析也可得知，土壤微生物群落分為兩類，棄耕地各粒徑團聚體微生物聚為一類，開墾后各粒徑團聚體微生物聚為一類，說明開墾引起了土壤團聚體微生物對碳源利用的明顯變化。

圖4 開墾前后土壤團聚體微生物群落功能主成分分析Fig.4 Principal component analysis of soil aggregate-associatedmicroorganism communities function before and after reclamationof abandoned salinized soil

對31種碳源主成分分析中因子載荷可以反映出碳源利用的差異，其絕對值越大，表明該碳源對主成分的影響越大，在眾多碳源中起主要分異作用。

由表2得知，與PC1具有較高相關性的碳源(|r|>0.6)有29種，其中碳水化合物類10種，氨基酸類5種，羧酸類7種，多聚物類4種，酚酸類2種，胺類1種；與PC2具有較高相關性的碳源有1種，包括氨基酸類1種。綜合與PC1和PC2具有較高相關性的碳源類型發現，對土壤微生物群落代謝特征起分異作用的主要碳源為碳水化合物類、羧酸類和氨基酸類，即土地利用方式對土壤團聚體微生物群落代謝多樣性的差異主要體現在對碳水化合物類、羧酸類和氨基酸類碳源的利用上，其中碳水化合物類碳源尤為突出。

表2 31種碳源的因子載荷值

3 討 論

研究結果表明鹽堿棄耕地在開墾后顯著增加了土壤大團聚體(>0.25 mm)數量，減少了微團聚體(<0.25 mm)數量。>0.25 mm團聚體含量與棄耕地相比增加了10.5%。棄耕地開墾后，土壤有機碳得到增加[25]。土壤有機碳與土壤團聚體關系緊密，對土壤團聚體含量和組成分布具有重要影響[26]。土壤有機碳是土壤團聚體形成的重要膠結劑，土壤有機碳含量的增加有利于土壤結構的形成和穩定性的增強[9]。鹽堿棄耕地開墾前后>0.25 mm團聚體含量明顯增加，使耕層土壤結構得到了改善。這與棄耕地開墾后種植棉花并持續全量秸稈還田有關。秸稈還田不僅可以改善土壤的養分狀況，還可以通過增加土壤有機碳的直接輸入實現固碳。秸稈還田還可以分解產生多種有機物質，如蛋白質，多糖，木質素等，同時還能夠提高土壤微生物活性，促進腐殖質的形成，這些都是土壤中重要的膠結物質，對大團聚體的形成產生積極影響[27]。本研究表明，在0～20 cm土層0.25～0.053 mm微團聚體含量較開墾前降低，其變化與大團聚體變化相反，說明大團聚體和微團聚體之間存在著轉化，秸稈還田利于微團聚體在植物根系和菌絲體的作用下形成大團聚體[28]。

溫度、水分等環境因素也是促進大團聚體形成的要素。陳強[29]發現，夏季8月溫度及濕度狀況最佳，秸稈分解速率大，為土壤大團聚體形成提供膠結物質，利于大團聚體形成。Vermang[30]得出水穩性團聚體隨著含水量的增加而增加，但也有研究表明增加含水量會降低團聚體抗張強度和土壤黏聚力[31]。土壤溫度以及水分等變化同樣可以起到增加大團聚體的作用。干旱區大面積鹽漬化棄耕地，鹽堿重、養分瘠薄，經人為開墾種植棉花并長期秸稈還田后，有利于土壤表層大團聚體的形成與穩定。

開墾后土壤團聚體AWCD顯著高于棄耕地，說明開墾后土壤團聚體微生物群落活性以及碳源利用能力均較強。研究發現，土壤結構和土壤有機質對土壤微生物活性產生影響[32]。土壤有機碳與土壤微生物功能多樣性關系密切[33]。開墾后種植棉花引入了植被，植被通過影響土壤含水量、溫度、透氣性、pH以及土壤有機碳、氮水平從而影響土壤微生物群落多樣性[34]。土壤微生物的生活需要從植被獲取營養物質和能量，同時植被根系又可以為土壤微生物提供良好的生活環境。植被的存在有利于增加土壤微生物多樣性和微生物生物量[34]。然而土壤微生物的生長還受水分條件的制約，棄耕地較開墾后棉田沒有灌溉水作為水分的來源，地處于半干旱地區，所以干旱可能是影響土壤微生物群落活性和多樣性的脅迫因子。干旱降低了底物的擴散增加了微生物對碳、氮的需求[35]。開墾后化肥的施用不但直接影響了土壤化學性質，致使土壤微生物活性改變從而影響了土壤微生物群落結構的變化，還影響了地上植被的生長，間接影響了土壤微生物群落結構。

4 結 論

棄耕地開墾增加了土壤大團聚體數量，增加了10.5%，減少了微團聚體數量。其中0～5 cm、5～10 cm和10～20 cm土層中1～0.25 mm團聚體含量較開墾前分別提高了63.61%、67.63%和17.22%。開墾后土壤團聚體微生物利用碳源的量顯著增加，增加了>0.25 mm團聚體土壤微生物物種豐富度指數，顯著增加了各粒徑土壤團聚體微生物均勻度指數，同時降低了各粒徑土壤團聚體微生物優勢度指數。開墾前后土壤團聚體微生物對6大碳源利用強度存在著差異，其優勢碳源發生了轉變由多聚物類轉變為碳水化合物類。開墾引起了土壤團聚體微生物對碳源利用的分異，其差異主要體現在碳水化合物、羧酸和氨基酸類碳源的利用，其中碳水化合物類尤為突出。