等氮條件下有機(jī)無機(jī)配施對(duì)烤煙根際土壤微生物功能多樣性的影響

李棟宇，靳輝勇，屠乃美，彭陽(yáng)平，唐圣兵，胡 輝，楊 波

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410128;2.湖南省煙草公司永州市公司，湖南永州 425000;3.江蘇省宿遷市宿豫區(qū)農(nóng)業(yè)委員會(huì)，江蘇宿遷 223800;4.湖南省煙草公司湘西自治州公司，湖南吉首 416000)

【研究意義】近年來，隨著土地復(fù)種指數(shù)的提 高，化學(xué)肥料的不合理使用，加之輪作運(yùn)用不普及，導(dǎo)致部分煙區(qū)土壤養(yǎng)分失衡、土壤酸化現(xiàn)象嚴(yán)重、微生物種群結(jié)構(gòu)趨劣、煙草病害發(fā)生率不斷上升，煙葉質(zhì)量安全岌岌可危［1－3］。而合理施肥能夠協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分，保持土壤均衡供肥，促進(jìn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，推動(dòng)煙葉生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展［4］?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】許多研究表明，有機(jī)肥料是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要肥源，其養(yǎng)分全面，肥效均衡持久，既能改善土壤結(jié)構(gòu)、培肥改土，促進(jìn)土壤養(yǎng)分的釋放，又能供應(yīng)、改善作物營(yíng)養(yǎng)，具有化學(xué)肥料不可替代的優(yōu)越性，對(duì)發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)和無公害農(nóng)業(yè)有重要意義［5－7］。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Some properties of the study soil

【本研究切入點(diǎn)】目前，已有部分學(xué)者研究了植煙土壤施用有機(jī)肥的效果，但大多數(shù)都是在化肥用量不變的基礎(chǔ)上，通過增施有機(jī)肥來進(jìn)行的，且多數(shù)研究側(cè)重于探討有機(jī)肥對(duì)煙葉產(chǎn)量及品質(zhì)、土壤養(yǎng)分含量、微生物數(shù)量的影響。而在等氮條件下，通過有機(jī)肥氮替代部分無機(jī)肥氮來探討有機(jī)無機(jī)配施對(duì)土壤微生物功能多樣性的的影響，此類報(bào)道甚少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此，本文通過小區(qū)試驗(yàn)，研究等氮條件下有機(jī)無機(jī)配施對(duì)烤煙根際土壤微生物功能多樣性的影響，以期為改善植煙土壤生態(tài)環(huán)境提供一定的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)于2016年在湖南省永州市藍(lán)山縣進(jìn)行，試驗(yàn)田土壤為黃砂壤，前茬作物為水稻，土壤的基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 供試有機(jī)物料

餅肥:在烤煙移栽前做穴肥施入，餅肥含氮量2.76%。稻草:晚稻收割后，將干稻草打碎，均勻拋灑于田面，然后撒施秸稈腐熟劑，而后灌水浸泡10～15 d。讓溶田的水自然蒸發(fā)干后，用耕翻機(jī)具將稻草連同根茬一起翻耕入土，翻耕深度15～20 cm。稻草的氮含量0.5%，當(dāng)季利用率20%。油菜:在烤煙移栽前15 d左右翻壓，一般入土深10～20 cm。翻耕后隨即進(jìn)行耙地和鎮(zhèn)壓，以加速綠肥死亡及腐解過程。油菜的鮮草氮含量0.43%，當(dāng)季利用率20%。草木灰:用枯枝落葉、山坡草皮和表土一起“半?yún)捬酢睙?，燒制后用塑料薄膜蓋嚴(yán)堆漚2～3月，于移栽前和基肥一起穴施，含氮量忽略不計(jì)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理，各處理總氮用量保持相同，均為144 kg/hm2，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，共15個(gè)小區(qū)。每個(gè)小區(qū)為長(zhǎng)方形，面積為60 m2，烤煙移栽行株距為1.2 m×0.5 m，每個(gè)小區(qū)2行，每行50株煙，共100株煙，四周設(shè)保護(hù)行。具體處理見表2。

表2 試驗(yàn)因素和水平的設(shè)置Table 2 Design of test factors and levels

1.4 土壤微生物群落功能多樣性的測(cè)定

土壤微生物群落功能多樣性的測(cè)定采用Garland和Mills的Biolog方法［8］，略有改動(dòng)。在烤煙采收后，稱取10 g新鮮根際土樣于250 mL滅過菌的三角瓶中，加入90 mL無菌NaCl溶液(0.85%)，封口后在搖床上振蕩30 min(250 r·min－1)。然后靜置15 min，吸取上清液5 mL于新三角瓶中，加45 mL無菌NaCl溶液，再將所得溶液稀釋1000倍。將稀釋液接種到 Biolog-ECO培養(yǎng)板上。隨后將其置于25℃恒溫箱中培養(yǎng)10 d，每隔1 d在Biolog微孔板讀數(shù)儀上讀取數(shù)值并記錄。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物平均吸光值的動(dòng)態(tài)變化

平均吸光值(AWCD)是評(píng)價(jià)微生物群落利用單一碳源能力的一個(gè)重要指標(biāo)，用于反映土壤微生物群落代謝活性［9－10］。由圖1可知，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，AWCD值呈現(xiàn)先不斷增加，后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。在前144 h內(nèi)，AWCD值快速增長(zhǎng)，表明碳源被大量利用，微生物代謝活躍;培養(yǎng)144 h后，AWCD值趨于平穩(wěn)。

各處理AWCD值整體表現(xiàn)為T3＞T2＞T4＞T1＞CK，根據(jù)各處理AWCD值的變化特點(diǎn)，選擇144 h的AWCD值進(jìn)行分析，T1、T2、T3、T4處理 AWCD值分別為 0.65、0.77、0.89、0.74，較對(duì)照 CK 相比，分別提高了 26.4%、49.8%、72.4%、73.4%，這表明有機(jī)無機(jī)配施有助于提高微生物對(duì)碳源的利用率，增強(qiáng)微生物群落的代謝活性。這主要是因?yàn)橛袡C(jī)肥中含有大量的有機(jī)質(zhì)，提高了土壤養(yǎng)分含量，改善土壤的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而促進(jìn)了微生物的代謝。

圖1 土壤微生物群落AWCD的動(dòng)態(tài)變化Fig.1 AWCD dynamics over incubation time

2.2 土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)分析

不同的多樣性指數(shù)可以從不同的方面來描述微生物群落的多樣性［11］。其中豐富度指數(shù)用來表征生態(tài)系統(tǒng)中物種的數(shù)目，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)反映各個(gè)種群數(shù)量的變化情況，均一性指數(shù)用來描述物種中的個(gè)體所占比例［12－14］。本研究利用144 h的平均吸光值來分析有機(jī)無機(jī)配施條件下各處理土壤微生物群落物種豐富度指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、均一性指數(shù)的差異。

由表3可知，各處理微生物群落功能多樣性指數(shù)差異顯著。其中豐富度指數(shù)最大的是對(duì)照CK處理，為3.237，T3、T4處理豐富度指數(shù)與對(duì)照相比均無顯著性差異，T1、T2處理則均顯著低于對(duì)照。有機(jī)無機(jī)配施對(duì)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)無顯著性差異。均一性指數(shù)大小順序?yàn)門4＞T1＞T2＞T3＞CK，T1、T2、T3、T4分別是對(duì)照的 2.4、1.9、1.85、4.1 倍，其中 T2 和 T3處理之間無顯著性差異，其余各處理之間均存在顯著性差異。

2.3 土壤微生物功能主成分分析

2.3.1 不同碳源在主成分上的載荷值 為了探討有機(jī)無機(jī)配施條件下，土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)變化，選擇144 h測(cè)定的平均吸光值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后進(jìn)行主成分分析。結(jié)果如表4所示，前3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)84%以上，已經(jīng)可以解釋84%以上的原變量的特征［15］，主成分的重要性也在逐漸降低。因此，對(duì)前3個(gè)主成分進(jìn)行重點(diǎn)分析。

碳源載荷值越高，表示其對(duì)主成分的影響越大［16］。由表5可知，31種碳源中，對(duì)主成分PC1影響較大(絕對(duì)值大于0.7)的碳源有21種，其中糖類占28.6%，氨基酸類、脂類和其他類均占23.5%;對(duì)PC2貢獻(xiàn)較大的碳源有3種，其中其他類有2種，糖類有1種;對(duì)PC2貢獻(xiàn)較大的碳源有2種，分別是糖類和其他類。說明糖類和其他類是供試土壤微生物利用的主要碳源類型。

2.3.2 不同處理下土壤微生物群落利用碳源的主成分分析 利用培養(yǎng)144 h后測(cè)定的平均吸光值，對(duì)有機(jī)無機(jī)配施條件下土壤微生物群落對(duì)碳源利用特性進(jìn)行主成分分析。根據(jù)提取的主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率一般要求達(dá)到85%的原則［16］，共提取4個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了91.72%，其中第1主成分方差貢獻(xiàn)率為54.55%，第2主成分為16.95%，第3和第4主成分都不足15%，分別為13.2%、7%。選取PC1和PC2兩個(gè)主成分進(jìn)行分析，以PC1為x軸，以PC2為y軸作圖，以不同處理在2個(gè)主成分上的得值為坐標(biāo)作圖，得到了圖2。如圖所示，PC1軸上，T4處理得分值較高，位于第四象限，表明T4處理對(duì)PC1上的主要碳源影響較大;另外，CK、T1、T2、T3處理在PC1上的得分值均為負(fù)值，而T4處理得分值為正值，表明火土灰(T4)處理的土壤微生物群落代謝結(jié)構(gòu)與且其他處理具有明顯差異。T1處理在PC2軸上得分值較高，位于第二象限，表明T1處理對(duì)PC2上的主要碳源影響較大;T3處理在PC2軸上得分值為負(fù)值，CK、T1、T2、T4處理得分值均為正值，這表明油菜種植翻壓(T3)處理的土壤微生物群落代謝結(jié)構(gòu)與其他處理具有明顯差異。PCA結(jié)果表明，油菜種植翻壓和施用火土灰能夠顯著影響微生物群落代謝結(jié)構(gòu)，提高土壤微生物對(duì)碳源的利用能力，提高微生物功能多樣性。

表3 土壤微生物群落多樣性指數(shù)Table 3 Diversity indices of soil microbial communities

表4 主成分貢獻(xiàn)率Table 4 Contribution rate of principal component

表5 31種碳源的主成分載荷值Table 5 Loading values of principal components of 31 sole carbon sources

圖2 不同處理下土壤微生物群落利用碳源的主成分分析Fig.2 Principal component analysis of microbial community under different treatments

3 討論

不同施肥措施條件下，有機(jī)肥與化肥配施，可以有效改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，提高土壤微生物多樣性。趙軍等［17］通過研究有機(jī)肥替代部分化肥對(duì)稻麥輪作系統(tǒng)產(chǎn)量及土壤微生物區(qū)系的影響，發(fā)現(xiàn)有機(jī)無機(jī)配施可以增加土壤細(xì)菌豐富度、多樣性和均勻度指數(shù)。本研究表明，與單施無機(jī)肥相比，有機(jī)無機(jī)配施可以顯著提高土壤微生物平均吸光值和土壤微生物群落均一性指數(shù)，這主要是因?yàn)?，加入了有機(jī)物質(zhì)，改善了土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的釋放，為土壤微生物的生長(zhǎng)發(fā)育提供了良好的環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)了微生物的新陳代謝，提高了微生物功能多樣性。

有機(jī)無機(jī)配施使土壤微生物群落對(duì)碳源的代謝特征產(chǎn)生了明顯的差異。在主成分分析中，共提取了4個(gè)主成分，本研究雖只對(duì)前3個(gè)主成分進(jìn)行了分析，但已經(jīng)提供了足夠的信息。有研究表明［18］，長(zhǎng)期施用農(nóng)家肥可以促進(jìn)喜好糖類物質(zhì)為碳源的微生物群落的生長(zhǎng)發(fā)育，這與本文研究基本一致，即糖類在前3個(gè)主成分中貢獻(xiàn)率均較大。

劉勇軍等［19］研究表明，稻草還田和油菜綠肥翻壓顯著提高了煙草生育后期根際微生物群落的代謝。本研究表明，油菜種植翻壓和施用草木灰能夠顯著影響微生物群落代謝結(jié)構(gòu)，提高土壤微生物對(duì)碳源的利用能力，提高微生物功能多樣性。

4 結(jié)論

有機(jī)肥和無機(jī)肥配施使土壤微生物群落對(duì)碳源的代謝特征產(chǎn)生了差異，顯著提高了微生物功能多樣性均一性指數(shù)。實(shí)施油菜種植翻壓或草木灰替代部分化肥能夠顯著提高土壤微生物對(duì)碳源的利用能力，提高微生物功能多樣性。