添加外源有機物對小麥甘薯輪作土壤碳氮、微生物菌群變化及代謝活性的影響

秦廣利

(商丘職業技術學院,河南商丘 476100)

土壤有機碳是土壤碳庫的重要組成部分,也是土壤養分循環和營養供應的核心部分,具有較強的生物活性,對土壤環境因素變化比較敏感,是評價土壤肥力的重要指標[1-3]。有研究表明,田間管理措施、施肥方式等人為因素的改變均能夠引起土壤有機碳組分含量的變化[4-5]。土壤全氮是土壤氮庫的核心部分,但其變異系數較小,不能夠準確地反映出土壤氮素供應能力及微小變化[6]。而微生物量氮是土壤活性氮庫的重要組成部分,因其周轉速率較快,不僅是土壤氮素循環過程中重要的“源”和“庫”,也是農作物氮素營養吸收的重要來源,其含量的變化可以作為評價土壤氮素供應能力的重要指標[7-8]。有研究表明,土壤碳氮組分含量的變化對土壤結構的改變、農作物營養的吸收利用以及土壤肥力的保持具有重要的影響[9-10]。因此,研究土壤碳氮組分含量的變化特征對改善土壤結構、提高土壤肥力具有重要的意義。

土壤微生物是農田土壤生態系統的重要組成部分,能夠參與土壤結構形成的各種生物化學反應過程,是土壤碳氮元素循環和轉化的主要動力[11-12]。土壤微生物菌群結構及代謝功能多樣性的變化能夠反映土壤微生物自身代謝特性以及與土壤環境相互作用的多樣化程度,可以靈敏地指示土壤生態特征和健康質量[13-15]。因此,研究土壤微生物菌群及代謝功能多樣性的變化特征,探討土壤微生物菌群與土壤碳氮之間的相關性,對揭示土壤碳氮轉化規律,改善土壤質量具有重要的意義。

冬季小麥、夏季甘薯是華北平原甘薯種植的一種重要模式[16]。受氣候因素及小麥生育期影響,夏季甘薯生育期較短,其產量遠低于春季甘薯[17]。而廣大薯農為追求提高甘薯產量,長期大量施用化肥,不僅造成土壤結構改變、養分失衡、菌群變化及代謝活性降低,還會減少土壤有機碳氮組分含量累積與轉化,降低土地生產力[18-19]。因此,如何有效合理施肥提高土壤質量,改善土壤微生態環境是目前華北平原小麥—甘薯種植模式研究的重要方向。有研究表明,外源有機物料還田不僅能夠增加土壤養分含量,促進土壤中難溶性物質分解與轉化,還能夠增加土壤某類微生物代謝活動,提高土壤微生物功能多樣性[20-22]。張蕤等的研究表明,腐熟小麥秸稈配施無機肥調至C/N為30時,能夠有效降低土壤容重,增加土壤碳氮含量,提高細菌種類及代謝活性[23];白美霞等的研究表明,有機物料與生物炭配施有利于提高土壤養分含量,降低土壤有機碳分解酶活性以及微生物碳源代謝活性[24];屈皖華等的研究表明,有機物料還田能夠增加土壤碳源總量,提高土壤微生物代謝活性以及土壤有機碳含量[25]。可見,合理的有機物料還田對土壤碳氮組分含量的累積以及土壤微生物菌群代謝活性的提高具有重要的影響。

目前,有機物料還田對土壤質量改善的研究主要單一地集中在土壤團聚體有機碳組分變化、土壤微生物群落結構及功能多樣性變化等方面[26-29]。而關于有機物料還田對麥薯田土壤碳氮含量、微生物菌群及代謝活性變化的研究并不多。而且不同區域、種植制度、有機物料還田種類及還田量對土壤碳氮及微生物群落的影響均不相同。因此,本研究通過3年田間定位試驗,以麥薯田為研究對象,探討化肥減量添加不同有機物料對土壤碳氮組分、微生物菌群及代謝活性變化的影響,并分析它們之間的關聯性,找到適宜的組合模式,以期為華北平原麥薯田有機物料合理還田提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年6月至2022年10月在河南省商丘市睢陽區馮橋鎮李樓村(116°43′7″E,39°28′13″N)進行。該地區屬于典型大陸性季風氣候,海拔約 50 m,年平均氣溫14.2 ℃,年平均降水量650～750 mm,主要集中在6—9月,年平均日照時數 1 944 h,無霜期211 d。四季分明,雨熱同期,旱澇不均。供試土壤為黃潮土,二合土質。種植制度為小麥—甘薯,肥力中等,排灌良好。土壤(0～20 cm土層)含有機碳9.84 g/kg、全氮0.95 g/kg、堿解氮43.85 mg/kg、速效磷53.21 mg/kg、速效鉀 135.58 mg/kg,pH值為8.13。

1.2 供試材料

供試品種:周麥18(河南省周口市農業科學院選育)、商薯19(河南省商丘市農林科學院選育)。

供試肥料:氮磷鉀肥(小麥季,N、P2O5、K2O含量均為15%,河南心連心化學工業集團股份有限公司生產;甘薯季,N、P2O5、K2O含量分別為10%、10%、20%,河南彤豐肥業有限公司生產)、生物有機肥(含N 2.98%、P2O51.26%、K2O 1.94%、有機質40.5%,有效活菌數≥0.2億 CFU/g,內蒙古二連浩特市沃土地有機肥業有限公司生產)、羊糞(由羊糞、小麥秸稈腐熟而成,含N 1.45%、P2O50.89%、K2O 1.12%、有機質 22.47%)、基質(由雞糞、蘑菇料和鋸末等物腐熟而成,含N 1.53%、P2O51.46%、K2O 0.91%、有機質 18.96%)、小麥秸稈(含全碳44.23%、全氮 0.67%)、甘薯蔓莖(含全碳 48.34%、全氮 0.44%)。

1.3 試驗設計

試驗設5個處理,分別為氮磷鉀肥單施+秸稈不還田(NPKNS),80%氮磷鉀肥+秸稈還田(NPKS),80%氮磷鉀肥+生物有機肥+秸稈還田(NPKBS),80%氮磷鉀肥+羊糞+秸稈還田(NPKDS),80%氮磷鉀肥+基質+秸稈還田(NPKSS),重復3次,共計15個小區,全部區組隨機排列布局。小區長15.6 m、寬8.0 m,保護行3 m,走道0.5 m。小麥播種量為300 kg/hm2,甘薯株行距為26.6 cm×80.0 cm。小麥季施肥均為復合肥(N、P2O5、K2O含量均為15%)750 kg/hm2,甘薯季施肥采用本試驗設計處理。其中,氮磷鉀肥用量為 750 kg/hm2,生物有機肥用量為675 kg/hm2,羊糞用量15 000 kg/hm2,基質用量7 500 kg/hm2。小麥秸稈、甘薯蔓莖分別通過粉碎機定量還田4 500、22 500 kg/hm2。小麥生育期為10月15日至翌年6月10日,甘薯生育期為6月15日至10月10日。氮磷鉀肥70%作為基肥,30%作為追肥。其中,小麥在拔節期進行追肥,甘薯在薯蔓同長期進行追肥。有機物料均作為基肥一次性施入,生育期不追施。小麥生育期不澆水,甘薯栽插后澆水2～3次,薯苗成活后不再進行澆水。其他田間管理措施均如同當地常規栽培,不作特殊處理。

1.4 樣品采集

試驗于2022年甘薯收獲前1周進行土壤樣品采集。通過土鉆利用5點取樣法采集0～20 cm土層土壤樣品,置于裝有冰塊的泡沫盒后,盡快帶回實驗室。撿出根系、石粒等雜物后,將土壤樣品分成2個部分,一部分置于-40 ℃冰箱中,用于土壤微生物生物量及功能多樣性的測定;另一部分陰干,用于土壤碳組分、氮素含量的測定。

1.5 測定方法

土壤有機碳(SOC)含量采用重鉻酸鉀容量法測定;土壤微生物量碳(MBC)含量采用三氯甲烷熏蒸-浸提法測定;土壤易氧化有機碳(ROC)含量采用高錳酸鉀氧化-比色法測定;土壤可溶性有機碳(DOC)含量采用0.5 mol/L K2SO4浸提法測定;土壤顆粒有機碳(POC)含量采用六偏磷酸鈉分散法測定[30-31]。

土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮法[30]測定;土壤微生物量氮含量采用三氯甲烷熏蒸-K2SO4浸提法[32]測定。

土壤微生物菌群生物量采用磷脂脂肪酸(PLFA)法[33]測定;土壤微生物功能多樣性采用Biolog微平板法[34]測定;土壤微生物對碳源利用變化的測定參考文獻[34]。其中,平均顏色變化率(AWCD)用于評價土壤微生物群落代謝活性;辛普森指數(D)、香濃指數(H)、均勻度指數(E)、豐富度指數(S)用于評價土壤微生物群落結構多樣性[15]。

式中:R為對照孔吸光度;Ci為非對照孔吸光度;Pi為第i孔相對吸光度與所有相對吸光度總和的比值;S為培養的微生物利用微板中的碳源數,即顏色變化孔數。

1.6 數據處理

采用WPS Office軟件對原始數據進行整理與計算。采用DPS 9.50數據處理系統進行方差分析與多重比較。采用Canoco 5.0進行土壤微生物群落與土壤碳氮含量的相關性分析與作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤碳組分含量變化

由圖1可知,各處理添加不同有機物能夠明顯影響土壤有機碳(SOC)含量、微生物量碳(MBC)含量、易氧化有機碳(ROC)含量、可溶性有機碳(DOC)含量及顆粒有機碳(POC)含量變化。與氮磷鉀肥單施處理(NPKNS)相比,化肥減量添加不同有機物處理中的土壤SOC、MBC、ROC、DOC及POC含量均不同程度地升高。其中,NPKBS處理SOC、MBC、DOC含量最高,較NPKNS處理分別顯著提高12.44%、46.05%、9.76%;NPKS處理MBC含量以及NPKDS、NPKSS處理SOC、MBC、DOC含量均顯著高于NPKNS處理。NPKDS處理ROC、POC含量最高,較NPKNS處理分別顯著提高8.50%、12.11%,而與NPKBS處理相比均無顯著性差異;NPKS處理ROC含量、NPKSS處理POC含量以及NPKBS處理ROC、POC含量均顯著高于NPKNS處理。

2.2 土壤全氮、微生物量氮含量變化

由圖2可知,各處理添加不同有機物對土壤全氮、微生物量氮含量有不同的影響。與NPKNS處理相比,化肥減量添加不同有機物處理中的土壤全氮、微生物量氮含量均不同程度地升高。其中,NPKBS處理土壤全氮含量最高,較NPKNS、NPKS處理分別顯著提高8.99%、5.43%;NPKSS處理土壤全氮含量較NPKNS處理顯著提高7.87%;NPKS、NPKDS處理土壤全氮含量與NPKNS處理相比均無顯著性差異。NPKBS處理土壤微生物量氮含量最高,較NPKNS處理顯著提高5.10%,與NPKS、NPKDS、NPKSS處理相比均無顯著性差異。而NPKNS處理土壤微生物量氮含量與NPKS、NPKDS、NPKSS處理相比也均無顯著性差異。

2.3 土壤微生物菌群變化

由表1可知,添加不同有機物對土壤微生物菌群結構有較大的影響。與NPKNS處理相比,化肥減量添加不同有機物能夠提高土壤細菌、放線菌、總菌群磷脂脂肪酸(PLFA)含量以及細菌含量/真菌含量和革蘭氏陽性菌與陰性菌比值,降低真菌PLFA含量。其中,NPKBS處理土壤細菌、總菌群PLFA含量最高,較NPKNS處理分別顯著提高36.43%、12.78%,且顯著高于NPKSS處理細菌PLFA含量以及NPKS、NPKDS處理細菌、總菌群PLFA含量。NPKSS處理放線菌PLFA含量最高,較NPKNS處理顯著提高32.52%,但與NPKBS處理相比無顯著性差異。NPKBS處理真菌PLFA含量最低,與NPKNS、NPKS、NPKDS處理相比分別顯著降低30.04%、20.52%、11.75%,與NPKSS處理相比無顯著性差異。NPKBS處理細菌含量/真菌含量顯著最高,較其他處理分別提高10.87%～96.15%。NPKDS處理革蘭氏陽性菌與陰性菌比值最高,較NPKNS、NPKS處理分別顯著提高16.95%、11.29%,與NPKBS、NPKSS處理相比均無顯著性差異。

表1 添加不同外源有機物對土壤微生物菌群生物量變化的影響

2.4 板孔平均顏色變化率

由圖3可知,與NPKNS處理相比,化肥減量添加不同有機物后土壤微生物對單一碳源的利用能力表現出不同的變化。土壤微生物在微平板中對單一碳源的平均顏色變化率(AWCD)隨著培養時間的延長而逐漸升高。其中,培養0～24 h時,土壤微生物AWCD增長較緩,此時期為土壤微生物適應期;培養24～144 h時,土壤微生物AWCD增長較快,此時期為土壤微生物生長旺盛期;培養144～168 h,土壤微生物AWCD達到最大值,并趨于平緩。從AWCD變化曲線可以看出,培養24 h后,化肥減量添加不同有機物處理的AWCD增長速率明顯高于NPKNS處理,而NPKBS處理的AWCD明顯高于其他處理。其中,選取培養120 h的AWCD進行比較發現,NPKBS處理的AWCD最大,較其他處理提高11.93%～56.76%,NPKNS處理的AWCD最小。AWCD總體表現為NPKBS>NPKSS>NPKDS>NPKS>NPKNS。

2.5 碳源利用變化

由圖4可知,化肥減量添加不同有機物后土壤微生物對不同碳源的利用率及利用能力產生了明顯影響。其中,各處理土壤微生物對糖類、氨基酸類以及胺類化合物的利用率較高,分別占總碳源利用強度的20.58%～24.70%、19.46%～22.89%、17.06%～20.48%。而從碳源利用能力角度分析可知,與NPKNS處理相比,化肥減量添加不同有機物能夠提高土壤微生物對6類碳源的利用能力。其中,NPKBS處理土壤微生物對糖類、氨基酸類、胺類化合物的利用能力最強,較其他處理分別顯著提高8.57%～39.20%、8.79%～30.26%、17.07%～41.18%。NPKDS處理土壤微生物對羧酸類、酚類化合物的利用能力最強,較其他處理分別顯著提高5.80%～87.18%、11.36%～104.17%,NPKBS處理土壤微生物對羧酸類、酚類化合物的利用能力次之,均顯著高于除NPKDS處理外的其他處理。NPKSS處理土壤微生物對聚合物類的碳源利用能力最強,較其他處理顯著提高41.18%～123.26%,NPKBS處理次之,顯著高于除NPKSS處理外的其他處理。

2.6 微生物功能多樣性指數變化

由表2可知,添加不同有機物對土壤微生物功能多樣性指數產生較大影響。與NPKNS處理相比,化肥減量添加不同有機物提高了土壤微生物群落的香濃指數、均勻度指數以及豐富度指數,降低了辛普森指數。其中,NPKBS處理的香濃指數、均勻度指數均最高,較其他處理分別顯著提高6.85%～19.08%、10.74%～42.24%。NPKSS處理的豐富度指數最高,分別較NPKNS、NPKDS處理顯著提高7.06%、5.79%,與NPKS、NPKBS處理相比均無顯著性差異。與NPKNS處理相比,化肥減量添加有機物處理辛普森指數顯著降低8.93%～19.64%,其中,NPKS、NPKDS處理的辛普森指數均顯著低于NPKBS、NPKSS處理。

表2 添加不同外源有機物對土壤微生物功能多樣性指數的影響

2.7 土壤碳氮各指標間的相關性

化肥減量添加不同有機物條件下土壤有機碳組分含量與土壤全氮、微生物量氮含量的相關性如表3所示。其中,土壤有機碳含量與土壤可溶性有機碳含量呈極顯著正相關(P<0.01),與土壤微生物量碳含量、顆粒有機碳含量呈顯著正相關(P<0.05);土壤微生物碳含量與可溶性有機碳含量、顆粒有機碳含量呈顯著正相關(P<0.05);土壤可溶性有機碳含量與顆粒有機碳含量顯著正相關(P<0.05);土壤全氮含量與土壤微生物量氮含量顯著正相關(P<0.05);土壤微生物有機碳組分含量與土壤全氮含量、微生物量氮含量均呈正相關。由此表明,土壤有機碳組分含量的變化與土壤氮素含量有較緊密的聯系,且外源有機碳的攝入有利于提高土壤含氮量。

表3 添加不同外源有機物條件下土壤碳氮之間的相關性

2.8 土壤微生物群落與土壤碳氮的多元分析

為進一步分析土壤微生物菌群及代謝活性與土壤碳氮之間的關系,利用土壤微生物菌群生物量、碳源代謝能力與土壤碳氮進行冗余分析(RDA),結果(圖5)顯示,能夠分別在累積變量58.39%、56.45%水平上解釋土壤微生物菌群生物量、碳源代謝能力與土壤碳氮含量之間的關系。各處理點在空間分布上相對分散,說明外源不同有機物的添加對土壤微生物菌群及碳源利用能力的變化能夠產生顯著影響。從圖5還可知,土壤細菌、總菌群PLFA含量以及土壤微生物對糖類、羧酸類、氨基酸類、酚類、胺類化合物的利用能力與土壤有機碳、顆粒有機碳、可溶性有機碳、微生物量碳以及全氮含量呈正相關,與土壤易氧化有機碳、微生物量氮含量呈負相關;土壤真菌含量與微生物量氮含量呈正相關,與其他碳氮指標呈負相關;土壤放線菌含量與易氧化有機碳、顆粒有機碳、全氮含量呈正相關,與其他碳氮指標呈負相關;土壤微生物對聚合物類化合物的利用能力與土壤有機碳、顆粒有機碳、可溶性有機碳、微生物量碳、土壤易氧化有機碳以及全氮含量呈正相關,與微生物量氮含量呈負相關。可見,外源碳氮的攝入對土壤微生物菌群生物量及碳源利用能力的變化有較大影響?？傮w上,基于土壤微生物菌群及碳源利用能力的排序軸與基于土壤碳氮的排序軸有良好的線性(P=0.490,P=0.586)關系。

3 討論與結論

外源有機物料含有豐富的碳氮元素,還田腐解后釋放大量養分,能夠有效增加土壤碳氮含量,提高土壤肥力[35]。本研究結果表明,與化肥單施處理相比,化肥減量添加不同有機物均能提高土壤有機碳氮組分含量。這與李春喜等的研究結果[26]一致。分析認為,一是秸稈或其他有機物料還田腐解后會釋放養分,增加土壤碳氮輸入量,使得土壤碳氮得到有效積累;二是由于有機物料還田后,能夠改善土壤排水透氣性,提高土壤微生物代謝活性,促使土壤中難溶性物質腐解,提高土壤碳氮轉化效率。其中,NPKBS處理土壤SOC、MBC、DOC含量以及土壤全氮、微生物量氮含量均高于其他添加有機物處理;NPKDS處理ROC、POC含量最高,但與NPKBS處理相比均無顯著性差異。分析認為,相比于其他處理,有可能是化肥減量與生物有機肥及秸稈配施時,能夠調節土壤C/N至最佳,促使有機物料腐解更加徹底;也有可能是由于有機物熱解條件的差異,化肥減量與生物有機肥及秸稈處理攜帶的外來碳氮源,更容易被微生物吸收利用,進而提高微生物代謝活性,促使土壤有機碳由礦物結合態向可溶性有機碳轉化,并且提高微生物量碳氮含量。可見,化肥減量添加不同有機物對土壤碳氮組分含量變化有不同的影響。

土壤微生物磷脂脂肪酸(PLFA)含量變化是指示土壤微生物菌群變化的敏感指標[36-37]。平均顏色變化率(AWCD)能夠表征土壤微生物代謝活性,是反映土壤微生物對單一碳源利用強度的重要指標,其AWCD越大,微生物活性越強[38]。有研究表明,外源有機物料還田對土壤微生物菌群結構及功能多樣性產生的影響不盡相同[12,22]。本研究結果表明,與NPKNS處理相比,化肥減量添加不同有機物能夠提高土壤細菌、放線菌、總菌群PLFA含量以及細菌含量/真菌含量和革蘭氏陽性菌與陰性菌比值,降低真菌PLFA含量,提高了土壤微生物對6類碳源的利用能力以及微生物功能多樣性。分析認為,外源有機物還田后能夠提供豐富的碳源,促進某類土壤微生物繁殖活動,提高微生物代謝活性,進而改變土壤微生物菌群結構及代謝活性。而在化肥添加不同有機物處理對比中,AWCD總體表現為NPKBS>NPKSS>NPKDS>NPKS>NPKNS;NPKBS處理土壤微生物對糖類、氨基酸類、胺類化合物的利用能力最強,較其他處理分別顯著提高8.57%～39.20%、8.79%～30.26%、17.07%～41.18%;NPKDS處理土壤微生物對羧酸類、酚類化合物的利用能力最強,較其他處理分別顯著提高5.80%～87.18%、11.36%～104.17%。由此可知,NPKBS處理土壤微生物對單一碳源的利用能力最強,且對糖類、氨基酸類、胺類化合物的利用能力顯著高于其他處理。分析認為,有可能是生物有機肥與秸稈含有的碳源種類更加豐富,為微生物代謝活動提供了充足的底物;也有可能是外源有機物的投入,激發了土壤微生物活性,提升了土壤微生物中以糖類、氨基酸類、胺類化合物為碳源的菌群比例,提高了土壤微生物多樣性與均勻度指數。而添加羊糞能夠提高土壤微生物中以羧酸類、酚類化合物為碳源的菌群比例及代謝活性?？梢?不同有機物還田改變了土壤微生物菌群結構,提高了某類微生物代謝活性。

化肥減量添加不同有機物條件下土壤碳氮組分間的相關性以及微生物群落與土壤碳氮的冗余分析(RDA)結果表明,土壤微生物菌群結構及代謝活性變化與土壤碳氮組分累積與轉化密切相關,其中,易氧化有機碳(16.2%)、微生物量氮(30.0%)含量是影響土壤微生物菌群結構及代謝活性的主要因子。這可能是因為外源有機碳氮的攝入,提高了土壤中以某類碳氮源為主微生物的代謝活性,改變了微生物菌群結構,進而影響土壤碳氮組分的轉化與累積?？梢?土壤環境因子能夠通過改變土壤生物生存環境而改變微生物菌群結構及代謝活性[39]。

與單施化肥相比,化肥減量添加不同有機物均能提高土壤有機碳氮組分含量,改變土壤微生物菌群結構,提高了土壤微生物功能多樣性。在化肥減量添加不同有機物處理對比中可知,化肥減量添加生物有機肥與秸稈還田能夠提高土壤SOC、MBC、DOC含量以及土壤全氮、微生物量氮含量;提高土壤微生物對糖類、氨基酸類、胺類化合物的利用能力以及微生物香濃指數、均勻度指數;化肥減量添加羊糞與秸稈還田處理能夠提高土壤微生物對羧酸類、酚類化合物的利用能力。AWCD總體表現為NPKBS>NPKSS>NPKDS>NPKS>NPKNS。相關性分析結果表明,土壤微生物菌群結構及代謝活性的改變受多種碳氮因子共同制約。