長期玉米秸稈還田對褐土細菌群落和酶活性的影響

摘要： 【目的】探討不同秸稈還田模式對褐土農(nóng)田養(yǎng)分的影響，解析土壤胞外酶活性和菌群功能的變化特征，為高效提升褐土農(nóng)田土壤肥力提供理論依據(jù)。【方法】本研究基于1992—2022 年位于山西壽陽的長期定位試驗，包括4 種玉米秸稈還田方式處理：秸稈不還田（CK）、秸稈過腹還田（CM）、秸稈粉碎直接還田（SC） 和秸稈覆蓋還田（SM）。取樣分析土壤養(yǎng)分含量和胞外酶活性；利用高通量測序技術(shù)、FAPROTAX 功能預測和生態(tài)網(wǎng)絡方法，分析細菌群落結(jié)構(gòu)，預測菌群功能。【結(jié)果】1） 長期不同秸稈還田方式（SM、SC 和CM） 均可顯著提高土壤肥力、玉米產(chǎn)量和胞外酶活性。與CK 相比，3 個秸稈還田處理的土壤有機碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、堿解氮（AN）、有效磷（AP） 和速效鉀（AK） 含量分別提升了17.0%～42.9%、3.0%～50.0%、2.3%～27.9%、4.4%～11.5%、11.2%～71.0%、14.1%～320.8%、17.1%～153.6%；土壤葡萄糖苷酶（β-GC）、纖維二糖水解酶（CBH） 和脫氫酶（DHA） 含量分別提升了35.6%～190.7%、41.9%～58.6% 和28.8%～773.8%；玉米累計產(chǎn)量提高了6.4%～23.0%。2） SM、SC 和CM 處理提高了土壤細菌Chao 1 指數(shù)、Peilou’s evenness 指數(shù)和Shannon 指數(shù)，提高了擬桿菌門、變形菌門、厚壁菌門和放線菌門的相對豐度，降低綠彎菌門和酸桿菌門的相對豐度。土壤pH 和土壤有機碳是影響細菌群落組成的重要影響因素。3） 網(wǎng)絡分析結(jié)果表明，長期秸稈還田處理指示種歸屬于不同模塊，與土壤養(yǎng)分含量和酶活性呈顯著相關(guān)關(guān)系，其中CM 處理中富集的Chryseolinea 通過強烈共生關(guān)系形成特定功能微生物集群。4） 基于FAPROTAX 的功能預測，發(fā)現(xiàn)長期不同秸稈還田提高了土壤菌群對有機物質(zhì)的分解潛力和氮組分轉(zhuǎn)化潛力。【結(jié)論】長期不同秸稈還田均顯著提升土壤肥力和玉米產(chǎn)量，增加土壤酶活性，提高細菌多樣性，改變細菌群落結(jié)構(gòu)和組成，提高土壤碳氮循環(huán)功能，從而促進褐土形成適合作物和細菌生長的環(huán)境。

關(guān)鍵詞： 秸稈還田方式； 細菌群落； 酶活性； 土壤養(yǎng)分； 高通量測序； 網(wǎng)絡分析

土壤細菌是土壤微生物組的重要類群，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組分[1?3]。土壤細菌驅(qū)動陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動，在生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)和修復方面發(fā)揮著不可替代的重要作用[4]，其多樣性是評價土壤質(zhì)量及生產(chǎn)力的重要指標[5]。土壤細菌對其生存環(huán)境變化極為敏感，因此研究微生物群落的變化可較為直觀地反映土壤生態(tài)功能的變化[6]。大量研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田配施化肥可以提高土壤微生物多樣性，并改善細菌群落結(jié)構(gòu)，促進土壤中參與碳、氮、磷循環(huán)的特定微生物生長[7?9]。Mei 等[10]對黑鈣土長達40 年研究發(fā)現(xiàn)，化肥配施糞肥較配施秸稈顯著提高細菌多樣性。Sun 等[11]則發(fā)現(xiàn)畜禽糞便（豬糞、牛糞） 較秸稈更有利于細菌群落的穩(wěn)定性。Fan 等[12]則發(fā)現(xiàn)相較于豬糞和秸稈，化肥配施牛糞是降低潛在病原菌風險最有效的措施。然而一些研究發(fā)現(xiàn)長期秸稈還田后土壤微生物多樣性并未發(fā)生明顯改變[13?14]。我國安徽砂姜黑土長期定位試驗結(jié)果表明，連續(xù)30 年秸稈還田配施化肥后細菌多樣性顯著降低[15]。試驗結(jié)果的差異一方面是由于試驗地土壤養(yǎng)分狀況和自然條件不同，另一方面可能與秸稈還田量、還田方式有關(guān)。大量研究重點在于微生物的多樣性和群落結(jié)構(gòu)組成變化，然而對于微生物種間關(guān)系的研究被忽視。土壤中的微生物并非單獨存在，不同物種通過頻繁的相互作用，形成復雜的生態(tài)網(wǎng)絡，共享土壤生態(tài)位和營養(yǎng)資源[16]。微生物參與的生態(tài)功能不僅僅是不同個體的集體特征，還與它們之間的相互作用密切相關(guān)。研究物種間的網(wǎng)絡互作關(guān)系對于理解微生物群落構(gòu)建過程，了解物種間的生態(tài)位差異或環(huán)境異質(zhì)性，預測土壤生態(tài)功能具有重要意義。秸稈還田是改善土壤質(zhì)量，解決秸稈和畜禽糞便等有機廢棄物資源化利用問題的有效措施，然而從網(wǎng)絡共現(xiàn)模式角度解析不同秸稈還田對微生物群落的影響機制仍需探討。

本研究以褐土區(qū)春玉米田為研究對象，基于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部壽陽野外科學觀測實驗站不同秸稈還田模式長期（1992—2022 年） 定位試驗，采用高通量測序技術(shù)，對秸稈不還田、秸稈覆蓋還田、秸稈粉碎還田和秸稈過腹還田后土壤細菌群落多樣性、結(jié)構(gòu)、組成展開研究；同時通過構(gòu)建分子生態(tài)網(wǎng)絡，研究不同秸稈還田模式對細菌種間互作關(guān)系和網(wǎng)絡共現(xiàn)模式的影響；探討長期不同秸稈還田方式對細菌群落與土壤理化性質(zhì)、酶活性之間關(guān)系的影響，為旱作玉米生產(chǎn)中不同秸稈還田方式對褐土土壤肥力提升、秸稈還田措施優(yōu)化和秸稈資源化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

不同秸稈還田方式長期定位試驗位于山西省壽陽縣宗艾村北坪（37°58′N，113°06′E），試驗地海拔1130 m，年均氣溫7.4℃，無霜期約130 天，年均降水量501.1 mm，70% 左右的降水集中在6—9 月，屬暖溫帶半濕潤偏旱區(qū)。試驗地塊平坦，土層深厚，供試土壤為褐土，成土母質(zhì)為馬蘭黃土，屬于黃土旱塬地。試驗初始耕層土壤基本化學性質(zhì)如下：土壤有機碳（SOC） 13.6 g/kg，全氮（TN） 1.07 g/kg，全磷（TP） 1.78 g/kg，全鉀（TK） 14.10 g/kg，堿解氮（AN） 76.40 mg/kg，有效磷（AP） 2.80 mg/kg，速效鉀（AK） 95.00 mg/kg，pH 為8.4。