施肥對黃土丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

劉強(qiáng) 王瑞 梁艷 何亞蘭 南嶺 王曉琨 徐德華

關(guān)鍵詞：施肥；土壤微生物：黃土丘陵區(qū)；土壤養(yǎng)分；磷脂脂肪酸；群落結(jié)構(gòu)

土壤是連接地球系統(tǒng)中水圈、大氣圈、生物圈及巖石圈間相互作用的紐帶，是人類賴以生存和生活的載體，也是保障國家糧食經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生產(chǎn)基礎(chǔ)。微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，不僅種類繁多、數(shù)量龐大，且對生存環(huán)境較為敏感，能夠?qū)ν寥拉h(huán)境變化做出迅速反應(yīng)，驅(qū)動土壤養(yǎng)分循環(huán)，改變土壤結(jié)構(gòu)組成，從而影響土壤的發(fā)育過程，因此土壤微生物也是反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)。土壤微生物群落通過自身的生長代謝參與土壤養(yǎng)分的分解與轉(zhuǎn)化，為土壤的能量流動和養(yǎng)分循環(huán)提供有效的動力和保障，讓土壤成為“活的生命體”。相關(guān)研究表明，土壤微生物的多樣性是生態(tài)農(nóng)業(yè)的標(biāo)志，是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)維護(hù)的基礎(chǔ)，而土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的變化很大程度上是由土壤養(yǎng)分含量差異造成的，因此，土壤養(yǎng)分含量被認(rèn)為是土壤微生物動力學(xué)的決定因素。

施肥會改變土壤的理化性質(zhì)，影響土壤微生物群落的多樣性、組成與結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對其生長繁殖及功能代謝產(chǎn)生相應(yīng)的影響。黃土丘陵區(qū)農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量低，施肥就成為重要生產(chǎn)措施。施肥可以改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤養(yǎng)分含量，改變土壤養(yǎng)分的有效性。但黃土丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中缺乏充足科學(xué)的施肥依據(jù)，主要表現(xiàn)在有機(jī)肥在總肥料中的比重較低，施用氮、磷、鉀化肥比例失調(diào)，施氮量過高卻很少關(guān)注施用氮肥后的銨化、硝化和反硝化等過程及不同施用方法下養(yǎng)分利用率的差異，忽視旱區(qū)農(nóng)田水分管理對肥料利用率及肥效的影響，再加上人們長期不合理的生產(chǎn)活動，導(dǎo)致農(nóng)田水土流失嚴(yán)重，土壤結(jié)構(gòu)性差。當(dāng)施肥量超過作物養(yǎng)分需求量時，造成肥料浪費，土壤質(zhì)量下降，農(nóng)田糧食生產(chǎn)形勢嚴(yán)峻。

目前對施肥處理下土壤養(yǎng)分及土壤微生物群落的研究較為廣泛，并取得一定成果，但主要集中于濕潤地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，對旱區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究較少，且多集中于東北、華北、長江中下游等地區(qū)，關(guān)于黃土丘陵區(qū)施肥措施對土壤養(yǎng)分和土壤微生物群落的影響尚不明晰?；诖?，本試驗應(yīng)用磷脂脂肪酸（PLFA）法研究了不同施肥處理對黃土丘陵區(qū)土壤養(yǎng)分和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，并分析了土壤養(yǎng)分與土壤微生物群落之間的相互關(guān)系，以期為進(jìn)一步探索兩者間的作用機(jī)理，改善黃土丘陵區(qū)土壤質(zhì)量以及培肥土壤提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗在陜西省延安市中國科學(xué)院安塞水土保持綜合試驗站進(jìn)行。安塞區(qū)位于黃土高原中部，屬黃土丘陵溝壑區(qū)，地勢呈西北向東南傾斜，海拔1068～1309m。中溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，年均氣溫8.8℃，年均降水量約500mm。自然植被類型處于森林與草原交錯區(qū)，土壤類型處在黃綿土與沙黃土交錯區(qū)。試驗前土壤含有機(jī)碳8.05g/kg、速效鉀81.1mg/kg、有效磷9.72mg/kg、全磷0.59g/kg、全鉀15.8g/kg、全氮0.38g/kg，pH值8.46。

1.2試驗設(shè)計

將長方形試驗地劃分為20個試驗小區(qū)，每個小區(qū)為8.57mx3.50m，每5個小區(qū)為一組。設(shè)置5個不同施肥處理：種植作物不施肥（CK）、單施有機(jī)肥（M）、氮磷肥配施（NP）、氮磷鉀肥配施（NPK）、有機(jī)肥配施氮磷肥（MNP），每個處理重復(fù)4次。作物種植前將鉀肥、有機(jī)肥、磷肥、20%氮肥作為基肥一次性施入，剩余80%氮肥于作物拔節(jié)期追施。施用的有機(jī)肥為羊糞，其養(yǎng)分含量為全氮11.24g/kg、全磷17.43g/kg、有機(jī)碳24.36g/kg，施用量為7500kg/hm2;磷肥為磷酸鈣（P20544%），施用量為170kg/hm2；氮肥為尿素（N46%），施用量為212kg/hm2;鉀肥為硫酸鉀（K20 50%），施用量為120kg/hm2。

1.3試驗方法

2022年10月作物收獲后，以每個小區(qū)為單元，去除表面雜物，采用“S”形隨機(jī)采取0～20cm土層土壤樣品，混勻后裝袋密封，記錄各樣品信息。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)采用PLFA法測定，參照Bligh-Dyer修正方法，采用Agilent 6890氣相色譜分析磷脂脂肪酸種類，并對特定PLFA進(jìn)行標(biāo)記，對土壤微生物群落類群進(jìn)行表征。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

運用Microsoft Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：用Canoc0 4.5進(jìn)行主成分分析（PCA）和冗余分析（RDA）；利用SPSS 25.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)差異顯著性分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同施肥處理對土壤理化性質(zhì)的影響

不同施肥處理對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響（表1）。與CK相比，除NP處理的土壤全氮、有效鉀含量和土壤含水率以及NPK處理的土壤含水率外．4個施肥處理顯著提高了土壤各養(yǎng)分含量（P<0.05），其中MNP處理下土壤全氮、全磷、有效氮、有效磷、微生物碳和微生物氮含量最高，較CK分別增加97.30%、56.36%、194.98%、1336.99%、113.05%、50.89%，較M處理分別增加2.82%、40.98%、14.94%、279.78%、26.56%、2.52%，較NP處理分別增加58.70%、17.81%、83.07%、36.39%、51.41%、6.68%。M處理下土壤有機(jī)碳、有效鉀含量及土壤含水率最高，較CK分別增加133.52%、123.77%和27.40%（P<0.05）。

2.2不同施肥處理對土壤微生物PLFA含量的影響

不同施肥處理下土壤微生物數(shù)量發(fā)生了顯著性改變（表2）。特別是MNP處理下細(xì)菌、放線菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌PLFA含量及微生物總PLFA含量均最高，較CK分別增加90.69%、110.47%、67.50%、76.47%、54.13% （P<0.05），與M處理相比分別增加60.16%、45.97%、41. 17%、37.47%和33.02%（P<0.05），與NP處理相比分別增加84.09%、61.61%、97.51%、177.17%和53.12%（P<0.05）。真菌PLFA含量在M處理下最高，較CK增加26.09%（P<0.05），真菌／細(xì)菌值在NPK處理下最高，較CK增加14.28%（P>0.05）。

2.3不同施肥處理下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的主成分分析

主成分分析結(jié)果（圖1）表明，PC1對土壤微生物PLFA產(chǎn)生變異的貢獻(xiàn)率為71.44%，PC2的貢獻(xiàn)率為20.94%，兩者貢獻(xiàn)率之和為92.38%，可用于反映系統(tǒng)的變異信息。不同施肥處理的圖形明顯分離，表明施肥方式的不同促進(jìn)了土壤微生物群落的分化。其中，NP處理與CK的主成分分析結(jié)果更為接近，說明這兩種施肥處理下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)相似度更高：NPK處理與M處理的主成分分析結(jié)果更為接近，表明這兩種施肥處理下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)相似度更高：而MNP處理下的土壤微生物群落與其他施肥處理有明顯區(qū)分。

CK與革蘭氏陽性菌／革蘭氏陰性菌的相關(guān)性強(qiáng)，與其他指標(biāo)相關(guān)性弱；MNP與革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌、細(xì)菌、放線菌PLFA和微生物總PLFA含量相關(guān)性強(qiáng)，表明MNP處理下的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)較其他施肥處理發(fā)生了較大變化。

2.4土壤微生物群落組成與土壤養(yǎng)分因子的關(guān)系

將土壤養(yǎng)分因子作為解釋變量，土壤微生物PLFA含量作為響應(yīng)變量進(jìn)行冗余分析（RDA），結(jié)果（圖2）表明，第一排序軸（RDAI）與第二排序軸（RDA2）分別解釋了78.25%和18.72%的變化量，累計解釋變量96.97%，表明分析結(jié)果可靠。土壤全磷、全氮、碳氮比值、有效鉀、有效氮、有效磷、微生物碳、土壤有機(jī)碳、土壤含水率與土壤真菌、革蘭氏陰性菌、放線菌、細(xì)菌PLFA含量和總PLFA含量呈正相關(guān)，與革蘭氏陽性菌／革蘭氏陰性菌、真菌／細(xì)菌呈負(fù)相關(guān)，與革蘭氏陽性菌無顯著相關(guān)性。

3討論與結(jié)論

3.1不同施肥處理對土壤理化性質(zhì)的影響

本研究結(jié)果顯示，不同施肥處理對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響。施肥可以增加土壤養(yǎng)分含量，改善土壤肥力狀況，尤其是有機(jī)肥本身含有一定的土壤養(yǎng)分，且易于分解、釋放，除少部分礦化供當(dāng)季作物利用外，大部分留在土壤中，使土壤養(yǎng)分得到更新和補(bǔ)償，提高土壤養(yǎng)分供給能力，且具有可持續(xù)性和漸進(jìn)性。郝曉暉等發(fā)現(xiàn)，施肥可為作物和土壤微生物提供養(yǎng)分來源，促進(jìn)作物生長，提高土壤微生物量及碳、氮含量，增加根系分泌物和有機(jī)殘體數(shù)量，使土壤微生物和作物根系產(chǎn)生較大分子的多糖和分泌物，并與礦物顆粒膠結(jié)形成團(tuán)聚體，穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，阻止土壤養(yǎng)分的迅速礦化分解。石玉龍等發(fā)現(xiàn)土壤中施人有機(jī)肥，就會有外源性有機(jī)物的輸入，其中含有豐富的養(yǎng)分物質(zhì)，可增加土壤微生物生物量，形成有機(jī)無機(jī)復(fù)合體和土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，提高土壤酶活性和土壤水分利用效率，調(diào)節(jié)土壤中水、肥、氣、熱的輸入和輸出，增加作物產(chǎn)量，作物收獲后又使作物根茬、枯落物增加，擴(kuò)大養(yǎng)分物質(zhì)來源，使土壤養(yǎng)分含量增幅較施用化肥效果明顯，且這種差異變化會隨時間變化越來越顯著。張禮軍等發(fā)現(xiàn)施肥作為重要農(nóng)田生產(chǎn)措施，可改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤酶活性、水分利用效率和養(yǎng)分有效性，加速土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的積累。

3.2不同施肥處理對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

本研究結(jié)果顯示，不同施肥處理對土壤微生物PLFA含量均有不同程度的影響。M和MNP處理下的土壤微生物總PLFA含量較CK均顯著增加，這與其他研究結(jié)果一致，其原因是施肥會給土壤微生物生長和代謝提供有機(jī)碳、氮、磷等礦物質(zhì)養(yǎng)分和能量來源，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤微生物群落對土壤養(yǎng)分的利用能力。NP和NPK處理對微生物群落結(jié)構(gòu)具有正效應(yīng)，其原因是化肥的施人為土壤微生物和地上植物生長快速地提供了養(yǎng)分，隨著地上作物的生長，作物根部生物量和根系分泌物形成的有機(jī)物輸送進(jìn)土壤，有利于土壤微生物的繁衍。M和MNP處理較施用化肥處理對微生物群落結(jié)構(gòu)具有正效應(yīng)，其原因可能是施用有機(jī)肥不僅可以促進(jìn)作物根部形成的有機(jī)物和根系分泌物輸送進(jìn)土壤，有利于土壤微生物的繁衍，還可使土壤養(yǎng)分的輸入和礦化之間逐漸建立新的平衡關(guān)系，促使土壤養(yǎng)分逐步累積，為土壤微生物提供豐富的可利用底物，促進(jìn)其生長，從而改善土壤微生物之間的關(guān)系，增加土壤細(xì)菌、真菌、放線菌生物量和微生物PLFA含量。鄒湘等研究發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥與化肥配施顯著提高了土壤微生物總PLFA含量，其原因是施人有機(jī)肥有利于碳、氮循環(huán)過程的鐵氨氧化反應(yīng)的發(fā)生，促進(jìn)細(xì)菌的生長。薛曉敏等研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥與化肥配施為土壤微生物提供了大量的碳源，促進(jìn)了土壤微生物對氮素的固持，調(diào)節(jié)了土壤碳氮比，進(jìn)而影響到土壤微生物群落的組成。費裕猻等研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥與化肥配施可顯著提高土壤養(yǎng)分含量，增加土壤微生物的豐富度和活性。而較高的土壤養(yǎng)分含量與土壤微生物群落組成是一致的。

3.3土壤微生物群落組成與土壤養(yǎng)分因子的相關(guān)性

本研究結(jié)果表明，土壤微生物群落分布與土壤養(yǎng)分因子之間有較強(qiáng)的相關(guān)性，而土壤微生物群落的變化源于土壤養(yǎng)分含量的不同。土壤養(yǎng)分是影響土壤微生物群落及其多樣性的重要因子，施肥通過改變土壤養(yǎng)分含量引起土壤微生物在豐度上的響應(yīng)。土壤養(yǎng)分是土壤微生物生命活動必不可少的營養(yǎng)元素，施入有機(jī)肥能夠顯著改變土壤養(yǎng)分含量，提高土壤微生物群落對土壤養(yǎng)分的利用能力，使土壤養(yǎng)分輸入和礦化之間新的平衡關(guān)系逐漸建立，不僅提高了土壤微生物生物量，還提高了土壤微生物功能活性。土壤養(yǎng)分會為土壤微生物生長繁殖提供更多可利用底物，尤其是有機(jī)肥與化肥配施提供了相對平衡的營養(yǎng)環(huán)境，直接影響土壤微生物的生存和繁殖．增加碳、氮、磷等土壤養(yǎng)分，刺激土壤微生物生長和活動，更易于真菌、放線菌、細(xì)菌的繁殖，這一研究結(jié)果與許多學(xué)者的研究結(jié)果相符。

真菌／細(xì)菌（ F/B）值表征土壤養(yǎng)分的分解狀況。本研究結(jié)果顯示，MNP處理的F/B值為0.04，顯著低于其他處理，表明該處理下土壤微生物分解由細(xì)菌分解型轉(zhuǎn)換為真菌分解型，碳周轉(zhuǎn)和養(yǎng)分循環(huán)速度減緩，土壤微生物對土壤養(yǎng)分的利用以土壤中較難利用養(yǎng)分為主。革蘭氏陽性／陰性菌（G+/G-）值表征微生物群落對土壤養(yǎng)分的傾向性和生長策略。CK、NP、NPK、MNP、M處理下G+/G-值分別為1.53、2.81、1.52、1.61、1.66，NP處理顯著高于其他處理，表明微生物對土壤養(yǎng)分的分解利用不僅依賴于外源有機(jī)肥的輸入，還有其他決定因素。

本研究通過對黃土丘陵區(qū)不同施肥土壤的微生物群落研究表明，土壤養(yǎng)分含量及其對微生物群落的影響因施人肥料種類的不同而存在差異。CK和化肥處理下土壤養(yǎng)分含量（除全磷和有效磷外）低于M或MNP處理。MNP處理下的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)較施用化肥處理和CK均發(fā)生了顯著改變，增加了微生物總生物量，降低G+/G-、F/B值，提高微生物養(yǎng)分利用能力以及群落的多樣性。綜合研究結(jié)果來看，有機(jī)肥配施化肥有利于土壤養(yǎng)分積累，增加土壤微生物生物量，提高土壤微生物群落結(jié)構(gòu)改良效果，可作為黃土丘陵區(qū)培肥土壤以及生態(tài)管理模式的施肥方案。