規模化奶牛養殖糞水還田對土壤理化性質及微生物群落特征的影響*

2024-02-27 07:47:40趙曉芳許繼飛賀旭德劉建國李國慶

環境污染與防治 2024年2期

趙曉芳許繼飛# 賀旭德李桐劉建國李國慶

(1.內蒙古大學生態與環境學院,內蒙古環境污染控制與廢物資源化重點實驗室,內蒙古呼和浩特 010021;2.內蒙古工業大學能源與動力學院,內蒙古呼和浩特 010051;3.內蒙古自治區環境監測總站呼和浩特分站,內蒙古呼和浩特 010030)

我國規模化奶牛養殖業發展迅速,大量奶牛養殖糞水也隨之產生。奶牛養殖糞水主要由尿液、糞便、殘留飼料和牛舍沖洗水混合而成[1]。奶牛養殖糞水產量大,且含有豐富的碳、氮、磷等營養物質,經氧化塘無害化處理后若達到還田的衛生質量要求,則具有可資源化利用的潛力[2-3]。土壤微生物是土壤物質循環的重要組成部分[4],奶牛養殖糞水還可能改善土壤微生物結構,從而提高土壤養分含量并改善土壤物理結構[5-6]。

因此,研究經氧化塘無害化處理后的規模化奶牛養殖糞水還田對土壤理化性質和微生物群落特征的影響可為我國養殖糞水資源化利用提供科學依據。本研究探究了不同糞水還田量下土壤養分和微生物群落結構的變化,同時觀測作物的響應,以揭示養殖糞水還田對土壤環境的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與供試材料

養殖糞水取自內蒙古呼和浩特某規模化奶牛養殖場的三級串聯氧化塘,化學需氧量(COD)11 330 mg/L,五日生化需氧量(BOD5)7 080 mg/L,pH 7.2,全鹽量7 700 mg/L,總氮2 050 mg/L,氨氮1 130 mg/L,總磷359 mg/L。堆肥牛糞經過槽式發酵15～30 d,總氮、總磷、氨氮和有機質分別為546、171、256、97 700 mg/kg。野外大田試驗在養殖場周邊進行。試驗大田的土壤類型為沙壤土,近3年未施用過畜禽糞肥和其他改良劑,0～20 cm的表層土壤背景理化性質為：pH 8.75、全鹽量500 mg/kg、有機質5.68 g/kg、總氮276 mg/kg、總磷450 mg/kg。供試作物品種為玉米(青貯1381)。

1.2 試驗設計

采用完全隨機區組設計,各處理小區面積為5.2 m×5.0 m,每個處理設3個平行。每個處理小區土壤中于2019年4月底翻施牛糞堆肥7 kg/m2,作為基肥,養殖糞水按照當地管道漫灌方式施加,在玉米種植前一周施加糞水還田量均為0.32 t/m2,在大喇叭口期按同樣的施加方式分別施加糞水還田量為0、0.32、0.64、0.96 t/m2,共4個處理,所有處理同時灌溉清水以保證養殖糞水和清水總量都為1.28 t/m2。每個處理小區播種玉米8行13列,其他田間管理措施同當地玉米農田,9月底收獲。

1.3 樣品采集與測定

玉米收獲時,在玉米植株根部水平距離15 cm處采用對角線5點法采集各處理小區0～20 cm表層土壤樣品并混合。一部分經自然風干過篩(孔徑<2 mm)后用于土壤理化性質測定;一部分-80 ℃儲存,用于土壤脫氧核糖核酸(DNA)提取。土壤理化性質測定參照《土壤農業化學分析方法》。玉米植株收獲每個處理小區內的第1、3、5、7行植株,烘干并測定地上部分生物量。

1.4 DNA提取及高通量測序

使用土壤基因組DNA試劑盒(MagicPure?Stool and Soil Genomic DNA Kit)從0.250 g經真空冷凍干燥過篩(孔徑<2 mm)后的土壤樣品中提取DNA,然后使用超微量紫外分光光度計(NanoDrop ND-2000)測定DNA濃度和純度,最終通過質量分數為1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測合格后送至上海派森諾生物科技公司對細菌16S rDNA基因的V3～V4序列和真菌ITS序列進行擴增和高通量測序,測序基于Illumina Novaseq 2000平臺,分別使用引物338F/806R和1743F/2043R,經質控后得到優質序列。

1.5 數據分析

用SPSS 25.0軟件進行單因素方差分析(ANOVA),利用Duncan檢驗分析不同處理間的指標差異顯著性(P<0.05)。用QIIME2軟件根據SILVA和UNITE數據庫進行物種注釋,分析各處理土壤的細菌和真菌群落組成并計算Chao1指數和Shannon指數,分別用來表征豐富度和多樣性。

2 結果與討論

2.1 養殖糞水還田對土壤理化性質的影響

由圖1得知,養殖糞水還田后,土壤理化性質會發生不同程度的變化,表明養殖糞水還田可影響土壤理化性質。隨糞水還田量增加,土壤有機質和土壤有效氮均顯著增加,養殖糞水還田量為0.96 t/m2時達到最高,然而此時全鹽量也達到最高,可能會引起土壤鹽漬化,而糞水還田量為0.64 t/m2時在保證土壤有機質和土壤有效氮仍然較高的前提下,全鹽量最低,甚至低于養殖糞水還田前,因此適量糞水還田可緩解農田鹽漬化,可能是因為適量液體肥料攜帶充足的水分,可將農田表層土壤鹽分淋滲到深層土壤中,從而降低表層土壤含鹽量[7]。在糞水還田量為0.64 t/m2時,總氮、總磷和有效磷也均顯著高于養殖糞水還田前,總磷含量甚至還高于養殖糞水還田量分別為0.32、0.96 t/m2時,表明適量的養殖糞水還田量可提高土壤中植物可利用的營養元素,而且不會造成土壤鹽漬化。糞水還田量為0.32、0.64、0.96 t/m2時,玉米植株地上生物量分別為461.6、442.4、431.7 g/株,均高于養殖糞水還田前,主要是因為養殖糞水可為土壤提供充足的碳源和氮源,從而促進作物增產[8]。玉米植株地上生物量在0.64 t/m2時也處于比較可觀的水平。劉青松等[9]發現在苜蓿地塊施用化肥聯合澆灌奶牛養殖糞水,可提高土壤有機質含量并增加苜蓿產量,與本研究結論一致。

注：圖上不同小寫字母表示在 P<0.05水平下差異顯著。圖1 土壤理化性質分析Fig.1 Physicochemical property analysis

綜上所述,養殖糞水還田可改變土壤理化性質,適量的養殖糞水還田量可提高土壤中植物可利用的營養元素,促進作物增產且不會造成土壤鹽漬化,本研究中比較合適的糞水還田量應為0.64 t/m2。

2.2 養殖糞水還田后土壤細菌和真菌豐富度和多樣性分析

養殖糞水還田后,土壤細菌的Chao1指數和Shannon指數大體有所升高(見圖2(a))。當糞水還田量為0.32、0.96 t/m2時,土壤細菌的Chao1指數和Shannon指數均高于養殖糞水還田前,而當養殖糞水還田量為0.64 t/m2時,土壤細菌的Chao1指數和Shannon指數與養殖糞水還田前基本一致,對土壤細菌的結構影響最小。

圖2 土壤微生物Chao1指數和Shannon指數分析Fig.2 Microbial Chao1 Index and Shannon Index analysis

土壤真菌的Chao1指數和Shannon指數對養殖糞水還田的響應不同于細菌(見圖2(b))。養殖糞水還田后,土壤真菌的Chao1指數整體隨養殖糞水還田量增加呈下降趨勢,而Shannon指數整體呈上升趨勢,表明在養殖糞水還田后,土壤真菌群落的豐富度下降而多樣性升高。這可能是因為隨著養殖糞水還田量增加,土壤真菌菌絲網絡與土壤礦物顆粒形成的團聚體結構被破壞,導致真菌菌絲破裂,使部分土壤真菌物種死亡,真菌群落豐富度降低[10]。養殖糞水還田量為0.64 t/m2可以綜合平衡養殖糞水還田對壤真菌群落豐富度和多樣性的影響。

2.3 土壤細菌群落組成分析

養殖糞水還田前后土壤細菌結構在門水平上組成較為相似,優勢菌門為變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、厚壁菌門(Firmicutes)、酸桿菌門(Acidobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes)等(見圖3),但其相對豐度發生變化。隨糞水還田量增加,變形菌門、厚壁菌門、酸桿菌門和擬桿菌門的相對豐度呈增加趨勢,而放線菌門、綠彎菌門則呈下降趨勢。這是因為糞水還田引起土壤養分條件改變,使土壤菌群的共生與寡營養策略發生變化[11]。具體分析不同糞水還田量下土壤細菌屬水平發現,養殖糞水還田前后,土壤中的優勢細菌屬依次為斯克爾曼氏菌屬(Skermanella,相對豐度為8.83%～20.42%)、節桿菌屬(Arthrobacter,相對豐度為5.52%～13.62%)、凱氏桿菌屬(Kaistobacter,相對豐度為7.16%～12.87%)和芽孢桿菌屬(Bacillus,相對豐度為2.36%～12.49%)等。斯克爾曼氏菌屬是典型的生物固氮菌,可減少土壤氮素流失[12]。芽孢桿菌屬能分泌纖維素酶,具有纖維素降解功能,有利于土壤中纖維素類的降解[13]。

圖3 土壤細菌門水平組成Fig.3 Bacterial composition in phylum level in soil

2.4 土壤真菌群落組成分析

養殖糞水還田前后土壤真菌在門水平上主要檢測到子囊菌門(Ascomycota)和擔子菌門(Basidiomycota)兩種(見圖4),其中優勢菌門為子囊菌門(相對豐度為78.15%～93.85%)。大量的子囊菌門有助于植物纖維素和木質素的降解,從而促進土壤養分循環[14-15]。養殖糞水還田后,子囊菌門相對豐度有所降低,可能是因為土壤有效氮增加而導致的[16]。在土壤真菌屬水平上,大量子囊菌門的屬還未被鑒定,需要進一步研究。