李俊娣, 張玉銘, 趙寶華, 胡春勝, 何紅波, 董文旭, 王玉英, 李曉欣

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長期添加外源有機物料對華北平原不同粒級土壤氮素和氨基糖的影響*

李俊娣1,2, 張玉銘2**, 趙寶華1**, 胡春勝2, 何紅波3, 董文旭2, 王玉英2, 李曉欣2

(1. 河北師范大學生命科學學院 石家莊 050024; 2. 中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心/中國科學院農(nóng)業(yè)水資源重點實驗室/河北省土壤生態(tài)學重點實驗室 石家莊 050022; 3. 中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所 沈陽 110016)

華北平原是我國主要的糧食生產(chǎn)基地之一, 農(nóng)民為了追求高產(chǎn), 過量施用化肥的弊端日益凸顯。本研究依托中國科學院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站有機養(yǎng)分循環(huán)再利用長期定位試驗, 開展不同外源有機物料對土壤氮素和氨基糖在不同粒級土壤庫中分布的影響研究, 為闡釋不同農(nóng)業(yè)管理措施下土壤氮素的物理保護機制和生物保護機制提供依據(jù)。定位試驗設(shè)6個處理: 無肥無秸稈處理(對照, CK)、單施豬圈肥(M)、單施化肥(NPK)、單施秸稈(SCK)、化肥配施豬圈肥(MNPK)和化肥配施秸稈(SNPK)。通過超聲波分散-離心分離得到3種粒徑土壤——砂粒級(2 000~53 μm)、粉粒級(53~2 μm)和黏粒級(<2 μm), 分析全土及各粒級土壤中全氮和3種土壤氨基糖(氨基葡萄糖、胞壁酸和氨基半乳糖)的含量及變化; 基于這3種土壤氨基糖的穩(wěn)定性和異源性, 以氨基糖作為微生物殘留物標識物, 了解真菌和細菌殘留物的積累和轉(zhuǎn)化, 闡釋真菌和細菌在養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中的作用。結(jié)果表明: 添加有機物料(秸稈、豬圈肥)明顯提升了土壤全氮和氨基糖含量, 粒級間土壤氮素和氨基糖含量順序均為黏粒級>砂粒級>粉粒級。添加有機物料對砂粒級土壤氮素影響最大, 長期化肥配施豬圈肥中氮素主要在砂粒級中富集, 長期化肥配施秸稈的氮素主要在黏粒級中富集。添加秸稈主要提高了真菌來源的氨基葡萄糖的含量, 而添加豬圈肥主要提高了土壤中細菌來源的胞壁酸含量, 表明添加不同有機物料可影響土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)。從各粒級中氨基葡萄糖/胞壁酸的比值來看, 添加不同類型外源有機物料對砂粒級土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響最為明顯。由此可見, 在長期秸稈還田措施下實施有機糞肥部分替代化肥不僅可以減少化肥用量, 還可提升土壤養(yǎng)分含量和微生物多樣性, 改善土壤質(zhì)量。

有機物料; 土壤粒級; 氮; 氨基糖;土壤微生物

華北平原是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一, 耕地面積占全國耕地總面積的1/4, 主要種植模式是小麥()-玉米()輪作, 全國76%的小麥和29%的玉米產(chǎn)自該區(qū)域。農(nóng)民為了追求高產(chǎn), “大水大肥”現(xiàn)象普遍存在, 糧食生產(chǎn)過度依賴化肥的問題日益凸顯, 由此引發(fā)了資源浪費、利用效率低下、環(huán)境風險提升、土壤環(huán)境退化[1-2]。土壤培肥是實現(xiàn)化肥減施控失、養(yǎng)分高效的基礎(chǔ)。研究表明, 有機肥中有機質(zhì)含量高, 肥效長, 有效改善土壤結(jié)構(gòu), 能快速培肥土壤[3-5]。充分發(fā)揮有機糞肥和作物秸稈的培肥作用, 揭示添加不同外源有機物料情況下土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與固持機制, 挖掘有機養(yǎng)分的增產(chǎn)潛力是減少化肥用量、遏制環(huán)境污染、持續(xù)提升糧食產(chǎn)量和資源效率的關(guān)鍵。

在土壤有機質(zhì)累積、轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)過程中, 微生物發(fā)揮著重要的調(diào)節(jié)作用[6]。外源有機物料的添加會影響土壤中原有的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量循環(huán), 伴隨這一過程, 微生物快速繁殖的同時也產(chǎn)生了大量的微生物殘體, 氨基糖是土壤微生物細胞壁的組成成分, 由于其穩(wěn)定性和異源性, 可作為微生物殘留物標識物[7-9], 用來研究土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和積累過程中不同微生物群落的相對貢獻。目前, 有4種土壤氨基糖可以被定量化: 氨基葡萄糖(glucosamine)、胞壁酸(muramic acid)、氨基半乳糖(galactosamine)和氨基甘露糖(epichitosamine)[10-12]。其中, 氨基葡萄糖是真菌幾丁質(zhì)(chitin)的唯一成分和脫?；鶐锥≠|(zhì)(chitosan)的主要成分, 真菌是其主要來源; 胞壁酸則是細菌中脂多糖(lipopolysaccharides)和細胞壁中肽聚糖(peptidoglycan)的成分, 細菌是其唯一來源; 氨基半乳糖常被認為主要由細菌合成; 氨基甘露糖的來源不明確, 且含量極低, 研究較少[13-15]。通過研究不同農(nóng)業(yè)管理措施對土壤氨基糖的影響, 可以從微觀角度闡明微生物對土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化與截獲的貢獻, 為揭示農(nóng)田土壤有機質(zhì)積累與轉(zhuǎn)化的微生物學機制提供依據(jù)。

土壤中有機質(zhì)與土壤礦物間通過化學或物理化學的鍵聯(lián)作用形成黏粒級、粉粒級和砂粒級土壤有機-礦物復合體, 使有機質(zhì)免于被微生物降解, 提高其穩(wěn)定性, 對養(yǎng)分有一定的保護作用[16-20]。有機質(zhì)和土壤顆粒的相互作用可分為物理吸附、化學吸附和交換吸附[21], 不同粒徑的土壤由于礦質(zhì)組成的不同, 在土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與保護機制中扮演著不同的角色[16,22-23]。粒徑越小的土壤顆粒, 其比表面積越大, 具有更強的吸附保護土壤養(yǎng)分的能力, 在土壤保肥方面發(fā)揮重要作用; 粒徑相對較大的土壤顆粒, 比表面積較小, 對養(yǎng)分的吸持能力較弱, 該粒級中的養(yǎng)分變化對農(nóng)業(yè)管理措施的響應(yīng)與反饋較快, 對養(yǎng)分的吸持與供應(yīng)具有快速調(diào)控功能, 保持在該粒級中的養(yǎng)分較易于被作物吸收利用, 在土壤供肥能力提升方面發(fā)揮重要作用[16]。研究不同農(nóng)業(yè)管理措施下養(yǎng)分在不同粒級土壤中的分布特征可為揭示農(nóng)田養(yǎng)分的物理保護機制提供依據(jù)。

國際上廣泛采用超聲波分散-離心分離的濕分離方法進行土壤顆粒分級, 研究土壤中C、N、P、S在不同粒級庫中的遷移與累積[17,24-27]; 土壤微生物群落變化多采用磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid, PLFA)法和Biolog法, 由于研究方法及分析指標的代表性對土壤條件有嚴格要求, 難以對濕分離法進行顆粒分級后的土壤微生物群落變化進行研究[28-30]。而基于氨基糖作為標識物的微生物群落分析法則不受土壤條件限制, 為研究不同粒級土壤庫中氨基糖分布特征、解析不同微生物群落在土壤粒級庫養(yǎng)分轉(zhuǎn)化積累過程中的相對貢獻提供了技術(shù)方法[31-32]。目前, 在黑土地區(qū)利用土壤粒級分級和土壤氨基糖分析相結(jié)合的方法研究黑土養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與積累的微生物學機制的報道較多[31-34], 而在華北地區(qū), 基于該方法針對潮褐土開展該方面的研究還少見報道。本研究基于該方法并依托中國科學院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站有機養(yǎng)分循環(huán)再利用長期定位試驗, 研究了長期秸稈還田與施用有機糞肥對土壤氮素和氨基糖在土壤中的轉(zhuǎn)化以及在不同粒級土壤庫中的分布特征, 揭示華北太行山前平原高產(chǎn)農(nóng)區(qū)小麥-玉米輪作農(nóng)田土壤氮素的微生物轉(zhuǎn)化與物理保護機制, 為制定地力培育、化肥減施技術(shù)措施提供依據(jù), 對本區(qū)域農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

試驗土壤采自中國科學院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)試驗站(114°40′E, 37°50′N, 平均海拔50.1 m)。該站位于華北太行山前平原中部, 屬中國東部暖溫帶半濕潤季風氣候, 年平均氣溫12.2 ℃, 降雨主要集中在7、8、9月, 雨熱同期, 無霜期200 d左右。供試土壤類型為潮褐土。種植制度為冬小麥-夏玉米輪作制。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗依托自2001年開始的有機養(yǎng)分循環(huán)再利用長期定位試驗, 試驗根據(jù)我國農(nóng)業(yè)發(fā)展不同時期肥料管理模式設(shè)置了6個處理, 每處理設(shè)3次重復。每個小區(qū)面積120 m2。1)不施肥無秸稈還田(CK), 代表移耕農(nóng)業(yè)模式, 為對照處理; 2)單施豬圈肥(M): 不施化肥, 每年80%的收獲產(chǎn)品經(jīng)喂飼—堆腐, 收獲農(nóng)產(chǎn)品過腹后通過圈肥返還農(nóng)田, 代表傳統(tǒng)有機農(nóng)業(yè)模式, 施用量為風干豬圈肥245 kg?hm-2; 3)單施化肥(NPK): 每年施用N 300 kg?hm-2、P2O5120 kg?hm-2、K2O 75 kg?hm-2, 作物秸稈全部移出, 代表石油農(nóng)業(yè)模式; 4)化肥配施豬圈肥(MNPK): 在每年施用N 300 kg?hm-2、P2O5120 kg?hm-2、K2O 75 kg?hm-2基礎(chǔ)上, 80%的收獲農(nóng)產(chǎn)品飼喂豬過腹還田, 折算施用308 kg?hm-2風干豬圈肥, 代表較完善的有機無機農(nóng)業(yè)模式; 5)化肥配施秸稈(SNPK): 在每年施用N 300 kg?hm-2、P2O5120 kg?hm-2、K2O 75 kg?hm-2基礎(chǔ)上, 將收獲的秸稈全量還田, 代表現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式; 6)單施秸稈(SCK): 不施用任何肥料, 每年收獲秸稈全量粉碎還田, 本處理是為監(jiān)測長期單獨秸稈還田的培肥作用而設(shè)置。于2016年10月在各處理每個小區(qū)內(nèi), 用土鉆隨機多點取0~20 cm土壤混勻。

1.3 樣品測定

1.3.1 土壤顆粒分級

利用SONICS超聲波發(fā)生器和SORVALL Legend RT離心機, 通過超聲波分散-離心分離法將土壤樣品分成砂粒級(2 000~53 μm)、粉粒級(53~2 μm)和黏粒級(<2 μm)3種粒徑的土壤[24]。表1為各處理土壤粒級分布情況。

1.3.2 土壤全氮

采用元素分析儀(vario MACRO cube; Elementar, Germany)測定土壤全土和不同粒級土壤中的全氮含量。

1.3.3 氨基糖測定

土壤樣品經(jīng)水解、純化、衍生后利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS, Finnigan Trace, Thermo Electron Finnigan Co. Ltd., USA)測定氨基糖含量[10]。

待測樣的制備: 稱取含0.4 mg N的分級后土壤樣品, 用6 mol?L-1HCl在105 ℃下水解8 h, 加入肌醇(內(nèi)標1), 過濾。調(diào)節(jié)濾出液pH至6.6~6.8后離心, 以去除金屬離子。使用冷凍干燥機將離心后上清液凍干并用無水甲醇溶解其中氨基糖, 之后用氮氣吹掃去除無水甲醇, 利用衍生試劑和乙酸酐對純化后的氨基糖進行衍生, 利用二氯甲烷、HCl和蒸餾水進行萃取, 二次氮氣吹掃, 最后用乙酸乙酯-正己烷混合溶劑(體積比為1∶1)將氮吹殘留物溶解轉(zhuǎn)移至氣相色譜瓶中待測。

表1 長期不同肥料管理模式下0~20 cm土壤不同粒級顆粒分布

Table 1 Distribution of particle-size fractions in 0-20 cm bulk soil under different fertilization treatments

CK: 不施肥無有機物料還田; M: 單施豬圈肥; NPK: 單施化肥; MNPK: 化肥配施豬圈肥; SNPK: 化肥配施秸稈; SCK: 單施秸稈。數(shù)據(jù)為3次重復的平均值加減標準誤。同列不同字母表示0.05水平下差異顯著。CK: no fertilizer without organic materials; M: single application of pig manure; NPK: application of chemical fertilizers; MNPK: combined application of chemical fertilizers and pig manure; SNPK: combined application of chemical fertilizers and straw; SCK: single application of straws. Values are means ± S.E (=3). Different letters within a column indicate significant differences at0.05.

氨基糖測定: 利用氣相色譜(GC-6890, Agilent, USA HP-5毛細管柱: 30 m×0.25 mm×0.25 μm)測定氨基糖衍生物, 以高純度氦氣(He)作為載氣, 流速保持0.8 mL?min-1, 進樣口溫度250 ℃, 分流比10∶1, 進樣量為1 μL, 以氫火焰離子化檢測器(Flame Ionization Detector, FID)檢測, 以峰面積內(nèi)標法定量。

1.3.4 相關(guān)指標計算

富集因子: 用以描述不同粒級某一組分的富集程度的指標。具體計算公式為:E=Y/bulk, 其中E為土壤第粒級組分對該組分的富集因子(enrichment factor),Y為第粒級組分中該組分的含量,bulk指與之相對應(yīng)全土中該組分的含量。E>1, 則表明該組分在該粒級中富集;E<1, 表明該組分在該粒級中有損失[16]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

采用Microsoft Excel 2013軟件處理數(shù)據(jù)及繪圖, 采用SPSS 17.0進行不同處理間差異的顯著性分析(<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加外源有機物料對土壤氮素的影響

2.1.1 對全土全氮含量的影響

全氮是土壤肥力的重要指標之一, 在促進作物生長、保障糧食高產(chǎn)方面具有重要作用。不同農(nóng)業(yè)管理措施直接影響土壤氮素含量的消長。由圖1可以看出, 經(jīng)過15年的不同施肥處理, 土壤全氮含量由高到低的順序依次為MNPK>SNPK>M>NPK>SCK>CK。MNPK處理的土壤全氮含量最高, 達1.22 g?kg-1, 除與SNPK處理差異不顯著外, 顯著高于其他處理, 比全氮含量最低的對照(CK)高42.3%。比較NPK、MNPK和SNPK的土壤全氮含量不難看出, 在施用化肥基礎(chǔ)上實施養(yǎng)分過腹還田和秸稈粉碎直接還田均能顯著提高土壤氮素含量, MNPK處理全氮含量增加高于SNPK處理。同樣, 在不施用化肥基礎(chǔ)上, 施用豬圈肥(M)土壤全氮含量增加顯著高于秸稈還田(SCK)。這說明以80%農(nóng)產(chǎn)品飼喂豬后過腹還田實施養(yǎng)分循環(huán)再利用對于促進土壤氮素的提升能力顯著高于秸稈直接還田。

2.1.2 對各粒級土壤顆粒全氮含量的影響

土壤粒級分布直接影響土壤保肥供肥能力。15年的不同施肥處理并未顯著影響砂粒級土壤全氮含量, 與其他處理相比, 長期不施肥下秸稈還田降低了粉粒級顆粒含量而顯著提高了黏粒級顆粒含量(表1)。不同粒級土壤顆粒的礦質(zhì)組成和理化性質(zhì)有很大差異, 對養(yǎng)分的固持作用也不同, 影響著土壤氮素的分布[35-36]。如圖1所示, 無論哪種施肥處理, 不同粒級土壤氮素含量由高到低的順序均為: 黏粒級>砂粒級>粉粒級。

不同外源有機物料對各粒級土壤的影響程度不同[16]。由圖1可見, 各粒級土壤全氮含量的變化范圍為: 砂粒級0.70~2.19 g?kg-1, 粉粒級0.70~0.93 g?kg-1, 黏粒級2.99~3.58 g?kg-1。不同處理間砂粒級土壤全氮含量變幅最大, 表明添加外源有機物料對砂粒級土壤氮素影響最大。MNPK處理下土壤砂粒級全氮含量顯著高于其他處理; NPK與SNPK處理全氮含量無顯著差異, 但二者顯著高于M、SCK和CK, 分別比CK增加129.4%和132.7%, 比SCK和M增加25.7%~45.3%。外源有機物料添加對土壤粉粒級和黏粒級全氮含量影響較小。粉粒級全氮含量除MNPK處理顯著高于SCK處理外, 其他處理間無顯著差異; 黏粒級全氮含量除SNPK與CK達顯著性差異外, 其他處理間無顯著差異。

2.1.3 對各粒級土壤全氮富集因子的影響

富集因子反映了氮素在各粒級的積累與轉(zhuǎn)移情況, 可以用于解析不同粒級氮庫在土壤氮庫動態(tài)轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮的作用[16]。由表2可見, 所有處理的不同粒級土壤全氮富集因子均為黏粒級>砂粒級>粉粒級。在砂粒級中, MNPK的全氮富集因子顯著高于其他處理, CK和M顯著低于其他處理。所有處理中, 只有CK的全氮富集因子<1, 說明長期添加外源物質(zhì)促進了氮素在砂粒級土壤中的富集, 而長期不施肥導致砂粒級土壤中的氮素向外遷移。而在粉粒級中, 各處理富集因子均<1, 各處理間無顯著差異, 說明該粒級土壤中氮素是損失的, 施肥對此粒級土壤中氮素無顯著影響。黏粒級中, 各處理富集因子均>1, 其中MNPK處理的全氮富集因子最低, CK最高。

圖1 不同施肥處理下全土和各粒級土壤中的全氮含量

CK: 不施肥無有機物料還田; M: 單施豬圈肥; NPK: 單施化肥; MNPK: 化肥配施豬圈肥; SNPK: 化肥配施秸稈; SCK: 單施秸稈。不同字母表示0.05水平下差異顯著。CK: no fertilizer without organic materials; M: single application of pig manure; NPK: application of chemical fertilizers; MNPK: combined application of chemical fertilizers and pig manure; SNPK: combined application of chemical fertilizers and straw; SCK: single application of straws. Different letters indicate significant differences among different fertilization treatments for the same soil particle-size fraction at0.05.

2.2 添加外源有機物料對土壤氨基糖的影響

2.2.1 對全土氨基糖含量的影響

當外源有機物料施入土壤后, 可通過分析氨基糖含量變化來了解真菌和細菌殘留物的積累和轉(zhuǎn)化, 闡釋真菌和細菌在養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中的作用[37]。從圖2可以看出, SNPK處理的總氨基糖含量顯著高于其他處理, 其他處理之間差異不顯著。這表明施用化肥下秸稈還田更有利于土壤微生物生長。氨基葡萄糖是真菌標識物, 其含量可表征土壤真菌數(shù)量; 胞壁酸是細菌的唯一來源, 氨基半乳糖也主要來源于細菌, 其含量的高低可以反映土壤中細菌數(shù)量的多寡。SNPK處理的氨基葡萄糖和氨基半乳糖含量最高, 其他處理之間差異不顯著; 其中, 氨基葡萄糖含量顯著高于其他處理, 氨基半乳糖只顯著高于CK處理。胞壁酸含量以MNPK處理最高, 顯著高于NPK、SCK和CK處理, 與其他處理間差異不顯著。這表明當前本區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的施用化肥下秸稈還田更有利于促進真菌的生長繁殖, 在施用化肥下配施豬圈肥更有利于促進細菌的生長繁殖。

表2 不同施肥處理下各粒級土壤的全氮富集因子

Table 2 Enrichment factors of total nitrogen in different particle-size fractions of soil under different long-term fertilization treatments

CK: 不施肥無有機物料還田; M: 單施豬圈肥; NPK: 單施化肥; MNPK: 化肥配施豬圈肥; SNPK: 化肥配施秸稈; SCK: 單施秸稈。數(shù)據(jù)為3次重復的平均值加減標準誤。同行不同字母表示0.05水平下差異顯著。CK: no fertilizer without organic materials; M: single application of pig manure; NPK: application of chemical fertilizers; MNPK: combined application of chemical fertilizers and pig manure; SNPK: combined application of chemical fertilizers and straw; SCK: single application of straws. Values are means ± S.E (=3). Different letters within a column indicate significant differences at0.05.

氨基葡萄糖(Glu)和胞壁酸(Mur)的比值可以衡量微生物群落中真菌和細菌在養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中作用的相對貢獻, Glu/Mur較大說明真菌相對貢獻占優(yōu)勢, 反之則說明細菌相對貢獻占優(yōu)勢[38]。從圖3可以看出, MNPK處理的Glu/Mur比值最低, 顯著低于M、NPK和SNPK處理。說明在本研究中, 長期化肥配施豬圈肥, 土壤中細菌在養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中的相對貢獻更大。其他處理中則為真菌更占優(yōu)勢。

圖2 不同施肥處理下全土的各種氨基糖含量

CK: 不施肥無有機物料還田; M: 單施豬圈肥; NPK: 單施化肥; MNPK: 化肥配施豬圈肥; SNPK: 化肥配施秸稈; SCK: 單施秸稈。不同字母表示同一粒級不同處理下0.05水平下差異顯著。CK: no fertilizer without organic materials; M: single application of pig manure; NPK: application of chemical fertilizers; MNPK: combined application of chemical fertilizers and pig manure; SNPK: combined application of chemical fertilizers and straw; SCK: single application of straws. Different letters indicate significant differences among different fertilization treatments at0.05.

圖3 不同施肥處理下土壤氨基葡萄糖與胞壁酸的比值

CK: 不施肥無有機物料還田; M: 單施豬圈肥; NPK: 單施化肥; MNPK: 化肥配施豬圈肥; SNPK: 化肥配施秸稈; SCK: 單施秸稈。不同字母表示同一粒級不同處理下0.05水平下差異顯著。CK: no fertilizer without organic materials; M: single application of pig manure; NPK: application of chemical fertilizers; MNPK: combined application of chemical fertilizers and pig manure; SNPK: combined application of chemical fertilizers and straw; SCK: single application of straws. Different letters indicate significant differences among different fertilization treatments at0.05.

2.2.2 對各粒級土壤氨基糖含量的影響

如圖4所示, 所有處理各氨基糖含量順序均為: 黏粒級>砂粒級>粉粒級。在總氨基糖方面(圖4a), 各粒級土壤中均以SNPK處理最高。砂粒級中, 除與MNPK處理無顯著差異外, SNPK處理顯著高于其他處理, 且其他處理間差異不顯著; 粉粒級中, SNPK處理除與NPK處理無顯著差異外, 均顯著高于其他處理; 黏粒級中, SNPK、MNPK和NPK處理的總氨基糖含量顯著高于CK和SCK?？傮w來看, 在外源有機物料相同情況下, 各粒級土壤總氨基糖含量基本表現(xiàn)為不施化肥處理顯著低于施用化肥處理。在施用化肥情況下, 施用秸稈比施用豬圈肥更有利于總氨基糖含量的提高; 而在長期不施用化肥情況下, 施用豬圈肥更有利于總氨基糖的提升。這表明, 施用化肥對提升土壤微生物量有一定促進作用; 在土壤肥力中等或中等偏上農(nóng)田, 秸稈還田較施用豬圈肥更有利于提升微生物數(shù)量; 在瘠薄的土壤上施用豬圈肥較秸稈還田更有利于促進微生物生長繁殖。

在氨基葡萄糖方面(圖4b), 3種粒級土壤均表現(xiàn)為SNPK處理含量最高, CK處理最低。砂粒級中, SNPK處理顯著高于其他處理, 其他處理間差異不顯著; 粉粒級中, SNPK處理顯著高于除NPK外的其他處理, MNPK顯著高于CK和SCK處理, 與其他處理無顯著差異; 黏粒級中, SNPK和MNPK處理顯著高于CK和SCK處理, 與其他處理間無顯著性差異。

在氨基半乳糖方面(圖4c), 砂粒級中, SNPK處理顯著高于除MNPK外的其他處理, 其他各處理間差異不顯著; 粉粒級和黏粒級中, 基本表現(xiàn)為3個施用化肥處理間(SNPK、NPK、MNPK)無顯著差異, 但顯著高于3個不施化肥處理(M、SCK、CK)。

在胞壁酸方面(圖4d), 砂粒級中, MNPK處理含量最高, SCK和CK處理較低, SCK和CK顯著低于其他處理, 其他4個處理間差異不顯著; 粉粒級中, SNPK處理顯著高于除MNPK處理之外的其他處理, CK顯著低于其他處理, M、NPK、MNPK、SCK之間無顯著差異; 黏粒級中, SNPK處理最高, 顯著高于其他處理, SCK最低, 顯著低于3個施用化肥的處理(SNPK、NPK、MNPK), 與M、CK兩處理間無顯著差異。

對總氨基糖和各氨基單糖在土壤中變異性的分析表明, 在砂粒級和粉粒級中各處理間的變異系數(shù)為16.7%~27.7%; 黏粒級中, 只有胞壁酸的變異系數(shù)達到19.5%, 其他氨基糖的變異系數(shù)為6.0%~9.9%, 屬于弱變異強度。這表明較粗顆粒土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)及其數(shù)量變化對農(nóng)業(yè)措施改變的反應(yīng)較敏感, 而細粒級土壤中微生物組成與數(shù)量不易受到農(nóng)業(yè)措施改變的影響。

2.2.3 對各粒級土壤的氨基葡萄糖和胞壁酸比值的影響

圖5給出了不同處理不同粒級氨基葡萄糖和胞壁酸的比值(Glu/Mur)。從同一處理不同粒級差異來看, MNPK和M處理中3個粒級土壤的Glu/Mur差異均不顯著, 說明豬圈肥的施入有利于提高各粒級細菌的相對貢獻; SNPK和SCK處理砂粒級的Glu/Mur均為最高, 說明秸稈的添加有利于提高砂粒級中真菌的相對貢獻。從同一粒級不同處理間差異來看, 砂粒級中SCK處理的Glu/Mur顯著高于除CK外的其他處理, NPK處理顯著低于SCK和CK處理; 粉粒級中, CK、M和NPK處理顯著高于MNPK和SCK處理, SNPK處理與其他處理之間差異不顯著; 在黏粒級中, SNPK處理的Glu/Mur顯著低于其他處理, 而SCK最高?？傮w來看, 在長期不施肥或只是秸稈還田情況下, Glu/Mur比值相對較高, 表明瘠薄土壤中由于活性養(yǎng)分較低, 難降解底物比例相對較高, 導致真菌群體成為相對優(yōu)勢群體; 而施用化肥或豬圈糞肥, Glu/Mur比值相對較低, 表明相對比較肥沃的土壤中, 由于活性養(yǎng)分較多, 細菌在養(yǎng)分的分解轉(zhuǎn)化中占優(yōu)勢, 特別是在砂粒級土壤中這一趨勢尤為明顯。

圖4 不同施肥處理下各粒級土壤中各氨基糖的含量

CK: 不施肥無有機物料還田; M: 單施豬圈肥; NPK: 單施化肥; MNPK: 化肥配施豬圈肥; SNPK: 化肥配施秸稈; SCK: 單施秸稈。不同字母表示同一粒級不同處理在0.05水平下差異顯著。CK: no fertilizer without organic materials; M: single application of pig manure; NPK: application of chemical fertilizers; MNPK: combined application of chemical fertilizers and pig manure; SNPK: combined application of chemical fertilizers and straw; SCK: single application of straws. Different letters indicate significant differences among different fertilization treatments for the same soil particle-size fraction at0.05.

2.2.4 對各粒級土壤氨基糖富集因子的影響

不同處理中不同粒級土壤對各氨基糖的富集系數(shù)均為黏粒級>砂粒級>粉粒級。從總氨基糖富集因子(圖6a)來看, 砂粒級中, 各處理之間差異不顯著; 粉粒級中, MNPK處理顯著高于M、CK和SCK處理; 在黏粒級中, MNPK處理最高, SNPK處理最低, 說明施用化肥的前提下, 添加豬圈肥比添加秸稈更有利于氨基糖在黏粒級中的富集。從氨基單糖層面來看, 氨基葡萄糖和氨基半乳糖的各粒級富集因子變化情況與總氨基糖大體相同(圖6b, c)。從胞壁酸富集因子來看(圖6d), 砂粒級中NPK處理顯著高于SCK處理, 粉粒級中SNPK處理顯著高于CK, 在黏粒級中MNPK處理顯著低于SNPK處理。總體來看, 氨基糖富集因子在黏粒級和砂粒級土壤庫中均大于1, 表明氨基糖呈富集狀態(tài); 在粉粒級土壤庫中富集因子小于1, 表明在該粒級庫中氨基糖發(fā)生了損失或向其他粒級庫的遷移。

圖5 不同施肥處理下不同粒級土壤氨基葡萄糖與胞壁酸的比值

CK: 不施肥無有機物料還田; M: 單施豬圈肥; NPK: 單施化肥; MNPK: 化肥配施豬圈肥; SNPK: 化肥配施秸稈; SCK: 單施秸稈。不同小寫字母表示同一處理不同粒級間0.05水平下差異顯著; 不同大寫字母表示同一粒級不同處理間0.05水平下差異顯著。CK: no fertilizer without organic materials; M: single application of pig manure; NPK: application of chemical fertilizers; MNPK: combined application of chemical fertilizers and pig manure; SNPK: combined application of chemical fertilizers and straw; SCK: single application of straws. Different lowercase letters indicate significant differences among different soil particle-size fractions under the same fertilization treatment at0.05. Different capital letters indicate significant differences among different fertilization treatments for the same soil particle-size fraction at0.05.

3 討論

經(jīng)過長達15年的處理, 添加外源有機物料明顯提高了土壤氮素水平, 其中化肥配施豬圈肥處理效果最明顯, 王巖等[36]的研究也得出了相同的結(jié)論。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), 添加有機肥和秸稈明顯提高了砂粒級中氮素含量, 這一點與申小冉等[39]的研究結(jié)果相同。結(jié)合富集因子可以看出, 土壤氮素在砂粒級和黏粒級中易于富集, 粉粒級對于全氮的吸持能力較弱, 該粒級的土壤全氮易于轉(zhuǎn)移至其他粒級[16,40]。但是化肥配施豬圈肥處理黏粒級的全氮富集因子與其他處理相比顯著偏低。有文獻[41]報道, 與細粒級土壤顆粒結(jié)合的土壤有機質(zhì)存在“閾值”, 全土中的有機碳的增加會增加細粒級土壤有機質(zhì), 當有機碳含量接近飽和[42], 土壤中的碳會在砂粒級中儲存, 從而使砂粒級的有機碳富集因子提高[40]。同理, 由于土壤中碳氮耦合, 土壤細粒級氮庫或許也存在一個極限值, 經(jīng)過長期的化肥配施豬圈肥處理, 細粒級土壤氮庫接近飽和, 多余土壤氮素易于向粗粒級富集。所以化肥配施豬圈肥處理下砂粒級的全氮富集因子顯著高于其他處理。

在氮素的生物固持方面, 化肥配施豬圈肥處理土壤總氨基糖和氨基葡萄糖含量顯著低于化肥配施秸稈處理, 而作為細菌指示物的胞壁酸含量略高于化肥配施秸稈, 這說明該處理對土壤微生物的刺激弱于添加秸稈處理, 但對細菌的生長繁殖影響較大。這是由于豬圈肥為土壤提供了分解更徹底的養(yǎng)分, 適宜碳氮比較低的細菌生存(細菌C/N為3~5∶1), 形成了較多的微生物殘體, 這一點從該處理的Glu/Mur比值明顯低于其他處理也有體現(xiàn), 尤其在較粗粒級中。因為化肥施入土壤后, 無機氮素先被細粒級吸持, 待作物和微生物吸收利用后以生物或生物殘體以及植物殘體的形式存在于粗粒級中, 而豬圈肥中的氮伴隨土壤微生物的分解, 一部分礦化進入到小粒級當中, 未分解徹底的部分在較粗的粒級中殘留[5,36,39], 所以在較粗的粒級中細菌的相對貢獻占優(yōu)勢, 從而降低了Glu/Mur。

化肥配施秸稈處理對于土壤全氮的提升程度不及化肥配施豬圈肥, 且二者對于氮素提高的側(cè)重不同, 根據(jù)不同粒級的氮素分布以及富集因子可以看出, 化肥配施秸稈處理的氮素主要富集在黏粒級中, 而后者則富集在砂粒級中。在氨基糖方面, 化肥配施秸稈處理的總氨基糖顯著高于其他處理, 因為高碳氮比的秸稈施入土壤后, 為微生物的繁殖提供大量碳源和分解底物, 刺激了土壤微生物的生長繁殖, 活躍度提高, 產(chǎn)生大量微生物殘體, 同時施用有機肥也向土壤內(nèi)帶入大量微生物, 促進了微生物的數(shù)量和活性[43]。有研究利用DNA-SIP技術(shù)證明添加秸稈后, 土壤中以有機碳為主要底物的微生物群落大量繁殖[44], 佐證了這一點。化肥配施秸稈處理的Glu/Mur高于化肥配施豬圈肥處理, 因為在秸稈初始降解時, 微生物群落中細菌占主導, 隨著降解程度加深, 殘留秸稈多為較難分解的纖維素木質(zhì)素等物質(zhì), 此時可以利用菌絲從低有效性的底物內(nèi)獲得養(yǎng)分以及利用分泌胞外酶分解難以被細菌利用的物質(zhì)來獲得養(yǎng)分的真菌逐漸占據(jù)主導地位[37,43,45]。此外由于秸稈的添加促進了K生存策略的微生物增殖, 而K生存策略的微生物主要是同樣碳氮比較高的真菌(真菌C/N為10~15∶1), 所以留下的真菌殘留物最多[37,45]。

對比單施有機物料處理發(fā)現(xiàn), 添加豬圈肥對土壤氮素的提升能力顯著高于添加秸稈, 這與二者配施化肥處理的結(jié)果相似, 但由于缺少了化肥的養(yǎng)分補充, 使得兩種有機物料在提升土壤氮素的效果上差異顯著。在氨基糖方面, 單施秸稈處理的各種氨基糖含量均低于化肥配施秸稈處理, 尤其是在真菌殘留物方面, 且同時略低于單施豬圈肥處理。這是因為雖然秸稈的施入為土壤微生物提供了大量碳源, 但由于氮源缺乏, 微生物生長受限, 氨基糖合成減弱[41]。而該處理砂粒級的Glu/Mur比值極高, 這正是由于碳氮比抑制, 細菌生長更受限所致。因此, 適宜的有機無機肥料配施是極其必要的。

圖6 不同施肥處理下不同粒級土壤總氨基糖(a)、氨基葡萄糖(b)、氨基半乳糖(c)和胞壁酸(d)的富集因子

CK: 不施肥無有機物料還田; M: 單施豬圈肥; NPK: 單施化肥; MNPK: 化肥配施豬圈肥; SNPK: 化肥配施秸稈; SCK: 單施秸稈。不同字母表示同一粒級不同處理間0.05水平下差異顯著。CK: no fertilizer without organic materials; M: single application of pig manure; NPK: application of chemical fertilizers; MNPK: combined application of chemical fertilizers and pig manure; SNPK: combined application of chemical fertilizers and straw; SCK: single application of straws. Different letters indicate significant differences among different fertilization treatments for the same soil particle-size fraction at0.05.

在長期無肥處理中, 土壤全氮主要集中在黏粒級中, 這符合黏粒級在土壤中作為氮素“匯”的角色功能。申小冉等[39]認為: 無肥處理的黏粒級氮庫分配比例顯著高于其他處理, 說明外源有機物料的輸入首先補充了粗粒級土壤氮庫, 降低了黏粒級氮庫在土壤氮庫中的比例。另外由于長期缺乏肥料輸入, 土壤中原本的碳氮等養(yǎng)分在多次作物生長周期后已經(jīng)“彈盡糧絕”, 土壤微生物可利用的碳和氮有限,活性較弱[46], 相比之下真菌占據(jù)主導地位, 所以Glu/Mur值升高。

4 結(jié)論

在華北平原, 經(jīng)過15年的不同肥料管理模式后, 添加外源有機物料(秸稈、豬圈肥)對土壤全氮含量均有所提升, 其中在添加化肥的基礎(chǔ)上配施豬圈肥的管理模式對土壤氮素的提升效果最明顯, 較對照處理提高了42.3%。另外, 在不同粒級的土壤之間, 外源有機物料的添加首先影響到砂粒級土壤的氮素分布水平, 粒級間土壤氮素含量順序為黏粒級>砂粒級>粉粒級。在不同的農(nóng)業(yè)管理措施之間, 化肥配施豬圈肥處理提高土壤氮素效果要優(yōu)于化肥配施秸稈處理, 且前者對砂粒級土壤影響最大, 而后者對黏粒級土壤影響最大。

在對于土壤微生物的影響方面, 通過檢測經(jīng)過長期不同施肥處理后土壤氨基糖的變化, 我們發(fā)現(xiàn)添加秸稈到土壤中主要提高了真菌來源的氨基葡萄糖含量, 而添加豬圈肥主要提高了土壤中細菌來源的胞壁酸含量, 說明添加有機物料的類型確實影響土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)。土壤氨基糖的粒級含量順序規(guī)律與全氮相同, 并主要向黏粒級土壤和砂粒級土壤富集, 而在粉粒級土壤中發(fā)生了損失或向其他粒級庫的遷移的現(xiàn)象。綜上所述, 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中, 長期秸稈還田措施下實施有機糞肥部分替代化肥不僅可以減少化肥用量, 還可提升土壤養(yǎng)分含量和微生物多樣性, 改善土壤質(zhì)量。

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Effect of long-term addition of organic substances on soil nitrogen and amino sugars in particle-size fractions in the North China Plain*

LI Jundi1,2, ZHANG Yuming2**, ZHAO Baohua1**, HU Chunsheng2, HE Hongbo3, DONG Wenxu2, WANG Yuying2, LI Xiaoxin2

(1. College of Life Sciences, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050024, China; 2. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences / Key Laboratory ofAgricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences / Hebei Key Laboratory of Soil Ecology, Shijiazhuang 050022, China; 3. Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

The North China Plain (NCP) is one of the main grain production bases in China. In pursuance of high yield, excessive application of chemical fertilizers has been becoming increasingly common and problematic, especially in terms of soil quality degradation. A long-term experiment on soil organic nutrient recycling was conducted at Luancheng Agroecosystem Experimental Station, Chinese Academy of Sciences in this study. The aim was to evaluate the effects of different exogenous organic materials application on the distribution of nitrogen and amino sugar in different soil particle-size fractions and to provide the basis for explaining the soil physical and biological protection mechanisms of nitrogen under different management practices. The experiment had six treatments in triplicates — no chemical fertilizer without organic materials (CK), single application of pig manure (M), application of chemical fertilizers (NPK), combined application of chemical fertilizers and pig manure (MNPK), combined application of chemical fertilizers and straw (SNPK) and single application of straws (SCK). Three particle-size fractions (sand: 2 000–53 μm, silt: 53–2 μm and clay: < 2 μm) were separated through ultrasonic dispersion and centrifugal separation. Total nitrogen and amino sugars (glucosamine, muramic acid and amino galactose) were analyzed within these fractions and in the bulk soil. Based on the stability and heterogeneity of three soil amino sugars, we used amino sugar as index for fungal/bacterial residue accumulation and transformation to explain the role of fungi/bacteria in nutrient conversion. The results indicated that the addition of organic materials (straw and pig manure) significantly increased contents of total nitrogen and amino sugars in bulk soil and different particle-size fractions with order of clay fraction > sand fraction > silt fraction. The effect of adding exogenous organic substances on soil nitrogen content was most obvious in sand fraction. Soil nitrogen in MNPK treatment was enriched mainly in sand fraction, and nitrogen in SNPK was most enriched in clay fraction. Straw addition increased soil content of glucosamine from fungal residue, pig manure application increased content of muramic acid from bacteria residue, indicating obvious effect of exogenous organic substances on community structure of soil microorganisms. The ratios of glucosamine/muramic of soil particle-size fractions showed that bacteria dominated under pig manure application, and fungi dominated under CK or straw addition in nutrient decomposition and transformation, which was most obvious in sand fraction. In summary, partial replacement of chemical fertilizers with organic manure not only reduced chemical fertilizer use, but also increased soil nutrient content, improved microbial community structure and soil quality.

Organic fertilizers; Particle-size soil; Nitrogen; Amino sugar; Soil microorganisms

ZHANG Yuming, E-mail:ymzhang@sjziam.ac.cn; ZHAO Baohua, E-mail: zhaobaohua@hebtu.edu.cn

Jan. 30, 2019;

Feb. 25, 2019

10.13930/j.cnki.cjea.190084

S153; S154.36

A

2096-6237(2019)04-0507-12

張玉銘, 主要研究方向為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)與平衡及其環(huán)境效應(yīng), E-mail: ymzhang@sjziam.ac.cn; 趙寶華, 主要從事微生物技術(shù)及應(yīng)用研究, E-mail: zhaobaohua@hebtu.edu.cn

李俊娣, 主要研究方向為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮素物理保護機制及生物保護機制。E-mail: jundili@163.com

2019-01-30

2019-02-25

* This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0200307, 2016YFD0300808) and the National Natural Science Foundation of China (41571291).

* 國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0200307, 2016YFD0300808)和國家自然科學基金項目(41571291)資助

李俊娣, 張玉銘, 趙寶華, 胡春勝, 何紅波, 董文旭, 王玉英, 李曉欣. 長期添加外源有機物料對華北平原不同粒級土壤氮素和氨基糖的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報(中英文), 2019, 27(4): 507-518

LI J D, ZHANG Y M, ZHAO B H, HU C S, HE H B, DONG W X, WANG Y Y, LI X X. Effect of long-term addition of organic substances on soil nitrogen and amino sugars in particle-size fractions in the North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(4): 507-518