公華銳,李 靜,*,馬軍花,侯瑞星,張旭博,歐陽竹

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室,北京 1001012 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

2016年,我國農(nóng)作物種植面積到達(dá)1.6億hm2,糧食產(chǎn)量達(dá)到61623.9萬t[1]。伴隨著作物產(chǎn)量的提高,農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量大幅提高[2],據(jù)統(tǒng)計,2015年我國主要農(nóng)作物秸稈理論資源量為10.4億t,秸稈綜合利用效率達(dá)到80.1%[3]；在我國“十三五”規(guī)劃期間,計劃將秸稈綜合利用效率提高到85%以上。目前秸稈利用的方式也由原來的以飼料化為主轉(zhuǎn)型為以肥料化為主,秸稈還田在土壤中的腐解過程會對土壤酶活性、土壤微生物群落產(chǎn)生的一定的影響[4]。微生物肥料是以活性微生物為主體,并通過微生物的生命活動及其產(chǎn)物對作物生長產(chǎn)生影響[5],在秸稈還田的基礎(chǔ)上配施微生物肥料,在保證土壤肥力的同時促進(jìn)秸稈腐熟,且在短期內(nèi)對土壤微生物群落以及土壤理化性質(zhì)的影響顯著。土壤微生物作為土壤質(zhì)量變化最敏感的指標(biāo)[6],能直接反應(yīng)土壤的健康情況,因此,研究秸稈還田配施微生物肥料下對冬小麥土壤微生物群落功能以及水氮條件的變化,對冬小麥-夏玉米體系下提高秸稈還田的利用效率,降低化肥施用比例,保持土壤的可持續(xù)耕作具有重要意義。大量研究[7- 9]已經(jīng)證實相對于化肥,秸稈還田增加了土壤中有機質(zhì)含量以及酶活性等。Zhao等[10]基于冬小麥-夏玉米輪作體系上的長期試驗結(jié)果得出,相對于秸稈不還田,秸稈還田增加了總磷脂脂肪酸(PLFA)含量,提高了細(xì)菌與真菌的豐度,且還田量越高,對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響越顯著；李曉莎等[11]認(rèn)為秸稈還田在深松的耕作模式下土壤微生物活性顯著高于常規(guī)耕作模式；甄麗莎等[12]以秸稈還田配施肥為研究對象,結(jié)果得出在秸稈還田配施有機肥相對于施用化肥,沒有提高土壤酶活性以及土壤可利用養(yǎng)分的含量。同時,傳統(tǒng)的秸稈還田無論配施化肥還是有機肥,均是利用土壤本身的微生物進(jìn)行分解,且分解速率較慢；目前外源微生物菌劑在秸稈還田的促腐環(huán)節(jié)中得到越來越廣泛的運用[13],在加速秸稈腐解的同時,也能在短時間內(nèi)迅速調(diào)節(jié)土壤微生物結(jié)構(gòu)及土壤酶活性,改善土壤理化性質(zhì)。Liebich等[14]試驗結(jié)果表明,不同菌群施用到玉米秸稈后,對土壤有機質(zhì)組分影響不顯著,但能夠促進(jìn)秸稈腐解的菌群,對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響顯著,且同樣影響了土壤本身的功能；錢海燕等[15]的研究中表明秸稈還田配施微生物菌劑對轉(zhuǎn)化酶活性、真菌、纖維素分解菌的增長效果顯著,配施化肥對細(xì)菌、放線菌以及脲酶、過氧化氫酶活性的增長效果顯著。綜上,前人的研究多集中在秸稈還田配施不同肥料對土壤理化性質(zhì)或微生物群落的單方面影響,本文基于微生物群落中較高的多樣性會促進(jìn)土壤肥力提升的假設(shè)進(jìn)行試驗設(shè)計,從土壤肥力與土壤微生物生態(tài)兩方面進(jìn)行試驗設(shè)計,一方面通過小麥生長過程中水氮條件的變化反應(yīng)土壤地力的變化情況,另一方面通過土壤PLFA指紋特征反應(yīng)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化,并結(jié)合數(shù)學(xué)統(tǒng)計法分析兩者之間的作用關(guān)系。旨在探討秸稈還田配施微生物肥料對包括土壤基本理化條件和水氮條件的無機環(huán)境,以及包括有機碳氮、土壤酶活性、土壤微生物群落在內(nèi)的有機環(huán)境的影響,為合理的秸稈還田方式與土壤可持續(xù)利用提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與試驗設(shè)計

試驗于2016年10月—2017年6月在中國科學(xué)院禹城綜合試驗站(116°36′E,36°57′N)進(jìn)行。該區(qū)位于黃淮海平原,屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū),年均氣溫13.1℃,年均降水量593.2 mm,其中夏季降水占全年降水68%,冬春季占15%左右,無霜期220 d。供試土壤為潮土,供試耕層土壤pH 8.0,容重1.46 g/cm3,有機質(zhì)含量1.5%,全氮0.64 g/kg,全磷0.84 g/kg,全鉀19.99 g/kg。圖1為2016—2017年冬小麥生長季降雨量及溫度狀況。

圖1 冬小麥生長季的降雨和平均氣溫Fig.1 Daily precipitation and average temperature during the winter wheat growing season

本試驗在玉米秸稈7.5 t/hm2全量還田的基礎(chǔ)上,采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計,設(shè)化肥常規(guī)用量(TF),30%減量化肥+普通有機肥(TM),30%減量化肥+微生物有機肥(TE),30%減量化肥+金水酵素微生物菌劑(TJ),30%減量化肥+微生物有機肥+金水酵素微生物菌劑(TEJ),共5個處理,3次重復(fù),共15個小區(qū)；試驗小區(qū)面積為25 m2(5 m×5 m),間距為50 cm。試驗區(qū)選取前期10年以上冬小麥-夏玉米典型輪作農(nóng)田為試驗小區(qū),兩季秸稈還田,施肥制度與本研究正常化肥施用(TF)一致。冬小麥種植前,通過收割機直接收獲玉米,同時將玉米秸稈粉碎,待秸稈曬干后采用常規(guī)旋耕還田,耕作深度為10—15 cm。

供試普通有機肥為動物糞便與植物秸稈發(fā)酵而成,其中碳氮含量分別為13.25%和1.78%；供試微生物有機肥與金水酵素,均由天津ETS生物技術(shù)有限公司提供,核心菌群為ETS菌群,其中60%為厭氧菌,40%為好氧菌。金水酵素微生物菌劑屬于液態(tài)微生物農(nóng)用發(fā)酵腐熟劑。

供試小麥品種為濟麥22,于2016年10月18日種植,2017年6月16日收獲。正常施肥使用N-P2O-K2O的復(fù)合肥,用量以氮素(N)為225 kg/hm2計算,按5∶5分基肥和拔節(jié)期追施。微生物有機肥用量按照1.78%的含氮量,根據(jù)30%化肥N用量計算,約為3 t/hm2,作為基肥底施。金水酵素用量為30 L/hm2,按照1∶150比例加水稀釋,在小麥播種前噴灑在土壤表層。微生物有機肥與金水酵素均在使用化肥與灌溉前使用。

1.2 樣品采集與測定

土壤微生物生物量脂肪酸標(biāo)記[17]如表1所示,委托中國科學(xué)院華南植物園PLFA分析測試實驗室測定。

表1 微生物生物量脂肪酸標(biāo)記

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)處理和分析均在Excel 2016、SPSS 23.0以及Canoco 4.5軟件中進(jìn)行。采用單因素方差分析進(jìn)行方差分析；采用LSD法檢驗處理間P<0.05水平的差異顯著性；采用主成分分析(PCA)檢驗不同處理間PLFA標(biāo)記結(jié)構(gòu)的差異性；采用冗余分析(RDA)來評估土壤理化環(huán)境、有機碳氮含量、土壤酶活性與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系；采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)分析土壤酶活性與土壤微生物群落之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤環(huán)境的變化

相對于化肥常規(guī)TF處理,施用普通有機肥及微生物有機肥pH提高了0.9%—3.5%(表2)。耕層內(nèi)速效P含量以TM處理最高(26.8 mg/kg),相較于TF處理提高了17.5%,而處理TJ顯著低于(16.7 mg/kg,P<0.05)其他處理相對TF下降了26.7%。此外,EC值以TM最低(0.21 ds/m),但處理間無顯著差異；耕層內(nèi)土壤溫度處理間無顯著差異；TOC含量以TF最高為0.89%。

表2 不同處理下的土壤理化性質(zhì)

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n≥3),同一列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異達(dá)5%顯著水平; TF：單施化肥 Chemical fertilizer；TM：70%化肥+普通有機肥 70% chemical fertilizer plus organic fertilizer；TE：70%化肥+微生物有機肥 70% chemical fertilizer plus microbial organic fertilizer；TJ：70%化肥+微生物促腐菌劑 70% chemical fertilizer plus microbial decomposition agent；TEJ：70%化肥+微生物有機肥+微生物促腐菌劑,70% chemical fertilizer plus miacrobial organic fertilizer and microbial decomposition agent

2.2 土壤含水量變化

圖2 不同處理下耕層土壤含水量變化Fig.2 Topsoil moisture under different treatments

小麥返青后的營養(yǎng)生長期間,處理間土壤含水量的差異不顯著(圖2)。在小麥開花期直到成熟收獲,處理TEJ土壤含水量均為各處理的最低值(9.4%—17.6%)；在開花期TEJ與TM均低于TF的土壤含水量,以TE最高,高于TF處理13.3%；在小麥完熟期,土壤含水量仍以TE處理最高(20.5%),且顯著高于(P<0.05)其他處理,其余處理間無顯著差異。

2.3 土壤無機氮素含量變化

圖3 不同處理下耕層土壤與含量變化Fig.3 Content of and under different treatments

2.4 土壤有機碳氮

處理間耕層MBC含量大小排序為TF>TM>TE>TJ>TEJ(圖4)；其中TF處理顯著高于(532.5 mg/kg,P<0.05)其他處理；MBN含量TEJ最低(25.9 mg/kg),低于其他處理38.0%—47.7%。耕層DOC含量以TE處理最高(115.1 mg/kg),高于TF處理58.8%,而TEJ耕層DOC含量低于TF處理33.7%；且處理間耕層DON含量無顯著差異。

圖4 不同處理對土壤有機碳氮含量的影響Fig.4 Effects of microbial fertilizers on organic carbon and nitrogen concentrationMBC：微生物碳 Microbial carbon；DOC：可溶性碳 Dissolved carbon；MBN：微生物氮 Microbial nitrogen；DON：可溶性氮 Dissolved nitrogen

2.5 土壤酶活性

耕層土壤中水解酶(βG、CBH)活性主要是在纖維素降解過程中發(fā)揮作用,并參與土壤碳的循環(huán)[18]；不同處理下耕層βG、CBH活性變化趨勢一致(圖5),且極顯著相關(guān)(R=0.90,P<0.01),其大小排序均為TEJ>TM>TF>TE>TJ,TEJ處理βG、CBH活性分別高于TF處理29.4%、30.2%；磷酸酶反應(yīng)了土壤中磷素的活化程度,而蛋白酶LAP主要參與土壤中氮素循環(huán)；磷酸酶AP活性以處理TJ最高(748.6 mmol g-1h-1),TF(659.7 mmol g-1h-1)最低,且TF與其他處理間無顯著差異。耕層中LAP活性TM最低(259.5 mmol g-1h-1),低于其他處理5.1%—23.5%,其余處理間無顯著差異。

2.6 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化

不同處理的土壤微生物PLFA特征中(圖6),各處理均以細(xì)菌為主,所占有效脂肪酸比例為74.8%—82.9%；其次為真菌與放線菌。各處理PLFA總量TE最高(4733.1 ng/g),顯著高于(P<0.05)TF與TEJ處理。細(xì)菌總量以TE最高,與TM、TJ均顯著高于TEJ與TF；細(xì)菌中GP/GN比例,TF與TEJ處理為1.55/1.60,均高于其他三個處理(1.19—1.29)；不同處理對真菌含量的影響與其對細(xì)菌的影響相近,大小排序均為TE>TM>TJ>TEJ>TF；細(xì)菌/真菌比例TE、TM、TJ三個處理相近(6.2—6.9),TF為各處理中最高,達(dá)到10.8。ACT含量在總量中所占比例高于AMF,且受不同處理的影響與細(xì)菌、真菌相似。此外,TF處理的AMF含量顯著低于TEJ處理,僅為34.6 ng/g,低于含量較高的TE、TM與TJ處理81.5%—86.7%。

圖6 不同處理下土壤微生物PLFA含量Fig.6 Content of soil microbial PLFAs under different treatmentsGP:革蘭氏陽性細(xì)菌 Gram-positive bacteria；GN:革蘭氏陰性細(xì)菌 Gram-negative bacteria；F：真菌 Fungi；B：細(xì)菌 Bacteria；AMF:叢枝菌根真菌 Arbuscular mycorrhizae fungi；ACT:放線菌 Actinomycetes

通過PCA分析表明(圖7),TM、TE、TJ土壤微生物相似,而TEJ、TF的微生物群落結(jié)構(gòu)變化較大。相較施用傳統(tǒng)化肥的TF處理,TM、TE、TJ三個處理提高了GN(17:1ω8c,18:1ω5c,18:1ω7c)的多度值,而降低了GP(i17:0)與真菌(18:2ω6c)的多度值；而TEJ處理,相對于TF提高了真菌(18:2ω6c)的多度值。

圖7 不同處理下土壤微生物群落PLFA的主成分分析Fig.7 PCA of PLFAs of soil microbial communities under different treatments

2.7 相關(guān)關(guān)系

施用不同微生物肥料各處理下的土壤微生物與土壤有機環(huán)境的RDA排序分析表明(圖8),第一主軸解釋了66.9%的兩者之間的關(guān)系,蒙特卡羅檢驗結(jié)果顯示,所有排序軸對應(yīng)的環(huán)境變量對于響應(yīng)變量的解釋貢獻(xiàn)均達(dá)到統(tǒng)計學(xué)上的顯著水平。土壤有機碳氮中DOC、MBN、DON與微生物群落相近,表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系；TOC距離較遠(yuǎn),表現(xiàn)為正相關(guān),但并無顯著關(guān)系；MBC與微生物群落表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。土壤酶中水解酶βG、CBH與微生物群落相近,表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)性βG>CBH；而AP與GP、GN、細(xì)菌以及ACT呈正相關(guān)關(guān)系,與真菌與AMF呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。5個處理中TM、TE兩者較為接近,均與第一主軸表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)；而TF、TEJ與第一主軸表現(xiàn)出了正相關(guān)。

圖8 土壤有機環(huán)境因子及酶活性與土壤微生物群落的冗余分析Fig.8 RDA of soil microbial communities data,organic environmental variables of soil and soil enzyme activities data

圖9 土壤理化環(huán)境因子與土壤微生物群落的冗余分析Fig.9 RDA of soil microbial communities data and soil physicochemical environmental variables

3 討論

3.1 秸稈還田及施肥組合對土壤水氮變化的影響

水肥是作物生長最重要的兩個限制因子,直接影響作物生長中的干物質(zhì)的積累與產(chǎn)量的形成[19- 21]。本研究中,在小麥開花期到成熟期TE處理的土壤含水率顯著(P<0.05)高于其他處理,并以TEJ處理最低；在以往的研究[22-23]中,已經(jīng)證實秸稈還田能通過改善土壤結(jié)構(gòu)來減少水分蒸發(fā),提高含水量；Cong等[24]研究認(rèn)為,使用微生物有機肥相對于普通有機肥提高了土壤微團(tuán)粒結(jié)構(gòu),提高了土壤有機碳含量；因此微生物有機肥通過增加土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高土壤的保水能力。長期秸稈還田相較于常規(guī)施肥處理無機氮素下降趨勢明顯,需要配施化肥補充氮素[25]；本研究在秸稈還田的基礎(chǔ)上施用化肥,返青期、拔節(jié)期,土壤無機氮素的含量均高于其他施用有機肥的處理；而在小麥生殖生長時期,TM處理的無機氮素含量較高,且施用微生物肥料并沒有提高土壤中的無機氮素含量。長期試驗中,有機肥能有保持土壤養(yǎng)分[26]；榮勤雷等[27]認(rèn)為具有促腐功能的生物肥料對土壤速效養(yǎng)分的提升效果低于普通有機肥,且微生物菌劑的介入具有活化土壤氮素,提高氮素循環(huán)關(guān)鍵菌群豐度的作用[28]；本研究中,使用微生物有機肥并未提高土壤有機碳以及MBC的含量,但提高了土壤MBN與DON的含量,這與上述觀點一致。

3.2 秸稈還田及施肥組合對土壤酶活性及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

土壤酶活性以及微生物群落結(jié)構(gòu)是評價土壤肥力的重要指標(biāo)之一,秸稈還田后的土壤環(huán)境變化較大,對土壤酶活性以及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響同樣顯著[8,11]。βG、CBH等水解酶是土壤中碳素轉(zhuǎn)化循環(huán)的重要參與者,與可溶性碳以及腐殖質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系[29- 30],本研究中TM、TE處理顯著提高了土壤βG、CBH活性,同時兩處理下DOC含量高于其他處理,與上述研究結(jié)果一致。AP與LAP活性處理間無顯著差異；在榮勤雷等[27]研究中,同樣發(fā)現(xiàn)有機肥與化肥未對土壤磷酸酶的影響存在差異；Cenini等[31]研究結(jié)果得出土壤LAP活性與MBN以及有機氮素含量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,但本研究中處理間與MBN與DON存在顯著差異,仍需進(jìn)一步探討參與氮素循環(huán)的酶活性與土壤中氮素含量的關(guān)系。

同時,本研究中相比化肥,施用有機肥增加PLFA的總數(shù)量以及細(xì)菌與真菌數(shù)量,提高了微生物多樣性指數(shù)。Zhang等[32]的研究中得出,秸稈還田改變了土壤微生物菌落結(jié)構(gòu),提高了細(xì)菌的豐度,且在PCA分析中,認(rèn)為真菌的負(fù)載量(18:2ω6,9c)最高,本研究中真菌(18:2ω6C)在PCA分析中在第一主軸上同樣有較高的多度值,但細(xì)菌的多度值高于真菌,這與上述研究不符。本研究中并未對細(xì)菌的種群進(jìn)行探討,但在細(xì)菌PLFA總量上,施用微生物有機肥的處理下最高,這與上述觀點基本相符。此外,本研究中施用有機肥相較施用化肥,降低了GP/GN比；GP菌群相對于GN更能適應(yīng)養(yǎng)分脅迫環(huán)境[33],GP/GN比的下降也在一方面反應(yīng)了秸稈還田配施有機肥處理下,土壤養(yǎng)分環(huán)境更優(yōu)化。

此外,本研究中微生物有機肥與金水酵素的組合使用,與單獨使用相比,顯著降低了土壤βG、CBH活性,顯著減少了土壤中PLFA總量與細(xì)菌PLFA數(shù)量,同時該處理下土壤有機碳氮的含量也較低,可以認(rèn)為是土壤環(huán)境因子的變化進(jìn)而影響了土壤酶活性及微生物菌群。有報道[32]認(rèn)為氨氧化細(xì)菌在有機環(huán)境中富集時加劇了土壤氮素的流失,從而影響了土壤微生物的生存環(huán)境；但具體對于ETS菌群的研究尚屬空白,仍需進(jìn)一步探討。

3.3 土壤微生物群落、土壤酶活性與土壤環(huán)境因子的關(guān)系

土壤酶與微生物共同作用參與土壤中C、N的流動與循環(huán),在本研究中,βG、CBH活性與土壤微生物群落表現(xiàn)出了顯著相關(guān)性,而LAP與真菌表現(xiàn)出了負(fù)相關(guān)；βG、CBH降解纖維素而產(chǎn)生的糖類是土壤微生物的主要能量來源,因此兩者關(guān)系密切；也有研究[29]認(rèn)為LAP作為參與氮素循環(huán)的酶與微生物群落數(shù)量也存在正相關(guān)關(guān)系；這與本研究不符,由于特定的氮酶種類復(fù)雜,LAP并不能完全反應(yīng)土壤氮酶活性的變化,仍需通過氨基葡萄糖苷酶(NAG)等繼續(xù)探討。土壤中TOC對微生物群落具有顯著影響,能夠為土壤微生物提供充足的碳源[34-35],這與本研究中RDA分析所呈現(xiàn)的結(jié)果一致；但在一些研究[36]中,認(rèn)為土壤MBC與土壤微生物群落也存在著正相關(guān)關(guān)系,而本研究中,相比MBC對土壤微生物的影響,MBN與DON對土壤微生物群落的影響更顯著；主要是由于MBC與其他環(huán)境因子存在多重共線性,受外源環(huán)境影響變動較大,并且也沒有與碳素循環(huán)中的土壤酶活性表現(xiàn)出相關(guān)性。土壤中理化環(huán)境因子中,土壤含水量與土壤微生物群落存在著正相關(guān),這與前人研究[37]一致；同時,相比硝態(tài)氮,銨態(tài)氮與土壤微生物群落的相關(guān)程度更高,Giagnoni等[38]研究得出,不同的氮源形態(tài)對玉米根際微生物群落組成影響顯著,馬宗斌等[39]認(rèn)為不同作物基因型的差異,也會導(dǎo)致土壤微生物對氮素形態(tài)的響應(yīng)差異。

4 結(jié)論