胡 坤, 張紅雪, 郭力銘, 吳鳳英, 周碧青, 邢世和, 毛艷玲

(1.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 福州 350002; 2.土壤生態(tài)系統(tǒng)健康與調(diào)控福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福州 350002;3.自然生物資源保育利用福建省高校工程研究中心 福州 350002)

薏苡(Coix lacryma-jobiL.)是一年生或多年生禾本科C4植物, 廣泛種植于我國(guó)南部省份, 其各種營(yíng)養(yǎng)成分十分豐富, 可藥食兩用, 具有利水、健脾、除痹、清熱排膿的功效, 被譽(yù)為禾本科植物之王[1]。近年來(lái),由于長(zhǎng)期連作、化肥使用不合理等, 導(dǎo)致土壤性質(zhì)退化嚴(yán)重、養(yǎng)分供應(yīng)不平衡、土壤肥力和生產(chǎn)力下降, 嚴(yán)重影響了優(yōu)質(zhì)薏米生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展[2]。因此,薏苡種植土壤改良十分必要。目前, 常用的改良方法有使用化學(xué)改良劑、種植綠肥、增施有機(jī)肥等,但其存在改良時(shí)間長(zhǎng), 可能造成二次污染等問(wèn)題[3]。因此尋找一種價(jià)格低廉且效果顯著的綠色改良材料至關(guān)重要。大量研究表明, 生物炭在農(nóng)業(yè)土壤改良中的效果良好[3-4]。

生物炭是農(nóng)林廢棄物生物質(zhì)材料(秸稈、雜草、糞便等)在無(wú)氧或缺氧條件下通過(guò)高溫裂解得到的一種富碳固體產(chǎn)物, 其含碳量極高, 施入土壤中能提高土壤中有機(jī)質(zhì)含量, 進(jìn)而提升肥力, 并且由于其本身多孔隙的結(jié)構(gòu)和巨大比表面積可為微生物提供適宜生活環(huán)境, 提高土壤酶活性和微生物量[5-6]。但是生物炭主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)廢棄物, 其本身養(yǎng)分有限, 單獨(dú)施用并不能滿足作物生長(zhǎng)的需要[7], 生物炭基肥是以生物炭為載體, 定向添加其他類型氮磷鉀肥料制備而成, 可以彌補(bǔ)生物炭速效養(yǎng)分不足、消耗量大等問(wèn)題[8]。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)生物炭基肥能夠增加土壤有機(jī)碳含量, 改善土壤理化性質(zhì), 提升土壤酶活性及微生物群落和功能多樣性。高夢(mèng)雨等[9]研究了施用炭基肥和生物炭對(duì)棕壤有機(jī)碳組分的影響, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)施用多年炭基肥和生物炭能顯著提高土壤總有機(jī)碳及各組分含量, 提升效果顯著優(yōu)于投入等量碳素或等量氮磷鉀養(yǎng)分。常棟等[10]通過(guò)對(duì)植煙地土壤添加炭基肥發(fā)現(xiàn), 炭基肥增強(qiáng)土壤微生物對(duì)碳源的利用程度, 對(duì)土壤脲酶、蔗糖酶和多酚氧化酶活性具有一定的提升作用。Ibrahim等[11]研究發(fā)現(xiàn), 施用煙稈炭基肥, 能顯著增加土壤氮循環(huán)酶活性和土壤細(xì)菌分類群(變形菌、放線菌等)豐度, 改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等。

土壤有機(jī)碳(SOC)是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo),在調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì), 改善土壤生態(tài)環(huán)境, 影響作物產(chǎn)量等方面具有重要作用[12]。土壤有機(jī)碳可進(jìn)一步分為活性有機(jī)碳和惰性有機(jī)碳, 活性有機(jī)碳組分在土壤中易礦化分解, 轉(zhuǎn)化、循環(huán)周期短, 能更敏感地反映土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化, 直接反映當(dāng)前土壤肥力狀況。因此土壤有機(jī)碳及活性碳組分作為土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo), 其含量變化可有效表征生物炭基肥對(duì)土壤改良的效果[13-14]。福建省煙草(Nicotiana tabacumL.)種植量大, 秸稈資源豐富, 煙稈作為一種農(nóng)業(yè)廢棄物, 其本身含碳量高, 占比達(dá)40%, 成本低,污染小, 開(kāi)發(fā)成生物炭的潛力很大[15]。利用煙稈制備煙稈炭基肥, 進(jìn)行煙稈炭基肥對(duì)薏苡種植土壤改良效果的研究不僅對(duì)薏苡土壤養(yǎng)分調(diào)控、科學(xué)種植意義重大, 而且可實(shí)現(xiàn)對(duì)煙稈的高效處理和資源化利用。目前, 將煙草秸稈作為制備生物炭基肥原料的研究較少, 盡管生物炭基肥改良土壤的效果已在多種作物上證實(shí), 但缺乏生物炭基肥在薏苡上的應(yīng)用研究, 因此本研究以福建省浦城縣薏苡種植土壤為研究對(duì)象, 施用煙稈炭基肥, 通過(guò)研究土壤有機(jī)碳組分、酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)、豐度變化特征, 以期為薏苡土壤改良和煙稈廢棄物資源化利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于福建省南平市浦城縣(27°48′33.76″N,118°32′58.41″E), 海拔249 m, 屬典型中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)。年平均氣溫17.4 ℃, 年降雨量1700 mm左右, 年日照時(shí)數(shù)1900 h, 全年無(wú)霜期254 d, 四季分明, 雨熱同期, 土壤類型為黃紅壤。

1.2 試驗(yàn)材料

土壤: 試驗(yàn)前采集農(nóng)田表層土壤(0～20 cm), 風(fēng)干, 研磨, 分別過(guò)1 mm和0.149 mm篩, 用于分析土壤pH、全碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀等化學(xué)性質(zhì), 結(jié)果如表1所示。

表1 供試材料基本化學(xué)性質(zhì)Table 1 Basic chemical properties of the test materials

化肥: 尿素(N46%)、過(guò)磷酸鈣(P2O512%)、氯化鉀(K2O 50%), 購(gòu)自市場(chǎng)。

煙稈炭基肥: 選用福建省三明市尤溪縣的‘翠碧一號(hào)’烤煙, 經(jīng)烘干、粉碎后, 通過(guò)便攜式生物炭化機(jī)(淮安華電環(huán)保機(jī)械制造有限公司), 在高溫(500 ℃)無(wú)氧環(huán)境下裂解2 h, 制得煙稈生物炭, 其基本化學(xué)性質(zhì)如表1所示。煙稈炭基肥由生物炭、尿素、過(guò)磷酸鈣和氯化鉀按照質(zhì)量比20∶15∶39∶26經(jīng)平磨式擠壓造粒機(jī)混合制成, 各養(yǎng)分比例為N∶P2O5∶K2O=4.6∶7.2∶5。

薏苡: 供試品種為‘浦薏6號(hào)’, 由浦城縣農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所選育, 其品性優(yōu)良, 種性穩(wěn)定, 純度較高, 適于試驗(yàn)研究。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)施肥處理方式: 1) CK: 空白對(duì)照,不施肥; 2) F: 常規(guī)施化肥, 尿素100 kg?hm?2、過(guò)磷酸鈣600 kg?hm?2、氯化鉀100 kg?hm?2; 3) LBF: 施低量煙稈炭基肥, 生物炭基肥施用量為800 kg?hm?2;4) HBF: 施高量煙稈炭基肥, 生物炭基肥施用量為1600 kg?hm?2。其中LBF處理與F處理保持等量氮磷鉀養(yǎng)分量, 每個(gè)處理3次重復(fù), 隨機(jī)區(qū)組排列, 每個(gè)小區(qū)面積為12 m2(6 m×2 m)。每個(gè)小區(qū)種植40株薏苡, 株行距為50 cm×40 cm。基肥在起壟前均勻施于土壤表層, 翻耕使得肥料與土壤混合均勻, 其他水分及病蟲(chóng)害等大田管理按照常規(guī)進(jìn)行。薏苡于6月19日移栽, 12月15日收獲。

1.4 樣品采集與預(yù)處理

在薏苡收獲期, 每個(gè)小區(qū)采用“S”形取樣法取0～20 cm表層土壤, 挑去土壤中的雜草和石屑, 混勻樣品, 四分法取樣, 一部分鮮樣用于微生物和酶活性測(cè)定, 剩下自然風(fēng)干, 過(guò)1 mm和0.149 mm土篩用于土壤pH和碳組分測(cè)定。

1.5 測(cè)試項(xiàng)目和方法

土壤pH和碳組分: 土壤pH采用電位法測(cè)定, 水與土壤的比例為2.5∶1; 土壤有機(jī)碳(SOC)含量采用全自動(dòng)微量碳氮元素分析儀(德國(guó)ELEMENTAR)測(cè)定; 可溶性有機(jī)碳(DOC)含量按照1∶10土液比進(jìn)行浸提, 離心過(guò)濾后用TOC分析儀(日本島津SHIMADZU)測(cè)定; 顆粒有機(jī)碳(POC)含量通過(guò)5 g?L?1六偏磷酸鈉分散, 沖洗烘干、研磨后用全自動(dòng)微量碳氮元素分析儀測(cè)定; 易氧化有機(jī)碳(EOC)含量采用333 mmol?L?1高錳酸鉀氧化法測(cè)定; 微生物量碳(MBC)含量采用K2SO4浸提、氯仿熏蒸法測(cè)定。

土壤酶活性: 土壤淀粉酶活性測(cè)定采用3,5-二硝基水楊酸比色法, 其活性以24 h后1 g土壤麥芽糖的毫克數(shù)表示; 土壤蔗糖酶活性測(cè)定采用3,5-二硝基水楊酸比色法, 其活性以24 h后1 g土壤葡萄糖的毫克數(shù)表示; 土壤脫氫酶活性測(cè)定采用氯化三苯基四氮唑(TTC)還原法, 其活性以24 h后1 g土壤三苯基甲月替(TPF)的微克數(shù)表示; 土壤過(guò)氧化氫酶活性測(cè)定采用高錳酸鉀滴定法, 其活性以1 g土壤消耗0.1 mol?L?1KMnO4的體積(mL)表示。結(jié)果表示均轉(zhuǎn)化為干土重。

土壤微生物量: 選取不同處理下薏苡收獲期土壤進(jìn)行細(xì)菌豐度及多樣性的測(cè)定。16S rDNA PCR產(chǎn)物高通量測(cè)序由北京奧維森基因科技有限公司完成。細(xì)菌16SrDNA V3-V4 擴(kuò)增引物為338F (5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R (5′- GG ACTACNNGGGTATCTAAT-3′)。PCR反應(yīng)體系為12.5 μL 2×Taq PCR MasterMix, 3 μL BSA (2 ng?μL?1),2 Primer (5 μmol?L?1), 2 μL模 板DNA, 和5.5 μL ddH2O。具體步驟為: 先從樣本中提取DNA, 用帶有barcode的特異引物擴(kuò)增到16S rDNA的V3-V4區(qū),在95 ℃預(yù)變性5 min, 95 ℃變性45 s, 55 ℃退火50 s, 72 ℃延伸45 s, 進(jìn)行32個(gè)循環(huán), 再在72 ℃延伸10 min, 最后通過(guò)Illumina MiSeq平臺(tái)進(jìn)行Pairedend測(cè)序, 下機(jī)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)QIIME (v1.8.0)軟件過(guò)濾、拼接、去除嵌合體, 完成序列分析。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2018整理數(shù)據(jù), 用SPSS 20.0軟件對(duì)土壤有機(jī)碳組分、酶活性數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和SNK法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05), 運(yùn)用Origin 2018繪制土壤細(xì)菌PCA分析圖和群落豐度箱型圖, 采用Stamp對(duì)土壤細(xì)菌屬進(jìn)行差異分析,利用LEfSe分析軟件對(duì)土壤細(xì)菌進(jìn)行LEfSe分析, 利用Canoco 4.5對(duì)土壤pH、碳組分含量、酶活性及土壤細(xì)菌群落相對(duì)豐度做冗余(RDA)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH、有機(jī)碳及其組分含量變化

由表2可知, 與CK處理相比, 施用煙稈炭基肥LBF和HBF處理土壤pH顯著增加10.14%和10.51%(P<0.05), 而F處理pH降低2.54% (P<0.05)。施用炭基肥顯著提高土壤有機(jī)碳(SOC)含量(P<0.05), HBF處理土壤SOC含量最高, 為12.54 g?kg?1, 較其他處理增加11.47%～24.65%; CK與F處理間無(wú)顯著差異。不同施肥處理可溶性有機(jī)碳(DOC)含量較CK處理增加24.49%～44.81%, 施用炭基肥處理的DOC含量高于常規(guī)施化肥處理(P<0.05)。施用炭基肥顯著增加土壤顆粒有機(jī)碳(POC)含量, 與F處理相比, HBF和LBF處理POC含量增加36.89%和24.78% (P<0.05),HBF與LBF處理間差異也達(dá)顯著水平(P<0.05)。施用炭基肥, 土壤易氧化有機(jī)碳(EOC)含量也呈增加趨勢(shì), 在HBF處理下增幅達(dá)最大, 相較CK、F和LBF處理分別增加0.67 g?kg?1(P<0.05)、0.29 g?kg?1(P<0.05)和0.23 g?kg?1(P<0.05), F與LBF處理間無(wú)顯著差異。施用炭基肥, 土壤微生物量碳(MBC)含量顯著增加(P<0.05), 相比CK處理平均增加107.98%,相比F處理平均增加58.57%; 但CK與F處理間無(wú)顯著差異。

表2 不同處理下土壤pH和有機(jī)碳組分變化Table 2 Changes of soil pH and organic carbon fractions under different treatments

2.2 土壤酶活性變化

對(duì)不同施肥處理下各種土壤酶活性進(jìn)行分析,得到結(jié)果如表3。施用煙稈炭基肥, 土壤淀粉酶活性升高, HBF處理土壤淀粉酶活性最高, 相比CK、F和LBF處理提高1.12倍、0.57倍和0.20倍, 各處理間均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。土壤蔗糖酶活性有一定提升, 但各處理之間差異不顯著(P>0.05)。土壤脫氫酶和過(guò)氧化氫酶活性變化趨勢(shì)為HBF>LBF>F>CK, 且隨著炭基肥施用量的增加而升高; HBF處理土壤酶活性達(dá)最高, 相比CK和F處理, 脫氫酶活性分別提高94.80%和69.43% (P<0.05), 過(guò)氧化氫酶活性分別提高54.93%、37.50% (P<0.05)。

表3 不同處理下土壤酶活性變化Table 3 Changes in soil enzymes activities under different treatments

2.3 土壤細(xì)菌群落α、β多樣性變化

土壤細(xì)菌群落Chao1指數(shù)、Shannon指數(shù)分別用于反映土壤樣品中微生物群落的豐富度和多樣性, 數(shù)值越大, 表明群落豐富度、多樣性越高。不同處理土壤細(xì)菌Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù)如圖1所示。施用煙稈炭基肥, 土壤細(xì)菌Chao1指數(shù)升高, 在HBF處理下達(dá)最大, 為4470.16, 相比CK和F處理增加了17.29%和10.32%, 相比LBF處理也有一定提升。施用炭基肥提高土壤細(xì)菌Shannon指數(shù), HBF處理數(shù)值最大, 為10.11, 相比CK、F和LBF處理分別提高0.65、0.46和0.17個(gè)單位。這表明施用煙稈炭基肥提高土壤微生物群落豐富度和多樣性, 且隨施用量的增加效果越明顯。

圖1 不同處理土壤細(xì)菌α多樣性Fig.1 Alpha diversity of soil bacteria under different treatments

圖2為不同處理細(xì)菌群落分布主成分分析圖。從圖中可以看出, 前兩個(gè)軸(PC1, PC2)共同解釋了24.3%的變異, 第1主成分軸貢獻(xiàn)率為12.5%, 各處理間有明顯的空間分異, CK和LBF處理主要位于PC1軸的正端, F和HBF處理位于PC1軸的負(fù)端,CK和F處理樣品間差異性較大, LBF和HBF處理樣品間差異性較小, CK與F、LBF處理間距離相對(duì)較近, 而與HBF處理距離較遠(yuǎn)。說(shuō)明與CK處理相比, HBF處理對(duì)細(xì)菌群落組成的影響大于F和LBF處理。

圖2 不同處理土壤細(xì)菌群落分布PCA分析圖Fig.2 PCA analysis of soil bacterial community distribution under different treatments

2.4 土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異性變化

測(cè)定不同處理土壤細(xì)菌, 其門水平上的10種土壤優(yōu)勢(shì)菌群分布如表4。變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、酸桿菌門(Acidobacteria)、螺旋體菌門(Saccharibacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)和硝化螺旋菌門(Nitrospirae)是優(yōu)勢(shì)菌門, 占比超過(guò)95%。施用炭基肥后放線菌門和擬桿菌門等比例明顯提高, 在HBF處理下達(dá)最大, 比CK處理分別增加26.46%和32.86%, 比F處理分別增加10.94%和30.23%。而變形菌門和綠彎菌門等比例呈下降趨勢(shì)。

表4 不同處理土壤細(xì)菌門水平的菌群分布百分比Table 4 Percentage distribution of soil bacteria at the phyla level under different treatments %

通過(guò)對(duì)土壤細(xì)菌屬水平進(jìn)行STAMP分析, 可以揭示炭基肥施用下的顯著差異物種(圖3)。與CK處理相比, LBF處理物種組成與CK相似, 僅有芽單胞菌屬(Gemmatimonas)相對(duì)豐度顯著升高(P<0.05),Candidatus?Koribacter、Jatrophihabitans2個(gè)屬相對(duì)豐度顯著降低(P<0.05); HBF處理中Jatrophihabitans、熱酸菌屬(Acidothermus)、芽單胞菌屬、叢生放線菌屬(Actinospica)、德沃斯氏菌屬(Devosia)等5個(gè)屬相對(duì)豐度顯著升高(P<0.05), 而Candidatus_Koribacter、生絲微菌屬(Hyphomicrobium)、厭氧粘細(xì)菌屬(Anaeromyxobacter)、短根瘤菌屬(Bradyrhizobium)、Haliangium、泉發(fā)菌屬(Crenothrix)等6個(gè)屬相對(duì)豐度顯著降低(P<0.05)。與F處理相比, LBF處理中短根瘤菌屬、硝化螺旋菌屬(Nitrospira)、布氏桿菌屬(Bryobacter)、Haliangium等4個(gè)屬相對(duì)豐度顯著升高(P<0.05), 而酸土單胞菌屬(Aciditerrimonas)、類諾卡氏屬(Nocardioides)、泉發(fā)菌屬、馬杜拉放線菌屬(Actinomadura)等4個(gè)屬相對(duì)豐度顯著降低(P<0.05);HBF處理中布氏桿菌屬、叢生放線菌屬、Haliangium、硝化螺旋菌屬等4個(gè)屬相對(duì)豐度顯著升高(P<0.05), 而酸土單胞菌屬、泉發(fā)菌屬、金色馬賽菌(Massilia)等3個(gè)屬相對(duì)豐度顯著降低(P<0.05)。

圖3 基于STAMP分析的不同處理土壤顯著差異的細(xì)菌屬Fig.3 Soil bacterial genera with significant differences among different treatments based on STAMP analysis

基于分類信息的LEfSe分析的進(jìn)化分支圖(圖4)可以更好地體現(xiàn)不同施肥處理間存在的差異物種。由內(nèi)至外輻射的圓圈代表了由門至屬的分類級(jí)別。在不同分類級(jí)別上的每一個(gè)小圓圈代表該水平下的一個(gè)分類, 小圓圈直徑大小與相對(duì)豐度大小呈正比。圖中無(wú)顯著差異的物種統(tǒng)一著色為黃色, 差異物種跟隨分組進(jìn)行著色, 4種顏色分別代表不同處理中起到重要作用的優(yōu)勢(shì)微生物類群。由圖中可以看出,不同處理在不同分類水平差異物種不同, CK處理總計(jì)有2個(gè)門、5個(gè)綱、5個(gè)目、8個(gè)科為顯著差異物種, F處理有0個(gè)門、3個(gè)綱、2個(gè)目、5個(gè)科為顯著差異物種, LBF處理有2個(gè)門、2個(gè)綱、1個(gè)目、3個(gè)科為顯著差異物種, HBF處理有1個(gè)門、2個(gè)綱、5個(gè)目、5個(gè)科為顯著差異物種。在細(xì)菌門類水平上, CK處理中酸酐菌門(Acidobacteria)和浮霉?fàn)罹T(Planctomycetes)為具有顯著差異的物種, 其相對(duì)豐度高于其他土壤菌門, F處理無(wú)顯著差異物種,LBF處理中變形菌門和硝化螺旋菌門(Nitrospirae)為顯著差異物種, HBF處理中擬桿菌門顯著高于其他菌門。

圖4 基于分類信息的LEfSe分析的不同處理土壤細(xì)菌進(jìn)化分支圖Fig.4 Evolutionary branch diagram of LEfSe analysis of soil bacteria based on classification information

2.5 土壤pH、碳組分、酶活性、土壤細(xì)菌群落相關(guān)性分析

對(duì)土壤pH、碳組分與酶活性及細(xì)菌門分類水平上10種優(yōu)勢(shì)物種豐度進(jìn)行冗余(RDA)分析, 如圖5所示, 空心箭頭代表土壤pH及碳組分含量, 箭頭越長(zhǎng)代表影響越顯著。從圖可見(jiàn)土壤pH、土壤有機(jī)碳(SOC)、顆粒有機(jī)碳(POC)、微生物量碳(MBC)為主要影響因子, 而可溶性有機(jī)碳(DOC)、易氧化有機(jī)碳(EOC)對(duì)土壤酶和細(xì)菌的影響相對(duì)較小。實(shí)心箭頭代表土壤4種酶活性和在門分類水平上10種土壤優(yōu)勢(shì)細(xì)菌群落的相對(duì)豐度, 影響因子與細(xì)菌種群夾角越接近0°代表兩者呈正相關(guān)越顯著, 夾角越接近180°代表兩者呈負(fù)相關(guān)越顯著。由圖5可以看出,土壤pH、土壤碳組分與酶活性及細(xì)菌群落之間具有顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.05), 其中土壤碳組分含量與土壤酶活性呈正相關(guān)關(guān)系, 土壤pH、SOC、POC、DOC和MBC含量與土壤各種酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系, 而與變形菌門呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤EOC含量與螺旋體菌門、放線菌門和芽單胞菌門等呈顯著正相關(guān)(P<0.05), 與疣微菌門(Verrucomicrobia)和酸桿菌門等呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

圖5 土壤pH、碳組分與酶活性及細(xì)菌門水平相對(duì)豐度相關(guān)分析Fig.5 Correlation analysis among soil pH, carbon components, enzymes activities and relative abundances of bacterial phyla

3 討論

3.1 煙稈炭基肥對(duì)土壤pH和有機(jī)碳組分的影響

本研究結(jié)果表明, 土壤pH、有機(jī)碳組分因肥料種類、施用量的不同而有所差異, 施用煙稈炭基肥,顯著提高土壤pH和SOC含量, 增加土壤DOC、POC、MBC等活性有機(jī)碳組分含量, 且都隨施用量的增加而升高。其中, MBC的提升效果最明顯, 與常規(guī)施化肥處理相比平均增加58.57%, 與對(duì)照處理相比平均增加107.98%, 這與前人的研究相似。陳懿等[16]研究表明施用炭基肥可明顯提升土壤pH和其他養(yǎng)分含量, 同時(shí)生物炭對(duì)肥料養(yǎng)分具有吸持效應(yīng), 進(jìn)而提升土壤肥力。宋大利等[17]和Demisie等[18]研究發(fā)現(xiàn)生物炭和肥料配施增加土壤有機(jī)碳及其組分含量, 改善土壤質(zhì)量。分析其原因, 可能是生物炭本身呈堿性, 含有大量的K+、Ca2+、Mg2+等鹽基離子, 施入土壤后, 它能交換中和土壤中的H+和Al3+, 從而降低土壤酸度, 提高土壤pH[19]。生物炭本身含碳量高, 全碳含量達(dá)645.2 g·kg–1, 遠(yuǎn)高于土壤平均值, 配合化肥施入土壤增加土壤SOC和POC含量, 增加土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量, 改善土壤生產(chǎn)力。MBC含量提升顯著的原因是生物炭具有多孔隙結(jié)構(gòu)及巨大的比表面積, 能有效吸附肥料中的速效養(yǎng)分, 同時(shí)為微生物生長(zhǎng)活動(dòng)提供了良好的棲息地, 促進(jìn)了土壤中微生物群落的生長(zhǎng), MBC含量得到提高[20]。DOC含量受季節(jié)、溫度、濕度、pH等多種因素影響, 因此可能是煙稈炭基肥改善土壤pH、濕度等影響微生物活性, 進(jìn)而影響DOC含量的變化, 其具體機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

3.2 煙稈炭基肥對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤中生物催化劑, 其活性高低是土壤有機(jī)質(zhì)分解與礦化以及土壤碳、氮、磷等元素循環(huán)的主要限制因素, 可有效反映土壤養(yǎng)分狀況及肥力水平[21]。

本研究中施用煙稈炭基肥后, 土壤淀粉酶、脫氫酶、過(guò)氧化氫酶活性提高, 相比常規(guī)施化肥分別提高31.42%～57.14%、45.55%～69.43%和5.00%～37.50%, 高量炭基肥處理提高作用高于低量炭基肥處理, 而炭基肥對(duì)土壤蔗糖酶活性的影響不顯著。周玉祥等[22]研究發(fā)現(xiàn)土壤淀粉酶、脫氫酶和過(guò)氧化氫酶活性均隨秸稈生物炭施用量的增加有不同程度提高。陳心想等[23]研究認(rèn)為生物炭可以顯著提高土壤過(guò)氧化氫酶活性, 但在短期內(nèi)對(duì)蔗糖酶無(wú)顯著影響, 這些都與本研究結(jié)果一致。淀粉酶與土壤C循環(huán)有關(guān), 施用煙稈炭基肥, 提高了土壤中活性有機(jī)碳組分含量, 進(jìn)而提高土壤淀粉酶活性。脫氫酶與過(guò)氧化氫酶都是微生物生長(zhǎng)代謝中重要的氧化還原酶,其活性可以反映土壤微生物數(shù)量及相應(yīng)的活性, 施用炭基肥改善土壤環(huán)境和細(xì)菌菌落組成結(jié)構(gòu), 提高土壤細(xì)菌數(shù)量, 進(jìn)而提升土壤脫氫酶和過(guò)氧化氫酶活性。蔗糖酶促進(jìn)糖類水解, 一般用來(lái)表征土壤熟化程度和肥力水平, 施用炭基肥后對(duì)蔗糖酶活性沒(méi)有顯著影響, 原因在于生物炭對(duì)酶活性的影響具有可變性, 這可能還與生物炭的種類、自身理化性質(zhì)、施用量、土壤類型等因素有關(guān)[24]。

3.3 煙稈炭基肥對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和豐度的影響

施用生物炭基肥會(huì)影響土壤生物化學(xué)環(huán)境, 進(jìn)而直接影響微生物群落物種的豐富度及多樣性[25]。本研究表明, 施用煙稈炭基肥, 土壤細(xì)菌群落Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù)明顯提高, 土壤細(xì)菌群落豐富度和多樣性提高。這與陳懿等[26]的研究結(jié)果一致。一方面, 生物炭巨大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)可以為微生物的棲息和繁殖提供良好的環(huán)境; 另一方面, 炭基肥以生物炭與肥料按配比制得, 含有豐富的C、N、P和K等營(yíng)養(yǎng)成分, 能夠直接為微生物生長(zhǎng)提供所需的養(yǎng)分[27]。

同時(shí), 有研究發(fā)現(xiàn), 施用生物炭和生物炭基肥會(huì)對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有影響, 施用生物炭后, 90%以上細(xì)菌為變形菌門、放線菌門、綠彎菌門、酸桿菌門、螺旋體菌門、擬桿菌門和芽單胞菌門[28]。不同細(xì)菌類別對(duì)生物炭基肥的響應(yīng)不同, 本研究中, 施用煙稈炭基肥, 放線菌門、擬桿菌門細(xì)菌豐度上升, 這與Nielsen等[29]的研究一致。放線菌適宜在偏堿環(huán)境下生存, 而炭基肥中的生物炭pH為堿性, 施入土壤有利于放線菌的生長(zhǎng)。擬桿菌門細(xì)菌具有纖維素降解能力, 對(duì)于土壤中碳元素的循環(huán)具有積極意義,而炭基肥的施入正好補(bǔ)充了C循環(huán)過(guò)程中有機(jī)物質(zhì)的損失。施用煙稈炭基肥, 土壤變形菌門、綠彎菌門細(xì)菌豐度呈下降趨勢(shì)。而徐民民等[30]研究發(fā)現(xiàn)施用生物炭會(huì)提高小麥(Triticum aestivumL.)根際綠彎菌門豐度, 對(duì)變形菌門無(wú)影響。這與本研究結(jié)果存在差異, 原因可能是與宿主植物和土壤性質(zhì)的不同有關(guān)。變形菌是土壤中最豐富的細(xì)菌類群, 對(duì)土壤酸堿度敏感, 與土壤pH呈負(fù)相關(guān)[31], 生物炭基肥施入提高土壤pH, 進(jìn)而降低變形菌門相對(duì)豐度。研究表明綠彎菌門是一種貧瘠營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌, 在光合作用中提供能量, 它們所產(chǎn)生的初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)異養(yǎng)菌具有非常重要的作用, 但生長(zhǎng)速度慢[32]。施用炭基肥處理中綠彎菌門豐度降低, 可能與土壤細(xì)菌中其他顯著提高的細(xì)菌門類與綠彎菌產(chǎn)生較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)作用有關(guān)。

在屬水平上, 與常規(guī)施化肥相比, 施用煙稈炭基肥, 硝化螺旋菌屬、布氏桿菌屬、Haliangium等3個(gè)屬相對(duì)豐度顯著升高(圖3), 硝化螺旋菌屬驅(qū)動(dòng)硝化過(guò)程, 在土壤氮循環(huán)中發(fā)揮重要作用[33], 布氏桿菌屬能夠分解有機(jī)物, 促進(jìn)碳循環(huán)[34]。研究發(fā)現(xiàn), 施用生物炭基肥, 會(huì)增加土壤有機(jī)碳組分和硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量, 補(bǔ)充碳氮循環(huán)過(guò)程中所消耗有機(jī)物質(zhì), 進(jìn)而提高相應(yīng)菌屬豐度[35]。酸土單胞菌屬、泉發(fā)菌屬等2個(gè)屬相對(duì)豐度顯著降低, 酸土單胞菌屬適宜在酸性環(huán)境下生存, 生物炭為堿性, 施入會(huì)影響酸土單胞菌屬的生存, 降低其豐度; 泉發(fā)菌屬為好氧甲烷氧化菌,能夠氧化土壤中的甲烷, 但其在土壤中作用機(jī)制還不清楚, 有待進(jìn)一步研究[36]。

3.4 各處理間土壤pH、有機(jī)碳組分、酶活性、細(xì)菌門豐度之間關(guān)系分析

土壤pH表征土壤酸堿性, 影響土壤中多種微生物活動(dòng)進(jìn)程。土壤有機(jī)碳組分參與土壤C循環(huán), 直接影響微生物生長(zhǎng)環(huán)境, 土壤酶來(lái)源于土壤微生物及動(dòng)植物殘?bào)w, 而土壤細(xì)菌在土壤微生物中數(shù)量最多、分布最廣。周之棟等[37]指出, 土壤酶活性是土壤微生物過(guò)程的反映, 酶活性越高, 土壤細(xì)菌越活躍,豐富度越高, 同時(shí)土壤功能細(xì)菌能分解有機(jī)物, 釋放養(yǎng)分, 促進(jìn)土壤碳循環(huán), 而土壤碳循環(huán)產(chǎn)物與養(yǎng)分又反過(guò)來(lái)能供細(xì)菌生長(zhǎng)所需, 因此土壤pH、碳組分與酶活性和細(xì)菌豐度有一定的直接或間接聯(lián)系。本研究冗余結(jié)果顯示, 土壤pH、土壤SOC、POC和MBC等是影響土壤細(xì)菌群落豐度變化的主導(dǎo)因子, 原因在于一方面絕大部分細(xì)菌對(duì)土壤酸堿度極其敏感;另一方面土壤SOC會(huì)影響土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量, 土壤POC和MBC等活性有機(jī)碳組分促進(jìn)土壤碳循環(huán), 改善土壤生產(chǎn)力, 進(jìn)而促進(jìn)細(xì)菌繁殖生長(zhǎng), 增加細(xì)菌群落豐度。施用煙稈炭基肥, 一方面降低土壤酸度, 提高土壤SOC含量, 進(jìn)而直接影響淀粉酶分解含碳有機(jī)化合物、促進(jìn)蔗糖轉(zhuǎn)化酶增加土壤中易溶營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),顯著提高脫氫酶和過(guò)氧化氫酶等微生物代表性酶活性; 另一方面煙稈炭基肥可以增加土壤DOC、EOC和MBC等活性有機(jī)碳含量, 使土壤碳循環(huán)速度加快,增加土壤養(yǎng)分含量, 進(jìn)而促進(jìn)土壤放線菌菌絲體產(chǎn)生各種胞外水解酶, 降解土壤中的各種不溶性有機(jī)物質(zhì)以獲得細(xì)胞代謝所需的各種營(yíng)養(yǎng), 故土壤有機(jī)碳組分含量與各種酶活性及放線菌門呈正相關(guān)關(guān)系。但土壤pH、碳組分、酶活性和土壤細(xì)菌之間的關(guān)系不顯著, 可能原因是土壤細(xì)菌種類繁多且作用效果有差異, 故其還有待進(jìn)一步探究[38]。

4 結(jié)論

1)煙稈炭基肥增加了土壤pH和有機(jī)碳組分含量, 有效抑制土壤酸化, 影響土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量, 提升土壤肥力。

2)煙稈炭基肥顯著提升了土壤淀粉酶、脫氫酶和過(guò)氧化氫酶活性, 提高了土壤細(xì)菌豐度及多樣性,影響了土壤細(xì)菌群落組成結(jié)構(gòu)。

3)通過(guò)RDA分析, 土壤pH、SOC、POC、DOC和MBC含量與土壤各種酶活性均呈顯著正相關(guān)關(guān)系, 而與變形菌門呈顯著負(fù)相關(guān)。

綜合分析表明, 煙稈炭基肥對(duì)土壤pH、碳組分、酶活性和微生物具有積極影響, 對(duì)薏苡種植土壤改良、肥力提升具有重要意義。