劉美霞,劉 秀,趙 燕,董雯怡,*,劉恩科

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,北京 100081

2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)膜污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081

3 河南科技大學(xué)園藝與植物保護(hù)學(xué)院,洛陽 471002

水資源短缺是限制世界許多國(guó)家糧食生產(chǎn)的一個(gè)重要因素，在全世界1400萬km2耕地中，位于干旱半干旱的耕地有600萬km2，占42.9%，我國(guó)干旱半干旱地區(qū)面積占全國(guó)總耕地面積的52.5%[1—2]。黃土高原是典型的干旱半干旱地區(qū),也是我國(guó)旱作農(nóng)業(yè)最重要的區(qū)域之一,由于氣溫低、降水少、可用水資源有限和土壤肥力低等原因,極大地限制了該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展[3—5]。地膜覆蓋由于具有良好的保溫、保水等效果而在我國(guó)北方廣泛應(yīng)用[6]。前人研究結(jié)果表明地膜覆蓋能夠顯著降低土壤水分蒸發(fā),從而起到保水保墑的作用[7—8]。Zhao等[9]在地膜覆蓋對(duì)旱作農(nóng)田馬鈴薯水分利用效率和塊莖產(chǎn)量的研究中發(fā)現(xiàn),全覆蓋處理的土壤水分利用效率最高,比對(duì)照提高了56.8%—70.3%；馬鈴薯產(chǎn)量比對(duì)照高57.4%—78.2%。張萬文等[10]在研究地膜覆蓋對(duì)春玉米增產(chǎn)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),覆膜處理下的玉米的產(chǎn)量比裸地提高2940 kg/hm2,增產(chǎn)率達(dá)48%。由此可見,地膜覆蓋在提高了我國(guó)干旱半干旱地區(qū)糧食產(chǎn)量、保障我國(guó)糧食安全方面起到重要作用。

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分,在維持生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、養(yǎng)分循環(huán)以及能量流動(dòng)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[11]。土壤微生物碳源代謝特征反映了土壤微生物生態(tài)功能,常被作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[12—13]。然而環(huán)境因素(生物因素和非生物因素)和人為措施都會(huì)直接或間接地影響到土壤微生物代謝活性,而地膜覆蓋由于改變了土壤微環(huán)境(水分和溫度等),進(jìn)而會(huì)對(duì)土壤微生物代謝活性造成一定的影響,因此研究地膜覆蓋下的土壤微生物碳源代謝特征對(duì)衡量土壤質(zhì)量具有重要的意義。Biolog-ECO微孔板能定量分析描述微生物對(duì)不同碳源的代謝多樣性,被證明是研究微生物群落碳源代謝多樣性的一種簡(jiǎn)單快速的方法,近20年來被廣泛應(yīng)用[14]。賈鵬麗等[15]運(yùn)用Biolog生態(tài)板在研究東北黑土區(qū)不同土地利用方式(種植玉米、水稻、大豆及土豆)對(duì)土壤微生物碳源代謝多樣性的研究發(fā)現(xiàn),不同土地利用方式顯著影響了土壤微生物群落碳源代謝多樣性,并且碳水類、氨基酸類和羧酸類碳源為黑土微生物代謝的主要碳源類型,其中以碳水類尤為突出。近年來,關(guān)于土壤微生物對(duì)碳源利用多樣性的研究主要集中在不同施肥處理、不同土壤類型以及不同作物影響效應(yīng)對(duì)比研究中。通過對(duì)不同的土壤類型(黑土、褐土、潮土、紅壤、灰漠土)[16—20]以及不同作物類型[21]進(jìn)行研究表明,不同的農(nóng)藝措施均可引起土壤微生物對(duì)六大類碳源利用能力以及微生物多樣性的變化,但不同的地區(qū)其變化程度甚至是變化趨勢(shì)有所不同[22]。

目前,對(duì)地膜覆蓋的研究主要集中對(duì)于在土壤溫度、水分、養(yǎng)分變化以及作物產(chǎn)量的影響上[7]。黃土高原是典型的傳統(tǒng)旱作農(nóng)業(yè)區(qū),春玉米是該地區(qū)主要糧食作物之一,然而對(duì)覆膜措施下旱作春玉米不同的生育期以及不同土層中土壤微生物碳源代謝特征的變化研究鮮有報(bào)道,而這是衡量地膜覆蓋條件下旱作農(nóng)田土壤肥力固持特征的基礎(chǔ)。因此,本試驗(yàn)依托山西省東部晉中市壽陽縣農(nóng)業(yè)環(huán)境與作物高效用水科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站為研究平臺(tái),開展地膜覆蓋措施對(duì)春玉米農(nóng)田土壤微生物碳源代謝特征的研究,探討作物的不同生育期及不同土壤層次土壤微生物碳源代謝多樣性與環(huán)境因子之間的相互作用關(guān)系,以期為我國(guó)北方旱作春玉米農(nóng)田生產(chǎn)以及土壤質(zhì)量提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究在山西省東部晉中市壽陽縣(37°44′52″N,113°12′11″E)農(nóng)業(yè)環(huán)境與作物高效用水科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站進(jìn)行,該地區(qū)屬于晉東豫西典型旱作農(nóng)業(yè)區(qū),海拔1202 m,屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),屬于半濕潤(rùn)偏干旱氣候類型,試驗(yàn)地地勢(shì)平坦,無灌溉條件。該地區(qū)年平均溫度7.4℃,無霜期140 d左右,日照時(shí)數(shù)為2858.3 h。近5年年均降水量為518.3 mm,年內(nèi)分布不均勻,主要集中在6—9月,占全年降雨量的80%以上。2020年主要集中在7—8月份,其中7月份97.6 mm、8月份254.1 mm；玉米生長(zhǎng)的其他月份降雨量較少(圖1)。

圖1 2020年玉米生育期月降雨量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

定位試驗(yàn)開始于2015年,種植制度為一年一熟制,種植作物為春玉米。試驗(yàn)共設(shè)2個(gè)處理:地膜覆蓋(FM)和裸地不覆膜(LD),每個(gè)處理3次重復(fù),共6個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)為48 m2(長(zhǎng)8 m×寬6 m),采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。春玉米供試品種為“鄭單958”,種植密度60000株/hm2,行距50 cm,株距33.3 cm。各處理的肥料用量一致,氮肥為尿素(含N 46.7%)240 kg/hm2、磷肥為過磷酸鈣(含P2O516%)150 kg/hm2、鉀肥為氯化鉀(KCl 60%)75 kg/hm2。覆膜采用人工鋪設(shè),地膜為微白色普通PE農(nóng)用地膜,厚度0.008 mm,寬度1.2 m。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1土壤微生物碳代謝功能多樣性測(cè)定

應(yīng)用Biolog生態(tài)平板(ECO Micro Plate)對(duì)土壤微生物碳源代謝能力進(jìn)行分析[23]：在超凈工作臺(tái)上,稱取新鮮土壤樣品5 g,加入45 mL經(jīng)滅菌處理后的0.85% NaCl溶液,用封口膜密封三角瓶瓶口,固定于水平搖床上,以250 r/min均勻震蕩30 min,取出搖勻,靜置10 min,然后依次稀釋至10-2、10-3的懸浮液。最后用8孔道移液器向Biolog-ECO板的每個(gè)孔中加入150μL的10-3懸浮液。將接種好的Biolog-ECO微平板放入27℃生化恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng),分別于0、24、48、96、120、144、168、192 h在微孔板自動(dòng)讀數(shù)裝置讀取590 nm波長(zhǎng)下的數(shù)值吸光值。

Biolog-ECO平板測(cè)定的每孔的顏色變化率(Average well color development, AWCD),來表示微生物群落利用單一碳源能力即微生物整體活性,計(jì)算公式如下：

AWCD=∑ (Ci-R)/n

式中,Ci為碳源的每個(gè)孔的光密度值,R為對(duì)照孔的光密度值,n為碳源的數(shù)目。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)了144 h的Biolog-ECO平板孔中的光密度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用Shannon多樣性指數(shù)(H)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)和均勻度指數(shù)(E)表征土壤微生物群落碳源代謝多樣性。計(jì)算方法：

多樣性指數(shù)H：

H=-∑Pi× lnPi

優(yōu)勢(shì)度指數(shù)D：

均勻度指數(shù)E：

E=HlnS

式中,Pi為第i孔吸光值與空白對(duì)照孔吸光值之差和所有反應(yīng)孔吸光值之差總和的比值,S是Biolog-ECO平板中有顏色孔的數(shù)量。

1.3.2土壤養(yǎng)分含量測(cè)定

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2019(Microsoftware 2019)整理,采用Sigmaplot 12.5作圖, 采用Origin 2021軟件進(jìn)行Pearson相關(guān)分析及作圖。利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差(One-Way ANOVA)分析和主成分分析,方差分析多重比較采用最小顯著差異(LSD)法,在P<0.05水平下檢驗(yàn)差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

表1 各處理對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

2.2 不同處理對(duì)土壤微生物碳源利用強(qiáng)度及多樣性的影響

不同處理土壤AWCD值變化見圖2。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤微生物AWCD值逐漸提高。培養(yǎng)的前24 h內(nèi)各處理的AWCD值變化不顯著,24—144 h土壤AWCD值迅速增長(zhǎng)144 h后緩慢增長(zhǎng),直至趨于穩(wěn)定。拔節(jié)期呈現(xiàn)0—10 cm > 10—20 cm > 20—30 cm的變化趨勢(shì),且在144 h時(shí)FM顯著高于LD處理；且在0—10 cm、10—20 cm呈現(xiàn)出顯著性差異。灌漿期在0—10 cm、20—30 cm土層以及以及收獲期10—20 cm、20—30 cm土層中FM處理土壤AWCD值大于LD處理，而灌漿期0—20 cm土層和收獲期0—10 cm土層的變化情況恰好相反：呈現(xiàn)出LD處理大于FM處理的變化趨勢(shì)。

圖2 不同處理微生物平均顏色變化率

Biolog主成分分析法能顯示土壤微生物群落在不同的處理下對(duì)各類碳源的反應(yīng)情況,是反應(yīng)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征的有效手段[26]。根據(jù)培養(yǎng)144 h的AWCD數(shù)據(jù),對(duì)31種碳源利用情況進(jìn)行主成分分析(圖3)。在主成分分析中,樣本之間距離越近,表明樣本間微生物群落代謝功能差異越小[27]。本研究選取拔節(jié)期、灌漿期和收獲期前兩個(gè)主成分進(jìn)行分析：主成分1(PC1)和主成分2(PC2)。其中方差貢獻(xiàn)率分別為44.7%、15.7%、26.3%、23.0%、30.1%、20.3%,累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為60.4%、49.3%、50.4%,說明PC1、PC2是微生物群落碳源利用差異的主要來源,可以解釋大部分的信息。圖3顯示,FM措施下不同處理土壤微生物碳源利用對(duì)PC1和PC2相關(guān)的碳源利用能力不同,各處理在PC軸上表現(xiàn)出明顯的差異,表明FM顯著改變了土壤微生物對(duì)碳源的利用能力。按照每個(gè)碳源在區(qū)分能力方面的貢獻(xiàn)率大小進(jìn)行排序,選取每個(gè)主成分的前十個(gè)碳源進(jìn)行分析,結(jié)果表明碳水類碳源在0—10 cm、10—20 cm和20—30 cm土層中PC1的權(quán)重比較大,可以認(rèn)為碳水類碳源是區(qū)分不同處理的主要碳源。此外,與PC2相關(guān)較大的碳源隨土層深度增加依次為羧酸類、碳水類和氨基酸類碳源,它們是區(qū)分FM與LD處理的另一部分主要碳源類型。

圖3 土壤微生物碳源利用的主成分分析(PCA)

初始載荷因子為各碳源與各主成分的相關(guān)系數(shù), 載荷因子值越高, 表示該碳源對(duì)主成分的影響越大[28]。如表2所示拔節(jié)期對(duì)PC1影響較大的碳源有14種,其中碳水類的有6種(分別為β-甲基-D-葡萄糖苷、I-赤藻糖醇、D-甘露醇、D-纖維二糖、葡萄糖- 1-磷酸鹽、D,L-a-甘油)；羧酸類有2種(D-半乳糖醛酸、a-丁酮酸)；氨基酸類有2種(L-天冬酰胺酸、L-蘇氨酸)；胺類1種(苯乙基胺)；芳香類1種(2-羥苯甲酸)；多聚物類2種(a-環(huán)式糊精、肝糖)。拔節(jié)期對(duì)PC2影響較大的碳源有4種,其中羧酸類有2種(D-半乳糖醛酸、D-葡萄胺酸)；氨基酸類有1種(L-精氨酸)；多聚物類1種(吐溫40)。灌漿期對(duì)PC1影響較大的碳源有15種,其中碳水類的有6種(分別為β-甲基-D-葡萄糖苷、D-木糖/戊醛糖、D-甘露醇、N-乙酰基-D-葡萄胺、D-纖維二糖、D,L-a-甘油)；羧酸類有2種(y-羥基丁酸、a-丁酮酸)；氨基酸類有2種(L-天冬酰胺酸、L-蘇氨酸)；胺類1種(苯乙基胺)；芳香類1種(Acid 2-羥苯甲酸)；多聚物類3種(吐溫40、a-環(huán)式糊精、肝糖)。灌漿期對(duì)PC2影響較大的碳源有6種,其中碳水類的有4種(分別為β-甲基-D-葡萄糖苷、D-木糖/戊醛糖、D-纖維二糖、葡萄糖- 1-磷酸鹽)；羧酸類有1種(D-葡萄胺酸)；氨基酸類有1種(L-天冬酰胺酸)。收獲期對(duì)PC1影響較大的碳源有8種,其中碳水類的有2種(分別為N-乙?；?D-葡萄胺、葡萄糖- 1-磷酸鹽)；羧酸類有4種(丙酮酸甲酯、y-羥基丁酸、衣康酸、D-蘋果酸)；氨基酸類有1種(L-苯基丙氨酸)；多聚物類1種(吐溫80)。收獲期對(duì)PC2影響較大的碳源有8種,其中碳水類的有4種(分別為I-赤藻糖醇、D-甘露醇、D-纖維二糖、D-半乳糖酸γ-內(nèi)酯)；羧酸類有1種(D-葡萄胺酸、)；氨基酸類有3種(L-天冬酰胺酸、L-苯基丙氨酸、L-蘇氨酸)；多聚物類1種(吐溫80)。

表2 不同處理在PC1與PC2上的荷載值

本研究中各處理土壤微生物對(duì)6大類碳源的利用率大小依次為：碳水類 > 羧酸類 > 氨基酸類 > 多聚物類 > 芳香類 > 胺類(圖4)。各時(shí)期各土層不同處理下土壤微生物群落對(duì)同一類型的碳源的利用程度存在明顯差異(P<0.05)。具體表現(xiàn)在：與LD相比,FM處理顯著增加了拔節(jié)期0—10 cm、10—20 cm和20—30 cm、灌漿期0—10 cm和20—30 cm以及收獲期10—20 cm和20—30 cm土層中土壤微生物對(duì)碳水類、羧酸類兩大類碳源的利用率(P<0.05,圖4)；而FM和LD處理下土壤微生物對(duì)胺類、芳香類兩大類碳源的利用率都比較低,且處理間未見顯著性差異(P>0.05,圖4)；收獲期0—10 cm土層中,土壤微生物對(duì)六大類碳源的利用率呈現(xiàn)出FM處理低于LD處理,且處理間差異顯著(P<0.05,圖4)。

圖4 各處理對(duì)土壤微生物碳源代謝多樣性的影響

為了進(jìn)一步的確定FM對(duì)各時(shí)期不同土層土壤微生物碳源代謝多樣性的影響狀況,本研究計(jì)算了FM和LD處理Shannon多樣性指數(shù)(H)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)和均勻度指數(shù)(E)(表3)。結(jié)果表明,不同指數(shù)在兩處理中差異顯著(P<0.05)。具體來看,與LD相比,FM處理在拔節(jié)期10—20 cm、20—30 cm,灌漿期0—10 cm、20—30 cm以及收獲期所有土層中的Shannon多樣性指數(shù)(H)相對(duì)較低；而拔節(jié)期0—10 cm,灌漿期10—20 cm土層中的Shannon多樣性指數(shù)(H)相對(duì)較高。對(duì)于均勻度指數(shù),FM處理下拔節(jié)期各個(gè)土層、灌漿期0—10 cm、20—30 cm以及收獲期10—20 cm、20—30 cm土層中土壤微生物均勻度指數(shù)(E)相對(duì)較低；而在灌漿期和收獲期10—20 cm土層土壤微生物均勻度指數(shù)(E)相對(duì)較高。對(duì)于優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)結(jié)果表明,在拔節(jié)期10—20 cm、20—30 cm,灌漿期不同土層以及收獲期0—10 cm、20—30 cm土層均呈現(xiàn)出FM處理顯著高于LD處理(表3)。

表3 土壤微生物群落多樣性指數(shù)

2.3 土壤微生物碳源利用與環(huán)境影響因子相關(guān)關(guān)系

圖5 土壤理化性質(zhì)與土壤微生物群落碳源利用多樣性之間的相關(guān)性分析

3 討論

土壤微生物群落碳源代謝特征可以反映不同碳源代謝利用的差異,體現(xiàn)土壤微生物整體活性和微生物群落生態(tài)功能多樣性[29]。本研究結(jié)果表明,地膜覆蓋顯著影響了土壤微生物對(duì)六大類碳源的代謝活性。覆膜處理的土壤微生物對(duì)碳源的利用程度總體上高于裸地不覆膜處理,并隨土壤深度的增加而呈現(xiàn)出遞減趨勢(shì)(P<0.05)(圖2),說明地膜覆蓋對(duì)提高土壤微生物總體代謝活性尤其是表層土壤微生物代謝活性具有重要的作用[30]。相關(guān)研究認(rèn)為,長(zhǎng)期的地膜覆蓋導(dǎo)致了土壤理化性質(zhì)的差異是土壤微生物碳源代謝活性產(chǎn)生差異的主要決定因素[31],由于地膜覆蓋很大程度上改善了土壤微環(huán)境,促進(jìn)了植物根系生長(zhǎng)和土壤養(yǎng)分循環(huán)轉(zhuǎn)化,為土壤微生物的生長(zhǎng)代謝提供了適宜的條件,進(jìn)而提高了土壤微生物的代謝活性[31],但隨著土壤深度的增加覆膜措施產(chǎn)生的作用逐漸減小,使得覆膜與裸地處理下土壤微生物碳源利用能力之間的差異逐漸縮小。

Shannon多樣性指數(shù)(H)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)和均勻度指數(shù)(E)常被用作表征土壤微生物多樣性指數(shù)[17]。多樣性指數(shù)是優(yōu)勢(shì)度和均勻度指數(shù)組合起來的一個(gè)指標(biāo),能夠比較全面地反映出微生物的物種多樣性；D值是用來衡量群落組成水平最常用的指標(biāo)之一,其數(shù)值的大小反映出群落受優(yōu)勢(shì)度物種影響的大小程度；E值表示種群的物種優(yōu)勢(shì)度,其值越大,群落中物種越豐富[18]。我們發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期進(jìn)行地膜覆蓋顯著影響了土壤微生物碳源代謝的多樣性指數(shù)。與LD相比,FM措施增加了土壤微生物的優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)。這與Huang等[32]在黃土高原半干旱區(qū)進(jìn)行不同覆蓋措施對(duì)玉米農(nóng)田土壤微生物群落影響試驗(yàn)中的研究結(jié)果基本一致。大量研究表明[31],土壤微生物多樣性對(duì)土壤養(yǎng)分、pH、水分和溫度等外界條件變化十分敏感,從表1中我們可以發(fā)現(xiàn)覆膜處理在各個(gè)生育期均能有效改善土壤理化性質(zhì),能夠?yàn)橥寥牢⑸飫?chuàng)造一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定而又潮濕的土壤養(yǎng)分環(huán)境,促進(jìn)了土壤微生物多樣性的提升。然而,本研究中FM處理相比LD處理土壤微生物的均勻度指數(shù)(E)。侯曉杰等[33]在東北地區(qū)進(jìn)行的不同施肥與地膜覆蓋對(duì)玉米田土壤微生物功能多樣性的研究中研究結(jié)論與此一致,他們指數(shù)由于地膜覆蓋條件下長(zhǎng)期施入無機(jī)肥料不利于土壤氮素的揮發(fā),太多的氮素可能對(duì)微生物的活性起到極大的抑制作用,而某些土壤微生物抵抗外界干擾的能力較弱,從而降低了土壤微生物的均勻度。

在本研究中覆膜與裸地處理土壤微生物對(duì)六大類碳源的相對(duì)利用率均呈現(xiàn)出碳水類 > 羧酸類 > 氨基酸類 > 多聚物類 > 芳香類 > 胺類的趨勢(shì),主要集中于碳水類、羧酸類和氨基酸類三大類碳源,是土壤中最活躍的有機(jī)碳庫(kù)[26],其中碳水類碳源約占土壤有機(jī)質(zhì)總量的5%—25%,是土壤微生物生存的主要碳源[34],與土壤微生物活性顯著相關(guān),是土壤活性有機(jī)碳庫(kù)的重要組分。覆膜措施對(duì)土壤微生物碳源利用能力的增加效果呈現(xiàn)出拔節(jié)期 > 灌漿期 > 收獲期的變化趨勢(shì),地膜覆蓋下拔節(jié)期、灌漿期的土壤微生物顯著增強(qiáng)了對(duì)碳水類、羧酸類和多聚類三大類碳源的代謝能力(P<0.05),而收獲期對(duì)各類碳源的代謝能力均呈現(xiàn)出顯著降低趨勢(shì)(P<0.05)。本研究中土壤微生物碳源利用狀況與土壤SOC、TN含量呈顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系。拔節(jié)期和灌漿期是土壤水熱條件較好以及植物生長(zhǎng)最旺盛的時(shí)期,作物生長(zhǎng)帶走了大量的土壤養(yǎng)分,而黃土高原地區(qū)土壤養(yǎng)分含量水平本身就很低,土壤有機(jī)物質(zhì)分解作用的加強(qiáng),直接導(dǎo)致收獲期土壤養(yǎng)分含量降低[35],而土壤微生物和作物根系競(jìng)爭(zhēng)有限的礦化養(yǎng)分,也不利于土壤微生物的后期生長(zhǎng)[36]。10—20 cm土層中,與LD相比,FM處理下拔節(jié)期土壤微生物對(duì)各類碳源的代謝能力均表現(xiàn)出顯著增加趨勢(shì)(P<0.05)；灌漿期土壤微生物碳源利用差異主要為碳水類、羧酸類和氨基酸類三大類碳源；而收獲期主要表現(xiàn)在碳水類、羧酸類和多聚物類三大類碳源(圖4)。這說明了10—20 cm土層中,土壤微生物代謝的主要碳源類型隨著作物生育期不斷地發(fā)生著變化。Yang等[37]在研究長(zhǎng)期覆蓋對(duì)蘋果園土壤微生物碳代謝季節(jié)性影響的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),不同季節(jié)覆蓋作物對(duì)土壤微生物碳源代謝能力的影響存在差異,作者解釋到這與不同覆蓋作物根系分泌物的差異以及根系生理活動(dòng)的季節(jié)性差異息息相關(guān)。在20—30 cm土層,FM與LD處理在各時(shí)期土壤微生物碳源利用能力主要差異均表現(xiàn)在碳水類、羧酸類和氨基酸類三大類碳源的利用上(圖4)。一方面說明FM雖然能顯著提高土壤微生物對(duì)20—30 cm土壤微生物碳源的利用能力,但并未改變土壤微生物主要的碳源代謝類型；另一方面說明碳水類、羧酸類和氨基酸類三大類碳源是土壤微生物碳源代謝的主要碳源,這與前人研究結(jié)果基本一致[18]。同時(shí),本試驗(yàn)通過對(duì)培養(yǎng)144 h的碳源的AWCD值進(jìn)行主成分因子荷載值分析,發(fā)現(xiàn)不同處理之間土壤微生物碳源代謝能力差異主要集中在碳水類4類、氨基酸類2類、羧酸類1類共7類碳源中(表2)。綜合分析可知,覆膜措施有利于提高土壤微生物對(duì)碳源的利用能力,各處理間差異較大,且對(duì)碳水類、氨基酸類兩大類碳源的利用能力最高。由圖1我們還發(fā)現(xiàn),作物生長(zhǎng)的不同時(shí)期內(nèi)(拔節(jié)期、灌漿期和收獲期),FM措施對(duì)拔節(jié)期土壤微生物碳源利用的增加效果最為明顯。各時(shí)期土壤微生物碳源代謝能力整體上呈現(xiàn)出0—10 cm > 10—20 cm > 20—30 cm的變化趨勢(shì),且FM措施下土壤微生物碳源利用能力基本上高于LD處理。一方面說明隨著土層深度的增加微生物碳源利用能力顯著降低,另一方面說明FM措施能顯著改善土壤微環(huán)境,促進(jìn)微生物碳源代謝活性。同時(shí),0—10 cm和10—20 cm土層,表現(xiàn)為灌漿期土壤微生物碳源利用能力較高,而20—30 cm土層,表現(xiàn)為收獲期碳源利用能力較高,差異均主要體現(xiàn)在碳水類、羧酸類、氨基酸類三大類碳源。進(jìn)一步表明碳水類、羧酸類和氨基酸類三大類碳源是區(qū)分各處理主要的碳源類型[18]。

4 結(jié)論

1)連續(xù)五年地膜覆蓋措施顯著提高了旱作春玉米農(nóng)田土壤微生物碳源代謝活性及多樣性指數(shù)，使土壤微生物對(duì)碳源的利用方式發(fā)生改變與LD相比，F(xiàn)M措施增加了土壤微生物的碳源優(yōu)勢(shì)度指數(shù)，而降低了土壤微生物碳源均勻度指數(shù)。

2)FM與LD處理土壤微生物對(duì)六大類碳源的相對(duì)利用率均呈現(xiàn)出碳水類 > 羧酸 > 氨基酸 > 多聚物 >胺類 > 酚酸的趨勢(shì)；且FM與LD處理土壤微生物碳源利用能力在各時(shí)期均隨土層增加而降低。其中在0—10 cm和10—20 cm土層,各處理土壤微生物碳源利用情況均表現(xiàn)為灌漿期較高,而20—30 cm土層,表現(xiàn)為收獲期碳源利用能力較高,且差異均主要體現(xiàn)在土壤微生物對(duì)碳水類、羧酸類、氨基酸類三大類碳源的利用上。

3)在0—10 cm土層中,拔節(jié)期和灌漿期FM處理的土壤微生物碳源利用能力顯著高于LD處理；然而收獲期恰好相反,呈現(xiàn)出LD處理的土壤微生物碳源利用能力顯著高于FM處理,初步推測(cè)覆膜措施增強(qiáng)了土壤微生物和作物對(duì)表層土壤養(yǎng)分的吸收,導(dǎo)致后期土壤養(yǎng)分與土壤微生物碳源利用效率降低。