黑土母質(zhì)熟化過程微生物群落碳源代謝特征

張志明,韓曉增

中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，哈爾濱 150081

黑土母質(zhì)熟化過程微生物群落碳源代謝特征

張志明,韓曉增*

中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，哈爾濱 150081

東北黑土區(qū)由于表土喪失，母質(zhì)裸露等問題，嚴(yán)重威脅糧食生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境，通過揭示母質(zhì)肥力形成過程中微生物群落的碳源利用特征可以讓人們更好的理解肥力形成過程中相關(guān)微生物過程。以海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站長期定位試驗(yàn)為材料，研究母質(zhì)不同熟化過程下微生物群落碳源代謝特征，結(jié)果表明：苜蓿草熟化過程(PAfl)、農(nóng)田化肥配施有機(jī)物熟化過程(PCS+F+OM)可培養(yǎng)微生物數(shù)量最多。自然熟化過程(PNat)、苜蓿草熟化過程、農(nóng)田化肥農(nóng)產(chǎn)品全循環(huán)熟化過程(PCS+F+BM)、農(nóng)田化肥加有機(jī)肥配合型熟化過程可以將微生物活性提高到常規(guī)農(nóng)田黑土的水平。不同熟化過程下微生物群落對(duì)單個(gè)碳源的利用不同。主成分分析表明自然熟化過程、農(nóng)田化肥投入熟化過程(PCS+F)、農(nóng)田化肥農(nóng)產(chǎn)品全循環(huán)熟化過程、農(nóng)田化肥加有機(jī)肥配合型熟化過程與常規(guī)農(nóng)田黑土微生物代謝特征類似。研究表明不同母質(zhì)熟化過程通過影響微生物群落結(jié)構(gòu)導(dǎo)致對(duì)各個(gè)碳源的利用發(fā)生變化，最終改變了整體碳源代謝特征。

黑土母質(zhì)；熟化過程；微生物；代謝特征

我國東北平原黑土區(qū)，主要分布在小興安嶺和松嫩平原腹地之間的過渡帶[1]，所以形成了大量坡耕地，這些坡耕地開墾后，由于侵蝕導(dǎo)致表土遷移流失，嚴(yán)重的地區(qū)母質(zhì)裸露。再加上工程建設(shè)的取土和棄土，黑土表層被破壞，導(dǎo)致大量農(nóng)田母質(zhì)裸露[2]。在平原地區(qū)，對(duì)土壤掠奪性經(jīng)營，導(dǎo)致表土退化形成劣質(zhì)的土壤[3]，即是母質(zhì)裸露的表現(xiàn)。這些地區(qū)土壤的原始母質(zhì)裸露后，喪失了土壤應(yīng)有的生產(chǎn)植物的能力，同時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境也帶來了危害[4]?；趯?duì)退化嚴(yán)重土壤肥力恢復(fù)的需求，將2 m以下的黑土母質(zhì)移至地表，分別模擬自然熟化過程、種植豆科牧草熟化過程；在模擬農(nóng)田過程中，分別設(shè)置了無肥、化肥、化肥加有機(jī)肥和在施用化肥的條件下將所收獲的農(nóng)作物(秸稈和籽粒)全部還田，試圖了解母質(zhì)熟化過程中的各種肥力屬性的變化特征。

土壤肥力的恢復(fù)與重建的引擎是土壤微生物主導(dǎo)下的生物化學(xué)過程[5]，土壤微生物的碳代謝過程又是土壤生物化學(xué)過程非常重要的組成部分。1991年，Garland和Mills首次應(yīng)用Biolog系統(tǒng)分析微生物群落的碳源代謝特征[6]。隨后眾多學(xué)者利用此方法研究在施肥[7-8]、耕作[9-10]、不同植被覆蓋[11-12]和不同土壤類型[13]條件下土壤微生物群落碳源代謝特征，并以此來反映土壤肥力的變化。但是在土壤侵蝕嚴(yán)重、母質(zhì)裸露地區(qū)，對(duì)土壤肥力恢復(fù)重建過程中微生物群落碳代謝過程的研究較少。本文通過研究模擬黑土侵蝕嚴(yán)重、母質(zhì)裸露在地表后不同熟化過程下微生物群落碳源代謝的變化特征，探討不同措施對(duì)母質(zhì)肥力恢復(fù)的影響，為應(yīng)對(duì)黑土耕地資源減少和開發(fā)新的耕地資源提供思路和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

黑土母質(zhì)熟化試驗(yàn)區(qū)設(shè)置于海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站試驗(yàn)田內(nèi)(47°27′N, 126°55′E)，位于中國黑土帶中部，海拔234 m，區(qū)域內(nèi)土壤為典型中厚層黑土。試驗(yàn)區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，雨熱同季，全年降水量500—600 mm，無霜期120—130 d，≥10 ℃有效積溫2400—2500 ℃[14]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)始于2004年6月。黑土母質(zhì)是第四紀(jì)黃土狀母質(zhì)，母質(zhì)出現(xiàn)在土壤剖面的155 cm以下，試驗(yàn)所用母質(zhì)取自表層以下2.0—2.5 m深的有代表性的母質(zhì)，移入地表混勻后，等量放入24個(gè)微區(qū)中。每個(gè)微區(qū)平面長1.4 m，寬1 m，深0.6 m，底部用200目雙層尼龍網(wǎng)將試驗(yàn)?zāi)纲|(zhì)和原土分開(原土性狀與母質(zhì)相近)，不能生長根系但水分可以運(yùn)移，四周均用鋼筋混凝土鑄成，可防水側(cè)滲。試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理：(1)母質(zhì)自然熟化過程(PNat)，沒有任何人為措施，地上植物為自然生長，每年冬季枯死后自然還田；(2)母質(zhì)苜蓿草熟化過程(PAlf)，人工播種多年生苜蓿，不加任何其他措施，每年秋季地上生物量剪碎覆蓋表面還田；(3)農(nóng)田耕作無肥投入熟化過程(PCS-F)；(4)農(nóng)田耕作化肥投入熟化過程，僅施用NPK化肥(PCS+F)；(5)農(nóng)田耕作施用化肥農(nóng)產(chǎn)品全循環(huán)熟化過程，NPK化肥+每年地上所有收獲物(籽粒和秸稈)全量還田(PCS+F+BM)；(6)農(nóng)田耕作化肥加有機(jī)肥配合型熟化過程，NPK化肥+秸稈+炒熟豆粉(PCS+F+OM)，模擬有機(jī)肥。每個(gè)處理4次重復(fù)，隨機(jī)排列。(7)試驗(yàn)還采集距微區(qū)試驗(yàn)地100m處常規(guī)農(nóng)田表層黑土(SCS+F)作為對(duì)照，具體試驗(yàn)設(shè)置見表1。處理代號(hào)含有CS代表大豆-玉米輪作種植方式；P代表供試土壤為母質(zhì)；S代表供試土壤為常規(guī)農(nóng)田表層耕作黑土。處理1—2免耕；處理3—7翻耕土層深度為17 cm。不同作物每年肥料用量見表1。

表1 不同作物施肥量Table 1 Different crop fertilizer rate

1.3 樣品采集

樣品于2012年春天播種前采集，系收獲后玉米茬口，取樣時(shí)保留1個(gè)區(qū)組不取樣，取另外3個(gè)區(qū)組的小區(qū)土壤樣品供測(cè)試研究，僅采集表層，免耕處理為0—10 cm，耕作處理根據(jù)翻耕深度采集0—17 cm土樣，每個(gè)小區(qū)取樣方法為每一層土壤全部取出混勻，多次四分法取樣最終為1個(gè)樣品。其中采集前將PNat和PAlf兩個(gè)處理地表植物殘?bào)w除去。樣品取完后用封口袋封存，放入冰盒中帶回實(shí)驗(yàn)室，在4℃冰箱中保存，以備分析。

1.4 試驗(yàn)方法

土壤微生物三大菌群的數(shù)量采用平板菌落計(jì)數(shù)法測(cè)定[15]。

Biolog EcoPlate接種和培養(yǎng)：稱取相當(dāng)于5 g烘干土重的鮮土加入到裝有45 mL滅菌生理鹽水(0.85%)的三角瓶中，超聲1 min，然后在振蕩器上振蕩40 min混勻。土壤溶液稀釋至10-3濃度梯度，向ECO板中每孔加入150 μL土壤稀釋液， 28 ℃保濕避光培養(yǎng)。每隔24 h用Biolog 自動(dòng)讀數(shù)儀測(cè)量590 nm(顏色和濁度)和750 nm(濁度)波長下的數(shù)值[16]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

按照Classen[16]方法計(jì)算：

(1)平均顏色變化率(AWCD)

AWCD=∑(C590-750)/n

(2)Shannon指數(shù)H(評(píng)估物種豐富度)

H=-∑piln(pi)

(3)Simpson指數(shù)(評(píng)估某些常見種的優(yōu)勢(shì)度)

D=1-∑(pi)2

(4)Mclntosh指數(shù)(評(píng)估群落物種均勻度)

式中,C是反應(yīng)孔吸光值，n是碳源數(shù)。pi為第i孔相對(duì)吸光度值與整個(gè)平板相對(duì)吸光度值總和的比率，ni是第i孔的相對(duì)吸光值。

試驗(yàn)結(jié)果的方差分析及主成分分析采用SPSS19.0進(jìn)行。

2 結(jié)果

2.1 可培養(yǎng)微生物數(shù)量變化特征

可培養(yǎng)微生物雖然只占土壤微生物總數(shù)的0.1%—1%[17]，但它們的功能是可知的，在不同母質(zhì)熟化過程中，可培養(yǎng)微生物的豐度和類群有明顯不同的特征(表2)。母質(zhì)自然熟化過程中基本檢測(cè)不到放線菌，說明放線菌這個(gè)類群在從母質(zhì)到具有肥力的土壤熟化過程中，響應(yīng)速度較細(xì)菌和真菌慢得多；且放線菌在母質(zhì)熟化過程中，對(duì)肥料相當(dāng)敏感，在無肥料投入的3個(gè)處理中數(shù)量較少。在人工播入牧草免耕條件下，土壤可培養(yǎng)微生物總數(shù)相當(dāng)于母質(zhì)自然熟化過程的可培養(yǎng)微生物總數(shù)的2倍，證明了豆科植物苜蓿對(duì)土壤微生物有較強(qiáng)的促進(jìn)作用。

在母質(zhì)熟化的農(nóng)田過程中，不同的施肥方式對(duì)土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量有不同的促進(jìn)作用。無肥是可培養(yǎng)微生物數(shù)量的限制因子，與優(yōu)化的施肥方式(處理6)相比，僅占其1/10。從施用化肥熟化過程與化肥加有機(jī)物配合施用熟化過程比較可以看出化肥在母質(zhì)熟化初期對(duì)可培養(yǎng)微生物數(shù)量的促進(jìn)作用更大。

2.2 不同黑土熟化過程土壤微生物群落功能多樣性特征

2.2.1 土壤微生物群落平均顏色變化率的動(dòng)態(tài)變化

母質(zhì)不同熟化過程中微生物群落的平均顏色變化率(AWCD)是不同的(圖1)。AWCD越高，微生物群落活性越大。苜蓿草通過2方面影響土壤微生物，一方面表層苜蓿根系密度大，對(duì)土壤切割使改變母質(zhì)三相比；另一方面豆科植物激發(fā)母質(zhì)根瘤菌生長，增加母質(zhì)中養(yǎng)分含量，而且每年地上生物量自然還田也增加了養(yǎng)分。播種玉米和大豆(PCS-F)的母質(zhì)中微生物活性最小，自然恢復(fù)草地(PNat)母質(zhì)中的微生物活性居中。在農(nóng)田熟化過程中，肥料對(duì)母質(zhì)中微生物活性的影響是復(fù)雜的，化肥(PCS+F)是母質(zhì)中微生物活性降低的直接控制因子，有機(jī)物料(PCS+F+BM；PCS+F+OM)提升母質(zhì)中微生物活性可以達(dá)到農(nóng)田表層黑土(SCS+F)的水平。

表2 不同處理對(duì)微生物數(shù)量的影響Table 2 Effect of different application on microorganism amounts

同列不同小寫字母代表處理間差異顯著(P<0.05);PNat: 母質(zhì)自然熟化過程Parent-Natural;PAlf: 母質(zhì)苜蓿草熟化過程Parent-Alfalfa;PCS-F: 農(nóng)田耕作無肥投入熟化過程Parent Corn-Soybean-No Fertilizer;PCS+F: 農(nóng)田耕作化肥投入熟化過程Parent Corn-Soybean-Fertilizer;PCS+F+BM: 農(nóng)田耕作施用化肥農(nóng)產(chǎn)品全循環(huán)熟化過程Parent Corn-Soybean+Fertilizer+Biomass cycle;PCS+F+OM: 農(nóng)田耕作化肥加有機(jī)肥配合型熟化過程Parent Corn-Soybean+Fertilizer+Oganic Matter;SCS+F: 常規(guī)農(nóng)田表層黑土Stander Soil Corn-Soybean+Fertilizer

圖1 土壤微生物群落AWCD隨培養(yǎng)時(shí)間的變化 Fig.1 AWCD changes with incubation time of different treatmentsPNat: 母質(zhì)自然熟化過程Parent-Natural;PAlf: 母質(zhì)苜蓿草熟化過程Parent-Alfalfa;PCS-F: 農(nóng)田耕作無肥投入熟化過程Parent Corn-Soybean-No Fertilizer;PCS+F: 農(nóng)田耕作化肥投入熟化過程Parent Corn-Soybean-Fertilizer;PCS+F+BM: 農(nóng)田耕作施用化肥農(nóng)產(chǎn)品全循環(huán)熟化過程Parent Corn-Soybean+Fertilizer+Biomass cycle;PCS+F+OM: 農(nóng)田耕作化肥加有機(jī)肥配合型熟化過程Parent Corn-Soybean+Fertilizer+Oganic Matter;SCS+F: 常規(guī)農(nóng)田表層黑土Stander Soil Corn-Soybean+Fertilizer

2.2.2 土壤微生物群落對(duì)各類碳源的利用特征

從圖2可知，黑土母質(zhì)熟化過程中，各處理母質(zhì)中的微生物主要利用的碳源均為糖類和氨基酸類，其次是羧酸類和聚合物類。但是從表3中知道，母質(zhì)自然熟化過程、母質(zhì)苜蓿草熟化過程和常規(guī)農(nóng)田土壤微生物群落利用率最高的5個(gè)碳源種類一致，都是氨基酸類和糖類。在有人為影響的農(nóng)田熟化過程中，微生物群落利用最高的5個(gè)碳源與成熟的常規(guī)農(nóng)田黑土不一致，沒有肥料投入的熟化過程(PCS-F)中利用率最高的5個(gè)碳源沒有糖類；投入化肥后(PCS+F)后，依然有羧酸和聚合物類，但增加了2個(gè)糖類碳源；施用秸稈(PCS+F+BM)和秸稈+豆粉(PCS+F+OM)后利用率最高的5個(gè)碳源中沒有聚合物類，但依然有羧酸類碳源，而且在PCS+F+OM中有3個(gè)氨基酸類碳源。

2.2.3 主成分分析

不同熟化過程下土壤微生物群落對(duì)31種碳源利用的主成分分析(圖3)，本文共提取4個(gè)主成分，前2個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率分別是29.56%和20.80%，第3、4個(gè)主成分貢獻(xiàn)率是18.85%和11.83%。所有處理在PC1軸上分成3類，母質(zhì)苜蓿草熟化過程為一類；農(nóng)田化肥熟化過程為一類；其余熟化過程為一類，而且這一類與常規(guī)農(nóng)田黑土微生物群落碳源利用特征相似。對(duì)PC1產(chǎn)生相對(duì)較大影響的碳源是糖類和氨基酸類(表4)。

圖2 不同處理下土壤微生物群落對(duì)Biolog板中6類碳源相對(duì)利用率 Fig.2 Relative use efficiency of six kinds of carbon sources in Biolog EcoPlate by soil microbe community of different treatments

圖3 不同熟化過程下的土壤微生物群落對(duì)31種碳源利用的主成分分析 Fig.3 Principal components analysis of carbon source utilization by soil microbial communities in soil maturation process

表3 各處理利用最高的5個(gè)碳源Table 3 The highest utilization rate of 5 carbon sources in all treatments

表4 各碳源與PC1和PC2的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficients between all substrates and PC1 and PC2

3 討論

將黑土母質(zhì)從地下2—2.5 m處相對(duì)封閉的環(huán)境移到地表相對(duì)開放的環(huán)境中，在不同的熟化過程中可培養(yǎng)微生物數(shù)量產(chǎn)生不同的變化。植被類型(PAlf,PCS-F)和肥料(PCS-F,PCS+F+OM)對(duì)母質(zhì)中可培養(yǎng)微生物數(shù)量影響非常大?？膳囵B(yǎng)放線菌對(duì)肥料非常敏感，在沒有肥料投入的熟化過程中放線菌基本檢測(cè)不到。本試驗(yàn)選取附近常規(guī)農(nóng)田表層黑土作為對(duì)照，常規(guī)農(nóng)田表層黑土的細(xì)菌∶放線菌∶真菌=364.54∶3.77∶1；農(nóng)田化肥有機(jī)肥配合熟化過程的細(xì)菌∶放線菌∶真菌=371.79∶1.25∶1；農(nóng)田化肥農(nóng)產(chǎn)品全循環(huán)熟化過程的細(xì)菌∶放線菌∶真菌=390.7∶1.52∶1；農(nóng)田化肥投入熟化過程的細(xì)菌∶放線菌∶真菌=368.26∶1.43∶1。農(nóng)田無肥投入熟化過程的細(xì)菌∶真菌=119.27∶1；母質(zhì)苜蓿草熟化過程的細(xì)菌∶真菌=1299.87∶1；母質(zhì)自然熟化過程的細(xì)菌∶真菌=1438.26∶1，母質(zhì)苜蓿草熟化過程的可培養(yǎng)微生物總數(shù)是自然熟化過程的2倍，但是各類群微生物數(shù)量比值相似，說明播種苜蓿比自然恢復(fù)對(duì)母質(zhì)微生物數(shù)量的發(fā)展有更好的作用。各個(gè)處理與自然熟化過程比較說明農(nóng)田化肥有機(jī)肥配合熟化過程、農(nóng)田化肥農(nóng)產(chǎn)品全循環(huán)熟化過程和農(nóng)田化肥投入熟化過程的微生物數(shù)量性狀發(fā)展逐漸接近常規(guī)農(nóng)田黑土；母質(zhì)苜蓿草熟化過程和母質(zhì)自然熟化過程中細(xì)菌群落繁衍的極為迅速；農(nóng)田無肥投入熟化過程各類微生物均發(fā)展很慢。

在本研究中可以看出不同植被類型對(duì)母質(zhì)中微生物活性有很強(qiáng)的控制作用。AWCD越高微生物活性越高[18]，代謝活動(dòng)越旺盛，合成和分解的養(yǎng)分越多，各個(gè)養(yǎng)分元素循環(huán)的速度快，對(duì)母質(zhì)肥力的形成有更強(qiáng)的促進(jìn)作用。苜蓿對(duì)微生物群落的活性有很好的提高作用。杜天慶[19]、楊珍平[20]研究表明，苜蓿等豆科植物對(duì)黃土母質(zhì)孔隙度、容重和團(tuán)聚體有很好的改良作用，固氮作用可以提高土壤氮素營養(yǎng)及有機(jī)質(zhì)含量，對(duì)母質(zhì)有良好的改良效果。本試驗(yàn)結(jié)果看出，不投入有機(jī)物質(zhì)種植農(nóng)作物對(duì)微生物活性提高效果最差。而母質(zhì)自然熟化過程前兩年沒有生物量產(chǎn)出，之后幾年植被逐漸增加，經(jīng)過8a地上地下產(chǎn)生的生物量和可培養(yǎng)微生物數(shù)量仍遠(yuǎn)小于母質(zhì)苜蓿草熟化過程，但母質(zhì)自然熟化過程的AWCD與母質(zhì)苜蓿草熟化過程已經(jīng)在同一水平。

肥料是微生物群落活性的關(guān)鍵影響因素。秸稈含有大量碳水化合物以及氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，秸稈還田具有改善土壤結(jié)構(gòu)，補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，激發(fā)微生物活性等作用[21]，且與無機(jī)肥料配施對(duì)改善土壤養(yǎng)分狀況和維持土壤微生物活性有明顯效果[8]。祁陽紅壤實(shí)驗(yàn)站“生土熟化”長期定位試驗(yàn)的研究表明，有機(jī)無機(jī)肥配施和秸稈還田是快速提高母質(zhì)肥力的措施[22]，有機(jī)質(zhì)含量與有機(jī)物投入量呈顯著正相關(guān)[23]。農(nóng)田熟化過程的地上植被完全相同，而化肥有機(jī)肥配合熟化過程和化肥農(nóng)產(chǎn)品全循環(huán)熟化過程的AWCD顯著高于無肥投入熟化過程，處理間僅有施肥上的不同，說明向母質(zhì)中施入化肥加秸稈和豆粉等有機(jī)物質(zhì)，通過增加了微生物利用的底物，從而提高了微生物群落的代謝活性。常規(guī)農(nóng)田黑土的可培養(yǎng)微生物數(shù)量顯著低于農(nóng)田化肥有機(jī)肥配合熟化過程、農(nóng)田化肥農(nóng)產(chǎn)品全循環(huán)熟化過程，但是AWCD卻是在同等水平；農(nóng)田化肥投入熟化過程的可培養(yǎng)微生物數(shù)量顯著高于常規(guī)農(nóng)田黑土，但AWCD與常規(guī)農(nóng)田黑土相比卻低得多，說明種植作物僅施用化肥熟化方式可以刺激母質(zhì)中微生物數(shù)量增加，但對(duì)微生物群落的活性的提高程度有限，而化肥與有機(jī)物配施熟化方式不僅能提高可培養(yǎng)微生物數(shù)量，而且能將其活性提高到常規(guī)農(nóng)田黑土的水平。

母質(zhì)在不同的熟化過程下各類碳源的利用情況也發(fā)生了變化。各個(gè)熟化過程中微生物群落主要利用糖類和氨基酸類碳源，其次是羧酸和聚合物類碳源，與常規(guī)農(nóng)田黑土一致。常規(guī)農(nóng)田黑土利用最高的5個(gè)碳源是氨基酸類(1個(gè))和糖類(4個(gè))，母質(zhì)自然熟化過程和母質(zhì)苜蓿草熟化過程利用最高的5個(gè)碳源是糖類和氨基酸類。農(nóng)田無肥投入熟化過程利用最高的5個(gè)碳源是氨基酸類、羧酸類和聚合物類；農(nóng)田化肥投入熟化過程是氨基酸類、糖類、羧酸類和聚合物類；農(nóng)田化肥農(nóng)產(chǎn)品全循環(huán)熟化過程和農(nóng)田化肥有機(jī)肥配合熟化過程利用最高的5個(gè)碳源是氨基酸類、糖類和羧酸類。農(nóng)田熟化過程中，微生物對(duì)碳源的利用情況有很大不同，但處理之間只有施入物質(zhì)的差異，所以投入不同是導(dǎo)致碳源利用差異的唯一原因。長期施用某類物質(zhì)會(huì)使微生物利用的碳源趨于穩(wěn)定，施入熟大豆粉進(jìn)入土壤中，刺激了以蛋白質(zhì)為碳源、氮源和能源的微生物的生長。而且有機(jī)物的施入減少了微生物對(duì)羧酸類和聚合物類碳源的利用率。不同熟化方式下微生物群落對(duì)31個(gè)碳源的利用表現(xiàn)出不同的規(guī)律，也說明不同熟化方式對(duì)母質(zhì)肥力形成過程中對(duì)土壤碳庫的影響不同。

主成分分析共提取了4個(gè)主成分，本文只對(duì)前兩個(gè)主成分進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明不同熟化過程影響下的土壤微生物群落對(duì)碳源利用情況差異顯著(圖3)。整體碳源代謝特征的不同也間接體現(xiàn)了不同熟化措施對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。除母質(zhì)苜蓿草熟化過程和農(nóng)田化肥投入熟化過程外，其他熟化過程的整體微生物碳源代謝特征與常規(guī)黑土農(nóng)田相似，不同的熟化過程對(duì)母質(zhì)中微生物在氨基酸類和糖類碳源利用能力上的影響是導(dǎo)致微生物群落碳源代謝特征變化的主要原因。母質(zhì)苜蓿草熟化過程由于苜蓿的固氮作用激發(fā)了與氮素循環(huán)有關(guān)的微生物大量生長；農(nóng)田化肥投入熟化過程連續(xù)8年只施用無機(jī)肥料會(huì)對(duì)母質(zhì)pH值產(chǎn)生影響，雖然增加了可培養(yǎng)微生物數(shù)量，但也積累了毒害物質(zhì)和抑制某些類微生物類群的發(fā)展，所以這兩個(gè)熟化過程的碳源利用特征與其他熟化過程不同。

不同熟化過程使母質(zhì)微生物對(duì)碳源利用能力、碳源利用率和群落功能表現(xiàn)上產(chǎn)生了較大差異，這些信息反映了母質(zhì)微生物群落對(duì)不同熟化過程的響應(yīng)程度，可以為土壤退化嚴(yán)重地區(qū)研究土壤肥力重建提供依據(jù)。

4 結(jié)論

母質(zhì)由地下相對(duì)封閉環(huán)境到地表相對(duì)開放環(huán)境后，為使母質(zhì)肥力快速形成采取了不同的熟化措施，得出以下結(jié)論：

自然熟化過程、苜蓿草熟化過程、農(nóng)田耕作化肥投入熟化過程和農(nóng)田化肥有機(jī)物配施熟化過程都可以顯著提高黑土母質(zhì)中可培養(yǎng)微生物數(shù)量，農(nóng)田耕作化肥投入熟化過程和農(nóng)田化肥有機(jī)物配施熟化的微生物數(shù)量性狀發(fā)展逐漸接近成熟黑土；母質(zhì)自然熟化過程、母質(zhì)苜蓿草熟化過程中細(xì)菌群落繁衍的極為迅速；農(nóng)田耕作無肥投入熟化過程中各類微生物均發(fā)展很慢。

植被和肥料對(duì)微生物活性有很強(qiáng)的影響，自然熟化過程、苜蓿草熟化過程、農(nóng)田化肥有機(jī)物配施熟化過程顯著提高母質(zhì)中微生物的活性，達(dá)到成熟黑土的水平。主成分分析顯示母質(zhì)苜蓿草熟化過程和農(nóng)田化肥投入熟化過程對(duì)母質(zhì)微生物群落產(chǎn)生了不同的影響，所以整體碳源利用特征與常規(guī)農(nóng)田黑土和其他熟化過程不同。

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Microbial metabolic characteristics of carbon in the black soil parent material maturation process

ZHANG Zhiming, HAN Xiaozeng*

NationalObservationStationofHailunAgroecologySystem,NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciences,Harbin150081,China

The northeastern region of China represents the country′s largest commodity grain base. The Mollisols present in this northeastern region are very suitable for farming. However, the loss of top layer Mollisols and exposure of parent material have severely threatened the ecological environment and national food security in northeastern China. The soil microbial biochemistry process is the engine required for the reconstruction for soil fertilizers. Thus, it is important to characterize the pattern of carbon utilization by soil microbial communities during the parent maturation process to understand how microbial processes contribute to soil fertility. This study focuses on the carbon utilization pattern of soil microbial communities under different long-term maturing treatments at the national observation station of the Hailun Agroecology System. The results showed that Parent-Alfalfa (PAlf), Parent Corn-Soybean+Fertilizer+Biomass cycle (PCS+F+BM), and Parent Corn-Soybean+Fertilizer+Oganic Matter (PCS+F+OM) treatments contained the highest number of microorganisms. Parent-Natural (PNat), PAlf, PCS+F+BM, and PCS+F+OM treatments increased microbial activity to the level recorded under conventional farmland treatment. Different maturing process treatments produced different carbon utilization patterns in the microbial community. In all treatments, the highest utilization rate of the carbon source was carbohydrate. Principal component analysis indicated that the microbial metabolic characteristics under PNat, Parent-No Fertilizer (PCS-F), PCS+F+BM, and PCS+F+OM processes were similar to that those under Stander Soil Corn-Soybean+Fertilizer (SCS+F) treatment. We conclude that the change in microbial community structure under different maturing processes caused variations in the carbon utilization pattern, which ultimately influenced the metabolism characteristics of the overall carbon sources.

black soil parent material; maturing processes; microbial; metabolic characteristics

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助(201203030, 201303126)；國家自然科學(xué)基金資助(41371296)

2013- 12- 31;

日期:2015- 04- 14

10.5846/stxb201312313078

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xzhan@neigaehrb.ac.cn

張志明,韓曉增.黑土母質(zhì)熟化過程微生物群落碳源代謝特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(21):6957- 6964.

Zhang Z M, Han X Z.Microbial metabolic characteristics of carbon in the black soil parent material maturation process.Acta Ecologica Sinica,2015,35(21):6957- 6964.