水田改果園后土壤性質的變化及其特征

楊東偉, 章明奎

浙江大學環(huán)境與資源學院, 杭州 310058

水田改果園后土壤性質的變化及其特征

楊東偉, 章明奎*

浙江大學環(huán)境與資源學院, 杭州 310058

近年來，水田改作經(jīng)濟林地，在我國南方地區(qū)非常普遍。為深入了解這一轉變對土壤質量的影響，以浙江省典型水稻土(青粉泥田)及其改果園不同年限的系列表層土壤(0—15 cm)為研究對象，應用磷脂脂肪酸生物標記等方法，研究了水田改果園后土壤理化性質和微生物群落結構等性質的變化以及它們之間的關系。結果表明，水田改果園后，土壤中大于0.25 mm水穩(wěn)定性團聚體、鹽基飽和度、pH值、有機質、全氮和堿解氮等隨著改果園年限的延長而顯著降低(P<0.05)。土壤微生物生物量碳氮、微生物商和土壤呼吸強度隨改果園年限增加而顯著下降(P<0.01)。土壤微生物群落結構也發(fā)生明顯變化：磷脂脂肪酸總量顯著降低(P<0.01)，微生物種類減少，原生動物在土壤微生物中所占比例增加，革蘭氏陰性細菌與革蘭氏陽性細菌比值降低(P<0.01)，好氧細菌/厭氧細菌和甲烷氧化菌/細菌增加(P<0.01)，表征養(yǎng)分脅迫的環(huán)丙基脂肪酸/前體物和異式脂肪酸/反異支鏈脂肪酸顯著增加(P<0.01)。冗余分析表明，土壤含水率、有機質和堿解氮是決定水田和果園土壤微生物群落結構差異的最重要因子(P<0.01)；改果園后，土壤微生物群落結構發(fā)生了階段性變化，不同利用方式對微生物群落結構的影響程度要大于同一利用方式耕作不同年限對微生物群落結構的影響。研究表明，水田改果園后土壤理化性質以及生物學性質發(fā)生退化，土壤質量下降；而水田中微生物數(shù)量和種類都比較豐富，因而認為水田是土壤(地)可持續(xù)利用的一種有效方式。

土地利用方式; 土壤性質; 微生物群落結構; 磷脂脂肪酸; 土壤質量

水稻田不僅是我國主糧(稻谷)的生產基地, 也是我國重要的人工濕地生態(tài)系統(tǒng)[1]，其在區(qū)域生態(tài)(水/熱/生物)平衡、物質循環(huán)等方面具有非常積極的意義。近年來我國水稻播種面積呈下降趨勢，2011年全國水稻種植面積為3005.7萬hm2，比1997年減少170.8萬hm2[2]。浙江素有“魚米之鄉(xiāng)”之稱，水田面積常年占糧食播種面積的70%以上。近來浙江省水稻播種面積連年減少，2011年水稻播種面積為89.5萬hm2，比1997年減少119.1萬hm2，除雙季稻改單季稻原因外，由于改種其它作物或用作其它用途致使水稻播種面積減少89.6萬hm2[3]。另外，統(tǒng)計顯示1997年至2007年間，浙江省有3.1萬hm2耕地改為林、桑、茶、果園[3]。農戶追求更高經(jīng)濟效益或缺水是水田改為果園等經(jīng)濟林的主要動因。

土地利用方式變化是影響土壤質量最普遍、最直接、最深刻的因素[4]，近年來不合理的土地利用所引起的土壤質量問題日益突出。隨著人們對土壤健康質量的重視，一些學者對水田轉變?yōu)槠渌梅绞胶笸寥佬再|的變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)水田改旱作后土壤pH值、有機質、微生物生物量碳氮及活性下降[5- 9]。20世紀 70年代末80年代初，磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid，PLFA)譜圖分析技術被用于對微生物群落結構的定量分析[10- 11]。Bossio等應用PLFA生物標記法研究發(fā)現(xiàn)土壤類型、土地利用方式及利用年限都會對土壤微生物結構產生重要影響[12- 13]。Xue等采用PLFA譜圖分析技術等方法對比了不同利用方式和同一利用方式不同利用年限對微生物群落結構的影響，結果表明前者會對微生物群落結構產生更顯著影響[14]。Bossio等采用PLFA生物標記法研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物群落結構對土壤淹水的反應非常敏感[15]。然而，姚槐應等應用PLFA生物標記法研究發(fā)現(xiàn)稻田土壤經(jīng)常處于淹水的條件下，一些厭養(yǎng)微生物特征脂肪酸與其它土壤并沒有太大的差異，表明水田土壤的微生物群落與其它土壤差別不大，他們認為水田中微生物可能對淹水這類環(huán)境脅迫有一定的抗性[16]。

目前有關土地利用方式的研究主要集中在土壤基本性質的差異方面，而在利用方式改變后土壤質量隨著時間的演變規(guī)律，土壤微生物群落對土壤環(huán)境因子變化的響應機制及其動態(tài)變化過程方面尚缺乏系統(tǒng)研究。本文以浙江水網(wǎng)平原為研究區(qū),選取典型水稻土及其改果園后的系列土壤為研究對象，采用時空互代法，研究了水田轉變?yōu)楣麍@以及果園不同利用年限對土壤環(huán)境因子和微生物群落結構的影響，以期揭示利用方式改變后土壤質量演變過程及微生物群落結構對土壤環(huán)境因子變化的響應規(guī)律，并希望利用土壤微生物的預警作用正確評價土壤肥力狀況的變化，為防止土壤退化和促進土壤(地)資源的可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣點基本情況

研究區(qū)位于浙江省杭州市余杭區(qū)瓶窯鎮(zhèn)窯北村，地理坐標位于30°24′21″—30°24′27″N，119°56′15″ —119°56′26″ E之間，海拔3 m，屬于杭嘉湖平原，質地為粉粘壤土[17]，樣品采集在15.0 hm2的范圍內進行。研究區(qū)內地勢平坦，地貌類型單一，土壤發(fā)育于均一的湖相沉積物之上。據(jù)對研究區(qū)內5個剖面土壤(平均深度130 cm，2個水田土壤剖面，3個果園土壤剖面)調查，表明研究區(qū)內土壤母質和發(fā)生層組成相當一致，它們的土壤剖面形態(tài)特征、發(fā)生層組合及分布與土壤質地的深度分布接近。研究區(qū)目前土地利用方式主要為水田和果園，果樹種植前土地利用方式也為水田，即研究區(qū)土地背景和土壤類型一致，研究區(qū)內土壤性狀的變化主要是利用方式改變后水分管理和施肥水平等方面差異引起的。因作物生長需要，水田土壤中水分含量較高，另外，平均每畝單季稻要施用尿素15 kg，過磷酸鈣30 kg，氯化鉀8 kg，以及復合肥15 kg；桃園中溝渠縱橫有于排水，為桃樹提供了干燥的生長環(huán)境，在其生長期內平均1—2個月使用1次除草劑和殺蟲劑，施肥方式以桃樹周圍環(huán)狀溝施為主，平均每畝施用尿素20 kg，過磷酸鈣65 kg，氯化鉀30 kg，復合肥80 kg，以及雞糞1200 kg。總體上，研究區(qū)內同一種利用方式(水田或果園)，土地管理方式相似；不同利用方式相比較，果園較水田施肥量大，灌溉量小，農藥用量大。

1.2 樣品采集與處理

于2012年9月中旬在研究區(qū)內選擇了18塊代表性農田，采集了18個混合土樣(每一田塊采集1個混合樣)。其中，水田樣品2個，不同園齡果園土壤樣品16個。水田樣品采集時，水稻尚未收獲，表面有少量積水。每一樣品采用梅花狀布點采樣法由多點采樣混合而成，每一田塊分樣點數(shù)在5個以上，采集深度為0—15 cm。將采集的土壤樣品置于塑料袋內，用冰塊冷藏帶回實驗室，去除可見的根系等動植物殘體和石塊，混勻分成3份，取1份原狀土壤沿自然破碎面輕輕將大塊掰開，自然風干，測定土壤水穩(wěn)定性團聚體，余下部分分別過2 mm、1 mm和0.15 mm孔徑篩，測定其它理化指標；另一份新鮮土樣過2 mm篩，放4 ℃冰箱后1周內完成土壤微生物量、土壤呼吸強度等指標測定；第3份土樣冷凍干燥，放-80 ℃冰箱保存，測定土壤微生物磷脂脂肪酸含量。其它土壤樣品信息詳見表1。

表1 土壤樣品信息

1.3 土壤理化性質分析

土壤顆粒組成采用吸管法；質地采用國際制；水穩(wěn)定性團聚體采用濕篩法；pH值采用土液比1∶2.5水浸提法；有機質含量采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法；交換性鹽基采用原子吸收光譜法；全氮采用凱氏定氮法；堿解氮采用堿解擴散法；全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法；速效磷采用0.05 mol/L HCl和0.0125 mol/L H2SO4提取-鉬銻抗比色法；全鉀采用NaOH熔融-火焰光度法；速效鉀采用NH4OAc浸提-光焰光度計法，具體分析方法詳見文獻[18]。

1.4 土壤生物學性質分析

土壤微生物生物量碳氮采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提，TOC自動分析儀測定；土壤呼吸量采用靜態(tài)氣室法，具體分析方法詳見文獻[18]。土壤微生物磷脂脂肪酸測定方法：稱取3 g冷凍干燥后的土壤樣品于特氟龍管內，用氯仿-甲醇-檸檬酸鹽緩沖液提取總脂類，通過硅膠柱層析法分離得到磷脂脂肪酸，然后經(jīng)堿性甲酯化后用氣相色譜分析土壤微生物磷脂脂肪酸的含量，氣相色譜分析儀為Agilent 6890N氣相色譜儀(FID檢測器)，結合MIDI Sherlock 微生物鑒定系統(tǒng)(Version 4.5)對各成分脂肪酸進行鑒定，內標為正十九烷酸甲酯(19:0)[19]。

本研究采用一種或多種特征脂肪酸之和表示土壤微生物的絕對含量和相對豐度，如用12:00、i14:0、14:00、a15:0、15:00、i15:0、15:0 2OH、15:0 3OH、a16:0、16:1 ω9c、16:1ω5c、16:00、16:0 N alcohol、17:00、a17:0、cy 17:0、18:00、18:1 ω7c、18:1 ω5c、17:0 ISO 3OH、i19:0和cy19:0 ω8c表征細菌的特征脂肪酸[20- 25]；用18:2 ω6c、18:3 ω6c (6,9,12)和20:1 ω9c來表征真菌的特征脂肪酸；用16:0 (10Me)、17:0 (10Me)、18:0 (10Me)和19:0 (10Me)表征放線菌的特征脂肪酸；用20:4 ω6,9,12,15c來表征原生動物的特征脂肪酸；16:1 ω5c、17:1 ω8c、18:1 ω5c、18:1 ω7c和cy17:0表征革蘭氏陰性細菌的特征脂肪酸；用i14:0、a15:0、i15:0、a16:0、i16:0、a17:0、i17:0和a18:0表征革蘭氏陽性細菌的特征脂肪酸；用a15:0、i15:0、15:0、i16:0、a17:0、i17:0和17:0表征好氧細菌的特征脂肪酸；用18:1 ω7c表征厭氧細菌的特征脂肪酸[20- 25]。用16:1ω5c表征甲烷氧化菌的特征脂肪酸[23,26]；用16:0 (10Me)表征硫酸鹽還原菌[22- 23]；用環(huán)丙烷脂肪酸和其單體之比[(cy17:0+cy19:0ω8c): (16:1ω9c+18:1ω7c+18:1ω9c)]及異構PLFAs:反異構PLFAs [(i14:0+i15:0+i16:0+i17:0): (a14:0+a15:0+a16:0+a17:0)]表征微生物對養(yǎng)分脅迫的響應[20- 21]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003軟件處理數(shù)據(jù)并作圖；采用 SPSS 17.0 軟件進行相關性分析(Pearson法)和方差分析(LSD法)；采用Canoco 4.5軟件進行冗余分析后Origin 8.0制圖。

2 結果與分析

為使分析結果更加清晰明了，本文在對土壤理化性質和部分生物學性質進行分析時，先依據(jù)下文冗余分析的結果，將果園土壤分為新果園土壤(S3—S11, ≤14a)和老果園土壤(S12—S18, >14a)兩個階段，進而與水田土壤進行對比(表2)。

2.1 土壤理化性質

如表2所示，水田改果園后，隨著改果園年限的延長，土壤中大于0.25 mm的水穩(wěn)定性團聚體逐漸下降，并與園齡呈極顯著負相關(r=-0.69,P<0.01,n=18)；土壤有機質呈現(xiàn)先降低后小幅增加的趨勢，與園齡呈極顯著負相關(r=-0.69,P<0.01,n=18)；土壤pH值和鹽基飽和度呈降低趨勢，并與園齡呈顯著負相關(r分別為-0.49、-0.53,P<0.05,n=18)。

果園土壤中全磷含量隨著改果園年限的延長而逐漸增加，而土壤全氮含量逐漸降低(表2)，并與園齡呈極顯著相關(r分別為 0.70、-0.72,P<0.01,n=18)；水田土壤和果園土壤中全鉀含量差異不明顯(表2)，與園齡未達到顯著水平(r=0.20,P>0.05,n=18)。兩種利用方式相對比，有效態(tài)養(yǎng)分的變化非常明顯，果園土壤中有效磷和有效鉀含量明顯高于水田，而堿解氮含量明顯低于水田(表2)，并與園齡相關性達到極顯著水平(r分別為 0.87、0.77、-0.69,P<0.01,n=18)。

表2 土壤理化性質(均值±標準差)

2.2 土壤微生物生物量和土壤呼吸強度

水田改果園后，土壤微生物生物量碳氮和土壤呼吸強度都隨著改果園年限的延長而逐漸降低，并與園齡呈極顯著負相關(圖1和圖2)，此外，土壤呼吸強度與土壤微生物生物量碳呈極顯著正相關(r=0.81,P<0.01,n=18)，以上結果與李忠佩等[27]關于不同利用方式下微生物量及土壤呼吸強度差異性的結論基本一致。水田中微生物商在4.1%—4.5%之間，果園中微生物商在1.4%—3.7%之間，其值隨著改果園年限的延長而逐漸降低，并與園齡呈極顯著負相關(r=-0.84,P< 0.01,n=18)。

圖1 土壤微生物生物量碳氮與園齡的關系

圖2 土壤呼吸強度與園齡的關系

2.3 土壤微生物磷脂脂肪酸

磷脂脂肪酸存在于所有活體細胞膜中且隨菌體死亡而迅速降解，因此被廣泛作為土壤微生物群落的生物標記[22]。本研究采用PLFA生物標記法分析水田改果園后土壤微生物多樣性和微生物群落結構的變化。如圖3所示，改果園后，受土壤中微生物主要營養(yǎng)物質水分、碳源和氮源下降等因素的影響，土壤微生物總PLFAs含量呈降低趨勢，并與園齡呈極顯著負相關(r=-0.81,P<0.01,n=18)，與微生物生物量碳呈極顯著正相關(r=0.90,P<0.01,n=18)。同時，土壤中細菌、真菌、放線菌的含量減少；真菌在土壤微生物中所占比例降低(圖3)。革蘭氏陰性細菌/革蘭氏陽性細菌(Gram negative bacteria/Gram positive bacteria, G-/G+)呈現(xiàn)降低的趨勢(圖4)，并與園齡呈極顯著負相關(r=-0.68,P<0.01,n=18)。此外，水稻土樣品中平均檢測到57種PLFAs，果園土壤樣品中平均檢測到47種PLFAs，說明水田改果園后，土壤微生物PLFAs種類減少。水田改果園后，受土壤通氣性增強等因素的影響，土壤微生物群落結構發(fā)生變化。由于絕大多數(shù)原生動物和放線菌是好氧微生物[28]，因而，水田改果園后原生動物和放線菌在土壤微生物中所占比例增加(圖3)；另外，在水田土壤中甲烷氧化菌占細菌比例約為3.0%，在老果園土壤中增加到4.6%，并且該比率與園齡呈極顯著正相關(r=0.74,P<0.01,n=18)；好氧細菌/厭氧細菌(Aerobic bacteria/ Anaerobic bacteria, Aerobic/Anaerobic)顯著增加(圖4)，并與園齡呈極顯著正相關(r=0.62,P<0.01,n=18)。受土壤通氣性增強等因素的影響，在水田土壤中硫酸鹽還原菌占細菌比例約為14.6%，在老果園土壤減少到12.3%。

圖3 水田、新果園和老果園土壤中不同種群微生物的比例和土壤微生物總磷脂脂肪酸

在饑餓壓力下，革蘭氏陰性菌會把某些單烯PLFA轉化為環(huán)丙基脂肪酸，因此環(huán)丙基脂肪酸和前體物的比值(cyclo/precurso, Cy/Pre)可以用來指示微生物所處的壓力狀態(tài)[20]。本研究中，表征養(yǎng)分脅迫的Cy /Pre呈增加趨勢(圖4)，并與園齡呈極顯著正相關(r=0.59,P<0.01,n=18)，與PLFAs總量呈顯著負相關(r= -0.55,P<0.05,n=18)。另外，有研究表明，用異式脂肪酸(Iso fatty acids, Iso)和反異支鏈脂肪酸(Anteiso fatty acids, Anteiso)比值可以表征養(yǎng)分脅迫[20- 21]，本研究中Iso/Anteiso增加(圖4)，與園齡呈極顯著正相關(r=0.68,P< 0.01，n=18)，與PLFA總量呈極顯著負相關(r=-0.79,P< 0.01,n=18)。以上結果說明，水田改果園后，養(yǎng)分對微生物的脅迫增加，并引起土壤微生物數(shù)量的減少。

圖4 水田、新果園和老果園土壤中不同類型微生物脂肪酸絕對含量和其相對比例

2.4 土壤理化性質與微生物學指標的相關性分析

以表征土壤微生物種類(以下簡稱物種)的PLFA和環(huán)境因子矩陣為基礎數(shù)據(jù)，應用冗余分析(Redundancy Analysis, RDA)方法分別對土壤樣品中74種PLFAs進行二維排序，得到RDA二維排序圖(圖5)。在二維排序圖中，物種之間或樣本之間連線，表示它們之間親疏或相似關系，在某一區(qū)域內物種之間或樣品之間距離較短，說明在這些區(qū)域內部物種或樣品差異性較小，相似性較大；樣本與物種之間連線表示物種在樣品內相對多度的變化，越短表示樣本中含有該物種越多。環(huán)境因子與排序軸之間夾角余弦值或環(huán)境因子之間夾角余弦值表示它們之間相關性大小，箭頭所指的方向表示該環(huán)境因子的變化趨勢。

由于土壤樣品中微生物群落結構的差異，水田和改果園不同年限樣本分別在α、β和γ陰影區(qū)聚集，不同物種分別在A、B和C區(qū)域聚集，并明顯區(qū)分開，說明改果園后土壤微生物群落結構發(fā)生了階段性變化。依據(jù)水田改果園不同年限土壤樣本在RDA排序圖中分布的結果(圖5)，將水田改果園≤14a土壤(S3—S11,β區(qū)域)劃分為新果園土壤，>14a改果園土壤(S12—S18,γ區(qū)域)劃分為老果園土壤，那么區(qū)域α、β、γ和A、B、C分別代表對照(水田)、新果園土壤、老果園土壤樣本和該類樣本中最適物種。本研究中表征厭氧細菌的特征脂肪酸18:1 ω7c和硫酸鹽還原菌的特征脂肪酸16:0(10Me)分布在Group A區(qū)域中(圖5)，表明厭氧細菌和硫酸鹽還原菌適宜于在水田厭氧環(huán)境下生存；表征原生動物特征脂肪酸的20:2 ω6,9c和20:4 ω6,9,12,15c分別分布在Group B和Group C區(qū)域中(圖5)，表明原生動物更適宜在果園土壤中生存。

RDA分析結果顯示，第一排序軸解釋了樣本中93.1%的變異，第二排序軸解釋了樣本中 1.4%的變異，前4個排序軸共同解釋了土壤微生物群落結構演替中95.6%的變異(表3)。前兩個排序軸的物種-環(huán)境相關系數(shù)均達到0.97以上(表3)，說明土壤微生物區(qū)系與土壤環(huán)境因子之間有很強關聯(lián)性，土壤環(huán)境因子改變是影響土壤微生物群落結構的主要原因。另外，如表4所示，第一排序軸與土壤含水率、大于0.25 mm水穩(wěn)定性團聚體、鹽基飽和度、pH值、有機質、全氮、堿解氮和有效鉀都呈顯著(P<0.05)或極顯著(P< 0.01)相關，第二排序軸與全磷和有效磷呈極顯著負相關(P< 0.01)。

圖5 土壤微生物磷脂脂肪酸RDA排序圖

表3 冗余分析結果

表4 排序軸與環(huán)境因子的相關系數(shù)矩陣

3 討論

3.1 水田改果園土壤理化性質的變化過程及特征

近年來，不合理的土地利用所引起的土壤退化問題逐漸受到人們的關注。土壤退化包括有機質的分解或含量下降、土壤養(yǎng)分的消耗(包括養(yǎng)分供應比例失調)、土壤酸化、微生物量和微生物商下降、生物活性降低、不合理的耕作管理(如連作)引起有害生物(如病原菌)的增加等[29- 30]。

水田改果園后，土壤環(huán)境狀況和土地耕作制度等發(fā)生改變，其中土壤水分狀況和施肥量的變化對土壤性質產生的影響最為顯著。人為滯水水分狀況消失后，土壤通氣性增強，有機碳礦化速度加快，加之進入土壤的植物殘體減少，引起土壤有機質含量下降，土壤固碳能力減弱；隨著果園耕作年限的延長，枯枝落葉等有機物料在土壤中積累的速度超過土壤有機碳礦化的速度，使得土壤中有機質的含量有小幅回升。隨著土壤有機質等膠結物質減少，水穩(wěn)性團聚體減少，土壤結構變差，部分果樹幼苗出現(xiàn)扎根不穩(wěn)情況；土壤有機質含量降低還引起土壤全氮的降低，硝化作用增強致使堿解氮減少，最終導致土壤中氮素及其有效性降低。大量化肥的施用，引起土壤磷素和鉀素全量及其有效態(tài)含量的增加(由于桃樹對鉀素需求量較大[31]，因而改桃園后全鉀含量變化幅度不大，未達到顯著水平)。另外，由于酸性肥料的大量施用，硝化作用增強等原因使致酸H+增加，土壤逐漸酸化。整體而言，水田改果園后，土壤理化性質發(fā)生退化，并對土壤的健康發(fā)展和可持續(xù)利用產生不利影響。

3.2 水田改果園土壤微生物性質的變化過程及特征

土壤微生物能夠直接參與土壤中碳、氮等營養(yǎng)元素循環(huán)和能量流動，與土壤的肥力水平和環(huán)境狀況關系密切，對土壤退化具有預警作用[32]。水田改果園后，土壤中微生物生長需要的主要營養(yǎng)物質土壤水分、碳源和氮源減少，土壤酸化，加之大量除草劑和殺蟲劑的使用，致使土壤微生物繁殖代謝受到抑制，微生物數(shù)量減少，微生物生物量碳氮和微生物商降低，表征微生物整體活性的土壤呼吸強度減弱。本研究中，土壤微生物生物量碳與土壤含水率、土壤有機質、全氮、堿解氮、pH值呈極顯著正相關(r分別為0.82、0.83、0.86、0.82、0.60，P< 0.01,n=18)。

土壤微生物群落結構(包括各主要土壤微生物類群的數(shù)量以及相對豐度)[33]與土壤環(huán)境因子密切相關，一方面由于土壤環(huán)境的改變能夠影響土壤微生物的群落結構和功能；另一方面土壤微生物群落結構和功能也會影響土壤中各種養(yǎng)分的循環(huán)轉化過程，從而影響土壤養(yǎng)分等環(huán)境因子的形態(tài)和數(shù)量。水田改為果園后，人為滯水水分狀況消失，土壤中微生物生長需要的主要營養(yǎng)物質土壤水分、碳源和氮源減少，加之其它土壤環(huán)境因子的變化，使土壤微生物群落結構發(fā)生演變。RDA分析表明，前兩個排序軸的物種-環(huán)境相關系數(shù)均達到0.97以上，說明土壤微生物區(qū)系與土壤環(huán)境因子之間關系非常密切(表3)；前4個排序軸共同解釋了土壤微生物群落結構演替中95.6%的變異，說明文中11種土壤環(huán)境因子的改變是引起土壤微生物群落結構演變的主要原因。土壤環(huán)境因子中土壤含水率、有機質和堿解氮與第一排序軸(解釋了樣本中93.1%的變異)正方向夾角最小，夾角余弦值最大，線段較長，且與第一排序軸相關性最大，呈極顯著正相關(P< 0.01)，因而這3種因子是決定水田和果園微生物群落結構差異的最重要因子。此外，這3種環(huán)境因子沿水田樣本聚集方向(α區(qū)域)增加最明顯，這說明它們與水田微生物群落關系最密切，即在A區(qū)域出現(xiàn)的土壤微生物對水分、碳素和氮素依賴性較強。>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體、pH值、全氮和鹽基飽和度也在水田樣本方向增加，但方向略微向新果園土壤(β區(qū)域)方向偏移，說明這四種環(huán)境因子與水田和新果園土壤微生物關系相對密切，這與水田和新果園土壤含較多水穩(wěn)性團聚體可能會促進土壤中水氣平衡，有利于B區(qū)域微生物生長[34]，相對較高的pH值對微生物活性抑制較小，較高含量氮素和鹽基離子為B區(qū)域微生物提供了更多生長需要的營養(yǎng)元素等因素有關。鉀素和磷素在老果園土壤(γ和C區(qū)域)積累較明顯，說明C區(qū)域的微生物更適合在磷素和鉀素含量較高的生境中生長。硫酸鹽還原菌、厭氧細菌和原生動物在RDA排序圖的特定區(qū)域出現(xiàn)，表明它們在水田和不同園齡果園中各自存在不同的最適生境。另外，水田改果園后表征養(yǎng)分脅迫的Cy/Pre和Iso/Anteiso增加，表明由于土壤有機質和氮素含量降低等原因，致使養(yǎng)分脅迫增強。然而，關于A、B、C區(qū)域中不同最適微生物對不同元素生態(tài)過程的相關功能方面還需要進一步深入研究。

RDA分析表明，水田與改果園不同階段的土壤樣本在排序圖中不同區(qū)域聚集，并明顯區(qū)分開，說明水田改果園后土壤微生物群落結構發(fā)生了階段性變化，水田土壤微生物群落與改果園不同階段土壤差異明顯，改果園同一階段土壤微生物群落結構相似性很高。果園不同階段樣本聚集區(qū)域β、γ距離較近，而它們與水田樣本聚集區(qū)α相隔較遠，說明不同利用方式對微生物群落結構的影響，要大于同一利用方式不同耕作時間對微生物群落結構的影響，這與Xue等關于不同利用方式和不同利用年限對微生物群落結構的影響的結論一致[14]。

4 結論

本研究表明，水田改果園后，土壤含水率、水穩(wěn)定性團聚體(>0.25 mm)、pH值、有機質、全氮、堿解氮、土壤微生物量碳氮及土壤呼吸強度等土壤理化指標和生物學指標隨著改果園年限的延長而顯著降低，并引起土壤酸化，土壤結構變差，碳匯作用減弱，土壤綜合肥力下降，從而對土壤的健康發(fā)展和可持續(xù)利用產生不利影響。

研究表明，土壤微生物群落結構不僅受土壤環(huán)境因子影響，同時也對土壤土壤環(huán)境因子產生重要影響。供試土壤環(huán)境因子的改變是引起土壤微生物群落結構變化的主要原因，其中土壤含水率、有機質和堿解氮是決定水田和果園微生物群落結構差異的最重要因子。隨著改果園年限的延長，土壤微生物群落結構發(fā)生了階段性變化，但不同利用方式與同一利用方式不同耕作年限相比，土壤微生物群落結構對前者的響應程度更強。改果園后，土壤微生物磷脂脂肪酸總量和種類減少，微生物群落結構發(fā)生改變，養(yǎng)分脅迫增強。因而，監(jiān)測土壤微生物群落結構的變化是評價土地利用變化及土壤可持續(xù)利用的一種有效方法。結果表明，水田中土壤微生物群落的種類和數(shù)量更加豐富，亦表明，水田是土壤(地)可持續(xù)利用的一種有效方式。

致謝：英國洛桑試驗站(Rothamsted Research)Philip C. Brookes教授潤色英文摘要，特此致謝。

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Effects of land-use change from paddy field to orchard farm on soil property shift processes and their characteristics

YANG Dongwei, ZHANG Mingkui*

CollegeofEnvironmentalandResourceSciencesofZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China

Studies of the effects of land-use change on soil physicochemical properties, microbial community structure and other biological properties are important for understanding changes in soil quality in agricultural soils. A diverse soil microbial community is an important measure of sustainable land use, and soil microbial community structure and diversity are sensitive indicators of soil quality. In recent years, land-use change from paddy field to economic forest land has been very common in the south of China. In order to recognize the effects of this land-use change on soil quality, a study was conducted, in Zhejiang province, on paddy and orchard surface soil (0—15 cm). Multivariate analyses including phospholipid Fatty Acids (PLFAs) were employed to determine the changes in soil environmental factors, microbial community structure and their relationships after land-use change from paddy fields to orchard farms. Water-stable aggregates (>0.25 mm), pH, organic matter (OM), base saturation (BS), total nitrogen (TN), Alkali-hydrolysable nitrogen (AHN) decreased after land-use change from paddy to orchard soils, and they had significant negative correlations with orchard age (P<0.05). Enhancement of organic carbon mineralization and reductions in plant residues in the soil caused the decline in soil organic matter content which resulted in a reduction in water-stable aggregates (>0.25 mm) and total nitrogen. The increase in nitrification also led to a reduction in alkali hydrolyisable nitrogen. The extensive application of acidic fertilizer and enhancement of nitrification increased soil acidification (caused by H+). Microbial biomass carbon (MBC), microbial quotient (qMB) and soil respiration (Resp) decreased, and had significant negative correlations with orchard ages (P< 0.01). The changes in biological properties could be due to decreased soil moisture, OM and other soil characteristics. During the change from paddy field to orchard farm, soil microbial community structure changed: total phospholipid fatty acids (TPLFAs), PLFAs of bacteria, fungi, actinomycetes, protozoa, and specific microbial lipids decreased. Possibly because of enhancement of soil aeration, the ratio of protozoa to bacteria slightly increased. The ratios of Gram positive bacteria to Gram negative bacteria decreased significantly (P<0.01). In contrast, aerobic bacteria to anaerobic bacteria and methanotrophic bacteria to total bacterial ratios increased significantly (P< 0.01). The ratios of fatty acids Iso to Anteiso and fatty acids cyclo to precurso increased significantly (P< 0.01), which implied that nutrient stress on soil microorganisms enhanced. Redundancy analysis (RDA) showed that the first 4 axes explained 95.6% of the cumulative variation of soil microbial community structure, which indicated that the 11 kinds of soil environmental factors were the main factors affecting the structure of the soil microbial community. Soil moisture, OM and AHN were the most important environmental factors to determine the differences in soil microbial community structure between paddy and orchard soils (P<0.01). The analysis also indicated that land-use change had a greater effect on soil microbial community structure than orchard age. Our study concludes that after land-use change from paddy fields to orchard farms, soil physicochemical and biological properties degraded, and thus soil quality decreased. In contrast, a diverse soil microbial community was achieved and maintained in paddy soil systems, hence we predict that paddy fields are an effective way to maintain soil sustainability.

land use; soil properties; microbial community structure; phospholipid fatty acid; soil quality

國家自然科學基金項目(41071145)

2013- 09- 21;

2014- 08- 22

10.5846/stxb201309212319

*通訊作者Corresponding author.E-mail: mkzhang@zju.edu.cn

楊東偉, 章明奎.水田改果園后土壤性質的變化及其特征.生態(tài)學報,2015,35(11):3825- 3835.

Yang D W, Zhang M K.Effects of land-use change from paddy field to orchard farm on soil property shift processes and their characteristics.Acta Ecologica Sinica,2015,35(11):3825- 3835.