小麥秸稈不同還田方式下土壤微生物碳代謝多樣性特征

周運(yùn)來， 張振華， 范如芹， 錢曉晴， 盧 信， 劉麗珠

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所， 江蘇 南京 210014； 2.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225100)

小麥秸稈不同還田方式下土壤微生物碳代謝多樣性特征

周運(yùn)來1,2， 張振華1①， 范如芹1②， 錢曉晴2， 盧 信1， 劉麗珠1

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所， 江蘇 南京 210014； 2.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225100)

秸稈還田是影響稻田土壤固碳潛力的重要措施，研究秸稈不同還田方式下土壤微生物碳源代謝特征對提高農(nóng)作物秸稈利用和增加土壤碳固定具有重要意義，為此采用自動微生物鑒定系統(tǒng)(Biolog-ECO)研究在短期耕作條件下小麥秸稈不同還田方式對稻田耕層土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響。以江蘇省六合區(qū)黃棕壤為研究對象，對等氮量秸稈發(fā)酵床墊料化還田(SP)、秸稈炭化(補(bǔ)施化肥)還田(BR)、秸稈+豬糞發(fā)酵還田(OF)、傳統(tǒng)施用化肥(CF)和不施肥(CK)對照處理土壤進(jìn)行分層采樣，采用 Biolog-ECO 方法揭示微生物群落結(jié)構(gòu)的多樣性，并采用主成分分析法(PCA)探討土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化特征。結(jié)果表明，不同秸稈還田方式能顯著影響土壤微生物碳代謝特征，OF處理土壤微生物碳代謝能力、微生物多樣性各項(xiàng)指數(shù)及糖類、氨基酸、胺類和多聚物利用率明顯高于其他處理；而SP處理土壤微生物的影響明顯小于OF、BR處理；不同秸稈還田方式能顯著影響土壤表層(0～5 cm)和耕作亞表層(>5～10 cm)微生物碳利用，而對耕作底層(>10～20 cm)的影響較小；不同秸稈還田方式影響土壤微生物多樣性，與CF和BR處理相比，OF和SP處理增加了土壤微生物多樣性。認(rèn)為OF和BR處理可在短期內(nèi)顯著提高土壤微生物碳代謝多樣性和對碳源的利用。

秸稈； 生物質(zhì)炭； 發(fā)酵床墊料； Biolog生態(tài)微平板

中國的秸稈年均產(chǎn)生量為7.35億t,包括田間秸稈6.46億t[1],其中,約23%進(jìn)行露天焚燒處置,排放的污染物對全國有害物質(zhì)總排放量的貢獻(xiàn)巨大[2]。張斯梅等[3]調(diào)查發(fā)現(xiàn)江蘇省稻麥秸稈被遺棄和焚燒的比例在55%以上。秸稈綜合利用對穩(wěn)定農(nóng)業(yè)生態(tài)平衡、緩解資源約束、減輕環(huán)境壓力都具有十分重要的意義。近年來,土壤碳固定已經(jīng)成為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究熱點(diǎn),秸稈還田也是一種有效的土壤固碳途徑。李瑋等[4]在砂姜黑土上進(jìn)行4 a的秸稈還田定位試驗(yàn),結(jié)果表明秸稈還田能顯著提高砂姜黑土耕層土壤總有機(jī)質(zhì)、活性有機(jī)質(zhì)含量和碳庫管理指數(shù)。

鑒于傳統(tǒng)秸稈還田存在諸如肥效緩慢、化感物質(zhì)積累、病蟲害風(fēng)險加重等問題[5],秸稈發(fā)酵床墊料化還田[6]和秸稈炭化還田[7]成為新型秸稈還田方式而日益受到人們的關(guān)注。秸稈炭化后生成的生物炭是生物質(zhì)在缺氧或有限氧氣供應(yīng)和相對低溫(<700 ℃)條件下熱解得到的富碳固體產(chǎn)物,由于其具有多孔性、高陽離子交換量和低容重的特性,能改善土壤的理化性質(zhì),提高微生物多樣性,故在土壤性狀改良、環(huán)境污染修復(fù)和節(jié)能減排等方面發(fā)揮著重要作用[7-8]。發(fā)酵床養(yǎng)殖技術(shù)也被稱為原位堆肥技術(shù),是一種利用秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物控制畜場糞便排放與污染的生態(tài)養(yǎng)殖模式。陸揚(yáng)等[6]對連續(xù)飼養(yǎng)2批肥豬后發(fā)酵床墊料植物毒性的研究表明,發(fā)酵床墊料在連續(xù)飼養(yǎng)2批肥豬后,氮、磷、銅含量顯著提高,C/N比和 N/P比下降,對植物無毒性作用,對根的生長有促進(jìn)作用。其中,總銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)限值,適合作為有機(jī)肥還田。

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和能量流動的主導(dǎo)者,對于維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和土壤的可持續(xù)利用具有重要作用[9]。秸稈還田等措施可以增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,進(jìn)而為微生物提供良好的物質(zhì)基礎(chǔ),改變了土壤微生物多樣性[10]。土壤微生物多樣性研究在探索應(yīng)對全球氣候變化、維持生態(tài)服務(wù)功能及促進(jìn)土壤持續(xù)利用等方面具有重要意義[11]。為了利用作物秸稈提升土壤固碳容量,土壤微生物碳源利用模式已成為研究熱點(diǎn)。

Biolog-ECO 微孔板技術(shù)是通過測定土壤微生物對 31 種不同單一碳源底物的代謝活性差異來表征微生物種群多樣性,并以此表征功能微生物種群變化[12]。目前,關(guān)于不同秸稈還田方式的培肥效果及對土壤微生物的增效作用已有很多報(bào)道[13]。就土壤碳固定而言,目前的研究主要集中在土壤固碳容量方面。有關(guān)秸稈炭化還田以及秸稈發(fā)酵床墊料化還田對土壤微生物碳源利用多樣性的研究還較少[14]。筆者以土壤固碳效果定位試驗(yàn)基地為依托,利用 Biolog-ECO 微平板鑒定系統(tǒng),針對秸稈炭化還田和秸稈發(fā)酵床墊料化還田2種新型秸稈還田方式研究土壤微生物群落功能多樣性差異,解析土壤微生物群落功能及其對碳源特異利用的差異。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2015年在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合基地(32°29′ N,118°37′ E)試驗(yàn)田進(jìn)行,該地區(qū)處于江淮分水嶺,屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年降水量為979.5 mm,年平均氣溫為15.5 ℃,年無霜期為229 d,年日照時數(shù)為2 199.5 h,四季分明,雨熱同季。前茬為水稻,供試土壤類型為黃棕壤,有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分含量低,屬生產(chǎn)力較低的中低產(chǎn)田。生物炭是小麥秸稈在600 ℃條件下經(jīng)無氧熱裂解制成。秸稈發(fā)酵床墊料、秸稈+豬糞發(fā)酵均為江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合現(xiàn)代循環(huán)農(nóng)業(yè)基地有機(jī)肥廠提供。試驗(yàn)共設(shè)5個處理:秸稈發(fā)酵床墊料化還田(SP)、秸稈炭化(補(bǔ)施化肥)還田(BR)、秸稈+豬糞發(fā)酵還田(OF)、傳統(tǒng)施用化肥〔(NH4)2SO4+Ca(H2PO4)2+KCl〕(CF)和不施肥(CK)對照。

各施肥處理等氮量(純氮,3.375 t·hm-2)施用,其中,豬糞+秸稈施用量為5.21 t·hm-2,秸稈發(fā)酵床墊料施用量為7.29 t·hm-2,化肥小區(qū)復(fù)合肥〔(NH4)2SO4+Ca(H2PO4)2+KCl〕 施用量為1.5 t·hm-2,秸稈生物炭施用量為1.458 t·hm-2(生物炭小區(qū)與有機(jī)肥小區(qū)總碳施用量相同,所缺氮素由復(fù)合肥補(bǔ)充的量為1.41 t·hm-2)。供試土壤及肥料基本理化性狀見表1。試驗(yàn)田各小區(qū)具有獨(dú)立灌排水系統(tǒng),面積為96 m2(8 m×12 m)。試驗(yàn)小區(qū)采用單因素裂區(qū)、隨機(jī)區(qū)組排列方式,每個處理設(shè)4個重復(fù)。在水稻播種前將肥料施入土表,翻耕使之與土壤充分混合,翻耕深度為20 cm,然后耙平。供試水稻品種為南粳9108,種植密度為2.49×105株·hm-2,行距為20 cm,2015 年6月播種。

1.2 樣品采集與測定方法

于8月17日水稻分蘗期采樣,五點(diǎn)法分0～5、>5～10和>10～20 cm土層采集土樣,裝無菌袋帶回室內(nèi),并置于4 ℃冰箱內(nèi)保存。

稱取5 g新鮮土樣加入250 mL三角瓶中,加入45 mL經(jīng)滅菌的w=0.85%的NaCl溶液,25 ℃、200 r·min-1、黑暗條件下振蕩60 min。靜置30 min,使大的土壤顆粒沉淀下來,然后逐步稀釋得到10-2、10-3梯度土壤懸液。將10-3稀釋液接種到Biolog-ECO平板中,每孔150 μL,恒溫培養(yǎng)箱(25±1) ℃中培養(yǎng)168 h。溫育過程中分別于0、24、48、72、96、120、144和168 h時用Biolog讀數(shù)儀在750和590 nm處讀數(shù)[15]。微生物代謝活性用590 nm處的吸光度減去 750 nm處的吸光度表示,其中,數(shù)值為負(fù)值時按 0處理[16]。

表1供試土壤、有機(jī)肥及生物炭的基本性質(zhì)

Table1Basicpropertiesofthesoil,compostsandbiochartestedinthestudy

材料質(zhì)量含水量/%容重/(g·cm-3)pH值EC/(dS·m-1)w(全碳)/(g·kg-1)w(全氮)/(g·kg-1)w(堿解氮)/(mg·kg-1)w(有效磷)/(mg·kg-1)w(速效鉀)/(mg·kg-1)秸稈+豬糞發(fā)酵(OF)23.80.157.166.0735142.12792206615440秸稈發(fā)酵床墊料(SP)21.70.276.896.8930138.8257214125910秸稈生物炭(BR)11.20.319.961.037939.716.9413028883土壤—1.307.171.017.350.6783.201.36108

“—”表示無數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

孔的平均顏色變化率(average well color development,AWCD,IAWCD),即孔的平均吸光度計(jì)算公式[17]為

IAWCD=∑(Ci-R)/n。

(1)

式(1)中,Ci為各孔吸光度,用590 nm處吸光度與750 nm處吸光度差值表示;R為對照孔吸光度;n為微平板中碳源種類(該研究中為31)。

樣品多樣性指數(shù)的計(jì)算參照MAGURRAN[18]的方法。土壤微生物群落功能多樣性分析采用溫育反應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。土壤微生物群落功能多樣性以Simpson、McIntosh和Shannon 3種指數(shù)來表征[19]。

采用SPSS 19.0軟件對土壤微生物碳源利用多樣性進(jìn)行主成分分析(principal component analysis,PCA)。采用Origin 8.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與制圖,采用最小顯著差數(shù)法(LSD)對不同處理間差異顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。

結(jié)合有機(jī)化合物官能團(tuán)、微生物生理代謝途徑和生態(tài)功能3個方面,將Biolog-ECO板的31種碳源底物分為糖類及其衍生物、羧酸、氨基酸、多聚物、酚酸類和胺類6類[17]。在計(jì)算土壤微生物對不同碳源的相對利用率時,選取溫育96 h的吸光度進(jìn)行分析,因?yàn)榇藭r的微生物碳源基本穩(wěn)定。微生物對6類碳源的相對利用率以每類碳源Biolog-ECO板對應(yīng)孔的平均顏色變化率(AWCD)為指標(biāo)[20-21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 AWCD值變化特征

分別計(jì)算31種碳源的AWCD值(圖1),在同一土層,隨著培養(yǎng)時間的延長,微生物利用碳源量呈逐漸增加趨勢。就土壤耕作表層(0～5 cm)而言,培養(yǎng)24 h時AWCD值開始迅速升高,156 h時趨于平穩(wěn)。對比不同秸稈還田方式的微生物AWCD值發(fā)現(xiàn),96 h時OF處理比SP處理高68.0%,BR處理比CF處理高38.7%。培養(yǎng)結(jié)束時,BR和OF處理顯著高于其他處理,SP、CF和CK處理之間無顯著差異。在耕作亞表層(>5～10 cm),培養(yǎng)24 h時AWCD值開始迅速升高,96 h時OF處理比SP處理高82.88%,CF處理比BR處理高1.6%,截至培養(yǎng)結(jié)束168 h時尚未趨于平穩(wěn),此時OF處理顯著高于CF和BR處理。在耕作底層(>10～20 cm),培養(yǎng)24 h時AWCD值開始迅速升高,96 h時OF處理比SP處理高61.11%,BR處理比CF處理高48.41%。隨著培養(yǎng)時間的延長,差異越來越大,截至168 h時尚未趨于平穩(wěn),此時OF處理顯著高于CF、SP和CK處理。不同土層微生物碳源利用能力由大到小依次為0～5、>5～10和>10～20 cm,說明隨著土層的加深,微生物的碳源利用能力下降。在耕作層(0～20 cm),OF處理對土壤微生物活性的促進(jìn)作用比其他處理明顯。

在31種因子中提取3個主成分因子,各土層第1、2、3主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率均在85%以上,其余各主成分的貢獻(xiàn)率很小,因此,用前3個主成分得分來表征不同秸稈還田方式下土壤微生物群落對貢獻(xiàn)率較高碳源的代謝特征。圖2中,樣品間得分距離越小,表示樣品間對碳源利用能力相似程度越高。如圖2所示,在0～5 cm土層CF和BR處理得分接近,OF和SP處理得分距離相差較大。這說明CF和BR處理土壤微生物碳利用多樣性十分相似。而OF和SP處理土壤微生物碳利用多樣性相差較大。在>5～10 cm土層CF和BR處理得分接近,同時OF和SP處理得分距離較大,與0～5 cm土層在得分上有所不同,卻呈現(xiàn)相同的變化趨勢。在>10～20土層各處理間得分有較好的分散,而且各施肥處理得分均低于不施肥對照?？梢?外加碳源能激發(fā)表層土壤微生物活性,相應(yīng)地減弱耕作底層土壤微生物活性,秸稈以不同方式施用對土壤微生物碳利用有顯著影響。

圖1 不同耕層和秸稈還田方式下 Biolog-ECO 板上的平均顏色變化率(AWCD)Fig.1 AWCD (average well color development) on Biolog-ECO relative to straw incorporation pattern and soil layer

圖2 不同耕層和秸稈還田方式下土壤AWCD主成分分析Fig.2 PCA of AWCD relative to straw incorporation pattern and soil layer

2.2 土壤微生物群落多樣性分析

不同施肥處理Shannon指數(shù)、Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)和McIntosh 指數(shù)隨土層深度的變化見圖3。不同施肥處理Shannon指數(shù)、Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)和McIntosh 指數(shù)均隨著土層的加深而有所下降,說明土層越深,土壤微生物多樣性越小。不同還田方式之間0～5 cm土層微生物Shannon指數(shù)和Simpson 指數(shù)均無顯著差異。在>5～10 cm土層,CF和BR處理土壤微生物多樣性指數(shù)小于SP和OF處理,且達(dá)到顯著水平(P<0.05)。>10～20 cm土層CF和BR處理土壤微生物Shannon指數(shù)、McIntosh 指數(shù)小于SP和OF處理,達(dá)到顯著水平(P<0.05)。這說明與CF和BR處理相比,OF和SP處理能增加農(nóng)田>5～10和>10～20 cm土層微生物多樣性;而與SP處理相比,OF處理增加農(nóng)田土壤微生物多樣性的效果更明顯?？梢?秸稈還田方式顯著影響耕作層(0～20 cm)土壤微生物多樣性。

2.3 土壤微生物的碳源利用特征分析

圖4顯示不同耕層秸稈還田方式下土壤微生物對6類碳源的相對利用率,不同秸稈還田方式下0～5 cm土層糖類及其衍生物、氨基酸、胺類、多聚物的相對利用率高于酚酸類和羧酸相對利用率。糖類及其衍生物既是礦化過程的主要物質(zhì),也是大多數(shù)異養(yǎng)微生物的重要碳源。在0～5 cm土層,OF處理糖類及其衍生物比SP處理高46.7%,說明與SP處理相比，OF處理能提高土壤礦化率和異養(yǎng)微生物對碳源的利用;雖然BR處理土壤中可利用碳少,但BR處理糖類及其衍生物比CF處理高101.1%,可能是BR處理可通過改變土壤結(jié)構(gòu)來提高土壤礦化率和異養(yǎng)微生物對碳源的利用。氨基酸是土壤有機(jī)氮的重要組成成分,是植物根系向土壤分泌的大量低分子有機(jī)物之一,是土壤微生物重要的氮源。OF處理土壤微生物對氨基酸的相對利用率比SP處理高9.60%,BR處理比CF處理高24.3%。胺類是由氨分子中的氫被羥基或其他非酸性有機(jī)基團(tuán)取代后衍生的一類有機(jī)物,不同處理土壤微生物對胺類的利用差異較小,可能是由于土壤中胺類含量較低,且部分胺類對微生物有毒害作用。羧酸是植物根系分泌物的重要組分,外加碳源能顯著增加土壤微生物對羧酸的利用率,而各還田方式之間無明顯差異,說明短期還田條件下不同還田方式對植物根系分泌羧酸的影響較小。

圖3 不同耕層和秸稈還田方式下微生物多樣性指數(shù)Fig.3 Soil microbial diversity index relative to straw incorporation pattern and soil layer

OF—秸稈+豬糞發(fā)酵還田； SP—秸稈發(fā)酵床墊料化還田； CF—施用化肥； BR—秸稈炭化還田； CK—不施肥。

不同秸稈還田方式下土壤微生物對多聚物的利用差異較大,OF處理比SP處理高99.0%,而BR處理與CF處理差異不大。植物通過分泌、淋溶、腐解等途徑釋放酚酸類物質(zhì)到土壤中,對下茬作物產(chǎn)生化感作用。就表層土而言,與OF處理相比,SP處理提高了土壤微生物對酚酸類化合物的利用,與CF處理相比,BR處理降低了土壤微生物對酚酸類化合物的利用。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,CF處理碳源利用率低于其他處理(CK除外),施用化肥可減少土壤微生物對糖類及其衍生物、氨基酸、胺類、多聚物的利用。分析耕作層土壤微生物對6種碳源的利用率可以看出,BR和OF處理可促進(jìn)土壤微生物對碳源的利用。

可見,OF和BR處理能提高表層土碳源利用率,SP處理能提高土壤微生物對較穩(wěn)定的酚酸類和羧酸類碳源的相對利用率。>10～20 cm土層微生物對穩(wěn)定性較高的酚酸類和羧酸類碳源相對利用率比0～5 cm土層高。隨著土層的加深,各類碳源相對利用率均有所下降,各土層碳源相對利用率由大到小依次為0～5、>5～10和>10～20 cm土層。

3 討論

土壤微生物是土壤中比較活躍的成分,也是土壤物質(zhì)循環(huán)的主動力,并提供了許多潛在的生態(tài)功能。有機(jī)物料大都含有豐富的微生物所需的碳源、氮源,土壤中加入有機(jī)物料能夠提高有機(jī)質(zhì)含量及微生物群落多樣性[22]。AWCD 值提供了不同微生物對相同碳源利用的差異性,反映了微生物對碳源的利用能力,從功能代謝方面顯示了微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性[23]。筆者分析AWCD值也得到相應(yīng)結(jié)論,OF和SP處理提高了土壤微生物碳代謝能力。郭梨錦等[24]采用磷脂脂肪酸(PLFA)法研究短期耕作和小麥秸稈還田對稻田表層(0～5 cm)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的結(jié)果表明,秸稈還田提高了表層土壤微生物生物量和微生物多樣性。顧美英等[25]利用Biolog對碳源分析的結(jié)果表明,不同秸稈還田方式(秸稈直接還田、過腹還田和炭化還田)均能提高風(fēng)沙土土壤微生物活性和豐富度指數(shù),且主成分分析也表明,不同秸稈還田方式處理土壤微生物群落明顯不同。筆者研究中SP、BR 和OF處理均提高土壤微生物群落多樣性指數(shù),主成分分析也表明不同秸稈還田方式處理土壤微生物群落明顯不同。

筆者研究表明OF處理在增強(qiáng)土壤微生物多樣性(圖3)和提高土壤微生物碳利用率(圖4)上均比SP處理有更大優(yōu)勢。這可能是由于2種有機(jī)肥生產(chǎn)過程不同、腐熟程度不同進(jìn)而導(dǎo)致它們有著不同的性質(zhì),如腐殖酸的結(jié)構(gòu)和含量[26]等。在0～5 cm土層,與SP處理相比,OF處理能提高微生物對糖類及其衍生物、多聚物的利用能力,可見,秸稈+豬糞發(fā)酵的腐熟程度比秸稈發(fā)酵床墊料高。研究表明,隨著堆肥的進(jìn)行,腐殖酸中大分子組分含量明顯提高,有機(jī)物中不飽和結(jié)構(gòu)的多聚化或聯(lián)合程度增大,芳香結(jié)構(gòu)物質(zhì)與氨基基團(tuán)有所增加[27]。然而,發(fā)酵床墊料的生成不是簡單的堆肥過程,作為一種新型有機(jī)肥,其腐熟化方面的研究還較少。秸稈炭化還田是一種理化性質(zhì)不同于供試有機(jī)肥(秸稈+豬糞發(fā)酵、秸稈發(fā)酵床墊料)的秸稈還田方式。筆者研究中,主成分分析結(jié)果表明0～5 cm土層BR和CF處理得分較近(圖2),就BR處理而言,除糖類及其衍生物與氨基酸相對利用率比CF處理高以外,其余碳源相對利用率均與CF處理接近(圖4)。這可能是由于生物炭不能直接為微生物提供碳源、氮源,另外,秸稈炭化還田與施用化肥均沒有外源微生物的加入。ABUJABHAH等[28]研究結(jié)果表明,添加生物炭后微生物豐度提高,但堆肥的影響更大,筆者研究結(jié)果與之一致。其中,BR和CF處理沒有直接加入有機(jī)質(zhì)碳源,可能是由于其本身對土壤原有有機(jī)質(zhì)存在激發(fā)作用[29],或者由于其促進(jìn)植物生長從而引起植物根際激發(fā)效應(yīng)[30],進(jìn)而提高微生物豐度。呂美蓉等[31]采集長期定位有機(jī)無機(jī)配施小區(qū)的土壤樣品進(jìn)行室內(nèi)培育試驗(yàn),比較添加不同肥料養(yǎng)分后土壤微生物群落多樣性的短期變化,Biolog主成分分析結(jié)果表明改變肥料養(yǎng)分投入在短期內(nèi)對微生物的碳源利用特征具有顯著影響。筆者研究中添加不同肥料養(yǎng)分(無肥料養(yǎng)分,有機(jī)肥料養(yǎng)分或無機(jī)肥料養(yǎng)分)處理在PC軸也出現(xiàn)明顯分異,顯示出添加不同肥料土壤微生物群落碳源代謝的差異性。

GUO等[32]的研究結(jié)果也表明秸稈還田對不同土層有不同作用,其電鏡掃描結(jié)果顯示秸稈還田能提高表層土壤微生物碳利用多樣性,筆者對0～5 cm土層的研究結(jié)果與之一致,但在>10～20 cm土層不同秸稈還田方式均不同程度地降低土壤微生物活性和豐富度指數(shù)。這說明筆者試驗(yàn)中SP、BR和OF處理均增加表層土壤有機(jī)質(zhì)和其他養(yǎng)分含量,從而增加表層土壤微生物多樣性。李晨華等[33]研究結(jié)果也表明,長期施肥改變了土壤剖面碳源與氮源的可利用量,導(dǎo)致施肥處理間土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的差異,特別是在剖面深層更為明顯。而筆者研究中>10～20 cm土層不同秸稈還田土壤微生物多樣性差異不明顯,可能是筆者試驗(yàn)的施肥年限較短、耕作底層土壤微生物多樣性變化較小的緣故。

4 結(jié)論

利用Biolog數(shù)據(jù),設(shè)置3種秸稈還田方式以及傳統(tǒng)施用化肥和不施肥5種處理,分析還田2個月后水稻田不同耕層土壤微生物的碳源代謝特征,并對比分析土壤微生物對不同碳源的利用率,得出以下結(jié)論:(1)不同秸稈還田方式因其結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)不同,還田后能顯著影響土壤微生物碳代謝特征。秸稈+豬糞發(fā)酵還田對土壤微生物碳代謝能力、微生物多樣性各項(xiàng)指數(shù)以及糖類、氨基酸、胺類和多聚物利用率明顯高于其他處理。(2)不同秸稈還田方式能顯著影響土壤微生物多樣性。與CF和BR處理相比,OF和SP處理能增加農(nóng)田耕作亞表層及耕作底層的土壤微生物多樣性。

[1] 韋茂貴,王曉玉,謝光輝.中國各省大田作物田間秸稈資源量及其時間分布[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,17(6):32-44.[WEI Mao-gui,WANG Xiao-yu,XIE Guang-hui.Field Residue of Field Crops and Its Temporal Distribution Among Thirty-One Provinces of China[J].Journal of China Agricultural University,2012,17(6):32-44.]

[2] 曹國良,張小曳,王亞強(qiáng),等.中國區(qū)域農(nóng)田秸稈露天焚燒排放量的估算[J].科學(xué)通報(bào),2007,52(15):1826-1831.[CAO Guo-liang,ZHANG Xiao-ye,WANG Ya-qiang,etal.Estimating the Quantity of Crop Residues Burnt in Open Field in China [J].Chinese Science Bulletin,2007,52(15):1826-1831.]

[3] 張斯梅,楊四軍,石祖梁,等.江蘇省稻麥秸稈收集利用現(xiàn)狀分析及對策[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2014,30(6):706-710.[ZHANG Si-mei,YANG Si-jun,SHI Zu-liang,etal. Status Quo of Collection and Utilization of Rice and Wheat Straw in Jiangsu Province and the Countermeasures[J].Journal of Ecology and Rural Environment,2014,30(6):706-710.]

[4] 李瑋,喬玉強(qiáng),陳歡,等.秸稈還田配施氮肥對砂姜黑土有機(jī)質(zhì)組分與碳庫管理指數(shù)的影響[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2014,30(4):475-480.[LI Wei,QIAO Yu-qiang,CHEN Huan,etal.Soil Organic Matter Composition and Carbon Pool Management Index in Shajiang Black Soil as Affected by Straw Incorporation Coupled With Fertilization[J].Journal of Ecology and Rural Environment,2014,30(4):475-480.]

[5] MACDONALD L M,FARRELL M,VAN ZWIETEN L,etal.Plant Growth Responses to Biochar Addition:An Australian Soils Perspective[J].Biology and Fertility of Soils,2014,50(7):1035-1045.

[6] 陸揚(yáng),吳淑杭,周德平,等.發(fā)酵床養(yǎng)豬墊料的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與植物毒性研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2011,30(7):1409-1412.[LU Yang,WU Shu-hang,ZHOU De-ping,etal.Nutrition Transformation and Phytotoxicity of Pig Litters Under Pig-on-Litter(POL) System[J].Journal of Agro-Environment Science,2011,30(7):1409-1412.]

[7] 潘根興,張阿鳳,鄒建文,等.農(nóng)業(yè)廢棄物生物黑炭轉(zhuǎn)化還田作為低碳農(nóng)業(yè)途徑的探討[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2010,26(4):394-400.[PAN Gen-xing,ZHANG A-feng,ZOU Jian-wen,etal.Biochar From Agro-Byproducts Used as Amendment to Croplands:An Option for Low Carbon Agriculture[J].Journal of Ecology and Rural Environment,2010,26(4):394-400.]

[8] 饒霜,盧陽,黃飛,等.生物炭對土壤微生物的影響研究進(jìn)展[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2016,32(1):53-59.[RAO Shuang,LU Yang,HUANG Fei,etal.A Review of Researches on Effects of Biochars on Soil Microorganisms[J].Journal of Ecology and Rural Environment,2016,32(1):53-59.]

[9] DEGENS B P,SCHIPPER L A,SPARLING G P,etal．Decreases in Organic C Reserves in Soils Can Reduce the Catabolic Diversity of Soil Microbial Communities[J].Soil Biology and Biochemistry,2000,32(2):189-196.

[10] 羅希茜,郝曉暉,陳濤,等.長期不同施肥對稻田土壤微生物群落功能多樣性的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2009,29(2):740-748.[LUO Xiao-qian,HAO Xiao-hui,CHEN Tao,etal.Effects of Long-Term Different Fertilization on Microbial Community Functional Diversity in Paddy Soil[J].Acta Ecologica Sinica,2009,29(2):740-748.]

[11] 賀紀(jì)正.面向未來的土壤微生物生態(tài)學(xué)研究[C]∥面向未來的土壤科學(xué).成都：電子科技大學(xué)出版社,2012.[HE Ji-zheng.Future-Oriented Soil Microbial Ecology[C]∥Future-Oriented Soil Science.Chengdu:University of Electronic Science and Technology Press,2012.]

[12] 靳蓉,蘇靜,劉紅宇,等.應(yīng)用BIOLOG ECO微培養(yǎng)技術(shù)研究樣品中微生物的碳源代謝特征[C]∥第三屆全國微生物資源學(xué)術(shù)暨國家微生物資源平臺運(yùn)行服務(wù)研討會會議論文摘要集.[出版地不詳]：[出版者不詳]，2011.[JIN Rong,SU Jing,LIU Hong-yu,etal. Study of Carbon Source Metabolism Characteristics of Microbes in Samples Using BIOLOG ECO Micro-Culture Technique[C]∥Seminar on National Microbiology Resources and National Microbial Resource Platform Operation Service Seminar.[s. l.]:[s. n.],2011.]

[13] 李曉莎,武寧,劉玲,等.不同秸稈還田和耕作方式對夏玉米農(nóng)田土壤呼吸及微生物活性的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2015,26(6):1765-1771.[LI Xiao-sha,WU Ning,LIU Ling,etal.Effects of Different Straw Recycling and Tillage Methods on Soil Respiration and Microbial Activity[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2015,26(6):1765-1771.]

[14] BELYAEVA O N,HAYNES R J.Comparison of the Effects of Conventional Organic Amendments and Biochar on the Chemical,Physical and Microbial Properties of Coal Fly Ash as a Plant Growth Medium[J].Environmental Earth Sciences,2012,66(7):1987-1997.

[15] 鄒春嬌,齊明芳,馬建,等.Biolog-ECO解析黃瓜連作營養(yǎng)基質(zhì)中微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性特征[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,49(5):942-951.[ZOU Chun-jiao,QI Ming-fang,MA Jian,etal.Analysis of Soil Microbial Community Structure and Diversity in Cucumber Continuous Cropping Nutrition Medium by Biolog-ECO[J].Scientia Agricultura Sinica,2016,49(5):942-951.]

[16] BRADIEY R L,SHIPLEY B,BEAULIEU C.Refining Numerical Approaches for Analyzing Soil Microbial Community Catabolic Profiles Based on Carbon Source Utilization Patterns[J]． Soil Biology and Biochemistry,2006,38(3):629-632.

[17] CHOI K H,DOBBS F C.Comparison of Two Kinds of Biolog Microplates (GN and ECO) in Their Ability to Distinguish Among Aquatic Microbial Communities[J].Journal of Microbiological Methods,1999,36(3):203-213.

[18] MAGURRAN A E.Ecological Diversity and Its Measurement[M] .New Jersey:Princeton University Press,1988:43-47.

[19] 王秀國.殺菌劑多菌靈高頻投入對土壤微生物群落的影響及其生物修復(fù)[D].杭州：浙江大學(xué),2009.[WANG Xiu-guo.Effects of Repeated Carbendazim Applications on Soil Microbial Community and Its Bioremediation[D].Hangzhou:Zhejiang University,2009.]

[20] 王軍.莠去津?qū)ν寥牢⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu)及分子多樣性的影響[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2012.[WANG JUN.The Effects of Atrazine on Soil Microbial Community Structure and Molecular Diversity[D].Tai′an:Shandong Agricultural University,2012.]

[21] JACKSON L E,CALDERON F J,STEENWERTH K L,etal.Responses of Soil Microbial Processes and Community Structure to Tillage Events and Implications for Soil Quality[J].Geoderma,2003,114(3/4):305-317.

[22] 孔維棟,劉可星,廖宗文.有機(jī)物料種類及腐熟水平對土壤微生物群落的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2004,15(3):487-492.[KONG Wei-dong,LIU Ke-xing,LIAO Zong-wen.Effects of Different Organic Materials and Their Composting Levels on Soil Microbial Community [J].Chinese Journal of Applied Ecology,2004,15(3):487-492.]

[23] 鄭麗萍,龍濤,林玉鎖,等.Biolog-ECO 解析有機(jī)氯農(nóng)藥污染場地土壤微生物群落功能多樣性特征[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào),2013,19(5):759-765.[ZHENG Li-ping,LONG Tao,LIN Yu-suo,etal.Biolog-ECO Analysis of Microbial Community Functional Diversity in Organochlorine Contaminated Soil[J].China Journal of Applied Environmental Biology,2013,19(5):759-765.]

[24] 郭梨錦,曹湊貴,張枝盛,等.耕作方式和秸稈還田對稻田表層土壤微生物群落的短期影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2013,32(8):1577-1584.[GOU Li-jin,CAO Cou-gui,ZHANG Zhi-sheng,etal.Short-Term Effects of Tillage Practices and Wheat-Straw Returned to Rice Fields on Topsoil Microbial Community Structure and Microbial Diversity in Central China[J].Journal of Agro-Environment Science,2013,32(8):1577-1584.]

[25] 顧美英,唐光木,葛春輝,等.不同秸稈還田方式對和田風(fēng)沙土土壤微生物多樣性的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2016(4):489-498.[GU Mei-ying,TANG Guang-mu,GE Chun-hui,etal. Effects of Straw Incorporation Modes on Microbial Activity and Functional Diversity in Sandy Soil[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2016(4):489-498.]

[26] SUTTON R,SPOSITO G.Molecular Structure in Soil Humic Substances:The New View[J].Environmental Science & Technology,2005,39(23):9009-9015.

[27] 唐景春,孫青,王如剛,等.堆肥過程中腐殖酸的生成演化及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].環(huán)境污染與防治,2010(5):73-77.[TANG Jing-chun,SUN Qing,WANG Ru-gang,etal.Formation and Evolution of Humic Acid During Composting Process and Its Application[J].Environmental Pollution and Control,2010(5):73-77.]

[28] ABUJABHAH I S,BOUND S A,DOYLE R,etal.Effects of Biochar and Compost Amendments on Soil Physico-Chemical Properties and the Total Community Within a Temperate Agricultural Soil[J].Applied Soil Ecology,2016,98:243-253.

[29] WANG J Y,XIONG Z Q,KUZYAKOY Y.Biochar Stability in Soil:Meta-Analysis of Decomposition and Priming Effects[J].Bioenergy,2015,8(3):512-523.

[30] 孫悅,徐興良,YAKOV K.根際激發(fā)效應(yīng)的發(fā)生機(jī)制及其生態(tài)重要性[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2014,38(1):62-75.[SUN Yue,XU Xing-liang,YAKOV K.Mechanisms of Rhizosphere Priming Effects and Their Ecological Significance[J].Chinese Journal of Plant Ecology,2014,38(1):62-75.]

[31] 呂美蓉,李忠佩,劉明，等.長期有機(jī)無機(jī)肥配合施用土壤中添加不同肥料養(yǎng)分后土壤微生物短期變化[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2011,27(4):69-73.[Lü Mei-rong,LI Zhong-pei,LIU Ming,etal.Short-Term Effects of Addition of Different Nutrient Elements on Soil Microbe in Soil Under Long-Term Combined Application of Organic Manure and Inorganic Fertilizer[J].Journal of Ecology and Rural Environment,2011,27(4):69-73.]

[32] GUO L J,LIN S,LIU T Q,etal.Effects of Conservation Tillage on Topsoil Microbial Metabolic Characteristics and Organic Carbon Within Aggregates Under a Rice (OryzasativaL.):Wheat (TriticumaestivumL.) Cropping System in Central China[J].PLoS One,2016,11(1):e0146145.

[33] 李晨華,張彩霞,唐立松,等.長期施肥土壤微生物群落的剖面變化及其與土壤性質(zhì)的關(guān)系[J].微生物學(xué)報(bào),2014,54(3):319-329.[LI Chen-hua,ZHANG Cai-xia,TANG Li-song,etal.Effect of Long-Term Fertilizing Regime on Soil Microbial Diversity and Soil Property[J].Acta Microbiologica Sinica,2014,54(3):319-329.]

CarbonMetabolismDiversityCharacteristicsofSoilMicrobeAffectedbyWheatStrawIncorporationPattern.

ZHOU Yun-lai1,2, ZHANG Zhen-hua1, FAN Ru-qin1, QIAN Xiao-qing2, LU Xin1, LIU Li-zhu1

(1.Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China; 2.School of Environmental Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225100, China)

Straw incorporation is an important measure to improve soil carbon sequestration potential in paddy fields. The research to characterize soil microbial biomass carbon metabolism as affected by straw incorporation method or pattern means significantly to utilization of crop straw and soil carbon sequestration. To explore effects of straw incorporations different in pattern on soil microbiological characteristics, four treatments were designed, i. e. incorporation of straw used as padding of a fermentation bed (SP), incorporation of carbonized straw or biochar as supplement to chemical fertilization (BR), incorporation of straw plus composted pig dung (OF) and chemical fertilization (CF), in addition to CK (no fertilization), for the field experiment of the study. All the treatments were equivalently the same in N application rate. The biology-ECO technology was used to reveal diversity of soil microbial community structure, and PCA performed to characterize variation of the soil microbial community structure. Results show that straw incorporation pattern was an important factor affecting soil microbial carbon metabolism in characteristic. Treatment OF was obviously higher than all the other ones in effect on soil microbial carbon metabolism capacity, microbial diversity and saccharides, amino acid, polymers and amine utilization rates, and Treatment SP was much lower than Treatments OF and BR in effect on soil microbe. Straw incorporation pattern could also significantly affect soil microbial carbon utilization in the top soil layer (0-5 cm) and sub-surface soil layer (>5-10 cm), but not so much in the subsoil layer (>10-20 cm). It also affected soil microbial diversity. Compared with Treatments CF and BR, Treatments OF and SP improved soil microbial diversity. It is, therefore, held that OF and BR may significantly improve soil microbial carbon metabolism diversity and soil microbial carbon utilization within a short period of time.

straw-incorporation; biochar; fermentation bed padding; Biolog-ECO

2016-09-29

國家自然科學(xué)基金(41401259); 江蘇省自然科學(xué)基金(BK20161379); 江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新基金〔CX(17)3019〕

① 共同第一作者E-mail: zhenhuaz70@hotmail.com

② 通信作者E-mail: fanruqin2007@126.com

Q143; S154.36

A

1673-4831(2017)10-0913-08

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.10.007

周運(yùn)來(1990—)，男，安徽阜陽人，碩士生，研究方向?yàn)檗r(nóng)田土壤環(huán)境與植物營養(yǎng)。E-mail: 1102279384@qq.com

責(zé)任編輯： 李祥敏)