長期秸稈還田對水旱輪作土壤結(jié)構(gòu)及微生物多樣性的影響

鄧巧玲，何俊峰，李繼福，吳啟俠

(長江大學農(nóng)學院，湖北 荊州 434025)

鄒家龍

(湖北省荊州市農(nóng)技推廣中心，湖北 荊州 434025)

胡義濤，黃帥

(長江大學農(nóng)學院，湖北 荊州 434025)

作物秸稈含有豐富的碳及氮、磷、鉀和中微量營養(yǎng)元素，是一種重要的有機質(zhì)資源[1,2]。國內(nèi)外學者就秸稈還田對土壤物理、化學和生物學特性的影響進行了大量研究，基本明確了秸稈還田在提高土壤肥力和改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境方面具有積極作用[3～6]。其中，土壤微生物群落多樣性是評價土壤質(zhì)量變化的重要指標。研究表明，微生物在土壤生物化學循環(huán)過程中起著重要的驅(qū)動作用[7]，能夠促進有機物料的降解和腐殖化，而長期施用有機肥亦會引起農(nóng)田環(huán)境變化，進而導(dǎo)致土壤微生物量、種類分布和優(yōu)勢菌落發(fā)生變化以適應(yīng)新的土壤環(huán)境[8]。

土壤團聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，其穩(wěn)定性直接影響土壤的通透性和微生物的生存環(huán)境[9]。劉威等[10]研究發(fā)現(xiàn)，免耕秸稈覆蓋和秸稈翻壓還田均有利于微小團聚體向較大團聚體轉(zhuǎn)化，增加>0.25mm徑級的水穩(wěn)性團聚體比例。此外，不同粒級團聚體的物理化學特性以及養(yǎng)分保持和供應(yīng)能力均存在差異，這直接影響其中的微生物生物量、多樣性及功能。王丹等[11]研究表明，秸稈還田顯著改變了2～0.2mm和0.2～0.02mm顆粒組中細菌和真菌的群落結(jié)構(gòu)，而且由團聚體粒組自身帶來的微生物多樣性的變異遠大于施肥措施引起的變異。Puget等[12]研究表明，大團聚體比小團聚體含有更多的易分解有機碳和氮，且大團聚體含量與微生物生物量碳、氮含量成極顯著正相關(guān)關(guān)系。稻-麥和稻-油是中國南方稻田水旱輪作區(qū)主要的輪作制度。近年來，中國南方開展了不少秸稈還田的研究，而關(guān)于長期水旱輪作制下秸稈還田對土壤理化和生物性質(zhì)影響的研究還比較薄弱[13]。因此，本研究以湖北江漢平原7年稻-油輪作定位田間試驗的水稻土為研究對象，采用干濕團聚體分析、Biolog生態(tài)微平板法和磷脂脂肪酸法等技術(shù)探究秸稈還田對油菜季土壤結(jié)構(gòu)和微生物多樣性的影響，以期為水稻-油菜輪作區(qū)秸稈還田技術(shù)應(yīng)用及微生物活性的響應(yīng)機制提供科學參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)位于湖北省荊州市荊州區(qū)川店鎮(zhèn)(N 30°33′25″，E 112°4′53″，海拔80m)，為河流沖積物發(fā)育的水稻土，2011年水稻季開始進行水旱輪作肥效定位試驗，采用一年兩熟的中稻-冬油菜輪作模式。試驗前耕層(0～20cm)土壤pH 5.97、含有機質(zhì)26.9g/kg、全氮0.61g/kg、堿解氮107.45mg/kg、有效磷8.1mg/kg和速效鉀164.8mg/kg。土壤質(zhì)地分級(美國制)為粉粒61.0%、黏粒35.5%和砂粒3.5%，屬粉質(zhì)黏壤土[14]。

1.2 試驗設(shè)計

本研究選取其中2個處理[14]，即：(1)NPK(-S)，施用氮磷鉀肥、秸稈不還田；(2)NPK+S(+S)，施用氮磷鉀肥、秸稈還田。各處理3次重復(fù)，小區(qū)面積20m2，隨機區(qū)組排列，S表示還田秸稈。水稻和油菜每季的肥料施用量均保持一致，即：N 180kg/hm2、P2O590kg/hm2、K2O 120kg/hm2和B 15kg/hm2。肥料品種有尿素(46% N)、過磷酸鈣(12% P2O5)、氯化鉀(60% K2O)和硼砂(11% B)。水稻季氮肥分3次施用，基肥∶蘗肥∶穗肥=2∶1∶1；磷肥和鉀肥在水稻移栽前一次性基施。冬油菜季氮肥分3次施用，基肥∶越冬肥∶蕾薹肥=3∶1∶1；磷、鉀和硼肥一次性基施。本研究截取2016～2017年油菜季相關(guān)數(shù)據(jù)，以研究長期秸稈還田對土壤結(jié)構(gòu)及微生物多樣性的影響。

圖1 2016～2017年油菜季氣溫和降雨量

試驗所用水稻和油菜品種均為當?shù)刂魍破贩N，分別為鄂科1號和華油雜15號。試驗期間農(nóng)田月均氣溫和降雨情況如圖1所示。田間生產(chǎn)管理均按當?shù)剞r(nóng)業(yè)技術(shù)推廣部門的推薦措施進行，并適時防治病蟲害。

1.3 樣品采集與測定

2017年5月2日油菜收獲時，按照S型采集各處理耕層土樣，混勻。將土樣分為2部分，一部分用手輕輕掰成<10mm的小土塊，自然風干并剔除其中石塊、根系，用于土壤團聚體的測定；一部分土樣過2mm篩，-70℃冰箱保存。采用Biolog生態(tài)微平板法(Biolog EcoPlate)測定土壤微生物群落功能多樣性；采用磷脂脂肪酸分析法(PLFA)測定微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性。

團聚體分級：將一定重量風干土樣通過孔徑依次為5、2、1、0.5m和0.25mm套篩，分別稱重計算出各級干篩團聚體占土壤總量百分率，并按干篩的比例配成60g風干土樣。用Elliott土壤團聚體濕篩法[15]獲得不同粒徑的水穩(wěn)性團聚體。

式中：Wi表示在該尺寸范圍內(nèi)土壤團聚體干重占總干重的比例，%；n表示篩子的數(shù)目；Xi表示聚集在每一個尺寸篩子的平均直徑，mm。

分形維數(shù)(PSD)的計算公式[16]：

Biolog生態(tài)微平板法：稱取5g新鮮土壤于100mL聚乙烯瓶中，加入45mL無菌去離子水，4℃下充分振蕩60min，靜置3min后用無菌去離子水配制成10-3土壤懸浮液。用8通道加樣槍吸取土壤懸浮液150μL至ECO板的微孔中，每12h測定590nm處光度值，直至讀數(shù)穩(wěn)定為止，一般培養(yǎng)240h，利用每孔吸光度值計算平均光密度值(average well colour development，AWCD)[4]。

磷脂脂肪酸分析法：稱取4.0g新鮮土樣，利用Blight/Dyer法通過氯仿-甲醇-檸檬酸緩沖液(體積比1∶2∶0.8)振蕩提取總脂，經(jīng)硅膠柱層析(CNWBOND Si SPE Cartridge)分離得到磷脂脂肪酸，將得到的磷脂脂肪酸甲脂化，然后采用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)分析磷脂脂肪酸的組成[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS計算和處理，LSD法檢驗P<0.05水平上的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈還田對土壤理化性質(zhì)的影響

表1 秸稈還田對土壤理化性質(zhì)的影響

秸稈還田對土壤養(yǎng)分含量和通透性的影響如表1所示，與-S處理相比，秸稈還田能夠顯著增加耕層土壤有機質(zhì)、有效磷和速效鉀含量，增幅分別為15.2%、23.2%和41.0%，而堿解氮含量差異不顯著。這是由于作物秸稈含有大量的碳和磷、鉀元素，經(jīng)過多年的還田處理和微生物降解，能夠提高土壤養(yǎng)分的有效性[5]。連續(xù)進行秸稈還田還能夠降低耕層土壤容重、增加土壤通氣孔隙度和含水量，但對總孔隙度和毛管孔隙度沒有顯著性影響。

2.2 秸稈還田對土壤團聚體分布的影響

圖2A表明各處理粒徑團聚體含量的分布呈現(xiàn)“兩頭高中間低”的趨勢，即為：< 0.25mm團聚體含量最高；其次為>5mm和0.25～0.5mm。與-S處理相比，+S能夠顯著提高>5mm和0.25～0.5mm粒級的含量，增幅分別為29.1%和58.3%，這與劉威等[10]、楊如萍等[18]的研究結(jié)果基本相同。同時，秸稈還田可以明顯增加>0.25mm粒徑水穩(wěn)性團聚體含量，這可能是地上部秸稈翻壓還田及地下根系提高土壤養(yǎng)分的同時，還改善了土壤結(jié)構(gòu)，加強了土壤的團聚作用，促進土壤中微團聚體向大團聚體的轉(zhuǎn)化，進而增強土壤團聚體的穩(wěn)定性[18]。

MWD:土壤平均重量直徑，mm；GMD:土壤平均幾何直徑，mm；PSD:分形維數(shù)。圖2 土壤團聚體分布與結(jié)構(gòu)表征

土壤團聚體結(jié)構(gòu)評價結(jié)果(圖2B)顯示-S處理的MWD、GMD和PSD值分別為4.71、1.33和2.79，而+S處理的值則分別依次為5.36、1.64和2.06，處理間MWD和PSD達到顯著性差異。相關(guān)研究表明，團聚體的MWD和GMD值越大，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力也越強[19]。土壤團聚體PSD值的變化規(guī)律與土壤團聚體MWD和GMD基本相反。分形維數(shù)與土壤物理性質(zhì)有關(guān)，分形維數(shù)PSD升高，標志著土壤中粘粒含量增大，單位質(zhì)量土粒表面積增大，土壤固相對水分的吸附力增強；另一方面，在土壤孔隙比相同的情況下，PSD越大，毛細管尺寸越小，毛細管壓力越大，使得土壤結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力越差[20]。因此，秸稈翻壓還田有助于改善土壤結(jié)構(gòu)，而且隨著試驗周期延長和有機物料腐殖化，改善效果會更加明顯[21]。

2.3 秸稈還田對土壤微生物多樣性的影響

Biolog生態(tài)微平板法中最常用的參數(shù)AWCD是表征土壤微生物群落利用碳源能力強弱，反映土壤微生物碳代謝總體活性的重要指標[4]。圖3A結(jié)果顯示，-S和+S處理的AWCD值隨著培養(yǎng)時間增加均呈“S”型增加，其中50～156h的AWCD增加速率最快，156h后不同處理間碳代謝活性逐步達到最大且趨于穩(wěn)定，且表現(xiàn)為+S處理>-S處理，表明多年秸稈還田處理土壤微生物群落碳源利用能力提高，總體碳代謝活性增強。采用培養(yǎng)96h的平板微孔光密度值進行主成分分析，提取2個主成分因子并做荷載圖(圖3B)。2個主成分因子累計方差貢獻率達到84%，說明2個主成分因子可以很好地解釋秸稈還田與否土壤微生物之間的差異，其中第1主成分(PC1)的方差貢獻率為46.4%，第2主成分(PC2)的方差貢獻率為37.6%，可以看出試驗前和油菜收獲時土壤微生物群落結(jié)構(gòu)分別劃分在第1和第2象限，進一步表明長期施肥和秸稈還田均能顯著影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。

AWCD:每孔顏色變化吸收值；PC1:主成分1；PC2:主成分2；IN-S:試驗前的-S處理；IN+S:試驗前的+S處理；GP:革蘭氏陽性細菌；GN:革蘭氏陰性細菌；Act:放線菌；Fungi:真菌；AM fungi:叢枝菌根真菌；F/B PLFA ratio:真菌/細菌的磷脂脂肪酸比值圖3 土壤微生物功能和結(jié)構(gòu)多樣性

微生物群落直接而敏感地反映土壤生物活性和土壤環(huán)境的質(zhì)量變化[17]。PLFA法分析結(jié)果表明，秸稈還田能夠增加土壤PLFA量(+S處理 196.59nmol/g、-S處理 154.14nmol/g)(圖3D)。與-S處理相比，秸稈還田能夠不同程度地增加土壤中革蘭氏陽性細菌、革蘭氏陰性菌和叢枝菌根真菌含量，而放線菌和真菌含量則有一定的降低(圖3C)。真菌/細菌比可反映細菌和真菌相對含量的變化和2個種群的相對豐富程度。此外，土壤真菌與細菌脂肪酸比值越高，土壤生態(tài)系統(tǒng)越持續(xù)穩(wěn)定[22]。對于真菌與細菌的脂肪酸比值，雖然+S處理和-S處理沒有顯著性差異，但仍可以看出+S處理的真菌/細菌的脂肪酸值略高(圖3D)。說明長期秸稈還田對微生物群落的影響不僅在于微生物量的變化，也明顯影響著微生物群落結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

水旱輪作條件下，長期秸稈還田能夠提高土壤有機質(zhì)含量和NPK養(yǎng)分有效性，同時降低油菜季土壤容重，并增加土壤通透性和蓄水能力。與對照(秸稈不還田)相比，秸稈還田可顯著改善土壤水穩(wěn)性團聚體分布、增強土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗侵蝕能力，進而提升土壤肥力，并明顯提高土壤微生物總體碳代謝活性，增加細菌和叢枝菌根真菌含量及改變微生物的群落結(jié)構(gòu)多樣性。

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[編輯] 余文斌