黃土丘陵區(qū)不同施肥處理對(duì)土壤微生物特性的影響

梁楚濤,張嬌陽,艾澤民,肖 列,薛 萐1,,*

1 中國(guó)科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,楊凌 712100 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100085 3 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,楊凌 712100

黃土高原土壤貧瘠,已成為該區(qū)作物產(chǎn)量提高的一個(gè)重要限制因素[1]。而隨著人口的快速增加,特別是退耕還林政策的實(shí)施,該區(qū)域面臨著嚴(yán)重的糧食供應(yīng)問題,截至2008年,黃土高原地區(qū)已退耕土地483萬hm2,局部已出現(xiàn)人-糧關(guān)系緊張的局面[2]。施肥由于可明顯地改善土壤理化性質(zhì)、增加土壤肥力,調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分循環(huán),提高作物產(chǎn)量[3-4],越來越受到人們的重視。但由于肥料種類的不同,長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤質(zhì)量的影響也存在較大差異,如一些研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期使用無機(jī)肥會(huì)導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降,農(nóng)業(yè)污染加重[4-5]。如何合理培肥,保持糧食產(chǎn)量、土壤質(zhì)量和環(huán)境之間的友好發(fā)展已成為研究的重點(diǎn)。

土壤微生物群落被認(rèn)為是土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)警及敏感指標(biāo),用來指示土壤質(zhì)量變化。施用的肥料可以通過影響土壤化學(xué)成分引起土壤微生物活性、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)改變,也可以通過改變土壤的物理性狀影響地上植被的生長(zhǎng)狀況,從而間接地影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[4]。有研究表明施肥管理可以迅速地影響土壤呼吸、微生物量及其他土壤性質(zhì)[6]。近年來,許多學(xué)者也開展了不同地區(qū)長(zhǎng)期施肥對(duì)微生物量碳氮[6-7]、微生物多樣性[8-9]、微生物活性[10]和酶活性[11-12]等方面影響的研究。Kama等[13]在肯尼亞的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),氮磷混施降低了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的多樣性,有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)肥混施能明顯影響微生物群落結(jié)構(gòu)。Zheng等[14]在中國(guó)北部沙壤土的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),氮磷鉀混施對(duì)于FAMEs含量影響不顯著,有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)肥混施對(duì)微生物群落的FAMEs含量影響最大。Yu等[15]在淋溶土地上的施肥研究發(fā)現(xiàn),無機(jī)肥的施用抑制生長(zhǎng),有機(jī)肥促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)。張煥軍等[16]在對(duì)潮土的研究中發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施用有機(jī)肥改變了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu),提高了細(xì)菌數(shù)量,降低了放線菌含量,而對(duì)真菌數(shù)量沒有明顯影響,陸海飛等[17]對(duì)紅壤性水稻土的研究中發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期有機(jī)無機(jī)肥配施可顯著提高土壤細(xì)菌多樣性。由此發(fā)現(xiàn),由于氣候條件、土壤類型以及耕作施肥的差異,無機(jī)肥對(duì)土壤微生物特性的影響結(jié)果不一致；但有機(jī)肥和有機(jī)肥與化肥混施對(duì)微生物影響的研究結(jié)果基本一致,表現(xiàn)為促進(jìn)作用。

盡管關(guān)于施肥對(duì)土壤微生物影響的研究報(bào)道較多,但關(guān)于黃土丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有很大的比重的川地農(nóng)田,在這方面研究較少,尤其是長(zhǎng)期施肥后土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化及施肥對(duì)土壤質(zhì)量影響方面的報(bào)道更是缺乏。因此,探究施肥對(duì)農(nóng)田微生物群落變化特征的影響,評(píng)價(jià)土壤性質(zhì)變化及指導(dǎo)作物產(chǎn)量變化的分析具有重要意義。本試驗(yàn)以黃土丘陵區(qū)安塞野外試驗(yàn)站川地長(zhǎng)期肥料試驗(yàn)樣地的土壤為研究對(duì)象,分析不同施肥處理對(duì)土壤微生物群落多樣性及其活性的影響,明確影響土壤微生物學(xué)特征的關(guān)鍵因子,以期為該區(qū)域農(nóng)田系統(tǒng)進(jìn)行土壤質(zhì)量評(píng)價(jià),建立合理施肥制度、提高土地生產(chǎn)力提供數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)于2011年在中國(guó)科學(xué)院安塞水土保持綜合試驗(yàn)站進(jìn)行,該站位于黃土高原中部(109°19′23″E,36°51′30″N),海拔1068—1309m。屬暖溫帶半干旱氣候,年均溫8.8℃,有效積溫(>10 ℃)為3114℃,年均降雨量535mm,60%的降水集中在7—9月,且多暴雨,干燥度1.48；無霜期160d。地貌類型為典型的梁峁?fàn)钋鹆隃羡謪^(qū),溝壑密度8.06km/km2。土壤類型處于黃綿土與沙黃土交錯(cuò)區(qū),地帶性土壤為黑壚土,絕大部分已流失,黃土母質(zhì)廣泛出露地表,主要為黃綿土。養(yǎng)分比較貧瘠,氮、磷缺乏,鉀富足。受自然條件和人類活動(dòng)共同影響,水土流失嚴(yán)重。因無灌溉條件,靠天然降水,屬雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)地區(qū),農(nóng)作制一年一熟,以秋作物為主。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

所選樣地位于墩灘川地養(yǎng)分長(zhǎng)期定位試驗(yàn)場(chǎng),從1997年開始設(shè)置,為旱地,輪作方式為玉米-玉米-大豆。樣地面積378m2,每塊小區(qū)為14m2。本研究選擇8個(gè)處理：CK(對(duì)照)、N(氮肥)、P(磷肥)、M(有機(jī)肥)、NP(氮肥和磷肥配施)、MN(有機(jī)肥和氮肥配施)、MP(有機(jī)肥和磷肥配施)和MNP(有機(jī)肥、氮肥和磷肥配施)。小區(qū)隨機(jī)區(qū)組排列,每個(gè)處理布設(shè)了3塊樣地重復(fù)。有機(jī)肥用冬羊糞,氮肥為尿素,磷肥為過磷酸鈣,施肥量分別為N：97.5kg/hm2；P：75.0kg/hm2；M：有機(jī)肥(羊糞)7500kg/hm2。施肥方法為將有機(jī)肥和磷肥做種肥一次施入,尿素做種肥施總量的20%,余下80%的尿素在玉米大喇叭口期與抽雄期之間追施。

1.3 樣品的采集與測(cè)試分析

待作物收獲后,于2012年10月19日,采用S型取樣法采取了0—20cm和20—40cm兩層的土壤,裝在布袋中立即送回實(shí)驗(yàn)室保存。剔除根系和凋落物后,分為2份,一份風(fēng)干,然后分別過0.25mm篩和1mm篩。過0.25mm篩的用于測(cè)定土壤有機(jī)碳、全氮、全磷,過1mm篩的用于測(cè)pH、速效磷和堿解氮。另一份鮮土樣過2mm篩然后再分兩份,一部分放4℃冰箱貯存用于基礎(chǔ)呼吸和誘導(dǎo)呼吸；另一部分貯存于-80℃冰箱用于磷脂脂肪酸測(cè)定。

土壤理化性質(zhì)采用常規(guī)測(cè)定方法[18]。土壤有機(jī)碳用重鉻酸鉀氧化-外加熱法；土壤全氮采用凱氏定氮法；土壤全磷采用硫酸-高氯酸消煮,鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；土壤速效磷采用碳酸氫鈉提取鉬銻抗比色法測(cè)定；pH值用pH計(jì)測(cè)定(水∶土=2.5∶1)。

土壤基礎(chǔ)呼吸(BR)和誘導(dǎo)呼吸(SIR)的測(cè)定參考Hueso等[19]采用紅外氣體分析儀測(cè)定。土壤微生物磷脂脂肪酸采用修正的Blight-Dyer法[20],取3.0g凍干土樣,通過氯仿-甲醇-檸檬酸緩沖液振蕩提取總脂,采用硅膠柱分離,分別以氯仿、丙酮、甲醇洗脫,收集甲醇分離液。甲脂化后,以酯化的C19:0為內(nèi)標(biāo),用氣相色譜儀(GC7890A,Agilent Technologies) 進(jìn)行測(cè)定,應(yīng)用美國(guó)MIDI公司開發(fā)的Sherlock MIS4. 5系統(tǒng)分析鑒定微生物類群。PLFA的總量和單個(gè)PLFA的量可根據(jù)內(nèi)標(biāo)C19: 0進(jìn)行計(jì)算,用nmol/g干土表示。

本文常見的13:0 iso、13:0 anteiso、14:0 iso、14:0 anteiso、15:1 iso w9c、15:0 iso、15:0 anteiso、16:0 iso、17:1 iso w9c、17:0 iso、17:0 anteiso、19:0 anteiso、22:0 iso表征革蘭氏陽性菌；12:1 w4c、15:1 w8c、17:1 w8c、18:1 w9c、18:1 w7c、19:0 cyclo w7c、20:1 w9c、22:1 w9c表征革蘭氏陰性菌；16:0 10-methyl、17:1 w7c 10-methyl、17:0 10-methyl、18:0 10-methyl表征放線菌；18:2 w6c表征真菌。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)施肥處理下各樣地土壤呼吸、誘導(dǎo)呼吸、代謝熵、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)；利用三因素方差分析檢測(cè)氮肥、磷肥和有機(jī)肥對(duì)各指標(biāo)的影響程度及其交互作用；利用R軟件中Redundancy analysis(RDA)分析環(huán)境因素對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)變異的解釋程度及影響程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥對(duì)土壤呼吸的影響

0—20cm和20—40cm的基礎(chǔ)呼吸、誘導(dǎo)呼吸的變化趨勢(shì)基本一致,且0—20cm的呼吸強(qiáng)度和誘導(dǎo)呼吸強(qiáng)度高于20—40cm(圖1)。0—20cm土層中,與CK相比,除M和NP處理外,其余各處理均顯著提高了土壤的基礎(chǔ)呼吸,呼吸強(qiáng)度增幅達(dá)31.18%—53.76%；20—40cm土層中,與CK相比,僅MP和MNP處理對(duì)基礎(chǔ)呼吸強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響(P<0.05),其余各處理均無顯著性差異(圖1)。

耕作層各處理與CK相比,只有NP未對(duì)誘導(dǎo)呼吸產(chǎn)生顯著影響,其余各處理顯著增強(qiáng)土壤的誘導(dǎo)呼吸(P<0.05)(圖1),增加幅度為40.12%—139.38%；而在20—40cm土層中,與CK相比,僅MN、MP、MNP對(duì)誘導(dǎo)呼吸產(chǎn)生顯著性影響(P<0.05),其余各配施處理對(duì)誘導(dǎo)呼吸均未產(chǎn)生顯著性影響。

圖1 不同施肥處理的土壤基礎(chǔ)呼吸和誘導(dǎo)呼吸Fig.1 basal respiration and substrate—induced respiration under different treatments同一土層不同字母表示處理之間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)

2.2 施肥對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性的影響

不同施肥處理對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)構(gòu)成產(chǎn)生顯著影響,但不同處理對(duì)不同群落結(jié)構(gòu)影響不同(表1)。其中0—20cm土層,除了NP處理對(duì)總PLFA無顯著影響外不同施肥措施均顯著增加了G-PLFA和總PLFA含量,其中PM、NPM和NM增加幅度最大；總體來說,施肥處理增加了G+PLFA、放線菌PLFA和真菌PLFA含量,但僅PM、NPM等個(gè)別處理影響達(dá)到了顯著水平。真菌/細(xì)菌僅在PM和NPM兩個(gè)處理下顯著降低,其余處理均未顯著變化。施肥處理對(duì)20—40cm土層的影響弱于0—20cm土層,僅對(duì)G-PLFA、G+PLFA、放線菌PLFA和總PLFA含量產(chǎn)生了顯著影響,對(duì)真菌PLFA和真菌/細(xì)菌未產(chǎn)生顯著影響；其中G+PLFA 和放線菌PLFA僅在PM和NPM處理中顯著增加,其余處理均為產(chǎn)生顯著變化；施肥處理總體增加了G-PLFA和總PLFA含量,但M和NP兩個(gè)處理影響并未達(dá)到顯著水平,PM、NPM和NM增加幅度高于N和P處理。

2.3 施肥處理對(duì)土壤微生物特性影響的交互作用

通過對(duì)氮肥、磷肥和有機(jī)肥三因素方差進(jìn)行分析,表明三因素對(duì)不同指標(biāo)具有不同的作用,且呈現(xiàn)不同程度的交互作用(表2)。在0—20cm土層中,氮肥因素僅對(duì)放線菌PLFA有顯著影響(P<0.05),磷肥因素僅對(duì)真菌PLFA沒有顯著影響,有機(jī)肥僅對(duì)BR沒有顯著影響。氮肥和磷肥對(duì)放線菌PLFA外的其它指標(biāo)具有顯著的交互作用,而與有機(jī)肥僅對(duì)總PLFA顯著交互作用。磷肥和有機(jī)肥對(duì)SIR、G+PLFA、細(xì)菌PLFA、放線菌PLFA和總PLFA具有顯著的交互作用,而它們和氮肥三者之間對(duì)幾個(gè)指標(biāo)均沒有顯著的交互作用。20—40cm表2說明,20—40cm土層中,氮肥因素僅對(duì)放線菌和總PLFA有顯著影響,磷肥因素處理顯著影響土壤微生物的BR、SIR和G+PLFA和放線菌PLFA(P<0.05),有機(jī)肥顯著改變除真菌外的其它指標(biāo)。氮肥和磷肥對(duì)SIR、G+PLFA、G-PLFA、真菌及總PLFA有顯著交互作用,而和有機(jī)肥的交互作用與0—20cm土層的結(jié)果相似僅對(duì)總PLFA產(chǎn)生顯著影響,磷肥和有機(jī)肥對(duì)G+、細(xì)菌、放線菌和總PLFA有顯著的交互作用,與耕層結(jié)果一致,氮肥磷肥和有機(jī)肥三者之間對(duì)幾個(gè)指標(biāo)均沒有顯著的交互作用。

表1 不同施肥處理對(duì)土壤微生物特性的影響

同一行不同字母代表處理間差異顯著;G+PLFA Gram Positive PLFA;格蘭仕陽性菌PLFA G-PLFA Galanz negative 格蘭仕陰性菌PLFA

表2 氮、磷、有機(jī)肥對(duì)微生物呼吸、土壤微生物群落影響的三因素方差分析

BR: basal respiration,代表基礎(chǔ)呼吸; SIR: substrate-induced respiration,代表誘導(dǎo)呼吸;qCO2: metabolic quotient,代表代謝熵;G+PLFA: Gram Positive PLFA,格蘭仕陽性菌PLFA; G-PLFA: Galanz negative PLFA 格蘭仕陰性菌PLFA；CK: contorl空白處理;N: Nitrogen fertilizer氮肥添加;P: Phosphorus fertilizer磷肥添加;M: Manure有機(jī)肥添加;NP: Nitrogen fertilizer + phosphorus fertilizer氮磷添加;NM: Manure + nitrogen fertilizer氮肥和有機(jī)肥添加;PM:Manure + phosphorus fertilizer磷肥和有機(jī)肥添加;NPM: Manure + nitrogen fertilizer + phosphorus fertilizer氮磷和有機(jī)肥添加

2.4 微生物群落結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動(dòng)因素

在0—20cm土層中,對(duì)施肥處理樣地的土壤微生物群落PLFAs進(jìn)行主成分分析,結(jié)果表明(圖2),主成分1(PC1)對(duì)總PLFAs數(shù)據(jù)變異的貢獻(xiàn)率為24.3%,主成分2(PC2)對(duì)總PLFAs數(shù)據(jù)變異的貢獻(xiàn)率為19.37%,累計(jì)貢獻(xiàn)率為43.67%。各施肥處理在圖中上分別成簇出現(xiàn),主成分1和主成分2基本上能把不同施肥處理區(qū)分開,但是NP與NM的樣點(diǎn)分布部分重合,表明施肥處理改變了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)。

圖2 0—20cm土壤各菌群磷脂脂肪酸(PLFAs)和環(huán)境因子的冗余分析Fig.2 Redundancy analysis of soil microbial PLFAs in 0—20cm and environmental variables CK樣地包括sit1、sit2、sit3；N樣地包括：sit4、sit5、sit6；P樣地包括：sit7、sit8、sit9；M樣地包括：sit10、sit11、sit12；NP樣地包括：sit13、sit14、sit15；NM樣地包括：sit16、sit17、sit18；PM樣地包括：sit19、sit20、sit21；NPM樣地包括： sit22、sit23、sit24。TPLFA：Total PLFA代表總PLFA含量,GP：Gram Positive代表革蘭氏陽性菌PLFA含量,GN：Gram Negative代表革蘭氏陰性菌PLFA含量,Fungi：真菌PLFA含量,Actinomycetes：放線菌PLFA含量,BR：基礎(chǔ)呼吸強(qiáng)度,SIR：誘導(dǎo)呼吸強(qiáng)度;******依次表示P≤0.001,0.001

在0—20cm土層中,以土壤微生物和土壤性質(zhì)為因子進(jìn)行冗余分析,土壤性質(zhì)選取土壤有機(jī)碳(TOC)、總氮(TN)、總磷(TP)、堿解氮、pH、速效磷(aP)6個(gè)環(huán)境因子,對(duì)不同施肥處理的土壤微生物特性進(jìn)行冗余分析。其中,第一軸解釋了58.46%的變異,第二軸解釋了4.7%的變異(如圖2)。結(jié)果表明,土壤因子中全磷和速效磷對(duì)于土壤微生物特性產(chǎn)生極顯著影響,全氮和堿解氮對(duì)微生物性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。由圖2可知,pH對(duì)微生物性質(zhì)有負(fù)向作用。

在20—40cm土層中,對(duì)施肥處理樣地的土壤微生物群落PLFAs進(jìn)行主成分分析,結(jié)果表明(圖3),主成分1(PC1)對(duì)總PLFAs數(shù)據(jù)變異的貢獻(xiàn)率為19.63%,主成分2(PC2)對(duì)總PLFAs數(shù)據(jù)變異的貢獻(xiàn)率為17.16%,累計(jì)貢獻(xiàn)率為36.79%。主成分1和主成分2基本上能把不同施肥處理區(qū)分開,但是對(duì)照CK與NP配施出現(xiàn)分布重合。

在20—40cm土層中,同樣以土壤微生物和土壤性質(zhì)為因子進(jìn)行冗余分析,土壤性質(zhì)選取土壤有機(jī)碳(TOC)、總氮(TN)、總磷(TP)、堿解氮、pH、速效磷(aP)6個(gè)環(huán)境因子,對(duì)不同施肥處理的土壤微生物特性進(jìn)行冗余分析。其中,第一軸解釋61.6%的變異,第二軸解釋14.96%的變異(如圖3)。結(jié)果表明,土壤因子中速效磷對(duì)于土壤微生物特性產(chǎn)生極顯著影響,有機(jī)質(zhì)、全磷和堿解氮對(duì)微生物性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。由圖3可知,與0—20cm土層一致,pH對(duì)微生物性質(zhì)有負(fù)向作用。

圖3 20—40cm土壤各菌群磷脂脂肪酸(PLFAs)和環(huán)境因子的冗余分析Fig.3 Redundancy analysis of soil microbial PLFAs in 20—40cm and environmental variableCK樣地包括sit1、sit2、sit3；N樣地包括：sit4、sit5、sit6；P樣地包括：sit7、sit8、sit9；M樣地包括：sit10、sit11、sit12；NP樣地包括：sit13、sit14、sit15；NM樣地包括：sit16、sit17、sit18；PM樣地包括：sit19、sit20、sit21；NPM樣地包括： sit22、sit23、sit24。TPLFA：Total PLFA代表總PLFA含量,GP：Gram Positive代表革蘭氏陽性菌PLFA含量,GN：Gram Negative代表革蘭氏陰性菌PLFA含量,Fungi：真菌PLFA含量,Actinomycetes：放線菌PLFA含量,BR：基礎(chǔ)呼吸強(qiáng)度,SIR：誘導(dǎo)呼吸強(qiáng)度。******依次表示P≤0.001,0.001

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn),0—20cm土壤微生物的呼吸強(qiáng)度以及土壤微生物PLFA含量均比20—40cm土層高(圖1,表1),但兩個(gè)土層各指標(biāo)的變化趨勢(shì)基本一致。其主要原因是,有機(jī)和無機(jī)肥料施于0—20cm表層土壤,對(duì)微生物產(chǎn)生直接影響,并且這一土層是耕作層,植物根系多分布于這一土層,可以滿足微生物的生長(zhǎng)和繁殖需要,但是20—40cm土層中改變微生物特性的物質(zhì)來自于表層物質(zhì)下滲[21],其對(duì)土壤微生物特性的影響結(jié)果不如表層明顯。

3.1 N對(duì)于微生物特性的影響

在0—20cm土層和20—40cm土層中,單施N顯著提高土壤呼吸、G-和總磷脂脂肪酸含量,而對(duì)其他土壤微生物群落的脂肪酸含量影響不顯著。這可能是由于細(xì)菌C/N比真菌更低,這使細(xì)菌有更強(qiáng)的利用低C/N有機(jī)質(zhì)的能力[22],施用N增加土壤氮的有效性,碳氮比降低,細(xì)菌更適應(yīng)由于氮添加導(dǎo)致土壤C/N降低的環(huán)境而增加。目前長(zhǎng)期施用N肥對(duì)土壤微生物群落影響的結(jié)果不盡一致。Bardgett等[23]發(fā)現(xiàn),施用氮肥可能通過改變土壤養(yǎng)分有效性促進(jìn)細(xì)菌生長(zhǎng),從而影響微生物群落。Yu等[24]的研究則指出,氮肥對(duì)真菌的促進(jìn)作用最明顯。高明霞等[25]研究表明,長(zhǎng)期施用N對(duì)于提高提高微生物多樣性沒有顯著作用。白震等[26]研究表明,單施N不僅對(duì)細(xì)菌或真菌無顯著影響,甚至對(duì)于微生物活性和結(jié)構(gòu)影響都比較小。這可能是因?yàn)殚L(zhǎng)期施用無機(jī)氮肥,使土壤的C/N比降低,加速了土壤中原有有機(jī)碳的分解,導(dǎo)致土壤中積累的有機(jī)碳總量較少,從而不利于微生物的積累[27]。并且不同地區(qū)土壤類型不同以及施肥種類和方式的多樣性也能導(dǎo)致單施氮肥結(jié)果的差異。

3.2 P對(duì)于微生物特性的影響

在0—20cm土層中,單施P能提高微生物的活性、顯著增加G-、放線菌和總PLFA含量；在20—40cm土層中,單施P能顯著提高土壤微生物的G-和總PLFA含量。氮磷有機(jī)肥配施的革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌以及總PLFA含量均低于磷肥有機(jī)肥配施,主要原因是供試土壤作物的主要限制因子是P。施瑤等[28]在內(nèi)蒙古草原進(jìn)行6a的氮磷添加實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)磷添加有助于提高土壤總磷脂脂肪酸、細(xì)菌、放線菌的磷脂脂肪酸含量。Li等[29]發(fā)現(xiàn)磷肥能夠增加真菌、細(xì)菌的PLFA的含量,但是真菌PLFA含量比細(xì)菌增加的快。這些與本試驗(yàn)的研究結(jié)果基本一致。通過冗余分析發(fā)現(xiàn),施入的磷肥主要是以速效磷的形式對(duì)植物及微生物產(chǎn)生作用,與白震等研究結(jié)果一致[30]。并且根據(jù)RDA分析,在0—20cm土層,主要是通過全磷和速效磷對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)變化起驅(qū)動(dòng)作用,在20—40cm土層,主要通過速效磷對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)變化起驅(qū)動(dòng)作用。這可能是由于黃土丘陵區(qū)土壤貧瘠,缺乏磷肥,所以施用磷肥能對(duì)微生物群落產(chǎn)生顯著的影響。本試驗(yàn)結(jié)果表明氮磷肥混施對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響不顯著,與白震等[30]氮磷肥配施對(duì)微生物活性與結(jié)構(gòu)影響較小的結(jié)果相一致。但Kamaa等[13]研究表明,氮磷混施抑制細(xì)菌的微生物群落結(jié)構(gòu)。

3.3 M對(duì)于微生物特性的影響

在0—20cm土層,M對(duì)土壤呼吸沒有顯著影響；但在20—40cm土層中,單施有機(jī)肥顯著提高了土壤的誘導(dǎo)呼吸。單施M顯著提高0—20cm土層的G-和總PLFA含量；但在20—40cm土層,M并未對(duì)土壤微生物PLFA含量產(chǎn)生顯著性影響。通過三因素方差分析,結(jié)果表明有機(jī)肥這個(gè)因素在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中對(duì)0—20cm的土壤微生物PLFA含量產(chǎn)生顯著的影響,對(duì)20—40cm土層除真菌外的微生物PLFA含量產(chǎn)生顯著影響。張煥君等[16]在潮土的研究中發(fā)現(xiàn),有機(jī)肥的長(zhǎng)期施用提高了土壤微生物PLFA含量和細(xì)菌量卻抑制放線菌的生長(zhǎng)。Zhong等[31]認(rèn)為有機(jī)肥施用會(huì)顯著增加土壤細(xì)菌和放線菌的生物量。張奇春等[32]采用室內(nèi)恒溫培養(yǎng)法發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥顯著增加了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的多樣性。分析其產(chǎn)生影響可能原因有：(1) 有機(jī)肥的施用提高了土壤中有機(jī)質(zhì)的含量,而有機(jī)質(zhì)既含有相當(dāng)數(shù)量的碳、氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素,又具有改善土壤理化性狀和土壤的結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力的作用,為微生物生長(zhǎng)提供了良好的環(huán)境,從而促進(jìn)微生物結(jié)構(gòu)的多樣性和活性[33]；(2) 有機(jī)肥本身含有大量活的微生物、活性有機(jī)碳源和能源,會(huì)起到“接種”和“導(dǎo)入”作用[34]。

本試驗(yàn)結(jié)果表明,有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)土壤微生物活性及結(jié)構(gòu)影響顯著。Yuan等[35]對(duì)施肥超過25年的稻田進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)有機(jī)無機(jī)混施能增加微生物群落多樣性。這與本試驗(yàn)的結(jié)果相一致,與其他施肥處理相比,有機(jī)無機(jī)混施,明顯改變微生物的群落結(jié)構(gòu)。有機(jī)無機(jī)肥配合施用能提高微生物活性及改變微生物群落結(jié)構(gòu)的原因是施肥增加根系生物量及根系分泌物,促進(jìn)微生物生長(zhǎng)繁殖,使土壤微生物量碳、氮含量明顯高于單施化肥的處理[36]。因此,長(zhǎng)期有機(jī)無機(jī)肥配施能通過提高土壤細(xì)菌多樣性,并改變土壤細(xì)菌和真菌的群落結(jié)構(gòu),提高土壤酶活性,進(jìn)而提高了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力并對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康有改善作用[2]。

4 結(jié)論

由于黃土丘陵區(qū)土壤貧瘠,土壤質(zhì)量較差,通過分析可知P作為本區(qū)土壤的限制因子,施加P顯著增加土壤呼吸強(qiáng)度,改變了微生物群落結(jié)構(gòu),并且施用P肥以速效磷形式對(duì)微生物特性的變化起主要驅(qū)動(dòng)作用。在黃土丘陵區(qū)農(nóng)田,長(zhǎng)期施用NPM有助于提高土壤微生物的特性,從而改善了土壤的生態(tài)環(huán)境,進(jìn)而增強(qiáng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和健康。建立科學(xué)的施肥制度,通過有機(jī)無機(jī)配施等培肥措施提高土壤肥力的同時(shí)改善土壤生物學(xué)特性對(duì)于促進(jìn)土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、健康以及糧食產(chǎn)量有重要意義。

參考文獻(xiàn)(References):

[1] 陳磊, 郝明德, 張少民. 黃土高原長(zhǎng)期施肥對(duì)小麥產(chǎn)量及肥料利用率的影響. 麥類作物學(xué)報(bào), 2006, 26(5): 101- 105.

[2] Chen Y P, Wang K B, Lin Y S, Shi W Y, Song Y, He X H. Balancing green and grain trade. Nature Geoscience, 2015, 8(10): 739- 741.

[3] Marschner P, Kandeler E, Marschner B. Structure and function of the soil microbial community in a long-term fertilizer experiment. Soil Biology and Biochemistry, 2003, 35(3): 453- 461.

[4] 胡亞林, 汪思龍, 顏紹馗. 影響土壤微生物活性與群落結(jié)構(gòu)因素研究進(jìn)展. 土壤通報(bào), 2006, 37(1): 170- 176.

[5] 李娟, 趙秉強(qiáng), 李秀英, 姜瑞波, So H B. 長(zhǎng)期不同施肥制度下幾種土壤微生物學(xué)特征變化. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 32(4): 891- 899.

[6] 臧逸飛, 郝明德, 張麗瓊, 張昊青. 26年長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤微生物量碳、氮及土壤呼吸的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(5): 1445- 1451.

[7] 徐一蘭, 唐海明, 肖小平, 郭立君, 李微艷, 孫繼民. 長(zhǎng)期施肥對(duì)雙季稻田土壤微生物學(xué)特性的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào). 2016, 36(18): 5847- 5855.

[8] 唐海明, 肖小平, 李微艷, 孫耿, 程凱凱. 長(zhǎng)期施肥對(duì)雙季稻田根際土壤微生物群落功能多樣性的影響. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2016, 25(3): 402- 408.

[9] 樊曉剛, 金軻, 李兆君, 榮向農(nóng). 不同施肥和耕作制度下土壤微生物多樣性研究進(jìn)展. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2010, 16(3): 744- 751.

[10] 李東坡, 武志杰, 陳利軍. 有機(jī)農(nóng)業(yè)施肥方式對(duì)土壤微生物活性的影響研究. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2005, 13(2): 99- 101.

[11] Bhattacharyya P, Chakrabarti K, Chakraborty A. Microbial biomass and enzyme activities in submerged rice soil amended with municipal solid waste compost and decomposed cow manure. Chemosphere, 2005, 60(3): 310- 318.

[12] 李晨華, 賈仲君, 唐立松, 吳宇澄, 李彥. 不同施肥模式對(duì)綠洲農(nóng)田土壤微生物群落豐度與酶活性的影響. 土壤學(xué)報(bào), 2012, 49(3): 567- 574.

[13] Kammaa M, Mburu H, Blanchart E, Chibole L, Chotte J L, Kibunja C, Lesueur D. Effects of organic and inorganic fertilization on soil bacterial and fungal microbial diversity in the Kabete long-term trial, Kenya. Biology and Fertility of Soil, 2011, 47(3): 315- 321.

[14] Zheng S X, Hu J L, Jiang X F, Ji F Q, Zhang J B, Yu Z N, Liu X G. Long-term fertilization regimes influence FAME profiles of microbial communities in an arable sandy loam soil in Northern China. Pedobiologia, 2013, 56(4/6): 179- 183.

[15] Yu W T, Bi M L, Xu Y G, Zhou H, Ma Q, Jiang C M. Microbial biomass and community composition in a Luvisol soil as influenced by long-term land use and fertilization. CATENA, 2013, 107: 89- 95.

[16] 張煥軍, 郁紅艷, 丁維新. 長(zhǎng)期施用有機(jī)無機(jī)肥對(duì)潮土微生物群落的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(12): 3308- 3314.

[17] 陸海飛, 鄭金偉, 余喜初, 周惠民, 鄭聚鋒, 張旭輝, 劉曉雨, 程琨, 李戀卿. 長(zhǎng)期無機(jī)有機(jī)肥配施對(duì)紅壤性水稻土微生物群落多樣性及酶活性的影響. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2015, 21(3): 632- 643.

[18] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2001.

[19] Hueso S, Hernández T, García C. Resistance and resilience of the soil microbial biomass to severe drought in semiarid soils: The importance of organic amendments. Applied Soil Ecology, 2011, 50: 27- 36.

[20] Frostegard A, Baath E, Tunlid A. Shifts in the structure of soil microbial communities in limed forests as revealed by phospholipid fatty acid analysis. Soil Biology and Biochemistry, 1993, 25(6): 723- 730.

[21] Li C H, Yan K, Tang L S, Jia Z J, Li Y. Change in deep soil microbial communities due to long-term fertilization. Soil Biology and Biochemistry, 2014, 75: 264- 272.

[22] 趙超, 王文娟, 阮宏華, 葛之葳, 徐長(zhǎng)柏, 曹國(guó)華. 氮添加對(duì)楊樹人工林表層土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 43(6): 83- 88.

[23] Bardgett R D, Lovell R D, Hobbs P J, Jarvis S C. Seasonal changes in soil microbial communities along a fertility gradient of temperate grasslands. Soil Biology and Biochemistry, 1999, 31(7): 1021- 1030.

[24] Yu C, Hu X M, Deng W, Li Y, Xiong C, Ye C H, Han G M, Li X. Changes in soil microbial community structure and functional diversity in the rhizosphere surrounding mulberry subjected to long-term fertilization. Applied Soil Ecology, 2015, 86: 30- 40.

[25] 高明霞, 孫瑞, 崔全紅, 楊學(xué)云, 張樹蘭, 孫本華. 長(zhǎng)期施用化肥對(duì)塿土微生物多樣性的影響. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2015, 21(6): 1572- 1580.

[26] 白震, 張明, 閆穎, 鄭立臣, 張旭東. 長(zhǎng)期施用氮、磷及有機(jī)肥對(duì)農(nóng)田黑土PLFA的影響. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào): 農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版, 2008, 34(1): 73- 80.

[27] Parham J A, Deng S P, Da H N, Sun H Y, Raun W R. Long-term cattle manure application in soil. II. Effect on soil microbial populations and community structure. Biology and Fertility of Soils, 2003, 38(4): 209- 215.

[28] 施瑤, 王忠強(qiáng), 張心昱, 孫曉敏, 劉希玉, 何念鵬, 庾強(qiáng). 氮磷添加對(duì)內(nèi)蒙古溫帶典型草原土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 34(17): 4943- 4949.

[29] Li J, Li Z A, Wang F M, Zou B, Chen Y, Zhao J, Mo Q F, Li Y W, Li X B, Xia H P. Effects of nitrogen and phosphorus addition on soil microbial community in a secondary tropical forest of China. Biology and Fertility of Soils, 2015, 51(2): 207- 215.

[30] 白震, 張明, 宋斗妍, 劉寧, 張旭東. 長(zhǎng)期施肥對(duì)農(nóng)田黑土微生物群落的影響. 中國(guó)科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào), 2008, 25(4): 479- 486.

[31] Zhong W H, Gu T, Wang W, Zhang B, Lin X G, Huang Q R, Shen W S. The effects of mineral fertilizer and organic manure on soil microbial community and diversity. Plant and Soil, 2010, 326(1/2): 511- 522.

[32] 張奇春, 王雪芹, 時(shí)亞南, 王光火. 不同施肥處理對(duì)長(zhǎng)期不施肥區(qū)稻田土壤微生物生態(tài)特性的影響. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2010, 16(1): 118- 123.

[33] Debosz K, Rasmussen P H, Pedersen A R. Temporal variations in microbial biomass C and cellulolytic enzyme activity in arable soils: effects of organic matter input. Applied Soil Ecology, 1999, 13(3): 209- 218.

[34] 郭蕓, 孫本華, 王穎, 魏靜, 高明霞, 張樹蘭, 楊學(xué)云. 長(zhǎng)期施用不同肥料塿土PLFA指紋特征. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2017, 50(1): 94- 103.

[35] Yuan H Z, Ge T D, Zhou P, Liu S L, Roberts P, Zhu H H, Zou Z Y, Tong C L, Wu J S. Soil microbial biomass and bacterial and fungal community structures responses to long-term fertilization in paddy soils. Journal of Soil and Sediments, 2013, 13(5): 877- 886.